陳書法，馮博，蘆新春，牛晏瑞，張海峰

(江蘇海洋大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇連云港，222005)

0 引言

播種是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵一環(huán)，而傳統(tǒng)的播種驅(qū)動(dòng)方式為地輪驅(qū)動(dòng)，該方式在潮濕土地上工作易發(fā)生打滑和偏移現(xiàn)象，導(dǎo)致播種不均勻、重播和漏播情況[1-2]。只改進(jìn)排種管的結(jié)構(gòu)，難以解決這些問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外研究者用電驅(qū)動(dòng)排種代替地輪驅(qū)動(dòng)排種，利用檢測(cè)技術(shù)來(lái)監(jiān)控排種管的堵塞、種量、漏播、重播等情況，利用控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)精量播種與補(bǔ)種，極大地提高了農(nóng)機(jī)作業(yè)效率[3]。隨著現(xiàn)代科技智能化的發(fā)展和農(nóng)業(yè)勞動(dòng)人口老齡化的加重，國(guó)家已將智能農(nóng)業(yè)裝備發(fā)展列為中國(guó)制造2025計(jì)劃[4-5]。未來(lái)需要將導(dǎo)航技術(shù)、智能控制技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)以及云平臺(tái)遠(yuǎn)程控制監(jiān)控等多學(xué)科融合，來(lái)促進(jìn)智能化電控播種機(jī)的發(fā)展[6-7]。

本文從智能電控精量播種在線檢測(cè)和播種量精量控制兩方面，闡述國(guó)內(nèi)外在光電傳感器檢測(cè)、壓電傳感器檢測(cè)、電容式傳感器檢測(cè)、視覺(jué)圖像檢測(cè)和精量播種控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀，分析各研究之間的優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)存在的問(wèn)題提出改進(jìn)建議，并展望未來(lái)我國(guó)智能化電控精量播種技術(shù)的發(fā)展方向。

1 電控精量播種在線檢測(cè)技術(shù)

由于傳統(tǒng)的機(jī)械式播種機(jī)作業(yè)過(guò)程封閉，機(jī)手難以實(shí)時(shí)獲取機(jī)具內(nèi)外的狀況，出現(xiàn)漏播、重播、堵塞和種量不足時(shí)，機(jī)手不能及時(shí)處理，影響播種效率與質(zhì)量[8-9]。為了解決這一問(wèn)題，國(guó)外早在20世紀(jì)中期就有針對(duì)漏播、重播等狀況的檢測(cè)技術(shù)研究[10]。而我國(guó)在檢測(cè)技術(shù)方面的研究起步相對(duì)較晚，近些年，經(jīng)過(guò)研究人員的不斷努力，在播種檢測(cè)技術(shù)方面與國(guó)外已差距不大[11-12]。播種機(jī)的播種檢測(cè)主要采用光電傳感器檢測(cè)、壓電傳感器檢測(cè)、電容傳感器檢測(cè)和視覺(jué)圖像檢測(cè)。四種檢測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1 四種播種狀況的檢測(cè)方法對(duì)比Tab. 1 Comparison of four seeding condition detection methods

1.1 光電傳感器檢測(cè)

光電傳感器檢測(cè)是國(guó)內(nèi)外研究者采用最多的一種播種檢測(cè)方式，光電傳感器的原理是利用光電效應(yīng)將被測(cè)量的變化向光信號(hào)的變化轉(zhuǎn)化，光電元件進(jìn)一步把非電信號(hào)轉(zhuǎn)換為有用的電信號(hào)。常見的光電傳感器由測(cè)量頭、光學(xué)系統(tǒng)、光電元件以及電子測(cè)量電路組成。光電傳感器組成框圖如圖1所示。

在國(guó)外，澳大利亞某公司基于紅外線傳感器研究了一套監(jiān)測(cè)設(shè)備[13]，通過(guò)檢測(cè)排種管內(nèi)種子的運(yùn)動(dòng)來(lái)判斷排種管是否堵塞，該設(shè)備檢測(cè)功能單一，不能用于檢測(cè)漏播和重播。而美國(guó)在cyclo-500型播種機(jī)上利用光電傳感器設(shè)計(jì)了一套監(jiān)控系統(tǒng)[14]，通過(guò)檢測(cè)種子的下落狀況，不僅能監(jiān)控種子的漏播、重播，還可以統(tǒng)計(jì)株距和作業(yè)面積，極大地提高了作業(yè)效率。為了檢測(cè)作業(yè)時(shí)種子流量狀況，Karimi等[15]基于非接觸式紅外傳感器設(shè)計(jì)了種子流量檢測(cè)系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確檢測(cè)種子流量。

圖1 光電傳感器組成框圖

在國(guó)內(nèi)，光電傳感器檢測(cè)是被采用最多的一種檢測(cè)方式。譙睿等[16]研究了一套基于雙層對(duì)射式激光傳感器的五管集排式重播漏播檢測(cè)系統(tǒng)。如圖2所示，在導(dǎo)種管的下方安裝了一個(gè)雙層對(duì)射式激光傳感器，激光的光束覆蓋廣，解決了以往因檢測(cè)盲區(qū)，不易檢測(cè)的問(wèn)題。該系統(tǒng)在作業(yè)速度為120 m/h時(shí)，最小落種時(shí)間間隔為1.492 s，對(duì)單粒種子的漏播重播檢測(cè)精度為99.96%，對(duì)緊密相連的種子重播檢測(cè)精度為93%左右。解春季等[17]針對(duì)激光傳感器可以穿透透明物體的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一套透明的激光傳感器安裝盒，如圖3所示。針對(duì)漏播和重播檢測(cè)，該系統(tǒng)對(duì)單粒種子和雙粒重疊種子的檢測(cè)精度均在95%以上；通過(guò)抗灰塵模擬試驗(yàn)、播種試驗(yàn)以及與紅外傳感器對(duì)比試驗(yàn)，證明該系統(tǒng)所用的激光傳感器裝置與紅外傳感器相比，對(duì)環(huán)境有更好的適應(yīng)能力。

圖2 重播漏播檢測(cè)系統(tǒng)主要布局示意圖

結(jié)合國(guó)內(nèi)外對(duì)光電傳感器的應(yīng)用情況，可知常用于播種檢測(cè)的光電傳感器有紅外傳感器、激光傳感器和光纖傳感器等。其中，紅外傳感器應(yīng)用最為廣泛，常被用于種子流量檢測(cè)；激光傳感器的定向性較好，能準(zhǔn)確檢測(cè)種子漏播情況；光纖傳感器常用于檢測(cè)微小粒種子流量。但是，受光電傳感器特性限制，光電傳感器對(duì)重播檢測(cè)精度較差，傳感器易受灰塵等環(huán)境因素影響，而且對(duì)微小粒種子的檢測(cè)精度不足。國(guó)內(nèi)的光電傳感器性能較國(guó)外有一定差距，在光電傳感器應(yīng)用上，需設(shè)計(jì)合適的裝置，用來(lái)防止環(huán)境對(duì)光電傳感器的干擾，結(jié)合控制器性能特點(diǎn)，優(yōu)化程序算法，提高軟件響應(yīng)速度，彌補(bǔ)我國(guó)在硬件生產(chǎn)上的不足[18-19]。

圖3 激光傳感器安裝盒設(shè)計(jì)與組裝

1.2 壓電傳感器檢測(cè)

相比于光電傳感器易受灰塵影響的缺點(diǎn)，壓電式傳感器在灰塵、振動(dòng)等環(huán)境下仍具有很高的準(zhǔn)確性。壓電傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、工作可靠，多用在堵塞檢測(cè)上[20]。檢測(cè)裝置上常采用壓電薄膜作為傳感元件，一種PVDF壓電薄膜裝置如圖4所示，由保護(hù)層、電極層和PVDF壓電薄膜組成，其中電極層和保護(hù)層都分為上下兩層，PVDF壓電薄膜發(fā)生形變產(chǎn)生的電荷通過(guò)電極層導(dǎo)出。

圖4 一種PVDF壓電薄膜

壓電傳感器需接收種子的碰撞，才會(huì)產(chǎn)生電荷變化，對(duì)于一些質(zhì)量輕的種子，感應(yīng)單元要有很高的靈敏度。因此，針對(duì)不同粒徑的種子，需設(shè)計(jì)感應(yīng)單元的材質(zhì)來(lái)提高靈敏度。Hoberge等[21]采用壓電陶瓷設(shè)計(jì)了觸摸式傳感器陣列，具有很高的靈敏度，能有效檢測(cè)不同種子的播種量情況。在國(guó)內(nèi)，也有研究者采用壓電陶瓷傳感器用于播種量的檢測(cè)。趙博等[22]設(shè)計(jì)了一種基于壓電陶瓷的弧形陣列式播種流量傳感器，如圖5所示，傳感器內(nèi)部設(shè)計(jì)了信號(hào)處理電路和計(jì)數(shù)電路，可通過(guò)CAN總線發(fā)送，能快速準(zhǔn)確的檢測(cè)氣流輸送播種機(jī)的播種流量和堵塞狀況。該系統(tǒng)在排種量小于170粒/s時(shí)，對(duì)排種量的檢測(cè)精度大于95%，在排種量大于204粒/s時(shí)，檢測(cè)準(zhǔn)確率下降明顯；另外，在多種排種量情況下，該裝置對(duì)堵塞情況的檢測(cè)精度均為100%。張曌[23]設(shè)計(jì)了一種壓電沖擊式水稻穴直播監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一種PVDF壓電薄膜作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感器，通過(guò)采集稻種沖擊PVDF壓電薄膜產(chǎn)生的信號(hào)，來(lái)判斷播種狀況。當(dāng)排種器轉(zhuǎn)速為10～35 r/min時(shí)，系統(tǒng)對(duì)重播、漏播情況的檢測(cè)精度為90.83%～99.17%，滿足系統(tǒng)對(duì)播種過(guò)程中重播、漏播情況的監(jiān)控。不過(guò)，排種器的工作轉(zhuǎn)速對(duì)傳感器的靈敏度有明顯影響，對(duì)此影響尚未有較好的解決方案。

圖5 弧形陣列式播種流量傳感器結(jié)構(gòu)圖

結(jié)合國(guó)內(nèi)外對(duì)壓電傳感器的應(yīng)用，可知壓電傳感器在種子堵塞的檢測(cè)上有較高的準(zhǔn)確率，被廣泛應(yīng)用于種子流量和堵塞狀況檢測(cè)。國(guó)外的壓電傳感器種類繁多，經(jīng)過(guò)封裝好的傳感器可直接應(yīng)用于播種機(jī)中，具有很好的抗干擾能力；而我國(guó)壓電傳感器的生產(chǎn)種類較少，大多研究者需重新設(shè)計(jì)壓電傳感器裝置，而有些研究者不善于傳感器電路的設(shè)計(jì)與封裝。因此，這種現(xiàn)狀不利于整個(gè)行業(yè)的發(fā)展，需研究幾種具有普適性的壓電傳感器裝置，用以滿足更多農(nóng)機(jī)研究者的需求。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，壓電傳感器易受振動(dòng)、潮濕環(huán)境等因素影響，且對(duì)微小粒徑種子的碰撞感知不足[24-25]。另外，在排種管高速工作時(shí)，壓電傳感器檢測(cè)效果不理想。需加強(qiáng)壓電材料的研究，降低潮濕、高溫環(huán)境對(duì)壓電傳感器的影響，提高對(duì)微小粒徑種子的感知，增強(qiáng)傳感器的穩(wěn)定性。

1.3 電容式傳感器檢測(cè)

電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等特點(diǎn)[26]。電容式傳感器檢測(cè)原理如圖6所示，當(dāng)種子下落經(jīng)過(guò)排種管里的電容傳感器時(shí)，極板間介質(zhì)的等效介質(zhì)常數(shù)改變，傳感器的輸出電容值產(chǎn)生變化，通過(guò)建立此變化與種子數(shù)量間的算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)種子數(shù)量的檢測(cè)。

Taghinezhad等[27]設(shè)計(jì)了一種甘蔗排種器播種檢測(cè)裝置，對(duì)甘蔗播種過(guò)程中的重播和漏播檢測(cè)有很高的準(zhǔn)確率。Snell等[28]使用射頻應(yīng)用裝置與電容器來(lái)感測(cè)各種農(nóng)產(chǎn)品的干物質(zhì)含量，經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，材料的密度對(duì)檢測(cè)準(zhǔn)確度有很大的影響。陳建國(guó)等[29]基于電容法設(shè)計(jì)了一種小麥播種量檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)排種輪的轉(zhuǎn)速與采樣頻率約束關(guān)系，設(shè)計(jì)傳感器結(jié)構(gòu)尺寸，建立種子數(shù)量與電容變化量之間的線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)小麥播種量的精準(zhǔn)檢測(cè)。在采樣周期15 ms，排種輪轉(zhuǎn)速為20 r/min時(shí)，測(cè)得小麥籽粒數(shù)與實(shí)際粒數(shù)的相對(duì)誤差為-1.57%～1.37%之間，但是該系統(tǒng)在排種輪的轉(zhuǎn)速大于25 r/min時(shí)，檢測(cè)精度明顯下降。為了解決電容傳感器在不同影響因素下，檢測(cè)精度不高的問(wèn)題。劉坤[30]對(duì)電容法檢測(cè)機(jī)理深入研究，通過(guò)播種量實(shí)際值與檢測(cè)值之間的非線性關(guān)系，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法建立電容式傳感器非線性校正模型。該方法經(jīng)多次試驗(yàn)，檢測(cè)精度均超過(guò)99.57%，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

圖6 電容傳感器檢測(cè)原理圖

結(jié)合各研究發(fā)現(xiàn)，微小種子難以引起電容傳感器的電容值變化，導(dǎo)致電容式傳感器對(duì)微小種子識(shí)別精度不高，不適用于微小粒徑種子檢測(cè)和精確計(jì)數(shù)[31]。對(duì)比各研究之間的試驗(yàn)結(jié)果，利用濾波技術(shù)能有效減少噪聲對(duì)傳感器脈沖信號(hào)的干擾，結(jié)合相應(yīng)的數(shù)值關(guān)系，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等智能控制模型，可有效提高檢測(cè)精度。在后續(xù)的研究中?？煽紤]通過(guò)軟件算法彌補(bǔ)硬件上的不足。與壓電式傳感器檢測(cè)一樣，電容式傳感器檢測(cè)裝置也大多處于試驗(yàn)階段。

1.4 視覺(jué)圖像檢測(cè)

隨著視覺(jué)圖像檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外研究者將視覺(jué)圖像識(shí)別技術(shù)用于播種機(jī)排種檢測(cè)。視覺(jué)圖像檢測(cè)工作原理如圖7所示，用相機(jī)獲取圖像，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，通過(guò)算法處理圖像的特征，分析出排種信息[32-33]。

圖7 視覺(jué)圖像檢測(cè)工作原理圖

Lin等[34]基于圖像技術(shù)設(shè)計(jì)了小麥精密播種試驗(yàn)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了高效、高精度的小麥精密播種檢測(cè)，通過(guò)選擇合適的閾值，給出了種子識(shí)別和種子空間測(cè)量的方法。Navid等[35]通過(guò)相機(jī)采集種子下落過(guò)程，用MATLAB處理圖像信息，獲得漏播、重播和均勻性等狀況。劉長(zhǎng)青等[36]設(shè)計(jì)了一種種子形態(tài)和質(zhì)量檢測(cè)裝置，根據(jù)合格種子與壞種子之間表皮光澤度和外觀形狀的區(qū)別，基于圖像處理技術(shù)對(duì)壞種子進(jìn)行檢測(cè)，判斷種子的好壞情況。試驗(yàn)中，對(duì)每個(gè)種子的檢測(cè)時(shí)間為14 ms，對(duì)重復(fù)種粒的檢測(cè)精度為95%，對(duì)種子的外觀破損檢測(cè)精度為97%，該方法可有效識(shí)別破損的種子，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)更高質(zhì)量的精量播種提供了思路。趙鄭斌等[37]基于視覺(jué)圖像技術(shù)設(shè)計(jì)了一套播種性能檢測(cè)系統(tǒng)，用視覺(jué)算法對(duì)圖像進(jìn)行處理，分析穴盤的播種情況。在圖像處理中，每個(gè)種子圖像的處理時(shí)間為0.3 s，對(duì)種子的重播檢測(cè)精度為98.94%，對(duì)漏播的檢測(cè)精度為99.33%。在理想條件下，該系統(tǒng)檢測(cè)準(zhǔn)確度較高。

與其他幾種檢測(cè)方式相比，視覺(jué)圖像檢測(cè)在種子播種檢測(cè)上有著更高的精度。視覺(jué)圖像檢測(cè)方法可以識(shí)別出播種過(guò)程中的劣質(zhì)種子和微小粒徑種子，極大的提高精量播種質(zhì)量，這是其他檢測(cè)方法難以具備的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)各研究的分析可知，視覺(jué)圖像檢測(cè)也有著明顯的缺點(diǎn)，該方法易受環(huán)境的影響，尤其是光線和振動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致相機(jī)采集的種子圖像質(zhì)量不高，影響計(jì)算機(jī)對(duì)圖像的處理；視覺(jué)圖像檢測(cè)的精度和圖像處理算法有著密切的聯(lián)系，在建立程序算法時(shí)，應(yīng)選擇種子的突出特征，選取合適的閾值，搭建種子識(shí)別模型；在程序設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮軟件響應(yīng)速度，優(yōu)化相關(guān)算法，用于滿足播種機(jī)的播種速度。當(dāng)前，由于視覺(jué)圖像檢測(cè)技術(shù)難度大、設(shè)備成本高，而且對(duì)環(huán)境要求嚴(yán)格，該方法極少用于實(shí)際生產(chǎn)中，多用于實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證[38]。

2 電控精量播種控制技術(shù)

播種量決定了田間作物的疏密程度，播種過(guò)稀，就會(huì)浪費(fèi)土地資源，而播種過(guò)密，又會(huì)影響作物的生長(zhǎng)[39]。因此，研究播種機(jī)實(shí)現(xiàn)精量播種具有非常重要的意義。

2.1 播種量控制技術(shù)

相較機(jī)械化精量播種技術(shù)的成熟，電控精量播種技術(shù)研究起步晚，有較大的發(fā)展空間，國(guó)內(nèi)外通過(guò)不同的控制方式來(lái)提高播種的均勻性和準(zhǔn)確性[40]。

意大利研制的MT系列ISOTRONIC電控播種機(jī)[41]，由驅(qū)動(dòng)馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)排種盤，不需擔(dān)心地輪打滑引起播種不均勻的狀況。電控系統(tǒng)支持調(diào)整株距，異常情況報(bào)警，實(shí)現(xiàn)分段播種控制，避免重播、漏播，播種效率遠(yuǎn)高于地輪驅(qū)動(dòng)的機(jī)械式播種機(jī)。He等[42]設(shè)計(jì)了一個(gè)基于PID控制的玉米精量播種控制系統(tǒng)，當(dāng)電機(jī)的理論轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速相差較大時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)PID控制算法調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，獲得較好的排種速度，從而提高排種質(zhì)量。排種管轉(zhuǎn)速為0～24 r/min時(shí)的階躍響應(yīng)時(shí)間、超調(diào)量和穩(wěn)定誤差分別為0.4 s、1.56%和0.75%，單粒播種的精度為98.4%，在最高種植速度12 km/h時(shí)，重播率和漏播率均低于1%。

在國(guó)內(nèi)，閆青[43]設(shè)計(jì)了氣吸式小麥電控播種系統(tǒng)。系統(tǒng)原理如圖8所示，利用旋轉(zhuǎn)編碼器采集播種機(jī)行進(jìn)速度，結(jié)合設(shè)定好的株距參數(shù)，通過(guò)算法得出合理的排種器轉(zhuǎn)速，對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)可控株距的小麥單粒精量播種。試驗(yàn)結(jié)果表明，排種器的排種合格指數(shù)為88.05%，重播率為3.64%，漏播率為6.96%，播種質(zhì)量符合JB/T 10293—2013《單粒(精密)播種機(jī)技術(shù)條件》要求。但是，排種器在低速和高速工作時(shí)，播種質(zhì)量有所下降。丁筱玲[44]基于STM32F103C8T6構(gòu)建小麥精播控制系統(tǒng)，運(yùn)用PID控制算法和PWM技術(shù)設(shè)計(jì)閉環(huán)控制回路，對(duì)排種軸、施肥軸的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)牽引機(jī)前行速度的變化，有效保障播種均勻、施肥穩(wěn)定。該系統(tǒng)在滿足精量播種的條件下，搭配了自主駕駛裝置、智能導(dǎo)航定位和機(jī)器視覺(jué)裝置等，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能化控制變量精量播種。在0～8 km/h 工作速度下，該系統(tǒng)的播種精度為85.8%～95.5%，由于該系統(tǒng)功能和工作參數(shù)過(guò)多，仍有很大的調(diào)節(jié)空間。該研究融合了多學(xué)科技術(shù)，對(duì)我國(guó)智能化精量播種機(jī)的研究有較好的參考價(jià)值。

圖8 電控播種系統(tǒng)工作原理框圖

綜上所述，國(guó)外在精量播種控制技術(shù)上研究較深，所研究產(chǎn)品的精度較高。而我國(guó)當(dāng)前精量播種機(jī)的智能化研究程度較低，多數(shù)研究的系統(tǒng)功能單一，難以滿足未來(lái)我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化發(fā)展的需求；當(dāng)前在實(shí)現(xiàn)多功能的情況下，仍不能提高播種的精度，表明研究者在多學(xué)科融合的過(guò)程中遇到不少難題，難以打破技術(shù)壁壘。通過(guò)國(guó)內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，研究多會(huì)采用智能控制技術(shù)(如模糊PID控制、專家系統(tǒng))來(lái)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，后續(xù)需結(jié)合導(dǎo)航技術(shù)、機(jī)器視覺(jué)等來(lái)提高播種效率和質(zhì)量；需進(jìn)一步增加系統(tǒng)功能的多樣性，優(yōu)化算法，加速集路徑規(guī)劃、多機(jī)協(xié)同和云平臺(tái)控制等功能于一身的智能化精量播種機(jī)的實(shí)現(xiàn)，以滿足未來(lái)需求。

2.2 補(bǔ)種技術(shù)

播種機(jī)在田間作業(yè)時(shí)，漏播的情況難以避免。為了提高播種質(zhì)量，需在電控精量播種機(jī)上設(shè)計(jì)補(bǔ)種裝置。

陳剛等設(shè)計(jì)了玉米免耕精密播種機(jī)漏播補(bǔ)償系統(tǒng)，如圖9所示，系統(tǒng)根據(jù)傳感器采集到的漏播情況，根據(jù)各動(dòng)作時(shí)間關(guān)系，通過(guò)算法分析補(bǔ)種位置，及時(shí)啟動(dòng)補(bǔ)種系統(tǒng)裝置，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)補(bǔ)種。經(jīng)試驗(yàn)，安裝漏播補(bǔ)償系統(tǒng)后，工作速度在5～7 km/h時(shí)，播種合格率為99%左右，補(bǔ)種效果較好。劉樹峰等設(shè)計(jì)了馬鈴薯漏播檢測(cè)自動(dòng)補(bǔ)種裝置。利用兩對(duì)激光對(duì)射傳感器和接觸式行程開關(guān)傳感器，分別采集馬鈴薯漏播狀況和補(bǔ)種的位置，通過(guò)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)以驅(qū)動(dòng)補(bǔ)種裝置實(shí)現(xiàn)精確補(bǔ)種。在工作速度為2～5 km/h時(shí)，補(bǔ)種合格率為82.17%，總播種率為98.5%。

圖9 漏播補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)前我國(guó)播種機(jī)以機(jī)械式為主，給機(jī)械式播種機(jī)設(shè)計(jì)補(bǔ)種裝置，可以有效提高播種質(zhì)量。應(yīng)針對(duì)當(dāng)前存在的問(wèn)題，優(yōu)化傳感器的設(shè)計(jì)，提高檢測(cè)精度和抗干擾能力，優(yōu)化控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，用以匹配未來(lái)智能電控精量播種機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)補(bǔ)種。

3 存在問(wèn)題

近些年，我國(guó)在智能電控精量播種技術(shù)的研究取得了極大進(jìn)展，播種質(zhì)量和效率有了很大提高。同時(shí)，也存在一些問(wèn)題。

1) 缺乏實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證。與國(guó)外約翰迪爾和凱斯紐荷蘭這些技術(shù)強(qiáng)大的公司不同，我國(guó)農(nóng)機(jī)產(chǎn)商對(duì)于機(jī)具的智能化研究緩慢；研究者研發(fā)的新技術(shù)和新裝置，一般都是改裝到現(xiàn)有的播種機(jī)上用于試驗(yàn)研究，缺少針對(duì)新技術(shù)的機(jī)具整體研發(fā)，導(dǎo)致市面上播種機(jī)新技術(shù)的更新緩慢，在一定程度上限制了精量播種機(jī)智能化的發(fā)展。研究者與廠商需加強(qiáng)合作，積極推廣現(xiàn)已成熟的智能化技術(shù)，用市場(chǎng)的驗(yàn)證來(lái)促進(jìn)播種機(jī)的發(fā)展，早日實(shí)現(xiàn)我國(guó)高集成度的智能化播種機(jī)生產(chǎn)。

2) 系統(tǒng)穩(wěn)定性及傳感器精度不足。結(jié)合各研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前國(guó)內(nèi)研究者常采用的控制器(如51單片機(jī)、stm32單片機(jī))都會(huì)隨著工作速度加快而穩(wěn)定性下降，而且控制器的性能難以滿足未來(lái)智能化播種機(jī)的需求，利用軟件算法優(yōu)化和裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不能很好地解決這些問(wèn)題，未來(lái)需加強(qiáng)自主控制器硬件裝置的研發(fā)；在播種檢測(cè)時(shí)，當(dāng)前市場(chǎng)上幾種傳感器型號(hào)對(duì)于微小粒徑的種子檢測(cè)精度不足(如微小粒徑的種子難以引起壓電傳感器感知層的電荷變化)，當(dāng)前需加強(qiáng)傳感器自主研發(fā)，研究適合國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)作物和播種環(huán)境的傳感器，打破國(guó)外在傳感器行業(yè)的技術(shù)壟斷，以解決破損種子和小粒徑種子難以檢測(cè)的難題。

3) 現(xiàn)階段的播種機(jī)智能化程度不足。當(dāng)前仍未實(shí)現(xiàn)成熟的人工智能監(jiān)控和智能控制技術(shù)，多機(jī)協(xié)同、路徑規(guī)劃及無(wú)人農(nóng)機(jī)播種作業(yè)的集成還有很長(zhǎng)的距離。應(yīng)大力加強(qiáng)針對(duì)農(nóng)機(jī)相關(guān)的智能感知技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、智能控制技術(shù)、導(dǎo)航及路線規(guī)劃技術(shù)的研究，將多學(xué)科融合才能快速發(fā)展智能化農(nóng)機(jī)，以減少勞動(dòng)力，適應(yīng)未來(lái)農(nóng)業(yè)勞動(dòng)人口減少的趨勢(shì)。

4 展望

智能檢測(cè)控制技術(shù)是播種裝備實(shí)現(xiàn)智能化、精量化的關(guān)鍵核心技術(shù)。從精量播種狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)、電控精量播種控制技術(shù)方面，系統(tǒng)分析了國(guó)外和國(guó)內(nèi)智能播種機(jī)檢測(cè)和精量控制研究現(xiàn)狀，以及我國(guó)智能檢測(cè)精量控制技術(shù)與國(guó)外的差距，未來(lái)需要從以下幾方面進(jìn)行突破。

1) 針對(duì)目前電控系統(tǒng)存在的信號(hào)干擾、復(fù)雜惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定性能下降等問(wèn)題，可借鑒國(guó)外傳感器研究，加強(qiáng)我國(guó)傳感器自主研發(fā)力度，開發(fā)靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)的新型傳感器。針對(duì)微小種子感應(yīng)不足等問(wèn)題，研發(fā)特定的適用傳感器。優(yōu)化排種管性能，研發(fā)適合電控播種機(jī)的排種管結(jié)構(gòu)，提高播種質(zhì)量。將電控播種機(jī)與農(nóng)藝要求深度結(jié)合，研發(fā)滿足我國(guó)耕地情況的新型智能化電控播種機(jī)。加強(qiáng)我國(guó)動(dòng)力設(shè)備‘卡脖子’問(wèn)題攻關(guān)，研發(fā)適用于我國(guó)農(nóng)機(jī)動(dòng)力要求的動(dòng)力裝備，便于電控系統(tǒng)的適配。

2) 生產(chǎn)廠商與國(guó)家相關(guān)部門應(yīng)制定電控精量播種機(jī)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，促進(jìn)智能化精量播種機(jī)的推廣和應(yīng)用。國(guó)家應(yīng)加強(qiáng)智能化農(nóng)機(jī)的投入，吸引更多行業(yè)的人才投入智能播種機(jī)的研究。我國(guó)企業(yè)和研究院所應(yīng)加強(qiáng)合作，自主研發(fā)一臺(tái)集多功能為一身的智能化播種機(jī)，為其他研究者和廠家提供研究指導(dǎo)。隨著技術(shù)的發(fā)展與成本的降低，智能控制技術(shù)、智能測(cè)控技術(shù)的引入，形成多功能的高精度播種控制系統(tǒng)。有望解決當(dāng)前控制系統(tǒng)存在的不穩(wěn)定、不靈敏等問(wèn)題，將會(huì)大大的提高電控精量播種系統(tǒng)的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性。結(jié)合通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控播種信息，實(shí)時(shí)調(diào)整播種機(jī)參數(shù)設(shè)定，實(shí)現(xiàn)多機(jī)協(xié)同作業(yè)以及無(wú)人作業(yè)，實(shí)現(xiàn)智能化農(nóng)業(yè)。

3) 加快國(guó)產(chǎn)農(nóng)機(jī)控制芯片和基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的控制器研發(fā)。建立農(nóng)機(jī)研究數(shù)據(jù)庫(kù)，加快促進(jìn)國(guó)產(chǎn)農(nóng)機(jī)裝備的生產(chǎn)。構(gòu)建多學(xué)科融合的智能農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)，開發(fā)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域云服務(wù)平臺(tái)，搭建與其他領(lǐng)域人才溝通的橋梁，便于人才相互交流幫助，為智能化播種機(jī)的發(fā)展，提供知識(shí)和平臺(tái)的支撐。

5 結(jié)語(yǔ)

本文梳理了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外智能化播種技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)比分析各種傳感器檢測(cè)技術(shù)和控制技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景，指出我國(guó)當(dāng)前對(duì)高精度傳感器研發(fā)力度不足、智能控制技術(shù)不成熟等問(wèn)題，給出促進(jìn)精量播種機(jī)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化、多方合作攻克“卡脖子”技術(shù)、多學(xué)科優(yōu)勢(shì)技術(shù)融合等建議，為我國(guó)實(shí)現(xiàn)智能化精量播種技術(shù)提供一定的參考。

我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展迅速，大型農(nóng)場(chǎng)基本上實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)機(jī)械化，促進(jìn)了我國(guó)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。而精量播種技術(shù)作為農(nóng)業(yè)機(jī)械較為重要的技術(shù)，可有效減少播種過(guò)程產(chǎn)生的浪費(fèi)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)創(chuàng)造更大的利益。因此，我國(guó)應(yīng)重視精量播種技術(shù)的研究，加強(qiáng)研究經(jīng)費(fèi)和人才投入，爭(zhēng)取早日實(shí)現(xiàn)我國(guó)精量播種機(jī)具的智能化。