籽粒作物漏播補償方法研究現(xiàn)狀分析

山東理工大學農(nóng)業(yè)工程與食品科學學院 李潤濤 宋成友 呂玉春 李永崗 張祥彩

引言

播種機在田間作業(yè)時由于地面不平整和機械振動等因素導致播種過程中出現(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進行補種和出苗后補苗措施可以有效減少漏播對作物產(chǎn)量的影響，但人工補種補苗的方式費時費力且效率低，補苗也會造成作物長勢不均，影響作物的產(chǎn)量。因此在播種過程中進行漏播補償尤為重要。

目前，對漏播補償技術開展了相關的研究。AI-YAMANI等[5]對漏播補償方法進行研究，通過對種子進行編碼排序，當檢測到漏播時，將一粒新編碼的種子進行補種。SINGH等[6]通過直流電機控制排種軸轉速，實施精準的播種和補種。自動化漏播補償方法主要有自補償方法和輔助補償方法，除自動化補償方法外還有人工機械式補償方法。人工機械式補償方式僅適合小塊不規(guī)則的田間地塊，對于大型的農(nóng)場采用機械式人工補償方式費時費力。因此，隨著傳感器技術的發(fā)展，自動化漏播補償方法的研究和運用將越來越廣泛。

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

1 自補償方法

自補償方法是將排種器作為一個補種裝置，當檢測到排種器出現(xiàn)漏播時，通過提高排種軸轉速達到對空穴位置進行補償。該方法不需要額外的增加補種裝置，結構相對簡單,但需要電機具有更加快速、穩(wěn)定的加速性能和更加精準的控制算法，當排種軸轉速過快時需要排種器具有較好的充種性能。

針對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償方法。正常工作時地輪通過超越離合器b與排種軸連接，當出現(xiàn)漏播時，步進電機通過超越離合器a與排種軸連接，控制排種軸加速轉動，實現(xiàn)快速補種。該方法可實現(xiàn)較高準確率的補種。

針對玉米勺式排種器存在漏播問題，趙淑紅等[8]設計了一種變速補種系統(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，對排種器是否空穴漏播進行檢測。當出現(xiàn)空穴時控制系統(tǒng)控制步進電機帶動排種軸加速轉過空穴位置達到補種的目的。

石河子大學[9]發(fā)明了一種基于水平圓盤機械式玉米漏播補種裝置，該裝置通過三層水平圓盤將種子排到輸種傳送帶，當檢測到漏播控制步進電機加速轉動，使輸種傳送帶后方正常V型齒槽中的種粒運輸?shù)饺狈N位置，實現(xiàn)補種功能。該方法結構緊湊，補種裝置相對于排種器位置固定，使得補種更加精準。

吳南[10]利用水平圓盤排種器進行漏播自補償性能試驗，通過在排種軸轉速在15～120r/min的條件下進行試驗，試驗得出通過自補償方法能實現(xiàn)漏播補種，但隨著排種軸速度增加，補種性能就會下降。

在高速運行情況下利用漏播自補償法進行補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，并且當出現(xiàn)連續(xù)的漏播情況時，會出現(xiàn)補種不及時的問題。因此利用自補種方法進行漏播補種還需要進一步的探索。

2 輔助補償方法

輔助補償方法是通過外加一個輔助的補種裝置進行漏播補償。當檢測系統(tǒng)檢測到漏播情況時，通過控制補種裝置進行補種。因為補種裝置相對于排種器是獨立的裝置，因此需要合理的設計補種裝置的位置和精確的補種控制算法才能實現(xiàn)精準補種。補種裝置主要通過增加副排種盤、增加副排種器或者設計新型的補種結構實現(xiàn)補種。

2.1 增加副排種盤方式

接志波[11]、龔麗農(nóng)[12]等運用光電傳感器檢測漏播情況，當檢測漏播發(fā)生時，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現(xiàn)補種。石兵[13]等通過增加輔助排種盤的方法實現(xiàn)了漏播補種。當出現(xiàn)漏播時控制步進電機帶動輔助排種盤轉動進行補種。

2.2 增加副排種器方式

針對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，副排種器由步進電機帶動，在副排種器下方有一個擋種板，當檢測到漏播時，步進電機控制副排種器轉動并帶動擋種板打開實現(xiàn)補種。陳剛等[15]在主排種器下方安裝補種裝置，當漏播發(fā)生時，補種裝置打開補種管下方電磁閥，并驅動電機帶動補種軸轉動帶出種子實現(xiàn)補種。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副排種器；控制器以STM32為中央處理單元，當檢測到主排種器存在漏播時，控制單元控制副排種器轉動進行補種。李甜[17]利用PLC控制技術，同樣在主排種器后方增加了一個副排種，其控制原理與聶秀展類似，均是通過副排種器進行補種。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)檢測到主排種器存在漏播時，通過測量播種機前進速度以及更加不同排布方式計算出補種速率，通過控制副排種器的執(zhí)行機構（步進電機或電磁閥等）實施精準的補種。

2.3 設計新型補種結構

針對油菜籽氣力式精量排種產(chǎn)生漏播問題，丁幼春[18]等設計了螺管式補種器，并建立工作轉速與漏播系數(shù)的關系模型；螺管的轉動引導油菜籽粒進入端蓋內腔，內腔中的籽粒隨著孔擋板A的轉動進入到滾筒的螺管內，由于重力作用種子移動到孔擋板B，并隨著孔擋板B轉動到投種區(qū)，重力和離心力作用完成投種。該補種機構針對流動性較好的圓形油菜籽粒具有很好的補種性能，但籽粒較為濕潤時，流動性不好，易造成堵種的現(xiàn)象。

3 人工機械式補償法

漏播自補償和輔助補償裝置是裝配有檢測裝置，檢測到漏播時驅動執(zhí)行機構實時自動的實現(xiàn)補種，常運用在自動播種機上。除此之外，大型播種機無法進入實施播種，因此需要人工進行播種和補種操作。

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

采用手動機械式的補種方式，適用于小規(guī)模、小地塊的種植方式。隨著傳感器檢測技術的發(fā)展，漏播補種技術將向著自動化和智能化方向發(fā)展。

4 存在問題

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

（1）漏播自補償方法問題。自補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)漏播時需要排種軸提供更加快速的轉速，來達到補償空穴的目的；但在高速情況下需要更加大功率的電機才能實現(xiàn)更高的轉速，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）漏播輔助補償方法問題。漏播輔助補償方式主排種裝置和副排種裝置相對獨立，精確的補種需要主副補種裝置的良好配合。針對不同間距補種時使用之前的控制代碼并不能實現(xiàn)精準的補種。因此需要設置有輸入?yún)?shù)對不同農(nóng)藝要求的補種進行修訂。

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

5 展望

（1）漏播檢測技術。漏播補償方法與漏播檢測方法是相互促進的，更加穩(wěn)定、及時精準的檢測到漏播情況，才能準確地發(fā)揮漏播補償裝置的作用。因此，漏播補償技術離不開傳感器檢測技術的發(fā)展，但目前國內傳感器的檢測精度和適應性還處于發(fā)展階段，還需要進一步的提升和加強。

（2）電機驅動技術。快速精準的執(zhí)行補種動作，需要電機在短時間內加速到指定的轉速，這不僅需要電機有更優(yōu)的性能，還需要更優(yōu)的控制方法。未來應加強電機驅動和控制技術的研究、應用和推廣。

（3）智能控制技術。隨著精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展，播種更加智能化和自動化。播種軸轉速需要根據(jù)土壤營養(yǎng)條件以及其他影響作物生長的因素進行分析后控制轉動，因此對于補種裝置而言，在播種智能化、自動化發(fā)展的同時也需要補種裝置趨于自動化和智能化，才能滿足精準補種的要求。