我國精量播種機自動化關鍵技術研究進展

張 惠，潘 峰，紀 超，陳金成

（1.新疆農墾科學院機械裝備研究所，新疆 石河子 832000；
2.農業農村部西北農業裝備重點實驗室，新疆 石河子 832000）

隨著機電一體化、智能控制等技術在農業領域的普及應用，農機裝備在產品迭代過程中融入了更多自動化元素。其中，作為承擔高效播種任務的裝備載體，精量播種機在歐美發達國家已通過自動化技術變革實現了作業效率與作業質量的跨越提升。美國Precision Planter、德國Horsch 等大型農機企業研發的高速智能播種機系列產品，以電驅排種技術為核心，配置作業監測、變距播種、自主調節等多種智能化功能，在維持高精度作業的同時，速度可達12～16 km/h。為提升我國大田播種精細化水平與種植效益，國內相關學者通過技術引進、吸收與再創新等方式對播種機自動化技術展開了諸多嘗試和探索，并在排種器驅動方式、驅動控制策略、作業監測系統、自動補種技術等方面取得了顯著的研究進展。故本文將從以上4 方面對我國播種機自動化技術進行綜述研究，針對現存問題提出建議并展望未來趨勢，旨在為高效智能播種技術及裝備的研究提供參考。

根據動力源不同，排種器的驅動方式主要分為地輪驅動、液壓馬達或氣壓馬達驅動和電機控制驅動3 大類。

傳統排種器驅動力主要來源于地輪驅動和鏈條傳動組成的動力系統，該動力系統機械結構簡單、成本低廉、易于維修操作。實際播種作業中，地輪滾動易受農田地況影響，產生滑移、跳躍等現象，造成粒距不均、斷條漏播[1]等問題，嚴重制約了播種質量的進一步提升，作業速度通常維持在5～7 km/h 水平，且難以實現株距實時調節等自動化功能。

上世紀80 年代，出現了液壓馬達或氣壓馬達驅動方式，前者利用液壓馬達驅動傳動主軸，再通過萬向節將液壓動力傳遞或分配給排種單體，常見于獨立驅動排種器和集中驅動排種器[2]2 種形式；
氣壓馬達驅動主要通過調節氣壓流量控制排種器轉速。液壓馬達和氣壓馬達驅動方式調速精度較高、范圍寬，響應速度和傳動平穩性各有所長，但低速作業時性能穩定性較差，故障診斷和維修不方便且調速系統造價較高[3]。

電機驅動是以電機控制排種器轉動，其動力傳輸方式主要分為以下3 種：①電機通過鏈條將動力傳輸至排種器轉軸；
②電機輸出軸直接或通過減速器與排種器轉軸連接；
③電機輸出軸安裝齒輪，與加工有外齒的排種器種盤嚙合連接[4]。通常情況下，電機啟停時間、轉速變化、動力大小等參數可根據衛星、傳感器獲得的機具行走速度、環境工況等實時調節，實現無級變速與精準控制。

隨著電機產品的廣泛應用以及電驅技術的熟化普及，歐美發達國家已實施播種機技術變革升級，規?；茝V電驅精量播種機，實現效率與質量的雙重提升。為緊追高端播種機發展國際步伐，我國學者圍繞電驅播種控制技術展開了深入研究，并形成諸多理論成果。

2.1 電機控制原理

按照控制系統有無反饋進行劃分，主要包括開環控制和閉環控制，其算法類型較為多樣化，包括比例控制、PID 控制、模糊控制、模糊PID 控制等。采用上述控制算法目的是使電機轉速快速跟隨車速變化，以保持播種粒距的均勻性和一致性。

付衛強[5]采用液壓馬達代替地輪驅動排種器轉動排種，設計了基于GNSS/IMU 技術組合測速方法的排種控制系統，圖1 為液壓馬達轉速控制的示意圖。田間試驗表明，精量播種控制系統的粒距合格指數比地輪驅動方式高8.75%。

圖1 液壓馬達轉速控制示意圖

直流無刷電機配套減速器增大扭矩，控制方式大多采用PID 閉環控制，控制器設計簡單，控制原理已較為成熟。趙雪等[6]設計了一款氣吸式玉米播種機電控制系統，采用光電編碼器實時采集機車作業速度，通過直流電機驅動排種器，可提高播種機作業靈活性和播種質量，作業速度為4～8 km/h 時，粒距合格指數為95.9%。

陳蔣[7]利用模糊PID 控制直流無刷電機驅動小麥排種器，系統無超調量，速度范圍處于2～11 km/h 時，調速誤差不超過5.7%。丁友強等[8]以增量式PID 輸出的修正增量Δu（k）作為占空比的修正增量，由STM32 控制器輸出PWM 控制信號，播種性能高于國標要求。常規PID 控制及模糊PID 控制原理如圖2所示，模糊PID 控制是在PID 控制的基礎上，增加了模糊推理算法實時根據轉速誤差和誤差變化率調整Kp，Ki，Kd控制參數，以滿足實際作業時對調速系統快速性和穩定性的要求。

圖2 常規PID 與模糊PID 控制原理

為獲取更高精度的轉速控制，部分學者選取步進電機作為排種驅動執行元件。趙麗清[9]設計了一款以W77E587 單片機為核心組件的二相混合式步進電動機開環控制系統，系統運轉平穩性好，改善了播種質量，兩相混合式步進電機細分驅動原理如圖3所示。

圖3 兩相混合式步進電機細分驅動原理

李正義等[10]和王貴麗等[11]設計了基于PLC 玉米機械播種量的步進電機閉環控制系統，在一定程度上提高了播種精度，而且系統運行穩定性也比較好，滿足播種要求。

2.2 變量播種技術

變量播種技術在合理利用資源和降低生產成本方面具有重要的現實意義[12]。變量播種技術主要包括自動控制、定位與導航、決策分析等，其關鍵是通過排種驅動系統按照決策信息實現變量播種。

張國梁等[13]將播種決策信息存儲于PC 上位機，經RS232 傳輸到下位單片機，工作過程中單片機獲得前進速度，通過信息標準對播種量進行調控，促進電機轉速加快，滿足變量播種的要求。丁友強等[14]以STM32 為單體控制器設計了一種變量播種機單體驅動器，解決了變量播種機行數難以拓展以及播種單體獨立控制的問題。

綜上所述，電驅式排種控制技術使無級調速成為現實，配合先進的傳感器檢測和智能控制策略，排種精度得到有效提升，作業效率大幅提高，對不同播種單元可以獨立控制?？蓪崿F一機多用，同時適配不同農藝作業規程。

為保證排種器能夠跟隨播種機行進實時調整轉速，同時監測作業情況，實現閉環控制，需要構建播種作業監測系統，從而采集作業過程中關鍵參數并做出自主決策。

3.1 作業速度監測

精量播種機作業速度的監測對排種驅動系統的轉速調節起著至關重要作用，使用的監測裝置較為多樣化，主要有編碼器、霍爾傳感器、多普勒雷達和衛星導航系統等。

3.1.1 編碼器測速

相對霍爾傳感器，編碼器集成度和檢測精度較高，可以實現多倍頻脈沖檢測以減小速度檢測誤差。和賢桃等[15]提出了采用電機驅動排種器，通過編碼器對電機轉速進行反饋，修正算法減小轉速的偏差量，從而保障播種的質量。

3.1.2 霍爾傳感器測速

蔣春燕等[16]利用霍爾傳感器對拖拉機前輪測速，其信號條理電路如圖4 所示。信號經過電路處理之后變成標準高低電平，方便單片機檢測到信號的邊沿變化并計數。

圖4 霍爾元件測速原理圖

實際田間作業中，霍爾傳感器安裝簡便、價格低廉、抗干擾性和抗塵性比較好，但其檢測準確度受地表平整、松軟程度和檢測對象的滑移等因素的影響比較大，因此多采用軟件濾波和周期脈沖補償統計的方法提升其檢測精度。

3.1.3 雷達測速

吳衛玲[17]介紹了多普勒測速雷達的工作原理，并且對其測速中的誤差來源和大小進行了分析，通過使用測速雷達測量彈丸速度，計算測速誤差為0.1%，測速精度較高。孟志軍等[18]采用美國DKJohn 公司生產Radar-II 測速雷達，安裝角度和水平面夾角為51.65°，輸出頻率為34.8 Hz·（km/h）-1，測試表明，車速為3～12 km/h 時，雷達測速的變異系數不超過2.65%，輸出的速度值比較平穩，與平均速度的誤差較小。

3.1.4 衛星導航測速

隨著衛星導航小型化、模塊化接收解析模塊的成熟和檢測精度不斷的提高，基于GPS、北斗導航及多信號融合的衛星導航測速技術，在農業機械上已到廣泛應用。

孟志軍等[19]將美國Trimble 和Garmin 公司GPS接收機安裝于天托迪爾拖拉機上，分別進行RTK（實時動態載波相位差分測速）、RTD（實時動態碼相位差分測速）和單點定位GPS 測速實驗，圖5 為測速試驗的農田作業機械速度采集系統示意圖。試驗結果表明，當作業機械低速勻速行駛時，單點定位測得的速度值比較平穩，變異系數小，與平均速度符合較好。高速變速時，單點定位GPS 測速誤差比較大，且存在明顯的延遲，而RTK 測速的變異性最小，動態性明顯優于單點定位測速和RTD 測速。

圖5 GPS 速度采集試驗示意圖

丁友強等[14]對于高速作業下地輪打滑粒距導致均勻性降低的問題，設計開發了由GPS 為主測速的精量播種控制系統，與編碼器測速進行對比，可以直觀地發現GPS 測速的平均指標更穩定。

曾山等[20]分別使用GPS 模塊（偽距單點定位）和霍爾元件2 種傳感器對水稻精量旱穴直播機進行速度檢測，試驗結果表明，在低速（3～5 km/h）時，霍爾傳感器的測速更穩定性，合格率達到 86.23%。在高速（6～7 km/h）時，GPS 測速較霍爾測速穩定性有較小提高。

3.2 重漏播監測

高速作業下，為減少整機抖動、氣壓不穩等問題對粒距穩定性的影響，國內學者開發了重漏播監測系統，根據傳感器原理不同，可分為光電、電容、機器視覺等多種方式。

3.2.1 光電傳感器

相關研究學者多采用分別將光電傳感器的發射端和接收端安裝于排種管兩側，另有部分學者將收/發一體式光電傳感器安裝于排種管的一側。其檢測均為通過控制器檢測接收端的脈沖序列實時判斷播種的漏播情況。但光電傳感器元件易受田間多塵環境的干擾和檢測盲區的限制。為提升光電傳感器抗塵土性能和消除檢測盲區，近年來國內學者做了大量的研究，史智興[21]將標準光楔作為光電傳感器抗塵性能的量化測量工具，把光學密度值作為光電傳感器抗塵性能的量化指標，填補了長期以來無法對光電傳感器在田間塵土環境工作性能進行評價的技術空白。馮全等[22]將紅外射管作為主傳感器，對電路進行檢測的時候，將脈沖信號與直流信號進行分化處理，然后再將其系數放大再進行融合，轉化為同一個信號，使脈沖信號與直流信號增長，對比也更加明顯。其信號處理電路如圖6 所示。

圖6 紅外對射光電信號調理電路

劉翔宇等[23]開發了一種基于反射光電感應的精量播種機漏播監測系統，該系統采用FS-V11 漫反射式光放大器獲取排種脈沖信號，具有準確度高、抗擾動能力強等特點。

紀超等[24]設計了一款透明化的防塵罩，能夠自動清潔除塵，具有紅外點感應檢測系統，并通過對監測盲區評估計算，優化了探頭結構及安裝參數，極大程度保護探頭免受塵土侵蝕，其信號處理電路如圖7 所示。

圖7 紅外對射光電信號調理電路

丁友強等[8]選用美國DICKEY -John 公司生產的Hy RateTMPlus 光電式傳感器，相較于常規光電式傳感器擁有更多LED 個數，可最大程度地消除感應盲區，提高重漏播檢測精度，紅外信號調理電路圖8 所示。

圖8 播種信號調理電路

3.2.2 電容傳感器

在導種管兩側分別嵌入帶有電壓差的金屬薄片可形成特制的播種檢測電容傳感器，通過改變電容傳感器介質改變電容電荷的變化，從而實現排種漏播的檢測。相較于光電傳感器，電容傳感器不易受塵土的干擾，但種子經過電容傳感器的時候，電容傳感器的電容指標變化微弱，易受到電磁的干擾影響，增加了信號調理電路的設計難度。周利明等[25]根據電容器的電容隨極板間介質質量變化而變化的原理，研制出可以檢測小麥和棉花播種量的傳感器，并且提出了一種通過改變采樣周期的檢測方法，能夠更加精準地檢測出小麥的播種量，適用效果比較好，排種量傳感器結構如圖9 所示。

圖9 排種量傳感器結構簡圖

3.2.3 機器視覺

視覺傳感器可以很直觀地看到種子在排種管內的運動情況，但對田間作業光照環境過于敏感。李朋飛等[26]設計了一種由FPGA 驅動的線陣CCD播種粒距檢測實時成像系統，用于檢測播種的種子間距。王辰星等[27]借助于圖像處理技術，通過對靜態圖像進行分化處理，然后用自行設計的檢測算法判斷每穴水稻粒數，最終可計算得到水稻育秧播種的空格率、合格率等，CCD 檢測系統結構圖如圖10 所示。

圖10 CCD 檢測系統結構圖

若高速寬行播種機產生排種異常，將造成大面積斷條漏播，后期人工補種或移栽，勢必增加種植成本，且延誤農時[28-30]。為降低損失，多采用增加漏播補償裝置來實現自動補種。目前漏播補償裝置大致可以分為2 類：漏播自補償和漏播輔助補償。

4.1 漏播自補償

自補償是一種在檢測到漏種后，通過電動機變加速補種，排種與補種機構一體化的裝置。朱瑞祥等[31]采用激光和霍爾傳感器分別檢測漏種和排種器的速度。陳剛[32]設計的漏播補償系統將補種箱、補種管、電磁閥和補種電機安裝在主排種裝置的后面，補種管與主導種管安裝位置相隔，檢測到漏播后，先打開電磁閥，種子從補種箱落下，同時啟動補種電機，種子從補種管落下。作業速度為5～7 km/h時，平均補種率能達到91.0%。

4.2 漏播輔助補償

自補償裝置雖然結構簡單，但是要求電動機具備高轉速、加速穩定和轉角控制精度高等特性，需配備精度較高的步進電機或伺服電機才能實現[33]。輔助補償裝置的主排種器和補種排種器間隔一定距離獨立安裝，雖然其結構較自補償裝置分散，但原理簡單且較容易實現。王雪玲等[34]通過矩形光纖傳感器對漏播情況進行檢測，根據播種漏播頻率針對性的進行補漏。為對比自補償和輔助補償2 種方法的補種效果，吳南[33]分別設計了2種漏播補種裝置，自補償裝置補種合格率不小于88%，而輔助補償裝置補種合格率不小于96%，明顯高于自補償裝置。

近年來，精密播種技術朝著智能化方向迅速發展，我國種植制度復雜、土地經營分散等問題日漸凸顯，使得我國精密播種技術發展緩慢，就目前國內精量播種技術研究現狀，從以下幾方面進行討論。

1）排種器具體實用性不能確定、適應性差問題。我國對精量排種器的研究起步晚，學者研究主要靠引進國外機型對其加以改造，適應性較差，需結合我國不同地區農藝、種植制度及種植模式繼續提升創新性，加強田間試驗，優化排種器結構參數以適應我國不同地區播種作業的要求。

2）播種速度偏慢、作業質量不穩定的問題。在田間工作環境中，由于存在復雜的外界干擾因素，傳統的PID 控制算法不能跟隨速度變化，需優化控制算法以提升控制系統的魯棒性和控制精度；
其次，需要提高速度反饋信號的精確度，采用多傳感器信息融合等技術對速度信號進行補償，確保在其中一種傳感器故障或受干擾狀況下仍能保持測速精度；
另外，漏播補償技術可以在一定程度上改善播種性能。

3）從農業發展的實際需要考慮，精量播種技術仍會以提高播種效率和精度、播種設備的穩定性和可靠性為出發點。技術層面上，我國在播種智能化的技術研究方面處于起步階段，隨著我國新型材料、制造精度和加工工藝等先進技術的發展以及北斗定位系統的廣泛應用，帶有自動導航和播種作業監控設備、能夠根據農藝信息決策變量播種的高速、高精度精量播種機是我國精量播種技術的發展方向。