冉軍輝 吳崇友

摘要：國外已將傳感器技術應用于谷物聯(lián)合收獲機械關鍵部件運動監(jiān)測及自動控制、自動導航、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)，大大提高了機械的可靠性及工作效率。國內(nèi)為提高收獲機械自動化及智能化水平，也開始對傳感器技術的應用做多方面的研究。對傳感器技術在國內(nèi)外谷物收獲機械中各個方面具體的應用和研究現(xiàn)狀做了詳細分析、梳理和總結(jié)，并在此基礎上，提出了傳感器技術在農(nóng)業(yè)機械中的發(fā)展方向和重點，以期為我國農(nóng)業(yè)機械智能化技術的研究和發(fā)展提供點滴參考。

關鍵詞：谷物聯(lián)合收獲機;傳感器技術;自動控制;精準農(nóng)業(yè);自動導航

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

根據(jù)國標GB/T 7665—2005《傳感器通用術語》，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)合收割機作為一種復雜的農(nóng)業(yè)機械，通過傳感器技術的應用實現(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，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）的貢獻率超過7%，而中國農(nóng)業(yè)從業(yè)人員為70%，對GDP的貢獻率為10%左右。我國聯(lián)合收割機自動化及智能化水平較低，且工況惡劣，工作時負荷波動大，故障率高。與國外相比，我國稻麥聯(lián)合收割機自動化程度落后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，通過智能化技術提升我國谷物聯(lián)合收割機的可靠性，減少收獲損失，提高作業(yè)質(zhì)量已成為當務之急[6-7]。

1 傳感器技術在國內(nèi)外谷物聯(lián)合收割機中的應用

20世紀70年代，蘇聯(lián)就將傳感器技術應用于收獲損失率監(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械中的應用[7]。如今，傳感器技術在國外被廣泛地應用于谷物流量監(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。英國Massey Ferguson公司的收獲機械裝有自主研發(fā)的農(nóng)田之星系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)機器故障的自動報警，降低了機器故障率，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)合收割機檢測及控制系統(tǒng)顯示屏，該款產(chǎn)品應用了更多的智能技術，該機可通過自動校正技術完成作業(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用很少，基本沒有商品化的產(chǎn)品，但國內(nèi)相關工作人員也在這些方面做了相應研究。

1.1 谷物自動測產(chǎn)

谷物自動測產(chǎn)系統(tǒng)是精細農(nóng)業(yè)關鍵技術之一，也是實施農(nóng)田精細管理的基礎。目前，美國90%以上的聯(lián)合收獲機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)合收割機工作特性、谷物物理特性及兩者之間相互作用機制，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)合收割機的非線性谷物流量模型，經(jīng)測產(chǎn)試驗，當升運器速度穩(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)大學首先對γ射線式和沖量式谷物流量傳感器技術進行了研究，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基礎振動的影響，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，做了沖擊響應試驗[21];胡均萬等設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)構如圖3所示[22]。

1.1.1 沖量式谷物流量傳感器結(jié)構及特點 沖量式谷物流量傳感器的工作原理是基于電阻應變式傳感器的，其結(jié)構如圖4所示。該傳感器安裝在聯(lián)合收割機升運器出口處，當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變片輸出的電阻發(fā)生變化，進而導致傳感器轉(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)合收割機出糧口的谷物流量測量。該傳感器的優(yōu)點是技術成熟、成本較低、使用安全、應用廣泛，但其敏感元件易受收割機振動及外界噪聲、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)構復雜，且安裝調(diào)試困難等缺點。

1.1.2 γ射線式谷物流量傳感器基本結(jié)構及特點 γ射線傳感器由γ射線源和射線檢測裝置構成（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用。

1.1.3 光電容積式谷物流量傳感器基本結(jié)構及特點 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)構如圖6所示。

該傳感器的優(yōu)點是結(jié)構簡單、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)構如圖7所示。

1.2 籽粒損失檢測

損失率是聯(lián)合收割機的一個重要工作性能指標，也是聯(lián)合收割機工作參數(shù)調(diào)整的重要依據(jù)。20世紀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)視儀等構成[26]。此外，約翰迪爾公司生產(chǎn)的JD9660STS型聯(lián)合收獲機、凱斯公司生產(chǎn)的Case2366IH型聯(lián)合收獲機均已配備籽粒損失檢測傳感器，用來監(jiān)測聯(lián)合收獲機收獲中籽粒損失實況。國外主要針對小麥聯(lián)合收割機收獲時清選造成的損失進行監(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，國外學者做了相關研究。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)測技術也進行了研究。李耀明等設計了一套籽粒損失監(jiān)測傳感器標定試驗臺，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，設計了陣列式PVDF傳感器及相應的信號處理電路，傳感器單元結(jié)構如圖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系[34]。李耀明針對聯(lián)合收割機在收獲高產(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)合收割機籽粒夾帶損失進行實時間接監(jiān)測的新方法，他們建立了具體的數(shù)學模型，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，必須使收割機割刀與地表距離保持一致。從20世紀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，日本井關公司的NX3000聯(lián)合收割機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)合收割機磁吸式高度傳感器機構。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，傳感開關接通控制電路，進一步控制液壓系統(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)合收割機觸點式割臺高度傳感機構。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)。該機構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構易磨損、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。楊術明等設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)構如圖11所示[39]。

1.4 故障診斷

目前，國外聯(lián)合收割機均實現(xiàn)了對關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)合收割機故障[41]。久保田公司研發(fā)的PRO208半喂入聯(lián)合收割機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)動機油溫、燃油油位、計時表、部件轉(zhuǎn)速等進行全面監(jiān)測[42]。約翰迪爾、凱斯、紐荷蘭、Fendt、CLASS等公司生產(chǎn)的聯(lián)合收割機上也都裝有故障診斷與自動報警系統(tǒng)，可對收割機關鍵部件的轉(zhuǎn)速、振動、扭矩及溫度等參數(shù)信息進行實時監(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荷狀況，若負荷超過預定值，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)合收割機本身的發(fā)展，使農(nóng)業(yè)機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)絡方法應用在收割機故障診斷中。經(jīng)試驗，此方法可較好地預警聯(lián)合收割機的堵塞故障[44]。Guo等利用超聲波傳感器設計了一套安全報警系統(tǒng)，用來檢測機器周圍移動的物體。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器的相對位置，并當目標接近機械到達一定范圍時，報警裝置自動開啟，及時提醒機器操作者可能存在的危險[45]。陳進等在故障監(jiān)測及診斷方法方面做了大量研究，研發(fā)的設備可通過對聯(lián)合收割機關鍵部件轉(zhuǎn)速信號的瞬時變化趨勢及波動范圍進行分析后判斷出收割機工作狀態(tài)，并采用控制器局域網(wǎng)絡（CAN）通信技術將部件工作參數(shù)及診斷結(jié)果顯示在屏幕上，進而實現(xiàn)故障診斷及報警[46]。

1.5 行走速度自動控制

聯(lián)合收割機行走速度直接影響喂入量以及脫粒滾筒負荷，關系到整機作業(yè)質(zhì)量和效率，很有必要對其進行自動控制[47]。目前，我國對行走速度自動控制還沒有進入實際應用環(huán)節(jié)，國外對行走速度自動控制主要有機-液和電-液2種形式。圖12為機-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，若浮動量超過設定值，則拉絲拉動液流分配閥，行走機構變速器的油缸動作，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，谷物厚度超過設定值時觸點a接通，使電磁閥左線圈閉合，壓力油進入油缸下腔驅(qū)動行走無級變速器變速，使速度降低;喂入量小于標定值時b點接通，電磁閥右線圈閉合，油缸上腔進油，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)構較復雜、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)，保證收割機負荷穩(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)速和機器前進速度的聯(lián)合收割機。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)合收割機行走速度自動控制進行了研究。林偉通過綜合分析傳感器監(jiān)測到的喂入量和機器行走速度的參數(shù)，利用單片機發(fā)出相關控制指令來調(diào)節(jié)速度，進而實現(xiàn)了通過控制行走速度調(diào)節(jié)喂入量[51]。秦云研究了收割機負荷-車速串級自適應控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)具有較強的動態(tài)響應能力[52]。王新等為了實現(xiàn)聯(lián)合收割機作業(yè)速度的合理控制，通過魯棒優(yōu)化設計理論，建立了以收獲損失、收獲質(zhì)量和機械能效利用率為控制目標的收割機作業(yè)速度的最優(yōu)控制模型[53]。

1.6 方向自動控制

自動導航已成為農(nóng)機發(fā)展的必然趨勢，也是實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)的基礎[54-55]。目前，日本半喂入水稻聯(lián)合收割機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通過控制機構，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]。國外相關導航產(chǎn)品主要有美國Trimble公司的Autopilot系統(tǒng)、John Deer的Auto Trac系統(tǒng)、日本的拓普康導航系統(tǒng)以及加拿大Heimisphere的導航系統(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)星的自動導航系統(tǒng)在駕駛室中的顯示界面，該系統(tǒng)導航精度也較高。

自動導航是由一個復雜的系統(tǒng)完成的，它包括機械、電子、算法等眾多學科。國內(nèi)外對農(nóng)業(yè)機械自動導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)機模型與導航路徑控制方法等[58]。由于普通的全球定位系統(tǒng)（GPS）定位精度為10 m左右，達不到農(nóng)機定位要求，因此農(nóng)機導航目前普遍應用精度可達厘米級的載波相位差分技術（RTK）-GPS系統(tǒng)[59]。Gan-Mor等研發(fā)了一套基于RTK-GPS的導航系統(tǒng)，該系統(tǒng)可為GPS提供穩(wěn)定的基準站，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年北海道大學研發(fā)了RTK-GPS與慣性測量元件（IMU）結(jié)合使用的自動導航系統(tǒng)，該系統(tǒng)可補償由車輛姿勢導致的定位誤差[61]。羅錫文等根據(jù)RTK-DGPS的定位數(shù)據(jù)，開發(fā)了基于PID算法的自動導航系統(tǒng)，當機器速度在 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航方法，例如應用激光識別技術、視覺識別技術等實現(xiàn)導航。Shen等研究了一種基于激光作物行傳感器的農(nóng)機自動導航系統(tǒng)，它由1個激光位移傳感器和1個馬達驅(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傳感器技術研發(fā)出了一套導航系統(tǒng)，該系統(tǒng)識別作物后可自動繪制田間作物分布圖，指導機器定位;試驗結(jié)果表明，利用低分辨率的FX6激光雷達傳感器就可實現(xiàn)高精度定位[64]。

2 總結(jié)

歐美國家、日本等發(fā)達國家智能農(nóng)業(yè)機械技術已經(jīng)基本成熟，應用成效顯著，帶動農(nóng)業(yè)機械向精準、高效方向發(fā)展。國內(nèi)農(nóng)業(yè)機械自動化及智能化程度普遍較低，國產(chǎn)谷物收割機大都沒有配備關鍵部件智能監(jiān)測系統(tǒng)及自動控制設備，但在收割機收獲損失監(jiān)測、自動測產(chǎn)及喂入量自動控制等方面正進行大量研究。智能谷物聯(lián)合收割機優(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)、自動導航控制系統(tǒng)等一系列智能化設備，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、高效。

（2）勞動強度低、作業(yè)效率高。智能谷物聯(lián)合收割機根據(jù)作業(yè)的具體環(huán)境對工作參數(shù)進行自動檢測和控制，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)對象的變化進行自動調(diào)節(jié)工作參數(shù)，使機器始終處于最佳的工作狀態(tài)，因此機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。通過收割機部件的模塊化設計和標準接口，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，構建不同功能的收割機。通過智能化技術，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)一機多用，提高機具利用率。

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，因此今后也應在割臺仿形控制技術以及清選風機智能調(diào)速、篩片開度自動調(diào)節(jié)技術等方面加強研究。

3.2 自動導航

利用導航技術可減少重復作業(yè)區(qū)，提高農(nóng)業(yè)機械的田間作業(yè)質(zhì)量和效率，降低駕駛員勞動強度，實現(xiàn)遠程控制和農(nóng)機物聯(lián)網(wǎng)的建設。因此自動導航技術將成為聯(lián)合收割機必備的普遍應用的重要技術。

3.3 傳感器本身

為了適應農(nóng)機復雜的作業(yè)環(huán)境，傳感器技術也將全面發(fā)展。首先，為了滿足農(nóng)機長時間、遠距離作業(yè)，開發(fā)基于壓電效應、熱電效應、光電動勢效應構成的無源傳感器顯得格外重要;其次，為了適應農(nóng)機復雜的作業(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)合收割機智能化發(fā)展

優(yōu)質(zhì)高效、智能舒適將是聯(lián)合收割機的總體發(fā)展目標，以傳感器技術為基礎的智能化技術是其核心與關鍵，建議統(tǒng)籌布局，重點研發(fā)，促進聯(lián)合收獲機技術升級和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

參考文獻：

[1]熊迎軍，周 俊，韋 瑋. 嵌入式谷物流量傳感器設計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2018，34（5）：39-46.

[2]王新嵐. 淺談傳感器在農(nóng)業(yè)機械中的重要性[J]. 農(nóng)業(yè)技術與裝備，2016（4）：21-23.

[3]梁學修. 聯(lián)合收割機自動監(jiān)測系統(tǒng)研究[D]. 北京：中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院，2013.

[4]劉 基，金誠謙，梁蘇寧，等. 大豆機械收獲損失的研究現(xiàn)狀[J]. 農(nóng)機化研究，2017（7）：1-9，15.

[5]吳崇友，王積軍，廖慶喜，等. 油菜生產(chǎn)現(xiàn)狀與問題分析[J]. 中國農(nóng)機化學報，2017，38（1）：124-131.

[6]羅錫文，廖 娟，鄒湘軍，等. 信息技術提升農(nóng)業(yè)機械化水平[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2016，32（20）：1-14.

[7]吳 瓊. 傳感器在農(nóng)業(yè)機械上的應用[J]. 現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，1996（2）：29-30.

[8]Coena T，Saeysa W，Missottenb B，et al. Cruise control on a combine harvester using model-based predictive control[J]. Biosystems Engineering，2008，106（2）：47-55.

[9]Earl R，Wheeler P N，Blackmore B S，et al. Precision farming the management of variability[J]. Landwards，2002，51（4）：18-23.

[10]Reyns P，Missotten B，Ramon H. A review of combine sensors for precision farming[J]. Precision Agriculture，2002，3（2）：169-182.

[11]Arslan S，Inanc F，Gray J N，et al. Grain flow measurements with X-ray techniques[J]. Computers and Electronics in Agriculture，2000，26（200）：65-80.

[12]Moore M. An investigation into the accuracy of yield maps and their subsequent use in crop management[D]. England，Granfield，Bedfordshire：Cranfield University，1998.

[13]陳樹人，張文革，李相平，等. 沖量式谷物流量傳感器性能實驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2005，36（2）：82-84.

[14]周 俊. 沖量式谷物質(zhì)量流量傳感器及智能測產(chǎn)技術研究[D]. 上海：上海交通大學，2005：12-13.

[15]李新成. 谷物聯(lián)合收割機產(chǎn)量檢測系統(tǒng)優(yōu)化及遠程數(shù)據(jù)開發(fā)[D]. 北京：中國農(nóng)業(yè)大學，2015.

[16]Reinke R. Self-calibrating mass flow sensor[D]. Urbana：University of Illionois at Urbana-Champaign，2010：1-5.

[17]Reinke R，Dankowicz H，Phelan J，et al. A dynamic grain flow model for a mass flow yield sensor on a combine[J]. Precision Agriculture，2011，12（5）：732-749.

[18]Shoji K，Itoh H，Kawanura T. In-situ non-liner calibration of grain-yield sensor-optimization of parameters for flow rate of grain vs.force on the sensor[J]. Engineering in Agriculture，Environment and food，2009，2（3）：78-82.

[19]Shoji K，Miyamoto M.Improving the accuracy of estimating grain weight by discriminating each grain impact on the yield sensor[J]. Precision Agriculture，2014，15（1）：31-43.

[20]張惠莉. 面向康拜因收獲過程的谷物流量在線實時監(jiān)測方法的研究[D]. 北京：中國農(nóng)業(yè)大學，2002：1-10.

[21]周 俊，周國祥，苗玉彬，等. 懸臂梁沖量式谷物質(zhì)量流量傳感器阻尼設計[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2005，36（11）：121-123，127.

[22]胡均萬，羅錫文，阮 歡，等. 雙板差分沖量式谷物流量傳感器設計[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2009，40（4）：69-72.

[23]陳巡洲. 沖量式谷物流量傳感器研究[D]. 上海：上海交通大學，2009：1-77.

[24]馬朝興，李耀明，徐立章. 聯(lián)合收割機谷物流量傳感器的現(xiàn)狀與分析[J]. 農(nóng)機化研究，2008（7）：74-76.

[25]李明環(huán)，徐 踐，張 娜. 兩種谷物質(zhì)量流量傳感器的適用性研究[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2018（6）：162-163.

[26]周賀龍. 谷物聯(lián)合收獲清選損失監(jiān)測系統(tǒng)研究[D]. 楊凌：西北農(nóng)林科技大學，2010：1-46.

[27]Steinhagen B W，Hubner R，Damm W. Sensor for harvesting machines：US6146268[P]. 2000-11-14.

[28]Dickhans N.Automatic steering mechanism and method for harvesting machine：us6101795[P]. United States Patent，1998-12-06.

[29]李俊峰. 聯(lián)合收割機谷物損失傳感器結(jié)構改進及其實驗室標定[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2006（11）：10-13.

[30]TeeJet corporation.Operators manual & fitting instructions for the LH765 grain loss monitor[Z]. No.020-765-UK Version 2.00.

[31]Bernhardt P，Huebner D.Method of determining the loss in agricultural machines：EP20020026556[P]. 2003-06-23.

[32]李耀明，梁振偉，趙 湛，等. 聯(lián)合收獲機籽粒損失監(jiān)測傳感器性能標定試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2012，43（增刊1）：79-83.

[33]周利明，張小超，劉陽春，等. 聯(lián)合收獲機谷物損失測量PVDF陣列傳感器設計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2010，41（6）：167-171.

[34]梁振偉，李耀明，趙 湛，等. 基于模態(tài)分析的聯(lián)合收獲機籽粒損失監(jiān)測傳感器結(jié)構優(yōu)化與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2013，29（4）：22-29.

[35]李耀明. 縱軸流聯(lián)合收割機籽粒夾帶損失監(jiān)測方法及傳感器研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2014，30（3）：18-26.

[36]Jim K，Krutz G W，Huggins L F.Computer controls for the machine[J]. Agricultural Engineering，1983，64（2）：7-9.

[37]楊銀輝. 基于超聲波傳感器的割臺高度自動控制系統(tǒng)研究[D]. 楊凌：西北農(nóng)林科技大學，2007.

[38]楊術明，楊 青，楊銀輝，等. 基于超聲波傳感器的割臺高度控制系統(tǒng)設計[J]. 農(nóng)機化研究，2008（3）：134-136，156.

[39]王 熙，王新忠. 收獲機割臺高度無觸點式傳感器[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2001，32（1）：122-123.

[40]王 剛，吳崇友，伍德林. 我國通用型聯(lián)合收割機現(xiàn)狀與發(fā)展思考[J]. 中國農(nóng)機化學報，2013，34（6）：6-8，26.

[41]吳清分. Fendt公司C系列新型聯(lián)合收割機[J]. 農(nóng)業(yè)工程，2013，3（2）：107-111.

[42]季圓圓. 基于觸摸屏的谷物聯(lián)合收割機智能控制系統(tǒng)的研究[D]. 鎮(zhèn)江：江蘇大學，2014.

[43]Craessaerts G，de Baerdemaeker J，Saeys W. Fault diagnostic systems for agricultural machinery[J]. Biosystems Engineering，2010，106（1）：26-36.

[44]Chen J，Huang Z G. Research of multi-signal detecting method and the auto-alarm system on combine harvester[C]//Proceedings of 2008 international conference on informationization，automation and electrification in agriculture.2008：322-326.

[45]Guo L，Zhang Q，Han S. Agricultural machinery safety alert system using ultrasonic sensors[J]. Journal of Agricultural Safety and Health，2002，8（4）：385-396.

[46]陳 進，呂世杰，李耀明，等. 基于PLC的聯(lián)合收獲機作業(yè)流程故障診斷方法研究[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報，2011，42（增刊1）：112-116，121.

[47]庹朝永. 聯(lián)合收割機行走速度分析及控制系統(tǒng)設計[J]. 農(nóng)機化研究，2011（8）：97-100.

[48]劉江華. 撥禾輪轉(zhuǎn)速自動控制系統(tǒng)設計[D]. 楊凌：西北農(nóng)林科技大學，2007.

[49]Maertens K，De Baerdemaeker J. Design of a virtual combine harvester[J]. Mathematics and Computers in Simulation，2004，65（1/2）：49-57.

[50]趙永滿，王維新. 國外農(nóng)業(yè)機械化的現(xiàn)狀及發(fā)展態(tài)勢[J]. 農(nóng)機化研究，2005（4）：10-12.

[51]林 偉. 基于喂入量的聯(lián)合收割機速度自動控制系統(tǒng)研究[D]. 楊凌：西北農(nóng)林科技大學，2009.

[52]秦 云. 聯(lián)合收割機負荷控制系統(tǒng)研究[D]. 鎮(zhèn)江：江蘇大學，2012.

[53]王 新，付 函，王書茂，等. 收割機作業(yè)速度多目標控制模型的魯棒優(yōu)化設計[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2012，28（20）：27-33.

[54]劉兆朋，張智剛，羅錫文，等. 雷沃ZP9500高地隙噴霧機的GNSS自動導航作業(yè)系統(tǒng)設計[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2018，34（1）：15-21.

[55]吉輝利，王 熙. 農(nóng)機衛(wèi)星定位導航精度評估方法研究[J]. 農(nóng)機化研究，2016（11）：242-245，262.

[56]吳清分. CLAAS公司LEXION600系列聯(lián)合收割機[J]. 農(nóng)業(yè)工程，2011，2（11）：63-67.

[57]劉 輝. 農(nóng)機自動導航系統(tǒng)作業(yè)精度評價方法研究與試驗驗證[D]. 泰安：山東農(nóng)業(yè)大學，2017.

[58]胡靜濤，高 雷，白曉平，等. 農(nóng)業(yè)機械自動導航技術研究進展[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2015，31（10）：1-10.

[59]Robati J，Navid H，Rezaei M. Automatic guidance of an agricultural tractor along with the side shift control of the attached crop cultivator[J]. Journal of Agricultural Science and Technology，2012，2（1）：151-158.

[60]Gan-Mor S，Clark R L，Upchurch B L. Implement lateral position accuracy under RTK-GPS tractor guidance[J]. Computers and Electronics in Agriculture，2007，59（1/2）：31-38.

[61]Yang L L. Development of a robot tractor implemented an omni-directional safety system[D]. Sapporo：Hokkaido University，2013.

[62]羅錫文，張智剛，趙祚喜，等. 東方紅X-804拖拉機的DGPS自動導航控制系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2009，25（11）：139-145.

[63]Shen B，Satow T，Hironaka K. Development of laser crop sensor for automatic guidance system of tractor-mounted implements[J]. Journal of the Japanese Society of Agricultural Machinery，2008，70（6）：90-96.

[64]Weiss U，Biber P. Plant detection and mapping for agricultural robots using a 3D LIDAR sensor[J]. Robotics and Autonomous Systems，2011（59）：265-273.