淺析機電一體化在農業機械中的應用

徐 強

（黑龍江工商學院，黑龍江 哈爾濱 150025）

目前，農業機械集成水平越來越高，這是當前農業機械化發展的主流趨勢，利用這些先進技術集成的農業機械，不僅可以降低農民的勞動強度，而且能夠提高農業生產的效率以及產出效益。機電一體化作為一種集成的現代技術，通過將微電子技術、計算機技術、信息技術等集于一體，實現了多項技術成果的綜合，將其應用于農業機械之中，極大地解決了農業機械功能單一、易出現故障、自動化水平不足等問題，使農業機械運行時的準確性、靈敏性、高效性得到提升。因此，本文重點對機電一體化技術在農業機械領域中的應用進行分析和研究，并對其發展趨勢進行展望。

1 機電一體化技術在農業機械中的應用優勢

1.1 減少農業機械故障

無論發展何種產業，在實際生產中必須將安全放在首位，農業也是如此。目前，我國農業機械化水平還沒有達到完全自動化的程度，很多地區仍是以半自動化農業生產為主，在實際農業生產中，如果農業機械發生故障，不僅影響農業生產，而且對農業機械的作業人員也會產生安全威脅。將機電一體化技術應用于農業機械領域，可以有效增強農業機械的可靠性和安全性，對農業機械發揮監測和防護作用[1]。當農業機械在生產運行時出現機械系統、電力系統等問題時，該技術便會通過監測發現農業機械的異常運行狀態，并向操作人員發送報警信息，使操作人員能夠第一時間解決各類問題，從而減少農機故障，確保人員安全。由此可見，將機電一體化技術應用于農業機械之中可以對機械故障提示信息進行采集和自動化分析，通過預警提示操作人員對即將發生的故障問題進行處理，從而有效減少農業機械故障。

1.2 提升農業生產力

應用機電一體化技術，能夠有效收集農業機械的信息，并且還可以對收集的信息進行有效處理，使農業機械的作業效率得以提升。具體表現為：信息技術應用于農業機械，可以實現農業生產信息的共享；借助計算機控制技術、衛星定位導航技術可以實現對農業機械的準確定位，同時可以監測農業機械運行的狀態、軌跡等，也可根據農業機械運行實況分析農業實際生產狀況，從而制定耕種、噴灑肥藥、收割等作業路線的最佳方案，提升農業生產的效率[2]。從農機維修角度來講，農業機械因長期使用容易出現磨損、故障等問題，需要一定的維修周期對機械設備進行維修。以往采取的維修方式通常為人工維修，需要先對機械設備的故障問題以及損壞部位進行檢測，然后才能進行維修，導致農業機械設備的維修周期比較長，耽誤設備的使用[3]。應用機電一體化技術，在設備運行時便可對設備進行檢測，從而精準定位出現故障問題和磨損的部件，進而以最快的速度解決這些問題，使設備能夠盡早投入農業生產，提升農業生產力。

1.3 監測農業機械作業實況

當前農業機械的功能逐漸增加，同時機械設備的結構也更加復雜，使用的機械零件越來越精細，并且零件數量也比較多，每個零件均有各自的作用，如果某個零件出現損壞、脫落的情況，將會導致整個機械設備無法正常運轉，不僅會降低生產效率，而且容易導致安全事故發生[4]。將機電一體化技術應用于農業機械中，能夠借助機電系統對農業機械的運轉進行實時監測，一旦監測到故障便會向操作人員發送警報，使操作人員以最快的速度解決故障，避免農機設備“負傷運行”。機電一體化技術通過準確監測農業機械作業實況，提升生產質效和安全性。

2 機電一體化在農業機械中的綜合應用

2.1 農業機械CAD一體化設計

CAD 是一項集計算機圖形學、網絡通信、數據庫等專業技術于一體的綜合性機電一體化技術，可以對農業機械進行優化設計、設計修改以及輸出效果調整等。借助CAD 開展農業機械一體化設計，可以使農業機械研發的整體效率得到提升[5]。以往采用傳統二維CAD 對農業機械進行設計時，僅能夠對農業機械的平面圖進行設計，一旦農業機械設計圖中某一細節出現錯誤，則修改工作極為繁瑣，甚至會出現“牽一發而動全身”的結果，導致二維CAD 平面圖紙整體需要大改。隨著機電一體化技術的發展，目前使用的CAD 技術已經從二維升級為三維，可以利用三維掃描儀構建完整的農業機械CAD 數據模型，使農業機械研發人員能夠從動力學、機械工程學以及運動學等多視角對農業機械設計的合理性進行剖析，并且能夠掌握農業物料的空間運動軌跡、給定軌跡以及平面運動時產生的作用力，并對農業機械進行科學化、規范化設計，使CAD 一體化設計能夠滿足現代農業機械設計的基本需求，提升設計的精度和整體效果[5]。例如，在對農業耕作使用的犁進行一體化設計時，可以使用Creaform 三維掃描儀結合Geomagic Design X 構建三維CAD 數據模型。犁作為常見耕地農具，主要應用于破碎土塊，并且還要耕出溝槽，從而為播種打好基礎。設計人員可以結合三維CAD 數據模型，考慮犁地、開溝、壅土等實際需求，對犁的設計進行調整，對犁的尖端部位、犁體的曲面、安裝座等結構部分進行逐一調整，最后通過VR 技術對設計好的模型進行驗證，確保設計結果能夠滿足實際生產需求。由此可見，農業機械CAD 一體化設計對于提升農機質量發揮重要作用，可提升農業機械使用效果。

2.2 機電一體化在設備調配中的應用

目前，電子信息技術已經應用于農業機械領域，使農業機械的生產效率得以提升，并且在集約化、綠色化、現代化等方面實現了發展。尤其是監控技術、通信技術、智能診斷技術等集成于農業機械設備上，使農業生產、植保、田間管理等方面取得了顯著的效果，實現了農業機械電子信息一體化調配，提高了農業生產的質量[6]。當前主要使用植保噴藥機防治田間病蟲害，這也是開展田間管理的重要手段。植保機械應該在作業安全性、作業效率、施藥量等方面滿足要求，以往我國使用的植保機械藥箱容量一般在500 L以上，雖然能夠滿足植保噴藥的實際需求，但在噴灑均勻度、用藥量以及機械維護方面無法達到要求，存在農藥化肥施用量過高的問題，易污染自然環境，并對農作物及田間土壤造成破壞。因此，可以采用農業機械機電一體化系統對植保機械進行優化，該植保機械主要包括行走系統和噴藥系統兩個模塊。行走系統可以實現高地隙行走，主要由驅動總成、轉向總成、行走裝置以及高地隙底盤等構成，噴藥系統則由噴頭、藥箱、電控器、液泵等構成。該植保機械采用電子遙控裝置進行調配，采取人工操作的方式將控制信號發送到植保機械，控制信號包括進退信號、噴灑信號、轉向信號以及速度信號等，信號接收機接收到控制信號之后，通過串口向各裝置傳輸控制指令，并由各裝置對控制指令進行執行，從而利用機電一體化技術實現植保設備調配。

2.3 機電一體化在采收機械中的應用

為了保證采收機械作業過程中信息的準確性和及時性，必須利用機電一體化技術。在現代農業生產中，生產操作的精確性已經成為一項基本要求，GPS定位技術可以在農業生產中實現精準操作，便于農業活動的開展[7]。我國農業生產具有規模大的特點，因此，農民通常在機械化生產方面有著較高的要求。但受作業場地的限制，農業機械難以在現場進行高效調度，導致農業機械生產效率偏低。若將機電一體化技術應用于農業機械領域，便可以通過機電一體化中的GPS 定位技術解決農業機械生產效率低下的問題。GPS 還可以與超聲波技術聯用，將農業機械生產作業的場景轉變成三維立體圖像，當現場生產作業急需調整農業機械時，操作人員可借助GPS定位技術提供的三維圖像開展現場調整工作，從而使農業機械調度產生的路徑誤差得以減小，并且使操作人員能夠有效地操控機械設備，將農業機械在農業生產中的作用充分發揮出來。此外，也可以將GPS技術與傳感器技術聯用，對谷物進行收割和監測，根據傳感器監測的數據調整割臺高度和農機行駛速度，還可以對谷物流量、濕度等信息進行監控。其系統框架如圖1所示[8]。

圖1 傳感器技術與GPS技術聯用于收獲機的系統框架

例如，在對小麥進行收割時，由于小麥生長高度不一，收割機進入麥田收割時，可以利用收割機前置的傳感器，同時對小麥的高度和收割機行駛速度進行監測，將數據信號傳遞至GPS 系統之中，通過GPS 模塊調整收割機行駛速度，避免行駛速度過快而出現漏收問題。

2.4 機電一體化在農機無損檢測中的應用

近年來，隨著農業機械化的不斷發展，微電子技術、計算機控制技術、傳感技術等機電一體化技術得以在農業機械中應用，這些技術形成了計算機視覺技術，可以有效地處理農機設備圖像，從而實現對農機的無損檢測。同時，由上述內容可知，聯合應用GPS技術、超聲波技術以及傳感技術等，可以實現集群化、高精度的導航作業[9]。計算機視覺技術作為一種機電一體化技術，能夠實現對農機的無損檢測，從而進一步提升農機的品質[10]。

3 農業機械機電一體化技術的發展趨勢

3.1 柔性化與智能化

柔性化和智能化是農業機械機電一體化技術今后的主要發展趨勢之一。柔性化是指農業機械機電一體化技術既能夠實現獨立工作，同時又能夠為總體服務的一種自律分配系統。該系統投入到農業機械中應用，即便其中的子系統發生故障，系統也能夠對終端進行有效控制，從而使農業機械合理地應對各類突發事件，將農業機械整體工作受到的影響降至最低，并保障農業機械運行的安全性。智能化則是指基于當前人工智能或超人工智能技術實現農業機械運行的全自動化，提升農業機械運行的精度和效率，促進農業機械現代化發展。

3.2 集成化與微型信息化

目前，機電一體化技術之所以能夠適用于農業機械領域，主要是因為機電一體化集成了若干先進技術，將這些技術應用于農業機械中，能夠增加農業機械的功能，提升農業機械的生產效率。今后農業機械機電一體化技術的應用發展仍會加深集成化。同時，當前蝕刻技術以及納米技術等微型機電一體化技術已經得到發展，農業機械機電一體化技術領域中將會出現微型傳感器、微型處理器以及微型執行元件的結合，使信息自律元件趨于微型化，從而推動農業機械機電一體化發展。

4 結論

綜上所述，當前我國農業機械領域正在從半自動化向自動化方向發展，在此過程中，機電一體化技術的應用發揮著重要的作用，不僅能夠提升農業生產效率，而且能夠增強農業生產過程中的安全性。隨著農業科技的持續發展，機電一體化技術將會衍生出更加智能化、自動化的技術應用于農業機械中，使農業機械早日實現完全自動化，進一步解放勞動力，提升農業作業效率。