智能农机控制平台技术研究

2023-11-30吴延勇

农业开发与装备 2023年10期

吴延勇

（涟水县生产力促进中心，江苏涟水 223400）

0 引言

在智能化时代下，各种先进的智能技术不断涌现。在农业领域，农机装备通过应用智能化技术，推动了智能化农机控制平台技术的应用与发展。智能化农机控制平台技术实际包含了诸多内容，比如农机智能导航、智慧化管理等。通过加强对智能化农机控制平台技术的应用分析，对推动我国农业实现现代化发展有着非常重要的意义。

1 智能农机控制平台技术的应用价值

1.1 推动农业生产装备产业转型升级

在当下，我国农业生产装备产业正处于关键转型阶段，而加强智能农机控制平台的应用，可以显著提升农业生产装置智能化水平，并能够发挥先进科学技术的优势，带动我国形成智能化农机设备全面发展的产业局面，推动我国农业装备产业转型升级与发展。

1.2 带动我国绿色现代农业发展进步

在农业生产发展中，农机设备是不容忽视的一项核心内容。通过加强智能农机控制平台技术的应用，可以进一步提升我国农机智慧化水平。同时，促进智能农机深入播种、施肥、采摘等多种农业生产环节，实现农业生产全过程机械化管理，不仅有利于提升农业生产效率，还能够实现各种农业资源的高效化利用，减少了对环境的污染程度，以此来有效带动我国高效绿色现代化农业发展与进步。

1.3 降低了农民劳动负担

智能农机控制平台技术最大的功能价值在于可以提升农机生产作业智能化、自动化水平，不断减少农业生产人工干预，减轻了农民的劳作负担，彻底改变了传统的农业劳作模式，提升了农业生产效率。在智能农机平台控制技术的帮助下，农业生产作业将会变得越来越精准化，对劳动力需求减少了70%～90%，降低了农民劳动负担，未来更有可能实现无人农场。

1.4 提高农机使用安全性与使用寿命

在智能农机控制平台技术中，包含了多种传感器技术和监测技术。从而可以有效监控农机设备的使用状态，及时发现农机运行异常，还能够实现农机设备的故障自诊断与处理。针对一些严重故障问题，还能够发出警报并自主停机，从而减少农机故障对农机设备的损害，有效保障农机使用安全，延长农机使用寿命。

2 智能农机控制平台技术构建

2.1 农机智能导航技术

农机智能导航技术是实现农机智能化控制的重要前提。在这一过程中，农机智能导航主要包括以下两大关键技术内容：

第一，农机智能导航姿态控制技术。从现实生产情况来看，农业生产环境比较复杂多变，很容易影响农机作业工况。尤其是复杂的生产环境会对农机姿态测量精度带来一定的影响，限制了农机设备作用价值发挥。因此需要农机智能导航技术，加强对农机设备的控制，避免农机设备在生产中“偏航”。比如，可将北斗与惯性传感器结合在一起，设计了外部加速度补偿的卡尔曼滤波智能算法。在这种智能算法的帮助下，可将农机俯仰角2.00°误差缩减至0.55°。不仅如此，该项智能算法的应用，还有效提升了航向角测量精度。从最初的5.0°提升至0.3°，促使相应的农机设备更好地适应复杂的生产环境。为了弥补单个农机传感线精度较差的问题，可以采用多传感器信息融合方式，有效集成不同传感器优势，通过采用陀螺仪、加速度计以及电子罗盘，设计出了一种农机航迹推算系统。在此基础上，搭配GNSS系统绝对定位功能，从而显著提升了农机导航定位测姿精度，能够有效满足农机在复杂农业生产环境下的导航定位需求。

第二，农机导航定位控制。在实际生产过程中，应用智能化农机设备，面临不同的农作物、不同的生产内容以及不同的地块，需要农机自主规划针对性的导航作业路径。为了有效解决这一问题，在智能导航技术应用方面，可以采用预瞄跟随控制器、前视距离自适应调节器等，搭建专门的农机导航路径跟踪控制器。在这种智能导航路径跟踪控制器的帮助下，可以显著提升农机导航系统控制精度水平。比如，在一些水田中，智能农机设备在生产过程中很容易出现严重的侧滑、农机俯仰姿态很容易出现频繁的横滚，从而导致农机设备无法安装正常的生产路径开展作业，不利于农业自动化生产水平提升。而在农机导航复合路径跟踪控制器的帮助下，由于搭载了侧滑估计补偿装置，因此可以有效抵御农机导航系统水田抗侧滑的干扰，确保农机按照规划好的路线前进作业。与此同时，在当下的一些农机导航系统中，避障功能依然有待进一步提升。在遇到障碍时，一些农机设备很难及时做出反应，迅速规避障碍，从而对农机自动导航作业安全带来了严重影响。为解决这一问题，可以采用激光雷达的农田障碍物识别技术，同时应用了作业路径追踪智能算法，实现对农机作业路径的实时跟踪控制，在此基础上，技术人员还开发了农机自动避障技术，从而可以准确识别农机作业路线中的各种障碍物，并及时作出反应，自动避开障碍物的同时，重新规划新的路线，更好地保障农机设备使用安全。

2.2 智能农机智慧管理技术

在智能农机控制平台技术中，也包括智能农机智慧化管理技术。该项管理技术内容包括远程监控农机生产作业的位置、生产速度等，同时还会了解农机作业具体的工况以及允许状态，实现对农机故障的远程预警、指导维修与调度。在当下，很多智能化农机之中均配置了GNSS装置。在该项装置的帮助下，可以采集农机生产作业的各种信息，并通过无线网络上传至农机管理控制中心。不仅如此，还能够支持农机在生产作业时产生的数据记录查看、回放等功能。在一些智能化农机中，还装载有质量监控传感器，因此可以实现农机生产作业质量数据信息的传输，从而便于管理人员了解农机生产作业质量水平。在智能化农机中，还安装有各种传感器装置，这些传感器可以实时采集农机运行信息，比如农机拖拉机发动机运行参数、行驶速度等。又如农业收获机的割台高度、脱粒滚筒的转速等信息。这些智能农机工况信息也会上传至农机管理控制中心。在控制中心，可以将实际采集的生产工况信息与数据库信息进行对比。一旦发现信息差异较大，可以及时发现农机生产运行工况的异常，然后向农机驾驶员或无人农场管理中心发出预警信息。在对比过程中，发现农业收获智能化农机的脱粒滚筒转速显著下降，控制中心会及时发出预警，并建议降低收获机前进速度避免发生堵塞造成严重的停机故障。在智能化农机生产过程中，如果发现较大的故障问题，则会远程通知附近的维修站人员，及时赶往农场进行维护。如，在温室大棚中，一些智能农机装置系统也得到了广泛应用。尤其是在大棚种植生产领域，通过在温室内配置自动化照明系统、自动化温湿度控制系统、自动化喷灌系统等（如图1所示），从而实现温室大棚自动化生产种植管理。如今随着信息智能技术的不断发展，机器视觉技术在温室大棚智能农机系统之中也逐渐得到了应用。该项技术可以在智能计算机的帮助下，模拟人的视觉功能，同时在人工智能技术的支持下，模仿人脑功能，实现大棚中农作物图像的提取计算分析，以此来判断农作物的长势情况，并结合判断结果，控制温湿度系统、灌溉系统等，自动调节室内温度、湿度，实现温室农作物生产自动化管理，显著提升了大棚种植生产管理效率。

总而言之，在上述各种先进设备装置的帮助下，可以实现对农机生产作业远程智慧化管理，提升农业生产水平。

2.3 数字底盘技术

2022年11月，在重庆召开的2022中国农业机械与零部件行业峰会上，国家智能农机装备产业创新战略联盟赵剡水理事长发布了《智能农机技术路线图报告》（以下简称《报告》），赵剡水理事长以智慧农业为核心，明确指出当下的智能化农机对自动化、信息化、智能化要求在不断提升。其中在报告中，针对智能农机设备，提出了数字底盘智能化控制技术。相较于传统的智能设备底盘，数字底盘为纯电动驱动，且具有智能驾驶控制功能。该底盘的智能化控制主要表现为在车载中央的计算机能够以驾驶员意图为依据，实现智能化控制决策。不仅响应速度非常快，而且有着非常高的控制精度，可实现数字底盘智能化控制。我国与发达国家的拖拉机底盘控制对比如表1所示，从表1可知，在变速器方面，我国拖拉机设备主要采用了啮合套同步器进行换挡。而欧美发达国家采用了动力换挡、CVT。在转向系统方面，我国拖拉机主要采用机械式、开心式全液压转向。而欧美发达国家采用了闭心式负载敏感全液压转向。在驾驶室方面，我国与欧美发达国家之间的差距更加明显。比如，欧美发达国家主要采用了三级驾驶室，具体模式为正压＋气溶胶过滤。还有一些智能农机驾驶室采用了四级驾驶室，正压＋气味气雾过滤，一般属于果园农场专用。但在我国，拖拉机驾驶室依然以二级普通舒适性的驾驶室为主。关于数字底盘发展有如下预测：2025年后，数字底盘将采用中央控制方式，通信系统采用内部以太网＋外部5G通信技术，数字底盘驱动能源为纯电动或者纯电－燃料电池。同时，数字底盘的行走系统有望实现离地间隙可调、机身自调平等智能化控制，线控转向系统也会大规模应用，显著提升拖拉机数字底盘的智能化控制功能。

表1 拖拉机数字底盘国内外对比

3 智能农机控制平台技术应用发展前景

智能农机控制平台技术为推动现代农业建设发展提供了强大的技术支持，同时对未来智慧农业发展的方向也会带来一定的影响，因此发展前景非常的广阔。当下正处于“十四五”发展时期，同时也是实现农业农场现代化发展的关键时期，国家发布了一系列政策，为智能化农机控制平台技术研发提供了巨大的发展空间。在大力推动农业现代化发展建设的过程中，通过促进智能化农机控制平台技术应用推广，能够有效解决未来谁来种地的难题，同时成功将广大农民从繁重的体力劳动中解放出来，改变以往“面朝黄土背朝天”的农业生产现状，实现农业种植的精准化、标准化、自动化、规模化生产管理。从当前情况来看，我国智能化农机控制平台技术发展速度在不断提升，在农业机械导航等领域已经取得了显著的成果。比如，如今我国农业已经成功研制出了无人驾驶旋耕机、无人驾驶播种机、无人驾驶插秧机等。在未来，随着平台数据处理分析、智能决策能力的进一步提升，智能化农机控制平台技术将更加智能，并在推动现代化农业发展过程中发挥出更大作用价值。