高文杰， 宋學(xué)鋒， 戴 飛， 張鋒偉， 張方圓， 趙武云

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

施肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，而變量施肥技術(shù)作為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的一部分，是調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分平衡、保障作物實(shí)現(xiàn)良好生長及高產(chǎn)的關(guān)鍵[1]。變量施肥可根據(jù)田間土壤養(yǎng)分差異、作物長勢及機(jī)具行走速度等改變施肥量，從而提高肥料利用率，實(shí)現(xiàn)按需供給[2]，達(dá)到精準(zhǔn)施肥的效果。采用變量施肥技術(shù)進(jìn)行田間施肥作業(yè)，能減少作物收獲后的土壤氮?dú)埩襞c氮淋失，在達(dá)到最大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也收獲了環(huán)境效益[3]。

我國針對(duì)變量施肥技術(shù)的研究起步相對(duì)較晚。在機(jī)具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面：水平渦輪葉片式精量排肥器[4]、螺旋組合式集中供肥裝置[5]、氣力集排式分層施肥量調(diào)節(jié)裝置[6]、香蕉變量施肥機(jī)[7]、配比變量施肥裝置[8]等在一定程度能實(shí)現(xiàn)施肥量可調(diào)，但上述研究都是從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，較難保證排肥均勻性與變量控制準(zhǔn)確性。齊江濤[9]等基于藍(lán)牙技術(shù)可實(shí)時(shí)采集施肥機(jī)田間作業(yè)速度，該方法可集成到變量施肥機(jī)測速系統(tǒng)中。周利明[10]等基于電容法開發(fā)了施肥量在線實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)，能夠精準(zhǔn)識(shí)別排肥管路堵塞故障，對(duì)高精度變量施肥作業(yè)技術(shù)能起到有效支撐。趙碩[11]等采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)法研發(fā)了定位施肥控制系統(tǒng)，能夠識(shí)別定位施肥過程中的堵塞現(xiàn)象，具有實(shí)時(shí)獲取地速信息和施肥位置信息的功能。袁全春[12]等采用PID算法控制比例流量閥開度，調(diào)節(jié)排肥器驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速，可實(shí)現(xiàn)分層變量排肥，為果園分層變量施肥提供了技術(shù)支撐。張季琴[13]等通過改變施肥機(jī)排肥驅(qū)動(dòng)方式，設(shè)計(jì)了一種排肥單體獨(dú)立控制的雙變量施肥控制系統(tǒng)，能解決作業(yè)過程中根據(jù)實(shí)際田塊尺寸調(diào)整作業(yè)行數(shù)的難題。

本研究為解決變量施肥機(jī)械地速與排肥槽輪轉(zhuǎn)速匹配準(zhǔn)確率低的問題，基于尋跡傳感器工作原理設(shè)計(jì)了智能排肥試驗(yàn)臺(tái)，確定了地速(即傳送帶帶速)與排肥槽輪轉(zhuǎn)速匹配系數(shù)，建立了施肥機(jī)不同前進(jìn)速度下槽輪轉(zhuǎn)速配比，最后對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

智能排肥試驗(yàn)臺(tái)整體結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，主要由變速電機(jī)、臺(tái)架、變壓器、PG602紅外線顆粒計(jì)數(shù)傳感器、排肥管、驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、排肥盒、Arduino UNO R3單片機(jī)[14]、TCRT500尋跡傳感器構(gòu)成。紅外線顆粒計(jì)數(shù)傳感器安裝在排肥管末端，在排肥過程中檢測統(tǒng)計(jì)下落肥料顆粒數(shù)，尋跡傳感器置于臺(tái)架傳送帶上方，通過識(shí)別傳送帶上黑色膠帶通過的頻率判別傳送帶運(yùn)動(dòng)過程，并通過單片機(jī)反饋至排肥盒驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)排肥盒槽輪轉(zhuǎn)速。

1.2 工作原理

試驗(yàn)臺(tái)工作時(shí)，根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理以皮帶運(yùn)動(dòng)模擬施肥機(jī)田間運(yùn)動(dòng)[15-16]。皮帶表面每隔一定距離粘貼黑色膠帶，用做尋跡傳感器目標(biāo)識(shí)別，將紅外線顆粒計(jì)數(shù)傳感器安裝在排肥管末端、尋跡傳感器置于傳送帶上方20 mm處。本系統(tǒng)肥量調(diào)節(jié)具有手動(dòng)與自動(dòng)兩種控制模式。每當(dāng)?shù)谝淮螁?dòng)，系統(tǒng)都處于手動(dòng)模式，在手動(dòng)模式下可根據(jù)實(shí)際需要自行調(diào)節(jié)排肥盒槽輪轉(zhuǎn)速。當(dāng)切換到自動(dòng)模式下，黑色膠帶跟隨皮帶以不同頻率通過尋跡傳感器，此時(shí)尋跡傳感器識(shí)別黑色膠帶，電路板上綠燈亮，輸出端持續(xù)輸出高電平信號(hào)，并通過串行接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，單片機(jī)運(yùn)行肥料流量實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)排肥盒槽輪旋轉(zhuǎn)進(jìn)行排肥，并根據(jù)單片機(jī)反饋信息實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)槽輪轉(zhuǎn)速。當(dāng)肥料流經(jīng)排肥管末端時(shí)，紅外線顆粒計(jì)數(shù)傳感器識(shí)別并統(tǒng)計(jì)下落肥料顆粒數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變量施肥作業(yè)信息的采集、顯示及控制[17]。該系統(tǒng)基于尋跡傳感器測速原理，控制系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)與排肥器

本研究選用200 W交流調(diào)速電機(jī)作為傳送帶動(dòng)力，轉(zhuǎn)速最高可達(dá)1 350 r/min，選用小型驅(qū)動(dòng)馬達(dá)調(diào)節(jié)改變排肥盒槽輪轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速最高達(dá)150 r/min，可滿足排肥盒槽輪工作要求。

排肥盒作為智能排肥試驗(yàn)臺(tái)的執(zhí)行元件，具有重要作用[18-20]，其結(jié)構(gòu)參數(shù)可影響排肥均勻性，相較于其他排肥機(jī)構(gòu)，螺旋槽輪式排肥器具有更好的穩(wěn)定性，可有效降低施肥過程中出現(xiàn)的脈動(dòng)現(xiàn)象—“波峰波谷”[21]，降低排肥均勻度變異系數(shù)，提高碎肥效果而被廣泛應(yīng)用在施肥機(jī)械中。因此，本研究選用螺旋槽輪式排肥器作為智能排肥試驗(yàn)臺(tái)的排肥機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

螺旋排肥器槽輪旋轉(zhuǎn)一周的排肥量q可以按式(1)計(jì)算[22]。

(1)

式中：q為螺旋槽輪旋轉(zhuǎn)1周的排肥量，g/r；d為螺旋槽輪外徑，mm；L為螺旋槽輪有效工作長度，mm；λ為肥料密度，kg/m3；fq為單個(gè)螺旋凹槽截面積，mm2；t為螺旋凹槽節(jié)距，mm；α0為螺旋槽內(nèi)肥料充滿系數(shù)；φ為槽輪凹槽外側(cè)肥料帶動(dòng)系數(shù)。

以圖4所示的圓弧形凹槽為例，式(1)中凹槽截面積fq可由式(2)計(jì)算

(2)

式中：α為相鄰凹槽之間的節(jié)距角，rad；φ為凹槽的圓心角，rad；d為外槽輪外徑，mm；dg為槽輪根圓直徑，mm；r為凹槽圓弧半徑，mm。

2.2 尋跡傳感器

尋跡傳感器是該系統(tǒng)中最關(guān)鍵部分[23]，其測速性能直接影響槽輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，本研究所使用的TCRT500尋跡傳感器主要由紅外傳感器、指示燈、輸出端口(out)組成，大小為42 mm×10 mm，有效檢測距離為1～25 mm，其工作原理與實(shí)物如圖5所示。將其安裝在傳送帶上方20 mm處，同時(shí)在尋跡傳感器外側(cè)設(shè)計(jì)并安裝金屬屏蔽殼，以降低金屬臺(tái)架對(duì)傳感器的干擾。當(dāng)傳送帶運(yùn)動(dòng)時(shí)，黑色膠帶同傳送帶以不同頻率通過尋跡傳感器，此時(shí)尋跡傳感器的紅外發(fā)射模塊發(fā)射紅外線，當(dāng)遇見黑色膠帶時(shí)紅外光被吸收，紅外傳感器接收不到返回的紅外光線，即遇見黑色時(shí)尋跡傳感器輸出端輸出高電平，綠燈亮，遇見其他反射紅外光的顏色時(shí)輸出低電平，紅燈亮，傳感器將高電平信號(hào)通過串行接口輸入單片機(jī)，單片機(jī)運(yùn)行肥料流量實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，并根據(jù)高電平輸出時(shí)間差判別傳送帶處于加速、減速、勻速狀態(tài)并計(jì)算傳送帶帶速，傳送帶帶速可由式(3)計(jì)算。

圖5 尋跡傳感器工作原理與實(shí)物

(3)

式中：vd為傳送帶帶速，m/s；n為t時(shí)間內(nèi)高電平輸出次數(shù)；l為傳送帶上黑色膠帶間距，m；tn為高電平輸出n次所需時(shí)間，s。

3 性能試驗(yàn)

試驗(yàn)于2021年12月23日進(jìn)行，試驗(yàn)地點(diǎn)為甘肅省蘭州市甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)力學(xué)試驗(yàn)室，排肥器關(guān)鍵部件均使用3D打印技術(shù)加工而成，滿足施肥要求。試驗(yàn)材料選用農(nóng)業(yè)中常用的復(fù)合肥作為研究對(duì)象，肥料顆粒均勻，且無結(jié)塊現(xiàn)象，為了驗(yàn)證智能排肥試驗(yàn)臺(tái)的可靠性與準(zhǔn)確性，在自主設(shè)計(jì)的施肥試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行施肥量與相關(guān)傳感器性能的測量試驗(yàn)。

3.1 尋跡試驗(yàn)

尋跡傳感器工作時(shí)，其模塊上的紅外傳感器發(fā)射紅外線光，當(dāng)遇見黑色物體時(shí)紅外光線被吸收，尋跡傳感器接收不到反饋信號(hào)，輸出端輸出高電平且綠色指示燈亮，反之則輸出低電平。根據(jù)其工作原理分析，光照強(qiáng)度是影響尋跡傳感器檢測性能的重要因素之一，考慮到施肥機(jī)械田間作業(yè)環(huán)境，分別在5種不同時(shí)間段環(huán)境下測量尋跡傳感器的精準(zhǔn)度。將傳送帶以不同的速度通過尋跡傳感器下方1 000次，即在不同速度下尋跡傳感器輸出端輸出高電平的次數(shù)為固定，在此條件下對(duì)尋跡傳感器的檢測性能進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表1。

表1 尋跡傳感器性能檢測表

由表1可知，光線強(qiáng)度對(duì)尋跡傳感器的檢測性能無太大影響，即尋跡傳感器能很好適應(yīng)施肥機(jī)械田間工作環(huán)境，這是因?yàn)閷ほE傳感器自帶紅外線發(fā)射模塊，太陽等可見光對(duì)尋跡傳感器所發(fā)射的紅外光線基本無影響，但通過上表可見，當(dāng)傳送帶帶速逐漸增加時(shí)，尋跡傳感器的檢測性能略有下降，即輸出高電平信號(hào)的次數(shù)有所減少，這是因?yàn)楫?dāng)帶速逐漸增加，黑色膠帶通過尋跡傳感器的頻率超過了尋跡傳感器的響應(yīng)時(shí)間，導(dǎo)致出現(xiàn)漏測現(xiàn)象，影響尋跡傳感器的檢測性能。

3.2 傳送帶加減速過程

尋跡傳感器對(duì)傳送帶加減速狀態(tài)的判別是影響排肥均勻性的重要因素，為探究尋跡傳感器在不同增速目標(biāo)下的加減速識(shí)別過程，分別設(shè)置1.0、0.9、0.8、0.7 m/s等4種增速目標(biāo)，傳送帶由靜止開始加速，逐漸加速至增速目標(biāo)時(shí)進(jìn)行勻速運(yùn)動(dòng)，通過程序窗口分別實(shí)時(shí)記錄當(dāng)前所測速度、時(shí)間等信息，并進(jìn)行保存[24]，并對(duì)加減速過程速記錄的速度進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果分別如圖6、圖7所示，進(jìn)行各增速目標(biāo)下的殘差分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 加速與減速過程擬合曲線殘差平方和

圖6 不同目標(biāo)速度的實(shí)際加速過程與擬合曲線

圖7 不同目標(biāo)速度的實(shí)際減速過程與擬合曲線

由不同目標(biāo)速度下的實(shí)際增減速過程擬合曲線圖可知，當(dāng)傳送帶速度由靜止分別增長至0.7、0.8、0.9、1.0 m/s時(shí)尋跡傳感器所測速度與理論實(shí)際增長速度擬合效果較好。由表2知當(dāng)增速目標(biāo)逐漸增大時(shí)，尋跡傳感器所測實(shí)際速度與理論速度曲線擬合程度逐漸減小，殘差平方和呈現(xiàn)小范圍的增長。主要由于當(dāng)傳送帶速度增快時(shí)，尋跡傳感器響應(yīng)越快，當(dāng)響應(yīng)程度達(dá)到一定峰值時(shí)會(huì)出現(xiàn)一定程度的漏測現(xiàn)象，影響對(duì)傳送帶加減速過程的判定，故當(dāng)增速目標(biāo)為0.7 m/s時(shí)，尋跡傳感器對(duì)于增速與減速過程判別效果最好，綜上所述尋跡傳感器對(duì)于實(shí)際施肥機(jī)械的增減速過程能夠做出有效地判斷。

3.3 測速模式對(duì)排肥的影響

為明確傳送帶在加減速過程中對(duì)螺旋槽輪實(shí)際轉(zhuǎn)速的影響，分別設(shè)置傳送帶由靜止開始加速，增速目標(biāo)分別為1.2、1.0、0.9、0.8、0.7 m/s等5種速度，當(dāng)傳送帶達(dá)到目標(biāo)速度后進(jìn)行勻速運(yùn)動(dòng)，并使用轉(zhuǎn)速表實(shí)時(shí)檢測記錄螺旋槽輪的轉(zhuǎn)速，檢測轉(zhuǎn)速曲線如圖8所示，在不同增速目標(biāo)下的槽輪轉(zhuǎn)速配比見表3。

圖8 加減速過程螺旋槽輪轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

表3 不同增速目標(biāo)下槽輪轉(zhuǎn)速配比

由圖8(a)可知，在加速過程中螺旋槽輪隨傳送帶帶速逐漸增加呈線性增加趨勢，當(dāng)傳送帶帶速達(dá)到目標(biāo)速度后，螺旋槽輪轉(zhuǎn)速出現(xiàn)一定范圍的上下波動(dòng)，即槽輪轉(zhuǎn)速以一定的穩(wěn)態(tài)誤差趨于穩(wěn)定值。由圖8(b)可知，在減速過程中，螺旋槽輪轉(zhuǎn)速呈線性減少的趨勢，無較大波動(dòng)，說明在加速與減速過程中，螺旋槽輪能夠均勻地進(jìn)行排肥。由表3可知，在5種增速目標(biāo)下，螺旋槽輪轉(zhuǎn)速與傳送帶帶速之間的轉(zhuǎn)速配比基本為0.56，表明當(dāng)傳送帶帶速發(fā)生改變時(shí)，螺旋槽輪平均轉(zhuǎn)速也以一定比例發(fā)生改變，以達(dá)到精準(zhǔn)施肥的效果。

4 結(jié)論

(1)本研究基于尋跡傳感器、單片機(jī)、排肥盒、電機(jī)等設(shè)備搭建了智能排肥試驗(yàn)臺(tái)，提出并完成了基于尋跡傳感器測速原理的顆粒肥料變量施肥程序。

(2)在5種不同時(shí)間段環(huán)境下尋跡傳感器測速性能對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，光線強(qiáng)度對(duì)尋跡傳感器的檢測性能無太大影響，測量精確率均在98%以上。但傳送帶帶速對(duì)尋跡傳感器檢測性能略有影響，當(dāng)帶速超過尋跡傳感器響應(yīng)時(shí)間，則出現(xiàn)漏測現(xiàn)象，影響尋跡傳感器檢測性能。

(3)以0.7、0.8、0.9、1.0 m/s等4種速度為目標(biāo)，研究了尋跡傳感器對(duì)傳動(dòng)帶加減速過程的識(shí)別效果。結(jié)果表明，當(dāng)增速目標(biāo)逐漸增大，尋跡傳感器所測實(shí)際速度與理論速度的擬合程度逐漸減小，殘差平方和呈現(xiàn)小范圍的增長，當(dāng)增速目標(biāo)為0.7 m/s時(shí)，尋跡傳感器對(duì)于傳送帶增速與減速過程的判別效果最好。

(4)測速模式對(duì)排肥影響試驗(yàn)結(jié)果表明，加速過程中螺旋槽輪隨傳送帶帶速增加逐漸增加呈線性增加趨勢，當(dāng)傳送帶帶速達(dá)到目標(biāo)速度后，螺旋槽輪轉(zhuǎn)速出現(xiàn)一定范圍的上下波動(dòng)，在減速過程中，螺旋槽輪轉(zhuǎn)速呈線性減少的趨勢，無較大波動(dòng)，說明在加速與減速過程中，螺旋槽輪能夠均勻進(jìn)行排肥。