播種裝置及其排種性能檢測技術的研究分析與展望

趙希富，王 龍，王旭峰※，吐爾孫江·艾山，王興旺

（1.塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆阿拉爾843300;2.新疆維吾爾自治區普通高等學校現代農業工程重點實驗室）

0 引言

我國是以經濟作物和糧食作物為主的農業大國。播種是農業生產種植中的關鍵環節，種子的投放離不開排種器。排種器是播種機的核心部件，由于田間地理環境具有復雜多樣性，在進行種子的播種時，排種的過程中會出現重播、漏播現象，導致農作物的產量下降。正確對排種器進行性能檢測能夠了解到其工作狀態，對后續排種器的深度研發起著關鍵作用[1]。為此，國內外有關學者對排種器的性能檢測進行了研究和試驗。

1 播種機械研究現狀

國內外大田播種機械按照工作原理可分為機械式排種器和氣力式排種器，機械式排種器結構簡單，但其在工作過程中對種子的損傷程度比較高，且不能適應不同種子。氣力式排種器在排種的過程中對不同種子的適應性好，并且對種子的損傷程度比較低，但其結構復雜且在排種的過程中易堵塞排種口[2]。機械式排種器可分為外槽輪式排種器、圓盤式排種器和指夾式排種器等。外槽輪式排種器常見于我國東北三省大豆、玉米等農作物的種植，其優點在于外槽輪排種器的通用性較好，結構簡單和播量調整方便等，但其在播種時，排種均勻性差。氣力式排種器大多用于精密播種，歐美的Blackmore System、marksman等以及日本井關、東洋、久保田和三菱等是歐美國家較早使用的機型[3]。

2 排種性能檢測技術及其研究現狀

為了探尋排種器在播種過程中所存在的問題,有關研究者對監測排種器工作情況的軟件系統也進行了相應的研發。目前排種器性能檢測技術有光電傳感器檢測技術、壓電脈沖檢測技術和CCD攝像檢測技術等。

2.1 光電傳感器檢測技術

光電傳感器檢測技術是一種基于光電交叉融合所產生的一種新興的檢測技術[4]。一般情況下光電傳感器主要由發送器、接收器和檢測電路三部分構成，其工作原理是發送器發射出一條光束，由接收器進行接收。排種器在排種時，種子會遮擋光束使接收器兩端電壓信號發生改變，對變化的信號進行處理，使之變為可被控制器所識別的脈沖信號，通過控制器對脈沖信號分析和處理，達到對排種器性能檢測的目的[5]，其檢測原理如圖1。

圖1 光電傳感器檢測原理示意圖

John Deere[6]為了對播種機的性能進行實時了解，運用了光電傳感器與電路信號相結合的方法進行采集分析，發現了播種機的漏播現象。panning[7]等以5種播種機和3種田間速度進行組合作業，采用田間甜菜種子定位方法和光電傳感器系統相結合來進行試驗分析，并采用精確系數測量方法，實現了對種子間距均勻性的評估。Lan[8]等設計了由1個矩形光柵快（194×92mm）和24個光電晶體管組成的光電傳感器系統，用于測量不同種子株距均勻性的檢測。Stephen W.Searcy[9]等設計了種子精確間隔發芽計量系統，由光電傳感器檢測種子并且將其信息傳送到計算機中，來對種子進行檢測。

賈洪雷[10]等設計了一種基于光電傳感器、旋轉編碼器的檢測裝置，通過光電傳感器和旋轉編碼器對排種盤吸種、排種軸轉動角度等信息進行采集和處理，得到排種器的工作狀況，為氣吸式排種器的性能檢測與改進提供了技術支撐。石宏等[11]設計了一種由對射式傳感器與單片機組成的綜合檢測系統，對種子在經過傳感器的遮光情況進行分析和處理，來檢測排種器的工作情況。趙立新[12]等設計了基于變距光電傳感器的小麥精播施肥一體機監測系統，用來檢測小麥在播種、施肥過程中排種器的工作情況，此系統采用了反射光電式傳感器來檢測種肥的流動情況等信息，實現對小麥精播施肥的檢測。劉洪強[13]等設計了基于光電傳感器的排種器性能檢測裝置，通過人工檢測方法對比，驗證了光電傳感器能夠能夠精準的檢測排種器的性能。宋鵬[14]等設計了一種采用光電傳感技術與單片機相結合的精密播種機工作性能實時監測系統和自清潔裝置，通過光電傳感器來獲取種子的動態信息，由單片機進行分析處理，既能夠對播種機的工作性能進行檢測又保證了復雜環境中該檢測系統工作的準確性。

光電傳感器檢測技術對于排種裝置的性能檢測具有成本低、檢測速度快、在一定程度上能夠檢測排種器的排種性能等優點。但其主要應用于精量排種器的排種性能的檢測，而且對于高速排種的種子流難以精確檢測。

2.2 壓電脈沖檢測技術

壓電脈沖檢測技術是指排種器在工作過程中，種子在下落的過程中與壓電傳感器發生撞擊，使壓電傳感器兩端產生脈沖信號，通過信號調理電路對脈沖信號進行處理，單盤機進行采集，來實現排種器性能檢測[15]，其檢測技術如圖2。

圖2 壓電脈沖檢測裝置結構圖

王金武[16]等設計了基于壓電沖擊法的水稻穴直播檢測系統，通過稻種對PVDF壓電薄膜傳感器的撞擊，獲取脈沖信號傳送到控制器系統，來實現對水稻排種器性能的檢測。段婷[17]等設計了一種以單片機為核心的苜蓿播種機漏播報警系統，通過薄膜壓力傳感器檢測排出種子撞擊所產生的壓力信息，隨之通過單片機進行采集和處理，來檢測排種器的性能。黃東巖[18]等設計了一種基于壓電薄膜的播種器監測系統，該系統通過PVDF壓電薄膜來對種子的運動信息進行檢測，并將其轉化為脈沖信號，經單片機進行分析和處理，來實現對播種機排種裝置的性能檢測。趙博[19]等設計了氣流輸送播種機壓電式流量傳感器，通過單片機對脈沖信號進行采集、分析和處理，發現在試驗過程中該實試驗裝置能夠通過種子的撞擊來呈現排種器的排種性能。張霖[20]等提出了一種壓電式種子計數系統，通過壓電傳感器將種子的撞擊力轉化為電信號，經電路放大處理，傳輸到單片機顯示，然后進行試驗，結果可以看出，該系統對于一粒種子的測量誤差不超過0.4%，能夠精準的對排種器的性能進行檢測。

壓電脈沖檢測技術能夠準確的檢測排種器轉速較低時的排種性能，壓電傳感器成本低廉，但壓電傳感器極易受到外部條件影響，在進行排種器檢測的過程中，種子必須在傳感器撞擊后才能進行排種性能檢測，而種子在撞擊的過程中，會對種子的下落序列發生變化，進而影響排種的均勻性。在進行傳感器安裝的過程中，對其安裝位置精度需求較高。

2.3 CCD攝像檢測技術

高速攝像技術是基于高速攝像機與計算機相結合的一種新型技術，其工作過程由高速攝像機來拍攝種子的下落過程，將每一粒種子的運動狀態呈現在所拍攝的膠片上，然后經過攝像機的慢速放映，來對排種器進行排種性能的檢測，隨著高速攝像技術的發展，CCD攝像檢測技術已經成為高速攝像技術的重要分支。CCD攝像檢測技術又稱機器視覺技術，隨著我國科學技術的蓬勃發展，機器視覺技術已經應用到我國的各行各業，逐漸趨于成熟。機器視覺技術以其快速、可靠、無損等特點應用于我國農業生產中排種器性能的檢測，其檢測原理如圖3。

圖3 CCD攝像檢測原理示意圖

Adrian A.Borja[21]等針對菲律賓地區，氣力玉米播種機在工作過程中的漏播現象，設計了基于機器視覺的控制系統，實現對于氣力玉米播種機性能的檢測。D.E.Kim[22]等設計了機器視覺自動播種裝置，對其排種裝置的性能進行自動檢測，經過分析處理，該檢測裝置符合實現葫蘆科蔬菜種子的在線播種功能。

王玉順[23]等基于機器視覺檢測技術通過幀種子數分布的獨立性進行試驗分析，來檢驗條播排種器的性能。塔里木大學曹葉[24]設計了一種基于機器視覺檢測的穴播器排種性能檢測系統，對棉花種子進行了5輪排種試驗與分析，結果表明該檢測系統穴播總量和穴粒數合格率的相對誤差為5.98%和2.7%，最小為0。董文皓[25]等設計了一種嵌入式機器視覺的雜交稻低播種量檢控裝置，通過采集、分析和處理播種后的種子圖像來獲取種子的播種信息，與人工檢測法檢測的種子信息進行對比，實現排種器的性能檢測。安愛琴[26]等以CCD攝像機拍攝氣吹式精密排種器在工作過程中種子的運動情況，利用圖像處理技術進行分析和處理，來對排種器進行排種性能的檢測試驗。聶永芳[27]等設計了一種基于機器視覺的檢測系統來對外槽輪式排種器進行檢測，采用CCD攝像機記錄種子流的運動狀態，經由MATLAB圖像分析處理軟件對其進行分析和處理，判斷該檢測系統是否可以滿足性能檢測需求。趙鄭斌[28]等針對針式穴盤精密播種機，設計了采用光電傳感器與機器視覺融合的排種性能檢測系統，通過試驗進行驗證，證明該系統可以完成對排種器的性能檢測分析。王僑[29]等設計了基于機器視覺的玉米種粒定向定位擺放裝置，通過試驗發現此裝置能夠實現合格種子的定向擺放。黑龍江八一農墾大學李朋飛[30]設計了基于機器視覺的玉米排種器排種性能的檢測系統，構建玉米排種器排種性能檢測平臺，通過視頻處理等相關算法對其特征量提取，來達到對玉米排種器排種性能的試驗分析。

CCD攝像檢測技術是繼光電傳感檢測技術、壓電脈沖檢測技術后所興起的一種新型的檢測技術。它是將所獲取的圖像直接通過計算機映入眼中，在經計算機對其進行數據處理，來對排種器進行性能檢測。其具有自動化程度高、對于數據接收和處理速度快、使用比較方便等優點，在各行各業應用較廣泛。

3 播種機械性能檢測裝置的發展趨勢

近年來隨著科技的發展，我國對播種機械的檢測技術也迎來轉型，在兼顧成本與穩定性的同時，檢測性能得到了顯著提高。隨著未來農業機械行業的發展，播種機械在工作的過程中以高速為指標，在進行農作物種植時，經常會使用高速播種機械對田間進行播種種植。由于目前排種機械的檢測技術都是檢測工作速度不太高的播種機械，為此，對于高速播種機械排種性能的精確檢測，將成為目前急需解決的問題。

4 結論

本文介紹了播種機械的3種性能檢測技術的研究現狀，并且對其優缺點進行了分析。總結了光電傳感器檢測技術、壓電脈沖檢測技術和CCD攝像檢測技術，發現對于排種器性能的檢測應用各有所不同。為了能夠更進一步的研究排種器排種性能，還需要分析排種器在工作中的過程中種子的落種姿態，以及動態隨機因素等。