傳感技術在農業機械自動控制系統中的運用探討

趙亮

(寶雞職業技術學院 機電信息學院, 寶雞 721013)

0 引言

農業機械化的發展將會逐漸實現機電一體化發展，而傳感器的使用是實現機電一體化的關鍵，它能夠實現快速、精準的獲得農業信息，從而實現農業的機械化操作，同時也能夠更好體現農業機械化的水平。在農業機械化使用中，實現農業機械的檢測和信息處理，主要是通過傳感器技術進行實現。

1 農業機械化中傳感器自動化控制技術

關于農業自動化機械傳感器的使用，美國、日本、德國等國家對該項技術的研究比較成熟，取得了很大的成就，像美國這樣的發達國家，比我國使用農業自動化要早，我國實現農業自動化比較晚，目前還是處于理論和探索實踐時期。自動導航就是根據傳感器傳輸的實施測量數據，提供車輛的信息和位置，之后根據這些數據做出命令決策，是向前進，還是向后退，或是轉動等行為。在實際技術上的使用包括3個方面：測量車輛的位置和姿態并進行處理；控制車輛的轉向；控制導航決策的方法。農業比較常用的車輛模型是多變量的系統形式，導航系統包括橫向的控制和縱向的控制，但是目前的農業機械化作業速度還是很低，不需要市場變動。目前，傳感器使用的導航系統有一下幾種：

(1)視覺導航

視覺導航就是將攝像頭安裝在車身上，然后根據獲得的周圍環境情況進行導航。攝像機可以收集圖像資料，之后經過處理可以指導機械進行農業行間作業，同時也能對路徑進行設計，實現車輛的自動化。

德國建筑工程監理會(KTBL)和農業技術研制了一款旋耕化的機器人，它能實現除草和播種的作業，這種機器人是使用了地壟和傳感器技術，讓機械根據地壟進行自動化作業。Mansour H A[2]等研究提出，在田間可以移動的覺性控制機器人，這種機器人主要使用視覺圖片處理技術獲得透視線，在根據透視線了解導航軌跡，使用的統計學原理，對收集到的圖片進行Hough變化和分割處理，從而模擬導航路徑，歌且研究成果穩定較好。

湖南省工程農業裝備技術研究中心也有人研究了全方位的視覺傳感器技術，它能夠對作物進行360度的分析掃描，并獲取圖像信息，根據這些信息對目標方向進行確定。這種機械原理包括的系統有計算機、全方位視覺傳感器、計算機軟件、人工標識、試驗車輛等，這種農用系統車輛可以很好的實現自動化導航。另外，也有研究提出，使用圖像掃描技術中的SF算法可以提取導航基準線，但是SF算法對處理技術要求較高，同時也對農作物之間的間隔和連續性有很高的要求，不然很容易出現圖像缺失情況，能夠在壟間作物中使用。

(2)GPS導航

GPS系統可以說話是我國各領域使用比較普遍的技術，它是由24顆衛星組成的一個較大的網路系統，可以對全球任何位置進行實時定位，同時也能進行全天候的檢測。GPS技術包括：DGPS(差分定位技術)、實時動態技術定位(RTK-GPS)。如果是在室內環境中進行農業實施，會阻擋GPS信號，造成機械作業不穩定性，所以只是使用GPS定位技術，實現的精度比較低，它需要與其他的導航技術相結合使用，才能提高精度。

(3)激光導航

激光導航在自動化駕駛農業機械中使用比較多，它的優勢就是測量的精度比較高。Liang S[4]等研究提出，將激光傳感器使用到農業機械中，可以根據感應到的不同距離，獲得工作區域的信息，從而實現自動化的導航。在西北農林科技術大學有人提出使用激光掃描儀到農業機械化中，利用激光掃描儀可以獲取果林的信息，從而實現果園農業機械自動化控制。在試車驗證中，激光傳感器具有很好的可靠性和實用性，它能夠快速的得到農業準確的信息和位置，但是沒有考慮到機械的動力學和復雜路況因素。

(4)多傳感器融合

因為農業環境是多種多樣的，所以只是使用傳感器技術進行作業已經滿足不了目前農業機械的需求。將多種傳感器技術相融合，建立一個多個傳感器結合的系統，可以是展現更好的、更精確的定位。日本北海道農業研究中心也研究了多種傳感器結合的技術，他們和時間設計了一個在卡爾曼濾波器基礎上實現自動化機械導航的系統，從而完成了多種傳感器技術結合的目的。在這個研究中，是由GPS技術提供導航數據，之后使用角速度進行數據計算和糾正，從而實現車輛在田間作業的功能。余國雄[5]等研究，將光纖陀螺儀和GPS等技術相結合，由光纖陀螺儀獲取和矯正車輛導航信息，工作速度控制在0.7m/s下，該研究的誤差非常小。

2 農業機機械自動化的傳感器技術的運用

2.1 傳感器自動化機械插秧機的使用

(1)補苗預告

在乘坐式的插秧機中，想要保證秧苗插種的連續性，首先要控制秧箱上的秧苗數量，這時可以利用自動化補苗預告技術。比如：圖1中的補苗預告裝置圖。在這個秧箱板上安裝了一個微動式的開關傳感器。而圖1中的左圖是如果秧苗比較重，這時就會壓住傳感器，這時警報燈連接的線路機會被切斷，燈則不會發亮。而右圖則是將秧苗減少一些，這個傳感器就會發揮作用，與警報燈相連接，從而發出補苗的信號。

使用這種機械進行農業操作，在實際應用中有機械的各種原因，會出現漏插情況。目前開始有研究將光敏晶體使用到檢測控制裝置系統中了。

(2)車輪升降調節裝置

為了實現農業自動化機械能夠在凹凸不平的田地間工作，同時也能保證插秧的深度性，這些需要對機械體和插秧裝置進行合理調整。將秧船傳感器使用到該裝置中，如圖2所示。

(1：傳感器；2：微動開關；3：警報燈；4：秧箱)

(1：發動機；2：張緊輪；3：油缸；4：秧箱；5：車輪；6：硬低層)

在機體下沉的情況，秧船會與機體保持相對上升的情況，這時在張緊輪上安裝的秧船也會逐漸上升，同時利用皮帶輪張緊裝置，驅動油缸和油泵，帶動插秧裝置上升，避免插秧出現較深的情況。在機體逐漸上升的過程中，秧船會逐漸下降，與上述情況是相反的。控制張緊輪系統可以使用液壓指控式的轉換閥代替。

2.2 自動化傳感器技術在果樹中的使用

(1)水果收獲機

為了能夠將熟透的果實中出現的雜物實現高效清除，同時也能夠分析處沒有成熟的果實，這里有研究研制了一個分選機，如圖3所示。

(1：光源；2：收光回路；3：氣缸；4：合格品；5：土塊、未成熟的果實；6：定位傳輸帶)

圖3 顏色選果機

這種機械是使用光電晶體管和光電管作為元件，根據不同光的發射強度來分析或是的成熟度，同時利用氣缸作用，將沒有成熟的果實排出。

各種果實成熟度不一樣，顏色也是不一樣的，那么光的反射情況也會不一樣，而且發射率也有差異，這里可以對反光強度差異進行分析，同獲得不同的控制命令，實現控制清除任務。在實際使用中如圖4所示。

(1：光導纖維束；2：光電晶體管；3：光學濾色器；4：燈；5：西紅柿；6：輸送帶)

圖4 顏色選果機的傳感器設備

想要減少照射光的影響，可以使用電鹵燈，這時可以增加觀察面積，使用光導纖維，可以實現只能通過紅光或是綠光濾色器進行光強度檢測，這時可以使用黑色吸光的材料進行耕作。

2.3 半喂入聯合收割機的自動化農作物機械

自動控制喂入深度：想要實現各種收割機可以在不同的條件下都有良好的工作情況，這里可以對喂入深度進行自動控制。見圖5。它是將傳感器安裝在輸送鏈結合扶禾器等部件上，從而實現對莖稈作物的連續檢測。喂入深度傳感器的示意圖，如圖6所示。

(1：扶禾支架；2：穗頭傳感器；3：喂入裝置；4：反饋式喂入深度電位器；5：喂入深度控制缸；6：電磁閥；9：控制位置調節制度盤)

圖5 喂入深度自動化控制圖

它是在傳感器與作物相接觸，使用喂入傳輸裝置和油缸進行上下動作的控制，從而控制喂入的深度。

3 總結

目前，關于農業自動化控制系統中使用的傳感器技術比較多，傳感器的使用多是跟其他技術相結合使用來提高農業機械化效率。傳感器在農業機械中的使用，需要根據農作物的不同進行設計，這樣滿足農業收入和耕種需求。