智能監(jiān)測(cè)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)中的應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)

譚增鑫

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院,哈爾濱 150081)

0 引言

近年來(lái),我國(guó)的農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)模式日趨合理,所應(yīng)用的農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品在種類豐富程度,技術(shù)先進(jìn)性、可靠性等方面進(jìn)步明顯,很多國(guó)產(chǎn)機(jī)型不僅具備良好的機(jī)械性能,而且自動(dòng)化程度顯著提升,機(jī)電一體化技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中得到了廣泛應(yīng)用。在實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械功能控制的同時(shí),加強(qiáng)農(nóng)業(yè)機(jī)械工作狀態(tài)、工作性能、位姿準(zhǔn)確性的監(jiān)測(cè)是農(nóng)業(yè)機(jī)械向精確化、精準(zhǔn)化發(fā)展的關(guān)鍵。從國(guó)際農(nóng)機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)來(lái)看,智能監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用于拖拉機(jī)、收獲機(jī)、播種機(jī)、谷物烘干機(jī)等農(nóng)機(jī)設(shè)備能更好保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)范合理實(shí)施,并有利于獲得農(nóng)機(jī)使用和運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程的一系列數(shù)據(jù),對(duì)于預(yù)防農(nóng)機(jī)故障、優(yōu)化農(nóng)機(jī)結(jié)構(gòu)、提高整機(jī)性能具有積極的促進(jìn)作用。

1 智能監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用價(jià)值

整體上看,我國(guó)的農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)在快速發(fā)展的同時(shí),農(nóng)業(yè)機(jī)械整體的智能化程度仍相對(duì)偏低,農(nóng)業(yè)機(jī)械粗放型特征明顯,且生產(chǎn)過(guò)程的平均故障率偏高,一旦發(fā)生故障,故障的嚴(yán)重性和維修周期偏長(zhǎng),導(dǎo)致農(nóng)機(jī)實(shí)際利用率降低。智能監(jiān)測(cè)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的應(yīng)用,能充分利用衛(wèi)星定位、傳感器、遙感技術(shù)與數(shù)據(jù)處理等技術(shù)相結(jié)合,對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)位置、工作狀態(tài)、性能發(fā)揮等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并獲取農(nóng)機(jī)作業(yè)的關(guān)鍵參數(shù),用于對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的優(yōu)化控制。

1.1 提高農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)精確性

智能監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用能實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)對(duì)農(nóng)機(jī)動(dòng)作執(zhí)行質(zhì)量的監(jiān)管,能掌握農(nóng)機(jī)的控制指令是否達(dá)到預(yù)期的控制目標(biāo)。如監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)機(jī)械的耕作深度、收獲速度、行駛線路、播種量、噴藥量、施肥量、灌溉量等,并進(jìn)行作業(yè)質(zhì)量的計(jì)算及判斷,對(duì)作業(yè)質(zhì)量不佳的現(xiàn)象進(jìn)行及時(shí)修正,有效提高作業(yè)的合理性,并減少生產(chǎn)過(guò)程的資源浪費(fèi)與環(huán)境污染。同時(shí),利用智能監(jiān)測(cè)技術(shù)與農(nóng)業(yè)處方圖技術(shù)相結(jié)合,能實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的機(jī)械化變量作業(yè),根據(jù)農(nóng)田不同區(qū)域的植株特征、土壤養(yǎng)分、病蟲(chóng)害程度等精確實(shí)施變量灌溉、變量施肥、變量噴藥,促進(jìn)機(jī)械化生產(chǎn)向合理化發(fā)展[1]。

1.2 有利于預(yù)防農(nóng)業(yè)機(jī)械的故障

智能監(jiān)測(cè)技術(shù)融合了自動(dòng)控制領(lǐng)域的傳感器技術(shù),能利用多種傳感器進(jìn)行農(nóng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè),如利用溫度傳感器監(jiān)測(cè)變速箱溫度,當(dāng)溫度過(guò)高說(shuō)明潤(rùn)滑油不足或變質(zhì),或存在機(jī)械故障;或利用振動(dòng)傳感器監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài),當(dāng)振動(dòng)幅度過(guò)大或頻率異常,均表示發(fā)動(dòng)機(jī)存在故障,需進(jìn)行及時(shí)維修。在農(nóng)業(yè)機(jī)械的關(guān)鍵部件和易損部件處安裝相應(yīng)功能的傳感器,能及時(shí)準(zhǔn)確獲取農(nóng)機(jī)工況信息,有效預(yù)防農(nóng)機(jī)故障,避免小故障擴(kuò)大化,有利于降低故障損失,并提高農(nóng)機(jī)利用率[2]。

1.3 能改善駕駛和調(diào)整檢查的過(guò)程

智能監(jiān)測(cè)技術(shù)能將農(nóng)機(jī)行駛過(guò)程的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息及時(shí)反饋給農(nóng)機(jī)駕駛員,駕駛員在駕駛農(nóng)機(jī)過(guò)程通過(guò)數(shù)字屏幕獲取農(nóng)業(yè)機(jī)械行駛路線、行駛速度、牽引力狀態(tài)等信息,通過(guò)輔助駕駛改善駕駛操作體驗(yàn)。同時(shí),監(jiān)測(cè)功能所提供的位姿數(shù)據(jù)、農(nóng)機(jī)性能參數(shù)數(shù)據(jù)有效替代了傳統(tǒng)駕駛員對(duì)農(nóng)機(jī)檢查項(xiàng)目,對(duì)農(nóng)機(jī)的作業(yè)高度、角度、位置等調(diào)整也有明確的參數(shù)顯示,能有效提高調(diào)整檢查的效率與精確性。

1.4 能實(shí)現(xiàn)作業(yè)數(shù)據(jù)的記錄和利用

智能監(jiān)測(cè)技術(shù)能獲取大量的農(nóng)機(jī)化生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息,這些數(shù)據(jù)通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)記錄,與傳統(tǒng)的人工記錄相比,在數(shù)據(jù)豐富性、全面性、準(zhǔn)確性等方面優(yōu)勢(shì)明顯。所獲取的數(shù)據(jù)信息具有很高的價(jià)值,能應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械管理、適用性分析、農(nóng)機(jī)產(chǎn)品升級(jí)等方面,有利于農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)的發(fā)展[3]。

2 農(nóng)機(jī)智能監(jiān)測(cè)技術(shù)組成

2.1 衛(wèi)星定位技術(shù)

隨著農(nóng)機(jī)技術(shù)的快速升級(jí),衛(wèi)星定位技術(shù)已經(jīng)與現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)機(jī)械實(shí)現(xiàn)了廣泛融合,能為農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)提供位置、導(dǎo)航、監(jiān)測(cè)等多種功能。衛(wèi)星定位技術(shù)主要利用衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)地表的某一位置的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)定位,能實(shí)現(xiàn)在任意時(shí)刻、任意位置都能利用4顆以上的衛(wèi)星進(jìn)行精確定位,并利用導(dǎo)航技術(shù)使農(nóng)業(yè)機(jī)械沿著合理的路線行駛,尤其在我國(guó)自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(COMPASS)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)后為自主農(nóng)機(jī)產(chǎn)品提供全天候、高精度的衛(wèi)星服務(wù)。并結(jié)合差分基站降低田間行駛和作業(yè)的定位誤差,提高衛(wèi)星數(shù)據(jù)收發(fā)的效率,降低時(shí)間延遲,使農(nóng)業(yè)機(jī)械田間作業(yè)過(guò)程獲取良好的位置監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2.2 傳感器技術(shù)

傳感器技術(shù)是農(nóng)業(yè)機(jī)械感知外部生產(chǎn)環(huán)境及內(nèi)部機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的關(guān)鍵技術(shù),利用傳感器技術(shù)能實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)環(huán)境、農(nóng)機(jī)工況、重要部件運(yùn)行數(shù)據(jù)等的實(shí)施監(jiān)測(cè),能針對(duì)某一固定的物理量實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)量,并將獲得的農(nóng)機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)以電信號(hào)的形式進(jìn)行傳輸。用于農(nóng)機(jī)智能監(jiān)測(cè)的傳感器種類繁多,總體上看在農(nóng)機(jī)中應(yīng)用較多的傳感器種類包括轉(zhuǎn)速傳感器、扭矩傳感器、位置傳感器、角度傳感器、計(jì)數(shù)傳感器、稱重傳感器等。將功能各異的傳感器與農(nóng)業(yè)機(jī)械的結(jié)構(gòu)原理相結(jié)合進(jìn)行應(yīng)用,能實(shí)時(shí)且精確的獲取農(nóng)業(yè)機(jī)械的內(nèi)外部數(shù)據(jù)信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)質(zhì)量及作業(yè)狀態(tài)的精準(zhǔn)管控[4]。

2.3 數(shù)據(jù)處理技術(shù)

隨著農(nóng)機(jī)自動(dòng)化程度的持續(xù)提升,衛(wèi)星定位、傳感器、視覺(jué)設(shè)備等大量應(yīng)用于農(nóng)機(jī)產(chǎn)品之中,使農(nóng)業(yè)機(jī)械具備了典型的數(shù)字化控制特征,為保證控制過(guò)程的準(zhǔn)確性與高效性,必須要合理應(yīng)用數(shù)據(jù)處理技術(shù)。一方面,大量實(shí)時(shí)獲取的數(shù)據(jù)種類繁多且形式各異,如何在數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、檢索等過(guò)程中使雜亂無(wú)章的數(shù)據(jù)成為高價(jià)值、可利用的數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)處理技術(shù)主要解決的問(wèn)題;另一方面,數(shù)據(jù)處理的效率與質(zhì)量對(duì)于農(nóng)機(jī)性能將產(chǎn)生直接影響,數(shù)據(jù)處理通常需要經(jīng)過(guò)采集→轉(zhuǎn)換→分組→計(jì)算→判斷→存儲(chǔ)等一系列過(guò)程,如何在最短的時(shí)間內(nèi)處理最高效的數(shù)據(jù),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)機(jī)化生產(chǎn)過(guò)程的高效率控制與決策是農(nóng)機(jī)信息化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

2.4 遠(yuǎn)程管控平臺(tái)技術(shù)

針對(duì)農(nóng)機(jī)監(jiān)管過(guò)程和監(jiān)管數(shù)據(jù)的管理是農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)合理開(kāi)展的重要保證。遠(yuǎn)程管控平臺(tái)是人機(jī)交互的重要窗口,其主要借助無(wú)線通訊技術(shù)、5G網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)傳輸實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,并能利用LAN、WLAN、WAN等網(wǎng)絡(luò)方式,或通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)傳輸實(shí)現(xiàn)在遠(yuǎn)距離對(duì)農(nóng)機(jī)智能監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取與利用。通過(guò)信息技術(shù)遠(yuǎn)程獲取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)信息,并輔助決策農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方案及后續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)流程的實(shí)施。同時(shí),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)都能通過(guò)遠(yuǎn)程管控平臺(tái)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)施管理,并及時(shí)了解生產(chǎn)進(jìn)度、農(nóng)機(jī)狀態(tài)等信息,有針對(duì)性的進(jìn)行方案調(diào)整,促進(jìn)生產(chǎn)實(shí)施最優(yōu)化[5]。

3 關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用形式

3.1 農(nóng)機(jī)的行駛監(jiān)測(cè)

在現(xiàn)代化的農(nóng)機(jī)產(chǎn)品中,廣泛應(yīng)用了智慧導(dǎo)航系統(tǒng)輔助農(nóng)機(jī)進(jìn)行作業(yè),尤其以先進(jìn)的大馬力拖拉機(jī)為代表,其利用衛(wèi)星定位技術(shù)監(jiān)測(cè)農(nóng)機(jī)行駛的路線、精確位置、速度。圖1所示為北斗麥普農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與人機(jī)交互界面,該系統(tǒng)主要包括車載GPS接收機(jī)及天線、液壓控制器、顯示屏、差分基站等硬件及檢測(cè)控制軟件系統(tǒng),將其應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)監(jiān)測(cè),能完成對(duì)農(nóng)機(jī)行駛路線的導(dǎo)航和行駛準(zhǔn)確性的監(jiān)測(cè),有效提高作業(yè)精度和作業(yè)質(zhì)量。

圖1 北斗麥普農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)

3.2 播種機(jī)播量監(jiān)測(cè)

隨著高速精量播種機(jī)技術(shù)普及,精量播種機(jī)中應(yīng)用的電控監(jiān)測(cè)技術(shù)也越來(lái)越多,主要的監(jiān)測(cè)類型集中于播種量監(jiān)測(cè),并對(duì)工況異常進(jìn)行及時(shí)精確預(yù)警。目前來(lái)看,歐美國(guó)家的播種機(jī)監(jiān)測(cè)技術(shù)與電氣化程度發(fā)展較好,例如,美國(guó)研究的快速測(cè)量播種機(jī)排種間距的光電傳感器系統(tǒng)、德國(guó)DLG農(nóng)業(yè)中心相繼研究并推廣的播種機(jī)光電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、日本的Inoti IK研制的電子控制的氣力式精密播種機(jī)等,對(duì)于引領(lǐng)播種機(jī)的電氣化發(fā)展具有積極引導(dǎo)作用。我國(guó)近年來(lái)的播種機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速,播種機(jī)的配套電子設(shè)備日漸豐富,如圖2所示為我國(guó)保定聯(lián)宇公司生產(chǎn)的LY系列播種機(jī)智能電子監(jiān)測(cè)系統(tǒng),能在合理設(shè)置株距、行距、周長(zhǎng)、肥料技術(shù)等參數(shù)的基礎(chǔ)上對(duì)播種粒數(shù)、單行粒數(shù)、播種面積、肥料重量等進(jìn)行監(jiān)測(cè),高效且精確的獲取播種信息,提高對(duì)播種的監(jiān)管并降低故障率。

圖2 LY系列播種機(jī)智能電子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

3.3 植保機(jī)噴霧量監(jiān)測(cè)

農(nóng)藥噴施量直接影響農(nóng)業(yè)產(chǎn)量和食品安全,不合理的農(nóng)藥噴施還會(huì)影響生產(chǎn)人員人身健康或造成農(nóng)田周邊的環(huán)境污染。優(yōu)化農(nóng)藥噴施技術(shù)是植保機(jī)械領(lǐng)域的重點(diǎn)研究和開(kāi)發(fā)任務(wù),變量噴藥與精確噴施已成為植保機(jī)械的發(fā)展趨勢(shì)。噴霧量監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)植保機(jī)械噴霧量控制的關(guān)鍵,因此,在現(xiàn)代化的精量噴藥設(shè)備上,常利用流量監(jiān)測(cè)傳感器配合藥液箱稱重傳感器監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)噴霧量和單位面積噴霧量。以便利用獲取的數(shù)據(jù)調(diào)整和控制管路中的壓力和PWM脈寬調(diào)制變量噴頭等關(guān)鍵工作參數(shù),實(shí)現(xiàn)精確變量噴施。

3.4 谷物烘干溫度及含水率監(jiān)測(cè)

大型谷物烘干設(shè)備的自動(dòng)化程度很高,在糧食烘干的過(guò)程中,必須對(duì)烘干機(jī)各個(gè)區(qū)域的熱風(fēng)溫度、谷物濕度、谷物溫度進(jìn)行分別測(cè)量,以實(shí)現(xiàn)最合理的谷物烘干質(zhì)量。如圖3所示為中聯(lián)谷王DC220橫流式谷物烘干機(jī),其配套有進(jìn)口高精度在線谷物水分儀,先進(jìn)的高精度溫濕度測(cè)控傳感器,能實(shí)現(xiàn)對(duì)谷物烘干過(guò)程的全程監(jiān)控,具有良好的穩(wěn)定性及可靠性。

圖3 中聯(lián)谷王DC220橫流式谷物烘干機(jī)

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,智能監(jiān)測(cè)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)中能發(fā)揮重要的作用,不僅能提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)精度和準(zhǔn)確性,而且在作業(yè)可靠性、自動(dòng)化等方面具有良好的促進(jìn)作用。從我國(guó)農(nóng)機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展來(lái)看,相對(duì)于其他行業(yè)在電氣化方面的進(jìn)步相對(duì)較慢,先進(jìn)的衛(wèi)星定位、傳感器等技術(shù)應(yīng)用相對(duì)不足,未來(lái)應(yīng)持續(xù)加強(qiáng)農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)與智能監(jiān)測(cè)技術(shù)的融合,促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械向自動(dòng)化和智能化發(fā)展,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高效率實(shí)施提供助力。