基于機電一體化技術的精準農業機械應用研究

李祝慶

(湖南化工職業技術學院,湖南 株洲 412300)

0 引言

隨著電子信息和相關行業的快速發展,機電一體化技術已經在各個行業得到了廣泛應用,極大地提高了我國制造業的生產率和標準化程度。近年來,基于國家相關政策的不斷支持,農業生產作業過程中也逐漸與機電一體化技術相融合,在傳統的農業機械產品上,通過電子技術、控制技術對其改進,簡化了農業生產的作業流程,提高了農業機械的作業效率,同時,使農業機械的自動化、標準化水平得到明顯提升,從而促進了農業機械化的高質量發展[1]。

1 機電一體化技術

1.1 概述

隨著半導體技術的發展,1960—1970年間逐漸形成了機電一體化技術(Mechatronics),該技術是機械工程、電子信息工程、軟件工程和控制工程等多學科交叉融合而成的一門新技術。這項技術的核心意義在于將電子信息技術與機械產品設計融為一體,以提升機械設計產品的自動化水平和工作效能,從而提高機械設備的實際運行性能。

1.2 技術特點

通過在傳統機械產品上增加電子控制和執行元器件,實現對機械產品功能的靈活控制,使得原本單一功能的機械設計產品具備更廣泛的用途。在一個完整的機械技術產品中,機械結構仍然是其核心部件,機電一體化技術主要用于對原有機械結構的進一步精確控制和操作優化。為實現農業機械裝備與機電一體化技術的有機結合,需對傳統農業機械結構進行改進,提高精準農業機械與微電子技術、控制系統等電子信息技術的適配性[2]。

2 機電一體化技術對精準農機的影響

多種電子信息技術相互交叉、滲透最終形成現代機電一體化技術。與傳統的農業機械結構相比,機電一體化技術利用其自身電子信息技術的優勢,對機械結構上的關鍵部件實時監測并控制,使其發揮出農業機械的最大作業性能,對未來農業機械的發展規律產生較大影響。

2.1 提高精準農機農作物生產能力

機電一體化技術與精準農業機械相融合,保證了農業機械在農業生產作業中對作業信息和參數的有效采集,機械控制能力也有所提高,提升了運行效率,進一步使得農業機械能夠更好地執行生產計劃,間接提高農作物產量。

2.2 改善精準農機作業方式

機電一體化技術的應用能夠有效降低農業機械作業的復雜程度。相較于傳統農業機械,其機械結構運行和傳動較為復雜,對駕駛員技術要求較高。為了更好地滿足駕駛員的作業需求,精準農業機械通過機電一體化技術優勢,利用傳感器和處理器的信息處理能力,自動運行設定的作業步驟,還可根據實際作業條件與設定模型相比對,簡化駕駛人員的處理時間,極大減輕了駕駛人員的勞動強度,降低農業機械操作難度,改善駕駛人員工作環境。

3 機電一體化技術在精準農機領域研究現狀

3.1 提升作業性能方面

利用機電一體化技術,對精準農業機械進行升級改造,主要是通過電子控制裝置帶動機械運動應用到農業機械中,以達到對農機精準控制的目的,提高農機作業效率和作業品質。以旱田、水田平整地作業為例,傳統的農業平整機械在工作時,受到惡劣地表條件的影響,需要多次作業才能使田塊地表相對平整。然而,結合姿態傳感器監測技術、電控液壓技術和控制技術,在農用平整機具上安裝自動調平控制裝置,僅需單次作業即可達到符合農藝標準的地表平整度,實現高標準、高效率的田間作業。

通過衛星定位技術、視覺識別技術以及自動駕駛技術等手段,實現了農業機械在復雜作業環境下的精準控制,極大地解放了勞動生產力,同時也提升了作業質量。以上海司南衛星導航技術股份有限公司研發的基于電機方向盤的北斗高精度農機自動駕駛系統為例,AG360-GNSS農機自動導航駕駛系統綜合了GNSS北斗衛星導航技術和電控液壓轉向技術,如圖1所示,能夠在車速3～8 km/h的作業條件下,確保拖拉機的橫向偏差不大于±3 cm。這一創新性系統充分體現了衛星導航、電控技術的結合,為提高農業機械作業效率和質量提供了可行的解決方案[3]。

圖1 AG360-GNSS農機自動導航駕駛系統組成示意圖

通過利用傳感器技術和機械電子控制技術等手段,對精準農業機械的施肥和噴藥裝置進行改造。借助傳感器模塊實時監測田間各地塊的地質和作物狀況,以精確控制農機具的施肥和噴藥量。同時,將執行模塊與農機具的行駛速度相耦合,進一步提高中耕植保過程的作業質量。例如高速精量播種機,如圖2所示,在播種機作業過程中,種子和肥料經過多次碾壓,被均勻地播種在土壤中,有效減少了種子和肥料的浪費[4]。

圖2 約翰迪爾1590型高速精量播種機

3.2 提高操作便捷性和作業可靠性方面

融入機電一體化技術到農業機械中,能顯著提高農業機械操作的可靠性。首先,在農業機械和農機具的關鍵部件上安裝多個傳感器,保證駕駛員實時掌握農業機械作業狀態。在農業機械的作業過程中,一旦出現機械故障或某些異常狀態,傳感器能夠實時獲取各部件的數據信息。這些詳細的狀態和數據信息可以在農業駕駛室內或其他顯示終端上顯示,提醒農業機械操作人員關注異常狀態,并及時解決各類事故隱患。例如,隨著現代新型拖拉機在農機具上的廣泛應用,現代化的拖拉機駕駛室裝配有機械作業實時狀態顯示設備,能夠隨時幫助駕駛人員掌握機械當前的工作狀態,如圖3所示,Valtra G系列拖拉機可視化操作系統。

圖3 Valtra G系列拖拉機可視化操作系統

通過在農業機械上安裝攝像頭、傳感器、稱重器等裝置,駕駛員可以使用手機、電腦等工具隨時查看農業機械和農機具關鍵工作部件的實時作業情況,極大提高了農業機械駕駛人員的操作便利性和作業可靠性。以上海交通大學與世達爾現代農機公司合作研制的基于Android的農機導航管理系統為例,該系統可以對農業機械的運行參數、田間地理位置等進行實時顯示,還可對導航和運行狀況進行實時分析[5]。

在農機上應用輔助控制系統,能協助駕駛員正確操作農業機械,防止操作不當、超速、超載等情況發生,降低作業時對機械本身造成的損傷[6]。輔助控制系統是指利用安裝在拖拉機、聯合收割機等農業機械上的傳感器,收集運行數據,并結合預設算法對這些數據進行實時處理,從而提供輔助駕駛提示[7]。在司機操作不當的情況下,該系統能夠通過發出聲音、燈光等警告,提醒司機及時采取正確的操作。這一輔助控制系統的引入有助于提升駕駛員操作的方便性和安全性,同時減少在操作中對農業機械造成不必要的損壞。

4 展望

一是需要對農機進行持續的結構優化。設計時應考慮當地農業發展情況和作業條件,對農業機械進行調整和改進。使農機更好地適應當地的環境條件,提高其綜合性能和適用性,滿足當地農業的發展需求,縮小不同地區農業機械化發展水平的差距[8-9]。

二是提高農機的智能程度并降低故障率。農業機械作為農業生產的關鍵支持,機械故障會直接造成糧食產量下降,對農業生產造成重大損失。隨著科學技術的發展,機電一體化技術已經在農機裝備上得到了廣泛的應用,該技術可實現農業機械故障的實時預警,降低農業機械的故障率,從而增加農業機械的生產率,延長農業機械的使用壽命,以更好地支持農業生產[10]。

三是提高農機具的整體性能,使其操作更加簡單。機電一體化技術是一種將電子信息技術與機電設備結合起來的自動化控制系統,它利用計算機技術、傳感器技術、微處理機、集成電路以及微機電系統等先進的電子信息技術,來實現對農業機械的控制和管理[11]。與傳統的農業機械相比,該系統具有結構簡單、功能強大、集成化程度高等特點,能夠將農業機械的各個環節進行有效整合,在一定程度上解決傳統農業機械存在的問題。電子信息技術在機電一體化系統中的應用,有效提高農業機械的綜合性能,給農業機械的運行和后期維護帶來了積極影響。

5 結語

本文主要針對基于機電一體化的精準農業技術裝備進行了詳細的調查研究,列舉了大量的應用案例,并分析其各項性能參數及主要工作原理。同時,結合我國農業生產的整體發展趨勢,對機電一體化技術在精準農業機械領域的應用進行展望,為精準農業機械領域的機電一體化發展提供了一定的參考。