小區播種機的排種與路徑控制技術分析

潘超然

(黑龍江省農業機械工程科學研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

在農作物新品種的培育與植株特性試驗過程中，需要進行精確的播種作業，傳統的試驗過程為提高播種精確性和質量，常采用人工播種的方式實施，盡管播種量得到了良好控制，但播種深度、播種間距等很難實現統一標準，并且此過程中人力勞動強度大，不利于試驗工作的快速有效開展。隨著農業機械化技術的持續進步，我國農業新品種在試驗過程中小區播種機的應用量不斷增加，與大田播種機相比，小區播種機在播量、播深等參數方面更加精確，能更好的保證試驗種子播種量和播種位置的統一性，降低試驗過程的誤差和人為不利因素影響。排種與控制技術是影響小區播種機作業性能的最主要因素，優化提升排種與控制性能是提升小區播種機作業能力的關鍵。

1 小區播種機結構與技術特征

1.1 結構與組成

小區播種機的結構主要包括開溝器、存種裝置、運種裝置、充種裝置、步進電機、輸種管、地輪等，其與傳統的播種機在技術上存在一定的差異性，小區播種機的很多功能要考慮實驗過程中的需求，要求小區播種機對播種量、播種深度、播種密度等眾多參數實現大范圍可調。因此，小區播種機多配套一定數量的傳感器模塊，對播種量及播種深度等進行記錄，現代化的小區播種機能進一步替代人工完成統計和作業參數調整等工作，有利于試驗精確性的提升。

1.2 技術特征

1)精量播種性能。精量播種是小區播種機最重要的性能要求，要求播種機能夠在單位面積內精確完成預設方案的種子播撒要求，并保證種子的行距、株距在合理范圍，同時播種過程可靠性高，卡種、種子損傷問題控制在合理范圍。此外，還需具有較高的播種效率，能夠實現在短時間內完成試驗田、對比田的播種任務，避免播種時機相差過大影響品種試驗的準確性。

2)自動化程度高。小區播種機相對于普通的大田播種機在用途方面存在明顯差異，除需要完成單位面積的快捷播種任務外，還需要根據農作物新品種和新農藝的試驗要求，具備相應的自動化技術特征，例如行駛距離、播種量的統計、播種密度計算等。

3)可調整范圍大。對于不同的農作物品種或同一品種中的不同種子特征，小區播種機應根據相應的農藝要求在播種量、播種行距、播種株距、播種深度等方面有較大的調整空間，同時還需通過簡單的功能模塊更換實現對不同尺寸、不同形狀種子的適用性需求。

4)具備一定的可擴展性。小區播種機在普通播種功能的基礎上還應設置相應的功能拓展模塊和機械連接結構，用以實現小區播種機的功能拓展。例如增加覆土鎮壓結構，增加施肥裝置，增加覆膜裝置等，為小區播種機應用于特殊農藝要求或在特殊環境中使用時提供更多功能拓展的可行性。

2 精量排種技術

2.1 供種器技術

供種器是小區播種機上特有的一種技術裝置，是用于在田間試驗過程中精確定量向排種器提供種子的裝置。現階段我國用于田間試驗的小區播種機供種器技術主要有兩類：一是定時供放技術，該技術為半自動化技術，需人工預先將指定數量的種子分別裝于密封袋中，在作業過程中按照時間或特定距離將種子倒入供種器并由供種器供種。二是自動供種技術，主要通過機械稱重或機械計數的方式實現按照指定時間或指定距離向排種器排種，供種器技術的應用使小區播種機應用于育種或新品種試驗的過程時播種量更為精確，相關數據的統計也更為簡單便捷，隨著電氣控制技術的進步，以及氣力式排種器的利用，部分新型的小區播種機也利用了電控計量技術替代了傳統的供種器技術，使小區播種機的結構更為簡單[1]。

2.2 排種器技術

小區播種機使用的排種器技術包括錐體格盤式、機械型孔式及氣力式三類。

2.2.1 錐體格盤式排種器

錐體格盤式排種器多應用于條播試驗，其特點是能夠按照農藝要求將種子連續均勻的排放到種溝內，調播試驗主要針對大田新品種中的小麥、谷類等農作物使用。錐體格盤式排種器的結構如圖1所示，主要包括錐體、提升裝置、格盤、機架等結構。錐體格盤式排種器利用格盤上的行孔數量完成指定種子的取種和排種，在格盤轉動過程中種子到達排種孔位置時依次下落，格盤轉動一周能將種子排出。因此，可通過電控系統記錄格盤轉數實現對播種量的統計。錐體格盤式排種器的主要驅動形式包括兩類：一是機械驅動，利用播種機前進過程中的地輪轉動帶動排種器運轉，這種驅動形式較為傳統，排種器的轉數與播種行駛速度直接相關，只能通過設計變速鏈輪組或變速帶輪組的形式實現對排種器轉數及播種量的調整，調整精度有限。二是電驅動，即采用電機驅動排種器進行運轉，能夠實現在電控系統的控制下排種器轉數的實時調整，更能保證排種器對不同播種量的適應性[2]。

1.存種裝置；2.上種裝置；3.錐體格盤分種裝置；4.離心分配器圖1 錐體格盤式排種器

2.2.2 機械型孔式排種器

機械型孔式排種器是傳統的大田排種器技術類別，常用的排種器技術包括外槽輪式排種器、窩眼輪式排種器、圓盤排種器等。機械型孔式排種器對于大豆、玉米等形狀規則、體積均勻的種子適應性較好，能夠利用型孔實現精確的取種和排種作業，但是對于顆粒較小、形狀不規則的種子適用性不強。在小區試驗過程中可能存在種子破損、播種量不精確等問題，但機械型孔式排種器技術較為成熟、結構簡單、易于購置、使用成本低，可在種子質量符合要求的情況下適當應用[3]。

2.2.3 氣力式排種器

氣力式排種器是近年來應用量逐漸增加的新型排種器技術，包括氣吸式、氣吹式等多種形式。但在小區播種機中應用，為保證播種的精確性，主要以氣吸式排種器為主。氣吸式排種器通過風機建立氣流負壓力，使取種孔位置具備較強的吸附力，能夠將種子可靠的吸附在取種位置，并在吸力的作用下轉移到排種孔，切斷吸力后種子被釋放。氣力式排種器的特點是播種量精確，對于尺寸、形狀不同的種子適應性較好，同時使用過程中不易出現種子損傷、漏播等問題，具有較好的可靠性。將氣流進行綜合應用，還能輔助排種器完成清種過程，顯著提高播種效率。小區播種機應用于育種時，對于面積較大的試驗地可采用組合式氣力排種器，能夠實現多個排種器聯合作業(圖2)，從而快速完成播種任務[4]。

圖2 氣力式排種器的聯合使用

2.3 排種器的電氣控制

排種器的電氣控制主要包括排種量控制、排種量監測兩大部分。

2.3.1 排種量控制

要實現排種量的精確控制，前提是排種器要采用電驅動形式，通過系統記錄排種器轉數，并與錐體格盤式排種器的孔數或氣吸式排種器單圈排種數結合，能夠計算出排種量。再結合播種機行駛距離的數據，可計算出單位面積排種量，實現排種量的實時統計。利用數據傳輸技術可將系統計算出的排種量數據在駕駛室實時顯示，駕駛員可利用獲得的數據及時調整行駛方案，以保證試驗的合理性。部分先進的小區播種機可將所需的播種量參數輸入到控制系統中，控制系統在播種過程中實時自動調整排種器轉數，以保證排種量始終符合試驗預期需求。

2.3.2 排種量監測

排種量的監測主要通過兩種形式結合進行，一是利用系統獲取的排種器轉數計數排種量，二是利用計數傳感器記錄實際的排種量，將二者進行數據對比，可驗證排種器工作狀態是否正常。當出現理論排種量與實際排種量不符時，排種量監測系統提示駕駛員檢查排種器狀態，及時清除排種器中的卡種、堵塞等問題。此外排種量監測還可將獲取的數據信息用于試驗數據記錄，提高試驗過程的準確性[5]。

3 路徑規劃控制技術

3.1 路徑規劃

將傳統的小區播種機與農業生產中常用的北斗定位技術相結合，能夠在較大的試驗田地中實現播種機行駛路線的預先規劃。首先在小區播種機上安裝衛星定位終端，并在播種實施前利用播種機定位農田邊界數據信息，將數據信息傳輸到電腦端或播種機的微處理器，實現指定區域的行駛路線自動規劃。試驗人員可以根據播種的行距要求、播種量要求，修改行駛路徑和行駛速度，從而提高小區播種機使用的合理性與試驗實施的效率。

3.2 行駛控制技術

行駛控制技術在小區播種機上的應用主要包括輔助駕駛和自動駕駛兩方面，其中輔助駕駛是現階段技術應用的主要形式，自動駕駛是技術發展的未來趨勢。

3.2.1 輔助駕駛技術

輔助駕駛技術需要結合路徑規劃已形成的方案實施，其主要功能包括以下幾點：一是導航技術，通過在駕駛位安裝導航顯示器，顯示播種機的作業路徑，駕駛員通過觀看顯示器能夠明確播種機的作業整體方案，并按照預設方案進行駕駛。二是行駛狀態監測，利用衛星定位技術，可實現對小區播種機行駛路徑的實時監測，現代化的北斗導航結合地面基站可實現厘米級的農業精準導航和定位，可用于監測播種機行駛路線是否出現偏移、行駛速度是否符合方案要求，當行駛出現異常時，及時提醒駕駛員改變不合理的駕駛方式[6]。

3.2.2 自動駕駛技術

自動駕駛技術是基于輔助駕駛技術的基礎上，進一步提升整機的機械技術和電控技術，實現電氣全面控制機械設備的各個功能，進而實現小區播種機的無人化作業。自動駕駛技術的應用不僅需要精確的衛星定位技術支持，還要能夠實現田間信息的獲取、障礙物的識別、作業狀態的監測、作業方案的決策等功能。這需要對現階段的小區播種機進行機械和電控的雙向升級，機械方面改變傳統的轉向、制動、控制方式，利用電機、液壓系統替代傳統的人力控制。電控方面利用傳感器監測轉向角度、行駛速度，實現播種機使用過程各項數據的實時獲取，并智能的改變小區播種機使用過程的各項參數。

4 結語

總體上講，我國小區播種機在技術和實際應用方面與發達國家仍存在一定的差距，很多農業新品種、育種、植株研究等工作開展過程仍采用人工播種或半自動化播種，部分試驗采用普通播種機進行，造成了人力負擔大，播種量不精確等很多問題。因此，研究與應用小區播種機對于提升我國農業品種研發與農藝技術意義重大，小區播種機的研發應重點集中于提高機具的自動化程度、適用性和低成本方面，并加快相關研究的成果轉化，使小區播種機在農業試驗研究中得到更廣泛的應用。

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