機電一體化在農業機械中的應用研究

鄭州商業技師學院 魏素俊

前言

隨著農業科技的快速發展，越來越多的農民開始在農業機械上應用機電一體化系統來提升經濟效益。本文圍繞在農業機械中合理應用機電一體化獲得經濟效益展開討論旨在。

1 機電一體化系統構成及特點

1.1 系統概述

機電一體化是將電子技術和機械技術相結合，同時融合多種功能和項目，包括計算機信息技術、自動控制技術和傳感技術等。在農業機械中應用機電一體化系統可以有效提升農業機械的功能性，實現農業機械的自動化作業。機電一體化系統的主要包括運動組成要素、結構組成要素、動力組成要素、感知組成要素和智能組成要素[1]。

1.2 強大的系統功能

機電一體化技術是多種技術的結合，因此具有強大的系統功能性。將機電一體化技術應用于農業機械工程可以實現農業機械的自動化作業，充分發揮農業機械的功能性，提升作業效率，滿足農業工作的各項需求。其中機械自動化控制技術和軟件編程技術等能夠提升農業機械的穩定性和安全性。

1.3 人工智能化

機電一體化技術結合了新型技術，比如微電子控制技術等。在農業機械中應用機電一體化技術，可以實現農業設備的自我檢查和自動化數據處理，還可以通過基本的智能技術來代替人力操作，更好地體現了機電一體化系統的人性化和人工智能化。

1.4 高性能與高穩定性

機電一體化技術擁有較高的穩定性，除基本智能技術還包括自動安全系統。具有自動報警、自動保護、自動監控等功能，這類功能可以有效保護農業機械設備和操作人員安全，減少機械故障，使農業機械穩定運行。除此之外，機電一體化系統還具有高效率性，操作人員可以在操作面板控制農業機械，使農業機械的操作工作更加便捷，有效提高農業作業效率。

2 機電一體化在農業機械中的具體應用策略

2.1 應用計算機輔助設計技術

計算機輔助設計技術屬于機電一體化技術的一種。利用計算機輔助設計技術可以實現計算機制圖、數據資料庫及網絡通信等功能的融合，將產品數據和計算機技術相結合，充分發揮綜合性技術作用。除此之外，還可以利用計算機技術和圖像來建立農業機械三維數據模型，農業機械三維模型圖如圖1所示。對于拖拉機、插秧機等大型農業機械來說，想要制造真正的機械產品來測試機械性能，會因為各種不確定因素花費大量的人力、物力、時間和成本。利用計算機輔助設計技術，以農業機械結構為基礎，根據空間作用力、運動學及動力學模擬農業機械的運行軌跡，完全按照農業生產的實際需求構建農業機械仿真三維模型并對模型結構及其參數進行優化，避免因為制造真實機械產生大量的試錯成本。利用計算機輔助技術可以為農業生產提供性能優越的農業機械，還可以有效縮短設計及研發周期。需要注意的是，由于計算機輔助設計技術對于設計人員的專業水平要求較高，相關的設計人員必須充分掌握機電一體化知識和三維設計相關知識。有關院校需要重視計算機輔助技術學科的建設，加強機電一體化相關知識的教育力度[2]。

圖1 農業機械三維模型圖

2.2 應用衛星定位導航技術

衛星定位導航技術即GPS系統技術，其工作原理就是利用傳感技術、GPS差分技術和超聲波技術將農業機械的設計數據、儀表顯示數據和三維坐標等各項參數反饋給計算機。可以在農業機械中布置GPS終端，來實時展現農業機械位置，從而利用衛星導航定位系統指導農業機械作業。作為機電一體化系統中的新型應用技術，該技術還未得到廣泛應用，目前來看，多應用于一些大規模農場中的農業機械混合控制。主要的應用功能包括利用導航監測指導農機駕駛員的駕駛路線和駕駛方法，比如，在進行機械化整地作業時，衛星定位導航技術能夠及時發現農業機械的行駛是否偏離航線，駕駛速度是否出現異常等問題，讓駕駛員及時調整駕駛方案，防止出現整地質量不佳或漏耕等問題。第二項功能則是利用導航指導智能農業機械實現自動化駕駛和作業，為自動行駛提供準確的坐標和位置，以實現農業機械的無人化作業。還可以利用衛星定位導航技術及時發現農業機械故障，并進行故障的預測和判斷，以便做好故障預防和控制工作，減少農業機械故障產生的不良影響，保障農業機械的安全性和穩定性，增強農業機械的運行性能，滿足農業生產需求。以某農場為例，該農場利用衛星導航定位技術進行甜菜的覆蓋及播種作業，引入先進的農業機械自動駕駛系統，建立了參考站負責接收定位衛星信號，獲得誤差校正參數，再利用互聯網傳輸校正數據，提升車載衛星定位組件定位精度。接著，安裝了汽車衛星定位組件，將高精度衛星定位系統與慣性導航系統相結合，通過衛星定位信號來定位農機的當前位置，通過校正數據信息，實現在復雜坡度領域的精準定位。安裝決策支持組件作為自動駕駛導航系統的控制中心，不但可以手動設置規劃農業機械行駛路線，還可以接收車載衛星定位組件提供的位置和速度信息。根據規劃路線自動計算航行路線并輸出合理的轉向方法，發布指令來控制自動控制組件。安裝執行組件并通過接收決策支持組件的指令控制車輛轉向，最終實現農業機械的自動化控制。在播種時，農機駕駛員只需要踩下油門就能夠控制車輛的行駛速度，車輛到達定位之后可以掉頭并由飛行員NX100系統執行中型轉向，大大減少了農機駕駛員的工作壓力，農機駕駛員可以更好地觀察農業機械的工作狀況，有效提升野外農業作業質量[3]。

2.3 應用虛擬現實技術

虛擬現實技術（Virtual Reality,VR），是一種通過立體三維空間清楚反映事物的本質和變化規律的現代化智能技術。在機電一體化系統中，主要通過多媒體技術、計算機制圖技術及圖片識別技術和傳感技術等多項技術支持，按照用戶的實際需求構建三維立體場景。通過虛擬現實技術可以將虛擬數據和三維模型或二維圖像根據生產需求利用多媒體呈現虛擬現實景象。將該技術應用于農業生產及農業機械，能夠實現農業機械的動態建模，進一步構建立體的農業機械三維模型。通過該模型，可以為用戶呈現農業機械外形及其實體結構。20世紀末虛擬現實技術已傳入我國并在各個行業及領域取得了重大發展。農業領域的虛擬動植物、虛擬實驗、虛擬溫室、虛擬農場等相關應用也取得了較大的進展。2000年發表的“仿真技術在農業機械設計上的應用”一文詳細介紹了常用的虛擬現實分析軟件，并給出了三維實體造型方法，通過軟件對三維模型進行仿真分析，這是國內較早將虛擬現實技術應用于農業機械設計的文獻。近年來，在農業機械上得到廣泛應用的是由美國機械動力公司開發的ADAMS軟件，該軟件可以建立和測試虛擬樣機，主要應用成果有“虛擬樣機技術的實現及其在小型甘蔗收割機輸送模塊設計和仿真中的應用”“基于ADAMS的聯合收割機振動篩虛擬設計”等。其他的農機虛擬設計方法有：利用solid works實現虛擬農機建模、分析、仿真流程，如“虛擬樣機技術在小型農用裝載機設計中的應用”；利用ANSYS建立有限元分析模型，如“甘蔗收獲機械排刷式剝葉元件虛擬實驗分析”；基于I-DEAS軟件的虛擬樣機仿真設計，如“小型甘蔗聯合收獲機虛擬樣機的仿真”等。虛擬現實技術屬于集成技術，利用該技術可以模擬構建虛擬三維空間和三維場景，設計師可以將真正的農業生產場景和農業作業情況輸入虛擬三維場景中，利用該技術準確構建現場模型。此外，虛擬現實技術還能夠將實際作業過程中的天氣、環境、聲音等多種條件導入虛擬空間，以模擬真實的作業場景，提升農機操作人員的操作熟練度。利用該技術可以向操作人員傳輸緊急情況的應對技巧，減少農業機械故障造成的不良影響，保障農業機械的安全穩定運行。另一方面，可以通過構建虛擬農場，進行虛擬生產及虛擬漫游，用戶可以方便快捷地了解到整體的生產布局，隨時查詢農業生產狀態。在進行實際運用時，可以按照農業機械產品設計需求，選擇局域網下的PentiumIV，主頻1.6G的計算機作為虛擬現實技術的開發硬件。此外，還可以選擇OpenGVS近景驅動軟件管理農業機械產品的生產過程[4]。

2.4 應用監控技術

在農業機械工程中應用農業機電一體化監控技術可以實現人力解放。農業監控時，主要從技術和安全兩個方面出發，可以保證農業生產效率和機械操作安全。操作人員可以通過控制面板操控農業機械，進行農業收割作業。在使用農業機械之前，需要做好機械檢測工作，受傳統農業機械結構設計的限制，檢測效率較為低下。為保證農業機械在作業時能夠收集到完整且準確的參數和數據，可在機電一體化的基礎上應用監控技術，保證農業機械的正常作業。包括傳感器儀表及數據監控等，通過收集相關信息數據，實現實時監控與數據傳輸。操控人員可以對數據進行分析比較，確定農業機械是否處于正常工作狀態，對于農機故障進行提前預警并及時調整農業機械作業，實現現代農業的自動化和機械化生產。比如，在播種機上安裝監控儀表，對播種數量和播種面積進行實時監控，及時檢測播種狀態。除此之外，機電一體化技術在農業機械上的應用，使得更多農戶在農業機械上安裝監控攝像頭來監控機械的關鍵工作部位，實時掌握農業機械的運行狀態。某農業科技有限公司擁有自建葡萄園五處，總占地面積500多畝，由于種植面積大，管理起來也有一定的困難。該農業科技公司于2013年正式在各大園區投入使用“智能農業監控系統”，利用物聯網、移動互聯網和云計算等技術對葡萄園進行智能化管理。技術人員可以用手機或電腦登錄“智能種植監控系統”，對分散的五個葡萄園區實施系統化管理，有效減少管理成本。如果出現異常情況，該監控系統會將情報發送到管理員的手機上，同時開啟遠程設備監控開關，管理員可以在手機上控制現場設備，如果監測到溫度接近35℃，系統會開啟噴霧降溫避免曬傷葡萄果實。這一智能農業監控系統在保證葡萄良好生長環境的同時，也為該農業科技公司節省了30%的人力成本和水肥成本[5]。

2.5 應用CAD設計技術

目前，我國的機械工程設計中應用到的CAD設計技術主要包括圖形變換技術、曲面造型技術、實體造型技術和交互技術。應用CAD技術可以設置拖拉機的液壓懸掛裝置結構，在進行設置時，必須保證連桿位置達到國家規定的各項標準，在實際運行時，保證牽引裝置與各類農機接口能夠發揮良好的互換性。除此之外，還需保證裝置的強大牽引力，充分發揮農機的入土功能。相關設計人員需要將液壓懸掛裝置的擺動幅度控制在適當的范圍內，對限位機構進行合理設計。為保證安全經濟節能效果，拖拉機所用的液壓懸掛裝置要設計上下懸掛裝置，嚴格控制拖拉機，保證裝置可以展現出良好的動力輸出效率。通過簡單的三位四通電磁換向閥構成液壓油路控制小油缸，依托小油缸活塞桿與主控制閥固定連接及移動對位置進行控制，合理控制農機具的提升、中立等過程。相關的設計人員需要進行水平距離分析，采用CAD技術構建模型圖，開展三維建模分析。在進行農業機械產品設計時，要按照結構剛度矩陣方法實施組集分集及處理，尤其在實施邊界條件處理時，要對機架和接頭部位開展針對性分析，保證設計產品不存在缺陷。

3 結語

在農業機械上應用機電一體化技術可以有效提升農業作業效率，解放勞動力，減少農業企業的成本投入。為保證機電一體化技術的應用效果，企業需要遵循節能減排的要求，提升自動化水平，在實現智能化農業生產的前提下推動農業經濟發展。