籽粒作物漏播补偿方法研究现状分析

山东理工大学农业工程与食品科学学院 李润涛 宋成友 吕玉春 李永岗 张祥彩

引言

播种机在田间作业时由于地面不平整和机械振动等因素导致播种过程中出现漏播现象，使得作物产量受到影响[1-4]。通过人工跟随播种机进行补种和出苗后补苗措施可以有效减少漏播对作物产量的影响，但人工补种补苗的方式费时费力且效率低，补苗也会造成作物长势不均，影响作物的产量。因此在播种过程中进行漏播补偿尤为重要。

目前，对漏播补偿技术开展了相关的研究。AI-YAMANI等[5]对漏播补偿方法进行研究，通过对种子进行编码排序，当检测到漏播时，将一粒新编码的种子进行补种。SINGH等[6]通过直流电机控制排种轴转速，实施精准的播种和补种。自动化漏播补偿方法主要有自补偿方法和辅助补偿方法，除自动化补偿方法外还有人工机械式补偿方法。人工机械式补偿方式仅适合小块不规则的田间地块，对于大型的农场采用机械式人工补偿方式费时费力。因此，随着传感器技术的发展，自动化漏播补偿方法的研究和运用将越来越广泛。

本文主要叙述漏播补偿方法的研究现状，结合不同的补偿方法分析不同补偿装置的工作原理存在的优缺点。为漏播补偿方法的系统研究提供参考。

1 自补偿方法

自补偿方法是将排种器作为一个补种装置，当检测到排种器出现漏播时，通过提高排种轴转速达到对空穴位置进行补偿。该方法不需要额外的增加补种装置，结构相对简单,但需要电机具有更加快速、稳定的加速性能和更加精准的控制算法，当排种轴转速过快时需要排种器具有较好的充种性能。

针对大籽粒作物排种过程中存在漏播问题，朱瑞祥等[7]提出了一种基于超越离合器的大籽粒漏播自补偿方法。正常工作时地轮通过超越离合器b与排种轴连接，当出现漏播时，步进电机通过超越离合器a与排种轴连接，控制排种轴加速转动，实现快速补种。该方法可实现较高准确率的补种。

针对玉米勺式排种器存在漏播问题，赵淑红等[8]设计了一种变速补种系统，该系统通过在偏离出种口20度的位置安装光电传感器，对排种器是否空穴漏播进行检测。当出现空穴时控制系统控制步进电机带动排种轴加速转过空穴位置达到补种的目的。

石河子大学[9]发明了一种基于水平圆盘机械式玉米漏播补种装置，该装置通过三层水平圆盘将种子排到输种传送带，当检测到漏播控制步进电机加速转动，使输种传送带后方正常V型齿槽中的种粒运输到缺种位置，实现补种功能。该方法结构紧凑，补种装置相对于排种器位置固定，使得补种更加精准。

吴南[10]利用水平圆盘排种器进行漏播自补偿性能试验，通过在排种轴转速在15～120r/min的条件下进行试验，试验得出通过自补偿方法能实现漏播补种，但随着排种轴速度增加，补种性能就会下降。

在高速运行情况下利用漏播自补偿法进行补偿需要排种器具有较高的充种性能和控制算法具有较高的控制精度，并且当出现连续的漏播情况时，会出现补种不及时的问题。因此利用自补种方法进行漏播补种还需要进一步的探索。

2 辅助补偿方法

辅助补偿方法是通过外加一个辅助的补种装置进行漏播补偿。当检测系统检测到漏播情况时，通过控制补种装置进行补种。因为补种装置相对于排种器是独立的装置，因此需要合理的设计补种装置的位置和精确的补种控制算法才能实现精准补种。补种装置主要通过增加副排种盘、增加副排种器或者设计新型的补种结构实现补种。

2.1 增加副排种盘方式

接志波[11]、龚丽农[12]等运用光电传感器检测漏播情况，当检测漏播发生时，通过打开副排种口处的挡板使得种子从副排种窝眼排出实现补种。石兵[13]等通过增加辅助排种盘的方法实现了漏播补种。当出现漏播时控制步进电机带动辅助排种盘转动进行补种。

2.2 增加副排种器方式

针对精密排种器存在漏播问题，李士军[14]等采用主排种器和副排种器并排的方式，副排种器由步进电机带动，在副排种器下方有一个挡种板，当检测到漏播时，步进电机控制副排种器转动并带动挡种板打开实现补种。陈刚等[15]在主排种器下方安装补种装置，当漏播发生时，补种装置打开补种管下方电磁阀，并驱动电机带动补种轴转动带出种子实现补种。为解决花生播种过程中存在漏播问题，聂秀展等[16]在主排种器后方安装了一个副排种器；控制器以STM32为中央处理单元，当检测到主排种器存在漏播时，控制单元控制副排种器转动进行补种。李甜[17]利用PLC控制技术，同样在主排种器后方增加了一个副排种，其控制原理与聂秀展类似，均是通过副排种器进行补种。主副排种器主要呈现上下、左右和前后的排布方式，系统检测到主排种器存在漏播时，通过测量播种机前进速度以及更加不同排布方式计算出补种速率，通过控制副排种器的执行机构（步进电机或电磁阀等）实施精准的补种。

2.3 设计新型补种结构

针对油菜籽气力式精量排种产生漏播问题，丁幼春[18]等设计了螺管式补种器，并建立工作转速与漏播系数的关系模型；螺管的转动引导油菜籽粒进入端盖内腔，内腔中的籽粒随着孔挡板A的转动进入到滚筒的螺管内，由于重力作用种子移动到孔挡板B，并随着孔挡板B转动到投种区，重力和离心力作用完成投种。该补种机构针对流动性较好的圆形油菜籽粒具有很好的补种性能，但籽粒较为湿润时，流动性不好，易造成堵种的现象。

3 人工机械式补偿法

漏播自补偿和辅助补偿装置是装配有检测装置，检测到漏播时驱动执行机构实时自动的实现补种，常运用在自动播种机上。除此之外，大型播种机无法进入实施播种，因此需要人工进行播种和补种操作。

为减少小麦补种的人力，施立安[19]等发明一种施水、施肥和补种一体的小麦补种装置；当把手向上提升时，种子从把手细杆出排出，水和药水也同时从出水和出药孔流出，当把手提升到极限位置时限位珠嵌入阻挡板内防止继续提升，此时水、药和种子从出口处排出，实现补种、排水和排药的功能。

采用手动机械式的补种方式，适用于小规模、小地块的种植方式。随着传感器检测技术的发展，漏播补种技术将向着自动化和智能化方向发展。

4 存在问题

漏播补偿技术的发展使得漏播问题得到了极大的改善，降低了劳动力需求，使得作物产量得到了提升。但目前仍然存在一些问题。

（1）漏播自补偿方法问题。自补偿方法需要排种器自身具有良好的充种性能，随着排种轴速度的增大，出现漏播时需要排种轴提供更加快速的转速，来达到补偿空穴的目的；但在高速情况下需要更加大功率的电机才能实现更高的转速，并且在高速状态下排种器的磨损和充种性能有所下降。

（2）漏播辅助补偿方法问题。漏播辅助补偿方式主排种装置和副排种装置相对独立，精确的补种需要主副补种装置的良好配合。针对不同间距补种时使用之前的控制代码并不能实现精准的补种。因此需要设置有输入参数对不同农艺要求的补种进行修订。

（3）连续漏播问题。对漏播自补偿方法和漏播辅助补偿方法而言，当主排种器出现连续多位漏播时，补种效果不佳，且副排种盘和排种器在补种过程中也不能保证绝对的充种，也可能出现漏种空穴的问题。

5 展望

（1）漏播检测技术。漏播补偿方法与漏播检测方法是相互促进的，更加稳定、及时精准的检测到漏播情况，才能准确地发挥漏播补偿装置的作用。因此，漏播补偿技术离不开传感器检测技术的发展，但目前国内传感器的检测精度和适应性还处于发展阶段，还需要进一步的提升和加强。

（2）电机驱动技术。快速精准的执行补种动作，需要电机在短时间内加速到指定的转速，这不仅需要电机有更优的性能，还需要更优的控制方法。未来应加强电机驱动和控制技术的研究、应用和推广。

（3）智能控制技术。随着精准农业的发展，播种更加智能化和自动化。播种轴转速需要根据土壤营养条件以及其他影响作物生长的因素进行分析后控制转动，因此对于补种装置而言，在播种智能化、自动化发展的同时也需要补种装置趋于自动化和智能化，才能满足精准补种的要求。