張居正，王 意，謝東升，俞金金，韓連杰

（揚州大學機械工程學院，江蘇 揚州225127）

0 引言

在農業(yè)勞動力大量轉移的情況下,全國農作物耕種收綜合機械化率由2003年的33.5%提高到2019年的70%，農業(yè)機械化水平達到了一定的高度，無人農場應運而生。無人農場是指勞動力不進入現(xiàn)場的農業(yè)生產條件下，利用物聯(lián)網、大數(shù)據(jù)、機器人的人工智能、5G等新一代信息技術，通過對農用設施、設備進行改造，機械的遠程控制或智能設備與機器人自主決策、自主操作，完成所有農場生產經營任務的一種無人全天候、全過程、全空間的生產作業(yè)模式[1]。伴隨著我國的科技發(fā)展，農具的轉型升級成了必然趨勢。近年來，我國的農場已使用了許多類型的農業(yè)機械，例如，鏵式犁、旋耕機、圓盤耙、深耕機、播種機、聯(lián)合收割機、噴霧器以及秸稈破碎還田機等。這些農機具功能單一，以稻麥耕播階段為例，一般要使用施肥旋耕機、鎮(zhèn)壓機、開溝機和噴桿噴藥機組合使用，拖拉機下地多次，大大影響了作業(yè)時長，不利于爭奪農時，嚴重影響下茬作物的生長。導航無人駕駛技術作為無人農場智能農業(yè)裝備的核心技術，在我國農業(yè)領域應用多傳感器組合定位技術的研究很少，但在工業(yè)、航空、智能交通等領域的相關研究已達到較高水平[2]。將智能化技術與現(xiàn)代農機具相結合成為目前無人農場發(fā)展的關鍵。本文主要介紹基于導航的無人駕駛技術、農機具升降起停關鍵技術和復式作業(yè)技術。

1 基于導航的無人駕駛技術

目前，在除美國GPS、伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)（EU）和俄羅斯全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System）以外的所有定位系統(tǒng)中，我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)已成為世界主流定位系統(tǒng)之一，我國農業(yè)中許多關鍵技術就由北斗和GPS提供技術支持。

1.1 單點定位

單點定位是根據(jù)接收機的觀測數(shù)據(jù)確定接收機位置的一種方法。它只能采用偽距觀測量，可用于一般的車輛和船舶導航定位，也稱為“絕對定位”。定位結果通過衛(wèi)星信號傳送給用戶，而用戶則需要利用手中的GNSS接收機接收并解算得到結果。定位誤差在10 m內。在接收過程當中，可能存在與傳播路徑、接收設備和衛(wèi)星有關的錯誤。利用差分技術，可以完全消除第一類誤差和第二類誤差[3]。

1.2 差分定位

利用差分原理（DGNSS），可在參考站上安裝GNSS接收器以進行觀測。從基站到衛(wèi)星的距離校正可以從基站已知的精確坐標計算出來，基站將實時傳輸這些數(shù)據(jù)。用戶接收機將同時進行GNSS觀測并接收基站發(fā)送的校正數(shù)據(jù)，用于校正定位結果，從而進一步提高定位精度。定位誤差在250 cm以內。采用實時動態(tài)控制（RTK）技術，誤差可控制在10 mm以內。

1.3 角度傳感器

農業(yè)機械導航自動驅動系統(tǒng)需要了解轉角狀態(tài)。目前常用的角度傳感器有機械式和非接觸式兩種[4]。

機械式角度傳感器目前應用較為廣泛，主要由霍爾傳感器及機械部件與數(shù)據(jù)接口組成，目前角度傳感器的安裝主要有平行四邊形與同軸式兩種，一般電機式的北斗導航農機自動駕駛儀主要安裝在自走式的農機上，為了增加農機的適應性，以平行四邊形的角度傳感器應用更為普遍，但這種傳感器對轉向系統(tǒng)的空間提出了一定的要求，主要是平行四邊形機構與車輪及轉向系統(tǒng)容易發(fā)生空間上的干涉，實際安裝時需要不斷調試。對中要求高、適應性差也是同軸式的傳感器仍然面臨的問題。由于機械式角度傳感器的信號來源均為與車輪轉軸的剛性連接，一旦發(fā)生磕碰或拆卸等狀況造成傳感器部件與初始標定狀態(tài)不一致，角度傳感器均需要進行重新校正和標定。機械式角度傳感器可以滿足自動駕駛系統(tǒng)對于車輪轉角的測量要求，但是存在穩(wěn)定性差且易受外界干擾的問題。

非接觸式角度傳感器由MEMS陀螺儀作為主要元件。陀螺儀作為一種對角速率敏感的慣性器件，具有穩(wěn)定性好、磁干擾小、靈敏度高等特點，在性能上呈現(xiàn)出多樣化和穩(wěn)步提高的趨勢。從而為解決傳統(tǒng)角度傳感器在角度測量中存在的缺陷開辟了一條有效、可靠的途徑[5]。在安裝方面，非接觸角傳感器沒有拉桿結構，易于安裝。系統(tǒng)利用卡爾曼濾波器融合單軸陀螺測量的角速度數(shù)據(jù)和運動學模型計算的角度數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對轉動角度和轉動角速度的跟蹤。由于傳感器與車輪轉角只有角速度跟蹤而無絕對的數(shù)值對應關系，因此非接觸式角度傳感器一般安裝后無需調試校正。陀螺儀角度傳感器的運用，極大的提高了車輛前輪轉角測量的精確性和穩(wěn)定性，有效地克服了使用傳統(tǒng)角度傳感器進行轉角測量時的缺陷，為農機自動駕駛系統(tǒng)在多種環(huán)境下的普及使用奠定了基礎，具有廣闊的應用前景。

2 農機具升降起停關鍵技術

拖拉機是農田作業(yè)單元的動力源，了解拖拉機各部件之間的聯(lián)動關系對正確支撐農業(yè)機械、發(fā)揮單元潛力非常重要，與拖拉機性能有著直接的關系，液壓懸掛系統(tǒng)、液壓輸出系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、機械連接件、動力輸出系統(tǒng)、配重系統(tǒng)等[6]。

2.1 液壓懸掛系統(tǒng)

懸掛機構是連接拖拉機和農具的連桿機構，是用液壓動力來提升農具，主要由拉桿、提升桿、拉桿和限位桿組成[7]。液壓懸掛系統(tǒng)在使用中需滿足一定的要求。在使用諸如犁和耙子之類的工具時，限位桿應確保一定程度的運動距離。限位桿的移動量必須根據(jù)農具的作業(yè)形式進行選擇，以確保拖拉機具有良好的機動性與可操作性；使用旋耕機和割草機時，限位桿應保持固定。

2.2 液壓輸出系統(tǒng)

拖拉機液壓輸出系統(tǒng)是為支撐農業(yè)機械的液壓缸和其他壓力源而設計的裝置，它把拖拉機液壓系統(tǒng)的壓力油轉移到農業(yè)機械的液壓缸或液壓馬達上。是用以驅動農機具作業(yè)的工作部件。根據(jù)作業(yè)的需要，有的拖拉機僅用1組液壓輸出裝置操縱農具，有的拖拉機特別是大型拖拉機則設有2～3組液壓輸出裝置。液壓輸出裝置由液壓輸出閥和快換接頭兩部分組成。兩者可做成一體，也可分成獨立的兩部分，彼此用油管相連。

2.3 機械連接件

連接拖拉機與農具的主要部件由機械連接件構成，其中包含拖掛裝置和牽引裝置，二者之間主要不同點在于，牽引裝置只能承受來自水平方向的載荷，而拖掛裝置則可同時承受來自水平方向載荷以及垂直方向的載荷。

2.4 動力輸出系統(tǒng)

一些農具需要拖拉機動力才能通過輸出設備提供專用電源，該輸出設備可以配備獨立的同步雙速或單速功率輸出。一個獨立的動力輸出系統(tǒng)不需要改變變速箱的速度。同步功率輸出系統(tǒng)與變速箱的速度成比例。專用手柄可以切換兩種形式。根據(jù)不同的用戶需求，動力輸出速度可以分為540、720、800、1 000 r/min，其中一種或兩種組合，使用特殊的專用手柄或更換軸頭可以實現(xiàn)速度切換，說明書中提供了特定方法以供參考。根據(jù)國標，當動力輸出軸轉速為540 r/min時，機器動力輸出軸的功率高于最大傳動功率，因此軸傳遞的功率不是發(fā)動機的全功率。因此，使用時必須減小發(fā)動機油門[8]。

2.5 配重系統(tǒng)

拖拉機在正常使用過程中不需要進行負載平衡即可工作分配，對一些負載較大的拖拉機進行牽引或運輸工作時，拖拉機通常會出現(xiàn)前輕后重的不穩(wěn)定狀態(tài)，此時往往需要安裝在拖拉機上才能實現(xiàn)整體平衡，而這種情況在拖拉機上很常見拖拉機工作時，需要在車架重量上安裝配重等工作條件。配重系統(tǒng)能更好地發(fā)揮拖拉機和農具的驅動力，并能根據(jù)不同的農具和工況增減零件。配重不當會對拖拉機產生負面影響，如配重過少會導致輪胎打滑、動力損失、輪胎磨損、油耗增加、生產率降低；超載運行、傳動系壽命縮短、動力損失、輪胎加速磨損、土壤壓實等，燃油消耗增加和生產率降低是配重過大的主要原因。

3 復式作業(yè)技術

如今，我國農村經濟發(fā)展迅速，農業(yè)機械化也進一步普及，但稻米，小麥，玉米等農作物秸稈的有效利用率卻急劇下降。有無數(shù)被廢棄或焚燒的廢棄秸稈,污染了環(huán)境，造成資源浪費,對人們的生活和交通安全都造成了負面影響,而尋找農作物秸稈的出路成為了當下急需解決的問題之一。目前，我國使用的整地機械為單驅動圓盤犁、鏵犁和旋耕機，作業(yè)程序單一，無秸稈掩埋功能，作業(yè)效率低，作業(yè)成本高，田間拖拉機多，易使土壤硬化，從而直接影響農民的耕作效益[9]。同時，播速播深播量調節(jié)、復式作業(yè)等一系列技術措施，高質量施行于各個播種環(huán)節(jié)，才能實現(xiàn)耕播環(huán)節(jié)的精準、高效。

3.1 秸稈深埋技術

我國對旋耕滅茬機的研究起步較晚。目前，我國經過半個多世紀的研發(fā)、生產、制造，形成了集研發(fā)、設計、制造、促銷、售后服務為一體的成熟產業(yè)鏈。中國有100多家旋耕機生產企業(yè)，年產量超過50萬臺[10]。目前，國內的旋耕機大多采用單軸旋耕技術。由于單軸旋耕機轉速低、旋耕深度小，受旋耕機回轉半徑和功率消耗的限制，秸稈不能被粉碎和深埋。耕作深度不能將大量前茬秸稈掩埋在土壤中，導致耕作層中秸稈與土壤的比例高，表層土壤與草類的比例失調，懸空土壤，影響種子發(fā)芽和生長，從而導致產量下降和其他問題，這對于后續(xù)種植增加了極大的困難。旋耕機械以寬幅、高效、深松、水氣一體化、機械電子化、自動化、可持續(xù)發(fā)展為方向是適應旋耕地的需求。當前，隨著中國水稻種植面積的增加和集約化大規(guī)模生產的發(fā)展，有必要研究更廣泛的旋耕機械。同時，為了加厚土壤成熟熱層，提高土壤透氣性，增加持水能力，滿足馬鈴薯和根莖類作物深耕的要求，還必須加快發(fā)展深耕旋耕機[11]。如今溫室大棚技術已經成熟并被普遍投入使用,室內作業(yè)微型高效旋耕機的研發(fā)成為了一大研究熱點。此外，旋耕機應該結合新技術，向智能化定位控制作業(yè)邁進。

3.2 種子定位控深勻播技術

隨著國外中耕作物精量播種的普及，其排種器產生了機械式與氣力式兩個分類。由于機械式對種子的形狀和大小有著嚴格的要求，逐漸被氣動式所取代[12]。螺旋槽輪式播種的應用可提高播種均勻性。同時，精準農業(yè)的發(fā)展，使智能化農機裝備研制速度加快，在播種機上安裝變量施肥播種設備，有效提高產量，并且減少化肥用量。傳統(tǒng)的播種機排種器以排種管為導向，在排種過程中碰撞種子落到地面和排種管，并對其軌跡進行控制，產生種子質量差、種子分布不均、破損、出苗等問題，將這種傳統(tǒng)播種方式轉變?yōu)楦叨瓤烧{的智能播種方式已逐漸成為研究方向[13]。在拖拉機運行時，可以根據(jù)行進速度調節(jié)播種速度，并將播種記錄傳輸?shù)娇刂贫?，記錄播種信息，生成播量速度曲線，為后續(xù)田間大數(shù)據(jù)管理提供決策信息。

3.3 模塊化的高度復式作業(yè)技術

我國人均耕地數(shù)量少，主要以提高單位面積生產能力來保障糧食供給，近年來，隨著農業(yè)生產規(guī)模的不斷擴大，拖拉機單機動力級別正在快速提高，各農機合作社都在發(fā)展高效、聯(lián)合作業(yè)技術。市場要求農業(yè)機械大型化、多功能化，作業(yè)速度提高，輔助工作時間減少，機具的操作和調控實現(xiàn)智能化和自動化，從而提高機組的作業(yè)效率，這正是農業(yè)機械今后的發(fā)展趨勢。農業(yè)機械化新技術、新設備的推廣應用，可以促進農業(yè)生產效率的有效提高。依據(jù)農作物的秸稈還田與耕整地技術的特點進行分析,復式作業(yè)機技術的模塊化技術是將上述裝置通過模塊化組裝在一起,從而達到對結構與性能的優(yōu)化,提高性能,一次完成多道工序作業(yè),提高了整機的有效技術含量[14]。

4 結語

現(xiàn)如今，科技迅猛發(fā)展，智能化農機也進入大眾關注的視線中。我國對智能農業(yè)機械的研究還處在起步階段，與發(fā)達國家相比仍有不小的差距。然而近幾年，在北斗導航系統(tǒng)的加持下，在國家政策的鼓勵下，越來越多的人投身現(xiàn)代農機具的研發(fā)工作中。向全國推廣智能農業(yè)機械將彌補1.78億的農業(yè)勞動缺口，同時釋放大量的農村勞動力，催生出新的產業(yè)用工結構優(yōu)化。