侯云濤

（黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150081）

0 引言

排種器是農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備中重要的種植工具之一，對作物的生長和產(chǎn)量具有重要的影響。排種器性能檢測是確保作物能夠在適宜的條件下生長和獲得最大產(chǎn)量的重要步驟[1]。如果排種器的性能存在問題，可能會導(dǎo)致種子播種不均勻或深度不合適，從而影響種子的萌發(fā)和生長，進(jìn)而影響作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。因此，對排種器的性能進(jìn)行檢測非常重要[2-3]。

1 排種器性能檢測主要內(nèi)容

主要的檢測指標(biāo)和內(nèi)容包括播種合格率、播種重播率、播種漏播率、播種均勻度、種子破損率和播種深度等。其中，播種合格率、播種重播率和播種漏播率是最重要的指標(biāo)[4-5]。

播種合格指標(biāo)：評估排種器在播種時能否將種子種植在目標(biāo)位置的能力，通常表現(xiàn)為株距上等距排種。如果排種器在播種時無法實現(xiàn)等距排種，則可能導(dǎo)致作物的生長不均勻或者導(dǎo)致作物之間的競爭，進(jìn)而影響農(nóng)作物的產(chǎn)量。

播種重播指標(biāo)：檢測排種器作業(yè)時是否下種量過多，一般表現(xiàn)為雙粒或多粒排種。會導(dǎo)致作物之間的競爭，進(jìn)而影響農(nóng)作物的生長和產(chǎn)量。

漏播指標(biāo)：檢測排種器作業(yè)時是否下種數(shù)量不夠，一般表現(xiàn)為非連續(xù)排種。會導(dǎo)致農(nóng)作物的生長不良或?qū)е伦魑锂a(chǎn)量的減少。

通過對這些指標(biāo)的檢測，可以評估排種器的播種質(zhì)量和穩(wěn)定性，及時發(fā)現(xiàn)和糾正排種器性能問題，以便及時進(jìn)行維護(hù)和修理，保證排種器的正常運行和作業(yè)效果，從而保證作物的生長和產(chǎn)量。常見的排種器性能檢測方法在GB/T 18686-2002《農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程技術(shù)規(guī)范》和GB/T 30549-2014《播種機(jī)械 電驅(qū)高速排種機(jī) 安全要求》中都有相關(guān)的說明，本文不再贅述。

2 排種器性能檢測技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 基于帆布帶法的性能檢測技術(shù)

人工帆布帶測試是排種器早期的一種實驗室性能檢測技術(shù)，其原理是在一塊長約2 m、寬約0.5 m的帆布帶上均勻地涂抹黃油，然后將排種器在帆布帶上行駛一段距離，觀察帆布帶上種子的分布情況，從而評估排種器的均勻性能和排種精度。涂黃油的作用是使種子附著在帆布帶上，便于觀察和計數(shù)[6-7]。

在美國，該方法早在20 世紀(jì)40 年代便得到應(yīng)用。其相關(guān)研究最早由美國的農(nóng)業(yè)工程師A.B.Stuart進(jìn)行，主要研究小麥、玉米等農(nóng)作物的播種性能。后來，美國農(nóng)業(yè)部陸續(xù)開展了一系列相關(guān)研究，探討不同排種器的播種性能及其影響因素。1954 年，日本的農(nóng)業(yè)機(jī)械化試驗場將人工帆布帶測試納入了農(nóng)業(yè)機(jī)械測試的標(biāo)準(zhǔn)化項目之一，并制定了相關(guān)測試方法和標(biāo)準(zhǔn)。在20 世紀(jì)60 年代，我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化試驗單位開始將其納入到排種器的性能檢測中。這種方法可以快速地評估排種器的播種效果，一定程度上能反映播種時種子的著落情況，但需要人工操作和計數(shù)，容易產(chǎn)生誤差，且試驗過程中種子會受到污染,無法回收利用。

SD-175 型排種器試驗臺在1970 年代初期開始研制，是國內(nèi)較早研發(fā)的一款移動式排種器性能測試設(shè)備，應(yīng)用了沙盤固種技術(shù)，是黃油固定種子的一種變體。在使用中，將細(xì)沙鋪設(shè)在排種器的排種帶上，使其平整并緊實，將待檢測的排種器放在上面進(jìn)行播種操作，播種后再用刻度尺等工具進(jìn)行密度和行距的測量，觀察種子的均勻程度。如果種子排列整齊、均勻，說明排種器的排種性能較好。

沙盤固種技術(shù)具有環(huán)境清潔、種子可回收利用等優(yōu)點，但是種子彈跳移位和人為誤差仍然存在,檢測精度不高。

2.2 基于高速攝影的性能檢測技術(shù)

高速攝影法可以以高幀率記錄播種器的操作，捕捉播種過程中的細(xì)節(jié)，如種子的翻滾、彈跳和旋轉(zhuǎn)等，有利于分析播種過程中的各種問題。這對于檢測可能出現(xiàn)的問題、對比不同的設(shè)計和調(diào)整播種器性能非常有用[8]。John Deere 公司就使用了高速攝影法進(jìn)行排種器性能檢測，以評估播種器的速度、精度和一致性，以及了解不同種子類型和種子大小對播種器性能的影響。高速攝影法具有檢測速度快、精度高等優(yōu)點，但因存在著設(shè)備要求高、成本較大等缺點，并未得到大規(guī)模應(yīng)用。

2.3 基于壓電效應(yīng)法的性能檢測技術(shù)

基于壓電效應(yīng)法的排種器實驗室檢測技術(shù)利用了壓電效應(yīng)的特性。具體方法如下[9]：首先，在排種槽內(nèi)放置一個薄片壓電傳感器，并將傳感器與數(shù)據(jù)采集儀器相連。然后，記錄傳感器接收到的在排種器工作過程中種子落入到排種槽中的壓電信號。通過對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得出排種器排種的精度和穩(wěn)定性。此外，該方法還可以檢測排種器在不同工作條件下的排種精度，為排種器的性能優(yōu)化提供參考。

美國農(nóng)業(yè)部（USDA）研究人員使用壓電傳感器檢測精密種植機(jī)的種子排放，通過采集傳感器數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行分析，評估種植機(jī)的性能和精度。德國的耐克爾公司研發(fā)了一款基于壓電效應(yīng)的種子計數(shù)傳感器，用于實驗室中對精密種植機(jī)進(jìn)行檢測和校準(zhǔn)，該傳感器可以檢測種子數(shù)量和速度等關(guān)鍵參數(shù)。日本國立農(nóng)業(yè)研究中心（NARO）研究人員使用壓電傳感器檢測精密種植機(jī)的種子排放情況，通過分析傳感器數(shù)據(jù)，研究種子排放量和排放均勻性，提高種子的精度和均勻性。

2018 年，中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究院開展“基于壓電效應(yīng)的玉米高速排種器性能檢測技術(shù)研究”項目，該項目利用壓電傳感器實時采集發(fā)種壓力數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)處理、分析和比對，得出排種器的性能指標(biāo)，包括株距和排種量等。該技術(shù)可以高效地實現(xiàn)排種器性能的實驗室檢測，并為優(yōu)化排種器結(jié)構(gòu)和提高排種效率提供技術(shù)支持。

相比傳統(tǒng)的實驗室檢測方法，基于壓電效應(yīng)法具有非常高的靈敏度和準(zhǔn)確性，實時性好，而且不會對排種器的工作產(chǎn)生干擾；缺點是信號處理難度較大，設(shè)備成本較高。

2.4 基于光電效應(yīng)法的性能檢測技術(shù)

基于光電效應(yīng)法的排種器性能檢測技術(shù)利用光電二極管（Photodiode）或光電倍增管（Photomultiplier）檢測種子經(jīng)過時產(chǎn)生的光信號變化，從而確定種子數(shù)量和排種速度。這種技術(shù)在精度、速度和自動化方面都有很大優(yōu)勢，因此被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代排種器的檢測中[10-11]。

美國的Seedburo 公司生產(chǎn)的D-212 型光電種子計數(shù)器，是一種基于光電效應(yīng)原理的排種器實驗室檢測儀器。它采用高速計數(shù)器和精密光電傳感器，能夠?qū)Ω鞣N形狀的種子進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的計數(shù)，具有高效、精準(zhǔn)的特點。瑞士的一家公司開發(fā)了一種名為“GreenVision”的排種器測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用高速攝影和激光測距技術(shù)，能夠測量種子的投放速度、間距和分布均勻性等參數(shù)。日本筑波大學(xué)研究團(tuán)隊提出了一種基于光電效應(yīng)的排種器檢測方法，該方法使用紅外線LED 和光電二極管來實現(xiàn)對種子排量和排種速度的測量。我國農(nóng)業(yè)科研機(jī)構(gòu)和種子企業(yè)也開發(fā)了一些基于光電效應(yīng)原理的排種器檢測技術(shù)，包括種子計數(shù)器、種子品質(zhì)檢測儀等。

這些基于光電效應(yīng)原理的排種器實驗室檢測技術(shù)具有計數(shù)速度快、精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點，能夠大大提高種子檢測的效率和精度，但在對形狀較小的種子進(jìn)行檢測時存在一定的局限性。其檢測設(shè)備和操作復(fù)雜度較高，需要高水平的技術(shù)和設(shè)備支持。同時，不同光源的照射條件對測量結(jié)果也會產(chǎn)生一定的影響。

2.5 基于嵌入式的性能檢測技術(shù)

嵌入式技術(shù)可以對排種器的各項參數(shù)進(jìn)行實時采集和分析，可以通過嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對播種量、出口速度、播種深度等參數(shù)進(jìn)行實時采集和分析，從而實現(xiàn)對排種器性能的全面評估和優(yōu)化[12-13]。此外，嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還可以實現(xiàn)對排種器的智能控制，提高排種效率和管理水平。因此，嵌入式技術(shù)在排種器性能檢測中的應(yīng)用越來越廣泛，它可以幫助實現(xiàn)自動化和精準(zhǔn)化的檢測。

美國加州大學(xué)戴維斯分校的科研團(tuán)隊使用了基于嵌入式技術(shù)的系統(tǒng)對水稻精密排種機(jī)進(jìn)行性能測試。該系統(tǒng)利用嵌入式芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、控制和處理，能夠?qū)崟r監(jiān)測排種器的工作狀態(tài)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。Agtron 公司推出了基于嵌入式技術(shù)的智能排種器檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于對各種類型的排種器進(jìn)行性能測試和優(yōu)化。

歐洲的一些科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)也開始采用嵌入式技術(shù)對排種器進(jìn)行性能測試。例如，德國ECP GmbH公司開發(fā)了一款基于嵌入式技術(shù)的高精度排種器測試儀，該測試儀可以進(jìn)行多種參數(shù)的測試和數(shù)據(jù)采集，荷蘭的Wageningen University &Research 使用嵌入式系統(tǒng)對自動化精密排種設(shè)備進(jìn)行性能測試，并研究其適用性。

日本的科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)也在積極探索嵌入式技術(shù)在排種器性能檢測中的應(yīng)用。例如，日本Keyence公司生產(chǎn)的光電式排種器檢測系統(tǒng)采用了嵌入式技術(shù)，可以進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集和實時控制。日本電裝公司開發(fā)了一種基于嵌入式技術(shù)的排種器性能檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用了嵌入式計算機(jī)和傳感器，能夠?qū)崟r監(jiān)測排種器電子元器件的工作狀態(tài)，提高了排種器的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

在我國，嵌入式技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。例如，江蘇普羅米特農(nóng)業(yè)裝備有限公司推出的自動化水稻精密排種機(jī)，采用了嵌入式芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，并通過電子控制系統(tǒng)實現(xiàn)了種子的自動計量和定位。嵌入式技術(shù)在排種器性能檢測中的應(yīng)用具有以下優(yōu)點：可以實現(xiàn)自動化和精準(zhǔn)化的檢測，減少了人工干預(yù)的誤差；采集數(shù)據(jù)的速度快，能夠?qū)崟r監(jiān)測排種器的工作狀態(tài)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，提高了檢測的效率和準(zhǔn)確性；可以集成多種傳感器，能夠同時監(jiān)測多個參數(shù)，提高了排種器性能測試的全面性和準(zhǔn)確性。但是，嵌入式技術(shù)在排種器性能檢測中也存在一些缺點，例如需要專業(yè)人員進(jìn)行維護(hù)和升級，成本較高等。

2.6 基于計算機(jī)視覺的性能檢測技術(shù)

計算機(jī)視覺技術(shù)在排種器實驗室檢測技術(shù)中的應(yīng)用主要是通過使用計算機(jī)和攝像機(jī)等設(shè)備，利用圖像處理和模式識別技術(shù)對排種器的工作狀態(tài)和性能進(jìn)行評估和監(jiān)控[14-15]。計算機(jī)視覺技術(shù)在排種器實驗室檢測技術(shù)中的應(yīng)用越來越廣泛，具體包括：①圖像處理與分析：通過采集種子排放的圖像，利用計算機(jī)視覺算法對圖像進(jìn)行處理和分析，得到種子的數(shù)量、大小、密度等信息，從而評估排種器的性能。②三維重建技術(shù)：通過將多個角度的圖像進(jìn)行融合，采用三維重建技術(shù)對種子分布進(jìn)行建模，從而實現(xiàn)更加精準(zhǔn)的性能評估。

美國德州農(nóng)工大學(xué)開發(fā)了一種基于計算機(jī)視覺技術(shù)的高速種子計數(shù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用高分辨率攝像機(jī)拍攝種子圖像，然后通過圖像處理和分析算法實現(xiàn)了快速高效的種子計數(shù)。Purdue 大學(xué)研究團(tuán)隊使用計算機(jī)視覺技術(shù)，開發(fā)了一種基于高速相機(jī)和圖像處理技術(shù)的排種器性能評估系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對種子數(shù)量、排放位置、速度等信息的實時監(jiān)測和分析。

歐洲農(nóng)業(yè)技術(shù)研究中心（CRA）利用計算機(jī)視覺技術(shù)開發(fā)了一種基于數(shù)字圖像處理的玉米排種機(jī)檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠通過高分辨率攝像頭獲取玉米種子的圖像，利用圖像處理算法實現(xiàn)種子的檢測、計數(shù)和分類等功能。歐盟資助的SmartAgriHubs 項目，涉及多個歐洲國家的合作伙伴，其中包括利用計算機(jī)視覺技術(shù)對精度種植設(shè)備進(jìn)行實時檢測和優(yōu)化的研究。利用高分辨率圖像和深度學(xué)習(xí)算法對種子落地狀態(tài)進(jìn)行識別和分析，實現(xiàn)精度種植過程的實時監(jiān)測和自動化控制。

日本東京農(nóng)工大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種基于計算機(jī)視覺技術(shù)的水稻排種機(jī)檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠通過高分辨率攝像頭獲取水稻種子的圖像，利用圖像處理算法檢測種子的形狀和大小，并自動調(diào)整排種機(jī)的參數(shù)，以保證種子的排列和深度。愛媛大學(xué)研究團(tuán)隊使用計算機(jī)視覺技術(shù)，開發(fā)了一種基于三維重建的排種器性能評估系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對種子分布的精確建模，從而提高性能評估的準(zhǔn)確性。

在我國，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的研究人員利用計算機(jī)視覺技術(shù)開發(fā)了一種高精度的水稻秈稻和粳稻區(qū)分系統(tǒng)，通過對高清圖像進(jìn)行處理和分析，自動識別水稻秈稻和粳稻的種子形態(tài)特征，并進(jìn)行分類和記錄，提高了種子鑒別的準(zhǔn)確性和效率。

計算機(jī)視覺技術(shù)在排種器性能檢測中的應(yīng)用具有以下優(yōu)點：①高效：計算機(jī)視覺技術(shù)可以高效地處理大量數(shù)據(jù)，比人工檢測更加快速，減少了時間和成本；②精確：計算機(jī)視覺技術(shù)可以減少人為誤差的出現(xiàn)，提高檢測的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。缺點：①易受環(huán)境影響，如光照、攝像頭視角等因素會對檢測結(jié)果產(chǎn)生影響；②計算機(jī)視覺技術(shù)的設(shè)備和軟件成本較高。

3 排種器檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢和研究方向

3.1 抗干擾能力強的傳感器

傳感器是排種器性能檢測的核心部件之一，受到外部環(huán)境因素的影響比較大，研發(fā)抗干擾能力強的傳感器是未來的一個重要方向。這些傳感器可以在復(fù)雜的環(huán)境中穩(wěn)定工作，從而將排種器測試技術(shù)引入到田間，進(jìn)行實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，更準(zhǔn)確地了解排種器在不同作物、不同土壤、不同氣候條件下的性能，實現(xiàn)更加真實的排種器性能檢測，貼近實際使用場景。

3.2 多元化測試

傳統(tǒng)的排種器性能檢測技術(shù)主要是針對單一的參數(shù)進(jìn)行測試，未來的發(fā)展方向是多元化測試，即同一設(shè)備在一次實驗過程可以同時測試多個參數(shù)，減少隨機(jī)因素的影響，通過綜合評估，對排種器的性能進(jìn)行全方位的檢測，提高測試效率和準(zhǔn)確性。

3.3 虛擬仿真

通過建立排種器的虛擬模型，可以在計算機(jī)上進(jìn)行仿真實驗，在實際測試前預(yù)測和分析排種器的性能，通過對模型參數(shù)的調(diào)整進(jìn)行排種器的優(yōu)化，以實現(xiàn)更高的性能和更佳的穩(wěn)定性，從而降低實際測試的成本和風(fēng)險。同時，虛擬仿真技術(shù)也可以輔助實驗數(shù)據(jù)分析，可以在較短時間內(nèi)獲取更多的數(shù)據(jù)，提供更加全面和精確的數(shù)據(jù)支持，幫助檢測人員識別和分析排種器的問題，提高檢測的效率、準(zhǔn)確性和復(fù)現(xiàn)性，實驗結(jié)果也可以用于驗證和修正模型。