保護(hù)性耕作機(jī)具作業(yè)控制技術(shù)是指在監(jiān)測(cè)機(jī)具作業(yè)參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過電子信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)和液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù)等對(duì)機(jī)具的關(guān)鍵部件實(shí)現(xiàn)一定的主動(dòng)控制，以滿足作業(yè)要求(如播種深度一致性、深松深度一致性等)，提高機(jī)具的作業(yè)質(zhì)量(如減小漏播率)。免少耕播種機(jī)漏播補(bǔ)償控制技術(shù)及機(jī)具作業(yè)深度控制技術(shù)是近年來在保護(hù)性耕作機(jī)具作業(yè)控制技術(shù)方向的研究熱點(diǎn)。

　　一、免少耕播種機(jī)漏播補(bǔ)償控制技術(shù)

減少播種機(jī)漏播率的傳統(tǒng)方法是在作物出苗后進(jìn)行人工補(bǔ)種，這種方式不僅會(huì)增大農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度，也會(huì)增加種植成本。而播種參數(shù)監(jiān)測(cè)技術(shù)雖然能在一定程度上減少漏播率，但仍需駕駛員收到報(bào)警信號(hào)后下車進(jìn)行調(diào)整，效率低。因此，免少耕播種機(jī)漏播補(bǔ)償控制技術(shù)的研究對(duì)減少漏播率，提高播種質(zhì)量，減少農(nóng)民勞動(dòng)強(qiáng)度和種植成本具有重要意義。

近年來，研究人員對(duì)漏播補(bǔ)償控制技術(shù)進(jìn)行了一定的研究。其中，加裝補(bǔ)種裝置是實(shí)現(xiàn)漏播補(bǔ)償?shù)挠行緩街?，如丁幼春等針?duì)油菜籽等小粒徑種子漏播補(bǔ)種問題，研發(fā)了一套螺管式補(bǔ)種系統(tǒng)，漏播補(bǔ)種率達(dá)到100%;吳南等針對(duì)玉米免耕播種時(shí)存在漏播問題，采用加裝補(bǔ)播器和補(bǔ)種導(dǎo)種管設(shè)計(jì)了一種漏播補(bǔ)償系統(tǒng)，補(bǔ)種成功率達(dá)96.5%。除加裝補(bǔ)種裝置外，朱瑞祥等根據(jù)超越離合器的單向鎖合原理設(shè)計(jì)了一種漏播補(bǔ)償系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生漏播時(shí)，啟動(dòng)超越離合器，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)排種器使其加速旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)種，平均成功補(bǔ)種率為92.98%。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外雖對(duì)漏播補(bǔ)償控制技術(shù)有一定研究，但還存在以下問題：①大多補(bǔ)種裝置都是加裝在正常播種裝置外，兩套排種裝置之間相互獨(dú)立，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜;②由于正常排種與補(bǔ)種排種時(shí)的種子運(yùn)動(dòng)路徑不同，補(bǔ)種位置存在一定的滯后性，導(dǎo)致補(bǔ)種位置準(zhǔn)確性較差。

　　二、保護(hù)性耕作機(jī)具作業(yè)深度控制技術(shù)

作業(yè)深度控制技術(shù)是保障保護(hù)性耕作機(jī)具作業(yè)深度一致性的必要手段，主要涉及免少耕播種深度、深松深度及表土耕作深度等。其基本原理是利用傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)具的作業(yè)深度，將當(dāng)前作業(yè)深度與預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)深度進(jìn)行對(duì)比，若超過或未達(dá)到預(yù)先設(shè)定的閾值，則啟動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控，具體是通過調(diào)節(jié)液壓缸的伸縮或氣壓裝置的壓力來實(shí)現(xiàn)作業(yè)深度控制。

　　1、免少耕播種機(jī)播種深度控制技術(shù)

適宜的播種深度可以為種子提供較為充足的水分和養(yǎng)分條件，有利于縮短種子出苗時(shí)間，提高種子出苗率，同時(shí)可以減小機(jī)具作業(yè)阻力，減小能耗。國(guó)內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過大量研究發(fā)現(xiàn)播種深度在3~4 cm且一直是最有利于出苗。Karayel和Zmerzi研究發(fā)現(xiàn)，即使在實(shí)驗(yàn)室條件下，播種深度都不一致，而在免少耕播種作業(yè)時(shí)，作業(yè)環(huán)境更加惡劣，如土壤未翻耕，地表有秸稈覆蓋等更容易造成開溝器振動(dòng)，導(dǎo)致播種深度不一致。傳統(tǒng)的免少耕播種機(jī)多通過安裝仿形機(jī)構(gòu)并加裝機(jī)械彈簧保持播深一致，但這種方式都是作業(yè)之前將仿形機(jī)構(gòu)、彈簧預(yù)緊力等調(diào)整好，無法根據(jù)作業(yè)環(huán)境的變化在作業(yè)過程中進(jìn)行播種深度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。因此，能夠在播種作業(yè)時(shí)對(duì)播種深度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的技術(shù)與裝備得到國(guó)內(nèi)外研究人員的關(guān)注與研究。

目前，國(guó)外知名農(nóng)機(jī)公司大多都在其播種機(jī)上安裝播深控制系統(tǒng)，工作原理如圖1所示，采用液壓或氣壓裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)播種機(jī)上的機(jī)械彈簧，通過壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)限深輪下壓力，并與預(yù)先設(shè)置的壓力值進(jìn)行比較，自動(dòng)調(diào)節(jié)播種下壓力，保證播種深度一致。如Ag Leader公司的SureForce?下壓力控制系統(tǒng)，Maschino的Maximetro系列播種機(jī)，Horsch的Maestro SW系列播種機(jī)，John Deere公司的exactEmerge播種單體，Precision Planting公司的Deltaforce和AirForce下壓力控制系統(tǒng)及Kinze公司的TrueDepth?播深控制系統(tǒng)。

此外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)播種深度的精確控制開展了一系列研究。根據(jù)調(diào)節(jié)裝置的不同將其分為兩大類，即液壓調(diào)節(jié)和氣壓調(diào)節(jié)。其中，液壓調(diào)節(jié)因具有響應(yīng)速度快、產(chǎn)生推力大、便于安裝等優(yōu)點(diǎn)在保護(hù)性耕作機(jī)具作業(yè)深度智能化調(diào)控上應(yīng)用更為廣泛。除通過安裝液壓或氣壓裝置實(shí)現(xiàn)播深調(diào)節(jié)外，李玉環(huán)等設(shè)計(jì)了一種覆土-鎮(zhèn)壓聯(lián)動(dòng)監(jiān)控裝置，采用電推桿實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)覆土量實(shí)現(xiàn)播深一致性控制。由于播深調(diào)節(jié)裝置類型比較明確，因此播深控制系統(tǒng)的研研究重點(diǎn)主要在波深檢測(cè)上。為實(shí)現(xiàn)波深準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的檢測(cè)，學(xué)者們研發(fā)了多種波深檢測(cè)法，均取得較好的檢測(cè)效果，根據(jù)采用傳感器的工作原理不同將其分為剖面?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)法、超聲波傳感器檢測(cè)法、角度傳感器檢測(cè)法、壓力傳感器檢測(cè)法、以及位移傳感器檢測(cè)法等。

　　2、松及表土耕作機(jī)具耕作深度控制技術(shù)

保護(hù)性耕作機(jī)具的耕深一致性是評(píng)價(jià)其作業(yè)質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。美國(guó)John Deere公司經(jīng)過多年試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，耕作深度一致性對(duì)土壤保水保墑、構(gòu)造良好的種床具有重要影響。目前，耕作深度控制主要利用角度或超聲波傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)耕深，同時(shí)在深松鏟、圓盤耙和鎮(zhèn)壓輪等觸土部件上安裝液壓系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)液壓缸的伸縮實(shí)現(xiàn)耕作深度的一致性控制。

John Deere公司的TruSet耕整地裝備耕深控制系統(tǒng)(圖2)利用安裝在地輪與機(jī)架上的耕深檢測(cè)傳感器獲取機(jī)具的耕作深度，并將其與預(yù)先設(shè)定的耕作深度值進(jìn)行對(duì)比，然后通過配套的液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)圓盤耙、深松鏟和鎮(zhèn)壓輥等耕作部件的耕深控制，作業(yè)情況會(huì)實(shí)時(shí)顯示在人機(jī)界面，用戶還可根據(jù)自己需要進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)，該系統(tǒng)控制更深精度不超過2.5 mm。

Case公司研發(fā)的整地機(jī)械耕深智能控制系統(tǒng)(Advanced Farming Systems，AFS)(圖3)，能夠根據(jù)土壤條件(含水率、緊實(shí)度、秸稈覆蓋率等)，實(shí)現(xiàn)機(jī)具耕作深度的精準(zhǔn)控制。作業(yè)前，將根據(jù)土壤條件預(yù)先設(shè)定好的耕深信息處方圖導(dǎo)入系統(tǒng)，拖拉機(jī)上配備基于GNSS的導(dǎo)航系統(tǒng)，當(dāng)機(jī)具走到處方圖相應(yīng)位置，液壓系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)處方圖中更深信息自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)具關(guān)鍵部件使其達(dá)到預(yù)設(shè)更深，同時(shí)液壓缸內(nèi)的行程檢測(cè)傳感器能夠?qū)崟r(shí)反饋液壓缸活塞的長(zhǎng)度變化，保證精準(zhǔn)控制。

近年來，國(guó)內(nèi)學(xué)者的研究多集中在懸掛式耕作機(jī)具的耕深控制。如王云霞設(shè)計(jì)了一種深松機(jī)耕深控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)深松鏟作業(yè)深度的獨(dú)立控制，當(dāng)耕深設(shè)定為25和30 cm時(shí)，耕深控制誤差分別為3.2%和1.9%。吳依行設(shè)計(jì)了一種基于超聲波傳感器與液壓傳動(dòng)的深松機(jī)耕深控制系統(tǒng)，當(dāng)深松深度在35~40 cm時(shí)，控制精度不超過3.3 cm，深松深度的穩(wěn)定性系數(shù)為92.54%。

綜上，無論是播種深度還是耕作深度的實(shí)時(shí)控制，其最終目標(biāo)都是實(shí)現(xiàn)作業(yè)深度的一致性。二者的控制原理基本相同，即利用傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)開溝器、深松鏟、圓盤耙、鎮(zhèn)壓輥等觸土部件的作業(yè)深度，并與預(yù)設(shè)作業(yè)深度進(jìn)行對(duì)比，通過液壓系統(tǒng)或氣壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)作用在觸土部件上的壓力實(shí)現(xiàn)作業(yè)深度的控制。