机电一体化在农业机械中的应用研究

2022-12-26郑州商业技师学院魏素俊

河北农机 2022年10期

关键词：农业机械机电虚拟现实

郑州商业技师学院魏素俊

前言

随着农业科技的快速发展，越来越多的农民开始在农业机械上应用机电一体化系统来提升经济效益。本文围绕在农业机械中合理应用机电一体化获得经济效益展开讨论旨在。

1 机电一体化系统构成及特点

1.1 系统概述

机电一体化是将电子技术和机械技术相结合，同时融合多种功能和项目，包括计算机信息技术、自动控制技术和传感技术等。在农业机械中应用机电一体化系统可以有效提升农业机械的功能性，实现农业机械的自动化作业。机电一体化系统的主要包括运动组成要素、结构组成要素、动力组成要素、感知组成要素和智能组成要素[1]。

1.2 强大的系统功能

机电一体化技术是多种技术的结合，因此具有强大的系统功能性。将机电一体化技术应用于农业机械工程可以实现农业机械的自动化作业，充分发挥农业机械的功能性，提升作业效率，满足农业工作的各项需求。其中机械自动化控制技术和软件编程技术等能够提升农业机械的稳定性和安全性。

1.3 人工智能化

机电一体化技术结合了新型技术，比如微电子控制技术等。在农业机械中应用机电一体化技术，可以实现农业设备的自我检查和自动化数据处理，还可以通过基本的智能技术来代替人力操作，更好地体现了机电一体化系统的人性化和人工智能化。

1.4 高性能与高稳定性

机电一体化技术拥有较高的稳定性，除基本智能技术还包括自动安全系统。具有自动报警、自动保护、自动监控等功能，这类功能可以有效保护农业机械设备和操作人员安全，减少机械故障，使农业机械稳定运行。除此之外，机电一体化系统还具有高效率性，操作人员可以在操作面板控制农业机械，使农业机械的操作工作更加便捷，有效提高农业作业效率。

2 机电一体化在农业机械中的具体应用策略

2.1 应用计算机辅助设计技术

计算机辅助设计技术属于机电一体化技术的一种。利用计算机辅助设计技术可以实现计算机制图、数据资料库及网络通信等功能的融合，将产品数据和计算机技术相结合，充分发挥综合性技术作用。除此之外，还可以利用计算机技术和图像来建立农业机械三维数据模型，农业机械三维模型图如图1所示。对于拖拉机、插秧机等大型农业机械来说，想要制造真正的机械产品来测试机械性能，会因为各种不确定因素花费大量的人力、物力、时间和成本。利用计算机辅助设计技术，以农业机械结构为基础，根据空间作用力、运动学及动力学模拟农业机械的运行轨迹，完全按照农业生产的实际需求构建农业机械仿真三维模型并对模型结构及其参数进行优化，避免因为制造真实机械产生大量的试错成本。利用计算机辅助技术可以为农业生产提供性能优越的农业机械，还可以有效缩短设计及研发周期。需要注意的是，由于计算机辅助设计技术对于设计人员的专业水平要求较高，相关的设计人员必须充分掌握机电一体化知识和三维设计相关知识。有关院校需要重视计算机辅助技术学科的建设，加强机电一体化相关知识的教育力度[2]。

图1 农业机械三维模型图

2.2 应用卫星定位导航技术

卫星定位导航技术即GPS系统技术，其工作原理就是利用传感技术、GPS差分技术和超声波技术将农业机械的设计数据、仪表显示数据和三维坐标等各项参数反馈给计算机。可以在农业机械中布置GPS终端，来实时展现农业机械位置，从而利用卫星导航定位系统指导农业机械作业。作为机电一体化系统中的新型应用技术，该技术还未得到广泛应用，目前来看，多应用于一些大规模农场中的农业机械混合控制。主要的应用功能包括利用导航监测指导农机驾驶员的驾驶路线和驾驶方法，比如，在进行机械化整地作业时，卫星定位导航技术能够及时发现农业机械的行驶是否偏离航线，驾驶速度是否出现异常等问题，让驾驶员及时调整驾驶方案，防止出现整地质量不佳或漏耕等问题。第二项功能则是利用导航指导智能农业机械实现自动化驾驶和作业，为自动行驶提供准确的坐标和位置，以实现农业机械的无人化作业。还可以利用卫星定位导航技术及时发现农业机械故障，并进行故障的预测和判断，以便做好故障预防和控制工作，减少农业机械故障产生的不良影响，保障农业机械的安全性和稳定性，增强农业机械的运行性能，满足农业生产需求。以某农场为例，该农场利用卫星导航定位技术进行甜菜的覆盖及播种作业，引入先进的农业机械自动驾驶系统，建立了参考站负责接收定位卫星信号，获得误差校正参数，再利用互联网传输校正数据，提升车载卫星定位组件定位精度。接着，安装了汽车卫星定位组件，将高精度卫星定位系统与惯性导航系统相结合，通过卫星定位信号来定位农机的当前位置，通过校正数据信息，实现在复杂坡度领域的精准定位。安装决策支持组件作为自动驾驶导航系统的控制中心，不但可以手动设置规划农业机械行驶路线，还可以接收车载卫星定位组件提供的位置和速度信息。根据规划路线自动计算航行路线并输出合理的转向方法，发布指令来控制自动控制组件。安装执行组件并通过接收决策支持组件的指令控制车辆转向，最终实现农业机械的自动化控制。在播种时，农机驾驶员只需要踩下油门就能够控制车辆的行驶速度，车辆到达定位之后可以掉头并由飞行员NX100系统执行中型转向，大大减少了农机驾驶员的工作压力，农机驾驶员可以更好地观察农业机械的工作状况，有效提升野外农业作业质量[3]。

2.3 应用虚拟现实技术

虚拟现实技术（Virtual Reality,VR），是一种通过立体三维空间清楚反映事物的本质和变化规律的现代化智能技术。在机电一体化系统中，主要通过多媒体技术、计算机制图技术及图片识别技术和传感技术等多项技术支持，按照用户的实际需求构建三维立体场景。通过虚拟现实技术可以将虚拟数据和三维模型或二维图像根据生产需求利用多媒体呈现虚拟现实景象。将该技术应用于农业生产及农业机械，能够实现农业机械的动态建模，进一步构建立体的农业机械三维模型。通过该模型，可以为用户呈现农业机械外形及其实体结构。20世纪末虚拟现实技术已传入我国并在各个行业及领域取得了重大发展。农业领域的虚拟动植物、虚拟实验、虚拟温室、虚拟农场等相关应用也取得了较大的进展。2000年发表的“仿真技术在农业机械设计上的应用”一文详细介绍了常用的虚拟现实分析软件，并给出了三维实体造型方法，通过软件对三维模型进行仿真分析，这是国内较早将虚拟现实技术应用于农业机械设计的文献。近年来，在农业机械上得到广泛应用的是由美国机械动力公司开发的ADAMS软件，该软件可以建立和测试虚拟样机，主要应用成果有“虚拟样机技术的实现及其在小型甘蔗收割机输送模块设计和仿真中的应用”“基于ADAMS的联合收割机振动筛虚拟设计”等。其他的农机虚拟设计方法有：利用solid works实现虚拟农机建模、分析、仿真流程，如“虚拟样机技术在小型农用装载机设计中的应用”；利用ANSYS建立有限元分析模型，如“甘蔗收获机械排刷式剥叶元件虚拟实验分析”；基于I-DEAS软件的虚拟样机仿真设计，如“小型甘蔗联合收获机虚拟样机的仿真”等。虚拟现实技术属于集成技术，利用该技术可以模拟构建虚拟三维空间和三维场景，设计师可以将真正的农业生产场景和农业作业情况输入虚拟三维场景中，利用该技术准确构建现场模型。此外，虚拟现实技术还能够将实际作业过程中的天气、环境、声音等多种条件导入虚拟空间，以模拟真实的作业场景，提升农机操作人员的操作熟练度。利用该技术可以向操作人员传输紧急情况的应对技巧，减少农业机械故障造成的不良影响，保障农业机械的安全稳定运行。另一方面，可以通过构建虚拟农场，进行虚拟生产及虚拟漫游，用户可以方便快捷地了解到整体的生产布局，随时查询农业生产状态。在进行实际运用时，可以按照农业机械产品设计需求，选择局域网下的PentiumIV，主频1.6G的计算机作为虚拟现实技术的开发硬件。此外，还可以选择OpenGVS近景驱动软件管理农业机械产品的生产过程[4]。

2.4 应用监控技术

在农业机械工程中应用农业机电一体化监控技术可以实现人力解放。农业监控时，主要从技术和安全两个方面出发，可以保证农业生产效率和机械操作安全。操作人员可以通过控制面板操控农业机械，进行农业收割作业。在使用农业机械之前，需要做好机械检测工作，受传统农业机械结构设计的限制，检测效率较为低下。为保证农业机械在作业时能够收集到完整且准确的参数和数据，可在机电一体化的基础上应用监控技术，保证农业机械的正常作业。包括传感器仪表及数据监控等，通过收集相关信息数据，实现实时监控与数据传输。操控人员可以对数据进行分析比较，确定农业机械是否处于正常工作状态，对于农机故障进行提前预警并及时调整农业机械作业，实现现代农业的自动化和机械化生产。比如，在播种机上安装监控仪表，对播种数量和播种面积进行实时监控，及时检测播种状态。除此之外，机电一体化技术在农业机械上的应用，使得更多农户在农业机械上安装监控摄像头来监控机械的关键工作部位，实时掌握农业机械的运行状态。某农业科技有限公司拥有自建葡萄园五处，总占地面积500多亩，由于种植面积大，管理起来也有一定的困难。该农业科技公司于2013年正式在各大园区投入使用“智能农业监控系统”，利用物联网、移动互联网和云计算等技术对葡萄园进行智能化管理。技术人员可以用手机或电脑登录“智能种植监控系统”，对分散的五个葡萄园区实施系统化管理，有效减少管理成本。如果出现异常情况，该监控系统会将情报发送到管理员的手机上，同时开启远程设备监控开关，管理员可以在手机上控制现场设备，如果监测到温度接近35℃，系统会开启喷雾降温避免晒伤葡萄果实。这一智能农业监控系统在保证葡萄良好生长环境的同时，也为该农业科技公司节省了30%的人力成本和水肥成本[5]。

2.5 应用CAD设计技术

目前，我国的机械工程设计中应用到的CAD设计技术主要包括图形变换技术、曲面造型技术、实体造型技术和交互技术。应用CAD技术可以设置拖拉机的液压悬挂装置结构，在进行设置时，必须保证连杆位置达到国家规定的各项标准，在实际运行时，保证牵引装置与各类农机接口能够发挥良好的互换性。除此之外，还需保证装置的强大牵引力，充分发挥农机的入土功能。相关设计人员需要将液压悬挂装置的摆动幅度控制在适当的范围内，对限位机构进行合理设计。为保证安全经济节能效果，拖拉机所用的液压悬挂装置要设计上下悬挂装置，严格控制拖拉机，保证装置可以展现出良好的动力输出效率。通过简单的三位四通电磁换向阀构成液压油路控制小油缸，依托小油缸活塞杆与主控制阀固定连接及移动对位置进行控制，合理控制农机具的提升、中立等过程。相关的设计人员需要进行水平距离分析，采用CAD技术构建模型图，开展三维建模分析。在进行农业机械产品设计时，要按照结构刚度矩阵方法实施组集分集及处理，尤其在实施边界条件处理时，要对机架和接头部位开展针对性分析，保证设计产品不存在缺陷。