智能电控精量播种技术研究现状及展望.pdf

第 nullnull期 陈书法 等 智能电控精量播种技术研究现状及展望 nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 智能电控精量播种技术研究现状及展望 null 陈书法 冯博 芦新春 牛晏瑞 张海峰 江苏海洋大学机械工程学院 江苏连云港 nullnullnullnullnullnull 摘要 精量播种可有效减少种子使用数量 节省成本开支 且通过精量播种的农作物生长质量较高 为把握国内外电控精 量播种技术的发展水平 从精量播种在线检测技术 播种量控制技术和补种技术开展研究 重点分析光电传感器检测 压 电传感器检测 电容传感器检测 视觉图像检测和精量播种控制技术的优缺点 指出我国精量播种机缺乏标准化 高精度 传感器研发力度不足 智能控制技术不成熟等问题 并提出相关建议 最后 结合国内外发展现状 展望我国精量播种技术 在多机协同 远程控制 智能控制等方向的发展趋势 为今后研究人员了解我国电控精量播种技术提供一定的参考 关键词 电控系统 精量播种 检测技术 智能化 漏播补种 中图分类号 nullnullnullnullnullnull nullnull 文献标识码 null nullnull 文章编号 nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 陈书法 冯博 芦新春 牛晏瑞 张海峰 null智能电控精量播种技术研究现状及展望 null null中国农机化学报 nullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnullnullnull 收稿日期 nullnullnullnull年 nullnull月 nullnull日 nullnull 修回日期 nullnullnullnull年 null月 nullnull日 null 基金项目 nullnullnullnull年江苏省农机新装备新技术研发与推广项目 nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnull年江苏省苏北科技专项 nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull 第一作者 陈书法 男 nullnullnullnull年生 江苏连云港人 硕士 教授 研究方向为农业机械 null nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 通讯作者 芦新春 女 nullnullnullnull年生 江苏连云港人 硕士 副教授 研究方向为精密播种技术 null nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null null null null null nullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null 引言 播种是农业生产的关键一环 而传统的播种驱动 方式为地轮驱动 该方式在潮湿土地上工作易发生打 滑和偏移现象 导致播种不均匀 重播和漏播情况 null nullnull 只改进排种管的结构 难以解决这些问题 国内外研 究者用电驱动排种代替地轮驱动排种 利用检测技术 来监控排种管的堵塞 种量 漏播 重播等情况 利用控 制技术实现精量播种与补种 极大地提高了农机作业 效率 null 随着现代科技智能化的发展和农业劳动人口 老龄化的加重 国家已将智能农业装备发展列为中国 制造 nullnullnullnull 计划 null nullnull 未来需要将导航技术 智能控制 第 nullnull卷 null 第 nullnull期 nullnullnullnull年 nullnull月 中国农机化学报 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull 中国农机化学报 nullnullnullnull年 技术 无线通信技术以及云平台远程控制监控等多学 科融合 来促进智能化电控播种机的发展 null nullnull 本文从智能电控精量播种在线检测和播种量精量 控制两方面 阐述国内外在光电传感器检测 压电传感 器检测 电容式传感器检测 视觉图像检测和精量播种 控制技术的研究现状 分析各研究之间的优缺点 对 存在的问题提出改进建议 并展望未来我国智能化电 控精量播种技术的发展方向 null 电控精量播种在线检测技术 由于传统的机械式播种机作业过程封闭 机手难 以实时获取机具内外的状况 出现漏播 重播 堵塞和 种量不足时 机手不能及时处理 影响播种效率与质 量 null nullnull 为了解决这一问题 国外早在 nullnull 世纪中期就 有针对漏播 重播等状况的检测技术研究 nullnull 而我国 在检测技术方面的研究起步相对较晚 近些年 经过研 究人员的不断努力 在播种检测技术方面与国外已差 距不大 nullnull nullnullnull 播种机的播种检测主要采用光电传感器 检测 压电传感器检测 电容传感器检测和视觉图像检 测 四种检测方法的优缺点对比如表 null 所示 表 null null 四种播种状况的检测方法对比 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 检测方法 检测原理 优点 缺点 光电传感 器检测 利 用 种 子 对 光 线的遮挡 转化 脉冲信号 漏 播 检 测 效 果好 速度快 重 播 检 测 效 果差 易受灰 尘 光线影响 压电传感 器检测 利 用 种 子 与 压 电 元 件 的 碰 撞 产生电荷变化 结构简单 可 靠性高 不 适 合 微 小 种子检测 电容传感 器检测 种 子 下 落 引 起 传 感 器 电 容 值 变化 对重播 漏播 检测效果好 抗灰尘 对 微 小 种 子 检测不足 输 出阻抗高 负 载差 视觉图像 检测 通 过 相 机 捕 捉 种子下落 利用 图 像 处 理 分 析 播种状况 准确性高 成本高 技术 难度大 易受 光 线 等 环 境 影响 null 光电传感器检测 光电传感器检测是国内外研究者采用最多的一种 播种检测方式 光电传感器的原理是利用光电效应将 被测量的变化向光信号的变化转化 光电元件进一步 把非电信号转换为有用的电信号 常见的光电传感器 由测量头 光学系统 光电元件以及电子测量电路组 成 光电传感器组成框图如图 null 所示 在国外 澳大利亚某公司基于红外线传感器研究 了一套监测设备 nullnull 通过检测排种管内种子的运动来 判断排种管是否堵塞 该设备检测功能单一 不能用于 检测漏播和重播 而美国在 nullnullnullnullnullnullnullnullnull 型播种机上利 用光电传感器设计了一套监控系统 nullnull 通过检测种子 的下落状况 不仅能监控种子的漏播 重播 还可以统 计株距和作业面积 极大地提高了作业效率 为了检 测作业时种子流量状况 nullnullnullnullnullnull 等 nullnull 基于非接触式红 外传感器设计了种子流量检测系统 能够准确检测种 子流量 图 null null 光电传感器组成框图 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 在国内 光电传感器检测是被采用最多的一种检 测方式 谯睿等 nullnull 研究了一套基于双层对射式激光 传感器的五管集排式重播漏播检测系统 如图 null 所 示 在导种管的下方安装了一个双层对射式激光传感 器 激光的光束覆盖广 解决了以往因检测盲区 不易 检测的问题 该系统在作业速度为 nullnullnullnull null 时 最小 落种时间间隔为 nullnullnullnullnullnull 对单粒种子的漏播重播检测 精度为 nullnullnullnullnullnull 对紧密相连的种子重播检测精度为 nullnullnull 左右 解春季等 nullnull 针对激光传感器可以穿透透 明物体的特点 设计了一套透明的激光传感器安装盒 如图 null 所示 针对漏播和重播检测 该系统对单粒种 子和双粒重叠种子的检测精度均在 nullnullnull 以上 通过抗 灰尘模拟试验 播种试验以及与红外传感器对比试验 证明该系统所用的激光传感器装置与红外传感器相 比 对环境有更好的适应能力 图 null null 重播漏播检测系统主要布局示意图 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull窝眼 nullnullnull圆形磁铁片 nullnullnull种子 nullnullnull种箱 nullnullnull毛刷 nullnull窝眼滚筒 nullnullnull霍尔传感器感应端 nullnullnull霍尔传感器 nullnull对射式激光传感器发射和接收头 结合国内外对光电传感器的应用情况 可知常用 于播种检测的光电传感器有红外传感器 激光传感器 和光纤传感器等 其中 红外传感器应用最为广泛 常 被用于种子流量检测 激光传感器的定向性较好 能准 第 nullnull期 陈书法 等 智能电控精量播种技术研究现状及展望 nullnull 确检测种子漏播情况 光纤传感器常用于检测微小粒 种子流量 但是 受光电传感器特性限制 光电传感器 对重播检测精度较差 传感器易受灰尘等环境因素影 响 而且对微小粒种子的检测精度不足 国内的光电 传感器性能较国外有一定差距 在光电传感器应用上 需设计合适的装置 用来防止环境对光电传感器的干 扰 结合控制器性能特点 优化程序算法 提高软件响 应速度 弥补我国在硬件生产上的不足 nullnull nullnullnull 图 null null 激光传感器安装盒设计与组装 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull激光传感器接收部分 nullnullnull导种管 nullnullnull透明安装盒 nullnull激发传感器发射部分 null 压电传感器检测 相比于光电传感器易受灰尘影响的缺点 压电式 传感器在灰尘 振动等环境下仍具有很高的准确性 压电传感器结构简单 灵敏度高 工作可靠 多用在堵 塞检测上 nullnull 检测装置上常采用压电薄膜作为传感 元件 一种 nullnullnullnull 压电薄膜装置如图 null 所示 由保护 层 电极层和 nullnullnullnull 压电薄膜组成 其中电极层和保 护层都分为上下两层 nullnullnullnull 压电薄膜发生形变产生 的电荷通过电极层导出 图 null null 一种 nullnullnullnull压电薄膜 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 压电传感器需接收种子的碰撞 才会产生电荷变 化 对于一些质量轻的种子 感应单元要有很高的灵敏 度 因此 针对不同粒径的种子 需设计感应单元的材 质来提高灵敏度 nullnullnullnullnullnullnull 等 nullnull 采用压电陶瓷设计 了触摸式传感器阵列 具有很高的灵敏度 能有效检测 不同种子的播种量情况 在国内 也有研究者采用压 电陶瓷传感器用于播种量的检测 赵博等 nullnull 设计了 一种基于压电陶瓷的弧形阵列式播种流量传感器 如 图 null 所示 传感器内部设计了信号处理电路和计数电 路 可通过 nullnullnull 总线发送 能快速准确的检测气流输 送播种机的播种流量和堵塞状况 该系统在排种量小 于 nullnullnull 粒 null 时 对排种量的检测精度大于 nullnullnull 在排 种量大于 nullnullnull 粒 null 时 检测准确率下降明显 另外 在 多种排种量情况下 该装置对堵塞情况的检测精度均 为 nullnullnullnull 张曌 nullnull 设计了一种压电冲击式水稻穴直播 监测系统 设计一种 nullnullnullnull 压电薄膜作为监测系统的 传感器 通过采集稻种冲击 nullnullnullnull 压电薄膜产生的信 号 来判断播种状况 当排种器转速为 nullnullnullnullnullnull nullnullnull 时 系统对重播 漏播情况的检测精度为 nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull 满足系统对播种过程中重播 漏播情况的监 控 不过 排种器的工作转速对传感器的灵敏度有明 显影响 对此影响尚未有较好的解决方案 图 null null 弧形阵列式播种流量传感器结构图 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull隔振材料 nullnullnull信号处理电路板 nullnullnull传感器头外壳 nullnullnull感知单元 结合国内外对压电传感器的应用 可知压电传感 器在种子堵塞的检测上有较高的准确率 被广泛应用 于种子流量和堵塞状况检测 国外的压电传感器种类 繁多 经过封装好的传感器可直接应用于播种机中 具 有很好的抗干扰能力 而我国压电传感器的生产种类 较少 大多研究者需重新设计压电传感器装置 而有些 研究者不善于传感器电路的设计与封装 因此 这种 现状不利于整个行业的发展 需研究几种具有普适性 的压电传感器装置 用以满足更多农机研究者的需求 通过研究发现 压电传感器易受振动 潮湿环境等因素 影响 且对微小粒径种子的碰撞感知不足 nullnull nullnullnull 另外 在排种管高速工作时 压电传感器检测效果不理想 需加强压电材料的研究 降低潮湿 高温环境对压电传 感器的影响 提高对微小粒径种子的感知 增强传感器 的稳定性 null 电容式传感器检测 电容式传感器具有结构简单 灵敏度高 动态响应 好等特点 nullnull 电容式传感器检测原理如图 null 所示 当 种子下落经过排种管里的电容传感器时 极板间介质 的等效介质常数改变 传感器的输出电容值产生变化 通过建立此变化与种子数量间的算法 实现对种子数 量的检测 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 等 nullnull 设计了一种甘蔗排种器播种检 nullnull 中国农机化学报 nullnullnullnull年 测装置 对甘蔗播种过程中的重播和漏播检测有很高 的准确率 nullnullnullnullnull 等 nullnull 使用射频应用装置与电容器来 感测各种农产品的干物质含量 经试验发现 材料的密 度对检测准确度有很大的影响 陈建国等 nullnull 基于电 容法设计了一种小麦播种量检测系统 通过排种轮的 转速与采样频率约束关系 设计传感器结构尺寸 建立 种子数量与电容变化量之间的线性关系 实现了对小 麦播种量的精准检测 在采样周期 nullnullnullnull 排种轮转 速为 nullnullnull nullnullnull 时 测得小麦籽粒数与实际粒数的相对 误差为 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 之间 但是该系统在排种轮 的转速大于 nullnullnull nullnullnull 时 检测精度明显下降 为了解 决电容传感器在不同影响因素下 检测精度不高的问 题 刘坤 nullnull 对电容法检测机理深入研究 通过播种量 实际值与检测值之间的非线性关系 基于神经网络与 遗传算法建立电容式传感器非线性校正模型 该方法 经多次试验 检测精度均超过 nullnullnullnullnullnull 具有很高的应 用价值 图 null null 电容传感器检测原理图 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 结合各研究发现 微小种子难以引起电容传感器 的电容值变化 导致电容式传感器对微小种子识别精 度不