玉米精量播種區(qū)段控制技術(shù)研究現(xiàn)狀

凌 琳,顏丙新,武廣偉,李漢青,肖躍進(jìn),梅鶴波,董建軍,孟志軍

(1.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 南寧 530004;2.北京市農(nóng)林科學(xué)院 智能裝備技術(shù)研究中心,北京 100097;3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 電氣與信息學(xué)院,哈爾濱 150030)

0 引言

玉米精量播種區(qū)段控制是將多行播種機(jī)以一行或多行為一個(gè)區(qū)段,按照作業(yè)需求,基于既定策略實(shí)現(xiàn)各區(qū)段獨(dú)立控制的技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)不同區(qū)段排種啟停狀態(tài)的差異化控制和播種量/株距的差異化調(diào)節(jié),從而節(jié)約良種,解決地塊內(nèi)重復(fù)作業(yè)的問題,實(shí)現(xiàn)播種作業(yè)全區(qū)域植株密度均勻一致。隨著黨中央對節(jié)糧減損工作的重視,加強(qiáng)糧食全產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)節(jié)約減損逐漸成為共識,玉米精量播種區(qū)段控制技術(shù)因其具有節(jié)糧增產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn),將逐漸成為研究熱點(diǎn)。

隨著我國精量播種技術(shù)的發(fā)展和普及,播種株距一致性和密度均勻性得到了提高,玉米播種質(zhì)量也得到了改善;但地頭播種行參差不齊,地塊邊界機(jī)具不滿幅作業(yè),且傳統(tǒng)播種作業(yè)方式存在重復(fù)作業(yè)等問題。Velandia等[1]研究發(fā)現(xiàn):重復(fù)作業(yè)面積占總面積的0.1%～15.5%,且重復(fù)作業(yè)區(qū)域種植密度顯著高于正常作業(yè)區(qū)域,超過最佳種植密度會降低植物生長速度,造成良種浪費(fèi)與產(chǎn)量損失[2-4]。Rahman等[4]研究發(fā)現(xiàn):重復(fù)作業(yè)會浪費(fèi)多達(dá)9.58%的良種。Corassa等[5]發(fā)現(xiàn):玉米產(chǎn)量損失與重復(fù)作業(yè)面積呈線性關(guān)系。由此可見,重復(fù)播種作業(yè)已經(jīng)成為制約玉米播種質(zhì)量提升的重要阻礙。區(qū)段控制技術(shù)有利于減少重復(fù)播種區(qū)域,改善播種密度,提高經(jīng)濟(jì)效益。Troesch等[6]指出,區(qū)段控制能減少1%～8%的重疊作業(yè)區(qū)域。Fulton等[7]研究表明:僅使用播種區(qū)段控制技術(shù),平均節(jié)省4.3%的種子成本,配合農(nóng)機(jī)自動導(dǎo)航,可節(jié)省3%～35%。Stombaugh等[8]指出,在特別奇異的地塊可減少25%的成本。愛荷華州立大學(xué)[9]的數(shù)據(jù)表明,重復(fù)播種區(qū)域會造成12%的產(chǎn)量損失。

區(qū)段控制技術(shù)早期依賴手動離合器控制排種,效率與經(jīng)濟(jì)性不高。隨著全球定位技術(shù)與電子技術(shù)的發(fā)展,區(qū)段控制變得更為精準(zhǔn)與智能化,2000年后出現(xiàn)了基于GPS的離合器自動控制方案,并逐漸形成以電機(jī)為主流的自動區(qū)段控制體系[10-12],滯后補(bǔ)償、地形補(bǔ)償、轉(zhuǎn)彎補(bǔ)償成為普遍的提高區(qū)段控制精度的方法,與農(nóng)機(jī)自動導(dǎo)航、自動轉(zhuǎn)彎及單體自動提升等技術(shù)相配合的區(qū)段控制極大地挖掘了播種過程中節(jié)本增益的潛力。

歐美發(fā)達(dá)國家于20世紀(jì)30年代對精密播種技術(shù)展開了研究[13],對播種區(qū)段控制技術(shù)已經(jīng)有了充分研究,現(xiàn)已發(fā)展成一種常規(guī)技術(shù),在玉米播種中廣泛使用,其受歡迎程度僅次于自動導(dǎo)航、自動轉(zhuǎn)彎和作業(yè)監(jiān)測技術(shù)[14]。John Deere、Case IH、AGCO等公司都推出了區(qū)段控制前裝產(chǎn)品,John Deere[15]針對Pro-Shaft單體驅(qū)動單元開發(fā)的RowCommand系統(tǒng),通過EPM(Eletronic power modules)模塊控制離合器,系統(tǒng)最多能拓展至16個(gè)區(qū)段,可實(shí)現(xiàn)彎道播種區(qū)段控制。Case IH[16]的AFS耕作系統(tǒng)兼容ISO 11783,適用所有ISOBUS作業(yè)機(jī)具。另外,Ag leader、Pricision planting、Raven等公司都推出了多種播種機(jī)后裝區(qū)段控制方案[17]。區(qū)段控制效果如圖1所示。

圖1 區(qū)段控制效果Fig.1 Section control effect

國內(nèi)播種區(qū)段控制研究相對較少,孫楠[18]設(shè)計(jì)了一種離合器,通過調(diào)節(jié)離合鍵實(shí)現(xiàn)余行停播,改善余行重播的情況。魏劍濤等[19]發(fā)明了一種基于已工作區(qū)域的農(nóng)具區(qū)段控制方法,采用向量多邊形記錄農(nóng)具作業(yè)區(qū)域,通過四分樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲和檢索已作業(yè)區(qū);當(dāng)區(qū)段在已工作區(qū)時(shí),停止區(qū)段作業(yè),防止重疊作業(yè)。但是,目前國內(nèi)玉米播種仍以機(jī)械式播種機(jī)為主,依賴人為調(diào)節(jié)機(jī)械式離合器的區(qū)段控制因費(fèi)時(shí)費(fèi)力而很少使用,地頭播行參差不齊與地塊余行不滿幅造成的重、漏播情況仍普遍存在,良種與產(chǎn)量均存在損失。隨著現(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展,玉米產(chǎn)量供不應(yīng)求的形勢愈發(fā)嚴(yán)峻,作物種植將由機(jī)械化向智能化方向發(fā)展,玉米播種區(qū)段控制技術(shù)因其智能化程度高、潛在經(jīng)濟(jì)效益好的優(yōu)點(diǎn),將得到高度關(guān)注與廣泛應(yīng)用。

玉米精量播種區(qū)段控制技術(shù)的重點(diǎn)是在準(zhǔn)確定位已播種區(qū)域的前提下,實(shí)現(xiàn)區(qū)段位置精準(zhǔn)獲取和區(qū)段精準(zhǔn)獨(dú)立控制,確保全區(qū)域處在最佳播種密度。為實(shí)現(xiàn)精量播種區(qū)段控制,首先必須獲取種子著床預(yù)測位置,然后與地塊區(qū)域進(jìn)行位置關(guān)系判斷,最后根據(jù)判斷結(jié)果控制相應(yīng)區(qū)段排種啟停。本文圍繞播種區(qū)段控制過程,綜述種子著床定位、位置關(guān)系判斷和排種啟?？刂?個(gè)環(huán)節(jié)的主要研究內(nèi)容,總結(jié)播種區(qū)段控制關(guān)鍵問題,探究我國玉米播種區(qū)段控制技術(shù)研究方向。

1 種子著床定位

區(qū)段控制需要實(shí)時(shí)感知種子位置,確定種子與地塊的相對位置關(guān)系,同時(shí)生成種子覆蓋圖,更新已播區(qū)域,反應(yīng)播種情況。在大田作業(yè)中,種子著床定位數(shù)據(jù)共享是多機(jī)協(xié)同、高效作業(yè)的基礎(chǔ)[20],氣壓、種子種類、排種盤轉(zhuǎn)速等都會影響播種誤差[21],種子著床點(diǎn)存在較大的隨機(jī)性,精確定位困難。當(dāng)前,研究基于RTK定位技術(shù),以單體位置對種子著床位置進(jìn)行預(yù)測。MR Ehsani等[22]將RTK-GPS設(shè)備安裝在單體上,基于單一天線多單體定位模型與定位數(shù)據(jù)插值方法,獲取低位安裝的光電傳感器觸發(fā)時(shí)刻的單體位置,以單體位置為種子著床位置,位置誤差在30～38mm。顏丙新等[23]在MR Ehsani的基礎(chǔ)上提出一種基于高位檢測的精播種子著床位置預(yù)測方法,避免低位檢測傳感器易被土壤、顆粒等遮擋的情況,并基于EDEM數(shù)值模擬和動態(tài)仿真,構(gòu)建種子著床位置補(bǔ)償模型,實(shí)現(xiàn)玉米種子著床預(yù)測位置精確至厘米級。NORREMARK等[24]提出了一種提高定位精度的方法,利用另一光電傳感器檢測已知位置的標(biāo)識,修正定位數(shù)據(jù),同時(shí)使用接收機(jī)提供的航向與傾斜計(jì)提供的俯仰、橫滾角后處理定位數(shù)據(jù),進(jìn)行地形補(bǔ)償,修正定位數(shù)據(jù),相比未補(bǔ)償數(shù)據(jù),平均偏差減少了60%。

文獻(xiàn)[22-24]實(shí)現(xiàn)的是當(dāng)前檢測種子的預(yù)測位置,但導(dǎo)種管中的種子以種子流的形式存在,區(qū)段控制不僅需要當(dāng)前種子著床位置生成種子覆蓋圖,還需要對后續(xù)種子位置做出預(yù)測,避免區(qū)段控制產(chǎn)生啟停滯后距離。孟志軍等[25]基于落肥分析,建立位置滯后模型,田間試驗(yàn)表明:位置滯后模型能較好地估算時(shí)間延時(shí)。Zhao等[26]提出了一種航跡推算方法,基于速度與排種延時(shí)預(yù)測種子著床位置,降低滯后距離,平均滯后距離為63.4cm,相比于非航跡推算方法,平均滯后距離小于72.2cm。HE等[27]基于室內(nèi)臺架試驗(yàn)中高速攝影測定的延時(shí)時(shí)間,結(jié)合航跡推算實(shí)時(shí)補(bǔ)償,平均滯后距離為0.57m,滯后距離變化在0.07%～0.63%之間。

上述研究均基于天線與單體固定位置模型且直線播種情況下,彎道播種場景下,內(nèi)外單體速度存在差異。Strasser[28]在模擬種植場景下對電驅(qū)排種器進(jìn)行彎道播種測試,電機(jī)轉(zhuǎn)速誤差在-7.2%～7.9%之間。天線定位點(diǎn)與單體位置也并不固定,因此HE等[29]提出了一種基于GPS的轉(zhuǎn)彎補(bǔ)償算法,將GPS接收機(jī)的定位點(diǎn)、速度與航向轉(zhuǎn)換為播種機(jī)牽引點(diǎn)的對應(yīng)數(shù)據(jù),進(jìn)而求解各單體的位置。在產(chǎn)品化方面,滯后、地形與轉(zhuǎn)彎補(bǔ)償?shù)纫呀?jīng)得到了廣泛應(yīng)用。Pricision planting[30-31]的20|20系統(tǒng)設(shè)置播種啟停偏差時(shí)間,校準(zhǔn)區(qū)段控制的種子定位點(diǎn),且提供陀螺儀與GPS組合方式實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎補(bǔ)償,如圖2所示。

John Deere[32-33]終端在設(shè)置延時(shí)與地形補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上進(jìn)行田間標(biāo)定試驗(yàn),利用垂直進(jìn)出已播區(qū)域的滯后距離及對應(yīng)速度對區(qū)段控制進(jìn)行調(diào)優(yōu),如圖3所示。

圖2 Pricision planting區(qū)段控制補(bǔ)償設(shè)置Fig.2 Pricision planting section control compensation setup

圖3 John Deere區(qū)段控制補(bǔ)償Fig.3 John deere section control compensation setup

2 位置關(guān)系判斷

區(qū)段控制系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)判斷待播種子的著床位置是否處于播種區(qū)、已播種區(qū)或非播種區(qū),根據(jù)判斷策略進(jìn)而控制排種啟停。實(shí)際作業(yè)中,受控制器性能限制或區(qū)段控制精度需求影響,常以多個(gè)播行為一個(gè)區(qū)段進(jìn)行控制,通常以該區(qū)段中種子預(yù)測位置點(diǎn)連線上的某一點(diǎn)作為基點(diǎn)參與運(yùn)算。由于地塊邊界在計(jì)算機(jī)中常以依次相連的若干定位點(diǎn)組成的多邊形表示,因此待播種子位置或區(qū)段基點(diǎn)與地塊區(qū)域的位置關(guān)系判斷可抽象為點(diǎn)與多邊形的位置關(guān)系運(yùn)算。

多邊形內(nèi)外點(diǎn)判別算法是圖形學(xué)中的基礎(chǔ)算法,是地理信息系統(tǒng)空間數(shù)據(jù)分析功能的基礎(chǔ)。常用的典型判別方法有射線法(奇偶規(guī)則法)、角度和法(累計(jì)角度法)及非零環(huán)繞數(shù)規(guī)則法等。其中,射線法為最基本有效的方法[34-35],但其存在射線過端點(diǎn)、射線與邊界重合等多種奇異情況,且傳統(tǒng)射線法存在大量求交運(yùn)算,故實(shí)際運(yùn)用中常需對射線法進(jìn)行改進(jìn)[36-38]。謝東岑等[36]添加緩沖距離的判斷解決了傳統(tǒng)射線法中射線過多邊形某一邊或端點(diǎn)的奇異情況,實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)地理圍欄越界探測。郝建強(qiáng)等[35]基于有向線段正負(fù)性原理改進(jìn)射線法,并提出了并行算法,提高了運(yùn)算效率。

在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中需要對地塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分,以便因地制宜地收集田間狀態(tài)信息和實(shí)時(shí)變量輸入[39]。在作業(yè)過程中,作業(yè)區(qū)域的網(wǎng)格屬性實(shí)時(shí)更新,網(wǎng)格識別易同時(shí)實(shí)現(xiàn)種子與地塊邊界、已作業(yè)區(qū)等多區(qū)域的位置關(guān)系判斷,因此受到了廣泛關(guān)注。于英杰等[40-41]基于傳感器定位方式設(shè)計(jì)了地塊網(wǎng)格識別方法,適用規(guī)則與非規(guī)則地塊。魏劍濤等[19]將已作業(yè)區(qū)域劃分為若干網(wǎng)格,基于四分樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲與檢索已作業(yè)區(qū),采用非零環(huán)繞數(shù)規(guī)則法判斷已播區(qū)域。Borut ?alik等[42]提出了基于網(wǎng)格法的點(diǎn)集在多邊形內(nèi)外的方法,實(shí)現(xiàn)了大量點(diǎn)的網(wǎng)格判斷。

也有學(xué)者借助地理信息系統(tǒng)直接進(jìn)行農(nóng)機(jī)具與地塊位置關(guān)系判斷。孟志軍等[25]利用嵌入式GIS組件,設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)施肥處方圖識別算法,識別處方歸屬的時(shí)間不超過100ms。魏新華等[43]基于eSupermap 6.0 嵌入式GIS開發(fā)平臺研制的處方農(nóng)作車載嵌入式信息處理系統(tǒng)通過坐標(biāo)匹配,實(shí)現(xiàn)機(jī)組當(dāng)前作業(yè)位置在工作空間圖中的網(wǎng)格識別,3km/h作業(yè)速度下的網(wǎng)格判別誤差約為-0.5～0.6m。劉子文等[44]在魏新華等研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步將判斷誤差縮小在±0.5m以內(nèi)。

在產(chǎn)品化方面,相關(guān)企業(yè)提供配套軟件實(shí)現(xiàn)地塊網(wǎng)格化,Ag leader[45]提供SMS軟件制作地塊電子地圖并支持處方圖制作,配套InCommand終端實(shí)現(xiàn)地塊網(wǎng)格信息識別,最終達(dá)到變量播種與區(qū)段控制的目的,如圖4所示。

圖4 電子地圖制作與播種演示Fig.4 Ag leader map design and seeding demonstration

3 排種啟?？刂?/h2>

排種啟?？刂剖遣シN區(qū)段控制的重點(diǎn)環(huán)節(jié),其與排種驅(qū)動方式發(fā)展密切相關(guān)。目前,排種啟?？刂浦饕獮殡x合器、液壓馬達(dá)、電機(jī)及調(diào)節(jié)閥4種方式。

3.1 離合器

離合器是最早的區(qū)段控制方式,主要用于具有中間傳動機(jī)構(gòu)的播種機(jī)。根據(jù)安裝的位置可以實(shí)現(xiàn)排種器的集中、獨(dú)立控制:當(dāng)安裝在動力源與中間傳動機(jī)構(gòu)之間時(shí),可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)排種器的集中控制;當(dāng)安裝在中間傳動機(jī)構(gòu)與排種器之間時(shí),可以實(shí)現(xiàn)排種器的獨(dú)立控制。Tru Count[46]的氣動離合器能實(shí)現(xiàn)排種控制(見圖5),充氣使通道內(nèi)的頂針卡在橡膠圈內(nèi)擋環(huán)上,固定在橡膠圈上的扭簧受力壓縮,連軸盤與外套脫離傳動,實(shí)現(xiàn)排種啟?？刂啤鈩与x合器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)小,可安裝在傳動鏈多個(gè)位置,但需要壓縮機(jī)、儲氣罐等外設(shè),故Tru Count[46]也推出了電動離合器,改善了這一情況,如圖6所示。

圖5 Tru Count氣動離合器Fig.5 Tru Count air clutch

圖6 Tru Count電動離合器Fig.6 Tru Count electric clutch

John Deere[15]公司推出的RowCommand系統(tǒng)直接對柔性軸進(jìn)行控制,采用低電流電動離合器控制排種動力傳遞,如圖7所示。

圖7 John Deere柔性軸離合器Fig.7 John Deere flexible shaft clutch

離合器采用切斷動力的方式實(shí)現(xiàn)排種控制,在早期區(qū)段控制中起到了至關(guān)重要的作用,但隨著播種驅(qū)動方式的改善,逐漸被替代。

3.2 液壓馬達(dá)

傳統(tǒng)的地輪驅(qū)動方式隨著作業(yè)速度增加,地輪滑移率及鏈傳動不穩(wěn)定性都會上升[47],且株距調(diào)整不便。自20世紀(jì)80年代起,出現(xiàn)了液壓馬達(dá)代替地輪驅(qū)動的方案,改善了播種質(zhì)量,也改變了區(qū)段控制方式。John Deere公司[48]用液壓馬達(dá)驅(qū)動主軸,通過比例流量控制,實(shí)現(xiàn)排種器實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速控制,可手動或由控制終端實(shí)現(xiàn)區(qū)段的獨(dú)立控制,如圖8所示。

圖8 John Deere液壓馬達(dá)及區(qū)段控制Fig.8 John Deere hydraulic motor and section control mode

Raven公司[49]的OmniRow液壓馬達(dá)直接驅(qū)動中間軸,通過修改中間軸,也能實(shí)現(xiàn)排種器獨(dú)立控制,如圖9所示。

圖9 OmniRow液壓馬達(dá)及安裝方式Fig.9 OmniRow hydraulic motor and installation method

液壓馬達(dá)易于實(shí)現(xiàn)啟?？刂?但需要接入液壓系統(tǒng),工作過程中有較多的能量損失,維護(hù)也不便。

3.3 電機(jī)

電機(jī)相對于液壓馬達(dá),能夠直接驅(qū)動排種器,省去了長距離中間傳動環(huán)節(jié),具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、控制精度高,易維護(hù)的特點(diǎn),不僅能保證播種的質(zhì)量,還能實(shí)現(xiàn)區(qū)段控制,也是變量播種的最優(yōu)方案。

Precision Planting[50]針對vSet排種器推出的vDrive電機(jī)模塊,通過齒輪嚙合的方式驅(qū)動排種,縮小了排種器的整體尺寸,配合20|20 SeedSense控制器可實(shí)現(xiàn)區(qū)段控制功能,如圖10所示。

圖10 vDrive電機(jī)模塊及傳動方式Fig.10 vDrive motor module and transmission

Ag leader[51]的SureDrive電機(jī)不同于vDrive僅適配vSet系列產(chǎn)品,還能適配Kinze 2000/3000系列、vSet、Monosem NG4+等眾多排種器,采用鏈、齒傳動減速組驅(qū)動排種器主軸,通過SeedCommand系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)區(qū)段控制,如圖11所示。

圖11 SureDrive電機(jī)模塊及傳動方式Fig.11 SureDrive motor module and transmission

3.4 調(diào)節(jié)閥

調(diào)節(jié)閥是以排種器特性研發(fā)的區(qū)段控制方式,主要從種子吸附、導(dǎo)種環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)排種啟停控制。當(dāng)前的調(diào)節(jié)閥主要針對氣力式排種器,以中央集排式排種器和氣吸式排種器居多。中央集排式排種器利用多行型孔的滾筒實(shí)現(xiàn)一器多行的排種方式。工作時(shí),氣流將種子經(jīng)輸種管直接拋入種床,降低了機(jī)具振動對排種的影響[52];現(xiàn)有的區(qū)段控制方式通過在輸種管中串入可控的調(diào)節(jié)閥,截?cái)喾N子并使其從第三通道回流至種箱,達(dá)到區(qū)段控制的目的。

Farmet[53]推出的區(qū)段控制系統(tǒng),采用三通的結(jié)構(gòu),通過氣壓膨脹鼓膜停止輸種并使種子回流,如圖12(a)所示。Mc Electronic[54]設(shè)計(jì)的TCS 32電動三通閥,在不需要破壞其原有輸種裝置的基礎(chǔ)上,串入輸種管,通過電機(jī)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)通道改變,如圖12(b)所示。

(a)Farmet區(qū)段啟控制結(jié)構(gòu) (b)TCS 32三通調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)圖12 中央集排式排種器區(qū)段控制方式Fig.12 Centralized seed-metering device section control method

氣吸式排種器依靠負(fù)壓吸附種子,排種盤旋轉(zhuǎn)種子至投種區(qū),種子最終投入導(dǎo)種管中,完成排種過程。氣吸式排種器可以由地輪驅(qū)動,也可由電機(jī)、液壓馬達(dá)驅(qū)動,除前文所提啟?？刂品绞酵?Agleader[55]推出的SureVac電動切斷器通過電磁閥驅(qū)動擋板遮擋排種盤型孔,使種子在攜種區(qū)失去負(fù)壓,種子在重力作用下回落充種區(qū),達(dá)到停止排種的目的,如圖13所示。

圖13 SureVac電動切斷器Fig.13 SureVac Electric Disconnector

調(diào)節(jié)閥從排種器特性入手,有效實(shí)現(xiàn)區(qū)段控制,尤其是改善了中央集排式排種器播行的獨(dú)立控制,但適用范圍相對單一。

4 關(guān)鍵問題

精確位置播種是玉米播種區(qū)段控制的關(guān)鍵問題,而影響精確位置播種的核心因素是定位、延時(shí)與測速方式。

4.1 定位

定位是區(qū)段控制系統(tǒng)感知邊界、種子位置的基礎(chǔ)。精確定位以RTK技術(shù)為主,能提供厘米級定位,但受地形與點(diǎn)狀信息的影響,定位數(shù)據(jù)存在較大的變異,當(dāng)前研究與應(yīng)用證明定位數(shù)據(jù)插值補(bǔ)償、滯后補(bǔ)償與地形補(bǔ)償能提高區(qū)段控制的精度。另外,RTK定位受環(huán)境干擾易丟失信號,需要輔以航跡推算等方法,保證在RTK信號丟失后仍能夠得到一定精度的定位數(shù)據(jù),使區(qū)段控制能夠正常運(yùn)行。

4.2 延時(shí)

延時(shí)是影響區(qū)段控制效果的重要因素,區(qū)段控制系統(tǒng)中定位源數(shù)據(jù)獲取、發(fā)送、解析及位置關(guān)系運(yùn)算、控制模塊響應(yīng)、落種等延時(shí)都會產(chǎn)生滯后距離。首先,獲取到的定位實(shí)際上是一個(gè)定位解算周期前的定位數(shù)據(jù);其次,位置關(guān)系運(yùn)算時(shí)間取決于算法的優(yōu)劣與算力的強(qiáng)弱;最后,根據(jù)計(jì)算結(jié)果啟停排種器,啟?？刂颇K受限于自身結(jié)構(gòu)、性能特性存在響應(yīng)時(shí)間,這造成了實(shí)際落種滯后于理論落種點(diǎn),在高速播種時(shí),滯后情況更為嚴(yán)重。因此,在區(qū)段控制中縮短延時(shí),獲取準(zhǔn)確延時(shí)是提高區(qū)段控制效果的有效方式。采用延時(shí)補(bǔ)償模型能較好地預(yù)估延時(shí)時(shí)間,且位置滯后補(bǔ)償與轉(zhuǎn)彎補(bǔ)償能進(jìn)一步縮小滯后距離。

4.3 測速方式

測速方式直接影響速度的準(zhǔn)確性,速度偏差將在系統(tǒng)延時(shí)下造成位置偏差,故高精度的測速方式是保證區(qū)段控制效果的基礎(chǔ)。測速方式分為基于輪速測速方式與基于地面測速方式。其中,基于輪速測速方式主要利用編碼器等傳感器測量車輪軸的旋轉(zhuǎn)速度,最終轉(zhuǎn)換為車輪線速度。由于傳感器分辨率、輪胎與地表的不同接觸狀況導(dǎo)致的地輪滑移、胎壓等多種因素的影響,該類測速方式并不夠準(zhǔn)確,無法滿足高精度需求。基于地面測速方式包括GNSS、雷達(dá)及IMU,其以一固定參考點(diǎn),衡量被測對象相對于參考點(diǎn)的速度,避免了地輪滑移的影響。其中,GNSS測速方式便捷,但受衛(wèi)星信號、接收機(jī)性能的影響,存在較為明顯的延遲,輸出的速度值變異系數(shù)較大;雷達(dá)測速受田間殘茬干擾,測速精度會有所降低;IMU實(shí)時(shí)測量,瞬時(shí)測量精度高,但累計(jì)誤差大,難以滿足長時(shí)間測速需求。由于單一測速方式存在不足,組合測速方案成為了高精度測速方案的首選。

5 討論與建議

國外針對玉米播種區(qū)段控制的研究較為完善,我國玉米播種區(qū)段控制技術(shù)的研究相對滯后:一方面,國內(nèi)精密播種技術(shù)起步較晚,技術(shù)相對落后;另一方面,國內(nèi)人均耕地面積較少,分散、小規(guī)模作業(yè)占多數(shù),成本回收周期長,且農(nóng)民的受教育程度低,對新事物的接受能力較弱,造成了玉米播種區(qū)段控制技術(shù)難以得到發(fā)展、實(shí)踐的現(xiàn)狀。隨著規(guī)?；a(chǎn)進(jìn)程的加快,大面積集中種植將會成為常態(tài),區(qū)段控制潛在經(jīng)濟(jì)性將得到充分的體現(xiàn),將推動玉米播種區(qū)段控制技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)階段我國播種作業(yè)已與農(nóng)機(jī)自動導(dǎo)航密不可分,區(qū)段控制技術(shù)與自動導(dǎo)航技術(shù)存在相當(dāng)多的技術(shù)共性,給國內(nèi)播種區(qū)段控制技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。結(jié)合當(dāng)前形勢與當(dāng)前區(qū)段控制的發(fā)展,提出我國未來區(qū)段控制的發(fā)展趨勢:

1)在現(xiàn)有變量播種研究中,實(shí)現(xiàn)地頭邊界與已播種區(qū)的精準(zhǔn)識別,完成區(qū)段控制與變量播種技術(shù)融合。

2)以現(xiàn)有保有量大的機(jī)械式播種機(jī)開展區(qū)段控制化研究,研制出低成本、高效、自動化的后裝設(shè)備,降低用戶的二次投入成本與操作難度,加快我國播種區(qū)段控制技術(shù)應(yīng)用。

3)針對多系統(tǒng)相互獨(dú)立工作情景,開展農(nóng)機(jī)自動導(dǎo)航、排種監(jiān)測與播種區(qū)段控制等多系統(tǒng)協(xié)同作業(yè)的研究,進(jìn)一步縮小播種重疊區(qū)域,提高播種作業(yè)效率。