油菜收割机如何实现智能化“变身”

徐立章团队研发的油菜收割机在田间作业。 资料图

研究联合收割机已经20年的江苏大学农业工程学院研究员、国家油菜产业体系岗位科学家徐立章坦言，在田间试验操作机器时简直就是手忙脚乱。“开油菜收割机和开车完全是两码事，一旦进入田块作业，耳朵要听发动机的声音，眼睛要看前方的作物状态、留茬高低和割台搅拢喂入是否顺畅，左手控制作业速度，右手还要调整拨禾轮和割台的高低。”徐立章说，联合收割机收得好不好，很大程度上依赖于机手的操作经验。

徐立章参与的“油菜联合收割机关键技术与装备”项目曾获2013年度国家技术发明二等奖，解决了油菜联合收割机的机械化收获性能难题。近年来他又承担了十三五重点研发计划“智能化油菜联合收割机”子项目。这一次，他瞄准了油菜联合收割机智能化问题，致力于减轻机手的负担，并降低收获总损失率。

实现智能化先从解放左手开始

联合收割机由1万多个零部件组成，是农机装备中最复杂的作业机械。我国农作物品种多、分布广，作物特性差异大等问题也对联合收割机的收获适应性提出了更高的要求。在我国，油菜的收获总损失率相比于其他作物明显偏高，国家标准为8％。油菜株形高矮、产量多少、角果层疏密等多种因素，决定了联合收割机控制模型的难度。

“我们想先把机手的左手解放出来，这样必须解决收割机速度的自适应控制。”徐立章介绍，油菜的喂入量在3公斤左右，其草谷比、含水率等差异，都会造成作业性能的波动。

徐立章团队研发出了速度自适应控制模块，安装该模块后收割机可以根据作业负荷自动调节速度，既避免了喂入堵塞又能保持较高的作业效率。这样的智能化装置受到了机手们的好评：“左手本来要控制操纵杆调节机器作业速度，现在注意力只要放在右手上，劳动负荷减轻了不少。”

速度控制了，喂入量稳定了，不代表工作性能就一定好，损失的自动控制是摆在徐立章面前的又一个“拦路虎”。

在开机前，有经验的机手往往会根据油菜的产量、成熟度预先调整好鱼鳞筛的开度，这个开度一旦确定后，除非停机基本不会再调整。徐立章介绍，这其实是一对矛盾的指标。开度小了，损失就大；开度大了，损失过小，杂余就会太多。要达到完美的平衡，还必须实现清选损失的自动控制。

抓住小籽粒的信号

成熟的油菜籽多为球形或者近似球形的小颗粒，直径在2毫米左右。在嘈杂的收割作业背景振动信号中，如何抓住这么小的籽粒信号？如何区分籽粒、茎秆、角果壳等不同信号？负责损失传感器研发工作的梁振伟老师告诉记者，他们把损失传感器分为了一体多块式，可以根据响应频率和幅值的差异，准确地抓取油菜籽的信号，并以此为依据，自动调整鱼鳞筛的开度。越来越少依赖人工经验，实现损失的实时监测和自动控制，这样的智能化系统，对于机手特别是新机手来说，又是一大福音。

在四川、江苏等地的试验中，团队研制的联合收割机云平台也发挥了重要作用。这是江苏大学农业工程学院和计算机科学与通信工程学院的一次跨界合作。尽管试验已经结束，负责研发云平台的陈继明副教授打开手机APP，依然可以查询到收割机当时在田间收获的主要工作参数。

“这是一张工况图，也是一张处方笺，可以为农业精准管理提供信息支持。”陈继明说，云平台记录了收割机在田块任意位置的工作参数，可以据此描画出田块的损失分布、产量分布等信息，为来年的播种、施肥等田间管理提供参考。同时，云平台还会根据收割机的使用时间、运行状态，及时给机手提供收割机是否需要维修保养的健康诊断。

江苏省农业机械试验鉴定站的检验报告也显示，该研发产品具备主要参数实时采集、故障诊断与自动监控功能、清选损失监控和清选筛开度自适应调节等功能，总损失率为2.9％，含杂率为1.4％，破碎率0，远远高于国家相关标准要求。

夯实智能化 迈向无人化

自2016年承接油菜联合收割机智能化项目以来，徐立章带领团队天南地北地做实验，采集了大量数据，不断地改进完善控制模型。“收获机械必须去田里作业，才有办法测试传感器准不准、控制模型好不好用，在实验室里是没法模拟的。”徐立章说。

经过这么多年努力，在江苏大学农业工程学院的支持下，仅江苏沃得农业机械有限公司生产的履带式联合收割机就已占据了国内市场份额的近60％。徐立章从中感受到科研工作产生的实际效应，“看到自己设计的机器大江南北到处在用，我非常自豪，感觉到自己为我国农机产品的技术进步尽了份力。”

用科学的调控来代替机手主观经验的判断，徐立章把这个智能化系统称为“联合收割机辅助收获智能调控系统”。目前，鉴于智能化控制研发技术已经成熟，他也开始忙于该系统的产业转化工作。

在徐立章看来，要实现联合收割机无人化，前提必须先解决智能化的问题。我国联合收割机的人机共驾态势还会较长时间存在，目前阶段的智能化更像是个助手，辅助机手和机器更高效、更精准地作业。

“推进农业机械化、智能化，是为了农业生产降本、提质、增效。”徐立章告诉记者，他还有新的目标，在解放左手后进一步解放右手，在解决收割机直线行走的基础上解决转弯处的自动控制，他也计划攻克通用型清选损失传感器的难题。他的设想是：“将来智能化联合收割机不仅能收水稻、小麦、油菜，还能收玉米、大豆、谷子、高粱，要真正实现联合收割机的智能化多功能收获。”