李潤濤，王憲良，姚艷春，魏忠彩，周華，張祥彩

(山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東淄博，255000)

0 引言

播種是糧食生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，播種質(zhì)量的好壞直接影響糧食的產(chǎn)量。均勻播種有助于作物充分利用陽光，促進(jìn)作物均勻生長；同時，均勻生長作物的覆蓋將減少土層表面的光照，進(jìn)而抑制雜草的生長。但根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)每年的漏播土地面積與日本耕作面積相近[1]，因此，如何提高播種質(zhì)量成為當(dāng)前研究熱點。通過優(yōu)化排種器結(jié)構(gòu)提高排種性能可達(dá)到減少漏播重播等問題，但研發(fā)周期較長，且不能絕對避免漏播和重播等問題。排種過程中出現(xiàn)漏播和排種不均的現(xiàn)象，主要是由排種器穴位缺種以及地輪打滑引發(fā)排種器短暫停轉(zhuǎn)造成的。排種檢測裝置可以對排種過程進(jìn)行實時監(jiān)測，當(dāng)出現(xiàn)漏播情況時通過補(bǔ)種機(jī)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)種，從而降低損失。變量播種技術(shù)解決了地輪打滑造成的排種不均問題[2]，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[3]。

播種機(jī)智能檢測是使用傳感器對播種機(jī)的排種質(zhì)量和運行狀態(tài)進(jìn)行實時檢測。目前，排種檢測主要應(yīng)用光電、電容、壓電和視覺傳感器等[4]；變量播種技術(shù)通過傳感器檢測出機(jī)具前進(jìn)速度，結(jié)合處方圖推算出排種器的轉(zhuǎn)速大小，實現(xiàn)變量播種。隨著農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)的發(fā)展，播種作業(yè)更加注重高效率、高質(zhì)量和低損耗；漏播檢測技術(shù)與補(bǔ)種裝置的結(jié)合提高了播種質(zhì)量和作業(yè)效率，變量播種技術(shù)與GIS處方圖結(jié)合并根據(jù)土壤條件進(jìn)行變量作業(yè)，有效節(jié)約種子，提高排種質(zhì)量。

本文主要分析智能播種檢測裝備的研究現(xiàn)狀，結(jié)合不同的檢測方法，分析各檢測方法所用傳感器的結(jié)構(gòu)特點和功能原理，總結(jié)不同傳感器在實際應(yīng)用中存在的不足，針對不同傳感器歸納其優(yōu)缺點和使用范圍，為播種機(jī)智能檢測技術(shù)的進(jìn)一步研究提供依據(jù)。

1 播種檢測技術(shù)

播種檢測數(shù)據(jù)的精確度對于播種質(zhì)量的提高尤為重要，精確地檢測數(shù)據(jù)可以使播種機(jī)執(zhí)行更精準(zhǔn)的動作。播種檢測主要包括料位檢測以及播種過程中的漏播檢測。

1.1 種箱料位檢測

種箱料位的檢測是使用檢測裝置實時檢測種箱種量，當(dāng)檢測到種箱排空時通過警報信息提醒操作人員進(jìn)行填種，及時遏制漏播現(xiàn)象；通過種箱料位檢測反饋的信息可以獲取單位面積土地所需種量，為下一年的土地播種量提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)。研究者針對料位的檢測進(jìn)行了大量的研究，趙明巖[5]運用Comsol Multiphysics軟件對矩形和圓環(huán)形兩種電容電極進(jìn)行仿真分析，得出使用矩形電極作為料位傳感器時與料位高度的相關(guān)性最高，其檢測誤差率小于6%。田雅楠[6]以STC89C52單片機(jī)為核心研制了一種基于電容法的肥箱料位傳感器檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過料位變化引起電容量的變化來檢測料位，經(jīng)過程序分析計算后將測量料位顯示在數(shù)碼管上，經(jīng)田間試驗得檢測相對誤差為2.19%。采用電容傳感器檢測料位受溫度和物料濕度影響較大，當(dāng)更換物料時對應(yīng)的檢測結(jié)果將發(fā)生改變，所以電容傳感器檢測料位較適用于物料比較單一的情況下進(jìn)行檢測；因此，黃操軍等[7]在種箱內(nèi)均勻安裝了16個紅外發(fā)射接收傳感器，通過循環(huán)檢測16個紅外傳感器，當(dāng)料位下降時以紅外傳感器是否被遮擋作為標(biāo)識來檢測料位高度，其檢測誤差小于5.5%。采用紅外傳感器檢測法具有工作穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢，但當(dāng)物料不平整時檢測誤差較大，所以采用光電傳感器只能粗略估計種箱料位的大小。

針對使用光電和電容傳感器對料位進(jìn)行檢測存在上述問題，Bergeijk等[8]使用動態(tài)稱量的方法進(jìn)行料位檢測，將動態(tài)稱量的數(shù)據(jù)與地理位置信息結(jié)合，以確定空間施肥量的大小，起到了實時檢測料位的作用，其檢測誤差低于5%。采用動態(tài)稱量的方法可較精確地獲取到物料量，但在田間實際運行中存在路面不平整導(dǎo)致播種機(jī)存在傾斜會使得檢測不準(zhǔn)確。針對物料表面不平整時檢測誤差較大，劉時亮[9]運用超聲波測距的原理對固體物料的料位進(jìn)行檢測，將多個超聲波探頭組成陣列，安裝在容器頂部，通過超聲波探頭反饋的數(shù)據(jù)，計算出箱體中物料的平均料位。運用多個超聲波或者雷達(dá)[10-11]傳感器對料位進(jìn)行檢測可以達(dá)到較高的檢測精度，但檢測物體與檢測探頭較近時，響應(yīng)時間極短，此時測量誤差較大。針對這一問題，Crider[12]設(shè)計了一種具有超聲波傳感器和電容接近開關(guān)傳感器的物料檢測傳感器，當(dāng)距離較小時應(yīng)用電容傳感器對物料的料位進(jìn)行檢測，當(dāng)距離較大時應(yīng)用超聲波傳感器進(jìn)行檢測，有效解決了使用單個傳感器檢測料位存在的不足。綜上分析，采用動態(tài)稱量法以及多傳感器檢測的方法對料箱進(jìn)行檢測可以排除物料不平整等造成的誤差，以及光電傳感器和電容傳感器在料位檢測中存在檢測精度不高等問題；但在丘陵山區(qū)以及傾斜地塊作業(yè)時存在其他方向的分力，使得動態(tài)稱量法存在較大檢測誤差，可考慮使用多維力傳感器設(shè)計稱量裝置，提高檢測精度。

在高溫等特殊環(huán)境下應(yīng)用電子傳感器并不能滿足要求，因此在料位檢測的研究中，陶孫杰等[13]為解決特殊環(huán)境的物料檢測難題，運用重錘探測機(jī)械式傳感器與單片機(jī)組成的智能化料位檢測系統(tǒng)。現(xiàn)有的料位檢測裝置可以達(dá)到有效地檢測，但檢測精度仍需進(jìn)一步提高；隨著播種機(jī)智能化的發(fā)展，在大田作業(yè)中將播量預(yù)測與路徑規(guī)劃結(jié)合，通過對料位的檢測判斷最佳填料地點，避免在作業(yè)中段處出現(xiàn)排空現(xiàn)象，減少對土地的二次碾壓。

1.2 漏播檢測

排種器在田間工作過程中，由于機(jī)械振動、排種器磨損導(dǎo)致精度降低等問題，不可避免地導(dǎo)致播種作業(yè)漏播和重播，進(jìn)而影響播種質(zhì)量，降低產(chǎn)量。隨著計算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，研究人員針對排種過程中出現(xiàn)的漏播和重播問題做了廣泛的研究，衍生出了多種檢測方法，主要有光電檢測法、電容檢測法、壓電檢測法以及機(jī)器視覺檢測法。由于光電傳感器和電容傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等優(yōu)勢，目前光電和電容檢測法運用較多。

1.2.1 光電檢測法

光電檢測法是目前使用較為廣泛的檢測方法之一。該方法使用的光電傳感器由發(fā)射端和接收端組成，當(dāng)種子下落時遮擋住發(fā)射端發(fā)射的光線使得接收端的光照強(qiáng)度發(fā)聲改變，引起電信號發(fā)生相應(yīng)的改變，再將變化的電信號傳送到處理器進(jìn)行相應(yīng)的邏輯判斷，得出是否漏播和重播等問題。研究人員主要從傳感器的布置、信號處理和邏輯分析方法以及傳感器抗塵機(jī)構(gòu)的設(shè)計3方面進(jìn)行研究，具體如下。

傳統(tǒng)的光電檢測裝置是單個傳感器按照對置的方式排布，如Garcia等[14]基于紅外光電傳感器研制了排種檢測系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生堵塞時，通過故障燈提示操作者，但當(dāng)所檢測顆粒較小時會存在檢測盲區(qū)。因此，戈天劍、鄭雯璐、劉坤等通過在導(dǎo)種管內(nèi)并列或者交叉安裝多個光電傳感器，使得檢測系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠且實現(xiàn)了無盲區(qū)檢測，平均檢測精度高于96%。同時，王在滿等[15]采用面源式光電傳感器環(huán)形布置方式獲取稻種在排種管中的運動信息，經(jīng)臺架試驗表明，平均檢測誤差低于7.99%。通過優(yōu)化光電傳感器排布，可實現(xiàn)無盲區(qū)檢測，提高檢測精度；但由于播種機(jī)工作在高塵、高振環(huán)境中，導(dǎo)致光電傳感器易受到外界的污染和干擾；因此需要設(shè)計防塵裝置以及提升檢測電路的抗干擾能力。

光電傳感器在檢測時，傳感器檢測得到的電信號并不是規(guī)律變化的，其中包含著外界因素引起的干擾信號，因此需要將信號進(jìn)行相應(yīng)處理后進(jìn)行分析，從而降低誤判的概率。目前電信號的處理主要包括信號濾波、信號放大以及A/D轉(zhuǎn)換等操作[16]，處理后將信號傳給處理器進(jìn)行分析。為提高檢測精度，馮全等[17]基于紅外光電傳感器，將檢測電路中種子產(chǎn)生的脈沖信號與背景信號分離，分別按照不同的倍數(shù)進(jìn)行放大后再合成一個信號，從而提高小顆粒種子的檢測精度。譙睿等[18]設(shè)計了一種雙層對射式激光傳感器監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用加法電路作為落種信號檢測電路，利用窩眼滾筒側(cè)面圓周整列的磁鐵片與霍爾傳感器產(chǎn)生霍爾脈沖信號，處理芯片將脈沖信號轉(zhuǎn)換為株距，通過株距對比判斷是否漏播重播；試驗表明，對于單粒排種其檢測準(zhǔn)確率為99.967%。研究者基于光電檢測原理對電信號處理方法以及邏輯分析方法進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，提高了光電傳感器檢測裝置檢測精度。

由于檢測裝置工作在高塵環(huán)境中，暴露在灰塵中的檢測裝置容易受到污染，影響光電傳感器的檢測。因此，研究人員在傳感器抗塵方面做了相應(yīng)的研究。孫永佳等[19]在硅光二極管外安裝了透明的玻璃外殼，使得感光器件與種子不直接接觸，減少灰塵的堆積和鏡面的劃傷，起到一定的抗塵作用，通過試驗得出檢測誤差低于4%。紀(jì)超[20]、宋鵬[21]為提高探頭的除塵能力，設(shè)計了一種自清潔除塵裝置，該裝置使得探頭與外界隔開，具有清潔表面灰塵的功能，該裝置可達(dá)到95.1%的漏播檢測精度。光電傳感器檢測裝置經(jīng)過信號處理方法的改進(jìn)、傳感器位置的優(yōu)化以及除塵機(jī)構(gòu)的設(shè)計可有效提高檢測精度，但光電傳感器的發(fā)射端其使用壽命有限。

1.2.2 電容檢測法

電容檢測法是利用物體通過電容傳感器極板之間時介電常數(shù)發(fā)生變動的原理對排種進(jìn)行檢測，電容檢測具有可靠性強(qiáng)、抗污染能力強(qiáng)的優(yōu)勢，但電容傳感器具有輸出阻抗大以及易受寄生電容影響的缺點。研究人員主要對極板設(shè)計、信號處理和檢測算法等進(jìn)行優(yōu)化研究。

在以往電容傳感器的設(shè)計使用中，常采用平行的兩塊極板進(jìn)行檢測，如范作憲等[22]以FPGA為核心設(shè)計了同面電極電容檢測系統(tǒng)，但只能測量出微小電容。為研究不同形狀極板對電容檢測的效果，田雷等設(shè)計了對置式、E型和三極板差動式傳感器(圖1)，并通過試驗驗證了E型極板的檢測效果更佳，其漏播檢測準(zhǔn)確率為82.9%。為進(jìn)一步優(yōu)化檢測效果，田雷等[23]利用ANSYS對3種極板進(jìn)行仿真分析，得出4塊E型極板進(jìn)行檢測時效果更佳，并進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化，優(yōu)化后漏播檢測精度98.9%。Noltingk等[24]設(shè)計了一種環(huán)形電容傳感器，其檢測靈敏度比對置式的傳感器更佳。研究者們基于不同極板的電容傳感器檢測效果不同，對極板進(jìn)行設(shè)計和對比分析，有效解決了電容傳感器輸出阻抗大的問題，提升了傳感器工作穩(wěn)定性。

(a) E形交叉式極板

(b) 極板對置式

(c) 極板差動式圖1 電容傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Capacitive sensor structure diagram

信號處理電路將電容傳感器采集的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，經(jīng)過相應(yīng)的邏輯分析得到檢測結(jié)果。周利明等[25]使用Max038芯片和環(huán)形銅制電極板對小麥籽粒排種過程進(jìn)行漏播、重播以及堵塞檢測，試驗得出檢測誤差低于2.2%。為改善玉米播種機(jī)排種性能監(jiān)測可靠性，周利明等[26]利用電容轉(zhuǎn)換芯片MS3110和AD7685設(shè)計了高精度電容檢測電路，采用電容脈沖積分算法檢測出玉米排種器的排種量和漏播量，其檢測精度為97.3%。為獲取更高的采樣速度和精度，周利明[27]采用PCA01搭建檢測系統(tǒng)，通過脈沖峰值尋找的算法對運動籽粒進(jìn)行檢測，實現(xiàn)了播種間距、漏播重播的檢測。許鍵佳等[28]基于PCAP02的電容檢測系統(tǒng)，利用芯片內(nèi)置的溫度傳感器對外界溫度進(jìn)行補(bǔ)償，解決了電容傳感器受溫度和寄生電容影響的問題。綜上分析，極板形狀和檢測電路優(yōu)化解決了輸出阻抗大和存在寄生電容等問題，提升了檢測精度和工作穩(wěn)定性，但電容傳感器由于自身阻抗較大，很難對大籽粒種子進(jìn)行精確檢測，限制了其運用范圍。隨著材料技術(shù)和集成電路的快速發(fā)展，電容式傳感器將逐漸解決自身問題，充分發(fā)揮其靈敏度高、溫度穩(wěn)定性好等優(yōu)點。

1.2.3 壓電檢測法

壓電檢測法是將壓電感應(yīng)傳感器置于種管內(nèi)部，下落的種子落在壓電傳感器上產(chǎn)生壓力，壓力使得傳感器發(fā)送形變從而將壓力值轉(zhuǎn)換為電信號，電信號經(jīng)過電路轉(zhuǎn)換為脈沖信號，通過邏輯算法對脈沖信號進(jìn)行分析獲得排種信息。壓電傳感器在排種檢測中，種子與壓電傳感器需進(jìn)行接觸，將改變種子的運行軌跡且容易造成堵塞；因此，針對自然落種的排種器很少使用壓電原理進(jìn)行排種檢測，而多應(yīng)用于氣力式精量播種器中。

為保證復(fù)雜惡劣環(huán)境下實時自動檢測排種情況，黃東巖等[29]利用PVDF(聚偏二氟乙烯)壓電傳感器實時對單粒種子流狀態(tài)轉(zhuǎn)換為脈沖信號，實現(xiàn)排種檢測，其檢測精度高于89.7%。在國外，Hisaeda等[30]利用壓電聲電傳感器對單粒排種器進(jìn)行檢測，通過惠思登電橋和比較放大器進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，結(jié)合單片機(jī)算法邏輯判斷排種器是否漏播和重播，對應(yīng)的漏播檢測誤差低于5.2%。Hoberge等[31]開發(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檢測整個種子流，軟管壓電傳感器可以檢測每個軟管中的堵塞情況，為了使得多粒種子在撞擊傳感器被檢測到，在整個撞擊區(qū)域排布了多個傳感器。

在國內(nèi)，趙博等[32]設(shè)計了一種基于陶瓷的弧形陣列式流量傳感器(圖2)，對感應(yīng)單元的布局和傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計了信號處理電路和脈沖計數(shù)電路，實現(xiàn)了對排種過程的檢測，通過試驗得出該傳感器的漏播檢測誤差低于5%。丁幼春等[33]設(shè)計了沉槽基板—壓電薄膜感應(yīng)結(jié)構(gòu)，降低了碰撞信號縮減時間，對高頻種子流也能起到很好地檢測，其檢測準(zhǔn)確率高于99.1%。綜上分析，研究者們主要對壓電傳感器材料、傳感器在檢測裝置中的分布以及處理電路和邏輯分析方法進(jìn)行改進(jìn)，有效地解決了種子擁堵、傳感器響應(yīng)頻率低等問題，提高了檢測性能。在大籽粒種子運動過程中慣性較大、在與壓電傳感器多次碰撞后造成變形等問題，從而影響檢測精度，因此針對大籽粒種子需要設(shè)計更加耐撞的壓電傳感器。

圖2 陶瓷壓電傳感器實物圖Fig. 2 Ceramic piezoelectric sensor structure and physical map

1.2.4 機(jī)器視覺檢測法

機(jī)器視覺檢測法是利用攝像機(jī)采集排種過程中種粒的圖像信息，通過對圖像進(jìn)行處理獲取相應(yīng)位置或數(shù)量信息，判斷是否漏播或重播。目前，對于機(jī)器視覺檢測的研究主要是設(shè)計排種試驗臺在實驗室中進(jìn)行研究，而在實際播種檢測中的應(yīng)用較少。如劉立晶等設(shè)計的多功能排種檢測試驗臺，通過傳送帶模擬播種機(jī)在田間運動，通過攝像頭拍攝膠帶上的種子，并對圖片進(jìn)行處理計算出粒距等信息得出漏播指數(shù)和重播指數(shù)，得到人工法和機(jī)器視覺檢測法相對誤差低于0.7%。吳澤全等基于機(jī)器視覺和自動控制技術(shù)，設(shè)計了排種檢測試驗臺，對采集的圖片進(jìn)行圖像拼接、閾值分割等操作獲得種子的邊緣輪廓特征，通過特征得到種子間粒距，進(jìn)而分析排種性能。Li等[34]通過設(shè)計基于圖像處理的小麥精密播種試驗平臺優(yōu)化和改進(jìn)排種器性能，高速攝像機(jī)拍攝落到傳送帶上的種子，通過一系列圖像處理方法得到排種器的合格率、重播率以及漏播率。試驗臺的研制使得研究機(jī)器視覺方法對排種過程檢測更加便捷，且降低了研究成本、縮短了研發(fā)周期，但當(dāng)傳送帶速度較快時種子彈跳加大，其檢測誤差也隨之增大，加大了研究難度。

利用機(jī)器視覺對排種檢測的研究側(cè)重于算法的優(yōu)化和創(chuàng)新。在國外研究者們通過檢測種子排種均勻度判斷是否存在漏播等問題，如Yazgi等[35]利用計算機(jī)視覺技術(shù)研究了排種過程中種子的運動軌跡及其均勻性，為排種器的工作參數(shù)優(yōu)化提供了可靠依據(jù)。Navid等[36]利用相機(jī)對種子下落過程進(jìn)行記錄，在計算機(jī)上結(jié)合Matlab軟件對圖像進(jìn)行分析，獲得相應(yīng)的播種量、種子均勻度、漏播率和重播率等參數(shù)。在國內(nèi)，蔡曉華等[37]采用圖像處理技術(shù)實現(xiàn)了實時測量種子間的粒距，提出了一種預(yù)處理動態(tài)閾值方法，通過選取最佳閾值和種子分布樣本進(jìn)行種子識別和距離測量。陳進(jìn)等[38]運用圖像處理技術(shù)對排種器性能進(jìn)行檢測，對獲得的圖像進(jìn)行數(shù)字化處理，得到種子的特征信息，根據(jù)種子投影面積大小確定播種精度和均勻度，根據(jù)投影面積大小判斷是否碎種、漏播和重播，試驗結(jié)果表明機(jī)器視覺檢測與人工檢測相對誤差小于1%。為快速準(zhǔn)確地測量播種機(jī)的性能，張海娜等[39]提出了一種基于機(jī)器視覺的性能檢測方法，該方法將采集的圖片經(jīng)過大津法二值化分割圖像后，進(jìn)行一系列圖像處理，得出種子陣列寬度、種子陣列間距、陣列中心、非種子間隔的坐標(biāo)信息，基于這些信息計算出播種機(jī)的播種性能。王安等[40]根據(jù)種子單個聯(lián)通區(qū)域與種子數(shù)目關(guān)系，闡述了一種基于該變形狀因子的秧盤缽體質(zhì)量檢測法，實現(xiàn)了對水稻育苗過程中每個穴位種子的精確檢測，其準(zhǔn)確率高于95%。綜上分析，運用機(jī)器視覺方法檢測排種過程的均勻度、種子間距和投影面積等可實現(xiàn)較高精度的漏播和重播檢測，但隨著播種機(jī)速度提升，需要處理器具有更高的運算速度和存儲空間，因此檢測裝置的功耗也隨之提高；這使得檢測裝置在運用于田間試驗時需要提供額外的電源，提升了檢測成本。播種機(jī)在高塵環(huán)境中作業(yè)時塵土附著在攝像頭上，對檢測帶來很大的誤差；因此在實際的播種作業(yè)中運用較少。但機(jī)器視覺檢測方法具有高效準(zhǔn)確的檢測精度，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和機(jī)器視覺技術(shù)的創(chuàng)新，未來在播種機(jī)上的運用會越來越廣泛。

2 地下種子非接觸檢測

地下種子非接觸檢測是運用特殊的方法和設(shè)備對已經(jīng)播種覆土的種子進(jìn)行檢測，從而判定最終的播種情況，為后期的補(bǔ)種和產(chǎn)量預(yù)估提供數(shù)據(jù)。采用光電檢測、電容檢測和機(jī)器視覺檢測等可以對漏播和重播進(jìn)行實時的檢測，當(dāng)出現(xiàn)漏播時，利用補(bǔ)種裝置進(jìn)行及時的補(bǔ)種，但是否能有效地補(bǔ)種存在未知性，通過地下檢測可以對最終的播種情況進(jìn)行檢測，并采用后期的補(bǔ)種來降低損失，但目前對于地下檢測的研究較少。馮娟等為驗證精密播種機(jī)播種均勻性，提出了一種基于電磁感應(yīng)原理的檢測方法，使用鐵氧體粉末對待檢測玉米進(jìn)行包裹，通過激勵線圈產(chǎn)生的一次磁場作用于包衣后的玉米便會產(chǎn)生二次磁場，通過檢測線圈感應(yīng)二次磁場的方式檢測種子的位置，能實現(xiàn)對地下玉米種粒的檢測效果，但鐵氧體粉末會對土壤造成一定程度的污染，因此需要研究更加環(huán)保的檢測方法。針對這個問題，Lu等[41]提出了一種利用超聲波的無損傷檢測方法，首先利用超聲波能量源分析農(nóng)田土壤的聲場分布特征，根據(jù)有無種子所反饋的總能量大小判斷該位置是否缺種；但針對土壤環(huán)境較為復(fù)雜，存在石粒或者大小不一的秸稈環(huán)境中使用超聲波無損傷檢測方法進(jìn)行排種檢測存在誤差。目前地下種子非接觸檢測還不完善，還處于一個探索期，需進(jìn)一步對種子特性以及檢測方法等進(jìn)行研究，該方向存在較大發(fā)展前景。

3 變量播種技術(shù)

目前播種機(jī)的排種動力大部分是由地輪通過傳動系統(tǒng)提供，通過改變傳動系統(tǒng)傳動比實現(xiàn)株距的改變，但由于地表秸稈以及土壤濕度較大使得地輪帶動排種器工作存在打滑問題，造成漏播現(xiàn)象的產(chǎn)生；地輪出現(xiàn)不定期的打滑會使得株距不均勻，影響作物的生長。因此，國內(nèi)外研究人員研究電機(jī)驅(qū)動排種器的方式實現(xiàn)了變量播種和變量補(bǔ)種，通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速可以很方便地調(diào)節(jié)株距、排種量等參數(shù)。

3.1 變量播種控制技術(shù)

在變量播種控制技術(shù)中的因變量為排種器轉(zhuǎn)速，自變量可以是播種機(jī)轉(zhuǎn)速、農(nóng)藝要求、排種量大小或者GIS處方圖等；通過自變量大小動態(tài)的調(diào)節(jié)因變量大小，實現(xiàn)變量播種。李正義等利用旋轉(zhuǎn)編碼器測量播種機(jī)前進(jìn)速度，PLC讀取到編碼器的脈沖信號后根據(jù)農(nóng)藝要求控制排種器轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)了排種器變量播種。針對排種器工作過程中存在播量誤差，雷聲媛等通過電容傳感器檢測實時的播種量，通過與設(shè)定的播種量進(jìn)行比較來調(diào)節(jié)外槽輪的轉(zhuǎn)速，從而控制播種量。為滿足大田作業(yè)中各排種單體實現(xiàn)變量播種，丁友強(qiáng)等[42]為實現(xiàn)對每個播種單體的獨立控制，搭建了基于STM32F103的單體驅(qū)動器硬件和軟件架構(gòu)，實現(xiàn)了平滑驅(qū)動和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)等功能。在大田作業(yè)中，每個耕作區(qū)域的肥效以及光照時間等是不同的，為充分利用種子需要變量播種和變量施肥來達(dá)到土地的最佳使用效率；借助GPS和GIS得到播種機(jī)所在區(qū)域的播種決策GIS電子地圖，根據(jù)電子地圖得到區(qū)域的播種量信息，再通過播種機(jī)的控制機(jī)構(gòu)執(zhí)行變量播種[43]，提高了土地使用效率，節(jié)約了種子和肥料。綜上分析，變量播種的準(zhǔn)確性與速度檢測準(zhǔn)確性和控制響應(yīng)的速度有關(guān)；在速度檢測中常用到編碼器測速或者GPS定位測速的方式進(jìn)行檢測，但GPS測速存在滯后性的問題，可將GPS信號與速度編碼器結(jié)合，從而彌補(bǔ)GPS滯后性的問題，達(dá)到測速和準(zhǔn)確定位的目的。

3.2 變量補(bǔ)種技術(shù)

變量補(bǔ)種是漏播檢測裝置檢測到漏播情況時，通過控制系統(tǒng)控制排種軸加速轉(zhuǎn)動，對空穴位置進(jìn)行補(bǔ)償，實現(xiàn)補(bǔ)種的目的。吳南[44]針對漏播自補(bǔ)償(變量補(bǔ)種)和漏播輔助補(bǔ)償方法進(jìn)行了對比研究，通過自補(bǔ)償補(bǔ)種性能分析，在種子脫離排種口之前檢測到漏播，并啟動加速補(bǔ)種命令可以實現(xiàn)自補(bǔ)種功能，通過臺架試驗得到變量補(bǔ)種受播種速度和播種粒距影響較大；當(dāng)播種速度較大、株距較小時變量補(bǔ)種受到限制。針對油菜精量排種器存在漏播的問題，丁幼春等[45]設(shè)計了油菜精量排種器變量補(bǔ)種系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有漏播檢測、種盤測速、變量補(bǔ)種和補(bǔ)種監(jiān)測功能，當(dāng)漏播檢測裝置檢測到漏播時，根據(jù)變量補(bǔ)償策略獲得對應(yīng)的補(bǔ)種速度，并將信號傳遞給相應(yīng)的執(zhí)行裝置進(jìn)行變量補(bǔ)種。但上述變量補(bǔ)種技術(shù)只適用于速度較低的情況，在高速狀態(tài)下控制響應(yīng)時間加上機(jī)械執(zhí)行時間超過了缺種穴位理應(yīng)排種的時間，并且當(dāng)單粒排種器連續(xù)出現(xiàn)兩次空穴時，很難實現(xiàn)變量補(bǔ)種，因此在高速狀態(tài)下實現(xiàn)變量補(bǔ)種還需進(jìn)一步研究。

4 檢測方法對比分析與存在問題

4.1 檢測方法對比分析

不同檢測傳感器優(yōu)缺點對比如表1所示。從表1中可以得出不同傳感器具有相應(yīng)的優(yōu)點和缺點，這些優(yōu)缺點決定了不同類型傳感器在播種機(jī)智能檢測中的應(yīng)用范圍，例如壓電傳感器在漏播檢測中，多用于小籽?；驓鈩硬シN中。研究人員在研究過程中，針對不同類型傳感器的缺點，進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)，如：通過陣列布置多個光電傳感器的方式，解決了光電傳感器存在檢測盲區(qū)的問題；通過設(shè)計清塵和防塵裝置，有效解決傳感器易被污染的問題。

表1 檢測傳感器優(yōu)缺點對比Tab. 1 Comparison of advantages and disadvantages of detection sensors

4.2 播種機(jī)智能檢測技術(shù)存在問題

隨著播種機(jī)械的發(fā)展，高速、高精度和智能化是播種機(jī)發(fā)展的趨勢，傳感器技術(shù)、智能控制技術(shù)以及芯片技術(shù)是播種機(jī)實現(xiàn)高速、高精度和智能化的關(guān)鍵。但由于國內(nèi)發(fā)展較晚，在這些領(lǐng)域還存在許多問題。

1) 傳感器檢測精度和抗干擾能力較低。當(dāng)播種機(jī)在高溫、高塵、高濕度以及振動的環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)時，難以平衡高精度和高抗干擾強(qiáng)度的關(guān)系，在實際運用中常出現(xiàn)因為提高了抗干擾能力卻降低了檢測精度的問題，不利于播種質(zhì)量的提升。

2) 農(nóng)用傳感器類型較為單一。隨著播種機(jī)智能化發(fā)展，需多種類型的傳感器以實時獲取土壤濕度、環(huán)境溫度、播種機(jī)速度及前進(jìn)阻力等信息，但由于進(jìn)口傳感器價格昂貴，因此在實際生產(chǎn)中所使用的傳感器較少。通過加大國產(chǎn)傳感器的研發(fā)力度，從而降低智能化播種機(jī)的生產(chǎn)成本，提高播種機(jī)的工作性能。

3) 智能化水平較低，缺乏農(nóng)用的控制芯片和配套的控制系統(tǒng)。隨著機(jī)具作業(yè)速度的不斷提高，需要芯片和控制系統(tǒng)具有更高的響應(yīng)速度，但針對農(nóng)機(jī)設(shè)計的芯片和配套系統(tǒng)很少，高速芯片價格昂貴且較多功能在農(nóng)機(jī)上并不適用，造成資源浪費和成本的提升，不利于智能化播種技術(shù)的推廣。

4) 農(nóng)業(yè)機(jī)械與檢測裝置不配套。較多智能檢測裝置是后期裝配的，有的農(nóng)業(yè)機(jī)械在設(shè)計之初并沒有考慮到檢測裝置，因此，對后續(xù)檢測裝置的設(shè)計會有一定局限性，不利于成套高性能播種檢測設(shè)備的研發(fā)。

5 展望

1) 機(jī)器視覺檢測技術(shù)將廣泛應(yīng)用于播種機(jī)智能檢測。隨著技術(shù)的發(fā)展和革新，播種機(jī)將向更加高速的方向發(fā)展，需要檢測傳感器擁有高分辨率的檢測硬件和檢測算法。機(jī)器視覺檢測具有高效、準(zhǔn)確的特點，利用機(jī)器視覺對播種機(jī)進(jìn)行實時監(jiān)測是未來發(fā)展的趨勢；無人農(nóng)場的實現(xiàn)更離不開機(jī)器視覺技術(shù)，利用機(jī)器視覺與深度學(xué)習(xí)相結(jié)合可實現(xiàn)農(nóng)場中雜草和病蟲害的檢測，農(nóng)機(jī)在農(nóng)場中的無人駕駛、自動避障等功能也依賴于機(jī)器視覺技術(shù)。

2) 紅外技術(shù)和機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用于地下非接觸檢測。目前，對地下種子非接觸檢測的研究較少且難度較大，以及存在土壤污染和復(fù)雜土壤環(huán)境下分辨率低等問題。針對這一問題，可以通過對種子進(jìn)行冷或熱預(yù)處理后，利用紅外熱感應(yīng)技術(shù)對覆土種子進(jìn)行檢測，這既可免去土壤污染也能一定程度降低環(huán)境影響。利用圖像識別技術(shù)對落到種溝內(nèi)種子(在被土壤覆蓋前的狀態(tài))進(jìn)行拍照分析，得到覆土前的種子在種溝內(nèi)的分布狀態(tài)。

3) 智能控制系統(tǒng)更加復(fù)雜多元。智能控制器是機(jī)器的“大腦”，隨著信息技術(shù)的發(fā)展和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的推廣，機(jī)具在工作過程中所獲取并處理的信息越來越復(fù)雜，包括機(jī)具位置信息、土壤養(yǎng)分信息以及種肥的料位信息等，需要智能控制器有足夠的運算能力。智能控制技術(shù)運用到農(nóng)機(jī)裝備上離不開傳感技術(shù)和視覺技術(shù)，農(nóng)機(jī)具所執(zhí)行的一系列操作均是對通過傳感器和圖像采集設(shè)備所感知信息的反應(yīng)。目前，國內(nèi)智能化水平仍較低，需要進(jìn)一步突破技術(shù)難點。

4) 變量播種技術(shù)與3S(RS、GIS、GPS)系統(tǒng)結(jié)合。變量播種技術(shù)解決了地輪打滑的問題，為精細(xì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。未來更加注重土地的使用效率，根據(jù)耕作土地的處方圖和土壤結(jié)構(gòu)判斷每個區(qū)域適宜的施肥量和播種量等參數(shù)，進(jìn)而通過智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)變量播種和變量施肥。