玉米播種與測(cè)控技術(shù)研究進(jìn)展

苑嚴(yán)偉 白慧娟 方憲法, 王德成 周利明 牛 康

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院土壤植物機(jī)器系統(tǒng)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

提高玉米播種質(zhì)量是提高玉米產(chǎn)量的關(guān)鍵途徑，目前，主要通過(guò)精密播種技術(shù)提高玉米播種質(zhì)量。玉米精密播種技術(shù)是將定量的玉米種子，按照農(nóng)藝要求的行距、株距和播種深度進(jìn)行穴播，同時(shí)按照農(nóng)藝要求的種肥間距，進(jìn)行種肥深施[1]。精密播種技術(shù)可以提高玉米植株田間分布的均勻性，最大限度地減小植株間對(duì)土壤水分、養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng)，從而提高產(chǎn)量[2]。

精密播種技術(shù)主要通過(guò)玉米播種機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了提升播種機(jī)的性能，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了大量研究，對(duì)排種器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)(排種盤(pán)型孔數(shù)、型孔結(jié)構(gòu)、型孔直徑等)[3-12]，優(yōu)選播種機(jī)的作業(yè)參數(shù)(如排種盤(pán)的氣壓、轉(zhuǎn)速、播種機(jī)作業(yè)速度等)[11,13-15]，優(yōu)化導(dǎo)種管的結(jié)構(gòu)[13,16]，優(yōu)選開(kāi)溝器[17]，探索播種機(jī)作業(yè)狀態(tài)的改變對(duì)播種機(jī)性能的影響[18]等。目前，國(guó)內(nèi)播種機(jī)在機(jī)械結(jié)構(gòu)與性能方面與國(guó)外的差距已明顯縮小，然而，在智能化程度上還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后。國(guó)內(nèi)播種機(jī)排種器采用地輪驅(qū)動(dòng)較多，研究表明高速作業(yè)時(shí)排種性能會(huì)大幅度下降[19-20],而采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)播種單體時(shí)，播種性能優(yōu)于地輪驅(qū)動(dòng)[21-23]；播種機(jī)上幾乎沒(méi)有安裝排種測(cè)控設(shè)備，故障診斷仍然依靠人來(lái)完成；播種機(jī)仍主要依靠導(dǎo)種管導(dǎo)種，高速時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)著床，株距一致性差；播種機(jī)仿形和播深調(diào)節(jié)仍然主要依靠平行四桿、機(jī)械彈簧和限深輪結(jié)合的方式，播深一致性有待提高。而針對(duì)以上問(wèn)題，國(guó)外知名農(nóng)機(jī)企業(yè)(如美國(guó)John Deere、Precision Planting公司等)不僅有智能化解決方案，其先進(jìn)的播種機(jī)產(chǎn)品也已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng),引領(lǐng)了播種機(jī)的發(fā)展方向。目前，高速、高精度是播種機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，單靠機(jī)械性能的提升無(wú)法滿(mǎn)足高速時(shí)的高精度要求，在先進(jìn)的播種技術(shù)的基礎(chǔ)上采用測(cè)控技術(shù)是解決以上問(wèn)題的新途徑，也是提升播種機(jī)智能化水平的必然要求。

玉米播種機(jī)不僅要追求高速、高精度的發(fā)展方向，也要符合精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展要求。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)概念產(chǎn)生于20世紀(jì)90年代初，逐漸成為當(dāng)今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的新潮流，其基本內(nèi)涵是根據(jù)土壤肥力和作物生長(zhǎng)狀況的空間差異，調(diào)節(jié)對(duì)作物的投入，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)農(nóng)業(yè)資源的高效利用，獲得高效益[24]。精密播種是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)背景下的精密播種是把播種機(jī)和作業(yè)環(huán)境同時(shí)作為研究對(duì)象，基于氣象信息、土壤特性等進(jìn)行變量播種，前提是信息的快速獲取，這都依賴(lài)于傳感器等測(cè)控技術(shù)的發(fā)展。

目前，我國(guó)玉米播種機(jī)的速度、精度和智能化水平均較發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定差距，必須針對(duì)各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)逐項(xiàng)突破。玉米精密播種過(guò)程是一個(gè)系統(tǒng)工程，包括排種、投種、著床3個(gè)主要環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)緊密關(guān)聯(lián)，互相影響。要獲得較高的播種性能，即好的合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)和種距變異系數(shù)等[25]，必須追求每一個(gè)環(huán)節(jié)的精密，從而必須提升每一個(gè)環(huán)節(jié)的播種與測(cè)控水平。本文圍繞玉米播種全過(guò)程，綜述排種、投種、著床3個(gè)環(huán)節(jié)中播種與測(cè)控技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，總結(jié)國(guó)內(nèi)差距所在，指出國(guó)內(nèi)玉米播種技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向。

1 精密排種與測(cè)控技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)精密播種，首先在排種環(huán)節(jié)提供均勻有序的單?；N子流，使其既不重播，也不漏播。排種器是排種環(huán)節(jié)的核心部件，需按照設(shè)定的農(nóng)藝要求提供單?；姆N子流。目前，排種器的研究成果比較多，除研發(fā)了多種類(lèi)型的排種器外，還發(fā)現(xiàn)了很多有價(jià)值的規(guī)律[26]，并且每一條規(guī)律已經(jīng)被多次證明，這些研究成果可以用于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)際，排種器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定且高速地排種[27]。然而，排種器驅(qū)動(dòng)方式也會(huì)影響排種精度，傳統(tǒng)的排種器由地輪通過(guò)一系列的機(jī)械傳動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)，具有一定的局限性，采用新型的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)排種器逐漸成為發(fā)展趨勢(shì)[19]。這些新型的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具體是根據(jù)采集的播種機(jī)作業(yè)速度信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(液壓馬達(dá)、電動(dòng)機(jī)等)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)排種器轉(zhuǎn)速的精確控制。采集播種機(jī)作業(yè)速度信號(hào)的方法有增量式光碼盤(pán)脈沖個(gè)數(shù)測(cè)速、電磁式轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)速、開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器測(cè)速、GPS測(cè)速、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)速等。新型排種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不僅提高了排種精度，也為變量播種技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供了可能。目前，排種環(huán)節(jié)的研究包括針對(duì)排種器本身性能的研究、排種驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究、變量播種技術(shù)的研究。后兩個(gè)方面是排種環(huán)節(jié)的新課題，逐漸受到廣泛關(guān)注。

1.1 排種驅(qū)動(dòng)技術(shù)

玉米播種機(jī)播種質(zhì)量不僅取決于排種器的性能，還受到排種器驅(qū)動(dòng)方式的影響。目前，Maschio、Kinze、Horsch、Precision Planting、John Deere等知名農(nóng)機(jī)企業(yè)中，地輪驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)等驅(qū)動(dòng)方式都有應(yīng)用，用戶(hù)可以選配。而國(guó)內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的播種機(jī)仍以地輪驅(qū)動(dòng)為主。

傳統(tǒng)的排種器驅(qū)動(dòng)方式是地輪通過(guò)鏈傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)，地輪是驅(qū)動(dòng)排種器的動(dòng)力源。如圖1所示，地輪通過(guò)一系列機(jī)械傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞給排種器。隨著作業(yè)速度的提升，地輪的滑移以及鏈傳動(dòng)的不穩(wěn)定性也會(huì)增加。AYKAS等[28]和YAL?IN等[29]的研究表明，不同播種機(jī)的地輪滑移程度為6.08%～8.77%。另外，在采用地輪驅(qū)動(dòng)方式的情況下，排種速率不能實(shí)現(xiàn)大范圍的無(wú)級(jí)調(diào)速，無(wú)法實(shí)現(xiàn)播種量快速且準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)[19]。

自20世紀(jì)80年代起，出現(xiàn)了液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)等地輪驅(qū)動(dòng)的替代方案。液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)是以液壓馬達(dá)作為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)排種器，通過(guò)不同的傳動(dòng)方式將動(dòng)力從液壓馬達(dá)傳遞到排種器。如圖2所示，是兩種不同的液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)方案[30]。

圖1 地輪驅(qū)動(dòng)排種器Fig.1 Ground wheel drives seed meter

圖2 液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)方案Fig.2 Hydraulic motor driving program

意大利Maschio公司用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)主軸，再通過(guò)萬(wàn)向節(jié)將傳動(dòng)主軸的動(dòng)力分配給各播種單體[31]，如圖3所示。

圖3 液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)排種器Fig.3 Hydraulic motor drives seed meter

電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)是以電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)排種器，一般地，一個(gè)播種單體由一臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。如圖4所示，Precision Planting公司采用電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)排種器[32]。

圖4 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)排種器Fig.4 Motor drives seed meter

表1對(duì)各種驅(qū)動(dòng)方式的動(dòng)力源、優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較，并列舉了各種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的代表機(jī)型。

目前，電驅(qū)排種方式在國(guó)內(nèi)外都是研究的熱點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)主要處于實(shí)驗(yàn)室階段，產(chǎn)品化仍處于起步階段[26]。采用電驅(qū)排種技術(shù)，主要是采用電動(dòng)機(jī)替代機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，直接驅(qū)動(dòng)排種器，可以基于播種機(jī)的作業(yè)速度和設(shè)定的株距信息，實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)排種器轉(zhuǎn)速，使排種速率和播種機(jī)的作業(yè)速度相匹配，達(dá)到較高的排種精度。YANG等[23]設(shè)計(jì)了一款玉米播種機(jī)的開(kāi)環(huán)控制和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)排種器，提高了排種盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的穩(wěn)定性，同時(shí)也降低了對(duì)電動(dòng)機(jī)最大輸出扭矩的要求，地輪的作業(yè)速度通過(guò)編碼器實(shí)時(shí)測(cè)量。HE等[21]、張春嶺等[33]在楊麗等研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)高速時(shí)的低扭矩特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。CAY等[19,22]比較了電驅(qū)排種和地輪驅(qū)動(dòng)的播種機(jī)性能，認(rèn)為傳統(tǒng)的地輪驅(qū)動(dòng)方式可以用電驅(qū)方式取代，同時(shí)發(fā)現(xiàn)影響種距一致性的主要因素是排種盤(pán)的旋轉(zhuǎn)速度和種盤(pán)上的型孔數(shù)。

表1 各類(lèi)排種驅(qū)動(dòng)方式的比較Tab.1 Comparison between driving modes of seed meters

在產(chǎn)品化方面，德國(guó)Horsch公司的播種機(jī)采用電驅(qū)排種系統(tǒng)，通過(guò)減速器直接驅(qū)動(dòng)排種器[34]，但是排種系統(tǒng)沿排種軸方向的尺寸較大，如圖5所示。

圖5 Horsch電驅(qū)排種系統(tǒng)Fig.5 Electric drive seeding system of Horsch

Precision Planting公司的電驅(qū)排種系統(tǒng)采用了齒輪嚙合的方式將電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力傳遞給排種器[35]，減小了排種器整體尺寸，如圖6所示。

圖6 Precision Planting電驅(qū)排種系統(tǒng)Fig.6 Electric drive seeding system of Precision Planting

采用電驅(qū)排種系統(tǒng)不僅可以提高排種精度，適應(yīng)高速播種作業(yè)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)每一路播種單元的單獨(dú)啟停控制。Precision Planting的播種機(jī)采用了電驅(qū)排種系統(tǒng)，在曲線(xiàn)地塊作業(yè)時(shí)，可以對(duì)內(nèi)行和外行的播種單體獨(dú)立控制，使內(nèi)行的速度低于外行的速度，最終實(shí)現(xiàn)播種的均勻性，如圖7所示[36]。

圖7 Precision Planting曲線(xiàn)補(bǔ)償Fig.7 Curve compensation of Precision Planting

1.2 變量播種技術(shù)

傳統(tǒng)的精密播種技術(shù)缺少對(duì)具體作業(yè)環(huán)境的考慮，采用粗放型的平均化投入方式，保證種量一致、種距一致、播深一致，限制了田塊最大潛力的發(fā)揮。變量播種是在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)背景下對(duì)精密播種技術(shù)提出的新要求[24]，即基于田塊小區(qū)土壤特性差異，調(diào)節(jié)播種量、播種密度和播種深度，充分發(fā)揮土地潛力，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量和收益最大化。LOWENBERG-DEBOER[37]的試驗(yàn)研究表明，在土壤肥沃的地方采用大的播種密度，在土壤貧瘠的地方采用小的播種密度，可以提高產(chǎn)量。

變量播種技術(shù)目前僅限于研究和示范，實(shí)際應(yīng)用非常有限。BULLOCK等[38]進(jìn)行了變量播種試驗(yàn)，把產(chǎn)量的影響因素總結(jié)為：①在作物的生長(zhǎng)期基本不變的常量因素，稱(chēng)之為小區(qū)特性，如土壤質(zhì)地、坡度等。②可控因素，稱(chēng)之為生產(chǎn)物料的施用率，如種子、肥料、農(nóng)藥等。③不可控制的隨機(jī)因素，如氣候等。試驗(yàn)表明，變量播種獲得收益的前提是了解小區(qū)特性對(duì)播種密度和產(chǎn)量的影響機(jī)制，需要進(jìn)行長(zhǎng)期、大量、廣泛的試驗(yàn)，獲得精確的播種處方圖。LICHT等[39]基于土壤特性和地形特征進(jìn)行了玉米變量播種的田間試驗(yàn)，歷時(shí)3個(gè)生長(zhǎng)季，選擇了土壤特性有明顯差異的3個(gè)區(qū)，一共獲得9個(gè)試驗(yàn)結(jié)果，但最終結(jié)果并不理想，只有5個(gè)試驗(yàn)結(jié)果得到了最優(yōu)的播種速率，其中只有3個(gè)試驗(yàn)結(jié)果具有分析的價(jià)值。試驗(yàn)結(jié)果表明，由于播種速率對(duì)氣候因素和田間特性的變異性的響應(yīng)，以及各因素之間的交互作用，根據(jù)田間土壤特性和地形變量來(lái)尋求最優(yōu)播種率的方法很難實(shí)現(xiàn)。因此，需要針對(duì)不同的小區(qū)分別進(jìn)行變量播種試驗(yàn)，探索各個(gè)小區(qū)的變量播種規(guī)律，生成各自的處方圖。

目前，播種領(lǐng)域的變量作業(yè)主要基于土壤肥力和產(chǎn)量生成的施肥處方圖進(jìn)行變量施肥，而少有變量播種的報(bào)道。市場(chǎng)上的變量施肥播種機(jī)實(shí)質(zhì)上都是變量施肥機(jī)和播種機(jī)的組合，如凱斯的Flexi-Coil變量播種機(jī)，可以基于施肥處方圖，利用變量控制器控制電液伺服馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)施肥量[40]。然而，由于通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)獲取土壤養(yǎng)分圖的方法尚不成熟，土壤養(yǎng)分圖獲取仍然依靠土壤采樣，不僅耗時(shí)耗力，成本高，而且獲取的數(shù)據(jù)量有限。

變量播種的核心內(nèi)容是變量播種處方圖和變量播種機(jī)。變量播種處方圖的獲取是一個(gè)難點(diǎn)，目前仍未解決。變量播種機(jī)的技術(shù)關(guān)鍵在于可以實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)排種速率，可以通過(guò)液壓馬達(dá)或電驅(qū)排種技術(shù)實(shí)現(xiàn)。由于變量播種處方圖獲取的難度較大，變量播種技術(shù)的應(yīng)用受到限制。

2 平穩(wěn)投種與測(cè)控技術(shù)

投種技術(shù)是實(shí)現(xiàn)玉米精密播種的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，投種過(guò)程是指玉米種子從排種器出口到達(dá)種溝的過(guò)程。傳統(tǒng)的播種機(jī)一般采用曲形導(dǎo)種管進(jìn)行投種，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，種子離開(kāi)排種盤(pán)后在重力的作用下沿著導(dǎo)種管下落，到達(dá)種溝，在此過(guò)程中，種子與排種管壁發(fā)生碰撞，到達(dá)種溝時(shí)發(fā)生彈跳，在高速播種的情況下，彈跳更加劇烈，這會(huì)影響播種的均勻性，進(jìn)而影響產(chǎn)量。因此，投種技術(shù)的研究也一直是精密播種領(lǐng)域的研究課題之一。由于播種作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，需要播種質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)漏播報(bào)警，預(yù)防缺苗減產(chǎn)，而排種器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、緊湊，安裝監(jiān)控模塊難度大，通常安裝在結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的投種裝置上，對(duì)投種過(guò)程中單?；姆N子流進(jìn)行監(jiān)控。本節(jié)主要對(duì)投種技術(shù)及投種過(guò)程涉及到的測(cè)控技術(shù)進(jìn)行闡述。

2.1 平穩(wěn)投種技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)精密播種，學(xué)者提出了零速投種、點(diǎn)播式投種、帶式投種和氣力式投射等多種方式。

佟超[41]闡述了零速投種理論，即保證種子落入種床的瞬間相對(duì)地面速度接近于零。零速投種主要有“重力投種”和“二次投種”兩種方式，“重力投種”是指排種口排出的種子在重力作用下下落，途經(jīng)曲形導(dǎo)種管，獲得與播種機(jī)作業(yè)速度大小相等、方向相反的水平分速度?！岸瓮斗N”是將排種口排出的種子再通過(guò)機(jī)械作用向播種機(jī)前進(jìn)的相反方向加速，使種子在投種時(shí)獲得與播種機(jī)前進(jìn)方向相反、大小相等的水平分速度。導(dǎo)種管是利用“重力投種”方式實(shí)現(xiàn)“零速投種”的主要部件，主要采用后彎拋物線(xiàn)的形式，距地面一定高度，連接在排種口，可以抵消掉種子在播種機(jī)前進(jìn)方向的分速度，減少種子落入種溝的彈跳現(xiàn)象，提高播種精度。KOCHER等[13]以John Deere MaxEmerge Plus Vacumeter Planter的新舊導(dǎo)種管為試驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行了播種性能對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)新導(dǎo)種管的播種性能更好，主要是由于新導(dǎo)種管內(nèi)壁光滑，舊導(dǎo)種管內(nèi)壁粗糙。YAZGI[16]在不同的作業(yè)速度和理論種距的試驗(yàn)條件下，研究了不同的導(dǎo)種管形狀對(duì)排種性能的影響，就排種合格率而言，塑料波紋管式導(dǎo)種管的性能比金屬光滑面差很多。劉立晶等[42]基于對(duì)進(jìn)口導(dǎo)種管結(jié)構(gòu)的逆向工程設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了一款新型導(dǎo)種管，進(jìn)行了無(wú)導(dǎo)種管、進(jìn)口導(dǎo)種管、新型導(dǎo)種管的性能對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，導(dǎo)種管的使用優(yōu)于無(wú)導(dǎo)種管的情況。導(dǎo)種管的設(shè)計(jì)需要考慮多種因素，如：直線(xiàn)段部分長(zhǎng)度、直線(xiàn)段部分與水平方向夾角、圓弧部分曲率、圓弧圓心角、截面面積和粗糙度等，這些因素都會(huì)影響排種性能，在排種盤(pán)適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速下，合理的導(dǎo)種管結(jié)構(gòu)和精密的排種器配合，可以實(shí)現(xiàn)零速投種。導(dǎo)種管作為投種裝置，在排種盤(pán)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，種子貼著導(dǎo)種管壁排出，管內(nèi)碰撞少，種子落入種溝時(shí)彈跳小，隨著排種盤(pán)轉(zhuǎn)速增高，種子在導(dǎo)種管內(nèi)的碰撞增多，種子排出導(dǎo)種管的軌跡無(wú)法預(yù)測(cè)，因此，導(dǎo)種管具有一定的局限性。

點(diǎn)播式投種方式是指利用與地面垂直的往復(fù)式投種機(jī)構(gòu)將種子直接送進(jìn)種溝。魏宏安等[43]設(shè)計(jì)了垂直插入式小麥覆膜穴播機(jī)，采用轉(zhuǎn)筒結(jié)構(gòu)，運(yùn)用平行四桿機(jī)構(gòu)原理，實(shí)現(xiàn)了成穴器——鴨嘴的直立接種、垂直入土和出土；李復(fù)輝等[44]設(shè)計(jì)了舵輪式玉米免耕精量施肥播種機(jī)，其關(guān)鍵部件舵輪既是行走輪又是投種器，縮短了投種行程，可直接把種子送到土壤中。點(diǎn)播式投種方式，實(shí)質(zhì)是用點(diǎn)播的方式讓土壤包圍種子，由于種子受到土壤的摩擦力，從而消除了落入種溝時(shí)的彈跳，該投種方式能夠保證種距的一致性，但其無(wú)法實(shí)現(xiàn)高速作業(yè)。

帶式投種技術(shù)是目前先進(jìn)的投種技術(shù)之一，其通過(guò)傳送帶將種子從排種器出口運(yùn)輸?shù)捷^低的投種高度后投種。美國(guó)John Deere公司研發(fā)了毛刷導(dǎo)種帶，種子從氣吸式排種器排出后，粘附在導(dǎo)種帶上，導(dǎo)種帶柔性?shī)A持種子并攜種子運(yùn)動(dòng)，到達(dá)較低投種位置時(shí)投種，精確地把種子排在種溝底部，實(shí)現(xiàn)零速投種[45-46]，如圖8所示；美國(guó)Precision Planting公司2014年研發(fā)了由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的“SpeedTube”投種系統(tǒng)，可安裝在該公司生產(chǎn)的“vSet”氣吸式排種器上，一對(duì)齒形喂入輪相對(duì)旋轉(zhuǎn)將排種盤(pán)吸孔上的種子“摘”下，送入到輸種帶的葉片隔腔中，種子在輸種帶葉片高速推壓下從播種單體的上端輸送到接近種溝的位置，然后被葉片拋出，“零速”落入種溝，該輸種系統(tǒng)可將播種機(jī)作業(yè)速度提高至16 km/h，且能夠較好地保持株距一致性，而且輸種帶的傳動(dòng)速度隨著播種機(jī)前進(jìn)速度的變化而變化[47]，如圖9所示。采用帶式投種方式，可對(duì)種子在排種器與種溝之間的行程進(jìn)行很大程度地控制，降低最終的投種高度，縮短種子的自由運(yùn)動(dòng)行程，從而減少種子運(yùn)動(dòng)的不確定性，減少種子在種溝的彈跳，能夠?qū)崿F(xiàn)精密播種機(jī)的高速作業(yè)。

氣力式投射方式是指利用正壓氣流將排種器口的種子吹到種溝中，氣流對(duì)種子的作用力，減少了種子的自由運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)種子運(yùn)動(dòng)軌跡的控制。呂金慶等[48]以氣吸式馬鈴薯排種器為研究對(duì)象，利用正壓氣流對(duì)下落的種子施加與播種機(jī)前進(jìn)方向相反的作用力，以實(shí)現(xiàn)零速投種，結(jié)構(gòu)如圖10所示。荷蘭Lockwood公司的馬鈴薯播種機(jī)采用了相同排種原理的排種器[49]，如圖11所示。瑞典V?derstad公司的Tempo播種機(jī)播種速度超過(guò)了20 km/h，種植深度精度為±0.5 cm，重播率為0.35%，漏播率為1.21%，平均播種精度為98.5%，株距變異系數(shù)為24.3%，在作業(yè)速度達(dá)到17 km/h時(shí)，播種機(jī)的變異系數(shù)通常接近20%。高速作業(yè)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)高精度播種，主要取決于加壓排種器的設(shè)計(jì)，其中采用了力量投射技術(shù)，利用氣壓對(duì)種子從排種器落入土壤的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行完全的控制[50]，其排種管結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖8 John Deere導(dǎo)種帶Fig.8 Seed-guiding belt of John Deere

圖9 SpeedTube投種系統(tǒng)Fig.9 SpeedTube seed-guiding system

圖10 正壓氣流式排種器結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Structure of seed meter with flowing positive pressure air

圖11 Lockwood馬鈴薯排種器Fig.11 Potato seedmeter of Lockwood

圖12 V?derstad投種裝置Fig.12 Seed-guiding device of V?derstad

2.2 投種過(guò)程中的測(cè)控技術(shù)

黏油帶法是傳統(tǒng)的排種器性能檢測(cè)方法[51]，由于可獲得的樣本數(shù)量有限，浪費(fèi)種子，污染環(huán)境，耗時(shí)耗力，近年來(lái)，逐漸被智能化檢測(cè)的手段所取代。投種過(guò)程中的檢測(cè)技術(shù)是用傳感器、高速攝像機(jī)等手段代替人監(jiān)測(cè)種子流的狀態(tài)，實(shí)時(shí)地獲取排種器的作業(yè)狀態(tài)，在線(xiàn)評(píng)估排種性能，并在問(wèn)題出現(xiàn)時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提醒人采取調(diào)整措施或進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整。投種過(guò)程中的測(cè)控技術(shù)有兩方面的應(yīng)用，一方面用于試驗(yàn)室條件下，對(duì)排種器的性能進(jìn)行檢測(cè)，另一方面用于田間作業(yè)環(huán)境下，對(duì)播種機(jī)的性能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以避免播種機(jī)在復(fù)雜多變的田間作業(yè)環(huán)境下性能下降。目前，播種機(jī)的性能指標(biāo)主要有排種性能的合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)和種距變異系數(shù)等[25]，均是以種距或株距的測(cè)量為基礎(chǔ)。

目前，對(duì)種子流的檢測(cè)技術(shù)主要有基于光電傳感器的檢測(cè)技術(shù)和基于高速攝像與圖像處理的檢測(cè)技術(shù)。

2.2.1基于光電傳感器的檢測(cè)技術(shù)

采用光電傳感器方式的檢測(cè)系統(tǒng)主要由光電傳感器、速度傳感器、控制器和顯示終端組成，結(jié)構(gòu)組成如圖13所示[2]。

圖13 光電檢測(cè)系統(tǒng)方案圖Fig.13 Scheme diagram of photoelectric monitoring system1.顯示終端 2.控制器 3.光電傳感器 4.速度傳感器

光電傳感器用于監(jiān)測(cè)種子流的狀態(tài)，一般由發(fā)射端的光源和接收端的敏感元件組成，發(fā)射端和接收端相對(duì)安裝在投種區(qū)域的兩側(cè)，形成監(jiān)測(cè)區(qū)域，排種器排出的種子經(jīng)過(guò)此區(qū)域時(shí)，光電傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)種子流的狀態(tài)。光電傳感器的工作原理是：光源發(fā)出光線(xiàn)，由敏感元件接收光線(xiàn)，排種過(guò)程中，種子經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)區(qū)域時(shí)，會(huì)遮擋發(fā)射端光源發(fā)出的光線(xiàn)，觸發(fā)接收端發(fā)出電平信號(hào)，進(jìn)而得到相鄰兩粒種子下落的時(shí)間間隔。Horsch公司將光電傳感器安裝在導(dǎo)種管上，監(jiān)測(cè)種子的通過(guò)狀態(tài)，如圖14所示。

圖14 Horsch光電傳感器Fig.14 Photoelectric sensor of Horsch

John Deere公司將傳感器安裝在溝槽式輸送系統(tǒng)上，種子在輸送系統(tǒng)的夾持下通過(guò)傳感器時(shí)，和輸送系統(tǒng)處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，傳感器獲得的信號(hào)會(huì)非常準(zhǔn)確，并將信號(hào)傳給控制器，如圖15所示[52]。對(duì)于光電傳感器的導(dǎo)種管配置和導(dǎo)種帶配置方式，前者在排種速率增加時(shí)，會(huì)漏掉一些種子，最后需要對(duì)記錄結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，后者的記錄結(jié)果更準(zhǔn)確。

圖15 John Deere溝槽式輸送系統(tǒng)與傳感器Fig.15 Reflective seed sensor and sensor on trench-delivery system of John Deere

播種機(jī)性能監(jiān)測(cè)中使用的光電傳感器包括光纖傳感器、光敏電阻傳感器、紅外線(xiàn)傳感器、激光傳感器等。最近幾年，使用光纖傳感器監(jiān)測(cè)小粒種子(如黑麥、油菜、谷物)播種機(jī)性能的研究較多[53-55]，主要以監(jiān)測(cè)播量和排種性能為主，這些播種機(jī)多是采用外槽輪排種器，種子呈柱狀流出，研究表明采用光纖傳感器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有較高的測(cè)量精度。而玉米播種機(jī)性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般采用光敏電阻傳感器、紅外線(xiàn)傳感器和激光傳感器等。光敏傳感器接收端采用光敏電阻，發(fā)射端的光源類(lèi)型不固定；紅外線(xiàn)傳感器發(fā)射端的光源采用紅外發(fā)光二極管，接收端的敏感元件類(lèi)型不固定；激光傳感器發(fā)射端的光源采用激光二極管，接收端的敏感元件類(lèi)型不固定。光電傳感器發(fā)射端的光源一般包括紅外發(fā)光二極管、發(fā)光二極管和激光二極管，接收端的敏感元件主要包括光敏二極管、光敏三極管、光敏電阻和硅光電池。因此，通過(guò)不同的組合可以組成多種傳感器。

文獻(xiàn)[56-58]均采用發(fā)光二極管和光敏電阻分別作為發(fā)光元件和光敏元件，組成光敏電阻傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)播種機(jī)的作業(yè)狀態(tài)，并在監(jiān)測(cè)到故障時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。文獻(xiàn)[59-60]采用近紅外發(fā)光二極管和光敏三極管組成傳感器，監(jiān)測(cè)排種器的性能，并與黏油帶系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，兩者相關(guān)系數(shù)為0.951。金衡模等[61]設(shè)計(jì)了玉米精播機(jī)漏播補(bǔ)償系統(tǒng)，采用兩組傳感器分別用于原播種系統(tǒng)和補(bǔ)播系統(tǒng)的性能監(jiān)測(cè)，兩組傳感器分別是紅外發(fā)光二極管和光敏三極管的組合、發(fā)光二極管和光敏電阻的組合。XIA等[62]采用3～4組紅外發(fā)光二極管和光敏三極管在排種管上均勻?qū)ΨQ(chēng)地配置，實(shí)時(shí)地監(jiān)控播種機(jī)的性能，并能進(jìn)行光電報(bào)警。OKOPNIK等[63]采用DFRobot RB-DFR-49紅外線(xiàn)傳感器檢測(cè)種距，紅外發(fā)光二極管和紅外光電二極管之間形成三維監(jiān)測(cè)區(qū)域，當(dāng)種子通過(guò)監(jiān)測(cè)區(qū)域時(shí)，種子反射的紅外線(xiàn)會(huì)激發(fā)紅外光電傳感器產(chǎn)生5 V的高平信號(hào)，當(dāng)種子在監(jiān)測(cè)區(qū)域之外時(shí)，接收端輸出0 V的低平信號(hào)，通過(guò)改變光電傳感器與皮帶表面的距離來(lái)調(diào)整監(jiān)測(cè)區(qū)域的大小。史智興等[64-65]采用激光二極管和硅光電池設(shè)計(jì)了激光束柵格光電傳感器和雙路激光逆向直射光電傳感器，改善了傳感器對(duì)落種的覆蓋性能，減少了漏檢。宋鵬等[66]采用一字線(xiàn)激光器和緊密排列的貼片光敏二極管作為光電傳感器的發(fā)射端和接收端，監(jiān)測(cè)排種器的性能。表2為幾種不同結(jié)構(gòu)的傳感器，為了提高傳感器的覆蓋性能，一方面盡量使光束的直徑小于種子的尺寸，避免種子從光束內(nèi)部通過(guò)，無(wú)法完整遮擋光束，另一方面使傳感器的監(jiān)測(cè)區(qū)域?qū)ΨN子的通過(guò)區(qū)域進(jìn)行全覆蓋，避免漏檢。

KARIMI等[69]對(duì)光敏電阻傳感器、紅外線(xiàn)傳感器、激光傳感器3種非接觸式種子流量檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，3種傳感器的原理如圖16所示，試驗(yàn)結(jié)果表明，紅外線(xiàn)傳感器的檢測(cè)結(jié)果與電子秤的測(cè)量結(jié)果最接近，綜合比較得出，紅外線(xiàn)傳感器是光電檢測(cè)系統(tǒng)的較優(yōu)選擇。

光電傳感器具有很多優(yōu)點(diǎn)，適用于漏播檢測(cè)，具有高的測(cè)量靈敏性、快的測(cè)量速度，成本低，數(shù)據(jù)采集和使用都很方便[2]。然而，也有一些缺點(diǎn)，對(duì)于重播檢測(cè)，當(dāng)種子顆粒較小、播種速度較快時(shí)，誤差較大，也無(wú)法檢測(cè)種子破碎率。周利明等[70]針對(duì)現(xiàn)有的光電傳感器較難監(jiān)測(cè)重播的情況，基于微電容信號(hào)獲取與分析的方法，設(shè)計(jì)了電容傳感器，由電容傳感器獲取種子運(yùn)動(dòng)信息，利用峰值搜索方法獲取所捕獲的相鄰2個(gè)籽粒脈沖的時(shí)間間隔及脈沖積分面積，實(shí)現(xiàn)對(duì)排種性能的監(jiān)測(cè)，特別能檢測(cè)出兩粒種子同時(shí)下落的情況。

表2 各類(lèi)應(yīng)用于播種機(jī)性能檢測(cè)系統(tǒng)的光電傳感器的對(duì)比Tab.2 Comparison between photoelectric sensors applied to planters’ performance monitoring system

圖16 各類(lèi)光電傳感器原理圖Fig.16 Schematic diagram of various photoelectric sensors

2.2.2基于高速攝像和圖像處理的檢測(cè)技術(shù)

基于高速攝像和圖像處理技術(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)包括高速攝像機(jī)、圖像采集卡、照明系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)等部分[71-74]，方案如圖17所示[75]。

圖17 基于高速攝像和圖像處理的檢測(cè)系統(tǒng)方案Fig.17 Detection system scheme based on high-speed camera and image processing1.計(jì)算機(jī) 2.圖像采集卡 3.高速攝像機(jī) 4.照明系統(tǒng) 5.三腳架 6.編碼器 7.電動(dòng)機(jī)

高速攝像機(jī)用于對(duì)排種器排出的種子流進(jìn)行圖像采集，需要有較高的檢測(cè)速度，以及較高的成像質(zhì)量和分辨率，如CCD相機(jī)等；圖像采集卡用于將攝像機(jī)拍攝的圖像傳輸給計(jì)算機(jī)，應(yīng)具有較高的傳輸速率，并能快速進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；照明系統(tǒng)用于為攝像提供一個(gè)良好的光照環(huán)境；計(jì)算機(jī)具有人機(jī)交互接口，用于顯示、存儲(chǔ)圖像，并借助專(zhuān)門(mén)的圖像處理軟件處理和分析圖像。

當(dāng)前，關(guān)于高速攝像和圖像處理檢測(cè)技術(shù)的研究較多。陳進(jìn)等[76]提出了采用此檢測(cè)方式分析種子破碎和重播情況的方法，將圖像像素點(diǎn)的面積和與設(shè)定的單粒種子的面積范圍比較，若小于最小值，則發(fā)生了破碎，認(rèn)為是漏播，若大于最大值，則認(rèn)為是重播。NAVID等[77]利用圖像處理技術(shù)對(duì)番茄種子排種器的性能進(jìn)行了檢測(cè)，并與傳統(tǒng)的黏油帶檢測(cè)方式進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)黏油帶方式的測(cè)量值和種距的設(shè)定值有較好的一致性，而采用圖像處理檢測(cè)方式的測(cè)量值與種距的設(shè)定值有一定的差異，且兩種檢測(cè)方式測(cè)得的種距值具有線(xiàn)性關(guān)系，兩種檢測(cè)方式測(cè)量值的差異是由種子下落時(shí)的狀態(tài)導(dǎo)致的，圖像處理的檢測(cè)方式是在假定種子自由落體的情況下獲得種距值，而黏油帶的測(cè)量值是真實(shí)情況下的種距值，如果要用圖像處理方式的測(cè)量值代替黏油帶方式的測(cè)量值，則需要采用程序進(jìn)行調(diào)節(jié)。AKDEMIR等[75]研發(fā)了播種機(jī)室內(nèi)性能檢測(cè)的圖像分析系統(tǒng)，采用兩臺(tái)攝像機(jī)，一臺(tái)對(duì)落種過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，用于計(jì)數(shù)，一臺(tái)對(duì)傳送帶上的種子進(jìn)行監(jiān)測(cè)，用于計(jì)算種距。MANGUS等[18]采用了高速攝像和圖像處理技術(shù)去測(cè)量播種機(jī)不同作業(yè)狀態(tài)下(加速、減速、轉(zhuǎn)彎等)的速度和單粒率，并與光電傳感器的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，誤差率為(0.8 ± 0.2)%，從而驗(yàn)證了高速攝像和圖像處理檢測(cè)技術(shù)的可行性，該方式與其他高速攝像檢測(cè)方式的不同之處在于，提前對(duì)排種盤(pán)上的型孔進(jìn)行標(biāo)定，作業(yè)過(guò)程中，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的型孔依次進(jìn)行高速攝像，圖像只有以下4種情況：型孔單粒充種、雙粒充種、3粒充種和未充種，通過(guò)圖像處理技術(shù)，可以準(zhǔn)確地判斷排種情況，過(guò)程如圖18所示。

圖18 高速攝像和圖像處理的過(guò)程Fig.18 Process of high-speed camera shooting and image processing

相對(duì)于光電傳感器檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)重播率誤差較大的局限性，高速攝像和圖像處理相結(jié)合的檢測(cè)技術(shù)可以更準(zhǔn)確地檢測(cè)重播率，另外，還可以檢測(cè)種子的破碎率。但這種檢測(cè)技術(shù)也有一些局限性，其對(duì)軟件、硬件和環(huán)境的要求都很高，需要有高分辨率的攝像機(jī)、專(zhuān)業(yè)化的圖像處理軟件和均勻的照明環(huán)境，且需要對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行復(fù)雜的標(biāo)定，以及后續(xù)的圖像處理操作，不僅成本較高，而且勞動(dòng)強(qiáng)度較大。

光電傳感器檢測(cè)技術(shù)、高速攝像和圖像處理檢測(cè)技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。前者成本低，使用方便，應(yīng)用更為廣泛；后者對(duì)檢測(cè)種子的顆粒尺寸沒(méi)有要求，且有更高的檢測(cè)精度，可應(yīng)用于精密排種器的室內(nèi)性能檢測(cè)。

3 平穩(wěn)著床與測(cè)控技術(shù)

在精密排種技術(shù)和平穩(wěn)投種技術(shù)的基礎(chǔ)上，為了確保排種和投種過(guò)程中實(shí)現(xiàn)的種距一致性，最終實(shí)現(xiàn)播種的均勻性，需要使種子平穩(wěn)地著床。當(dāng)前，種溝構(gòu)建、外力壓種、播深控制等技術(shù)是種子平穩(wěn)著床的關(guān)鍵技術(shù)，也是玉米播種領(lǐng)域的主要研究方向。

3.1 種溝構(gòu)建技術(shù)

種溝構(gòu)建技術(shù)是實(shí)現(xiàn)精密播種的關(guān)鍵[78]，優(yōu)質(zhì)種床結(jié)構(gòu)可分為3層，分別為種下土壤、種上土壤和土壤表層的土塊、殘茬等覆蓋物[79]，如圖19所示，種下土壤應(yīng)緊實(shí)，利于提熵，種上土壤應(yīng)松碎緊密，利于空氣和熱量的流通，土壤表層的覆蓋物用于防止水分蒸發(fā)[80]。構(gòu)建適宜的種床土壤結(jié)構(gòu)，保證良好的種床性能，不僅可以為種子提供虛實(shí)相間的生長(zhǎng)環(huán)境，有利于提高水分的利用率，還可以減少種子的觸土彈跳，提高種子的分布均勻性、播深一致性[27]。

圖19 種床結(jié)構(gòu)示意圖Fig.19 Schematic diagram of seed bed structure

開(kāi)溝器是種溝構(gòu)建的主要部件，其工作質(zhì)量直接決定種溝的形狀，進(jìn)而影響播種質(zhì)量。開(kāi)溝器有多種形式，按照入土角的不同，可以分為銳角和鈍角開(kāi)溝器兩類(lèi)，銳角開(kāi)溝器的入土性能通常優(yōu)于鈍角開(kāi)溝器，銳角開(kāi)溝器主要包括鋤鏟式和芯鏵式，鈍角開(kāi)溝器主要包括滑刀式和圓盤(pán)式。不同類(lèi)型的開(kāi)溝器適用于不同的作業(yè)環(huán)境。由于圓盤(pán)式開(kāi)溝器依靠周邊韌口滾動(dòng)工作，因此適用于整地條件差的作業(yè)環(huán)境(如免耕作業(yè)環(huán)境)，也能夠?qū)崿F(xiàn)高速作業(yè)。由于芯鏵式、雙圓盤(pán)式、滑刀式開(kāi)溝器在開(kāi)溝時(shí)對(duì)土層擾動(dòng)較小，可實(shí)現(xiàn)濕土覆種，因此，適用于干旱地區(qū)。一般而言，開(kāi)溝時(shí)對(duì)土層擾動(dòng)較小的開(kāi)溝器，自覆土性能相對(duì)較差，需要專(zhuān)門(mén)的覆土部件進(jìn)行覆土(如滑刀式)；而自覆土性能較好的開(kāi)溝器，一般會(huì)擾亂土層，使干濕土混合，不適用于干旱地區(qū)(如鋤鏟式)。相對(duì)而言，雙圓盤(pán)開(kāi)溝器是一種適應(yīng)性較好的開(kāi)溝器，而滑刀式開(kāi)溝器在非免耕條件下，播種質(zhì)量較高。

近年來(lái)，學(xué)者們對(duì)開(kāi)溝器進(jìn)行了大量的研究，以提高入土與切土性能、減阻耐磨為目的，主要涉及開(kāi)溝器的結(jié)構(gòu)、表面材料、作業(yè)參數(shù)和作業(yè)環(huán)境等[81-87]。BUFTON等[88]研究了落種速度、落種角度及地表類(lèi)型對(duì)種子在種溝內(nèi)位移的影響：落種速度越低，位移越小；落種角度在75°～85°之間時(shí)，位移最?。慌c壓實(shí)表面相比，種子落在剪切表面上的位移較??；此外，尺寸較小的不規(guī)則形狀種子的位移小于尺寸較大的球狀種子。馬旭等[89]建立了種子著地速度、著地角度、開(kāi)溝角度、播種深度和土壤濕度等影響因素與種子彈跳滾動(dòng)位移的數(shù)學(xué)模型，為田間植株分布預(yù)測(cè)和計(jì)算機(jī)仿真研究奠定了基礎(chǔ)。為實(shí)現(xiàn)精密播種，開(kāi)溝器需要滿(mǎn)足開(kāi)溝阻力低、開(kāi)溝質(zhì)量好的要求，以利于平穩(wěn)落種，提高種子分布的均勻性。然而，關(guān)于種溝質(zhì)量的研究相對(duì)缺乏。不同的開(kāi)溝器結(jié)構(gòu)會(huì)形成不同的種溝形狀，會(huì)對(duì)種子觸土后的狀態(tài)產(chǎn)生不同影響。袁銳[90]研究了溝形對(duì)種子觸土后彈跳滾動(dòng)的影響，對(duì)于V型開(kāi)溝器，開(kāi)溝角越小，種子的位移越小。寬度較窄、溝內(nèi)平整的種溝，種子觸土后的彈跳滾動(dòng)位移較小。賈洪雷等[91]設(shè)計(jì)了雙V形筑溝器，相對(duì)于圓盤(pán)式開(kāi)溝器，開(kāi)溝深度均勻，開(kāi)出種溝較窄，溝形穩(wěn)定，溝壁平滑，土壤緊實(shí)，有利于保證播種深度一致性、種子分布直線(xiàn)性。由以上研究可知，開(kāi)溝器影響種床的質(zhì)量，從而影響種子在種溝內(nèi)的分布均勻性，然而通過(guò)文獻(xiàn)可知，開(kāi)溝器對(duì)種床質(zhì)量影響方面的研究較少。

作物生長(zhǎng)需要一個(gè)上松下實(shí)的土壤耕層環(huán)境[92]，主要通過(guò)種溝鎮(zhèn)壓和播后鎮(zhèn)壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[27，93-94]的研究表明，種溝鎮(zhèn)壓可增加或保持種溝含水量，縮短出苗時(shí)間。目前，耕層環(huán)境往往忽略了種溝鎮(zhèn)壓，只進(jìn)行播后鎮(zhèn)壓。BLANCO等[95]提出，當(dāng)播深較深時(shí)，不能單純依靠增加鎮(zhèn)壓輪的配重實(shí)現(xiàn)種子帶所在耕層的土壤壓實(shí)，否則，表層土壤將被過(guò)分鎮(zhèn)壓。播種深度為0～200 mm時(shí)，作物正常生長(zhǎng)的土壤堅(jiān)實(shí)度臨界值為2～3 MPa，土壤堅(jiān)實(shí)度超過(guò)此臨界值時(shí)，將會(huì)抑制作物根系生長(zhǎng)[96-97]。播種機(jī)上采用種溝鎮(zhèn)壓裝置可保證種下土壤的堅(jiān)實(shí)度，其原理是在開(kāi)溝器之后安裝種溝鎮(zhèn)壓裝置，對(duì)初始種溝進(jìn)行造型和鎮(zhèn)壓，提高種溝質(zhì)量的同時(shí)，可提高種溝土壤的堅(jiān)實(shí)度，減少種子在種溝內(nèi)的彈跳，保持和增加土壤的含水率。如圖20所示，意大利Maschio公司播種機(jī)種溝鎮(zhèn)壓裝置安裝在圓盤(pán)開(kāi)溝器后，可以對(duì)種溝進(jìn)行造型和鎮(zhèn)壓，減少種子觸土后的位移，提高種子分布的一致性[98]。

圖20 Maschio種溝鎮(zhèn)壓裝置Fig.20 Maschio’s suppression device of seed groove

3.2 外力壓種技術(shù)

種子落入種溝時(shí)，會(huì)發(fā)生觸土彈跳或滾動(dòng)，通過(guò)采用壓種裝置對(duì)落種及時(shí)地進(jìn)行按壓，可以有效地減少種子的彈跳或滾動(dòng)，提高種子的分布均勻性。因此，精密播種機(jī)上通常裝有壓種裝置。

圖21 Precision Planting壓種舌Fig.21 Seed-pressing tongue of Precision Planting

壓種裝置主要有壓種舌和壓種輪兩種形式。圖21為Precision Planing公司的壓種舌，直接安裝在SpeedTube投種裝置的底部，可以防止落種的彈跳[99]。

德國(guó)Horsch公司采用比較柔軟的橡膠滾筒作為壓種裝置，直接安裝在導(dǎo)種管的后面，當(dāng)種子離開(kāi)導(dǎo)種管后立即固定種子，防止種子的滾動(dòng)和跳動(dòng)[100]，如圖22所示。

圖22 Horsch壓種輪Fig.22 Seed-pressing wheel of Horsch

3.3 播深測(cè)控技術(shù)

播種深度影響出苗時(shí)間和出苗率，適宜的播種深度，種子可獲得較好的水分條件和養(yǎng)分條件。H?KANSSON等[101]通過(guò)大麥出苗試驗(yàn)得出，隨著播種深度的增加，出苗時(shí)間線(xiàn)性增長(zhǎng)。對(duì)于不同的土壤情況，適宜的播種深度范圍有所不同。播種深度一致，可以保證種子同時(shí)出苗，減小大小苗現(xiàn)象導(dǎo)致的植株間的競(jìng)爭(zhēng)。當(dāng)播深過(guò)淺時(shí)，會(huì)導(dǎo)致種子成長(zhǎng)初期缺水，也可能被禽類(lèi)所捕食[102]；播深過(guò)深時(shí)，在出苗之前，種子內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)成分已消耗殆盡。KARAYEL等[103]研究了播種深度對(duì)出苗率的影響，得到了播種深度一致時(shí)出苗率高的結(jié)論。

土壤的阻力、地表殘留會(huì)引起開(kāi)溝器的振動(dòng)，從而造成開(kāi)溝深度的變動(dòng)[104-105]，KARAYEL等[106]的研究表明，即使在實(shí)驗(yàn)室條件下，開(kāi)溝深度也會(huì)發(fā)生變化。因此，為保證適宜的播種深度，需要對(duì)播種單體的播種深度進(jìn)行控制。針對(duì)傳統(tǒng)播種機(jī)，播種單體通過(guò)平行四桿機(jī)構(gòu)及安裝在開(kāi)溝器后面的鎮(zhèn)壓輪或限深輪，實(shí)現(xiàn)對(duì)地面的仿形，并且在平行四桿機(jī)構(gòu)上安裝機(jī)械彈簧，減少播種單體的振動(dòng)，保持一致的播種深度[107]。該方式是在作業(yè)前調(diào)整好彈簧的壓緊力，同時(shí)調(diào)整好限深輪和開(kāi)溝器的相對(duì)高差，通過(guò)試播一段距離來(lái)檢查作業(yè)質(zhì)量，達(dá)到合格率后開(kāi)始正式作業(yè)，整個(gè)作業(yè)過(guò)程中不再調(diào)節(jié)播種深度，這無(wú)法適應(yīng)地表土壤條件多變的情況。

對(duì)于通過(guò)三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)安裝在拖拉機(jī)上的機(jī)具，早期是通過(guò)調(diào)節(jié)拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)的角度來(lái)調(diào)節(jié)作業(yè)深度。LEE等[108]設(shè)計(jì)了耕作深度控制系統(tǒng)，主要由設(shè)置單元、檢測(cè)單元、控制單元、液壓?jiǎn)卧约叭c(diǎn)懸掛和機(jī)具單元組成。檢測(cè)單元采用光學(xué)傳感器測(cè)量傳感器和地表之間的距離，傾斜角傳感器測(cè)量拖拉機(jī)的俯仰角，提升臂傳感器測(cè)量提升臂的位置，通過(guò)3個(gè)傳感器采集的信號(hào)計(jì)算耕作機(jī)具的耕作深度，作為控制單元的輸入信號(hào)，與設(shè)置單元傳遞給控制單元的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，得到偏差信號(hào)，控制電磁閥的開(kāi)閉，從而控制液壓缸的運(yùn)動(dòng)，間接地控制拖拉機(jī)的三點(diǎn)懸掛裝置，調(diào)節(jié)安裝在三點(diǎn)懸掛裝置上的耕作機(jī)具的作業(yè)深度，通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了系統(tǒng)的響應(yīng)特性。MOUAZEN等[109]和SAEYS等[110]為了在線(xiàn)檢測(cè)土壤同一深度的堅(jiān)實(shí)度，把土壤堅(jiān)實(shí)度測(cè)量?jī)x通過(guò)三點(diǎn)懸掛安裝在拖拉機(jī)上，分別研發(fā)了測(cè)量機(jī)架相對(duì)地表高度的傳感器和用于作業(yè)深度控制的模型。測(cè)量?jī)x的機(jī)架相對(duì)地表的高度變化信號(hào)通過(guò)wheel-LVDT傳感器獲得；作業(yè)深度控制模型基于電液控制技術(shù)而建立，主要通過(guò)調(diào)節(jié)拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)的角度，來(lái)保持堅(jiān)實(shí)度測(cè)量?jī)x在地表下的作業(yè)深度不變。

對(duì)于機(jī)具作業(yè)深度的測(cè)控方法，學(xué)者們進(jìn)行了大量研究。VAN DER LINDEN等[111]研發(fā)了紅外激光三角測(cè)量傳感器，實(shí)時(shí)地測(cè)量行間機(jī)械鋤草器的作業(yè)深度，結(jié)果表明該深度傳感器不受太陽(yáng)光的影響，可以有效識(shí)別土壤和作物，此外，針對(duì)運(yùn)動(dòng)中的機(jī)具，測(cè)量精度可以達(dá)到5 mm。NIELSEN等[112]設(shè)計(jì)了播種機(jī)開(kāi)溝深度的測(cè)量系統(tǒng)和電液控制系統(tǒng)，采用角度傳感器測(cè)量開(kāi)溝器的角度，通過(guò)計(jì)算得到開(kāi)溝深度，與設(shè)定的開(kāi)溝深度對(duì)比，獲得偏差信號(hào)，作為控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)比較了深度控制系統(tǒng)的3種控制算法：三點(diǎn)位置控制、P控制、PID控制，發(fā)現(xiàn)三點(diǎn)位置控制的響應(yīng)最快，而PID 控制最穩(wěn)定，也最準(zhǔn)確。NIELSEN等[113]研發(fā)的播深測(cè)量系統(tǒng)，主要由線(xiàn)性位移傳感器和超聲波傳感器組成，分別用于測(cè)量開(kāi)溝器相對(duì)機(jī)架的位置變化和機(jī)架與地表的高度變化，在控制器中將兩個(gè)傳感器獲得的信號(hào)進(jìn)行聯(lián)立，可以得到實(shí)際的開(kāi)溝深度。NIELSEN等[114]在田間試驗(yàn)中，控制系統(tǒng)采用三點(diǎn)位置控制算法，與未采用控制系統(tǒng)的情況相比，播種深度變異性由±8 mm減小為±2 mm。

目前，在播種機(jī)上，一般采用單體仿形技術(shù)實(shí)現(xiàn)更精確的仿形，從而提高播種深度的一致性，一般也基于播種單體進(jìn)行播種深度的測(cè)量和控制。SHARIPOV等[115]在同一個(gè)絕對(duì)地理參照坐標(biāo)系下，測(cè)量了播種深度以及機(jī)具的垂直和剖面沖擊力，研究了播種深度的變動(dòng)和開(kāi)溝器受力之間的關(guān)系，得到引起播種深度大幅度變動(dòng)的垂直沖擊力和剖面沖擊力的頻率和波長(zhǎng)。在此基礎(chǔ)上，SHARIPOV等[116]建立了開(kāi)溝器豎直方向運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，這一模型包括開(kāi)溝器裝配體、作為被動(dòng)控制系統(tǒng)的鎮(zhèn)壓輪、半主動(dòng)電磁流變阻尼系統(tǒng)。針對(duì)半主動(dòng)電磁流變阻尼系統(tǒng)，對(duì)3種假設(shè)模型(Bingham，Dahl和Bounc-Wen模型)進(jìn)行了對(duì)比仿真試驗(yàn)，從減小機(jī)具豎直位移和作用力的角度來(lái)看，半主動(dòng)控制系統(tǒng)要優(yōu)于被動(dòng)控制系統(tǒng)，并且Bounc-Wen模型的性能最優(yōu)。蔡國(guó)華等[117]和WEN等[118]采用超聲波傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)開(kāi)溝深度，并設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)，通過(guò)液壓系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)開(kāi)溝深度。趙金輝等[119]設(shè)計(jì)了播種機(jī)開(kāi)溝深度控制系統(tǒng)，采用兩個(gè)位移傳感器獲取實(shí)時(shí)的開(kāi)溝深度，與設(shè)定開(kāi)溝深度的偏差超過(guò)設(shè)定范圍時(shí)，通過(guò)液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)四連桿仿形機(jī)構(gòu)，進(jìn)而調(diào)節(jié)開(kāi)溝深度，使其滿(mǎn)足要求，控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間為0.12 s，測(cè)量的開(kāi)溝深度穩(wěn)定性系數(shù)大于90%。黃東巖等[120]設(shè)計(jì)了一種主動(dòng)作用式播種深度自動(dòng)控制系統(tǒng)，采用PVDF壓電薄膜傳感器測(cè)量播種機(jī)限深輪的胎面形變量，根據(jù)胎面形變量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)播種單體對(duì)地表的壓力，通過(guò)安裝在四連桿間的空氣彈簧調(diào)節(jié)播種單體對(duì)地表的壓力，通過(guò)控制播種單體對(duì)地表的壓力來(lái)控制播種深度。李玉環(huán)等[121]設(shè)計(jì)了玉米播種深度控制系統(tǒng)，選用壓力傳感器測(cè)量鎮(zhèn)壓輪的壓力，當(dāng)超出預(yù)設(shè)閾值范圍時(shí)，通過(guò)電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)覆土器運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)覆土量，從而調(diào)節(jié)播種深度，播深合格率高于90%。JIA等[122]設(shè)計(jì)了一款自適應(yīng)性耕作深度監(jiān)控系統(tǒng)，采用地表適應(yīng)性擺臂和光學(xué)編碼器測(cè)量擺臂的旋轉(zhuǎn)，測(cè)得的角度通過(guò)公式可以轉(zhuǎn)換為耕作深度，通過(guò)田間試驗(yàn)，得到該系統(tǒng)在規(guī)則地表的測(cè)量誤差為11.3 mm。SUOMI等[123]在條播機(jī)上安裝了8個(gè)傳感器，用于測(cè)量開(kāi)溝器的作業(yè)深度，并將此信號(hào)作為控制系統(tǒng)的輸入信號(hào)，在串聯(lián)的控制系統(tǒng)中采用PID控制算法調(diào)節(jié)液壓開(kāi)溝器的壓力，采用ISO 11783協(xié)議進(jìn)行通信。WEATHERLY等[124]研制了一款主動(dòng)式播種深度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用干燥面?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)土壤電阻以得到土壤水分信息，再通過(guò)控制器、液壓系統(tǒng)、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等將圓盤(pán)開(kāi)溝器調(diào)整至合適位置，從而把種子播在土壤中含水率較適宜的位置。

當(dāng)前，在國(guó)外先進(jìn)的農(nóng)機(jī)企業(yè)中，在播種機(jī)上安裝播深測(cè)控裝置較為廣泛。德國(guó)Horsch公司、Knize公司、意大利Maschio公司、美國(guó)Precision Planting公司等均采用液壓或氣壓裝置對(duì)開(kāi)溝器的作業(yè)深度進(jìn)行控制，尤其是美國(guó)Precision Planting公司研發(fā)的氣力式下壓裝置，設(shè)置了兩個(gè)氣囊，分別用于提起和下壓開(kāi)溝器，通過(guò)自動(dòng)增加或減小壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖23所示，是不同的典型播種深度調(diào)節(jié)裝置[98, 125-127]。

圖23 播深調(diào)節(jié)裝置Fig.23 Seed depth adjusting device

德國(guó)Horsch公司通過(guò)在播種單體上安裝力傳感器實(shí)時(shí)獲取播種單體對(duì)地表的壓力，并采用液壓裝置改變播種單體的下壓力，達(dá)到調(diào)節(jié)播種深度的目的(圖24a)。美國(guó)Agleader公司研發(fā)了下壓力測(cè)控系統(tǒng)，其針對(duì)播種單體受地面障礙物影響而發(fā)生彈跳的情況，設(shè)計(jì)了蓄能裝置，保證播種單體運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間僅為1 s，借助于該系統(tǒng)能夠快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)播種深度的一致性(圖24b)。

圖24 播深測(cè)控裝置Fig.24 Seed depth measurement and control device

總之，播深測(cè)控技術(shù)的研究目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)作業(yè)深度的一致性，基本原理主要是通過(guò)實(shí)時(shí)地測(cè)量開(kāi)溝器的作業(yè)深度，并與設(shè)定的理論作業(yè)深度對(duì)比，偏差超過(guò)設(shè)定范圍時(shí)，啟動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，具體是通過(guò)電磁閥的開(kāi)閉，調(diào)節(jié)液壓或氣壓裝置的壓力，由于開(kāi)溝器與氣壓或液壓裝置連接，從而開(kāi)溝器的作業(yè)深度可調(diào)，直至達(dá)到設(shè)定的理論深度，最終實(shí)現(xiàn)播深的一致性。

4 討論和建議

近年來(lái)，玉米播種技術(shù)經(jīng)歷了快速的發(fā)展，在機(jī)械化的基礎(chǔ)上開(kāi)始逐步趨于智能化，玉米播種質(zhì)量大大提升。然而，從國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，尚存在以下問(wèn)題，在以后的研究中需要重點(diǎn)關(guān)注和解決：

(1)玉米排種器的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題

目前，在國(guó)外知名農(nóng)機(jī)企業(yè)中，地輪驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)等多種驅(qū)動(dòng)方式均有應(yīng)用，可以滿(mǎn)足用戶(hù)的不同需求。采用電驅(qū)、液壓馬達(dá)等新型排種驅(qū)動(dòng)技術(shù)，極大地提高了播種的速度和精度。然而，在國(guó)內(nèi)農(nóng)機(jī)企業(yè)中，地輪驅(qū)動(dòng)仍然是主要甚至唯一的排種器驅(qū)動(dòng)方式，電驅(qū)排種技術(shù)主要處于實(shí)驗(yàn)室階段，而關(guān)于液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)排種的研究和應(yīng)用則更少，國(guó)內(nèi)播種機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式限制了播種速度和精度的提升。建議在未來(lái)的研究中，加強(qiáng)對(duì)電驅(qū)和液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)排種技術(shù)的研究和應(yīng)用，為我國(guó)播種機(jī)速度和精度的提升提供技術(shù)保障。

(2)玉米變量播種處方圖的獲取問(wèn)題

變量播種處方圖的獲取在國(guó)內(nèi)外都是難點(diǎn)。一方面，受到土壤傳感器技術(shù)水平的限制，在線(xiàn)檢測(cè)土壤特性的技術(shù)還不成熟，而傳統(tǒng)的土壤采樣法成本高、數(shù)據(jù)量少，無(wú)法為變量播種提供足夠的數(shù)據(jù)支撐。另一方面，影響玉米產(chǎn)量的因素眾多，包括土壤特性、肥料和農(nóng)藥的施用量、氣候因素等，在眾多因素交互作用下，探索獲得高產(chǎn)高收益的適宜播種量，需要開(kāi)展長(zhǎng)期的、大范圍的試驗(yàn)，也具有很大難度。目前，變量播種處方圖主要基于產(chǎn)量圖和土壤養(yǎng)分圖生成，考慮的因素尚不充分，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)變量播種成功實(shí)踐的相關(guān)報(bào)道，因此，變量播種技術(shù)的價(jià)值仍然需要未來(lái)實(shí)踐的驗(yàn)證，其發(fā)展也依賴(lài)于各方面技術(shù)的進(jìn)步。

(3)平穩(wěn)投種技術(shù)在國(guó)內(nèi)的研究及應(yīng)用問(wèn)題

目前，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)研發(fā)成功了先進(jìn)的帶式和氣力式投種系統(tǒng)，提升了高速作業(yè)(可達(dá)20 km/h)時(shí)的種距一致性。然而，國(guó)內(nèi)播種機(jī)播種速度為6～8 km/h，目前仍主要依靠導(dǎo)種管進(jìn)行投種，速度和精度都有待提升。因此，國(guó)內(nèi)應(yīng)加快平穩(wěn)投種技術(shù)的研究及應(yīng)用，從而為播種機(jī)速度和精度的提升奠定基礎(chǔ)。

(4)播深測(cè)控技術(shù)的研究及應(yīng)用問(wèn)題

目前，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)研發(fā)成功了針對(duì)播深的測(cè)控設(shè)備，可以實(shí)時(shí)地通過(guò)壓力傳感器及液壓、氣壓系統(tǒng)測(cè)量并調(diào)節(jié)播種深度，在播種機(jī)上已有大量應(yīng)用。國(guó)內(nèi)播種機(jī)主要依靠機(jī)械彈簧和平行四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行被動(dòng)的仿形，播種深度的精度及一致性有待提高。因此，國(guó)內(nèi)應(yīng)加強(qiáng)播深測(cè)控技術(shù)的研究和應(yīng)用。

(5)播種測(cè)控技術(shù)的應(yīng)用推廣問(wèn)題

目前，國(guó)外播種機(jī)的智能化水平遠(yuǎn)高于我國(guó)，一般在播種機(jī)上安裝各類(lèi)傳感器用于在線(xiàn)監(jiān)測(cè)播種機(jī)的性能，機(jī)手通過(guò)駕駛室內(nèi)的智能終端可以觀(guān)察播種機(jī)的實(shí)時(shí)作業(yè)狀態(tài)，包括播種量、株距合格指數(shù)、下壓力等，在一定程度上，智能化技術(shù)既解放了人力，也大大提升了播種精度，減少了故障率。然而，盡管?chē)?guó)內(nèi)在智能化測(cè)控技術(shù)方面取得了很多成果，包括播量監(jiān)測(cè)、漏播監(jiān)測(cè)等技術(shù)，但目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上，應(yīng)用相關(guān)成果的播種機(jī)少之又少，其主要原因在于安裝測(cè)控設(shè)備的成本較高。因此，在研究層面上，不僅要提高測(cè)控設(shè)備的精度，也要盡量降低測(cè)控設(shè)備的成本，在政府層面上，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)測(cè)控設(shè)備的政策補(bǔ)貼力度，促進(jìn)技術(shù)的推廣應(yīng)用。

5 展望

現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)背景下，高速、高精度、智能化成為玉米播種機(jī)的發(fā)展方向，同時(shí)，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)對(duì)播種機(jī)提出了變量作業(yè)的新要求。目前，在播種機(jī)的速度、精度、智能化程度等方面，國(guó)內(nèi)與國(guó)外均存在一定差距。然而，由于國(guó)內(nèi)外的地形、種植習(xí)慣、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等有差異，需要結(jié)合國(guó)內(nèi)的實(shí)際情況，因地制宜地開(kāi)展玉米播種與測(cè)控技術(shù)的研究?；诂F(xiàn)有技術(shù)以及未來(lái)發(fā)展的方向，我國(guó)玉米播種與測(cè)控技術(shù)將主要朝以下方向發(fā)展：

(1)從排種器驅(qū)動(dòng)方式上看，今后將向多種驅(qū)動(dòng)方式并存的方向發(fā)展。目前，對(duì)于電驅(qū)排種技術(shù)，國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)展了大量的研究工作，具有了一定的技術(shù)積累，而關(guān)于液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)排種的研究相對(duì)較少。因此，未來(lái)國(guó)內(nèi)將向電驅(qū)排種技術(shù)為主、地輪驅(qū)動(dòng)和液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)等驅(qū)動(dòng)方式為輔，多種驅(qū)動(dòng)并存的方向發(fā)展。

(2)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)背景下，播種機(jī)會(huì)朝著變量播種的方向發(fā)展。目前，變量播種主要指的是基于小區(qū)特性的變密度播種，未來(lái)可能會(huì)涉及到基于小區(qū)特性的變深度播種。國(guó)外，有少部分地區(qū)開(kāi)始嘗試基于小區(qū)特性的變深度播種，但尚未發(fā)現(xiàn)相關(guān)報(bào)道。

(3)從投種技術(shù)上看，今后將向多種投種技術(shù)并存的方向發(fā)展。帶式投種方式和氣力式投射方式滿(mǎn)足高速作業(yè)的要求，未來(lái)會(huì)成為國(guó)內(nèi)主要的投種方式。

(4)智能化技術(shù)將成為玉米播種技術(shù)中研究的熱點(diǎn)。智能化技術(shù)包括各類(lèi)傳感器技術(shù)、控制技術(shù)等，智能化測(cè)控設(shè)備不僅有助于提高玉米播種的精度和速度，減少故障率，還極大地解放了人力。

隨著研究的深入，對(duì)播種技術(shù)的研究將更加全面和充分，排種驅(qū)動(dòng)技術(shù)、投種技術(shù)、種溝構(gòu)建技術(shù)、外力壓種技術(shù)、播深控制技術(shù)和智能化測(cè)控技術(shù)等都將被深入研究。在玉米播種過(guò)程中，排種、投種、著床3個(gè)環(huán)節(jié)相互關(guān)聯(lián)，均影響播種性能，研究中應(yīng)采用系統(tǒng)工程的思想，對(duì)各環(huán)節(jié)統(tǒng)籌考慮。此外，農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝深度融合是提升我國(guó)玉米播種水平的關(guān)鍵。