农业机械自动化控制系统中传感技术应用研究

费县农业农村局 周银章

自动化控制系统是基于机电技术、PLC控制程序、伺服控制系统、变频控制系统、电机控制系统及液压控制系统等相互整合，实现机械设备自动化运行的系统体系。自动化概念的产生已经有数十年历史，在工业生产中得以广泛应用。近些年来，随着农业机械发展水平不断提升，自动化控制系统开始逐步应用于农业机械不同环节，尤其是以传感技术为支撑，为自动化控制水平提升奠定良好基础。

1 传感技术及在农业机械自动化控制系统中的应用优势

1.1 传感技术概念

传感技术是以传感器、信息处理和识别、数字技术等为支撑，从自然信源中获取信息，对信息急性处理、变换和识别的现代科学与工程技术。传感器的作用主要是通过气体、光线、温湿度及人体感知等形式，将周围环境或特殊物质的模拟信号转换成数字信号，并在数字显示平台上以数据形式显示出来[1]。基于传感技术原理，传感器的功能与品质，对传感信号处理质量有直接性影响。传感技术在工农业生产中的高水平应用，不仅是生产效率提升的关键，更是生产模式变革的重要驱动力量，是实现现代化发展的重要技术支撑。

1.2 传感技术在农业机械中的应用现状

我国在传感技术方面的研究与开发，起始于20世纪60年代，直至80年代才开始得以重视，因此就整体上而言，较之发达国家技术水平还有明显差异，在农业生产中的应用，起步更为滞后。近些年来，随着相关技术研究不断成熟，农业生产水平的不断提升，使得传感技术在农业机械方面的应用实现突破性发展。以此衍生而来的农业传感技术也形成专门的技术形态，并在部分高校开始出现独立的学科。农业传感技术具有较强的针对性，由于农业生产环境的复杂性、数据处理的精准性要求较高，使得实际应用中对传感器的运算能力、单片机的运行能力、软件处理速度和误差应用能力都有较高要求。就整体上而言，传感技术在农业机械中的应用还处于前期发展阶段，整体研发和生产能力还有待提升，在农业机械自动化控制系统中的作用还有待进一步提升。

1.3 传感技术在农业机械中的应用优势

虽然传感技术在农业机械中的应用依然处于前期发展阶段，对农业生产的促进作用还较为有限，但是其应用优势已经明显体现出来，成为我国农业生产技术革新和生产模式变革不可缺少的技术支撑。首先来说，农业现代化的实现离不开先进生产技术为支撑，先进生产技术的实现，则是以先进的机械设备为实现载体的。传感技术的应用，为农业机械自动化生产奠定良好基础，是生产技术革新不可缺少的条件。其次是我国农业生产技术在整体上还较为滞后，以传感技术为基础的农业机械高速发展，能够尽量缩减我国农业生产技术与世界先进水平的差距，是确保粮食生产稳定和粮食安全的基本保障，是我国农业生产体系变革的必然要求。再次是传感技术在农业机械中的高水平应用，能够逐步提升农业生产效率，在我国农业人口绝对数量不断降低背景下，确保农业产值在国民经济中的占比保持稳定状态，为国民经济结构优化奠定良好基础。

2 传感技术在农业机械自动化控制系统中的应用分类

2.1 视觉导航技术的应用

视觉导航的基本原理是基于视觉图像预处理、目标提取、目标跟踪和数据处理技术，利用传感器对周围环境信息进行处理的技术体系[2]。在农业机械运行中，将摄像头安装在车身特定位置，就能够获取周边环境状态，对机械设备运行路线进行规划导航，指导机械设备在农业行间作业，实现机械的自动化运行。国外科学家研究出的农业机器人，能够实现除草和播种作业，就是视觉导航的基本应用形式。在我国相关研究中，也利用视觉传感技术，对农作物进行全方位扫描分析，实现农业机械的自动化作业。视觉导航技术在农业机械自动化控制系统中的应用，对算法优化和农作物间隔、连续性等都有较高要求，在处理精度不足的情形下，容易出现图像缺失现象，因此只能够在特定作业场景下应用。

2.2 全球卫星定位技术的应用

全球卫星定位技术原是指GPS技术，在我国北斗系统运行已经较为完善的情形下，也成为全球卫星定位技术的主要运行基础[3]。全球卫星定位技术在农业机械自动化控制系统中的应用，主要是获取作业地块的精准位置信息，在系统控制下自动开展作业活动。基于全球卫星定位技术，能够有效降低农业机械操作人员的工作强度，更好地提升作业效率，对提升农业现代化生产水平具有重要的促进意义。但是全球卫星定位技术对信号传输精度具有较高要求，仅适用于室外作业场景，在室内农业生产中无法满足应用要求。

2.3 激光导航技术的应用

激光导航技术是依托激光技术发展而出现的新兴导航技术，在视线状况不佳及野外勘测中具有较为广泛的应用。相对于视觉导航和全球卫星定位技术而言，激光导航技术最为明显的优势就是能够适用于多种农产作业场景，导航精度较高，能够满足农业机械精细化运行要求，在绿色农业生产中具有较为广泛的应用。在农业机械自动化控制系统中，应用激光导航技术，能够确保机械设备在高精度下完成作业任务，更好地提升农业生产水平，成为农业机械化自动控制系统研究的重要方向。

2.4 多传感器融合技术应用

在农业生产体系中，高水平自动化控制的农业机械设备投入使用面临最大的问题在于新型设备运行成本较高，单纯采用单一型传感技术，不仅投入与产出效益不符，生产作业精度也会受到明显影响，因此多传感器融合应用，成为农业机械自动化控制系统发展的主要解决方式[4]。在需要对农业机械设备运行状态和位置进行精准定位时，就可以将全球卫星定位技术与激光导航技术结合，精准收集作业现场信息，在减少生产作业误差的同时，全面提升作业效率，为提升农业生产水平奠定技术基础。

3 传感技术在农业机械自动化控制系统的具体应用

3.1 在自动化插秧机中的应用

插秧机自动化作业是提升秧苗插种效率的重要实现形式，原有的自动化插秧机在作业中无法保障插种的连续性，无法适应复杂地形条件下的作业环境要求。基于这两方面不足，可以在自动化插秧机中采用如下传感技术类型进行改进。一是在秧箱内布置微动开关传感器，在秧苗出现超重或数量不足时，传感器就会连接警报器发出信号，由人工及时补充秧苗确保作业正常进行。同时在作业过程中，还会出现漏插现象，当前已经有相关机构尝试利用光敏晶体进行检测，对插秧结构进行改进，确保作业质量。二是在插秧机底部位置加设位置传感器，在机械体上增加液压高度控制设施，以满足机械设备在复杂条件下自动调整运行高度，保证秧苗插种深度。

3.2 在农业机械底盘中的应用

农业机械底盘位置布设不同类型和性能的传感器，是传感技术应用的主要形式，在当前农业机械设备朝向大型化方向发展背景下，传感技术的应用，对生产作业质量和作业效率具有重要影响。例如在大型拖拉机、犁耕机等机械设备底部的振动点布设水平传感器、高度传感器等，能够及时检测出车体运行倾斜度，检测出车辆运行安全性能，并将信息及时传递至中台管理系统，由操作人员及时对作业状态进行调整[5]。同时，在机械设备底盘位置布设温度传感器、气体传感器等，还能够及时检测机械设备作业环境变化，确保机械在恶劣作业环境下，也能够保持自动化作业的稳定性，能够准确判定发动机工作状态变化情况，提前预判设备故障，减少自动化控制系统运行不到位造成的作业质量不佳及经济损失。在某型号农业机械设备中，布置20多个不同类型的传感器，确保设备能够在多种生产场景下保持良好的自动化运行状态，为提升农业经济生产效益起到积极的促进作用。

3.3 电子式机油压力传感技术的应用

电子式机油压力传感技术的应用，是将视觉激光技术与声呐技术等相结合，对农业车辆运行路线进行优化的技术。相对于传统机械式压力传感器而言，具有无可动的机械装置、运行可靠性高、检测精度高等方面优势，近些年来，随着相关生产技术的不断发展，生产成本也得以有效控制，具有较高的推广应用价值[6]。将电子式机油压力传感技术应用于农业机械中，能够在弯曲或复杂条件的垄地作业时，更好地采集作业现场信息，精准掌握田间垄地的道路状况，避免自动作业出现较大误差而对后续耕作造成更大影响。我国在电子式机油压力传感技术方面的研究已经较为丰富，但是在农业机械自动化控制系统中的应用水平还有待进一步提升，对农业生产自动化应用能够起到的促进作用较为有限。

3.4 在水果生产管理中的应用

水果产业经济效益水平相对较高、生产作业中人力资源消耗量较大，因此在农业机械自动化控制方面的需求更为明显。当前传感技术在水果生产机械中的应用主要包括如下形式：一是旋耕上肥等整机械设备，其运行原理较为简单，传感技术应用的主要作用是采集作业环境信息，对作业路线进行优化。二是气动式剪修机设备，主要功能包括整形美容修枝、疏花、水果套袋、授粉等，当前这方面的自动化作业设备生产技术已经较为成熟，但是在实际应用方面还有待提升，传感技术应用的主要方向在于对果树和果品进行筛选。三是自动化灌溉、喷灌设施，通过传感技术与智能化控制系统的结合，控制灌溉水流量、匀称度等。传感技术在水果生产机械设备中的应用，主要是利用距离传感器、光线传感器等，能够实现耕作和水果分拣包装的自动化。

3.5 在联合收割机中的应用

传感技术在联合收割机自动化控制中的应用，主要是通过传感器采集地面信息、农作物跟颈部信息，从而实现作物收割高度的自动识别，由系统自动控制收割环节的喂入深度。具备传感功能的联合收割机，能够有效提升整体作业效率，减轻生产操作人员的工作压力。但是由于联合收割机作业场景较为复杂，所需要采集的外部信息也较为复杂，对传感器性能和中台数据处理能力具有较高要求[7]。因此在这方面研究中，还需要从整体上对自动化控制系统进行改进，确保系统能够全面、高效地完成信息采集和处理流程，确保机械设备能够在多种作业场景中保持运行精度，有效提升农业生产作业效率。

4 传感技术在农业机械自动化控制系统中应用趋势

4.1 精密集成化发展

农业机械自动化控制已经成为农业机械发展的主要方向，整体上而言，当前农业传感器技术在农业经济中的社会效益和经济效益已经较好地体现出来，对我国农业现代化发展起到积极的促进作用。但是相对于工业产业传感技术而言，农业传感技术水平相对较为滞后，设备体积较大、运行精密度和运算效率都有待进一步提升。在与农业机械自动化控制系统结合安装时，还需要对机械现有布局重新调整。同时，农业机械设备运行环境较为复杂，对传感器场景适用能力也具有较高要求。因此在当前研究中，需要以精密集成化为主要方向，在有效控制生产成本基础上，对设计和生产方案进行优化，推动传感器向小型化、精密化、集成化、多功能方向发展，能够尽量拓展同一传感器在不同机械设备中的应用水平，确保作业效率和作业成本达到均衡状态，切实提升自动化控制水平。

4.2 人工智能化发展

人工智能化是有效提升自动化控制系统运行水平的技术支撑，在农业机械传感系统设计中，结合人工智能技术的应用，能够确保自动化控制更好的优化。但是由于人工智能技术方面的研究还不够完善，针对农业生产的人工智能技术研究相对较为滞后，农业机械作业环境建模需要考虑的因素较为复杂，因此智能化水平相对较低，仅是以应用于部分高效益的经济作物生产中，在农业机械自动化控制系统中优化作用还无法充分体现出来。在人工智能技术不断发展中，需要深入把握农业机械自动化控制系统运行要求，开发远程智能采集传导技术、农业机械场景智能分析技术、农作物生长参数分析技术等，为模型构建和预测提供精准的数据参考。只有在人工智能技术的全面支撑下，才能够实现真正意义上的自动化控制，实现农业现代化生产目标。

5 结语

农业机械自动化控制系统的高速发展，离不开传感技术的全方面支撑，更是未来农业现代化生产模式变革的重要实现形式。当前传感技术在农业机械自动化控制中的应用还仅限于某些经济效益较高的方面，在未来发展中，必须要基于农业生产的整体情况，对相关技术应用功能进行全面整合优化，推动农业机械自动化控制水平不断提升，为我国农业经济发展奠定坚实基础。