山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院 李潤(rùn)濤 宋成友 呂玉春 李永崗 張祥彩

引言

播種機(jī)在田間作業(yè)時(shí)由于地面不平整和機(jī)械振動(dòng)等因素導(dǎo)致播種過程中出現(xiàn)漏播現(xiàn)象，使得作物產(chǎn)量受到影響[1-4]。通過人工跟隨播種機(jī)進(jìn)行補(bǔ)種和出苗后補(bǔ)苗措施可以有效減少漏播對(duì)作物產(chǎn)量的影響，但人工補(bǔ)種補(bǔ)苗的方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力且效率低，補(bǔ)苗也會(huì)造成作物長(zhǎng)勢(shì)不均，影響作物的產(chǎn)量。因此在播種過程中進(jìn)行漏播補(bǔ)償尤為重要。

目前，對(duì)漏播補(bǔ)償技術(shù)開展了相關(guān)的研究。AI-YAMANI等[5]對(duì)漏播補(bǔ)償方法進(jìn)行研究，通過對(duì)種子進(jìn)行編碼排序，當(dāng)檢測(cè)到漏播時(shí)，將一粒新編碼的種子進(jìn)行補(bǔ)種。SINGH等[6]通過直流電機(jī)控制排種軸轉(zhuǎn)速，實(shí)施精準(zhǔn)的播種和補(bǔ)種。自動(dòng)化漏播補(bǔ)償方法主要有自補(bǔ)償方法和輔助補(bǔ)償方法，除自動(dòng)化補(bǔ)償方法外還有人工機(jī)械式補(bǔ)償方法。人工機(jī)械式補(bǔ)償方式僅適合小塊不規(guī)則的田間地塊，對(duì)于大型的農(nóng)場(chǎng)采用機(jī)械式人工補(bǔ)償方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力。因此，隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化漏播補(bǔ)償方法的研究和運(yùn)用將越來越廣泛。

本文主要敘述漏播補(bǔ)償方法的研究現(xiàn)狀，結(jié)合不同的補(bǔ)償方法分析不同補(bǔ)償裝置的工作原理存在的優(yōu)缺點(diǎn)。為漏播補(bǔ)償方法的系統(tǒng)研究提供參考。

1 自補(bǔ)償方法

自補(bǔ)償方法是將排種器作為一個(gè)補(bǔ)種裝置，當(dāng)檢測(cè)到排種器出現(xiàn)漏播時(shí)，通過提高排種軸轉(zhuǎn)速達(dá)到對(duì)空穴位置進(jìn)行補(bǔ)償。該方法不需要額外的增加補(bǔ)種裝置，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,但需要電機(jī)具有更加快速、穩(wěn)定的加速性能和更加精準(zhǔn)的控制算法，當(dāng)排種軸轉(zhuǎn)速過快時(shí)需要排種器具有較好的充種性能。

針對(duì)大籽粒作物排種過程中存在漏播問題，朱瑞祥等[7]提出了一種基于超越離合器的大籽粒漏播自補(bǔ)償方法。正常工作時(shí)地輪通過超越離合器b與排種軸連接，當(dāng)出現(xiàn)漏播時(shí)，步進(jìn)電機(jī)通過超越離合器a與排種軸連接，控制排種軸加速轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)快速補(bǔ)種。該方法可實(shí)現(xiàn)較高準(zhǔn)確率的補(bǔ)種。

針對(duì)玉米勺式排種器存在漏播問題，趙淑紅等[8]設(shè)計(jì)了一種變速補(bǔ)種系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過在偏離出種口20度的位置安裝光電傳感器，對(duì)排種器是否空穴漏播進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)出現(xiàn)空穴時(shí)控制系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)排種軸加速轉(zhuǎn)過空穴位置達(dá)到補(bǔ)種的目的。

石河子大學(xué)[9]發(fā)明了一種基于水平圓盤機(jī)械式玉米漏播補(bǔ)種裝置，該裝置通過三層水平圓盤將種子排到輸種傳送帶，當(dāng)檢測(cè)到漏播控制步進(jìn)電機(jī)加速轉(zhuǎn)動(dòng)，使輸種傳送帶后方正常V型齒槽中的種粒運(yùn)輸?shù)饺狈N位置，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)種功能。該方法結(jié)構(gòu)緊湊，補(bǔ)種裝置相對(duì)于排種器位置固定，使得補(bǔ)種更加精準(zhǔn)。

吳南[10]利用水平圓盤排種器進(jìn)行漏播自補(bǔ)償性能試驗(yàn)，通過在排種軸轉(zhuǎn)速在15～120r/min的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)得出通過自補(bǔ)償方法能實(shí)現(xiàn)漏播補(bǔ)種，但隨著排種軸速度增加，補(bǔ)種性能就會(huì)下降。

在高速運(yùn)行情況下利用漏播自補(bǔ)償法進(jìn)行補(bǔ)償需要排種器具有較高的充種性能和控制算法具有較高的控制精度，并且當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)的漏播情況時(shí)，會(huì)出現(xiàn)補(bǔ)種不及時(shí)的問題。因此利用自補(bǔ)種方法進(jìn)行漏播補(bǔ)種還需要進(jìn)一步的探索。

2 輔助補(bǔ)償方法

輔助補(bǔ)償方法是通過外加一個(gè)輔助的補(bǔ)種裝置進(jìn)行漏播補(bǔ)償。當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到漏播情況時(shí)，通過控制補(bǔ)種裝置進(jìn)行補(bǔ)種。因?yàn)檠a(bǔ)種裝置相對(duì)于排種器是獨(dú)立的裝置，因此需要合理的設(shè)計(jì)補(bǔ)種裝置的位置和精確的補(bǔ)種控制算法才能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)補(bǔ)種。補(bǔ)種裝置主要通過增加副排種盤、增加副排種器或者設(shè)計(jì)新型的補(bǔ)種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)種。

2.1 增加副排種盤方式

接志波[11]、龔麗農(nóng)[12]等運(yùn)用光電傳感器檢測(cè)漏播情況，當(dāng)檢測(cè)漏播發(fā)生時(shí)，通過打開副排種口處的擋板使得種子從副排種窩眼排出實(shí)現(xiàn)補(bǔ)種。石兵[13]等通過增加輔助排種盤的方法實(shí)現(xiàn)了漏播補(bǔ)種。當(dāng)出現(xiàn)漏播時(shí)控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)輔助排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)種。

2.2 增加副排種器方式

針對(duì)精密排種器存在漏播問題，李士軍[14]等采用主排種器和副排種器并排的方式，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)檢測(cè)到漏播時(shí)，步進(jìn)電機(jī)控制副排種器轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)擋種板打開實(shí)現(xiàn)補(bǔ)種。陳剛等[15]在主排種器下方安裝補(bǔ)種裝置，當(dāng)漏播發(fā)生時(shí)，補(bǔ)種裝置打開補(bǔ)種管下方電磁閥，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)補(bǔ)種軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶出種子實(shí)現(xiàn)補(bǔ)種。為解決花生播種過程中存在漏播問題，聶秀展等[16]在主排種器后方安裝了一個(gè)副排種器；控制器以STM32為中央處理單元，當(dāng)檢測(cè)到主排種器存在漏播時(shí)，控制單元控制副排種器轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)種。李甜[17]利用PLC控制技術(shù)，同樣在主排種器后方增加了一個(gè)副排種，其控制原理與聶秀展類似，均是通過副排種器進(jìn)行補(bǔ)種。主副排種器主要呈現(xiàn)上下、左右和前后的排布方式，系統(tǒng)檢測(cè)到主排種器存在漏播時(shí)，通過測(cè)量播種機(jī)前進(jìn)速度以及更加不同排布方式計(jì)算出補(bǔ)種速率，通過控制副排種器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)（步進(jìn)電機(jī)或電磁閥等）實(shí)施精準(zhǔn)的補(bǔ)種。

2.3 設(shè)計(jì)新型補(bǔ)種結(jié)構(gòu)

針對(duì)油菜籽氣力式精量排種產(chǎn)生漏播問題，丁幼春[18]等設(shè)計(jì)了螺管式補(bǔ)種器，并建立工作轉(zhuǎn)速與漏播系數(shù)的關(guān)系模型；螺管的轉(zhuǎn)動(dòng)引導(dǎo)油菜籽粒進(jìn)入端蓋內(nèi)腔，內(nèi)腔中的籽粒隨著孔擋板A的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)入到滾筒的螺管內(nèi)，由于重力作用種子移動(dòng)到孔擋板B，并隨著孔擋板B轉(zhuǎn)動(dòng)到投種區(qū)，重力和離心力作用完成投種。該補(bǔ)種機(jī)構(gòu)針對(duì)流動(dòng)性較好的圓形油菜籽粒具有很好的補(bǔ)種性能，但籽粒較為濕潤(rùn)時(shí)，流動(dòng)性不好，易造成堵種的現(xiàn)象。

3 人工機(jī)械式補(bǔ)償法

漏播自補(bǔ)償和輔助補(bǔ)償裝置是裝配有檢測(cè)裝置，檢測(cè)到漏播時(shí)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)自動(dòng)的實(shí)現(xiàn)補(bǔ)種，常運(yùn)用在自動(dòng)播種機(jī)上。除此之外，大型播種機(jī)無法進(jìn)入實(shí)施播種，因此需要人工進(jìn)行播種和補(bǔ)種操作。

為減少小麥補(bǔ)種的人力，施立安[19]等發(fā)明一種施水、施肥和補(bǔ)種一體的小麥補(bǔ)種裝置；當(dāng)把手向上提升時(shí)，種子從把手細(xì)桿出排出，水和藥水也同時(shí)從出水和出藥孔流出，當(dāng)把手提升到極限位置時(shí)限位珠嵌入阻擋板內(nèi)防止繼續(xù)提升，此時(shí)水、藥和種子從出口處排出，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)種、排水和排藥的功能。

采用手動(dòng)機(jī)械式的補(bǔ)種方式，適用于小規(guī)模、小地塊的種植方式。隨著傳感器檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，漏播補(bǔ)種技術(shù)將向著自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展。

4 存在問題

漏播補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展使得漏播問題得到了極大的改善，降低了勞動(dòng)力需求，使得作物產(chǎn)量得到了提升。但目前仍然存在一些問題。

（1）漏播自補(bǔ)償方法問題。自補(bǔ)償方法需要排種器自身具有良好的充種性能，隨著排種軸速度的增大，出現(xiàn)漏播時(shí)需要排種軸提供更加快速的轉(zhuǎn)速，來達(dá)到補(bǔ)償空穴的目的；但在高速情況下需要更加大功率的電機(jī)才能實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)速，并且在高速狀態(tài)下排種器的磨損和充種性能有所下降。

（2）漏播輔助補(bǔ)償方法問題。漏播輔助補(bǔ)償方式主排種裝置和副排種裝置相對(duì)獨(dú)立，精確的補(bǔ)種需要主副補(bǔ)種裝置的良好配合。針對(duì)不同間距補(bǔ)種時(shí)使用之前的控制代碼并不能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的補(bǔ)種。因此需要設(shè)置有輸入?yún)?shù)對(duì)不同農(nóng)藝要求的補(bǔ)種進(jìn)行修訂。

（3）連續(xù)漏播問題。對(duì)漏播自補(bǔ)償方法和漏播輔助補(bǔ)償方法而言，當(dāng)主排種器出現(xiàn)連續(xù)多位漏播時(shí)，補(bǔ)種效果不佳，且副排種盤和排種器在補(bǔ)種過程中也不能保證絕對(duì)的充種，也可能出現(xiàn)漏種空穴的問題。

5 展望

（1）漏播檢測(cè)技術(shù)。漏播補(bǔ)償方法與漏播檢測(cè)方法是相互促進(jìn)的，更加穩(wěn)定、及時(shí)精準(zhǔn)的檢測(cè)到漏播情況，才能準(zhǔn)確地發(fā)揮漏播補(bǔ)償裝置的作用。因此，漏播補(bǔ)償技術(shù)離不開傳感器檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，但目前國(guó)內(nèi)傳感器的檢測(cè)精度和適應(yīng)性還處于發(fā)展階段，還需要進(jìn)一步的提升和加強(qiáng)。

（2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)?？焖倬珳?zhǔn)的執(zhí)行補(bǔ)種動(dòng)作，需要電機(jī)在短時(shí)間內(nèi)加速到指定的轉(zhuǎn)速，這不僅需要電機(jī)有更優(yōu)的性能，還需要更優(yōu)的控制方法。未來應(yīng)加強(qiáng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制技術(shù)的研究、應(yīng)用和推廣。

（3）智能控制技術(shù)。隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，播種更加智能化和自動(dòng)化。播種軸轉(zhuǎn)速需要根據(jù)土壤營(yíng)養(yǎng)條件以及其他影響作物生長(zhǎng)的因素進(jìn)行分析后控制轉(zhuǎn)動(dòng)，因此對(duì)于補(bǔ)種裝置而言，在播種智能化、自動(dòng)化發(fā)展的同時(shí)也需要補(bǔ)種裝置趨于自動(dòng)化和智能化，才能滿足精準(zhǔn)補(bǔ)種的要求。