馬鈴薯精密播種技術(shù)的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

楊 浩，劉小龍，王關(guān)平，孫 偉 ，朱 亮，張 華

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

近年來(lái)，我國(guó)馬鈴薯的栽培面積增加至600多萬(wàn)hm2，總生產(chǎn)量達(dá)1億t左右，對(duì)我國(guó)的糧食安全意義重大[1-2]。2015年初，國(guó)家正式啟動(dòng)“馬鈴薯主糧化”戰(zhàn)略，到2020年，國(guó)內(nèi)馬鈴薯種植面積將達(dá)到670萬(wàn) hm2，且50%以上的馬鈴薯將作為主糧消費(fèi)[3-4]?，F(xiàn)階段傳統(tǒng)的純機(jī)械式馬鈴薯播種機(jī)排種仍然以勺式排種為主，該排種方式具有成本低廉、可靠性較高等優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間仍然是馬鈴薯排種的主流方法。但由于薯種形狀各異、大小不一，且取種勺的尺寸配合欠佳等原因，導(dǎo)致因漏取而漏播的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，進(jìn)而導(dǎo)致減產(chǎn)現(xiàn)象嚴(yán)重[5-6]，降低了馬鈴薯種植的經(jīng)濟(jì)效益。以2017年的數(shù)據(jù)為例，我國(guó)馬鈴薯播種面積為566.77萬(wàn)hm2，年產(chǎn)量9 600萬(wàn)t，我國(guó)的馬鈴薯種植面積接近全世界的1/3，而產(chǎn)量卻僅為世界總產(chǎn)量的1/5[7-8]。這其中，除了土地等自然因素、馬鈴薯品質(zhì)等差別外，漏播所誘發(fā)的先天性減產(chǎn)也是一個(gè)重要原因。解決馬鈴薯漏播問(wèn)題的核心是安裝具有自動(dòng)監(jiān)測(cè)及補(bǔ)償功能的精密播種系統(tǒng)。以前較為傳統(tǒng)的機(jī)械式馬鈴薯播種機(jī)自然漏取率基本在10%以上，隨著播種機(jī)關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，再加上各部件之間的緊密配合，自然漏播率已降至7%左右[9]。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者為解決因漏播引起的減產(chǎn)問(wèn)題，進(jìn)行了馬鈴薯播種監(jiān)測(cè)、漏播補(bǔ)償?shù)染懿シN系統(tǒng)的研究，以解決普遍存在的漏播問(wèn)題，提高馬鈴薯種植的經(jīng)濟(jì)性。本文就馬鈴薯精密播種機(jī)的國(guó)內(nèi)外研究狀況、存在的問(wèn)題，以及解決存在問(wèn)題的策略做簡(jiǎn)要概述。

1 國(guó)內(nèi)外馬鈴薯精密播種機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)播種機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究起步較早，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家于20世紀(jì)40年代開始了排種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用研究，后來(lái)與漏播補(bǔ)償系統(tǒng)一并在大宗主糧作物種植中獲得了廣泛應(yīng)用[9-11]，這其中，美國(guó)、德國(guó)等國(guó)家先后設(shè)計(jì)出的精密播種機(jī)電子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有一定的代表性。如德國(guó)Grimme公司生產(chǎn)的GL系列帶勺式排種器馬鈴薯播種機(jī)，動(dòng)力來(lái)源于機(jī)電液聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，擁有電子監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)馬鈴薯排種器的排種情況，監(jiān)測(cè)較為可靠[12]。美國(guó)CYCLO-500型氣壓式馬鈴薯播種機(jī)上安裝了主要由光電傳感器、測(cè)距傳感器、監(jiān)控電路、轉(zhuǎn)換器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)及監(jiān)控顯示器等組成的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[13]，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)播種機(jī)播種情況，并通過(guò)顯示模塊顯示其監(jiān)測(cè)結(jié)果，播種作業(yè)過(guò)程中播種裝置出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)即刻進(jìn)行聲光報(bào)警，并提醒作業(yè)人員停機(jī)進(jìn)行故障排除。此外，英國(guó)“斯塔赫5870”型精密播種機(jī)在排種器上架設(shè)一套機(jī)電式排種質(zhì)量信號(hào)顯示裝置[14]，排種器的工作狀況可通過(guò)指示燈的亮滅及閃爍的均勻性來(lái)判斷。此裝置滾輪的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)決定指示器觸點(diǎn)和金屬片的接觸情況，當(dāng)播種正常時(shí)兩部件連續(xù)接觸，由于電路連續(xù)通電使指示燈正常發(fā)光；當(dāng)播種異常時(shí)二者斷續(xù)接通，指示燈的閃爍可表示系統(tǒng)出現(xiàn)故障，同時(shí)攜載的蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲。澳大利亞A.E.E公司設(shè)計(jì)出一種用在氣力播種機(jī)上的監(jiān)視系統(tǒng)[15]，該系統(tǒng)采用紅外傳感器監(jiān)測(cè)種子在排種管中的情況，當(dāng)其中任意一個(gè)或多個(gè)排種管異常排種時(shí)，報(bào)警器立即發(fā)出聲光報(bào)警提示，同時(shí)點(diǎn)亮相應(yīng)排種管的指示燈，故障部位一目了然。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)關(guān)于精密播種的相關(guān)研究起步較晚，但發(fā)展較快。在小籽粒精密播種方面具有代表性研究的有趙百通等[16]設(shè)計(jì)的一種用在小麥精密播種機(jī)上的工況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)機(jī)器出現(xiàn)故障時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控和雙向聲光報(bào)警，可及時(shí)通知駕駛員故障發(fā)生的位置和性質(zhì)，最大限度地避免漏種現(xiàn)象的發(fā)生；馮全等[17]提出了適合小麥等小粒徑種子的免耕播種機(jī)高抗塵排種監(jiān)測(cè)方案，監(jiān)測(cè)器由檢測(cè)器和報(bào)警器兩部分組成，采用紅外對(duì)射管作為傳感器，能較好地監(jiān)測(cè)排種通道中的漏播、堵塞現(xiàn)象，并予以聲光報(bào)警。除此之外，其他專家學(xué)者提出的小籽粒作物精密播種系統(tǒng)也有可借鑒的意義[18-22]。然而，馬鈴薯播種機(jī)的排種方式與小麥等小籽粒有很大不同，受播種速度、薯種形狀及田間工作條件等因素的制約，普遍存在較高的漏播率。為此，張曉東等[23]設(shè)計(jì)了由紅外光電傳感器、單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)組成的馬鈴薯播種機(jī)自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)，在勺鏈?zhǔn)脚欧N器的排種槽上附加由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的窩眼輪式補(bǔ)償通道，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。在此基礎(chǔ)上，劉全威等[24]提出了一種基于單片機(jī)的紅外光電傳感器的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和曲柄連桿打擊式的補(bǔ)種方案，該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)部分可靠性明顯提高，也能較好地實(shí)現(xiàn)薯種無(wú)誤差補(bǔ)償，但其在排種槽外部架設(shè)的補(bǔ)種箱、電磁鐵等部件增加了整機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，且在打擊補(bǔ)償過(guò)程中補(bǔ)種箱的排種口容易出現(xiàn)堵塞。孫偉等[25]提出了以ATmega16單片機(jī)為核心，由定位模塊和測(cè)薯模塊組成的漏播檢測(cè)系統(tǒng)及以擊打強(qiáng)排為手段的速動(dòng)補(bǔ)種系統(tǒng)，該系統(tǒng)檢測(cè)可靠性進(jìn)一步提高，補(bǔ)種及時(shí)，但專用的補(bǔ)種箱依然存在，待補(bǔ)種薯必須提前就位且發(fā)生堵塞的可能性依然較高。王關(guān)平等[26]提出了一種以PIC16F877單片機(jī)為核心，由干簧繼電器觸發(fā)紅外漏播檢測(cè)和窩眼輪式排種系統(tǒng)進(jìn)行漏播補(bǔ)償?shù)姆桨?，其漏播檢測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確度高，補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有所簡(jiǎn)化、補(bǔ)種行程短、動(dòng)作迅速，但待補(bǔ)種薯被窩眼槽輪夾傷的現(xiàn)象較為普遍。?？档萚27]提出了基于電容值精確測(cè)量技術(shù)的漏種檢測(cè)方法，以PLC為核心設(shè)計(jì)由電容傳感器、伺服電動(dòng)機(jī)和補(bǔ)種執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成的補(bǔ)種系統(tǒng)。該系統(tǒng)能較好地解決漏播問(wèn)題，但檢測(cè)技術(shù)的成熟性目前還沒(méi)有其他進(jìn)一步的研究作為佐證。

2 馬鈴薯精密播種機(jī)存在的主要問(wèn)題

2.1 播種監(jiān)測(cè)可靠性有待進(jìn)一步提高

目前馬鈴薯播種機(jī)以采用鏈勺式或帶勺式排種方法為主，而其播種監(jiān)測(cè)多以紅外對(duì)射式監(jiān)測(cè)方法為主。影響紅外對(duì)射式監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性的主要因素如下：

(1)紅外監(jiān)測(cè)器件的發(fā)射與接收角度。光電檢測(cè)元件對(duì)發(fā)射、接收管的布設(shè)角度及相對(duì)位置非常敏感，而馬鈴薯播種機(jī)本身又存在較為強(qiáng)烈的振動(dòng)，極易在一定時(shí)間的使用或者其他外力作用下而失去信號(hào)對(duì)準(zhǔn)，從而造成監(jiān)測(cè)結(jié)果的偏差。

(2)外部環(huán)境的影響。不同波長(zhǎng)的紅外光在空氣中傳輸時(shí)有不同程度的衰減，即使選擇的工作波段在紅外線穿透能力很強(qiáng)的3個(gè)波段，即0.76～2.5 μm波段、3～5 μm波段和8～14 μm波段，也不可能完全地通過(guò)，尤其在田間作業(yè)過(guò)程中灰塵、云、霧、雨等環(huán)境會(huì)增加紅外光在空氣中的衰減，從而影響播種檢測(cè)的準(zhǔn)確性；此外陽(yáng)光的照射也會(huì)影響播種監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，陽(yáng)光的反射和漫反射在3～14 μm波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)，且波長(zhǎng)分布比例不固定，這一波段與紅外光電檢測(cè)器件組的工作波段接近，因而極大影響紅外光電檢測(cè)器件組的正常判斷。

2.2 漏播補(bǔ)償系統(tǒng)方案尚不成熟

(1)補(bǔ)償通道結(jié)構(gòu)復(fù)雜?，F(xiàn)有馬鈴薯播種機(jī)漏播補(bǔ)償系統(tǒng)的基本共性是需要專用的補(bǔ)償系統(tǒng)(包括專用的補(bǔ)種箱、補(bǔ)種排種槽、補(bǔ)種系統(tǒng)的動(dòng)力機(jī)構(gòu)等)，這使得整機(jī)結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜；此外，打擊式補(bǔ)種系統(tǒng)的補(bǔ)償通道排種口容易發(fā)生堵塞，窩眼輪式補(bǔ)償系統(tǒng)容易出現(xiàn)薯種夾傷等問(wèn)題。

(2)補(bǔ)種落點(diǎn)誤差較大。由于部分機(jī)型補(bǔ)償系統(tǒng)專用的馬鈴薯補(bǔ)償通道結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，這往往導(dǎo)致補(bǔ)償薯種在補(bǔ)償通道中運(yùn)動(dòng)速度過(guò)快或過(guò)慢，較原來(lái)正常播種時(shí)薯種落點(diǎn)位置有超前或滯后，而理想的落點(diǎn)應(yīng)該無(wú)偏差。

2.3 播種驅(qū)動(dòng)動(dòng)力較為傳統(tǒng)，“精準(zhǔn)”播種依然任重道遠(yuǎn)

(1)目前馬鈴薯播種機(jī)械動(dòng)力基本以拖拉機(jī)牽引為主，此方式動(dòng)力消耗大、經(jīng)濟(jì)成本高，且拖拉機(jī)播種作業(yè)前后的運(yùn)輸成本高，便捷性差。

(2)所謂“精準(zhǔn)”播種，就是在準(zhǔn)確獲取土壤肥力、土壤墑情等條件下，在信息化系統(tǒng)輔助下能夠進(jìn)行自動(dòng)化播種作業(yè)，以最少的投入達(dá)到最高的收益并持續(xù)改善環(huán)境、高效利用各類農(nóng)業(yè)資源，取得經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，然而我國(guó)目前在馬鈴薯全產(chǎn)業(yè)鏈精確農(nóng)業(yè)方面才剛剛起步。

3 解決馬鈴薯精密播種機(jī)問(wèn)題的對(duì)策

3.1 提高排種監(jiān)測(cè)可靠性

(1)紅外監(jiān)測(cè)光電器件組應(yīng)選擇最優(yōu)位置安裝在馬鈴薯排種槽上，必要時(shí)可適當(dāng)增加相應(yīng)的紅外監(jiān)測(cè)元件，應(yīng)使紅外光盡可能地輻射到馬鈴薯薯種上，如把薯勺背面也設(shè)計(jì)成勺碗狀，以增加薯種在薯勺背面位置的相對(duì)穩(wěn)定，從而使監(jiān)測(cè)元件的架設(shè)點(diǎn)更為精確，監(jiān)測(cè)更為可靠。

(2)為避免紅外監(jiān)測(cè)過(guò)程中紅外光在大氣中的衰減，應(yīng)選擇陰天，霧、塵較少的天氣。此外還可以采用其他較為可靠的檢測(cè)方法來(lái)監(jiān)測(cè)馬鈴薯播種機(jī)的排種情況，如電容式的監(jiān)測(cè)方法對(duì)太陽(yáng)光等因素不敏感。電容式監(jiān)測(cè)法[28]的原理是當(dāng)被測(cè)薯種接近電容傳感器時(shí)改變了電容器中的電荷量，可以把電壓在中央控制系統(tǒng)中設(shè)置為常數(shù)，由電容公式C=Q/V可知，電荷量改變使電容量C變化，從而導(dǎo)致穩(wěn)幅振蕩回路中電容量C發(fā)生改變，經(jīng)過(guò)電路整流發(fā)出有規(guī)律的一個(gè)信號(hào)脈沖，從而判斷是否有薯種通過(guò)電容傳感器。這種方法可有效地避免許多外界環(huán)境干擾。

(3)考慮到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)成本，播種系統(tǒng)可選用單片機(jī)為中央控制系統(tǒng)，其具有可靠性高、工業(yè)級(jí)抗干擾能力強(qiáng)、外圍配置豐富及適應(yīng)播種作業(yè)多任務(wù)要求等優(yōu)點(diǎn)，可滿足馬鈴薯播種監(jiān)測(cè)的要求。

3.2 漏播補(bǔ)償系統(tǒng)簡(jiǎn)潔化、實(shí)用化

總體來(lái)說(shuō)，在已經(jīng)獲得種薯漏播事件發(fā)生的前提下，補(bǔ)償系統(tǒng)應(yīng)以最簡(jiǎn)單、最快速的方法及時(shí)補(bǔ)償。這就要求補(bǔ)償方案精簡(jiǎn)化、補(bǔ)償動(dòng)作直接化。受朱瑞祥等[29]提出的一種追趕式大籽粒作物漏播自補(bǔ)種方案的啟發(fā)，在馬鈴薯漏播補(bǔ)償中，當(dāng)出現(xiàn)漏播情況時(shí)可以使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)超越離合器，使后一種薯加速追趕至漏播種薯位置，從而完成補(bǔ)償，之后電機(jī)動(dòng)力自行退出，地輪動(dòng)力繼續(xù)完成正常的排種驅(qū)動(dòng)。該方案集排種與補(bǔ)種于同一通道，不需要額外安裝補(bǔ)償種薯箱，也不存在專用補(bǔ)償種薯運(yùn)動(dòng)通道，但需增設(shè)動(dòng)力切換裝置、附加專用補(bǔ)償動(dòng)力電機(jī)。該方案使得馬鈴薯漏播補(bǔ)償系統(tǒng)的組成大大簡(jiǎn)化，且系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)奈恢闷羁梢圆捎密浖{(diào)節(jié)減小或者消除，從而使系統(tǒng)的實(shí)用性產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。

3.3 革新播種驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，推進(jìn)“精準(zhǔn)”播種研究

(1)為解決拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)便捷性差、動(dòng)力消耗大等問(wèn)題，可以考慮采用全電驅(qū)動(dòng)馬鈴薯排種方案。該播種機(jī)具運(yùn)輸方便、節(jié)約成本、經(jīng)濟(jì)效益高，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)無(wú)額外裝設(shè)動(dòng)力漏播補(bǔ)償系統(tǒng)的設(shè)想。

(2)隨著3S技術(shù)的快速發(fā)展及普及，這些技術(shù)可與馬鈴薯播種緊密結(jié)合起來(lái)，根據(jù)土壤肥力、土壤墑情、前一年度產(chǎn)量分布圖等情況進(jìn)行“處方播種”，從而使馬鈴薯種植在經(jīng)濟(jì)效益最大化的同時(shí)，進(jìn)一步降低農(nóng)藥、化肥的使用量，減少農(nóng)業(yè)面源污染。

4 馬鈴薯精密播種機(jī)的發(fā)展展望

隨著世界人口的不斷增長(zhǎng)，對(duì)糧食的需求與日俱增。中國(guó)政府基于此背景提出的“馬鈴薯主糧化戰(zhàn)略”正逢其時(shí)。而且，隨著中國(guó)的城鎮(zhèn)化進(jìn)一步推進(jìn)以及土地流轉(zhuǎn)政策的進(jìn)一步成熟，從全世界范圍來(lái)看，即使在中國(guó)這樣一個(gè)馬鈴薯種植多集中于山地丘陵地帶的國(guó)家，馬鈴薯播種機(jī)械也必然進(jìn)一步從以中小型為主向中大型為主過(guò)渡，這也必然為其進(jìn)一步向智能化、高度信息化方向發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；此外，馬鈴薯種植是典型的超大種子布局，種植的精準(zhǔn)化不僅表現(xiàn)在漏播補(bǔ)償，也表現(xiàn)在重播抑制，與之對(duì)應(yīng)的是更為可靠高效的撿漏、檢重測(cè)量、更為簡(jiǎn)潔高效的漏播補(bǔ)償與重播排除，就目前而言，只有漏播檢測(cè)(或排種監(jiān)測(cè))一項(xiàng)基本解決，其他技術(shù)的發(fā)展依然需要付出極大的努力才可能推向商業(yè)應(yīng)用。