玉米免耕播種機(jī)智能化技術(shù)探討

王立華，王升喜，周 平

(1.東豐縣大興鎮(zhèn)農(nóng)機(jī)技術(shù)推廣站，吉林 東豐 136301；2.東豐縣拉拉河鎮(zhèn)農(nóng)機(jī)技術(shù)推廣站，吉林 東豐 136302)

0 引言

保護(hù)性耕作技術(shù)是指對(duì)土壤實(shí)行少耕、免耕，前茬作物收獲后直接將秸稈粉碎后覆蓋在土壤地表的一種現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)耕作模式之一[1]，減少對(duì)土壤耕作層的擾動(dòng)，提高土壤蓄水保墑能力，對(duì)于保護(hù)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力具有重要意義。近年來(lái)，隨著保護(hù)性耕作技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的快速發(fā)展與推廣應(yīng)用，保護(hù)性耕作技術(shù)相關(guān)配套農(nóng)機(jī)具也得到了快速發(fā)展，技術(shù)日趨成熟[2]。

免耕播種技術(shù)是保護(hù)性耕作技術(shù)的重要內(nèi)容之一。開(kāi)展保護(hù)性耕作技術(shù)的同時(shí)，大量秸稈殘茬覆蓋在地表，土壤長(zhǎng)期不翻耕，會(huì)造成土壤板結(jié)、地表秸稈殘茬纏繞機(jī)具等問(wèn)題[3]，傳統(tǒng)播種機(jī)進(jìn)行播種時(shí)會(huì)降低播種效率。針對(duì)以上問(wèn)題提出作物免耕精量播種機(jī)。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)通信技術(shù)、人工智能技術(shù)和視覺(jué)識(shí)別技術(shù)等在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，也進(jìn)一步提升了免耕播種機(jī)智能化發(fā)展，提高了免耕播種機(jī)播種質(zhì)量與效率，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，對(duì)于推動(dòng)保護(hù)性耕作技術(shù)的發(fā)展與推廣應(yīng)用提供設(shè)備保障與支撐。

1 玉米免耕播種機(jī)對(duì)行避茬技術(shù)

在免耕播種技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，遇到較大的秸稈殘茬或者作物根茬會(huì)直接影響播種質(zhì)量，引發(fā)免耕播種機(jī)運(yùn)行故障，甚至?xí)斐擅飧シN機(jī)堵塞引發(fā)停機(jī)。針對(duì)以上問(wèn)題，研究人員提出了基于衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)和視覺(jué)識(shí)別技術(shù)，在進(jìn)行免耕播種時(shí)，避開(kāi)根茬，其核心技術(shù)是識(shí)別田間作物殘茬并重新規(guī)劃?rùn)C(jī)具行駛路徑，避免降低播種質(zhì)量。

1.1 衛(wèi)星導(dǎo)航控制技術(shù)

衛(wèi)星導(dǎo)航控制技術(shù)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于行間除草，其主要工作原理是利用傳感器獲得田間設(shè)備位置偏差信息，由控制中心進(jìn)行信息處理后對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行合理調(diào)控[4]。

目前，衛(wèi)星導(dǎo)航裝置主要有兩種，一種是電磁控制模式的衛(wèi)星導(dǎo)航裝置，一種是方向盤(pán)式衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。其中方向盤(pán)式衛(wèi)星導(dǎo)航裝置技術(shù)較為先進(jìn)、安裝較為簡(jiǎn)單。方向盤(pán)式衛(wèi)星導(dǎo)航裝置主要由天線(xiàn)及橫桿、電機(jī)與方向盤(pán)、角度傳感器、姿態(tài)傳感器、控制平板及各式線(xiàn)纜組成，如圖1所示[5]。衛(wèi)星導(dǎo)航的安裝主要包括車(chē)輛參數(shù)的量取、軟件內(nèi)參數(shù)的調(diào)試、車(chē)輛相位中心的調(diào)試、免耕播種機(jī)掛接調(diào)試。免耕播種導(dǎo)航控制可采用AB線(xiàn)的方法，保證玉米種溝在小麥根茬間空白處。也可根據(jù)上茬小麥播種導(dǎo)航控制線(xiàn)平移調(diào)整實(shí)現(xiàn)。在播種過(guò)程中可對(duì)控制線(xiàn)隨時(shí)進(jìn)行平移調(diào)整，避開(kāi)秸稈根茬。

圖1 方向盤(pán)式衛(wèi)星導(dǎo)航裝置

1.2 機(jī)械式導(dǎo)向技術(shù)

機(jī)械式導(dǎo)向技術(shù)主要是以田間作物根茬為導(dǎo)向，在免耕播種機(jī)中安裝信號(hào)探測(cè)裝置，探測(cè)田間根茬信息，引導(dǎo)機(jī)具避開(kāi)障礙后在田間進(jìn)行播種作業(yè)，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，投入成本較低，但是存在信號(hào)探測(cè)誤差等問(wèn)題，其主要工作原理如圖2所示。

圖2 機(jī)械式導(dǎo)向技術(shù)工作原理示意圖

1.3 機(jī)器視覺(jué)技術(shù)

為提高機(jī)械式導(dǎo)向技術(shù)的探測(cè)精度，研究人員將計(jì)算機(jī)視覺(jué)識(shí)別技術(shù)引入免耕播種機(jī)對(duì)行避茬技術(shù)中，如圖3所示，基于圖像處理技術(shù)將探測(cè)攝像頭安裝在免耕播種機(jī)前端獲得相關(guān)秸稈殘茬和根茬圖像，對(duì)相關(guān)特征進(jìn)行提取，進(jìn)而提高識(shí)別精度。改進(jìn)前后的機(jī)械識(shí)別技術(shù)對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 兩種技術(shù)下不同類(lèi)型根茬識(shí)別技術(shù)對(duì)比效果

圖3 基于視覺(jué)識(shí)別技術(shù)下機(jī)械式導(dǎo)向技術(shù)工作原理示意圖

1.4 控制技術(shù)

玉米免耕播種機(jī)對(duì)行避茬技術(shù)較多，但是都離不開(kāi)控制技術(shù)的應(yīng)用與分析，主要是控制免耕播種機(jī)田間橫向位置偏差和航向偏差，導(dǎo)航裝置將圖像信息、位置信息等發(fā)送至中央控制器，控制系統(tǒng)將偏差信號(hào)發(fā)送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，進(jìn)行路徑規(guī)劃與矯正，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)免耕播種機(jī)田間對(duì)行避茬，目前常見(jiàn)的控制技術(shù)與算法如表2所示。

表2 不同控制技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)

2 玉米免耕播種機(jī)播量監(jiān)測(cè)技術(shù)

加強(qiáng)對(duì)玉米播種播量監(jiān)測(cè)可以提高玉米播種效率，提高作物出苗率。在傳統(tǒng)免耕播種機(jī)進(jìn)行田間作業(yè)時(shí)，駕駛員無(wú)法通過(guò)肉眼識(shí)別播種情況，容易出現(xiàn)重播和漏播現(xiàn)象導(dǎo)致作物減產(chǎn)，阻礙農(nóng)田標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。目前免耕播種機(jī)播量監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括光電技術(shù)、電容技術(shù)和圖像監(jiān)測(cè)技術(shù)。3種技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)與對(duì)比如表3所示。

表3 不同播深監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用分析

3 玉米免耕播種機(jī)播深監(jiān)測(cè)控制技術(shù)

免耕播種技術(shù)下土壤環(huán)境較差，土壤堅(jiān)實(shí)度較高，因此，對(duì)播種深度具有一定的影響，同時(shí)播種深度是保證出苗率和出苗整齊度的基礎(chǔ)條件，因此，對(duì)播種深度進(jìn)行監(jiān)測(cè)可有效提高播種效率。

目前，玉米免耕播種機(jī)播深監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括主動(dòng)調(diào)節(jié)式監(jiān)測(cè)技術(shù)和被動(dòng)調(diào)節(jié)式監(jiān)測(cè)技術(shù)。被動(dòng)式調(diào)節(jié)監(jiān)測(cè)技術(shù)主要是利用平行四桿機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)開(kāi)溝器上方的作業(yè)高度，達(dá)到控制播種深度的目的，例如，約翰迪爾公司和Amazone公司都實(shí)現(xiàn)了免耕播種機(jī)播深監(jiān)測(cè)設(shè)備的研究與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)溝深度的控制與調(diào)節(jié)。

4 結(jié)論與展望

近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重視程度增加，及惠農(nóng)政策的提出，為我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展與機(jī)械化水平的提升帶來(lái)了發(fā)展契機(jī)與條件，我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化與智能化得到了快速提高。本研究以玉米免耕播種機(jī)為研究對(duì)象，從玉米免耕播種機(jī)對(duì)行避茬技術(shù)、播量監(jiān)測(cè)技術(shù)和播深監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)論述，針對(duì)目前免耕播種機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀提出未來(lái)我國(guó)免耕播種機(jī)的主要發(fā)展趨勢(shì)與研究方向應(yīng)從以下幾方面開(kāi)展：

1)目前GNS技術(shù)在水稻全程智能化發(fā)展中應(yīng)用較為成熟，控制精度較高，但是在玉米免耕播種機(jī)中應(yīng)用較少，未來(lái)應(yīng)加強(qiáng)差分技術(shù)在免耕播種機(jī)監(jiān)測(cè)裝置中的應(yīng)用，提高免耕播種機(jī)對(duì)播種參數(shù)的監(jiān)測(cè)精度。

2)加強(qiáng)玉米免耕播種機(jī)視覺(jué)識(shí)別技術(shù)研究，提高圖像識(shí)別效率，加強(qiáng)圖像分割和優(yōu)化方法，提高檢測(cè)效率。

3)提高相關(guān)傳感器監(jiān)測(cè)精度，由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境較差，傳統(tǒng)傳感器在田間工作過(guò)程中容易受到天氣和環(huán)境的影響，影響傳感器數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)，應(yīng)加強(qiáng)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和抗干擾性能高的傳感器設(shè)備。

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