潘超然

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)的農(nóng)業(yè)機(jī)械化產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的現(xiàn)代化農(nóng)機(jī)裝備顯著增多，農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)效率、可靠性、操作駕駛體驗(yàn)都得到明顯改善，農(nóng)業(yè)機(jī)械已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可分割的重要?jiǎng)趧?dòng)力。收獲機(jī)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中用于農(nóng)產(chǎn)品收獲機(jī)械裝備的總稱，其技術(shù)先進(jìn)性對(duì)于農(nóng)業(yè)實(shí)際產(chǎn)出和經(jīng)濟(jì)效益影響很大，隨著收獲機(jī)技術(shù)的升級(jí)，聯(lián)合收獲機(jī)逐漸成為收獲作業(yè)的主力，應(yīng)用量進(jìn)一步增加。為進(jìn)一步提高聯(lián)合收獲機(jī)的作業(yè)精確性和智能化程度，將衛(wèi)星定位技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)整合到聯(lián)合收獲機(jī)中，能夠有效提高機(jī)械化收獲質(zhì)量，降低人力勞動(dòng)負(fù)擔(dān)，更好地保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的順利實(shí)施。

1 聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)特征

聯(lián)合收獲機(jī)是在傳統(tǒng)的單一功能收獲機(jī)產(chǎn)品基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的先進(jìn)農(nóng)機(jī)產(chǎn)品，其保留了收獲的主要功能，并集成了作物割斷、疏松、剝皮、清選、分離、存儲(chǔ)等功能中的一種或幾種，實(shí)現(xiàn)了一次性作業(yè)完成傳統(tǒng)生產(chǎn)的多項(xiàng)作業(yè)任務(wù)，有效提高生產(chǎn)效率并減少農(nóng)機(jī)作業(yè)的次數(shù)。聯(lián)合收獲機(jī)根據(jù)收獲作物的不同可細(xì)分為多個(gè)種類，其中包括用于大田生產(chǎn)的谷物聯(lián)合收獲機(jī)、玉米聯(lián)合收獲機(jī)，還包括經(jīng)濟(jì)作物用的甜菜聯(lián)合收獲機(jī)、藜麥聯(lián)合收獲機(jī)、煙葉聯(lián)合收獲機(jī)等。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面積的不斷擴(kuò)大，聯(lián)合收獲機(jī)的機(jī)型也由傳統(tǒng)的小型小動(dòng)力機(jī)械向大型大動(dòng)力機(jī)械方向轉(zhuǎn)變，聯(lián)合收獲機(jī)產(chǎn)品還進(jìn)一步與自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合，在設(shè)備的自動(dòng)作業(yè)、調(diào)整、故障檢測(cè)等方面實(shí)現(xiàn)了升級(jí)，使聯(lián)合收獲機(jī)的操作性和駕駛便捷程度顯著提升?，F(xiàn)階段，大部分聯(lián)合收獲機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)一次作業(yè)完成收獲及收獲相關(guān)的全部工作任務(wù)，如糧食收獲、初步清選、收集、運(yùn)輸、秸稈處理等，但在實(shí)際使用過程中仍存在關(guān)鍵技術(shù)落后、糧食損失率偏高、故障率偏高等問題，同時(shí)聯(lián)合收獲機(jī)與現(xiàn)代化的衛(wèi)星定位、大數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等結(jié)合不夠緊密，這也成為未來(lái)聯(lián)合收獲機(jī)發(fā)展的重要方向。

2 聯(lián)合收獲機(jī)定位與聯(lián)網(wǎng)研究

隨著我國(guó)《農(nóng)業(yè)機(jī)械化促進(jìn)法》的實(shí)施，在很長(zhǎng)時(shí)間激勵(lì)著農(nóng)機(jī)科研工作的開展，聯(lián)合收獲機(jī)作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要設(shè)備種類，對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)與衛(wèi)星定位及遠(yuǎn)程管理開展了大量的工作。李偉[1]等通過在聯(lián)合收獲機(jī)上配備GPS模塊、3G無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊和CAN總線通訊模塊，研究了收獲過程的測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)，完成了聯(lián)合收獲機(jī)產(chǎn)量分布信息獲取技術(shù)的軟硬件設(shè)計(jì)，試驗(yàn)證實(shí)通過衛(wèi)星定位和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)的測(cè)產(chǎn)，其室內(nèi)測(cè)產(chǎn)相對(duì)誤差小于2%，田間測(cè)產(chǎn)相對(duì)誤差小于3%，精確度很高；寧小波[2]等對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行了建模分析與參數(shù)關(guān)聯(lián)，明確了作業(yè)參數(shù)與喂入量、損失率之間的數(shù)據(jù)關(guān)系，建立了聯(lián)合收獲機(jī)脫粒系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，并結(jié)合衛(wèi)星定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合收獲機(jī)全領(lǐng)域作業(yè)速度自適應(yīng)控制，并能對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程管理與控制，有效提升了聯(lián)合收獲機(jī)的智能化程度；劉新怡[3]等基于北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)功能對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)路徑跟蹤與輔助導(dǎo)航展開研究，利用北斗定位模塊、傳感器技術(shù)、信息顯示、轉(zhuǎn)向控制、總線通訊等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了定位與行駛檢測(cè)，并實(shí)現(xiàn)了通過控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)糾正行駛偏差，有效提升了聯(lián)合收獲機(jī)輔助導(dǎo)航的精準(zhǔn)性。丁幼春等[4]基于單神經(jīng)元PID控制技術(shù)研究了一種用于聯(lián)合收獲機(jī)的導(dǎo)航控制器，并開展了常規(guī)PID控制和單神經(jīng)元PID控制的仿真及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，證實(shí)了利用單神經(jīng)元PID控制的聯(lián)合收獲機(jī)導(dǎo)航行駛偏差可達(dá)厘米級(jí)，完全能滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要，為聯(lián)合收獲機(jī)的自動(dòng)化作業(yè)提供了技術(shù)支撐。

3 衛(wèi)星定位控制的應(yīng)用

3.1 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

3.1.1 輔助駕駛

現(xiàn)階段，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的衛(wèi)星定位技術(shù)主要包括我國(guó)自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)和美國(guó)的GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)。近年來(lái)，北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用量顯著增加，利用北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)厘米級(jí)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)衛(wèi)星定位，在駕駛員駕駛聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)過程中利用配套的衛(wèi)星定位導(dǎo)航裝置能夠?qū)崿F(xiàn)作業(yè)路徑的監(jiān)管，駕駛員只需按照路徑駕駛即可完成生產(chǎn)任務(wù)。

3.1.2 作業(yè)監(jiān)測(cè)

在對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)的管理中，很多地區(qū)政府及農(nóng)業(yè)主管部門需要對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)的作業(yè)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便于作業(yè)補(bǔ)貼的發(fā)放及作業(yè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)。利用衛(wèi)星定位技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)聯(lián)合收獲機(jī)的作業(yè)位置和作業(yè)狀態(tài)，若將衛(wèi)星定位與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合，還能夠?qū)⑹斋@機(jī)在某一時(shí)刻的作業(yè)位置及作業(yè)參數(shù)等信息傳輸?shù)奖O(jiān)管系統(tǒng)，以便于農(nóng)業(yè)管理人員及生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)者對(duì)其進(jìn)行作業(yè)監(jiān)測(cè)。

3.1.3 輔助測(cè)產(chǎn)

利用衛(wèi)星定位技術(shù)與傳感器技術(shù)相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)在作業(yè)實(shí)施的過程中同時(shí)測(cè)量農(nóng)作物產(chǎn)量，有利于對(duì)單位面積農(nóng)田實(shí)現(xiàn)產(chǎn)出的精確統(tǒng)計(jì)，以便于提前組織糧食收購(gòu)或農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)者提前預(yù)判經(jīng)濟(jì)收益。

3.1.4 便于管理

現(xiàn)階段，我國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中先進(jìn)聯(lián)合收獲機(jī)設(shè)備仍相對(duì)缺乏，利用衛(wèi)星定位技術(shù)，農(nóng)業(yè)管理部門能夠通過智慧農(nóng)機(jī)管理平臺(tái)實(shí)時(shí)獲取聯(lián)合收獲機(jī)的作業(yè)信息，并掌握聯(lián)合收獲機(jī)所在區(qū)域。通過與本地未收獲農(nóng)田的數(shù)據(jù)及周邊未收獲農(nóng)田數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能有效實(shí)現(xiàn)聯(lián)合收獲機(jī)的資源調(diào)配，有利于生產(chǎn)的順利實(shí)施并提高聯(lián)合收獲機(jī)的作業(yè)收益。

3.2 應(yīng)用軟硬件條件

衛(wèi)星定位控制主要包括兩方面的技術(shù)，一是衛(wèi)星定位；二是自動(dòng)化控制。將二者相結(jié)合才能有效提升聯(lián)合收獲機(jī)的自動(dòng)化與智能化程度，而要實(shí)現(xiàn)聯(lián)合收獲機(jī)的衛(wèi)星定位控制，需要在軟硬件兩方面進(jìn)行升級(jí)和優(yōu)化。

3.2.1 硬件條件

要實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星定位控制技術(shù)，所需的主要技術(shù)如圖1所示。聯(lián)合收獲機(jī)所需的硬件升級(jí)主要包括以下幾個(gè)方面：一是改變傳統(tǒng)的操控機(jī)械結(jié)構(gòu)，利用自動(dòng)換擋、電機(jī)轉(zhuǎn)向、自動(dòng)制動(dòng)等技術(shù)替代傳統(tǒng)的人工駕駛室結(jié)構(gòu)，并對(duì)上述功能進(jìn)行電控元件的相應(yīng)配置，實(shí)現(xiàn)通過電控開關(guān)控制機(jī)械結(jié)構(gòu)完成轉(zhuǎn)向、換擋、制動(dòng)等功能；二是在重要的控制結(jié)構(gòu)處合理增設(shè)傳感器等監(jiān)測(cè)元件，如應(yīng)用轉(zhuǎn)向傳感器監(jiān)測(cè)前輪轉(zhuǎn)角，或依靠速度傳感器監(jiān)測(cè)行駛速度等；三是在聯(lián)合收獲機(jī)內(nèi)部增設(shè)衛(wèi)星定位天線及相關(guān)硬件，以便于精準(zhǔn)定位的實(shí)施；四是增設(shè)必須的環(huán)境感知硬件，例如毫米波雷達(dá)、視覺攝像頭等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星定位控制聯(lián)合收獲機(jī)的過程中對(duì)周邊環(huán)境的實(shí)時(shí)感知，避免聯(lián)合收獲機(jī)在衛(wèi)星定位控制行駛的過程中出現(xiàn)與障礙物的碰撞，造成機(jī)械損傷、人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失等問題[5]。

圖1 衛(wèi)星定位控制的應(yīng)用硬件條件

3.2.2 軟件條件

軟件方面需要滿足以下條件，首先需要設(shè)計(jì)并建設(shè)衛(wèi)星定位控制主系統(tǒng)，該系統(tǒng)需結(jié)合聯(lián)合收獲機(jī)的作業(yè)特點(diǎn)和作業(yè)需求，充分考慮自動(dòng)控制過程關(guān)于作業(yè)模式、作業(yè)方案、人機(jī)交互、遠(yuǎn)程控制等方面的技術(shù)問題。其次，在主系統(tǒng)下設(shè)計(jì)相關(guān)的分系統(tǒng)，主要包括：1)衛(wèi)星定位系統(tǒng)，是控制功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，是保證聯(lián)合收獲機(jī)準(zhǔn)確獲取自身位置信息的關(guān)鍵，有利于提高作業(yè)的準(zhǔn)確性，衛(wèi)星定位系統(tǒng)需明確可作業(yè)條件下的最少衛(wèi)星數(shù)量，并設(shè)計(jì)作業(yè)過程中當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)較弱時(shí)的處置方案，充分考慮衛(wèi)星定位系統(tǒng)引進(jìn)和使用的成本，利用國(guó)產(chǎn)系統(tǒng)降低對(duì)進(jìn)口系統(tǒng)的依賴；2)邏輯控制系統(tǒng)，主要用于根據(jù)不同的農(nóng)田條件選擇適應(yīng)的作業(yè)方案，例如通過農(nóng)田的邊界定位信息，結(jié)合農(nóng)田種植壟向等數(shù)據(jù)，自主規(guī)劃作業(yè)路徑，并結(jié)合農(nóng)作物種植密度等數(shù)據(jù)優(yōu)化行駛速度；3)人工管理系統(tǒng)，主要用于聯(lián)合收獲機(jī)的遠(yuǎn)程管理，或?qū)τ谧詣?dòng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障或作業(yè)方案選擇不當(dāng)時(shí)進(jìn)行人工干預(yù)；4)數(shù)據(jù)記錄與傳輸系統(tǒng)，主要用于聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)過程的數(shù)據(jù)記錄和傳輸，并對(duì)重要的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)存儲(chǔ)與分類。除上述系統(tǒng)外，還需要在軟件建設(shè)的過程中重視系統(tǒng)功能的可拓展性，使其能夠便捷地與視覺識(shí)別系統(tǒng)、雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)等相配合，實(shí)現(xiàn)后續(xù)功能的增加與升級(jí)。

4 遠(yuǎn)程管理技術(shù)應(yīng)用

對(duì)于聯(lián)合收獲機(jī)的遠(yuǎn)程管理主要通過農(nóng)機(jī)管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，而在實(shí)際應(yīng)用過程中，可針對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)的作業(yè)特點(diǎn)有針對(duì)性地開設(shè)專門的管理流程和項(xiàng)目?jī)?nèi)容，針對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)可參考圖2實(shí)施。遠(yuǎn)程管理技術(shù)的應(yīng)用主要針對(duì)人工駕駛的聯(lián)合收獲機(jī)和自動(dòng)作業(yè)的聯(lián)合收獲機(jī)兩方面開展。對(duì)于人工駕駛的聯(lián)合收獲機(jī)，遠(yuǎn)程管理用于監(jiān)管農(nóng)機(jī)手的駕駛方式、作業(yè)參數(shù)、收獲效率等，并通過遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與農(nóng)機(jī)手的交流互通，將管理意見傳輸?shù)今{駛室的屏幕上，提醒駕駛員及時(shí)調(diào)整作業(yè)方案。對(duì)于自動(dòng)作業(yè)的聯(lián)合收獲機(jī)，遠(yuǎn)程管理主要是對(duì)其作業(yè)方案進(jìn)行決策，調(diào)整不合理的作業(yè)參數(shù)和作業(yè)路徑，并實(shí)時(shí)監(jiān)管聯(lián)合收獲機(jī)的作業(yè)情況，查看聯(lián)合收獲機(jī)是否存在故障或收獲質(zhì)量不佳等問題，遠(yuǎn)程掌握收獲效率和實(shí)際產(chǎn)出等數(shù)據(jù)，方便對(duì)大面積農(nóng)田進(jìn)行規(guī)劃，并預(yù)判局部農(nóng)田的工作任務(wù)完成時(shí)間，進(jìn)而合理規(guī)劃和調(diào)配聯(lián)合收獲機(jī)的后續(xù)作業(yè)任務(wù)[6]。

圖2 聯(lián)合收獲機(jī)遠(yuǎn)程管理流程

遠(yuǎn)程管理技術(shù)現(xiàn)階段的應(yīng)用主要包括兩方面：一是管理者通過專用的電腦實(shí)現(xiàn)對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)狀態(tài)的詳細(xì)監(jiān)管，該系統(tǒng)功能更為豐富，但管理過程缺乏便捷性；二是管理者通過手機(jī)移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)工作狀態(tài)的監(jiān)管，APP端的管理功能相對(duì)簡(jiǎn)單，但管理實(shí)時(shí)性相對(duì)更好，當(dāng)聯(lián)合收獲機(jī)出現(xiàn)作業(yè)異?；蚬收蠁栴}時(shí)能夠在第一時(shí)間發(fā)出警示，有利于降低作業(yè)過程中的損失?？傮w上講，隨著近年來(lái)各地農(nóng)機(jī)智慧管理平臺(tái)的建設(shè)與功能豐富，對(duì)于現(xiàn)代化聯(lián)合收獲機(jī)的監(jiān)管也更加便捷，農(nóng)業(yè)機(jī)械的管理人員和農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)者利用智能終端進(jìn)行聯(lián)合收獲機(jī)遠(yuǎn)程管理的比例得到快速增加。

5 結(jié)語(yǔ)

在智慧農(nóng)業(yè)理念的引導(dǎo)下，聯(lián)合收獲機(jī)作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)先進(jìn)的典型設(shè)備，其智能化程度正持續(xù)提高。衛(wèi)星定位和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理等技術(shù)已在新型聯(lián)合收獲機(jī)產(chǎn)品上得到大量應(yīng)用，隨著電氣控制自動(dòng)化技術(shù)在收獲機(jī)領(lǐng)域進(jìn)一步應(yīng)用，該類農(nóng)機(jī)的智能化程度也將顯著提升，為我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率與質(zhì)量升級(jí)創(chuàng)造更有利條件。