耕整地機具耕深自動控制及電子測量技術

0 引言

隨著我國農業生產模式的轉型升級，農機化生產已經成為農業生產的主流模式，有效改善了傳統生產過程中的弊端，使生產效率和生產質量得到了顯著提升

。耕整地機具是我國農業生產中較早應用的機械裝備，是用于農田土壤翻耕、平整、起壟等工作的機械裝備的總稱。近年來，隨著耕整地機械產品的不斷升級，其在耕整設備機械結構、產品幅寬、性能等方面都得到了快速升級，有效提升了土壤的細碎、翻動、整平質量，為農業耕地的透氣蓄水、雜草處理等工作創造了有利條件

。但與此同時，耕整地機具的研發對于自動控制和電氣技術的應用明顯不足，與播種機、收獲機等設備相比，耕整地機具的自動控制往往只局限于簡單的液壓調控，這不利于耕整地作業質量的提升

。本文從農機自動化的角度出發，介紹了耕整地機具耕深自動控制與耕深測量技術。

長白山的維管植物共計183科638屬2853種，分別占中國維管植物科、屬、種總數的61.1%、18.7%和9.2%；海棠山的維管植物共計130科472屬2504種，分別占中國維管植物科、屬、種總數的43.2%、13.8%和8.0%；百花山的維管植物共計130科456屬2604種，分別占中國維管植物科、屬、種總數的43.2%、13.3%和8.4%。

1 耕整地機械特征與作業需求

1.1 機械特征與種類

我國農業生產過程中使用的耕整地機具產品種類豐富，常用的耕整地機械包括鏵式犁、旋耕機、深松機、圓盤犁、圓盤耙、動力耙、聯合整地機等，不同農作物和不同的栽培模式需合理選擇耕整地機具的種類才能確保生產的順利進行。總體上講，耕整地的過程主要包括四大部分內容，一是翻耕前處理，包括滅茬、雜草處理等環節；二是翻耕，通過犁刀、旋耕刀、深松鏟等將耕層土壤翻動、疏松；三是整地，主要是將耕層土壤進一步細碎，消滅過大的土塊，并使耕地表面更加平整；四是起壟及鎮壓，對于壟作耕地，利用起壟機起壟，并將隆起土壤按規范形狀壓實，對于平作農田利用鎮壓輪、鎮壓板等將表層土壤壓實，形成上實下虛的耕層結構。耕整地機具的作業大多需要與拖拉機進行配套(圖1)，需將耕整地機具與拖拉機的后懸掛系統連接安裝后，由拖拉機控制耕整地的耕深和耕作模式，拖拉機出廠時的電液后懸掛控制模式能滿足耕整地過程的基本要求，但要進一步提高耕整地機具作業的合理性，還應從耕整地設備的功能和自動控制出發，進一步提高耕整地質量。

1.2 作業功能需求

1.2.1 土壤翻耕細碎質量

耕地土壤的有效細碎是農業生產播種的基礎保證，合理利用耕整地機具能夠在作業完成后使耕地土壤形成土壤細碎程度高、表面平整、上實下虛的土壤耕層結構。要求耕整地機具作業過程需要對耕層土壤進行有效的切割、翻轉，并將過大的土塊破碎，避免大土塊影響對播種過程的種子覆蓋質量。

1.2.4 使用調整的便捷性

耕深的自動控制技術主要通過控制系統結合傳感器的各項數據完成控制決策，其中速度傳感器安裝在拖拉機上，牽引力傳感器安裝于松土機構工作部位的應變片上，用于測量耕深的傾角傳感器安裝于耕整地機具的架體或主梁上，3種傳感器將測得的數據傳輸到ECU芯片，ECU將數據與標準值范圍進行比較，若符合標準作業參數，則不進行自動控制干預，若不符合耕深標準，則通過耕深控制裝置進行調整

。

將拖拉機與耕整地機具配套安裝后，若能實現耕深根據作業方案自動控制，則能有效提高作業的效率與便捷性。現階段，大多數拖拉機對耕作狀態所配套的調節模式多具有一定的弊端和不合理性，例如，后懸掛的力調節可能造成局部區域的耕深不足問題；位調節可能導致耕作過程負載過大，影響作業經濟性和作業效率；浮動調節也可能造成耕作深度不足問題。因此，利用電氣控制技術，對耕整地作業過程的耕作深度進行自動化控制，結合拖拉機行駛速度、耕地土壤阻力、地形變化等因素智能調整耕作深度，既能保證大面積耕地的作業品質，還能避免駕駛操作人員頻繁調整機具造成的人力負擔和工作效率下降問題。

由于農田耕地的環境復雜，在大面積的耕整地耕地過程中容易受到地勢起伏的影響出現翻耕整地深淺不一、土壤細碎程度不一等問題，導致耕整地的整體質量降低。因此，必須通過耕整地技術的提升改善翻耕作業過程的均勻性，使同一耕地不同區域的土壤在耕整后實現品質的統一，避免出現局部區域翻耕質量不佳影響農業產量問題。

1.2.2 耕作有效深度

隨著互聯網的迅速發展以及實際教學的新要求，微課平臺應運而生。在新課程改革下，微課顯然已經成為推動教學改革、打造高效課堂的重要工具與手段。一般而言，微課程通過描述一些知識點，重點出擊重難點，使學生能更好地掌握知識；另一方面，微課界面更具創新性和靈活性，這與傳統教學活動形成了鮮明對比，微課能夠更有效地激發學生的學習熱情。本文將結合具體高中數學教學中微課的應用方法展開如下探討。

由于耕整地機具需要與拖拉機配套使用，因此耕整地機具在與拖拉機的裝配和裝配后的使用及功能部件調整應滿足便捷性要求，避免耕整地機具使用過程中由于調整或使用難度大影響工作效率，避免耕整地機具因功能不全或調整困難造成耕整地作業質量下降。

2 耕深自動控制的必要性

1.2.3 翻耕作業均勻性

3 耕深自動控制關鍵技術

3.1 耕深自動控制總體思路

現階段，最容易實現的耕深自動控制就是在拖拉機原有的力調節、位調節功能基礎上進行技術優化，利用自動控制技術將力調節與位調節的功能進行整合，設計一種力位綜合控制方法。耕深自動控制應根據土壤狀況和耕地實際需求選擇一種主要的調節模式。例如，對于以平坦地勢為主的農田，應以位調節為主，力調節為輔；對于地勢不良的地區，為避免機械損傷，應以力調節為主，位調節為輔。在實際作業過程中，針對農業生產環境設定相應的控制方式和綜合干預的權重界限，利用PID 控制技術對獲得的傳感器數據進行處理，將其轉換成為與工作特性相關的控制規則，運用模糊控制去除多余的或次要的數據，實現控制過程的提速。利用控制步進電機調整后懸掛系統對耕深的控制，當實際耕深大于設定值，步進電機正轉，液壓力推動耕整地機具提升，耕深降低；當實際耕深小于設定值，步進電機反轉，液壓缸收縮，耕整地機具下降，耕深增加

。

對于聯合整地機而言，其耕深的控制則更加復雜，可考慮通過兩種方式實現，一是將力調節、位調節、浮動調節三種方式進行整合，實現更復雜的綜合控制，以滿足耕地和整地環節同時實施對于耕深和模式的不同需求；二是對聯合整地機的機械結構進行適當改良，將滅茬、耕地裝置的部分與拖拉機進行剛性連接，而將后部的平整、鎮壓裝置設計成為可浮動的結構，以便于在充分保證耕作深度的同時實現地表的良好整平和壓實。

3.2 耕深自動控制技術細節

耕深是耕整地機具作業的重要技術指標，有效的耕深能夠為農作物根系生長創造有利條件。針對大部分農田土壤的翻耕作業而言，常規的耕作深度通常為20～25 cm，對于深松作業而言，要求深度能夠打破犁底層，通常深度要大于25 cm，耕深在25～35 cm。要達到有效耕作深度，必須保證耕整地機具具有良好的入土能力，并能夠利用駕駛控制耕整地機具的耕作深度，應保證耕整地機具耕作深度的合理性，過深耕作因機具負載增加耗費大量的燃料資源，過淺耕作不利于作物根系生長。

生態旅游促使了區域傳統旅游形式向自然、社會和經濟協同發展轉變，這種重生態性、親自然性和軟文化性的旅游模式日益受到廣大游客的青睞，已然成為一種全新的旅游選擇取向，成為當代旅游市場中一個極為重要的增長極。中俄界江地區是指沿黑龍江與烏蘇里江向兩側延伸，以當壁鎮—龍王廟一線為分界，南北各屬中國與俄羅斯的總面積4 380 km2多的廣袤地帶。該區域在地理位置上位于我國疆土的最北端與最東端，同時與俄羅斯的三大州和兩大區接壤，地理位置極為重要。全面分析界江地區豐富的生態旅游資源及其分布表征是其發展生態旅游的先決條件。

耕深自動控制的技術流程設計如圖2所示，主要通過在傳統的耕整地機具上增設耕深測量裝置，實現對耕作深度的實時評估和測量，并結合牽引阻力傳感器、速度傳感器等將耕作深度、耕作阻力、行駛速度等關鍵數據傳輸到拖拉機駕駛室上增設的ECU芯片，通過ECU芯片選擇適合的耕深調整模式，并同時生成新的作業方案。一方面傳輸到駕駛室通知駕駛員改變駕駛速度等邏輯，另一方面通過電控開關控制液壓系統調整耕作深度，使耕深始終保持在合理范圍。

使用的方法主要有2種：（1）等值線追蹤法，被美國NOAA采用，具體原理為：由數字高程模型DEM（TIN或GRID），再通過等值線跟蹤法提取潮汐基準面所對應的等值線；（2）二值法，將DEM分割成水陸二值圖像，通過圖像處理方法提取海岸線。分析對比優缺點，選取最適合海岸線的提取方法[1]。

4 耕深測量技術設計

耕深的測量對于耕深自動控制意義重大，現階段，耕深的自動測量主要通過傳感器技術結合處理器芯片的姿態分析來實現，通過在耕整地機具的主梁或機架上安裝傾角傳感器(圖3)，用以判斷耕整地機具的作業傾斜角度，計算機系統結合傾角能夠快速計算出耕整機具大體的耕深范圍，然后通過幾何關系驗證與誤差修正等方式進行測量精度的修正，實現耕深測量精度的提升

。

耕深檢測所使用的傳感器應選擇抗干擾性強、穩定性好的傾角傳感器，并具備適應農田復雜生產環境的能力，能夠滿足耕整地機具可能出現的作業角度變化范圍，從而有效降低測量過程中的誤差，傾角傳感器除安裝在主梁或機架位置外，還考慮安裝于拖拉機與耕整地機具的連接位置，或布置多個傳感器形成組網測量，以提高測量精度。

丹尼爾·平克：男人和女人的時間類型不同，尤其是在前半生。男人屬于黑夜，女人屬于晨曦。然而，這些性別差異在50歲左右開始消失。

除合理設計和選用傳感器等硬件外，還需重視耕深檢測的軟件邏輯，并將耕深檢測的相關數據與拖拉機駕駛室的顯示屏相連接，實現耕作速度、耕作深度、牽引力狀態等耕作數據的實時顯示。并充分考慮拖拉機與配套耕整地機具可能出現的變化情況，能夠通過軟件系統實時更改配套耕整地機具的幅寬、機型種類等信息，使系統能夠根據犁耕、旋耕、重耙、聯合整地等不同機型自動選擇適合的調整模式。

此外，耕深測量過程中的軟件和硬件均需具有一定的可拓展能力。一方面可以通過軟件技術的提升優化耕深測量的運算邏輯和精確性；另一方面可以隨著硬件技術的升級，更換更先進的傾角傳感器或增加新的傳感器種類，這也需要硬件系統接口預留及接口種類的豐富性。

第四，開磷擁有布局良好的產業優勢。開磷已初步形成礦業與磷化工、磷化工與煤化工、磷化工與氟硅碘化工、主業與輔業相互配套和耦合共生的良好發展態勢。化肥產品已形成從基礎性肥料、功能性肥料到高端全水溶肥料的產品體系；煤化工發展已經形成從合成氨、甲醇到二氧化碳、油漆涂料、液化甲烷氣、甲醇汽油等煤的精細化工產品體系；精細磷化工、氟硅化工、碘化工、電池新材料、光固化材料、水性聚氨脂等一批高端精細化工產業也正在快速成長，目前已經形成從貴州到江蘇、內蒙古、湖南、江西的綠色化工產業布局。

5 結語

耕整地機具是農業生產中重要機型種類，其與電氣控制技術結合能有效提升耕整地的作業質量。耕作深度控制作為有效改善耕作質量的重要手段，應當成為未來耕整地技術研究的主要方向之一，能夠為未來的農機智能化作業創造有利條件。

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