我國精量播種機自動(dòng)化關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

張 惠，潘 峰，紀 超，陳金成

（1.新疆農墾科學(xué)院機械裝備研究所，新疆 石河子 832000；
2.農業(yè)農村部西北農業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗室，新疆 石河子 832000）

隨著(zhù)機電一體化、智能控制等技術(shù)在農業(yè)領(lǐng)域的普及應用，農機裝備在產(chǎn)品迭代過(guò)程中融入了更多自動(dòng)化元素。其中，作為承擔高效播種任務(wù)的裝備載體，精量播種機在歐美發(fā)達國家已通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)變革實(shí)現了作業(yè)效率與作業(yè)質(zhì)量的跨越提升。美國Precision Planter、德國Horsch 等大型農機企業(yè)研發(fā)的高速智能播種機系列產(chǎn)品，以電驅排種技術(shù)為核心，配置作業(yè)監測、變距播種、自主調節等多種智能化功能，在維持高精度作業(yè)的同時(shí)，速度可達12～16 km/h。為提升我國大田播種精細化水平與種植效益，國內相關(guān)學(xué)者通過(guò)技術(shù)引進(jìn)、吸收與再創(chuàng )新等方式對播種機自動(dòng)化技術(shù)展開(kāi)了諸多嘗試和探索，并在排種器驅動(dòng)方式、驅動(dòng)控制策略、作業(yè)監測系統、自動(dòng)補種技術(shù)等方面取得了顯著(zhù)的研究進(jìn)展。故本文將從以上4 方面對我國播種機自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行綜述研究，針對現存問(wèn)題提出建議并展望未來(lái)趨勢，旨在為高效智能播種技術(shù)及裝備的研究提供參考。

根據動(dòng)力源不同，排種器的驅動(dòng)方式主要分為地輪驅動(dòng)、液壓馬達或氣壓馬達驅動(dòng)和電機控制驅動(dòng)3 大類(lèi)。

傳統排種器驅動(dòng)力主要來(lái)源于地輪驅動(dòng)和鏈條傳動(dòng)組成的動(dòng)力系統，該動(dòng)力系統機械結構簡(jiǎn)單、成本低廉、易于維修操作。實(shí)際播種作業(yè)中，地輪滾動(dòng)易受農田地況影響，產(chǎn)生滑移、跳躍等現象，造成粒距不均、斷條漏播[1]等問(wèn)題，嚴重制約了播種質(zhì)量的進(jìn)一步提升，作業(yè)速度通常維持在5～7 km/h 水平，且難以實(shí)現株距實(shí)時(shí)調節等自動(dòng)化功能。

上世紀80 年代，出現了液壓馬達或氣壓馬達驅動(dòng)方式，前者利用液壓馬達驅動(dòng)傳動(dòng)主軸，再通過(guò)萬(wàn)向節將液壓動(dòng)力傳遞或分配給排種單體，常見(jiàn)于獨立驅動(dòng)排種器和集中驅動(dòng)排種器[2]2 種形式；
氣壓馬達驅動(dòng)主要通過(guò)調節氣壓流量控制排種器轉速。液壓馬達和氣壓馬達驅動(dòng)方式調速精度較高、范圍寬，響應速度和傳動(dòng)平穩性各有所長(cháng)，但低速作業(yè)時(shí)性能穩定性較差，故障診斷和維修不方便且調速系統造價(jià)較高[3]。

電機驅動(dòng)是以電機控制排種器轉動(dòng)，其動(dòng)力傳輸方式主要分為以下3 種：①電機通過(guò)鏈條將動(dòng)力傳輸至排種器轉軸；
②電機輸出軸直接或通過(guò)減速器與排種器轉軸連接；
③電機輸出軸安裝齒輪，與加工有外齒的排種器種盤(pán)嚙合連接[4]。通常情況下，電機啟停時(shí)間、轉速變化、動(dòng)力大小等參數可根據衛星、傳感器獲得的機具行走速度、環(huán)境工況等實(shí)時(shí)調節，實(shí)現無(wú)級變速與精準控制。

隨著(zhù)電機產(chǎn)品的廣泛應用以及電驅技術(shù)的熟化普及，歐美發(fā)達國家已實(shí)施播種機技術(shù)變革升級，規?；茝V電驅精量播種機，實(shí)現效率與質(zhì)量的雙重提升。為緊追高端播種機發(fā)展國際步伐，我國學(xué)者圍繞電驅播種控制技術(shù)展開(kāi)了深入研究，并形成諸多理論成果。

2.1 電機控制原理

按照控制系統有無(wú)反饋進(jìn)行劃分，主要包括開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制，其算法類(lèi)型較為多樣化，包括比例控制、PID 控制、模糊控制、模糊PID 控制等。采用上述控制算法目的是使電機轉速快速跟隨車(chē)速變化，以保持播種粒距的均勻性和一致性。

付衛強[5]采用液壓馬達代替地輪驅動(dòng)排種器轉動(dòng)排種，設計了基于GNSS/IMU 技術(shù)組合測速方法的排種控制系統，圖1 為液壓馬達轉速控制的示意圖。田間試驗表明，精量播種控制系統的粒距合格指數比地輪驅動(dòng)方式高8.75%。

圖1 液壓馬達轉速控制示意圖

直流無(wú)刷電機配套減速器增大扭矩，控制方式大多采用PID 閉環(huán)控制，控制器設計簡(jiǎn)單，控制原理已較為成熟。趙雪等[6]設計了一款氣吸式玉米播種機電控制系統，采用光電編碼器實(shí)時(shí)采集機車(chē)作業(yè)速度，通過(guò)直流電機驅動(dòng)排種器，可提高播種機作業(yè)靈活性和播種質(zhì)量，作業(yè)速度為4～8 km/h 時(shí)，粒距合格指數為95.9%。

陳蔣[7]利用模糊PID 控制直流無(wú)刷電機驅動(dòng)小麥排種器，系統無(wú)超調量，速度范圍處于2～11 km/h 時(shí)，調速誤差不超過(guò)5.7%。丁友強等[8]以增量式PID 輸出的修正增量Δu（k）作為占空比的修正增量，由STM32 控制器輸出PWM 控制信號，播種性能高于國標要求。常規PID 控制及模糊PID 控制原理如圖2所示，模糊PID 控制是在PID 控制的基礎上，增加了模糊推理算法實(shí)時(shí)根據轉速誤差和誤差變化率調整Kp，Ki，Kd控制參數，以滿(mǎn)足實(shí)際作業(yè)時(shí)對調速系統快速性和穩定性的要求。

圖2 常規PID 與模糊PID 控制原理

為獲取更高精度的轉速控制，部分學(xué)者選取步進(jìn)電機作為排種驅動(dòng)執行元件。趙麗清[9]設計了一款以W77E587 單片機為核心組件的二相混合式步進(jìn)電動(dòng)機開(kāi)環(huán)控制系統，系統運轉平穩性好，改善了播種質(zhì)量，兩相混合式步進(jìn)電機細分驅動(dòng)原理如圖3所示。

圖3 兩相混合式步進(jìn)電機細分驅動(dòng)原理

李正義等[10]和王貴麗等[11]設計了基于PLC 玉米機械播種量的步進(jìn)電機閉環(huán)控制系統，在一定程度上提高了播種精度，而且系統運行穩定性也比較好，滿(mǎn)足播種要求。

2.2 變量播種技術(shù)

變量播種技術(shù)在合理利用資源和降低生產(chǎn)成本方面具有重要的現實(shí)意義[12]。變量播種技術(shù)主要包括自動(dòng)控制、定位與導航、決策分析等，其關(guān)鍵是通過(guò)排種驅動(dòng)系統按照決策信息實(shí)現變量播種。

張國梁等[13]將播種決策信息存儲于PC 上位機，經(jīng)RS232 傳輸到下位單片機，工作過(guò)程中單片機獲得前進(jìn)速度，通過(guò)信息標準對播種量進(jìn)行調控，促進(jìn)電機轉速加快，滿(mǎn)足變量播種的要求。丁友強等[14]以STM32 為單體控制器設計了一種變量播種機單體驅動(dòng)器，解決了變量播種機行數難以拓展以及播種單體獨立控制的問(wèn)題。

綜上所述，電驅式排種控制技術(shù)使無(wú)級調速成為現實(shí)，配合先進(jìn)的傳感器檢測和智能控制策略，排種精度得到有效提升，作業(yè)效率大幅提高，對不同播種單元可以獨立控制?？蓪?shí)現一機多用，同時(shí)適配不同農藝作業(yè)規程。

為保證排種器能夠跟隨播種機行進(jìn)實(shí)時(shí)調整轉速，同時(shí)監測作業(yè)情況，實(shí)現閉環(huán)控制，需要構建播種作業(yè)監測系統，從而采集作業(yè)過(guò)程中關(guān)鍵參數并做出自主決策。

3.1 作業(yè)速度監測

精量播種機作業(yè)速度的監測對排種驅動(dòng)系統的轉速調節起著(zhù)至關(guān)重要作用，使用的監測裝置較為多樣化，主要有編碼器、霍爾傳感器、多普勒雷達和衛星導航系統等。

3.1.1 編碼器測速

相對霍爾傳感器，編碼器集成度和檢測精度較高，可以實(shí)現多倍頻脈沖檢測以減小速度檢測誤差。和賢桃等[15]提出了采用電機驅動(dòng)排種器，通過(guò)編碼器對電機轉速進(jìn)行反饋，修正算法減小轉速的偏差量，從而保障播種的質(zhì)量。

3.1.2 霍爾傳感器測速

蔣春燕等[16]利用霍爾傳感器對拖拉機前輪測速，其信號條理電路如圖4 所示。信號經(jīng)過(guò)電路處理之后變成標準高低電平，方便單片機檢測到信號的邊沿變化并計數。

圖4 霍爾元件測速原理圖

實(shí)際田間作業(yè)中，霍爾傳感器安裝簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉、抗干擾性和抗塵性比較好，但其檢測準確度受地表平整、松軟程度和檢測對象的滑移等因素的影響比較大，因此多采用軟件濾波和周期脈沖補償統計的方法提升其檢測精度。

3.1.3 雷達測速

吳衛玲[17]介紹了多普勒測速雷達的工作原理，并且對其測速中的誤差來(lái)源和大小進(jìn)行了分析，通過(guò)使用測速雷達測量彈丸速度，計算測速誤差為0.1%，測速精度較高。孟志軍等[18]采用美國DKJohn 公司生產(chǎn)Radar-II 測速雷達，安裝角度和水平面夾角為51.65°，輸出頻率為34.8 Hz·（km/h）-1，測試表明，車(chē)速為3～12 km/h 時(shí)，雷達測速的變異系數不超過(guò)2.65%，輸出的速度值比較平穩，與平均速度的誤差較小。

3.1.4 衛星導航測速

隨著(zhù)衛星導航小型化、模塊化接收解析模塊的成熟和檢測精度不斷的提高，基于GPS、北斗導航及多信號融合的衛星導航測速技術(shù)，在農業(yè)機械上已到廣泛應用。

孟志軍等[19]將美國Trimble 和Garmin 公司GPS接收機安裝于天托迪爾拖拉機上，分別進(jìn)行RTK（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)載波相位差分測速）、RTD（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)碼相位差分測速）和單點(diǎn)定位GPS 測速實(shí)驗，圖5 為測速試驗的農田作業(yè)機械速度采集系統示意圖。試驗結果表明，當作業(yè)機械低速勻速行駛時(shí)，單點(diǎn)定位測得的速度值比較平穩，變異系數小，與平均速度符合較好。高速變速時(shí)，單點(diǎn)定位GPS 測速誤差比較大，且存在明顯的延遲，而RTK 測速的變異性最小，動(dòng)態(tài)性明顯優(yōu)于單點(diǎn)定位測速和RTD 測速。

圖5 GPS 速度采集試驗示意圖

丁友強等[14]對于高速作業(yè)下地輪打滑粒距導致均勻性降低的問(wèn)題，設計開(kāi)發(fā)了由GPS 為主測速的精量播種控制系統，與編碼器測速進(jìn)行對比，可以直觀(guān)地發(fā)現GPS 測速的平均指標更穩定。

曾山等[20]分別使用GPS 模塊（偽距單點(diǎn)定位）和霍爾元件2 種傳感器對水稻精量旱穴直播機進(jìn)行速度檢測，試驗結果表明，在低速（3～5 km/h）時(shí)，霍爾傳感器的測速更穩定性，合格率達到 86.23%。在高速（6～7 km/h）時(shí)，GPS 測速較霍爾測速穩定性有較小提高。

3.2 重漏播監測

高速作業(yè)下，為減少整機抖動(dòng)、氣壓不穩等問(wèn)題對粒距穩定性的影響，國內學(xué)者開(kāi)發(fā)了重漏播監測系統，根據傳感器原理不同，可分為光電、電容、機器視覺(jué)等多種方式。

3.2.1 光電傳感器

相關(guān)研究學(xué)者多采用分別將光電傳感器的發(fā)射端和接收端安裝于排種管兩側，另有部分學(xué)者將收/發(fā)一體式光電傳感器安裝于排種管的一側。其檢測均為通過(guò)控制器檢測接收端的脈沖序列實(shí)時(shí)判斷播種的漏播情況。但光電傳感器元件易受田間多塵環(huán)境的干擾和檢測盲區的限制。為提升光電傳感器抗塵土性能和消除檢測盲區，近年來(lái)國內學(xué)者做了大量的研究，史智興[21]將標準光楔作為光電傳感器抗塵性能的量化測量工具，把光學(xué)密度值作為光電傳感器抗塵性能的量化指標，填補了長(cháng)期以來(lái)無(wú)法對光電傳感器在田間塵土環(huán)境工作性能進(jìn)行評價(jià)的技術(shù)空白。馮全等[22]將紅外射管作為主傳感器，對電路進(jìn)行檢測的時(shí)候，將脈沖信號與直流信號進(jìn)行分化處理，然后再將其系數放大再進(jìn)行融合，轉化為同一個(gè)信號，使脈沖信號與直流信號增長(cháng)，對比也更加明顯。其信號處理電路如圖6 所示。

圖6 紅外對射光電信號調理電路

劉翔宇等[23]開(kāi)發(fā)了一種基于反射光電感應的精量播種機漏播監測系統，該系統采用FS-V11 漫反射式光放大器獲取排種脈沖信號，具有準確度高、抗擾動(dòng)能力強等特點(diǎn)。

紀超等[24]設計了一款透明化的防塵罩，能夠自動(dòng)清潔除塵，具有紅外點(diǎn)感應檢測系統，并通過(guò)對監測盲區評估計算，優(yōu)化了探頭結構及安裝參數，極大程度保護探頭免受塵土侵蝕，其信號處理電路如圖7 所示。

圖7 紅外對射光電信號調理電路

丁友強等[8]選用美國DICKEY -John 公司生產(chǎn)的Hy RateTMPlus 光電式傳感器，相較于常規光電式傳感器擁有更多LED 個(gè)數，可最大程度地消除感應盲區，提高重漏播檢測精度，紅外信號調理電路圖8 所示。

圖8 播種信號調理電路

3.2.2 電容傳感器

在導種管兩側分別嵌入帶有電壓差的金屬薄片可形成特制的播種檢測電容傳感器，通過(guò)改變電容傳感器介質(zhì)改變電容電荷的變化，從而實(shí)現排種漏播的檢測。相較于光電傳感器，電容傳感器不易受塵土的干擾，但種子經(jīng)過(guò)電容傳感器的時(shí)候，電容傳感器的電容指標變化微弱，易受到電磁的干擾影響，增加了信號調理電路的設計難度。周利明等[25]根據電容器的電容隨極板間介質(zhì)質(zhì)量變化而變化的原理，研制出可以檢測小麥和棉花播種量的傳感器，并且提出了一種通過(guò)改變采樣周期的檢測方法，能夠更加精準地檢測出小麥的播種量，適用效果比較好，排種量傳感器結構如圖9 所示。

圖9 排種量傳感器結構簡(jiǎn)圖

3.2.3 機器視覺(jué)

視覺(jué)傳感器可以很直觀(guān)地看到種子在排種管內的運動(dòng)情況，但對田間作業(yè)光照環(huán)境過(guò)于敏感。李朋飛等[26]設計了一種由FPGA 驅動(dòng)的線(xiàn)陣CCD播種粒距檢測實(shí)時(shí)成像系統，用于檢測播種的種子間距。王辰星等[27]借助于圖像處理技術(shù)，通過(guò)對靜態(tài)圖像進(jìn)行分化處理，然后用自行設計的檢測算法判斷每穴水稻粒數，最終可計算得到水稻育秧播種的空格率、合格率等，CCD 檢測系統結構圖如圖10 所示。

圖10 CCD 檢測系統結構圖

若高速寬行播種機產(chǎn)生排種異常，將造成大面積斷條漏播，后期人工補種或移栽，勢必增加種植成本，且延誤農時(shí)[28-30]。為降低損失，多采用增加漏播補償裝置來(lái)實(shí)現自動(dòng)補種。目前漏播補償裝置大致可以分為2 類(lèi)：漏播自補償和漏播輔助補償。

4.1 漏播自補償

自補償是一種在檢測到漏種后，通過(guò)電動(dòng)機變加速補種，排種與補種機構一體化的裝置。朱瑞祥等[31]采用激光和霍爾傳感器分別檢測漏種和排種器的速度。陳剛[32]設計的漏播補償系統將補種箱、補種管、電磁閥和補種電機安裝在主排種裝置的后面，補種管與主導種管安裝位置相隔，檢測到漏播后，先打開(kāi)電磁閥，種子從補種箱落下，同時(shí)啟動(dòng)補種電機，種子從補種管落下。作業(yè)速度為5～7 km/h時(shí)，平均補種率能達到91.0%。

4.2 漏播輔助補償

自補償裝置雖然結構簡(jiǎn)單，但是要求電動(dòng)機具備高轉速、加速穩定和轉角控制精度高等特性，需配備精度較高的步進(jìn)電機或伺服電機才能實(shí)現[33]。輔助補償裝置的主排種器和補種排種器間隔一定距離獨立安裝，雖然其結構較自補償裝置分散，但原理簡(jiǎn)單且較容易實(shí)現。王雪玲等[34]通過(guò)矩形光纖傳感器對漏播情況進(jìn)行檢測，根據播種漏播頻率針對性的進(jìn)行補漏。為對比自補償和輔助補償2 種方法的補種效果，吳南[33]分別設計了2種漏播補種裝置，自補償裝置補種合格率不小于88%，而輔助補償裝置補種合格率不小于96%，明顯高于自補償裝置。

近年來(lái)，精密播種技術(shù)朝著(zhù)智能化方向迅速發(fā)展，我國種植制度復雜、土地經(jīng)營(yíng)分散等問(wèn)題日漸凸顯，使得我國精密播種技術(shù)發(fā)展緩慢，就目前國內精量播種技術(shù)研究現狀，從以下幾方面進(jìn)行討論。

1）排種器具體實(shí)用性不能確定、適應性差問(wèn)題。我國對精量排種器的研究起步晚，學(xué)者研究主要靠引進(jìn)國外機型對其加以改造，適應性較差，需結合我國不同地區農藝、種植制度及種植模式繼續提升創(chuàng )新性，加強田間試驗，優(yōu)化排種器結構參數以適應我國不同地區播種作業(yè)的要求。

2）播種速度偏慢、作業(yè)質(zhì)量不穩定的問(wèn)題。在田間工作環(huán)境中，由于存在復雜的外界干擾因素，傳統的PID 控制算法不能跟隨速度變化，需優(yōu)化控制算法以提升控制系統的魯棒性和控制精度；
其次，需要提高速度反饋信號的精確度，采用多傳感器信息融合等技術(shù)對速度信號進(jìn)行補償，確保在其中一種傳感器故障或受干擾狀況下仍能保持測速精度；
另外，漏播補償技術(shù)可以在一定程度上改善播種性能。

3）從農業(yè)發(fā)展的實(shí)際需要考慮，精量播種技術(shù)仍會(huì )以提高播種效率和精度、播種設備的穩定性和可靠性為出發(fā)點(diǎn)。技術(shù)層面上，我國在播種智能化的技術(shù)研究方面處于起步階段，隨著(zhù)我國新型材料、制造精度和加工工藝等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展以及北斗定位系統的廣泛應用，帶有自動(dòng)導航和播種作業(yè)監控設備、能夠根據農藝信息決策變量播種的高速、高精度精量播種機是我國精量播種技術(shù)的發(fā)展方向。