小型种绳播种机及其多输入多输出动态响应特性研究

《Agriculture》：Prediction of Multiple Environmental Factors in Laying Hen Houses Using AKF-Attention-CNN-LSTM

　　

为解决常规大型播种机在小地块和受限农业环境中适应性有限、人工播种效率低以及小粒径种子精量播种困难等问题，研制了一种集开沟、种绳铺设、覆土和镇压于一体的新型小型种绳播种机。该播种机旨在满足小地块和受限环境的作业要求，并对其动态响应特性进行了研究。通过理论建模和播种性能试验，表征了原始地表粗糙度、播种机振动以及操作者施加的推力对开沟深度和覆土厚度的影响。采用时域和频域分析表征播种系统的动态行为，并利用预测误差法（Prediction Error Method, PEM）辨识了一个三输入二输出的多输入多输出（Multi-Input Multi-Output, MIMO）传递函数模型。结果表明，播种系统主要受低频扰动影响，且输入与输出变量之间表现出耦合动态响应。在推行工况下，所辨识模型对开沟深度和覆土厚度的拟合优度分别为83.97%和84.06%；在拉行工况下，拟合优度分别为82.09%和82.30%。田间试验用于评估播种机的实际覆土性能。在随机选取的50个采样点处测得的覆土厚度介于18.11~27.84 mm之间，平均值为23.09 mm，标准差为2.35 mm，变异系数为10.22%。上述结果表明，所研制的种绳播种机在实际田间条件下能够保持相对均匀的覆土效果，为种绳播种机械的设计提供了理论依据。

**小型种绳播种机动态响应特性的多输入多输出系统辨识与田间验证**

**1. 研究背景与问题的提出**

随着现代农业朝着精准化、专业化和多样化方向发展，丘陵山区、小地块农田、家庭农场及设施园艺等小规模复杂种植模式日益增多。这类作业环境普遍存在田块面积小、地形复杂、农机通达性差等特点，导致常规大型播种机难以高效作业，而人工播种则劳动强度大、效率低且播种质量不稳定。在此背景下，研发适应复杂小地块环境的小型精量播种装备，对于提升播种质量和作业效率具有重要意义。

精量播种是作物高质量建群的关键基础。现有机械式、气力式和电动式精量播种机在播种种位精度和作业效率方面取得了显著进展，但大多数设备采用松散种子实时投种的方式，播种质量容易受种子外形、排种器性能、机械振动和土壤表面状况等因素影响。在复杂地形条件下，易出现漏播、重播、错位和播深波动等问题。尤其对于蔬菜、花卉、中草药等小粒径种子，其体积小、重量轻、流动性差，精量投种难度更大，对播种装备的稳定性和一致性提出了更高要求。

种绳技术为小粒径种子的精量播种提供了新途径。该技术将种子按预定株距固定于可降解绳带材料上，播种时无需实时排种，从而可保证株距准确性，并大幅简化播种过程——只需完成放绳、覆土和镇压作业。与传统播种方式相比，种绳播种具有播前准备简单、株距一致性好、漏播率低、作业效率高等优势，尤其适用于蔬菜、花卉和中草药等小粒径种子。由于播种种机构被简化，该技术更适合开发轻量化、小型化的播种装备，在复杂地形和小地块作业中具有良好应用前景。然而，种绳播种技术的大规模推广仍存在限制。现有研究主要集中在种绳制备、种子发芽和播种农艺等方面，对专用播种装备的研发关注相对不足，缺乏适合复杂地形的小型专用播种机。此外，种绳播种的开沟、放绳、覆土和镇压等工序相互关联，播种质量受机械振动、驱动力和土壤表面状况等多因素共同影响，本质上是一个多输入多输出系统。

基于上述分析，研究人员针对小地块和受限农业环境，设计了一种集开沟、种绳铺设、覆土和镇压于一体的新型小型种绳播种机，并通过土槽试验和田间试验对其播种性能与动态响应特性开展了系统研究。

**2. 研究内容与主要结论**

研究人员将种绳播种机设计为手扶式机型，从人机工程学角度出发，同时支持推行和拉行两种操作模式，以减轻操作者长时间作业时的静力负荷。整机结构包括定位盘、手柄连杆、种绳卷盘、锁紧螺母、手柄、镇压轮、覆土装置、侧板、导绳开沟器、定位螺栓、地轮等部件。其中，导绳开沟装置采用犁铧式开沟器结构改进而来，可在开出约30 mm深度沟槽的同时将种绳引导至沟底；覆土装置采用倒"V"形覆土板构型，通过两侧覆土板将种绳沟两侧的土壤推入沟内完成覆土。研究人员还建立了播种机在推行和拉行两种工况下的整机力学平衡方程，并根据人机工程学约束确定了机架主梁倾角及关键结构尺寸参数。

为探究外部激励对种绳播种系统动态特性的影响规律，研究人员以所研制的小型种绳播种机为试验平台，在土槽中开展了动态响应试验。试验土壤质量含水率为16.2%，容重为1.50±0.05 g·cm?3。试验段长度为9 m。系统信号采集包括初始地表粗糙度、播种机振动信号、操作者施加的推拉力、开沟深度和覆土厚度等5路信号，采样频率为200 Hz。地表粗糙度基于超声波测距原理获取，振动信号使用MMA7361型电容式三轴加速度计采集，操作力通过两个FSR薄膜压力传感器测量。为准确测量操作者施加的外力，试验前使用标准砝码对FSR传感器进行了标定，传感器A和B的标定方程分别为yA = ?0.0608x + 4.9772和yB = ?0.0524x + 4.9914，决定系数R2分别为0.994和0.991。

在系统辨识方面，研究人员将种绳播种系统表示为三输入二输出的MIMO系统，以原始地表粗糙度、操作者施力、播种机振动为输入，开沟深度和覆土厚度为输出。采用预测误差法进行传递函数模型辨识，在候选模型阶次比较中，四阶动态分母在精度与复杂度之间取得了较优平衡。最终确定所有保留模型均采用nb=[5,5,5]、nf=[4,4,4]、nc=nd=1和nk=[1,1,1]的BJ模型结构，每个模型包含30个自由系数。利用前70%实测数据进行参数估计，后30%数据用于模型验证。

时域分析结果表明，推行工况下初始地表不平度的均值为21.0142 cm、标准差为0.6033 cm，拉行工况下为21.2375 cm和0.6700 cm；推行力的均值为35.3479 N、标准差为4.9916 N，拉力的均值和标准差分别为37.6842 N和5.6500 N；推行工况下振动测量电压的均值和标准差为52.4792 mV和4.2068 mV，高于拉行工况的50.8163 mV和3.7500 mV。输出信号方面，推行工况下开沟深度均值为2.2515 cm、标准差为0.2315 cm，拉行工况下为2.3286 cm和0.2513 cm；覆土厚度在推行工况下的均值和标准差为2.1358 cm和0.1213 cm，拉行工况下为2.1848 cm和0.1061 cm。结果表明，覆土厚度的标准差在两种工况下均低于开沟深度和初始地表不平度的标准差，说明种绳播种机在所测土壤条件下保持了较为稳定的覆土厚度。

频域分析通过对去均值后的时域信号进行快速傅里叶变换获得频谱曲线。在两种工况下，全部5路信号均表现出显著的低频特性，主谱峰集中在5 Hz以下，5–10 Hz频段幅值普遍较低。低于5 Hz的功率占比在推行工况下为82.09%–94.21%，在拉行工况下为81.17%–94.83%。输出信号的波动功率比输入信号更集中地分布在5 Hz以下，推行工况下开沟深度和覆土厚度的低频功率占比分别为94.21%和93.98%，拉行工况下为94.83%和94.75%。这些结果说明种绳播种系统以低频动态响应为主导。

模型验证结果表明，在推行工况下，开沟深度和覆土厚度的拟合优度分别为83.97%和84.06%；在拉行工况下，拟合优度分别为82.09%和82.30%。预测曲线与实测曲线趋势一致，表明所建立的BJ模型能够在测试土壤条件和操作力范围内较为充分地刻画播种机的输入–输出动态特性。由于辨识和验证数据来自相同土壤条件，当前验证主要评估模型在条件内的预测能力，在不同土壤和操作条件下的泛化能力仍需进一步研究。

田间试验在中国江苏省的实际播种条件下开展。试验前使用旋耕机整地，地表不平整度标准差控制在4 cm以下，平均土壤含水率为18.54%。播种机作业面积667 m2。以推行工况为例，播种后沿播种路径近似等间隔选取10行，每行随机选取5个采样点测量覆土厚度。50个采样点的覆土厚度范围为18.11~27.84 mm，平均值为23.09 mm，标准差为2.35 mm，变异系数为10.22%。上述结果表明播种机在田间条件下保持了较为均匀的覆土厚度。

**3. 主要研究方法**

本研究采用的主要技术方法包括：（1）力学建模方法：建立推行和拉行两种工况下播种机整机的静力学平衡方程，用于确定关键结构参数；（2）多源信号同步采集方法：基于超声波测距原理测量地表粗糙度和覆土厚度，基于MMA7361加速度计采集振动信号，基于FSR薄膜压力传感器测量操作力，全部信号以200 Hz采样率同步采集；（3）时域与频域分析方法：通过时域统计特征（均值、标准差、变异系数）和快速傅里叶变换功率谱分析表征系统动态特性；（4）MIMO系统辨识方法：采用预测误差法结合BJ模型结构，通过BIC准则和验证拟合优度确定模型阶次与输入延迟，建立三输入二输出传递函数矩阵模型；（5）田间试验验证方法：在江苏省实际田间条件下评估播种机覆土性能的稳定性。

**4. 研究结果与讨论**

**4.1 时域分析结果**

在两种操作工况下，三路输入信号和两路输出信号均围绕各自均值呈现不规则波动。推行工况与拉行工况在信号均值和波动幅度上存在差异：拉行工况下的地表不平度和操作力均值和变异性更高，而推行工况下的振动电压均值和标准差更大。输出信号方面，拉行工况下开沟深度均值略大且变异略高，两种工况下开沟深度的变异系数分别为10.28%和10.79%，相对变异性相近。覆土厚度的标准差在拉行工况下比推行工况低约12.52%，变异系数从5.68%降至4.86%。两种工况下覆土厚度的标准差均低于开沟深度和初始地表不平度的标准差，表明种绳播种机在测试土壤条件下具有良好的覆土均匀性。

**4.2 频域分析结果**

频域分析显示全部信号的主谱峰均位于5 Hz以下，低频功率占比超过81%。输入信号存在多个局部谱峰而非单一主导频率成分，推行工况下地表不平度、振动电压和操作力的最大谱峰频率分别为2.40、1.55和1.60 Hz，拉行工况下分别为2.05、3.05和2.30 Hz。推行工况下两路输出信号的最大谱峰均出现在1.60 Hz，与操作力主峰重合且接近振动电压主峰；拉行工况下开沟深度最大谱峰出现在3.05 Hz，与振动电压主峰一致，而覆土厚度最大谱峰出现在1.45 Hz。上述结果说明开沟深度和覆土厚度即使在同一工况下也可能呈现不同的频率分布，为两个输出分别建立动态模型提供了依据。频谱分析为输入输出之间的动态关联提供了研究基础，但尚不能据此建立因果关系或量化各输入的独立贡献，需通过进一步建模分析加以定量描述。

**4.3 BJ模型阶次与输入延迟选择**

在候选模型族内，四阶动态分母在模型精度与复杂度之间提供了较优平衡。与三阶候选相比，四阶模型的验证拟合优度提高了5.61–33.05个百分点。进一步增加分母阶次至五阶或六阶会将自由系数从29个分别增加到35或41个，但验证拟合优度并未改善。分子阶次比较支持nb=[5,5,5]，缩短分子长度会降低验证性能，而增加分子长度仅带来边际变化且增加参数数量。输入延迟比较支持nk=[1,1,1]，在0.005 s采样间隔下表示一个采样周期的离散输入延迟，不应直接理解为实测的机械传动延迟。

**4.4 MIMO模型的建立**

利用实测数据集的前70%进行系统辨识，建立了推行和拉行两种工况下的三输入二输出BJ模型。所有保留模型均采用nb=[5,5,5]、nf=[4,4,4]、nc=nd=1和nk=[1,1,1]的结构，模型输入通道分别对应地表不平度、振动电压和操作者施力。各通道系数独立估计，模型包含输出偏移项和扰动模型系数。

**4.5 模型验证结果**

利用后30%实测输入数据驱动所辨识的传递函数模型，将模型计算输出与实测输出进行比较。结果显示，预测曲线能够紧密跟随实测曲线的变化趋势。推行工况下开沟深度和覆土厚度的拟合优度分别为83.97%和84.06%，拉行工况下分别为82.09%和82.30%。上述结果表明所建立的MIMO模型能够充分表征手扶式种绳播种机在测试土壤条件和操作力范围内的动态响应特性。

**4.6 田间性能验证**

田间试验在江苏省实际播种条件下独立评估了播种机的覆土性能。在50个随机采样点处，覆土厚度范围为18.11~27.84 mm，均值为23.09 mm，标准差为2.35 mm，变异系数为10.22%。结合土槽试验结果，所研制的种绳播种机在受控环境和实际田间条件下均能实现较为稳定的种绳覆土效果。田间测量为播种机的实际覆土性能提供了独立的现场证据。

**5. 讨论与结论**

讨论部分指出，种子绳播种系统的动态响应以低频为主要特征，开沟深度和覆土厚度受地表粗糙度、播种机振动和操作者施力的共同影响。所建立的MIMO模型能够较好地描述实测输入输出动态，但验证数据与辨识数据来自相同土壤条件，模型在不同土壤和操作条件下的泛化性能有待进一步验证。输出信号低频功率占比较高这一现象本身并不足以证明系统对高频扰动具有衰减作用，因为观测到的分布还取决于输入频谱、各输入通道的联合贡献以及输出噪声；输入输出间接近或重合的谱峰为研究其动态关联提供了线索，但不能据此建立因果关系或量化各输入的独立贡献。田间试验结果从实际应用层面验证了播种机覆土性能的稳定性。

研究结论如下：（1）所研制的播种机将开沟、放绳、覆土和镇压集成于紧凑的作业系统，简化了传统排种机构，为小地块环境下的种绳播种提供了轻量化机械化解决方案；（2）时域和频域分析表明种绳播种系统以低频动态响应为主，开沟深度和覆土厚度受地表粗糙度、播种机振动和操作者施力的共同影响，基于预测误差法建立了三输入二输出MIMO动态模型，推行工况下开沟深度和覆土厚度的拟合优度分别达到83.97%和84.06%，拉行工况下分别为82.09%和82.30%，表明所辨识的BJ模型在测试土壤条件和操作力范围内充分捕获了播种机的输入输出动态特性；（3）田间试验在50个随机采样点测得覆土厚度范围为18.11~27.84 mm，均值为23.09 mm，标准差为2.35 mm，变异系数为10.22%，表明播种机在田间条件下保持了较为均匀的覆土厚度。总体上，所研制的播种机及其动态建模方法为小型种绳播种装备的进一步优化和自适应控制提供了基础。