农业机械智能化升级的研究

泰山智能制造产业研究院 赵文峰 吴乃刚 孙玉娟 郭红玉 高飞 胡修慧

随着工业化的发展，城镇化程度的提升，农村劳动力急剧减少，智慧农机的推行已经势在必行。智慧农机是智慧农业的重要内容，是依托物联网、云计算以及现代信息技术与农业生产相融合的产物，是工业化和信息化结合的产物，我们可以通过对农机装备工作环境和工况的智能感知和数据分析，实现对农业生产的精准化管理和可视化运行。

我国素来重视“三农”事业与农村、农业的可持续快速发展，装备制造业是与农业密切相关的行业，国家为农机工业提供了持续走强的政策体系，并实施稳定的财税支持，为农机装备提速发展提供重要支撑。这一切使得我国农机工业的综合实力得以快速提升。农业技术创新的标志性事件发生在1975 年，杂交水稻成功培育。智能的力量，给中国农业装上了加速器。人们可以利用卫星遥感技术判断杀虫剂量，通过图像识别辅助分拣水果，通过机械化自动灌溉施肥等，而随着人工智能技术的加持，农业变得规模化、智能化、集约化、精细化，越来越多的互联网巨头在为农村市场赋能。

现有的智能农机多集中在农业物联网、远程控制和远程监测上，本文主要阐述了对发动机各项参数的监测与控制以及农机的转向。

1 智能农机概述

智能农机又称为智慧农机，所谓机械智能化，就是融数字化、信息化、自动化和智能化于一体，赋予农业劳动的舒适性、体面性，同时也吸引着更多新生劳动力从事农业劳动。它首先要满足无人化或少人化、精准、可变量操作、自行统计作业面积、自行监测播种量或收获量。

通过手机、计算机等信息终端向管理者推送实时监测信息、报警信息，实现农机信息化、智能化远程管理，充分发挥物联网技术在设施农业生产中的作用保证农机在实际工作中的精细化管理，帮助农户提高效率、降低成本、增加收益。

2 智能农机升级重点

很多人对智能化产业升级有一定的误解和局限，绝大部分人的认知还是建立在几个“机器人”自主工作的所谓“无人工厂”上，其实这只是很表面的一种认知，真正的智能化产业升级革命必须从制造工艺和自动化技术两方面来推进。

（1）农机企业制造工艺流程的优化与再造，农业机械的智能化产业升级的难点就在于，对整个产品生产流程的优化与再造，需要结合当前的技术先进程度，同时也要参考企业实施的成本与周期等。当前农业机械行业除极个别产品外还处于低利润状态，这就给农业机械生产企业智能化升级带来了很大的阻力。

（2）自动化技术的应用与升级，生产企业一旦确定了新的生产工艺流程，就可以结合当前的自动化技术来实现对企业生产过程的自动化技术改造，这也是一个需要平衡技术与成本的艰难过程，很多东西的自动化改造并不需要建立在那些主流的、高大上的“机器人”应用上，其实机器人的应用只是自动化生产应用技术中的一个环节，是很小的一个部分，而其它很多自动化功能的实现是不需要借助“机器人”来实行的，例如我们可以通过“气缸+ 运动导轨”来驱动一个动作，也可以通过“连杆+ 导轨+电机”的形式来驱动一个动作，或者通过“齿轮+ 电机+ 导轨”的形式来驱动一个动作，也可以通过“液压+ 导轨”的形式来驱动一个动作，这些方式都可以实现生产过程的自动化改造，而且相对“机器人”来说，具有成本更低，可靠性更好，维护更方便，升级更简单等特点。结构简单、便于维护，这两个特点对于现阶段农业机械智能化升级才是最重要的。

我们所讨论的智能化升级改造，其实是对自动化技术和信息化技术的一种深度融合的统称，任何智能化产业升级都需要涵盖自动化和信息化两个方面，如果脱离了这两个方面的内容来谈企业智能化是很片面的。

虽然笔者现在也在主持公司的信息化改造和产业升级的工作，但是只能以一个类似“联络员”或者“勤务员”的角色来参与到这个工作中来。

下面笔者将举例说明，如何使用最简单同时可靠性强地完成农业机械的智能化升级改造，希望能对相关工作人员有所帮助。

3 农业机械智能化升级

任何设备的改进都离不开其他服务的对象，我们以收割机为例，无论何种型号，组成部分都是基本不变的，都是由驾驶室、传送过桥、割台、喂入装置、驱动装置、传动系统、发动机系统、切碎抛送等系统组成。

对设备运行而言，最主要的就是操作的稳定性和可靠性，以对发动机各项运行数据的监测以及转向调控为例，阐述一下智能农机的优势。

发动机的冷却液温度会直接影响发动机的性能，而机油量又决定发动机的寿命，我们通过温度传感器和机油压力传感器将检测到的数据经过车载CPU 整合后发送至用户手中，使用户可以提前预判整机工作情况，同时，超过定量，收割机会自动进入低转速保护状态，必要时会自动熄火。

表1 压力传感器参数测定

农机用户普遍要求智能化改造过程中元件价格低而且性能可靠，经过实测，国产元器件在性能和稳定性上已经和进口元件不相上下，这将有利于农机的发展。收割机在工作时遇到的另一个大问题就是转向，以往都是驾驶员操作，我们现在需要通过添加稳定可靠的转向装置，实现无人操作自动转向。现阶段市面上通用的转向方式有液压式和方向盘式。

液压式的原理是通过电磁液压阀接收指令直接作用在转向油路上，使收割机实现转向控制，它拥有是精度高、对农机的车况要求不高等优点。但是安装时需要改变原车油路，稍显繁琐。方向盘式是利用电磁方向盘替换掉原有的方向盘从而实现转向控制，优点是不需要改装原车油路、安装便捷，缺点是控制精度会随着原设备转向系统的磨损而变低。

现在市场上的大多数转向检测应用的都是转向角度传感器,角度传感器,即,是用来检测角度的。它的身体中有一个孔，可以配合乐高的轴。当连结到RCX 上时，轴每转过1/16 圈，角度传感器就会计数一次。尽管机械结构各不相同，但都是利用电位计原理通过机械结构的传动实现对车辆转向角度的测量。这种类型的角度传感器安装后需要大片的场地进行对中校准。

图1 角度检测电路

磁敏感角度传感器采用高性能集成磁敏感元件，利用磁信号感应非接触的特点，配合微处理器进行智能化信号处理制成的新一代角度传感器。UZZ9000 和磁阻传感器KMZ41 构成的角度检测电路，UZZ9000 为线性电压输出式角度传感器调理电路，输出电压与被测角度型号成正比。其中磁阻式传感器KMZ41 内部有两个磁阻构成、位置正交的独立的电桥，这样的构造稳定性强，经过多次实践，非常适合农业机械在大田作业时比较差的环境。

图2 KMZ41 内部结构

4 农机智能化遇到的问题

我国现在是农机第一生产和使用大国，但是与发达国家相比，我们在农机智能化发展的研发能力、制造水平、产品质量、生产效率等方面都有较大差距。核心技术的缺乏、产品结构不合理、制造技术能力低、农艺农机融合与全程机械化配置性差等多种问题一直困扰着我们。

尤其是农机智能化使用可靠性和耐用度不足是当前最亟须解决的问题。笔者认为，农机装备智能化的提升，离不开数字化、复合式、高性能智能化提升，但是就现在农业的基本情况而言，尤其是欠发达地区，刚开始进行农机改造的地区，基础的智能化改造更加迫切，先通过稳定可靠的传感器添加，让农机的效率得到明显提升，让农民看到先进生产力提升带来的显著效益，提高农民自主要求智能化升级改造的欲望，从根本上促进农机智能化升级，进一步实现农机数字革命，达到智慧农业的阶段。

虽然问题重重，但是我们应该认识到，不管人们对制造业产业升级报以何种态度，智能化升级这个方向一定是不会偏离的，这是制造业唯一的出路，当然会存在很多困难，作为时代的践行者，我们唯一能做的就是迎难而上，以不问收获的态度去践行。