2020-11-06 09:48:39
徐立章團(tuán)隊研發(fā)的油菜收割機(jī)在田間作業(yè)。 資料圖
研究聯(lián)合收割機(jī)已經(jīng)20年的江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院研究員、國家油菜產(chǎn)業(yè)體系崗位科學(xué)家徐立章坦言，在田間試驗操作機(jī)器時簡直就是手忙腳亂。“開油菜收割機(jī)和開車完全是兩碼事，一旦進(jìn)入田塊作業(yè)，耳朵要聽發(fā)動機(jī)的聲音，眼睛要看前方的作物狀態(tài)、留茬高低和割臺攪攏喂入是否順暢，左手控制作業(yè)速度，右手還要調(diào)整撥禾輪和割臺的高低。”徐立章說，聯(lián)合收割機(jī)收得好不好，很大程度上依賴于機(jī)手的操作經(jīng)驗。
徐立章參與的“油菜聯(lián)合收割機(jī)關(guān)鍵技術(shù)與裝備”項目曾獲2013年度國家技術(shù)發(fā)明二等獎，解決了油菜聯(lián)合收割機(jī)的機(jī)械化收獲性能難題。近年來他又承擔(dān)了十三五重點研發(fā)計劃“智能化油菜聯(lián)合收割機(jī)”子項目。這一次，他瞄準(zhǔn)了油菜聯(lián)合收割機(jī)智能化問題，致力于減輕機(jī)手的負(fù)擔(dān)，并降低收獲總損失率。
實現(xiàn)智能化先從解放左手開始
聯(lián)合收割機(jī)由1萬多個零部件組成，是農(nóng)機(jī)裝備中最復(fù)雜的作業(yè)機(jī)械。我國農(nóng)作物品種多、分布廣，作物特性差異大等問題也對聯(lián)合收割機(jī)的收獲適應(yīng)性提出了更高的要求。在我國，油菜的收獲總損失率相比于其他作物明顯偏高，國家標(biāo)準(zhǔn)為8％。油菜株形高矮、產(chǎn)量多少、角果層疏密等多種因素，決定了聯(lián)合收割機(jī)控制模型的難度。
“我們想先把機(jī)手的左手解放出來，這樣必須解決收割機(jī)速度的自適應(yīng)控制。”徐立章介紹，油菜的喂入量在3公斤左右，其草谷比、含水率等差異，都會造成作業(yè)性能的波動。
徐立章團(tuán)隊研發(fā)出了速度自適應(yīng)控制模塊，安裝該模塊后收割機(jī)可以根據(jù)作業(yè)負(fù)荷自動調(diào)節(jié)速度，既避免了喂入堵塞又能保持較高的作業(yè)效率。這樣的智能化裝置受到了機(jī)手們的好評：“左手本來要控制操縱桿調(diào)節(jié)機(jī)器作業(yè)速度，現(xiàn)在注意力只要放在右手上，勞動負(fù)荷減輕了不少。”
速度控制了，喂入量穩(wěn)定了，不代表工作性能就一定好，損失的自動控制是擺在徐立章面前的又一個“攔路虎”。
在開機(jī)前，有經(jīng)驗的機(jī)手往往會根據(jù)油菜的產(chǎn)量、成熟度預(yù)先調(diào)整好魚鱗篩的開度，這個開度一旦確定后，除非停機(jī)基本不會再調(diào)整。徐立章介紹，這其實是一對矛盾的指標(biāo)。開度小了，損失就大；開度大了，損失過小，雜余就會太多。要達(dá)到完美的平衡，還必須實現(xiàn)清選損失的自動控制。
抓住小籽粒的信號
成熟的油菜籽多為球形或者近似球形的小顆粒，直徑在2毫米左右。在嘈雜的收割作業(yè)背景振動信號中，如何抓住這么小的籽粒信號？如何區(qū)分籽粒、莖稈、角果殼等不同信號？負(fù)責(zé)損失傳感器研發(fā)工作的梁振偉老師告訴記者，他們把損失傳感器分為了一體多塊式，可以根據(jù)響應(yīng)頻率和幅值的差異，準(zhǔn)確地抓取油菜籽的信號，并以此為依據(jù)，自動調(diào)整魚鱗篩的開度。越來越少依賴人工經(jīng)驗，實現(xiàn)損失的實時監(jiān)測和自動控制，這樣的智能化系統(tǒng)，對于機(jī)手特別是新機(jī)手來說，又是一大福音。
在四川、江蘇等地的試驗中，團(tuán)隊研制的聯(lián)合收割機(jī)云平臺也發(fā)揮了重要作用。這是江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院和計算機(jī)科學(xué)與通信工程學(xué)院的一次跨界合作。盡管試驗已經(jīng)結(jié)束，負(fù)責(zé)研發(fā)云平臺的陳繼明副教授打開手機(jī)APP，依然可以查詢到收割機(jī)當(dāng)時在田間收獲的主要工作參數(shù)。
“這是一張工況圖，也是一張?zhí)幏焦{，可以為農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)管理提供信息支持。”陳繼明說，云平臺記錄了收割機(jī)在田塊任意位置的工作參數(shù)，可以據(jù)此描畫出田塊的損失分布、產(chǎn)量分布等信息，為來年的播種、施肥等田間管理提供參考。同時，云平臺還會根據(jù)收割機(jī)的使用時間、運(yùn)行狀態(tài)，及時給機(jī)手提供收割機(jī)是否需要維修保養(yǎng)的健康診斷。
江蘇省農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗鑒定站的檢驗報告也顯示，該研發(fā)產(chǎn)品具備主要參數(shù)實時采集、故障診斷與自動監(jiān)控功能、清選損失監(jiān)控和清選篩開度自適應(yīng)調(diào)節(jié)等功能，總損失率為2.9％，含雜率為1.4％，破碎率0，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。
夯實智能化 邁向無人化
自2016年承接油菜聯(lián)合收割機(jī)智能化項目以來，徐立章帶領(lǐng)團(tuán)隊天南地北地做實驗，采集了大量數(shù)據(jù)，不斷地改進(jìn)完善控制模型。“收獲機(jī)械必須去田里作業(yè)，才有辦法測試傳感器準(zhǔn)不準(zhǔn)、控制模型好不好用，在實驗室里是沒法模擬的。”徐立章說。
經(jīng)過這么多年努力，在江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院的支持下，僅江蘇沃得農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司生產(chǎn)的履帶式聯(lián)合收割機(jī)就已占據(jù)了國內(nèi)市場份額的近60％。徐立章從中感受到科研工作產(chǎn)生的實際效應(yīng)，“看到自己設(shè)計的機(jī)器大江南北到處在用，我非常自豪，感覺到自己為我國農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步盡了份力。”
用科學(xué)的調(diào)控來代替機(jī)手主觀經(jīng)驗的判斷，徐立章把這個智能化系統(tǒng)稱為“聯(lián)合收割機(jī)輔助收獲智能調(diào)控系統(tǒng)”。目前，鑒于智能化控制研發(fā)技術(shù)已經(jīng)成熟，他也開始忙于該系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化工作。
在徐立章看來，要實現(xiàn)聯(lián)合收割機(jī)無人化，前提必須先解決智能化的問題。我國聯(lián)合收割機(jī)的人機(jī)共駕態(tài)勢還會較長時間存在，目前階段的智能化更像是個助手，輔助機(jī)手和機(jī)器更高效、更精準(zhǔn)地作業(yè)。
“推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化、智能化，是為了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)降本、提質(zhì)、增效。”徐立章告訴記者，他還有新的目標(biāo)，在解放左手后進(jìn)一步解放右手，在解決收割機(jī)直線行走的基礎(chǔ)上解決轉(zhuǎn)彎處的自動控制，他也計劃攻克通用型清選損失傳感器的難題。他的設(shè)想是：“將來智能化聯(lián)合收割機(jī)不僅能收水稻、小麥、油菜，還能收玉米、大豆、谷子、高粱，要真正實現(xiàn)聯(lián)合收割機(jī)的智能化多功能收獲。” 吳奕 記者 顏旭
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