顏丙新 付衛(wèi)強 武廣偉 肖躍進 孟志軍

(北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心， 北京 100097)

0 引言

玉米植株的精確空間位置分布信息可為中耕、植保、對行收獲等田間精準作業(yè)提供數(shù)據(jù)源，有助于水、肥、藥的精確施用和植株的對行因苗管理，能有效提高資源利用率，節(jié)約農(nóng)業(yè)成本，提高農(nóng)民收益[1-6]，是玉米精細化生產(chǎn)的基礎(chǔ)。

目前，玉米植株位置信息獲取多依靠視覺、激光雷達等技術(shù)，在苗期直接識別植株，獲取位置[7-15]。植株識別過程易受枝葉交錯、苗草簇生及自然光照等多變環(huán)境因素的干擾。所得植株位置為基于作業(yè)機具的相對位置數(shù)據(jù)，具有即獲取即使用的特點，不能與其他環(huán)節(jié)共享。而玉米精播過程種子著床位置預(yù)測技術(shù)可以在播種環(huán)節(jié)獲取種子著床絕對位置信息，間接定位玉米植株。避免了多變環(huán)境因素對植株識別的影響，絕對位置數(shù)據(jù)還可供后續(xù)各環(huán)節(jié)共享使用，一定程度上彌補了苗期玉米植株識別定位的不足。

精播過程種子著床位置預(yù)測技術(shù)起源于20世紀末，伴隨著精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展，作物按株作業(yè)隨之興起，準確獲取高精度種子位置圖成為重要研究內(nèi)容。GRIEPENTROG等[16-17]利用RTK GPS(Real time kinematic global positioning system)改進精量播種機，使開溝器搭載光電種子檢測傳感器并配合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，進行甜菜精量播種和種子定位。NORREMARK等[18-19]在上述研究基礎(chǔ)上，提出了一種提高定位精度的方法，該方法在試驗田添加已知位置的標識，并在播種機上添加識別該標識的光電傳感器，當(dāng)播種機經(jīng)過標識時，定位坐標與標識坐標進行比較，來校準定位數(shù)據(jù)，田間試驗結(jié)果表明，在作業(yè)速度5.3 km/h時，95%的甜菜種子在定位位置37.3 mm范圍內(nèi)出苗。PEREZ-RUIZ等[20]將種子著床位置預(yù)測技術(shù)應(yīng)用在番茄移栽中，田間試驗表明，在作業(yè)速度1.6 km/h時，該控制系統(tǒng)對番茄主莖定位平均中心誤差為8 mm。國內(nèi)外學(xué)者還進行了大量方法上的嘗試[21-22]，但均基于排種器低位投種(排種器排種口距離種床小于20 cm)，研究中種子檢測位置即為種子著床位置。

隨著國內(nèi)保護性耕作技術(shù)的推廣，玉米免耕播種面積逐年增加，為減小作業(yè)過程土壤顆粒和秸稈對排種器型孔的阻塞和對排種檢測傳感器的遮擋，大量播種機采用高位投種方式[23](排種器排種口距離種床30～50 cm)，種子離開排種盤，經(jīng)過導(dǎo)種管后著床。而排種檢測傳感器多安裝在導(dǎo)種管中間，種子檢測位置距種床較遠，不宜繼續(xù)采用檢測位置即著床位置的理論。

本文提出一種基于衛(wèi)星定位的玉米高位精播種子著床位置預(yù)測方法?；谛l(wèi)星精準定位播種機組位置，結(jié)合播種機結(jié)構(gòu)特點構(gòu)建播種機組與播種單體相對位置模型；基于EDEM數(shù)值模擬和動態(tài)仿真，構(gòu)建高位精播種子著床補償模型，明確種子從排種檢測傳感器到種床過程的時間延遲和位置滯后，搭建種子著床位置預(yù)測系統(tǒng)，實現(xiàn)玉米高位精播環(huán)節(jié)種子著床位置的精準預(yù)測。

1 系統(tǒng)組成

種子著床位置預(yù)測系統(tǒng)組成如圖1所示，主要包括：12 V電源(實際作業(yè)過程中可直接使用拖拉機12 V電源供電)、主控制器(以STM32F407VGT6微控制器為主芯片)、排種檢測傳感器[24](對射式紅外光電傳感器，種子識別精度97%)、RTK接收機(聯(lián)適R60U型接收機，RTK接收機工作時用到的固定基站位于作業(yè)地塊2 km范圍內(nèi)，RTK接收機平面定位精度為±12 mm)、衛(wèi)星天線、電臺天線和數(shù)據(jù)記錄儀等。所有硬件安裝在由拖拉機和4行氣吸式播種機組成的播種機組上。

2 種子著床位置預(yù)測原理

種子著床位置預(yù)測過程可以分為數(shù)據(jù)獲取和位置預(yù)測兩個過程。以衛(wèi)星天線在作業(yè)平面的投影位置反映播種機組位置，排種檢測傳感器在作業(yè)平面的投影位置反映播種單體位置。種子著床位置預(yù)測系統(tǒng)原理如圖2所示，播種機開始作業(yè)時，RTK接收機采集來自衛(wèi)星天線的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)和來自電臺天線的固定基站數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進行實時解析處理，并采用NMEA-0183協(xié)議輸出包含$GPRMC字段的定位數(shù)據(jù)，實現(xiàn)播種機組位置、UTC時間等信息的精確獲??；各單體排種檢測傳感器預(yù)先分配行號，當(dāng)種子經(jīng)過導(dǎo)種管時，排種檢測傳感器被觸發(fā)，觸發(fā)信號和對應(yīng)行號被傳遞給主控制器，通過RS232存儲到數(shù)據(jù)記錄儀，完成數(shù)據(jù)獲??；播種結(jié)束后，綜合UTC時間、傳感器觸發(fā)時間以及種子從排種檢測傳感器到著床過程的時間延遲，確定種子的著床時間；以著床時間為基準采用等速插值方法，結(jié)合RTK接收機獲取的位置信息，確定種子著床時刻播種機組位置；綜合播種機組與播種單體相對位置模型，解算此時各播種單體位置；最后考慮位置滯后補償確定著床種子最終位置，完成著床種子位置預(yù)測。

2.1 數(shù)據(jù)獲取過程

數(shù)據(jù)獲取流程如圖3所示，主控制器上電后，對RTK接收機、串口、CAN bus、排種檢測傳感器等外設(shè)進行初始化。初始化完成后程序開始接收來自RTK接收機的數(shù)據(jù)到緩存器中，并判斷緩存器中的數(shù)據(jù)是否含有$GPRMC字段，沒有則清空緩存器，繼續(xù)接收數(shù)據(jù)，有則將數(shù)據(jù)傳遞給數(shù)據(jù)記錄儀，同時復(fù)位指定定時器。兩個$GPRMC字段之間的時間間隔為一個接收周期，在一個接收周期內(nèi)，當(dāng)排種檢測傳感器被激活時，數(shù)據(jù)記錄儀記錄行號和激活時刻定時器時間，如此循環(huán)直到播種結(jié)束。

2.2 播種機組與播種單體相對位置模型構(gòu)建

采用單一衛(wèi)星天線可以簡化整體結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)成本，但只能直接獲取一個定位點數(shù)據(jù)。為預(yù)測4行播種機所有種子的位置數(shù)據(jù)，需對每個播種單體進行定位。HE等[25]將衛(wèi)星天線固定在拖拉機駕駛室上方，利用單一位置信息，結(jié)合播種機組的航向，播種機組與播種單體相對位置關(guān)系確定了各播種單體的位置。由于播種機與拖拉機掛接部位存在鉸接關(guān)系，在作業(yè)過程中播種單體與拖拉機上的衛(wèi)星天線相對位置會發(fā)生變化，同時相同播種機掛接到不同拖拉機上也會造成相對位置的變化，需要重新標定相對位置模型。

為了避免以上問題，本研究將衛(wèi)星天線直接固定在播種機主梁上。播種機組與播種單體相對位置示意圖如圖4所示，坐標系為高斯-克呂格平面直角坐標系。假設(shè)衛(wèi)星天線在作業(yè)平面的投影坐標為(x,y)，則第i行播種單體的位置坐標(xi,yi)為

(1)

式中m——播種行距，m

L——衛(wèi)星天線與播種單體在播種前進方向上的距離，m

d——衛(wèi)星天線與邊緣播種單體在垂直前進方向的距離，m

θ——航向角，(°)

2.3 種子從播種單體到著床過程運動分析

種子經(jīng)過安裝在播種單體上的排種檢測傳感器后的運動無法被系統(tǒng)捕獲。該過程中，種子經(jīng)過導(dǎo)種管的輸運后，到達種床，與種床接觸彈跳或滾動釋放多余動能后停止，完成著床。

2.3.1運動軌跡分析

種子從離開排種器到著床過程，種子相對排種器的運動軌跡如圖5所示。

在不受導(dǎo)種管約束，接觸種床無彈跳滾動的理想狀態(tài)下，種子從離開排種器到著床過程相對排種器沿作業(yè)方向的運動距離ΔS可表示為

ΔS=vhtsinφ

(2)

(3)

種子與播種單體的滯后距離Δs可表示為

Δs=ΔS-ΔL

(4)

種子從排種檢測傳感器到著床過程的時間延遲Δt可表示為

Δt=t-t′

(5)

式中v——作業(yè)速度，km/h

vh——種子線速度,m/s

t——著床耗時(種子從脫離排種器到著床過程耗時)，s

φ——投種角，實測值15°

n——排種盤型孔數(shù)，取27個

r——排種半徑，m

l——播種株距，m

ΔL——投種點與檢測點距離差，m

t′——檢測耗時(種子從脫離排種器到達排種檢測傳感器耗時)，s

理想狀況下，對于特定的播種機，投種角φ、投種點與檢測點距離差ΔL不變，滯后距離Δs主要與種子線速度vh和著床耗時t有關(guān)。種子線速度越大、著床耗時越長，滯后距離越大。種子線速度主要與排種半徑r、作業(yè)速度v、排種盤型孔數(shù)n、播種株距l(xiāng)有關(guān)，而排種半徑和排種盤型孔數(shù)一定時，作業(yè)速度越快、播種株距越小，種子線速度越大。即作業(yè)速度越快、播種株距越小、著床耗時越長，滯后距離越大。時間延遲Δt主要與著床耗時t和檢測耗時t′有關(guān)，著床耗時和檢測耗時越接近，時間延遲越小。

如圖5紅色軌跡所示，在實際作業(yè)過程中，定義種子第1次接觸種床的位置為第1落點。以第1落點為參考，將種子從播種單體到著床過程分解為兩部分：種子從排種檢測傳感器到第1落點為落種過程，種子從第1落點到靜止著床為彈跳移位過程。落種過程種子由于導(dǎo)種管的約束導(dǎo)致與導(dǎo)種管壁發(fā)生多次碰撞，造成種子速度的大小和方向發(fā)生變化，種子的運動軌跡雜亂無章[26-28]；另外，種子彈跳移位過程影響種子著床位置預(yù)測。理想狀態(tài)下的時間延遲和位置滯后計算方法不再適用。

實際作業(yè)過程中

(6)

式中 Δs1——種子著床時刻，第1落點與排種檢測傳感器在作業(yè)方向上的距離，m

Δs2——實際著床位置與第1落點在作業(yè)方向上的距離，m

Δt1——落種過程耗時，s

Δt2——彈跳移位過程耗時，s

采用EDEM數(shù)值仿真方法模擬落種過程，并分析彈跳移位過程種子的運動狀況，以探明種子從播種單體到著床消耗的時間和相對排種器的位移，最終預(yù)測種子著床位置。

2.3.2落種過程分析

EDEM軟件可快速、簡便地構(gòu)建種子顆粒模型，結(jié)合物料性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)和接觸參數(shù)等準確計算種子運動，仿真模型在近幾年的精量播種過程研究中被廣泛驗證和使用[29-32]。

2.3.2.1仿真模型構(gòu)建

以鄭單958玉米種子作為仿真顆粒建模對象，建模時將種子分為圓扁型、細長型、類球型3類，以提高仿真精度[33]。借助EDEM軟件采用多球面組合填充方式構(gòu)建種子仿真顆粒模型[34-37]。

借助SolidWorks構(gòu)建仿真用幾何模型，如圖6所示，主要包括種床、導(dǎo)種管、排種檢測傳感器和顆粒工廠。其中，顆粒工廠位于排種器排種口處，與導(dǎo)種管上端相距11 cm，導(dǎo)種管長度45 cm，導(dǎo)種管下端距離種床4 cm，排種檢測傳感器距離導(dǎo)種管下端24 cm。仿真過程中，顆粒工廠按圓扁型、細長型、類球型3類種子所占比例4∶5∶1[34]，隨機間隔產(chǎn)生種子顆粒代替排種過程。同時導(dǎo)種管、排種檢測傳感器和顆粒工廠沿作業(yè)方向以設(shè)定速度運動。忽略種子著床彈跳。仿真過程保存時間間隔設(shè)置為0.001 s，以保證準確定位種子著床瞬間。

2.3.2.2仿真試驗設(shè)計與結(jié)果分析

排種盤型孔數(shù)n=27，型孔所在圓周半徑r=0.07 m，播種株距l(xiāng)取0.2、0.3、0.4 m，作業(yè)速度v取3、5、7 km/h，種子初速度分解為豎直方向初速度和作業(yè)方向初速度，排種頻率q(Hz)、種子豎直方向初速度v0(m/s)和水平方向初速度v′0(m/s)關(guān)系為

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式中vx——種子相對排種盤的水平方向速度,m/s

vy——種子相對排種盤的豎直方向速度,m/s

試驗參數(shù)如表1所示。

表1 仿真試驗參數(shù)Tab.1 Test parameters of simulation tests

每組試驗分別記錄30粒種子的Δt1和Δs1數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析，仿真結(jié)果如表2所示。

表2 仿真結(jié)果Tab.2 Results of simulation

方差分析結(jié)果顯示，Δs1、Δt1對作業(yè)速度和播種株距影響均不顯著(p>0.05)。在著床位置預(yù)測模型中，取Δs1和Δt1平均值104.5 mm、0.147 3 s進行補償。

2.3.3彈跳移位過程分析

以種子第1落點為參考，種子著床位置與第1落點在作業(yè)方向上的位移為Δs2，種子著床位置與第1落點相對位置存在3種不同情況，如圖7所示。

如圖7a所示，種子著床位置位于第1落點后方，種子接觸種床后向后方彈跳或滾動，在著床位置停止。這種情況會導(dǎo)致預(yù)測位置位于實際位置前方。

如圖7b所示，種子著床位置位于第1落點處，種子接觸種床后立即停止運動。這種情況下種子預(yù)測位置較為準確。

如圖7c所示，種子著床位置位于第1落點前方，種子接觸種床后向前方彈跳或滾動，在著床位置停止。這種情況會導(dǎo)致預(yù)測位置位于實際位置后方。

綜合上述分析可知，彈跳位移過程造成種子著床位置的差異。這種位置差異因種床土壤類型、顆粒大小、含水率、緊實度、種子觸土位置、速度等不同，而有差異，暫無合適手段預(yù)測，故時間延遲和位置滯后作近似處理，即

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2.4 種子著床位置預(yù)測

2.4.1種子著床時間確定

精確的種子著床時間是位置預(yù)測的關(guān)鍵，由圖2可以看出，位置預(yù)測過程涉及UTC時間tUTC、傳感器觸發(fā)時間tT和時間延遲Δt共3個時間量。其中tUTC以衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)的UTC時間為基準，而tT和Δt以系統(tǒng)硬件時間為基準。為了將不同時間基準統(tǒng)一，在系統(tǒng)中單設(shè)定時器一個，每當(dāng)系統(tǒng)解析到$GPRMC時，重置定時器，以種子觸發(fā)排種檢測傳感器時，定時器的時間作為傳感器觸發(fā)時間。在這個過程中，主控制器從接收到識別$GPRMC字段存在固定時延，用ΔT表示，對于固定系統(tǒng)而言ΔT一定，該系統(tǒng)中為7.73×10-3s。則種子著床時間T可表示為

T=tUTC+tT+Δt+ΔT

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2.4.2著床時刻播種機組定位

RTK接收機按定位數(shù)據(jù)更新率輸出播種機組的定位數(shù)據(jù)是點狀信息，很難覆蓋種子著床時刻所有播種機組位置，故采用等速插值方法彌補。

假設(shè)T時刻前后播種機組位置數(shù)據(jù)對應(yīng)的UTC時間分別是Tn-1、Tn+1，基于西安80坐標系6度帶，經(jīng)過高斯投影變換后對應(yīng)的平面坐標分別為(xn-1,yn-1)、(xn+1,yn+1),播種機組在兩點之間視為勻速運動，則T時刻播種機組的位置坐標(x,y)可表示為

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綜合播種機組與播種單體相對位置模型獲取各播種單體的坐標(xi,yi)。如圖5所示，在作業(yè)方向上種子著床位置比排種檢測傳感器位置滯后，結(jié)合仿真獲取的傳感器與著床位置的Δs，著床位置(xzi,yzi)可表示為

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種子著床時刻航向角θ近似為Tn-1、Tn+1時刻播種機組位置坐標 (xn-1,yn-1)、(xn+1,yn+1)連線與X軸正方向的夾角，計算式為

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3 系統(tǒng)性能試驗

為檢驗系統(tǒng)位置預(yù)測精度，基于4行氣吸式精量播種機，搭建播種過程種子著床位置預(yù)測系統(tǒng)，在北京市農(nóng)林科學(xué)院實驗基地(116.46°E,40.18°N)進行種子著床位置預(yù)測試驗。試驗前對地塊進行旋耕15 cm處理，地表平整無石塊。

3.1 試驗儀器與設(shè)備

試驗過程使用了一臺4行精量氣吸式播種機(德邦大為公司,中國)，播種機風(fēng)機由液壓泵提供動力，排種器作業(yè)風(fēng)壓不低于4 kPa。排種器高位安裝，由地輪提供動力，種子從排種器排出后，經(jīng)過導(dǎo)種管著床，排種檢測傳感器安裝導(dǎo)種管中段；開溝器為雙圓盤開溝器，可形成V形種溝。播種機由一臺88 kW拖拉機(約翰迪爾公司，美國)牽引。如圖8所示。

3.2 種子實際位置測量方法與評價指標

按照GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》,在進行播種質(zhì)量檢測時，將已播玉米種子表面土壤剝離，露出種子，認為露出的種子即為種子著床的位置，本研究采用人工挖種的方式暴露種子的實際著床位置。利用衛(wèi)星定位機構(gòu)測量挖出種子的坐標，作為著床種子的實際位置。將實際位置與種子著床位置預(yù)測系統(tǒng)所得預(yù)測位置進行比較，以評價系統(tǒng)位置預(yù)測精度。

種子實際位置測量與種子著床位置預(yù)測采用相同的衛(wèi)星天線、RTK接收機、數(shù)據(jù)記錄儀等硬件設(shè)備，以避免硬件差異導(dǎo)致的誤差。如圖9所示，將衛(wèi)星天線置于三角架對中桿上端，調(diào)平三腳架，使得對中桿下端處于被挖種子正上方， 記錄此時衛(wèi)星天線的位置，作為種子的實際位置，為方便比較計算，種子實際位置同樣基于西安80坐標系6度帶經(jīng)過高斯投影轉(zhuǎn)換為平面坐標，表示為(x′zi,y′zi)。

系統(tǒng)預(yù)測位置與實際位置越接近，位置預(yù)測精度越高[17]，定義種子預(yù)測位置(xzi,yzi)與實際位置(x′zi,y′zi)的距離差為著床位置偏差DIP(Deviation of implantation position)。所預(yù)測種子位置主要用于后期植保環(huán)節(jié)按株作業(yè)，為了避免傷苗，玉米按株作業(yè)通常設(shè)置主莖安全區(qū)，以預(yù)測位置為圓心，半徑5 cm范圍設(shè)置為安全區(qū)，可以實現(xiàn)93.46%的安全作業(yè)區(qū)域覆蓋(以20 cm株距，60 cm行距的常規(guī)玉米播種為例)[38]。定義落在以預(yù)測位置為圓心，半徑5 cm范圍內(nèi)的種子數(shù)量所占比例為著床位置預(yù)測準確率AIP(Accuracy of implantation position)。以著床位置偏差和著床位置預(yù)測準確率為指標，評價位置預(yù)測系統(tǒng)的工作性能，DIP越小，AIP越大，說明位置預(yù)測越精確。DIP和AIP計算式為

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式中N0——落在以預(yù)測位置為圓心、半徑5 cm范圍內(nèi)的樣本數(shù)量

N——所測樣本總數(shù)

3.3 試驗設(shè)計

以作業(yè)速度、株距和定位數(shù)據(jù)更新率為試驗因素，開展三因素三水平正交試驗，因素水平設(shè)置如表3所示。選用鄭丹958玉米種子，每組播種作業(yè)區(qū)域總長50 m，前后各10 m分別為啟動區(qū)和停止區(qū)，試驗數(shù)據(jù)采集區(qū)長度30 m，播種深度設(shè)置3 cm，作業(yè)速度3 km/h。試驗過程通過位置預(yù)測系統(tǒng)采集播種數(shù)據(jù)，預(yù)測種子著床位置。播種后，在試驗數(shù)據(jù)采集區(qū)隨機確定采樣起點，進行連續(xù)取樣，每行測量20粒種子的實際位置。

表3 正交試驗因素水平Tab.3 Factor levels of tests

圖10為播種株距0.4 m、作業(yè)速度3 km/h、定位數(shù)據(jù)更新率10 Hz時實際位置與預(yù)測位置對比試驗結(jié)果。

4 試驗結(jié)果與討論

根據(jù)L9(34)正交表設(shè)計試驗方案，如表4所示。對試驗結(jié)果首先采用極差分析法確定各因素對DIP和AIP的影響主次關(guān)系。由極差分析結(jié)果可知，各因素對DIP的影響主次順序為作業(yè)速度、定位數(shù)據(jù)更新率、播種株距。根據(jù)DIP越小，位置預(yù)測越精確的原則，最優(yōu)的方案組合為A1B3C3，即作業(yè)速度3 km/h,播種株距0.4 m、定位數(shù)據(jù)更新率10 Hz。各因素對AIP的影響主次順序為作業(yè)速度、播種株距、定位數(shù)據(jù)更新率。根據(jù)AIP越高，位置預(yù)測越精確的原則，最優(yōu)的方案組合也是A1B3C3。該方案下的平均著床位置偏差和著床位置預(yù)測偏差分別為24.3 mm和88.9%。

表4 正交試驗方案及結(jié)果Tab.4 Test scheme and results

為了明確作業(yè)速度、播種株距、定位數(shù)據(jù)更新率對DIP和AIP影響的重要程度，采用IBM SPSS Statistics對試驗結(jié)果進行方差分析，如表5所示：作業(yè)速度和定位數(shù)據(jù)更新率對DIP影響極顯著(p<0.01)，播種株距對DIP影響顯著(p<0.05)；作業(yè)速度對AIP影響顯著(p<0.05)，播種株距和定位數(shù)據(jù)更新率對AIP影響不顯著(p>0.05)。

表5 方差分析結(jié)果Tab.5 ANOVA results

DIP變化曲線如圖11所示。由圖11a可知，隨作業(yè)速度從3 km/h增至7 km/h，平均DIP從32.1 mm增至59.2 mm，增加了84.4%。造成這一現(xiàn)象的可能原因是：隨著作業(yè)速度的增加，種子到達第1落點時相對種床的速度增加，導(dǎo)致在彈跳移位過程中Δs2增加，DIP增大。3 km/h狀態(tài)下的DIP平均值與EHSANI等[22]以相同速度使用低位投種播種機播種玉米時的平均距離差34 mm接近，說明高位投種播種機也可以實現(xiàn)播種過程種子著床位置的預(yù)測。

由圖11b可知，隨著播種株距從0.2 m增加到0.4 m，DIP從48.7 mm減小到43.5 mm，減小了10.7%。對于特定播種機，播種株距增大，排種盤轉(zhuǎn)速減小，種子到達第1落點時相對種床的速度減小，導(dǎo)致在彈跳移位過程中Δs2減小，因碰撞引起的著床位置偏差變小。BUFTON等[39]研究也證實了隨著種子著床速度的增加，種子著床彈跳和滾動移位隨之增加。

由圖11c可知，隨著定位數(shù)據(jù)更新率從1 Hz增加到10 Hz，DIP從50.8 mm減小到41.3 Hz，減小了18.7%。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的可能原因是隨著定位數(shù)據(jù)更新率的增加，相同時間內(nèi)系統(tǒng)可獲取更多定位點信息，根據(jù)式(11)進行著床時刻播種機組位置預(yù)測時，兩已知位置點的距離減小，預(yù)測位置更加精確。

AIP變化曲線如圖12所示，由圖12a可知，隨作業(yè)速度從3 km/h增加到7 km/h，平均AIP從81.9%下降到43.3%，下降了49.6%。彈跳移位過程Δs2的變化同樣是導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因。

在作業(yè)速度3 km/h時，AIP最高，但與NORREMARK等[19]以最高5.3 km/h采用低位零速度投種方式播種甜菜時95%的種子落在預(yù)測位3.73 cm范圍內(nèi)的結(jié)果相比，存在較大差異。主要原因是：本研究所用高位投種播種機，種子經(jīng)過導(dǎo)種管后著床，由于種子與導(dǎo)種管內(nèi)壁碰撞，無法實現(xiàn)零速投種，導(dǎo)致種子著床彈跳移位，是造成這一結(jié)果的可能原因之一；NORREMARK等[19]在種子位置預(yù)測過程中，添加已知位置的標識，以校準動態(tài)定位數(shù)據(jù)，是定位精度更高的另一可能原因。播種株距和定位數(shù)據(jù)更新率對AIP影響不顯著。

綜合上述分析，可見進一步減小DIP、提高AIP可以從減小種子著床彈跳移位和改善衛(wèi)星動態(tài)定位精度入手。

5 結(jié)論

(1)提出了一種基于衛(wèi)星定位的玉米高位精播種子著床位置預(yù)測方法，搭建了試驗系統(tǒng)，將玉米高位精播種子著床位置的預(yù)測控制在了厘米級。

(2)各因素對著床位置偏差影響的主次順序是：作業(yè)速度、定位數(shù)據(jù)更新率、播種株距，其中作業(yè)速度、定位數(shù)據(jù)更新率對著床位置偏差影響極顯著(p<0.01)，播種株距對著床位置偏差影響顯著(p<0.05)；各因素對著床位置預(yù)測準確率影響的主次順序是：作業(yè)速度、播種株距、定位數(shù)據(jù)更新率，其中作業(yè)速度對著床位置預(yù)測準確率影響顯著(p<0.05)，播種株距和定位數(shù)據(jù)更新率對著床位置預(yù)測準確率不顯著(p>0.05)。

(3)正交試驗結(jié)果表明：著床位置偏差隨著作業(yè)速度的增加、播種株距的減小、定位數(shù)據(jù)更新率的減小而增加，著床位置預(yù)測精確率隨作業(yè)速度的增加而減小。作業(yè)速度、播種株距、定位數(shù)據(jù)更新率為3 km/h、0.4 m、10 Hz時，著床位置預(yù)測最準確，著床位置偏差和著床位置預(yù)測準確率分別為24.3 mm和88.9%。