用于农业种植机的空气动力和离心式种子定向系

本发明总体上涉及一种用于农业行作物种植机的播种装置，并且更具体地涉及一种用于将种子以选定的生长定向放置在土壤中的种子定向系统、设备和方法。背景技术：1、农业是已经并且将继续受到工业化深刻定型和影响的产业。进步以令人惊叹的步调进行。完成任务的速度或可靠性的每一次提高通过使相同数量的农场工人能够在给定的时间内耕种越来越多的耕地面积而给农场带来丰厚的回报。由于生产力已经并将继续取得这些惊人的增长，因此在过去的五十年里，基本食物必需品的成本相对于一般生活成本的其他组成部分有所下降。这为社会带来了巨大的利益，这是因为为不断增长的人口提供安全且稳定的粮食供应对于个人的健康和福祉以及政府和国家的稳定而言至关重要。2、农场劳动力要扩大被照管的耕种面积，就必须改进许多不同的需求。这些需求包括更快速和更高效地播种种子或育苗、在播种和收割之间更快速和更高效地照管农作物、以及更快速和更高效地进行收割。至关重要的是，播种和收割可能具有非常短暂且不可预测的时间窗，农场工作人员必须在该时间窗内完成工作。存在比任何农场希望多得更多的天气状况干扰播种的时刻。例如，伴有晚霜的寒冷晚春之后的大量降雨可能导致田地部分被淹，并且变得太泥泞松软而使得装备无法进入。农场被迫等待田地变干，这样的组合只会留给农场数天时间来播种农作物。如果失败，宝贵的土地可能被迫闲置，从而大幅降低农作物产量和农场收入。类似地，发芽率也会受到温度和湿度的显著影响，因此找到最佳天气预报并在最佳天气窗内使所有土地得以播种也会显著影响农作物产量。3、认识到这些需求之后，现代农业装备制造商已经努力并成功地生产出更大但仍然高度可靠的机械，该机械允许农场劳动力在更短的时间内播种更多的种子。与过去农民使用牛或其他农畜拉动单台底犁并且然后用手播种种子来种植农作物相比，现代机械可以同时种植多行，并且行进速度可以大大超过之前可能实现的速度。4、农业行作物种植机通常包括连接到种子计量系统的种子料斗，种子计量系统将种子递送到由盘状开沟器刀片形成的犁沟中。多个行作物种植机典型地沿着附接到拖拉机的工具杆平行地安装。例如，截至本技术提交之时，普遍情况是一台拖拉机上附接有二十四个或三十六个行单元。5、为了使如此大的组件发挥效用，该设备必须极其可靠。在装备具有二十四个“克隆体”的情况下，发生故障的可能性是单行种植机的二十四倍。当行作物种植机发生故障时，对于农场工人而言快速且容易地维修或更换装备也至关重要，这是因为维修时间不仅会拖慢发生故障的行，而且所有24行的种植都会停止。当组件是三十六行种植机时，发生故障的可能性和维修时间的影响甚至更大。6、在典型的现有技术行作物种植机中，种子被从种子料斗大批量递送到计量系统。计量系统将大量种子精确地单粒化，并且最优选地以极其可预测和可重复的时间间隔提供这些单粒化的种子。经改进的计量系统已经取得长足发展，并且这些计量系统总体上已被证明相当可靠。随后，行作物种植机一次将一粒种子递送到地面中，通常递送到由开沟器刀片开出的犁沟中。从计量系统释放单粒种子的速度优选是可调节的，以便基于拖拉机和行作物种植机相对于地面的速度适当地控制种子之间的间距。7、将种子从种子料斗递送到地面的标准方法是重力下降系统，其将种子管入口定位在种子计量系统下方。单粒化的种子从种子计量系统沿着种子管下落进入由设置在种子管前方的开沟器刀片形成的犁沟中。这种种子递送的标准方法虽然比旧技术有了很大的改进，但在期望的种子放置、种子间距以及种子撞击地面时的相对速度方面仍存在很大的改进空间。如今一个非常普遍的问题是当种子降落在犁沟中时，种子往往不可预测地弹起，并且可以沿任一方向滚动或翻滚。有些种子落地时可能会黏着住，而另一些种子则可能会翻滚得很远。随着种植机相对于地面的速度增大，这个问题尤其具有挑战性，原因在于翻滚或滚动的种子将具有更大的动量来使得将其更远地带离预定目标。8、为了在高播种速度下获得恒定、均匀的种子间距，已经设计出改进种子递送的设备。示例性的美国专利包括：stufflebeam等人的us5,974,988；stufflebeam等人的us6,332,413；gilstring的us8,336,471；以及garner等人的us8,789,482。典型的行单元，例如由stufflebeam等人、gilstring和garner等人阐述的行单元，在对播种时间以及因此对种子间距进行更精确控制的情况下将种子递送至犁沟，即使在播种速度显著高于现有技术中通常使用的播种速度的情况下也是如此。在这些专利中的每一个专利中，这通过控制种子行进和弹跳来实现，尽管每个专利采用不同技术。stufflebeam等人的专利提供了一种由低摩擦系数材料制成的呈特殊形状的曲线进给管。gilstring通过小直径进给管提供高速空气传输。garner等人使用刷子来分离种子和控制种子的运动。然而，这些专利都没有试图对种子进行定向，也没有提供任何方法来确保种子在被土壤覆盖时保持定向在土壤中。9、在播种过程中优化种子定向以使种子尖端朝下且使胚芽面向相邻行，产生更快且更均匀的出苗、提高的截光率以及加快的林冠郁闭，，从而产生降低的杂草压力。当种子尖端向下指向地面时，根和胚芽鞘不会浪费时间和精力来包绕种子。因此，农作物具有更快且更均匀的出苗和更高的株群均匀度。10、当种子的胚芽朝向相邻行(大体垂直于种子所在的行)定向时，还具有进一步的生产优势。玉米植株的叶子结构与胚芽/胚胎方向一致。在胚芽面向相邻行时，叶子在行之间定向，而不是在同一行内的相邻植株上方定向。由于优化了叶子结构，因此植株有更强的截光能力。此外，优化的叶子结构提供更快的林冠郁闭，这保持水分并降低杂草压力。11、相反，在随机定向的情况下，某些植株的出苗时间会早于或晚于大多数农作物的出苗时间，并且有些植株遮蔽邻近的植株。大量研究证明，这两种因素都会促使产量大幅下降。2013年9月12日伊利诺伊州立大学的tyler d.kaufman撰写的题为“the effects ofplanting techniques on maize grain yield and silage production(播种技术对玉米籽粒产量和青贮饲料生产的影响)”的示例性文章证实，最佳种子定向可以将给定田地的产量提高14％至19％。显然，对于提供这种最佳种子定向的农业行种植机来说有很多经济激励。12、一些早期先驱者设计了对种子进行选择性定向的设备。示例性的美国专利包括：mann的us3,134,346；reynolds的us3,195,485；以及williams的us3,217,674。这些专利中的每一个专利都公开了窄槽，种子穿过窄槽，从而迫使种子的平坦主表面与槽壁对准。这提供了对平坦主表面的定向，但却不能使种子尖端朝下定向。此外，种子的大小必须是可预测的，优选地按照mann的描述进行预先分级。遗憾的是，正如mann还指出的那样，即使在经分级的种子的情况下，在一批种子中也会出现尺寸错误的种子。此外，即使在完美分级的种子的情况下，在田地播种期间，这些窄槽也容易被其他碎片堵塞，并且清洁起来既困难又耗时。13、对种子进行正确定向的另一种方法是使用种子保持器。brink的美国专利us3,636,897阐述了一种类型的保持器，其使用预先封装在盘状种子胶囊中的种子。只要种子在盘内正确定向，种子就会被供给通过齿轮机构，所述齿轮机构保持盘并且对盘进行定向。如可以意识到的那样，该机械不知道种子尖头的定向，因此如mann和reynolds刚刚描述的那样，这提供了平坦主表面的定向，但未能将种子定向成尖头朝下。lu等人的cn101663935通过提供形状独特的种子保持器来建立定向以对brink的专利进行改进。然而，这些种子封装方法会导致与种子胶囊的形成相关联的不期望成本、播种之前种子储存所需的额外体积、以及由于封装而导致过早发芽或种子腐败的可能性。14、另一种非常常见的种子保持器是粘附种子的具有不确定长度的胶带。种子胶带非常精确且均匀地将种子间隔开，并且例如除草剂或肥料的其他物质也可以设置在胶带上，以帮助种子生长和发育。这种胶带已经生产了很多年，特别是使业余园艺爱好者受益，这是因为园艺师于是可以更快且更精确地进行播种，而很少或根本不会产生种子浪费。示出了使用种子胶带的大型商业种植机的示例性美国公开专利申请是deppermann等人的us2013/0152836。15、一些技术人员已经认识到，种子在粘附到胶带上时可以被定向。示例性的中国公开的专利申请包括：he等人的cn103609227；he等人的cn104255130，这两篇专利均由中国农业大学申请。16、遗憾的是，与种子胶囊类似地，种子胶带也存在以下问题：与种子胶带的制作相关联的额外费用，包括如果要定向种子则需实施的额外的步骤和处理；播种之前种子储存所需的额外体积；以及因放置在胶带上而导致过早发芽或种子腐败的可能性。另外，种子对胶带的粘附力是不可预测的并且难以充分控制，胶带用作一种会干扰种子发芽和生长的废料，并且胶带很难可靠地插入地面中并且然后以高速进行适当覆盖。正如在中国农业大学的chen等人申请的cn108207212中所描述的，上述cn103609227和cn104255130存在“以下缺陷：1)播种带难以制造和部署，且效率低；2)播种卷盘体积大，存放不方便。”17、作为种子胶带的可替代方案，cn108207212提出了一种包含经定向的玉米种子的盒。该盒已经被设计成使制造和种子插入更容易，并减小种子胶带的体积。然而，使用盒仍然需要在保持定向的同时将种子从盒移动到土壤，而该专利没有公开如何实现这一点。如上所述，在不失去定向的情况下使得种子移动一直是现有技术中尚未克服的障碍。此外，即使在mann最早的专利中，该盒仍然面临着所经历的挑战，包括：在盒中正确处理和储存具有错误尺寸和几何形状的种子所面临的挑战；播种过程中出现堵塞和卡塞的倾向；清洁困难且耗时；就盒而言，其尺寸必然有限并且在大面积播种时需要进行频繁更换。18、为了进行科学测试和实验室分析，一些技术工人为仍呈玉米粒状态的玉米种子施涂含铁涂料。一旦玉米被施涂，就会从玉米棒分离下来。然后，含铁涂料通过施加磁场可以对玉米种子进行定向。示例性的美国和外国专利以及公开的申请包括：cope等人的us7,735,626；mongan等人的us7,997,415；以及becker等人的us8,286,387。这项技术非常具有创新性并且对于各种实验室程序非常有用，但土壤中过多的铁会阻碍植物生长并使叶子变色，使得植物变虚弱并最终杀死植物。在多个季节中持续施用铁也会导致铁在土壤中累积，从而使问题变得更加复杂。因此，虽然该技术是为了实验室使用而开发，但并没有公开使用该技术在播种期间处理种子的技术。19、许多技术人员已经应用机器人技术(通常利用计算机视觉系统)来对种子和植株进行定向。示例性的美国和外国专利以及公布的申请包括：denton的us2,935,957；deppermann等人的us8,245,439；batcheller等人的us9,924,629；koch等人的us2019/0223372；koch等人的us2019/0230846；koch等人的us2019/0289778；koch等人的us2019/0289779；bredeweg的us2020/0187410；以及leifker等人的wo2020/247985。尽管机器人技术和视觉技术已经取得进步，但是种子定向机器人系统与靠近地面设置的视觉系统的组合仍然费用高、难以高速操作并且在恶劣的播种环境中易于发生故障。如上所述，同时种植二十四行或三十六行，失败的可能性也会是二十四倍或三十六倍那么大。当只有一台行作物种植机出现故障时，整个机器就会关闭，停止所有行的种植。20、与上述gilstring类似地并且与本发明不太相关的是，许多技术人员已经通过空气使得种子移动以传输通过种植设备。这种种植设备有时被称为空气种子种植机。示例性美国专利和已公布的申请包括：bramblett的us2,783,918；goulter的us3,482,735；neumeister的us3,790,026；bauman等人的us3,848,552；bauman等人的us3,860,146；loesch等人的us3,881,631；loesch等人的us3,891,120；davidson的us5,524,559；barsi等人的us5,601,209；bassett的us5,603,269；bardi等人的us6,148,748；wendte的us6,827,029；kjelsson等人的us7,270,064；memory的us7,509,915；cruson的us8,757,074；horsch的us9,591,798；cruson的us10,412,879；以及rhodes等人的us2020/0128725。然而，空气流仅用于进行传输，并且这些专利均未尝试对种子进行定向，也未提供任何方式来确保种子在土壤中且被土壤覆盖时保持定向。21、除了上面引用的williams专利之外，其他技术人员已经设计出改进的犁沟开沟和形成设备。示例性的美国专利包括：rodrigues,jr.等人的us4,798,151；以及anderson的us6,178,901。22、在美国和外国专利以及公开的申请中说明了其他多样化且不太相关的种子和叶子定向设备，包括：hathaway的us2,618,373；brown等人的us3,623,595；mcomber的us7,814,849；schaefer等人的us9,861,025；stoller等人的us10,785,905；hou等人的cn102893723；hou等人的cn102918963；chen等人的cn107371486；以及duan等人的cn107439101。有趣的是，同样由中国农业大学申请的后一项申请cn107439101讨论了hou等人的cn102893723和同样由hou等人申请的另一件申请cn102918963，指出cn102893723的装置结构复杂，定向成功率低，且玉米种子无法远距离操作；并且指出cn102918963的装置较为复杂，分开地进行玉米种子的定向和定间距，使得当定位以呈平放姿态定向的玉米种子时(可能是为了播种或其他目的)，原有的定向结果很容易被破坏，胚根的根尖不再沿向前方向排列。23、尽管长期以来一直实施大量实质性经济激励措施，但长期的认知以及已进行的大量研究与开发(其通过下述事实来证明，截至本文撰写时kaufman论文已有七年多，kaufman引用的几项研究也已有三十多年的历史，mann、reynolds和williams的专利已有五十多年的历史，以及上述许多其他专利和公开)，正确且一致的种子定向在商用农业行种植机中仍未成功经济地实施。因此，仍然需要一种种子定向系统，所述种子定向系统以经济且高效的方式播种种子，使种子尖端朝下并且胚芽面向犁沟中的下一行。24、认识到这项需求，本发明人设计了一种用于农业种植机的种子定向系统，所述种子定向系统在wipo公布的申请wo2020/227670中首次公开，其在犁沟中播种期间对种子进行定向。其中公开的种子定向系统包括种子定向圈，所述种子定向圈被设置为从种植机行单元接收种子，所述种植机行单元设计用于将种子递送到犁沟中。出于示例性和非限制性目的，常见的种植机和行单元的示例由上面引用的stufflebeam等人、gilstring和garner等人的专利示出。如这些专利中所示，行单元通常安装到工具杆上，所述工具杆与其他相同或类似的种植行单元一起附接到拖拉机或类似的牵引装置上。示例性的行单元可以包括用于储存用来播种的种子的种子料斗。种子从种子料斗移动到种子计量器，所述种子计量器以期望的间距将种子单粒化以递送到地面。开沟器刀片在种子管前面的土壤中形成沟槽或犁沟。犁规轮控制犁沟的深度，闭合轮随后闭合种子上方的犁沟。25、在典型的现有技术行单元中，种子是通过种子管从种子计量器递送到地面。相反，如本发明人在wo2020/227670中所公开的那样，种子定向圈插在种子管和犁沟之间。种子定向圈包括弯曲的种子路径和用于将空气流引导到弯曲路径的加压空气系统。空气流在种子平坦侧上将种子引导成种子尖端向下定向，并将种子沿着弯曲路径向下推动至种子出口路径。wo2020/227670中公开的优选实施例的弯曲路径具有螺旋形状并且包括种子引导壁和种子搭乘表面，并且优选实施例的加压空气系统包括多个喷嘴，以在弯曲路径上引导空气流径向分量并且从一系列外部通气孔排出。技术实现思路1、本发明的示例性实施例通过提供一种种子定向圈组件解决了现有技术的不足之处，所述种子定向圈组件配置成从农业行种植机接收随机定向的种子并且使种子移动通过限定弯曲的种子搭乘表面的弯曲通路。通过将空气经由空气喷射器喷嘴喷射到弯曲的种子搭乘表面上来产生空气流，并且通过经由通气孔从弯曲的种子搭乘表面径向向内排出空气来去除空气。利用空气动力、离心力和路径几何形状的某些组合，使得种子在空气流中稳定、对准并且被夹带在空气流中。种子出口配置成将种子排放到楔形犁沟中，将种子从空气流中脱出，并在犁沟被闭合轮覆盖之前将种子楔入犁沟中，从而将经对准的种子播种到土壤中，同时实现尖端朝下种子定向且胚芽朝向相邻行。2、在一种表现形式中，本发明是一种用于对种子进行定向并递送经定向的种子的种子定向圈组件。种子进入口配置成连接到农业种植机并且从农业种植机接收种子。种子定向圈限定了弯曲的种子搭乘表面，种子在所述弯曲的种子搭乘表面上行进并对准，所述弯曲的种子搭乘表面配置成从种子进入口接收种子。空气流具有至少平行分量，所述平行分量邻近弯曲的种子搭乘表面行进并夹带种子。空气流配置成将种子引导成种子尖端向下定向，其中种子在种子的平坦侧上与弯曲的种子搭乘表面接触，并且空气流配置成将种子沿着弯曲的种子路径向下推动到种子出口。3、在另一种表现形式中，本发明是通过使用具有种子路径的种子定向圈组件将种子播种在土壤中的种子行内的经定向位置中的方法。将种子从种子料斗转移到种子定向圈组件，并且将种子引导到种子路径上。种子被推动通过种子路径，同时使种子经受离心力。空气流被喷射到种子路径中并且夹带种子。空气流通过至少一个从种子路径径向向内延伸的通气孔排放。种子相对于种子路径对准到经对准位置并且响应于推动步骤保持处于经对准位置。种子在经对准位置中从经受离心力作用的种子路径移动到种子出口路径。在种子出口路径内的经对准位置中，从种子上移除离心力。种子以夹带在空气流中的经对准位置从种子出口路径喷出，并且以种子尖端朝下且种子胚芽横向于种子行指向的经定向位置进入土壤中。