沈　碩　張喜文　龔宇童

農(nóng)業(yè)機械中智能化技術(shù)的運用

沈碩張喜文龔宇童

（荊楚理工學(xué)院湖北荊門448000）

隨著農(nóng)業(yè)發(fā)展速度的不斷加快，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機械已經(jīng)無法滿足生產(chǎn)要求，智能化的農(nóng)業(yè)機械已經(jīng)成為未來的發(fā)展方向。文章對農(nóng)業(yè)機械中智能化技術(shù)的運用進行了研究，從自動控制、新能源、電子智能技術(shù)、機器視覺、機器人、導(dǎo)航技術(shù)、CAD技術(shù)等對農(nóng)業(yè)機械中智能化技術(shù)的具體應(yīng)用情況進行了梳理，指出了未來農(nóng)業(yè)機械發(fā)展的主要方向。

農(nóng)業(yè)機械；智能化；技術(shù)

農(nóng)業(yè)是國家的根本，農(nóng)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r從一定程度上能夠反映出國家的發(fā)展?fàn)顩r。隨著國民經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力的要求也在不斷提升，作為人口大國，為了滿足國內(nèi)人民的食品需求，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率勢在必行[1]。因此，近年來用于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率的各類農(nóng)業(yè)機械逐步被研制出來，在一定程度上滿足了現(xiàn)如今對提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的需求。但是我國地大物博，簡單的機械設(shè)備已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展的要求。隨著自動化、人工智能、大數(shù)據(jù)等一大批新型技術(shù)的問世，基于智能化技術(shù)的農(nóng)業(yè)機械的研究逐步進入廣大農(nóng)業(yè)研究人員的視野，一度成為研究熱點。鑒于此，文章對農(nóng)業(yè)機械智能化技術(shù)的運用進行了討論和梳理。

1 智能技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械中的應(yīng)用

隨著農(nóng)業(yè)機械裝備的不斷進步，智能化和農(nóng)業(yè)化相結(jié)合的各類設(shè)備逐步問世，智能化實現(xiàn)了為機械化賦能，賦予機械設(shè)備以靈魂，讓機械可以按照人的思維工作，符合人的思想意識，在一定程度上提升了農(nóng)業(yè)的智慧化和數(shù)字化水平[2]。新一代技術(shù)如農(nóng)業(yè)新能源技術(shù)、自動控制、機器視覺、機器人和導(dǎo)航技術(shù)等已經(jīng)逐漸成熟，已經(jīng)開始應(yīng)用于農(nóng)田灌溉、作物的施肥和收割等領(lǐng)域，逐步實現(xiàn)了農(nóng)田管理的智能化，提升了農(nóng)業(yè)資源的利用率，降低了環(huán)境污染的概率，實現(xiàn)了經(jīng)濟效益和農(nóng)業(yè)生態(tài)的同步快速健康發(fā)展。

1.1 自動控制技術(shù)的應(yīng)用

自動控制是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械智能化最主要的手段之一，目前在發(fā)達國家中已經(jīng)使用得比較普遍。例如，在農(nóng)業(yè)機械中大多安裝了電子視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在大型收割機械的駕駛艙內(nèi)安裝智慧屏幕，就可以實現(xiàn)不同作物在收割過程中的實時監(jiān)控和調(diào)度[3]。美國等現(xiàn)已經(jīng)實現(xiàn)了對農(nóng)作物狀態(tài)的監(jiān)控和自動管理，在日常管理過程中將植物生長的溫度、濕度、土壤和光照參數(shù)通過傳感器進行實時獲取，經(jīng)過計算機自動控制系統(tǒng)的分析和處理后，再將其輸出給控制裝置，從而實現(xiàn)以上參數(shù)的實時自主調(diào)節(jié)。另外，歐美國家也已經(jīng)研發(fā)出了激光平地機，將激光信號發(fā)射出去，在接收到光信號后對其進行分析和轉(zhuǎn)化，將輸出結(jié)果發(fā)送至液壓控制系統(tǒng)，驅(qū)動刮土鏟進行工作，最終實現(xiàn)高精度的土地翻整作業(yè)。在國內(nèi)，此種控制技術(shù)還比較滯后，目前仍處于研究階段。

1.2 新能源技術(shù)的應(yīng)用

目前所謂的新能源主要包含水能、風(fēng)能和太陽能等。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，太陽能可以為機械運動提供動能，可以為病蟲害預(yù)防、種植和灌溉等提供能源支持，如建立以光能和電能為支撐的溫室大棚，為蔬菜等農(nóng)作物的種植提供能量；使用光照設(shè)備誘導(dǎo)有害昆蟲，解決現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中農(nóng)藥使用量大的問題，減輕農(nóng)藥殘留物對土壤的影響，土壤的肥力得到有效保障，農(nóng)業(yè)廢棄物也得到有效減少；還可以利用太陽能光電水泵和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)進行微滴灌、提灌、農(nóng)田給水等作業(yè)；在機械駕駛艙內(nèi)使用基于太陽能半導(dǎo)體的機械制冷器，借助集熱器和真空平板，將太陽能轉(zhuǎn)化為機械能，驅(qū)動冷卻裝置工作，為駕駛艙空調(diào)運轉(zhuǎn)提供能量，保障駕駛艙內(nèi)的工作人員在夏季高溫時能夠得到有效防暑降溫。

1.3 電子智能技術(shù)的應(yīng)用

電子智能技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械中的應(yīng)用，主要是為了解決精細化和精準(zhǔn)化作業(yè)的問題?，F(xiàn)如今在歐美和日本等國，已經(jīng)將高精尖的電子智能技術(shù)和農(nóng)業(yè)機械設(shè)備箱融合，綜合運用電子智能技術(shù)，已經(jīng)研發(fā)出了各類采摘、耕作、收割等一系列智能化農(nóng)業(yè)裝備[4]。例如以色列已經(jīng)研發(fā)出多功能農(nóng)業(yè)自動生產(chǎn)設(shè)備，該設(shè)備兼具灌溉、施肥、檢測、預(yù)警等功能，基于先進的智能控制技術(shù)，大幅提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，顯著提升了灌溉的精確度和效率，實現(xiàn)了對大型農(nóng)牧場、果園和田園的智能化灌溉。在北歐某些國家，已經(jīng)將電子監(jiān)控儀器集成至聯(lián)合收割機中，實現(xiàn)收割過程中對某些關(guān)鍵參數(shù)的智能化顯示，逐步替代了傳統(tǒng)的顯示模式，人機交互水平顯著提升，用戶的體驗感更好。

1.4 機器視覺技術(shù)的應(yīng)用

機器視覺技術(shù)是最典型的一類智能化技術(shù)，因為其算法邏輯是模擬人腦的思維過程，其功能也符合人類分析事物的基本能力。在農(nóng)業(yè)機械中，機器視覺技術(shù)主要是使用微型計算機、攝像機等設(shè)備模擬人類視覺的基本功能，實現(xiàn)對目標(biāo)農(nóng)作物的識別、檢測和跟蹤分析，并可有效地實現(xiàn)對周圍障礙物的規(guī)避，對機器人行進的路線進行提前預(yù)判和分析。

起初，視覺技術(shù)主要是用于對農(nóng)作物的等級分析和產(chǎn)品品質(zhì)的檢測，主要做作物的無損檢測，無須和產(chǎn)品進行表面接觸，僅僅通過機器視覺進行圖像分析，便可獲得規(guī)定位置內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量情況，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，再基于固定的規(guī)則分析，便可以得出農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量等級。近年來隨著計算機和圖形處理技術(shù)的發(fā)展，機器視覺已經(jīng)逐步被用于田間護理、植物收割、植保和嫁接等領(lǐng)域中。例如使用機器視覺技術(shù)，可以在復(fù)雜多變的農(nóng)田環(huán)境中，實現(xiàn)對復(fù)雜信息的收集、環(huán)境狀況的分析、識別目標(biāo)作業(yè)植物的位置和生長情況分析，為機器人提前規(guī)劃形式路線做數(shù)據(jù)支撐。

1.5 機器人技術(shù)的應(yīng)用

機器人技術(shù)是一門綜合圖像識別、智能技術(shù)、柔性作業(yè)、自動控制、信息交換和通信技術(shù)于一體的技術(shù)。借助機器人技術(shù)可以更好地利用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的跟蹤定位、監(jiān)控、智能識別等功能，使機器人可以更好地模擬人類行為，服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理。例如，美國某團隊便研發(fā)出可以進行天氣預(yù)測的高清晰度、高光譜的熱成像相機和脈沖激光機器人。此機器人可以適時獲取農(nóng)作物的直徑、葉片大小、莖稈的高度等參數(shù)，也可對土壤進行檢測，獲取其含水量、溫度等環(huán)境信息，存儲后傳輸至中央控制器進行大數(shù)據(jù)分析計算，隨后基于分析結(jié)果構(gòu)建植物的3D模型，以此預(yù)測農(nóng)作物的生長發(fā)育狀況和產(chǎn)量等信息。法國科學(xué)家開發(fā)了一種可以用于大型蔬菜種植的除雜草機器人，此機器人配備了GPS視覺相機，能夠?qū)崿F(xiàn)自動播種和雜草拔除等工作，工作過程中不會對農(nóng)作物構(gòu)成任何傷害。英國某科學(xué)家，研發(fā)了一種西藍花采摘機器人，經(jīng)實際應(yīng)用，其采摘西藍花的速度是人工采摘的6倍以上。

1.6 導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用

GPS導(dǎo)航是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被最廣泛應(yīng)用的技術(shù)，其優(yōu)點是操作簡單、速度快、精確度非常高，同時其成本比其他導(dǎo)航系統(tǒng)更低。在國外發(fā)達國家，大部分農(nóng)業(yè)機械中都安裝了GPS系統(tǒng)，通過自動導(dǎo)航系統(tǒng)，可以實現(xiàn)作業(yè)的自動化，同時GPS還能和互聯(lián)網(wǎng)建立信息鏈接，對收割區(qū)域的農(nóng)作物質(zhì)量和產(chǎn)量進行實時分析處理，為后期農(nóng)田維護和保養(yǎng)提供數(shù)據(jù)支撐。日本等國家將GPS安裝至拖拉機上，實現(xiàn)了無人駕駛，目前從農(nóng)機具倉庫到農(nóng)場全程均可無人駕駛。另外，在農(nóng)作物的藥物噴灑、播種和灌溉等領(lǐng)域，各類無人機也逐步將GPS等導(dǎo)航技術(shù)加入其中，通過GPS可以預(yù)定無人機飛行路線和高度，可以實現(xiàn)精細化作業(yè)。經(jīng)數(shù)據(jù)分析，無人機藥物噴灑，能夠減少近40%的農(nóng)藥用量，大幅降低了藥物購買成本和農(nóng)藥對周圍生態(tài)環(huán)境造成的影響，同時還增強了藥物噴灑對作物的穿透性，提升了對病蟲害的治療水平。

1.7 CAD技術(shù)的應(yīng)用

CAD技術(shù)主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機械的三維設(shè)計過程中，通過應(yīng)用軟件可以對實際設(shè)計結(jié)果進行對裝配關(guān)系的預(yù)先校驗，保證設(shè)計結(jié)果的準(zhǔn)確與合理性。智能CAD技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計中的應(yīng)用主要是借助模塊化變形設(shè)計，對各個模塊的位置和裝配關(guān)系進行預(yù)先模擬。另外，智能CAD技術(shù)，可以使得設(shè)計人員可以方便快捷地進行模型參數(shù)的修改，從而使設(shè)計結(jié)果可以直接達到具備三維工程化應(yīng)用的狀態(tài)。通過三維CAD技術(shù)，可以使設(shè)計者直接利用三維的設(shè)計結(jié)果與客戶進行對接交流，客戶也可基于三維模型快速提出自身需求，交流更加直觀和準(zhǔn)確。但是近年來由于三維模型標(biāo)注標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，三維模型庫的構(gòu)建數(shù)量有限，三維工程化的具體應(yīng)用工作進展比較緩慢，在未來研究農(nóng)機產(chǎn)品的基于MBD技術(shù)的三維模型標(biāo)注技術(shù)、開展三維模型標(biāo)準(zhǔn)件庫的構(gòu)建工作是主攻方向之一。

2 前景和趨勢預(yù)測

國家農(nóng)業(yè)發(fā)展水平是國家整體發(fā)展水平的標(biāo)志之一，然而農(nóng)業(yè)機械的智能化發(fā)展水平又直接決定了國家農(nóng)業(yè)的整體發(fā)展水平，這也是各大發(fā)達國家競相發(fā)展農(nóng)業(yè)的主要原因。農(nóng)業(yè)機械化水平的提升，可以較大程度地解決勞動力問題，對人口稀少的國家更是如此。我國想要提升農(nóng)業(yè)機械化和智能化水平，就必須建立智能裝備的全方位技術(shù)體系，大范圍配備智能化裝備，將重點研究方向定位于農(nóng)業(yè)機械化的智能化和精準(zhǔn)化研究。

現(xiàn)如今，國內(nèi)某些智能化裝備研發(fā)工作已經(jīng)取得了較好的成績，某些智能設(shè)備已經(jīng)遠銷海內(nèi)外，尤其農(nóng)作物收割機和植保設(shè)備，同時，我國也在積極研究智能化的農(nóng)機設(shè)備，推行智能化改造和智能工廠建設(shè)。另外，各種新能源等新興技術(shù)已經(jīng)開始滲透進農(nóng)業(yè)機械研發(fā)領(lǐng)域，并起到了積極的指導(dǎo)性作用。沼氣、太陽能、水能、風(fēng)能等新能源逐步替代煤炭、石油等非可再生資源，為自然環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展和應(yīng)對全球氣候變暖提供了幫助。

總之，積極推進農(nóng)業(yè)化和智能化的融合，研發(fā)信息化、集成化、可持續(xù)的農(nóng)業(yè)機械，推動農(nóng)業(yè)機械向智能化發(fā)展，是推動農(nóng)業(yè)整體水平提升的必經(jīng)之路，也是我國農(nóng)業(yè)科技工作者們義不容辭的責(zé)任。

[1]呂穎利.簡析農(nóng)業(yè)機械自動化?信息化和智能化的路徑選擇[J].廣東蠶業(yè),2019,53(11):34-35.

[2]敬雨浩.人工智能與計算機技術(shù)在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化中的應(yīng)用[J].廣東蠶業(yè),2019,53(9):48-49.

[3]刁東偉.電子信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械工程中的運用淺析[J].大科技,2020(8):184.

[4]盧永泉.智能化技術(shù)在甘蔗聯(lián)合收割機中的應(yīng)用與前景[J].中國設(shè)備工程,2018(12):173-174.

沈碩（2000- ），男，漢族，湖北黃岡人，本科在讀，研究方向：機械設(shè)計制造及其自動化。

10.3969/j.issn.2095-1205.2020.12.49

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2095-1205(2020)12-99-02