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０引言

播種是農業(yè)生產的關鍵一環(huán)，而傳統(tǒng)的播種驅動方式為地輪驅動，該方式在潮濕土地上工作易發(fā)生打滑和偏移現象，導致播種不均勻、重播和漏播情況［１２］。只改進排種管的結構，難以解決這些問題。國內外研究者用電驅動排種代替地輪驅動排種，利用檢測技術來監(jiān)控排種管的堵塞、種量、漏播、重播等情況，利用控制技術實現精量播種與補種，極大地提高了農機作業(yè)效率［３］。隨著現代科技智能化的發(fā)展和農業(yè)勞動人口老齡化的加重，國家已將智能農業(yè)裝備發(fā)展列為中國制造２０２５計劃［４５］。未來需要將導航技術、智能控制技術、無線通信技術以及云平臺遠程控制監(jiān)控等多學科融合，來促進智能化電控播種機的發(fā)展［６７］。本文從智能電控精量播種在線檢測和播種量精量控制兩方面，闡述國內外在光電傳感器檢測、壓電傳感器檢測、電容式傳感器檢測、視覺圖像檢測和精量播種控制技術的研究現狀，分析各研究之間的優(yōu)缺點。對存在的問題提出改進建議，并展望未來我國智能化電控精量播種技術的發(fā)展方向。

１電控精量播種在線檢測技術

由于傳統(tǒng)的機械式播種機作業(yè)過程封閉，機手難以實時獲取機具內外的狀況，出現漏播、重播、堵塞和種量不足時，機手不能及時處理，影響播種效率與質量［８９］。為了解決這一問題，國外早在２０世紀中期就有針對漏播、重播等狀況的檢測技術研究［１０］。而我國在檢測技術方面的研究起步相對較晚，近些年，經過研究人員的不斷努力，在播種檢測技術方面與國外已差距不大［１１１２］。播種機的播種檢測主要采用光電傳感器檢測、壓電傳感器檢測、電容傳感器檢測和視覺圖像檢測。四種檢測方法的優(yōu)缺點對比。

1.1光電傳感器檢測

光電傳感器檢測是國內外研究者采用最多的一種播種檢測方式，光電傳感器的原理是利用光電效應將被測量的變化向光信號的變化轉化，光電元件進一步把非電信號轉換為有用的電信號。常見的光電傳感器由測量頭、光學系統(tǒng)、光電元件以及電子測量電路組成。光電傳感器組成框圖如圖１所示。在國外，澳大利亞某公司基于紅外線傳感器研究了一套監(jiān)測設備［１３］，通過檢測排種管內種子的運動來判斷排種管是否堵塞，該設備檢測功能單一，不能用于檢測漏播和重播。而美國在ｃｙｃｌｏ－５００型播種機上利用光電傳感器設計了一套監(jiān)控系統(tǒng)［１４］，通過檢測種子的下落狀況，不僅能監(jiān)控種子的漏播、重播，還可以統(tǒng)計株距和作業(yè)面積，極大地提高了作業(yè)效率。為了檢測作業(yè)時種子流量狀況，Ｋａｒｉｍｉ等［１５］基于非接觸式紅外傳感器設計了種子流量檢測系統(tǒng)，能夠準確檢測種子流量。在國內，光電傳感器檢測是被采用最多的一種檢測方式。譙睿等［１６］研究了一套基于雙層對射式激光傳感器的五管集排式重播漏播檢測系統(tǒng)。在導種管的下方安裝了一個雙層對射式激光傳感器，激光的光束覆蓋廣，解決了以往因檢測盲區(qū)，不易檢測的問題。該系統(tǒng)在作業(yè)速度為１２０ｍ／ｈ時，最小落種時間間隔為１．４９２ｓ，對單粒種子的漏播重播檢測精度為９９．９６％，對緊密相連的種子重播檢測精度為９３％左右。解春季等［１７］針對激光傳感器可以穿透透明物體的特點，設計了一套透明的激光傳感器安裝盒，如圖３所示。針對漏播和重播檢測，該系統(tǒng)對單粒種子和雙粒重疊種子的檢測精度均在９５％以上；通過抗灰塵模擬試驗、播種試驗以及與紅外傳感器對比試驗，證明該系統(tǒng)所用的激光傳感器裝置與紅外傳感器相比，對環(huán)境有更好的適應能力。結合國內外對光電傳感器的應用情況，可知常用于播種檢測的光電傳感器有紅外傳感器、激光傳感器和光纖傳感器等。其中，紅外傳感器應用最為廣泛，常被用于種子流量檢測；激光傳感器的定向性較好，能準確檢測種子漏播情況；光纖傳感器常用于檢測微小粒種子流量。但是，受光電傳感器特性限制，光電傳感器對重播檢測精度較差，傳感器易受灰塵等環(huán)境因素影響，而且對微小粒種子的檢測精度不足。國內的光電傳感器性能較國外有一定差距，在光電傳感器應用上，需設計合適的裝置，用來防止環(huán)境對光電傳感器的干擾，結合控制器性能特點，優(yōu)化程序算法，提高軟件響應速度，彌補我國在硬件生產上的不足［１８１９］。

1.2壓電傳感器檢測

相比于光電傳感器易受灰塵影響的缺點，壓電式傳感器在灰塵、振動等環(huán)境下仍具有很高的準確性。壓電傳感器結構簡單、靈敏度高、工作可靠，多用在堵塞檢測上［２０］。檢測裝置上常采用壓電薄膜作為傳感元件，一種ＰＶＤＦ壓電薄膜裝置如圖４所示，由保護層、電極層和ＰＶＤＦ壓電薄膜組成，其中電極層和保護層都分為上下兩層，ＰＶＤＦ壓電薄膜發(fā)生形變產生的電荷通過電極層導出。壓電傳感器需接收種子的碰撞，才會產生電荷變化，對于一些質量輕的種子，感應單元要有很高的靈敏度。因此，針對不同粒徑的種子，需設計感應單元的材質來提高靈敏度。Ｈｏｂｅｒｇｅ等［２１］采用壓電陶瓷設計了觸摸式傳感器陣列，具有很高的靈敏度，能有效檢測不同種子的播種量情況。在國內，也有研究者采用壓電陶瓷傳感器用于播種量的檢測。趙博等［２２］設計了一種基于壓電陶瓷的弧形陣列式播種流量傳感器，如圖５所示，傳感器內部設計了信號處理電路和計數電路，可通過ＣＡＮ總線發(fā)送，能快速準確的檢測氣流輸送播種機的播種流量和堵塞狀況。該系統(tǒng)在排種量小于１７０粒／ｓ時，對排種量的檢測精度大于９５％，在排種量大于２０４粒／ｓ時，檢測準確率下降明顯；另外，在多種排種量情況下，該裝置對堵塞情況的檢測精度均為１００％。張曌［２３］設計了一種壓電沖擊式水稻穴直播監(jiān)測系統(tǒng)，設計一種ＰＶＤＦ壓電薄膜作為監(jiān)測系統(tǒng)的傳感器，通過采集稻種沖擊ＰＶＤＦ壓電薄膜產生的信號，來判斷播種狀況。當排種器轉速為１０～３５ｒ／ｍｉｎ時，系統(tǒng)對重播、漏播情況的檢測精度為９０．８３％～９９．１７％，滿足系統(tǒng)對播種過程中重播、漏播情況的監(jiān)控。不過，排種器的工作轉速對傳感器的靈敏度有明顯影響，對此影響尚未有較好的解決方案。圖５弧形陣列式播種流量傳感器結構圖Ｆｉｇ．５Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｉａｇｒａｍｏｆａｒｃａｒｒａｙｓｅｅｄｉｎｇｆｌｏｗｓｅｎｓｏｒ１．隔振材料２．信號處理電路板３．傳感器頭外殼４．感知單元結合國內外對壓電傳感器的應用，可知壓電傳感器在種子堵塞的檢測上有較高的準確率，被廣泛應用于種子流量和堵塞狀況檢測。國外的壓電傳感器種類繁多，經過封裝好的傳感器可直接應用于播種機中，具有很好的抗干擾能力；而我國壓電傳感器的生產種類較少，大多研究者需重新設計壓電傳感器裝置，而有些研究者不善于傳感器電路的設計與封裝。因此，這種現狀不利于整個行業(yè)的發(fā)展，需研究幾種具有普適性的壓電傳感器裝置，用以滿足更多農機研究者的需求。通過研究發(fā)現，壓電傳感器易受振動、潮濕環(huán)境等因素影響，且對微小粒徑種子的碰撞感知不足［２４２５］。另外，在排種管高速工作時，壓電傳感器檢測效果不理想。需加強壓電材料的研究，降低潮濕、高溫環(huán)境對壓電傳感器的影響，提高對微小粒徑種子的感知，增強傳感器的穩(wěn)定性。

1.3電容式傳感器檢測

電容式傳感器具有結構簡單、靈敏度高、動態(tài)響應好等特點［２６］。電容式傳感器檢測原理如圖６所示，當種子下落經過排種管里的電容傳感器時，極板間介質的等效介質常數改變，傳感器的輸出電容值產生變化，通過建立此變化與種子數量間的算法，實現對種子數量的檢測。Ｔａｇｈｉｎｅｚｈａｄ等［２７］設計了一種甘蔗排種器播種檢測裝置，對甘蔗播種過程中的重播和漏播檢測有很高的準確率。Ｓｎｅｌｌ等［２８］使用射頻應用裝置與電容器來感測各種農產品的干物質含量，經試驗發(fā)現，材料的密度對檢測準確度有很大的影響。陳建國等［２９］基于電容法設計了一種小麥播種量檢測系統(tǒng)，通過排種輪的轉速與采樣頻率約束關系，設計傳感器結構尺寸，建立種子數量與電容變化量之間的線性關系，實現了對小麥播種量的精準檢測。在采樣周期１５ｍｓ，排種輪轉速為２０ｒ／ｍｉｎ時，測得小麥籽粒數與實際粒數的相對誤差為－１．５７％～１．３７％之間，但是該系統(tǒng)在排種輪的轉速大于２５ｒ／ｍｉｎ時，檢測精度明顯下降。為了解決電容傳感器在不同影響因素下，檢測精度不高的問題。劉坤［３０］對電容法檢測機理深入研究，通過播種量實際值與檢測值之間的非線性關系，基于神經網絡與遺傳算法建立電容式傳感器非線性校正模型。該方法經多次試驗，檢測精度均超過９９．５７％，具有很高的應用價值。結合各研究發(fā)現，微小種子難以引起電容傳感器的電容值變化，導致電容式傳感器對微小種子識別精度不高，不適用于微小粒徑種子檢測和精確計數［３１］。對比各研究之間的試驗結果，利用濾波技術能有效減少噪聲對傳感器脈沖信號的干擾，結合相應的數值關系，建立神經網絡、模糊控制等智能控制模型，可有效提高檢測精度。在后續(xù)的研究中。可考慮通過軟件算法彌補硬件上的不足。與壓電式傳感器檢測一樣，電容式傳感器檢測裝置也大多處于試驗階段。

1.4視覺圖像檢測

隨著視覺圖像檢測技術的發(fā)展，國內外研究者將視覺圖像識別技術用于播種機排種檢測。視覺圖像檢測工作原理如圖７所示，用相機獲取圖像，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，通過算法處理圖像的特征，分析出排種信息［３２３３］。Ｌｉｎ等［３４］基于圖像技術設計了小麥精密播種試驗系統(tǒng)。實現了高效、高精度的小麥精密播種檢測，通過選擇合適的閾值，給出了種子識別和種子空間測量的方法。Ｎａｖｉｄ等［３５］通過相機采集種子下落過程，用ＭＡＴＬＡＢ處理圖像信息，獲得漏播、重播和均勻性等狀況。劉長青等［３６］設計了一種種子形態(tài)和質量檢測裝置，根據合格種子與壞種子之間表皮光澤度和外觀形狀的區(qū)別，基于圖像處理技術對壞種子進行檢測，判斷種子的好壞情況。試驗中，對每個種子的檢測時間為１４ｍｓ，對重復種粒的檢測精度為９５％，對種子的外觀破損檢測精度為９７％，該方法可有效識別破損的種子，為后續(xù)實現更高質量的精量播種提供了思路。趙鄭斌等［３７］基于視覺圖像技術設計了一套播種性能檢測系統(tǒng)，用視覺算法對圖像進行處理，分析穴盤的播種情況。在圖像處理中，每個種子圖像的處理時間為０．３ｓ，對種子的重播檢測精度為９８．９４％，對漏播的檢測精度為９９．３３％。在理想條件下，該系統(tǒng)檢測準確度較高。與其他幾種檢測方式相比，視覺圖像檢測在種子播種檢測上有著更高的精度。視覺圖像檢測方法可以識別出播種過程中的劣質種子和微小粒徑種子，極大的提高精量播種質量，這是其他檢測方法難以具備的優(yōu)點。通過各研究的分析可知，視覺圖像檢測也有著明顯的缺點，該方法易受環(huán)境的影響，尤其是光線和振動，會導致相機采集的種子圖像質量不高，影響計算機對圖像的處理；視覺圖像檢測的精度和圖像處理算法有著密切的聯(lián)系，在建立程序算法時，應選擇種子的突出特征，選取合適的閾值，搭建種子識別模型；在程序設計中，應考慮軟件響應速度，優(yōu)化相關算法，用于滿足播種機的播種速度。當前，由于視覺圖像檢測技術難度大、設備成本高，而且對環(huán)境要求嚴格，該方法極少用于實際生產中，多用于實驗室驗證［３８］。

２電控精量播種控制技術

播種量決定了田間作物的疏密程度，播種過稀，就會浪費土地資源，而播種過密，又會影響作物的生長［３９］。因此，研究播種機實現精量播種具有非常重要的意義。

2.1播種量控制技術

相較機械化精量播種技術的成熟，電控精量播種技術研究起步晚，有較大的發(fā)展空間，國內外通過不同的控制方式來提高播種的均勻性和準確性［４０］。意大利研制的ＭＴ系列ＩＳＯＴＲＯＮＩＣ電控播種機［４１］，由驅動馬達直接驅動排種盤，不需擔心地輪打滑引起播種不均勻的狀況。電控系統(tǒng)支持調整株距，異常情況報警，實現分段播種控制，避免重播、漏播，播種效率遠高于地輪驅動的機械式播種機。Ｈｅ等［４２］設計了一個基于ＰＩＤ控制的玉米精量播種控制系統(tǒng)，當電機的理論轉速與實際轉速相差較大時，系統(tǒng)通過ＰＩＤ控制算法調節(jié)電機轉速，獲得較好的排種速度，從而提高排種質量。排種管轉速為０～２４ｒ／ｍｉｎ時的階躍響應時間、超調量和穩(wěn)定誤差分別為０．４ｓ、１．５６％和０．７５％，單粒播種的精度為９８．４％，在最高種植速度１２ｋｍ／ｈ時，重播率和漏播率均低于１％。在國內，閆青［４３］設計了氣吸式小麥電控播種系統(tǒng)。系統(tǒng)原理如圖８所示，利用旋轉編碼器采集播種機行進速度，結合設定好的株距參數，通過算法得出合理的排種器轉速，對電機進行控制，實現可控株距的小麥單粒精量播種。試驗結果表明，排種器的排種合格指數為８８．０５％，重播率為３．６４％，漏播率為６．９６％，播種質量符合ＪＢ／Ｔ１０２９３—２０１３《單粒（精密）播種機技術條件》要求。但是，排種器在低速和高速工作時，播種質量有所下降。丁筱玲［４４］基于ＳＴＭ３２Ｆ１０３Ｃ８Ｔ６構建小麥精播控制系統(tǒng)，運用ＰＩＤ控制算法和ＰＷＭ技術設計閉環(huán)控制回路，對排種軸、施肥軸的轉速進行實時調節(jié)，實現自適應牽引機前行速度的變化，有效保障播種均勻、施肥穩(wěn)定。該系統(tǒng)在滿足精量播種的條件下，搭配了自主駕駛裝置、智能導航定位和機器視覺裝置等，進一步實現智能化控制變量精量播種。在０～８ｋｍ／ｈ工作速度下，該系統(tǒng)的播種精度為８５．８％～９５．５％，由于該系統(tǒng)功能和工作參數過多，仍有很大的調節(jié)空間。該研究融合了多學科技術，對我國智能化精量播種機的研究有較好的參考價值。綜上所述，國外在精量播種控制技術上研究較深，所研究產品的精度較高。而我國當前精量播種機的智能化研究程度較低，多數研究的系統(tǒng)功能單一，難以滿足未來我國農業(yè)機械智能化發(fā)展的需求；當前在實現多功能的情況下，仍不能提高播種的精度，表明研究者在多學科融合的過程中遇到不少難題，難以打破技術壁壘。通過國內外研究發(fā)現，研究多會采用智能控制技術（如模糊ＰＩＤ控制、專家系統(tǒng)）來調節(jié)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，后續(xù)需結合導航技術、機器視覺等來提高播種效率和質量；需進一步增加系統(tǒng)功能的多樣性，優(yōu)化算法，加速集路徑規(guī)劃、多機協(xié)同和云平臺控制等功能于一身的智能化精量播種機的實現，以滿足未來需求。

2.2補種技術

播種機在田間作業(yè)時，漏播的情況難以避免。為了提高播種質量，需在電控精量播種機上設計補種裝置。陳剛等設計了玉米免耕精密播種機漏播補償系統(tǒng)，如圖９所示，系統(tǒng)根據傳感器采集到的漏播情況，根據各動作時間關系，通過算法分析補種位置，及時啟動補種系統(tǒng)裝置，實現實時補種。經試驗，安裝漏播補償系統(tǒng)后，工作速度在５～７ｋｍ／ｈ時，播種合格率為９９％左右，補種效果較好。劉樹峰等設計了馬鈴薯漏播檢測自動補種裝置。利用兩對激光對射傳感器和接觸式行程開關傳感器，分別采集馬鈴薯漏播狀況和補種的位置，通過單片機控制步進電機以驅動補種裝置實現精確補種。在工作速度為２～５ｋｍ／ｈ時，補種合格率為８２．１７％，總播種率為９８．５％。當前我國播種機以機械式為主，給機械式播種機設計補種裝置，可以有效提高播種質量。應針對當前存在的問題，優(yōu)化傳感器的設計，提高檢測精度和抗干擾能力，優(yōu)化控制系統(tǒng)的響應速度，用以匹配未來智能電控精量播種機，實現實時補種。

３存在問題

近些年，我國在智能電控精量播種技術的研究取得了極大進展，播種質量和效率有了很大提高。同時，也存在一些問題。

１）缺乏實際生產驗證。與國外約翰迪爾和凱斯紐荷蘭這些技術強大的公司不同，我國農機產商對于機具的智能化研究緩慢；研究者研發(fā)的新技術和新裝置，一般都是改裝到現有的播種機上用于試驗研究，缺少針對新技術的機具整體研發(fā)，導致市面上播種機新技術的更新緩慢，在一定程度上限制了精量播種機智能化的發(fā)展。研究者與廠商需加強合作，積極推廣現已成熟的智能化技術，用市場的驗證來促進播種機的發(fā)展，早日實現我國高集成度的智能化播種機生產。

２）系統(tǒng)穩(wěn)定性及傳感器精度不足。結合各研究發(fā)現，當前國內研究者常采用的控制器（如５１單片機、ｓｔｍ３２單片機）都會隨著工作速度加快而穩(wěn)定性下降，而且控制器的性能難以滿足未來智能化播種機的需求，利用軟件算法優(yōu)化和裝置結構設計不能很好地解決這些問題，未來需加強自主控制器硬件裝置的研發(fā)；在播種檢測時，當前市場上幾種傳感器型號對于微小粒徑的種子檢測精度不足（如微小粒徑的種子難以引起壓電傳感器感知層的電荷變化），當前需加強傳感器自主研發(fā)，研究適合國內農業(yè)作物和播種環(huán)境的傳感器，打破國外在傳感器行業(yè)的技術壟斷，以解決破損種子和小粒徑種子難以檢測的難題。

３）現階段的播種機智能化程度不足。當前仍未實現成熟的人工智能監(jiān)控和智能控制技術，多機協(xié)同、路徑規(guī)劃及無人農機播種作業(yè)的集成還有很長的距離。應大力加強針對農機相關的智能感知技術、無線通信技術、智能控制技術、導航及路線規(guī)劃技術的研究，將多學科融合才能快速發(fā)展智能化農機，以減少勞動力，適應未來農業(yè)勞動人口減少的趨勢。

４展望

智能檢測控制技術是播種裝備實現智能化、精量化的關鍵核心技術。從精量播種狀態(tài)檢測技術、電控精量播種控制技術方面，系統(tǒng)分析了國外和國內智能播種機檢測和精量控制研究現狀，以及我國智能檢測精量控制技術與國外的差距，未來需要從以下幾方面進行突破。

１）針對目前電控系統(tǒng)存在的信號干擾、復雜惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定性能下降等問題，可借鑒國外傳感器研究，加強我國傳感器自主研發(fā)力度，開發(fā)靈敏度高、抗干擾能力強的新型傳感器。針對微小種子感應不足等問題，研發(fā)特定的適用傳感器。優(yōu)化排種管性能，研發(fā)適合電控播種機的排種管結構，提高播種質量。將電控播種機與農藝要求深度結合，研發(fā)滿足我國耕地情況的新型智能化電控播種機。加強我國動力設備‘卡脖子’問題攻關，研發(fā)適用于我國農機動力要求的動力裝備，便于電控系統(tǒng)的適配。

２）生產廠商與國家相關部門應制定電控精量播種機的相關標準和規(guī)范，促進智能化精量播種機的推廣和應用。國家應加強智能化農機的投入，吸引更多行業(yè)的人才投入智能播種機的研究。我國企業(yè)和研究院所應加強合作，自主研發(fā)一臺集多功能為一身的智能化播種機，為其他研究者和廠家提供研究指導。隨著技術的發(fā)展與成本的降低，智能控制技術、智能測控技術的引入，形成多功能的高精度播種控制系統(tǒng)。有望解決當前控制系統(tǒng)存在的不穩(wěn)定、不靈敏等問題，將會大大的提高電控精量播種系統(tǒng)的穩(wěn)定性與準確性。結合通信技術，實現遠程監(jiān)控播種信息，實時調整播種機參數設定，實現多機協(xié)同作業(yè)以及無人作業(yè)，實現智能化農業(yè)。

３）加快國產農機控制芯片和基于國際標準的控制器研發(fā)。建立農機研究數據庫，加快促進國產農機裝備的生產。構建多學科融合的智能農業(yè)數據庫，開發(fā)農業(yè)領域云服務平臺，搭建與其他領域人才溝通的橋梁，便于人才相互交流幫助，為智能化播種機的發(fā)展，提供知識和平臺的支撐。

５結語

本文梳理了近年來國內外智能化播種技術的發(fā)展現狀，對比分析各種傳感器檢測技術和控制技術的優(yōu)缺點和應用場景，指出我國當前對高精度傳感器研發(fā)力度不足、智能控制技術不成熟等問題，給出促進精量播種機技術標準化、多方合作攻克“卡脖子”技術、多學科優(yōu)勢技術融合等建議，為我國實現智能化精量播種技術提供一定的參考。我國農業(yè)機械發(fā)展迅速，大型農場基本上實現了農業(yè)機械化，促進了我國農業(yè)經濟的發(fā)展。而精量播種技術作為農業(yè)機械較為重要的技術，可有效減少播種過程產生的浪費，為農業(yè)生產創(chuàng)造更大的利益。因此，我國應重視精量播種技術的研究，加強研究經費和人才投入，爭取早日實現我國精量播種機具的智能化。

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作者:陳書法 馮博 蘆新春 牛晏瑞 張海峰 單位:江蘇海洋大學機械工程學院