王麗麗，梁學修，胡小鹿，樊學謙，趙博，周利明

(1. 中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院土壤植物機器系統(tǒng)技術國家重點實驗室，北京市，100083； 2. 工業(yè)和信息化部計算機與微電子發(fā)展研究中心(中國軟件評測中心)，北京市，100044； 3. 中國農(nóng)村技術開發(fā)中心，北京市，100045)

0 引言

播種作業(yè)是保證作物產(chǎn)量的重要環(huán)節(jié)，氣流輸送式播種機目前已在國外的大型農(nóng)場廣泛應用，具有寬幅結構、智能控制且作業(yè)速度快的特點[1-2]。美國生產(chǎn)的氣力式免耕變量播種機通過控制閥對風扇速度進行調(diào)整，將氣體穩(wěn)定地輸送到排種系統(tǒng)[3]。意大利生產(chǎn)的播種機可以實現(xiàn)定位施肥，管理種肥分配、種子堵漏監(jiān)控等。法國生產(chǎn)的氣吸式精量點播機能夠?qū)崿F(xiàn)一致的負壓分配，保障了株距的均勻性，播種單體采用拉簧的形式增加下壓力，精確控制投種，確保了種子的完美定位[4-5]。德國生產(chǎn)的氣吸式播種機能夠在平整地面實現(xiàn)高速作業(yè)，速度可達15 km/h，工作幅寬約為8～12 m[6]。德國生產(chǎn)的氣吸式精密播種機可用于精準的子粒種植，排種盤采用獨特的外開放凹盤，通過與全新的推卷裝置配合實現(xiàn)作物的快速分離，種子在吸種區(qū)完成吸種，經(jīng)過攜種區(qū)，在刮種器作用下完成刮種，到達無壓力區(qū)吸力瞬時消失，種子在自身重力作用下完成排種[7]。國內(nèi)電動排種器處于實驗研究階段，產(chǎn)品化處于初步階段。中國農(nóng)業(yè)大學研究了組合吸孔式小麥精量排種器，提高了播種均勻度和精準度[8-9]。北京某公司研制的2BM-6型氣吸式免耕播種機可一次完成側(cè)深施化肥、清理種床秸稈殘茬、整理種床、單粒播種、施口肥、覆土、鎮(zhèn)壓等工作[10]。吉林大學和黑龍江八一農(nóng)墾大學研制了高速氣吸式精量播種機[11-12]。河北某公司研制的2BYQF-6輕型氣吸式玉米播種機通過四連桿仿形機構實現(xiàn)播深一致。中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院等單位設計的傳感器可以實現(xiàn)多行播種量和漏播的監(jiān)測和報警。MS8000系列精量播種機的EASY-SET系統(tǒng)可實現(xiàn)行距快速調(diào)節(jié)，電控播種監(jiān)測器能避免漏播、重播和堵塞報警[13-15]。隨著我國城鎮(zhèn)化和土地流轉(zhuǎn)和耕地集約化進一步發(fā)展，氣流輸送式播種機是播種機未來的發(fā)展方向。但我國氣流輸送式播種機研究起步晚、基礎薄弱，缺乏理論基礎和實踐經(jīng)驗，商品化產(chǎn)品較少，研究主要在集中在排種分配器上[16-17]，涉及其測控技術的研究更少。本文主要敘述了氣流輸送播種機測控技術的國內(nèi)外研究與應用現(xiàn)狀，為國內(nèi)氣流輸送式播種機測控系統(tǒng)研發(fā)提供參考。

1 播種檢測技術

精確的檢測數(shù)據(jù)對于播種質(zhì)量至關重要，目前播種機上需要檢測的數(shù)據(jù)主要包括種箱料位、種子堵漏與流量、播深等。

1.1 種箱料位檢測

當種箱出現(xiàn)種子排空時，會導致漏播現(xiàn)象的發(fā)生，引起農(nóng)業(yè)生產(chǎn)損失。van Bergeijk等[18]學者運用動態(tài)稱量方法，通過獲取肥料質(zhì)量流量并結合位置信息，實現(xiàn)基于空間分布的肥量合理施用。美國學者[19-20]采用電容法設計了用于檢測大氣環(huán)境和土壤水分傳感器。在此基礎上，國內(nèi)王大可等利用電容式接近開關、光電傳感器對氣吸精播機施肥量無線計量監(jiān)測系統(tǒng)進行了研究，用于檢測化肥箱的工作狀態(tài)。周利明等[21]利用電容傳感器法計算施肥量，能夠單獨監(jiān)測各個排肥管并發(fā)送到上位機進行實時顯示。苑嚴偉等[22]設計了玉米免耕播種施肥機作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)，利用電容傳感器的方法，通過調(diào)整伺服電機控制播種施肥量，但田間灰塵、水分等因素會影響到電容傳感器的精度。

氣流輸送式播種機的種箱大多是封閉式種箱，需要通過料位傳感器檢測種子剩余量。料位傳感器安裝在種箱底部，當種子低于傳感器底部位置時，提示駕駛員需要補充種子。Hopper Level Sensor光電式傳感器安裝在種箱底部，當種子高度低于傳感器底部時，接收端收到發(fā)射端的光信號并觸發(fā)報警；電容式料位傳感器是根據(jù)種子顆粒與空氣介電常數(shù)的差異性引起電容值的變化設計的，并可調(diào)整傳感器靈敏度以適應于不同的種子。

2019年德國漢諾威農(nóng)機展上，USC-RPO(Universal Seeder Control)通用播種機控制系統(tǒng)是一種模塊化的、高技術含量的條播機控制系統(tǒng)，用于監(jiān)測和控制機器所有功能：堵塞監(jiān)測、變量播種和對行播種。在USC-PRO系統(tǒng)上安裝新的PRO-SEEDER種子傳感器，可以計數(shù)和檢查種子流量，無需校準。采用can總線技術的PRO-SEEDER種子傳感器，允許操作員對每一行的種子流量進行計數(shù)和檢查，甚至能補償灰塵的沉積，其可識別的最小種子能到直徑1 mm，如圖1所示。

圖1 PRO-SEEDER種子傳感器Fig. 1 PRO-SEEDER sensor

ESD(Electronic Seed Driver)是一種簡單的、模塊化的精密播種機系統(tǒng)，采用直流無刷電機替代機械傳動結構，直接驅(qū)動排種盤。該系統(tǒng)可以與市場上的GPS設備通過ISOBUS接口進行連接，自動管理行合攏，避免了重復播種，節(jié)省了種子，可根據(jù)行進速度自動調(diào)節(jié)播種速率。UNI-SEEDER是一種特殊的種子傳感器，與傳統(tǒng)的種子傳感器不同，它可以配置成不同的性能。由于有一個微控制器，它保證了對來自紅外接收器的模擬信號的直接分析。利用先進的數(shù)字分析技術，它可以看到非常小和快速的種子，并可以將它們與播種過程中的灰塵、泥土或種子殘留物區(qū)分開來，其可識別的最小種子能到直徑1.5 mm。

1.2 堵塞和流量檢測

氣流輸送式播種機的播種量檢測方法主要有光電法、聲電法、壓電法等，國外目前已有很多商品化的播種量檢測傳感器用于堵漏或計數(shù)監(jiān)測。美國學者Wrobel[23]采用光電傳感器監(jiān)測通過光區(qū)的物體，實現(xiàn)對作物種粒的實時監(jiān)測，駕駛員可通過電子監(jiān)控系統(tǒng)查看作業(yè)速度、播種總量與每行播種量、相鄰種子之間的距離等。Garcia等[24]研制了紅外光電傳感器監(jiān)測系統(tǒng)，當排種盤或?qū)ХN管發(fā)生堵塞時，故障指示燈亮，實時監(jiān)測每個輸種管的種子流信息。美國科研人員Haase[25]開發(fā)的監(jiān)測系統(tǒng)包括速度傳感器和光電傳感器，速度傳感器用來測量當前的地輪轉(zhuǎn)速，光電傳感器實時監(jiān)測排種器的工作狀態(tài)，顯示屏用來顯示播種量、重播量、漏播量等播種作業(yè)信息。2013年，Taghinezhad等[26]為了監(jiān)測大豆、小麥作物排種的均勻度，設計了一款電容傳感裝置，用來判別播種的間距是否合格。2007年，布盧農(nóng)業(yè)大學的Leemans等[27]開發(fā)了視覺相機監(jiān)測種粒下落系統(tǒng)，對排種器工作狀態(tài)監(jiān)測并引導播種機進行相關的作業(yè)。國內(nèi)對專用于播種機的播種施肥流量傳感器也有一定的研究。丁幼春等[28]采用壓電薄膜傳感器采集油菜粒的下落信息，并實時顯示排種信息。齊龍等[29]采用機器視覺傳感器統(tǒng)計種粒數(shù)量和缺種數(shù)量，用于指導種量偏少的穴孔補種。

漏播或重播也是目前精量播種作業(yè)中不可避免的異常情況，影響作物生長，降低產(chǎn)量，氣流分配器作為關鍵部件，其結構形式可分為垂直式氣流分配器和水平式氣流分配器，如圖2所示。由于垂直式分配器中存在氣流上升管段，所以能量消耗大，在分配頭處存在方向突變易引起種子機械損傷，它的優(yōu)點是種子分配均勻，播種均勻性好；而水平式分配器很難控制氣流分布，易造成種子分布不均勻的后果，因此垂直式氣流分配器應用較為廣泛。

(a) 垂直式氣流分配器

(b) 水平式氣流分配器

對于氣流分配器來說，一旦某一行發(fā)生堵塞現(xiàn)象，不僅導致本行漏播，還會影響其他行的播種一致性，所以必須實時監(jiān)測播種機的運行狀態(tài)，實時檢測各行的播種均勻性并進行故障報警。

1.2.1 光電傳感器

光電式傳感器分可為對射式和漫反射式。由于對射式傳感器信號易處理、檢測精度高，因此在播種流量檢測中應用相當廣泛[30]。BlackEye種子流量傳感器采用光電對射原理。6路特殊的紅外發(fā)射單元均勻覆蓋整個傳感器內(nèi)部區(qū)域，檢測精度接近100%(油菜籽、大麥準確率為99%，小麥、豌豆準確率為98%)。Meng等[31]設計了基于無線傳輸和激光傳感器的播種檢測系統(tǒng)，在5 km/h的速度下試驗準確率約98%。

國內(nèi)關于光電式播種檢測傳感器的研究有很多，但是多用于堵塞檢測，并且這些傳感器不是針對氣流輸送播種機設計的。車宇等[32]采用紅外LED產(chǎn)生光束，紅外光電二極管接收光束，開發(fā)了對射式傳感器。接收端和發(fā)射端采取分離式封裝方式，3只紅外LED覆蓋整個監(jiān)測空間，監(jiān)測準確率可達95%以上。盧彩云等[33]針對傳統(tǒng)光電式傳感器易受灰塵干擾的問題，設計了一款新型光電傳感器。該傳感器采用砷化鎵紅外發(fā)光二極管發(fā)出光束、紅外光電三極管接收光束，采用4對發(fā)射單元和接收單元，圍繞著圓管均勻等間隔分布。采用模擬信號輸出時，雖然灰塵濃度不同會影響接收端的輸出電壓，但是種子的遮光作用更加強烈，因此，輸出電壓仍然會有一個明顯的區(qū)分。在沒有種子通過傳感器時，輸出表現(xiàn)為一個動態(tài)平衡。在10 km/h 的工作速度下進行試驗，種管故障狀態(tài)監(jiān)測精度大于98%。

1.2.2 聲電傳感器

為了提高傳感器檢測精度，研究人員從以下方面進行了優(yōu)化設計：使用更高采樣頻率的聲卡以及更厚的不銹鋼片來提高聲音的衰減速度；加強檢測腔室的噪聲隔離以減弱環(huán)境噪聲，開發(fā)自適應檢測算法和數(shù)據(jù)調(diào)理方法來消除噪聲干擾。

國外某公司于2015年設計了一款聲電式傳感器，如圖3所示，該傳感器包括傳感器板、聲音腔室、傳聲軟管和一個堵塞檢測單元。其中，傳感器板采用耐用材料，如不銹鋼，用于承受種子撞擊并將聲音傳遞到腔室；聲音腔室由塑料制成，用于將聲音引導向傳聲軟管；傳聲軟管使用柔性材料制成，如橡膠，用于將聲音傳輸?shù)蕉氯麢z測節(jié)點；堵塞檢測節(jié)點包含一個微型麥克風和聲音處理器，用于接收和處理聲音信號。2017年，該公司展出的一款Recon無線堵漏和流量監(jiān)測系統(tǒng)便是基于聲電傳感器開發(fā)的，ECU采集到聲音以后通過WiFi傳輸?shù)今{駛室的車載終端上，車載終端向機手展示每一個通道的流量百分比。并且能夠以圖形化的形式顯示播種狀態(tài)，當終端上的種子通道顯示為紅色時表示發(fā)生了堵塞，顯示橘色時表示流量超出了設定值的范圍[34]。

圖3 Recon傳感器Fig. 3 Recon sensor

目前，國內(nèi)未見聲電傳感器用于播種堵漏或流量檢測的相關研究。

1.2.3 壓電傳感器

目前的壓電式傳感器多用來檢測種子管路是否發(fā)生堵塞，也有用來檢測播種流量的研究和應用。某公司采用壓電薄膜設計了一款堵漏檢測傳感器，傳感器的管壁向內(nèi)凸起形成一個斜面，壓電薄膜粘貼在管壁斜面上，種子通過傳感器時撞擊斜面產(chǎn)生信號。Hoberge等[35]根據(jù)壓電效應設計了一款壓電式的種子計數(shù)傳感器，包括分配頭傳感器和輸種管傳感器，為了能夠計數(shù)多粒種子同時撞擊傳感器，一個傳感器陣列覆蓋整個種子撞擊區(qū)域，所以種子實際上撞擊的是不同的傳感器單元；微控制器通過異步中斷的方式監(jiān)測不同傳感器單元的脈沖響應。

此外，還有機器視覺法、電容檢測法廣泛用于含水率、液位及料位等的檢測。排種性能檢測傳感器的優(yōu)缺點如表1所示。

表1 排種性能檢測傳感器的優(yōu)缺點Tab. 1 Characteristics of sensor for seed metering detection

目前，光電感應法因其成本低廉、系統(tǒng)穩(wěn)定，是當前應用最為廣泛的檢測方法。但由于農(nóng)田環(huán)境復雜，電容感應法和機器視覺法的研究越來越多，仍需進一步提高田間試驗的可靠性和穩(wěn)定性。

1.3 播深檢測

目前，播深檢測傳感器包括測距傳感器、角度傳感器、直線位置傳感器和壓力傳感器等。國外測量耕深時往往是多個傳感器結合在一起使用，通過測量多個物理量綜合得出播深。Lee等[36]采用傾角傳感器測量拖拉機姿態(tài)變化，角度傳感器測量懸掛位置，近紅外傳感器測量傳感器與地表的高度，綜合3個傳感器的數(shù)據(jù)計算播深。Nielsen等[37]開發(fā)的播深測量系統(tǒng)由直線位移傳感器與超聲波傳感器組成，分別測量播種單體相對播種機機架的位置和機架相對地面的高度，綜合得出播深，試驗誤差在3 mm以內(nèi)。國內(nèi)黃冬巖等[38]將壓電薄膜安裝在限深輪胎面內(nèi)側(cè)，通過測量胎面形變監(jiān)測下壓力變化，進而得知播深變化。蔡國華等[39]將超聲波傳感器安裝在開溝器上，通過直接測量傳感器與地面的高度來確定播深，靜態(tài)響應誤差在10 mm內(nèi)。

美國某公司在漢諾威展出的SmartDepth可以根據(jù)土壤特性(如土壤濕度)自動精確控制單粒種子的播種深度，如圖4所示。

圖4 SmartDepth排種控制器Fig. 4 SmartDepth seed metering controller

將SmartDepth與SmartFirmer配對使用，駕駛員自定義播種要求(深度范圍和濕度目標)，播種過程中，SmartFirmer實時測量并讀取不同深度的各種濕度水平。同時，播種機使用電動執(zhí)行機構，在保持土壤濕度目標的同時，在設定的深度范圍內(nèi)自動調(diào)整播種深度。該系統(tǒng)根據(jù)水分將種子自動放置在濕度適宜的深度，確保均勻的種子發(fā)芽和作物生長。

2 播種控制技術

2.1 風機速度控制

依據(jù)種子類型和重量、播種量、作業(yè)幅寬、作業(yè)速度的不同，具體的風扇速度要在田間通過測試來決定。氣流過高會把種子吹出種溝，太低則種子會留在管內(nèi)造成堵塞，由于高的風量能保證連續(xù)作業(yè)精度，所以在滿足要求的情況下，風機速度應盡可能設置高。

國外的氣流輸送式播種機大多采用液壓馬達驅(qū)動，直接與拖拉機液壓系統(tǒng)相連，通過流量閥控制流過液壓馬達的流量進行調(diào)速。如Pronto DC系列播種機上的調(diào)速裝置和AirPower 2裝置，如圖5所示。

(a) Horsch的風機

(b) AirPower

為了適應高速作業(yè)，AirPower 2裝置采用了兩個獨立的大容量風機。目前國內(nèi)外針對風機的性能及結構的研究越來越多，學者們研究了仿真軟件對風機結構和性能的影響，并進行了相關試驗研究，2017年王欽明[40]利用FLUENT軟件對茶葉分選機進行流場分析并進行結構設計，得到茶葉顆粒的運動軌跡和影響因素。2018年戚冬達等[41]運用ANSYS Workbench軟件分析了混流式風機并進行數(shù)值模擬，確定了風機最佳結構參數(shù)。姜華等[42]以采用CFD方法研究了旋風機正反風性能的影響因素。但對播種機風機的研究未曾見到。

2.2 排種器驅(qū)動控制

大田作業(yè)播種機的排種器驅(qū)動方式主要包括地輪驅(qū)動、液壓(或氣壓)馬達驅(qū)動與電動伺服驅(qū)動。目前，電驅(qū)排種方式是國內(nèi)外研究的熱點，歐美等國已廣泛應用電驅(qū)排種器，國內(nèi)產(chǎn)品級電驅(qū)排種系統(tǒng)仍屬于起步階段。國外的氣流輸送式播種機，如Horsch、Kuhn、Kubota和Pottinger等均采用電驅(qū)排種方式，電機經(jīng)減速機直接與排種軸連接，通過電機的速度調(diào)節(jié)實現(xiàn)排種量調(diào)節(jié)，具有結構簡單、調(diào)速方便、易于實現(xiàn)自動化、控制精度高、故障診斷方便等很多優(yōu)點，如圖6所示。

圖6 Horsch的電驅(qū)排種裝置Fig. 6 Horsch’s electric drive seed-metering device

美國精密播種單體最新技術有vSet、DeltaForce、SmartFirmer、SmartDepth。vSet使用高真空設置和一個主動式分離器(singulator)，對不同形狀和大小的種子都能保證單粒。不需要更換排種盤、調(diào)節(jié)分離器(the singulator settings)以及調(diào)節(jié)真空強度。vSet中的平面圓盤與圓盤邊緣的分離器相結合，可以分離掉多余的種子。玉米和大豆的單粒精度超過99%，如圖7所示。

圖7 vSet排種器Fig. 7 vSet seed metering device

DeltaForce用液壓缸和一個向下的力傳感器來替代當前播種機上的彈簧或安全氣囊，力傳感器可以測量出限深輪上的壓力，液壓缸使限深輪的壓力保持一致。DeltaForce能確保所有的種子都是在最佳的向下壓力下播種下去的，并保持一致的深度。利用DeltaForce，可以消除土壤壓實造成的隱性產(chǎn)量損失，每行都能保證在規(guī)定的深度播種，如圖8所示。

圖8 DeltaForce排種器Fig. 8 DeltaForce seed metering device

SmartFirmer是一種種子加固傳感器(a seed-firmer sensor)，當每顆種子被播種到溝底時，傳感器就會測量溫度、濕度和犁溝里的殘留物，并在車載終端上顯示測量結果，可以了解種子所處的環(huán)境是否是良好狀態(tài)。種子發(fā)芽需要土壤中有足夠的水分。如果土壤沒有足夠的水分使種子發(fā)芽，就需要一場陣雨來獲得足夠的水分使種子發(fā)芽。SmartFirmer在駕駛室里測量和顯示土壤濕度，還可以實時顯示種植時的溫度。SmartFirmer可以識別出沿犁溝的任何不規(guī)則情況，比如土壤的土塊、空氣空間和從地表掉落的干土，這樣可以洞察到如何修正播種單元的性能并解決這些造成產(chǎn)量損失的問題。壟作作物殘茬對種子萌發(fā)和生長有不利影響，并能夠測量犁溝內(nèi)殘留的數(shù)量，并相應地調(diào)整排凈器，從而確保殘茬不會限制種子吸濕或傳播疾病，如圖9所示。

圖9 SmartFirmer排種器Fig. 9 SmartFirmer seed metering device

2.3 播種深度控制

播深控制可以分為被動和主動控制技術。被動控制技術利用限深輪對地面的仿形；主動控制技術主要利用電液控制系統(tǒng)通過力調(diào)節(jié)、位置調(diào)節(jié)或力位綜合調(diào)節(jié)控制開溝器下壓力，具有控制簡單、控制精度高、響應速度快等優(yōu)點。國外高端播種機大多配備有液壓或氣壓下壓控制裝置[43]，如圖10所示。

2.2.3 無菌消毒。痰液粘稠時可給與霧化吸入，霧化器在使用后立即清洗全套容器、管道、面罩，應使用滅菌注射用水沖洗干凈并晾干；自來水中存在細菌容易造成霧化器內(nèi)細菌的滋生。呼吸機管路、濕化罐、細菌過濾器等應定期更換，最長不超過1個月（28天），防止細菌污染。合理使用抗生素，每周2次留取痰標本送檢做培養(yǎng)，根據(jù)痰培養(yǎng)結果，選用敏感藥效的抗生素。病室環(huán)境每日用紫外線燈照射30 min消毒2次，采用濕式清掃每日晨晚護理時各1次，配置1 000 mg/L含氯消毒液擦拭床、床旁桌，使用75%擦拭呼吸機屏幕及監(jiān)護儀屏幕。每日定時更換無菌吸痰罐，每天更換一次性負壓引流袋，定期更換密閉式吸痰管（3天更換1次）。

傳統(tǒng)的播深調(diào)整主要是為了實現(xiàn)播深一致性，而忽略了土壤條件的影響。研究表明：土壤濕度對播種深度有重要影響，合適的播深有助于獲得更好的水肥條件。目前已有學者對變播深播種進行了相關研究。土壤濕度傳感器是播深控制系統(tǒng)的關鍵組件，F(xiàn)rederic Rene-Laforest等利用電容式土壤濕度傳感器來檢測土壤水分，使用LabVIEW開發(fā)了一個PI控制系統(tǒng)完成土壤水分與播深的線性映射，控制線性致動器動作實時調(diào)整深度，調(diào)整范圍為2.5～7.5 cm。John Fulton基于實時土壤濕度和結構開發(fā)了能自動調(diào)整深度的算法，土壤濕度由無線土壤濕度傳感器實時獲得，土壤結構圖利用電導率儀可以直接得到。

(a) 液壓控制系統(tǒng)(b) AirForce裝置

(c) TruSetTM技術

國內(nèi)的溫麗萍等基于PLC結合PID控制開發(fā)了電液比例控制系統(tǒng)來控制播深，播種速度在5 km/h時，動態(tài)誤差在15～25 mm；趙金輝等[44]設計的播深控制系統(tǒng)采用了液壓缸調(diào)節(jié)四連桿仿形機構，通過PLC控制器和脈寬調(diào)制技術控制電磁閥流量，實現(xiàn)開溝深度實時控制，在5 km/h速度條件下實驗，響應速度0.12 s，不同深度下的穩(wěn)定性系數(shù)均超過了90%。

2.4 播種量和播種行控制

由于氣流輸送式播種機一般采用的是集中排種系統(tǒng)，直線行進變量作業(yè)是容易實現(xiàn)的，而曲線行進變量作業(yè)時想要實現(xiàn)各行的種植密度均勻就很難，因為需要單獨控制每一行的播種量，根據(jù)速度變化的變量播種在歐美等高端農(nóng)機上都能實現(xiàn)?；谔幏綀D變量作業(yè)難點在于獲取精準的處方圖，國外的高端農(nóng)機上使用的終端很多具有執(zhí)行處方圖的能力，如expert 100終端，如圖11所示。

播種行控制裝置結構主要可以分為兩種：一種是和氣流分配器做成一個整體，如IDS(Intelligent Distribution System)系統(tǒng)，如圖12(a)所示，它可以通過總線系統(tǒng)控制所有播種行的開閉，在出種口有一個可以旋轉(zhuǎn)動作的擋板，水平時允許種子通過弧形管進入輸種管，當立起時擋住出種口，種子通過漏斗裝置重新返回氣流分配器；另一種是單獨做成多通路閥，如TCS 32電動閥，如圖12(b) 所示，它集成了光電對射管進行播種量計數(shù)，操作者能夠通過控制電動馬達的轉(zhuǎn)動來控制某行是否播種，禁止播種時種子通過另一條通路返回氣流分配器。

圖11 播種量控制Fig. 11 Seeding volume control

(a) IDS系統(tǒng)

(b) TCS 32電動閥

如圖13(a)所示，TRACK-Guide III終端可實現(xiàn)播種機在池塘等大型障礙物周圍、地頭、邊界處進行播種時，自動記錄下這些播種的區(qū)域，剩余的內(nèi)部區(qū)域以直線軌跡播種，當行進到已播種區(qū)域時自動關閉某些行的播種[45]，如圖13(b)所示；當遇到田間樹木等小的障礙物時，控制終端會提供一個曲線軌跡繞開障礙物的合理方案，如圖13(c)所示，該控制終端還可單獨控制排種器每一行的播種量，以保證種植密度均勻[46-47]。

需要說明的是，由于集中排種器無法精準控制每行播種量，涉及到曲線作業(yè)時，不可避免地造成各行種植密度有一定的差異。

(a) TRACK-Guide III終端

(b) 池塘周圍播種的局部控制

(c) 繞開樹木

3 制約因素

氣流輸送式播種機是大型化播種機發(fā)展的必然趨勢，傳感器技術、信息處理技術和智能化控制技術的飛速發(fā)展，有助于氣流輸送式播種機在我國推廣應用，但通過以上測控技術的介紹，還存在一些制約因素，在今后的研究中需要重點解決。

1) 排種器性能。排種器結構設計的合理性關系到播量的均勻性和播種質(zhì)量。氣流分配器是氣流輸送式播種機的關鍵部件，氣流種子混合體運動方向的改變，容易引起種子的機械損傷，從而影響種子的出芽率，如何保證各行的約束條件相同是個非常關鍵的問題，也是減少堵塞和漏播的關鍵因素。

2) 動力匹配性。國外的氣流輸送式播種機以大型為主，安裝有監(jiān)測系統(tǒng)，自動化程度較高，作業(yè)幅寬達到10 m以上，配套動力一般在100 kW以上，由于我國國情的特殊性，配套動力還不能很好地滿足大型機具的要求，因此推廣應用起來較難。

3) 傳感器自主研發(fā)力度。傳感器是實現(xiàn)氣流輸送播種機種子流量在線檢測，并且能夠?qū)崿F(xiàn)快速的漏播、堵塞檢測的有力工具，有助于提高作業(yè)質(zhì)量。精確的流量信息使用戶能夠了解種植密度分布、漏播指數(shù)、播種總量等信息，對后期精準管理、產(chǎn)量預測等有重要意義。加強國產(chǎn)傳感器的研發(fā)，發(fā)揮價格優(yōu)勢，保證播種作業(yè)質(zhì)量的同時，最大程度地降低國產(chǎn)產(chǎn)品的價格。

4 發(fā)展趨勢

大型、高速、高精度、智能化是播種機的發(fā)展方向。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對播種作業(yè)要求的提高，氣流輸送式播種機將逐漸成為播種機的主要類型。為提升我國氣流輸送式播種機測控技術水平，今后應著力發(fā)展以下技術。

1) 電驅(qū)動排種技術。電驅(qū)排種技術極大地提高了播種的速度和精度，其易于調(diào)速和控制精度高的特點是開發(fā)實用高速高精度作業(yè)氣流輸送式播種機的保障。國外知名農(nóng)機企業(yè)已廣泛應用電驅(qū)排種器，而國內(nèi)農(nóng)機企業(yè)仍然采用地輪驅(qū)動方式為主，限制了播種速度和播種精度的提升。國內(nèi)學者針對電驅(qū)排種技術已經(jīng)進行了大量的研究和實驗，在未來應繼續(xù)加強研究和應用推廣。

2) 播種流量檢測技術。歐美等發(fā)達國家的高端播種機上基本都配備了流量傳感器，而國內(nèi)的播種機一般并不配備流量或者堵漏傳感器。國內(nèi)關于堵漏和流量檢測技術的研究很多，但對氣流輸送式播種機的流量檢測技術研究很少，基本屬于空白。而且關于播種機流量檢測的精度和穩(wěn)定性還有待進一步提高。

3) 智能控制技術。智能控制技術是一種通用性技術，是各類農(nóng)業(yè)裝備實現(xiàn)智能化作業(yè)的共性關鍵技術，也是國內(nèi)外研究的熱點。目前，國外高端播種機控制器已實現(xiàn)了變量作業(yè)控制，國內(nèi)在這些方面還有很大的差距?？傮w上來說，我國播種作業(yè)的智能化水平還很低，仍需作進一步的研究以提高作業(yè)自主性。播種作業(yè)也會向精準變量作業(yè)的方向發(fā)展，基于處方圖、土壤結構圖與實時獲取的土壤濕度信息進行變密度變深度播種。隨著農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)的積累和相關人工智能技術的發(fā)展，獲取綜合各種因素的、高精度的處方圖將變得更加容易。隨著農(nóng)業(yè)經(jīng)營模式的不斷變化，我國播種機正由小型向大中型、聯(lián)合作業(yè)方向發(fā)展。