我國農(nóng)機自動化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

寇元金，劉毅龍

（江西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，330000，江西南昌）

1 我國農(nóng)機自動化兩種關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用

1.1 可編程邏輯控制技術(shù)的應(yīng)用

可編程邏輯控制技術(shù)（PLC 技術(shù)）在我國農(nóng)機自動化生產(chǎn)作業(yè)中的應(yīng)用相當廣泛，可以說是支撐我國農(nóng)機自動化技術(shù)發(fā)展的核心技術(shù)。PLC 技術(shù)起源于1960年代末期，源于美國通用汽車公司的生產(chǎn)線改造項目，是一種專門應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)環(huán)境下進行邏輯運算、順序控制、定時計數(shù)、算術(shù)運算等操作的智能控制技術(shù)，能夠輕松地處理現(xiàn)場數(shù)字或模擬信號，控制各類工農(nóng)業(yè)機械設(shè)備實現(xiàn)自動化作業(yè)。發(fā)展至今，可編程邏輯控制技術(shù)已經(jīng)滲透至我國農(nóng)機自動化生產(chǎn)的方方面面，例如：農(nóng)機運行測速與調(diào)速、農(nóng)機自動運行控制監(jiān)測、自動采摘農(nóng)業(yè)機械手等。2020 年，四川省農(nóng)業(yè)科學院科研人員以PLC 技術(shù)為核心研發(fā)了一款農(nóng)機行駛路線優(yōu)化自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用定點步長連續(xù)尋點規(guī)劃的方式確定農(nóng)機在田間運行的最優(yōu)路徑[1]，并將PID算法引入農(nóng)機運行電機控制的PLC 中，確保了農(nóng)機運行路徑的最優(yōu)化和連續(xù)化，上述科研成果成為可編程邏輯控制技術(shù)在我國農(nóng)機自動化應(yīng)用的經(jīng)典。

1.2 現(xiàn)場總線通信技術(shù)的應(yīng)用

大規(guī)模農(nóng)機自動化作業(yè)需要基于可靠完善的通信網(wǎng)絡(luò)，通信網(wǎng)絡(luò)的作用在于：將大規(guī)模作業(yè)的農(nóng)機設(shè)備有序地互聯(lián)在一起，通過中央處理設(shè)備可以向這些農(nóng)機設(shè)備發(fā)送統(tǒng)一的指令、進行實時監(jiān)控，以實現(xiàn)大規(guī)模農(nóng)業(yè)機械設(shè)備有序作業(yè)控制的最終目標。現(xiàn)場總線通信技術(shù)是一種基于工業(yè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的總線通信技術(shù)，它主要解決工業(yè)現(xiàn)場自動化設(shè)備的數(shù)字通信和信息傳遞問題，具有高效性、互聯(lián)性和集成性等特點，它的出現(xiàn)和應(yīng)用大大提升了我國農(nóng)機自動化作業(yè)的規(guī)模、通信效率和有序程度。現(xiàn)階段，運用于我國農(nóng)機自動化作業(yè)的總線通信技術(shù)多種多樣，較具代表性的有CAN 總線通信技術(shù)、Profibus 總線通信技術(shù)、HART 總線通信技術(shù)等，其中，CAN 總線通信技術(shù)由于具有短幀結(jié)構(gòu)、多主方式、開放互聯(lián)、離線性強等特點，被較為廣泛地應(yīng)用在農(nóng)機作業(yè)通信網(wǎng)的構(gòu)建中。2017 年，中國農(nóng)業(yè)大學的科研團隊在ISO11783 協(xié)議的基礎(chǔ)上改進并優(yōu)化了CAN 總線通信協(xié)議，研發(fā)了一款拖拉機自動運行控制網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，通過應(yīng)用CANoe 網(wǎng)絡(luò)測試工具進行系統(tǒng)性能測試發(fā)現(xiàn)：該系統(tǒng)能夠快速建立起多臺拖拉機的運行監(jiān)控通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對拖拉機運行更為高效、準確和穩(wěn)定的自動控制。

2 我國農(nóng)機自動化技術(shù)的發(fā)展趨勢

2.1 智能技術(shù)

智能技術(shù)的飛速發(fā)展為農(nóng)機自動化作業(yè)注入了新的技術(shù)動力。現(xiàn)階段，智能技術(shù)在全球呈現(xiàn)百家爭鳴的發(fā)展趨勢，主要的技術(shù)類型包括：人工智能技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用技術(shù)等。各技術(shù)都有顯著的優(yōu)勢和特性，并被逐漸引入農(nóng)機自動化產(chǎn)品研發(fā)和實際作業(yè)應(yīng)用中，陸續(xù)產(chǎn)生了一些應(yīng)用效果。例如：2020 年，江西環(huán)境工程職業(yè)學院的研究團隊基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)研發(fā)了一款農(nóng)機案例學習決策系統(tǒng)，該系統(tǒng)以農(nóng)業(yè)采摘自動化機械設(shè)備為應(yīng)用對象，運用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對采摘農(nóng)機設(shè)備的運動路徑、采摘定位識別、響應(yīng)要素進行了建模計算和數(shù)據(jù)挖掘，結(jié)果傳送給采摘設(shè)備的中心處理器，以獲得高效的學習精度，為采摘設(shè)備自適應(yīng)智能學習提供了更為精準的決策依據(jù)[2]。上述案例僅是農(nóng)機智能自動化發(fā)展的一個縮影，在有效解決智能技術(shù)從理論研究到實踐應(yīng)用的各類瓶頸問題，進一步提升智能技術(shù)對農(nóng)機設(shè)備運行精度和響應(yīng)速度的基礎(chǔ)上，農(nóng)機智能自動化發(fā)展將不斷邁向新的高度。

2.2 虛擬自動化技術(shù)

在虛擬現(xiàn)實、物聯(lián)網(wǎng)、5G、衛(wèi)星遙感等技術(shù)的助力下，虛擬自動化技術(shù)體系逐漸成形。具體來說，虛擬自動化技術(shù)是以VR、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)和衛(wèi)星遙感技術(shù)為基礎(chǔ)，并對上述技術(shù)進行優(yōu)勢整合的基礎(chǔ)上形成的一種新業(yè)態(tài)技術(shù)。它的特點為：能夠通過視覺建模的方法生成動態(tài)虛擬作業(yè)現(xiàn)場，實現(xiàn)對真實作業(yè)現(xiàn)場的跟蹤、反饋和遠程監(jiān)控，為用戶提供全面真實的視覺和作業(yè)操作體驗。它的優(yōu)勢在于：能夠更好地實現(xiàn)對遠距離大規(guī)模農(nóng)業(yè)自動化現(xiàn)場的虛擬監(jiān)管，構(gòu)建真正的無人值守式農(nóng)機自動化作業(yè)場景。2020 年10 月，在福建舉辦的數(shù)字中國建設(shè)峰會上，基于虛擬自動化技術(shù)的“福建農(nóng)業(yè)云131”系統(tǒng)正式亮相，該系統(tǒng)以VR、衛(wèi)星遙感和5G 技術(shù)為核心，能夠?qū)Υ笠?guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場農(nóng)機運行裝備虛擬建模和現(xiàn)實生成，并將生成畫面和數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)傳輸給用戶終端，技術(shù)人員可在距離真實作業(yè)現(xiàn)場數(shù)十公里外觀看農(nóng)機設(shè)備作業(yè)的虛擬畫面，并進行遠程觸摸控制[3]。相信隨著虛擬自動化技術(shù)的發(fā)展，類似的開發(fā)案例將越來越多。

2.3 移動自動化技術(shù)

移動自動化也是農(nóng)機自動化技術(shù)發(fā)展的趨勢之一，它以移動機器人技術(shù)、移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、云計算技術(shù)等為核心，實現(xiàn)對移動式農(nóng)機設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)、無人值守、遠程監(jiān)控、云端存儲等自動控制，突破了傳統(tǒng)農(nóng)機設(shè)備體積笨重、不便于運輸、難以進行精準作業(yè)等弊端。現(xiàn)階段，農(nóng)機移動自動化發(fā)展的產(chǎn)品以功能各異的移動式農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機器人為代表，比較經(jīng)典的案例有德國雷肯i Qblue connect 研發(fā)的移動拖拉機機器人、華南農(nóng)業(yè)大學工程學院科研團隊改進的X-804 型無人駕駛農(nóng)業(yè)機器人、美國明尼蘇達州農(nóng)業(yè)機械公司研發(fā)的施肥機器人、英國科技人員開發(fā)的菜田除草機器人等，上述機器人盡管功能各異，但都具有移動作業(yè)、可遠程監(jiān)控、智能互聯(lián)等特征，逐漸被應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。在未來的發(fā)展中，隨著移動互聯(lián)技術(shù)的進階，相信農(nóng)機移動自動化發(fā)展的腳步將越來越快。

3 加強農(nóng)機自動化技術(shù)應(yīng)用的建議

農(nóng)機自動化技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展前景不可小覷，為緊跟它的發(fā)展步伐，建議我國各級農(nóng)機管理、生產(chǎn)和應(yīng)用機構(gòu)對農(nóng)機自動化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢進行深入調(diào)研，并儲備必要的人才資源、物質(zhì)資源和應(yīng)用資源，加大對農(nóng)機自動化產(chǎn)品的研發(fā)和應(yīng)用力度，通過循序漸進和可持續(xù)化的建設(shè)投入，促使農(nóng)機自動化發(fā)展應(yīng)用水平不斷提升。