何 兵

(江蘇省泰興中等專業(yè)學(xué)校,江蘇 泰興 225400)

0 引言

隨著人工智能技術(shù)和智能控制算法的不斷發(fā)展,農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)成為了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要組成部分。在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,農(nóng)民需要進(jìn)行大量體力勞動(dòng),如犁田、播種、施肥等,而這些工作不僅耗費(fèi)人力物力,還容易出現(xiàn)誤操作和浪費(fèi)[1-3]。而采用自動(dòng)化系統(tǒng),可以提高作業(yè)效率,減輕勞動(dòng)強(qiáng)度,降低成本,提高作業(yè)精度和質(zhì)量,從而為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了新的途徑。

本文介紹了基于智能控制的農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程,并提出相關(guān)設(shè)計(jì)原則,可以顯著提高作業(yè)效率和質(zhì)量,降低勞動(dòng)強(qiáng)度和成本[4-5]。系統(tǒng)包括傳感器模塊、控制模塊和執(zhí)行模塊三個(gè)部分,通過傳感器模塊采集農(nóng)田信息,控制模塊根據(jù)信息進(jìn)行智能控制,執(zhí)行模塊完成作業(yè)任務(wù)。該系統(tǒng)具有智能化、高效性、可靠性等特點(diǎn)[6],可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益和現(xiàn)代化水平。

1 國內(nèi)外研究進(jìn)展

1.1 傳感器技術(shù)

傳感器是農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分,其作用是將各種物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)換為電信號(hào),用于控制系統(tǒng)的輸入和輸出[7]。近年來,國內(nèi)外傳感器技術(shù)研究取得了許多進(jìn)展,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是近年來傳感器技術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。該技術(shù)可以將多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,使農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)可以更加精確地控制作業(yè)過程,提高作業(yè)效率和質(zhì)量。

1.1.2 光纖傳感技術(shù)

光纖傳感技術(shù)是一種高精度、高可靠性的傳感技術(shù)。與傳統(tǒng)的電氣傳感器不同,光纖傳感器采用光學(xué)原理來檢測物理量,具有較高的測量精度和靈敏度。在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)中,光纖傳感技術(shù)可以用于監(jiān)測土壤溫度、濕度等參數(shù),提高作物生長環(huán)境的控制精度[8]。

1.1.3 機(jī)器視覺技術(shù)

機(jī)器視覺技術(shù)是一種基于計(jì)算機(jī)視覺的智能感知技術(shù),可以對圖像、視頻等進(jìn)行處理和分析。在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)中,機(jī)器視覺技術(shù)可以用于自動(dòng)識(shí)別和分類作物,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的作業(yè)過程。例如,通過機(jī)器視覺技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)智能化農(nóng)藥噴灑和施肥,提高施肥和農(nóng)藥噴灑的精度和效率[9]。

1.1.4 微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)

微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)是一種將傳感器、微處理器和微機(jī)械技術(shù)集成在一起的新型技術(shù)。在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)中,微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)微型化、低功耗、高精度的傳感器。例如,微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)可以用于制造微型化的土壤水分傳感器,實(shí)現(xiàn)對農(nóng)田水分的精確監(jiān)測。

1.2 智能控制算法

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展,智能控制算法的研究也取得了長足進(jìn)展。智能控制算法是指利用人工智能技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)來設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的算法。以下是智能控制算法研究進(jìn)展的幾個(gè)方面。

1.2.1 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制算法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種仿生學(xué)的計(jì)算模型,具有自適應(yīng)、非線性和魯棒性等特點(diǎn)。在智能控制算法中,基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制算法可以用于處理復(fù)雜的非線性系統(tǒng),如農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)中的自動(dòng)導(dǎo)航和作業(yè)控制。

1.2.2 模糊控制算法

模糊控制算法是一種基于模糊邏輯的控制算法,可以處理模糊、不確定的控制問題。在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)中,模糊控制算法可以用于處理灌溉和施肥等復(fù)雜的控制問題。

1.2.3 遺傳算法

遺傳算法是一種模擬自然選擇和遺傳機(jī)制的算法,具有全局搜索、高效性和自適應(yīng)性等特點(diǎn)。在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)中,遺傳算法可以用于優(yōu)化控制參數(shù)和路徑規(guī)劃等問題。

1.2.4 深度學(xué)習(xí)算法

深度學(xué)習(xí)算法是一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法,可以用于處理大規(guī)模數(shù)據(jù)和復(fù)雜模型的學(xué)習(xí)問題。在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)中,深度學(xué)習(xí)算法可以用于目標(biāo)檢測、分類和識(shí)別等問題。

1.3 小結(jié)

總之,智能控制算法的研究進(jìn)展,為農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)的智能化和自動(dòng)化提供了強(qiáng)有力的支持。在未來,隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展和普及,智能控制算法將更加廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)中,進(jìn)一步提高系統(tǒng)的智能化和自動(dòng)化水平。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工作原理

2.1 系統(tǒng)基本組成

基于智能控制的農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過程,需要綜合考慮機(jī)械設(shè)計(jì)、電子控制、傳感器技術(shù)和智能控制算法等多個(gè)方面的因素,以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效、可靠和智能化。在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,每一個(gè)組成部分都起著至關(guān)重要的作用。因此,針對不同組成部分,需要進(jìn)行相應(yīng)的定制化設(shè)計(jì)。

2.1.1 機(jī)械部分

在機(jī)械設(shè)計(jì)中,需要考慮到機(jī)械的可靠性、穩(wěn)定性和安全性等因素。同時(shí),還需要將自主導(dǎo)航和自動(dòng)控制系統(tǒng)整合到機(jī)械設(shè)計(jì)中,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)。因此,在機(jī)械設(shè)計(jì)中需要考慮到傳感器的安裝位置、傳感器信號(hào)的傳輸、機(jī)械運(yùn)動(dòng)的控制和機(jī)械與作物之間的適配等因素。

2.1.2 電子控制

在電子控制中,需要選擇高性能的控制器,實(shí)現(xiàn)對機(jī)械的智能控制。同時(shí),還需要考慮通信模塊的選擇和整合,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。在電子控制中,還需要將智能控制算法實(shí)現(xiàn)到控制器中,實(shí)現(xiàn)機(jī)械自主導(dǎo)航、避障和自動(dòng)作業(yè)等功能。

2.1.3 傳感器模塊

傳感器可以采集氣象數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)和作物數(shù)據(jù)等信息,為智能控制算法提供數(shù)據(jù)支持。在傳感器技術(shù)中,需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景選擇適合的傳感器,并考慮傳感器的精度、靈敏度、穩(wěn)定性和可靠性等因素。

2.1.4 控制算法

智能控制算法可以根據(jù)傳感器采集到的數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)機(jī)械的自主導(dǎo)航、避障和自動(dòng)作業(yè)等功能。在智能控制算法的設(shè)計(jì)中,需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景選擇適合的算法,并考慮算法的復(fù)雜度、實(shí)時(shí)性和可靠性等因素。

2.2 工作原理

在工作時(shí),農(nóng)業(yè)機(jī)械通過GPS和其他傳感器實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航,避免與其他物體碰撞。機(jī)械可以在不需要人工干預(yù)的情況下,根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)自主作業(yè),如噴灑農(nóng)藥、施肥、灌溉等。此外,農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程作業(yè)和遠(yuǎn)程維護(hù)。

系統(tǒng)的工作流程可以概括為傳感器采集信息并傳輸至控制器,控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并實(shí)現(xiàn)智能控制算法,將控制信號(hào)發(fā)送至執(zhí)行機(jī)構(gòu)(如液壓系統(tǒng)),實(shí)現(xiàn)機(jī)械的自主導(dǎo)航、避障和自動(dòng)作業(yè)等功能。整個(gè)系統(tǒng)是基于智能控制算法實(shí)現(xiàn)的,可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的高效、可靠和智能化作業(yè)。

3 關(guān)鍵模塊設(shè)計(jì)原則

3.1 傳感器模塊

傳感器模塊是基于智能控制的農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分,它用于采集作物、土壤、氣象等相關(guān)信息,為控制器提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)支持。傳感器模塊的設(shè)計(jì)和選型需要根據(jù)不同應(yīng)用場景和測量需求進(jìn)行選擇。

在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)中,常用的傳感器包括溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、土壤濕度傳感器、氣壓傳感器、GPS定位傳感器等。這些傳感器可用于監(jiān)測作物生長狀況、土壤濕度、環(huán)境溫度、氣壓等信息,從而為機(jī)械自主作業(yè)提供數(shù)據(jù)支持。

在選型方面,需要考慮傳感器的精度、穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、耐久性和成本等因素。對于傳感器的精度和穩(wěn)定性要求較高的場合,建議選擇高精度的傳感器產(chǎn)品,并配合專業(yè)信號(hào)處理器和濾波器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。此外,還需要根據(jù)機(jī)械的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境,選擇防水、防塵、耐腐蝕等特殊要求的傳感器。

綜上所述,傳感器模塊的設(shè)計(jì)和選型需要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場景和測量需求,選擇符合要求的高精度、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快、耐久性強(qiáng)的傳感器產(chǎn)品,以確保整個(gè)系統(tǒng)的高效、可靠和智能化。

3.2 控制模塊

控制模塊是基于智能控制的農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)的核心部分,它負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理、控制指令的生成和傳輸,以及與傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等其他模塊的協(xié)調(diào)和交互。控制模塊的設(shè)計(jì)和選型需要根據(jù)系統(tǒng)的需求和實(shí)際應(yīng)用場景進(jìn)行選擇。

在控制模塊的選型方面,需要考慮其處理能力、可靠性、功耗、通信協(xié)議、開發(fā)工具和成本等因素。常見的控制模塊包括單片機(jī)、微處理器、DSP芯片、FPGA等。對于處理能力要求較高的場合,建議選擇處理器性能強(qiáng)、運(yùn)行速度快、功耗低的控制模塊,同時(shí)根據(jù)應(yīng)用場景的不同,選擇相應(yīng)的通信協(xié)議,如CAN、RS485、Ethernet等。

除了控制模塊的硬件選型外,還需要考慮控制算法的選擇和實(shí)現(xiàn)?；谥悄芸刂频霓r(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)通常采用PID控制算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法、遺傳算法、模糊控制算法等多種控制算法進(jìn)行控制。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景和控制要求,選擇適合的控制算法,并根據(jù)控制模塊的選型和硬件資源進(jìn)行具體實(shí)現(xiàn)。

綜上所述,控制模塊的設(shè)計(jì)和選型需要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場景和控制要求,選擇符合要求的高性能、可靠性好、功耗低、通信協(xié)議豐富的控制模塊,同時(shí)根據(jù)控制算法的選擇和硬件資源進(jìn)行具體實(shí)現(xiàn),以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的高效、可靠和智能化。

3.3 執(zhí)行模塊

執(zhí)行模塊負(fù)責(zé)接受控制模塊發(fā)出的指令,并將指令轉(zhuǎn)化為機(jī)械運(yùn)動(dòng)或其他實(shí)際操作。執(zhí)行模塊的設(shè)計(jì)和選型需要根據(jù)具體應(yīng)用場景和機(jī)械操作的要求進(jìn)行選擇。

在執(zhí)行模塊的選型方面,需要考慮其性能、可靠性、精度、速度、負(fù)載能力、安全性等因素。常見的執(zhí)行模塊包括電動(dòng)機(jī)、液壓執(zhí)行器、氣動(dòng)執(zhí)行器、電磁執(zhí)行器等。對于要求高精度、高速度、負(fù)載能力大的場合,建議選擇性能優(yōu)良、可靠性高的執(zhí)行模塊。同時(shí),為了確保系統(tǒng)的安全性,需要選用具備過載保護(hù)、限位保護(hù)等安全功能的執(zhí)行模塊。

除了執(zhí)行模塊的硬件選型外,還需要考慮執(zhí)行控制算法的選擇和實(shí)現(xiàn)。基于智能控制的農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)通常采用位置控制算法、速度控制算法、力控制算法等多種控制算法進(jìn)行控制。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景和機(jī)械操作的要求,選擇適合的控制算法,并根據(jù)執(zhí)行模塊的選型和硬件資源進(jìn)行具體實(shí)現(xiàn)。

綜上所述,執(zhí)行模塊的設(shè)計(jì)和選型需要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場景和機(jī)械操作的要求,選擇符合要求的高性能、可靠性好、精度高、速度快、負(fù)載能力大、安全性好的執(zhí)行模塊,同時(shí)根據(jù)執(zhí)行控制算法的選擇和硬件資源進(jìn)行具體實(shí)現(xiàn),以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的高效、可靠和智能化。

4 基于智能控制的農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢

基于智能控制的農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要組成部分,它能夠提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)化程度和智能化水平,減輕農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力壓力,提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量,同時(shí)還能夠減少資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。隨著科技的不斷進(jìn)步和發(fā)展,基于智能控制的農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也在不斷創(chuàng)新和發(fā)展。

4.1 多模態(tài)傳感器的應(yīng)用

隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展,多模態(tài)傳感器的應(yīng)用越來越廣泛。多模態(tài)傳感器不僅可以實(shí)現(xiàn)對單一農(nóng)業(yè)參數(shù)的監(jiān)測,還可以對多個(gè)農(nóng)業(yè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和分析,從而提高農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)的效率和可靠性。

4.2 云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,可以實(shí)現(xiàn)對農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理,從而實(shí)現(xiàn)更高效的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理和決策支持。

4.3 人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的應(yīng)用

人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對大量數(shù)據(jù)的處理和分析,從而提高農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)的決策和預(yù)測能力,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更好的支持和服務(wù)。

4.4 機(jī)器人化和自主化

未來的農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)將更加機(jī)器人化和自主化,能實(shí)現(xiàn)更高效、更智能、更可靠的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理。

5 結(jié)論

本文主要介紹了基于智能控制的農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。首先,文章介紹了傳感器技術(shù)和智能控制算法的研究進(jìn)展,然后詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和工作原理,包括傳感器模塊、控制模塊和執(zhí)行模塊的設(shè)計(jì)與選型。最后,文章探討了基于智能控制的農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢。通過本文的闡述,可以得出以下結(jié)論:

1)基于智能控制的農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要組成部分,它能夠提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)化程度和智能化水平,減輕農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力壓力,提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量,同時(shí)還能夠減少資源浪費(fèi)和環(huán)境污染;

2)傳感器技術(shù)和智能控制算法是基于智能控制的農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)的核心技術(shù),它們的不斷發(fā)展將推動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)的智能化和高效化;

3)基于智能控制的農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮機(jī)械設(shè)計(jì)、電子控制、傳感器技術(shù)和智能控制算法等多個(gè)方面的因素,以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效、可靠和智能化;

4)未來基于智能控制的農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)將會(huì)在傳感器技術(shù)、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)、機(jī)器人化和自主化等方面得到更多的創(chuàng)新和發(fā)展,從而為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供更好的支持和服務(wù)。