農業機械智能化升級的研究

泰山智能制造產業研究院 趙文峰 吳乃剛 孫玉娟 郭紅玉 高飛 胡修慧

隨著工業化的發展，城鎮化程度的提升，農村勞動力急劇減少，智慧農機的推行已經勢在必行。智慧農機是智慧農業的重要內容，是依托物聯網、云計算以及現代信息技術與農業生產相融合的產物，是工業化和信息化結合的產物，我們可以通過對農機裝備工作環境和工況的智能感知和數據分析，實現對農業生產的精準化管理和可視化運行。

我國素來重視“三農”事業與農村、農業的可持續快速發展，裝備制造業是與農業密切相關的行業，國家為農機工業提供了持續走強的政策體系，并實施穩定的財稅支持，為農機裝備提速發展提供重要支撐。這一切使得我國農機工業的綜合實力得以快速提升。農業技術創新的標志性事件發生在1975 年，雜交水稻成功培育。智能的力量，給中國農業裝上了加速器。人們可以利用衛星遙感技術判斷殺蟲劑量，通過圖像識別輔助分揀水果，通過機械化自動灌溉施肥等，而隨著人工智能技術的加持，農業變得規模化、智能化、集約化、精細化，越來越多的互聯網巨頭在為農村市場賦能。

現有的智能農機多集中在農業物聯網、遠程控制和遠程監測上，本文主要闡述了對發動機各項參數的監測與控制以及農機的轉向。

1 智能農機概述

智能農機又稱為智慧農機，所謂機械智能化，就是融數字化、信息化、自動化和智能化于一體，賦予農業勞動的舒適性、體面性，同時也吸引著更多新生勞動力從事農業勞動。它首先要滿足無人化或少人化、精準、可變量操作、自行統計作業面積、自行監測播種量或收獲量。

通過手機、計算機等信息終端向管理者推送實時監測信息、報警信息，實現農機信息化、智能化遠程管理，充分發揮物聯網技術在設施農業生產中的作用保證農機在實際工作中的精細化管理，幫助農戶提高效率、降低成本、增加收益。

2 智能農機升級重點

很多人對智能化產業升級有一定的誤解和局限，絕大部分人的認知還是建立在幾個“機器人”自主工作的所謂“無人工廠”上，其實這只是很表面的一種認知，真正的智能化產業升級革命必須從制造工藝和自動化技術兩方面來推進。

（1）農機企業制造工藝流程的優化與再造，農業機械的智能化產業升級的難點就在于，對整個產品生產流程的優化與再造，需要結合當前的技術先進程度，同時也要參考企業實施的成本與周期等。當前農業機械行業除極個別產品外還處于低利潤狀態，這就給農業機械生產企業智能化升級帶來了很大的阻力。

（2）自動化技術的應用與升級，生產企業一旦確定了新的生產工藝流程，就可以結合當前的自動化技術來實現對企業生產過程的自動化技術改造，這也是一個需要平衡技術與成本的艱難過程，很多東西的自動化改造并不需要建立在那些主流的、高大上的“機器人”應用上，其實機器人的應用只是自動化生產應用技術中的一個環節，是很小的一個部分，而其它很多自動化功能的實現是不需要借助“機器人”來實行的，例如我們可以通過“氣缸+ 運動導軌”來驅動一個動作，也可以通過“連桿+ 導軌+電機”的形式來驅動一個動作，或者通過“齒輪+ 電機+ 導軌”的形式來驅動一個動作，也可以通過“液壓+ 導軌”的形式來驅動一個動作，這些方式都可以實現生產過程的自動化改造，而且相對“機器人”來說，具有成本更低，可靠性更好，維護更方便，升級更簡單等特點。結構簡單、便于維護，這兩個特點對于現階段農業機械智能化升級才是最重要的。

我們所討論的智能化升級改造，其實是對自動化技術和信息化技術的一種深度融合的統稱，任何智能化產業升級都需要涵蓋自動化和信息化兩個方面，如果脫離了這兩個方面的內容來談企業智能化是很片面的。

雖然筆者現在也在主持公司的信息化改造和產業升級的工作，但是只能以一個類似“聯絡員”或者“勤務員”的角色來參與到這個工作中來。

下面筆者將舉例說明，如何使用最簡單同時可靠性強地完成農業機械的智能化升級改造，希望能對相關工作人員有所幫助。

3 農業機械智能化升級

任何設備的改進都離不開其他服務的對象，我們以收割機為例，無論何種型號，組成部分都是基本不變的，都是由駕駛室、傳送過橋、割臺、喂入裝置、驅動裝置、傳動系統、發動機系統、切碎拋送等系統組成。

對設備運行而言，最主要的就是操作的穩定性和可靠性，以對發動機各項運行數據的監測以及轉向調控為例，闡述一下智能農機的優勢。

發動機的冷卻液溫度會直接影響發動機的性能，而機油量又決定發動機的壽命，我們通過溫度傳感器和機油壓力傳感器將檢測到的數據經過車載CPU 整合后發送至用戶手中，使用戶可以提前預判整機工作情況，同時，超過定量，收割機會自動進入低轉速保護狀態，必要時會自動熄火。

表1 壓力傳感器參數測定

農機用戶普遍要求智能化改造過程中元件價格低而且性能可靠，經過實測，國產元器件在性能和穩定性上已經和進口元件不相上下，這將有利于農機的發展。收割機在工作時遇到的另一個大問題就是轉向，以往都是駕駛員操作，我們現在需要通過添加穩定可靠的轉向裝置，實現無人操作自動轉向。現階段市面上通用的轉向方式有液壓式和方向盤式。

液壓式的原理是通過電磁液壓閥接收指令直接作用在轉向油路上，使收割機實現轉向控制，它擁有是精度高、對農機的車況要求不高等優點。但是安裝時需要改變原車油路，稍顯繁瑣。方向盤式是利用電磁方向盤替換掉原有的方向盤從而實現轉向控制，優點是不需要改裝原車油路、安裝便捷，缺點是控制精度會隨著原設備轉向系統的磨損而變低。

現在市場上的大多數轉向檢測應用的都是轉向角度傳感器,角度傳感器,即,是用來檢測角度的。它的身體中有一個孔，可以配合樂高的軸。當連結到RCX 上時，軸每轉過1/16 圈，角度傳感器就會計數一次。盡管機械結構各不相同，但都是利用電位計原理通過機械結構的傳動實現對車輛轉向角度的測量。這種類型的角度傳感器安裝后需要大片的場地進行對中校準。

圖1 角度檢測電路

磁敏感角度傳感器采用高性能集成磁敏感元件，利用磁信號感應非接觸的特點，配合微處理器進行智能化信號處理制成的新一代角度傳感器。UZZ9000 和磁阻傳感器KMZ41 構成的角度檢測電路，UZZ9000 為線性電壓輸出式角度傳感器調理電路，輸出電壓與被測角度型號成正比。其中磁阻式傳感器KMZ41 內部有兩個磁阻構成、位置正交的獨立的電橋，這樣的構造穩定性強，經過多次實踐，非常適合農業機械在大田作業時比較差的環境。

圖2 KMZ41 內部結構

4 農機智能化遇到的問題

我國現在是農機第一生產和使用大國，但是與發達國家相比，我們在農機智能化發展的研發能力、制造水平、產品質量、生產效率等方面都有較大差距。核心技術的缺乏、產品結構不合理、制造技術能力低、農藝農機融合與全程機械化配置性差等多種問題一直困擾著我們。

尤其是農機智能化使用可靠性和耐用度不足是當前最亟須解決的問題。筆者認為，農機裝備智能化的提升，離不開數字化、復合式、高性能智能化提升，但是就現在農業的基本情況而言，尤其是欠發達地區，剛開始進行農機改造的地區，基礎的智能化改造更加迫切，先通過穩定可靠的傳感器添加，讓農機的效率得到明顯提升，讓農民看到先進生產力提升帶來的顯著效益，提高農民自主要求智能化升級改造的欲望，從根本上促進農機智能化升級，進一步實現農機數字革命，達到智慧農業的階段。

雖然問題重重，但是我們應該認識到，不管人們對制造業產業升級報以何種態度，智能化升級這個方向一定是不會偏離的，這是制造業唯一的出路，當然會存在很多困難，作為時代的踐行者，我們唯一能做的就是迎難而上，以不問收獲的態度去踐行。