研究用于农业机械的智能耕作机

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1、 研究用于农业机械的智能系统云南农业大学 工程技术学院摘要31发展现状32.系统工作原理42.1GPS系统42.2 地理信息系统GIS62.3GPS和GIS平台的综合应用72.3.1 信息检索查询72.3.2 多媒体信息输出72.3.3 周边情况查询72.3.4 决策及事件响应82.3.5指挥监控调度跟踪82.3.6导航/路径计算82.4 自动驾驶仪工作原理82.5 遥感系统92.6 遥测遥控系统102.7 程序控制部分112.8 自动反馈系统122.9 智能控制系统123.科学依据和意义124.研究意义145. 结论与展望146参考文献15摘要研究用于农业生产的智能耕作机械操作系统，利用GI

2、S系统和GPS系统对智能化无人耕作机进行控制。靠程序控制装置操纵实现自动耕地，包括自动驾驶仪、程序控制系统、遥控与遥测系统、自动导航系统、自动反馈系统，路障检测系统，应急警报系统。应用该系统能对不同土质进行高效，节能的作业，设计灵活,可实现不同意义的使用,同时具有低功耗、高性能、智能化等优点。在传统机械的基础上，增加智能控制装置代替人工操作。提高耕地效率，减轻劳动强度。为今后智能耕作机能精确高效作业，符合不同作物种植的农艺要求提供理论。关键词：智能耕作机; GIS ; GPS; 遥测系统; 自动反馈系统 1发展现状近年来先进的制造技术、新材料的涌现，电子技术、通讯技术等的进步，电子监控、液压和

3、自动控制等技术在耕作机械上得到了广泛的应用。为农业机械带来了新的技术变革，推动了农业机械向智能化自动化方向发展。有关农业的智能化技术研究在不断增多，其中研究和应用得最多的是GIS 、 GPS、计算机视觉、图像处理系统等。此外，神经网络系统、决策支持系统也在农业生产方面得到了一定应用。现代化农业除要求农业机械性能稳定工作可靠操纵方便灵活等基本特点外还应使作业过程达到半自动化,自动化并具有运行状态监测故障自诊及其自动报警功能，以便能及时准确地报出故障部位，实现耕作机的智能化控制。用智能控制代替人工操作提高耕作效率，减轻劳动强度已成为未来农业机械发展的方向。2. 系统工作原理系统大体上由无人机载体、

4、自动驾驶仪、程序控制装置、地理信息系统、遥感系统、自动导航系统、自动反馈系统、路障检测系统、警报系统、专家系统、ICS（智能控制系统）组成。GIS（地理信息系统）和GPS主要用于采集地理信息和坐标位置的数据和辅助控制。自动驾驶仪是基于GPS技术的道路导航装置。遥感系统用于地表和作物识别。自动反馈系统根据系统输出的信息来进行控制，即通过比较系统行为与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。通过这些系统可实现自动化控制，可实现不同意义的使用, 能控制耕地机械对不同土质进行高效，节能的作业。2.1 GPS系统利用GPS与传感器、计算机控制等科技的集成，可以装配成智能化的农业机械，从而实现

5、田间作业自动导航、精确定位以及适应地形起伏等情况。GPS系统主要由用户接受部分、地面监控部分和空间星座部分共同组成。用户主要依靠GPS系统接收机接收卫星发射出来的信号，从而获取定位观测数值，在经过相关处理之后，完成定位导航的任务，并将所接收到的信号进行放大、变换以及合理处置。地面监控部分主要是由监测站、主控站构成，它们分别具备监测采集卫星信息、对空间卫星进行信息注入和修正参数等功能。各站之间主要依靠现代化的通讯系统进行联系，实现各项工作高度精确的自动化运转。利用GPS系统定位作业者或农业机器在田间的瞬时位置，通过传感器及监测系统随时随地采集田间数据，并将这些数据输入地理信息系统(GIS)，结合

6、事先储存在GIS 中数据、以及专家系统和决策支持系统对信息进行加工、处理，做出适当的农业作业决策，再通过作业者或农业机器携带的计算机控制设备，实现对作物的变量投入或操作调整。应用全球定位系统，可按照田间每一操作单元的具体条件，精细准确地调整各项土壤和作物管理措施，最大限度地优化使用各项农业投人，以获取最高产量和最大的经济效益，同时能有效地保护农业生态环境，保护耕地等农业自然资源，把科学的精细性引进了农业生产的过程。GPS在无人驾驶拖拉机上的应用。无人驾驶拖拉机是由固定操作站控制的无人驾驶农业机械，它在全球卫星定位系统或者在田间附近地面系统的导航下开展作业。通过自动导航系统，拖拉机在无人驾驶的情

7、况下，能够沿着直线和不规则的曲线自动行驶，这种技术目前在欧美国家正在得到快速推广。我国也研究成功了无人驾驶拖拉机，实现了拖拉机在田问作业条件下的自动导航和地头转向控制，这项技术对我国现代农快速的发展具有重要现实意义。更多更广泛的智能化农业机械，随着GPS的广泛应用和各种新技术的集成，必将走进农业生产一线。2.2 地理信息系统GIS 地理信息是指表征地理要素的数量、质量分布特性、相互联系及其变化规律的数字、图像与图形特征的总称。其将地球表面、地表上空、地表以下的地理信息以数字的形式存贮于计算机系统之中，以便今后决策和任务执行中随时调用。其信息属于空间信息，具有区域性、多维结构性。例如：在一个地面

8、点上，可取高度、土壤肥力、作物产量等多种信息。地理信息有明显的时序特征，即动态变化特征。地理信息系统的组成:1）计算机硬件系统：（1）包括计算机主机，提供存贮空间，对数据进行编辑处理。（2）数字化仪可将地图或遥感图像数字化后输入计算机。（3）绘图仪。用来表示数据处理结果。（4）显示器，用户通过显示器和终端控制计算机和外围设备。2） 计算机软件系统：计算机软件系统包括计算机通用程序、地理信息系统软件平台和应用分析软件三部分组成。（1）计算机通用程序是厂家提供的使用计算机的程序系统，包括操作系统、汇编程序、论断程序以用各种维护使用手册。（2）地理信息系统软件平台一般包括五类基本模块：即数据的输入和

9、校验、数据的存贮和管理、数据变换、数据的显示和输出、用户接口等。（3）应用分析软件是系统开发人员根据地理信息专题或区域分析模型编制的程序，是系统功能的扩充和延伸。2.3 GPS和GIS平台的综合应用GPS和GIS综合应用平台是通过移动通信、互联网和空间信息技术和手段，以电子地图为依托，以移动终端的位置数据为基础，让使用者可以获取各种与当前位置相关的信息，从而为工作的进一步开展提供了参考的依据。其应用主要包括以下内容：2.3.1 信息检索查询（1）地图显示：缩放、平移、地图图层控制、图例定义。（2）通过定义查询条件，对各种数据进行查询。（3）根据点、线、面等特点，按照相关性关系进行关联查询。(4

10、 ) 完成距离、周长、面积的计算。2.3.2 多媒体信息输出将用户所关注的各类数据信息，以文字、数据报表、图片等形式输出，以满足不同分析决策工作的需要。2.3.3 周边情况查询移动终端和控制中心均可对该终端周围的设施，以及某设置中心提供服务的详细信息进行查询，甚至是对信息进行交互式的处理。2.3.4 决策及事件响应移动设备或者中心设备能够预先装入相关的决策分析模型，这样可以根据现场出现的状况，自动提供建议采用的解决方案，以备工作人员参考，确定科学合理的决策或计划。2.3.5指挥监控调度跟踪控制中心可以及时了解移动终端的位置和状态信息，从而对机械进行有效的跟踪，以保障安全；或者对资源进行合理的调

11、配，以保障生产作业的效率。2.3.6导航/路径计算根据移动终端当前的位置和目标位置，进行最优路线分析，并按照预先设定的条件和规则，生成前往目的地的建议路线，同时提供沿途的关键性信息。2.4 自动驾驶仪工作原理自动驾驶技术是基于GPS的一项技术，将GPS系统的基站天线安放在略高于周围环境的地方，通过设置基站相关项目，获取机械所处位置的地理坐标信息。自动驾驶技术包括视频摄像头、雷达传感器以及激光测距来了解周围的状况，并通过一个详尽的地图对前方的道路进行导航。应用激光雷达对周围环境进行扫描，并将结果以3D地图的方式呈现出来，给予计算机最初步的判断依据。卫星定位精度的高低直接影响着自动驾驶的效果。国外

12、利用GPS自动驾驶的研究起步较早，但真正用于实现自动驾驶也只是近10年来的事。目前国外自动驾驶设备较具代表性的是美国TRIMBLE（天宝）公司的产品。黑龙江省友谊农场目前为不同型号拖拉机所安装应用的自动驾驶系统均为天宝公司产品。国内自动驾驶系统的开发研究起步相对较晚，2003年月25日，我国第颗“北斗一号”卫星发射成功，月日，我国自主研发的“北斗运营服务平台”正式开通，这标志着我国已经拥有了完全自主的卫星导航系统。截至目前，北斗星通公司的自动驾驶产品已经进入应用阶段。利用GPS 确定农业机械在田间的瞬时作业位置，将系统随时随地采集的环境及作物信息输入GIS 并结合事先储存在GIS 中的数据及各

13、种决策支持系统对数据进行加工处理作出合理适当的农业作业决策传输到执行机构输入智能化农业机械系统中实现对作物的变量投入或操作调整。随着信息技术，网络技术，人工智能技术在工业上的广泛应用在传统农业装备上引入信息化智能化技术是未来农业现代化发展的必然趋势。2.5 遥感系统 遥感系统主要由传感器、载体，指挥系统组成。传感器：是收集目标物所反射或发射电磁波信息的装置。有摄像机、多波段光谱扫描仪、红外光谱仪等。载体：也称平台，它是负载传感器的工具。有支架、车辆、卫星等。指挥系统，就是指挥和控制传感器与平台并接收信息的指挥部，现代遥感指挥系统一般均为计算机系统。2.6 遥测遥控系统一般遥测遥控系统都是由控制

14、端、信道和被控端三部分组成。遥测遥控系统的控制端包括计算机指令发生器、编码器、指令传输设备的发射部分。遥测遥控系统的被控端包括监测系统的发射部分、指令传输设备的接收部分（接收天线、接收机和解调器）、译码器、执行机构和被控对象等。指令发生器用来产生标准遥控指令及与误差信号相对应的指令，可以由人操作，也由程序自动操作。监测系统用来监视和测量被控对象的实际状态，并将此实际状态与规定的状态在计算机中进行比较，当二者不一致时，计算机便给出一个误差信号，由指令发生器产生与误差信号相对应的遥控指令，通过指令传输设备送到被控端，使执行机构动作，以改变被控对象的实际状态。此实际状态又通过监测系统送到计算中心进行

15、比较，直到被控对象的实际状态与规定的状态相一致。由于遥控任务和监测参数的不同，监测系统也不同。常用的监测系统有目视、电视、雷达、导航和遥测等监测系统。利用遥测原理对被控对象进行监测的系统称为遥测监测系统，它能够测量和传输被控对象外部运动参量和内部状态参量，在工业生产和管理自动化等遥控系统中得到广泛的应用。指令传输设备包括调制器、发射机、发射天线、接收天线、接收机、解调器等。编码器把指令信号编成码组，以区分指令信号，提高可靠性、抗干扰性和保密性。编码器的主要组成部分是编码矩阵。译码器把收到的指令码组译成原来的指令信号。译码器的主要组成部分是译码矩阵。执行机构是使被控对象按遥控指令动作的机构，执行

16、机构要有足够的输出功率，使被控对象动作。如二值指令的执行机构是继电器或电动机，多值指令的执行机构是同步电机或直流放大器。指令监控台是遥控系统的专用设备，它可以用来对发送的指令进行控制、选择、监视和记录，并能对各种遥控设备进行监视、控制和自动切换。它能确定发送指令的内容，选择发送指令的时机和执行任务的设备。它能监视设备的工作状态，监视指令的发送和执行情况，监视系统间的往返信号，以及记录所有发出和返回的信号。 2.7 程序控制部分主要包括计算机通用程序、地理信息系统软件平台和应用分析软件。地理信息系统软件平台：（1）有美国环境系统研究所研制的地理信息系统软件ARC/INFO，它是世界上应用最广泛的

17、GIS软件之一。1991年， ARC/INFO系统进行了汉化处理，从此大量进入中国市场。ARC/INFO 系统提供了用于地理数据的自动输入、处理、分析和显示的强大功能。目前已成功地应用于包括自然资源、农业、自动制图、设施管理、城市和区域规划、人口和商业管理、交通运输、石油和天然气、教育、军事等十大类别的一百多个领域。（2）澳大利亚的Genasys公司开发的GIS软件GENAMAP。（3）美国Mapinfo公司研制开发的GIS软件Mapinfo。国内GIS软件有北京大学与陕西三秦企业集团联合研制的地理信息系统城市之星Citystar。2.8 自动反馈系统反馈控制系统是基于反馈原理建立的自动控制系

18、统。所谓反馈原理，就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统输出与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。因此，反馈控制系统又称为闭环控制系统。反馈控制是自动控制的主要形式。反馈控制系统由控制器、受控对象和反馈通路组成。在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。2.9 智能控制系统 ICS(智能控制系统)是智能化农业机械装备的指挥中心。由农机操作者下达指令，由GPS接受位置信息，从G

19、IS的电子地图中提取决策信息，也可以接受实时传感器的信息，并将它们转化为向执行器发出的控制信号，执行设备在接受信号后通过液动、气动或电动系统实现对作业地调整。3. 科学依据和意义近几年来，一些发达国家不断将高新尖技术应用到农业机械上，使农业机械向智能化方向发展。目前国外已成功开发出智能耕作机械、能够准够无误地测定其所在位置及运行方向，较大地提高了劳动效率、节约成本、增加了产量。 早在20世纪80年代美国雨鸟公司、摩托罗拉等几家公司就合作开发了智能中央计算机灌溉控制系统，开始将计算机应用于温室控制和管理，此后温室计算机控制及管理技术便先是在发达国家得到广泛应用，后来各发展中国家也都纷纷引进、开发

20、出适合自己的系统。 20世纪90年代，美国开发的温室计算机控制与管理系统可以根据温室作物的特点和要求，对温室内光照、温度、水、气、肥等诸多因子进行自动调控，还可利用温差管理技术实现对花卉、果蔬等产品的开花和成熟期进行控制，以满足生产和市场的需要。目前，美国已将全球定位系统、电脑和遥感遥测等高新技术应用于温室生产，有82的温室使用计算机进行控制，有67的农户使用计算机，其中27的农户还运用了网络技术。以园艺业著称的荷兰从20世纪80年代以来就开始全面开发温室计算机自动控制系统，并不断开发模拟控制软件。到80年代中期，已有5 000多台计算机应用于温室，目前荷兰有85的温室种植者使用环境控制计算机

21、，种植者只需从软件公司购买温室控制软件，从化学公司购买营养液后，即可按照不同作物的特点进行自动控制，从而满足作物生长发育的最适要求。在生产园艺植物的现代化大型自控温室中，盆观植物均放置在栽培床上，室内温度、光照、湿度、作物生长情况、环境等全部由计算机监控。英国的智能温室系统、西班牙和奥地利的遥控温室系统都是计算机控制与管理在温室中的成功应用。另外，德国已经把3S技术(地理信息系统GIS、全球定位系统GPS、遥感技术RS)应用于温室。与此同时，温室计算机控制和管理技术在亚洲同样得到了极大的发展。国内目前已有人开发出多功能环保智能化耕作机。4. 研究意义设施农业智能化是设施农业发展水平的标志，是设

22、施农业发展的方向。智能化程度越高，设施农业和农业科技发展水平越高。从初级自动化控制向高级智能化转变，从非标准化设施向标准化产品过渡，控制系统从自动化向智能化转变是设施农业发展趋势。传统耕作机是由人工操作、控制的，不同地区不同土质要求不同，单纯依靠人工操作不仅影响耕作效果，并且费时费力劳力效率低下。随着城镇化的推进、农业的现代，人口老龄化、智能耕作机在未来农业生产中显得尤其重要。随着我国对农业的重视，智能化耕作机必将成为未来农业机械的主流。研究智能耕作系统具有重要意义。5. 结论与展望智能耕作机是目前国际上新兴的农业机械智能化发展方向，随着国家总体经济的不断发展，城镇化的推进、现代农业的实施，必

23、将作为未来发展趋势。智能耕作系统将有力推进未来农业机械的转型。通过该研究促进我国在高端智能耕作机的开发运用得到进一步的重视和技术方面的改善。实现耕作机的智能化控制，用智能控制代替人工操作提高耕地效率，推进我国农业进入现代化。6参考文献1 中国农业机械化科学研究所编.农业机械设计手册（上册），机械工业出版社.1988年；2李守仁.杜金天编.驱动型土壤耕作机械的理论与计算，机械工业出版社.1997年；3李宝筏主编.农业机械学，中国农业出版社.2003年；4机械制图.董国耀主编.北京理工大学出版社.1998年；5镇江农业机械学院.吉林工业大学合编.农业机械理论及设计(上册)，中国工业出版社.1961年；