基于机电一体化技术的精准农业机械应用研究

李祝庆

(湖南化工职业技术学院,湖南 株洲 412300)

0 引言

随着电子信息和相关行业的快速发展,机电一体化技术已经在各个行业得到了广泛应用,极大地提高了我国制造业的生产率和标准化程度。近年来,基于国家相关政策的不断支持,农业生产作业过程中也逐渐与机电一体化技术相融合,在传统的农业机械产品上,通过电子技术、控制技术对其改进,简化了农业生产的作业流程,提高了农业机械的作业效率,同时,使农业机械的自动化、标准化水平得到明显提升,从而促进了农业机械化的高质量发展[1]。

1 机电一体化技术

1.1 概述

随着半导体技术的发展,1960—1970年间逐渐形成了机电一体化技术(Mechatronics),该技术是机械工程、电子信息工程、软件工程和控制工程等多学科交叉融合而成的一门新技术。这项技术的核心意义在于将电子信息技术与机械产品设计融为一体,以提升机械设计产品的自动化水平和工作效能,从而提高机械设备的实际运行性能。

1.2 技术特点

通过在传统机械产品上增加电子控制和执行元器件,实现对机械产品功能的灵活控制,使得原本单一功能的机械设计产品具备更广泛的用途。在一个完整的机械技术产品中,机械结构仍然是其核心部件,机电一体化技术主要用于对原有机械结构的进一步精确控制和操作优化。为实现农业机械装备与机电一体化技术的有机结合,需对传统农业机械结构进行改进,提高精准农业机械与微电子技术、控制系统等电子信息技术的适配性[2]。

2 机电一体化技术对精准农机的影响

多种电子信息技术相互交叉、渗透最终形成现代机电一体化技术。与传统的农业机械结构相比,机电一体化技术利用其自身电子信息技术的优势,对机械结构上的关键部件实时监测并控制,使其发挥出农业机械的最大作业性能,对未来农业机械的发展规律产生较大影响。

2.1 提高精准农机农作物生产能力

机电一体化技术与精准农业机械相融合,保证了农业机械在农业生产作业中对作业信息和参数的有效采集,机械控制能力也有所提高,提升了运行效率,进一步使得农业机械能够更好地执行生产计划,间接提高农作物产量。

2.2 改善精准农机作业方式

机电一体化技术的应用能够有效降低农业机械作业的复杂程度。相较于传统农业机械,其机械结构运行和传动较为复杂,对驾驶员技术要求较高。为了更好地满足驾驶员的作业需求,精准农业机械通过机电一体化技术优势,利用传感器和处理器的信息处理能力,自动运行设定的作业步骤,还可根据实际作业条件与设定模型相比对,简化驾驶人员的处理时间,极大减轻了驾驶人员的劳动强度,降低农业机械操作难度,改善驾驶人员工作环境。

3 机电一体化技术在精准农机领域研究现状

3.1 提升作业性能方面

利用机电一体化技术,对精准农业机械进行升级改造,主要是通过电子控制装置带动机械运动应用到农业机械中,以达到对农机精准控制的目的,提高农机作业效率和作业品质。以旱田、水田平整地作业为例,传统的农业平整机械在工作时,受到恶劣地表条件的影响,需要多次作业才能使田块地表相对平整。然而,结合姿态传感器监测技术、电控液压技术和控制技术,在农用平整机具上安装自动调平控制装置,仅需单次作业即可达到符合农艺标准的地表平整度,实现高标准、高效率的田间作业。

通过卫星定位技术、视觉识别技术以及自动驾驶技术等手段,实现了农业机械在复杂作业环境下的精准控制,极大地解放了劳动生产力,同时也提升了作业质量。以上海司南卫星导航技术股份有限公司研发的基于电机方向盘的北斗高精度农机自动驾驶系统为例,AG360-GNSS农机自动导航驾驶系统综合了GNSS北斗卫星导航技术和电控液压转向技术,如图1所示,能够在车速3～8 km/h的作业条件下,确保拖拉机的横向偏差不大于±3 cm。这一创新性系统充分体现了卫星导航、电控技术的结合,为提高农业机械作业效率和质量提供了可行的解决方案[3]。

图1 AG360-GNSS农机自动导航驾驶系统组成示意图

通过利用传感器技术和机械电子控制技术等手段,对精准农业机械的施肥和喷药装置进行改造。借助传感器模块实时监测田间各地块的地质和作物状况,以精确控制农机具的施肥和喷药量。同时,将执行模块与农机具的行驶速度相耦合,进一步提高中耕植保过程的作业质量。例如高速精量播种机,如图2所示,在播种机作业过程中,种子和肥料经过多次碾压,被均匀地播种在土壤中,有效减少了种子和肥料的浪费[4]。

图2 约翰迪尔1590型高速精量播种机

3.2 提高操作便捷性和作业可靠性方面

融入机电一体化技术到农业机械中,能显著提高农业机械操作的可靠性。首先,在农业机械和农机具的关键部件上安装多个传感器,保证驾驶员实时掌握农业机械作业状态。在农业机械的作业过程中,一旦出现机械故障或某些异常状态,传感器能够实时获取各部件的数据信息。这些详细的状态和数据信息可以在农业驾驶室内或其他显示终端上显示,提醒农业机械操作人员关注异常状态,并及时解决各类事故隐患。例如,随着现代新型拖拉机在农机具上的广泛应用,现代化的拖拉机驾驶室装配有机械作业实时状态显示设备,能够随时帮助驾驶人员掌握机械当前的工作状态,如图3所示,Valtra G系列拖拉机可视化操作系统。

图3 Valtra G系列拖拉机可视化操作系统

通过在农业机械上安装摄像头、传感器、称重器等装置,驾驶员可以使用手机、电脑等工具随时查看农业机械和农机具关键工作部件的实时作业情况,极大提高了农业机械驾驶人员的操作便利性和作业可靠性。以上海交通大学与世达尔现代农机公司合作研制的基于Android的农机导航管理系统为例,该系统可以对农业机械的运行参数、田间地理位置等进行实时显示,还可对导航和运行状况进行实时分析[5]。

在农机上应用辅助控制系统,能协助驾驶员正确操作农业机械,防止操作不当、超速、超载等情况发生,降低作业时对机械本身造成的损伤[6]。辅助控制系统是指利用安装在拖拉机、联合收割机等农业机械上的传感器,收集运行数据,并结合预设算法对这些数据进行实时处理,从而提供辅助驾驶提示[7]。在司机操作不当的情况下,该系统能够通过发出声音、灯光等警告,提醒司机及时采取正确的操作。这一辅助控制系统的引入有助于提升驾驶员操作的方便性和安全性,同时减少在操作中对农业机械造成不必要的损坏。

4 展望

一是需要对农机进行持续的结构优化。设计时应考虑当地农业发展情况和作业条件,对农业机械进行调整和改进。使农机更好地适应当地的环境条件,提高其综合性能和适用性,满足当地农业的发展需求,缩小不同地区农业机械化发展水平的差距[8-9]。

二是提高农机的智能程度并降低故障率。农业机械作为农业生产的关键支持,机械故障会直接造成粮食产量下降,对农业生产造成重大损失。随着科学技术的发展,机电一体化技术已经在农机装备上得到了广泛的应用,该技术可实现农业机械故障的实时预警,降低农业机械的故障率,从而增加农业机械的生产率,延长农业机械的使用寿命,以更好地支持农业生产[10]。

三是提高农机具的整体性能,使其操作更加简单。机电一体化技术是一种将电子信息技术与机电设备结合起来的自动化控制系统,它利用计算机技术、传感器技术、微处理机、集成电路以及微机电系统等先进的电子信息技术,来实现对农业机械的控制和管理[11]。与传统的农业机械相比,该系统具有结构简单、功能强大、集成化程度高等特点,能够将农业机械的各个环节进行有效整合,在一定程度上解决传统农业机械存在的问题。电子信息技术在机电一体化系统中的应用,有效提高农业机械的综合性能,给农业机械的运行和后期维护带来了积极影响。

5 结语

本文主要针对基于机电一体化的精准农业技术装备进行了详细的调查研究,列举了大量的应用案例,并分析其各项性能参数及主要工作原理。同时,结合我国农业生产的整体发展趋势,对机电一体化技术在精准农业机械领域的应用进行展望,为精准农业机械领域的机电一体化发展提供了一定的参考。