农业激光平地机的研究与发展.pdf

2023年第8 期农机使用与维修103农业激光平地机的研究与发展侯云涛（黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨1 5 0 0 8 1）摘要：农业激光平地机的广泛应用，可以显著改善我国农田微地形条件，显著提高农田表面的灌溉效率和水分分布均匀度，同时获得显著的节水、增产、节约劳动力和提高土地利用率等多重效益。综述了国内外农业激光平地机的发展情况，分析了我国农业激光平地机的整体研究现状及关键部件的研究进展，并对近年来国内农业激光平地机及其关键部件的主要研究工作及应用成果进行了论述，探讨了我国农业激光平地机的未来发展趋势和研究方向，以期为后续相关产品的研究提供参考。关键词：农业；激光平地机；研究进展；参考中图分类号：S220The Research and Development of Agricultural Laser Land Leveling Machines(Heilongjiang Academy of Agricultural Machinery Sciences,Harbin 150081,China)Abstract:The widespread application of agricultural laser land leveling machines can significantly improve the micro-topography of farmland in China,significantly enhance the irrigation efficiency and water distribution uniformity of farm-land surfaces,and achieve multiple benefits such as significant water savings,increased yield,labor saving,and im-proved land utilization.This article summarizes the development of agricultural laser land leveling machines at home andabroad,analyzes the overall research status of agricultural laser land leveling machines in China and the research pro-gress of key components,and reviews the main research work and application achievements of domestic agricultural laserland leveling machines and their key components in recent years.The future development trends and research directionsof agricultural laser land leveling machines in China are also discussed,in order to provide references for subsequent re-search on related products.Keywords:agriculture;laser land leveling machine;research progress;reference0引言激光平地技术采用了激光控制技术和先进机械制造技术，相比传统的农田平地方法具有更高的科技含量和更高的精度。采用该技术可以更加精准地实现土地平整，从而大幅提高农田的灌溉效率和作物产量。激光平地技术还具有非常显著的节约用水、提高生产效率和土地利用率、减少用工人数等效果，可以使农业生产更加高效、经济和环保。此外，激光平地技术还能够为实现耕种管收等农业生产环节的精准化、智能化和高效化操作奠定基础，是现代农业生产中必不可少的技术手段，其应用可以提高农业生产效益和可持续性，促进农业现代化和农村经济的发展。首先，平地是我国发展节水农业的基础措施。激光平地技术可以使农田地面平整度更高，从而减基金项目：黑龙江省农业科学院“农业科技创新跨越工程”专项项目（HNK2022CX20）作者简介：侯云涛（1 9 8 4 一），男，黑龙江牡丹江人，硕士，工程师，研究方向为农业工程。文献标识码：AHOU Yuntao少灌溉水分在田间流失的情况。传统的农田平地方法往往无法保证农田地表的平整程度，造成水分在田间无法充分利用，而激光平地技术可以实现农田地表的高低差只有1 cm的平地效果,该条件下农田灌溉仅仅需要少量水即可，从而节约大量的农田灌溉用水，使农田的灌溉作业更加高效。其次,农田的高效平整能够为改善农田土壤质量和增加农作物产量打下坚实基础。在传统的平地方法中，土地表面往往存在高低起伏不平的情况，使水分在地表流动时很容易滞留在低洼处，导致水分的蒸发和土地盐碱化 2 。而激光平地技术通过精细的平整土地表面,可以让水分在土地表面快速流动，减少了水分滞留的情况，从而减少了土壤盐碱化的风险。提高了土壤保持肥力和水分的能力，为农作物的增产丰收奠定基础。最后,激光平地技术的先进性和重要性还在于其有利于田间作业和管理。激光平地技术可以实现农田土壤表面的高精度平坦，平缓了农田高低起伏的地形,提高了田间作业的安全性和效率，有利于大型农业机械的操作和管理，使农业生产更加智doi:10.14031/ki.njwx.2023.08.031104能化、高效化、集约化 3 1。传统的农田平地方法往往会使田（渠)占用较多的土地面积，而激光平地技术可以尽量扩大格田面积，有效控制田（渠)的面积，从而提高土地利用率。1农业激光平地机组成农业激光平地机的工作原理是通过使用激光测量地面高度，以控制机器的高度和姿态，从而使地面平整。在工作时，农业激光平地机将激光束发射到地面上，并使用接收装置接收反射回来的信号。计算机将这些信号与参考高度进行比较，并根据需要调整机器的高度和姿态，以保证地面平整度符合要求。同时，平地铲水平检测装置会检测平地铲的水平状态，并与激光接收装置的信号进行比较,以确定平地铲是否需要调整位置或高度。最终，液压动力系统会提供驱动平地铲和调整平地铲高度。农业激光平地机主要由以下几个部分组成。1.1激光发射器农业激光平地机中的激光发射器通常是一个高精度的旋转激光发射器，能够产生一束平行于地面的激光束，用来测量地面高度。1.2激光接收装置接收装置通常是一个高精度的传感器，用来接收激光束反射回来的信号，并将这些信号转换为数字信号。控制系统读取数字信号，以确定地面高度的变化。1.3液压动力系统液压动力系统是农业激光平地机的动力来源，用来提供驱动平地铲和调整平地铲高度的驱动力。1.4平地铲平地铲是农业激光平地机的工作部件，用来刨平地面并调整地面高度。1.5平地铲水平检测装置平地铲水平检测装置用来检测平地铲的水平状态,并与激光接收装置的信号进行比较，以确定平地铲是否需要调整位置或高度。1.6控制器控制器是农业激光平地机的核心，用来控制机器的运动。控制器通常包括一个中央运算处理器、电子控制器和马达控制器。中央运算处理器会接收来自传感器的数字信号，并通过电子控制器和马达控制器控制机器的运动，以保证农业激光平地机在地面高度发生变化时能自动调整高度和姿态。农机使用与维修2国内外农业激光平地机研究进展2.1国外研究进展美国在2 0 世纪6 0 年代已经开始研究如何利用激光技术，随后在2 0 世纪7 0 年代初开始研制激光在农田平整领域的应用。最早的激光平地机是用于运动场地和高尔夫球场，其后被广泛应用于农田的平整工作。这些早期的农业激光平地机采用机械控制系统，需要人工控制激光信号和地平机的位置。随着计算机技术的发展,农业激光平地机逐渐实现了自动化控制，能根据土地表面高程数据进行自主平整。目前，美国的农业激光平地机技术已经非常成熟，广泛应用于农田的平整和排灌工作。欧洲在2 0 世纪8 0 年代开始研制农业激光平地机。最初的农业激光平地机也是采用机械控制系统，需要人工控制激光信号和地平机的位置。在20世纪9 0 年代初期，欧洲开始引人GPS技术，将其与激光技术相结合，实现了更高精度的自动化控制。欧洲农业激光平地机在技术上非常先进，能在较短时间内完成大面积的平整工作。在2 0 世纪9 0 年代初期，日本开始将GPS技术应用于农业激光平地机的控制中，使农业激光平地机的精度和效率得到了进一步提高。此外，日本的农业激光平地机还可以进行实时监测和反馈，随时调整工作方式，确保工作效果的稳定和高效。随着时间的推移，日本的农业激光平地机逐渐实现了更高级别的智能化和自主化。例如，可以通过传感器获取地表数据，然后将数据输入计算机系统进行处理,从而实现更加精细化的平整效果。此外，日本的农业激光平地机还可以实现自主规划和路径规划,从而在实际工作中更加高效、稳定。2.2国内研究进展国内关于农业激光平地机的研发历程可以追溯到2 0 世纪8 0 年代末期。高校、研究院所和企业开始关注激光技术在农业生产中的应用，一些单位开始尝试将激光技术应用于地面平整和作物管理。经过多年的实践和研发，一些先进的农业激光平地机研制成果开始出现，包括华中科技大学研制的激光平整机、山东大学研制的激光平整装置等。华中科技大学研制的激光平整机是中国最早的农业激光平地机之一，于2 0 世纪8 0 年代末期研制成功。该机采用激光技术实现高精度地面平整，能快速平整大面积土地。该机还具有操作简单、维护方便等特点，深受农民和种植户的欢迎。但是，2023年第8 期2023年第8 期该机的制造成本较高，价格较贵。山东大学研制的激光平整装置是一种新型的农业激光平地机，于20世纪9 0 年代研制成功。该装置采用激光雷达技术实现高精度地面平整，能快速平整不规则地形和曲线地形,适用于各种类型的农田。该装置还具有作业效率高、精度高、耗能低等特点，被广泛应用于农田地面平整和土地整治。但是，该装置的体积较大，不易搬运和操作。近年来，国内的一些企业也开始大力投入农业激光平地机的研发和生产，如山东新北洋、江苏华光、河南龙光等企业。河南龙光研发的农业激光平地机是一款全新的农业激光平地机，具有高效、节能、环保、易操作等特点。该机采用多重传感器控制系统,能快速响应地形变化，实现高精度的地面平整。此外，该机还具有自动控制、作业效率高等特点，是一款非常实用的农机设备。这些企业不仅研发了一系列高端的农业激光平地机产品，还拓展了农业激光平地机在海外市场的销售。3我国农业激光平地机的分类及功能部件研究进展3.1分类根据功能和使用方式的不同，我国研发和应用的农业激光平地机可以分为牵引式和悬挂式。3.1.1牵引式农业激光平地机该类型的农业激光平地机需要由拖拉机或其他车辆进行牵引，具有较高移动灵活性，动力强劲，适用于对牵引力要求较高的情况 4 。操作相对简单,易于掌握和操作，适用于旱田和平原地区的大面积平整作业，效率高。但是不能很好地适应不同的地形和坡度。3.1.2悬挂式农业激光平地机由于我国南方水田众多，且地形多样，地面不平坦却较为松软，加之水下环境复杂，往往存在不易清理干净且极易影响平地铲工作效果的杂物，如水稻残茬和藤蔓等 5 。因此,采用悬挂连接方式将农业激光平地机与拖拉机连接更为可靠，使其能较好地适应水田平地工作的特殊性。3.2功能部件研究进展为确保农业激光平地机取得良好的平地效果，国内的高校、研究院所和企业一直致力于农业激光平地机关键部件的研发，包括平地铲、液压系统、激光装置、控制装置和转角测量装置等功能部件。农机使用与维修3.2.1平地铲的研究在平地铲方面，目前的研究重点主要在于开发新型耐磨、高强度的平地铲材料和结构，以提高农业激光平地机的使用寿命和工作效率。例如，华中科技大学研发了一种采用耐磨合金钢材质制造的平地铲,经过实验验证,该平地铲的耐磨性能显著提高,能满足农业激光平地机在农田中的实际需求 6 ;河南农业大学研制的JPD-360型农业激光平地机采用了一种特殊的平地铲,该平地铲在硬度和抗磨性方面都得到了提高，同时在保证土地平整度的前提下,还能大幅提高工作效率 7 。3.2.2液压系统的研究液压系统是农业激光平地机中的重要部件之一,其研究重点主要在于提高液压系统的效率和稳定性。例如,扬州大学研发了一种采用智能控制技术的液压系统,能够实现平地过程的精准控制 8 华南农业大学研制的农业激光平地机中采用了一种新型液压系统，该系统具有更高的稳定性和精度，可大幅提高机器的工作效率 9 3.2.3激光装置的研究激光装置是农业激光平地机中的核心部件之一,其研究重点主要在于提高激光发射器和接收器的精度和稳定性。例如,西北农林科技大学研发一种高精度、长寿命的激光接收器，能够在恶劣环境下稳定工作，保证农业激光平地机的工作精度和稳定性1 0 。华南农业大学研制的农业激光平地机中采用一种高精度的激光发射器，可实现对土地的高精度扫描和测量，并能根据实时数据进行智能化调整。3.2.4控制系统的研究控制系统是农业激光平地机中的重要部件之一,其研究重点主要在于提高农业激光平地机的智能化程度和操作效率。例如,北京理工大学研发了一种基于物联网技术的智能控制系统，能实现机器的远程控制和数据分析，有效提高农业激光平地机的智能化程度和操作效率；湖南农业大学研发的农业激光平地机采用了一种基于物联网技术的智能控制系统，该系统可以实时监测装置的工作状态，以提高工作效率和精度；中国农业大学研发的农业激光平地机采用了一种基于MEMS技术的转角测量传感器，该传感器具有更高的精度和稳定性，可实现对机器的转向角度的精确测量。1051064我国农业激光平地机的发展趋势与研究方向农业激光平地机在农业生产中的应用越来越广泛，其发展趋势和研究方向应当包括以下几个方面。4.1产品型号系列化、功能多样化根据不同的农田作业需求和地形条件，研发多款型号的农业激光平地机，强化电液控制部件的研发创制、增强平地铲的普适性，使农业激光平地机不但能适用于北方大块平原的旱田平整，还能适用南方丘陵地形的水田平整，以满足不同客户需求。4.2性价比的提高随着农业生产的发展，人们对农业机械设备的性价比要求越来越高，因此农业激光平地机的研究和发展需要考虑到性能和价格之间的平衡，降低关键控制和测量装置的生产成本，以满足农民的实际需求。4.3智能化的发展智能化是当前各种机械设备的发展趋势，随着科技的不断进步，农业激光平地机的研究方向也逐渐向智能化、自动化发展。通过加装传感器、控制系统和人工智能技术等设备，实现农业激光平地机的自主导航、自动作业等智能化功能，提高农机设备的智能化程度,降低劳动力成本，提高生产效率。4.4人机工程的改进为了提高操作员的舒适度和操作体验，农业激光平地机的人机工程也需要不断完善。研究方向包括座椅、控制台、操作杆等设备的舒适性和易用性的改进，以及安全系统的完善等。提高机器的人机交互性，使操作更加简单、方便和安全。4.5组织形式和管理模式的创新未来，农业激光平地机的使用方式和管理模式也会随着技术的发展而发生变化。例如，可能出现农民通过网络平台共享农业激光平地机的使用，从而实现资源共享和降低成本的方式。此外，农业激光平地机的管理模式也需要不断完善，例如，通过大数据分析来实现设备的故障诊断和维护等。昆明理工大学研发了一种基于节流阀和双缸控制技术的智能控制系统，能够实现机器的远程控制和数据分析，有效提高农业激光平地机的智能化程度和操作效率 1 2 。农业部南京农业机械化研究所研发的农业激光平地机采用了一种基于平衡调节技术的智能控制系统，该系统可以实时监测装置农机使用与维修的工作状态,以提高工作效率和精度 1 3 。华南农业大学研发的农业激光平地机采用了一种基于MEMS技术的转角测量传感器，该传感器具有更高的精度和稳定性，可实现对机器的转向角度的精确测量。5结语激光平地技术在农业领域发挥着重要作用，不仅在土地平整方面实现省水、增产的目标，而且为其他农业机械作业环节的顺利进行奠定了基础。随着农业投人力度的增加和科技的进步，必将进一步为农业可持续发展做出重要贡献。参考文献：1 白岗栓，邹超煜，冯光惠，等.激光平地对河套灌区土壤水分入渗及秋浇质量的影响 J.中国农业大学学报,2 0 2 3,2 8(2):1 3 5 -1 4 6.2范雷雷.河套灌区地面灌溉灌水质量评价及技术要素优化 D.呼和浩特：内蒙古农业大学.3赵兴家，李洪雨.智能激光平地机的应用效果分析J.现代化农业,2 0 1 8(9)：6 1.4胡炼,般延勃，杜攀，等.水稻田激光平地技术研究与展望 J.中国稻米,2 0 2 0,2 6(5):1 6-1 8.5李海荣，马宁，陈建国.激光平地机的分析与设计 J.农业装备与车辆工程，2 0 1 9,5 7（7）：1 0 1-1 0 2+1 0 6.6 华中理工大学科研成果一一高强韧低合金冷模具钢6CrNiMnSiMoV(GD钢)J.华中理工大学学报,1 9 9 2(5):30.7姚东伟，刘存祥.JPD3 6 0 型旱地激光平地机的研究设计 J.农机化研究,2 0 1 7,3 9(6)：8 5-9 0+9 5.8王理想自平衡双轴旋耕水田平整机设计与试验研究D.扬州大学,2 0 2 0.9赵祚喜，涂海，冯荣等一种采用液压马达的平地机平地铲调平装置P广东省：CN107046816B,2021-09-17.1 0】姚亚萍.激光控制平地系统的研究与设计 D.西北农林科技大学,2 0 1 0.1 1 蒙世博激光平地机激光接收器设计与试验研究D.华南农业大学,2 0 2 0.12杨青丰，尚业华,刘思雨等.激光平地机自动调平控制系统的研制J.安徽农业科学，2 0 1 7，4 5（3 4）：218-221.13】俞勇根，陈小兵,彭卓敏等.带自动平衡调节装置的拖挂式激光平地机 J.中国农机化学报,2 0 1 6,3 7（8)：31-34.1 4 赵喜，罗锡文，李庆等.基于MEMS惯性传感器融合的水田激光平地机水平控制系统 J.农业工程学报，2008(6):119-124.(04)2023年第8 期