气流输送式播种机测控技术研究进展*

王丽丽，梁学修，胡小鹿，樊学谦，赵博，周利明

(1. 中国农业机械化科学研究院土壤植物机器系统技术国家重点实验室，北京市，100083； 2. 工业和信息化部计算机与微电子发展研究中心(中国软件评测中心)，北京市，100044； 3. 中国农村技术开发中心，北京市，100045)

0 引言

播种作业是保证作物产量的重要环节，气流输送式播种机目前已在国外的大型农场广泛应用，具有宽幅结构、智能控制且作业速度快的特点[1-2]。美国生产的气力式免耕变量播种机通过控制阀对风扇速度进行调整，将气体稳定地输送到排种系统[3]。意大利生产的播种机可以实现定位施肥，管理种肥分配、种子堵漏监控等。法国生产的气吸式精量点播机能够实现一致的负压分配，保障了株距的均匀性，播种单体采用拉簧的形式增加下压力，精确控制投种，确保了种子的完美定位[4-5]。德国生产的气吸式播种机能够在平整地面实现高速作业，速度可达15 km/h，工作幅宽约为8～12 m[6]。德国生产的气吸式精密播种机可用于精准的子粒种植，排种盘采用独特的外开放凹盘，通过与全新的推卷装置配合实现作物的快速分离，种子在吸种区完成吸种，经过携种区，在刮种器作用下完成刮种，到达无压力区吸力瞬时消失，种子在自身重力作用下完成排种[7]。国内电动排种器处于实验研究阶段，产品化处于初步阶段。中国农业大学研究了组合吸孔式小麦精量排种器，提高了播种均匀度和精准度[8-9]。北京某公司研制的2BM-6型气吸式免耕播种机可一次完成侧深施化肥、清理种床秸秆残茬、整理种床、单粒播种、施口肥、覆土、镇压等工作[10]。吉林大学和黑龙江八一农垦大学研制了高速气吸式精量播种机[11-12]。河北某公司研制的2BYQF-6轻型气吸式玉米播种机通过四连杆仿形机构实现播深一致。中国农业机械化科学研究院等单位设计的传感器可以实现多行播种量和漏播的监测和报警。MS8000系列精量播种机的EASY-SET系统可实现行距快速调节，电控播种监测器能避免漏播、重播和堵塞报警[13-15]。随着我国城镇化和土地流转和耕地集约化进一步发展，气流输送式播种机是播种机未来的发展方向。但我国气流输送式播种机研究起步晚、基础薄弱，缺乏理论基础和实践经验，商品化产品较少，研究主要在集中在排种分配器上[16-17]，涉及其测控技术的研究更少。本文主要叙述了气流输送播种机测控技术的国内外研究与应用现状，为国内气流输送式播种机测控系统研发提供参考。

1 播种检测技术

精确的检测数据对于播种质量至关重要，目前播种机上需要检测的数据主要包括种箱料位、种子堵漏与流量、播深等。

1.1 种箱料位检测

当种箱出现种子排空时，会导致漏播现象的发生，引起农业生产损失。van Bergeijk等[18]学者运用动态称量方法，通过获取肥料质量流量并结合位置信息，实现基于空间分布的肥量合理施用。美国学者[19-20]采用电容法设计了用于检测大气环境和土壤水分传感器。在此基础上，国内王大可等利用电容式接近开关、光电传感器对气吸精播机施肥量无线计量监测系统进行了研究，用于检测化肥箱的工作状态。周利明等[21]利用电容传感器法计算施肥量，能够单独监测各个排肥管并发送到上位机进行实时显示。苑严伟等[22]设计了玉米免耕播种施肥机作业监测系统，利用电容传感器的方法，通过调整伺服电机控制播种施肥量，但田间灰尘、水分等因素会影响到电容传感器的精度。

气流输送式播种机的种箱大多是封闭式种箱，需要通过料位传感器检测种子剩余量。料位传感器安装在种箱底部，当种子低于传感器底部位置时，提示驾驶员需要补充种子。Hopper Level Sensor光电式传感器安装在种箱底部，当种子高度低于传感器底部时，接收端收到发射端的光信号并触发报警；电容式料位传感器是根据种子颗粒与空气介电常数的差异性引起电容值的变化设计的，并可调整传感器灵敏度以适应于不同的种子。

2019年德国汉诺威农机展上，USC-RPO(Universal Seeder Control)通用播种机控制系统是一种模块化的、高技术含量的条播机控制系统，用于监测和控制机器所有功能：堵塞监测、变量播种和对行播种。在USC-PRO系统上安装新的PRO-SEEDER种子传感器，可以计数和检查种子流量，无需校准。采用can总线技术的PRO-SEEDER种子传感器，允许操作员对每一行的种子流量进行计数和检查，甚至能补偿灰尘的沉积，其可识别的最小种子能到直径1 mm，如图1所示。

图1 PRO-SEEDER种子传感器Fig. 1 PRO-SEEDER sensor

ESD(Electronic Seed Driver)是一种简单的、模块化的精密播种机系统，采用直流无刷电机替代机械传动结构，直接驱动排种盘。该系统可以与市场上的GPS设备通过ISOBUS接口进行连接，自动管理行合拢，避免了重复播种，节省了种子，可根据行进速度自动调节播种速率。UNI-SEEDER是一种特殊的种子传感器，与传统的种子传感器不同，它可以配置成不同的性能。由于有一个微控制器，它保证了对来自红外接收器的模拟信号的直接分析。利用先进的数字分析技术，它可以看到非常小和快速的种子，并可以将它们与播种过程中的灰尘、泥土或种子残留物区分开来，其可识别的最小种子能到直径1.5 mm。

1.2 堵塞和流量检测

气流输送式播种机的播种量检测方法主要有光电法、声电法、压电法等，国外目前已有很多商品化的播种量检测传感器用于堵漏或计数监测。美国学者Wrobel[23]采用光电传感器监测通过光区的物体，实现对作物种粒的实时监测，驾驶员可通过电子监控系统查看作业速度、播种总量与每行播种量、相邻种子之间的距离等。Garcia等[24]研制了红外光电传感器监测系统，当排种盘或导种管发生堵塞时，故障指示灯亮，实时监测每个输种管的种子流信息。美国科研人员Haase[25]开发的监测系统包括速度传感器和光电传感器，速度传感器用来测量当前的地轮转速，光电传感器实时监测排种器的工作状态，显示屏用来显示播种量、重播量、漏播量等播种作业信息。2013年，Taghinezhad等[26]为了监测大豆、小麦作物排种的均匀度，设计了一款电容传感装置，用来判别播种的间距是否合格。2007年，布卢农业大学的Leemans等[27]开发了视觉相机监测种粒下落系统，对排种器工作状态监测并引导播种机进行相关的作业。国内对专用于播种机的播种施肥流量传感器也有一定的研究。丁幼春等[28]采用压电薄膜传感器采集油菜粒的下落信息，并实时显示排种信息。齐龙等[29]采用机器视觉传感器统计种粒数量和缺种数量，用于指导种量偏少的穴孔补种。

漏播或重播也是目前精量播种作业中不可避免的异常情况，影响作物生长，降低产量，气流分配器作为关键部件，其结构形式可分为垂直式气流分配器和水平式气流分配器，如图2所示。由于垂直式分配器中存在气流上升管段，所以能量消耗大，在分配头处存在方向突变易引起种子机械损伤，它的优点是种子分配均匀，播种均匀性好；而水平式分配器很难控制气流分布，易造成种子分布不均匀的后果，因此垂直式气流分配器应用较为广泛。

(a) 垂直式气流分配器

(b) 水平式气流分配器

对于气流分配器来说，一旦某一行发生堵塞现象，不仅导致本行漏播，还会影响其他行的播种一致性，所以必须实时监测播种机的运行状态，实时检测各行的播种均匀性并进行故障报警。

1.2.1 光电传感器

光电式传感器分可为对射式和漫反射式。由于对射式传感器信号易处理、检测精度高，因此在播种流量检测中应用相当广泛[30]。BlackEye种子流量传感器采用光电对射原理。6路特殊的红外发射单元均匀覆盖整个传感器内部区域，检测精度接近100%(油菜籽、大麦准确率为99%，小麦、豌豆准确率为98%)。Meng等[31]设计了基于无线传输和激光传感器的播种检测系统，在5 km/h的速度下试验准确率约98%。

国内关于光电式播种检测传感器的研究有很多，但是多用于堵塞检测，并且这些传感器不是针对气流输送播种机设计的。车宇等[32]采用红外LED产生光束，红外光电二极管接收光束，开发了对射式传感器。接收端和发射端采取分离式封装方式，3只红外LED覆盖整个监测空间，监测准确率可达95%以上。卢彩云等[33]针对传统光电式传感器易受灰尘干扰的问题，设计了一款新型光电传感器。该传感器采用砷化镓红外发光二极管发出光束、红外光电三极管接收光束，采用4对发射单元和接收单元，围绕着圆管均匀等间隔分布。采用模拟信号输出时，虽然灰尘浓度不同会影响接收端的输出电压，但是种子的遮光作用更加强烈，因此，输出电压仍然会有一个明显的区分。在没有种子通过传感器时，输出表现为一个动态平衡。在10 km/h 的工作速度下进行试验，种管故障状态监测精度大于98%。

1.2.2 声电传感器

为了提高传感器检测精度，研究人员从以下方面进行了优化设计：使用更高采样频率的声卡以及更厚的不锈钢片来提高声音的衰减速度；加强检测腔室的噪声隔离以减弱环境噪声，开发自适应检测算法和数据调理方法来消除噪声干扰。

国外某公司于2015年设计了一款声电式传感器，如图3所示，该传感器包括传感器板、声音腔室、传声软管和一个堵塞检测单元。其中，传感器板采用耐用材料，如不锈钢，用于承受种子撞击并将声音传递到腔室；声音腔室由塑料制成，用于将声音引导向传声软管；传声软管使用柔性材料制成，如橡胶，用于将声音传输到堵塞检测节点；堵塞检测节点包含一个微型麦克风和声音处理器，用于接收和处理声音信号。2017年，该公司展出的一款Recon无线堵漏和流量监测系统便是基于声电传感器开发的，ECU采集到声音以后通过WiFi传输到驾驶室的车载终端上，车载终端向机手展示每一个通道的流量百分比。并且能够以图形化的形式显示播种状态，当终端上的种子通道显示为红色时表示发生了堵塞，显示橘色时表示流量超出了设定值的范围[34]。

图3 Recon传感器Fig. 3 Recon sensor

目前，国内未见声电传感器用于播种堵漏或流量检测的相关研究。

1.2.3 压电传感器

目前的压电式传感器多用来检测种子管路是否发生堵塞，也有用来检测播种流量的研究和应用。某公司采用压电薄膜设计了一款堵漏检测传感器，传感器的管壁向内凸起形成一个斜面，压电薄膜粘贴在管壁斜面上，种子通过传感器时撞击斜面产生信号。Hoberge等[35]根据压电效应设计了一款压电式的种子计数传感器，包括分配头传感器和输种管传感器，为了能够计数多粒种子同时撞击传感器，一个传感器阵列覆盖整个种子撞击区域，所以种子实际上撞击的是不同的传感器单元；微控制器通过异步中断的方式监测不同传感器单元的脉冲响应。

此外，还有机器视觉法、电容检测法广泛用于含水率、液位及料位等的检测。排种性能检测传感器的优缺点如表1所示。

表1 排种性能检测传感器的优缺点Tab. 1 Characteristics of sensor for seed metering detection

目前，光电感应法因其成本低廉、系统稳定，是当前应用最为广泛的检测方法。但由于农田环境复杂，电容感应法和机器视觉法的研究越来越多，仍需进一步提高田间试验的可靠性和稳定性。

1.3 播深检测

目前，播深检测传感器包括测距传感器、角度传感器、直线位置传感器和压力传感器等。国外测量耕深时往往是多个传感器结合在一起使用，通过测量多个物理量综合得出播深。Lee等[36]采用倾角传感器测量拖拉机姿态变化，角度传感器测量悬挂位置，近红外传感器测量传感器与地表的高度，综合3个传感器的数据计算播深。Nielsen等[37]开发的播深测量系统由直线位移传感器与超声波传感器组成，分别测量播种单体相对播种机机架的位置和机架相对地面的高度，综合得出播深，试验误差在3 mm以内。国内黄冬岩等[38]将压电薄膜安装在限深轮胎面内侧，通过测量胎面形变监测下压力变化，进而得知播深变化。蔡国华等[39]将超声波传感器安装在开沟器上，通过直接测量传感器与地面的高度来确定播深，静态响应误差在10 mm内。

美国某公司在汉诺威展出的SmartDepth可以根据土壤特性(如土壤湿度)自动精确控制单粒种子的播种深度，如图4所示。

图4 SmartDepth排种控制器Fig. 4 SmartDepth seed metering controller

将SmartDepth与SmartFirmer配对使用，驾驶员自定义播种要求(深度范围和湿度目标)，播种过程中，SmartFirmer实时测量并读取不同深度的各种湿度水平。同时，播种机使用电动执行机构，在保持土壤湿度目标的同时，在设定的深度范围内自动调整播种深度。该系统根据水分将种子自动放置在湿度适宜的深度，确保均匀的种子发芽和作物生长。

2 播种控制技术

2.1 风机速度控制

依据种子类型和重量、播种量、作业幅宽、作业速度的不同，具体的风扇速度要在田间通过测试来决定。气流过高会把种子吹出种沟，太低则种子会留在管内造成堵塞，由于高的风量能保证连续作业精度，所以在满足要求的情况下，风机速度应尽可能设置高。

国外的气流输送式播种机大多采用液压马达驱动，直接与拖拉机液压系统相连，通过流量阀控制流过液压马达的流量进行调速。如Pronto DC系列播种机上的调速装置和AirPower 2装置，如图5所示。

(a) Horsch的风机

(b) AirPower

为了适应高速作业，AirPower 2装置采用了两个独立的大容量风机。目前国内外针对风机的性能及结构的研究越来越多，学者们研究了仿真软件对风机结构和性能的影响，并进行了相关试验研究，2017年王钦明[40]利用FLUENT软件对茶叶分选机进行流场分析并进行结构设计，得到茶叶颗粒的运动轨迹和影响因素。2018年戚冬达等[41]运用ANSYS Workbench软件分析了混流式风机并进行数值模拟，确定了风机最佳结构参数。姜华等[42]以采用CFD方法研究了旋风机正反风性能的影响因素。但对播种机风机的研究未曾见到。

2.2 排种器驱动控制

大田作业播种机的排种器驱动方式主要包括地轮驱动、液压(或气压)马达驱动与电动伺服驱动。目前，电驱排种方式是国内外研究的热点，欧美等国已广泛应用电驱排种器，国内产品级电驱排种系统仍属于起步阶段。国外的气流输送式播种机，如Horsch、Kuhn、Kubota和Pottinger等均采用电驱排种方式，电机经减速机直接与排种轴连接，通过电机的速度调节实现排种量调节，具有结构简单、调速方便、易于实现自动化、控制精度高、故障诊断方便等很多优点，如图6所示。

图6 Horsch的电驱排种装置Fig. 6 Horsch’s electric drive seed-metering device

美国精密播种单体最新技术有vSet、DeltaForce、SmartFirmer、SmartDepth。vSet使用高真空设置和一个主动式分离器(singulator)，对不同形状和大小的种子都能保证单粒。不需要更换排种盘、调节分离器(the singulator settings)以及调节真空强度。vSet中的平面圆盘与圆盘边缘的分离器相结合，可以分离掉多余的种子。玉米和大豆的单粒精度超过99%，如图7所示。

图7 vSet排种器Fig. 7 vSet seed metering device

DeltaForce用液压缸和一个向下的力传感器来替代当前播种机上的弹簧或安全气囊，力传感器可以测量出限深轮上的压力，液压缸使限深轮的压力保持一致。DeltaForce能确保所有的种子都是在最佳的向下压力下播种下去的，并保持一致的深度。利用DeltaForce，可以消除土壤压实造成的隐性产量损失，每行都能保证在规定的深度播种，如图8所示。

图8 DeltaForce排种器Fig. 8 DeltaForce seed metering device

SmartFirmer是一种种子加固传感器(a seed-firmer sensor)，当每颗种子被播种到沟底时，传感器就会测量温度、湿度和犁沟里的残留物，并在车载终端上显示测量结果，可以了解种子所处的环境是否是良好状态。种子发芽需要土壤中有足够的水分。如果土壤没有足够的水分使种子发芽，就需要一场阵雨来获得足够的水分使种子发芽。SmartFirmer在驾驶室里测量和显示土壤湿度，还可以实时显示种植时的温度。SmartFirmer可以识别出沿犁沟的任何不规则情况，比如土壤的土块、空气空间和从地表掉落的干土，这样可以洞察到如何修正播种单元的性能并解决这些造成产量损失的问题。垄作作物残茬对种子萌发和生长有不利影响，并能够测量犁沟内残留的数量，并相应地调整排净器，从而确保残茬不会限制种子吸湿或传播疾病，如图9所示。

图9 SmartFirmer排种器Fig. 9 SmartFirmer seed metering device

2.3 播种深度控制

播深控制可以分为被动和主动控制技术。被动控制技术利用限深轮对地面的仿形；主动控制技术主要利用电液控制系统通过力调节、位置调节或力位综合调节控制开沟器下压力，具有控制简单、控制精度高、响应速度快等优点。国外高端播种机大多配备有液压或气压下压控制装置[43]，如图10所示。

2.2.3 无菌消毒。痰液粘稠时可给与雾化吸入，雾化器在使用后立即清洗全套容器、管道、面罩，应使用灭菌注射用水冲洗干净并晾干；自来水中存在细菌容易造成雾化器内细菌的滋生。呼吸机管路、湿化罐、细菌过滤器等应定期更换，最长不超过1个月（28天），防止细菌污染。合理使用抗生素，每周2次留取痰标本送检做培养，根据痰培养结果，选用敏感药效的抗生素。病室环境每日用紫外线灯照射30 min消毒2次，采用湿式清扫每日晨晚护理时各1次，配置1 000 mg/L含氯消毒液擦拭床、床旁桌，使用75%擦拭呼吸机屏幕及监护仪屏幕。每日定时更换无菌吸痰罐，每天更换一次性负压引流袋，定期更换密闭式吸痰管（3天更换1次）。

传统的播深调整主要是为了实现播深一致性，而忽略了土壤条件的影响。研究表明：土壤湿度对播种深度有重要影响，合适的播深有助于获得更好的水肥条件。目前已有学者对变播深播种进行了相关研究。土壤湿度传感器是播深控制系统的关键组件，Frederic Rene-Laforest等利用电容式土壤湿度传感器来检测土壤水分，使用LabVIEW开发了一个PI控制系统完成土壤水分与播深的线性映射，控制线性致动器动作实时调整深度，调整范围为2.5～7.5 cm。John Fulton基于实时土壤湿度和结构开发了能自动调整深度的算法，土壤湿度由无线土壤湿度传感器实时获得，土壤结构图利用电导率仪可以直接得到。

(a) 液压控制系统(b) AirForce装置

(c) TruSetTM技术

国内的温丽萍等基于PLC结合PID控制开发了电液比例控制系统来控制播深，播种速度在5 km/h时，动态误差在15～25 mm；赵金辉等[44]设计的播深控制系统采用了液压缸调节四连杆仿形机构，通过PLC控制器和脉宽调制技术控制电磁阀流量，实现开沟深度实时控制，在5 km/h速度条件下实验，响应速度0.12 s，不同深度下的稳定性系数均超过了90%。

2.4 播种量和播种行控制

由于气流输送式播种机一般采用的是集中排种系统，直线行进变量作业是容易实现的，而曲线行进变量作业时想要实现各行的种植密度均匀就很难，因为需要单独控制每一行的播种量，根据速度变化的变量播种在欧美等高端农机上都能实现。基于处方图变量作业难点在于获取精准的处方图，国外的高端农机上使用的终端很多具有执行处方图的能力，如expert 100终端，如图11所示。

播种行控制装置结构主要可以分为两种：一种是和气流分配器做成一个整体，如IDS(Intelligent Distribution System)系统，如图12(a)所示，它可以通过总线系统控制所有播种行的开闭，在出种口有一个可以旋转动作的挡板，水平时允许种子通过弧形管进入输种管，当立起时挡住出种口，种子通过漏斗装置重新返回气流分配器；另一种是单独做成多通路阀，如TCS 32电动阀，如图12(b) 所示，它集成了光电对射管进行播种量计数，操作者能够通过控制电动马达的转动来控制某行是否播种，禁止播种时种子通过另一条通路返回气流分配器。

图11 播种量控制Fig. 11 Seeding volume control

(a) IDS系统

(b) TCS 32电动阀

如图13(a)所示，TRACK-Guide III终端可实现播种机在池塘等大型障碍物周围、地头、边界处进行播种时，自动记录下这些播种的区域，剩余的内部区域以直线轨迹播种，当行进到已播种区域时自动关闭某些行的播种[45]，如图13(b)所示；当遇到田间树木等小的障碍物时，控制终端会提供一个曲线轨迹绕开障碍物的合理方案，如图13(c)所示，该控制终端还可单独控制排种器每一行的播种量，以保证种植密度均匀[46-47]。

需要说明的是，由于集中排种器无法精准控制每行播种量，涉及到曲线作业时，不可避免地造成各行种植密度有一定的差异。

(a) TRACK-Guide III终端

(b) 池塘周围播种的局部控制

(c) 绕开树木

3 制约因素

气流输送式播种机是大型化播种机发展的必然趋势，传感器技术、信息处理技术和智能化控制技术的飞速发展，有助于气流输送式播种机在我国推广应用，但通过以上测控技术的介绍，还存在一些制约因素，在今后的研究中需要重点解决。

1) 排种器性能。排种器结构设计的合理性关系到播量的均匀性和播种质量。气流分配器是气流输送式播种机的关键部件，气流种子混合体运动方向的改变，容易引起种子的机械损伤，从而影响种子的出芽率，如何保证各行的约束条件相同是个非常关键的问题，也是减少堵塞和漏播的关键因素。

2) 动力匹配性。国外的气流输送式播种机以大型为主，安装有监测系统，自动化程度较高，作业幅宽达到10 m以上，配套动力一般在100 kW以上，由于我国国情的特殊性，配套动力还不能很好地满足大型机具的要求，因此推广应用起来较难。

3) 传感器自主研发力度。传感器是实现气流输送播种机种子流量在线检测，并且能够实现快速的漏播、堵塞检测的有力工具，有助于提高作业质量。精确的流量信息使用户能够了解种植密度分布、漏播指数、播种总量等信息，对后期精准管理、产量预测等有重要意义。加强国产传感器的研发，发挥价格优势，保证播种作业质量的同时，最大程度地降低国产产品的价格。

4 发展趋势

大型、高速、高精度、智能化是播种机的发展方向。随着现代农业对播种作业要求的提高，气流输送式播种机将逐渐成为播种机的主要类型。为提升我国气流输送式播种机测控技术水平，今后应着力发展以下技术。

1) 电驱动排种技术。电驱排种技术极大地提高了播种的速度和精度，其易于调速和控制精度高的特点是开发实用高速高精度作业气流输送式播种机的保障。国外知名农机企业已广泛应用电驱排种器，而国内农机企业仍然采用地轮驱动方式为主，限制了播种速度和播种精度的提升。国内学者针对电驱排种技术已经进行了大量的研究和实验，在未来应继续加强研究和应用推广。

2) 播种流量检测技术。欧美等发达国家的高端播种机上基本都配备了流量传感器，而国内的播种机一般并不配备流量或者堵漏传感器。国内关于堵漏和流量检测技术的研究很多，但对气流输送式播种机的流量检测技术研究很少，基本属于空白。而且关于播种机流量检测的精度和稳定性还有待进一步提高。

3) 智能控制技术。智能控制技术是一种通用性技术，是各类农业装备实现智能化作业的共性关键技术，也是国内外研究的热点。目前，国外高端播种机控制器已实现了变量作业控制，国内在这些方面还有很大的差距。总体上来说，我国播种作业的智能化水平还很低，仍需作进一步的研究以提高作业自主性。播种作业也会向精准变量作业的方向发展，基于处方图、土壤结构图与实时获取的土壤湿度信息进行变密度变深度播种。随着农业大数据的积累和相关人工智能技术的发展，获取综合各种因素的、高精度的处方图将变得更加容易。随着农业经营模式的不断变化，我国播种机正由小型向大中型、联合作业方向发展。