小区播种机的排种与路径控制技术分析

潘超然

(黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 150081)

0 引言

在农作物新品种的培育与植株特性试验过程中，需要进行精确的播种作业，传统的试验过程为提高播种精确性和质量，常采用人工播种的方式实施，尽管播种量得到了良好控制，但播种深度、播种间距等很难实现统一标准，并且此过程中人力劳动强度大，不利于试验工作的快速有效开展。随着农业机械化技术的持续进步，我国农业新品种在试验过程中小区播种机的应用量不断增加，与大田播种机相比，小区播种机在播量、播深等参数方面更加精确，能更好的保证试验种子播种量和播种位置的统一性，降低试验过程的误差和人为不利因素影响。排种与控制技术是影响小区播种机作业性能的最主要因素，优化提升排种与控制性能是提升小区播种机作业能力的关键。

1 小区播种机结构与技术特征

1.1 结构与组成

小区播种机的结构主要包括开沟器、存种装置、运种装置、充种装置、步进电机、输种管、地轮等，其与传统的播种机在技术上存在一定的差异性，小区播种机的很多功能要考虑实验过程中的需求，要求小区播种机对播种量、播种深度、播种密度等众多参数实现大范围可调。因此，小区播种机多配套一定数量的传感器模块，对播种量及播种深度等进行记录，现代化的小区播种机能进一步替代人工完成统计和作业参数调整等工作，有利于试验精确性的提升。

1.2 技术特征

1)精量播种性能。精量播种是小区播种机最重要的性能要求，要求播种机能够在单位面积内精确完成预设方案的种子播撒要求，并保证种子的行距、株距在合理范围，同时播种过程可靠性高，卡种、种子损伤问题控制在合理范围。此外，还需具有较高的播种效率，能够实现在短时间内完成试验田、对比田的播种任务，避免播种时机相差过大影响品种试验的准确性。

2)自动化程度高。小区播种机相对于普通的大田播种机在用途方面存在明显差异，除需要完成单位面积的快捷播种任务外，还需要根据农作物新品种和新农艺的试验要求，具备相应的自动化技术特征，例如行驶距离、播种量的统计、播种密度计算等。

3)可调整范围大。对于不同的农作物品种或同一品种中的不同种子特征，小区播种机应根据相应的农艺要求在播种量、播种行距、播种株距、播种深度等方面有较大的调整空间，同时还需通过简单的功能模块更换实现对不同尺寸、不同形状种子的适用性需求。

4)具备一定的可扩展性。小区播种机在普通播种功能的基础上还应设置相应的功能拓展模块和机械连接结构，用以实现小区播种机的功能拓展。例如增加覆土镇压结构，增加施肥装置，增加覆膜装置等，为小区播种机应用于特殊农艺要求或在特殊环境中使用时提供更多功能拓展的可行性。

2 精量排种技术

2.1 供种器技术

供种器是小区播种机上特有的一种技术装置，是用于在田间试验过程中精确定量向排种器提供种子的装置。现阶段我国用于田间试验的小区播种机供种器技术主要有两类：一是定时供放技术，该技术为半自动化技术，需人工预先将指定数量的种子分别装于密封袋中，在作业过程中按照时间或特定距离将种子倒入供种器并由供种器供种。二是自动供种技术，主要通过机械称重或机械计数的方式实现按照指定时间或指定距离向排种器排种，供种器技术的应用使小区播种机应用于育种或新品种试验的过程时播种量更为精确，相关数据的统计也更为简单便捷，随着电气控制技术的进步，以及气力式排种器的利用，部分新型的小区播种机也利用了电控计量技术替代了传统的供种器技术，使小区播种机的结构更为简单[1]。

2.2 排种器技术

小区播种机使用的排种器技术包括锥体格盘式、机械型孔式及气力式三类。

2.2.1 锥体格盘式排种器

锥体格盘式排种器多应用于条播试验，其特点是能够按照农艺要求将种子连续均匀的排放到种沟内，调播试验主要针对大田新品种中的小麦、谷类等农作物使用。锥体格盘式排种器的结构如图1所示，主要包括锥体、提升装置、格盘、机架等结构。锥体格盘式排种器利用格盘上的行孔数量完成指定种子的取种和排种，在格盘转动过程中种子到达排种孔位置时依次下落，格盘转动一周能将种子排出。因此，可通过电控系统记录格盘转数实现对播种量的统计。锥体格盘式排种器的主要驱动形式包括两类：一是机械驱动，利用播种机前进过程中的地轮转动带动排种器运转，这种驱动形式较为传统，排种器的转数与播种行驶速度直接相关，只能通过设计变速链轮组或变速带轮组的形式实现对排种器转数及播种量的调整，调整精度有限。二是电驱动，即采用电机驱动排种器进行运转，能够实现在电控系统的控制下排种器转数的实时调整，更能保证排种器对不同播种量的适应性[2]。

1.存种装置；2.上种装置；3.锥体格盘分种装置；4.离心分配器图1 锥体格盘式排种器

2.2.2 机械型孔式排种器

机械型孔式排种器是传统的大田排种器技术类别，常用的排种器技术包括外槽轮式排种器、窝眼轮式排种器、圆盘排种器等。机械型孔式排种器对于大豆、玉米等形状规则、体积均匀的种子适应性较好，能够利用型孔实现精确的取种和排种作业，但是对于颗粒较小、形状不规则的种子适用性不强。在小区试验过程中可能存在种子破损、播种量不精确等问题，但机械型孔式排种器技术较为成熟、结构简单、易于购置、使用成本低，可在种子质量符合要求的情况下适当应用[3]。

2.2.3 气力式排种器

气力式排种器是近年来应用量逐渐增加的新型排种器技术，包括气吸式、气吹式等多种形式。但在小区播种机中应用，为保证播种的精确性，主要以气吸式排种器为主。气吸式排种器通过风机建立气流负压力，使取种孔位置具备较强的吸附力，能够将种子可靠的吸附在取种位置，并在吸力的作用下转移到排种孔，切断吸力后种子被释放。气力式排种器的特点是播种量精确，对于尺寸、形状不同的种子适应性较好，同时使用过程中不易出现种子损伤、漏播等问题，具有较好的可靠性。将气流进行综合应用，还能辅助排种器完成清种过程，显著提高播种效率。小区播种机应用于育种时，对于面积较大的试验地可采用组合式气力排种器，能够实现多个排种器联合作业(图2)，从而快速完成播种任务[4]。

图2 气力式排种器的联合使用

2.3 排种器的电气控制

排种器的电气控制主要包括排种量控制、排种量监测两大部分。

2.3.1 排种量控制

要实现排种量的精确控制，前提是排种器要采用电驱动形式，通过系统记录排种器转数，并与锥体格盘式排种器的孔数或气吸式排种器单圈排种数结合，能够计算出排种量。再结合播种机行驶距离的数据，可计算出单位面积排种量，实现排种量的实时统计。利用数据传输技术可将系统计算出的排种量数据在驾驶室实时显示，驾驶员可利用获得的数据及时调整行驶方案，以保证试验的合理性。部分先进的小区播种机可将所需的播种量参数输入到控制系统中，控制系统在播种过程中实时自动调整排种器转数，以保证排种量始终符合试验预期需求。

2.3.2 排种量监测

排种量的监测主要通过两种形式结合进行，一是利用系统获取的排种器转数计数排种量，二是利用计数传感器记录实际的排种量，将二者进行数据对比，可验证排种器工作状态是否正常。当出现理论排种量与实际排种量不符时，排种量监测系统提示驾驶员检查排种器状态，及时清除排种器中的卡种、堵塞等问题。此外排种量监测还可将获取的数据信息用于试验数据记录，提高试验过程的准确性[5]。

3 路径规划控制技术

3.1 路径规划

将传统的小区播种机与农业生产中常用的北斗定位技术相结合，能够在较大的试验田地中实现播种机行驶路线的预先规划。首先在小区播种机上安装卫星定位终端，并在播种实施前利用播种机定位农田边界数据信息，将数据信息传输到电脑端或播种机的微处理器，实现指定区域的行驶路线自动规划。试验人员可以根据播种的行距要求、播种量要求，修改行驶路径和行驶速度，从而提高小区播种机使用的合理性与试验实施的效率。

3.2 行驶控制技术

行驶控制技术在小区播种机上的应用主要包括辅助驾驶和自动驾驶两方面，其中辅助驾驶是现阶段技术应用的主要形式，自动驾驶是技术发展的未来趋势。

3.2.1 辅助驾驶技术

辅助驾驶技术需要结合路径规划已形成的方案实施，其主要功能包括以下几点：一是导航技术，通过在驾驶位安装导航显示器，显示播种机的作业路径，驾驶员通过观看显示器能够明确播种机的作业整体方案，并按照预设方案进行驾驶。二是行驶状态监测，利用卫星定位技术，可实现对小区播种机行驶路径的实时监测，现代化的北斗导航结合地面基站可实现厘米级的农业精准导航和定位，可用于监测播种机行驶路线是否出现偏移、行驶速度是否符合方案要求，当行驶出现异常时，及时提醒驾驶员改变不合理的驾驶方式[6]。

3.2.2 自动驾驶技术

自动驾驶技术是基于辅助驾驶技术的基础上，进一步提升整机的机械技术和电控技术，实现电气全面控制机械设备的各个功能，进而实现小区播种机的无人化作业。自动驾驶技术的应用不仅需要精确的卫星定位技术支持，还要能够实现田间信息的获取、障碍物的识别、作业状态的监测、作业方案的决策等功能。这需要对现阶段的小区播种机进行机械和电控的双向升级，机械方面改变传统的转向、制动、控制方式，利用电机、液压系统替代传统的人力控制。电控方面利用传感器监测转向角度、行驶速度，实现播种机使用过程各项数据的实时获取，并智能的改变小区播种机使用过程的各项参数。

4 结语

总体上讲，我国小区播种机在技术和实际应用方面与发达国家仍存在一定的差距，很多农业新品种、育种、植株研究等工作开展过程仍采用人工播种或半自动化播种，部分试验采用普通播种机进行，造成了人力负担大，播种量不精确等很多问题。因此，研究与应用小区播种机对于提升我国农业品种研发与农艺技术意义重大，小区播种机的研发应重点集中于提高机具的自动化程度、适用性和低成本方面，并加快相关研究的成果转化，使小区播种机在农业试验研究中得到更广泛的应用。

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