玉米免耕播種機智能化技術(shù)探討

王立華，王升喜，周 平

(1.東豐縣大興鎮(zhèn)農(nóng)機技術(shù)推廣站，吉林 東豐 136301；2.東豐縣拉拉河鎮(zhèn)農(nóng)機技術(shù)推廣站，吉林 東豐 136302)

0 引言

保護性耕作技術(shù)是指對土壤實行少耕、免耕，前茬作物收獲后直接將秸稈粉碎后覆蓋在土壤地表的一種現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)耕作模式之一[1]，減少對土壤耕作層的擾動，提高土壤蓄水保墑能力，對于保護土壤團聚體結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力具有重要意義。近年來，隨著保護性耕作技術(shù)在國內(nèi)外的快速發(fā)展與推廣應(yīng)用，保護性耕作技術(shù)相關(guān)配套農(nóng)機具也得到了快速發(fā)展，技術(shù)日趨成熟[2]。

免耕播種技術(shù)是保護性耕作技術(shù)的重要內(nèi)容之一。開展保護性耕作技術(shù)的同時，大量秸稈殘茬覆蓋在地表，土壤長期不翻耕，會造成土壤板結(jié)、地表秸稈殘茬纏繞機具等問題[3]，傳統(tǒng)播種機進行播種時會降低播種效率。針對以上問題提出作物免耕精量播種機。近年來，隨著計算機通信技術(shù)、人工智能技術(shù)和視覺識別技術(shù)等在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，也進一步提升了免耕播種機智能化發(fā)展，提高了免耕播種機播種質(zhì)量與效率，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益，對于推動保護性耕作技術(shù)的發(fā)展與推廣應(yīng)用提供設(shè)備保障與支撐。

1 玉米免耕播種機對行避茬技術(shù)

在免耕播種技術(shù)應(yīng)用過程中，遇到較大的秸稈殘茬或者作物根茬會直接影響播種質(zhì)量，引發(fā)免耕播種機運行故障，甚至會造成免耕播種機堵塞引發(fā)停機。針對以上問題，研究人員提出了基于衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)和視覺識別技術(shù)，在進行免耕播種時，避開根茬，其核心技術(shù)是識別田間作物殘茬并重新規(guī)劃機具行駛路徑，避免降低播種質(zhì)量。

1.1 衛(wèi)星導(dǎo)航控制技術(shù)

衛(wèi)星導(dǎo)航控制技術(shù)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于行間除草，其主要工作原理是利用傳感器獲得田間設(shè)備位置偏差信息，由控制中心進行信息處理后對執(zhí)行機構(gòu)進行合理調(diào)控[4]。

目前，衛(wèi)星導(dǎo)航裝置主要有兩種，一種是電磁控制模式的衛(wèi)星導(dǎo)航裝置，一種是方向盤式衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。其中方向盤式衛(wèi)星導(dǎo)航裝置技術(shù)較為先進、安裝較為簡單。方向盤式衛(wèi)星導(dǎo)航裝置主要由天線及橫桿、電機與方向盤、角度傳感器、姿態(tài)傳感器、控制平板及各式線纜組成，如圖1所示[5]。衛(wèi)星導(dǎo)航的安裝主要包括車輛參數(shù)的量取、軟件內(nèi)參數(shù)的調(diào)試、車輛相位中心的調(diào)試、免耕播種機掛接調(diào)試。免耕播種導(dǎo)航控制可采用AB線的方法，保證玉米種溝在小麥根茬間空白處。也可根據(jù)上茬小麥播種導(dǎo)航控制線平移調(diào)整實現(xiàn)。在播種過程中可對控制線隨時進行平移調(diào)整，避開秸稈根茬。

圖1 方向盤式衛(wèi)星導(dǎo)航裝置

1.2 機械式導(dǎo)向技術(shù)

機械式導(dǎo)向技術(shù)主要是以田間作物根茬為導(dǎo)向，在免耕播種機中安裝信號探測裝置，探測田間根茬信息，引導(dǎo)機具避開障礙后在田間進行播種作業(yè)，結(jié)構(gòu)較為簡單，投入成本較低，但是存在信號探測誤差等問題，其主要工作原理如圖2所示。

圖2 機械式導(dǎo)向技術(shù)工作原理示意圖

1.3 機器視覺技術(shù)

為提高機械式導(dǎo)向技術(shù)的探測精度，研究人員將計算機視覺識別技術(shù)引入免耕播種機對行避茬技術(shù)中，如圖3所示，基于圖像處理技術(shù)將探測攝像頭安裝在免耕播種機前端獲得相關(guān)秸稈殘茬和根茬圖像，對相關(guān)特征進行提取，進而提高識別精度。改進前后的機械識別技術(shù)對比結(jié)果如表1所示。

表1 兩種技術(shù)下不同類型根茬識別技術(shù)對比效果

圖3 基于視覺識別技術(shù)下機械式導(dǎo)向技術(shù)工作原理示意圖

1.4 控制技術(shù)

玉米免耕播種機對行避茬技術(shù)較多，但是都離不開控制技術(shù)的應(yīng)用與分析，主要是控制免耕播種機田間橫向位置偏差和航向偏差，導(dǎo)航裝置將圖像信息、位置信息等發(fā)送至中央控制器，控制系統(tǒng)將偏差信號發(fā)送給執(zhí)行機構(gòu)，進行路徑規(guī)劃與矯正，進而實現(xiàn)免耕播種機田間對行避茬，目前常見的控制技術(shù)與算法如表2所示。

表2 不同控制技術(shù)應(yīng)用特點

2 玉米免耕播種機播量監(jiān)測技術(shù)

加強對玉米播種播量監(jiān)測可以提高玉米播種效率，提高作物出苗率。在傳統(tǒng)免耕播種機進行田間作業(yè)時，駕駛員無法通過肉眼識別播種情況，容易出現(xiàn)重播和漏播現(xiàn)象導(dǎo)致作物減產(chǎn)，阻礙農(nóng)田標準化建設(shè)。目前免耕播種機播量監(jiān)測技術(shù)主要包括光電技術(shù)、電容技術(shù)和圖像監(jiān)測技術(shù)。3種技術(shù)應(yīng)用特點與對比如表3所示。

表3 不同播深監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用分析

3 玉米免耕播種機播深監(jiān)測控制技術(shù)

免耕播種技術(shù)下土壤環(huán)境較差，土壤堅實度較高，因此，對播種深度具有一定的影響，同時播種深度是保證出苗率和出苗整齊度的基礎(chǔ)條件，因此，對播種深度進行監(jiān)測可有效提高播種效率。

目前，玉米免耕播種機播深監(jiān)測技術(shù)主要包括主動調(diào)節(jié)式監(jiān)測技術(shù)和被動調(diào)節(jié)式監(jiān)測技術(shù)。被動式調(diào)節(jié)監(jiān)測技術(shù)主要是利用平行四桿機構(gòu)調(diào)節(jié)開溝器上方的作業(yè)高度，達到控制播種深度的目的，例如，約翰迪爾公司和Amazone公司都實現(xiàn)了免耕播種機播深監(jiān)測設(shè)備的研究與應(yīng)用，實現(xiàn)對開溝深度的控制與調(diào)節(jié)。

4 結(jié)論與展望

近年來，隨著國家對農(nóng)業(yè)發(fā)展的重視程度增加，及惠農(nóng)政策的提出，為我國農(nóng)業(yè)發(fā)展與機械化水平的提升帶來了發(fā)展契機與條件，我國農(nóng)業(yè)機械化與智能化得到了快速提高。本研究以玉米免耕播種機為研究對象，從玉米免耕播種機對行避茬技術(shù)、播量監(jiān)測技術(shù)和播深監(jiān)測技術(shù)進行系統(tǒng)論述，針對目前免耕播種機發(fā)展現(xiàn)狀提出未來我國免耕播種機的主要發(fā)展趨勢與研究方向應(yīng)從以下幾方面開展：

1)目前GNS技術(shù)在水稻全程智能化發(fā)展中應(yīng)用較為成熟，控制精度較高，但是在玉米免耕播種機中應(yīng)用較少，未來應(yīng)加強差分技術(shù)在免耕播種機監(jiān)測裝置中的應(yīng)用，提高免耕播種機對播種參數(shù)的監(jiān)測精度。

2)加強玉米免耕播種機視覺識別技術(shù)研究，提高圖像識別效率，加強圖像分割和優(yōu)化方法，提高檢測效率。

3)提高相關(guān)傳感器監(jiān)測精度，由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境較差，傳統(tǒng)傳感器在田間工作過程中容易受到天氣和環(huán)境的影響，影響傳感器數(shù)據(jù)傳輸信號，應(yīng)加強無線通信技術(shù)和抗干擾性能高的傳感器設(shè)備。

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