玉米免耕播種漏播補償裝置研究

摘要：根據國內外的玉米免耕播種補種技術及裝置的研究成果，總結自動補償和輔助補償兩種方式的原理及特點，介紹國內具有代表性的漏播補償裝置，并分析其特點和作業(yè)性能，從而為進一步提高玉米免耕播種質量提供參考。

關鍵詞：補種裝置； 玉米； 免耕； 漏播

中圖分類號：S223.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2024）03-0049-02

目前，東北地區(qū)大力推廣以秸稈還田和免耕少耕為主要內容的保護性耕作技術。免耕播種機需要在覆蓋玉米秸稈殘茬、起伏不平的地表上開展播種作業(yè)。玉米根茬的茬間距較大，且地表平整度低，播種機的振動頻率和振幅大于小麥茬地，因此漏播的情況較為嚴重。發(fā)生漏播后需要在出苗后進行人工補種或人工移栽，不僅浪費人力物力，而且與原苗存在生長差異，會對玉米產量造成一定影響。為提高玉米免耕播種作業(yè)質量，國內外學者相繼研究設計多種漏播補償機具和裝置。根據玉米免耕作業(yè)的實際需求，總結漏播補償方案的原理及特點，介紹具有代表性的漏播補償裝置的實現方式和功能，以此來促進玉米免耕播種質量的提高。

1 玉米漏播補償的方式與效果

1.1 漏播損失

漏播指數隨播種速度的增加而增加，粒距越小，漏播指數越高。當播種速度較低時，重播指數較高；當播種速度在5 km/h以上時，重播指數較穩(wěn)定[1]。大籽粒作物精量播種機的平均漏播率為11.74%。如果按照玉米的種植密度5 000株/667 m2、漏播空穴周圍邊際效應2%、每株玉米產量250 g計算，則漏播損失高達117.4 kg/hm2。

1.2 漏播補償方式

目前玉米的漏播補償方式主要有兩種：漏播自動補償和漏播輔助補償。兩種漏播補償方式的特點見表1。

漏播自動補償采用排種器加速的方式來實現補種，當檢測到漏播信號時，漏播補償控制器啟動排種器加速控制指令，使排種器加速運行，快速超越漏播空穴位置以實現補種。漏播輔助補償是在原排種器外加裝一套備用排種裝置，排種器與漏播補種裝置相互獨立，以便在漏播時進行補播。輔助補償法易于實現，但排種與補種時的種子下落路徑不同，容易出現補種位置滯后的問題。吳南[2]的自補償和輔助補償對比試驗也得到相似結論。選用水平圓盤排種器進行試驗，結果表明漏播自補償結構簡單，若能在高轉速下進行精確播種，漏播自補償法可顯著提升播種質量；漏播輔助補償方式的補播效果受播種速度、粒距、排種盤線速度和投種角的影響。

2 玉米播種補償裝置的研究設計

2.1 國外相關研究

1986年，HAASE W C使用排種傳感器和速度傳感器開發(fā)的監(jiān)控系統可以對播種面積、速度、播種量和粒距進行監(jiān)測。2000年，NAGATA等選用數字壓力傳感器開發(fā)一種檢測系統，用來檢測播種大白菜、芥菜、菠菜過程中的漏播情況[2]。2005年，AI-YAMANI等[3]設計一種混合模式邏輯內置的自檢模式，通過對種子排序和重新編碼來實現補種功能，當監(jiān)測設備和控制器監(jiān)測到漏播信號后，會有一粒新的編碼種子進行補種。SINGH等[4]開發(fā)一種高精度控制器，通過速度傳感器監(jiān)測播種機的前進速度，再由控制器計算直流電動機轉速，使播種機按照設定的參數進行精確播種。2016年，UMARKAR基于Android應用程序設計一種智能農業(yè)機器人，在播種過程中通過超聲波傳感器和數字指南針傳感器來實現自動監(jiān)測和操作。

2.2 國內相關研究

朱瑞祥等[5]針對排種與補種相互獨立產生的補種位置不準確等問題，基于某大型勺輪式精量排種器（18勺），采用超越離合器開發(fā)大籽粒作物漏播自補種裝置，采用激光光電傳感器來監(jiān)測槽格內是否漏種，并通過步進電動機控制排種器加速旋轉以實現補種，其工作原理如圖1所示。漏播自補種試驗結果表明，在2～5 km/h 的排種速度下，時間間隔誤差ΔT≤1.37%，補種粒距合格指數A=100%，報警準確率100%，可使播種率提高到99.20%。排種綜合性能試驗表明，平均補種率為92.98%，漏播率M≤0.80%。

趙艷華等[6]為彌補漏播檢測裝置并行性差、響應速度慢的不足，采用復雜的可編程邏輯器件（CPLD）作為檢測控制核心，以紅外發(fā)光管和光敏二極管作為傳感器件，設計一種適用于檢測直徑3 mm以上種子（麥粒、黃豆、玉米粒等）的漏播檢測裝置。檢測裝置能夠精確定位漏播位置，可為漏播后的補種修正提供位置和數據信息。模塊對落種的響應情況良好，誤差≤8%，漏播檢測精度≥95%，單粒漏播的報警精度在80%以上。手動和自適應兩種工作模式使漏播檢測器能夠適應不同類型的播種機械。

陳剛等[7]在主排種裝置外增加一套獨立的補種裝置，其采用等待補種、實時充種的方式，可適時驅動補種機構將待補的種子排出，實現漏播的適時自動補種。漏播補償系統結構簡單，安裝靈活，補種成功率可達90.10%，漏播率平均降低82.00%。為直觀發(fā)現和識別種子破碎和漏播情況，王社[8]選擇玉米和小麥進行播種試驗，采用三角測量法重建攝像機圖像，再結合光電傳感器裝置來檢測播種過程中種子破碎和漏播情況。結果表明，播種機能夠適應不同類別的種子，并能快速、準確地實現對破碎和漏播區(qū)域進行補種。另外，王宗源等[9]采用冗余設計法設計一種機械式漏播檢測與補種裝置，通過跨越式探種桿對主排種窩眼輪的充種情況進行檢測，并可帶動鎖桿完成對補種裝置的鎖定與解鎖，從而實現漏播補種。以漏播指數與合格指數為性能指標，通過正交試驗確定在作業(yè)速度0.9 m/s、探種角度45°、復位彈簧最大作用力12 N的情況下，漏播指數為3.40%，合格指數為94.50%，能夠滿足精量播種作業(yè)要求。

3 結語

玉米免耕播種機排種器的排種性能與播種機行進速度、播種粒距、排種輪轉速有關，漏播補償技術可以在一定程度上提升播種質量。漏播補償技術的發(fā)展使漏播問題得到極大改善，但仍存在一些問題，如出現連續(xù)多位漏播時，補種效果不佳，可能有漏種空穴。在提高播種效率的基礎上提高播種設備的穩(wěn)定性和可靠性仍是今后的研發(fā)方向。采用多傳感器融合技術可以提高漏播反饋信號的精確度，可作為重點進行研究。

參考文獻

[1] 崔紅梅，陳福德，杜文亮.氣吸式玉米精密排種器排種性能試驗研究[J].農機化研究，2014，36（3）：154-158.

[2] 吳南.玉米免耕播種機漏播補償方法對比研究[J].農業(yè)機械學報，2020，51（S2）：41-46+78.

[3] AL-YAMANI A A， MITRA S， MCCLUSKEY E J， et al. Optimized reseeding by seed ordering and encoding[J]. Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems， 2005， 24（2）： 264-270.

[4] SINGH C D， SINGH R C. Computerized instrumentation system for monitoring the tractor performance in the field[J]. Journal of Terramechanics， 2011， 48（5）： 333-338.

[5] 朱瑞祥，葛世強，翟長遠，等.大籽粒作物漏播自補種裝置設計與試驗[J].農業(yè)工程學報，2014，30（21）：1-8.

[6] 趙艷華，龔麗農，尚書旗，等.基于CPLD的漏播檢測裝置的設計與測試[J].農機化研究，2015，37（9）：126-130.

[7] 陳剛，孫宜田，孫永佳，等.玉米免耕精密播種機漏播補償系統的研究[J].農機化研究，2019，41（7）：95-99.

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[9] 王宗源，明家銳，王其歡，等.機械式漏播檢測與補種裝置設計與試驗[J].中國農機化學報，2023，44（10）：21-29.