地面轮编码器分辨率对电动驱动玉米精量播种机性能的影响

《Computers and Electronics in Agriculture》：Influence of ground wheel encoder resolution on the performance of an electrically driven corn precision planter

研究开发兼容多分辨率编码器的玉米电动精量播种控制系统，通过台架和田间试验发现分辨率与播种质量呈非线性关系，50-300 P·R?1为性能最优区间，其中300 P·R?1实现最低QFI波动和0.31%稳态速度误差，而500和1500 P·R?1分别存在系统噪声放大和硬件处理瓶颈问题。

　　

林佳|徐子阳|张欣月|王青杰|李洪文|何进|卢彩云|王超

中国农业大学工程学院，清华大学东路17号，北京100083，中国

摘要

地面轮编码器的分辨率是决定电动驱动精密播种机速度测量精度和播种质量的关键参数。然而，这一参数的固有影响机制尚未被系统地量化。本研究开发了一种兼容多分辨率编码器的玉米电动播种控制系统，并通过全面的台架和田间测试评估了六种分辨率（50、100、300、500、1000和1500P·R^?1）对播种质量指标的影响，包括合格播种指数（QFI）和种子间距的变异系数（CV_d）。结果表明，分辨率与播种质量之间存在非线性关系。50、100、300和1000P·R^?1的分辨率被确定为“性能最佳区间”，在此区间内QFI始终超过97%。在该范围内，300P·R^?1编码器表现出最佳的稳健性，稳态速度测量相对误差（Δ_e）仅为0.31%，并且保持了最低的田间QFI波动。相反，在两个特定区域观察到性能显著下降：一个是“临界区”（500 P·R^?1），在该区域特定频率响应特性放大了系统噪声，导致高速测量偏差（σ_e= 0.774）；另一个是“瓶颈区”（1500P·R^?1），在该区域硬件处理限制导致严重的脉冲丢失和8.12%的系统误差。与高分辨率带来更好控制的假设相反，本研究表明，50–300P·R^?1的范围为使用标准微控制器的小型和中型播种机提供了精度和稳定性的最佳平衡。这种选择策略有效避免了不稳定性和硬件限制的瓶颈，促进了精密播种技术的成本效益应用。

引言

全球人口的快速增长对粮食安全构成了严峻挑战。联合国报告指出，目前有6.73亿人面临营养不良，预计到2050年人口将超过97亿，粮食需求预计将增加60%以上（联合国，2022年）。因此，提高播种质量已成为确保粮食安全的关键策略。作为全球种植最广泛的谷物作物之一，玉米产量的稳定性和提高对全球粮食供应具有重要意义（Barut等人，2025年；Lei等人，2025年）。精密播种技术通过优化种子的空间分布来改善植物生长环境，是提高玉米生产力的基本方法（Zhang等人，2020年；Bai等人，2024年；Jiang等人，2025年）。

传统的机械播种机通常依靠地面轮通过链条或轴来驱动播种装置。然而，它们容易发生机械滑移和链条振动，从而影响播种的均匀性（Aykas，2013年）。相比之下，电动播种系统将播种装置与地面轮分离，直接通过电机驱动播种盘。这种架构消除了传动误差，显著提高了播种的准确性和稳定性（Gao等人，2023年；Du等人，2025年；Zhai等人，2025年）。核心控制原理是使电机转速与实时前进速度同步，以保持精确的种子间距（Yan等人，2021年；Wang等人，2022年；Li等人，2025年）。因此，速度获取的准确性是电动播种机整体性能的关键决定因素（Wang等人，2022年）。

农业机械中常用的速度测量方法包括GNSS、多普勒雷达和旋转编码器（Fu等人，2019年；Li等人，2021年；Pan和Zhai，2025年；Wang等人，2025年）。GNSS系统不受土壤条件的影响。然而，高精度的RTK-GNSS成本高昂，而标准GNSS受到更新率和信号延迟的限制（Keskin等人，2016年；Akkamis等人，2021年；Specht等人，2022年）。尽管多普勒雷达具有快速动态响应的特点，但它容易受到地表植被和振动的干扰，需要严格的安装对齐（Ramesh等人，2005年；Hau等人，2020年）。因此，这些先进技术主要应用于高端、大规模的播种设备。相比之下，中国的农业生产和发展中国家的农业生产以中小型农业为主，主要由低至中等马力的拖拉机牵引小型播种机（Wang等人，2015年；Sheng等人，2019年；Chari等人，2020年）。在这种情况下，安装在地面轮上的旋转编码器成为首选解决方案。由于其成本效益和机械简单性，它们在中国玉米种植区被广泛采用于电动播种机中。

随着旋转编码器在速度测量中的广泛应用，其性能优化和系统集成已成为研究热点。例如（Xie等人，2023年）和（Ling等人，2024年）的研究比较了不同的速度测量方法，表明编码器在耕作田地的速度监测中具有高成本效益和可靠性。Cay等人（2018年；Cay等人，2018年）和Pareek等人（2025年）独立开发了以地面轮安装的编码器作为主要速度反馈源的玉米播种机控制系统，实现了高播种合格指数。Yan等人（2024年）将光纤传感器与编码器集成用于木薯种子质量检测。除了基本的速度测量外，编码器还用于监测关键组件的动态。例如，Leng等人（2024年）在大豆收割机的PLC-PID控制系统中使用编码器来监测实时卷轴和地面速度，有效减少了收获损失。然而，这些研究主要关注系统集成或宏观层面的方法比较，往往忽略了核心编码器参数与操作质量之间的内在关系。关于改进措施，大多数研究集中在通过算法优化来提高给定分辨率下的速度测量精度。例如，引入瞬态检测机制以平衡稳态和动态操作条件下的性能（Arahal等人，2025年），或使用自适应卡尔曼滤波器等估计器来补偿低分辨率情况下的误差（Cao等人，2020年）。虽然一些研究评估了微控制器处理编码器脉冲的能力（Pop，2022年），但这些研究未能揭示编码器分辨率本身与系统性能之间的定量关系。编码器分辨率是速度测量准确性的基本决定因素。低分辨率可能会放大量化噪声并降低控制稳定性，而过高分辨率则可能超出控制器的处理带宽，导致脉冲丢失和信号失真。这两种情况都会对播种装置的控制精度产生不利影响，严重影响种子间距均匀性等指标。因此，分辨率与播种质量之间的关系是非线性的，并受到系统限制的约束，需要进一步研究以确定最佳分辨率范围。

本研究针对中国和发展中国家的具体农业背景，这些地区广泛使用中小型播种机。为了优化成本效益高的电动播种系统的性能，本研究系统地量化了编码器分辨率与播种质量之间的关系。开发了一种兼容多分辨率编码器的控制系统，通过“脉冲获取－速度测量－播种控制”的技术路径，通过全面的台架和田间测试评估了分辨率对关键性能指标的影响。研究结果为编码器的科学选择提供了理论基础和实证依据，从而促进了精密播种技术在小型农户农业系统中的有效应用。

系统组成

系统组成

为了评估编码器分辨率对播种质量的影响，为一种电动驱动的精密播种机设计了一种兼容多分辨率编码器的玉米电动播种控制系统。系统组成如图1和表1所示。系统包括人机界面（HMI）、中央控制模块和播种单元。HMI便于参数配置和实时操作监控。中央控制模块集成了

播种系统性能

玉米电动播种控制系统的台架测试结果显示，在5–11 km·h^?1的操作速度范围和15–27 cm的种子间距范围内，控制系统表现出卓越的操作稳定性。20个测试组的平均QFI达到99.6%，其中12个组的QFI达到100%。MI和MUL分别为0.21%和0.20%。只有在模拟操作速度

结论

本研究开发了一种兼容多分辨率编码器的玉米电动播种控制系统。通过结合台架和田间测试的系统性评估，阐明了编码器分辨率对播种质量的固有影响机制。具体结论如下：

(1)

所开发的控制系统在典型操作条件（5–11 km·h^?1的速度；15–27 cm的间距）下表现出卓越的稳定性。在台架测试中，平均QFI达到99.6%

作者贡献声明

林佳：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，软件开发，形式分析，概念化。徐子阳：撰写 – 原稿，可视化，软件开发，形式分析。张欣月：撰写 – 审稿与编辑，可视化，软件开发，形式分析。王青杰：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，方法论，资金获取，概念化。李洪文：撰写 – 审稿与编辑，调查，形式分析，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（项目编号2024YFD1500405）的支持。