排種器性能檢測(cè)技術(shù)的研究與發(fā)展

侯云濤

（黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150081）

0 引言

排種器是農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備中重要的種植工具之一，對(duì)作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量具有重要的影響。排種器性能檢測(cè)是確保作物能夠在適宜的條件下生長(zhǎng)和獲得最大產(chǎn)量的重要步驟[1]。如果排種器的性能存在問題，可能會(huì)導(dǎo)致種子播種不均勻或深度不合適，從而影響種子的萌發(fā)和生長(zhǎng)，進(jìn)而影響作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。因此，對(duì)排種器的性能進(jìn)行檢測(cè)非常重要[2-3]。

1 排種器性能檢測(cè)主要內(nèi)容

主要的檢測(cè)指標(biāo)和內(nèi)容包括播種合格率、播種重播率、播種漏播率、播種均勻度、種子破損率和播種深度等。其中，播種合格率、播種重播率和播種漏播率是最重要的指標(biāo)[4-5]。

播種合格指標(biāo)：評(píng)估排種器在播種時(shí)能否將種子種植在目標(biāo)位置的能力，通常表現(xiàn)為株距上等距排種。如果排種器在播種時(shí)無法實(shí)現(xiàn)等距排種，則可能導(dǎo)致作物的生長(zhǎng)不均勻或者導(dǎo)致作物之間的競(jìng)爭(zhēng)，進(jìn)而影響農(nóng)作物的產(chǎn)量。

播種重播指標(biāo)：檢測(cè)排種器作業(yè)時(shí)是否下種量過多，一般表現(xiàn)為雙?；蚨嗔Ｅ欧N。會(huì)導(dǎo)致作物之間的競(jìng)爭(zhēng)，進(jìn)而影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量。

漏播指標(biāo)：檢測(cè)排種器作業(yè)時(shí)是否下種數(shù)量不夠，一般表現(xiàn)為非連續(xù)排種。會(huì)導(dǎo)致農(nóng)作物的生長(zhǎng)不良或?qū)е伦魑锂a(chǎn)量的減少。

通過對(duì)這些指標(biāo)的檢測(cè)，可以評(píng)估排種器的播種質(zhì)量和穩(wěn)定性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和糾正排種器性能問題，以便及時(shí)進(jìn)行維護(hù)和修理，保證排種器的正常運(yùn)行和作業(yè)效果，從而保證作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量。常見的排種器性能檢測(cè)方法在GB/T 18686-2002《農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程技術(shù)規(guī)范》和GB/T 30549-2014《播種機(jī)械 電驅(qū)高速排種機(jī) 安全要求》中都有相關(guān)的說明，本文不再贅述。

2 排種器性能檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 基于帆布帶法的性能檢測(cè)技術(shù)

人工帆布帶測(cè)試是排種器早期的一種實(shí)驗(yàn)室性能檢測(cè)技術(shù)，其原理是在一塊長(zhǎng)約2 m、寬約0.5 m的帆布帶上均勻地涂抹黃油，然后將排種器在帆布帶上行駛一段距離，觀察帆布帶上種子的分布情況，從而評(píng)估排種器的均勻性能和排種精度。涂黃油的作用是使種子附著在帆布帶上，便于觀察和計(jì)數(shù)[6-7]。

在美國(guó)，該方法早在20 世紀(jì)40 年代便得到應(yīng)用。其相關(guān)研究最早由美國(guó)的農(nóng)業(yè)工程師A.B.Stuart進(jìn)行，主要研究小麥、玉米等農(nóng)作物的播種性能。后來，美國(guó)農(nóng)業(yè)部陸續(xù)開展了一系列相關(guān)研究，探討不同排種器的播種性能及其影響因素。1954 年，日本的農(nóng)業(yè)機(jī)械化試驗(yàn)場(chǎng)將人工帆布帶測(cè)試納入了農(nóng)業(yè)機(jī)械測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目之一，并制定了相關(guān)測(cè)試方法和標(biāo)準(zhǔn)。在20 世紀(jì)60 年代，我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化試驗(yàn)單位開始將其納入到排種器的性能檢測(cè)中。這種方法可以快速地評(píng)估排種器的播種效果，一定程度上能反映播種時(shí)種子的著落情況，但需要人工操作和計(jì)數(shù)，容易產(chǎn)生誤差，且試驗(yàn)過程中種子會(huì)受到污染,無法回收利用。

SD-175 型排種器試驗(yàn)臺(tái)在1970 年代初期開始研制，是國(guó)內(nèi)較早研發(fā)的一款移動(dòng)式排種器性能測(cè)試設(shè)備，應(yīng)用了沙盤固種技術(shù)，是黃油固定種子的一種變體。在使用中，將細(xì)沙鋪設(shè)在排種器的排種帶上，使其平整并緊實(shí)，將待檢測(cè)的排種器放在上面進(jìn)行播種操作，播種后再用刻度尺等工具進(jìn)行密度和行距的測(cè)量，觀察種子的均勻程度。如果種子排列整齊、均勻，說明排種器的排種性能較好。

沙盤固種技術(shù)具有環(huán)境清潔、種子可回收利用等優(yōu)點(diǎn)，但是種子彈跳移位和人為誤差仍然存在,檢測(cè)精度不高。

2.2 基于高速攝影的性能檢測(cè)技術(shù)

高速攝影法可以以高幀率記錄播種器的操作，捕捉播種過程中的細(xì)節(jié)，如種子的翻滾、彈跳和旋轉(zhuǎn)等，有利于分析播種過程中的各種問題。這對(duì)于檢測(cè)可能出現(xiàn)的問題、對(duì)比不同的設(shè)計(jì)和調(diào)整播種器性能非常有用[8]。John Deere 公司就使用了高速攝影法進(jìn)行排種器性能檢測(cè)，以評(píng)估播種器的速度、精度和一致性，以及了解不同種子類型和種子大小對(duì)播種器性能的影響。高速攝影法具有檢測(cè)速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，但因存在著設(shè)備要求高、成本較大等缺點(diǎn)，并未得到大規(guī)模應(yīng)用。

2.3 基于壓電效應(yīng)法的性能檢測(cè)技術(shù)

基于壓電效應(yīng)法的排種器實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)技術(shù)利用了壓電效應(yīng)的特性。具體方法如下[9]：首先，在排種槽內(nèi)放置一個(gè)薄片壓電傳感器，并將傳感器與數(shù)據(jù)采集儀器相連。然后，記錄傳感器接收到的在排種器工作過程中種子落入到排種槽中的壓電信號(hào)。通過對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得出排種器排種的精度和穩(wěn)定性。此外，該方法還可以檢測(cè)排種器在不同工作條件下的排種精度，為排種器的性能優(yōu)化提供參考。

美國(guó)農(nóng)業(yè)部（USDA）研究人員使用壓電傳感器檢測(cè)精密種植機(jī)的種子排放，通過采集傳感器數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行分析，評(píng)估種植機(jī)的性能和精度。德國(guó)的耐克爾公司研發(fā)了一款基于壓電效應(yīng)的種子計(jì)數(shù)傳感器，用于實(shí)驗(yàn)室中對(duì)精密種植機(jī)進(jìn)行檢測(cè)和校準(zhǔn)，該傳感器可以檢測(cè)種子數(shù)量和速度等關(guān)鍵參數(shù)。日本國(guó)立農(nóng)業(yè)研究中心（NARO）研究人員使用壓電傳感器檢測(cè)精密種植機(jī)的種子排放情況，通過分析傳感器數(shù)據(jù)，研究種子排放量和排放均勻性，提高種子的精度和均勻性。

2018 年，中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究院開展“基于壓電效應(yīng)的玉米高速排種器性能檢測(cè)技術(shù)研究”項(xiàng)目，該項(xiàng)目利用壓電傳感器實(shí)時(shí)采集發(fā)種壓力數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)處理、分析和比對(duì)，得出排種器的性能指標(biāo)，包括株距和排種量等。該技術(shù)可以高效地實(shí)現(xiàn)排種器性能的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，并為優(yōu)化排種器結(jié)構(gòu)和提高排種效率提供技術(shù)支持。

相比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)方法，基于壓電效應(yīng)法具有非常高的靈敏度和準(zhǔn)確性，實(shí)時(shí)性好，而且不會(huì)對(duì)排種器的工作產(chǎn)生干擾；缺點(diǎn)是信號(hào)處理難度較大，設(shè)備成本較高。

2.4 基于光電效應(yīng)法的性能檢測(cè)技術(shù)

基于光電效應(yīng)法的排種器性能檢測(cè)技術(shù)利用光電二極管（Photodiode）或光電倍增管（Photomultiplier）檢測(cè)種子經(jīng)過時(shí)產(chǎn)生的光信號(hào)變化，從而確定種子數(shù)量和排種速度。這種技術(shù)在精度、速度和自動(dòng)化方面都有很大優(yōu)勢(shì)，因此被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代排種器的檢測(cè)中[10-11]。

美國(guó)的Seedburo 公司生產(chǎn)的D-212 型光電種子計(jì)數(shù)器，是一種基于光電效應(yīng)原理的排種器實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)儀器。它采用高速計(jì)數(shù)器和精密光電傳感器，能夠?qū)Ω鞣N形狀的種子進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的計(jì)數(shù)，具有高效、精準(zhǔn)的特點(diǎn)。瑞士的一家公司開發(fā)了一種名為“GreenVision”的排種器測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用高速攝影和激光測(cè)距技術(shù)，能夠測(cè)量種子的投放速度、間距和分布均勻性等參數(shù)。日本筑波大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于光電效應(yīng)的排種器檢測(cè)方法，該方法使用紅外線LED 和光電二極管來實(shí)現(xiàn)對(duì)種子排量和排種速度的測(cè)量。我國(guó)農(nóng)業(yè)科研機(jī)構(gòu)和種子企業(yè)也開發(fā)了一些基于光電效應(yīng)原理的排種器檢測(cè)技術(shù)，包括種子計(jì)數(shù)器、種子品質(zhì)檢測(cè)儀等。

這些基于光電效應(yīng)原理的排種器實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)技術(shù)具有計(jì)數(shù)速度快、精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠大大提高種子檢測(cè)的效率和精度，但在對(duì)形狀較小的種子進(jìn)行檢測(cè)時(shí)存在一定的局限性。其檢測(cè)設(shè)備和操作復(fù)雜度較高，需要高水平的技術(shù)和設(shè)備支持。同時(shí)，不同光源的照射條件對(duì)測(cè)量結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

2.5 基于嵌入式的性能檢測(cè)技術(shù)

嵌入式技術(shù)可以對(duì)排種器的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和分析，可以通過嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)播種量、出口速度、播種深度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)排種器性能的全面評(píng)估和優(yōu)化[12-13]。此外，嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)排種器的智能控制，提高排種效率和管理水平。因此，嵌入式技術(shù)在排種器性能檢測(cè)中的應(yīng)用越來越廣泛，它可以幫助實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和精準(zhǔn)化的檢測(cè)。

美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校的科研團(tuán)隊(duì)使用了基于嵌入式技術(shù)的系統(tǒng)對(duì)水稻精密排種機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試。該系統(tǒng)利用嵌入式芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、控制和處理，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)排種器的工作狀態(tài)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。Agtron 公司推出了基于嵌入式技術(shù)的智能排種器檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于對(duì)各種類型的排種器進(jìn)行性能測(cè)試和優(yōu)化。

歐洲的一些科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)也開始采用嵌入式技術(shù)對(duì)排種器進(jìn)行性能測(cè)試。例如，德國(guó)ECP GmbH公司開發(fā)了一款基于嵌入式技術(shù)的高精度排種器測(cè)試儀，該測(cè)試儀可以進(jìn)行多種參數(shù)的測(cè)試和數(shù)據(jù)采集，荷蘭的Wageningen University &Research 使用嵌入式系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)化精密排種設(shè)備進(jìn)行性能測(cè)試，并研究其適用性。

日本的科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)也在積極探索嵌入式技術(shù)在排種器性能檢測(cè)中的應(yīng)用。例如，日本Keyence公司生產(chǎn)的光電式排種器檢測(cè)系統(tǒng)采用了嵌入式技術(shù)，可以進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)控制。日本電裝公司開發(fā)了一種基于嵌入式技術(shù)的排種器性能檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用了嵌入式計(jì)算機(jī)和傳感器，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)排種器電子元器件的工作狀態(tài)，提高了排種器的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

在我國(guó)，嵌入式技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。例如，江蘇普羅米特農(nóng)業(yè)裝備有限公司推出的自動(dòng)化水稻精密排種機(jī)，采用了嵌入式芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，并通過電子控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了種子的自動(dòng)計(jì)量和定位。嵌入式技術(shù)在排種器性能檢測(cè)中的應(yīng)用具有以下優(yōu)點(diǎn)：可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和精準(zhǔn)化的檢測(cè)，減少了人工干預(yù)的誤差；采集數(shù)據(jù)的速度快，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)排種器的工作狀態(tài)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，提高了檢測(cè)的效率和準(zhǔn)確性；可以集成多種傳感器，能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)參數(shù)，提高了排種器性能測(cè)試的全面性和準(zhǔn)確性。但是，嵌入式技術(shù)在排種器性能檢測(cè)中也存在一些缺點(diǎn)，例如需要專業(yè)人員進(jìn)行維護(hù)和升級(jí)，成本較高等。

2.6 基于計(jì)算機(jī)視覺的性能檢測(cè)技術(shù)

計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)在排種器實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用主要是通過使用計(jì)算機(jī)和攝像機(jī)等設(shè)備，利用圖像處理和模式識(shí)別技術(shù)對(duì)排種器的工作狀態(tài)和性能進(jìn)行評(píng)估和監(jiān)控[14-15]。計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)在排種器實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用越來越廣泛，具體包括：①圖像處理與分析：通過采集種子排放的圖像，利用計(jì)算機(jī)視覺算法對(duì)圖像進(jìn)行處理和分析，得到種子的數(shù)量、大小、密度等信息，從而評(píng)估排種器的性能。②三維重建技術(shù)：通過將多個(gè)角度的圖像進(jìn)行融合，采用三維重建技術(shù)對(duì)種子分布進(jìn)行建模，從而實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的性能評(píng)估。

美國(guó)德州農(nóng)工大學(xué)開發(fā)了一種基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的高速種子計(jì)數(shù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用高分辨率攝像機(jī)拍攝種子圖像，然后通過圖像處理和分析算法實(shí)現(xiàn)了快速高效的種子計(jì)數(shù)。Purdue 大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)使用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，開發(fā)了一種基于高速相機(jī)和圖像處理技術(shù)的排種器性能評(píng)估系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)種子數(shù)量、排放位置、速度等信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析。

歐洲農(nóng)業(yè)技術(shù)研究中心（CRA）利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)開發(fā)了一種基于數(shù)字圖像處理的玉米排種機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠通過高分辨率攝像頭獲取玉米種子的圖像，利用圖像處理算法實(shí)現(xiàn)種子的檢測(cè)、計(jì)數(shù)和分類等功能。歐盟資助的SmartAgriHubs 項(xiàng)目，涉及多個(gè)歐洲國(guó)家的合作伙伴，其中包括利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)對(duì)精度種植設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和優(yōu)化的研究。利用高分辨率圖像和深度學(xué)習(xí)算法對(duì)種子落地狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別和分析，實(shí)現(xiàn)精度種植過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化控制。

日本東京農(nóng)工大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種基于計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的水稻排種機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠通過高分辨率攝像頭獲取水稻種子的圖像，利用圖像處理算法檢測(cè)種子的形狀和大小，并自動(dòng)調(diào)整排種機(jī)的參數(shù)，以保證種子的排列和深度。愛媛大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)使用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，開發(fā)了一種基于三維重建的排種器性能評(píng)估系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)種子分布的精確建模，從而提高性能評(píng)估的準(zhǔn)確性。

在我國(guó)，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的研究人員利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)開發(fā)了一種高精度的水稻秈稻和粳稻區(qū)分系統(tǒng)，通過對(duì)高清圖像進(jìn)行處理和分析，自動(dòng)識(shí)別水稻秈稻和粳稻的種子形態(tài)特征，并進(jìn)行分類和記錄，提高了種子鑒別的準(zhǔn)確性和效率。

計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)在排種器性能檢測(cè)中的應(yīng)用具有以下優(yōu)點(diǎn)：①高效：計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)可以高效地處理大量數(shù)據(jù)，比人工檢測(cè)更加快速，減少了時(shí)間和成本；②精確：計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)可以減少人為誤差的出現(xiàn)，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。缺點(diǎn)：①易受環(huán)境影響，如光照、攝像頭視角等因素會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響；②計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的設(shè)備和軟件成本較高。

3 排種器檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和研究方向

3.1 抗干擾能力強(qiáng)的傳感器

傳感器是排種器性能檢測(cè)的核心部件之一，受到外部環(huán)境因素的影響比較大，研發(fā)抗干擾能力強(qiáng)的傳感器是未來的一個(gè)重要方向。這些傳感器可以在復(fù)雜的環(huán)境中穩(wěn)定工作，從而將排種器測(cè)試技術(shù)引入到田間，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)采集，更準(zhǔn)確地了解排種器在不同作物、不同土壤、不同氣候條件下的性能，實(shí)現(xiàn)更加真實(shí)的排種器性能檢測(cè)，貼近實(shí)際使用場(chǎng)景。

3.2 多元化測(cè)試

傳統(tǒng)的排種器性能檢測(cè)技術(shù)主要是針對(duì)單一的參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，未來的發(fā)展方向是多元化測(cè)試，即同一設(shè)備在一次實(shí)驗(yàn)過程可以同時(shí)測(cè)試多個(gè)參數(shù)，減少隨機(jī)因素的影響，通過綜合評(píng)估，對(duì)排種器的性能進(jìn)行全方位的檢測(cè)，提高測(cè)試效率和準(zhǔn)確性。

3.3 虛擬仿真

通過建立排種器的虛擬模型，可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，在實(shí)際測(cè)試前預(yù)測(cè)和分析排種器的性能，通過對(duì)模型參數(shù)的調(diào)整進(jìn)行排種器的優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)更高的性能和更佳的穩(wěn)定性，從而降低實(shí)際測(cè)試的成本和風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，虛擬仿真技術(shù)也可以輔助實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可以在較短時(shí)間內(nèi)獲取更多的數(shù)據(jù)，提供更加全面和精確的數(shù)據(jù)支持，幫助檢測(cè)人員識(shí)別和分析排種器的問題，提高檢測(cè)的效率、準(zhǔn)確性和復(fù)現(xiàn)性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也可以用于驗(yàn)證和修正模型。