农业机械机电一体化技术的运用研究①

徐嘉琦

(佳木斯大学,黑龙江 佳木斯 154007)

0 引 言

作为农业大国的我国，农业是第一产业。促进农业现代化、信息化、智能化发展，是我国整体经济快速平稳发展的关键。而通过推进农业机械与机电一体化技术融合，可以为我国农业发展提供良好的环境，促使大规模机械化成为可能。基于此，根据现代农业发展情况，对农业机械与机电一体化技术的融合发展运用进行适当分析具有至关重要的现实意义。

1 农业机械机电一体化的内涵

农业机械机电一体化主要是以机械、计算机、微电子技术为主的多学科知识相互结合形成的技术产品，具有自动报警、自动监视、自动诊断、自动维护等功能，可以有效提升产品可靠性、安全性[1]。特别是在农业机械设备遇到超压、短路、过流系统故障时，可以自动启动保护装置，降低机电故障对农机驾驶员、农机的危害。

2 农业机械机电一体化技术的运用意义

2.1 改善操作性能

数控技术、程序控制技术是机电一体化在农业机械设备中主要应用表现。从近几年农业机械设备生产应用历程来看，零部件故障发生概率较高。而通过农业机械机电一体化技术的运用，可以简化农业机械零部件。并在操作系统支持下，借助人工智能一体化管理，促使农业机械设备各部件在整个作业阶段均保持良好的工作状态。

2.2 提升工作效率

在机电一体化技术发展带动下，农业机械设备信息收集整理效率得到了稳步提升，为我国现代农业发展提供了良好支撑。特别是在以机电一体化为基石的农业信息共享机制中，农业机械设备管理者可以第一时间获取农机驾驶员位置信息及操作过程信息，据此判定农作物生长情况，为下一步农业机械化操作方案制定提供依据[2]。

2.3 减少系统故障

在当前农业机械化生产作业开展阶段，机械设备的安全性受关注程度日益提升。以往农业机械化生产作业中某一机械设备部件故障将对整个农业生产造成不利影响。而通过农业机械机电一体化技术的运用，可以借助机电一体化自动预警、诊断功能，在机械设备出现故障的第一时间进行出现，减少农业机械系统故障出现概率，提升农业机械设备整体安全性能。

3 农业机械机电一体化技术的运用现状

3.1 农业机械CAD设计

CAD(计算机辅助设计)是一项将网络通信、计算机图形学、数据库等知识有机融合的综合性技术，利用CAD技术，可以对农业机械设备进行修改、设计优化、输出效果调整等操作，提高农业机械设备研发效率[3]。相较于以往过程较为繁琐的作图法而言，CAD可以帮助农业机械研发者从运动学、动力学视角进行剖析，了解农业物料在给定轨迹、空间运动、平面运动中多作用力，充分适应现代农业对农业机械的需求。以基于CAD的犁设计为例，众所周知，犁是一种耕地用农具，由一根横梁端部的厚重刃组成，大多系在牵引他的机动车上，用于破碎土块并耕出沟槽，为播种做好准备，根据覆土犁特点，设计人员可以选择恰当的CAD软件，结合犁地、覆土、壅土、开沟、中耕除草需求及配套耕地整地机械特点，从犁尖端、犁体曲面、犁柱、安装座、调节机构等方面，进行逐一编辑。即利用CREAFORM三维扫描仪+Geomagic Design X的方案，通过HandySCAN 3D BLACK Elite激光扫描仪，将犁臂扫描，根据扫描数据开展逆向设计，获得完整的CAD数据模型，具体如图1所示：

图1 犁CAD数据模型

如图1所示，HandySCAN 3D BLACK Elite可以精确测量(精度为0.025m)并提供可追踪高分辨率结果。以动态参考为特点，在测量期间移动扫描件、部件，获得0.020+0.040mm/m(0.0008in+0.0005in/ft)的体积精度。同时以十一条激光十字线为依据，每秒进行1300000次测量，并自动生成网格，实现2.0min内从安装、扫描、存档的快速工作流[4]。

3.2 农业机械电子调配

从全世界范围内出发，电子信息技术与农业机械融合程度日益加深，加速了现代农业高效性、现代化、集约化、节能性、环保性发展，也引发了农业机械的创新发展。特别是在农业机械过程监视、控制、通信、诊断技术性能不断提高进程中，农药、化肥等无机化学资源消耗量显著下降，为环境友好型农业建设提供了充足支持。以植保喷药机为例，农田植保是防控治理病虫草害的主要手段，也是农作物生长期间田间管理的重点模块。作业安全性、作业速度、单位面积施药量、作业效率等均对植保机械设备应用具有严格要求，我国以往所采用的农业植保机械多配备大容量药箱(500.0L以上)、高地隙底盘，虽然可以在驾驶员的操作下完成一般喷药植保需求，但是机械整体质量维护资金损耗率较高，喷洒均一，极易出现农药、化肥过量施用问题，且在田间行驶期间极易对农田土壤、作物造成破坏，基于此，可以利用电机控制与变量技术，研制具有电子调配施药、转向、驱动的小规模植保机械。具体机械机电一体化系统包括精量喷药系统、高地隙行走系统两个功能模块，前者包括液泵、喷头、喷杆、药箱、精量电子控制器几个部分；后者则包括高地隙底盘、行走控制装置、转向总成、驱动总成几个部分。具体遥控装置组成如图2所示：

图2 小规模高地隙植保机械电子遥控装置组成

如图2所示，小规模高地隙植保机械电子遥控装置主要是通过人工操作向小规模农业植保机械发送控制信号，如喷洒、前进/后退、速度、转向等；接收器是核心模块，包括处理单元、信号接收机(电子遥控信号)、串口几个部分，可以在接收电子遥控器发送控制信号后，经串口将控制指令输出至精量控制器、行走控制装置(左前驱动总成、右前驱动总成、左后驱动总成、右后驱动总成、前转向总成、后转向总成)，两者均以蓄电池作为动力源[5]。其中行走系统结构主要承担行走驱动任务，包括四个驱动总成、两个转向总成、底盘、行走控制装置几个部分，分别负责提供行走驱动力、实现车轮同步转动、维持后桥稳定、控制行走。在行走控制系统运行过程中，可以通过接收机、Arduino Due开发板、TTL串口控制，具体过程如图3所示：

图3 行走控制系统控制流程

如图3所示，转向机构总成、转向电机及驱动器、转向控制单元为转向控制系统，控制单元为驱动控制系统重要部分，直接控制左前驱动总成、左后驱动总成、右前驱动总成、右后驱动总成[6]。

3.3 农业机械无损检测

在近几年农业机械化发展进程中，计算机实时控制技术、微电子技术、传感技术、液压技术建立了紧密的联系，形成了完善的计算机视觉技术体系，可以直接对农业机械设备图像进行处理，实现农机系统的无损检测，并将其引入农业自动化收获机械研制体系中，在GPS差分技术、传感器技术、超声波技术的支持下，实现高精度、集群导航作业。计算机视觉技术最初应用于农产品的质量检测及品质等级划分中，可以根据农产品颜色、外表面形态等基本物理特征，预先设定级别划分标准，并通过农产品图像处理，控制执行结构自动分级，降低人力、时间成本。由于农作物的机械化生产是一个漫长而复杂的过程，在现代精细农业中需要及时了解作物生长情况以及生长环境基本条件，因此，为满足长期稳定监测要求，可以作物收获机械为载体，利用单目视觉、双目视觉或者多目视觉技术，实现复杂多变作业环境中作物位置的精确定位，避免作物生长位置、形状、颜色、方向的多样随机性对人员造成的大量识别、移动工作，实现作物在三维空间层面的精准定位[7]。有条件的情况下，还可以根据机械化集体作业规模，通过基于机器视觉技术的自动导航系统，将药剂喷洒、播种等过程转为三维空间立体化，同时满足农业机械化生产对于数量、质量的需求。

4 农业机械机电一体化技术的运用趋势

4.1 柔性智能化

在未来发展进程中，农业机械机电一体化技术将呈现出即可独立工作又可为总体服务的自律分配系统化，即柔性化。这种情况下，即使子系统出现故障，控制终端也可以游刃有余地处理各种突发风险因子，不会对整体工作造成不利影响。进而保障农业机械利用效率，推动现代农业发展。

4.2 微型信息化

在科技飞速发展进程中，纳米技术、蚀刻技术也得到了稳步的发展，微型机电技术质量出现了显著提升，机械元件小型化、简易化特征愈加突出。通过将微型传感器、执行元件、处理器整合，可以形成微型信息自律元件，实现农业机械机电一体化稳步发展，获得最佳农业生产方式。

4.3 激光一体化

由于农业机械已实现自动化，在未来融合以往机电一体化技术的前提下，激光技术、计算机信息技术将充分整合，为农业机械结构组成优化提供最佳运行机制。进而从动力系统、传感系统、信息处理系统等多个环节入手，全面推进农业机械技术水平升级。

5 结 语

综上所述，从当前我国农业机械化发展水平来看，我国农业机械化生产与国外发达国家仍然具有一定差距，农业机械机电一体化技术研究深度不足是主要原因。因此，各地应加强对农业机械机电一体化技术的研究，完善电子信息技术、电子传感器、微型计算机技术在农业机械化生产中的应用体系，为农业机械现代化发展提供充足驱动力。

在经济未来发展进程中，农业机械作业效率将对现代化农业发展产生越来越突出的影响。因此，各地应借助社会经济发展契机，将机电一体化技术应用到拖拉机、播种机等常见机械设备中，全面优化农业机械设备性能，为我国经济水平的提升奠定基础。