播種裝置及其排種性能檢測(cè)技術(shù)的研究分析與展望

趙希富，王 龍，王旭峰※，吐爾孫江·艾山，王興旺

（1.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆阿拉爾843300;2.新疆維吾爾自治區(qū)普通高等學(xué)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

0 引言

我國是以經(jīng)濟(jì)作物和糧食作物為主的農(nóng)業(yè)大國。播種是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，種子的投放離不開排種器。排種器是播種機(jī)的核心部件，由于田間地理環(huán)境具有復(fù)雜多樣性，在進(jìn)行種子的播種時(shí)，排種的過程中會(huì)出現(xiàn)重播、漏播現(xiàn)象，導(dǎo)致農(nóng)作物的產(chǎn)量下降。正確對(duì)排種器進(jìn)行性能檢測(cè)能夠了解到其工作狀態(tài)，對(duì)后續(xù)排種器的深度研發(fā)起著關(guān)鍵作用[1]。為此，國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者對(duì)排種器的性能檢測(cè)進(jìn)行了研究和試驗(yàn)。

1 播種機(jī)械研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外大田播種機(jī)械按照工作原理可分為機(jī)械式排種器和氣力式排種器，機(jī)械式排種器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其在工作過程中對(duì)種子的損傷程度比較高，且不能適應(yīng)不同種子。氣力式排種器在排種的過程中對(duì)不同種子的適應(yīng)性好，并且對(duì)種子的損傷程度比較低，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且在排種的過程中易堵塞排種口[2]。機(jī)械式排種器可分為外槽輪式排種器、圓盤式排種器和指夾式排種器等。外槽輪式排種器常見于我國東北三省大豆、玉米等農(nóng)作物的種植，其優(yōu)點(diǎn)在于外槽輪排種器的通用性較好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和播量調(diào)整方便等，但其在播種時(shí)，排種均勻性差。氣力式排種器大多用于精密播種，歐美的Blackmore System、marksman等以及日本井關(guān)、東洋、久保田和三菱等是歐美國家較早使用的機(jī)型[3]。

2 排種性能檢測(cè)技術(shù)及其研究現(xiàn)狀

為了探尋排種器在播種過程中所存在的問題,有關(guān)研究者對(duì)監(jiān)測(cè)排種器工作情況的軟件系統(tǒng)也進(jìn)行了相應(yīng)的研發(fā)。目前排種器性能檢測(cè)技術(shù)有光電傳感器檢測(cè)技術(shù)、壓電脈沖檢測(cè)技術(shù)和CCD攝像檢測(cè)技術(shù)等。

2.1 光電傳感器檢測(cè)技術(shù)

光電傳感器檢測(cè)技術(shù)是一種基于光電交叉融合所產(chǎn)生的一種新興的檢測(cè)技術(shù)[4]。一般情況下光電傳感器主要由發(fā)送器、接收器和檢測(cè)電路三部分構(gòu)成，其工作原理是發(fā)送器發(fā)射出一條光束，由接收器進(jìn)行接收。排種器在排種時(shí)，種子會(huì)遮擋光束使接收器兩端電壓信號(hào)發(fā)生改變，對(duì)變化的信號(hào)進(jìn)行處理，使之變?yōu)榭杀豢刂破魉R(shí)別的脈沖信號(hào)，通過控制器對(duì)脈沖信號(hào)分析和處理，達(dá)到對(duì)排種器性能檢測(cè)的目的[5]，其檢測(cè)原理如圖1。

圖1 光電傳感器檢測(cè)原理示意圖

John Deere[6]為了對(duì)播種機(jī)的性能進(jìn)行實(shí)時(shí)了解，運(yùn)用了光電傳感器與電路信號(hào)相結(jié)合的方法進(jìn)行采集分析，發(fā)現(xiàn)了播種機(jī)的漏播現(xiàn)象。panning[7]等以5種播種機(jī)和3種田間速度進(jìn)行組合作業(yè)，采用田間甜菜種子定位方法和光電傳感器系統(tǒng)相結(jié)合來進(jìn)行試驗(yàn)分析，并采用精確系數(shù)測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)種子間距均勻性的評(píng)估。Lan[8]等設(shè)計(jì)了由1個(gè)矩形光柵快（194×92mm）和24個(gè)光電晶體管組成的光電傳感器系統(tǒng)，用于測(cè)量不同種子株距均勻性的檢測(cè)。Stephen W.Searcy[9]等設(shè)計(jì)了種子精確間隔發(fā)芽計(jì)量系統(tǒng)，由光電傳感器檢測(cè)種子并且將其信息傳送到計(jì)算機(jī)中，來對(duì)種子進(jìn)行檢測(cè)。

賈洪雷[10]等設(shè)計(jì)了一種基于光電傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器的檢測(cè)裝置，通過光電傳感器和旋轉(zhuǎn)編碼器對(duì)排種盤吸種、排種軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度等信息進(jìn)行采集和處理，得到排種器的工作狀況，為氣吸式排種器的性能檢測(cè)與改進(jìn)提供了技術(shù)支撐。石宏等[11]設(shè)計(jì)了一種由對(duì)射式傳感器與單片機(jī)組成的綜合檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)種子在經(jīng)過傳感器的遮光情況進(jìn)行分析和處理，來檢測(cè)排種器的工作情況。趙立新[12]等設(shè)計(jì)了基于變距光電傳感器的小麥精播施肥一體機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用來檢測(cè)小麥在播種、施肥過程中排種器的工作情況，此系統(tǒng)采用了反射光電式傳感器來檢測(cè)種肥的流動(dòng)情況等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)小麥精播施肥的檢測(cè)。劉洪強(qiáng)[13]等設(shè)計(jì)了基于光電傳感器的排種器性能檢測(cè)裝置，通過人工檢測(cè)方法對(duì)比，驗(yàn)證了光電傳感器能夠能夠精準(zhǔn)的檢測(cè)排種器的性能。宋鵬[14]等設(shè)計(jì)了一種采用光電傳感技術(shù)與單片機(jī)相結(jié)合的精密播種機(jī)工作性能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和自清潔裝置，通過光電傳感器來獲取種子的動(dòng)態(tài)信息，由單片機(jī)進(jìn)行分析處理，既能夠?qū)ΣシN機(jī)的工作性能進(jìn)行檢測(cè)又保證了復(fù)雜環(huán)境中該檢測(cè)系統(tǒng)工作的準(zhǔn)確性。

光電傳感器檢測(cè)技術(shù)對(duì)于排種裝置的性能檢測(cè)具有成本低、檢測(cè)速度快、在一定程度上能夠檢測(cè)排種器的排種性能等優(yōu)點(diǎn)。但其主要應(yīng)用于精量排種器的排種性能的檢測(cè)，而且對(duì)于高速排種的種子流難以精確檢測(cè)。

2.2 壓電脈沖檢測(cè)技術(shù)

壓電脈沖檢測(cè)技術(shù)是指排種器在工作過程中，種子在下落的過程中與壓電傳感器發(fā)生撞擊，使壓電傳感器兩端產(chǎn)生脈沖信號(hào)，通過信號(hào)調(diào)理電路對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行處理，單盤機(jī)進(jìn)行采集，來實(shí)現(xiàn)排種器性能檢測(cè)[15]，其檢測(cè)技術(shù)如圖2。

圖2 壓電脈沖檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖

王金武[16]等設(shè)計(jì)了基于壓電沖擊法的水稻穴直播檢測(cè)系統(tǒng)，通過稻種對(duì)PVDF壓電薄膜傳感器的撞擊，獲取脈沖信號(hào)傳送到控制器系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)水稻排種器性能的檢測(cè)。段婷[17]等設(shè)計(jì)了一種以單片機(jī)為核心的苜蓿播種機(jī)漏播報(bào)警系統(tǒng)，通過薄膜壓力傳感器檢測(cè)排出種子撞擊所產(chǎn)生的壓力信息，隨之通過單片機(jī)進(jìn)行采集和處理，來檢測(cè)排種器的性能。黃東巖[18]等設(shè)計(jì)了一種基于壓電薄膜的播種器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過PVDF壓電薄膜來對(duì)種子的運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行檢測(cè)，并將其轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)進(jìn)行分析和處理，來實(shí)現(xiàn)對(duì)播種機(jī)排種裝置的性能檢測(cè)。趙博[19]等設(shè)計(jì)了氣流輸送播種機(jī)壓電式流量傳感器，通過單片機(jī)對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行采集、分析和處理，發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)過程中該實(shí)試驗(yàn)裝置能夠通過種子的撞擊來呈現(xiàn)排種器的排種性能。張霖[20]等提出了一種壓電式種子計(jì)數(shù)系統(tǒng)，通過壓電傳感器將種子的撞擊力轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)電路放大處理，傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)顯示，然后進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)對(duì)于一粒種子的測(cè)量誤差不超過0.4%，能夠精準(zhǔn)的對(duì)排種器的性能進(jìn)行檢測(cè)。

壓電脈沖檢測(cè)技術(shù)能夠準(zhǔn)確的檢測(cè)排種器轉(zhuǎn)速較低時(shí)的排種性能，壓電傳感器成本低廉，但壓電傳感器極易受到外部條件影響，在進(jìn)行排種器檢測(cè)的過程中，種子必須在傳感器撞擊后才能進(jìn)行排種性能檢測(cè)，而種子在撞擊的過程中，會(huì)對(duì)種子的下落序列發(fā)生變化，進(jìn)而影響排種的均勻性。在進(jìn)行傳感器安裝的過程中，對(duì)其安裝位置精度需求較高。

2.3 CCD攝像檢測(cè)技術(shù)

高速攝像技術(shù)是基于高速攝像機(jī)與計(jì)算機(jī)相結(jié)合的一種新型技術(shù)，其工作過程由高速攝像機(jī)來拍攝種子的下落過程，將每一粒種子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)呈現(xiàn)在所拍攝的膠片上，然后經(jīng)過攝像機(jī)的慢速放映，來對(duì)排種器進(jìn)行排種性能的檢測(cè)，隨著高速攝像技術(shù)的發(fā)展，CCD攝像檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為高速攝像技術(shù)的重要分支。CCD攝像檢測(cè)技術(shù)又稱機(jī)器視覺技術(shù)，隨著我國科學(xué)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，機(jī)器視覺技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到我國的各行各業(yè)，逐漸趨于成熟。機(jī)器視覺技術(shù)以其快速、可靠、無損等特點(diǎn)應(yīng)用于我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中排種器性能的檢測(cè)，其檢測(cè)原理如圖3。

圖3 CCD攝像檢測(cè)原理示意圖

Adrian A.Borja[21]等針對(duì)菲律賓地區(qū)，氣力玉米播種機(jī)在工作過程中的漏播現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了基于機(jī)器視覺的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于氣力玉米播種機(jī)性能的檢測(cè)。D.E.Kim[22]等設(shè)計(jì)了機(jī)器視覺自動(dòng)播種裝置，對(duì)其排種裝置的性能進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，經(jīng)過分析處理，該檢測(cè)裝置符合實(shí)現(xiàn)葫蘆科蔬菜種子的在線播種功能。

王玉順[23]等基于機(jī)器視覺檢測(cè)技術(shù)通過幀種子數(shù)分布的獨(dú)立性進(jìn)行試驗(yàn)分析，來檢驗(yàn)條播排種器的性能。塔里木大學(xué)曹葉[24]設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺檢測(cè)的穴播器排種性能檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)棉花種子進(jìn)行了5輪排種試驗(yàn)與分析，結(jié)果表明該檢測(cè)系統(tǒng)穴播總量和穴粒數(shù)合格率的相對(duì)誤差為5.98%和2.7%，最小為0。董文皓[25]等設(shè)計(jì)了一種嵌入式機(jī)器視覺的雜交稻低播種量檢控裝置，通過采集、分析和處理播種后的種子圖像來獲取種子的播種信息，與人工檢測(cè)法檢測(cè)的種子信息進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)排種器的性能檢測(cè)。安愛琴[26]等以CCD攝像機(jī)拍攝氣吹式精密排種器在工作過程中種子的運(yùn)動(dòng)情況，利用圖像處理技術(shù)進(jìn)行分析和處理，來對(duì)排種器進(jìn)行排種性能的檢測(cè)試驗(yàn)。聶永芳[27]等設(shè)計(jì)了一種基于機(jī)器視覺的檢測(cè)系統(tǒng)來對(duì)外槽輪式排種器進(jìn)行檢測(cè)，采用CCD攝像機(jī)記錄種子流的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，經(jīng)由MATLAB圖像分析處理軟件對(duì)其進(jìn)行分析和處理，判斷該檢測(cè)系統(tǒng)是否可以滿足性能檢測(cè)需求。趙鄭斌[28]等針對(duì)針式穴盤精密播種機(jī)，設(shè)計(jì)了采用光電傳感器與機(jī)器視覺融合的排種性能檢測(cè)系統(tǒng)，通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，證明該系統(tǒng)可以完成對(duì)排種器的性能檢測(cè)分析。王僑[29]等設(shè)計(jì)了基于機(jī)器視覺的玉米種粒定向定位擺放裝置，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)此裝置能夠?qū)崿F(xiàn)合格種子的定向擺放。黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)李朋飛[30]設(shè)計(jì)了基于機(jī)器視覺的玉米排種器排種性能的檢測(cè)系統(tǒng)，構(gòu)建玉米排種器排種性能檢測(cè)平臺(tái)，通過視頻處理等相關(guān)算法對(duì)其特征量提取，來達(dá)到對(duì)玉米排種器排種性能的試驗(yàn)分析。

CCD攝像檢測(cè)技術(shù)是繼光電傳感檢測(cè)技術(shù)、壓電脈沖檢測(cè)技術(shù)后所興起的一種新型的檢測(cè)技術(shù)。它是將所獲取的圖像直接通過計(jì)算機(jī)映入眼中，在經(jīng)計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，來對(duì)排種器進(jìn)行性能檢測(cè)。其具有自動(dòng)化程度高、對(duì)于數(shù)據(jù)接收和處理速度快、使用比較方便等優(yōu)點(diǎn)，在各行各業(yè)應(yīng)用較廣泛。

3 播種機(jī)械性能檢測(cè)裝置的發(fā)展趨勢(shì)

近年來隨著科技的發(fā)展，我國對(duì)播種機(jī)械的檢測(cè)技術(shù)也迎來轉(zhuǎn)型，在兼顧成本與穩(wěn)定性的同時(shí)，檢測(cè)性能得到了顯著提高。隨著未來農(nóng)業(yè)機(jī)械行業(yè)的發(fā)展，播種機(jī)械在工作的過程中以高速為指標(biāo)，在進(jìn)行農(nóng)作物種植時(shí)，經(jīng)常會(huì)使用高速播種機(jī)械對(duì)田間進(jìn)行播種種植。由于目前排種機(jī)械的檢測(cè)技術(shù)都是檢測(cè)工作速度不太高的播種機(jī)械，為此，對(duì)于高速播種機(jī)械排種性能的精確檢測(cè)，將成為目前急需解決的問題。

4 結(jié)論

本文介紹了播種機(jī)械的3種性能檢測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并且對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析?？偨Y(jié)了光電傳感器檢測(cè)技術(shù)、壓電脈沖檢測(cè)技術(shù)和CCD攝像檢測(cè)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)對(duì)于排種器性能的檢測(cè)應(yīng)用各有所不同。為了能夠更進(jìn)一步的研究排種器排種性能，還需要分析排種器在工作中的過程中種子的落種姿態(tài)，以及動(dòng)態(tài)隨機(jī)因素等。