張 惠，潘 峰，紀(jì) 超，陳金成

（1.新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，新疆 石河子 832000；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000）

0 引言

隨著機(jī)電一體化、智能控制等技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的普及應(yīng)用，農(nóng)機(jī)裝備在產(chǎn)品迭代過程中融入了更多自動化元素。其中，作為承擔(dān)高效播種任務(wù)的裝備載體，精量播種機(jī)在歐美發(fā)達(dá)國家已通過自動化技術(shù)變革實(shí)現(xiàn)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(nóng)機(jī)企業(yè)研發(fā)的高速智能播種機(jī)系列產(chǎn)品，以電驅(qū)排種技術(shù)為核心，配置作業(yè)監(jiān)測、變距播種、自主調(diào)節(jié)等多種智能化功能，在維持高精度作業(yè)的同時，速度可達(dá)12～16 km/h。為提升我國大田播種精細(xì)化水平與種植效益，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者通過技術(shù)引進(jìn)、吸收與再創(chuàng)新等方式對播種機(jī)自動化技術(shù)展開了諸多嘗試和探索，并在排種器驅(qū)動方式、驅(qū)動控制策略、作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)、自動補(bǔ)種技術(shù)等方面取得了顯著的研究進(jìn)展。故本文將從以上4 方面對我國播種機(jī)自動化技術(shù)進(jìn)行綜述研究，針對現(xiàn)存問題提出建議并展望未來趨勢，旨在為高效智能播種技術(shù)及裝備的研究提供參考。

1 排種器驅(qū)動方式

根據(jù)動力源不同，排種器的驅(qū)動方式主要分為地輪驅(qū)動、液壓馬達(dá)或氣壓馬達(dá)驅(qū)動和電機(jī)控制驅(qū)動3 大類。

傳統(tǒng)排種器驅(qū)動力主要來源于地輪驅(qū)動和鏈條傳動組成的動力系統(tǒng)，該動力系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、易于維修操作。實(shí)際播種作業(yè)中，地輪滾動易受農(nóng)田地況影響，產(chǎn)生滑移、跳躍等現(xiàn)象，造成粒距不均、斷條漏播[1]等問題，嚴(yán)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(xiàn)株距實(shí)時調(diào)節(jié)等自動化功能。

上世紀(jì)80 年代，出現(xiàn)了液壓馬達(dá)或氣壓馬達(dá)驅(qū)動方式，前者利用液壓馬達(dá)驅(qū)動傳動主軸，再通過萬向節(jié)將液壓動力傳遞或分配給排種單體，常見于獨(dú)立驅(qū)動排種器和集中驅(qū)動排種器[2]2 種形式；氣壓馬達(dá)驅(qū)動主要通過調(diào)節(jié)氣壓流量控制排種器轉(zhuǎn)速。液壓馬達(dá)和氣壓馬達(dá)驅(qū)動方式調(diào)速精度較高、范圍寬，響應(yīng)速度和傳動平穩(wěn)性各有所長，但低速作業(yè)時性能穩(wěn)定性較差，故障診斷和維修不方便且調(diào)速系統(tǒng)造價較高[3]。

電機(jī)驅(qū)動是以電機(jī)控制排種器轉(zhuǎn)動，其動力傳輸方式主要分為以下3 種：①電機(jī)通過鏈條將動力傳輸至排種器轉(zhuǎn)軸；②電機(jī)輸出軸直接或通過減速器與排種器轉(zhuǎn)軸連接；③電機(jī)輸出軸安裝齒輪，與加工有外齒的排種器種盤嚙合連接[4]。通常情況下，電機(jī)啟停時間、轉(zhuǎn)速變化、動力大小等參數(shù)可根據(jù)衛(wèi)星、傳感器獲得的機(jī)具行走速度、環(huán)境工況等實(shí)時調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)無級變速與精準(zhǔn)控制。

隨著電機(jī)產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用以及電驅(qū)技術(shù)的熟化普及，歐美發(fā)達(dá)國家已實(shí)施播種機(jī)技術(shù)變革升級，規(guī)?；茝V電驅(qū)精量播種機(jī)，實(shí)現(xiàn)效率與質(zhì)量的雙重提升。為緊追高端播種機(jī)發(fā)展國際步伐，我國學(xué)者圍繞電驅(qū)播種控制技術(shù)展開了深入研究，并形成諸多理論成果。

2 驅(qū)動控制策略

2.1 電機(jī)控制原理

按照控制系統(tǒng)有無反饋進(jìn)行劃分，主要包括開環(huán)控制和閉環(huán)控制，其算法類型較為多樣化，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(jī)轉(zhuǎn)速快速跟隨車速變化，以保持播種粒距的均勻性和一致性。

付衛(wèi)強(qiáng)[5]采用液壓馬達(dá)代替地輪驅(qū)動排種器轉(zhuǎn)動排種，設(shè)計了基于GNSS/IMU 技術(shù)組合測速方法的排種控制系統(tǒng)，圖1 為液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速控制的示意圖。田間試驗(yàn)表明，精量播種控制系統(tǒng)的粒距合格指數(shù)比地輪驅(qū)動方式高8.75%。

圖1 液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速控制示意圖

直流無刷電機(jī)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(shè)計簡單，控制原理已較為成熟。趙雪等[6]設(shè)計了一款氣吸式玉米播種機(jī)電控制系統(tǒng)，采用光電編碼器實(shí)時采集機(jī)車作業(yè)速度，通過直流電機(jī)驅(qū)動排種器，可提高播種機(jī)作業(yè)靈活性和播種質(zhì)量，作業(yè)速度為4～8 km/h 時，粒距合格指數(shù)為95.9%。

陳蔣[7]利用模糊PID 控制直流無刷電機(jī)驅(qū)動小麥排種器，系統(tǒng)無超調(diào)量，速度范圍處于2～11 km/h 時，調(diào)速誤差不超過5.7%。丁友強(qiáng)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(biāo)要求。常規(guī)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(chǔ)上，增加了模糊推理算法實(shí)時根據(jù)轉(zhuǎn)速誤差和誤差變化率調(diào)整Kp，Ki，Kd控制參數(shù)，以滿足實(shí)際作業(yè)時對調(diào)速系統(tǒng)快速性和穩(wěn)定性的要求。

圖2 常規(guī)PID 與模糊PID 控制原理

為獲取更高精度的轉(zhuǎn)速控制，部分學(xué)者選取步進(jìn)電機(jī)作為排種驅(qū)動執(zhí)行元件。趙麗清[9]設(shè)計了一款以W77E587 單片機(jī)為核心組件的二相混合式步進(jìn)電動機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性好，改善了播種質(zhì)量，兩相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動原理如圖3所示。

圖3 兩相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動原理

李正義等[10]和王貴麗等[11]設(shè)計了基于PLC 玉米機(jī)械播種量的步進(jìn)電機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)，在一定程度上提高了播種精度，而且系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性也比較好，滿足播種要求。

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(xiàn)實(shí)意義[12]。變量播種技術(shù)主要包括自動控制、定位與導(dǎo)航、決策分析等，其關(guān)鍵是通過排種驅(qū)動系統(tǒng)按照決策信息實(shí)現(xiàn)變量播種。

張國梁等[13]將播種決策信息存儲于PC 上位機(jī)，經(jīng)RS232 傳輸?shù)较挛粏纹瑱C(jī)，工作過程中單片機(jī)獲得前進(jìn)速度，通過信息標(biāo)準(zhǔn)對播種量進(jìn)行調(diào)控，促進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速加快，滿足變量播種的要求。丁友強(qiáng)等[14]以STM32 為單體控制器設(shè)計了一種變量播種機(jī)單體驅(qū)動器，解決了變量播種機(jī)行數(shù)難以拓展以及播種單體獨(dú)立控制的問題。

綜上所述，電驅(qū)式排種控制技術(shù)使無級調(diào)速成為現(xiàn)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(dú)立控制?？蓪?shí)現(xiàn)一機(jī)多用，同時適配不同農(nóng)藝作業(yè)規(guī)程。

3 作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)

為保證排種器能夠跟隨播種機(jī)行進(jìn)實(shí)時調(diào)整轉(zhuǎn)速，同時監(jiān)測作業(yè)情況，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，需要構(gòu)建播種作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)，從而采集作業(yè)過程中關(guān)鍵參數(shù)并做出自主決策。

3.1 作業(yè)速度監(jiān)測

精量播種機(jī)作業(yè)速度的監(jiān)測對排種驅(qū)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)起著至關(guān)重要作用，使用的監(jiān)測裝置較為多樣化，主要有編碼器、霍爾傳感器、多普勒雷達(dá)和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)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(xiàn)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(jī)驅(qū)動排種器，通過編碼器對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行反饋，修正算法減小轉(zhuǎn)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(jī)前輪測速，其信號條理電路如圖4 所示。信號經(jīng)過電路處理之后變成標(biāo)準(zhǔn)高低電平，方便單片機(jī)檢測到信號的邊沿變化并計數(shù)。

圖4 霍爾元件測速原理圖

實(shí)際田間作業(yè)中，霍爾傳感器安裝簡便、價格低廉、抗干擾性和抗塵性比較好，但其檢測準(zhǔn)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(bǔ)償統(tǒng)計的方法提升其檢測精度。

3.1.3 雷達(dá)測速

吳衛(wèi)玲[17]介紹了多普勒測速雷達(dá)的工作原理，并且對其測速中的誤差來源和大小進(jìn)行了分析，通過使用測速雷達(dá)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(dá)，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，車速為3～12 km/h 時，雷達(dá)測速的變異系數(shù)不超過2.65%，輸出的速度值比較平穩(wěn)，與平均速度的誤差較小。

3.1.4 衛(wèi)星導(dǎo)航測速

隨著衛(wèi)星導(dǎo)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(dǎo)航及多信號融合的衛(wèi)星導(dǎo)航測速技術(shù)，在農(nóng)業(yè)機(jī)械上已到廣泛應(yīng)用。

孟志軍等[19]將美國Trimble 和Garmin 公司GPS接收機(jī)安裝于天托迪爾拖拉機(jī)上，分別進(jìn)行RTK（實(shí)時動態(tài)載波相位差分測速）、RTD（實(shí)時動態(tài)碼相位差分測速）和單點(diǎn)定位GPS 測速實(shí)驗(yàn)，圖5 為測速試驗(yàn)的農(nóng)田作業(yè)機(jī)械速度采集系統(tǒng)示意圖。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)作業(yè)機(jī)械低速勻速行駛時，單點(diǎn)定位測得的速度值比較平穩(wěn)，變異系數(shù)小，與平均速度符合較好。高速變速時，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(yàn)示意圖

丁友強(qiáng)等[14]對于高速作業(yè)下地輪打滑粒距導(dǎo)致均勻性降低的問題，設(shè)計開發(fā)了由GPS 為主測速的精量播種控制系統(tǒng)，與編碼器測速進(jìn)行對比，可以直觀地發(fā)現(xiàn)GPS 測速的平均指標(biāo)更穩(wěn)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(jī)進(jìn)行速度檢測，試驗(yàn)結(jié)果表明，在低速（3～5 km/h）時，霍爾傳感器的測速更穩(wěn)定性，合格率達(dá)到 86.23%。在高速（6～7 km/h）時，GPS 測速較霍爾測速穩(wěn)定性有較小提高。

3.2 重漏播監(jiān)測

高速作業(yè)下，為減少整機(jī)抖動、氣壓不穩(wěn)等問題對粒距穩(wěn)定性的影響，國內(nèi)學(xué)者開發(fā)了重漏播監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)傳感器原理不同，可分為光電、電容、機(jī)器視覺等多種方式。

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(cè)，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(cè)。其檢測均為通過控制器檢測接收端的脈沖序列實(shí)時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(qū)的限制。為提升光電傳感器抗塵土性能和消除檢測盲區(qū)，近年來國內(nèi)學(xué)者做了大量的研究，史智興[21]將標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)，填補(bǔ)了長期以來無法對光電傳感器在田間塵土環(huán)境工作性能進(jìn)行評價的技術(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(shù)放大再進(jìn)行融合，轉(zhuǎn)化為同一個信號，使脈沖信號與直流信號增長，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(diào)理電路

劉翔宇等[23]開發(fā)了一種基于反射光電感應(yīng)的精量播種機(jī)漏播監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用FS-V11 漫反射式光放大器獲取排種脈沖信號，具有準(zhǔn)確度高、抗擾動能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

紀(jì)超等[24]設(shè)計了一款透明化的防塵罩，能夠自動清潔除塵，具有紅外點(diǎn)感應(yīng)檢測系統(tǒng)，并通過對監(jiān)測盲區(qū)評估計算，優(yōu)化了探頭結(jié)構(gòu)及安裝參數(shù)，極大程度保護(hù)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(diào)理電路

丁友強(qiáng)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(guī)光電式傳感器擁有更多LED 個數(shù)，可最大程度地消除感應(yīng)盲區(qū)，提高重漏播檢測精度，紅外信號調(diào)理電路圖8 所示。

圖8 播種信號調(diào)理電路

3.2.2 電容傳感器

在導(dǎo)種管兩側(cè)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，通過改變電容傳感器介質(zhì)改變電容電荷的變化，從而實(shí)現(xiàn)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)過電容傳感器的時候，電容傳感器的電容指標(biāo)變化微弱，易受到電磁的干擾影響，增加了信號調(diào)理電路的設(shè)計難度。周利明等[25]根據(jù)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改變采樣周期的檢測方法，能夠更加精準(zhǔn)地檢測出小麥的播種量，適用效果比較好，排種量傳感器結(jié)構(gòu)如圖9 所示。

圖9 排種量傳感器結(jié)構(gòu)簡圖

3.2.3 機(jī)器視覺

視覺傳感器可以很直觀地看到種子在排種管內(nèi)的運(yùn)動情況，但對田間作業(yè)光照環(huán)境過于敏感。李朋飛等[26]設(shè)計了一種由FPGA 驅(qū)動的線陣CCD播種粒距檢測實(shí)時成像系統(tǒng)，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)，通過對靜態(tài)圖像進(jìn)行分化處理，然后用自行設(shè)計的檢測算法判斷每穴水稻粒數(shù)，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(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖10 所示。

圖10 CCD 檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 自動補(bǔ)種技術(shù)

若高速寬行播種機(jī)產(chǎn)生排種異常，將造成大面積斷條漏播，后期人工補(bǔ)種或移栽，勢必增加種植成本，且延誤農(nóng)時[28-30]。為降低損失，多采用增加漏播補(bǔ)償裝置來實(shí)現(xiàn)自動補(bǔ)種。目前漏播補(bǔ)償裝置大致可以分為2 類：漏播自補(bǔ)償和漏播輔助補(bǔ)償。

4.1 漏播自補(bǔ)償

自補(bǔ)償是一種在檢測到漏種后，通過電動機(jī)變加速補(bǔ)種，排種與補(bǔ)種機(jī)構(gòu)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(shè)計的漏播補(bǔ)償系統(tǒng)將補(bǔ)種箱、補(bǔ)種管、電磁閥和補(bǔ)種電機(jī)安裝在主排種裝置的后面，補(bǔ)種管與主導(dǎo)種管安裝位置相隔，檢測到漏播后，先打開電磁閥，種子從補(bǔ)種箱落下，同時啟動補(bǔ)種電機(jī)，種子從補(bǔ)種管落下。作業(yè)速度為5～7 km/h時，平均補(bǔ)種率能達(dá)到91.0%。

4.2 漏播輔助補(bǔ)償

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

5 結(jié)語

近年來，精密播種技術(shù)朝著智能化方向迅速發(fā)展，我國種植制度復(fù)雜、土地經(jīng)營分散等問題日漸凸顯，使得我國精密播種技術(shù)發(fā)展緩慢，就目前國內(nèi)精量播種技術(shù)研究現(xiàn)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(yīng)性差問題。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(jī)型對其加以改造，適應(yīng)性較差，需結(jié)合我國不同地區(qū)農(nóng)藝、種植制度及種植模式繼續(xù)提升創(chuàng)新性，加強(qiáng)田間試驗(yàn)，優(yōu)化排種器結(jié)構(gòu)參數(shù)以適應(yīng)我國不同地區(qū)播種作業(yè)的要求。

2）播種速度偏慢、作業(yè)質(zhì)量不穩(wěn)定的問題。在田間工作環(huán)境中，由于存在復(fù)雜的外界干擾因素，傳統(tǒng)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(tǒng)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(bǔ)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(bǔ)償技術(shù)可以在一定程度上改善播種性能。

3）從農(nóng)業(yè)發(fā)展的實(shí)際需要考慮，精量播種技術(shù)仍會以提高播種效率和精度、播種設(shè)備的穩(wěn)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(tǒng)的廣泛應(yīng)用，帶有自動導(dǎo)航和播種作業(yè)監(jiān)控設(shè)備、能夠根據(jù)農(nóng)藝信息決策變量播種的高速、高精度精量播種機(jī)是我國精量播種技術(shù)的發(fā)展方向。