播種機(jī)精密播種深度控制系統(tǒng)*

S?ren Kirkegaard Nielsen,Lars Juhl Munkholm,Mathieu Lamandé,3,Michael N?rremark,Gareth T.C.Edwards,Ole Green

(1.奧胡斯大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院工程學(xué)系，奧胡斯市，8200；2.奧胡斯大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)系，奧胡斯市，8200；3.挪威生命科學(xué)大學(xué)環(huán)境科學(xué)和自然資源管理學(xué)院，奧斯陸市，0001-1800；4.丹麥農(nóng)業(yè)智能學(xué)會(huì)，奧胡斯市，8200)

0 引言

均勻的播種深度對于實(shí)現(xiàn)作物均勻出苗是至關(guān)重要的，因?yàn)橛酌缟L過程會(huì)影響作物生物量的變化，從而作物出苗均勻情況會(huì)影響最終作物產(chǎn)量。Chang，Guul-Simonsen，H?kansson等[1-3]研究表明種子在較緊實(shí)的土層之上或較淺的疏松土層底部，會(huì)有更好的出苗效果。H?kansson等[3]研究表明如果進(jìn)行苗床預(yù)先處理，均勻的土壤結(jié)構(gòu)將支持足夠的水分和熱量的結(jié)合，這對發(fā)芽和出苗率至關(guān)重要。Finlay等[4]研究表明，土壤致密層可能會(huì)限制根的發(fā)育。此外，Petersen等[5]研究表明通過創(chuàng)建均勻的苗床，蒸發(fā)、侵蝕的風(fēng)險(xiǎn)可能會(huì)降低。Baskin[6]，H?kansson[3,7]等研究發(fā)現(xiàn)，苗床土壤團(tuán)聚體的大小和空間分布是重要的，但出苗率高低也受到播種深度的影響。Durr等[8-9]研究發(fā)現(xiàn)由于雜草或鄰近作物的競爭，可能是導(dǎo)致幼苗發(fā)育延遲的至關(guān)重要的因素，并因此影響產(chǎn)量。H?kansson等[7]研究發(fā)現(xiàn)，20 ℃環(huán)境下，大麥播種深度在10～90 mm范圍內(nèi)增加時(shí)，50%的種子發(fā)芽會(huì)有一個(gè)幾乎線性增加的延遲時(shí)間，10 mm、39 mm、50 mm播種深度最后出芽的百分比分別約為85%，100%和95%。Kinsner等[10]研究表明，55 mm播種深度的小麥出苗率為80%，而35 mm或80 mm播種深度的小麥出苗率下降至70%。Rivera等[11]研究表明種子過淺會(huì)增加被鳥類和昆蟲捕食的風(fēng)險(xiǎn)，太深可能會(huì)降低氧濃度，增加種子成為嚙齒動(dòng)物食物的風(fēng)險(xiǎn)，并在植物到達(dá)土壤表面之前耗盡儲(chǔ)存的種子能量。

由于土壤阻力的變化會(huì)影響犁刀受力情況，從而導(dǎo)致犁頭深度的變化，對于播種機(jī)來說，在最佳深度實(shí)現(xiàn)均勻播種是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)[10,12-13]。傳統(tǒng)情況下，刀盤的下壓是在作業(yè)前通過調(diào)整靜態(tài)彈簧的張力手動(dòng)設(shè)定的，設(shè)置依據(jù)是基于播種機(jī)制造商的建議和操作者的經(jīng)驗(yàn)[10]。理想情況下，操作員在田間初始試車中，根據(jù)隨機(jī)抽樣檢查播種深度。然而，這并不能防止土壤阻力變化而引起犁刀深度變化。因此，需要一種主動(dòng)犁刀深度控制系統(tǒng)，以減少犁頭深度偏差。

在過去幾十年里，研究人員設(shè)計(jì)了多種播種深度控制系統(tǒng)[14-16]。Kiani[14]發(fā)現(xiàn)，盡管由于耕作、植物殘茬和留茬等原因?qū)е峦寥辣砻娌黄秸?，但超聲波傳感器在一定程度上能夠檢測到土壤表面。水分是決定播種深度的重要因素之一，Weatherly和Bowers[16]開發(fā)一款基于土壤含水量控制犁頭深度的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個(gè)前端水分傳感器和比例液壓控制裝置，這種方法可能對降雨或干旱引起的土壤含水量的變化敏感，但這些變化不能反映種子發(fā)芽時(shí)期的平均含水量。Suomi和Oksanen等[15]為重型播種機(jī)開發(fā)一種先進(jìn)的深度控制系統(tǒng)，專為免耕播種而設(shè)計(jì)。播種機(jī)通過普通滾輪作用的橫向支撐輪來平整和壓實(shí)土壤，在串級控制系統(tǒng)中采用比例—積分—微分控制算法來調(diào)節(jié)液壓犁刀的壓力，利用帶有角度傳感器和超聲波測距儀的測量輪，對土壤表面進(jìn)行縱向測量，測定32個(gè)犁頭中的3個(gè)犁頭深度。此外，還對支撐輪的機(jī)架進(jìn)行角度測量，以確定驅(qū)動(dòng)設(shè)置，能夠?qū)⑺璧墓ぷ魃疃缺３衷凇?0 mm的公差范圍內(nèi)。Nielsen等[17]開發(fā)一種新穎的犁刀深度測量和控制系統(tǒng)，并在土槽中進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)與比例控制和比例—積分—微分控制相比，三位置液壓控制系統(tǒng)反應(yīng)迅速，是最具成本效益的解決方案。Nielsen等[18]進(jìn)一步開發(fā)一種全尺寸犁頭深度測量系統(tǒng)，并在實(shí)際的現(xiàn)場操作中對其功能進(jìn)行測試，并與自動(dòng)、實(shí)時(shí)的犁刀壓力控制系統(tǒng)相結(jié)合，以調(diào)整和保持犁頭所需的操作深度。

本研究的目的是評價(jià)所研制的自動(dòng)犁刀深度控制系統(tǒng)在簡易輕量化播種機(jī)上的實(shí)際應(yīng)用效果，期望實(shí)際工作深度與目標(biāo)深度的偏差較小，并穩(wěn)定犁頭工作深度的能力。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置和校準(zhǔn)

試驗(yàn)機(jī)具為Kongskilde Ecoline 300(DK)3 m單盤輕型播種機(jī)，安裝Nielsen等[18]開發(fā)的犁頭深度測量系統(tǒng)。此外，該測量系統(tǒng)還配備了一套液壓控制系統(tǒng)和一個(gè)控制單元，液壓控制系統(tǒng)包括一組電動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)設(shè)備，用于犁頭壓力動(dòng)態(tài)控制；控制單元用于在土壤阻力變化的情況下保持所需的犁頭深度。

位置傳感器TX2(Novotechnik)用于測量相對于播種機(jī)框架的犁刀相對位置，共安裝11個(gè)TX2傳感器，時(shí)刻對機(jī)器的犁頭進(jìn)行測量，測量頻率100 Hz。由于裝載種子數(shù)量的不同，播種機(jī)受到苗床阻力會(huì)有不同，播種機(jī)輪胎的轍深會(huì)有變化，這就影響了播種機(jī)橫梁和土壤表面之間的距離。考慮到播種機(jī)輪胎轍深會(huì)有變化，安裝兩個(gè)P43超聲波高度傳感器，用于犁刀深度動(dòng)態(tài)測量。兩個(gè)超聲波傳感器垂直于前進(jìn)方向安裝，靠近犁刀，以減少播種機(jī)輪胎振動(dòng)的影響。本系統(tǒng)采用B&R公司的X20控制單元和液壓控制系統(tǒng)，對播種機(jī)犁刀深度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。通過液壓缸動(dòng)態(tài)調(diào)整犁刀向下壓力，液壓缸由電液4/3油方向閥SV08-47B和防泄漏單向閥共同控制，以保持穩(wěn)定的壓力。最后，在播種機(jī)上安裝Qstarz(TW)的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)BT-Q1000XT，用于播種深度控制系統(tǒng)的軌跡測繪。

系統(tǒng)的靜態(tài)驗(yàn)證試驗(yàn)和系統(tǒng)標(biāo)定參考文獻(xiàn)[18]。建立動(dòng)態(tài)犁頭深度模型，并進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證，考慮機(jī)器結(jié)構(gòu)的變化，每個(gè)犁頭傳感器都被單獨(dú)校準(zhǔn)。從-65 mm(地表以下)到25 mm(地表以上)，單獨(dú)的犁頭深度測量精度小于3 mm。根據(jù)Nielsen等[18]的現(xiàn)場試驗(yàn)，犁頭深度測量系統(tǒng)不包含任何高頻噪聲或固有頻率，采用離散傅里葉變換進(jìn)行分析。功率譜密度分析表明，只有緩慢的犁頭深度變化發(fā)生，因?yàn)榇蠖鄶?shù)頻率在0.5 Hz以下。另外還進(jìn)行一個(gè)試驗(yàn)來評估系統(tǒng)的電噪聲，噪聲很小(小于±0.15 mm)，因此本研究忽略數(shù)據(jù)過濾問題。

將主動(dòng)深度控制系統(tǒng)的測量結(jié)果與未使用控制系統(tǒng)時(shí)的測量結(jié)果進(jìn)行比較。Nielsen等[18]評估了測量儀器并詳細(xì)說明標(biāo)準(zhǔn)播種機(jī)的犁溝深度，以確保其正常工作。本研究的重點(diǎn)是通過田間試驗(yàn)比較主動(dòng)深度控制系統(tǒng)測量深度與未使用犁頭深度控制系統(tǒng)測量深度的區(qū)別，評估新型實(shí)時(shí)犁頭深度控制系統(tǒng)的性能。

1.2 現(xiàn)場試驗(yàn)

田間試驗(yàn)在丹麥托克魯普的沙壤土上進(jìn)行，苗床適于常規(guī)耕作。試驗(yàn)地按標(biāo)準(zhǔn)犁過，然后用苗床耙耙過。該試驗(yàn)以隨機(jī)分組的形式組織，共有四個(gè)重復(fù)區(qū)塊。每個(gè)試驗(yàn)區(qū)寬3 m，長350 m。主試驗(yàn)因子為操作速度(4 km/h、8 km/h和12 km/h)，次試驗(yàn)因子為深度控制(有無控制系統(tǒng))，田間試驗(yàn)如圖1所示。作物為春大麥，試驗(yàn)于2016年4月11日進(jìn)行。土壤為沙壤土，有機(jī)質(zhì)含量為2.9 g/100 g(SD=0.5)，黏粒、粉粒和沙粒含量分別為12.1 g/100 g(SD=2.2)、16.7 g/100 g(SD=2.3)和68.4 g/100 g(SD=2.9)。土壤含水量測定方法為對播種時(shí)表層松土進(jìn)行重量分析，其含水量平均值為14.6 kg/100 kg。根據(jù)作業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)、作物種類、土壤類型和濕度，選擇30 mm的目標(biāo)深度。

圖1 采用犁頭深度控制系統(tǒng)的播種機(jī)田間試驗(yàn)Fig.1 Seed drill performing the field experiment with the coulter depth control system

試驗(yàn)使用的拖拉機(jī)是Fendt 710，前輪載荷為1 550 kg，后輪載荷為2 050 kg。前輪為Xeobib 600/60R28，后輪為710/60R38，并根據(jù)輪胎制造商的建議將充氣壓力調(diào)整到40 kPa。播種機(jī)的單個(gè)車輪負(fù)載為450 kg(±150 kg)，具體取決于種子數(shù)量，根據(jù)種子重量，確定輪胎壓力120 kPa。

按95%出芽概率，每平方米播種290顆種子，播種量設(shè)置為155 kg/hm2，進(jìn)行3次重復(fù)的試驗(yàn)驗(yàn)證，所有情況下的目標(biāo)播種深度均為30 mm。在沒有控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中，犁刀的下壓由有經(jīng)驗(yàn)的操作者在播種作業(yè)開始時(shí)手動(dòng)設(shè)定。操作員在實(shí)際播種前多次測量播種深度并調(diào)整犁刀壓力，以確保播種深度接近目標(biāo)深度。

為保證測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，校準(zhǔn)了系統(tǒng)的實(shí)際播種深度和測量的犁刀深度之間差距，在播種時(shí)測量系統(tǒng)考慮到土壤與犁的具體相互作用，以得到準(zhǔn)確的播種深度。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

超過土壤表面150 mm以上的犁頭深度測量數(shù)據(jù)被認(rèn)為是超出范圍，數(shù)據(jù)丟棄。丟棄的數(shù)據(jù)小于數(shù)據(jù)總量的0.2%。生成熱圖，比較目標(biāo)深度周圍的犁頭深度分布，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)擬合。為了分析犁刀深度控制系統(tǒng)的性能以及不同速度對犁刀深度的影響，建立了兩種線性混合模型對犁刀深度進(jìn)行建模。在線性混合模型中，犁刀深度、速度及其相互作用被視為固定因素。在模型中，將速度、犁刀深度和兩者相互作用作為隨機(jī)因素。采用三西格瑪準(zhǔn)則檢驗(yàn)混合線性模型偏差分布的正態(tài)性，采用似然比來評估模型中固定因素和隨機(jī)因素的顯著性。為了比較系統(tǒng)性能，研究了土壤阻力變化引起的阻滯效應(yīng)。

最后，為了在統(tǒng)計(jì)評價(jià)中比較有無控制系統(tǒng)時(shí)播種深度偏差，將結(jié)果偏差進(jìn)行比較，以確定犁頭深度控制系統(tǒng)的性能。用標(biāo)準(zhǔn)差(SD)的置信區(qū)間(CI)表示顯著性。此外，在線性混合模型的基礎(chǔ)上，采用蒙特卡羅方法對使用控制系統(tǒng)時(shí)的犁頭深度偏差進(jìn)行改進(jìn)。通過計(jì)算兩個(gè)模型的1 000個(gè)數(shù)據(jù)集模擬完成的，數(shù)據(jù)集的大小和結(jié)構(gòu)與模型的測量數(shù)據(jù)集相同，從這些模型中，估計(jì)了1 000個(gè)偏差。用一個(gè)置信區(qū)間來比較系統(tǒng)性能，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)的差異。通過R-studio和MatLab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)計(jì)算。

2 結(jié)果與討論

2.1 犁頭深度控制系統(tǒng)的描述性評價(jià)

三種操作速度和有無深度控制系統(tǒng)參與的11種犁頭深度測量結(jié)果以熱圖的形式描述(圖2)。

(a)4 km/h (b)8 km/h (c)12 km/h圖2 犁刀深度測量圖Fig.2 Coulter depth measurements shown

圖2顯示了四個(gè)區(qū)塊和六個(gè)試驗(yàn)的所有測量值，其中綠色表示目標(biāo)深度，藍(lán)色表示比目標(biāo)深度深，黃色比目標(biāo)深度小，紅色理論上位于土壤表面。一方面，由于土壤表面是由兩個(gè)超聲波傳感器通過線性插值法估算的，在地表與傳感器之間的石頭、土壤塊將不會(huì)被記錄，一些測量值不能代表實(shí)際的犁頭相對于土壤表面的深度。另一方面，傳感器因微形地貌會(huì)影響深度的測量，導(dǎo)致顏色快速變化，這可能會(huì)導(dǎo)致犁頭深度測量系統(tǒng)有小誤差。然而，由于瞬間變化時(shí)間很短，不影響控制系統(tǒng)，并且有無深度控制系統(tǒng)都使用了相同的測量系統(tǒng)，因此，不會(huì)影響系統(tǒng)評價(jià)。圖2(b)第1田塊中，一個(gè)犁頭在苗床頂部播種，這很可能是由于犁盤上的土壤積累了殘留物。受影響的數(shù)據(jù)占處理數(shù)據(jù)的1.5%，刪除該數(shù)據(jù)并不影響對控制系統(tǒng)的評價(jià)。

由圖2可知，帶有主動(dòng)犁頭深度控制系統(tǒng)的播種機(jī)總體上比沒有該系統(tǒng)的播種機(jī)效果好。

有深度控制系統(tǒng)和沒有深度控制系統(tǒng)的播種機(jī)在三種操作速度下深度測量百分比與犁頭深度測量的置信區(qū)間的關(guān)系如圖3。該圖顯示了置信水平(深度測量的百分比)與30 mm深度目標(biāo)時(shí)犁頭深度的置信區(qū)間的分布。例如，在90%的置信水平下，控制系統(tǒng)的置信區(qū)間為24 mm、26 mm和26 mm，標(biāo)準(zhǔn)播種機(jī)的置信區(qū)間在4 km/h、8 km/h和12 km/h時(shí)，分別為30 mm、32 mm和34 mm。

圖3表明有深度控制系統(tǒng)時(shí)，所有工作速度下的效果均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)播種機(jī)。在有深度控制系統(tǒng)的情況下，工作速度為8 km/h和12 km/h時(shí)幾乎沒有差異，這意味著該系統(tǒng)有相當(dāng)大的改進(jìn)，允許作業(yè)者在12 km/h 下工作，幾乎不影響作業(yè)性能。

圖3 累積測量百分比與深度測量置信區(qū)間關(guān)系Fig.3 Cumulative measurement percentages against confidence intervals of depth measurements

有深度控制系統(tǒng)和沒有深度控制系統(tǒng)的三種作業(yè)速度下平均犁頭深度分布的概率密度函數(shù)如圖4所示。這6個(gè)圖都有近似對稱和單峰的形式。然而，與標(biāo)準(zhǔn)播種機(jī)相比，深度控制系統(tǒng)的直方圖顯示目標(biāo)深度的相對頻率更高，平均深度周圍的分布更窄(圖4)。盡管有些深度數(shù)據(jù)的測量與目標(biāo)深度有較大差異，但深度控制系統(tǒng)還是能更準(zhǔn)確地維持目標(biāo)犁頭的深度。

設(shè)置工作速度分別為4 km/h、8 km/h和12 km/h，設(shè)定犁頭目標(biāo)深度為30 mm進(jìn)行試驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果分別如下：有深度控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)為-26.5 mm(SD=14.3 mm)，-24.7 mm(SD=15.5 mm)和-23.7 mm(SD=15.2 mm)；沒有犁頭深度控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)為-22.0 mm(SD=16.4 mm)，-20.9 mm(SD=17.0 mm)和-19.0 mm(SD=18.0 mm。這兩種系統(tǒng)的平均深度都比目標(biāo)深度要淺。這是由液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)造成的，該系統(tǒng)使用單向油缸運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)器的釋放速度取決于作用在犁刀上的土壤反作用力。然而，在有控制系統(tǒng)的情況下，不同速度下的平均犁頭深度始終更接近目標(biāo)深度。有深度控制系統(tǒng)在4 km/h、8 km/h 和12 km/h時(shí)的平均犁頭深度偏移量分別為3.5 mm、5.3 mm和6.3 mm，而沒有深度控制系統(tǒng)時(shí)的偏移量分別為8.0 mm、9.1 mm和11.0 mm。由于單個(gè)犁刀都是彈簧加載的，這使得犁頭深度可以單獨(dú)隨地表變化仿形，因此給出的犁具深度測量結(jié)果可能比實(shí)際播種深度的變化更大。因?yàn)槎疾捎孟嗤南到y(tǒng)測量犁頭深度的變化，所以并不影響系統(tǒng)性能的評估。

(a)4 km/h,no control

Suomi和Oksanen[15]播種深度控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)更精確的播種深度，精度達(dá)到±10 mm。他們所設(shè)計(jì)的是一種重型播種機(jī)，用于直接播種，帶有楔形犁和一個(gè)普通的輥，通過橫向壓實(shí)支撐輪在播種后平整地面。因此，他們所設(shè)計(jì)的播種機(jī)不能直接與本研究中使用的低成本、輕量化的播種機(jī)相比。他們的研究使用了3個(gè)犁刀傳感器和ISOBUS控制系統(tǒng)。而本研究的控制系統(tǒng)使用了11個(gè)犁頭深度傳感器，所以可得到播種機(jī)更多的深度變化情況。

2.2 作業(yè)效果的統(tǒng)計(jì)評價(jià)

混合線性模型的殘差近似服從正態(tài)分布，常規(guī)系統(tǒng)的殘差值分別為0.695、0.954和0.995，控制系統(tǒng)的殘差值分別為0.700、0.954和0.994，分別對應(yīng)1、2和3標(biāo)準(zhǔn)差。Nielsen等[14]發(fā)現(xiàn)，使用混合線性模型和似然比檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)測試?yán)珙^、速度及其對兩種模型(常規(guī)系統(tǒng)和主動(dòng)控制系統(tǒng))的相互作用時(shí)，只有犁頭對固定項(xiàng)的響應(yīng)是顯著的。與Nielsen等[14]研究結(jié)論類似，不能從初始模型中減少任何隨機(jī)因素，因此，兩種模型都包含了相同的固定項(xiàng)和隨機(jī)因素。

最后，在常規(guī)系統(tǒng)和有控制系統(tǒng)的混合線性模型中，發(fā)現(xiàn)隨機(jī)效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差不同。標(biāo)準(zhǔn)偏差表示犁頭深度相對于模型估計(jì)平均深度的變化。對于常規(guī)系統(tǒng)，線性混合模型殘差的標(biāo)準(zhǔn)差為17.1 mm。當(dāng)有犁頭深度控制系統(tǒng)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)偏差顯著降低到14.5 mm。這些標(biāo)準(zhǔn)差描述了模型犁頭深度的殘差，可能主要是由土壤阻力變化引起的。為了評估主動(dòng)控制系統(tǒng)的變化和性能，根據(jù)靜態(tài)和主動(dòng)系統(tǒng)的犁頭深度計(jì)算其變異效應(yīng)，如圖5所示，有深度控制系統(tǒng)時(shí)，深度顯著降低至±2 mm。

(a)無控制系統(tǒng)

為了評估主動(dòng)控制系統(tǒng)的性能，將標(biāo)準(zhǔn)播種機(jī)的線性混合模型與采用主動(dòng)控制系統(tǒng)的播種機(jī)線性混合模型進(jìn)行比較，結(jié)果表明，有控制系統(tǒng)后，犁頭深度偏差降低了15.2%。在95%置信區(qū)間下，有控制系統(tǒng)時(shí)，犁頭深度置信區(qū)間可顯著降低10.4 mm。當(dāng)使用蒙特卡羅模擬分析犁頭深度偏差時(shí)，發(fā)現(xiàn)差異顯著降低(p<0.005)。在95%置信區(qū)間，利用模擬偏差計(jì)算混合模型的置信區(qū)間，深度變化幅度縮小為7.2～13.3 mm?？傊?，當(dāng)有控制系統(tǒng)時(shí)，播種機(jī)犁頭深度較為穩(wěn)定。

2.3 展望與討論

犁頭深度測量的采樣頻率為100 Hz，足以測量犁頭深度的變化，并測試控制系統(tǒng)的功能。11個(gè)位置傳感器為深度控制系統(tǒng)提供輸入信號(hào)，土壤阻力變化對犁頭深度變化的影響降低了15.2%。為使硬件成本最小化，可以考慮減少犁頭傳感器的數(shù)量。安裝的犁頭傳感器越少，測量精度就越低。然而，正如Nielsen等[18]所示，它仍將提供犁頭深度變化的代表性數(shù)據(jù)。兩個(gè)用于檢測播種機(jī)橫架高度的超聲波傳感器可以對苗床表面進(jìn)行可靠測量。然而，額外的傳感器將會(huì)提高對苗床表面的估計(jì)，從而降低系統(tǒng)對土壤塊、石頭或土壤微地形的敏感性反應(yīng)。另外，土壤表面的變化還可以使用多種2D激光測距表面掃描儀進(jìn)行更精確的評估[19]，但其缺點(diǎn)是材料成本變高和數(shù)據(jù)計(jì)算負(fù)載大等。在田間需采用種子替代品，對犁刀深度測量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，需要更多的研究來確定犁刀深度和實(shí)際播種深度之間的關(guān)系。如果這種關(guān)系是可預(yù)測的，就不需要對特定的土壤—犁相互作用進(jìn)行初始校準(zhǔn)。通過研究犁頭深度控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行初始校準(zhǔn)后，其播種深度具有很高的精度。

與其他播種深度控制系統(tǒng)進(jìn)行比較[14-16]，這項(xiàng)研究有一些不同。與Kiani[14]研究結(jié)果相似，本研究發(fā)現(xiàn)超聲波傳感器可以在耕作不規(guī)律的情況下檢測土壤表面數(shù)據(jù)。Weatherly和Bowers[16]使用前端土壤水分傳感器動(dòng)態(tài)調(diào)整播種深度。本研究沒有選擇這種方法，因?yàn)樗窃跊鏊睗竦臍夂蛳逻M(jìn)行的。土壤水分是土壤物理性質(zhì)的一個(gè)重要因素，因此在確定播種深度時(shí)，特別是在干燥氣候條件下，土壤水分是很重要的考慮因素。正如Suomi和Oksanen[15]的研究一樣，本文提出的深度控制系統(tǒng)是基于多個(gè)傳感器的。然而，這些研究并沒有直接可比性，本研究使用的是重量輕、成本低的單盤播種機(jī)，僅適用于深耕土壤，而Suomi和Oksanen[15]使用的是帶有壓實(shí)和平整輪的直接播種機(jī)，播種時(shí)使用的是楔盤式犁，測量了3只犁頭，并采用ISOBUS總線，而本研究包含11只犁頭傳感器，并沒有包括與拖拉機(jī)系統(tǒng)的交互。Suomi和Oksanen[15]使用一個(gè)地輪來探測地表面，而本研究僅使用超聲波傳感器來探測地表面。此外，Suomi和Oksanen[15]采用了比例積分微分級聯(lián)控制，Weatherly和Bowers[16]采用了比例控制，并采用了低成本的三位置液壓控制系統(tǒng)，尼爾森等[15]認(rèn)為這是最具成本效益的解決方案。

本文設(shè)計(jì)的深度控制系統(tǒng)還將地理坐標(biāo)與犁頭深度控制結(jié)合，即基于GNSS衛(wèi)星定位，將GNSS衛(wèi)星接收器安裝在播種機(jī)上作為移動(dòng)傳感器。另外，需要一個(gè)決策支持系統(tǒng)來決定播種深度。土壤水分含量是決定播種深度的一個(gè)重要參數(shù)，另外Weatherly和Bowers[16]發(fā)現(xiàn)，土壤質(zhì)地的信息在預(yù)測播種深度時(shí)也很有用。另一種方法是采用較深的二次耕作，減少壓實(shí)層影響，這樣正常操作中，犁刀往往在壓實(shí)層的上方運(yùn)行。Finlay等[4]指出，較深的二次耕作疏松土層對某些土壤是有益的。

該系統(tǒng)改善播種機(jī)對不同土壤適應(yīng)性，尤其適用于異質(zhì)農(nóng)田，該系統(tǒng)有望在各種苗床條件下發(fā)揮作用，如松散砂或重黏土；每次播種作業(yè)時(shí)，都要將犁刀壓力調(diào)整在一定范圍內(nèi)，以達(dá)到所需的犁刀深度。

總體而言，自動(dòng)犁頭深度控制系統(tǒng)能夠保持犁頭的期望深度，將變異性從±8 mm降低到±2 mm，性能提高15.2%。有控制系統(tǒng)后既可以提高作業(yè)質(zhì)量(深度精度)，也可以提高工作效率。同時(shí)由圖3可知，有深度控制系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)在12 km/h的高速下，與沒有控制系統(tǒng)時(shí)4 km/h的低速保持一致的犁頭深度，所以也可以進(jìn)行更高速度的作業(yè)。

3 結(jié)論

在一種輕型單盤播種機(jī)安裝了一種新型犁頭深度控制系統(tǒng)，并進(jìn)行性能測試。與標(biāo)準(zhǔn)播種機(jī)相比，該系統(tǒng)在各測試速度下都提高了犁頭深度的準(zhǔn)確性和均勻性。該系統(tǒng)使犁頭深度精度提高15.2%，相應(yīng)的犁頭深度置信范圍降低了10.4 mm(CI=95%)。在4 km/h、8 km/h和12 km/h時(shí)，平均犁頭深度目標(biāo)偏移量分別為3.5 mm、5.3 mm和6.3 mm，與標(biāo)準(zhǔn)播種機(jī)在4 km/h、8 km/h和12 km/h時(shí)8.0 mm、9.1 mm和11.0 mm的偏移量相比，這是一個(gè)相當(dāng)大的改進(jìn)。因此，當(dāng)有控制系統(tǒng)時(shí)，在工作速度為12 km/h時(shí)的犁頭深度控制比沒有自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)在4 km/h作業(yè)速度時(shí)更精確。此外，當(dāng)有控制系統(tǒng)時(shí)，所有測試速度的犁頭深度差異均顯著降低。有犁頭深度控制系統(tǒng)與無深度控制系統(tǒng)相比，犁頭平均深度與目標(biāo)深度的偏差分別為±2 mm與±8 mm。

當(dāng)使用新型犁刀深度控制系統(tǒng)時(shí)，作物的出苗和發(fā)芽將會(huì)更加均勻。犁頭深度的變化與工作速度、機(jī)器負(fù)荷、犁刀設(shè)計(jì)、土壤、機(jī)械性能等因素?zé)o直接關(guān)系，但這些因素都會(huì)對犁頭工作深度有一定影響。

(譯者：馮玉崗，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所工程師。譯自[美]Computers and Electronics in Agriculture,2018,144:174-180,略有刪節(jié)。)