楊 浩，劉小龍，王關(guān)平，孫 偉 ，朱 亮，張 華

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

近年來，我國馬鈴薯的栽培面積增加至600多萬hm2，總生產(chǎn)量達1億t左右，對我國的糧食安全意義重大[1-2]。2015年初，國家正式啟動“馬鈴薯主糧化”戰(zhàn)略，到2020年，國內(nèi)馬鈴薯種植面積將達到670萬 hm2，且50%以上的馬鈴薯將作為主糧消費[3-4]。現(xiàn)階段傳統(tǒng)的純機械式馬鈴薯播種機排種仍然以勺式排種為主，該排種方式具有成本低廉、可靠性較高等優(yōu)點，在未來很長一段時間仍然是馬鈴薯排種的主流方法。但由于薯種形狀各異、大小不一，且取種勺的尺寸配合欠佳等原因，導(dǎo)致因漏取而漏播的現(xiàn)象時有發(fā)生，進而導(dǎo)致減產(chǎn)現(xiàn)象嚴(yán)重[5-6]，降低了馬鈴薯種植的經(jīng)濟效益。以2017年的數(shù)據(jù)為例，我國馬鈴薯播種面積為566.77萬hm2，年產(chǎn)量9 600萬t，我國的馬鈴薯種植面積接近全世界的1/3，而產(chǎn)量卻僅為世界總產(chǎn)量的1/5[7-8]。這其中，除了土地等自然因素、馬鈴薯品質(zhì)等差別外，漏播所誘發(fā)的先天性減產(chǎn)也是一個重要原因。解決馬鈴薯漏播問題的核心是安裝具有自動監(jiān)測及補償功能的精密播種系統(tǒng)。以前較為傳統(tǒng)的機械式馬鈴薯播種機自然漏取率基本在10%以上，隨著播種機關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，再加上各部件之間的緊密配合，自然漏播率已降至7%左右[9]。國內(nèi)外專家學(xué)者為解決因漏播引起的減產(chǎn)問題，進行了馬鈴薯播種監(jiān)測、漏播補償?shù)染懿シN系統(tǒng)的研究，以解決普遍存在的漏播問題，提高馬鈴薯種植的經(jīng)濟性。本文就馬鈴薯精密播種機的國內(nèi)外研究狀況、存在的問題，以及解決存在問題的策略做簡要概述。

1 國內(nèi)外馬鈴薯精密播種機的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外發(fā)達國家對播種機監(jiān)測系統(tǒng)的研究起步較早，歐美等發(fā)達國家于20世紀(jì)40年代開始了排種監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用研究，后來與漏播補償系統(tǒng)一并在大宗主糧作物種植中獲得了廣泛應(yīng)用[9-11]，這其中，美國、德國等國家先后設(shè)計出的精密播種機電子監(jiān)測系統(tǒng)具有一定的代表性。如德國Grimme公司生產(chǎn)的GL系列帶勺式排種器馬鈴薯播種機，動力來源于機電液聯(lián)合驅(qū)動，擁有電子監(jiān)測與控制系統(tǒng)，能實時監(jiān)測馬鈴薯排種器的排種情況，監(jiān)測較為可靠[12]。美國CYCLO-500型氣壓式馬鈴薯播種機上安裝了主要由光電傳感器、測距傳感器、監(jiān)控電路、轉(zhuǎn)換器與驅(qū)動電機及監(jiān)控顯示器等組成的監(jiān)測系統(tǒng)[13]，該系統(tǒng)可以實時監(jiān)測播種機播種情況，并通過顯示模塊顯示其監(jiān)測結(jié)果，播種作業(yè)過程中播種裝置出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)即刻進行聲光報警，并提醒作業(yè)人員停機進行故障排除。此外，英國“斯塔赫5870”型精密播種機在排種器上架設(shè)一套機電式排種質(zhì)量信號顯示裝置[14]，排種器的工作狀況可通過指示燈的亮滅及閃爍的均勻性來判斷。此裝置滾輪的轉(zhuǎn)動狀態(tài)決定指示器觸點和金屬片的接觸情況，當(dāng)播種正常時兩部件連續(xù)接觸，由于電路連續(xù)通電使指示燈正常發(fā)光；當(dāng)播種異常時二者斷續(xù)接通，指示燈的閃爍可表示系統(tǒng)出現(xiàn)故障，同時攜載的蜂鳴器發(fā)出警報聲。澳大利亞A.E.E公司設(shè)計出一種用在氣力播種機上的監(jiān)視系統(tǒng)[15]，該系統(tǒng)采用紅外傳感器監(jiān)測種子在排種管中的情況，當(dāng)其中任意一個或多個排種管異常排種時，報警器立即發(fā)出聲光報警提示，同時點亮相應(yīng)排種管的指示燈，故障部位一目了然。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)關(guān)于精密播種的相關(guān)研究起步較晚，但發(fā)展較快。在小籽粒精密播種方面具有代表性研究的有趙百通等[16]設(shè)計的一種用在小麥精密播種機上的工況監(jiān)測系統(tǒng)，當(dāng)機器出現(xiàn)故障時，報警系統(tǒng)進行自動監(jiān)控和雙向聲光報警，可及時通知駕駛員故障發(fā)生的位置和性質(zhì)，最大限度地避免漏種現(xiàn)象的發(fā)生；馮全等[17]提出了適合小麥等小粒徑種子的免耕播種機高抗塵排種監(jiān)測方案，監(jiān)測器由檢測器和報警器兩部分組成，采用紅外對射管作為傳感器，能較好地監(jiān)測排種通道中的漏播、堵塞現(xiàn)象，并予以聲光報警。除此之外，其他專家學(xué)者提出的小籽粒作物精密播種系統(tǒng)也有可借鑒的意義[18-22]。然而，馬鈴薯播種機的排種方式與小麥等小籽粒有很大不同，受播種速度、薯種形狀及田間工作條件等因素的制約，普遍存在較高的漏播率。為此，張曉東等[23]設(shè)計了由紅外光電傳感器、單片機和步進電機組成的馬鈴薯播種機自動補償系統(tǒng)，在勺鏈?zhǔn)脚欧N器的排種槽上附加由步進電機驅(qū)動的窩眼輪式補償通道，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。在此基礎(chǔ)上，劉全威等[24]提出了一種基于單片機的紅外光電傳感器的監(jiān)測系統(tǒng)和曲柄連桿打擊式的補種方案，該系統(tǒng)監(jiān)測部分可靠性明顯提高，也能較好地實現(xiàn)薯種無誤差補償，但其在排種槽外部架設(shè)的補種箱、電磁鐵等部件增加了整機結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，且在打擊補償過程中補種箱的排種口容易出現(xiàn)堵塞。孫偉等[25]提出了以ATmega16單片機為核心，由定位模塊和測薯模塊組成的漏播檢測系統(tǒng)及以擊打強排為手段的速動補種系統(tǒng)，該系統(tǒng)檢測可靠性進一步提高，補種及時，但專用的補種箱依然存在，待補種薯必須提前就位且發(fā)生堵塞的可能性依然較高。王關(guān)平等[26]提出了一種以PIC16F877單片機為核心，由干簧繼電器觸發(fā)紅外漏播檢測和窩眼輪式排種系統(tǒng)進行漏播補償?shù)姆桨?，其漏播檢測系統(tǒng)準(zhǔn)確度高，補償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有所簡化、補種行程短、動作迅速，但待補種薯被窩眼槽輪夾傷的現(xiàn)象較為普遍。?？档萚27]提出了基于電容值精確測量技術(shù)的漏種檢測方法，以PLC為核心設(shè)計由電容傳感器、伺服電動機和補種執(zhí)行機構(gòu)組成的補種系統(tǒng)。該系統(tǒng)能較好地解決漏播問題，但檢測技術(shù)的成熟性目前還沒有其他進一步的研究作為佐證。

2 馬鈴薯精密播種機存在的主要問題

2.1 播種監(jiān)測可靠性有待進一步提高

目前馬鈴薯播種機以采用鏈勺式或帶勺式排種方法為主，而其播種監(jiān)測多以紅外對射式監(jiān)測方法為主。影響紅外對射式監(jiān)測準(zhǔn)確性的主要因素如下：

(1)紅外監(jiān)測器件的發(fā)射與接收角度。光電檢測元件對發(fā)射、接收管的布設(shè)角度及相對位置非常敏感，而馬鈴薯播種機本身又存在較為強烈的振動，極易在一定時間的使用或者其他外力作用下而失去信號對準(zhǔn)，從而造成監(jiān)測結(jié)果的偏差。

(2)外部環(huán)境的影響。不同波長的紅外光在空氣中傳輸時有不同程度的衰減，即使選擇的工作波段在紅外線穿透能力很強的3個波段，即0.76～2.5 μm波段、3～5 μm波段和8～14 μm波段，也不可能完全地通過，尤其在田間作業(yè)過程中灰塵、云、霧、雨等環(huán)境會增加紅外光在空氣中的衰減，從而影響播種檢測的準(zhǔn)確性；此外陽光的照射也會影響播種監(jiān)測的準(zhǔn)確性，陽光的反射和漫反射在3～14 μm波長區(qū)域內(nèi)，且波長分布比例不固定，這一波段與紅外光電檢測器件組的工作波段接近，因而極大影響紅外光電檢測器件組的正常判斷。

2.2 漏播補償系統(tǒng)方案尚不成熟

(1)補償通道結(jié)構(gòu)復(fù)雜?，F(xiàn)有馬鈴薯播種機漏播補償系統(tǒng)的基本共性是需要專用的補償系統(tǒng)(包括專用的補種箱、補種排種槽、補種系統(tǒng)的動力機構(gòu)等)，這使得整機結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜；此外，打擊式補種系統(tǒng)的補償通道排種口容易發(fā)生堵塞，窩眼輪式補償系統(tǒng)容易出現(xiàn)薯種夾傷等問題。

(2)補種落點誤差較大。由于部分機型補償系統(tǒng)專用的馬鈴薯補償通道結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，這往往導(dǎo)致補償薯種在補償通道中運動速度過快或過慢，較原來正常播種時薯種落點位置有超前或滯后，而理想的落點應(yīng)該無偏差。

2.3 播種驅(qū)動動力較為傳統(tǒng)，“精準(zhǔn)”播種依然任重道遠

(1)目前馬鈴薯播種機械動力基本以拖拉機牽引為主，此方式動力消耗大、經(jīng)濟成本高，且拖拉機播種作業(yè)前后的運輸成本高，便捷性差。

(2)所謂“精準(zhǔn)”播種，就是在準(zhǔn)確獲取土壤肥力、土壤墑情等條件下，在信息化系統(tǒng)輔助下能夠進行自動化播種作業(yè)，以最少的投入達到最高的收益并持續(xù)改善環(huán)境、高效利用各類農(nóng)業(yè)資源，取得經(jīng)濟效益和環(huán)境效益，然而我國目前在馬鈴薯全產(chǎn)業(yè)鏈精確農(nóng)業(yè)方面才剛剛起步。

3 解決馬鈴薯精密播種機問題的對策

3.1 提高排種監(jiān)測可靠性

(1)紅外監(jiān)測光電器件組應(yīng)選擇最優(yōu)位置安裝在馬鈴薯排種槽上，必要時可適當(dāng)增加相應(yīng)的紅外監(jiān)測元件，應(yīng)使紅外光盡可能地輻射到馬鈴薯薯種上，如把薯勺背面也設(shè)計成勺碗狀，以增加薯種在薯勺背面位置的相對穩(wěn)定，從而使監(jiān)測元件的架設(shè)點更為精確，監(jiān)測更為可靠。

(2)為避免紅外監(jiān)測過程中紅外光在大氣中的衰減，應(yīng)選擇陰天，霧、塵較少的天氣。此外還可以采用其他較為可靠的檢測方法來監(jiān)測馬鈴薯播種機的排種情況，如電容式的監(jiān)測方法對太陽光等因素不敏感。電容式監(jiān)測法[28]的原理是當(dāng)被測薯種接近電容傳感器時改變了電容器中的電荷量，可以把電壓在中央控制系統(tǒng)中設(shè)置為常數(shù)，由電容公式C=Q/V可知，電荷量改變使電容量C變化，從而導(dǎo)致穩(wěn)幅振蕩回路中電容量C發(fā)生改變，經(jīng)過電路整流發(fā)出有規(guī)律的一個信號脈沖，從而判斷是否有薯種通過電容傳感器。這種方法可有效地避免許多外界環(huán)境干擾。

(3)考慮到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟成本，播種系統(tǒng)可選用單片機為中央控制系統(tǒng)，其具有可靠性高、工業(yè)級抗干擾能力強、外圍配置豐富及適應(yīng)播種作業(yè)多任務(wù)要求等優(yōu)點，可滿足馬鈴薯播種監(jiān)測的要求。

3.2 漏播補償系統(tǒng)簡潔化、實用化

總體來說，在已經(jīng)獲得種薯漏播事件發(fā)生的前提下，補償系統(tǒng)應(yīng)以最簡單、最快速的方法及時補償。這就要求補償方案精簡化、補償動作直接化。受朱瑞祥等[29]提出的一種追趕式大籽粒作物漏播自補種方案的啟發(fā)，在馬鈴薯漏播補償中，當(dāng)出現(xiàn)漏播情況時可以使用電機驅(qū)動超越離合器，使后一種薯加速追趕至漏播種薯位置，從而完成補償，之后電機動力自行退出，地輪動力繼續(xù)完成正常的排種驅(qū)動。該方案集排種與補種于同一通道，不需要額外安裝補償種薯箱，也不存在專用補償種薯運動通道，但需增設(shè)動力切換裝置、附加專用補償動力電機。該方案使得馬鈴薯漏播補償系統(tǒng)的組成大大簡化，且系統(tǒng)補償?shù)奈恢闷羁梢圆捎密浖{(diào)節(jié)減小或者消除，從而使系統(tǒng)的實用性產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。

3.3 革新播種驅(qū)動動力，推進“精準(zhǔn)”播種研究

(1)為解決拖拉機驅(qū)動便捷性差、動力消耗大等問題，可以考慮采用全電驅(qū)動馬鈴薯排種方案。該播種機具運輸方便、節(jié)約成本、經(jīng)濟效益高，可進一步實現(xiàn)無額外裝設(shè)動力漏播補償系統(tǒng)的設(shè)想。

(2)隨著3S技術(shù)的快速發(fā)展及普及，這些技術(shù)可與馬鈴薯播種緊密結(jié)合起來，根據(jù)土壤肥力、土壤墑情、前一年度產(chǎn)量分布圖等情況進行“處方播種”，從而使馬鈴薯種植在經(jīng)濟效益最大化的同時，進一步降低農(nóng)藥、化肥的使用量，減少農(nóng)業(yè)面源污染。

4 馬鈴薯精密播種機的發(fā)展展望

隨著世界人口的不斷增長，對糧食的需求與日俱增。中國政府基于此背景提出的“馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略”正逢其時。而且，隨著中國的城鎮(zhèn)化進一步推進以及土地流轉(zhuǎn)政策的進一步成熟，從全世界范圍來看，即使在中國這樣一個馬鈴薯種植多集中于山地丘陵地帶的國家，馬鈴薯播種機械也必然進一步從以中小型為主向中大型為主過渡，這也必然為其進一步向智能化、高度信息化方向發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)；此外，馬鈴薯種植是典型的超大種子布局，種植的精準(zhǔn)化不僅表現(xiàn)在漏播補償，也表現(xiàn)在重播抑制，與之對應(yīng)的是更為可靠高效的撿漏、檢重測量、更為簡潔高效的漏播補償與重播排除，就目前而言，只有漏播檢測(或排種監(jiān)測)一項基本解決，其他技術(shù)的發(fā)展依然需要付出極大的努力才可能推向商業(yè)應(yīng)用。