冉軍輝 吳崇友

摘要：國外已將傳感器技術(shù)應(yīng)用于谷物聯(lián)合收獲機(jī)械關(guān)鍵部件運動監(jiān)測及自動控制、自動導(dǎo)航、喂入量監(jiān)測、損失率監(jiān)測以及自動測產(chǎn)等各個環(huán)節(jié)，大大提高了機(jī)械的可靠性及工作效率。國內(nèi)為提高收獲機(jī)械自動化及智能化水平，也開始對傳感器技術(shù)的應(yīng)用做多方面的研究。對傳感器技術(shù)在國內(nèi)外谷物收獲機(jī)械中各個方面具體的應(yīng)用和研究現(xiàn)狀做了詳細(xì)分析、梳理和總結(jié)，并在此基礎(chǔ)上，提出了傳感器技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的發(fā)展方向和重點，以期為我國農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化技術(shù)的研究和發(fā)展提供點滴參考。

關(guān)鍵詞：谷物聯(lián)合收獲機(jī);傳感器技術(shù);自動控制;精準(zhǔn)農(nóng)業(yè);自動導(dǎo)航

中圖分類號： S225.3 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號：1002-1302（2019）22-0023-07

根據(jù)國標(biāo)GB/T 7665—2005《傳感器通用術(shù)語》，傳感器的定義為能感受規(guī)定的被測量，并按照一定規(guī)律（數(shù)學(xué)函數(shù)法則）轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。聯(lián)合收割機(jī)作為一種復(fù)雜的農(nóng)業(yè)機(jī)械，通過傳感器技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)自動化和智能化，從而提高作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量，減少故障發(fā)生，國外已廣泛應(yīng)用，取得顯著成效[1-2]。例如，依靠高度自動化的農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)，德國不到2%的農(nóng)業(yè)從業(yè)人員對國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）的貢獻(xiàn)率超過7%，而中國農(nóng)業(yè)從業(yè)人員為70%，對GDP的貢獻(xiàn)率為10%左右。我國聯(lián)合收割機(jī)自動化及智能化水平較低，且工況惡劣，工作時負(fù)荷波動大，故障率高。與國外相比，我國稻麥聯(lián)合收割機(jī)自動化程度落后30年以上。據(jù)農(nóng)業(yè)部調(diào)查統(tǒng)計，1999年我國聯(lián)合收割機(jī)平均無故障工作時間不足9 h;2000年跟蹤調(diào)查3家質(zhì)量較好的企業(yè)，無故障工作時間也僅為19.1 h[3]。此外，國內(nèi)聯(lián)合收獲機(jī)還普遍存在工作效率低、損失大等問題，如大豆聯(lián)合收獲總損失率為9.8%～19.3%，油菜聯(lián)合收獲總損失率為12%～15%[4-5]。因此，通過智能化技術(shù)提升我國谷物聯(lián)合收割機(jī)的可靠性，減少收獲損失，提高作業(yè)質(zhì)量已成為當(dāng)務(wù)之急[6-7]。

1 傳感器技術(shù)在國內(nèi)外谷物聯(lián)合收割機(jī)中的應(yīng)用

20世紀(jì)70年代，蘇聯(lián)就將傳感器技術(shù)應(yīng)用于收獲損失率監(jiān)測。與此同時，美國、英國以及德國等也開始研究傳感器在收獲機(jī)械中的應(yīng)用[7]。如今，傳感器技術(shù)在國外被廣泛地應(yīng)用于谷物流量監(jiān)測、速度自動控制、安全報警系統(tǒng)、割臺高度自動控制等環(huán)節(jié)中，圖1為安裝有各種傳感器的谷物聯(lián)合收割機(jī)。英國Massey Ferguson公司的收獲機(jī)械裝有自主研發(fā)的農(nóng)田之星系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)機(jī)器故障的自動報警，降低了機(jī)器故障率，提高了工作效率[8-9]。圖2為約翰迪爾新研發(fā)的S700系列谷物聯(lián)合收割機(jī)檢測及控制系統(tǒng)顯示屏，該款產(chǎn)品應(yīng)用了更多的智能技術(shù)，該機(jī)可通過自動校正技術(shù)完成作業(yè)邊界的自動調(diào)整。此外，駕駛員可通過駕駛室的顯示屏實時觀測谷物收獲過程中的拋灑和清選效果。目前，我國傳感器在谷物收獲機(jī)械收獲過程實時監(jiān)測及重要工作部件的自動控制方面應(yīng)用很少，基本沒有商品化的產(chǎn)品，但國內(nèi)相關(guān)工作人員也在這些方面做了相應(yīng)研究。

1.1 谷物自動測產(chǎn)

谷物自動測產(chǎn)系統(tǒng)是精細(xì)農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)之一，也是實施農(nóng)田精細(xì)管理的基礎(chǔ)。目前，美國90%以上的聯(lián)合收獲機(jī)都安裝有谷物流量監(jiān)測系統(tǒng)[10]。測產(chǎn)方式主要有沖量式、光電容積式、γ射線式和稱質(zhì)量式等[11-12]。美國Micro Track公司的Grain-Track系統(tǒng)、Ag Leader公司的PF advantage系統(tǒng)和CASE IH公司的AFS系統(tǒng)都是基于沖量式流量測量原理[13]。目前，市場上的產(chǎn)品在實際應(yīng)用過程中還是存在測量誤差較大、產(chǎn)量空間分辨率不高和通用性不強等問題[14]。

國外對測產(chǎn)系統(tǒng)的研究主要有2個方面，一方面是對谷物流量傳感器結(jié)構(gòu)原理、信號處理方法及產(chǎn)量模型的研究;另一方面是對產(chǎn)量圖的誤差分析和時空變異性研究[15]。為提高測產(chǎn)精度，Reinke等利用離散元模型仿真手段，通過研究谷物聯(lián)合收割機(jī)工作特性、谷物物理特性及兩者之間相互作用機(jī)制，建立了谷物流量與其動量、摩擦系數(shù)及密度等各參數(shù)之間的非線性模型，采用該模型在試驗平臺上的最大測量誤差為4.02%，其測產(chǎn)精度不穩(wěn)定[16-17]。Shoji等建立了一種適合日本谷物聯(lián)合收割機(jī)的非線性谷物流量模型，經(jīng)測產(chǎn)試驗，當(dāng)升運器速度穩(wěn)定時，其相對均方根誤差是4.4%[18-19]。在國內(nèi)，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)首先對γ射線式和沖量式谷物流量傳感器技術(shù)進(jìn)行了研究，但仍處于試驗階段[20]。為解決國外谷物測產(chǎn)系統(tǒng)存在的精度以及穩(wěn)定性等問題，國內(nèi)也有人做了改進(jìn)研究。為解決沖量式谷物質(zhì)量流量傳感器測量精度易受收獲機(jī)基礎(chǔ)振動的影響，周俊等提出了通過動力消振原理增加彈性元件阻尼的方法，并針對阻尼處理前后的彈性元件，做了沖擊響應(yīng)試驗[21];胡均萬等設(shè)計了一種雙板沖量式谷物流量傳感器及其差分消振電路，其結(jié)構(gòu)如圖3所示[22]。

1.1.1 沖量式谷物流量傳感器結(jié)構(gòu)及特點 沖量式谷物流量傳感器的工作原理是基于電阻應(yīng)變式傳感器的，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。該傳感器安裝在聯(lián)合收割機(jī)升運器出口處，當(dāng)谷物被升運器刮板推出升運器出口時，拋出的谷物撞擊在彈性受力板上，使其發(fā)生變形，使傳感器中的電阻應(yīng)變片輸出的電阻發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致傳感器轉(zhuǎn)換電路輸出電壓發(fā)生變化。具體為谷物流量越大，對彈性元件沖擊變形越大，使輸出電壓越大;谷物流量越小，對彈性元件的沖擊越小，輸出電壓也越小。通過標(biāo)定使輸出電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)楣任镔|(zhì)量流量值來完成聯(lián)合收割機(jī)出糧口的谷物流量測量。該傳感器的優(yōu)點是技術(shù)成熟、成本較低、使用安全、應(yīng)用廣泛，但其敏感元件易受收割機(jī)振動及外界噪聲、攪龍速度、谷物品種以及谷物含水量等的影響[23]。此外，其存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且安裝調(diào)試?yán)щy等缺點。

1.1.2 γ射線式谷物流量傳感器基本結(jié)構(gòu)及特點 γ射線傳感器由γ射線源和射線檢測裝置構(gòu)成（圖5）。其基本原理是γ射線射到某種物質(zhì)時輻射強度會減弱，且服從指數(shù)衰減規(guī)律，衰減公式如下：

式中：I0為原射線輻射強度;I為遇到障礙物后的輻射強度;v為射線對應(yīng)某一種障礙物的消弱系數(shù);m為輻射場單位面積上遇到某一障礙物的質(zhì)量。即遇到的阻擋越多，其衰減也越快。將γ射線傳感器安裝在谷物升運器出口，當(dāng)谷物流量大時，γ射線被顯著減弱，射線檢測器接受到的輻射強度就小;當(dāng)谷物流量較小時，γ射線被減弱的程度小，射線檢測器接受到的輻射強度就大，進(jìn)而利用這一規(guī)律來檢測谷物流量。r射線谷物流量傳感器。γ射線谷物流量傳感器優(yōu)點為測量精度高，但其制造成本高，射線對人體健康有潛在影響，因此目前沒有被普遍應(yīng)用。

1.1.3 光電容積式谷物流量傳感器基本結(jié)構(gòu)及特點 光電容積式谷物流量傳感器由光柵接收器及發(fā)射器組成，被安裝在谷物提升器上。提升器上升時，刮板上的谷物會斷續(xù)遮擋發(fā)射器發(fā)射的光束，光柵接收器將與谷物厚度有關(guān)的斷續(xù)光束轉(zhuǎn)化為明暗相間的脈沖信號，將此信號處理后便可得到谷物體積流量，再經(jīng)換算得到谷物產(chǎn)量[24]。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

該傳感器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低等，但其測量精度受谷物密度、 谷物含水率、收割機(jī)傾斜度、探頭易受粉塵污染等因素的影響，須要經(jīng)常清洗和標(biāo)定，性能不穩(wěn)定。

1.1.4 稱質(zhì)量式谷物流量傳感器基本結(jié)構(gòu)及特點 該傳感器的測量方法為直接測量法，即升運器刮板上的谷物被輸送到安裝有測質(zhì)量傳感器的輸送帶上，稱質(zhì)量傳感器可實時測量谷物質(zhì)量，然后將檢測到的信號傳輸給計算機(jī)系統(tǒng)，再結(jié)合測量裝置中谷物流動時間得到谷物流量。該測量方法由于是直接測量，所受干擾因素較少。該傳感器的缺點是運行不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)波動較大[25]。稱質(zhì)量式谷物流量傳感器結(jié)構(gòu)如圖7所示。

1.2 籽粒損失檢測

損失率是聯(lián)合收割機(jī)的一個重要工作性能指標(biāo)，也是聯(lián)合收割機(jī)工作參數(shù)調(diào)整的重要依據(jù)。20世紀(jì)70年代初，蘇聯(lián)、美國、德國、英國等國家已經(jīng)開始研究各種谷物損失監(jiān)視器。約翰迪爾公司生產(chǎn)的JD1075型聯(lián)合收割機(jī)損失監(jiān)測器可檢測單位時間內(nèi)的谷物損失，該監(jiān)視系統(tǒng)由逐稿器損失傳感器、清糧篩損失傳感器和谷物損失監(jiān)視儀等構(gòu)成[26]。此外，約翰迪爾公司生產(chǎn)的JD9660STS型聯(lián)合收獲機(jī)、凱斯公司生產(chǎn)的Case2366IH型聯(lián)合收獲機(jī)均已配備籽粒損失檢測傳感器，用來監(jiān)測聯(lián)合收獲機(jī)收獲中籽粒損失實況。國外主要針對小麥聯(lián)合收割機(jī)收獲時清選造成的損失進(jìn)行監(jiān)測[27]。

目前谷物損失監(jiān)測主要采用壓電傳感器，針對現(xiàn)有傳感器測量損失率精度不穩(wěn)定等問題，國外學(xué)者做了相關(guān)研究。Diekhans利用作物傳感器敏感元件，通過谷物撞擊敏感材料，使敏感材料產(chǎn)生振動，再由計算機(jī)系統(tǒng)分析傳感器傳輸?shù)恼駝有盘杹頇z測谷物損失[28]。KEE公司研發(fā)了一種利用薄金屬板和壓電陶瓷做成的傳感器，由于該傳感器易受振動影響，因此其測量精度不穩(wěn)定[29]。此外，TeeJet公司的LH765谷物收獲機(jī)收獲損失監(jiān)測器中采用Walker傳感器，其具有很強的抗干擾能力[30]。Bernhardt等利用安裝在谷物不同脫粒位置的稱質(zhì)量傳感器測量谷物質(zhì)量，利用這些傳感器監(jiān)測的信息間接得到谷物在不同脫粒位置的損失情況，可避免直接測量損失量的不足，提高了監(jiān)測精度[31]。

國內(nèi)科研人員對籽粒損失監(jiān)測技術(shù)也進(jìn)行了研究。李耀明等設(shè)計了一套籽粒損失監(jiān)測傳感器標(biāo)定試驗臺，室內(nèi)試驗結(jié)果表明，針對含水率不同的小麥樣品籽粒損失監(jiān)測傳感器的測量誤差可以限制在4.8%以內(nèi);根據(jù)標(biāo)定結(jié)果確定了傳感器在監(jiān)測夾帶損失時的安裝位置，且田間試驗結(jié)果表明夾帶損失最大監(jiān)測誤差為3.40%[32]。周利明等針對國外谷物損失監(jiān)測傳感器限于敏感材料而不能大幅提高所測撞擊頻率的上限從而影響精度、傳感器無法獲知籽粒損失空間分布狀況等問題，采用聚偏氟乙烯（PVDF）壓電薄膜作為傳感器敏感材料，設(shè)計了陣列式PVDF傳感器及相應(yīng)的信號處理電路，傳感器單元結(jié)構(gòu)如圖8所示，利用該傳感器可以得到籽粒損失的空間分布信息[33]。

梁振偉等通過對傳感器不同敏感元件的模態(tài)分析發(fā)現(xiàn)，籽粒損失監(jiān)測傳感器性能與其敏感元件的振動特性有密切關(guān)系[34]。李耀明針對聯(lián)合收割機(jī)在收獲高產(chǎn)水稻時籽粒夾帶損失率偏高，籽粒夾帶損失實時監(jiān)測難度大的問題，提出了一種對縱軸流聯(lián)合收割機(jī)籽粒夾帶損失進(jìn)行實時間接監(jiān)測的新方法，他們建立了具體的數(shù)學(xué)模型，研制了籽粒損失監(jiān)測傳感器，該系統(tǒng)最大測量相對誤差為3.03%[35]。目前，用于谷物損失監(jiān)測的幾種典型傳感器的主要優(yōu)缺點如表1所示。

1.3 割臺高度自動控制

為滿足收割機(jī)在各種29情況下均能保持收割高度的一致性，必須使收割機(jī)割刀與地表距離保持一致。從20世紀(jì)70年代開始，世界上一些大型跨國公司就開始割臺自動控制的研究。割臺自動控制系統(tǒng)就是在原有的割臺液壓系統(tǒng)中增加傳感器、電磁閥門以及電氣控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的，日本井關(guān)公司的NX3000聯(lián)合收割機(jī)上就安裝有割臺高度自動控制裝置。加拿大麥賽福格公司的MF860、美國約翰迪爾的 JD-1075H、紐荷蘭的TD-70、德國卡拉斯公司的D-85、日本太郎生產(chǎn)的3100CT等均有割臺高度自動控制系統(tǒng)[36]。

割臺高度自動控制中的傳感器有接觸點式和非接觸點式2種，國外主要應(yīng)用接觸點式傳感器。圖9為加拿大麥賽福格公司研發(fā)的MF860聯(lián)合收割機(jī)磁吸式高度傳感器機(jī)構(gòu)。套有彈性仿形板的傳感軸安裝在割臺下面，割臺工作時仿形板始終與田地接觸，隨地面起伏而起落，傳感軸隨之左右擺動，在調(diào)節(jié)拉桿作用下，使扇形傳感鐵板左右擺動，控制傳感開關(guān)的開合?；竟ぷ鬟^程：割臺在平地狀態(tài)下穩(wěn)定工作，遇到田地不平時，與地面接觸的傳感器開始工作，傳感開關(guān)接通控制電路，進(jìn)一步控制液壓系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)割臺高度，使割臺保持在一定高度穩(wěn)定工作。圖10是約翰迪爾公司的 JD-1075H聯(lián)合收割機(jī)觸點式割臺高度傳感機(jī)構(gòu)。割臺下面安裝有4片仿形傳感托板，田地高低不平時，托板上下擺動帶動傳感軸轉(zhuǎn)過一定角度，帶動安裝在傳感軸左側(cè)的電路傳感盒內(nèi)的轉(zhuǎn)柄轉(zhuǎn)過一個角度，且接通相應(yīng)的電極使割臺液壓電磁閥動作，最終實現(xiàn)割臺高度調(diào)節(jié)。該機(jī)構(gòu)可以直接顯示割臺高度[37]。

針對觸點式割臺高度自動控制傳感器存在傳感機(jī)構(gòu)易磨損、使用壽命低、可靠性不高等問題，研究人員正在探索新的解決辦法。國外在此方面的研究不多，Richard在其論文中提到了應(yīng)用超聲波測距感器對割臺高度實現(xiàn)控制的思想，國內(nèi)研究人員做了一些研究工作。楊術(shù)明等設(shè)計了一套基于超聲波傳感器的割臺高度控制系統(tǒng)，以單片機(jī)為控制中心，通過液晶顯示模塊LCM1602顯示割臺高度，可實現(xiàn)工作過程中全程監(jiān)控割臺高度變化情況[38]。王熙等設(shè)計了一種基于霍爾集成電路的無觸點式割臺高度自動控制傳感器，該傳感器具有體積小、防潮濕、不怕灰塵及油污等優(yōu)點，其結(jié)構(gòu)如圖11所示[39]。

1.4 故障診斷

目前，國外聯(lián)合收割機(jī)均實現(xiàn)了對關(guān)鍵部件的工況自動檢測、故障診斷等自動化[40]。例如，德國芬特公司的C型聯(lián)合收獲機(jī)上安裝有一套完善的故障報警系統(tǒng)，可全面診斷聯(lián)合收割機(jī)故障[41]。久保田公司研發(fā)的PRO208半喂入聯(lián)合收割機(jī)中均裝有自動控制裝置和自動報警系統(tǒng)， 可對輸送螺旋桿處的堵塞、集裝箱谷物的裝入量、水溫、發(fā)動機(jī)油溫、燃油油位、計時表、部件轉(zhuǎn)速等進(jìn)行全面監(jiān)測[42]。約翰迪爾、凱斯、紐荷蘭、Fendt、CLASS等公司生產(chǎn)的聯(lián)合收割機(jī)上也都裝有故障診斷與自動報警系統(tǒng)，可對收割機(jī)關(guān)鍵部件的轉(zhuǎn)速、振動、扭矩及溫度等參數(shù)信息進(jìn)行實時監(jiān)測，再經(jīng)過各種故障診斷方法分析出主要工作部件的負(fù)荷狀況，若負(fù)荷超過預(yù)定值，則系統(tǒng)開始報警并顯示故障發(fā)生位置[43]。而國內(nèi)受限于聯(lián)合收割機(jī)本身的發(fā)展，使農(nóng)業(yè)機(jī)械故障診斷及自動報警系統(tǒng)處在研究階段，沒有成熟的產(chǎn)品。

國內(nèi)外學(xué)者在此方面的研究主要是對新理論、新方法的探索。Chen等對收割機(jī)主要工作部件的監(jiān)測和故障診斷做了研究，他們將自組織映射以及多層前饋網(wǎng)絡(luò)方法應(yīng)用在收割機(jī)故障診斷中。經(jīng)試驗，此方法可較好地預(yù)警聯(lián)合收割機(jī)的堵塞故障[44]。Guo等利用超聲波傳感器設(shè)計了一套安全報警系統(tǒng)，用來檢測機(jī)器周圍移動的物體。該系統(tǒng)利用2個超聲波傳感器檢測移動目標(biāo)與傳感器之間的距離，再用位置檢測算法得到移動物體離機(jī)器的相對位置，并當(dāng)目標(biāo)接近機(jī)械到達(dá)一定范圍時，報警裝置自動開啟，及時提醒機(jī)器操作者可能存在的危險[45]。陳進(jìn)等在故障監(jiān)測及診斷方法方面做了大量研究，研發(fā)的設(shè)備可通過對聯(lián)合收割機(jī)關(guān)鍵部件轉(zhuǎn)速信號的瞬時變化趨勢及波動范圍進(jìn)行分析后判斷出收割機(jī)工作狀態(tài)，并采用控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）通信技術(shù)將部件工作參數(shù)及診斷結(jié)果顯示在屏幕上，進(jìn)而實現(xiàn)故障診斷及報警[46]。

1.5 行走速度自動控制

聯(lián)合收割機(jī)行走速度直接影響喂入量以及脫粒滾筒負(fù)荷，關(guān)系到整機(jī)作業(yè)質(zhì)量和效率，很有必要對其進(jìn)行自動控制[47]。目前，我國對行走速度自動控制還沒有進(jìn)入實際應(yīng)用環(huán)節(jié)，國外對行走速度自動控制主要有機(jī)-液和電-液2種形式。圖12為機(jī)-液速度自動控制原理圖。利用傳感器測量傾斜輸送器鏈條的浮動量，若浮動量超過設(shè)定值，則拉絲拉動液流分配閥，行走機(jī)構(gòu)變速器的油缸動作，變速器傳動比改變，從而調(diào)整行駛速度。圖13為電-液式速度自動控制原理圖。脫粒滾筒中谷物厚度的變化使傳感器隨輸送器左右擺動，谷物厚度超過設(shè)定值時觸點a接通，使電磁閥左線圈閉合，壓力油進(jìn)入油缸下腔驅(qū)動行走無級變速器變速，使速度降低;喂入量小于標(biāo)定值時b點接通，電磁閥右線圈閉合，油缸上腔進(jìn)油，使傳動比增大，從而提高行走速度[48]。

以上2種速度自動控制方式結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、控制精度不高，操作也不方便。久保田ZX3000半喂入聯(lián)合收割機(jī)上安裝的傳感器可直接測量滾筒扭矩，通過扭矩信息間接判斷喂入量，然后使電機(jī)改變行走變速器中的油泵傾斜角度，來完成行走速度的調(diào)節(jié)，保證收割機(jī)負(fù)荷穩(wěn)定[49]。德國研發(fā)出了一種利用喂入量信號可同時控制滾筒轉(zhuǎn)速和機(jī)器前進(jìn)速度的聯(lián)合收割機(jī)。它使收獲效率提高20%，并顯著減小了脫粒損失[50]。我國也對聯(lián)合收割機(jī)行走速度自動控制進(jìn)行了研究。林偉通過綜合分析傳感器監(jiān)測到的喂入量和機(jī)器行走速度的參數(shù)，利用單片機(jī)發(fā)出相關(guān)控制指令來調(diào)節(jié)速度，進(jìn)而實現(xiàn)了通過控制行走速度調(diào)節(jié)喂入量[51]。秦云研究了收割機(jī)負(fù)荷-車速串級自適應(yīng)控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)具有較強的動態(tài)響應(yīng)能力[52]。王新等為了實現(xiàn)聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)速度的合理控制，通過魯棒優(yōu)化設(shè)計理論，建立了以收獲損失、收獲質(zhì)量和機(jī)械能效利用率為控制目標(biāo)的收割機(jī)作業(yè)速度的最優(yōu)控制模型[53]。

1.6 方向自動控制

自動導(dǎo)航已成為農(nóng)機(jī)發(fā)展的必然趨勢，也是實現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)[54-55]。目前，日本半喂入水稻聯(lián)合收割機(jī)有些安裝了一種簡易的方向自動控制系統(tǒng)。他們在分禾器部分設(shè)置桿式作物檢測傳感器，用于檢測作物行。傳感器底部的微動開關(guān)通過控制機(jī)構(gòu)，將測得的連續(xù)信號傳遞給轉(zhuǎn)向離合器的電磁閥，使之自動修正方向。當(dāng)須要臨時轉(zhuǎn)彎時，可通過操縱手動轉(zhuǎn)向離合器控制桿實現(xiàn)。德國CLAAS公司的LEXION600系列聯(lián)合收割機(jī)上安裝有GPS PILOT自動駕駛系統(tǒng)，可沿著規(guī)劃的路徑自動行駛[56]。國外相關(guān)導(dǎo)航產(chǎn)品主要有美國Trimble公司的Autopilot系統(tǒng)、John Deer的Auto Trac系統(tǒng)、日本的拓普康導(dǎo)航系統(tǒng)以及加拿大Heimisphere的導(dǎo)航系統(tǒng)等，國內(nèi)的Auto Guide系統(tǒng)也有較好的性能[57]。圖14為我國研發(fā)的基于北斗衛(wèi)星的自動導(dǎo)航系統(tǒng)在駕駛室中的顯示界面，該系統(tǒng)導(dǎo)航精度也較高。

自動導(dǎo)航是由一個復(fù)雜的系統(tǒng)完成的，它包括機(jī)械、電子、算法等眾多學(xué)科。國內(nèi)外對農(nóng)業(yè)機(jī)械自動導(dǎo)航的研究主要是圍繞全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）展開的，主要研究定位方法、農(nóng)機(jī)模型與導(dǎo)航路徑控制方法等[58]。由于普通的全球定位系統(tǒng)（GPS）定位精度為10 m左右，達(dá)不到農(nóng)機(jī)定位要求，因此農(nóng)機(jī)導(dǎo)航目前普遍應(yīng)用精度可達(dá)厘米級的載波相位差分技術(shù)（RTK）-GPS系統(tǒng)[59]。Gan-Mor等研發(fā)了一套基于RTK-GPS的導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)可為GPS提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)站，利用無線電通信的方法實時傳送修正數(shù)據(jù)，然后以此來修正測量結(jié)果，最終減小定位誤差[60]。2013年北海道大學(xué)研發(fā)了RTK-GPS與慣性測量元件（IMU）結(jié)合使用的自動導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)可補償由車輛姿勢導(dǎo)致的定位誤差[61]。羅錫文等根據(jù)RTK-DGPS的定位數(shù)據(jù)，開發(fā)了基于PID算法的自動導(dǎo)航系統(tǒng)，當(dāng)機(jī)器速度在 0.8 m/s 時，作業(yè)行的誤差在 0.15 m 內(nèi)[62]。由于GNSS具有須要預(yù)先規(guī)劃路線、時間延遲、易受外界干擾、成本高等缺點，人們也開始研究其他導(dǎo)航方法，例如應(yīng)用激光識別技術(shù)、視覺識別技術(shù)等實現(xiàn)導(dǎo)航。Shen等研究了一種基于激光作物行傳感器的農(nóng)機(jī)自動導(dǎo)航系統(tǒng)，它由1個激光位移傳感器和1個馬達(dá)驅(qū)動的六面偏振鏡組成，該系統(tǒng)可由激光傳感器直接檢測作物行信息，然后計算機(jī)分析得出作物行具體位置信息，作業(yè)速度為0.5～1.5 m/s 時，該系統(tǒng)可精確地跟蹤作物行，作業(yè)速度為 1.0 m/s 時，最大均方差為22.6 mm[63]。對作物進(jìn)行識別分析，將其與地面區(qū)分開，是實現(xiàn)定位的重要前提。Weiss等利用三維激光雷達(dá)傳感器技術(shù)研發(fā)出了一套導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)識別作物后可自動繪制田間作物分布圖，指導(dǎo)機(jī)器定位;試驗結(jié)果表明，利用低分辨率的FX6激光雷達(dá)傳感器就可實現(xiàn)高精度定位[64]。

2 總結(jié)

歐美國家、日本等發(fā)達(dá)國家智能農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)已經(jīng)基本成熟，應(yīng)用成效顯著，帶動農(nóng)業(yè)機(jī)械向精準(zhǔn)、高效方向發(fā)展。國內(nèi)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化及智能化程度普遍較低，國產(chǎn)谷物收割機(jī)大都沒有配備關(guān)鍵部件智能監(jiān)測系統(tǒng)及自動控制設(shè)備，但在收割機(jī)收獲損失監(jiān)測、自動測產(chǎn)及喂入量自動控制等方面正進(jìn)行大量研究。智能谷物聯(lián)合收割機(jī)優(yōu)勢顯著，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）擁有強大的功能。智能谷物聯(lián)合收割機(jī)由于安裝了喂入量自動控制系統(tǒng)、測產(chǎn)系統(tǒng)、谷物損失監(jiān)測系統(tǒng)、自動導(dǎo)航控制系統(tǒng)等一系列智能化設(shè)備，不僅作業(yè)效率高、質(zhì)量高，而且利用自動測產(chǎn)等技術(shù)得到的產(chǎn)量信息為下一輪作物播種、變量施肥以及藥物噴灑等提供重要依據(jù)，使農(nóng)田管理更科學(xué)、高效。

（2）勞動強度低、作業(yè)效率高。智能谷物聯(lián)合收割機(jī)根據(jù)作業(yè)的具體環(huán)境對工作參數(shù)進(jìn)行自動檢測和控制，降低了操作人員的勞動強度，提高了作業(yè)效率。

（3）安全、可靠。先進(jìn)的故障診斷系統(tǒng)可及時發(fā)現(xiàn)潛在的故障并使其得到快速解決，監(jiān)視系統(tǒng)可根據(jù)作業(yè)環(huán)境及作業(yè)對象的變化進(jìn)行自動調(diào)節(jié)工作參數(shù)，使機(jī)器始終處于最佳的工作狀態(tài)，因此機(jī)械故障率和事故率大大降低，為高效作業(yè)提供了保障。

（4）節(jié)能、環(huán)保。智能聯(lián)合收獲機(jī)通過撥禾輪轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)、喂入量自動控制以及割臺高度自動控制等技術(shù)使其始終保持在最佳的工作狀態(tài)，效率高，節(jié)能減排效果顯著。

（5）通用性強。通過收割機(jī)部件的模塊化設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)接口，可以根據(jù)不同作物種類以及不同收獲方式選擇工作部件，構(gòu)建不同功能的收割機(jī)。通過智能化技術(shù)，方便調(diào)節(jié)工作參數(shù)，滿足不同作物收獲的需要，從而實現(xiàn)一機(jī)多用，提高機(jī)具利用率。

3 發(fā)展趨勢

3.1 參數(shù)自動檢測與調(diào)節(jié)

我國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)剛剛起步，智能測產(chǎn)、谷物收獲損失實時監(jiān)測、喂入量自動控制以及割臺高度自動控制等系統(tǒng)的市場潛力巨大，是國內(nèi)研究的主要方向。由于我國是一個多山的國家，很多地塊高低不平，因此今后也應(yīng)在割臺仿形控制技術(shù)以及清選風(fēng)機(jī)智能調(diào)速、篩片開度自動調(diào)節(jié)技術(shù)等方面加強研究。

3.2 自動導(dǎo)航

利用導(dǎo)航技術(shù)可減少重復(fù)作業(yè)區(qū)，提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的田間作業(yè)質(zhì)量和效率，降低駕駛員勞動強度，實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和農(nóng)機(jī)物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)。因此自動導(dǎo)航技術(shù)將成為聯(lián)合收割機(jī)必備的普遍應(yīng)用的重要技術(shù)。

3.3 傳感器本身

為了適應(yīng)農(nóng)機(jī)復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，傳感器技術(shù)也將全面發(fā)展。首先，為了滿足農(nóng)機(jī)長時間、遠(yuǎn)距離作業(yè)，開發(fā)基于壓電效應(yīng)、熱電效應(yīng)、光電動勢效應(yīng)構(gòu)成的無源傳感器顯得格外重要;其次，為了適應(yīng)農(nóng)機(jī)復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，傳感器將向著微型化、集成化、高精度方向發(fā)展。

3.4 我國谷物聯(lián)合收割機(jī)智能化發(fā)展

優(yōu)質(zhì)高效、智能舒適將是聯(lián)合收割機(jī)的總體發(fā)展目標(biāo)，以傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)的智能化技術(shù)是其核心與關(guān)鍵，建議統(tǒng)籌布局，重點研發(fā)，促進(jìn)聯(lián)合收獲機(jī)技術(shù)升級和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

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