何義川，楊毅，弋曉康，王維鵬

(1.塔里木大學(xué)機械電氣化工程學(xué)院,新疆阿拉爾,843300;2.新疆維吾爾自治區(qū)教育廳普通高等學(xué)校現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點實驗室,新疆阿拉爾,843300)

0 引言

變量施肥不僅可以節(jié)約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本,還可以通過測土配方技術(shù)滿足植物的需肥量差異使之增產(chǎn)增收。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部《“十四五”全國農(nóng)業(yè)農(nóng)村科技發(fā)展規(guī)劃》中指出,應(yīng)用測土配方新技術(shù),開發(fā)農(nóng)業(yè)新裝備新產(chǎn)品,保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)的綠色發(fā)展,實現(xiàn)高水平的農(nóng)業(yè)戰(zhàn)略布局是新的發(fā)展方向。2020年我國果園種植面積12 646 khm2,其中農(nóng)用化肥施用量52 507 kt[1];高效、智能、精細(xì)是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化施肥的發(fā)展趨勢,而變量施肥是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)關(guān)鍵一環(huán)。但由于目前變量施肥的體系較不完善,導(dǎo)致施肥時效性較差,精準(zhǔn)施肥功能難以實現(xiàn)。技術(shù)集成性差并且產(chǎn)品成本較為高昂也使得變量施肥技術(shù)難以推廣應(yīng)用?，F(xiàn)根據(jù)已經(jīng)測土完成的施肥處方圖以及同北斗導(dǎo)航技術(shù)相結(jié)合開發(fā)的變量施肥機擬在得到更好的變量施肥技術(shù)和結(jié)果。

國內(nèi)學(xué)者在研究變量系統(tǒng)匹配執(zhí)行元件的過程中,發(fā)現(xiàn)其大田作物的實際應(yīng)用中具有較大的發(fā)展前景[9]。例如對電控液壓馬達作為變量施肥執(zhí)行機構(gòu)[10],使用多系統(tǒng)、多單元分量控制的變量施肥系統(tǒng)都具有良好的適用性[11]。針對肥料性質(zhì)和測土配方技術(shù)進行的要素分施和種肥分施,使用計算機算法在控制系統(tǒng)中對肥料配比和施肥組件的控制研究都具有良好的適用性。變量控制系統(tǒng)和施肥機控制系統(tǒng)更加趨于完善,有效地減少了變量施肥成本并提高了施肥機的效率。但針對槽輪式排肥器漏肥準(zhǔn)確性研究仍存在較多不足[12],需要針對變量系統(tǒng)匹配與修正排肥電機轉(zhuǎn)速與影響因素方面進行探究[13],對修正施肥誤差做進一步分析。

基于此,本文基于點定位技術(shù)的變量施肥控制系統(tǒng),對槽輪式排肥器的施肥準(zhǔn)確性進行探究。

1 基于自動導(dǎo)航的變量施肥系統(tǒng)簡介

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)與基本原理

一種基于自動導(dǎo)航的變量施肥系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。主要由導(dǎo)航定位與作業(yè)規(guī)劃系統(tǒng)和基于施肥處方圖的精準(zhǔn)施肥系統(tǒng)組成。

基于自動導(dǎo)航的變量施肥系統(tǒng)基本原理是,導(dǎo)航系統(tǒng)接收衛(wèi)星信號進行定位,中央控制系統(tǒng)控制動力部分的終端元件進行轉(zhuǎn)向與掉頭,當(dāng)收到作業(yè)任務(wù)時,由人工或計算機算法規(guī)劃行走路線與轉(zhuǎn)向點;當(dāng)需要進行施肥作業(yè)時,使用點定位技術(shù)獲取所在坐標(biāo)的數(shù)據(jù)庫數(shù)值,數(shù)據(jù)庫的數(shù)值是提前通過遙感技術(shù)和光譜技術(shù)采集的該地塊施肥處方圖轉(zhuǎn)化后輸入的。施肥處方圖經(jīng)過反演等過程來獲得當(dāng)前地塊缺肥的指標(biāo)值,將已按農(nóng)藝要求計算好的施肥量值以及按熱力值得出的處方圖輸入圖像處理軟件,圖像處理與步進數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化軟件按不同的施肥差異要求進行施肥量等級的調(diào)整,經(jīng)過步進數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化后的地塊施肥量值存入在數(shù)據(jù)庫中,可供變量施肥系統(tǒng)隨時讀取?？刂撇圯喪脚欧势鞯目刂破髯x取到該地塊的施肥數(shù)據(jù)時,自動打開串口調(diào)試系統(tǒng),將數(shù)據(jù)上傳,步進電機方可按程序設(shè)定的步進值進行排肥作業(yè),當(dāng)施肥機進入下一個設(shè)定長度的施肥點時,再次使用點定位技術(shù)讀取當(dāng)前施肥數(shù)據(jù)。設(shè)定的點定位的區(qū)分值可以在中央控制系統(tǒng)或?qū)Ш较到y(tǒng)進行設(shè)定,設(shè)定值越小,根據(jù)施肥處方圖施肥的精確度越高。

1.2 排肥器控制程序設(shè)計流程

針對上位機系統(tǒng)設(shè)置變量施肥的研究與基于算法[13]修正可提高施肥準(zhǔn)確性。施肥量精準(zhǔn)度修正圖如圖2所示,施肥量精準(zhǔn)度修正指的是應(yīng)對槽輪式排肥器施肥量不隨轉(zhuǎn)速比例增加的問題,修正施肥量準(zhǔn)確度時,采用躍遷轉(zhuǎn)速的方法,即使用理論范圍內(nèi)更高一級的轉(zhuǎn)速修正應(yīng)達到的轉(zhuǎn)速值,例如以120 r/min的轉(zhuǎn)速代替100 r/min的槽輪轉(zhuǎn)速,因為槽輪式施肥器的轉(zhuǎn)速增大時,達不到所設(shè)定轉(zhuǎn)速的漏肥量,而更高一級的轉(zhuǎn)速值可以代替設(shè)定值進行正常工作[14-15]。

轉(zhuǎn)速修正流程是首先測定單位時間內(nèi)各個轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的漏肥量,調(diào)整轉(zhuǎn)速值以適應(yīng)槽輪式排肥器的準(zhǔn)確度;其次進行排肥試驗測定施肥量與相對于理論值的匹配度,如果有差異或不符合預(yù)期的施肥準(zhǔn)確度則返回再次進行修正。

1.3 施肥處方圖圖像分解與定位

施肥處方圖區(qū)域劃分示例與轉(zhuǎn)化后的步進數(shù)據(jù)如圖3所示,處方圖經(jīng)區(qū)域劃分后(圖3(a)),每個區(qū)分值的坐標(biāo)都對應(yīng)相應(yīng)的地塊施肥處方圖的定值,經(jīng)處理轉(zhuǎn)化為步進數(shù)據(jù)的數(shù)字信號圖(圖3(b)),按照等級劃分的施肥區(qū)域以點坐標(biāo)的形式存入數(shù)據(jù)庫中,這里的步進數(shù)據(jù)是經(jīng)過施肥量準(zhǔn)確度修正后的值。

(a) 施肥處方圖區(qū)域劃分

建立串口調(diào)試時[16],開放控制板的使能引腳和高低電平引腳,設(shè)置Arduino的循環(huán)程序(編譯完成的程序如圖4所示),待編譯完成后,燒錄進以串口開放的通訊開發(fā)板中,輸入編譯的選擇數(shù)字,輸入的數(shù)字即為上述代表施肥處方的數(shù)據(jù),中間除1～9的執(zhí)行數(shù)字以外,自動跳過無關(guān)的數(shù)字和字母,在輸入的程序設(shè)置循環(huán)程序,將時鐘端引入,調(diào)用點數(shù)據(jù)時,可以根據(jù)輸出的時間判斷系統(tǒng)執(zhí)行的情況[17-18]。

圖4 串口調(diào)試系統(tǒng)的調(diào)用狀態(tài)

該系統(tǒng)可利用點定位技術(shù)[19]隨時調(diào)取云端數(shù)據(jù)庫的變量施肥處方數(shù)據(jù),達到精確施肥的目的。

2 仿真計算與分析

2.1 參數(shù)擬定和模型選擇

槽輪式排肥器的漏肥量與槽輪轉(zhuǎn)速的增加呈非線性關(guān)系,存在一定的衰減現(xiàn)象,其原因與詳細(xì)數(shù)據(jù)難以憑借排肥器和控制系統(tǒng)進行分析[12],因此進行離散元分析,使用EDEM導(dǎo)入排肥器模型與有機顆粒肥相關(guān)參數(shù)進行仿真分析[19]。

利用中化化肥生產(chǎn)的有機肥料顆粒作為試驗對象進行仿真模擬,其狀態(tài)為黑色硬質(zhì)球形包衣型顆粒有機肥,測得顆粒的粒徑分布,輸入單個顆粒,選擇Single sphere。根據(jù)統(tǒng)計的粒徑分布,對Size Distribution進行設(shè)置,選擇User defined進行更改粒徑分布,三種基礎(chǔ)平均半徑分別為1.8 mm、2.2 mm、2.7 mm,相對于基礎(chǔ)平均半徑的比例分別為1、1.22、1.5。至此,仿真產(chǎn)生的顆粒有機肥即含有三種不同的粒徑。

設(shè)置材料的基本參數(shù),其泊松比和剪切模量的參數(shù)如表1所示[16]。

表1 材料基本參數(shù)

擬定材料的接觸參數(shù),輸入進離散元分析基本材料特征中,基本接觸參數(shù)如表2所示。由于顆粒間無黏結(jié)現(xiàn)象,含水率較低,按照相關(guān)文獻[20-21],使用Hertz-Mindlin(No slip)模型進行仿真計算。

表2 材料基本接觸參數(shù)

2.2 后處理階段

在進行仿真過程中選取了1 000粒肥料顆粒進行試驗,在此選取入料口范圍的100粒肥料顆粒進行軌跡循跡(圖5),其中選取顏色代表顆粒的受力值,藍色為min,紅色為max,其在入料口范圍的顆粒軌跡無回彈現(xiàn)象,軌跡皆為向下,其在入料口些許粒子有蠕動軌跡,其為粒子相互擠壓形成的,槽輪葉片對肥料的沖擊作用不存在或影響很小。

圖5 入料口顆粒受力與運動軌跡圖

選取通過槽輪式排肥器的部分顆粒,輸出其在0～2 s的軌跡圖如圖6所示,其通過施肥機的肥料顆粒無回彈現(xiàn)象,全部為向下運動。

圖6 穿過槽輪式排肥器的顆粒受力與運動軌跡圖

選取任意時刻肥料在槽輪運動狀態(tài)的圖像,如圖7所示,可看出槽輪在轉(zhuǎn)過限位梳齒時仍不與下凹槽面進行接觸,說明肥料重力狀態(tài)下未能及時填充至凹槽中,其為槽輪式施肥器的本身缺陷,也驗證了施肥口并不存在堵塞現(xiàn)象。

圖7 槽輪凹槽顆粒與內(nèi)板形成的空隙

2.3 入料口顆粒受力變化分析

對穩(wěn)定后的1～2 s內(nèi)的顆粒在入料口受力值進行導(dǎo)出分析,如圖8～圖10所示。

圖8 1～2 s內(nèi)入料口顆粒受力最小值變化圖

圖9 1～2 s內(nèi)入料口顆粒受力最大值變化圖

圖10 1～2 s內(nèi)入料口顆粒受力平均值變化圖

顆粒在取值最小值與平均值時的受力均為正值,可認(rèn)為100粒顆粒在施肥入料口不存在反向的擠壓力,或其受到的反向擠壓力不會導(dǎo)致施肥準(zhǔn)確性的明顯下降(其中Total Force表示顆粒群在1～2 s內(nèi)的受力)。說明槽輪對肥料的反推作用對施肥準(zhǔn)確率的影響很小。

2.4 排肥器漏肥量統(tǒng)計

在EDEM中添加一個計數(shù)器(圖11),將規(guī)定時間段內(nèi)通過的顆粒質(zhì)量疊加值作為統(tǒng)計數(shù)據(jù),導(dǎo)出漏肥量如表3所示。

表3 60 r/min工況下仿真計算的標(biāo)定漏肥量統(tǒng)計

圖11 添加計數(shù)框以統(tǒng)計漏肥量

當(dāng)設(shè)定排肥槽輪轉(zhuǎn)速為60 r/min,排肥器每轉(zhuǎn)的排肥量為1 s內(nèi)的統(tǒng)計值,計算得出每轉(zhuǎn)排肥量結(jié)果為98.047 g。

為驗證設(shè)計試驗的準(zhǔn)確性,在上述接觸參數(shù)和仿真模型的基礎(chǔ)上,分別取60 r/min、80 r/min、100 r/min、120 r/min、150 r/min、170 r/min、200 r/min這七個等級作為轉(zhuǎn)速的設(shè)定值進行仿真計算,輸出30 s內(nèi)的仿真計算漏肥量如表4所示。

表4 不同轉(zhuǎn)速工況下30 s的漏肥量

3 田間驗證試驗與分析

使用履帶式變量施肥機作為試驗平臺進行田間試驗,其履帶式變量施肥機的基本參數(shù)如表5所示。

表5 履帶式施肥機設(shè)計參數(shù)

履帶式開溝施肥機進行試驗時,開溝漏肥的過程自動覆土,在停轉(zhuǎn)覆土機構(gòu)后會導(dǎo)致肥料播撒在溝中與土混合難以計數(shù)(圖12(a)),因此采用停轉(zhuǎn)開溝機構(gòu)并在后方覆膜的試驗方法(圖12(b)),按試驗指標(biāo)和方法開啟或關(guān)閉施肥機和變量系統(tǒng),將膜上的肥料收集并統(tǒng)計其質(zhì)量[20-21]。

進行田間試驗時,測得60 r/min時漏肥量的數(shù)據(jù)如表6所示,其單轉(zhuǎn)平均漏肥量為96.48 g,與仿真計算的計數(shù)統(tǒng)計單轉(zhuǎn)98.047 g較為相近,仿真結(jié)果具有一定的參考意義。

表6 田間試驗中60 r/min下漏肥量統(tǒng)計

在進行田間試驗時采用直流電機排肥器進行施肥,讀取到串口的轉(zhuǎn)速設(shè)定值如表7所示,取30 s的工作區(qū)間,分別測得60 r/min、80 r/min、100 r/min下30 s的漏肥量,9次試驗的準(zhǔn)確率取平均值為95.91%。

表7 使用直流電機排肥器施肥準(zhǔn)確性試驗

將變量施肥系統(tǒng)應(yīng)用到排肥器上進行田間試驗,讀取到串口的轉(zhuǎn)速設(shè)定值如表8所示,取30 s的工作區(qū)間,則目標(biāo)值為基于60 r/min的標(biāo)定轉(zhuǎn)速計算的30 s的漏肥量,由于施肥量的矯正程序采用躍遷轉(zhuǎn)速的方法,相對于80 r/min的系統(tǒng)設(shè)定轉(zhuǎn)速應(yīng)為84 r/min;相對于100 r/min的系統(tǒng)設(shè)定轉(zhuǎn)速為144 r/min。9次試驗的準(zhǔn)確率取平均值為98.96%,其實際作業(yè)過程中受開溝裝置的震動影響或復(fù)雜地形情況下震動影響會使誤差率有所變化。

表8 變量系統(tǒng)下修正后的施肥準(zhǔn)確性試驗

通過表7和表8的對比得出在相同工況下,直流電機排肥器準(zhǔn)確率平均值為95.91%,應(yīng)用變量施肥系統(tǒng)的槽輪式排肥器平均準(zhǔn)確率為98.96%,變量系統(tǒng)修正后的準(zhǔn)確率提高了3.05%。

將仿真計算的結(jié)果與田間試驗作比較,如表9所示,平均誤差率為3.11%。因此,使用顆粒有機肥時,入料口槽輪葉片的反推作用對施肥準(zhǔn)確率影響較小。

表9 仿真計算與田間試驗漏肥量對比

影響排肥器漏肥準(zhǔn)確性的主要因素是顆粒肥料沒有在槽輪凹槽承接肥料的時間內(nèi)進入凹槽,造成肥料顆粒與槽輪之間存在間隙,屬于槽輪式排肥器的基本誤差,其使用變量系統(tǒng)的修正與調(diào)整后誤差較小,滿足變量施肥的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

1) 介紹了一種基于點定位技術(shù)的變量施肥控制系統(tǒng),針對應(yīng)用于槽輪式排肥器的施肥準(zhǔn)確性進行探究。

2) 使用離散元方法,模擬顆粒肥料在肥料箱與施肥組件中的運動規(guī)律,將仿真結(jié)果與田間試驗結(jié)果對比分析得知,肥料顆粒在入料口受槽輪葉片的反推力作用對施肥準(zhǔn)確性的影響較小,影響施肥準(zhǔn)確性的原因是肥料在槽輪葉片旋轉(zhuǎn)時沒有及時填滿凹槽,導(dǎo)致施肥量不成比例增加,同時通過仿真與田間試驗證明可通過變量施肥系統(tǒng)來達到提高排肥器準(zhǔn)確率的目的。

3) 通過田間試驗可知,田間試驗與仿真結(jié)果的漏肥量平均誤差率為3.11%,誤差率較小,仿真結(jié)果與結(jié)論具有一定的合理性,為樣機的進一步改進優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。