小麦双轴旋耕播种机播深精准感知与控制：一种新型电子测控系统

《Smart Agricultural Technology》：Precision seed depth sensing and control: A novel electronic measurement and control system for wheat dual-axis rotary tiller seeders

　　

本研究针对常规小麦播种机播种深度不一致且稳定性不足的问题，提出了一种基于覆土量调控的双轴旋耕播种机新型测量与控制策略。研究建立了播种深度数学模型，并设计了相应的调节单元。在此基础上，构建了自适应模糊PID（比例-积分-微分）控制器，并将其与常规PID控制器进行比较。结果表明，自适应模糊PID控制器的上升时间为0.19 s，稳定时间为0.26 s。与常规PID控制器相比，二者分别缩短约26.2%和14.9%。仿真结果证实了该控制器的有效性与适应性。随后，研究人员将该系统集成于双轴旋耕小麦播种机，并通过田间试验进行了验证。所提出的方法能够实现播种深度的精准、稳定控制，从而提升小麦播种作业的质量与一致性。

该论文发表于《Smart Agricultural Technology》，围绕小麦双轴旋耕播种机播深难以稳定控制这一关键问题，提出了一种不同于传统“以开沟深度代替播深”思路的新型测控框架。研究背景在于，小麦作为全球广泛种植的重要粮食作物，播种质量直接影响出苗整齐度、群体结构形成以及最终产量。现有播种机械研究虽然在播量控制方面取得了较多进展，但播深精准检测与闭环控制仍然薄弱，尤其是在免耕、秸秆覆盖和土壤紧实度空间差异显著的田间环境下，单纯控制开沟器入土深度，往往并不能等同于最终种子埋置深度。由于播种后的覆土、镇压及地表起伏均会改变种子的最终空间位置，因此传统方法在复杂农田中存在控制精度不足、抗扰动能力有限和作业一致性不佳等问题，这也是开展本研究的现实基础。

针对上述问题，研究人员将播深控制的核心由“开沟深度控制”转向“覆土量调控”，提出通过调节二次旋耕刀组与播前镇压辊之间的相对位置来改变作业覆土量，从而直接控制最终播深。围绕该思路，研究构建了播深数学模型，设计了播深检测与执行机构一体化系统，并建立了以播深偏差及其变化率为输入的自适应模糊PID（比例-积分-微分）控制器。仿真分析表明，该控制器相比传统PID具有更快的响应速度、更短的稳定时间以及更小的稳态误差；进一步的田间验证显示，该系统能够在不同作业速度下维持较高的播深合格率与一致性。研究的重要意义在于，它从播种作业链条的全过程出发，突破了传统播深控制仅关注单一开沟环节的局限，为复杂地表条件下小麦精密播种提供了新的机理解释与技术路径，并为智能农机闭环控制提供了可验证的工程化方案。

研究采用的主要技术方法可概括为以下几个方面：首先，依托自主研制的2BFG-12小麦播种机平台，集成车载终端、双轴倾角传感器、位移传感器、伺服电机与伺服电缸，构建播深测控系统；其次，通过播前镇压辊与播后镇压辊姿态及高度信号建立播深数学模型，实现播深反馈量计算；再次，采用Mamdani模糊推理与质心法解模糊，构建自适应模糊PID增益调度控制器，并在Matlab/Simulink中开展仿真；最后，在山东菏泽与德州田间地块开展田间试验，以不同作业速度对系统的播深合格率、标准差和变异系数进行验证，并与传统小麦播种机进行对比。

在结果部分，论文首先报告了“播种深度检测模块设计与标定试验”的结果。研究人员设计了基于双轴倾角传感器的播深检测模块，通过检测播后镇压辊摆臂角度变化来表征地表起伏及播深变化。所选LVT425T-90双轴倾角传感器具有较高抗冲击性、分辨率和环境适应能力，适合田间工况。在系统运行与通信参数方面，研究采用工业级嵌入式平台、CAN2.0B总线、50 Hz闭环控制更新频率及二阶Butterworth低通滤波器，以保障多传感器同步采样、实时滤波和控制输出的稳定性。随后，研究在工厂环境中对播深检测模块进行了标定与验证，通过悬挂状态下调节播后镇压辊位置，建立倾角传感器输出信号与播深值之间的线性关系模型，拟合决定系数R²=0.9962，说明两者具有高度线性相关性。进一步验证试验表明，在0–60 mm离地高度范围内，播深检测模块最大测量误差仅为1.03%，满足播深实时检测需求。

在“播深测控系统田间试验”部分，研究人员系统评估了该装置在不同作业速度下的测控性能。试验于2023年5月和10月分别在山东省菏泽市与德州市田间开展，地块为免耕大田，表层可见秸秆，具有一定代表性。依据当地农艺要求，目标播深设定为30 mm，并分别在1–3 km/h、3–5 km/h和5–7 km/h三个速度区间测试。结果显示，双轴旋耕播种机的播深总体围绕设定值小幅波动，其中3–5 km/h工况下稳定性最优。田间数据处理结果表明，在1–3 km/h、3–5 km/h和5–7 km/h条件下，检测播深平均值分别为30.13 mm、30.58 mm和30.30 mm；对应播深合格率分别为97.5%、100%和95%。标准差分别为3.00 mm、2.21 mm和3.73 mm，变异系数分别为9.96%、7.23%和12.3%。这些结果表明，中等作业速度更有利于播深稳定控制，而高速条件下由于振动增强、抛土轨迹不均和秸秆局部堆积等因素，个别测点会出现偏差增大现象。

在与传统小麦播种机的对比分析中，研究显示，传统机型播深波动更大，不合格点更多。相较之下，本研究的双轴旋耕播种机播深围绕目标值分布更集中。统计结果表明，双轴旋耕播种机播深平均值为31.5 mm，播深合格率为97.5%，标准差为3.07 mm，变异系数为9.92%；传统播种机对应指标分别为30.95 mm、82.5%、8.7 mm和27.6%。进一步独立双样本t检验显示，播深标准差与变异系数的下降均达到显著水平（p<0.05），证明基于覆土量调控的播深测控策略能够显著提高播深均匀性与一致性。

在控制算法与仿真分析方面，论文通过“播种深度控制器设计与仿真”说明了自适应模糊PID控制器的优势。研究将播深偏差E及偏差变化率EC划分为7个模糊子集，采用高斯-三角混合隶属函数进行输入模糊化，对输出增量ΔK_P、ΔK_I、ΔK_D采用三角隶属函数，并结合经典PID整定经验建立模糊规则库。控制器在每次迭代中根据实时偏差动态修正K_P、K_I、K_D参数，同时设置参数饱和约束与积分抗饱和（anti-windup）策略，以避免控制失稳。仿真结果显示，该控制器可将播深快速稳定调节至目标值，上升时间约0.19 s，较传统PID缩短26.2%；稳定时间约0.26 s，较传统PID缩短14.9%；同时稳态误差减小约48%。此外，在MAE（平均绝对误差）、RMSE（均方根误差）、IAE（绝对误差积分）和ITAE（时间加权绝对误差积分）等指标上，自适应模糊PID均优于传统PID，表明其在稳态精度、动态响应与误差收敛方面具有更强性能。

论文讨论部分的核心在于说明：播深控制不应再局限于开沟深度或镇压力的单一调节，而应面向最终种子埋置深度这一真实农艺目标进行全过程控制。研究结果证明，通过调节覆土量而非仅控制开沟深度，可以有效削弱土壤紧实度差异、秸秆覆盖和地表微地形变化对播深的干扰，提高播种作业一致性。尤其在双轴旋耕播种工况下，覆土过程本身对最终播深影响显著，因此该策略更契合实际作业机理。研究同时指出，系统性能仍受土壤类型、覆盖条件、传感器精度和长期使用环境影响，不同区域和作物应用时仍需重新标定传感器并优化执行机构参数。这说明该系统虽已具备较好的工程适用性，但在更广泛作物类型、长期耐久性和多气候条件下仍需持续验证。

研究结论部分可译述如下：研究提出了一种基于覆土量调控的播种深度测量与控制新策略，该策略不同于传统将开沟深度等同于播深或仅依赖下压力控制的方法。通过调节二次旋耕刀组与播前镇压辊之间的距离以控制覆土量，系统实现了对最终种子埋置深度的直接精准调节。为实现该策略，研究设计了相应的自适应模糊PID控制器，并经仿真验证显示出良好的有效性与适应性，其上升时间约为0.19 s，较常规PID提高26.2%；稳定时间约为0.26 s，较常规PID提高14.9%。基于该策略，研究进一步构建了完整的播深测控系统并集成于双轴旋耕小麦播种机。田间试验表明，在3–5 km/h作业速度下，播深合格率达到100%；在速度增加条件下，播深一致性仍保持稳定，标准差为2.21 mm，变异系数为7.23%。与传统播种机相比，播深标准差由8.7 mm降至3.07 mm，变异系数由27.6%降至9.92%，且差异具有统计学显著性（p<0.01）。总体而言，该系统满足了双轴旋耕小麦播种机播深精准测量与稳定控制的作业要求，但其在不同土壤类型、覆盖条件和长期应用场景下的可靠性仍需进一步验证。