張季琴，劉 剛，張東峰，姜碧瓊，仁重義

(1.寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，寧夏銀川 750021；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

化肥對(duì)提高作物產(chǎn)量，保障糧食安全具有重要作用[1]。中國(guó)是世界上最主要的化肥生產(chǎn)和施用大國(guó)[2]。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)，1979—2020年，我國(guó)化肥施用總量從1 086.3萬(wàn) t增加到5 250.7萬(wàn) t，化肥施用強(qiáng)度也從73.16 kg/hm2增加到 325.68 kg/hm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出發(fā)達(dá)國(guó)家防止化肥對(duì)水體造成污染的化肥施用上限值225 kg/hm2[3]。糧食作物平均過(guò)量施肥程度平均達(dá)到36.94%[2]，但肥料的利用率僅為30%～40%，單位質(zhì)量化肥投入帶來(lái)的糧食增產(chǎn)不斷減少[4-6]。肥料施用量的增加和利用效率的下降，不僅造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，還帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境污染，如耕地土壤結(jié)構(gòu)破壞、土壤板結(jié)和鹽堿化[7]、水環(huán)境惡化[8]以及二氧化碳排放增加[9]等。2021年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、科學(xué)技術(shù)部等印發(fā)《“十四五”全國(guó)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》，提出“以化肥減量增效為重點(diǎn)，集成推廣科學(xué)施肥技術(shù)，培育扶持一批專(zhuān)業(yè)化服務(wù)組織，開(kāi)展肥料統(tǒng)配統(tǒng)施社會(huì)化服務(wù)，鼓勵(lì)農(nóng)企合作推進(jìn)測(cè)土配方施肥”的工作部署。因此，在保證糧食安全的同時(shí)實(shí)施按需投入的變量施肥方案，逐步建立科學(xué)的施肥管理技術(shù)體系，這是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的關(guān)鍵。變量施肥裝備作為化肥“減量增效”的重要載體，其控制技術(shù)的研究和分析對(duì)于引導(dǎo)智能變量施肥裝備開(kāi)發(fā)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、綠色發(fā)展具有重要意義。因此，本試驗(yàn)系統(tǒng)分析固體顆粒肥變量撒施控制技術(shù)，重點(diǎn)闡述國(guó)內(nèi)外在變量撒施、條施控制和作業(yè)監(jiān)測(cè)方面的研究進(jìn)展，并對(duì)目前存在的技術(shù)問(wèn)題提出建議，為改變我國(guó)變量撒施裝備研究技術(shù)現(xiàn)狀、促進(jìn)變量施肥技術(shù)發(fā)展提供參考。

1 變量施肥技術(shù)概況

變量施肥技術(shù)能夠根據(jù)土壤和作物營(yíng)養(yǎng)狀況，按需精準(zhǔn)投入肥料，有效降低肥料使用量，提高作物產(chǎn)量，在提高肥料利用率的同時(shí)減少土壤養(yǎng)分空間差異，減少環(huán)境污染，是現(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)的重要組成部分[10]。胡中澤等認(rèn)為，變量施肥技術(shù)能夠有效提高玉米、小麥、水稻對(duì)氮肥、磷肥、鉀肥的利用率[11-13]；陳靜等認(rèn)為，平衡土壤養(yǎng)分含量、改善土壤結(jié)構(gòu)，具有良好的推廣價(jià)值[14]。國(guó)外變量施肥技術(shù)發(fā)展較早，已形成完整的變量施肥技術(shù)體系，具有成熟的變量智能化作業(yè)裝備，已實(shí)現(xiàn)商品化、規(guī)模化的推廣和應(yīng)用[15-16]。截至2015年年底，美國(guó)變量施肥技術(shù)的應(yīng)用范圍達(dá)到63.6%[17]，在澳大利亞、加拿大以及一些歐盟國(guó)家也有一定的應(yīng)用，并取得較好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益[18]。我國(guó)在20世紀(jì)90年代以后開(kāi)始精細(xì)農(nóng)業(yè)的研究，變量施肥裝備的研究主要以消化吸收再創(chuàng)新為主，經(jīng)過(guò)科研人員多年的努力，已取得一定的成果，但我國(guó)農(nóng)作物種植模式多種多樣，各地區(qū)地形、地貌差異較大，現(xiàn)有變量施肥技術(shù)裝備沒(méi)有得到大規(guī)模的推廣應(yīng)用。變量施肥的實(shí)現(xiàn)方式主要有基于實(shí)時(shí)傳感器和基于處方圖2種，其核心是對(duì)施肥量進(jìn)行變量控制。工況信息如作業(yè)車(chē)速、排肥驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)速、排肥量信息等的實(shí)時(shí)檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)施肥量準(zhǔn)確控制的基礎(chǔ)。根據(jù)施入方式不同，固體顆粒肥的變量施用方式主要有撒施和條施2種。顆粒肥變量撒施控制技術(shù)主要包括撒施量控制與作業(yè)監(jiān)測(cè)。撒施量控制主要包括離心變量撒施技術(shù)和條播變量施肥技術(shù)。作業(yè)監(jiān)測(cè)主要包括工況信息監(jiān)測(cè)技術(shù)和排肥流量檢測(cè)技術(shù)(圖1)。

2 撒施量控制技術(shù)

固體顆粒肥變量施肥裝備是變量撒施技術(shù)實(shí)施的載體，其關(guān)鍵是對(duì)撒施量的精準(zhǔn)控制。排肥器作為肥料撒施的直接執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了控制方式。撒施裝備主要有離心撒肥機(jī)、條播施肥機(jī)兩大類(lèi)，其變量撒施控制技術(shù)如下。

2.1 離心變量撒肥技術(shù)

離心撒肥機(jī)一般利用圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力將肥料拋灑出去，具有撒施幅寬大、作業(yè)效率高等特點(diǎn)，但肥料撒施橫向穩(wěn)定性較低，一般應(yīng)用于大規(guī)模田塊基肥、追肥作業(yè)[19]。撒肥機(jī)下料口的開(kāi)度決定了排肥量，撒肥圓盤(pán)的轉(zhuǎn)速和結(jié)構(gòu)參數(shù)影響肥料撒施幅寬與分布均勻性。因此，變量撒肥機(jī)的控制技術(shù)主要包括下料口尺寸控制技術(shù)以及撒肥圓盤(pán)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化技術(shù)。

2.1.1 下料口尺寸控制技術(shù) 變量撒肥機(jī)一般通過(guò)液壓馬達(dá)或電機(jī)對(duì)下料口尺寸進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)撒肥量的精準(zhǔn)控制[20-21]。根據(jù)排肥口位置不同，撒肥量控制方式主要有2種，第1種是肥箱側(cè)面排肥，即在肥箱側(cè)面開(kāi)排肥口，通過(guò)控制排肥門(mén)的開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)排肥量的調(diào)節(jié)；第2種是肥箱底部排肥，即在肥箱底部開(kāi)排肥口，通過(guò)調(diào)節(jié)排肥裝置動(dòng)盤(pán)相對(duì)于定盤(pán)的轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)排肥量的調(diào)節(jié)(表1)。

表1 撒肥機(jī)下料口結(jié)構(gòu)形式

肥箱側(cè)面排肥方式通過(guò)液壓馬達(dá)或電機(jī)驅(qū)動(dòng)排肥門(mén)上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)撒肥量變量調(diào)節(jié)。國(guó)外如Fulton等研發(fā)出一種利用液壓比例閥控制排肥門(mén)開(kāi)度的雙邊盤(pán)變量撒施機(jī)，建立了撒肥量分布模型，并對(duì)不同施肥量下開(kāi)環(huán)控制、閉環(huán)控制以及手動(dòng)控制的作業(yè)性能進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明，閉環(huán)控制方式具有更好的控制精度和變量施肥一致性[22-24]。Kweon等分析肥箱側(cè)面排肥、肥箱底部2種下料方式的肥料分布特性，針對(duì)大排量情況下肥料撒施均勻性低的問(wèn)題提出優(yōu)化控制方法，并提高了肥料撒施的均勻性[25]。國(guó)內(nèi)如張睿等研發(fā)的鏈條輸送式拋撒機(jī)，采用電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)排肥門(mén)移動(dòng)，位移傳感器實(shí)時(shí)獲取開(kāi)度位置信息作為反饋，對(duì)排肥門(mén)開(kāi)度進(jìn)行閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)排肥量變量調(diào)節(jié)，填補(bǔ)了中國(guó)變量撒肥機(jī)械的空白[20]。現(xiàn)有變量撒肥機(jī)大多采用肥箱底部排肥方式，通過(guò)液壓馬達(dá)或電機(jī)驅(qū)動(dòng)肥箱底部排肥動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)撒肥量的調(diào)節(jié)。國(guó)外如Han 等研發(fā)出一種單元盤(pán)撒肥機(jī)，在排肥動(dòng)盤(pán)兩側(cè)連接電動(dòng)推桿，可以實(shí)現(xiàn)排肥動(dòng)盤(pán)雙向調(diào)節(jié)，并分析下料口調(diào)節(jié)方向?qū)Ψ柿先鍪┚鶆蛐缘挠绊?，?gòu)建撒肥量控制模型，提出一種優(yōu)化控制方法，根據(jù)目標(biāo)撒肥量選擇下料口調(diào)節(jié)方向，改善撒肥均勻性[22]；國(guó)內(nèi)如施印炎等研發(fā)出一種采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪齒條結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)排肥動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)角，實(shí)現(xiàn)施肥量自動(dòng)調(diào)節(jié)的雙圓盤(pán)變量撒肥機(jī)[21，24]，并對(duì)齒輪齒條、電動(dòng)推桿、絲杠滑塊3種下料口尺寸調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析[25-27]，結(jié)果表明，對(duì)同一目標(biāo)旋轉(zhuǎn)角，電子推桿下料口調(diào)節(jié)裝置的響應(yīng)時(shí)間最短。

2.1.2 撒肥圓盤(pán)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化技術(shù) 撒肥圓盤(pán)是離心式變量撒肥機(jī)的核心部件，主要由撒肥盤(pán)、葉片、勻肥罩等組成。肥料從下料口落下之后進(jìn)入勻肥罩，經(jīng)勻肥出口，通過(guò)撒肥圓盤(pán)的離心力撒施出去，主要有單圓盤(pán)和雙圓盤(pán)2種結(jié)構(gòu)。變量撒肥機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)如圓盤(pán)直徑、葉片形狀、葉片轉(zhuǎn)角等均會(huì)影響撒施肥料的分布特性[26]，為了進(jìn)一步提高撒肥機(jī)橫向撒施的均勻性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于離散單元法(DEM)、多因素響應(yīng)面分析法等對(duì)撒肥圓盤(pán)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。van Liedekerke等分析德國(guó)AMAZOME的ZA-M懸掛式雙圓盤(pán)撒肥機(jī)施肥過(guò)程中的顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡，采用離散單元法研究撒肥圓盤(pán)直徑、葉片形狀、葉片長(zhǎng)度、安裝角等對(duì)撒肥分布的影響[27-28]。Przywara分析撒肥圓盤(pán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如撒肥盤(pán)轉(zhuǎn)速、葉片角度和撒肥盤(pán)轉(zhuǎn)速對(duì)撒施效果的影響，發(fā)現(xiàn)平均撒施角受到撒肥盤(pán)肥料喂入角、撒肥盤(pán)葉片角和肥料種類(lèi)的影響，平均撒施直徑受撒肥盤(pán)轉(zhuǎn)速影響[29]。Shi等通過(guò)基于EDEM軟件的仿真撒肥試驗(yàn)，分析葉片傾角、撒肥高度及撒肥圓盤(pán)轉(zhuǎn)速對(duì)撒肥均勻性的影響，并獲得了最佳控制參數(shù)組合[30]。Yang等對(duì)3種不同類(lèi)型肥料的撒肥過(guò)程進(jìn)行仿真試驗(yàn)[31-32]；通過(guò)設(shè)計(jì)響應(yīng)面分析和單因素試驗(yàn)，分析撒肥高度、葉片位置角、下料位置角對(duì)雙圓盤(pán)撒施肥料撒施均勻性的影響，并對(duì)參數(shù)組合進(jìn)行優(yōu)化，從而改善肥料撒施的均勻性。此外，國(guó)內(nèi)學(xué)者還對(duì)甩盤(pán)[33]、錐盤(pán)[34]等不同結(jié)構(gòu)撒肥圓盤(pán)的參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行探索。

總體而言，針對(duì)撒施量的控制技術(shù)基本成熟，近年研究主要集中在撒肥盤(pán)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方面。

2.2 條播變量施肥技術(shù)

條播施肥機(jī)主要通過(guò)排肥軸帶動(dòng)排肥器轉(zhuǎn)動(dòng)排肥，通過(guò)開(kāi)溝器將肥料施入一定深度，能更好為種子提供養(yǎng)分，但其作業(yè)幅寬小，作業(yè)效率低，一般用于作物基肥和種肥的施用。常見(jiàn)條播施肥機(jī)的排肥器有外槽輪式、行星輪式、螺旋式、振動(dòng)式、釘齒式等[35]。其中，外槽輪排肥器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、各行排肥量一致性好等優(yōu)點(diǎn)在條播變量施肥機(jī)中應(yīng)用廣泛。目前，變量施肥機(jī)外槽輪排肥器的排肥量調(diào)節(jié)主要有排肥軸轉(zhuǎn)速控制、排肥口開(kāi)度控制、排肥軸轉(zhuǎn)速和開(kāi)度雙變量控制3種方式(表2)。

2.2.1 排肥軸轉(zhuǎn)速控制技術(shù) 通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)外槽輪排肥軸轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)施肥量調(diào)節(jié)是目前最常用的一種變量施肥作業(yè)方式，但其低速作業(yè)時(shí)排肥脈動(dòng)明顯，排肥均勻性較差。對(duì)排肥軸轉(zhuǎn)速的精確控制是實(shí)現(xiàn)該類(lèi)型變量施肥機(jī)精準(zhǔn)變量施肥的關(guān)鍵，一般通過(guò)在排肥軸的一側(cè)安裝霍爾效應(yīng)傳感器或編碼器進(jìn)行測(cè)速，將轉(zhuǎn)速信息反饋給控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。主要控制技術(shù)為比例-積分-微分(proportion-integration-differentiation，PID)控制。通過(guò)結(jié)合智能算法對(duì)PID控制參數(shù)進(jìn)行整定，實(shí)現(xiàn)排肥軸轉(zhuǎn)速的精確控制，如基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID參數(shù)優(yōu)化算法[38]、徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法[39]、模糊PID算法[40]、基于遺傳優(yōu)化的RBF-PID算法[41-44]等。

2.2.2 排肥口開(kāi)度控制技術(shù) 外槽輪排肥器中槽輪伸出阻塞套的長(zhǎng)度為外槽輪的有效工作長(zhǎng)度或排肥口開(kāi)度。以排肥口開(kāi)度控制調(diào)節(jié)施肥量的變量施肥系統(tǒng)，將原有機(jī)械或手動(dòng)開(kāi)度調(diào)節(jié)方式轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤厚R達(dá)或電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)開(kāi)度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。受原機(jī)械結(jié)構(gòu)和安裝空間限制，該控制方式實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的改裝。Alameen等搭建的變量施肥試驗(yàn)平臺(tái)，采用氣缸驅(qū)動(dòng)排肥口開(kāi)度調(diào)節(jié)杠桿，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)開(kāi)度變量調(diào)節(jié)[31]；Su等改造了法國(guó)庫(kù)恩公司的Maxim2氣吸式點(diǎn)播機(jī)，采用伺服電機(jī)，通過(guò)鏈輪傳動(dòng)和絲杠結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)外槽輪有效工作長(zhǎng)度的自動(dòng)調(diào)節(jié)[45]；戚武振等研發(fā)的稻麥變量施肥機(jī)，采用一種絲杠排肥軸連接機(jī)構(gòu)，以步進(jìn)電機(jī)為動(dòng)力，通過(guò)驅(qū)動(dòng)排肥軸軸向移動(dòng)，帶動(dòng)排肥器開(kāi)度自動(dòng)調(diào)節(jié)[46]。

表2 外槽輪排肥器控制特性

2.2.3 排肥軸轉(zhuǎn)速、開(kāi)度雙變量控制技術(shù) 排肥軸轉(zhuǎn)速、開(kāi)度雙變量控制方式是指排肥器的排肥軸、排肥口均可自動(dòng)調(diào)節(jié)施肥量，通過(guò)將轉(zhuǎn)速、開(kāi)度原有的手動(dòng)或機(jī)械驅(qū)動(dòng)方式改造為液壓或電機(jī)自動(dòng)控制方式[47-48]。由于排肥軸轉(zhuǎn)速、排肥口開(kāi)度以及排肥量的關(guān)系不再是線(xiàn)性關(guān)系，且非優(yōu)控制序列組合的排肥效果較差，因此對(duì)雙變量控制方式的研究主要集中在排肥量控制模型構(gòu)建以及控制序列優(yōu)化方面。古玉雪等基于高斯過(guò)程(gaussian process，GP)算法構(gòu)建外槽輪排肥軸轉(zhuǎn)速、排肥口有效工作長(zhǎng)度和排肥量之間的預(yù)測(cè)模型，構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題模型，并提出控制序列優(yōu)化方法，驗(yàn)證了雙變量控制方式的優(yōu)越性[49-50]。陳滿(mǎn)等基于近地光譜監(jiān)測(cè)技術(shù)和模糊PID控制技術(shù)，設(shè)計(jì)出一種軸分段式冬小麥雙變量精準(zhǔn)施肥機(jī)，采用Bisquare估計(jì)穩(wěn)健回歸方法分析雙變量施肥控制模型[51-52]。趙學(xué)觀等發(fā)現(xiàn)，影響充肥特性的主要參數(shù)即為排肥輪轉(zhuǎn)速、排肥口開(kāi)度、排肥輪傾角[53]。為了進(jìn)一步擴(kuò)展雙變量施肥裝備的適應(yīng)性，提高施肥量控制準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，張季琴等開(kāi)發(fā)出一種排肥單體獨(dú)立雙變量施肥控制系統(tǒng)，基于廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(general regression neural network，GRNN)算法構(gòu)建螺旋外槽輪排肥器的排肥量預(yù)測(cè)模型，提出一種基于分解的差分進(jìn)化算法(multi-objective evolutionary algrithm based on decomposition，MOEA/D)對(duì)控制序列進(jìn)行優(yōu)化，并取得較好的控制效果[54-56]。

排肥軸轉(zhuǎn)速、排肥口開(kāi)度雙變量控制方式與單一變量控制方式相比，可以通過(guò)轉(zhuǎn)速和開(kāi)度組合的協(xié)調(diào)控制，避免施肥量較小時(shí)排肥軸轉(zhuǎn)速過(guò)低帶來(lái)的排肥脈動(dòng)問(wèn)題以及轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)帶來(lái)的施肥精度低和種子破損問(wèn)題，可以有效擴(kuò)展施肥量的調(diào)節(jié)范圍，提高施肥量控制的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性[57]，對(duì)該類(lèi)設(shè)備的研發(fā)、系統(tǒng)集成及控制技術(shù)的研究已成為當(dāng)前變量施肥技術(shù)研究的重要內(nèi)容。

3 作業(yè)監(jiān)測(cè)技術(shù)

完善的變量施肥作業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是保證作業(yè)可靠的關(guān)鍵。變量施肥作業(yè)監(jiān)測(cè)技術(shù)主要包括對(duì)作業(yè)工況，如機(jī)具位置、作業(yè)車(chē)速、肥箱余量等的檢測(cè)和排肥量的檢測(cè)。目前變量施肥作業(yè)過(guò)程中工況信息的監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)相對(duì)較成熟，但顆粒肥流量的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)仍是一個(gè)難點(diǎn)。

3.1 工況監(jiān)測(cè)技術(shù)

為了保證變量施肥裝備的正常作業(yè)，變量施肥機(jī)作業(yè)工作過(guò)程中需要對(duì)影響作業(yè)的信息進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)作業(yè)過(guò)程中的故障進(jìn)行報(bào)警。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)變量施肥工況監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了大量研究，已實(shí)現(xiàn)變量施肥機(jī)的行進(jìn)速度、位置、肥箱余量、下料口開(kāi)度、撒肥盤(pán)、排肥軸轉(zhuǎn)速等的檢測(cè)，以及對(duì)堵塞故障的報(bào)警。主要研究成果見(jiàn)表3。

表3 工況監(jiān)測(cè)技術(shù)

最初變量施肥裝備的作業(yè)車(chē)速通過(guò)在地輪安裝霍爾效應(yīng)傳感器進(jìn)行檢測(cè)，隨著GPS、GNSS定位系統(tǒng)的普及，機(jī)具定位和行進(jìn)速度逐步采用GPS、GNSS進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)速精度能夠達(dá)到0.1 m/s，水平定位精度能夠達(dá)到0.01 m。肥箱余量的檢測(cè)一般通過(guò)在肥箱底部或肥箱內(nèi)側(cè)安裝傳感器進(jìn)行檢測(cè)，但田間作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，作業(yè)振動(dòng)、環(huán)境光線(xiàn)等因素均會(huì)影響其檢測(cè)精度，目前余量檢測(cè)精度能夠到達(dá)到95%以上。撒肥圓盤(pán)、排肥軸轉(zhuǎn)速的檢測(cè)主要通過(guò)在驅(qū)動(dòng)軸安裝增量式編碼器進(jìn)行精確檢測(cè)，檢測(cè)精度由編碼器型號(hào)決定；肥箱底部下料口開(kāi)度主要通過(guò)編碼器檢測(cè)排肥動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)角獲得，條播施肥機(jī)的有效工作長(zhǎng)度采用位移傳感器，檢測(cè)精度較高，應(yīng)用較成熟。堵塞報(bào)警檢測(cè)已經(jīng)較成熟，堵塞檢測(cè)精度能夠達(dá)到100%，滿(mǎn)足變量作業(yè)的使用要求。

3.2 排肥流量監(jiān)測(cè)技術(shù)

固體顆粒肥排肥流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是進(jìn)行變量施肥閉環(huán)控制以及作業(yè)效果在線(xiàn)評(píng)價(jià)的關(guān)鍵，變量撒肥機(jī)的排肥量可以根據(jù)肥箱質(zhì)量以及下料口開(kāi)度進(jìn)行預(yù)測(cè)，但變量條播機(jī)按行作業(yè)，其復(fù)雜的肥料特性以及非接觸式測(cè)量要求，使得條播機(jī)顆粒肥流量在線(xiàn)監(jiān)測(cè)仍然是一個(gè)難點(diǎn)。

現(xiàn)有固體顆粒肥排肥流量的檢測(cè)方法主要有間接檢測(cè)法和直接檢測(cè)法。間接檢測(cè)法包括排肥軸轉(zhuǎn)速間接測(cè)量、肥箱體積預(yù)測(cè)；直接檢測(cè)法包括稱(chēng)質(zhì)量法、電容法、圖像法、微波法。其檢測(cè)原理及主要特點(diǎn)見(jiàn)表4。

間接檢測(cè)法中，基于排肥軸轉(zhuǎn)速的排肥量間接測(cè)量方法應(yīng)用最廣泛。通過(guò)標(biāo)定模型，對(duì)排肥量進(jìn)行預(yù)測(cè)，受不同肥料充肥性能差異、故障等影響，檢測(cè)精確度較低?；诜氏溆嗔康念A(yù)測(cè)方法，根據(jù)排肥過(guò)程中肥箱剩余體積變化差值對(duì)排肥量進(jìn)行預(yù)測(cè)。其中，基于單線(xiàn)激光雷達(dá)的檢查方法檢測(cè)時(shí)，首先采用單線(xiàn)激光雷達(dá)掃描獲取肥箱余量表面特征，并對(duì)肥箱余量體積進(jìn)行三維重構(gòu)，通過(guò)計(jì)算一定時(shí)間間隔內(nèi)的體積變化量，即可獲得排肥量[74]。但其檢測(cè)精度受排肥速度影響，單位時(shí)間排肥量較小時(shí)，肥箱余量體積變化不大，檢測(cè)精度較低。此外，這種檢測(cè)方法只能對(duì)肥箱的整體排肥量進(jìn)行預(yù)測(cè)，當(dāng)1個(gè)肥箱連接多個(gè)排肥器時(shí)，無(wú)法對(duì)單行排肥情況進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)。

直接測(cè)量方法中，基于稱(chēng)質(zhì)量法的顆粒肥流量檢測(cè)傳感器體積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，須要對(duì)被檢測(cè)裝備做較大的改裝。因此，進(jìn)行田間應(yīng)用推廣有一定的難度?；陔娙莘ㄩ_(kāi)發(fā)的流量傳感器，體積小，質(zhì)量輕，能夠直接安裝在肥管上，對(duì)單行顆粒肥流量實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)檢測(cè)，但容易受作業(yè)溫度、肥料濕度以及發(fā)動(dòng)機(jī)電磁波等影響。圖像法需要獲取清晰有效的落肥顆粒圖像，但實(shí)際作業(yè)環(huán)境較復(fù)雜，灰塵、肥料粉末等容易覆蓋鏡頭，影響圖像采集質(zhì)量。基于微波多普勒法開(kāi)發(fā)的流量檢測(cè)傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便，檢測(cè)時(shí)不干擾流體等特點(diǎn)，逐漸受到專(zhuān)家學(xué)者關(guān)注。為了進(jìn)一步提高顆粒肥流量檢測(cè)精度，專(zhuān)家學(xué)者對(duì)噪聲去除方法進(jìn)行探索，如卡爾曼濾波去噪[80]、小波閾值去噪[82]、基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(empirical mode decomposition，EMD)的小波閾值去噪法[83]，以及干擾抑制方法，如單元平均恒虛警(cell average constant false alarm rate，CA-CFAR)干擾抑制方法[79]等。經(jīng)過(guò)改進(jìn)，微波多普勒法室內(nèi)檢測(cè)精度能夠達(dá)到99.80%～97.20%，田間試驗(yàn)檢測(cè)精度能夠達(dá)到91.42%[83]。

表4 顆粒肥流量檢測(cè)技術(shù)

4 分析與展望

目前我國(guó)顆粒肥變量撒施控制技術(shù)研究存在以下主要問(wèn)題：第一，變量控制技術(shù)發(fā)展不均衡，系統(tǒng)通用性較差。我國(guó)變量撒施控制技術(shù)研究較早，撒肥量控制、工況監(jiān)測(cè)等技術(shù)較成熟；由于不同作物變量條施機(jī)的結(jié)構(gòu)差異較大，變量控制、肥管內(nèi)顆粒肥流量在線(xiàn)監(jiān)難度較大，變量條施控制技術(shù)相對(duì)不成熟。此外，研發(fā)的變量控制系統(tǒng)缺乏標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議和接口，導(dǎo)致不同系統(tǒng)之間不兼容，系統(tǒng)通用性較差。第二，系統(tǒng)集成度不高，智能化水平有待提高。我國(guó)現(xiàn)有變量撒施機(jī)的研究以中小型為主，變量撒施控制和工況監(jiān)測(cè)的研究相對(duì)獨(dú)立，集成變量控制與工況監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)較少。對(duì)于肥料撒施控制的研究以直線(xiàn)作業(yè)方式為主，缺乏對(duì)復(fù)雜作業(yè)環(huán)境和不同作業(yè)軌跡自適應(yīng)控制方法的研究。第三，市場(chǎng)化程度低，適應(yīng)性有待提高。目前，我國(guó)對(duì)于變量施肥技術(shù)的研究主要集中在科研院所，主要針對(duì)變量控制技術(shù)難點(diǎn)問(wèn)題的攻克，技術(shù)向產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化較少，研制出的成熟產(chǎn)品不多。此外，我國(guó)不同地區(qū)地形地貌差異較大，種植模式多樣，進(jìn)而對(duì)變量施肥系統(tǒng)的適應(yīng)性提出更高的要求。

為了進(jìn)一步提高我國(guó)變量施肥裝備的性能，促進(jìn)變量施肥技術(shù)發(fā)展，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行突破。第一，擴(kuò)展故障監(jiān)測(cè)對(duì)象，研究故障預(yù)警技術(shù)。目前工況監(jiān)測(cè)中對(duì)故障的監(jiān)測(cè)主要集中在肥管堵塞等方面，變量施肥裝備各部分的運(yùn)行狀態(tài)均會(huì)影響作業(yè)效果，完善故障監(jiān)測(cè)體系、擴(kuò)展監(jiān)測(cè)對(duì)象能夠提高系統(tǒng)無(wú)障礙工作時(shí)間，提高作業(yè)效率。進(jìn)行故障預(yù)警技術(shù)研究，有助于提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備問(wèn)題，節(jié)省故障解決時(shí)間。第二，攻克變量條施機(jī)顆粒肥流量在線(xiàn)檢測(cè)難題，研究閉環(huán)控制技術(shù)，加強(qiáng)施肥數(shù)據(jù)的收集與分析。顆粒肥流量在線(xiàn)檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)變量施肥閉環(huán)控制的前提。攻克顆粒肥流量在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)有助于肥料施用信息的收集和分析，以及對(duì)變量施肥系統(tǒng)作業(yè)性能進(jìn)行在線(xiàn)評(píng)價(jià)。第三，研究自適應(yīng)控制技術(shù)，提高系統(tǒng)的兼容性和適應(yīng)性，并促進(jìn)技術(shù)轉(zhuǎn)化和推廣。研究不同作業(yè)軌跡自適應(yīng)變量控制方法，提高變量施肥系統(tǒng)對(duì)不同作業(yè)環(huán)境的適應(yīng)能力。確立變量施肥設(shè)計(jì)行業(yè)規(guī)范，統(tǒng)一軟件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、通信協(xié)議，提高變量施肥控制系統(tǒng)的兼容性。積極探索技術(shù)轉(zhuǎn)化模式，促進(jìn)變量施肥技術(shù)產(chǎn)業(yè)化、商品化。第四，研究無(wú)人機(jī)變量撒肥技術(shù)。無(wú)人機(jī)具有機(jī)動(dòng)靈活、操縱簡(jiǎn)單、成本低、獲取影像速度快、地面分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。隨著無(wú)人航空技術(shù)的普及，無(wú)人機(jī)已經(jīng)在土壤和作物長(zhǎng)勢(shì)信息獲取方面得到廣泛應(yīng)用。通過(guò)研究無(wú)人機(jī)變量撒施技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)山地、不規(guī)則田塊等區(qū)域的變量施肥作業(yè)，進(jìn)一步豐富我國(guó)變量施肥裝備體系。