談農(nóng)業(yè)機(jī)械自動控制方法及關(guān)鍵技術(shù)

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摘要:農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動化技術(shù)能顯著提高勞動生產(chǎn)效率，是農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)一步發(fā)展的必然途徑，根據(jù)現(xiàn)階段自動控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中的應(yīng)用情況，對能促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，總結(jié)了其主要優(yōu)勢和應(yīng)用特點，并設(shè)計了農(nóng)機(jī)自動控制的有效方法，有利于農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)的科學(xué)化發(fā)展。

關(guān)鍵詞:農(nóng)業(yè)機(jī)械;自動控制;方法;關(guān)鍵技術(shù)

隨著我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不斷變革，傳統(tǒng)的小規(guī)模生產(chǎn)模式已逐漸向大規(guī)模承包經(jīng)營轉(zhuǎn)變，這促進(jìn)了大型先進(jìn)農(nóng)機(jī)設(shè)備的應(yīng)用。對于大面積連片耕地來說，大型農(nóng)機(jī)具有高效、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)性好的特點，受到了生產(chǎn)經(jīng)營者的廣泛認(rèn)可。要進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，減輕人力勞動的負(fù)擔(dān)，就需要不斷加強(qiáng)農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動化程度，使更多的先進(jìn)科學(xué)技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械上來，農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動控制技術(shù)是高度自動化的必然要求?，F(xiàn)階段，很多農(nóng)機(jī)產(chǎn)品都開始應(yīng)用自動控制技術(shù)，使耕作、播種、收獲等多種生產(chǎn)工序變得更加精確和便捷，也為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的優(yōu)化升級創(chuàng)造了更多的可能性。

1自動控制在農(nóng)機(jī)生產(chǎn)的應(yīng)用

近年來，自動化技術(shù)與傳統(tǒng)機(jī)械技術(shù)的結(jié)合受到了各行各業(yè)的廣泛認(rèn)可，利用信息技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、定位技術(shù)等優(yōu)化農(nóng)業(yè)機(jī)械的控制過程，能夠顯著提高農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的性能，幫助農(nóng)機(jī)產(chǎn)品向自動控制方向轉(zhuǎn)變。在現(xiàn)階段的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中、拖拉機(jī)、播種機(jī)、植保機(jī)等傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)具廣泛應(yīng)用了多種自動化技術(shù)，例如對于播種過程的檢測、對于拖拉機(jī)行駛位置的定位、對于植保無人機(jī)的遠(yuǎn)程控制和自動化施藥等。盡管只是部分實現(xiàn)了自動控制功能，但是自動化技術(shù)的應(yīng)用也獲得了農(nóng)機(jī)使用者的肯定與好評。如今很多農(nóng)機(jī)裝備作業(yè)符和國家政策要求，能夠獲得一定的作業(yè)補(bǔ)貼，為保證相關(guān)補(bǔ)貼發(fā)放的合理性，相關(guān)的農(nóng)機(jī)裝備了衛(wèi)星定位系統(tǒng)，結(jié)合地理信息系統(tǒng)能夠做到對農(nóng)機(jī)具的精準(zhǔn)定位和產(chǎn)量預(yù)估。同時還能實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)耕地土壤條件、地形地貌等信息的采集，有利于農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的整體部署與調(diào)整。

2農(nóng)業(yè)機(jī)械自動控制技術(shù)

2．1農(nóng)機(jī)的自動駕駛技術(shù)

對于傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)的自動化控制首先要建立在自動駕駛技術(shù)的基礎(chǔ)上，農(nóng)機(jī)的自動駕駛技術(shù)比機(jī)動車的自動駕駛技術(shù)更為復(fù)雜。在目前的農(nóng)機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上，要實現(xiàn)農(nóng)機(jī)的自動駕駛技術(shù)，主要應(yīng)從以下三方面著手:一是改變傳統(tǒng)的駕駛系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，使機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)自動控制需求;二是對行駛速度、轉(zhuǎn)向幅度、行駛路線等重要參數(shù)進(jìn)行精確的檢測，以保證自動駕駛的精確性;三是具備完善的自動駕駛程序，保證機(jī)具的行駛特點附合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實際需求，自動駕駛技術(shù)的實施可行流程如圖1所示。自動駕駛技術(shù)需要人工進(jìn)行方案設(shè)計與決策，并幫助農(nóng)機(jī)駕駛到工作田間的指定位置，此時嵌入式控制器執(zhí)行作業(yè)決策，農(nóng)機(jī)開始自動化行駛，通過CAN總線控制方向比例閥和油門比例閥開啟適當(dāng)角度，并通過多種傳感器檢測機(jī)具的運(yùn)行狀態(tài)和行駛路線，將相關(guān)信息反饋給控制器，進(jìn)而實現(xiàn)對速度、方向等系統(tǒng)的控制。隨著功能的豐富，在控制自動駕駛的同時，還能實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)、機(jī)具轉(zhuǎn)速的實時控制，并實現(xiàn)自動駕駛與人工駕駛的自由切換。

2．2機(jī)具功能的控制與監(jiān)測

在實現(xiàn)自動駕駛的基礎(chǔ)上，還要實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械特定功能的控制與執(zhí)行，例如機(jī)具或零部件位置的自動調(diào)節(jié)、傳動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)、功能開關(guān)的開啟與關(guān)閉等。以精量播種機(jī)為例，要實現(xiàn)播種機(jī)的自動控制要求，首先要滿足播種機(jī)動力的自動銜接與斷開，在此基礎(chǔ)上，通過多種傳感器的應(yīng)用，實現(xiàn)對播種機(jī)轉(zhuǎn)速、播種量、施肥量、剩余種子量等信息的實施監(jiān)測，并幫助系統(tǒng)判斷播種機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)是否正常。為實現(xiàn)信息傳遞的實時性，減少電路系統(tǒng)和信息傳遞的復(fù)雜性，控制系統(tǒng)與檢測系統(tǒng)之間采取藍(lán)牙數(shù)據(jù)連接的方式，利用無線傳輸技術(shù)提高傳輸效率。此外，為便捷的讀取機(jī)具相關(guān)信息，還必須具備合理的人機(jī)交互界面，方便使用者能夠?qū)崟r獲取播種量、株距、平均速度等相關(guān)信息，能夠及時對作業(yè)方案進(jìn)行調(diào)整。

2．3機(jī)具故障自我診斷技術(shù)

農(nóng)業(yè)機(jī)械的故障自我診斷技術(shù)是保證自動化設(shè)備長期穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，現(xiàn)階段應(yīng)用比較廣泛的農(nóng)機(jī)自我診斷技術(shù)是對關(guān)鍵部位的振動狀態(tài)檢測技術(shù)。當(dāng)農(nóng)業(yè)機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)裝置出現(xiàn)故障時，最直觀表現(xiàn)出的異常就是振動狀態(tài)的變化，例如齒輪損壞、潤滑不良等都能直觀的在振動狀態(tài)上表現(xiàn)出來。除振動監(jiān)測外還可通過監(jiān)測關(guān)鍵部件的應(yīng)力、應(yīng)變、壓力、溫度、轉(zhuǎn)速、流量以及農(nóng)機(jī)的速度、位置等參數(shù)實現(xiàn)對農(nóng)機(jī)故障問題的診斷與檢測，參數(shù)數(shù)值超一定范圍，則報警提示，并返回故障代碼(如圖2所示)。異常信號的檢測與提取需要傳感器技術(shù)與通信技術(shù)、信號處理技術(shù)以及計算機(jī)技術(shù)相配合，農(nóng)機(jī)具的很多自我診斷項目可參照機(jī)動車相關(guān)技術(shù)(OBD)實施，但也應(yīng)根據(jù)農(nóng)機(jī)作業(yè)的自身特點增加適用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的診斷項目，以提高故障診斷的準(zhǔn)確性。根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)的常見故障問題特征，農(nóng)業(yè)機(jī)械的故障診斷系統(tǒng)設(shè)計可從以下幾方面考慮實施(如表所示)。

3農(nóng)機(jī)自動控制的設(shè)計與實現(xiàn)途徑

3．1控制系統(tǒng)功能設(shè)計

不同的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備具有不同的特點和工作條件要求，因此農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動控制實施要采用總體技術(shù)設(shè)計與模塊化設(shè)計相配合的方式實施?？刂葡到y(tǒng)的功能包括農(nóng)機(jī)設(shè)備公共系統(tǒng)的自動控制和專用機(jī)械功能的自動化控制。公共系統(tǒng)包括自動駕駛、動力系統(tǒng)檢測、路徑導(dǎo)航、故障檢測、遠(yuǎn)程通信等;專用機(jī)械功能的自動化控制應(yīng)針對農(nóng)機(jī)作業(yè)工序展開系統(tǒng)的設(shè)計，以播種機(jī)為例吸盤取種、種子輸送、排種、覆土鎮(zhèn)壓等各個工序展開控制系統(tǒng)的功能設(shè)計，以滿足全程自動化控制需求。

3．2控制系統(tǒng)的硬件選擇與設(shè)計

(1)控制器的設(shè)計。對于現(xiàn)階段的自動控制技術(shù)而言，多采用單片機(jī)作為控制器的核心，為保證自動控制系統(tǒng)對速度、溫度、振動、故障等信號具有高效的處理判斷能力，應(yīng)采用具有高穩(wěn)定性、抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快的單片機(jī)作為主控制器，常用單片機(jī)品牌包括Atmel、ST、ARM以及國產(chǎn)宏晶STC單片機(jī)等。(2)電路設(shè)計與功能實現(xiàn)。為保證控制器功能的實現(xiàn)，電路設(shè)計要將脈沖輸入口、數(shù)據(jù)交流口、復(fù)位電路、時鐘信號的輸入等位置進(jìn)行合理的設(shè)計與連接，并同時完成程序功能設(shè)計，將初始參數(shù)、判定功能逐步實現(xiàn)，以保證對正常駕駛和工作的監(jiān)控，以及對超速、故障、潤滑油缺失、排種或植保功能失效等問題的判定。(3)通信技術(shù)及方式設(shè)計。農(nóng)機(jī)自動化作業(yè)過程中，需要獲取并實時傳輸大量的數(shù)據(jù)，單純采用傳統(tǒng)的有線傳輸，易導(dǎo)致排線復(fù)雜，錯誤率較高，而通過傳統(tǒng)傳輸與藍(lán)牙傳輸技術(shù)相配合的方式，不僅能便捷的實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，更能降低數(shù)據(jù)通訊的成本和資源消耗。

4結(jié)論

農(nóng)機(jī)的自動控制技術(shù)能有效提高操作和駕駛的合理性，不僅有效提高勞動生產(chǎn)效率，且有效避免農(nóng)機(jī)故障和事故的發(fā)生。隨著控制器和傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械向自動化轉(zhuǎn)變在技術(shù)方面變得更為簡單，但自動控制技術(shù)能否合理的應(yīng)用到農(nóng)機(jī)裝備上，需要科學(xué)的程序設(shè)計與合理的技術(shù)途徑作保證。相信在不久的將來，自動化農(nóng)機(jī)將會廣泛引用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，并顯著提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。

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作者：陳振鵬 單位：諾伯特智能裝備( 山東) 有限公司