《Membranes》：Design and Dynamic Response Analysis of a Small-Scale Seed Rope Planter for Small-Field Agricultural Environments
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为解决传统大型播种机在小田块与受限农业环境中适应性受限、人工播种效率低以及小粒种子精量播种困难等问题，研究人员研制了一种集开沟、铺绳、覆土与镇压于一体的小型绳播播种机。该播种机针对小田块与受限环境的作业要求进行设计，并对其动态响应特性进行了研究。研究人员通过理
为解决传统大型播种机在小田块与受限农业环境中适应性受限、人工播种效率低以及小粒种子精量播种困难等问题，研究人员研制了一种集开沟、铺绳、覆土与镇压于一体的小型绳播播种机。该播种机针对小田块与受限环境的作业要求进行设计，并对其动态响应特性进行了研究。研究人员通过理论建模与播种性能试验，表征了原始地表粗糙度、播种机振动及操作者施加推力对开沟深度与覆土厚度的影响。通过时域与频域分析表征播种系统的动态行为，并采用预测误差法（Prediction Error Method，PEM）辨识了一个三输入、两输出多输入多输出（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。所辨识模型在推进行条件下的开沟深度与覆土厚度拟合度分别为83.97%和84.06%，在牵引条件下分别为82.09%和82.30%。通过田间试验评估了播种机的实际覆土性能。在50个随机选取的采样点上测得覆土厚度为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%。上述结果表明，所研制的小型绳播播种机在实际田间条件下能够保持相对均匀的覆土，为绳播机械的设计提供了理论依据。
**研究背景与问题提出**
现代农业栽培正逐步向精准化、专业化与多样化方向发展，山区丘陵、小地块农田、家庭农场及设施园艺等小规模、复杂耕作模式稳步增加。此类环境具有田块面积小、地形复杂、农业机械可达性差等特点，大型播种机难以高效作业，而人工播种劳动强度大、效率低，且播种性能常不一致。因此，研制适应复杂小田块环境的小型精量播种装备对提高播种质量与作业效率具有重要意义。精量播种是实现高质量作物建植的关键基础，近年来机械式、气力式与电动式精量播种机在排种精度与作业效率方面取得显著进展。然而，现有装备多采用散粒种子实时投种，播种质量易受种子形状、排种器性能、机械振动及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、错位及播深波动等问题。对于蔬菜、花卉、中药材等小粒种子，因其体积小、质量轻、流动性差，精量投种更为困难，对播种装备的稳定性与一致性提出更高要求。
绳播技术为小粒种子精量播种提供了新途径。该技术将种子按预定间距固定在可降解带材上，播种时无需实时排种，从而保证播种间距精度，播种过程大幅简化，只需铺绳、覆土并镇压即可。与传统播种方式相比，绳播具有播种工艺简单、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、中药材等小粒种子播种；同时因播种机构简化，更利于发展轻量化、紧凑型播种装备，在复杂地形与小地块具有良好的应用潜力。尽管绳播优势明显，但其推广应用仍受限：现有研究主要集中于绳带制备、种子萌发及播种工艺，对专用播种装备研制的关注相对有限，且缺乏适应复杂地形的小型专用播种机。此外，绳播涉及的开沟、铺绳、覆土与镇压等工序相互关联，播种质量受机具振动、驱动力及土壤表面状况等多因素影响，属于多输入多输出系统。已有研究对绳播播种装备的技术与特点进行了归纳，但从机械系统角度研究小型播种机作业质量的报道相对较少。
为此，研究人员面向小田块与受限农业环境设计了一种小型绳播播种机，将开沟、铺绳、覆土与镇压集成为一体化播种系统；开展播种系统性能试验，考察不同作业参数对播种深度、覆土厚度及铺绳稳定性的影响；采用多输入多输出系统辨识方法建立播种系统动力学模型；通过土槽试验表征播种系统的动态响应，并在实际田间条件下进一步评价播种机的实际覆土性能。研究结果为小型绳播播种装备的优化与应用提供了理论依据。
**关键技术方法**
研究人员采用理论建模与试验相结合的方法：建立整机推、拉两种工况下的力学平衡方程，并依据人体工效学与步长约束确定机架结构参数；以所研制播种机为试验平台，在土槽中开展播种性能试验；利用超声波传感器、力敏电阻（FSR）力传感器与MMA7361加速度计采集地表粗糙度、驱动力与机架振动等输入信号及开沟深度、覆土厚度等输出信号，采样频率200 Hz；采用预测误差法（PEM）辨识三输入两输出MIMO传递函数模型，并以BJ模型进行阶次与输入延迟优选；最后在江苏省田间开展试验（土壤平均含水率18.54%，作业面积667 m
2）验证实际覆土性能。
**研究结果**
**整机结构与工作原理**：针对小田块作业条件，播种机设计为手扶式机型；从人机工程角度考虑，长时间静态施力易使操作者肩、腰等部位持续承受肌肉负荷而产生不适与疲劳，因此设计同时具备推、拉两种作业模式以改善操作舒适性。导绳开沟装置基于圆盘刀式开沟器结构特点研制，目标沟深约30 mm，可同时完成开沟与导绳，使绳带经导绳轮由开沟器底部排出并平稳铺放于沟底。覆土装置采用倒"V"形结构，两侧覆土板与前进方向成一定角度，将种沟两侧土壤推入沟内完成覆土；因花卉、蔬菜、水稻等作物播深一般为2～3 cm，故要求覆土深度为2～3 cm。通过整机受力分析获得推、拉工况下的平衡方程，并依据站立作业高度（约肘高以下76 mm）与成人步长（50～70 cm）建立约束方程确定机架主梁倾角β及尺寸参数L1、L2、L3；选用16×2.125轮胎为行走轮（宽53.98 mm，外径406.4 mm），并完成三维建模与样机试制。
**试验平台与信号采集**：播种机平台尺寸为1400×350×1200 mm（长×宽×高），主梁倾角40°，作业幅宽300 mm，绳盘容量180 m。土槽土壤质量含水率16.2%，容重1.50±0.05 g·cm
?3，试验段长9 m。系统输入为原始地表粗糙度信号U1(t)、机具前进振动信号U2(t)与人工推力信号U3(t)，输出为开沟深度信号Y1(t)与覆土厚度信号Y2(t)。开沟深度由前后两超声波传感器测距差与运行速度、传感器间距计算得到，覆土厚度由覆土镇压前后高度差确定；振动信号经重力加速度分量修正后换算。FSR力传感器经标准砝码标定，A、B两传感器决定系数分别为R
2=0.994与0.991，载荷估计均方根误差分别为1.46 N与1.83 N，平均绝对误差分别为1.01 N与1.29 N。基于MIMO系统可分解为多组多输入单输出系统的结论，将三输入两输出系统表示为若干三输入单输出子系统。
**模型阶次与输入延迟选择**：以试验数据辨识表明，在所考察的候选模型族中，四阶动态分母在模型精度与复杂度之间取得良好平衡；在噪声阶次与输入延迟分别固定为nc=nd=1、nk=1时，4个模型均在nf=4时获得最小估计数据贝叶斯信息准则（BIC）值；与三阶候选相比，四阶模型验证拟合度提高5.61～33.05个百分点；继续增至五阶或六阶使自由系数由29增至35或41而未改善验证拟合度。分子阶次比较支持nb=[5,5,5]，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，不应直接解释为实测机械传递延迟。
**MIMO模型建立**：将前70%实测数据去均值后导入MATLAB系统辨识工具箱，选用多项式模型并以PEM进行参数估计，后30%数据用于验证。所得四个保留模型均采用nb=[5,5,5]、nf=[4,4,4]、nc=nd=1、nk=[1,1,1]，每个模型含30个自由系数；输入通道i=1、2、3分别对应地表粗糙度、振动电压与操作者作用力，分子中的r=q
?1表示一个采样输入延迟；各通道多项式阶次共享但系数独立估计，扰动动态以白噪声新息表示。
**模型验证**：将后30%实测输入数据输入辨识模型计算输出并与实测比较，预测曲线与实测曲线趋势吻合良好。推、拉工况下开沟深度拟合度分别为83.97%与82.09%，覆土厚度拟合度分别为84.06%与82.30%，表明所辨识系统模型可充分表征人工操作绳播播种机的动态特性，在所试土壤条件与作用力范围内能刻画其动态响应。由于辨识与验证数据来自同一土壤条件，该验证主要评价模型的条件内预测能力，其在不同土壤与作业条件下的泛化性尚需进一步研究。
**田间性能验证**：土槽试验与MIMO模型验证表明播种机在所试条件下可保持相对稳定的动态响应，但实际田间土壤与地表条件更复杂，需评价其实际性能。田间随机采样点实测覆土厚度为18.11～27.84 mm，均值23.09 mm，标准差2.35 mm，变异系数10.22%，表明播种机在测试播线上保持了相对一致的覆土厚度；结合土槽试验，结果表明所研制播种机在受控与田间环境中均能实现较稳定的绳带覆土。
**讨论与结论**
时域分析表明，推、拉两工况下五路信号均在各自均值附近不规则波动，并夹杂局部峰谷；推进工况初始地表起伏均值与标准差分别为21.0142 cm与0.6033 cm，牵引工况分别为21.2375 cm与0.6700 cm；推力均值与标准差分别为35.3479 N与4.9916 N，牵引力分别为37.6842 N与5.6500 N；振动测量电压均值与标准差在推进工况为52.4792 mV与4.2068 mV，牵引工况为50.8163 mV与3.7500 mV，说明两工况差异并非体现在所有输入信号变异性的统一增加。输出方面，推进工况开沟深度均值2.2515 cm（范围1.5738～3.1204 cm，标准差0.2315 cm），牵引工况为2.3286 cm（1.4986～3.2341 cm，0.2513 cm），变异系数分别为10.28%与10.79%；覆土厚度均值与标准差在推进工况为2.1358 cm与0.1213 cm，牵引工况为2.1848 cm与0.1061 cm，牵引工况标准差约低12.52%，变异系数由5.68%降至4.86%，表明该数据集相对变异性更低。两工况下覆土厚度标准差均低于开沟深度与初始地表起伏，说明播种机在所试土壤条件下保持了较稳定的覆土厚度并形成更平整的作业后地表。
频域分析经去均值与Hann窗处理后表明，两工况下五路信号均以低频特征为主，主要谱峰位于5 Hz以下；5 Hz以下功率占全频带波动功率的比例在推进工况为82.09%～94.21%，牵引工况为81.17%～94.83%。输入谱呈现多个局部峰而非单一主频：推进工况下初始地表起伏、振动测量电压与作用力的最大幅值谱峰分别位于2.40、1.55与1.60 Hz，牵引工况分别位于2.05、3.05与2.30 Hz。输出波动功率较输入更集中于5 Hz以下，推进工况开沟深度与覆土厚度的5 Hz以下功率占比分别为94.21%与93.98%，牵引工况分别为94.83%与94.75%。推进工况下两输出最大谱峰均位于1.60 Hz，与作用力最大峰重合且接近振动电压峰（1.55 Hz）；牵引工况下开沟深度最大谱峰位于3.05 Hz，与振动测量电压一致，而覆土厚度最大峰位于1.45 Hz，说明即使在同一作业条件下两输出也可呈现不同频率分布，支持对两输出分别建模。但输出低频功率占比较高并不能单独证明系统衰减高频扰动，输入输出谱峰靠近或重合也不能确立因果关系或量化各输入独立贡献，故需进一步定量分析输入—输出关系。综上，所设计绳播播种系统可表征为以原始地表粗糙度、操作者施加驱动力与机具振动为输入、以开沟深度与绳带覆土厚度为输出的三输入两输出MIMO系统。
研究结论为：所研制播种机将开沟、铺绳、覆土与镇压集成为紧凑作业系统，简化了传统排种机构，为小田块环境绳播提供了轻量化机械化方案；时域与频域分析表明绳播播种系统呈现以低频为主的动态响应，开沟深度与覆土厚度受地表粗糙度、机具振动与操作者作用力共同影响，基于PEM建立的三输入两输出MIMO动力学模型在推进工况下开沟深度与覆土厚度拟合度分别达83.97%与84.06%，牵引工况下分别达82.09%与82.30%，表明所辨识BJ模型在所试土壤条件与作用力范围内充分捕捉了播种机的输入—输出动态特性；田间实际播种条件下50个随机采样点的覆土厚度为18.11～27.84 mm，均值23.09 mm，标准差2.35 mm，变异系数10.22%，表明播种机在田间条件下保持了相对均匀的覆土厚度，为所研制绳播播种机的实际适用性提供了独立的田间层面证据。总体而言，所研制播种机及动态建模方法为小型绳播播种装备的进一步优化与自适应控制提供了基础。
