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1.2 播种机智能化发展现状

智能化播种机要求能根据土壤条件、行驶速度等精确控制播种量、播深、播种均匀度等,且在复杂地形中也能实现精量播种(丁友强等,2019)。目前,国外施肥播种机的智能化技术主要体现在电动机直驱技术、播种监测技术、播种深度测控技术和变量施肥技术方面。

1.在电动机直驱技术方面

传统的排种器采用地轮传动形式,随着作业速度的不断提高,车辆打滑成为影响播种质量的重要因素之一(张春玲等,2017)。电动机直驱技术能够有效消除机械传动的不利影响。

目前,国外高速精密播种机排种器驱动专用直流电动机及减速机产品已经相当成熟。欧洲主要的播种机生产厂家均推出了电动机驱动型播种机,如Horsch公司、Monosem公司等,图1-4和图1-5所示分别为两个公司的排种驱动装置。Pricision Planting公司也推出了电驱式排种系统。电驱式排种器主要采用直流电动机替代机械传动结构,直接驱动排种盘,采用测速雷达或GNSS等装置获得播种机的作业速度,根据速度结合所设置的播种量信息,实时调节排种盘的转速,进而实现播种量与作业速度的合理匹配。采用电驱式排种结构不仅能很好地适应高速播种作业,而且能够进一步实现对每一路播种单元的单独启停控制。

图1-4 Horsch公司的排种驱动装置

图1-5 Monosem公司的排种驱动装置

2.在播种监测技术方面

欧美国家的播种机普遍采用宽幅结构,且作业速度快,对播种质量的监测显得尤为重要,一旦出现严重漏播,势必造成大面积减产,因此,播种质量监控装置是欧洲播种机的标准配置。

播种监控技术主要利用传感器实时获取每一路的落种信息,据此统计播种量、漏播量和重播量,并实现对漏播阻塞故障的在线监测。其中以光电传感器应用最为广泛(苑严伟等,2018),如Dickey John公司的HyRate系列传感器、AgLeader公司的Seedcomand传感器均为此类型。为了解决光电传感器的抗尘问题,Precision Planting公司研发了一种基于高频电磁波的排种量传感器(Wavevision),如图1-6所示,该传感器可直接安装在排种管末端,能够对排种质量进行精准监测。德国LEMKEN的Solitair 9K气力式精量播种机能进行全谷物类、油菜种子、草籽、豆类作物的精量播种,采用电动驱动排种器,先进的电子控制终端LEMKEN Solitronic操作简便,可实现播种堵塞报警,对各排种口单独开关控制。

除此之外,在排种装置的发展过程中,还出现了图1-7所示的气流输送播种机排种传感器。

3.在播种深度测控技术方面

播种深度对种子的出苗及后期生长具有重要影响。播种深度一致性也是衡量播种机性能的重要指标之一,如果播种深度不一致,就会造成大小苗现象,并影响产量(HÅKANSSON等,2011)。目前,通常通过仿行机构带动播种单体随地面起伏运动而实现播种,但是受地表附着物及土壤特性等条件影响,单纯的机械仿行无法达到理想效果。

图1-6 基于高频率电磁波的排种量传感器

图1-7 气流输送播种机排种传感器

针对这一情况,一些播种机厂商(如德国Horsch公司)开始在播种机上加装图1-8所示的播种深度测控装置,其基本原理是通过在播种单体上安装压力传感器,实时获取播种单体对地的压力,并采用液压驱动形式改变播种单体的下压力,进而达到调节播种深度的目的,最终实现播种深度的一致性(杨丽等,2016)。

Agleader公司专门推出了图1-9所示的下压力测控系统以实现播种深度控制,其针对单体受地面障碍物影响出现弹跳情况,还设计了独有的蓄能装置,保证播种单体运动的稳定性,系统响应时间仅为1s,借助该系统能够快速准确地保证播种深度的一致。美国JohnDeere1860型免耕气吸式条播机,开沟压力可通过液压系统调节;仿形轮配置在开沟器侧面,开沟深度可调;橡胶压种轮压力可以根据土壤条件从22N到118N进行调节。

图1-8 Horsch公司的播种深度测控装置

图1-9 Agleader公司的下压力测控系统

4.在变量施肥技术方面

变量施肥技术作为精准农业的关键组成部分,其能够按照不同地块的养分水平进行不同肥料量的合理施用,可以提高肥料利用率并减少环境污染。目前,主要的变量施肥技术有基于处方图的(宿宁,2016)和基于传感器的(刘洪利,2019)两种。基于处方图的变量施肥技术是通过GNSS获取当前机具位置信息,查询对应施肥处方图,得到期望施肥量,控制器根据期望施肥量控制排肥轴的转速,达到变量施肥的目的。

近年来,随着实时传感技术的进步,基于传感器的变量施肥技术已经逐渐发展起来。这种方法是利用光学传感器获取田间作物的生长情况或土壤特性情况,同时,根据所预测的作业潜在产量,依据相应的决策算法判断机具实时行走区域所需肥料量并形成氮肥施用处方信息,控制变量施肥机构进行动作执行,达到变量施肥的目的。实时传感器是该项技术的关键设备,目前CLAAS公司推出的图1-10所示的Crop传感器,以及Trimble公司研发的图1-11所示的Greenseeker传感器,均采用近红外光谱分析技术(NIR),根据植物叶子对近红外和红光吸收、反射特性的区别,通过测量反射光线的类型和强度对作物生长情况进行评测,间接实现土壤中可供有效利用的氮肥量的采集。

图1-10 CLAAS公司的Crop传感器

图1-11 Trimble公司研发的Greenseeker传感器

国内精密播种机的智能化技术正在逐步由实验室走向应用推广。德邦大为研制的1405型高性能免耕施肥播种机集成多路信息采集单元,采用电动机驱动,实现作业过程的全程自动化控制。雷沃马特马克MS8000系列精量播种机的EASY-SET系统可实现行距快速调节,电控播种监测器能避免漏播和重播,当发生堵塞时进行报警。 0S+ONuBw80B0m0l2Jthc95xeTeqWBlYForx9LRuJsAWagJcJOEXSvCZ6l0CRIis9

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