我国精量播种机自动化关键技术研究进展

张 惠，潘 峰，纪 超，陈金成

（1.新疆农垦科学院机械装备研究所，新疆 石河子 832000；
2.农业农村部西北农业装备重点实验室，新疆 石河子 832000）

随着机电一体化、智能控制等技术在农业领域的普及应用，农机装备在产品迭代过程中融入了更多自动化元素。其中，作为承担高效播种任务的装备载体，精量播种机在欧美发达国家已通过自动化技术变革实现了作业效率与作业质量的跨越提升。美国Precision Planter、德国Horsch 等大型农机企业研发的高速智能播种机系列产品，以电驱排种技术为核心，配置作业监测、变距播种、自主调节等多种智能化功能，在维持高精度作业的同时，速度可达12～16 km/h。为提升我国大田播种精细化水平与种植效益，国内相关学者通过技术引进、吸收与再创新等方式对播种机自动化技术展开了诸多尝试和探索，并在排种器驱动方式、驱动控制策略、作业监测系统、自动补种技术等方面取得了显著的研究进展。故本文将从以上4 方面对我国播种机自动化技术进行综述研究，针对现存问题提出建议并展望未来趋势，旨在为高效智能播种技术及装备的研究提供参考。

根据动力源不同，排种器的驱动方式主要分为地轮驱动、液压马达或气压马达驱动和电机控制驱动3 大类。

传统排种器驱动力主要来源于地轮驱动和链条传动组成的动力系统，该动力系统机械结构简单、成本低廉、易于维修操作。实际播种作业中，地轮滚动易受农田地况影响，产生滑移、跳跃等现象，造成粒距不均、断条漏播[1]等问题，严重制约了播种质量的进一步提升，作业速度通常维持在5～7 km/h 水平，且难以实现株距实时调节等自动化功能。

上世纪80 年代，出现了液压马达或气压马达驱动方式，前者利用液压马达驱动传动主轴，再通过万向节将液压动力传递或分配给排种单体，常见于独立驱动排种器和集中驱动排种器[2]2 种形式；
气压马达驱动主要通过调节气压流量控制排种器转速。液压马达和气压马达驱动方式调速精度较高、范围宽，响应速度和传动平稳性各有所长，但低速作业时性能稳定性较差，故障诊断和维修不方便且调速系统造价较高[3]。

电机驱动是以电机控制排种器转动，其动力传输方式主要分为以下3 种：①电机通过链条将动力传输至排种器转轴；
②电机输出轴直接或通过减速器与排种器转轴连接；
③电机输出轴安装齿轮，与加工有外齿的排种器种盘啮合连接[4]。通常情况下，电机启停时间、转速变化、动力大小等参数可根据卫星、传感器获得的机具行走速度、环境工况等实时调节，实现无级变速与精准控制。

随着电机产品的广泛应用以及电驱技术的熟化普及，欧美发达国家已实施播种机技术变革升级，规模化推广电驱精量播种机，实现效率与质量的双重提升。为紧追高端播种机发展国际步伐，我国学者围绕电驱播种控制技术展开了深入研究，并形成诸多理论成果。

2.1 电机控制原理

按照控制系统有无反馈进行划分，主要包括开环控制和闭环控制，其算法类型较为多样化，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电机转速快速跟随车速变化，以保持播种粒距的均匀性和一致性。

付卫强[5]采用液压马达代替地轮驱动排种器转动排种，设计了基于GNSS/IMU 技术组合测速方法的排种控制系统，图1 为液压马达转速控制的示意图。田间试验表明，精量播种控制系统的粒距合格指数比地轮驱动方式高8.75%。

图1 液压马达转速控制示意图

直流无刷电机配套减速器增大扭矩，控制方式大多采用PID 闭环控制，控制器设计简单，控制原理已较为成熟。赵雪等[6]设计了一款气吸式玉米播种机电控制系统，采用光电编码器实时采集机车作业速度，通过直流电机驱动排种器，可提高播种机作业灵活性和播种质量，作业速度为4～8 km/h 时，粒距合格指数为95.9%。

陈蒋[7]利用模糊PID 控制直流无刷电机驱动小麦排种器，系统无超调量，速度范围处于2～11 km/h 时，调速误差不超过5.7%。丁友强等[8]以增量式PID 输出的修正增量Δu（k）作为占空比的修正增量，由STM32 控制器输出PWM 控制信号，播种性能高于国标要求。常规PID 控制及模糊PID 控制原理如图2所示，模糊PID 控制是在PID 控制的基础上，增加了模糊推理算法实时根据转速误差和误差变化率调整Kp，Ki，Kd控制参数，以满足实际作业时对调速系统快速性和稳定性的要求。

图2 常规PID 与模糊PID 控制原理

为获取更高精度的转速控制，部分学者选取步进电机作为排种驱动执行元件。赵丽清[9]设计了一款以W77E587 单片机为核心组件的二相混合式步进电动机开环控制系统，系统运转平稳性好，改善了播种质量，两相混合式步进电机细分驱动原理如图3所示。

图3 两相混合式步进电机细分驱动原理

李正义等[10]和王贵丽等[11]设计了基于PLC 玉米机械播种量的步进电机闭环控制系统，在一定程度上提高了播种精度，而且系统运行稳定性也比较好，满足播种要求。

2.2 变量播种技术

变量播种技术在合理利用资源和降低生产成本方面具有重要的现实意义[12]。变量播种技术主要包括自动控制、定位与导航、决策分析等，其关键是通过排种驱动系统按照决策信息实现变量播种。

张国梁等[13]将播种决策信息存储于PC 上位机，经RS232 传输到下位单片机，工作过程中单片机获得前进速度，通过信息标准对播种量进行调控，促进电机转速加快，满足变量播种的要求。丁友强等[14]以STM32 为单体控制器设计了一种变量播种机单体驱动器，解决了变量播种机行数难以拓展以及播种单体独立控制的问题。

综上所述，电驱式排种控制技术使无级调速成为现实，配合先进的传感器检测和智能控制策略，排种精度得到有效提升，作业效率大幅提高，对不同播种单元可以独立控制。可实现一机多用，同时适配不同农艺作业规程。

为保证排种器能够跟随播种机行进实时调整转速，同时监测作业情况，实现闭环控制，需要构建播种作业监测系统，从而采集作业过程中关键参数并做出自主决策。

3.1 作业速度监测

精量播种机作业速度的监测对排种驱动系统的转速调节起着至关重要作用，使用的监测装置较为多样化，主要有编码器、霍尔传感器、多普勒雷达和卫星导航系统等。

3.1.1 编码器测速

相对霍尔传感器，编码器集成度和检测精度较高，可以实现多倍频脉冲检测以减小速度检测误差。和贤桃等[15]提出了采用电机驱动排种器，通过编码器对电机转速进行反馈，修正算法减小转速的偏差量，从而保障播种的质量。

3.1.2 霍尔传感器测速

蒋春燕等[16]利用霍尔传感器对拖拉机前轮测速，其信号条理电路如图4 所示。信号经过电路处理之后变成标准高低电平，方便单片机检测到信号的边沿变化并计数。

图4 霍尔元件测速原理图

实际田间作业中，霍尔传感器安装简便、价格低廉、抗干扰性和抗尘性比较好，但其检测准确度受地表平整、松软程度和检测对象的滑移等因素的影响比较大，因此多采用软件滤波和周期脉冲补偿统计的方法提升其检测精度。

3.1.3 雷达测速

吴卫玲[17]介绍了多普勒测速雷达的工作原理，并且对其测速中的误差来源和大小进行了分析，通过使用测速雷达测量弹丸速度，计算测速误差为0.1%，测速精度较高。孟志军等[18]采用美国DKJohn 公司生产Radar-II 测速雷达，安装角度和水平面夹角为51.65°，输出频率为34.8 Hz·（km/h）-1，测试表明，车速为3～12 km/h 时，雷达测速的变异系数不超过2.65%，输出的速度值比较平稳，与平均速度的误差较小。

3.1.4 卫星导航测速

随着卫星导航小型化、模块化接收解析模块的成熟和检测精度不断的提高，基于GPS、北斗导航及多信号融合的卫星导航测速技术，在农业机械上已到广泛应用。

孟志军等[19]将美国Trimble 和Garmin 公司GPS接收机安装于天托迪尔拖拉机上，分别进行RTK（实时动态载波相位差分测速）、RTD（实时动态码相位差分测速）和单点定位GPS 测速实验，图5 为测速试验的农田作业机械速度采集系统示意图。试验结果表明，当作业机械低速匀速行驶时，单点定位测得的速度值比较平稳，变异系数小，与平均速度符合较好。高速变速时，单点定位GPS 测速误差比较大，且存在明显的延迟，而RTK 测速的变异性最小，动态性明显优于单点定位测速和RTD 测速。

图5 GPS 速度采集试验示意图

丁友强等[14]对于高速作业下地轮打滑粒距导致均匀性降低的问题，设计开发了由GPS 为主测速的精量播种控制系统，与编码器测速进行对比，可以直观地发现GPS 测速的平均指标更稳定。

曾山等[20]分别使用GPS 模块（伪距单点定位）和霍尔元件2 种传感器对水稻精量旱穴直播机进行速度检测，试验结果表明，在低速（3～5 km/h）时，霍尔传感器的测速更稳定性，合格率达到 86.23%。在高速（6～7 km/h）时，GPS 测速较霍尔测速稳定性有较小提高。

3.2 重漏播监测

高速作业下，为减少整机抖动、气压不稳等问题对粒距稳定性的影响，国内学者开发了重漏播监测系统，根据传感器原理不同，可分为光电、电容、机器视觉等多种方式。

3.2.1 光电传感器

相关研究学者多采用分别将光电传感器的发射端和接收端安装于排种管两侧，另有部分学者将收/发一体式光电传感器安装于排种管的一侧。其检测均为通过控制器检测接收端的脉冲序列实时判断播种的漏播情况。但光电传感器元件易受田间多尘环境的干扰和检测盲区的限制。为提升光电传感器抗尘土性能和消除检测盲区，近年来国内学者做了大量的研究，史智兴[21]将标准光楔作为光电传感器抗尘性能的量化测量工具，把光学密度值作为光电传感器抗尘性能的量化指标，填补了长期以来无法对光电传感器在田间尘土环境工作性能进行评价的技术空白。冯全等[22]将红外射管作为主传感器，对电路进行检测的时候，将脉冲信号与直流信号进行分化处理，然后再将其系数放大再进行融合，转化为同一个信号，使脉冲信号与直流信号增长，对比也更加明显。其信号处理电路如图6 所示。

图6 红外对射光电信号调理电路

刘翔宇等[23]开发了一种基于反射光电感应的精量播种机漏播监测系统，该系统采用FS-V11 漫反射式光放大器获取排种脉冲信号，具有准确度高、抗扰动能力强等特点。

纪超等[24]设计了一款透明化的防尘罩，能够自动清洁除尘，具有红外点感应检测系统，并通过对监测盲区评估计算，优化了探头结构及安装参数，极大程度保护探头免受尘土侵蚀，其信号处理电路如图7 所示。

图7 红外对射光电信号调理电路

丁友强等[8]选用美国DICKEY -John 公司生产的Hy RateTMPlus 光电式传感器，相较于常规光电式传感器拥有更多LED 个数，可最大程度地消除感应盲区，提高重漏播检测精度，红外信号调理电路图8 所示。

图8 播种信号调理电路

3.2.2 电容传感器

在导种管两侧分别嵌入带有电压差的金属薄片可形成特制的播种检测电容传感器，通过改变电容传感器介质改变电容电荷的变化，从而实现排种漏播的检测。相较于光电传感器，电容传感器不易受尘土的干扰，但种子经过电容传感器的时候，电容传感器的电容指标变化微弱，易受到电磁的干扰影响，增加了信号调理电路的设计难度。周利明等[25]根据电容器的电容随极板间介质质量变化而变化的原理，研制出可以检测小麦和棉花播种量的传感器，并且提出了一种通过改变采样周期的检测方法，能够更加精准地检测出小麦的播种量，适用效果比较好，排种量传感器结构如图9 所示。

图9 排种量传感器结构简图

3.2.3 机器视觉

视觉传感器可以很直观地看到种子在排种管内的运动情况，但对田间作业光照环境过于敏感。李朋飞等[26]设计了一种由FPGA 驱动的线阵CCD播种粒距检测实时成像系统，用于检测播种的种子间距。王辰星等[27]借助于图像处理技术，通过对静态图像进行分化处理，然后用自行设计的检测算法判断每穴水稻粒数，最终可计算得到水稻育秧播种的空格率、合格率等，CCD 检测系统结构图如图10 所示。

图10 CCD 检测系统结构图

若高速宽行播种机产生排种异常，将造成大面积断条漏播，后期人工补种或移栽，势必增加种植成本，且延误农时[28-30]。为降低损失，多采用增加漏播补偿装置来实现自动补种。目前漏播补偿装置大致可以分为2 类：漏播自补偿和漏播辅助补偿。

4.1 漏播自补偿

自补偿是一种在检测到漏种后，通过电动机变加速补种，排种与补种机构一体化的装置。朱瑞祥等[31]采用激光和霍尔传感器分别检测漏种和排种器的速度。陈刚[32]设计的漏播补偿系统将补种箱、补种管、电磁阀和补种电机安装在主排种装置的后面，补种管与主导种管安装位置相隔，检测到漏播后，先打开电磁阀，种子从补种箱落下，同时启动补种电机，种子从补种管落下。作业速度为5～7 km/h时，平均补种率能达到91.0%。

4.2 漏播辅助补偿

自补偿装置虽然结构简单，但是要求电动机具备高转速、加速稳定和转角控制精度高等特性，需配备精度较高的步进电机或伺服电机才能实现[33]。辅助补偿装置的主排种器和补种排种器间隔一定距离独立安装，虽然其结构较自补偿装置分散，但原理简单且较容易实现。王雪玲等[34]通过矩形光纤传感器对漏播情况进行检测，根据播种漏播频率针对性的进行补漏。为对比自补偿和辅助补偿2 种方法的补种效果，吴南[33]分别设计了2种漏播补种装置，自补偿装置补种合格率不小于88%，而辅助补偿装置补种合格率不小于96%，明显高于自补偿装置。

近年来，精密播种技术朝着智能化方向迅速发展，我国种植制度复杂、土地经营分散等问题日渐凸显，使得我国精密播种技术发展缓慢，就目前国内精量播种技术研究现状，从以下几方面进行讨论。

1）排种器具体实用性不能确定、适应性差问题。我国对精量排种器的研究起步晚，学者研究主要靠引进国外机型对其加以改造，适应性较差，需结合我国不同地区农艺、种植制度及种植模式继续提升创新性，加强田间试验，优化排种器结构参数以适应我国不同地区播种作业的要求。

2）播种速度偏慢、作业质量不稳定的问题。在田间工作环境中，由于存在复杂的外界干扰因素，传统的PID 控制算法不能跟随速度变化，需优化控制算法以提升控制系统的鲁棒性和控制精度；
其次，需要提高速度反馈信号的精确度，采用多传感器信息融合等技术对速度信号进行补偿，确保在其中一种传感器故障或受干扰状况下仍能保持测速精度；
另外，漏播补偿技术可以在一定程度上改善播种性能。

3）从农业发展的实际需要考虑，精量播种技术仍会以提高播种效率和精度、播种设备的稳定性和可靠性为出发点。技术层面上，我国在播种智能化的技术研究方面处于起步阶段，随着我国新型材料、制造精度和加工工艺等先进技术的发展以及北斗定位系统的广泛应用，带有自动导航和播种作业监控设备、能够根据农艺信息决策变量播种的高速、高精度精量播种机是我国精量播种技术的发展方向。