丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械研究現(xiàn)狀及發(fā)展建議

王東洋 何亞凱 韓亞芬 張鐵 朱越 王彥坤

摘 要： 丘陵山區(qū)是我國農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展的薄弱區(qū)域，從丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械設(shè)計、模塊化設(shè)計方法和機組作業(yè)協(xié)同控制等方面對我國丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械的研究現(xiàn)狀進行分析，并指出我國丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械開發(fā)方面仍存在創(chuàng)新設(shè)計方法不足、機組作業(yè)協(xié)同控制效果差和智能化程度低的問題。結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)，從電氣化、數(shù)字化和智能化的角度針對丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械驅(qū)動方式的電氣化升級、多源驅(qū)動高效傳動動力底盤的模塊化設(shè)計、數(shù)據(jù)驅(qū)動建模和智能協(xié)同控制方面對丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械發(fā)展提出建議。

關(guān)鍵詞：丘陵山區(qū)；農(nóng)業(yè)機械；模塊化設(shè)計；數(shù)據(jù)驅(qū)動；智能協(xié)同控制；動力底盤

中圖分類號：S220文獻標識碼：A文章編號：2095-1795（2023）12-0005-06

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.12.001

0 引言

作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的重要工具，農(nóng)業(yè)機械在農(nóng)業(yè)發(fā)展中直接關(guān)系農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的水平，是發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)和有力保障[1-5]。《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035 年遠景目標綱要》《“十四五”推進農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化規(guī)劃》及《中共中央 國務(wù)院關(guān)于全面推進鄉(xiāng)村振興加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的意見》等文件指出，發(fā)展農(nóng)業(yè)機械化是保障農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)安全和發(fā)展、實現(xiàn)鄉(xiāng)村全面振興和農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的先行條件。受益于農(nóng)機購置補貼、土地流轉(zhuǎn)等政策的激勵及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國農(nóng)業(yè)機械化水平從2015 年的63% 提升至2020 年的71%，但與發(fā)達國家90% 的機械化率相比，我國農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展水平仍存在較大的差距，主要體現(xiàn)在典型環(huán)節(jié)薄弱、典型產(chǎn)業(yè)薄弱和典型區(qū)域薄弱3 方面[6-7]。特別是薄弱區(qū)域方面，我國丘陵山區(qū)耕地面積達4 000 萬hm2，占耕地總面積的30% 左右，丘陵山區(qū)是我國糧食和特色農(nóng)產(chǎn)品的重要生產(chǎn)基地，受地形條件等因素影響，丘陵山區(qū)農(nóng)作物耕種收綜合機械化率低于50%，農(nóng)業(yè)機械化水平與目標差距大，是發(fā)展農(nóng)業(yè)機械化的難點，也是“十四五”農(nóng)業(yè)機械發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn)[1-3]。

本研究從丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械設(shè)計、模塊化設(shè)計方法和機組作業(yè)協(xié)同控制等方面對我國丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械的研究現(xiàn)狀進行分析，指出我國丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械開發(fā)方面仍存在設(shè)計方法不足、機組作業(yè)協(xié)同控制效果差和智能化程度低的問題。結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)，從電氣化、數(shù)字化和智能化的角度對丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械驅(qū)動方式的電氣化升級、多源驅(qū)動高效傳動動力底盤的模塊化設(shè)計、數(shù)據(jù)驅(qū)動建模和智能協(xié)同控制方面對丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械發(fā)展提出建議。

1 丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 應(yīng)用分析

（1）丘陵山區(qū)地塊小、形狀不規(guī)則，地形復(fù)雜多變，機具進地難、作業(yè)難，部分生產(chǎn)環(huán)節(jié)無機可用，現(xiàn)有部分產(chǎn)品都是基于平原用農(nóng)機產(chǎn)品改造而成，在作業(yè)過程中受環(huán)境條件制約、作業(yè)效率差，機械化優(yōu)勢無法充分發(fā)揮。

（2）農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模小且分散、種植作物品種較多，農(nóng)藝煩瑣，所需農(nóng)業(yè)機械化技術(shù)裝備多樣，現(xiàn)有產(chǎn)品中雖有丘陵山區(qū)農(nóng)作物耕耘、播種和收獲的專業(yè)動力機械，但上述機械間的通配型較低，農(nóng)民需購買不同的專用農(nóng)機設(shè)備以完成不同的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)任務(wù)，加重農(nóng)民的經(jīng)濟負擔(dān)，進而造成農(nóng)業(yè)機械化水平低。

（3）農(nóng)機設(shè)備作業(yè)質(zhì)量差，農(nóng)民對機械的使用積極性不高。現(xiàn)有機械只在功能上實現(xiàn)部分代替人工操作，實現(xiàn)了部分機械化。但作業(yè)質(zhì)量不高，在典型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)出現(xiàn)無好機用的情況，進而導(dǎo)致農(nóng)民對農(nóng)機設(shè)備使用的積極性不高。

1.2 主要原因

（1）對丘陵山區(qū)專用機械的開發(fā)方法研究不足，現(xiàn)有產(chǎn)品多基于平原用農(nóng)業(yè)機械的改造或按比例縮小設(shè)計，設(shè)計出的產(chǎn)品雖能實現(xiàn)機械化，但受環(huán)境制約，設(shè)計出的部分產(chǎn)品機械化效率低，部分功能無法實現(xiàn)。

（2）開發(fā)過程中未考慮農(nóng)業(yè)機械中各部件（系統(tǒng)）之間的耦合特性，特別是對動力機械底盤與農(nóng)機具間的功能、結(jié)構(gòu)和性能間的耦合機理認識不足，沒有通過對解耦方法的研究來實現(xiàn)動力底盤及配套農(nóng)機具組成的系統(tǒng)中關(guān)鍵零部件的模塊化設(shè)計。

（3）對丘陵山區(qū)機械設(shè)計過程中側(cè)重于功能的實現(xiàn)，對農(nóng)業(yè)機械動力底盤和農(nóng)機具的優(yōu)化設(shè)計研究缺乏，特別是同時從設(shè)計和控制方面對農(nóng)業(yè)機械動力底盤行走裝置和配套農(nóng)機具協(xié)同作業(yè)時的優(yōu)化設(shè)計考慮較少。

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

2.1 丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械設(shè)計方法

丘陵山區(qū)是我國糧食和特色農(nóng)產(chǎn)品的重要生產(chǎn)基地，復(fù)雜多變的地形條件限制了丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械的發(fā)展，使丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中許多環(huán)節(jié)出現(xiàn)無機可用的現(xiàn)象。針對這一問題，國內(nèi)研究人員展開了廣泛而深入的研究[1-2]。

劉平義等[3] 針對丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械在作業(yè)和行走時存在通過性差和車身難以保持水平等問題，設(shè)計了一種帶有4 組調(diào)平懸架的丘陵山區(qū)農(nóng)用仿形行走動力底盤，并進行仿真分析與試驗，結(jié)果表明，該底盤具有較好的通過性且能將動態(tài)調(diào)平誤差控制在1°以內(nèi)。王亞等[4] 針對農(nóng)業(yè)機械動力底盤在丘陵山區(qū)作業(yè)過程中由于地形適應(yīng)性差和附著力不足導(dǎo)致的作業(yè)質(zhì)量差等問題，采用地面仿形原理，設(shè)計了一種具備5 自由度仿形和全時8 輪驅(qū)動功能的丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械動力底盤，并開展樣機試驗，結(jié)果表明，該底盤具有較高的地面通過性和良好的地形適應(yīng)能力。王鋒等[5] 針對農(nóng)業(yè)機械在丘陵山區(qū)作業(yè)時存在的通過性弱和穩(wěn)定性差等問題，設(shè)計和制造了一種三角履帶式動力底盤，樣機試驗結(jié)果表明，該動力底盤具有較好的通過性和工作穩(wěn)定性。高巧明等[6] 為提高丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械的通過性和穩(wěn)定性，基于傳統(tǒng)鉸接式山地拖拉機傳動系統(tǒng)，設(shè)計了一款全履帶式農(nóng)業(yè)動力底盤。

通過性和穩(wěn)定性是農(nóng)業(yè)機械在丘陵山區(qū)進行基本工作的必要條件，針對這一問題，國內(nèi)研究人員以高通過性和機組車身穩(wěn)定性為設(shè)計目標，以平原用農(nóng)業(yè)機械的設(shè)計方法對丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械進行開發(fā)，并對開發(fā)的機具進行試驗驗證[7-8]。

2.2 丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械模塊化設(shè)計

農(nóng)業(yè)機械在生產(chǎn)活動中的不同環(huán)節(jié)需要換裝不同的農(nóng)機具，動力底盤和農(nóng)機具的快速換裝、關(guān)鍵核心部件的快速替換可顯著提高機組的作業(yè)效率[7-11]。對農(nóng)業(yè)機械模塊化設(shè)計，國內(nèi)研究人員進行了大量研究。趙東等[12] 為提高大蒜收獲機械對不同種植模式和行間距大蒜機械化收獲的適應(yīng)性，基于模塊化思想，將大蒜機械化收獲過程中所必需的功能進行集中設(shè)置，構(gòu)建了功能獨立的收獲單元模塊，實現(xiàn)了在不同種植模式和行間距下通過加掛收獲單元功能模塊即可實現(xiàn)不同行數(shù)大蒜機械化收獲的功能。高巧明等[6] 為提高農(nóng)業(yè)機械整機的使用率，基于模塊化設(shè)計理論，設(shè)計了一種全履帶模塊化的農(nóng)用動力底盤及其前置模塊快接裝置。尹健等[13] 基于模塊化設(shè)計思想，設(shè)計一種聯(lián)合收獲機械，通過功能分解，將整機劃分為多個關(guān)鍵模塊，在使用過程中通過對不同模塊的組合可實現(xiàn)適應(yīng)不同作物的收獲。劉宏新等[14-15] 以大豆播種機為研究對象，基于譜系層次劃分理論對大豆播種機中各零部件的功能和幾何相關(guān)性進行分析，利用模糊聚類法對關(guān)聯(lián)零部件進行單元聚合，構(gòu)建了大豆播種設(shè)備的譜系拓撲圖。宋正河等[16] 基于履帶式收獲機傳動系統(tǒng)設(shè)計流程和設(shè)計知識特點，將模塊化設(shè)計思想引入到履帶式收獲機傳動系的快速設(shè)計中，綜合運用基于規(guī)則實例和基于規(guī)則的推理方法，構(gòu)建了履帶式收獲機傳動系統(tǒng)的快速設(shè)計推理機制。陳夢佳[17] 針對現(xiàn)有大型青貯機械在丘陵山區(qū)適應(yīng)性低等問題，以功能流模型的模塊化理論為基礎(chǔ)，將青貯機械作業(yè)過程劃分為典型的模塊并進行仿真設(shè)計，通過虛擬裝配仿真結(jié)果可知，該方法設(shè)計出的機械可快速實現(xiàn)各模塊組裝和拆解的便捷性和快速性。殷彥強[18] 針對貴州省丘陵山區(qū)馬鈴薯收獲機械化率低的問題，利用功能流分析的模塊化設(shè)計方法，對馬鈴薯收獲機械進行不同層次的模塊劃分，獲得了一系列的功能模塊，通過將不同模塊的組合，派生出具有不同功能的收獲機械。孔朵朵[19] 針對丘陵山區(qū)地理條件復(fù)雜、市場上所售的單一機型對不同種植方式的水稻收獲過程適應(yīng)性差的問題，設(shè)計了電驅(qū)動式半喂入小型水稻收獲機，利用模塊化設(shè)計思想，將水稻收獲機的割臺和脫粒系統(tǒng)進行模塊化設(shè)計，并對割臺系統(tǒng)和動力底盤的部分接口進行優(yōu)化設(shè)計，通過收割系統(tǒng)模塊的不同組合，可獲得具備不同功能的收獲機械，顯著提升了農(nóng)業(yè)機械利用率。

由上述文獻分析可知，相關(guān)研究從模塊劃分、組合和模塊的重構(gòu)推理方面進行了研究和分析，并將部分研究成果應(yīng)用在農(nóng)業(yè)機械的生產(chǎn)管理、農(nóng)機具的重構(gòu)設(shè)計及機具接口的設(shè)計中，提高了丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械的開發(fā)及不同作業(yè)需求時不同農(nóng)機具換裝的效率。

2.3 丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械機組作業(yè)協(xié)同控制

丘陵山區(qū)動力底盤在使用過程中需適配特定的農(nóng)機具來完成農(nóng)業(yè)活動中部分生產(chǎn)環(huán)節(jié)的工作，為保證作業(yè)質(zhì)量，需要對動力底盤的行走和姿態(tài)調(diào)節(jié)等進行控制， 以獲得較好的作業(yè)質(zhì)量和較高的作業(yè)效率[20-25]。針對丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械動力底盤行走和姿態(tài)調(diào)節(jié)控制問題，國內(nèi)研究人員做了廣泛而深入的研究。

沈躍等[26] 為解決傳統(tǒng)機械傳動式動力機械底盤在水田環(huán)境作業(yè)時易出現(xiàn)的陷車和打滑問題，設(shè)計了一種四輪獨立電驅(qū)動自轉(zhuǎn)向電動底盤，并構(gòu)建擴張狀態(tài)觀測器和串級比例控制器對系統(tǒng)模型進行參數(shù)辨識和控制，仿真和試驗結(jié)果表明，在該控制方法作用下，所設(shè)計的動力底盤具有良好的通過性。金城謙等[27] 針對履帶式聯(lián)合收獲機在非平坦環(huán)境作業(yè)時，車身隨地表變換而傾斜導(dǎo)致作業(yè)效率低和安全性降低的問題，設(shè)計了一種履帶式聯(lián)合收獲機全向調(diào)平底盤，制定了調(diào)平控制策略并進行樣機試驗，結(jié)果表明，該機構(gòu)及控制策略在地形起伏較小情況下具有較好的自調(diào)平效果。趙建柱等[28] 針對常規(guī)農(nóng)業(yè)用動力底盤對丘陵山區(qū)適應(yīng)性差的問題，開發(fā)了主動平衡試驗平臺并采用雙通道式PID 控制策略對其平衡過程進行控制，試驗表明，在8 種不同坡度下，該主動平衡試驗平臺及其控制系統(tǒng)均能達到較好的平衡效果。劉路等[29] 針對丘陵山區(qū)環(huán)境下自走式履帶機器人行走過程中自身姿態(tài)波動大和跟蹤精度低等問題，利用降維運動學(xué)建模法，設(shè)計了一種基于降維變系數(shù)的滑模控制方法并進行試驗，結(jié)果表明，該方法在平整路面和崎嶇路面均具有較高的姿態(tài)調(diào)節(jié)和準確跟蹤能力。齊文超等[30] 為提高丘陵山區(qū)拖拉機在坡道作業(yè)時自動調(diào)平的性能，在團隊開發(fā)的丘陵山區(qū)拖拉機姿態(tài)調(diào)節(jié)機構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用雙閉環(huán)模糊PID 控制算法設(shè)計了車輪擺動角度自調(diào)平控制器，并將所設(shè)計控制器與雙閉環(huán)PID 控制器進行對比，結(jié)果表明，自調(diào)平響應(yīng)速度和控制精度方面，雙閉環(huán)模糊PID 控制器均優(yōu)于雙閉環(huán)PID 控制器。劉平義等[31] 針對丘陵山區(qū)農(nóng)用底盤傾斜后調(diào)平響應(yīng)滯后和調(diào)平精度低等問題，設(shè)計了一種采用Y 型可調(diào)懸架作為調(diào)平機構(gòu)的底盤預(yù)檢測主動調(diào)整機構(gòu)，提出了一種底盤傾斜預(yù)檢測主動調(diào)平方法并進行樣機試驗，結(jié)果表明，在預(yù)檢測主動調(diào)平行走過程中，所設(shè)計的預(yù)檢測主動調(diào)整機構(gòu)和方法可在0.5°范圍內(nèi)實現(xiàn)動態(tài)調(diào)平。張錦輝等[32] 針對丘陵山區(qū)拖拉機在作業(yè)時姿態(tài)調(diào)整精度和可靠性不足以滿足實際作業(yè)需求的問題，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 算法，設(shè)計了丘陵山區(qū)拖拉機車身和機具姿態(tài)同步控制系統(tǒng)，并將所提控制與PID 控制方法進行對比驗證，結(jié)果表明，在固定坡度和隨機坡度兩種作業(yè)工況下該方法均優(yōu)于PID 控制算法。楊福增等[33]針對山地履帶式拖拉機在等高線環(huán)境作業(yè)情況下，車身自調(diào)平和機具作業(yè)姿態(tài)的仿形調(diào)整問題，分別采用PID 和雙閉環(huán)模糊PID 算法設(shè)計了車身與農(nóng)具姿態(tài)協(xié)同控制系統(tǒng)并進行坡道作業(yè)試驗，結(jié)果表明，所設(shè)計的姿態(tài)協(xié)同控制系統(tǒng)在精度和穩(wěn)定性方面均能滿足丘陵山區(qū)等高線作業(yè)需求。

由上述文獻分析可知，相關(guān)研究針對丘陵山區(qū)機械車身姿態(tài)的調(diào)平問題，采用PID、模糊PID 和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID 控制的方法對機組作業(yè)時動力底盤的調(diào)平問題進行了分析，并且在丘陵山區(qū)動力底盤的車身自調(diào)平和所配套農(nóng)機具作業(yè)時的姿態(tài)調(diào)整問題進行了研究。

3 存在問題

（1）對丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械的開發(fā)多以平原農(nóng)業(yè)機械設(shè)計方法為基礎(chǔ)，以實現(xiàn)高通過性和車身穩(wěn)定性為目標，基于平原用農(nóng)業(yè)機械設(shè)計經(jīng)驗對丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械進行改造設(shè)計，所設(shè)計出的產(chǎn)品多以傳統(tǒng)的集中動力源（通常為一個柴油機或汽油機）供能驅(qū)動方式且在設(shè)計過程中僅考慮機械的通過性和穩(wěn)定性，多注重功能的實現(xiàn)，對驅(qū)動系統(tǒng)拓撲設(shè)計和傳遞效率的考慮較少。日本和國內(nèi)的部分廠家開發(fā)了一種適用于丘陵山區(qū)耕作的微耕機型，但這些機型在使用過程中需要操作人員對機型進行按壓才能實現(xiàn)良好的作業(yè)效果，并且在按壓過程中，機器的振動容易增加操作人員的勞動負荷，容易出現(xiàn)機械傷人的事故。

（2）模塊化設(shè)計理念在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用，相關(guān)研究人員從模塊劃分、組合及模塊重構(gòu)推理方面進行研究。然而，現(xiàn)有研究多集中在以功能流分解為基礎(chǔ)對已有機型進行模塊劃分方法的研究，僅在結(jié)構(gòu)設(shè)計層面以功能分解為基礎(chǔ)對系統(tǒng)進行模塊劃分，未考慮丘陵山區(qū)動力底盤及其配套機具在工作過程中部分關(guān)鍵部件之間的動態(tài)響應(yīng)存在相互影響效應(yīng)（耦合性），采用以功能流為基礎(chǔ)的層次分解法設(shè)計出的模塊雖在結(jié)構(gòu)上可實現(xiàn)模塊化，但不利于對系統(tǒng)整體性能動態(tài)特性的優(yōu)化，更沒有從設(shè)計和控制兩層面同時對系統(tǒng)進行模塊化設(shè)計和分析。

（3）現(xiàn)有研究對丘陵山區(qū)動力底盤在非平坦地表作業(yè)時姿態(tài)自調(diào)平控制方法做了大量的研究。然而，這些研究僅從控制角度對丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械動力底盤在坡道作業(yè)時車身的自調(diào)平和機具的姿態(tài)調(diào)整方面進行研究，所設(shè)計的控制器多以PID 控制器為主，控制參數(shù)的設(shè)定具有一定的偶然性，對農(nóng)機具作業(yè)工況的自適應(yīng)性差。在車身調(diào)平和機具姿態(tài)調(diào)整協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計時未考慮機械作業(yè)時動力底盤與農(nóng)機具之間的互作效應(yīng)及作業(yè)時機組的動態(tài)響應(yīng)規(guī)律，更未從設(shè)計?控制層面同時對系統(tǒng)進行優(yōu)化。

4 發(fā)展建議

4.1 新型動力傳動裝置開發(fā)

動力底盤的驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)型不僅影響農(nóng)業(yè)機械的通過性和穩(wěn)定性，同時也影響動力底盤的空間布置形式，單動力源集中供能的驅(qū)動方式制約車輛驅(qū)動系統(tǒng)行走機構(gòu)和動力輸出接口的拓撲設(shè)計，不利于農(nóng)業(yè)機械的輕簡化和模塊化發(fā)展。隨著我國電機、電池和電控技術(shù)的發(fā)展，探索以高功率和體積密度的電機作為主要動力源，采用多源驅(qū)動的方案，研究多源驅(qū)動方式下不同構(gòu)型方案生成和優(yōu)選方法，分析多源驅(qū)動傳動裝置的功率流特性，開展傳動系統(tǒng)傳動鏈主要參數(shù)設(shè)計方法研究。

4.2 零部件耦合/解耦模塊化設(shè)計方法研究

對丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械的開發(fā)不僅要求其在功能上滿足丘陵山區(qū)農(nóng)田作業(yè)的需求，更要求其在性能上滿足農(nóng)戶的使用需求，最大程度降低農(nóng)民的使用成本和降低勞動負荷，這就要求丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械在開發(fā)階段就要分析不同動力驅(qū)動裝置和農(nóng)機具間在不同作業(yè)場景下的協(xié)同效應(yīng)，包括不同動力裝置和農(nóng)機具間在結(jié)構(gòu)上換裝的便利性，在功能上的高效性。因此，探索考慮丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械的動力底盤及配套農(nóng)機具組成的系統(tǒng)中關(guān)鍵零部件動態(tài)特性之間耦合機理、解耦方法及模塊化建模方法可為丘陵山區(qū)動力底盤作業(yè)時動態(tài)特性分析及動力底盤和農(nóng)機具的自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制提供理論基礎(chǔ)。

4.3 農(nóng)機機組智能化協(xié)同自適應(yīng)控制研究

丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械作業(yè)的特點是機具樣式多、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜和隨機干擾性大。要保證機組的作業(yè)效率和質(zhì)量，需要從設(shè)計和控制兩層面對機組在復(fù)雜環(huán)境下作業(yè)時的控制進行分析。因此，未來可從丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械作業(yè)時動力底盤與農(nóng)機具間動態(tài)特性分析，以及從設(shè)計?控制層面對整個系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)優(yōu)化控制設(shè)計，開展丘陵山區(qū)動力底盤作業(yè)時車身和機具姿態(tài)的自適應(yīng)控制。此外，基于丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械作業(yè)工況的復(fù)雜性，現(xiàn)有研究中對控制器的設(shè)計多以簡化的理想模型為基礎(chǔ)，設(shè)計出的控制器需要人為對參數(shù)進行反復(fù)調(diào)整和標定，未來研究中可利用數(shù)字驅(qū)動建模的方法對系統(tǒng)動態(tài)特性進行分析，以便于控制器的設(shè)計及控制層面，可采用強化學(xué)習(xí)和最優(yōu)控制理論對機組的作業(yè)過程進行協(xié)同自適應(yīng)優(yōu)化控制。

5 結(jié)束語

提升丘陵山區(qū)的農(nóng)業(yè)機械化水平是提升我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的關(guān)鍵抓手，也是未來實現(xiàn)丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械自動化和智能化的重要途徑。本研究從農(nóng)業(yè)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方法、農(nóng)業(yè)機械的模塊化設(shè)計和農(nóng)業(yè)機械的控制3個方面對丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械的研究現(xiàn)狀進行了分析，并針對當(dāng)前研究中存在的不足之處提出了建議。

（1）通過使用新型動力源裝置（電機或馬達）構(gòu)建新型多源動力驅(qū)動和輸出的丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械動力傳動系統(tǒng)方案。

（2）在利用模塊化方法對丘陵山區(qū)農(nóng)業(yè)機械設(shè)計時，應(yīng)深入研究動力底盤及配套農(nóng)機具組成的機組中關(guān)鍵零部件功能、性能和結(jié)構(gòu)耦合機理及解耦方法。分析動力底盤及配套農(nóng)機具組成的機組在作業(yè)工況下，系統(tǒng)中各關(guān)鍵零部件在功能、性能和結(jié)構(gòu)方面的耦合關(guān)系及機理，探究各關(guān)鍵零部件之間的解耦方法，為系統(tǒng)的模塊化劃分、換裝接口設(shè)計和建模分析方法提供參考。

（3）在復(fù)雜作業(yè)工況下利用數(shù)據(jù)驅(qū)動建模和控制的方法對底盤行走系統(tǒng)、車身姿態(tài)調(diào)整和農(nóng)機具姿態(tài)的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制展開研究，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械性能提升。

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