李潤(rùn)濤，王憲良，姚艷春，魏忠彩，周華，張祥彩

(山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東淄博，255000)

0 引言

播種是糧食生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，播種質(zhì)量的好壞直接影響糧食的產(chǎn)量。均勻播種有助于作物充分利用陽光，促進(jìn)作物均勻生長(zhǎng)；同時(shí)，均勻生長(zhǎng)作物的覆蓋將減少土層表面的光照，進(jìn)而抑制雜草的生長(zhǎng)。但根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)每年的漏播土地面積與日本耕作面積相近[1]，因此，如何提高播種質(zhì)量成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。通過優(yōu)化排種器結(jié)構(gòu)提高排種性能可達(dá)到減少漏播重播等問題，但研發(fā)周期較長(zhǎng)，且不能絕對(duì)避免漏播和重播等問題。排種過程中出現(xiàn)漏播和排種不均的現(xiàn)象，主要是由排種器穴位缺種以及地輪打滑引發(fā)排種器短暫停轉(zhuǎn)造成的。排種檢測(cè)裝置可以對(duì)排種過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)漏播情況時(shí)通過補(bǔ)種機(jī)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)種，從而降低損失。變量播種技術(shù)解決了地輪打滑造成的排種不均問題[2]，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[3]。

播種機(jī)智能檢測(cè)是使用傳感器對(duì)播種機(jī)的排種質(zhì)量和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。目前，排種檢測(cè)主要應(yīng)用光電、電容、壓電和視覺傳感器等[4]；變量播種技術(shù)通過傳感器檢測(cè)出機(jī)具前進(jìn)速度，結(jié)合處方圖推算出排種器的轉(zhuǎn)速大小，實(shí)現(xiàn)變量播種。隨著農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)的發(fā)展，播種作業(yè)更加注重高效率、高質(zhì)量和低損耗；漏播檢測(cè)技術(shù)與補(bǔ)種裝置的結(jié)合提高了播種質(zhì)量和作業(yè)效率，變量播種技術(shù)與GIS處方圖結(jié)合并根據(jù)土壤條件進(jìn)行變量作業(yè)，有效節(jié)約種子，提高排種質(zhì)量。

本文主要分析智能播種檢測(cè)裝備的研究現(xiàn)狀，結(jié)合不同的檢測(cè)方法，分析各檢測(cè)方法所用傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能原理，總結(jié)不同傳感器在實(shí)際應(yīng)用中存在的不足，針對(duì)不同傳感器歸納其優(yōu)缺點(diǎn)和使用范圍，為播種機(jī)智能檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)一步研究提供依據(jù)。

1 播種檢測(cè)技術(shù)

播種檢測(cè)數(shù)據(jù)的精確度對(duì)于播種質(zhì)量的提高尤為重要，精確地檢測(cè)數(shù)據(jù)可以使播種機(jī)執(zhí)行更精準(zhǔn)的動(dòng)作。播種檢測(cè)主要包括料位檢測(cè)以及播種過程中的漏播檢測(cè)。

1.1 種箱料位檢測(cè)

種箱料位的檢測(cè)是使用檢測(cè)裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)種箱種量，當(dāng)檢測(cè)到種箱排空時(shí)通過警報(bào)信息提醒操作人員進(jìn)行填種，及時(shí)遏制漏播現(xiàn)象；通過種箱料位檢測(cè)反饋的信息可以獲取單位面積土地所需種量，為下一年的土地播種量提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)。研究者針對(duì)料位的檢測(cè)進(jìn)行了大量的研究，趙明巖[5]運(yùn)用Comsol Multiphysics軟件對(duì)矩形和圓環(huán)形兩種電容電極進(jìn)行仿真分析，得出使用矩形電極作為料位傳感器時(shí)與料位高度的相關(guān)性最高，其檢測(cè)誤差率小于6%。田雅楠[6]以STC89C52單片機(jī)為核心研制了一種基于電容法的肥箱料位傳感器檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過料位變化引起電容量的變化來檢測(cè)料位，經(jīng)過程序分析計(jì)算后將測(cè)量料位顯示在數(shù)碼管上，經(jīng)田間試驗(yàn)得檢測(cè)相對(duì)誤差為2.19%。采用電容傳感器檢測(cè)料位受溫度和物料濕度影響較大，當(dāng)更換物料時(shí)對(duì)應(yīng)的檢測(cè)結(jié)果將發(fā)生改變，所以電容傳感器檢測(cè)料位較適用于物料比較單一的情況下進(jìn)行檢測(cè)；因此，黃操軍等[7]在種箱內(nèi)均勻安裝了16個(gè)紅外發(fā)射接收傳感器，通過循環(huán)檢測(cè)16個(gè)紅外傳感器，當(dāng)料位下降時(shí)以紅外傳感器是否被遮擋作為標(biāo)識(shí)來檢測(cè)料位高度，其檢測(cè)誤差小于5.5%。采用紅外傳感器檢測(cè)法具有工作穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，但當(dāng)物料不平整時(shí)檢測(cè)誤差較大，所以采用光電傳感器只能粗略估計(jì)種箱料位的大小。

針對(duì)使用光電和電容傳感器對(duì)料位進(jìn)行檢測(cè)存在上述問題，Bergeijk等[8]使用動(dòng)態(tài)稱量的方法進(jìn)行料位檢測(cè)，將動(dòng)態(tài)稱量的數(shù)據(jù)與地理位置信息結(jié)合，以確定空間施肥量的大小，起到了實(shí)時(shí)檢測(cè)料位的作用，其檢測(cè)誤差低于5%。采用動(dòng)態(tài)稱量的方法可較精確地獲取到物料量，但在田間實(shí)際運(yùn)行中存在路面不平整導(dǎo)致播種機(jī)存在傾斜會(huì)使得檢測(cè)不準(zhǔn)確。針對(duì)物料表面不平整時(shí)檢測(cè)誤差較大，劉時(shí)亮[9]運(yùn)用超聲波測(cè)距的原理對(duì)固體物料的料位進(jìn)行檢測(cè)，將多個(gè)超聲波探頭組成陣列，安裝在容器頂部，通過超聲波探頭反饋的數(shù)據(jù)，計(jì)算出箱體中物料的平均料位。運(yùn)用多個(gè)超聲波或者雷達(dá)[10-11]傳感器對(duì)料位進(jìn)行檢測(cè)可以達(dá)到較高的檢測(cè)精度，但檢測(cè)物體與檢測(cè)探頭較近時(shí)，響應(yīng)時(shí)間極短，此時(shí)測(cè)量誤差較大。針對(duì)這一問題，Crider[12]設(shè)計(jì)了一種具有超聲波傳感器和電容接近開關(guān)傳感器的物料檢測(cè)傳感器，當(dāng)距離較小時(shí)應(yīng)用電容傳感器對(duì)物料的料位進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)距離較大時(shí)應(yīng)用超聲波傳感器進(jìn)行檢測(cè)，有效解決了使用單個(gè)傳感器檢測(cè)料位存在的不足。綜上分析，采用動(dòng)態(tài)稱量法以及多傳感器檢測(cè)的方法對(duì)料箱進(jìn)行檢測(cè)可以排除物料不平整等造成的誤差，以及光電傳感器和電容傳感器在料位檢測(cè)中存在檢測(cè)精度不高等問題；但在丘陵山區(qū)以及傾斜地塊作業(yè)時(shí)存在其他方向的分力，使得動(dòng)態(tài)稱量法存在較大檢測(cè)誤差，可考慮使用多維力傳感器設(shè)計(jì)稱量裝置，提高檢測(cè)精度。

在高溫等特殊環(huán)境下應(yīng)用電子傳感器并不能滿足要求，因此在料位檢測(cè)的研究中，陶孫杰等[13]為解決特殊環(huán)境的物料檢測(cè)難題，運(yùn)用重錘探測(cè)機(jī)械式傳感器與單片機(jī)組成的智能化料位檢測(cè)系統(tǒng)。現(xiàn)有的料位檢測(cè)裝置可以達(dá)到有效地檢測(cè)，但檢測(cè)精度仍需進(jìn)一步提高；隨著播種機(jī)智能化的發(fā)展，在大田作業(yè)中將播量預(yù)測(cè)與路徑規(guī)劃結(jié)合，通過對(duì)料位的檢測(cè)判斷最佳填料地點(diǎn)，避免在作業(yè)中段處出現(xiàn)排空現(xiàn)象，減少對(duì)土地的二次碾壓。

1.2 漏播檢測(cè)

排種器在田間工作過程中，由于機(jī)械振動(dòng)、排種器磨損導(dǎo)致精度降低等問題，不可避免地導(dǎo)致播種作業(yè)漏播和重播，進(jìn)而影響播種質(zhì)量，降低產(chǎn)量。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，研究人員針對(duì)排種過程中出現(xiàn)的漏播和重播問題做了廣泛的研究，衍生出了多種檢測(cè)方法，主要有光電檢測(cè)法、電容檢測(cè)法、壓電檢測(cè)法以及機(jī)器視覺檢測(cè)法。由于光電傳感器和電容傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)勢(shì)，目前光電和電容檢測(cè)法運(yùn)用較多。

1.2.1 光電檢測(cè)法

光電檢測(cè)法是目前使用較為廣泛的檢測(cè)方法之一。該方法使用的光電傳感器由發(fā)射端和接收端組成，當(dāng)種子下落時(shí)遮擋住發(fā)射端發(fā)射的光線使得接收端的光照強(qiáng)度發(fā)聲改變，引起電信號(hào)發(fā)生相應(yīng)的改變，再將變化的電信號(hào)傳送到處理器進(jìn)行相應(yīng)的邏輯判斷，得出是否漏播和重播等問題。研究人員主要從傳感器的布置、信號(hào)處理和邏輯分析方法以及傳感器抗塵機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)3方面進(jìn)行研究，具體如下。

傳統(tǒng)的光電檢測(cè)裝置是單個(gè)傳感器按照對(duì)置的方式排布，如Garcia等[14]基于紅外光電傳感器研制了排種檢測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生堵塞時(shí)，通過故障燈提示操作者，但當(dāng)所檢測(cè)顆粒較小時(shí)會(huì)存在檢測(cè)盲區(qū)。因此，戈天劍、鄭雯璐、劉坤等通過在導(dǎo)種管內(nèi)并列或者交叉安裝多個(gè)光電傳感器，使得檢測(cè)系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠且實(shí)現(xiàn)了無盲區(qū)檢測(cè)，平均檢測(cè)精度高于96%。同時(shí)，王在滿等[15]采用面源式光電傳感器環(huán)形布置方式獲取稻種在排種管中的運(yùn)動(dòng)信息，經(jīng)臺(tái)架試驗(yàn)表明，平均檢測(cè)誤差低于7.99%。通過優(yōu)化光電傳感器排布，可實(shí)現(xiàn)無盲區(qū)檢測(cè)，提高檢測(cè)精度；但由于播種機(jī)工作在高塵、高振環(huán)境中，導(dǎo)致光電傳感器易受到外界的污染和干擾；因此需要設(shè)計(jì)防塵裝置以及提升檢測(cè)電路的抗干擾能力。

光電傳感器在檢測(cè)時(shí)，傳感器檢測(cè)得到的電信號(hào)并不是規(guī)律變化的，其中包含著外界因素引起的干擾信號(hào)，因此需要將信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理后進(jìn)行分析，從而降低誤判的概率。目前電信號(hào)的處理主要包括信號(hào)濾波、信號(hào)放大以及A/D轉(zhuǎn)換等操作[16]，處理后將信號(hào)傳給處理器進(jìn)行分析。為提高檢測(cè)精度，馮全等[17]基于紅外光電傳感器，將檢測(cè)電路中種子產(chǎn)生的脈沖信號(hào)與背景信號(hào)分離，分別按照不同的倍數(shù)進(jìn)行放大后再合成一個(gè)信號(hào)，從而提高小顆粒種子的檢測(cè)精度。譙睿等[18]設(shè)計(jì)了一種雙層對(duì)射式激光傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用加法電路作為落種信號(hào)檢測(cè)電路，利用窩眼滾筒側(cè)面圓周整列的磁鐵片與霍爾傳感器產(chǎn)生霍爾脈沖信號(hào)，處理芯片將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為株距，通過株距對(duì)比判斷是否漏播重播；試驗(yàn)表明，對(duì)于單粒排種其檢測(cè)準(zhǔn)確率為99.967%。研究者基于光電檢測(cè)原理對(duì)電信號(hào)處理方法以及邏輯分析方法進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，提高了光電傳感器檢測(cè)裝置檢測(cè)精度。

由于檢測(cè)裝置工作在高塵環(huán)境中，暴露在灰塵中的檢測(cè)裝置容易受到污染，影響光電傳感器的檢測(cè)。因此，研究人員在傳感器抗塵方面做了相應(yīng)的研究。孫永佳等[19]在硅光二極管外安裝了透明的玻璃外殼，使得感光器件與種子不直接接觸，減少灰塵的堆積和鏡面的劃傷，起到一定的抗塵作用，通過試驗(yàn)得出檢測(cè)誤差低于4%。紀(jì)超[20]、宋鵬[21]為提高探頭的除塵能力，設(shè)計(jì)了一種自清潔除塵裝置，該裝置使得探頭與外界隔開，具有清潔表面灰塵的功能，該裝置可達(dá)到95.1%的漏播檢測(cè)精度。光電傳感器檢測(cè)裝置經(jīng)過信號(hào)處理方法的改進(jìn)、傳感器位置的優(yōu)化以及除塵機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)可有效提高檢測(cè)精度，但光電傳感器的發(fā)射端其使用壽命有限。

1.2.2 電容檢測(cè)法

電容檢測(cè)法是利用物體通過電容傳感器極板之間時(shí)介電常數(shù)發(fā)生變動(dòng)的原理對(duì)排種進(jìn)行檢測(cè)，電容檢測(cè)具有可靠性強(qiáng)、抗污染能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但電容傳感器具有輸出阻抗大以及易受寄生電容影響的缺點(diǎn)。研究人員主要對(duì)極板設(shè)計(jì)、信號(hào)處理和檢測(cè)算法等進(jìn)行優(yōu)化研究。

在以往電容傳感器的設(shè)計(jì)使用中，常采用平行的兩塊極板進(jìn)行檢測(cè)，如范作憲等[22]以FPGA為核心設(shè)計(jì)了同面電極電容檢測(cè)系統(tǒng)，但只能測(cè)量出微小電容。為研究不同形狀極板對(duì)電容檢測(cè)的效果，田雷等設(shè)計(jì)了對(duì)置式、E型和三極板差動(dòng)式傳感器(圖1)，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了E型極板的檢測(cè)效果更佳，其漏播檢測(cè)準(zhǔn)確率為82.9%。為進(jìn)一步優(yōu)化檢測(cè)效果，田雷等[23]利用ANSYS對(duì)3種極板進(jìn)行仿真分析，得出4塊E型極板進(jìn)行檢測(cè)時(shí)效果更佳，并進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，優(yōu)化后漏播檢測(cè)精度98.9%。Noltingk等[24]設(shè)計(jì)了一種環(huán)形電容傳感器，其檢測(cè)靈敏度比對(duì)置式的傳感器更佳。研究者們基于不同極板的電容傳感器檢測(cè)效果不同，對(duì)極板進(jìn)行設(shè)計(jì)和對(duì)比分析，有效解決了電容傳感器輸出阻抗大的問題，提升了傳感器工作穩(wěn)定性。

(a) E形交叉式極板

(b) 極板對(duì)置式

(c) 極板差動(dòng)式圖1 電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Capacitive sensor structure diagram

信號(hào)處理電路將電容傳感器采集的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，經(jīng)過相應(yīng)的邏輯分析得到檢測(cè)結(jié)果。周利明等[25]使用Max038芯片和環(huán)形銅制電極板對(duì)小麥籽粒排種過程進(jìn)行漏播、重播以及堵塞檢測(cè)，試驗(yàn)得出檢測(cè)誤差低于2.2%。為改善玉米播種機(jī)排種性能監(jiān)測(cè)可靠性，周利明等[26]利用電容轉(zhuǎn)換芯片MS3110和AD7685設(shè)計(jì)了高精度電容檢測(cè)電路，采用電容脈沖積分算法檢測(cè)出玉米排種器的排種量和漏播量，其檢測(cè)精度為97.3%。為獲取更高的采樣速度和精度，周利明[27]采用PCA01搭建檢測(cè)系統(tǒng)，通過脈沖峰值尋找的算法對(duì)運(yùn)動(dòng)籽粒進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了播種間距、漏播重播的檢測(cè)。許鍵佳等[28]基于PCAP02的電容檢測(cè)系統(tǒng)，利用芯片內(nèi)置的溫度傳感器對(duì)外界溫度進(jìn)行補(bǔ)償，解決了電容傳感器受溫度和寄生電容影響的問題。綜上分析，極板形狀和檢測(cè)電路優(yōu)化解決了輸出阻抗大和存在寄生電容等問題，提升了檢測(cè)精度和工作穩(wěn)定性，但電容傳感器由于自身阻抗較大，很難對(duì)大籽粒種子進(jìn)行精確檢測(cè)，限制了其運(yùn)用范圍。隨著材料技術(shù)和集成電路的快速發(fā)展，電容式傳感器將逐漸解決自身問題，充分發(fā)揮其靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。

1.2.3 壓電檢測(cè)法

壓電檢測(cè)法是將壓電感應(yīng)傳感器置于種管內(nèi)部，下落的種子落在壓電傳感器上產(chǎn)生壓力，壓力使得傳感器發(fā)送形變從而將壓力值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，通過邏輯算法對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行分析獲得排種信息。壓電傳感器在排種檢測(cè)中，種子與壓電傳感器需進(jìn)行接觸，將改變種子的運(yùn)行軌跡且容易造成堵塞；因此，針對(duì)自然落種的排種器很少使用壓電原理進(jìn)行排種檢測(cè)，而多應(yīng)用于氣力式精量播種器中。

為保證復(fù)雜惡劣環(huán)境下實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)排種情況，黃東巖等[29]利用PVDF(聚偏二氟乙烯)壓電傳感器實(shí)時(shí)對(duì)單粒種子流狀態(tài)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)排種檢測(cè)，其檢測(cè)精度高于89.7%。在國(guó)外，Hisaeda等[30]利用壓電聲電傳感器對(duì)單粒排種器進(jìn)行檢測(cè)，通過惠思登電橋和比較放大器進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，結(jié)合單片機(jī)算法邏輯判斷排種器是否漏播和重播，對(duì)應(yīng)的漏播檢測(cè)誤差低于5.2%。Hoberge等[31]開發(fā)了頭部壓電傳感器和軟管壓電傳感器，頭部壓電傳感器可以檢測(cè)整個(gè)種子流，軟管壓電傳感器可以檢測(cè)每個(gè)軟管中的堵塞情況，為了使得多粒種子在撞擊傳感器被檢測(cè)到，在整個(gè)撞擊區(qū)域排布了多個(gè)傳感器。

在國(guó)內(nèi)，趙博等[32]設(shè)計(jì)了一種基于陶瓷的弧形陣列式流量傳感器(圖2)，對(duì)感應(yīng)單元的布局和傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)了信號(hào)處理電路和脈沖計(jì)數(shù)電路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)排種過程的檢測(cè)，通過試驗(yàn)得出該傳感器的漏播檢測(cè)誤差低于5%。丁幼春等[33]設(shè)計(jì)了沉槽基板—壓電薄膜感應(yīng)結(jié)構(gòu)，降低了碰撞信號(hào)縮減時(shí)間，對(duì)高頻種子流也能起到很好地檢測(cè)，其檢測(cè)準(zhǔn)確率高于99.1%。綜上分析，研究者們主要對(duì)壓電傳感器材料、傳感器在檢測(cè)裝置中的分布以及處理電路和邏輯分析方法進(jìn)行改進(jìn)，有效地解決了種子擁堵、傳感器響應(yīng)頻率低等問題，提高了檢測(cè)性能。在大籽粒種子運(yùn)動(dòng)過程中慣性較大、在與壓電傳感器多次碰撞后造成變形等問題，從而影響檢測(cè)精度，因此針對(duì)大籽粒種子需要設(shè)計(jì)更加耐撞的壓電傳感器。

圖2 陶瓷壓電傳感器實(shí)物圖Fig. 2 Ceramic piezoelectric sensor structure and physical map

1.2.4 機(jī)器視覺檢測(cè)法

機(jī)器視覺檢測(cè)法是利用攝像機(jī)采集排種過程中種粒的圖像信息，通過對(duì)圖像進(jìn)行處理獲取相應(yīng)位置或數(shù)量信息，判斷是否漏播或重播。目前，對(duì)于機(jī)器視覺檢測(cè)的研究主要是設(shè)計(jì)排種試驗(yàn)臺(tái)在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行研究，而在實(shí)際播種檢測(cè)中的應(yīng)用較少。如劉立晶等設(shè)計(jì)的多功能排種檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)，通過傳送帶模擬播種機(jī)在田間運(yùn)動(dòng)，通過攝像頭拍攝膠帶上的種子，并對(duì)圖片進(jìn)行處理計(jì)算出粒距等信息得出漏播指數(shù)和重播指數(shù)，得到人工法和機(jī)器視覺檢測(cè)法相對(duì)誤差低于0.7%。吳澤全等基于機(jī)器視覺和自動(dòng)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了排種檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)采集的圖片進(jìn)行圖像拼接、閾值分割等操作獲得種子的邊緣輪廓特征，通過特征得到種子間粒距，進(jìn)而分析排種性能。Li等[34]通過設(shè)計(jì)基于圖像處理的小麥精密播種試驗(yàn)平臺(tái)優(yōu)化和改進(jìn)排種器性能，高速攝像機(jī)拍攝落到傳送帶上的種子，通過一系列圖像處理方法得到排種器的合格率、重播率以及漏播率。試驗(yàn)臺(tái)的研制使得研究機(jī)器視覺方法對(duì)排種過程檢測(cè)更加便捷，且降低了研究成本、縮短了研發(fā)周期，但當(dāng)傳送帶速度較快時(shí)種子彈跳加大，其檢測(cè)誤差也隨之增大，加大了研究難度。

利用機(jī)器視覺對(duì)排種檢測(cè)的研究側(cè)重于算法的優(yōu)化和創(chuàng)新。在國(guó)外研究者們通過檢測(cè)種子排種均勻度判斷是否存在漏播等問題，如Yazgi等[35]利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)研究了排種過程中種子的運(yùn)動(dòng)軌跡及其均勻性，為排種器的工作參數(shù)優(yōu)化提供了可靠依據(jù)。Navid等[36]利用相機(jī)對(duì)種子下落過程進(jìn)行記錄，在計(jì)算機(jī)上結(jié)合Matlab軟件對(duì)圖像進(jìn)行分析，獲得相應(yīng)的播種量、種子均勻度、漏播率和重播率等參數(shù)。在國(guó)內(nèi)，蔡曉華等[37]采用圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)測(cè)量種子間的粒距，提出了一種預(yù)處理動(dòng)態(tài)閾值方法，通過選取最佳閾值和種子分布樣本進(jìn)行種子識(shí)別和距離測(cè)量。陳進(jìn)等[38]運(yùn)用圖像處理技術(shù)對(duì)排種器性能進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)獲得的圖像進(jìn)行數(shù)字化處理，得到種子的特征信息，根據(jù)種子投影面積大小確定播種精度和均勻度，根據(jù)投影面積大小判斷是否碎種、漏播和重播，試驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)器視覺檢測(cè)與人工檢測(cè)相對(duì)誤差小于1%。為快速準(zhǔn)確地測(cè)量播種機(jī)的性能，張海娜等[39]提出了一種基于機(jī)器視覺的性能檢測(cè)方法，該方法將采集的圖片經(jīng)過大津法二值化分割圖像后，進(jìn)行一系列圖像處理，得出種子陣列寬度、種子陣列間距、陣列中心、非種子間隔的坐標(biāo)信息，基于這些信息計(jì)算出播種機(jī)的播種性能。王安等[40]根據(jù)種子單個(gè)聯(lián)通區(qū)域與種子數(shù)目關(guān)系，闡述了一種基于該變形狀因子的秧盤缽體質(zhì)量檢測(cè)法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水稻育苗過程中每個(gè)穴位種子的精確檢測(cè)，其準(zhǔn)確率高于95%。綜上分析，運(yùn)用機(jī)器視覺方法檢測(cè)排種過程的均勻度、種子間距和投影面積等可實(shí)現(xiàn)較高精度的漏播和重播檢測(cè)，但隨著播種機(jī)速度提升，需要處理器具有更高的運(yùn)算速度和存儲(chǔ)空間，因此檢測(cè)裝置的功耗也隨之提高；這使得檢測(cè)裝置在運(yùn)用于田間試驗(yàn)時(shí)需要提供額外的電源，提升了檢測(cè)成本。播種機(jī)在高塵環(huán)境中作業(yè)時(shí)塵土附著在攝像頭上，對(duì)檢測(cè)帶來很大的誤差；因此在實(shí)際的播種作業(yè)中運(yùn)用較少。但機(jī)器視覺檢測(cè)方法具有高效準(zhǔn)確的檢測(cè)精度，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和機(jī)器視覺技術(shù)的創(chuàng)新，未來在播種機(jī)上的運(yùn)用會(huì)越來越廣泛。

2 地下種子非接觸檢測(cè)

地下種子非接觸檢測(cè)是運(yùn)用特殊的方法和設(shè)備對(duì)已經(jīng)播種覆土的種子進(jìn)行檢測(cè)，從而判定最終的播種情況，為后期的補(bǔ)種和產(chǎn)量預(yù)估提供數(shù)據(jù)。采用光電檢測(cè)、電容檢測(cè)和機(jī)器視覺檢測(cè)等可以對(duì)漏播和重播進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)漏播時(shí)，利用補(bǔ)種裝置進(jìn)行及時(shí)的補(bǔ)種，但是否能有效地補(bǔ)種存在未知性，通過地下檢測(cè)可以對(duì)最終的播種情況進(jìn)行檢測(cè)，并采用后期的補(bǔ)種來降低損失，但目前對(duì)于地下檢測(cè)的研究較少。馮娟等為驗(yàn)證精密播種機(jī)播種均勻性，提出了一種基于電磁感應(yīng)原理的檢測(cè)方法，使用鐵氧體粉末對(duì)待檢測(cè)玉米進(jìn)行包裹，通過激勵(lì)線圈產(chǎn)生的一次磁場(chǎng)作用于包衣后的玉米便會(huì)產(chǎn)生二次磁場(chǎng)，通過檢測(cè)線圈感應(yīng)二次磁場(chǎng)的方式檢測(cè)種子的位置，能實(shí)現(xiàn)對(duì)地下玉米種粒的檢測(cè)效果，但鐵氧體粉末會(huì)對(duì)土壤造成一定程度的污染，因此需要研究更加環(huán)保的檢測(cè)方法。針對(duì)這個(gè)問題，Lu等[41]提出了一種利用超聲波的無損傷檢測(cè)方法，首先利用超聲波能量源分析農(nóng)田土壤的聲場(chǎng)分布特征，根據(jù)有無種子所反饋的總能量大小判斷該位置是否缺種；但針對(duì)土壤環(huán)境較為復(fù)雜，存在石粒或者大小不一的秸稈環(huán)境中使用超聲波無損傷檢測(cè)方法進(jìn)行排種檢測(cè)存在誤差。目前地下種子非接觸檢測(cè)還不完善，還處于一個(gè)探索期，需進(jìn)一步對(duì)種子特性以及檢測(cè)方法等進(jìn)行研究，該方向存在較大發(fā)展前景。

3 變量播種技術(shù)

目前播種機(jī)的排種動(dòng)力大部分是由地輪通過傳動(dòng)系統(tǒng)提供，通過改變傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)比實(shí)現(xiàn)株距的改變，但由于地表秸稈以及土壤濕度較大使得地輪帶動(dòng)排種器工作存在打滑問題，造成漏播現(xiàn)象的產(chǎn)生；地輪出現(xiàn)不定期的打滑會(huì)使得株距不均勻，影響作物的生長(zhǎng)。因此，國(guó)內(nèi)外研究人員研究電機(jī)驅(qū)動(dòng)排種器的方式實(shí)現(xiàn)了變量播種和變量補(bǔ)種，通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速可以很方便地調(diào)節(jié)株距、排種量等參數(shù)。

3.1 變量播種控制技術(shù)

在變量播種控制技術(shù)中的因變量為排種器轉(zhuǎn)速，自變量可以是播種機(jī)轉(zhuǎn)速、農(nóng)藝要求、排種量大小或者GIS處方圖等；通過自變量大小動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)因變量大小，實(shí)現(xiàn)變量播種。李正義等利用旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量播種機(jī)前進(jìn)速度，PLC讀取到編碼器的脈沖信號(hào)后根據(jù)農(nóng)藝要求控制排種器轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了排種器變量播種。針對(duì)排種器工作過程中存在播量誤差，雷聲媛等通過電容傳感器檢測(cè)實(shí)時(shí)的播種量，通過與設(shè)定的播種量進(jìn)行比較來調(diào)節(jié)外槽輪的轉(zhuǎn)速，從而控制播種量。為滿足大田作業(yè)中各排種單體實(shí)現(xiàn)變量播種，丁友強(qiáng)等[42]為實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)播種單體的獨(dú)立控制，搭建了基于STM32F103的單體驅(qū)動(dòng)器硬件和軟件架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了平滑驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)等功能。在大田作業(yè)中，每個(gè)耕作區(qū)域的肥效以及光照時(shí)間等是不同的，為充分利用種子需要變量播種和變量施肥來達(dá)到土地的最佳使用效率；借助GPS和GIS得到播種機(jī)所在區(qū)域的播種決策GIS電子地圖，根據(jù)電子地圖得到區(qū)域的播種量信息，再通過播種機(jī)的控制機(jī)構(gòu)執(zhí)行變量播種[43]，提高了土地使用效率，節(jié)約了種子和肥料。綜上分析，變量播種的準(zhǔn)確性與速度檢測(cè)準(zhǔn)確性和控制響應(yīng)的速度有關(guān)；在速度檢測(cè)中常用到編碼器測(cè)速或者GPS定位測(cè)速的方式進(jìn)行檢測(cè)，但GPS測(cè)速存在滯后性的問題，可將GPS信號(hào)與速度編碼器結(jié)合，從而彌補(bǔ)GPS滯后性的問題，達(dá)到測(cè)速和準(zhǔn)確定位的目的。

3.2 變量補(bǔ)種技術(shù)

變量補(bǔ)種是漏播檢測(cè)裝置檢測(cè)到漏播情況時(shí)，通過控制系統(tǒng)控制排種軸加速轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)空穴位置進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)種的目的。吳南[44]針對(duì)漏播自補(bǔ)償(變量補(bǔ)種)和漏播輔助補(bǔ)償方法進(jìn)行了對(duì)比研究，通過自補(bǔ)償補(bǔ)種性能分析，在種子脫離排種口之前檢測(cè)到漏播，并啟動(dòng)加速補(bǔ)種命令可以實(shí)現(xiàn)自補(bǔ)種功能，通過臺(tái)架試驗(yàn)得到變量補(bǔ)種受播種速度和播種粒距影響較大；當(dāng)播種速度較大、株距較小時(shí)變量補(bǔ)種受到限制。針對(duì)油菜精量排種器存在漏播的問題，丁幼春等[45]設(shè)計(jì)了油菜精量排種器變量補(bǔ)種系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有漏播檢測(cè)、種盤測(cè)速、變量補(bǔ)種和補(bǔ)種監(jiān)測(cè)功能，當(dāng)漏播檢測(cè)裝置檢測(cè)到漏播時(shí)，根據(jù)變量補(bǔ)償策略獲得對(duì)應(yīng)的補(bǔ)種速度，并將信號(hào)傳遞給相應(yīng)的執(zhí)行裝置進(jìn)行變量補(bǔ)種。但上述變量補(bǔ)種技術(shù)只適用于速度較低的情況，在高速狀態(tài)下控制響應(yīng)時(shí)間加上機(jī)械執(zhí)行時(shí)間超過了缺種穴位理應(yīng)排種的時(shí)間，并且當(dāng)單粒排種器連續(xù)出現(xiàn)兩次空穴時(shí)，很難實(shí)現(xiàn)變量補(bǔ)種，因此在高速狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)變量補(bǔ)種還需進(jìn)一步研究。

4 檢測(cè)方法對(duì)比分析與存在問題

4.1 檢測(cè)方法對(duì)比分析

不同檢測(cè)傳感器優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示。從表1中可以得出不同傳感器具有相應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，這些優(yōu)缺點(diǎn)決定了不同類型傳感器在播種機(jī)智能檢測(cè)中的應(yīng)用范圍，例如壓電傳感器在漏播檢測(cè)中，多用于小籽粒或氣動(dòng)播種中。研究人員在研究過程中，針對(duì)不同類型傳感器的缺點(diǎn)，進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，如：通過陣列布置多個(gè)光電傳感器的方式，解決了光電傳感器存在檢測(cè)盲區(qū)的問題；通過設(shè)計(jì)清塵和防塵裝置，有效解決傳感器易被污染的問題。

表1 檢測(cè)傳感器優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Tab. 1 Comparison of advantages and disadvantages of detection sensors

4.2 播種機(jī)智能檢測(cè)技術(shù)存在問題

隨著播種機(jī)械的發(fā)展，高速、高精度和智能化是播種機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)，傳感器技術(shù)、智能控制技術(shù)以及芯片技術(shù)是播種機(jī)實(shí)現(xiàn)高速、高精度和智能化的關(guān)鍵。但由于國(guó)內(nèi)發(fā)展較晚，在這些領(lǐng)域還存在許多問題。

1) 傳感器檢測(cè)精度和抗干擾能力較低。當(dāng)播種機(jī)在高溫、高塵、高濕度以及振動(dòng)的環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)時(shí)，難以平衡高精度和高抗干擾強(qiáng)度的關(guān)系，在實(shí)際運(yùn)用中常出現(xiàn)因?yàn)樘岣吡丝垢蓴_能力卻降低了檢測(cè)精度的問題，不利于播種質(zhì)量的提升。

2) 農(nóng)用傳感器類型較為單一。隨著播種機(jī)智能化發(fā)展，需多種類型的傳感器以實(shí)時(shí)獲取土壤濕度、環(huán)境溫度、播種機(jī)速度及前進(jìn)阻力等信息，但由于進(jìn)口傳感器價(jià)格昂貴，因此在實(shí)際生產(chǎn)中所使用的傳感器較少。通過加大國(guó)產(chǎn)傳感器的研發(fā)力度，從而降低智能化播種機(jī)的生產(chǎn)成本，提高播種機(jī)的工作性能。

3) 智能化水平較低，缺乏農(nóng)用的控制芯片和配套的控制系統(tǒng)。隨著機(jī)具作業(yè)速度的不斷提高，需要芯片和控制系統(tǒng)具有更高的響應(yīng)速度，但針對(duì)農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)的芯片和配套系統(tǒng)很少，高速芯片價(jià)格昂貴且較多功能在農(nóng)機(jī)上并不適用，造成資源浪費(fèi)和成本的提升，不利于智能化播種技術(shù)的推廣。

4) 農(nóng)業(yè)機(jī)械與檢測(cè)裝置不配套。較多智能檢測(cè)裝置是后期裝配的，有的農(nóng)業(yè)機(jī)械在設(shè)計(jì)之初并沒有考慮到檢測(cè)裝置，因此，對(duì)后續(xù)檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)會(huì)有一定局限性，不利于成套高性能播種檢測(cè)設(shè)備的研發(fā)。

5 展望

1) 機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)將廣泛應(yīng)用于播種機(jī)智能檢測(cè)。隨著技術(shù)的發(fā)展和革新，播種機(jī)將向更加高速的方向發(fā)展，需要檢測(cè)傳感器擁有高分辨率的檢測(cè)硬件和檢測(cè)算法。機(jī)器視覺檢測(cè)具有高效、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，利用機(jī)器視覺對(duì)播種機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是未來發(fā)展的趨勢(shì)；無人農(nóng)場(chǎng)的實(shí)現(xiàn)更離不開機(jī)器視覺技術(shù)，利用機(jī)器視覺與深度學(xué)習(xí)相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)農(nóng)場(chǎng)中雜草和病蟲害的檢測(cè)，農(nóng)機(jī)在農(nóng)場(chǎng)中的無人駕駛、自動(dòng)避障等功能也依賴于機(jī)器視覺技術(shù)。

2) 紅外技術(shù)和機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用于地下非接觸檢測(cè)。目前，對(duì)地下種子非接觸檢測(cè)的研究較少且難度較大，以及存在土壤污染和復(fù)雜土壤環(huán)境下分辨率低等問題。針對(duì)這一問題，可以通過對(duì)種子進(jìn)行冷或熱預(yù)處理后，利用紅外熱感應(yīng)技術(shù)對(duì)覆土種子進(jìn)行檢測(cè)，這既可免去土壤污染也能一定程度降低環(huán)境影響。利用圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)落到種溝內(nèi)種子(在被土壤覆蓋前的狀態(tài))進(jìn)行拍照分析，得到覆土前的種子在種溝內(nèi)的分布狀態(tài)。

3) 智能控制系統(tǒng)更加復(fù)雜多元。智能控制器是機(jī)器的“大腦”，隨著信息技術(shù)的發(fā)展和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的推廣，機(jī)具在工作過程中所獲取并處理的信息越來越復(fù)雜，包括機(jī)具位置信息、土壤養(yǎng)分信息以及種肥的料位信息等，需要智能控制器有足夠的運(yùn)算能力。智能控制技術(shù)運(yùn)用到農(nóng)機(jī)裝備上離不開傳感技術(shù)和視覺技術(shù)，農(nóng)機(jī)具所執(zhí)行的一系列操作均是對(duì)通過傳感器和圖像采集設(shè)備所感知信息的反應(yīng)。目前，國(guó)內(nèi)智能化水平仍較低，需要進(jìn)一步突破技術(shù)難點(diǎn)。

4) 變量播種技術(shù)與3S(RS、GIS、GPS)系統(tǒng)結(jié)合。變量播種技術(shù)解決了地輪打滑的問題，為精細(xì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。未來更加注重土地的使用效率，根據(jù)耕作土地的處方圖和土壤結(jié)構(gòu)判斷每個(gè)區(qū)域適宜的施肥量和播種量等參數(shù)，進(jìn)而通過智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)變量播種和變量施肥。