传感技术在农业机械自动化系统中的应用

2023-05-05鄢发东陈永虎高刚毅

电子技术与软件工程 2023年2期

鄢发东陈永虎高刚毅

（荆楚理工学院机械工程学院湖北省荆门市 448000）

近年来，国家在农业现代化发展给予了较大的政策扶持与资金支持，许多地区的农业发展取得了突出成就，提高了农业生产效率，促进了农业增产、农民增收。当前许多农业生产都配备有专门的农业机械，用机械化取代了人工作业，但农业机械自动化系统的构成复杂，系统稳定性与农业机械性能、功能紧密关联，传感技术作为自动化系统内的重要技术，可大大提高机械自动化水平。未来的农业生产中需继续推广农业机械自动化，不断拓展传感技术的应用范围。

1 传感器发展

信息时代下计算机信息技术保持高速发展的状态，由此衍生了很多全新的技术，传感技术就是典型表现。在目前的经济社会领域，传感技术被应用到了方方面面，如环境监测、工业生产、机械制造等。人们在获取外界信息时主要依赖的是自身的感觉器官，而传感器相当于人体的感觉器官，在有需要的情况下科学配备传感器，可用传感器来感受外界的变化，采集信息。当前我国的传感技术越发成熟，在人工智能等技术的支持下传感器呈现微型化、智能化、数字化、网络化趋势，在带动产业结构调整方面具有重要的意义。结合当前生产生活领域的传感器使用情况，第三代传感器的应用范围较广，此类传感器中集成了更多的现代技术，具有更强的智能化水平。当前国内外都非常重视传感技术，增大了此项技术中的研发投入，随着技术的进步，传感技术必将有崭新的发展，在更多领域有所应用。

2 农业机械化中传感器自动化控制技术

2.1 底盘控制用传感器

图1：平地机自动控制系统

在很多农业机械中传感器都是不可或缺的设备，传感器的性能是否良好关乎机械设备的性能稳定性、功能全面性。根据目前市场上的农业机械设计与使用情况，即使为一个普通的农业机械，其中也会包含至少20 个传感器，这些传感器在农业机械运行中有着不可替代的作用，每个传感器都有其特殊的作用，如发动机系统、底盘控制系统、车身控制系统中的传感器功能有些微差别。因此，农业机械中传感技术的应用水平是关键，如传感技术先进，配备的传感器功能齐全且具有更高的智能化水平，就可提升农业机械的自动化水平。完整的农业机械系统中如不合理利用传感技术来监测控制对象，将导致农业机械运行中的风险较大，无法正常开展农业生产活动。如在农垦系统中使用大功率轮式拖拉机时，若要提高这一机械设备的运行可靠性，保障其工作效率，必须合理利用传感技术[1]。在不同系统中传感器的功能、作用差异显著，但传感器的作用原理却大同小异。农业机械如拖拉机、收割机、制米机、灌溉机等，其中都安装有传感器，在机械运行过程中传感器负责采集信息，将其采集的信息传送给控制系统，最后由控制系统执行指令，这一过程下更能保障控制的精确性，提高农业机械的运行效率。现阶段的技术条件下，电子控制系统可解决传统农业机械控制可靠性不足、效率偏低等问题，系统内配备的传感器可在机械运行的过程中实时采集数据，将空气湿度、作业环境、作业量等有关信号传送给控制终端。

农业机械发动机中传感器为核心构成，通过配备传感器可优化发动机整体性能，使发动机能稳定、安全运行，保持最佳的工作状态，降低油耗、减少废气，即使农业机械发生了故障，传感器也能采集到完整、准确的故障信息，及时反馈故障信息，保障故障处理的及时性。农业生产环境的特殊性决定了农业机械作业环境的复杂性与恶劣性，为此，前期的设计制造环节有关人员需根据农业机械的类型及作业环境，科学配备传感器，使后续农业机械运行中传感器采集、传送信息，提高控制精度，降低农业机械故障率。

2.2 光电传感器

在农业机械中光电传感器也相对常用，此类传感器在采集到物理值后能将数据转化为光电信息变化值，之后再由光电器件将光电信号转变为电学信号。结合光电传感器的构成，主要有光电单元、光源器件、光学通道几个部分，不同部分之间通过相互协调，能发挥传感器在采集信息中方面的作用。农业生产方面播种机的使用频次较高，在很多地区的农业生产中对此机械的依赖性较大，播种过程中自动化控制系统需科学调节播种机的响应速度。在播种过程中，如能科学配备光电传感器，就可精准测量播种量，高效完成农业生产任务。光电传感器的整体构造简单，具有极强的抗电磁干扰能力，且成本较低，安装了这一传感器后的播种机，机械性能不受影响[2]。目前的技术发展趋势下，光电传感技术成为了先进的种子籽粒间距检测技术，通过地轮的前进速度、两个籽粒间距来精准检测种子籽粒长度，在导管的恰当位置科学安装光电传感器，由该传感器来采集间距信息，如每一颗种子被光敏探测器阻挡时传感器同步产生脉冲信号，而该信号能被自动转换为数据，被系统捕捉到，这一过程中导管中的种子数被转换为微处理器可识别的信号。播种机中光电传感器的这一工作原理及过程，表明传感器与播种机性能、效率之间的紧密联系，在使用播种机时有关人员需做好光电传感器的配置、安装、检修与维护。现阶段农业机械自动化水平显著提高，部分农用喷药利用液压机构平衡、固定了喷药杆位置，再加上有自动化模块的保障，能实时采集机械的行驶速度、植保面积、喷药压力、喷药量等基本信息，当作业环境有变化的情况下及时调整有关参数。

2.3 GPS 定位技术的应用

一些现代化农业区域内也在农业机械中采用了GPS定位技术，在农耕作业中为实时监测农业机械的工作状态，GPS 定位技术必不可少，通过建立GPS 系统可全面收集、分析数据信息，进一步提高农业机械的运行可靠性。在一些农业机械的使用中，受限于狭小的区域环境、恶劣的生产条件，机械的控制精度不足，而利用GPS 技术，则可以有效解决这一问题，但要进一步保障控制精确性，还需有一定的数字补偿[3]。具体来说，有关人员需构建实物模型及其相关的数学模型，将两个模型相结合构成精密度更高的数字模型，利用该模型提高GPS 的定位精度，使农业机械自动化系统有更高的控制能力，高效完成农业生产任务。农业机械自动化控制系统中可能会出现一定误差，为减小误差必须使用传感器，配备特定类型的传感器，该传感器在接收到模拟信号后转变A/D，再由处理器完成数据处理，实现零点漂移，将偏差控制在正常标准内。

2.4 电子式汽车机油压力传感器技术的应用

农业生产中经常配备拖拉机，为此机械设备中电子式汽车机油压力传感器技术必不可少，科学应用该技术后能发挥其自动导航优势，从多个角度提高农业机械运行效率，使农业机械的运行更为安全。通过配备定位传感器，能采集和处理频率信息，再加上其中有绝对定位与相对定位技术，可使自动化系统实现精准控制。传感器技术和激光技术在水田农业机械中应用较多，科学采用这两种技术可有效避免人工作业下农作物间距过小的情况，将农业机械转换角度控制在合理范围内，由激光与声呐技术的配合获取完整且准确的道路信息，最后再在GPS 辅助下得到完整的行驶录像。

2.5 水分检测技术的应用

农业生产中也涉及选种环节，原先的选种环节主要为人工方式，效率低且一些情况下选出的种子不符合要求，水分检测技术恰好可以改变这一情况。通过科学应用水分检测技术，可自动采集种子中的水分含量信息，这种数据采集过程包含电阻式检测、电容式检测，但还需添加热敷。实际上，水分检测的核心就是配备传感器，由传感器自动感知水分情况。目前的农业生产中，水分检测技术的应用相对普及，特别是在大规模农场中，未来随着技术的进步，水分检测技术还将有新的发展。

2.6 传感器自动化机械插秧机的应用

市场上的部分插秧机中也采用了传感技术，利用传感技术可使插秧机在农业生产中正常工作，高效、高质量完成插秧任务。以乘坐式插秧机为例，为确保秧苗插种的连续性，相关人员必须合理把控秧箱上的秧苗数量，采用自动补苗预告技术。目前市场上有传感器自动化机械插秧机，该机械的特殊性就在于在秧箱板上有微动式开关传感器，如秧苗重量较大可压住传感器，切断其与警报灯的连接线路，感应灯不亮；如秧苗数量较少，传感器将与感应灯连接，发出补苗信号，提醒有关人员及时补苗[4]。传感器自动化机械插秧机在应用于农业生产中时也存在问题，如漏插情况较为常见，后续在传感技术持续发展的过程中需重点关注漏插问题。另外，在传感器自动化机械插秧机中还设置有车轮升降调节系统，此系统中有传感器技术，有效保障了系统的可靠性。为促进农业用车在田间正常行走，符合插秧深度标准，插秧机中的车轮升降调节系统要发挥作用，在机体处于下沉状态时，秧船相对机体下沉呈上升趋势，使秧船与地面的平行距离相同，控制插秧深度，避免深度过大；如机体上升，秧船下降，可避免插秧深度不足的情况。

3 农业机械自动化的传感器技术的运用

3.1 传感器自动化机械插秧机的使用

3.1.1 补苗预告

以乘坐式插秧机为例，该机械在水稻插秧中较为常见，利用此农业机械时相关人员需重点关注插种秧苗是否连续，避免出现漏插现象。具体来说，有关设计人员需结合乘坐式插秧机的结构特点及工作原理来采用自动化补苗预告技术，使得乘坐式插秧机工作时能自动识别到漏苗情况并自动预告补苗。补苗预告装置中，在秧箱板上配备有微动式开关传感器，秧苗较重的情况下，如秧苗重量较大，将对传感器产生压力作用，秧苗压住传感器，警报灯连线被切断，感应灯不亮；秧苗数量相对较少的情况下，因为此时的秧苗重量相对较小，无法压住传感器，传感器与警报灯之间保持可靠连接，一旦采集到存在漏插的信息时，就会立即发送补苗信号，与此同时感应灯亮起，当农户看到感应灯亮的情况下开始补苗。

3.1.2 车轮升降调节装置

农业生产中农田条件参差不齐，一些农田为平整的大块土地，而另一些为凹凸不平的小块土地，平整的大块土地更有利于机械化生产，农业机械行走更为便捷与安全，但如面临一些凹凸不平的田地，农业机械行走不便，操作不当可能出现事故[5]。为此，插秧过程中如面临凹凸不平的田地，且需保障插秧深度符合要求，相关人员需适当改造机械体、插秧装置，如使用升降装置及，该设备上配备有传感器，能在机械行走时采集信息。

如机体处于下沉状态，秧船将与机体同步上升，由于张紧轮上安装有秧船，该秧船同样为上升状态，再在皮带轮张紧状态下驱动油缸与油泵动作，在插到特定深度后使插秧装置上升，这一工作过程下使插秧机的插秧深度更为合理，不会过深。机体逐步上升阶段秧船持续下降，在张紧轮秧船、油缸、油泵等的联合作用下，插秧机装置下降，不会插得过浅。

3.2 自动化传感器技术在果树中的使用

果树采摘的工作量大，原有的技术条件相对落后，采摘任务完全由人工来完成，再加上采摘过程中需区分大果与小果，还需要区分果子的颜色等，都给采摘带来了较大的难度，工作效率相对偏低。为了采摘的便捷性，可配备颜色选果机。

根据选果机的结构构成，光电晶体管与光电管为其中的关键构成，利用选果机工作时主要是通过分析光的发射强度来判定果实的成熟度，如判定该果实未成熟，则立即通过气缸作用来将此果实排出。果园中果实的成熟度不一，在颜色方面存在明显差异，光的反射情况各有不同，反射率有大有小，相关人员通过全面、精准分析反光强度来判断果实的成熟程度，进而执行相应的控制指令。水果分选机如图2所示。

图2：水果分选机构成

照射光对选果机的工作往往会产生或大或小的影响，为有效减弱这一方面的干扰，可利用电卤灯，在此情况下扩大观察面积，利用光导纤维，仅通过红光或绿光滤色器来判定与检测光强度，进而判定果实颜色、成熟度。在选果机工作期间，传感器负责采集光信息，再将此信息传递给自动模块，由该模块处理信息后再执行操作指令。

3.3 半喂入联合收割机的自动化农作物机械

收割机也是农业生产中较为常见的机械设备，在传感技术发展下市场上出现了一种半喂入联合收割机的自动化机械，在此设备的运行中能自动控制喂入深度。为保障收割机在各种条件下都能保障最佳的工作状态，可将喂入深度这一指标作为自动控制的部分。在半喂入收割机中，输送链结合扶禾器等部件安装有传感器，在机械工作期间传感器能自动检测茎秆作物情况，将采集的信息传递给控制模块，再由控制模块根据信息来控制喂入深度，实现收割。半喂入联合收割机如图3所示。