农业机械自动控制方法及关键技术研究

陈振鹏

摘 要：农业机械的自动化技术能显著提高劳动生产效率，是农业机械进一步发展的必然途径，根据现阶段自动控制技术在农业生产实践中的应用情况，对能促进农业机械自动化的关键技术进行了研究，总结了其主要优势和应用特点，并设计了农机自动控制的有效方法，有利于农业机械技术的科学化发展。

关键词：农业机械;自动控制;方法;关键技术

中图分类号：S2202        文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2020.07.005

随着我国农业生产不断变革，传统的小规模生产模式已逐渐向大规模承包经营转变，这促进了大型先进农机设备的应用。对于大面积连片耕地来说，大型农机具有高效、优质、经济性好的特点，受到了生产经营者的广泛认可。要进一步提高农业生产效率，减轻人力劳动的负担，就需要不断加强农业机械的自动化程度，使更多的先进科学技术应用到农业机械上来，农业机械的自动控制技术是高度自动化的必然要求。现阶段，很多农机产品都开始应用自动控制技术，使耕作、播种、收获等多种生产工序变得更加精确和便捷，也为农业生产的优化升级创造了更多的可能性。

1 自动控制在农机生产的应用

近年来，自动化技术与传统机械技术的结合受到了各行各业的广泛认可，利用信息技术、计算机技术、传感器技术、网络技术、定位技术等优化农业机械的控制过程，能够显著提高农机产品的性能，帮助农机产品向自动控制方向转变。在现阶段的农业生产当中、拖拉机、播种机、植保机等传统农机具广泛应用了多种自动化技术，例如对于播种过程的检测、对于拖拉机行驶位置的定位、对于植保无人机的远程控制和自动化施药等。尽管只是部分实现了自动控制功能，但是自动化技术的应用也获得了农机使用者的肯定与好评。如今很多农机装备作业符和国家政策要求，能够获得一定的作业补贴，为保证相关补贴发放的合理性，相关的农机装备了卫星定位系统，结合地理信息系统能够做到对农机具的精准定位和产量预估。同时还能实现对农业耕地土壤条件、地形地貌等信息的采集，有利于农业产业的整体部署与调整。

2 农业机械自动控制技术

2.1 农机的自动驾驶技术

对于传统农机的自动化控制首先要建立在自动驾驶技术的基础上，农机的自动驾驶技术比机动车的自动驾驶技术更为复杂。在目前的农机技术基础上，要实现农机的自动驾驶技术，主要应从以下三方面着手：一是改变传统的驾驶系统机械结构，使机械结构能够实现自动控制需求;二是对行驶速度、转向幅度、行驶路线等重要参数进行精确的检测，以保证自动驾驶的精确性;三是具备完善的自动驾驶程序，保证机具的行驶特点附合农业生产的实际需求，自动驾驶技术的实施可行流程如图1所示。

自动驾驶技术需要人工进行方案设计与决策，并帮助农机驾驶到工作田间的指定位置，此时嵌入式控制器执行作业决策，农机开始自动化行驶，通过CAN 总线控制方向比例阀和油门比例阀开启适当角度，并通过多种传感器检测机具的运行状态和行驶路线，将相关信息反馈给控制器，进而实现对速度、方向等系统的控制。随着功能的丰富，在控制自动驾驶的同时，还能实现对液压系统、机具转速的实时控制，并实现自动驾驶与人工驾驶的自由切换。

2.2 机具功能的控制与监测

在实现自动驾驶的基础上，还要实现农业机械特定功能的控制与执行，例如机具或零部件位置的自动调节、传动机构转速的调节、功能开关的开启与关闭等。以精量播种机为例，要实现播种机的自动控制要求，首先要满足播种机动力的自动衔接与断开，在此基础上，通过多种传感器的应用，实现对播种机转速、播种量、施肥量、剩余种子量等信息的实施监测，并帮助系统判断播种机的运行状态是否正常。为实现信息传递的实时性，减少电路系统和信息传递的复杂性，控制系统与检测系统之间采取蓝牙数据连接的方式，利用无线传输技术提高传输效率。此外，为便捷的读取机具相关信息，还必须具备合理的人机交互界面，方便使用者能够实时获取播种量、株距、平均速度等相关信息，能够及时对作业方案进行调整。

2.3 机具故障自我诊断技术

农业机械的故障自我诊断技术是保证自动化设备长期稳定运行的基础，现阶段应用比较广泛的农机自我诊断技术是对关键部位的振动状态检测技术。当农业机械的运转装置出现故障时，最直观表现出的异常就是振动状态的变化，例如齿轮损坏、润滑不良等都能直观的在振动状态上表现出来。除振动监测外还可通过监测关键部件的应力、应变、压力、温度、转速、流量以及农机的速度、位置等参数实现对农机故障问题的诊断与检测， 参数数值超一定范围， 则报警提示，并返回故障代码（如图2所示）。

异常信号的检测与提取需要传感器技术与通信技术、信号处理技术以及计算机技术相配合，农机具的很多自我诊断项目可参照机动车相关技术（OBD）实施，但也应根据农机作业的自身特点增加适用于农业生产的诊断项目，以提高故障诊断的准确性。根据农业机械化生产的常见故障问题特征，农业机械的故障诊断系统设计可从以下几方面考虑实施（如表所示）。

3 农机自动控制的设计与实现途径

3.1 控制系统功能设计

不同的农业机械设备具有不同的特点和工作条件要求，因此农业机械的自动控制实施要采用总体技术设计与模块化设计相配合的方式实施。控制系统的功能包括农机设备公共系统的自动控制和专用机械功能的自动化控制。公共系统包括自动驾驶、动力系统检测、路径导航、故障检测、远程通信等;专用机械功能的自动化控制应针对农机作业工序展开系统的设计，以播种机为例吸盘取种、种子输送、排种、覆土镇压等各个工序展开控制系统的功能设计，以满足全程自动化控制需求。

3.2 控制系统的硬件选择与设计

（1）控制器的设计。对于现阶段的自动控制技术而言，多采用单片机作为控制器的核心，为保证自动控制系统对速度、温度、振动、故障等信号具有高效的处理判断能力，应采用具有高稳定性、抗干扰能力强、运算速度快的单片机作为主控制器，常用单片机品牌包括Atmel、ST、ARM以及国产宏晶STC单片机等。

（2）电路设计与功能实现。为保证控制器功能的实现，电路设计要将脉冲输入口、数据交流口、复位电路、时钟信号的输入等位置進行合理的设计与连接，并同时完成程序功能设计，将初始参数、判定功能逐步实现，以保证对正常驾驶和工作的监控，以及对超速、故障、润滑油缺失、排种或植保功能失效等问题的判定。

（3）通信技术及方式设计。农机自动化作业过程中，需要获取并实时传输大量的数据，单纯采用传统的有线传输，易导致排线复杂，错误率较高，而通过传统传输与蓝牙传输技术相配合的方式，不仅能便捷的实现数据共享，更能降低数据通讯的成本和资源消耗。

4 结论

农机的自动控制技术能有效提高操作和驾驶的合理性，不仅有效提高劳动生产效率，且有效避免农机故障和事故的发生。随着控制器和传感器技术的不断发展，农业机械向自动化转变在技术方面变得更为简单，但自动控制技术能否合理的应用到农机装备上，需要科学的程序设计与合理的技术途径作保证。相信在不久的将来，自动化农机将会广泛引用于农业生产当中，并显著提高农业生产的效率和质量。

参考文献：

[1] 刘强. 自动控制技术在农业机械中的应用[J]. 农机使用与维修， 2017（3）：1-2.

[2] 唐勇伟. 基于ARM-Linux的农机自动驾驶控制系统设计与研究[D].青岛：青岛理工大学，2016.

[3] 朱鹏飞. 气吸式无级调控小麦精播机自动控制系统的研制[D]. 泰安：山东农业大学， 2013.