精量播種機(jī)排種質(zhì)量電子監(jiān)測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀

張 景，紀(jì) 超 ※，陳金成 ，湯允猛

（1.新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，新疆 石河子 832000；2.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院）

0 引言

播種是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，相比傳統(tǒng)播種機(jī)具，精量播種機(jī)具有作業(yè)速度快、播種效率高、省種節(jié)支等優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越受到廣大農(nóng)戶歡迎，在新疆、東北等種植面積遼闊的地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。

農(nóng)田非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下，工況條件復(fù)雜、干擾因素多發(fā)，精量播種機(jī)長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)過(guò)程中難免發(fā)生機(jī)械振動(dòng)、傳動(dòng)故障、信號(hào)中斷等問(wèn)題，影響作業(yè)質(zhì)量，如產(chǎn)生斷條漏播將嚴(yán)重影響農(nóng)作物生長(zhǎng)，造成大幅減產(chǎn)。當(dāng)前精量播種機(jī)普遍為封閉式作業(yè)，難以直接觀測(cè)內(nèi)部排種過(guò)程，若采用人力跟隨監(jiān)視，需長(zhǎng)時(shí)間同時(shí)目測(cè)多項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，還將增加勞動(dòng)力成本，觀測(cè)結(jié)果也易受人為主觀因素影響。

隨著農(nóng)機(jī)自動(dòng)化、智能化發(fā)展，機(jī)電一體化、傳感器探測(cè)、信息融合等相關(guān)技術(shù)在農(nóng)業(yè)裝備領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。研發(fā)先進(jìn)的精量播種機(jī)排種質(zhì)量電子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，取代人工監(jiān)測(cè)，節(jié)約成本、提質(zhì)增效，已逐漸成為精量播種技術(shù)發(fā)展的重要方向。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

根據(jù)技術(shù)變革歷程，在實(shí)現(xiàn)電子監(jiān)測(cè)之前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究經(jīng)歷了機(jī)械式監(jiān)測(cè)與機(jī)電式監(jiān)測(cè)兩個(gè)前期階段[1～5]，其典型代表分別為早期的法國(guó)NODET氣吸式播種機(jī)[6]和英國(guó)S870型精量播種機(jī)[7]。兩者均將排種器作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，若排種器發(fā)生故障，將觸動(dòng)監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)，通過(guò)響鈴或指示燈提示報(bào)警。由于監(jiān)測(cè)對(duì)象不能直接反映排種過(guò)程，且誤差大，無(wú)法分辨故障類型，故隨著科技的發(fā)展，機(jī)械式與機(jī)電式監(jiān)測(cè)技術(shù)已被完全淘汰。

隨著傳感器技術(shù)應(yīng)用到在農(nóng)機(jī)裝備領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究逐漸將監(jiān)測(cè)對(duì)象從排種器轉(zhuǎn)變?yōu)橄侣浞N粒，通過(guò)監(jiān)測(cè)落種過(guò)程，更為直觀的反映出實(shí)際排種質(zhì)量，從而獲得更高的監(jiān)測(cè)精度，實(shí)現(xiàn)故障類型判定。

根據(jù)傳感器類型不同，可將當(dāng)前國(guó)內(nèi)外已研發(fā)的電子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為四大類型：光電感應(yīng)式、機(jī)器視覺(jué)式、電容感應(yīng)式和壓電感應(yīng)式。

1.1 光電感應(yīng)式

光電感應(yīng)式通常利用光感應(yīng)元件采集種粒對(duì)光線的遮擋信息，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)向電信號(hào)轉(zhuǎn)變。根據(jù)實(shí)際配套機(jī)具、安裝位置以及作物種粒不同，光感應(yīng)元件的選擇具有較強(qiáng)針對(duì)性。如：美國(guó)cyclo-500型、英國(guó)斯塔赫S870型播種機(jī)配備的監(jiān)測(cè)裝置選用了光電傳感器[8～9]；日本的并河…清[10]利用多組紅外LED與光敏三極管構(gòu)建了種粒監(jiān)測(cè)傳感器；澳大利亞A.E.E有限公司研制的氣力播種機(jī)選用了紅外傳感器作為感應(yīng)元件；國(guó)內(nèi)趙立業(yè)等人[11]利用硅光電池、小燈泡以及凸透鏡構(gòu)造了一種排種性能傳感器；張繼成等人[12]利用紅色高亮度發(fā)光二極管和光敏電阻構(gòu)建的監(jiān)測(cè)傳感器可實(shí)現(xiàn)種肥同時(shí)監(jiān)測(cè)；李雷霞等人[13]采用3對(duì)并列排布的紅外發(fā)光二極管和光敏三極管分別作為光電傳感器的發(fā)射端和接收端，實(shí)現(xiàn)多行精量播種全程無(wú)盲區(qū)監(jiān)測(cè)。

根據(jù)光感應(yīng)元件發(fā)光端與接收端相對(duì)位置不同，光電感應(yīng)式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)又可分為對(duì)射式[14]和反射式[15]。其中對(duì)射式的發(fā)光端與接收端相對(duì)安裝，接收端受光中斷時(shí)，則認(rèn)為有下落種粒；反射式的發(fā)光端與接收端位于同側(cè)，接收端受光時(shí)，則認(rèn)為有下落種粒。

圖1 播種監(jiān)測(cè)器產(chǎn)品實(shí)例1

由于光電傳感器響應(yīng)靈敏、成本低，相關(guān)技術(shù)成熟，系統(tǒng)易于構(gòu)建，利于產(chǎn)品化研發(fā)。國(guó)內(nèi)部分企業(yè)已推出相關(guān)產(chǎn)品，具有重播、漏播報(bào)警，播種量、作業(yè)面積等參數(shù)統(tǒng)計(jì)功能。例如：保定聯(lián)宇電子科技有限公司開(kāi)發(fā)的播種監(jiān)測(cè)器（圖1）利用反射式光電感應(yīng)原理針對(duì)指夾式排種器與勺輪式排種器分別開(kāi)發(fā)了對(duì)應(yīng)的排種監(jiān)測(cè)探頭，監(jiān)視報(bào)警器在發(fā)生堵塞或長(zhǎng)時(shí)間斷條漏播時(shí)，發(fā)出報(bào)警提示。

遼寧省東港市新星電子播種器廠研發(fā)的監(jiān)測(cè)探頭采用對(duì)射式結(jié)構(gòu)，發(fā)射端為1支10 mm直徑紅外發(fā)光二極管，接收端為四組平行排布的3 mm直徑紅外光電二極管，探頭安裝于排種管外側(cè)，同樣具備統(tǒng)計(jì)和報(bào)警功能（圖2）。

圖2 播種監(jiān)測(cè)器產(chǎn)品實(shí)例2

江蘇常州懷玉電子有限公司采用對(duì)射式光電感應(yīng)原理，監(jiān)測(cè)探頭可適配方形、圓形排種管以及無(wú)排種管的播種機(jī)，能夠監(jiān)視1到6行的播種情況并附帶LCD計(jì)數(shù)顯示（圖3）。

圖3 播種監(jiān)測(cè)器產(chǎn)品實(shí)例3

黑龍江海聲電子有限公司的監(jiān)測(cè)探頭最為簡(jiǎn)單，采用對(duì)射式光電感應(yīng)原理，兩個(gè)紅外光電二極管均布于紅外發(fā)光二極管兩側(cè)，該探頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)堵塞、漏播判定（圖4）。

圖4 播種監(jiān)測(cè)器產(chǎn)品實(shí)例4

1.2 機(jī)器視覺(jué)式

機(jī)器視覺(jué)感應(yīng)法一般利用視覺(jué)相機(jī)對(duì)下落種粒進(jìn)行高速攝像，通過(guò)圖像處理將相鄰種粒的像素間距轉(zhuǎn)化為實(shí)際粒距參數(shù)，并通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)粒距進(jìn)行對(duì)比，判定當(dāng)前粒距是否屬于漏播或重播范圍。

根據(jù)視覺(jué)系統(tǒng)搭建方式以及待測(cè)目標(biāo)特征不同，除硬件構(gòu)成有所差別外，研究人員基于各自系統(tǒng)分別開(kāi)發(fā)了最適軟件算法。例如：蔡曉華[16]等人研究了預(yù)處理式動(dòng)態(tài)閾值法，選取最佳閾值以及利用種子分布樣本進(jìn)行種子識(shí)別與粒距測(cè)量；胡少興[17]等人提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的種子位置智能檢測(cè)方法；喬曦[18]等人設(shè)計(jì)了基于Tsai的RAC方法對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行線性標(biāo)定建立數(shù)學(xué)模型；王辰星[19]等人通過(guò)投影、差分等方法處理靜態(tài)圖像從而得到處理目標(biāo)，然后用自行設(shè)計(jì)的檢測(cè)算法判斷每穴水稻粒數(shù)。安愛(ài)琴[20]等人提出了以樣本圖像中相鄰種子間距差為隨機(jī)變量的排種質(zhì)量識(shí)別模型；吳海平[21]等人采用平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程模型來(lái)描述排種時(shí)間和型孔種子數(shù)序列。

1.3 電容感應(yīng)式

電容感應(yīng)法通常將2塊電容感應(yīng)極板置于種粒下落軌跡兩側(cè)，建立種粒質(zhì)量與電容變化量線性關(guān)系，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路將電容變化量以高低電平信號(hào)即數(shù)字信號(hào)形式傳輸給單片機(jī)等控制單元。周利明[22]等人利用種子介電特性，研究了一種基于電容信號(hào)獲取與分析的播種性能監(jiān)測(cè)方法。通過(guò)對(duì)玉米播種機(jī)排種過(guò)程的運(yùn)動(dòng)學(xué)分折，獲得電容傳感器極板長(zhǎng)度的約束條件，為傳感器設(shè)計(jì)提供理論性參考。此外，周利明[23]等人又將電容感應(yīng)法推廣到小麥播種質(zhì)量監(jiān)測(cè)方面，利用AD7745數(shù)字轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)搭建微電容信號(hào)調(diào)理電路，電容傳感器與調(diào)理電路采用短線連接，減小了寄生電容對(duì)測(cè)量精度的影響。通過(guò)標(biāo)定，獲得了傳感器電容值與排種量的關(guān)系模型。

1.4 壓電感應(yīng)式

壓電感應(yīng)法采用壓電薄膜等壓力傳感器感應(yīng)種粒下落沖擊力，實(shí)現(xiàn)壓力值向電壓脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變。黃東巖[24]等人采用聚偏二氟乙烯（polyvinylidence fluoride，PVDF）壓電薄膜傳感器將排種器落粒物理量轉(zhuǎn)變成脈沖電壓信號(hào)，設(shè)計(jì)了以單片機(jī)STC89C52為核心的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。黃東巖[25]等人將壓電感應(yīng)技術(shù)推廣至播種深度監(jiān)測(cè)方面，采用壓電薄膜傳感器將免耕播種機(jī)限深輪的胎面形變量轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，系統(tǒng)根據(jù)信號(hào)峰值實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)播種單體對(duì)地表的壓力，當(dāng)壓力不足時(shí)控制空氣彈簧產(chǎn)生推力，使播種單體產(chǎn)生對(duì)地表的壓力，從而保證播種深度一致性。

1.5 技術(shù)對(duì)比

光電感應(yīng)法具有良好的響應(yīng)速度，系統(tǒng)構(gòu)建簡(jiǎn)單，是最早且最多在實(shí)際中應(yīng)用的排種監(jiān)測(cè)感應(yīng)方法。但在農(nóng)田作業(yè)環(huán)境下，光電傳感器直接暴露于高溫高塵工況中，其表面極易粘附灰塵等雜質(zhì)，影響系統(tǒng)監(jiān)測(cè)精度。機(jī)器視覺(jué)方法監(jiān)測(cè)精度高，但對(duì)作業(yè)環(huán)境要求嚴(yán)格，不僅同樣容易受到灰塵粘附影響，同時(shí)高昂的成本也限制了在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用[26]。壓電感應(yīng)法需要將感應(yīng)元件置于導(dǎo)種管內(nèi)，影響種粒下落軌跡，不僅可能改變種粒入土位置，并且增加了種管堵塞可能性。電容感應(yīng)法易受溫度變化和寄生電容干擾，其田間試驗(yàn)的可靠性、穩(wěn)定性等方面還達(dá)不到實(shí)際使用的要求。

綜合對(duì)比以上4種常用排種監(jiān)測(cè)方法，并參考實(shí)際應(yīng)用效果可以發(fā)現(xiàn)，光電感應(yīng)法因其系統(tǒng)穩(wěn)定、成本低廉，仍然是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的監(jiān)測(cè)手段。

2 播種監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

2.1 自動(dòng)補(bǔ)種

配備播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的播種機(jī)能夠在發(fā)生堵塞、漏播等故障問(wèn)題時(shí)發(fā)出報(bào)警，提示駕駛員停車檢修。若排種器性能不良而產(chǎn)生反復(fù)缺種或大幅斷條漏播時(shí)，需進(jìn)行人工補(bǔ)種，這樣雖能保證播種質(zhì)量，但勢(shì)必會(huì)增加二次人力成本?；诖?，相關(guān)研究人員提出在監(jiān)測(cè)到漏播信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)能夠替代人工實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)種。龔麗農(nóng)[27]等人利用光電傳感器監(jiān)測(cè)主排種器充種情況，當(dāng)出現(xiàn)漏播現(xiàn)象時(shí)，通過(guò)測(cè)控系統(tǒng)控制副排種器在恰當(dāng)時(shí)間補(bǔ)充排種，避免空穴。朱瑞祥[28]等人提出了一種基于超越離合器的大籽粒作物漏播自補(bǔ)種方法，采用激光光電傳感器和霍爾傳感器分別監(jiān)測(cè)漏種和排種器速度，依靠排種器自身的超越旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)位置無(wú)偏差補(bǔ)種并能夠故障報(bào)警。孫偉[29]等人針對(duì)馬鈴薯漏播補(bǔ)種設(shè)計(jì)了由定位和測(cè)薯模塊組成的漏播檢測(cè)系統(tǒng)以及由固態(tài)繼電器和電磁鐵組成的速動(dòng)補(bǔ)薯裝置，如發(fā)生漏播，系統(tǒng)將控制速動(dòng)補(bǔ)薯裝置將待補(bǔ)薯種擊打至預(yù)定位置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)種。

2.2 除塵機(jī)構(gòu)

當(dāng)前最為主流且成熟的播種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仍以光電感應(yīng)式為主，但田間高塵環(huán)境下如何剔除灰塵粘附干擾，保證系統(tǒng)監(jiān)測(cè)靈敏度，是限制光電傳感器進(jìn)一步推廣應(yīng)用的主要問(wèn)題。為此，相關(guān)研究人員設(shè)計(jì)了自清潔除塵機(jī)構(gòu)，將光電元件與外界環(huán)境有效隔離，從而降低灰塵侵蝕對(duì)系統(tǒng)精度的影響。宋鵬[30]等人設(shè)計(jì)了基于雙層玻璃板的自清潔裝置，人為將監(jiān)測(cè)探頭部分分隔為工作區(qū)與清潔區(qū)，通過(guò)旋轉(zhuǎn)擦拭，使作業(yè)區(qū)的玻璃表層一直處于潔凈狀態(tài)，從而保證了光線穿透能力。紀(jì)超[31]等人設(shè)計(jì)了基于旋轉(zhuǎn)式透明防塵罩的自清潔除塵裝置，將紅外監(jiān)測(cè)探頭置于罩體內(nèi)部，從而隔離外部環(huán)境，同時(shí)利用微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)罩體自轉(zhuǎn)，使其外表面不斷被毛刷擦拭，實(shí)現(xiàn)自我清潔。

3 問(wèn)題與建議

3.1 存在的問(wèn)題

（1）重播監(jiān)測(cè)精度低。重、漏播的判定依據(jù)一般選擇為相鄰種粒間的落種時(shí)差，若系統(tǒng)判定該時(shí)差超過(guò)正常工況下標(biāo)準(zhǔn)時(shí)差，則認(rèn)為發(fā)生漏播，反之為重播。由排種器作業(yè)過(guò)程可知，重播現(xiàn)象多由同一種孔攜帶多余數(shù)量的種粒所造成，從垂直于下落方向的角度來(lái)看，相鄰種粒多存在完全或部分重疊現(xiàn)象。若重疊面積過(guò)大，當(dāng)前常見(jiàn)類型的傳感器難以對(duì)相鄰種粒辨離，反將其認(rèn)定為大顆粒種子，從而造成重播漏判。

（2）不規(guī)則小粒種子監(jiān)測(cè)難度大。除視覺(jué)相機(jī)外，其他常見(jiàn)傳感器難以對(duì)種子種類、形狀、破損狀況等進(jìn)行識(shí)別判定，尤其針對(duì)不規(guī)則小粒種子，經(jīng)常將其與土粒、雜草種子以及破碎種粒等小顆粒雜質(zhì)相混淆，從而產(chǎn)生漏判、誤判現(xiàn)象。

（3）環(huán)境適應(yīng)性差。農(nóng)田非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下，強(qiáng)光、高溫、潮濕、高塵、震動(dòng)等外界不良因素均會(huì)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)靈敏度與穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。部分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架條件下試驗(yàn)效果良好，且性能指標(biāo)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有市場(chǎng)產(chǎn)品，但在大田作業(yè)工況下，則常發(fā)生誤判、漏判、信號(hào)中斷等問(wèn)題。

3.2 建議

（1）多傳感器融合，優(yōu)化系統(tǒng)構(gòu)成。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)探頭多采用單一類型傳感器，無(wú)論采用何種安裝位置，都難以打破自身局限性。為此，應(yīng)將多種感應(yīng)方式融合，通過(guò)合理配置，可相互彌補(bǔ)對(duì)方缺陷，提高系統(tǒng)整體性能。例如可首先利用光譜傳感器根據(jù)種、雜間的光譜差異進(jìn)行初次區(qū)分，其后通過(guò)常規(guī)監(jiān)測(cè)探頭進(jìn)行二次判定，從而增強(qiáng)識(shí)別效果，提高系統(tǒng)監(jiān)測(cè)精度。

（2）提高傳感器性能，配置防護(hù)裝置。為提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性，首先應(yīng)優(yōu)化探頭性能，選用穿透力、抗干擾能力更強(qiáng)的傳感器，同時(shí)優(yōu)化探頭內(nèi)各傳感器間的空間排布與信號(hào)處理電路，從而濾除一般型干擾影響。對(duì)于較強(qiáng)干擾，需設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)，具有強(qiáng)隔離性的防護(hù)裝置，將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與外部環(huán)境有效分隔，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。

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