免耕播種智能化關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展

摘要：為了提升免耕播種的質(zhì)量，推動(dòng)免耕播種智能化技術(shù)的發(fā)展，該文闡述了免耕播種機(jī)的組成和原理，分析了免耕播種關(guān)鍵技術(shù)當(dāng)中的智能化技術(shù)，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能化、信息化技術(shù)的應(yīng)用下，以突出該技術(shù)在經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、環(huán)境等層面表現(xiàn)出的良好效益，進(jìn)而加快免耕播種技術(shù)的推廣和發(fā)展。關(guān)鍵詞：免耕播種；智能化；對(duì)行避茬技術(shù)農(nóng)業(yè)機(jī)械在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，促使機(jī)械化耕整地成為當(dāng)前的主要耕整地方式，在提升作業(yè)效率的同時(shí)，也保證了耕整地的平整性。但是，機(jī)械化耕整地的普及也降低了土壤質(zhì)量，導(dǎo)致土壤沙化，阻礙農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。免耕播種作為保護(hù)性耕作技術(shù)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用有利于耕地保護(hù)以及環(huán)境保護(hù)，有效促進(jìn)生產(chǎn)效益的提升。

1免耕播種機(jī)的組成和原理

如圖1所示，免耕播種機(jī)的組成包括3大部分，前面為開溝部分，作用為翻耕土壤、挖開播種溝；中間為施肥、播種部分，進(jìn)行施肥與播種；后面為鎮(zhèn)壓部分，作用是覆土保墑。免耕播種機(jī)是一種多功能集成的復(fù)合型農(nóng)機(jī)設(shè)備，與拖拉機(jī)配套使用，在拖拉機(jī)的動(dòng)力和行駛功能下，實(shí)現(xiàn)免耕播種機(jī)的功能。目前，投入使用的免耕播種機(jī)大多包括機(jī)架、破岔開溝裝置、施肥裝置、播種裝置、鎮(zhèn)壓裝置。在具體使用中，免耕播種機(jī)可以在不翻耕或者少翻土的情況下完成破茬、開溝、施肥、播種等工序，無需提前犁耕，可以直接在收獲之后的耕地上進(jìn)行播種，并且可以同時(shí)轉(zhuǎn)移耕地上的粉碎秸稈，使其均勻覆蓋在地表，起到地表保護(hù)作用。2免耕播種智能化關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

2.1

破茬開溝技術(shù)保護(hù)性耕作的基礎(chǔ)要求就是少動(dòng)土，在施肥播種中，地表殘留秸稈殘茬，要求具有較好的破茬開溝技術(shù)，破茬開溝技術(shù)分為移動(dòng)式、滾動(dòng)式、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)式。移動(dòng)式破茬開溝技術(shù)是使用窄形尖角式開溝器進(jìn)行破茬開溝，開溝深度在10cm左右能夠?qū)崿F(xiàn)分層施肥、播種，下層施肥、上層播種。以小麥為例，這種密植作物的根茬比較小，對(duì)窄形開溝器沒有較大的影響；以玉米類作物為例，其根茬較大，開溝深度在10cm左右時(shí)，鏟尖經(jīng)過根部，挑起根茬，順利實(shí)現(xiàn)破茬開溝。滾動(dòng)式破茬開溝技術(shù)在應(yīng)用中大多使用圓盤刀式破茬，其原理是借助各種樣式的圓盤，以正壓力沿著地表進(jìn)行滾動(dòng)，將根茬切開，完成施肥、播種。平面圓盤若平行于播種機(jī)前行的方向，那么其作用只是將根茬切開，將雜草切斷，在土壤上切出一道縫隙，在后面開溝器的作用下進(jìn)行播種；若平面圓盤好播種機(jī)前行方向之間存在一定的夾角，那么在其開溝內(nèi)便可以完成施肥、播種。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)式破茬開溝技術(shù)的應(yīng)用是在拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸下，對(duì)播種機(jī)開溝器前面的旋轉(zhuǎn)軸起到驅(qū)動(dòng)作用，在旋轉(zhuǎn)軸上安裝破茬防堵部件，實(shí)現(xiàn)入土破茬。2.2

防堵技術(shù)在免耕施肥播種機(jī)應(yīng)用中，影響其防堵性的因素主要包括地表秸稈的覆蓋量、秸稈長度、秸稈韌性、開溝器類型等。常用的防堵技術(shù)有部件開溝、加大秸稈通過空間、裝置等多種防堵技術(shù)。部件開溝防堵技術(shù)是選擇播種通過性較高的部件，如使用種肥垂直分施技術(shù)，避免種肥側(cè)位分施造成的堵塞；加大秸稈通過空間是應(yīng)用高地隙、多梁結(jié)構(gòu)，在相鄰?fù)寥栏鞑考g，增大空間，便于秸稈順利通過；裝置防堵技術(shù)細(xì)分為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)和非動(dòng)力驅(qū)動(dòng)兩種，對(duì)于大行距的寬行播種機(jī)，通過加裝非動(dòng)力防堵裝置，如在開溝器前加裝分草板、行間壓草器等，增強(qiáng)其防堵能力。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)式防堵技術(shù)是在開溝器前安裝防堵裝置，粉碎堆積在開溝鏟上的秸稈，實(shí)現(xiàn)防堵。以小麥為例，其前茬農(nóng)作物大多是玉米，如果在播種期間遇到比較粗大的玉米根莖，可能堵塞，甚至停機(jī)。對(duì)此要求提高對(duì)行精度，避茬導(dǎo)航智能化技術(shù)的研究應(yīng)用尤為必要。在小麥免耕對(duì)行播種中，識(shí)別根茬行提取導(dǎo)航路徑非常關(guān)鍵，通過控制農(nóng)機(jī)具，有效避開玉米根茬，以防對(duì)小麥播種產(chǎn)生不良影響。在行間除草領(lǐng)域，導(dǎo)航控制技術(shù)的應(yīng)用較為廣泛，在傳感器的作用下，獲得偏差信息之后發(fā)出信號(hào)，由執(zhí)行部件進(jìn)行橫向移動(dòng)。導(dǎo)航技術(shù)在對(duì)行播種作用中的應(yīng)用既能夠減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，還可以提升對(duì)行精度。在免耕播種下，常見的根茬識(shí)別導(dǎo)向技術(shù)包括機(jī)器視覺技術(shù)、機(jī)械觸覺技術(shù)，其中機(jī)械觸覺技術(shù)結(jié)構(gòu)比較簡單，安裝方便，但是在信號(hào)探測中呈現(xiàn)不連續(xù)狀態(tài)，比較容易被田間障礙物影響；對(duì)于機(jī)器視覺技術(shù)，其圖像信息比較完整，并且靈活性較強(qiáng)，可以對(duì)導(dǎo)航路線進(jìn)行實(shí)時(shí)規(guī)劃，不過該技術(shù)易受光照影響，數(shù)據(jù)處理中算法耗時(shí)長，對(duì)處理器要求較高[2]。農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航控制包括橫向位置偏差、航向偏差，控制器將偏差信號(hào)發(fā)送至控制機(jī)構(gòu)，有效控制并減少偏差，從而確保滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求。常用的控制方法包括PID控制、模糊控制兩種，PID控制法在線性系統(tǒng)中的應(yīng)用具有較好的控制效果，但農(nóng)機(jī)具具有非線性特點(diǎn)。模糊控制雖然適用于非線性系統(tǒng)，但比較依賴專家經(jīng)驗(yàn)，為了提升控制精度，需加深對(duì)控制方法的研究。2.3

播量監(jiān)測控制技術(shù)在免耕播種作業(yè)中，駕駛員很難完整地看清播種的情況，在播種期間可能會(huì)出現(xiàn)種肥箱排空、開溝器堵塞等故障，所以在作業(yè)期間運(yùn)用播量監(jiān)測控制這一智能化關(guān)鍵技術(shù)尤為重要，可以加強(qiáng)對(duì)農(nóng)作物播量的監(jiān)測。常見的播量監(jiān)測技術(shù)如下。2.3.1光電技術(shù)在光電檢測技術(shù)中，紅外傳感技術(shù)的應(yīng)用較為常見，并且其成本較低，便于維護(hù)。免耕播種機(jī)對(duì)光具有較強(qiáng)的削弱作用，通過引用免耕播種機(jī)排種監(jiān)測器，能夠同時(shí)監(jiān)測十行排種通道的排種情況，一旦發(fā)現(xiàn)堵塞、漏播等情況，則會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警。對(duì)于種箱排空漏播問題，在種箱的相對(duì)側(cè)壁上，固定對(duì)射式紅外光電傳感器的發(fā)射端、接收端，在三組對(duì)射式紅外光電傳感器的應(yīng)用下，有效對(duì)種箱排空情況進(jìn)行檢測。2.3.2圖像技術(shù)圖像檢測技術(shù)在播量監(jiān)測控制中的應(yīng)用具有較高的自動(dòng)化程度和精度，對(duì)于無法調(diào)整株距這一問題，通過采用多級(jí)鏈輪調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在多路傳感器的使用下，有效進(jìn)行圖像采集、處理，并發(fā)出智能化控制指令，反饋信息，從而獲得最佳的株距控制[3]。2.3.3電容技術(shù)電容檢測技術(shù)在播量監(jiān)測控制中的應(yīng)用主要是兩個(gè)相對(duì)放置的電容極板構(gòu)成電容傳感器，依據(jù)電容量物理表達(dá)公式，兩個(gè)極板之間介質(zhì)的介電常數(shù)改變時(shí)，則會(huì)改變電容量，種子在兩個(gè)電容極板之間通過時(shí)，因其與空氣的介電常數(shù)存在較大不同，從而改變介電常數(shù)，電容量產(chǎn)生變化，通過對(duì)電容量變化進(jìn)行檢測，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)播量的監(jiān)測。2.4

播深監(jiān)測控制技術(shù)免耕播種的地表?xiàng)l件較差，且土壤堅(jiān)實(shí)度存在一定差異，導(dǎo)致實(shí)際播深無法一致。播種深度對(duì)出苗率、長勢有較大的影響。因此加強(qiáng)播深監(jiān)測和控制尤為重要，這也是免耕播種中非常重要的一項(xiàng)智能化技術(shù)。播深控制技術(shù)分為主動(dòng)調(diào)節(jié)、被動(dòng)調(diào)節(jié)兩種方式，主動(dòng)調(diào)節(jié)是結(jié)合使用壓電、超聲波傳感器在液壓驅(qū)動(dòng)下，有效調(diào)節(jié)深度；被動(dòng)調(diào)節(jié)是使用調(diào)節(jié)彈簧、平行四連桿機(jī)構(gòu)，調(diào)節(jié)開溝器豎向相對(duì)高度，以控制開溝深度。在實(shí)際應(yīng)用中，利用開溝深度自動(dòng)控制系統(tǒng)，在超聲波傳感器的作用下，有效檢測開溝深度，若實(shí)際和預(yù)期的開溝深度有較大的差異，且已經(jīng)超出閾值，控制器便會(huì)發(fā)出信號(hào)，在液壓缸動(dòng)作下，自動(dòng)調(diào)節(jié)開溝深度。開溝深度控制系統(tǒng)的應(yīng)用是進(jìn)行閉環(huán)控制，對(duì)開溝的深度精準(zhǔn)把控，在補(bǔ)償延遲時(shí)間方法的使用下，對(duì)開溝深度進(jìn)行同步仿形。2.5

鎮(zhèn)壓技術(shù)鎮(zhèn)壓技術(shù)的應(yīng)用能夠降低表層土壤孔隙度，減少水分蒸發(fā)，為農(nóng)作物生長創(chuàng)造出適宜的環(huán)境。免耕播種機(jī)鎮(zhèn)壓裝置包括地輪和鎮(zhèn)壓輪集成，地輪為排種器的動(dòng)力、鎮(zhèn)壓裝置，不過該結(jié)構(gòu)無法對(duì)鎮(zhèn)壓力進(jìn)行調(diào)整。還有一種是單獨(dú)鎮(zhèn)壓輪，其具有壓力調(diào)節(jié)的功能，滿足不同環(huán)境下的土壤壓實(shí)需求，對(duì)出苗率有保證。3免耕播種智能化關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展

伴隨著國家對(duì)于農(nóng)業(yè)重視程度的不斷提升，保護(hù)性耕作技術(shù)在中國可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展上做出巨大貢獻(xiàn)。依據(jù)當(dāng)前免耕播種技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀以及智能化技術(shù)在免耕播種中的應(yīng)用，未來免耕播種智能裝備應(yīng)重點(diǎn)在不同導(dǎo)航技術(shù)融合上進(jìn)行研究，以提升免耕播種的定位、控制精度，針對(duì)免