马铃薯精密播种技术的研究现状及进展

杨 浩，刘小龙，王关平，孙 伟 ，朱 亮，张 华

(甘肃农业大学机电工程学院，甘肃 兰州 730070)

近年来，我国马铃薯的栽培面积增加至600多万hm2，总生产量达1亿t左右，对我国的粮食安全意义重大[1-2]。2015年初，国家正式启动“马铃薯主粮化”战略，到2020年，国内马铃薯种植面积将达到670万 hm2，且50%以上的马铃薯将作为主粮消费[3-4]。现阶段传统的纯机械式马铃薯播种机排种仍然以勺式排种为主，该排种方式具有成本低廉、可靠性较高等优点，在未来很长一段时间仍然是马铃薯排种的主流方法。但由于薯种形状各异、大小不一，且取种勺的尺寸配合欠佳等原因，导致因漏取而漏播的现象时有发生，进而导致减产现象严重[5-6]，降低了马铃薯种植的经济效益。以2017年的数据为例，我国马铃薯播种面积为566.77万hm2，年产量9 600万t，我国的马铃薯种植面积接近全世界的1/3，而产量却仅为世界总产量的1/5[7-8]。这其中，除了土地等自然因素、马铃薯品质等差别外，漏播所诱发的先天性减产也是一个重要原因。解决马铃薯漏播问题的核心是安装具有自动监测及补偿功能的精密播种系统。以前较为传统的机械式马铃薯播种机自然漏取率基本在10%以上，随着播种机关键部件结构的不断优化，再加上各部件之间的紧密配合，自然漏播率已降至7%左右[9]。国内外专家学者为解决因漏播引起的减产问题，进行了马铃薯播种监测、漏播补偿等精密播种系统的研究，以解决普遍存在的漏播问题，提高马铃薯种植的经济性。本文就马铃薯精密播种机的国内外研究状况、存在的问题，以及解决存在问题的策略做简要概述。

1 国内外马铃薯精密播种机的发展现状

1.1 国外研究现状

国外发达国家对播种机监测系统的研究起步较早，欧美等发达国家于20世纪40年代开始了排种监测系统的应用研究，后来与漏播补偿系统一并在大宗主粮作物种植中获得了广泛应用[9-11]，这其中，美国、德国等国家先后设计出的精密播种机电子监测系统具有一定的代表性。如德国Grimme公司生产的GL系列带勺式排种器马铃薯播种机，动力来源于机电液联合驱动，拥有电子监测与控制系统，能实时监测马铃薯排种器的排种情况，监测较为可靠[12]。美国CYCLO-500型气压式马铃薯播种机上安装了主要由光电传感器、测距传感器、监控电路、转换器与驱动电机及监控显示器等组成的监测系统[13]，该系统可以实时监测播种机播种情况，并通过显示模块显示其监测结果，播种作业过程中播种装置出现故障时，系统即刻进行声光报警，并提醒作业人员停机进行故障排除。此外，英国“斯塔赫5870”型精密播种机在排种器上架设一套机电式排种质量信号显示装置[14]，排种器的工作状况可通过指示灯的亮灭及闪烁的均匀性来判断。此装置滚轮的转动状态决定指示器触点和金属片的接触情况，当播种正常时两部件连续接触，由于电路连续通电使指示灯正常发光；当播种异常时二者断续接通，指示灯的闪烁可表示系统出现故障，同时携载的蜂鸣器发出警报声。澳大利亚A.E.E公司设计出一种用在气力播种机上的监视系统[15]，该系统采用红外传感器监测种子在排种管中的情况，当其中任意一个或多个排种管异常排种时，报警器立即发出声光报警提示，同时点亮相应排种管的指示灯，故障部位一目了然。

1.2 国内研究现状

国内关于精密播种的相关研究起步较晚，但发展较快。在小籽粒精密播种方面具有代表性研究的有赵百通等[16]设计的一种用在小麦精密播种机上的工况监测系统，当机器出现故障时，报警系统进行自动监控和双向声光报警，可及时通知驾驶员故障发生的位置和性质，最大限度地避免漏种现象的发生；冯全等[17]提出了适合小麦等小粒径种子的免耕播种机高抗尘排种监测方案，监测器由检测器和报警器两部分组成，采用红外对射管作为传感器，能较好地监测排种通道中的漏播、堵塞现象，并予以声光报警。除此之外，其他专家学者提出的小籽粒作物精密播种系统也有可借鉴的意义[18-22]。然而，马铃薯播种机的排种方式与小麦等小籽粒有很大不同，受播种速度、薯种形状及田间工作条件等因素的制约，普遍存在较高的漏播率。为此，张晓东等[23]设计了由红外光电传感器、单片机和步进电机组成的马铃薯播种机自动补偿系统，在勺链式排种器的排种槽上附加由步进电机驱动的窝眼轮式补偿通道，该系统结构较为复杂。在此基础上，刘全威等[24]提出了一种基于单片机的红外光电传感器的监测系统和曲柄连杆打击式的补种方案，该系统监测部分可靠性明显提高，也能较好地实现薯种无误差补偿，但其在排种槽外部架设的补种箱、电磁铁等部件增加了整机结构的复杂性，且在打击补偿过程中补种箱的排种口容易出现堵塞。孙伟等[25]提出了以ATmega16单片机为核心，由定位模块和测薯模块组成的漏播检测系统及以击打强排为手段的速动补种系统，该系统检测可靠性进一步提高，补种及时，但专用的补种箱依然存在，待补种薯必须提前就位且发生堵塞的可能性依然较高。王关平等[26]提出了一种以PIC16F877单片机为核心，由干簧继电器触发红外漏播检测和窝眼轮式排种系统进行漏播补偿的方案，其漏播检测系统准确度高，补偿系统结构有所简化、补种行程短、动作迅速，但待补种薯被窝眼槽轮夹伤的现象较为普遍。牛康等[27]提出了基于电容值精确测量技术的漏种检测方法，以PLC为核心设计由电容传感器、伺服电动机和补种执行机构组成的补种系统。该系统能较好地解决漏播问题，但检测技术的成熟性目前还没有其他进一步的研究作为佐证。

2 马铃薯精密播种机存在的主要问题

2.1 播种监测可靠性有待进一步提高

目前马铃薯播种机以采用链勺式或带勺式排种方法为主，而其播种监测多以红外对射式监测方法为主。影响红外对射式监测准确性的主要因素如下：

(1)红外监测器件的发射与接收角度。光电检测元件对发射、接收管的布设角度及相对位置非常敏感，而马铃薯播种机本身又存在较为强烈的振动，极易在一定时间的使用或者其他外力作用下而失去信号对准，从而造成监测结果的偏差。

(2)外部环境的影响。不同波长的红外光在空气中传输时有不同程度的衰减，即使选择的工作波段在红外线穿透能力很强的3个波段，即0.76～2.5 μm波段、3～5 μm波段和8～14 μm波段，也不可能完全地通过，尤其在田间作业过程中灰尘、云、雾、雨等环境会增加红外光在空气中的衰减，从而影响播种检测的准确性；此外阳光的照射也会影响播种监测的准确性，阳光的反射和漫反射在3～14 μm波长区域内，且波长分布比例不固定，这一波段与红外光电检测器件组的工作波段接近，因而极大影响红外光电检测器件组的正常判断。

2.2 漏播补偿系统方案尚不成熟

(1)补偿通道结构复杂。现有马铃薯播种机漏播补偿系统的基本共性是需要专用的补偿系统(包括专用的补种箱、补种排种槽、补种系统的动力机构等)，这使得整机结构过于复杂；此外，打击式补种系统的补偿通道排种口容易发生堵塞，窝眼轮式补偿系统容易出现薯种夹伤等问题。

(2)补种落点误差较大。由于部分机型补偿系统专用的马铃薯补偿通道结构较为复杂，这往往导致补偿薯种在补偿通道中运动速度过快或过慢，较原来正常播种时薯种落点位置有超前或滞后，而理想的落点应该无偏差。

2.3 播种驱动动力较为传统，“精准”播种依然任重道远

(1)目前马铃薯播种机械动力基本以拖拉机牵引为主，此方式动力消耗大、经济成本高，且拖拉机播种作业前后的运输成本高，便捷性差。

(2)所谓“精准”播种，就是在准确获取土壤肥力、土壤墒情等条件下，在信息化系统辅助下能够进行自动化播种作业，以最少的投入达到最高的收益并持续改善环境、高效利用各类农业资源，取得经济效益和环境效益，然而我国目前在马铃薯全产业链精确农业方面才刚刚起步。

3 解决马铃薯精密播种机问题的对策

3.1 提高排种监测可靠性

(1)红外监测光电器件组应选择最优位置安装在马铃薯排种槽上，必要时可适当增加相应的红外监测元件，应使红外光尽可能地辐射到马铃薯薯种上，如把薯勺背面也设计成勺碗状，以增加薯种在薯勺背面位置的相对稳定，从而使监测元件的架设点更为精确，监测更为可靠。

(2)为避免红外监测过程中红外光在大气中的衰减，应选择阴天，雾、尘较少的天气。此外还可以采用其他较为可靠的检测方法来监测马铃薯播种机的排种情况，如电容式的监测方法对太阳光等因素不敏感。电容式监测法[28]的原理是当被测薯种接近电容传感器时改变了电容器中的电荷量，可以把电压在中央控制系统中设置为常数，由电容公式C=Q/V可知，电荷量改变使电容量C变化，从而导致稳幅振荡回路中电容量C发生改变，经过电路整流发出有规律的一个信号脉冲，从而判断是否有薯种通过电容传感器。这种方法可有效地避免许多外界环境干扰。

(3)考虑到农业生产的经济成本，播种系统可选用单片机为中央控制系统，其具有可靠性高、工业级抗干扰能力强、外围配置丰富及适应播种作业多任务要求等优点，可满足马铃薯播种监测的要求。

3.2 漏播补偿系统简洁化、实用化

总体来说，在已经获得种薯漏播事件发生的前提下，补偿系统应以最简单、最快速的方法及时补偿。这就要求补偿方案精简化、补偿动作直接化。受朱瑞祥等[29]提出的一种追赶式大籽粒作物漏播自补种方案的启发，在马铃薯漏播补偿中，当出现漏播情况时可以使用电机驱动超越离合器，使后一种薯加速追赶至漏播种薯位置，从而完成补偿，之后电机动力自行退出，地轮动力继续完成正常的排种驱动。该方案集排种与补种于同一通道，不需要额外安装补偿种薯箱，也不存在专用补偿种薯运动通道，但需增设动力切换装置、附加专用补偿动力电机。该方案使得马铃薯漏播补偿系统的组成大大简化，且系统补偿的位置偏差可以采用软件调节减小或者消除，从而使系统的实用性产生质的飞跃。

3.3 革新播种驱动动力，推进“精准”播种研究

(1)为解决拖拉机驱动便捷性差、动力消耗大等问题，可以考虑采用全电驱动马铃薯排种方案。该播种机具运输方便、节约成本、经济效益高，可进一步实现无额外装设动力漏播补偿系统的设想。

(2)随着3S技术的快速发展及普及，这些技术可与马铃薯播种紧密结合起来，根据土壤肥力、土壤墒情、前一年度产量分布图等情况进行“处方播种”，从而使马铃薯种植在经济效益最大化的同时，进一步降低农药、化肥的使用量，减少农业面源污染。

4 马铃薯精密播种机的发展展望

随着世界人口的不断增长，对粮食的需求与日俱增。中国政府基于此背景提出的“马铃薯主粮化战略”正逢其时。而且，随着中国的城镇化进一步推进以及土地流转政策的进一步成熟，从全世界范围来看，即使在中国这样一个马铃薯种植多集中于山地丘陵地带的国家，马铃薯播种机械也必然进一步从以中小型为主向中大型为主过渡，这也必然为其进一步向智能化、高度信息化方向发展奠定坚实的基础；此外，马铃薯种植是典型的超大种子布局，种植的精准化不仅表现在漏播补偿，也表现在重播抑制，与之对应的是更为可靠高效的捡漏、检重测量、更为简洁高效的漏播补偿与重播排除，就目前而言，只有漏播检测(或排种监测)一项基本解决，其他技术的发展依然需要付出极大的努力才可能推向商业应用。