小區(qū)播種機(jī)的排種與路徑控制技術(shù)分析

潘超然

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

在農(nóng)作物新品種的培育與植株特性試驗(yàn)過(guò)程中，需要進(jìn)行精確的播種作業(yè)，傳統(tǒng)的試驗(yàn)過(guò)程為提高播種精確性和質(zhì)量，常采用人工播種的方式實(shí)施，盡管播種量得到了良好控制，但播種深度、播種間距等很難實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，并且此過(guò)程中人力勞動(dòng)強(qiáng)度大，不利于試驗(yàn)工作的快速有效開展。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，我國(guó)農(nóng)業(yè)新品種在試驗(yàn)過(guò)程中小區(qū)播種機(jī)的應(yīng)用量不斷增加，與大田播種機(jī)相比，小區(qū)播種機(jī)在播量、播深等參數(shù)方面更加精確，能更好的保證試驗(yàn)種子播種量和播種位置的統(tǒng)一性，降低試驗(yàn)過(guò)程的誤差和人為不利因素影響。排種與控制技術(shù)是影響小區(qū)播種機(jī)作業(yè)性能的最主要因素，優(yōu)化提升排種與控制性能是提升小區(qū)播種機(jī)作業(yè)能力的關(guān)鍵。

1 小區(qū)播種機(jī)結(jié)構(gòu)與技術(shù)特征

1.1 結(jié)構(gòu)與組成

小區(qū)播種機(jī)的結(jié)構(gòu)主要包括開溝器、存種裝置、運(yùn)種裝置、充種裝置、步進(jìn)電機(jī)、輸種管、地輪等，其與傳統(tǒng)的播種機(jī)在技術(shù)上存在一定的差異性，小區(qū)播種機(jī)的很多功能要考慮實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的需求，要求小區(qū)播種機(jī)對(duì)播種量、播種深度、播種密度等眾多參數(shù)實(shí)現(xiàn)大范圍可調(diào)。因此，小區(qū)播種機(jī)多配套一定數(shù)量的傳感器模塊，對(duì)播種量及播種深度等進(jìn)行記錄，現(xiàn)代化的小區(qū)播種機(jī)能進(jìn)一步替代人工完成統(tǒng)計(jì)和作業(yè)參數(shù)調(diào)整等工作，有利于試驗(yàn)精確性的提升。

1.2 技術(shù)特征

1)精量播種性能。精量播種是小區(qū)播種機(jī)最重要的性能要求，要求播種機(jī)能夠在單位面積內(nèi)精確完成預(yù)設(shè)方案的種子播撒要求，并保證種子的行距、株距在合理范圍，同時(shí)播種過(guò)程可靠性高，卡種、種子損傷問(wèn)題控制在合理范圍。此外，還需具有較高的播種效率，能夠?qū)崿F(xiàn)在短時(shí)間內(nèi)完成試驗(yàn)田、對(duì)比田的播種任務(wù)，避免播種時(shí)機(jī)相差過(guò)大影響品種試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

2)自動(dòng)化程度高。小區(qū)播種機(jī)相對(duì)于普通的大田播種機(jī)在用途方面存在明顯差異，除需要完成單位面積的快捷播種任務(wù)外，還需要根據(jù)農(nóng)作物新品種和新農(nóng)藝的試驗(yàn)要求，具備相應(yīng)的自動(dòng)化技術(shù)特征，例如行駛距離、播種量的統(tǒng)計(jì)、播種密度計(jì)算等。

3)可調(diào)整范圍大。對(duì)于不同的農(nóng)作物品種或同一品種中的不同種子特征，小區(qū)播種機(jī)應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的農(nóng)藝要求在播種量、播種行距、播種株距、播種深度等方面有較大的調(diào)整空間，同時(shí)還需通過(guò)簡(jiǎn)單的功能模塊更換實(shí)現(xiàn)對(duì)不同尺寸、不同形狀種子的適用性需求。

4)具備一定的可擴(kuò)展性。小區(qū)播種機(jī)在普通播種功能的基礎(chǔ)上還應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的功能拓展模塊和機(jī)械連接結(jié)構(gòu)，用以實(shí)現(xiàn)小區(qū)播種機(jī)的功能拓展。例如增加覆土鎮(zhèn)壓結(jié)構(gòu)，增加施肥裝置，增加覆膜裝置等，為小區(qū)播種機(jī)應(yīng)用于特殊農(nóng)藝要求或在特殊環(huán)境中使用時(shí)提供更多功能拓展的可行性。

2 精量排種技術(shù)

2.1 供種器技術(shù)

供種器是小區(qū)播種機(jī)上特有的一種技術(shù)裝置，是用于在田間試驗(yàn)過(guò)程中精確定量向排種器提供種子的裝置。現(xiàn)階段我國(guó)用于田間試驗(yàn)的小區(qū)播種機(jī)供種器技術(shù)主要有兩類：一是定時(shí)供放技術(shù)，該技術(shù)為半自動(dòng)化技術(shù)，需人工預(yù)先將指定數(shù)量的種子分別裝于密封袋中，在作業(yè)過(guò)程中按照時(shí)間或特定距離將種子倒入供種器并由供種器供種。二是自動(dòng)供種技術(shù)，主要通過(guò)機(jī)械稱重或機(jī)械計(jì)數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)按照指定時(shí)間或指定距離向排種器排種，供種器技術(shù)的應(yīng)用使小區(qū)播種機(jī)應(yīng)用于育種或新品種試驗(yàn)的過(guò)程時(shí)播種量更為精確，相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)也更為簡(jiǎn)單便捷，隨著電氣控制技術(shù)的進(jìn)步，以及氣力式排種器的利用，部分新型的小區(qū)播種機(jī)也利用了電控計(jì)量技術(shù)替代了傳統(tǒng)的供種器技術(shù)，使小區(qū)播種機(jī)的結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單[1]。

2.2 排種器技術(shù)

小區(qū)播種機(jī)使用的排種器技術(shù)包括錐體格盤式、機(jī)械型孔式及氣力式三類。

2.2.1 錐體格盤式排種器

錐體格盤式排種器多應(yīng)用于條播試驗(yàn)，其特點(diǎn)是能夠按照農(nóng)藝要求將種子連續(xù)均勻的排放到種溝內(nèi)，調(diào)播試驗(yàn)主要針對(duì)大田新品種中的小麥、谷類等農(nóng)作物使用。錐體格盤式排種器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括錐體、提升裝置、格盤、機(jī)架等結(jié)構(gòu)。錐體格盤式排種器利用格盤上的行孔數(shù)量完成指定種子的取種和排種，在格盤轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中種子到達(dá)排種孔位置時(shí)依次下落，格盤轉(zhuǎn)動(dòng)一周能將種子排出。因此，可通過(guò)電控系統(tǒng)記錄格盤轉(zhuǎn)數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)播種量的統(tǒng)計(jì)。錐體格盤式排種器的主要驅(qū)動(dòng)形式包括兩類：一是機(jī)械驅(qū)動(dòng)，利用播種機(jī)前進(jìn)過(guò)程中的地輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)排種器運(yùn)轉(zhuǎn)，這種驅(qū)動(dòng)形式較為傳統(tǒng)，排種器的轉(zhuǎn)數(shù)與播種行駛速度直接相關(guān)，只能通過(guò)設(shè)計(jì)變速鏈輪組或變速帶輪組的形式實(shí)現(xiàn)對(duì)排種器轉(zhuǎn)數(shù)及播種量的調(diào)整，調(diào)整精度有限。二是電驅(qū)動(dòng)，即采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)排種器進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)在電控系統(tǒng)的控制下排種器轉(zhuǎn)數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整，更能保證排種器對(duì)不同播種量的適應(yīng)性[2]。

1.存種裝置；2.上種裝置；3.錐體格盤分種裝置；4.離心分配器圖1 錐體格盤式排種器

2.2.2 機(jī)械型孔式排種器

機(jī)械型孔式排種器是傳統(tǒng)的大田排種器技術(shù)類別，常用的排種器技術(shù)包括外槽輪式排種器、窩眼輪式排種器、圓盤排種器等。機(jī)械型孔式排種器對(duì)于大豆、玉米等形狀規(guī)則、體積均勻的種子適應(yīng)性較好，能夠利用型孔實(shí)現(xiàn)精確的取種和排種作業(yè)，但是對(duì)于顆粒較小、形狀不規(guī)則的種子適用性不強(qiáng)。在小區(qū)試驗(yàn)過(guò)程中可能存在種子破損、播種量不精確等問(wèn)題，但機(jī)械型孔式排種器技術(shù)較為成熟、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于購(gòu)置、使用成本低，可在種子質(zhì)量符合要求的情況下適當(dāng)應(yīng)用[3]。

2.2.3 氣力式排種器

氣力式排種器是近年來(lái)應(yīng)用量逐漸增加的新型排種器技術(shù)，包括氣吸式、氣吹式等多種形式。但在小區(qū)播種機(jī)中應(yīng)用，為保證播種的精確性，主要以氣吸式排種器為主。氣吸式排種器通過(guò)風(fēng)機(jī)建立氣流負(fù)壓力，使取種孔位置具備較強(qiáng)的吸附力，能夠?qū)⒎N子可靠的吸附在取種位置，并在吸力的作用下轉(zhuǎn)移到排種孔，切斷吸力后種子被釋放。氣力式排種器的特點(diǎn)是播種量精確，對(duì)于尺寸、形狀不同的種子適應(yīng)性較好，同時(shí)使用過(guò)程中不易出現(xiàn)種子損傷、漏播等問(wèn)題，具有較好的可靠性。將氣流進(jìn)行綜合應(yīng)用，還能輔助排種器完成清種過(guò)程，顯著提高播種效率。小區(qū)播種機(jī)應(yīng)用于育種時(shí)，對(duì)于面積較大的試驗(yàn)地可采用組合式氣力排種器，能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)排種器聯(lián)合作業(yè)(圖2)，從而快速完成播種任務(wù)[4]。

圖2 氣力式排種器的聯(lián)合使用

2.3 排種器的電氣控制

排種器的電氣控制主要包括排種量控制、排種量監(jiān)測(cè)兩大部分。

2.3.1 排種量控制

要實(shí)現(xiàn)排種量的精確控制，前提是排種器要采用電驅(qū)動(dòng)形式，通過(guò)系統(tǒng)記錄排種器轉(zhuǎn)數(shù)，并與錐體格盤式排種器的孔數(shù)或氣吸式排種器單圈排種數(shù)結(jié)合，能夠計(jì)算出排種量。再結(jié)合播種機(jī)行駛距離的數(shù)據(jù)，可計(jì)算出單位面積排種量，實(shí)現(xiàn)排種量的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)。利用數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)可將系統(tǒng)計(jì)算出的排種量數(shù)據(jù)在駕駛室實(shí)時(shí)顯示，駕駛員可利用獲得的數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整行駛方案，以保證試驗(yàn)的合理性。部分先進(jìn)的小區(qū)播種機(jī)可將所需的播種量參數(shù)輸入到控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)在播種過(guò)程中實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整排種器轉(zhuǎn)數(shù)，以保證排種量始終符合試驗(yàn)預(yù)期需求。

2.3.2 排種量監(jiān)測(cè)

排種量的監(jiān)測(cè)主要通過(guò)兩種形式結(jié)合進(jìn)行，一是利用系統(tǒng)獲取的排種器轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)數(shù)排種量，二是利用計(jì)數(shù)傳感器記錄實(shí)際的排種量，將二者進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，可驗(yàn)證排種器工作狀態(tài)是否正常。當(dāng)出現(xiàn)理論排種量與實(shí)際排種量不符時(shí)，排種量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提示駕駛員檢查排種器狀態(tài)，及時(shí)清除排種器中的卡種、堵塞等問(wèn)題。此外排種量監(jiān)測(cè)還可將獲取的數(shù)據(jù)信息用于試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄，提高試驗(yàn)過(guò)程的準(zhǔn)確性[5]。

3 路徑規(guī)劃控制技術(shù)

3.1 路徑規(guī)劃

將傳統(tǒng)的小區(qū)播種機(jī)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用的北斗定位技術(shù)相結(jié)合，能夠在較大的試驗(yàn)田地中實(shí)現(xiàn)播種機(jī)行駛路線的預(yù)先規(guī)劃。首先在小區(qū)播種機(jī)上安裝衛(wèi)星定位終端，并在播種實(shí)施前利用播種機(jī)定位農(nóng)田邊界數(shù)據(jù)信息，將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)诫娔X端或播種機(jī)的微處理器，實(shí)現(xiàn)指定區(qū)域的行駛路線自動(dòng)規(guī)劃。試驗(yàn)人員可以根據(jù)播種的行距要求、播種量要求，修改行駛路徑和行駛速度，從而提高小區(qū)播種機(jī)使用的合理性與試驗(yàn)實(shí)施的效率。

3.2 行駛控制技術(shù)

行駛控制技術(shù)在小區(qū)播種機(jī)上的應(yīng)用主要包括輔助駕駛和自動(dòng)駕駛兩方面，其中輔助駕駛是現(xiàn)階段技術(shù)應(yīng)用的主要形式，自動(dòng)駕駛是技術(shù)發(fā)展的未來(lái)趨勢(shì)。

3.2.1 輔助駕駛技術(shù)

輔助駕駛技術(shù)需要結(jié)合路徑規(guī)劃已形成的方案實(shí)施，其主要功能包括以下幾點(diǎn)：一是導(dǎo)航技術(shù)，通過(guò)在駕駛位安裝導(dǎo)航顯示器，顯示播種機(jī)的作業(yè)路徑，駕駛員通過(guò)觀看顯示器能夠明確播種機(jī)的作業(yè)整體方案，并按照預(yù)設(shè)方案進(jìn)行駕駛。二是行駛狀態(tài)監(jiān)測(cè)，利用衛(wèi)星定位技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)小區(qū)播種機(jī)行駛路徑的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，現(xiàn)代化的北斗導(dǎo)航結(jié)合地面基站可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)的農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)導(dǎo)航和定位，可用于監(jiān)測(cè)播種機(jī)行駛路線是否出現(xiàn)偏移、行駛速度是否符合方案要求，當(dāng)行駛出現(xiàn)異常時(shí)，及時(shí)提醒駕駛員改變不合理的駕駛方式[6]。

3.2.2 自動(dòng)駕駛技術(shù)

自動(dòng)駕駛技術(shù)是基于輔助駕駛技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升整機(jī)的機(jī)械技術(shù)和電控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電氣全面控制機(jī)械設(shè)備的各個(gè)功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小區(qū)播種機(jī)的無(wú)人化作業(yè)。自動(dòng)駕駛技術(shù)的應(yīng)用不僅需要精確的衛(wèi)星定位技術(shù)支持，還要能夠?qū)崿F(xiàn)田間信息的獲取、障礙物的識(shí)別、作業(yè)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、作業(yè)方案的決策等功能。這需要對(duì)現(xiàn)階段的小區(qū)播種機(jī)進(jìn)行機(jī)械和電控的雙向升級(jí)，機(jī)械方面改變傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向、制動(dòng)、控制方式，利用電機(jī)、液壓系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的人力控制。電控方面利用傳感器監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)向角度、行駛速度，實(shí)現(xiàn)播種機(jī)使用過(guò)程各項(xiàng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取，并智能的改變小區(qū)播種機(jī)使用過(guò)程的各項(xiàng)參數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

總體上講，我國(guó)小區(qū)播種機(jī)在技術(shù)和實(shí)際應(yīng)用方面與發(fā)達(dá)國(guó)家仍存在一定的差距，很多農(nóng)業(yè)新品種、育種、植株研究等工作開展過(guò)程仍采用人工播種或半自動(dòng)化播種，部分試驗(yàn)采用普通播種機(jī)進(jìn)行，造成了人力負(fù)擔(dān)大，播種量不精確等很多問(wèn)題。因此，研究與應(yīng)用小區(qū)播種機(jī)對(duì)于提升我國(guó)農(nóng)業(yè)品種研發(fā)與農(nóng)藝技術(shù)意義重大，小區(qū)播種機(jī)的研發(fā)應(yīng)重點(diǎn)集中于提高機(jī)具的自動(dòng)化程度、適用性和低成本方面，并加快相關(guān)研究的成果轉(zhuǎn)化，使小區(qū)播種機(jī)在農(nóng)業(yè)試驗(yàn)研究中得到更廣泛的應(yīng)用。

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