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農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化及其分類農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化就是農(nóng)業(yè)機(jī)械或裝置的操作過程或工作狀態(tài)不依靠人的感官和手工而自動實現(xiàn)。最早的農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化裝置是1936年Ferguson發(fā)明的牽引控制裝置[ 1， 2]，該裝置通過油壓升降作用改變耕深，從而把牽引力維持在一定范圍內(nèi)，目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于大中型拖拉機(jī)上。
農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動控制裝置大部分是單一輸入、單一輸出式的，如拖拉機(jī)的牽引力控制，動力噴霧機(jī)的壓力控制等，但隨著傳感器和微處理機(jī)的迅速發(fā)展，目前已經(jīng)研制出多輸入、多輸出的自動控制裝置，從而大幅度地提高了自動化水平。
目前農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化大致有以下3類。
1）已有農(nóng)業(yè)機(jī)械及裝置的部分自動化控制。這種自動化方式以提高已有農(nóng)業(yè)機(jī)械及裝置的作業(yè)與操作性能，提高作業(yè)效率和作業(yè)精度，減輕駕駛員的負(fù)擔(dān)，節(jié)約資源（肥料、種子、農(nóng)藥、燃料等）等為目的。目前，已經(jīng)廣泛采用的自動控制裝置大多數(shù)屬于此類。
2）已有農(nóng)業(yè)機(jī)械及裝置的無人自動操作。這種自動化方式用在操作簡單且容易實現(xiàn)無人運轉(zhuǎn)，危險性大或是長時間重復(fù)單調(diào)過程的作業(yè)上。如用計算機(jī)程序或無線電遙控來操縱拖拉機(jī)及聯(lián)合收割機(jī)，自動控制行駛，自動檢測耕深、耕寬或作物行列數(shù)，自動完成作業(yè)，以及能使干燥機(jī)、自動化溫室等固定裝置自動完成作業(yè)的機(jī)械及裝置。
3）農(nóng)業(yè)機(jī)器人。農(nóng)業(yè)機(jī)器人是一種可由不同程序軟件控制，以適應(yīng)各種作業(yè)，能感覺并適應(yīng)作物種類或環(huán)境變化，有檢測（如視覺等）和演算等人工智能的新一代無人自動操作機(jī)械。
2農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化的研究應(yīng)用現(xiàn)狀現(xiàn)今世界各國正大力開展農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化的研究，許多成果已經(jīng)達(dá)到實用化的階段，下面分別介紹上述3類主要自動化形式的研究應(yīng)用現(xiàn)狀。
2. 1已有農(nóng)業(yè)機(jī)械及裝置的部分自動化控制這類自動化技術(shù)主要是為了提高已有農(nóng)業(yè)機(jī)械及裝置的作業(yè)性能和操作性能，下面簡要舉一些已采用或正在開發(fā)中的自動化裝置實例。
1）拖拉機(jī)。在農(nóng)用拖拉機(jī)上已廣泛使用了機(jī)械油壓式三點連結(jié)的位調(diào)節(jié)和力調(diào)節(jié)系統(tǒng)裝置，現(xiàn)又在開發(fā)和采用性能更完善的電子油壓式三點連結(jié)控制系統(tǒng)裝置[1， 2 ]，新的系統(tǒng)裝置采用微機(jī)或電磁操向控制閥和心閥來改善機(jī)械油壓式三點連結(jié)裝置，提高位調(diào)節(jié)和力調(diào)節(jié)的控制水平，這項技術(shù)在一些發(fā)達(dá)國家已被采用。為提高旋耕機(jī)的作業(yè)精度，在拖拉機(jī)上還采用了水平及耕深自動控制系統(tǒng)。水平控制系統(tǒng)可以消除拖拉機(jī)左右輪胎下沉不均等的影響，維持旋耕機(jī)左右水平耕深控制系統(tǒng)能把旋耕機(jī)作業(yè)時的耕深維持在設(shè)定范圍內(nèi)，這套系統(tǒng)在日本已經(jīng)普及。新型的拖拉機(jī)最佳速度控制系統(tǒng)可以自動設(shè)定運轉(zhuǎn)速度及其變速段數(shù)，當(dāng)作業(yè)條件（作業(yè)種類、土壤、作物等）變化時能有效地調(diào)整機(jī)器速度，提高作業(yè)效率。這種系統(tǒng)現(xiàn)正處于研究開發(fā)階段。
拖拉機(jī)的自動操向控制系統(tǒng)，能減輕駕駛員的負(fù)擔(dān)并提高作業(yè)效率，美國已有可自動操向的拖拉機(jī)出售。拖拉機(jī)自動導(dǎo)向方式有，從埋于地下的電纜檢測出磁界距離并導(dǎo)向，用機(jī)械接觸方式檢測已犁過的溝并導(dǎo)向，用鐵輪下沉的機(jī)械方式或光電檢測的電子方式來辨別已耕地和未耕地并導(dǎo)向。最近，利用攝影圖像的半自動操向控制系統(tǒng)也正在研究中。
2）施肥播種機(jī)[3， 4 ].根據(jù)行駛速度和檢測種子（或肥料）粒數(shù)來確定播種量是否符合要求的裝置，以及將馬鈴薯種子割成2瓣后播種的裝置，等等，這些裝置已實用化。
金衡模等：農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化的現(xiàn)狀與推進(jìn)模式3）移栽機(jī)[3 ].傳動鏈?zhǔn)教鸩嗣缱詣右圃匝b置，輸送帶式洋蔥苗的自動移栽裝置以及蔬菜移栽上廣泛使用的塑料穴盤自動供苗裝置等。
4）插秧機(jī)[3， 4 ].機(jī)體的水平控制裝置，轉(zhuǎn)彎時的自動減速裝置，自動供苗裝置等。
5）噴霧機(jī)。噴桿式噴霧機(jī)的自動化應(yīng)用實例有：根據(jù)行駛速度自動控制噴霧量，根據(jù)作物高度自動控制噴霧高度的裝置快速噴霧機(jī)的自動化應(yīng)用實例有：根據(jù)果樹的大小或形狀自動控制噴霧壓力和噴霧量的裝置。此外，檢測作物行間的雜草，自動控制噴藥開關(guān)和噴藥量的裝置正在研究開發(fā)中6）聯(lián)合收割機(jī)[7， 8 ].割茬高度自動控制裝置脫粒機(jī)喂入量自動控制裝置根據(jù)谷穗的生長狀態(tài)改變行駛速度，從而維持適當(dāng)喂入率的自動控制裝置檢測已收割行和未收割行從而操縱氣流方向的自動控制裝置。
7）挖掘收獲機(jī)[3， 4 ].馬鈴薯、甜菜等挖掘收獲機(jī)的自動化應(yīng)用實例有，挖掘深度自動控制裝置和石塊、土塊自動篩除裝置等。
8）干燥機(jī)[3， 4 ].不受外界條件干擾，能自動維持熱風(fēng)溫度的裝置停電或干燥機(jī)過熱引起火災(zāi)時，自動掐斷燃料供給的裝置。
2. 2已有農(nóng)業(yè)機(jī)械及裝置的無人自動操作1）田間作業(yè)機(jī)械。田間作業(yè)機(jī)械的無人自動操作方法有直接導(dǎo)向法和利用無線遙控操向的間接導(dǎo)向法2種。前者的實際應(yīng)用有旋耕機(jī)、割草機(jī)、自走式聯(lián)合收割機(jī)、自走式農(nóng)藥噴霧機(jī)等后者的實際應(yīng)用有割草機(jī)、插秧機(jī)、農(nóng)藥噴霧直升機(jī)等。
田間作業(yè)機(jī)械可以根據(jù)土壤和作物的特性，利用觸覺收集信息。例如，利用土壤硬度的差異檢測已耕或未耕部分利用傳感器檢測作物的割取與未割取部分等。利用計算機(jī)圖像處理技術(shù)實現(xiàn)無人自動操縱的系統(tǒng)也正在研究中。
2）固定式機(jī)械。固定式農(nóng)業(yè)機(jī)械的無人自動操作實例有全自動谷物干燥機(jī)、全自動分選機(jī)、自動溫室等。全自動谷物干燥機(jī)是一種可以自動控制熱風(fēng)溫度和風(fēng)量，當(dāng)谷物達(dá)到設(shè)定的含水率時，能自動停止工作的無人化機(jī)械。其自動控制系統(tǒng)包括自動控制點火燃燒、自動控制速度循環(huán)、自動控制燃燒器空氣量、自動控制送風(fēng)量、自動測定含水率和自動掐斷燃料等功能。
全自動分選機(jī)是一種能把水果、谷物或蔬菜按重量或形態(tài)等級進(jìn)行分類的無人化機(jī)械。其工作原理多樣，如利用微處理機(jī)按重量分選[9 ]，利用光電傳感器按大小和顏色分選水果[10 ]，利用照相機(jī)辨別農(nóng)產(chǎn)品的形態(tài)[11 ]，利用X射線進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品損傷檢測，現(xiàn)在也有利用核磁共振（ NM R，Nuclear Magnetic Resonance）進(jìn)行非破壞性的農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)鑒別。自動溫室利用電腦進(jìn)行環(huán)境自動控制，控制項目有溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、日照輻射量、加溫系統(tǒng)溫度、溫室通風(fēng)率、二氧化碳濃度等。
這里簡單提一下筆者在臺灣時設(shè)計的農(nóng)產(chǎn)品重量分選機(jī)[9 ]，它由機(jī)械和電子2大部分組成。電子部分主要由Z80微處理機(jī)、類比信號處理部分、輸出控制部分等組成。Z80微處理機(jī)是整個系統(tǒng)的心臟，主要負(fù)責(zé)傳感器的信號檢測，控制ADC（ Analog to Digital Converter）提取樣本，計算各樣本的平均值，分級出料及重量顯示等。類比信號處理部分由數(shù)位類比轉(zhuǎn)換器、放大器、低通濾波器組成，它利用放大器將重量傳感器傳送的信號放大（因當(dāng)質(zhì)量在0～6 kg之間的輸出電壓為0～50 mV ，而ADC要求電壓范圍是0～5 V ，因此必須放大） ，再利用低通濾波器濾波（因分選機(jī)稱重是通過秤盤下的滾輪滾過負(fù)荷囊來實現(xiàn)的，重量不穩(wěn)，電壓上下飄移，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報故需濾除振動部分） ，把這些信號分為6級，最后根據(jù)信號進(jìn)行分選。
2. 3農(nóng)業(yè)機(jī)器人目前許多發(fā)達(dá)國家正在進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)器人的開發(fā)研究，部分研究成果已開始在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用。例如，使用機(jī)械手的果蔬自動采摘機(jī)水果采收、分選及食品加工等部門廣泛采用的攝影圖像處理等視覺檢測裝置畜牧業(yè)中利用遠(yuǎn)距離遙控技術(shù)檢測乳牛的乳頭位置，并把擠奶器附著在乳頭上擠奶的自動擠奶裝置還有把羊的形態(tài)圖形化，使剪刀自動感知羊的皮膚并作業(yè)的剪羊毛機(jī)器人。
正如機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)上可以降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量一樣，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中機(jī)器人也有同樣的作用。美國正在開發(fā)研究的采橙機(jī)器人和法國的采蘋果機(jī)器人，因其性能明顯提高和價格大幅下降，預(yù)期很快就能實用化。由于機(jī)器視覺和人工智能技術(shù)的迅速發(fā)展，其他農(nóng)業(yè)機(jī)器人的實用化也會加速，特別是在需要大量人力和精確作業(yè)的種苗、花卉、蔬菜等生產(chǎn)中，機(jī)器人的實用化將會更加快速。蔬菜在全年中有持續(xù)的需求，又能在人工環(huán)境里以工廠化方式生產(chǎn)，所以機(jī)器人在蔬菜栽培中的投入會更加容易。
3農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化的必要性3. 1解決農(nóng)村勞力不足問題當(dāng)今農(nóng)村的青壯年大都向往都市，大量勞力離開農(nóng)村涌向城鎮(zhèn)，成為打工族。農(nóng)村的大學(xué)生偏愛經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)和城市的機(jī)關(guān)或企業(yè)，而很少有人想到偏遠(yuǎn)地區(qū)或回農(nóng)村務(wù)農(nóng)。根據(jù)對中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)生的職業(yè)選擇調(diào)查，約80的畢業(yè)生希望在北京或沿海發(fā)達(dá)城市工作，想回鄉(xiāng)開拓事業(yè)的大學(xué)生屈指可數(shù)。
另外，人口老齡化問題日趨明顯，據(jù)中國老齡協(xié)會1997年統(tǒng)計， 1 /4的省市已進(jìn)入了老齡化階段?，F(xiàn)在，全國60歲以上（包括60歲）的老齡人口已有1. 2億，而且正在以年平均3. 2的速度增長。自上海第一個進(jìn)入老齡化社會以來，北京、天津、江蘇、浙江、遼寧、山東、廣東等省市也相繼進(jìn)入了老齡化社會。據(jù)專家解釋，這些地區(qū)生活水平的提高使人的壽命延長，死亡率下降，而強(qiáng)調(diào)少生優(yōu)生引起出生率下降，這樣就造成了人口的老齡化現(xiàn)象。
上述這些問題導(dǎo)致農(nóng)村人口結(jié)構(gòu)的變化，部分地區(qū)出現(xiàn)青壯年勞力不足的現(xiàn)象，從而將在更大程度上產(chǎn)生對農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化的需求，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動化是必然的。
3. 2社會進(jìn)步的需求隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們的觀念日漸發(fā)生變化，消費者需要的不僅是解決溫飽問題，而是更美味、更具營養(yǎng)價值、更高品質(zhì)的產(chǎn)品生產(chǎn)者對于提高勞動生產(chǎn)率和增加勞動舒適性的要求也越來越高，而且，隨著經(jīng)濟(jì)的全球化，面臨農(nóng)產(chǎn)品開放進(jìn)口和市場競爭的壓力，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)只有通過進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品品質(zhì)才能生存。從這些新的需求出發(fā)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向著高效率和高精度的機(jī)械化、自動化方向發(fā)展，是必然的選擇。
近年來，一些發(fā)達(dá)國家正在積極進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化的相關(guān)研究與開發(fā)，其中部分研究已經(jīng)達(dá)到實用化階段，這些研究以降低生產(chǎn)成本為主要目標(biāo)，同時達(dá)到節(jié)約資源，提高農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)，實現(xiàn)安全生產(chǎn)和適應(yīng)老齡化社會等目的。隨著電子工業(yè)的快速發(fā)展，半導(dǎo)體集成電路及微處理機(jī)等電子產(chǎn)品質(zhì)量的提高和價格的降低，將進(jìn)一步促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化控制裝置的開發(fā)，加速農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動化。
金衡模等：農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化的現(xiàn)狀與推進(jìn)模式4農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化的階段式推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化會在克服各種困難，不斷嘗試不同方案和方法的過程中持續(xù)前進(jìn)，這是不容置疑的。考慮到目前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件和技術(shù)水平，筆者認(rèn)為農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化應(yīng)采用階段式推進(jìn)的策略，并以此組織有關(guān)的研究工作。
1）自動化模式的選擇首先，應(yīng)該根據(jù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)實條件和技術(shù)水平，以提高作業(yè)效率和作業(yè)精度，節(jié)約能源，提高安全性等為標(biāo)準(zhǔn)，正確評價不同自動化模式在這些方面的效果，再按順序選定自動化模式，階段式推進(jìn)自動化進(jìn)程。
2）農(nóng)用傳感器及控制系統(tǒng)的開發(fā)開發(fā)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化控制裝置所遇到的最大難題是在農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工及流通過程中，缺乏能迅速、準(zhǔn)確、非破壞性地評價作物或農(nóng)產(chǎn)品的生物學(xué)性狀和活動的傳感器，所以，應(yīng)研究開發(fā)在自然環(huán)境下能準(zhǔn)確檢測這些性狀和活動的傳感器及數(shù)據(jù)處理技術(shù)與裝置，特別是能從田間和培養(yǎng)液中檢測作物生長和發(fā)育的傳感器，它的開發(fā)對工廠化、設(shè)施化作物生產(chǎn)是必需的。另外，比較分析從傳感器所得的數(shù)據(jù)和控制參數(shù)間的關(guān)系，開發(fā)相應(yīng)的參數(shù)控制裝置，也是十分必要的。
3）耐久性和可靠性的提高與其他行業(yè)相比，農(nóng)業(yè)機(jī)械通常是在較為惡劣的環(huán)境條件下工作，對它的后期服務(wù)也比較困難，所以產(chǎn)品的耐久性非常重要，特別是自動化裝置，由于使用了半導(dǎo)體集成電路和微處理機(jī)等電子產(chǎn)品，所以提高產(chǎn)品的可靠性和耐久性尤為重要。
4）認(rèn)識的轉(zhuǎn)換以往為了提高農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化裝置的操縱性能和作業(yè)性能，多通過改善機(jī)械的部分結(jié)構(gòu)或增加一些裝置來達(dá)到目的，這樣做的同時使得機(jī)械的構(gòu)造復(fù)雜化，價格變得昂貴，修理更加困難。為了從根本上解決這些問題，不能單把眼光放在改造過去的機(jī)械上，而應(yīng)該從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的根本對象――作物和土壤出發(fā)，開發(fā)適合生產(chǎn)實際而又價格合理的自動化機(jī)械，如，考慮小規(guī)模的農(nóng)戶生產(chǎn)模式需要，由普及大型農(nóng)業(yè)機(jī)械轉(zhuǎn)向開發(fā)價格較低的中小型、多功能自動化機(jī)械。
5結(jié)論農(nóng)業(yè)機(jī)械化從過去到現(xiàn)在一直在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化中擔(dān)當(dāng)主角，社會的發(fā)展對機(jī)械化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)又提出了更高的要求，即實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化。農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化能提高生產(chǎn)效率，節(jié)約資源，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的品質(zhì)，強(qiáng)化農(nóng)產(chǎn)品的國際競爭力，必將在未來的機(jī)械化生產(chǎn)系統(tǒng)中起核心作用。繼續(xù)推動和實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化，是農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程技術(shù)工作者所面臨的長遠(yuǎn)的課題和挑戰(zhàn)。
隨著電子工業(yè)的迅速發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化會從農(nóng)業(yè)機(jī)械的部分自動化向無人操縱自動化和農(nóng)業(yè)機(jī)器人發(fā)展，農(nóng)業(yè)將會成為高度技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)。
為了合理推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化，應(yīng)從滿足生產(chǎn)實際出發(fā)，選擇推進(jìn)自動化的優(yōu)先順序，選擇合理的自動化模式，階段式推進(jìn)自動化進(jìn)程。
中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)對象是物理特性復(fù)雜多樣的土壤、作物或農(nóng)產(chǎn)品，所以使用自動控制技術(shù)首先應(yīng)考慮這些對象的物理和生物特性，在開發(fā)和利用相應(yīng)的傳感器上做大量工作，再逐步著手進(jìn)行提高自動化裝置的耐久性與可靠性的研究。
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農(nóng)業(yè)機(jī)械自動化的現(xiàn)狀與推進(jìn)模式
來源：環(huán)球糧機(jī)網(wǎng)發(fā)布時間：2015-06-16 11:29:56
