农业机械自动控制技术应用方式及关键技术特点分析

韩康乐，韩卓然，徐 俊

(1.清华大学，北京 100084；2.美国康涅狄格大学，康涅狄格 曼斯菲尔德 06269；3.黑龙江德沃科技开发有限公司，哈尔滨 150081)

0 引言

农业生产的顺利实施对于社会稳定和经济发展具有重要意义，随着农业产业结构的不断优化，农业生产条件和生产方式发生了很大改变，尤其是农业机械化生产的实施，使农业生产效率显著提高，农业生产力得到有效释放的同时，生产效益和作物产量也得到了更好的保证[1]。在机械设计领域，对于机械产品的研发和优化目的在于进一步提高机具的作业能力，从而再次降低农业生产的劳动力需求，使生产在高效、合理、规律、便捷的条件下实施。自动控制技术作为新兴的尖端技术，将其应用于农业机械领域，有利于提高农机操控的便捷程度，并使农机的作业更加规范合理，显著降低生产过程的成本和资源浪费，进一步提升生产的实际收益。

1 自动控制技术特征分析

自动控制技术是21世纪最实用且最重要的先进技术之一，其在机械、制造、工程、农业、矿产、军事、航空航天等各个领域应用十分广泛。从自动控制在农业机械领域的应用来看，现阶段高端农机产品与自动控制技术已经有了较好的融合，很多农机功能的实施可以通过自动控制软硬件及系统的设计来自动化实施，传统农机使用中繁琐的操作与检查任务也能够通过自动控制技术来便捷的实现。

总体来讲自动控制技术就是将传感器、PLC、信息、计算机等众多先进技术进行集成应用，通过系统化的设计与布局，使农机产品的动作执行过程能够按照预想方案准确实施。从自动控制技术的实施方式来看，大体包括两种形式，一是闭环控制的自动化技术，主要是通过视觉、传感器等设备获得感知，再通过分析与控制装置获得方案并传输给执行装置，再由执行装置完成动作的执行；二是开环控制，就是机械装备按照预先设计好的程序一步一步执行相关动作，直到工作完成为止。从现阶段农机自动化技术来看，多数农机只能依靠固有程序来完成农业生产任务，只有少数农机实现了作业过程的监测与环境感知，我国农机自动化要向闭环控制可感知的自动化技术进步还有较多的工作要做[2]。

2 农机自动控制技术应用优势

一是响应速度快，自动控制技术以电气技术为依托，实施过程中的信号传输具有时间短、准确度高等优点，几乎可以达到农机动作的实时响应；二是性能稳定可靠，自动控制技术的应用多采用技术成熟的I/O输入输出信号技术，并配套光电隔离的抗干扰功能，加之在信息接收端配套滤波系统和滤波技术，有效保证了控制过程的可靠性；三是具有良好的性能提升与优化空间，通过丰富的接口和可编程技术，能够实现控制能力和相关功能的不断丰富，使农机产品能够不断满足农业生产发展的需求；四是故障诊断与处理功能能够实现对农业机械作业状态的实施监测，并对可能存在故障的零件或机构及时作出警报响应，对于部分因软件而产生的故障问题，还具备一定的自我修复能力。总之，农机自动控制技术的应用使农机的使用更加便捷，操作体验显著上升。

3 农机自动控制技术应用形式

我国农业机械自动控制技术的研究与应用时间相对较短，总体应用比例和尖端技术应用量与发达国家存在较大差距，从先进农机的发展趋势来看，农机自动控制技术的应用主要表现为以下几种形式。

3.1 农用拖拉机的自动控制技术

拖拉机是农业生产的核心机型之一，在拖拉机上应用自动控制技术对于提高生产效率具有显著的作用。拖拉机的自动控制技术主要包括以下几方面内容，一是自动驾驶技术，主要是通过电子控制技术控制拖拉机的速度、转向、挡位、液压、动力输出等功能，使拖拉机的操作实现自动化；二是利用导航技术指导拖拉机的行驶路线，现阶段应用的导航技术以卫星导航为主，部分农机也会结合视觉导航、激光导航、传感器导航等技术。自动控制技术的拖拉机能够配套耕整地、播种、施肥、植保等机具完成自动化的农业生产任务。

3.2 播种机自动控制技术

播种机的自动控制技术也是自动化农机的典型代表之一，国际上对于自动化播种设备的研究已经有较长时间，且很多国家都已经开始应用自动控制的播种机完成农业生产作业。图1为CLASS公司生产的自动化播种机设备，配套了无人驾驶拖拉机进行全程自动化作业。播种机的自动化功能包括排种器转速感知与自动调整、开沟器受力状态及警报、种子量检测、漏播检测及警报等，通过精量播种与精量施肥的同步实施，使种子萌发率和生长健康状态大幅改善[3]。

图1 CLASS公司生产的自动化播种机设备

3.3 自动灌溉技术的实施

自动灌溉技术是精确灌溉实施的保证，自动灌溉的控制系统包含土壤含水量检测和供水控制两方面的功能，通过土壤温湿度传感器检测土壤湿度或通过遥感技术检测土壤湿度，结合天气预报信息分析和选择适当的灌溉时机，是自动灌溉技术实施的标准逻辑。自动控制的关键功能在于灌溉条件的判断，当确定灌溉后，控制水泵提供灌溉动力，即可满足及时灌溉的要求。

3.4 粮食烘干的自动化技术

近年来，我国粮食烘干的自动化技术发展很快，如图2所示的自动烘干设备，能够实现自动进粮、自动烘干、温湿度可调、热风循环、粮食贮存等功能，烘干过程按照预设的程序执行，由传感器检测粮食烘干程度，全程不需要人工干预，已具备较高的自动化水平。

图2 粮食自动化烘干设备

4 农机自动控制关键技术与特点

农业机械的自动控制关键技术主要包括以下几方面内容：一是信息感知与获取技术，主要利用传感器技术、视觉技术、遥感技术来获得生产所需的外界信息；二是信息传输与处理技术，采用光纤传输配合ECU进行数据处理，部分机型还具有网络化分析处理的功能；三是动作执行功能，通过控制系统控制电控开关实现对农机动作、液压管路、启动装置、电机装置的快速控制，使其按照程序要求执行相关动作；四是状态监测技术，利用农机内部的传感器检测农业机械的运行状态，包括转速、位置、温度、振动等，当发现数据异常则提示驾驶员检查和调整[4]。

农机自动控制技术的应用使传统农机装备的性能得到了大幅的提升，农业生产过程的精确性、环保性、节能性也同时提升，农业机械化生产逐渐向无人化和智能化转变，这也是农业机械未来发展的主要趋势之一。可见以现阶段的农机技术为依托，大力发展和应用农机自动化技术是农机领域发展进步的必由之路。