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1、第六章智能化农业机械装备技术第六章智能化农业机械装备技术n n1 1 具有测产功能的谷物联合收获机具有测产功能的谷物联合收获机n n传统田间测产方法：传统田间测产方法：n n单产量单产量= =总产量总产量/ /地块亩数。地块亩数。n n精细农业田间测产方法：精细农业田间测产方法：n n单单产产量量= =（谷谷物物质质量量流流量量- -水水分分含含量量+ +损损失失量量）/ /（收割机行驶速度（收割机行驶速度割幅宽度）。割幅宽度）。结构原理结构原理n n1 DGPS1 DGPS接受装置接受装置 2 GPS2 GPS接受装置接受装置 3 3 谷物湿度测谷物湿度测量量 4 4 谷物速度测量谷物速度测
2、量 5 5 谷物体积流量测量谷物体积流量测量 6 6 谷谷物损失测量物损失测量 7 7 转向角度测量转向角度测量 8 8 距离距离/ /速度测量速度测量 9 9 割幅测量割幅测量2 2 谷物联合收获机产量传感器和部件谷物联合收获机产量传感器和部件（1）谷粒流量传感器）谷粒流量传感器n n（2 2）谷粒湿度传感器）谷粒湿度传感器n n（3 3）行驶速度传感器）行驶速度传感器n n（4 4）收割台提升位置传感器）收割台提升位置传感器n n（5 5）电子监控显示器）电子监控显示器n n（6 6）GPSGPS全球卫星定位系统全球卫星定位系统3 3 产量图的形成产量图的形成4支持精支持精细农细农作作变变
3、量量处处方方农业农业机械机械智能化农业机械智能化农业机械IAM（Intelligence Agricultural Machine，或称智能控制系统下的农机具，或称智能控制系统下的农机具，ICS农农机，机，Intelligence Control System）支持支持“精细农业精细农业”的智能化农业机械：的智能化农业机械：收获机械产量监示器与产量图自动生成系统，如自收获机械产量监示器与产量图自动生成系统，如自动控制精度平地机动控制精度平地机自动控制实现精密播种自动控制实现精密播种精细施肥精细施肥精细施药精细施药精细灌溉精细灌溉n n精细变量施肥机精细变量施肥机 装备有装备有GPSGPS的施肥
4、机的施肥机n n 精确变量干粉混合施肥机精确变量干粉混合施肥机精确变量干粉混合施肥机精确变量干粉混合施肥机n n1 1 1 1 微处理器微处理器微处理器微处理器 2 2 2 2 田间地图田间地图田间地图田间地图 3 3 3 3 电液阀电液阀电液阀电液阀 4 4 4 4 商品肥料斗商品肥料斗商品肥料斗商品肥料斗 5 5 5 5 计量轮计量轮计量轮计量轮 n n6 6 6 6 输输输输送送送送链链链链 7 7 7 7混混混混合合合合搅搅搅搅轮轮轮轮8 8 8 8 注注注注入入入入泵泵泵泵 9 9 9 9 微微微微肥肥肥肥斗斗斗斗 10 10 10 10 水水水水平平平平搅搅搅搅轮轮轮轮111111
5、11竖竖竖竖直直直直搅搅搅搅轮轮轮轮12 12 12 12 刮刮刮刮（浆浆浆浆）板板板板 13 13 13 13 分分分分配配配配头头头头 14 14 14 14 输输输输送送送送管管管管 15 15 15 15 文文文文丘丘丘丘里里里里管管管管 16 16 16 16 鼓鼓鼓鼓风风风风机机机机 17 17 17 17 空气多路歧管空气多路歧管空气多路歧管空气多路歧管 18 18 18 18 杆管杆管杆管杆管 19 19 19 19 喷嘴喷嘴喷嘴喷嘴- - - -反射管反射管反射管反射管n n装备有装备有GPS的自动喷药机械的自动喷药机械n n流量及雾滴大小调节的变压控制器流量及雾滴大小调节的
6、变压控制器n n基于区域传感器的精确田间虫害控制基于区域传感器的精确田间虫害控制n n 系统概念示意图系统概念示意图流量及雾滴大小调节的变压控制器流量及雾滴大小调节的变压控制器n n喷杆与摄像机的安装喷杆与摄像机的安装n n田间图像与控制响应实例田间图像与控制响应实例n n图中水平线以上是处理过的图像部分，喷杆上图中水平线以上是处理过的图像部分，喷杆上12个喷嘴用标有数字的个喷嘴用标有数字的LED表示，当表示，当LED亮，相应亮，相应的喷嘴动作的喷嘴动作n n 变量播种机变量播种机n n精密播种机示意图精密播种机示意图 精细灌溉设备精细灌溉设备n n电电子子学学用用于于农农业业机机械械装装备备
7、的的技技术术创创新新，可可概概括括为为如下如下5个基本个基本领领域域：n n（1）提提高高机机器器作作业业的的技技术术性性能能:过过程程监监视视、控控制制、诊诊断和通信。断和通信。n n（2）实实现现节节本本增增效效和和利利于于改改善善生生态态环环境境的的农农作作:节约节约物物资资、能源消耗，降低作、能源消耗，降低作业业成本成本n n以及减少以及减少对对土壤、水体和土壤、水体和动动植物的植物的污污染。染。n n（3）过过程程的的精精确确操操作作:及及时时获获取取过过程程信信息息，精精确确执执行行过过程控制指令。程控制指令。n n（4）改改善善劳劳动动者者的的操操作作条条件件:良良好好的的人人机
8、机接接口口，操作方便性。安全性和舒适性。操作方便性。安全性和舒适性。n n（5）开开发发基基于于卫卫星星定定位位系系统统实实施施精精细细农农作作的的智智能能控控制制农农业业机机械械，支支持持农农田田作作业业的的科科学学管管理理决决策策等。等。5国外农业机械智能化简况国外农业机械智能化简况n n 近几年来，一些发达国家不断将高近几年来，一些发达国家不断将高新技术应用到农业机械上，使农业机械新技术应用到农业机械上，使农业机械向智能化方向发展。向智能化方向发展。（1 1）耕作机械智能化）耕作机械智能化n n 美国东伦敦综合技术学院土地管理系研制美国东伦敦综合技术学院土地管理系研制成功一种激光拖拉机。
9、利用计算机系统导航装成功一种激光拖拉机。利用计算机系统导航装置，不仅能够准确无误地测定其所在位置及运置，不仅能够准确无误地测定其所在位置及运行方向，使误差不超过行方向，使误差不超过25厘米，而且能够根据厘米，而且能够根据送入农场计算中心的电子图表，查找出该处土送入农场计算中心的电子图表，查找出该处土地的湿度、化学成分、排水沟位置和其它一些地的湿度、化学成分、排水沟位置和其它一些特点：准确计算出最佳种植方案要，所需种子、特点：准确计算出最佳种植方案要，所需种子、肥料和农药数量等。一人在室内荧屏前可操纵肥料和农药数量等。一人在室内荧屏前可操纵多台激光拖拉机进行耕作，耕作速度快，且可多台激光拖拉机进
10、行耕作，耕作速度快，且可减少种子、肥料和农药消耗，节约生产成本减少种子、肥料和农药消耗，节约生产成本50%，提高作物产量，提高作物产量20%。（2 2）收获机械智能化收获机械智能化n n n n美国农场装备制造商卫西美国农场装备制造商卫西弗格森，在联合弗格森，在联合收割机上安装了一种产量计量器，能在收收割机上安装了一种产量计量器，能在收割作物的同时，准确收集有关产量的资料，割作物的同时，准确收集有关产量的资料，并绘成各个田块的产量分布图。农场主可并绘成各个田块的产量分布图。农场主可以利用这种产量分布图，来确定下一季的以利用这种产量分布图，来确定下一季的种植计划以及种子、化肥和农药在不同田种植计
11、划以及种子、化肥和农药在不同田块的使用量。块的使用量。（3 3）灌溉机械智能化）灌溉机械智能化n n美国内布拉斯加州的瓦尔蒙特工业股分有限公美国内布拉斯加州的瓦尔蒙特工业股分有限公司和司和ARS公司开发出一种可实现农田自动灌溉公司开发出一种可实现农田自动灌溉的红外湿度计。该仪器被安装在环绕着农田的的红外湿度计。该仪器被安装在环绕着农田的灌溉系统上后，可每灌溉系统上后，可每6秒钟读取一次植物叶面秒钟读取一次植物叶面湿度。当植物需水时，它会通过计算机发出灌湿度。当植物需水时，它会通过计算机发出灌溉指令，及时向农田灌水。溉指令，及时向农田灌水。（4 4）施药机械智能化）施药机械智能化n n 澳大利亚
12、推出一种能识别莠草的喷雾器。它澳大利亚推出一种能识别莠草的喷雾器。它在田间移动时，能借助专门的电子传感跑龙套，在田间移动时，能借助专门的电子传感跑龙套，来区分庄稼和杂草，而只有当发现莠草时，才喷来区分庄稼和杂草，而只有当发现莠草时，才喷出除莠剂。这样，花费的除莠剂只有常规除草的出除莠剂。这样，花费的除莠剂只有常规除草的1/10，减轻了对环境的污染。，减轻了对环境的污染。（5 5）挖土机械智能化）挖土机械智能化n n 美国匹兹堡一家公司研制成功美国匹兹堡一家公司研制成功一种超声波挖土机，在埋有电缆和一种超声波挖土机，在埋有电缆和管道的地方挖土时，可避免将电缆管道的地方挖土时，可避免将电缆和管道挖
13、坏。这种新型挖土机，使和管道挖坏。这种新型挖土机，使用超声波喷气流破碎土壤，然后用用超声波喷气流破碎土壤，然后用真空装置将土吸走，不会对电缆和真空装置将土吸走，不会对电缆和管道造成损害。管道造成损害。（6 6）放牧机械智能化）放牧机械智能化n n 英国科学家设计出一种可代替人或英国科学家设计出一种可代替人或犬放牧羊群的牧羊机器狗。它备有一架犬放牧羊群的牧羊机器狗。它备有一架摄像机和一台计算机，可对羊群移动的摄像机和一台计算机，可对羊群移动的情况进行分析。如果羊群显得不安定的情况进行分析。如果羊群显得不安定的话，其队形、速度和移动状况就会反映话，其队形、速度和移动状况就会反映出来，牧羊机器狗便会
14、在羊群移动，直出来，牧羊机器狗便会在羊群移动，直到羊群安定下来。羊群不会受到惊扰。到羊群安定下来。羊群不会受到惊扰。（7 7）采摘机器智能化）采摘机器智能化n n 法国科学家开发的摘苹果机器人，法国科学家开发的摘苹果机器人，能辨别出苹果是否成熟。摘一只苹果能辨别出苹果是否成熟。摘一只苹果仅需仅需6秒钟，为人工采摘时间的一半。秒钟，为人工采摘时间的一半。美国一家公司发明的一种采蘑菇的机美国一家公司发明的一种采蘑菇的机器人，可按设定的蘑菇伞最小直很进器人，可按设定的蘑菇伞最小直很进行采摘，平均每行采摘，平均每6秒钟采摘一个蘑菇，秒钟采摘一个蘑菇，且不会使蘑菇受损。且不会使蘑菇受损。6 6 精细农业
15、的实施与农业机械智能化精细农业的实施与农业机械智能化n n农业的可持续发展要求实施精细农业。生态效农业的可持续发展要求实施精细农业。生态效益、环境效益、经济效益与社会效益的统一，在益、环境效益、经济效益与社会效益的统一，在推进精细农业时才会更明显。先进的农业生产技推进精细农业时才会更明显。先进的农业生产技术对农业机械提出了更高要求，农业机械的发展术对农业机械提出了更高要求，农业机械的发展会促进农业技术层次的提高。实施精细农业和途会促进农业技术层次的提高。实施精细农业和途径是发展智能化的农业机械。径是发展智能化的农业机械。智能农业机械系统的组成智能农业机械系统的组成 n n A A 智能化农业机
16、械的特点：智能化农业机械的特点： n n (1)(1)提高机器作业的技术性能过程监视、控制、提高机器作业的技术性能过程监视、控制、诊断和通信。诊断和通信。 n n (2)(2)实现节本增效和利于改善生态环境的农作。实现节本增效和利于改善生态环境的农作。包括节约物资、降低作业成本和能源消耗，以及包括节约物资、降低作业成本和能源消耗，以及减少对土壤、水体和动植物的污染。减少对土壤、水体和动植物的污染。 n n (3)(3)过程的精细操作。包括及时获取过程信息过程的精细操作。包括及时获取过程信息和精细执行过程控制指令。和精细执行过程控制指令。 n n (4)(4)改善劳功者的操作条件包括良好的人机接
17、改善劳功者的操作条件包括良好的人机接口以及操作方便性、文全性和舒适性。口以及操作方便性、文全性和舒适性。 n n (5)(5)开发基于卫星定位系统实施精细农作的智开发基于卫星定位系统实施精细农作的智能控制农业机械，支持农田作业的科学管理决策能控制农业机械，支持农田作业的科学管理决策等。等。 n nB B 基于精细农业思想的农业机械智能化基于精细农业思想的农业机械智能化 n nn n迄今支持精细农作的若干重要农业机械，迄今支持精细农作的若干重要农业机械，如带产量图自动生成的用于小麦、玉米和大如带产量图自动生成的用于小麦、玉米和大豆收获的谷物联合收割机，实施变量处方农豆收获的谷物联合收割机，实施变
18、量处方农作的谷物精密播种机、施肥机、施药机和灌作的谷物精密播种机、施肥机、施药机和灌溉设备在国外都已有若干类型的商品化产品，溉设备在国外都已有若干类型的商品化产品，但仍需继续完善并扩大到更多的农机作业应但仍需继续完善并扩大到更多的农机作业应用领域。今后，实施精细农业和发展智能化用领域。今后，实施精细农业和发展智能化农业机械主要包括以下方面：农业机械主要包括以下方面：n n n n (1) (1)用于与作物收获机械配套的产量传感技用于与作物收获机械配套的产量传感技术与带产量图白动生成系统软件的开发。术与带产量图白动生成系统软件的开发。 n n (2)(2)大中型拖拉机和自走型农业机械智能化大中型
19、拖拉机和自走型农业机械智能化技术状态实时诊断、监控与显示装置的开发。技术状态实时诊断、监控与显示装置的开发。 n n (3)(3)实施定位处方农作和控制的施肥、施药、实施定位处方农作和控制的施肥、施药、浇水、精播和栽植的移动作业机械的研究。浇水、精播和栽植的移动作业机械的研究。 n n(4)自走式农田土壤、病虫草害和作物苗情自走式农田土壤、病虫草害和作物苗情定位信息采集机械装备的开发研究。定位信息采集机械装备的开发研究。n n(5)(5)农机作业信息高效处理、存储、传输、农机作业信息高效处理、存储、传输、通信技术及其总线与接口的标准化。通信技术及其总线与接口的标准化。n n (6)CPS (6
20、)CPS、GISGIS有关技术国产化、产业化和用于有关技术国产化、产业化和用于支持农业机械社会化服务的规划、组织、调度与支持农业机械社会化服务的规划、组织、调度与辅助管理决策支持系统和农业机械田问导航、作辅助管理决策支持系统和农业机械田问导航、作业面积计量、引导定位作业和空间数据定位采样业面积计量、引导定位作业和空间数据定位采样中的应用及软件开发。中的应用及软件开发。 n n (7)(7)采用上述智能化联合收割机支持采用上述智能化联合收割机支持 易地收易地收割割 ，实施机群科学调度与管理的技术经济效果，实施机群科学调度与管理的技术经济效果研究，以及在引进技术消化吸收基础上，加快国研究，以及在引
21、进技术消化吸收基础上，加快国产联合收割机的智能化装备技术的自主开发。产联合收割机的智能化装备技术的自主开发。 n n(8)研究试验带研究试验带GPS接收机的智能化节水灌溉接收机的智能化节水灌溉机械、植保机械和播种机械，尽快形成国产化的机械、植保机械和播种机械，尽快形成国产化的自主产品，为农机社会化服务体系提供新一代技自主产品，为农机社会化服务体系提供新一代技术装备。术装备。n n 农业工程农业工程21世纪的发展重点是农业的人工智世纪的发展重点是农业的人工智能化和各种农业机器智能化系统的不断涌现。农能化和各种农业机器智能化系统的不断涌现。农业智能化技术的应用将直接推动农业机械向智能业智能化技术的
22、应用将直接推动农业机械向智能化、自动化方向发展。化、自动化方向发展。精细农作精细农作应用实践可根应用实践可根据不同国家、不同地区的社会和经济条件，围绕据不同国家、不同地区的社会和经济条件，围绕提高生产、节本增效和保护环境的目标，采用不提高生产、节本增效和保护环境的目标，采用不同的技术组装方式，逐步提高作物生产管理的科同的技术组装方式，逐步提高作物生产管理的科学化与精细化水平。其中，建立一个完整的精细学化与精细化水平。其中，建立一个完整的精细农作技术体系需要有多种技术知识和先进技术装农作技术体系需要有多种技术知识和先进技术装备的集成支持。这为农业机械工程师提供了进行备的集成支持。这为农业机械工程
23、师提供了进行技术创新的机遇。技术创新的机遇。n nC C 智能化的农业机械系统智能化的农业机械系统 n n为了规范农业生产过程，农业机械采用智能化为了规范农业生产过程，农业机械采用智能化技术，以减少人为因素干扰。农业机械智能化系技术，以减少人为因素干扰。农业机械智能化系统主要由统主要由3 3部分组成：信息采集系统、决策判断部分组成：信息采集系统、决策判断系统和执行系统。利用各类传感器采集环境信息系统和执行系统。利用各类传感器采集环境信息或作物信息，决策系统首先要输入关于农艺、土或作物信息，决策系统首先要输入关于农艺、土壤、植株、管理等方面的数据，作为判断的依据。壤、植株、管理等方面的数据，作为判断的依据。实时信息输入后，经过处理作出决策，传输到执实时信息输入后，经过处理作出决策，传输到执行机构行机构( (如图如图1 1所示所示) )，实时数据输入智能化农业，实时数据输入智能化农业机械系统中。智能化农业机械完全依靠客观数据机械系统中。智能化农业机械完全依靠客观数据来作决策和动作，避免了由于人的判断能力和不来作决策和动作，避免了由于人的判断能力和不同操作水平而带来的差异，也可减轻操作人员由同操作水平而带来的差异，也可减轻操作人员由于疲劳而带来的判断失误，这一点对于果蔬采摘于疲劳而带来的判断失误，这一点对于果蔬采摘和分级特别有意义。和分级特别有意义。
