李祝慶

(湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南 株洲 412300)

0 引言

隨著電子信息和相關(guān)行業(yè)的快速發(fā)展,機(jī)電一體化技術(shù)已經(jīng)在各個(gè)行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用,極大地提高了我國(guó)制造業(yè)的生產(chǎn)率和標(biāo)準(zhǔn)化程度。近年來(lái),基于國(guó)家相關(guān)政策的不斷支持,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中也逐漸與機(jī)電一體化技術(shù)相融合,在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品上,通過(guò)電子技術(shù)、控制技術(shù)對(duì)其改進(jìn),簡(jiǎn)化了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的作業(yè)流程,提高了農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)效率,同時(shí),使農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化水平得到明顯提升,從而促進(jìn)了農(nóng)業(yè)機(jī)械化的高質(zhì)量發(fā)展[1]。

1 機(jī)電一體化技術(shù)

1.1 概述

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,1960—1970年間逐漸形成了機(jī)電一體化技術(shù)(Mechatronics),該技術(shù)是機(jī)械工程、電子信息工程、軟件工程和控制工程等多學(xué)科交叉融合而成的一門新技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)的核心意義在于將電子信息技術(shù)與機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)融為一體,以提升機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品的自動(dòng)化水平和工作效能,從而提高機(jī)械設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行性能。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

通過(guò)在傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品上增加電子控制和執(zhí)行元器件,實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品功能的靈活控制,使得原本單一功能的機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品具備更廣泛的用途。在一個(gè)完整的機(jī)械技術(shù)產(chǎn)品中,機(jī)械結(jié)構(gòu)仍然是其核心部件,機(jī)電一體化技術(shù)主要用于對(duì)原有機(jī)械結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步精確控制和操作優(yōu)化。為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備與機(jī)電一體化技術(shù)的有機(jī)結(jié)合,需對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),提高精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)機(jī)械與微電子技術(shù)、控制系統(tǒng)等電子信息技術(shù)的適配性[2]。

2 機(jī)電一體化技術(shù)對(duì)精準(zhǔn)農(nóng)機(jī)的影響

多種電子信息技術(shù)相互交叉、滲透最終形成現(xiàn)代機(jī)電一體化技術(shù)。與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械結(jié)構(gòu)相比,機(jī)電一體化技術(shù)利用其自身電子信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì),對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)上的關(guān)鍵部件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并控制,使其發(fā)揮出農(nóng)業(yè)機(jī)械的最大作業(yè)性能,對(duì)未來(lái)農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)展規(guī)律產(chǎn)生較大影響。

2.1 提高精準(zhǔn)農(nóng)機(jī)農(nóng)作物生產(chǎn)能力

機(jī)電一體化技術(shù)與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)機(jī)械相融合,保證了農(nóng)業(yè)機(jī)械在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)中對(duì)作業(yè)信息和參數(shù)的有效采集,機(jī)械控制能力也有所提高,提升了運(yùn)行效率,進(jìn)一步使得農(nóng)業(yè)機(jī)械能夠更好地執(zhí)行生產(chǎn)計(jì)劃,間接提高農(nóng)作物產(chǎn)量。

2.2 改善精準(zhǔn)農(nóng)機(jī)作業(yè)方式

機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用能夠有效降低農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)的復(fù)雜程度。相較于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械,其機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)行和傳動(dòng)較為復(fù)雜,對(duì)駕駛員技術(shù)要求較高。為了更好地滿足駕駛員的作業(yè)需求,精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)機(jī)械通過(guò)機(jī)電一體化技術(shù)優(yōu)勢(shì),利用傳感器和處理器的信息處理能力,自動(dòng)運(yùn)行設(shè)定的作業(yè)步驟,還可根據(jù)實(shí)際作業(yè)條件與設(shè)定模型相比對(duì),簡(jiǎn)化駕駛?cè)藛T的處理時(shí)間,極大減輕了駕駛?cè)藛T的勞動(dòng)強(qiáng)度,降低農(nóng)業(yè)機(jī)械操作難度,改善駕駛?cè)藛T工作環(huán)境。

3 機(jī)電一體化技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)機(jī)領(lǐng)域研究現(xiàn)狀

3.1 提升作業(yè)性能方面

利用機(jī)電一體化技術(shù),對(duì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行升級(jí)改造,主要是通過(guò)電子控制裝置帶動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械中,以達(dá)到對(duì)農(nóng)機(jī)精準(zhǔn)控制的目的,提高農(nóng)機(jī)作業(yè)效率和作業(yè)品質(zhì)。以旱田、水田平整地作業(yè)為例,傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)平整機(jī)械在工作時(shí),受到惡劣地表?xiàng)l件的影響,需要多次作業(yè)才能使田塊地表相對(duì)平整。然而,結(jié)合姿態(tài)傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)、電控液壓技術(shù)和控制技術(shù),在農(nóng)用平整機(jī)具上安裝自動(dòng)調(diào)平控制裝置,僅需單次作業(yè)即可達(dá)到符合農(nóng)藝標(biāo)準(zhǔn)的地表平整度,實(shí)現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)、高效率的田間作業(yè)。

通過(guò)衛(wèi)星定位技術(shù)、視覺(jué)識(shí)別技術(shù)以及自動(dòng)駕駛技術(shù)等手段,實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)機(jī)械在復(fù)雜作業(yè)環(huán)境下的精準(zhǔn)控制,極大地解放了勞動(dòng)生產(chǎn)力,同時(shí)也提升了作業(yè)質(zhì)量。以上海司南衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司研發(fā)的基于電機(jī)方向盤(pán)的北斗高精度農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)為例,AG360-GNSS農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)綜合了GNSS北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)和電控液壓轉(zhuǎn)向技術(shù),如圖1所示,能夠在車速3～8 km/h的作業(yè)條件下,確保拖拉機(jī)的橫向偏差不大于±3 cm。這一創(chuàng)新性系統(tǒng)充分體現(xiàn)了衛(wèi)星導(dǎo)航、電控技術(shù)的結(jié)合,為提高農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)效率和質(zhì)量提供了可行的解決方案[3]。

圖1 AG360-GNSS農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)組成示意圖

通過(guò)利用傳感器技術(shù)和機(jī)械電子控制技術(shù)等手段,對(duì)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的施肥和噴藥裝置進(jìn)行改造。借助傳感器模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)田間各地塊的地質(zhì)和作物狀況,以精確控制農(nóng)機(jī)具的施肥和噴藥量。同時(shí),將執(zhí)行模塊與農(nóng)機(jī)具的行駛速度相耦合,進(jìn)一步提高中耕植保過(guò)程的作業(yè)質(zhì)量。例如高速精量播種機(jī),如圖2所示,在播種機(jī)作業(yè)過(guò)程中,種子和肥料經(jīng)過(guò)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(fèi)[4]。

圖2 約翰迪爾1590型高速精量播種機(jī)

3.2 提高操作便捷性和作業(yè)可靠性方面

融入機(jī)電一體化技術(shù)到農(nóng)業(yè)機(jī)械中,能顯著提高農(nóng)業(yè)機(jī)械操作的可靠性。首先,在農(nóng)業(yè)機(jī)械和農(nóng)機(jī)具的關(guān)鍵部件上安裝多個(gè)傳感器,保證駕駛員實(shí)時(shí)掌握農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)狀態(tài)。在農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)過(guò)程中,一旦出現(xiàn)機(jī)械故障或某些異常狀態(tài),傳感器能夠?qū)崟r(shí)獲取各部件的數(shù)據(jù)信息。這些詳細(xì)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息可以在農(nóng)業(yè)駕駛室內(nèi)或其他顯示終端上顯示,提醒農(nóng)業(yè)機(jī)械操作人員關(guān)注異常狀態(tài),并及時(shí)解決各類事故隱患。例如,隨著現(xiàn)代新型拖拉機(jī)在農(nóng)機(jī)具上的廣泛應(yīng)用,現(xiàn)代化的拖拉機(jī)駕駛室裝配有機(jī)械作業(yè)實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示設(shè)備,能夠隨時(shí)幫助駕駛?cè)藛T掌握機(jī)械當(dāng)前的工作狀態(tài),如圖3所示,Valtra G系列拖拉機(jī)可視化操作系統(tǒng)。

圖3 Valtra G系列拖拉機(jī)可視化操作系統(tǒng)

通過(guò)在農(nóng)業(yè)機(jī)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(jī)、電腦等工具隨時(shí)查看農(nóng)業(yè)機(jī)械和農(nóng)機(jī)具關(guān)鍵工作部件的實(shí)時(shí)作業(yè)情況,極大提高了農(nóng)業(yè)機(jī)械駕駛?cè)藛T的操作便利性和作業(yè)可靠性。以上海交通大學(xué)與世達(dá)爾現(xiàn)代農(nóng)機(jī)公司合作研制的基于Android的農(nóng)機(jī)導(dǎo)航管理系統(tǒng)為例,該系統(tǒng)可以對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的運(yùn)行參數(shù)、田間地理位置等進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示,還可對(duì)導(dǎo)航和運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)分析[5]。

在農(nóng)機(jī)上應(yīng)用輔助控制系統(tǒng),能協(xié)助駕駛員正確操作農(nóng)業(yè)機(jī)械,防止操作不當(dāng)、超速、超載等情況發(fā)生,降低作業(yè)時(shí)對(duì)機(jī)械本身造成的損傷[6]。輔助控制系統(tǒng)是指利用安裝在拖拉機(jī)、聯(lián)合收割機(jī)等農(nóng)業(yè)機(jī)械上的傳感器,收集運(yùn)行數(shù)據(jù),并結(jié)合預(yù)設(shè)算法對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,從而提供輔助駕駛提示[7]。在司機(jī)操作不當(dāng)?shù)那闆r下,該系統(tǒng)能夠通過(guò)發(fā)出聲音、燈光等警告,提醒司機(jī)及時(shí)采取正確的操作。這一輔助控制系統(tǒng)的引入有助于提升駕駛員操作的方便性和安全性,同時(shí)減少在操作中對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械造成不必要的損壞。

4 展望

一是需要對(duì)農(nóng)機(jī)進(jìn)行持續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展情況和作業(yè)條件,對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)。使農(nóng)機(jī)更好地適應(yīng)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境條件,提高其綜合性能和適用性,滿足當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的發(fā)展需求,縮小不同地區(qū)農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展水平的差距[8-9]。

二是提高農(nóng)機(jī)的智能程度并降低故障率。農(nóng)業(yè)機(jī)械作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵支持,機(jī)械故障會(huì)直接造成糧食產(chǎn)量下降,對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成重大損失。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,機(jī)電一體化技術(shù)已經(jīng)在農(nóng)機(jī)裝備上得到了廣泛的應(yīng)用,該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械故障的實(shí)時(shí)預(yù)警,降低農(nóng)業(yè)機(jī)械的故障率,從而增加農(nóng)業(yè)機(jī)械的生產(chǎn)率,延長(zhǎng)農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用壽命,以更好地支持農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[10]。

三是提高農(nóng)機(jī)具的整體性能,使其操作更加簡(jiǎn)單。機(jī)電一體化技術(shù)是一種將電子信息技術(shù)與機(jī)電設(shè)備結(jié)合起來(lái)的自動(dòng)化控制系統(tǒng),它利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、微處理機(jī)、集成電路以及微機(jī)電系統(tǒng)等先進(jìn)的電子信息技術(shù),來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的控制和管理[11]。與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械相比,該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大、集成化程度高等特點(diǎn),能夠?qū)⑥r(nóng)業(yè)機(jī)械的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行有效整合,在一定程度上解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械存在的問(wèn)題。電子信息技術(shù)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用,有效提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的綜合性能,給農(nóng)業(yè)機(jī)械的運(yùn)行和后期維護(hù)帶來(lái)了積極影響。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要針對(duì)基于機(jī)電一體化的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)裝備進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查研究,列舉了大量的應(yīng)用案例,并分析其各項(xiàng)性能參數(shù)及主要工作原理。同時(shí),結(jié)合我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的整體發(fā)展趨勢(shì),對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行展望,為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的機(jī)電一體化發(fā)展提供了一定的參考。