播種監(jiān)控技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望

摘要：播種監(jiān)控是評(píng)價(jià)播種質(zhì)量的重要手段，是實(shí)現(xiàn)播種智能化的關(guān)鍵技術(shù)，有利于降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高農(nóng)作物質(zhì)量和產(chǎn)量。通過(guò)介紹影響播種質(zhì)量的三個(gè)重要環(huán)節(jié)：排種器排種、漏播補(bǔ)種、播深控制國(guó)內(nèi)外監(jiān)控技術(shù)研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)分析機(jī)械機(jī)電式、光電傳感式、電容傳感式、壓電傳感式、機(jī)器視覺(jué)式監(jiān)測(cè)原理特點(diǎn)、研究重點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域。分析發(fā)現(xiàn)，我國(guó)播種監(jiān)控技術(shù)存在缺乏高性能傳感器，精度不能滿(mǎn)足高速播種精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)要求；缺少播種信息與時(shí)間、空間信息融合的算法研究，控制器動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能不佳；監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)缺失導(dǎo)致播種信息采集、監(jiān)測(cè)指標(biāo)指向不明，規(guī)范性較弱等問(wèn)題。并展望未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。電機(jī)、液壓馬達(dá)等新型排種驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用在提高排種精度的同時(shí)也為變量播種的實(shí)現(xiàn)提供可能；傳感器創(chuàng)新設(shè)計(jì)、控制算法優(yōu)化、監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)體系建立以及多優(yōu)勢(shì)學(xué)科技術(shù)融合，播種監(jiān)控系統(tǒng)有望實(shí)現(xiàn)商品化；播種監(jiān)控系統(tǒng)集合農(nóng)機(jī)作業(yè)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)感知、智能決策管理、精準(zhǔn)服務(wù)全環(huán)節(jié)，未來(lái)必將向著更加智能化的方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：播種監(jiān)控；排種器；漏播補(bǔ)種；播深控制

中圖分類(lèi)號(hào)：S233.2" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " 文章編號(hào)：2095?5553 （2024） 09?0345?08

Research status and prospect of sowing monitoring technology

Yang Changmin Zhao Bangtai Cheng Fangping Zhang Wei Wang Yipeng Liu Lin

（1. Sichuan Academy of Agricultural Machinery Sciences， Chengdu， 610066， China;

2. Agricultural Machinery Technology Extension Service Station of Linshui County， Guang'an， 638500， China）

Abstract： Seeding monitoring is an important means to evaluate seeding quality and a key technology to realize seeding intelligence， which is conducive to reducing manual labor intensity and improving crop quality and yield. By introducing the three important links that affect the quality of seeding，including seeding by seeding device， seeding by missing seeding， sowing depth control and the research status quo of monitoring technology at home and abroad， the paper focuses on the analysis of the mechanical electromechanical， photoelectric sensing， capacitive sensing， piezoelectric sensing， machine vision monitoring principle characteristics， research focus and application fields. It is found that there is a lack of high?performance sensors in the technology of sowing monitoring in China， and the precision can not meet the requirements of high?speed sowing precision monitoring. The dynamic response performance of the controller is poor because of the lack of algorithm research on the fusion of seeding information with time and space information. The lack of relevant standards in the monitoring system leads to problems such as the collection of sowing information， the unclear direction of monitoring indicators， and the weak standardization. By looking forward to the future development trend， the application of motor， hydraulic motor and other new type of seeding drive control technology not only improves the seeding accuracy， but also provides the possibility for the realization of variable seeding. The innovative design of sensor， optimization of control algorithm， establishment of monitoring standard system and integration of multi?advantageous disciplines are expected to commercialize the seeding monitoring system. The sowing monitoring system integrates accurate perception of agricultural machinery operation data， intelligent decision management and accurate service， and will develop in a more intelligent direction in the future.

Keywords： sowing monitoring; seed feeder; missed seeding and reseeding; sowing depth control

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展，精量播種機(jī)被廣泛用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，有效提高了播種效率。因農(nóng)田作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，加上播種過(guò)程具有一定的封閉性，人眼無(wú)法直觀看到播種狀態(tài)，播種過(guò)程中排種器易出現(xiàn)種箱排空、導(dǎo)種管堵塞等造成“斷條”和漏播現(xiàn)象，若不及時(shí)調(diào)整或進(jìn)行漏播補(bǔ)種，將嚴(yán)重影響播種質(zhì)量[1]。同樣，播種過(guò)程中播種深度不一致，種子出苗不整齊，后期株間土壤水分、養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)大，產(chǎn)量低[2]。

因此，在精量播種機(jī)上配備監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)播種故障報(bào)警、工作參數(shù)和作業(yè)質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)調(diào)整播種狀態(tài)，可有效節(jié)約人力成本、保證播種質(zhì)量，提高作物產(chǎn)量。

監(jiān)控系統(tǒng)包含監(jiān)測(cè)和控制兩方面，在播種環(huán)節(jié)主要體現(xiàn)在排種性能監(jiān)測(cè)、漏播補(bǔ)種和播深控制。本文圍繞排種器排種、漏播補(bǔ)種、播深控制環(huán)節(jié)，綜述播種監(jiān)控技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，指出我國(guó)播種監(jiān)控技術(shù)存在問(wèn)題，展望未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

1 播種監(jiān)測(cè)技術(shù)

對(duì)于播種監(jiān)測(cè)，最初為人工監(jiān)測(cè)和機(jī)械機(jī)電式監(jiān)測(cè)。20世紀(jì)80年代以后，出現(xiàn)電子監(jiān)測(cè)技術(shù)，根據(jù)其對(duì)種子感知原理，可分為光電傳感式、電容傳感式、壓電傳感式、機(jī)器視覺(jué)式[3]，不同類(lèi)型監(jiān)測(cè)裝置適用于不同類(lèi)型種子和不同參數(shù)監(jiān)測(cè)，表1為不同監(jiān)測(cè)方式對(duì)比。

1.1 機(jī)械機(jī)電式

排種器性能最初采用肉眼觀察及人工測(cè)定播下種子的粒距，使用最早也最多的方法是帆布帶法[4]，圖1為人工監(jiān)測(cè)示意圖。

德國(guó)某公司使用的帆布帶試驗(yàn)臺(tái)帶有可調(diào)的自動(dòng)噴油和刮油裝置，減少人工涂油、清種工序，提高了試驗(yàn)臺(tái)的自動(dòng)化水平[5]。國(guó)內(nèi)，張波屏等[6]設(shè)計(jì)的移動(dòng)式排種器試驗(yàn)臺(tái)，首次采用沙盤(pán)固種，避免黃油帶來(lái)的污染，種子可重復(fù)使用，但試驗(yàn)臺(tái)成本較高，同時(shí)沙盤(pán)長(zhǎng)度受環(huán)境條件限制。機(jī)械機(jī)電式種子感知方法主要是依靠機(jī)、電、液的測(cè)控方式對(duì)種箱充種狀態(tài)或排種器工作狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，若出現(xiàn)異常則報(bào)警[7]。法國(guó)生產(chǎn)的NODET氣吸式播種機(jī)最先安裝機(jī)械式報(bào)警裝置，在播種過(guò)程中若出現(xiàn)異常，安裝在主動(dòng)套上的彈片會(huì)帶動(dòng)小錘來(lái)回敲擊鈴鐺發(fā)出報(bào)警，提醒作業(yè)人員[5]。

人工監(jiān)測(cè)浪費(fèi)種子、污染環(huán)境。機(jī)械機(jī)電式監(jiān)測(cè)能夠直觀反映排種結(jié)果，可對(duì)種箱及排種器工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，但不能監(jiān)測(cè)播種量、播種頻率、漏播、重播等指標(biāo)，近年來(lái)逐步被電子監(jiān)測(cè)手段取代。

1.2 光電傳感式

光電傳感式通過(guò)下落種子對(duì)傳感器發(fā)射端光線進(jìn)行遮擋使兩端電壓信號(hào)發(fā)生改變，變化信號(hào)經(jīng)處理后成為可被控制器識(shí)別的脈沖信號(hào)，由此判斷排種情況，光電傳感式監(jiān)測(cè)如圖2所示。

國(guó)外對(duì)播種光電傳感式監(jiān)測(cè)研究較早，且在播種機(jī)產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用于田間生產(chǎn)。前蘇聯(lián)CynH-8型播種機(jī)采用光電傳感器對(duì)種箱內(nèi)種子高度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)種子的高度在設(shè)定的最低水平線以下或種子高度長(zhǎng)時(shí)間無(wú)變化時(shí)，駕駛室內(nèi)的指示燈會(huì)被點(diǎn)亮，同時(shí)觸發(fā)蜂鳴器，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警，避免大面積漏播。美國(guó)Cyclo-500型播種機(jī)配套的播種質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，采用光電傳感器能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)播種機(jī)行進(jìn)速度、株距、播種量等作業(yè)參數(shù)。Wrobel[10]研制的一款基于光電傳感器的精量播種監(jiān)控系統(tǒng)，可顯示播種機(jī)的作業(yè)面積和前進(jìn)速度等信息，可監(jiān)測(cè)不同類(lèi)型籽粒播種參數(shù)，精度較高。

國(guó)內(nèi)對(duì)光電傳感式監(jiān)測(cè)研究主要集中在提高探頭布置密度、減少光場(chǎng)死角，增加自清潔除塵裝置以及提高小粒徑種子落種感知精度等方面。

楊長(zhǎng)江等設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用反射式光電傳感器，采用3個(gè)廣角120°的草帽型紅外發(fā)射管作為發(fā)射端，紅外線經(jīng)排種管內(nèi)壁反復(fù)漫反射，可保證光場(chǎng)完全覆蓋排種管內(nèi)部，減少監(jiān)測(cè)盲區(qū)，實(shí)現(xiàn)了玉米播種過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控。試驗(yàn)測(cè)試表明：系統(tǒng)對(duì)玉米種子識(shí)別度高，故障報(bào)警診斷準(zhǔn)確率97.5%，性能可靠。紀(jì)超等[9]為提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)多塵作業(yè)環(huán)境適應(yīng)性，設(shè)計(jì)了以旋轉(zhuǎn)式透明防塵罩為核心的自清潔除塵裝置，增強(qiáng)探頭的抗塵性能。模擬灰塵粘附工況，播種總量監(jiān)測(cè)精度達(dá)98.1%，具備良好的抗塵效果。吳南等[10]將2個(gè)光纖傳感器分別安裝在排種口和導(dǎo)種管下部，監(jiān)測(cè)相鄰種子時(shí)間間隔來(lái)確定粒距，提高了重播率的監(jiān)測(cè)精度。丁幼春等[11]利用薄面激光與硅光電池的光伏效應(yīng)原理設(shè)計(jì)了一種中小粒徑種子流監(jiān)測(cè)裝置，解決了油菜、小麥等中小粒徑種子在播種過(guò)程中難以兼容檢測(cè)的難題，田間試驗(yàn)表明，正常排種頻率范圍內(nèi)，油菜種子的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率不低于98.6%，小麥種子的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率不低于95.8%。

光電傳感式適用于漏播監(jiān)測(cè)，具有靈敏度高、測(cè)量速度快、成本低等特點(diǎn)，是最早且最多在實(shí)際中應(yīng)用的排種監(jiān)測(cè)方法。但在農(nóng)田環(huán)境下，灰塵粘附易造成監(jiān)測(cè)精度降低，對(duì)于重播監(jiān)測(cè)，誤差較大，也無(wú)法監(jiān)測(cè)種子破碎率。

1.3 電容傳感式

電容傳感式監(jiān)測(cè)為當(dāng)種子下落時(shí)經(jīng)過(guò)電容傳感器兩極板時(shí)，引起電容值變化，變化經(jīng)處理輸出為控制器可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)種子的監(jiān)測(cè)，近年來(lái)才被逐漸引入播種監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，電容傳感式監(jiān)測(cè)如圖3所示。

德國(guó)Taghinezhad等設(shè)計(jì)的電容傳感裝置，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)大豆、小麥作物排種的均勻性[12]，判別播種的間距是否合格。Noltingk[13]設(shè)計(jì)了一種環(huán)形電容傳感器，其監(jiān)測(cè)靈敏度比對(duì)置式的傳感器更佳。

國(guó)內(nèi)針對(duì)電容傳感器受溫度影響和寄生電容干擾檢測(cè)精度下降的問(wèn)題，開(kāi)展了研究。周利明等[14]設(shè)計(jì)一種基于AD7745數(shù)字轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)的高精度微電容傳感監(jiān)測(cè)裝置。電容傳感器與調(diào)理電路采用短線連接，減少寄生電容對(duì)測(cè)量精度的影響，裝置用于小麥播種機(jī)排種量監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在不同的排種速度下，傳感器最大測(cè)量誤差為2.2%。許健佳等[15]設(shè)計(jì)一種基于PCap02的電容式微水檢測(cè)系統(tǒng)，利用芯片內(nèi)置的溫度傳感器對(duì)外界溫度進(jìn)行補(bǔ)償，克服了電容傳感器存在寄生電容的缺陷，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，線性度好，測(cè)量精度高。

電容傳感式監(jiān)測(cè)具有工作穩(wěn)定、可靠性高、抗粉塵污染能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。但單粒種子在通過(guò)電容傳感器時(shí)，引起電容值變化微小，因此對(duì)于小粒徑種子監(jiān)測(cè)分辨率不高，不適用于微小粒徑種子監(jiān)測(cè)和精確計(jì)數(shù)。電容傳感式監(jiān)測(cè)目前僅限于實(shí)驗(yàn)室研究，還達(dá)不到實(shí)際使用的要求。

1.4 壓電傳感式

壓電傳感式監(jiān)測(cè)為種子下落時(shí)與壓電傳感器發(fā)生碰撞，使壓電傳感器兩端產(chǎn)生信號(hào)變化，該變化經(jīng)調(diào)理后變?yōu)榭勺R(shí)別的脈沖信號(hào)，獲取落種信息，圖4為壓電傳感式監(jiān)測(cè)示意圖。

國(guó)外Hoberge等[16]開(kāi)發(fā)了頭部壓電傳感器和軟管壓電傳感器，頭部壓電傳感器可以監(jiān)測(cè)整個(gè)種子流，軟管壓電傳感器可以監(jiān)測(cè)每個(gè)軟管中的堵塞情況。

壓電傳感式監(jiān)測(cè)精度與傳感器安裝方式和有效感應(yīng)區(qū)間相關(guān)性較大。國(guó)內(nèi)針對(duì)壓電傳感器易受感應(yīng)結(jié)構(gòu)影響開(kāi)展研究。張霖等[17]設(shè)計(jì)了基于壓電傳感器的種子計(jì)數(shù)系統(tǒng)，利用壓電陶瓷片監(jiān)測(cè)種子撞擊懸臂梁后產(chǎn)生的振動(dòng)變換為電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理電路輸入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)。系統(tǒng)選用合適的高分子材料和安裝方式，使之擁有較好的阻尼比，達(dá)到較高的精度，單粒測(cè)量誤差小于0.4%。丁幼春等[18]基于壓電薄膜設(shè)計(jì)了沉槽基板一壓電薄膜感應(yīng)結(jié)構(gòu)，將碰撞信號(hào)的衰減時(shí)間從9 ms縮短至1 ms，提高了對(duì)高頻種子流監(jiān)測(cè)的時(shí)間分辨率，沉槽基板設(shè)計(jì)，有效抵抗了機(jī)械振動(dòng)帶來(lái)的干擾影響，實(shí)現(xiàn)了對(duì)油菜種子的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。

壓電傳感式多用在種子堵塞監(jiān)測(cè)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高。但壓電傳感式監(jiān)測(cè)是接觸式監(jiān)測(cè)，要求種子與壓電感應(yīng)器發(fā)生碰撞，碰撞會(huì)影響種子下落軌跡，改變?nèi)胪廖恢?，?duì)播種均勻性有影響，因此壓電傳感式也多應(yīng)用于氣力式精量排種器以及低頻排種監(jiān)測(cè)。

1.5 機(jī)器視覺(jué)式

機(jī)器視覺(jué)法通過(guò)視覺(jué)相機(jī)對(duì)下落種子進(jìn)行高速攝像，通過(guò)圖像處理系統(tǒng)，獲取種子位置、數(shù)量等信息。對(duì)圖像中種子的精準(zhǔn)快速識(shí)別是機(jī)器視覺(jué)法的關(guān)鍵，圖5為機(jī)器視覺(jué)法監(jiān)測(cè)示意圖。

Leemans等[19]開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)視覺(jué)相機(jī)識(shí)別種粒下落，對(duì)排種器工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)并引導(dǎo)播種機(jī)作業(yè)。Karayel等用高速攝影技術(shù)，通過(guò)獲取種子間距均勻性和種子下落速度[20]，計(jì)算獲得小麥、大豆、棉花排種器的排種性能指標(biāo)。

國(guó)內(nèi)，陳進(jìn)等[21]建立了基于高速攝像系統(tǒng)的精密排種器性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)排種圖像處理，提取了種子的特征值，試驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)器視覺(jué)監(jiān)測(cè)與人工監(jiān)測(cè)排種合格指數(shù)相對(duì)誤差小于1%。廖慶喜等[22]結(jié)合光電傳感器監(jiān)測(cè)裝置與高速攝影技術(shù)，提高了排種器性能監(jiān)測(cè)的可信度，彌補(bǔ)光電傳感器無(wú)法判斷種子破碎而引起監(jiān)測(cè)結(jié)果誤差的缺陷。齊龍等[23]應(yīng)用計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)技術(shù)，研制了超級(jí)稻高速連續(xù)育秧播種空穴視覺(jué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)穴孔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了相對(duì)應(yīng)的掩模圖像，根據(jù)掩模圖像分析實(shí)現(xiàn)對(duì)空穴進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和后續(xù)補(bǔ)種。

機(jī)器視覺(jué)監(jiān)測(cè)對(duì)種子外形和大小沒(méi)有嚴(yán)格要求，可以識(shí)別出破碎種子和微小粒徑種子，相較于其他監(jiān)測(cè)方式，有著更高的監(jiān)測(cè)精度。但機(jī)器視覺(jué)監(jiān)測(cè)受光線、振動(dòng)等影響大，對(duì)環(huán)境要求較苛刻，對(duì)計(jì)算機(jī)處理算法和存儲(chǔ)容量要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般僅用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的排種監(jiān)測(cè)。

2 漏播補(bǔ)種技術(shù)

盡管監(jiān)測(cè)裝置能有效監(jiān)測(cè)排種質(zhì)量，但大田作業(yè)環(huán)境下難免發(fā)生漏播，當(dāng)播種監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)到漏播發(fā)生，并將漏播情況反饋至補(bǔ)種系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)種，能極大提高作物出苗一致性，保證產(chǎn)量。

Krihna等[24]從漏播監(jiān)測(cè)算法上進(jìn)行深度優(yōu)化，研制了一種漏播監(jiān)測(cè)與補(bǔ)種系統(tǒng)，提高了排種狀態(tài)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和補(bǔ)種速度，實(shí)現(xiàn)排種器漏播后及時(shí)補(bǔ)種。Yamani等通過(guò)對(duì)種子排序編碼進(jìn)行優(yōu)化補(bǔ)種研究，當(dāng)監(jiān)測(cè)設(shè)備和控制器監(jiān)測(cè)到漏播信號(hào)后，會(huì)有一粒新的編碼種子進(jìn)行補(bǔ)種[25]，播種質(zhì)量得到了顯著的提高。

國(guó)內(nèi)針對(duì)漏播自補(bǔ)種和輔助補(bǔ)種進(jìn)行了研究。漏播自補(bǔ)種采用排種器變加速方式實(shí)現(xiàn)補(bǔ)種。高速補(bǔ)種要求電動(dòng)機(jī)具有快速、穩(wěn)定的加速性能，但同時(shí)高速狀態(tài)下排種器的磨損和充種性能會(huì)有所下降。朱瑞祥等[26]設(shè)計(jì)了一種大籽粒漏播自補(bǔ)種裝置，通過(guò)激光傳感器進(jìn)行漏播監(jiān)測(cè)，當(dāng)出現(xiàn)排種漏播時(shí)，啟動(dòng)超越離合器超越旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)種，試驗(yàn)表明，漏播自補(bǔ)種裝置平均補(bǔ)種率為92.98%。趙淑紅等[27]針對(duì)玉米勺式排種器出現(xiàn)漏播問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種變速補(bǔ)種系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用光電傳感器在偏離出種口20°位置進(jìn)行提前監(jiān)測(cè)，漏播發(fā)生時(shí)由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)改變排種器轉(zhuǎn)速越過(guò)空種槽達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)種。張曉輝等[28]研制了基于單片機(jī)的播種機(jī)工況自動(dòng)補(bǔ)播式控制系統(tǒng)，以AT89C51單片機(jī)為核心，編制系統(tǒng)控制程序，當(dāng)監(jiān)測(cè)到漏播時(shí)，啟動(dòng)微型步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)排種器繼續(xù)排種完成補(bǔ)種，解決了小麥漏播和補(bǔ)種問(wèn)題。

漏播輔助補(bǔ)種是在原播種機(jī)基礎(chǔ)上外加一個(gè)輔助的補(bǔ)種裝置[29]，包括增加副排種盤(pán)、副排種器或者設(shè)計(jì)新型的補(bǔ)種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)種。輔助補(bǔ)種需合理設(shè)計(jì)補(bǔ)種裝置安裝位置，結(jié)合高精確的補(bǔ)種控制算法才能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)補(bǔ)種。李士軍等[30]采用主排種器和副排種器并排的方式，主排種器由地輪帶動(dòng)，副排種器由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)，在副排種器下方有一個(gè)擋種板，當(dāng)光電傳感器監(jiān)測(cè)到漏播時(shí)，中央處理器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)控制副排種器轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)擋種板打開(kāi)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)種。

以播種監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)的變量補(bǔ)種技術(shù)有效解決了田間漏播的發(fā)生，進(jìn)一步保證了播種質(zhì)量。目前國(guó)內(nèi)多數(shù)是在已有排種裝置的基礎(chǔ)上，加裝一套補(bǔ)種裝置，兩套排種裝置相互獨(dú)立，造成排種裝置尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且因種子下落路徑不同，存在補(bǔ)種位置滯后、準(zhǔn)確性差的問(wèn)題，距實(shí)際推廣應(yīng)用仍有一段距離。

3 播深控制技術(shù)

播種深度影響出苗時(shí)間和出苗率，適宜的播種深度，種子可獲得較好的水分和養(yǎng)分條件，減少大小苗現(xiàn)象導(dǎo)致的株間競(jìng)爭(zhēng)。播深控制可分為被動(dòng)控制和主動(dòng)控制。被動(dòng)控制技術(shù)為通過(guò)人工手動(dòng)調(diào)節(jié)仿形部件與開(kāi)溝器之間的相對(duì)垂直距離來(lái)調(diào)節(jié)開(kāi)溝深度，不能很好適應(yīng)起伏地面；主動(dòng)控制技術(shù)利用傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)播種作業(yè)深度，對(duì)比目標(biāo)值，當(dāng)超過(guò)設(shè)定值時(shí)，利用電液控制系統(tǒng)控制開(kāi)溝器下壓力實(shí)現(xiàn)播種深度一致性，控制精度高、響應(yīng)速度快[31]。

Jia等設(shè)計(jì)一款自適應(yīng)耕作深度監(jiān)控系統(tǒng)，采用地表適應(yīng)性擺臂和光學(xué)編碼器測(cè)量擺臂的旋轉(zhuǎn)，把測(cè)得的角度轉(zhuǎn)換為耕作深度[32]。Nielsen等開(kāi)發(fā)的播深測(cè)量系統(tǒng)由直線位移傳感器與超聲波傳感器組成，分別測(cè)量播種單體相對(duì)播種機(jī)機(jī)架的位置和機(jī)架相對(duì)地面的高度，綜合得出播深，試驗(yàn)誤差在3 mm以?xún)?nèi)[33]。國(guó)外播深控制技術(shù)起步較早，技術(shù)成熟，已應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。John Deere公司通過(guò)在開(kāi)溝器的側(cè)面加裝橡膠限深輪，利用被動(dòng)控制技術(shù)控制開(kāi)溝器開(kāi)溝深度，實(shí)現(xiàn)播種深一致[32]。德國(guó)Horsch公司通過(guò)安裝在播種單體上的力傳感器實(shí)時(shí)獲取播種單體對(duì)地表的壓力，采用液壓裝置改變播種單體對(duì)地表的下壓力，達(dá)到調(diào)節(jié)播種深度的目的。

國(guó)內(nèi)，黃東巖等[34]在播種單體限深輪的內(nèi)壁上安裝壓電薄膜傳感器，通過(guò)測(cè)量胎面形變量監(jiān)測(cè)播種單體下壓力變化，進(jìn)而得到播深變化。試驗(yàn)結(jié)果表明，作業(yè)速度大于8 km/h時(shí)，播深合格率明顯高于被動(dòng)作用式播深控制裝置。蔡國(guó)華等[35]設(shè)計(jì)了一種基于ATmega128單片機(jī)的開(kāi)溝深度自動(dòng)控制系統(tǒng)室內(nèi)試驗(yàn)臺(tái)，將超聲波傳感器安裝在開(kāi)溝器底部，通過(guò)測(cè)量計(jì)算傳感器與地面的高度來(lái)確定播深，試驗(yàn)臺(tái)可模擬動(dòng)、靜態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)，系統(tǒng)穩(wěn)定。趙金輝等[36]設(shè)計(jì)的播深控制系統(tǒng)采用液壓缸調(diào)節(jié)四連桿仿形機(jī)構(gòu)，通過(guò)PLC控制器和脈寬調(diào)制技術(shù)控制電磁閥流量，實(shí)現(xiàn)開(kāi)溝深度實(shí)時(shí)控制。李玉環(huán)等[37]設(shè)計(jì)了覆土—鎮(zhèn)壓聯(lián)動(dòng)監(jiān)控裝置，利用壓力傳感器，監(jiān)測(cè)種子上層覆土和鎮(zhèn)壓情況，采用電推桿實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)覆土量實(shí)現(xiàn)播深自動(dòng)調(diào)控，結(jié)果表明該控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間為0.58 s，當(dāng)播種作業(yè)速度為3～8 km/h時(shí)，播深合格率高于90%。

目前，播深控制傳感器包括角度傳感器、位移傳感器、壓力傳感器、超聲波傳感器等。國(guó)外測(cè)量播深時(shí)往往是多個(gè)傳感器結(jié)合在一起使用，通過(guò)測(cè)量多個(gè)物理量綜合得出。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家已成功研發(fā)并且應(yīng)用播深控制設(shè)備，可以實(shí)時(shí)地通過(guò)傳感器及液壓、氣壓系統(tǒng)測(cè)量并調(diào)節(jié)播種深度。當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)播深主動(dòng)控制技術(shù)研究較多，但實(shí)際應(yīng)用較少，播種機(jī)仍主要依靠機(jī)械彈簧和平行四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行被動(dòng)仿形，播深主動(dòng)控制技術(shù)、播深控制的精度和一致性需要更進(jìn)一步深入研究。

4 存在問(wèn)題

經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，我國(guó)播種監(jiān)控在排種監(jiān)測(cè)、漏播補(bǔ)種、播深控制方面取得了諸多成果，但受傳感器技術(shù)、控制算法技術(shù)、數(shù)據(jù)共享技術(shù)等限制，播種監(jiān)控系統(tǒng)精準(zhǔn)性、穩(wěn)定性、可靠性還有待進(jìn)一步提高，商品化應(yīng)用較少。

4.1 傳感器精度不能滿(mǎn)足當(dāng)前播種精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)要求

傳感器是實(shí)現(xiàn)排種堵塞、重播、漏播、補(bǔ)種、播深控制等監(jiān)測(cè)的重要工具。當(dāng)前我國(guó)缺乏國(guó)產(chǎn)化高性能傳感器，難以為監(jiān)控信息采集提供支撐，制約了播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展。表現(xiàn)在：一是播種機(jī)精準(zhǔn)、高速播種趨勢(shì)下，對(duì)傳感器性能提出了更高要求，傳感器在對(duì)微小粒徑種子、高頻排種、播深主動(dòng)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性方面有待提高；二是傳感器受材料、結(jié)構(gòu)限制，在復(fù)雜田間環(huán)境下易因信號(hào)干擾等檢測(cè)精度和穩(wěn)定性能下降，且使用壽命不長(zhǎng)；三是國(guó)外高精度傳感器成本較高，限制了播種監(jiān)控系統(tǒng)推廣應(yīng)用。

4.2 播種監(jiān)控系統(tǒng)控制算法需進(jìn)一步優(yōu)化

控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)播種監(jiān)控、智能作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)，漏播補(bǔ)種的準(zhǔn)確性、播深控制的實(shí)時(shí)性都離不開(kāi)控制算法。當(dāng)前我國(guó)缺少播種信息與其他信息，如時(shí)間、空間信息融合的算法研究，控制器動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能不佳，播種監(jiān)控不能滿(mǎn)足智能化控制的要求。表現(xiàn)在：國(guó)外已廣泛應(yīng)用電驅(qū)控制排種，我國(guó)仍以地輪驅(qū)動(dòng)方式為主；國(guó)外播種機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)完備，高端播種機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)變量作業(yè)控制，我國(guó)播種監(jiān)控功能單一、適應(yīng)性窄；國(guó)外已實(shí)現(xiàn)播深自動(dòng)控制，我國(guó)播深調(diào)控多采用單一變量構(gòu)建調(diào)控模型，穩(wěn)定性差。

4.3 播種監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)缺失

不同類(lèi)型播種方式，播種指標(biāo)不同，播種監(jiān)測(cè)參數(shù)不同。一方面，目前國(guó)內(nèi)播種監(jiān)測(cè)裝置缺少行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)，播種信息采集、監(jiān)測(cè)指標(biāo)等指向不明，規(guī)范性較弱；另一方面，農(nóng)機(jī)監(jiān)測(cè)傳感器接口、控制、顯示及信息傳輸?shù)榷嘣磾?shù)據(jù)融合存在現(xiàn)場(chǎng)通信協(xié)議不統(tǒng)一，難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高效共享，因此目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上，應(yīng)用播種監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)成果的案例非常少。

5 發(fā)展趨勢(shì)

5.1 新型排種驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用，為變量播種提供支撐

排種器驅(qū)動(dòng)方式會(huì)影響排種精度，國(guó)內(nèi)播種機(jī)排種器多采用地輪驅(qū)動(dòng)，具有一定的局限性。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)播種機(jī)高速作業(yè)需求的日益增長(zhǎng)，電機(jī)、液壓馬達(dá)等新型排種器驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)逐漸成為發(fā)展趨勢(shì)。新型排種驅(qū)動(dòng)通過(guò)電磁式轉(zhuǎn)速傳感器、開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器、GPS北斗導(dǎo)航系統(tǒng)等采集播種機(jī)作業(yè)速度，控制電機(jī)、液壓馬達(dá)等轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)排種器轉(zhuǎn)速的精確控制。通過(guò)開(kāi)展傳感器技術(shù)創(chuàng)新和自主研發(fā)，研究適合國(guó)內(nèi)作物和播種環(huán)境的高性能傳感器，打破國(guó)外傳感器技術(shù)壟斷，可為我國(guó)變量播種提供支撐。變量播種機(jī)是未來(lái)播種機(jī)發(fā)展的重要方向，新型排種驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用不僅提高排種精度，也為變量播種的實(shí)現(xiàn)提供可能。

5.2 多優(yōu)勢(shì)學(xué)科技術(shù)融合，播種監(jiān)控系統(tǒng)有望實(shí)現(xiàn)商品化

通過(guò)進(jìn)一步開(kāi)展播種機(jī)播種部件獨(dú)立控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)漏播補(bǔ)種準(zhǔn)確；開(kāi)展信號(hào)采集、圖像處理等播種質(zhì)量監(jiān)測(cè)算法研究，提高監(jiān)測(cè)靈敏度；加快制定統(tǒng)一的播種監(jiān)測(cè)信息采集標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建以堵塞、重播、漏播、播深等為基礎(chǔ)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)體系，融合不同播種方式各自典型的播種監(jiān)測(cè)指標(biāo)作為信息采集標(biāo)準(zhǔn)，快速、科學(xué)對(duì)播種質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估；建立監(jiān)測(cè)、控制、顯示等多環(huán)節(jié)信息接入標(biāo)準(zhǔn)和資源共享機(jī)制，有線、無(wú)線信息傳輸手段相結(jié)合，保障信息傳輸和數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)播種監(jiān)控系統(tǒng)功能多樣性。通過(guò)傳感器創(chuàng)新設(shè)計(jì)、控制算法優(yōu)化、監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)體系建立，多優(yōu)勢(shì)學(xué)科技術(shù)融合發(fā)展，將有利推動(dòng)播種監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)品研發(fā)應(yīng)用。加上政府層面，培育監(jiān)控系統(tǒng)研發(fā)企業(yè)，開(kāi)展監(jiān)控播種機(jī)補(bǔ)貼，降低使用成本，播種監(jiān)控系統(tǒng)有望從實(shí)驗(yàn)室走向田間，實(shí)現(xiàn)商品化應(yīng)用。

5.3 新興技術(shù)應(yīng)用，播種監(jiān)控系統(tǒng)朝智能化方向發(fā)展

隨著播種監(jiān)控與物聯(lián)網(wǎng)、導(dǎo)航定位、5G、自動(dòng)控制等新興技術(shù)的融合，播種信息的遠(yuǎn)程傳輸、云存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)挖掘研究進(jìn)一步開(kāi)展，將播種監(jiān)測(cè)采集的氣象信息、土壤特性等作為模型輸入，依據(jù)該模型決策出機(jī)具作業(yè)控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)控制機(jī)具變密度、變深度作業(yè)。播種監(jiān)控系統(tǒng)將集合農(nóng)機(jī)作業(yè)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)感知、智能決策、平臺(tái)智能管理及精準(zhǔn)服務(wù)全環(huán)節(jié)，播種監(jiān)控系統(tǒng)朝智能化方向發(fā)展。

6 結(jié)語(yǔ)

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向集約化、規(guī)?；?、高效能發(fā)展，要求播種機(jī)精量播種，精確的播量和穩(wěn)定的播深控制是精量播種機(jī)重要發(fā)展方向。播種智能監(jiān)控是實(shí)現(xiàn)精量播種的核心技術(shù)，它包括機(jī)具作業(yè)相關(guān)信息智能感知、精準(zhǔn)控制以及作業(yè)決策與管理。雖然我國(guó)播種監(jiān)控技術(shù)起步較晚，與國(guó)外還存在一定差距，但其具有巨大發(fā)展空間和發(fā)展意義，應(yīng)進(jìn)一步開(kāi)展深入的研究。

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