播种装置及其排种性能检测技术的研究分析与展望
赵希富，王 龙，王旭峰※，吐尔孙江·艾山，王兴旺
（1.塔里木大学机械电气化工程学院，新疆阿拉尔843300;2.新疆维吾尔自治区普通高等学校现代农业工程重点实验室）
我国是以经济作物和粮食作物为主的农业大国。播种是农业生产种植中的关键环节，种子的投放离不开排种器。排种器是播种机的核心部件，由于田间地理环境具有复杂多样性，在进行种子的播种时，排种的过程中会出现重播、漏播现象，导致农作物的产量下降。正确对排种器进行性能检测能够了解到其工作状态，对后续排种器的深度研发起着关键作用[1]。为此，国内外有关学者对排种器的性能检测进行了研究和试验。
国内外大田播种机械按照工作原理可分为机械式排种器和气力式排种器，机械式排种器结构简单，但其在工作过程中对种子的损伤程度比较高，且不能适应不同种子。气力式排种器在排种的过程中对不同种子的适应性好，并且对种子的损伤程度比较低，但其结构复杂且在排种的过程中易堵塞排种口[2]。机械式排种器可分为外槽轮式排种器、圆盘式排种器和指夹式排种器等。外槽轮式排种器常见于我国东北三省大豆、玉米等农作物的种植，其优点在于外槽轮排种器的通用性较好，结构简单和播量调整方便等，但其在播种时，排种均匀性差。气力式排种器大多用于精密播种，欧美的Blackmore System、marksman等以及日本井关、东洋、久保田和三菱等是欧美国家较早使用的机型[3]。
为了探寻排种器在播种过程中所存在的问题,有关研究者对监测排种器工作情况的软件系统也进行了相应的研发。目前排种器性能检测技术有光电传感器检测技术、压电脉冲检测技术和CCD摄像检测技术等。
2.1 光电传感器检测技术
光电传感器检测技术是一种基于光电交叉融合所产生的一种新兴的检测技术[4]。一般情况下光电传感器主要由发送器、接收器和检测电路三部分构成，其工作原理是发送器发射出一条光束，由接收器进行接收。排种器在排种时，种子会遮挡光束使接收器两端电压信号发生改变，对变化的信号进行处理，使之变为可被控制器所识别的脉冲信号，通过控制器对脉冲信号分析和处理，达到对排种器性能检测的目的[5]，其检测原理如图1。
图1 光电传感器检测原理示意图
John Deere[6]为了对播种机的性能进行实时了解，运用了光电传感器与电路信号相结合的方法进行采集分析，发现了播种机的漏播现象。panning[7]等以5种播种机和3种田间速度进行组合作业，采用田间甜菜种子定位方法和光电传感器系统相结合来进行试验分析，并采用精确系数测量方法，实现了对种子间距均匀性的评估。Lan[8]等设计了由1个矩形光栅快（194×92mm）和24个光电晶体管组成的光电传感器系统，用于测量不同种子株距均匀性的检测。Stephen W.Searcy[9]等设计了种子精确间隔发芽计量系统，由光电传感器检测种子并且将其信息传送到计算机中，来对种子进行检测。
贾洪雷[10]等设计了一种基于光电传感器、旋转编码器的检测装置，通过光电传感器和旋转编码器对排种盘吸种、排种轴转动角度等信息进行采集和处理，得到排种器的工作状况，为气吸式排种器的性能检测与改进提供了技术支撑。石宏等[11]设计了一种由对射式传感器与单片机组成的综合检测系统，对种子在经过传感器的遮光情况进行分析和处理，来检测排种器的工作情况。赵立新[12]等设计了基于变距光电传感器的小麦精播施肥一体机监测系统，用来检测小麦在播种、施肥过程中排种器的工作情况，此系统采用了反射光电式传感器来检测种肥的流动情况等信息，实现对小麦精播施肥的检测。刘洪强[13]等设计了基于光电传感器的排种器性能检测装置，通过人工检测方法对比，验证了光电传感器能够能够精准的检测排种器的性能。宋鹏[14]等设计了一种采用光电传感技术与单片机相结合的精密播种机工作性能实时监测系统和自清洁装置，通过光电传感器来获取种子的动态信息，由单片机进行分析处理，既能够对播种机的工作性能进行检测又保证了复杂环境中该检测系统工作的准确性。
光电传感器检测技术对于排种装置的性能检测具有成本低、检测速度快、在一定程度上能够检测排种器的排种性能等优点。但其主要应用于精量排种器的排种性能的检测，而且对于高速排种的种子流难以精确检测。
2.2 压电脉冲检测技术
压电脉冲检测技术是指排种器在工作过程中，种子在下落的过程中与压电传感器发生撞击，使压电传感器两端产生脉冲信号，通过信号调理电路对脉冲信号进行处理，单盘机进行采集，来实现排种器性能检测[15]，其检测技术如图2。
图2 压电脉冲检测装置结构图
王金武[16]等设计了基于压电冲击法的水稻穴直播检测系统，通过稻种对PVDF压电薄膜传感器的撞击，获取脉冲信号传送到控制器系统，来实现对水稻排种器性能的检测。段婷[17]等设计了一种以单片机为核心的苜蓿播种机漏播报警系统，通过薄膜压力传感器检测排出种子撞击所产生的压力信息，随之通过单片机进行采集和处理，来检测排种器的性能。黄东岩[18]等设计了一种基于压电薄膜的播种器监测系统，该系统通过PVDF压电薄膜来对种子的运动信息进行检测，并将其转化为脉冲信号，经单片机进行分析和处理，来实现对播种机排种装置的性能检测。赵博[19]等设计了气流输送播种机压电式流量传感器，通过单片机对脉冲信号进行采集、分析和处理，发现在试验过程中该实试验装置能够通过种子的撞击来呈现排种器的排种性能。张霖[20]等提出了一种压电式种子计数系统，通过压电传感器将种子的撞击力转化为电信号，经电路放大处理，传输到单片机显示，然后进行试验，结果可以看出，该系统对于一粒种子的测量误差不超过0.4%，能够精准的对排种器的性能进行检测。
压电脉冲检测技术能够准确的检测排种器转速较低时的排种性能，压电传感器成本低廉，但压电传感器极易受到外部条件影响，在进行排种器检测的过程中，种子必须在传感器撞击后才能进行排种性能检测，而种子在撞击的过程中，会对种子的下落序列发生变化，进而影响排种的均匀性。在进行传感器安装的过程中，对其安装位置精度需求较高。
2.3 CCD摄像检测技术
高速摄像技术是基于高速摄像机与计算机相结合的一种新型技术，其工作过程由高速摄像机来拍摄种子的下落过程，将每一粒种子的运动状态呈现在所拍摄的胶片上，然后经过摄像机的慢速放映，来对排种器进行排种性能的检测，随着高速摄像技术的发展，CCD摄像检测技术已经成为高速摄像技术的重要分支。CCD摄像检测技术又称机器视觉技术，随着我国科学技术的蓬勃发展，机器视觉技术已经应用到我国的各行各业，逐渐趋于成熟。机器视觉技术以其快速、可靠、无损等特点应用于我国农业生产中排种器性能的检测，其检测原理如图3。
图3 CCD摄像检测原理示意图
Adrian A.Borja[21]等针对菲律宾地区，气力玉米播种机在工作过程中的漏播现象，设计了基于机器视觉的控制系统，实现对于气力玉米播种机性能的检测。D.E.Kim[22]等设计了机器视觉自动播种装置，对其排种装置的性能进行自动检测，经过分析处理，该检测装置符合实现葫芦科蔬菜种子的在线播种功能。
王玉顺[23]等基于机器视觉检测技术通过帧种子数分布的独立性进行试验分析，来检验条播排种器的性能。塔里木大学曹叶[24]设计了一种基于机器视觉检测的穴播器排种性能检测系统，对棉花种子进行了5轮排种试验与分析，结果表明该检测系统穴播总量和穴粒数合格率的相对误差为5.98%和2.7%，最小为0。董文皓[25]等设计了一种嵌入式机器视觉的杂交稻低播种量检控装置，通过采集、分析和处理播种后的种子图像来获取种子的播种信息，与人工检测法检测的种子信息进行对比，实现排种器的性能检测。安爱琴[26]等以CCD摄像机拍摄气吹式精密排种器在工作过程中种子的运动情况，利用图像处理技术进行分析和处理，来对排种器进行排种性能的检测试验。聂永芳[27]等设计了一种基于机器视觉的检测系统来对外槽轮式排种器进行检测，采用CCD摄像机记录种子流的运动状态，经由MATLAB图像分析处理软件对其进行分析和处理，判断该检测系统是否可以满足性能检测需求。赵郑斌[28]等针对针式穴盘精密播种机，设计了采用光电传感器与机器视觉融合的排种性能检测系统，通过试验进行验证，证明该系统可以完成对排种器的性能检测分析。王侨[29]等设计了基于机器视觉的玉米种粒定向定位摆放装置，通过试验发现此装置能够实现合格种子的定向摆放。黑龙江八一农垦大学李朋飞[30]设计了基于机器视觉的玉米排种器排种性能的检测系统，构建玉米排种器排种性能检测平台，通过视频处理等相关算法对其特征量提取，来达到对玉米排种器排种性能的试验分析。
CCD摄像检测技术是继光电传感检测技术、压电脉冲检测技术后所兴起的一种新型的检测技术。它是将所获取的图像直接通过计算机映入眼中，在经计算机对其进行数据处理，来对排种器进行性能检测。其具有自动化程度高、对于数据接收和处理速度快、使用比较方便等优点，在各行各业应用较广泛。
近年来随着科技的发展，我国对播种机械的检测技术也迎来转型，在兼顾成本与稳定性的同时，检测性能得到了显著提高。随着未来农业机械行业的发展，播种机械在工作的过程中以高速为指标，在进行农作物种植时，经常会使用高速播种机械对田间进行播种种植。由于目前排种机械的检测技术都是检测工作速度不太高的播种机械，为此，对于高速播种机械排种性能的精确检测，将成为目前急需解决的问题。
本文介绍了播种机械的3种性能检测技术的研究现状，并且对其优缺点进行了分析。总结了光电传感器检测技术、压电脉冲检测技术和CCD摄像检测技术，发现对于排种器性能的检测应用各有所不同。为了能够更进一步的研究排种器排种性能，还需要分析排种器在工作中的过程中种子的落种姿态，以及动态随机因素等。
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