馬 旭 趙 旭 劉賽賽 王宇唯 王曦成 李澤華

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院,廣州 510642; 2.嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室,廣州 510642;3.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)與信息學(xué)院,廣州 510642)

0 引言

合理施用化肥是保證水稻產(chǎn)量的重要因素。變量施肥技術(shù)是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要組成部分,依據(jù)實(shí)際生產(chǎn)所需施肥量精準(zhǔn)施肥,能夠有效地提高經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益[1-4]。因此,研究固體顆粒肥料變量施肥技術(shù)與裝置,可為水稻高速插秧機(jī)與同步科學(xué)施肥提供技術(shù)支撐。

目前,國內(nèi)外肥料流量檢測(cè)方法主要有直接稱量法、光電法、排肥軸標(biāo)定法、電容法和微波多普勒法等。SWISHER等[5]采用激光發(fā)射器將光傳輸?shù)焦怆姸O管陣列,通過肥料對(duì)光線遮擋強(qiáng)度間接測(cè)得肥料流量。VAN BERGEIJK等[6]基于動(dòng)態(tài)稱重方法獲取肥料質(zhì)量,并結(jié)合位置信息實(shí)現(xiàn)肥料合理施用。BACK等[7]利用攝像頭采集肥料顆粒下落圖像,通過圖像識(shí)別方法得到肥料顆粒直徑及數(shù)量,獲得肥料實(shí)時(shí)流量。GRIFT等[8]根據(jù)光學(xué)傳感器輸出集群長度與肥料流量的關(guān)系模型檢測(cè)肥料流量。周利明等[9]設(shè)計(jì)了一種基于電容法的施肥量在線檢測(cè)系統(tǒng),根據(jù)肥料經(jīng)過電容兩極板時(shí)極板介電常數(shù)發(fā)生變化,使得輸出電容發(fā)生變化,以此獲取肥料流量。楊立偉等[10]設(shè)計(jì)了一種基于微波多普勒法的肥料流量檢測(cè)系統(tǒng)。丁永前等[11]提出了基于動(dòng)態(tài)稱量原理的泛函式播種施肥量檢測(cè)方法。余洪鋒等[12]提出了一種基于皮帶秤的施肥量檢測(cè)裝置用于檢測(cè)排肥口肥料流量。趙斌等[13]利用編碼器測(cè)量排肥軸轉(zhuǎn)動(dòng)的周數(shù)及角度的方法間接測(cè)量肥料流量。目前研究成果仍存在不足,光電法易受肥料粉末影響,電容法和微波多普勒法易受電磁干擾影響,直接稱量法受田間振動(dòng)影響較大,導(dǎo)致測(cè)量精度變低。

近年來,國內(nèi)外變量施肥方法主要采用電控、液壓控制、氣動(dòng)控制和機(jī)械式無級(jí)變速等控制方式[14-18]。美國凱斯(Case)公司研制的Flexicoil系列變量施肥播種機(jī),根據(jù)施肥處方圖,通過控制液壓馬達(dá)調(diào)節(jié)排肥軸轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)變量施肥,可同時(shí)對(duì)3種肥料進(jìn)行變量控制[19]。德國AMAZONE公司研發(fā)了一種基于視覺傳感器的變量施肥機(jī),通過作物長勢(shì)傳感器,測(cè)得葉綠素含量,并計(jì)算所需施肥量,通過液壓驅(qū)動(dòng)裝置控制離心撒肥盤工作轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)變量施肥[20]。法國庫恩(Kuhn)公司研制的Axis系列懸掛式變量撒肥機(jī),通過撒施分布處方圖,集成 CDA 撒肥系統(tǒng)、稱量系統(tǒng)及自動(dòng)調(diào)節(jié)撒肥量的精準(zhǔn)變量EMC 控制系統(tǒng),自動(dòng)調(diào)節(jié)撒肥盤開度與角度,實(shí)現(xiàn)變量施肥作業(yè)[21]。CAMPBELL等[22]設(shè)計(jì)了一種雙圓盤撒肥機(jī),通過控制液壓流量比例閥的開度和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速,結(jié)合機(jī)具前進(jìn)速度進(jìn)行變量施肥作業(yè)。OLIESLAGERS等[23]研究了轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速對(duì)圓盤式撒肥機(jī)撒肥分布的影響,設(shè)計(jì)了變量施肥控制系統(tǒng),通過控制轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)變量施肥。胡曉麗等[24]設(shè)計(jì)了小型變量施肥機(jī),采取控制排肥輪轉(zhuǎn)速和排肥輪長度的方式有效控制施肥量。賈洪雷等[25]研制了2BDB-6(110)型大豆仿生智能耕播機(jī),基于系統(tǒng)采集插秧機(jī)前進(jìn)速度,結(jié)合處方信息控制排肥軸轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)施肥量。郭明偉等[26]設(shè)計(jì)了小麥種肥同播一體機(jī),通過手動(dòng)調(diào)節(jié)變速齒輪調(diào)節(jié)排肥軸轉(zhuǎn)速,變化排肥量,實(shí)施變量施肥作業(yè)。馬旭等[27]進(jìn)行變量施肥機(jī)具的設(shè)計(jì),根據(jù)農(nóng)田參數(shù),讀取IC卡中所需施肥量,并結(jié)合地輪轉(zhuǎn)速信息控制排肥軸轉(zhuǎn)速。齊興源等[28]設(shè)計(jì)了稻田氣力式變量施肥機(jī),在變量施肥作業(yè)時(shí),按照所需施肥量并結(jié)合插秧機(jī)前進(jìn)速度,實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)排肥軸轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)變量施肥作業(yè)?？梢钥闯?國內(nèi)多數(shù)變量施肥技術(shù)與裝置,主要采用傳統(tǒng)的機(jī)械技術(shù)通過標(biāo)定的方式實(shí)現(xiàn)變量施肥作業(yè),施肥量調(diào)節(jié)精度受限制;國外主要采用光電、圖像肥料流量檢測(cè)方法和先進(jìn)的液壓調(diào)控技術(shù),導(dǎo)致現(xiàn)有變量施肥插秧機(jī)具價(jià)格昂貴,推廣難度較大[29]。

本文依托團(tuán)隊(duì)在井關(guān)PZ60型水稻高速插秧機(jī)上研制的同步側(cè)深施肥機(jī),采用氣力輸送式外槽輪排肥裝置,提出一種基于壓電原理的固體肥料流量檢測(cè)方法,并通過控制插秧機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì)一種固體肥變量施肥裝置,構(gòu)建施肥量在線檢測(cè)及智能調(diào)控系統(tǒng),為智能農(nóng)機(jī)裝備精準(zhǔn)作業(yè)提供快速和準(zhǔn)確的變量施肥技術(shù)與裝置。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總機(jī)結(jié)構(gòu)與工作過程

固體顆粒肥料變量施肥裝置安裝在井關(guān)PZ60型水稻高速插秧機(jī)上,主要由井關(guān)PZ60型高速插秧機(jī)、控制系統(tǒng)、送肥風(fēng)機(jī)、外槽輪排肥器、肥料流量檢測(cè)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、輸肥管、肥料堵塞報(bào)警機(jī)構(gòu)及開溝器等組成,結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 帶有同步施肥機(jī)構(gòu)的水稻高速插秧機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

插秧機(jī)工作時(shí),通過插秧機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為變量施肥裝置提供動(dòng)力,驅(qū)動(dòng)外槽輪排肥器排肥,插秧機(jī)電力系統(tǒng)為送肥風(fēng)機(jī)供電,送肥風(fēng)機(jī)通過氣流吹送使肥料沿肥料流量檢測(cè)機(jī)構(gòu)、輸肥管及肥料堵塞報(bào)警機(jī)構(gòu)(肥料規(guī)定時(shí)間不流動(dòng)則聲音報(bào)警)均勻排出,施到側(cè)深開溝器在田間開出的溝內(nèi),完成側(cè)深施肥作業(yè)。其中肥料流量檢測(cè)機(jī)構(gòu)安裝在外槽輪排肥器出口采集肥料流量信息,根據(jù)設(shè)定施肥量,結(jié)合插秧機(jī)前進(jìn)速度,通過控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)改變外槽輪排肥器的排量,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)際施肥量與設(shè)定施肥量一致,實(shí)施精準(zhǔn)變量施肥作業(yè)。

1.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)工作原理

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由傳動(dòng)軸、鏈條、鏈輪、偏心輪、頂桿、萬向節(jié)、擺動(dòng)連桿、排肥傳動(dòng)軸、左棘輪機(jī)構(gòu)、右棘輪機(jī)構(gòu)及連桿機(jī)構(gòu)等組成;控制系統(tǒng)主要由肥料流量檢測(cè)機(jī)構(gòu)、插秧機(jī)前進(jìn)速度傳感器、排肥軸轉(zhuǎn)速傳感器及推桿伸縮位移傳感器等組成,結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

工作時(shí)插秧機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)為傳動(dòng)軸提供動(dòng)力使其轉(zhuǎn)動(dòng),通過鏈傳動(dòng)帶動(dòng)鏈輪和偏心輪旋轉(zhuǎn),頂桿在偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程中上下運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)擺動(dòng)連桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)。擺動(dòng)連桿與排肥傳動(dòng)軸通過左、右棘輪機(jī)構(gòu)連接,左、右棘輪機(jī)構(gòu)反向安裝并交替工作,使排肥傳動(dòng)軸無間斷轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)擺動(dòng)連桿向上擺動(dòng)時(shí),在連桿機(jī)構(gòu)作用下使左棘輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)排肥傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)擺動(dòng)連桿向下擺動(dòng)時(shí),通過右棘輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)排肥傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng),排肥傳動(dòng)軸帶動(dòng)排肥軸轉(zhuǎn)動(dòng),驅(qū)動(dòng)排肥外槽輪排肥。排肥軸轉(zhuǎn)速與排肥外槽輪轉(zhuǎn)速相同,即傳動(dòng)比為1∶1,如圖2所示。

肥料流量檢測(cè)機(jī)構(gòu)安裝于外槽輪排肥器排肥口位置進(jìn)行肥料流量檢測(cè)。通過肥料沖擊壓電片傳感器產(chǎn)生電壓信號(hào),即轉(zhuǎn)化為壓電片電壓,通過構(gòu)建肥料檢測(cè)流量與壓電片電壓之間的變化規(guī)律模型,實(shí)時(shí)檢測(cè)肥料流量。

根據(jù)變量施肥裝置工作原理及分析,在進(jìn)行施肥量調(diào)節(jié)時(shí),需要掌握插秧機(jī)前進(jìn)速度、排肥軸轉(zhuǎn)速和推桿伸縮位移,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變量施肥作業(yè),為此需要對(duì)其主要參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量。

插秧機(jī)前進(jìn)速度傳感器主要由編碼器組成。編碼器與鏈輪同軸心安裝,鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)過程中,編碼器輸出脈沖信號(hào),系統(tǒng)采集單位時(shí)間脈沖數(shù),結(jié)合一個(gè)脈沖下插秧機(jī)前進(jìn)距離(通過試驗(yàn)獲得),計(jì)算插秧機(jī)前進(jìn)速度。

排肥軸轉(zhuǎn)速傳感器主要由光電傳感器組成。將光電傳感器安裝在排肥軸上,系統(tǒng)根據(jù)單位時(shí)間獲取光電傳感器發(fā)送的脈沖數(shù),結(jié)合排肥軸每轉(zhuǎn)實(shí)際脈沖數(shù),計(jì)算排肥軸轉(zhuǎn)速。

推桿伸縮位移傳感器主要由電動(dòng)推桿和激光測(cè)距傳感器組成。激光測(cè)距傳感器隨電動(dòng)推桿伸縮移動(dòng),電動(dòng)推桿基礎(chǔ)長度時(shí),激光測(cè)距傳感器與光源接收板間的距離為100 mm,通過實(shí)時(shí)檢測(cè)激光測(cè)距傳感器與光源接收板間的距離a,計(jì)算電動(dòng)推桿工作長度l(見圖2)。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)施肥量發(fā)生變化時(shí),基于肥料實(shí)際流量與排肥軸轉(zhuǎn)速之間的變化規(guī)律模型、排肥軸轉(zhuǎn)速與電動(dòng)推桿工作長度和插秧機(jī)前進(jìn)速度之間的變化規(guī)律模型自動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)推桿工作長度,改變擺動(dòng)連桿的擺動(dòng)幅度,使排肥軸轉(zhuǎn)速變化,實(shí)際排肥流量也發(fā)生變化,進(jìn)而達(dá)到預(yù)設(shè)施肥量的要求,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)變量施肥作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 肥料流量檢測(cè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1肥料流量檢測(cè)機(jī)構(gòu)安裝位置確定

井關(guān)PZ60型水稻高速插秧機(jī)為6行作業(yè),為了保證精準(zhǔn)側(cè)深施肥,對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)6個(gè)排肥器,初步試驗(yàn)表明6個(gè)排肥器的總排量和單排量器均勻性都比較穩(wěn)定,為節(jié)約裝置成本,在變量施肥裝置中僅安裝1個(gè)肥料流量檢測(cè)機(jī)構(gòu),通過檢測(cè)單個(gè)排肥器的肥料流量,預(yù)測(cè)總肥料流量。為了確定肥料流量檢測(cè)機(jī)構(gòu)的安裝位置,以挪威復(fù)合肥為試驗(yàn)材料,排肥軸勻速轉(zhuǎn)動(dòng)下,開展了6個(gè)排肥器的總排量和單排量試驗(yàn)(試驗(yàn)安排為排肥軸轉(zhuǎn)動(dòng)5圈,重復(fù)試驗(yàn)3次),試驗(yàn)結(jié)果如表1所示,施肥機(jī)各行一致性變異系數(shù)平均值為2.25%,其中2號(hào)排肥器排肥量與平均排肥量最為接近。因此,選定肥料流量檢測(cè)機(jī)構(gòu)安裝于2號(hào)排肥器排肥口位置進(jìn)行肥料流量檢測(cè),通過檢測(cè)單體肥料流量預(yù)測(cè)6個(gè)排肥器的總肥料流量。

表1 排肥量各行一致性試驗(yàn)結(jié)果

2.1.2肥料流量檢測(cè)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

肥料流量檢測(cè)機(jī)構(gòu)是變量施肥裝置的核心部件之一,主要由殼體、前板、后板、前壓電片及后壓電片等組成,結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 肥料流量檢測(cè)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

前、后板懸臂平行安裝在殼體上,不接觸;前、后壓電片分別粘貼于前、后板上(圖3放大部分);前板上壓電片檢測(cè)肥料沖擊信號(hào)和機(jī)械振動(dòng)信號(hào);后板上壓電片檢測(cè)機(jī)械振動(dòng)信號(hào),肥料撞擊前板后落下。前板和后板上壓電片產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)信號(hào)相似,因此,可通過電路差分方法有效地消除機(jī)械振動(dòng)的影響[30-31]。

2.1.3肥料流量檢測(cè)原理

前板上壓電片產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)u1包括肥料沖擊信號(hào)ui和機(jī)械振動(dòng)信號(hào)un1,即

u1=ui+un1

(1)

后板上壓電片產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)u2即機(jī)械振動(dòng)信號(hào)un2,前板和后板上壓電片產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)信號(hào)相似,即

u2=un2≈un1

(2)

肥料沖擊信號(hào)ui為

ui≈u1-u2

(3)

系統(tǒng)內(nèi)部利用ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換電路采集肥料沖擊信號(hào)ui,將其轉(zhuǎn)換為壓電片電壓,通過建立肥料檢測(cè)流量與壓電片電壓之間的變化規(guī)律模型,實(shí)時(shí)檢測(cè)肥料流量。

2.1.4前板安裝角度及風(fēng)機(jī)風(fēng)速確定

(1)工作參數(shù)雙因素試驗(yàn)

為保證肥料可全部擊中前板,且撞擊前板后有較好的流動(dòng)性,設(shè)計(jì)了排肥風(fēng)機(jī)風(fēng)力送肥,經(jīng)試驗(yàn),前板安裝角度范圍為50°～70°(平行地面方向?yàn)?°,見圖3),風(fēng)機(jī)風(fēng)速范圍為12～20 m/s。

為分析前板安裝角度和風(fēng)機(jī)風(fēng)速兩因素對(duì)肥料質(zhì)量檢測(cè)精度的影響,以挪威復(fù)合肥為試驗(yàn)材料,通過初步試驗(yàn)進(jìn)行如下試驗(yàn):選取前板安裝角度為55°、60°、65°和風(fēng)機(jī)風(fēng)速為14、16、18 m/s進(jìn)行二因素三水平試驗(yàn),肥料質(zhì)量檢測(cè)精度每組試驗(yàn)重復(fù)3次,試驗(yàn)結(jié)果取平均值。采用Design-Expert 13.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析,試驗(yàn)方案與結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果

(2)回歸模型建立與顯著性檢驗(yàn)

采用Design-Expert 13.0軟件,建立肥料質(zhì)量檢測(cè)精度E關(guān)于前板安裝角度A、風(fēng)機(jī)風(fēng)速C回歸模型,并檢驗(yàn)?zāi)Ｐ秃拖禂?shù)的顯著性。

其方差分析結(jié)果如表3所示。

表3 肥料質(zhì)量檢測(cè)精度回歸模型方差分析

由表3可知,肥料質(zhì)量檢測(cè)精度E回歸模型通過顯著性檢驗(yàn)(P<0.01),因此模型有效,交互項(xiàng)AC的影響不顯著,其他各項(xiàng)均通過顯著性檢驗(yàn)。

肥料質(zhì)量檢測(cè)精度E的回歸方程為

E=-206.37+6.39A+14.39C-

5.43×10-2A2-0.46C2

(4)

由式(4)可知,肥料質(zhì)量檢測(cè)精度E與前板安裝角度A和風(fēng)機(jī)風(fēng)速C呈開口向下的二次函數(shù)關(guān)系,表明存在前板安裝角度和風(fēng)機(jī)風(fēng)速的最優(yōu)參數(shù)組合。

各因素對(duì)肥料質(zhì)量檢測(cè)精度影響的主次因素為:風(fēng)速、角度。通過高速攝像觀察,當(dāng)風(fēng)速為16 m/s時(shí),絕大部分肥料顆粒能夠擊中前板,僅有極少部分肥料顆粒間相互碰撞導(dǎo)致無法擊中前板;當(dāng)風(fēng)速增大為18 m/s時(shí),由于風(fēng)速大使肥料顆粒相互碰撞明顯增加,致使肥料質(zhì)量檢測(cè)精度下降。在風(fēng)速為16 m/s時(shí),隨著前板安裝角度變化,肥料質(zhì)量檢測(cè)精度大于93%,表明檢測(cè)精度較好。

(3)參數(shù)優(yōu)化

為了得到肥料流量檢測(cè)機(jī)構(gòu)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合,采用單目標(biāo)優(yōu)化方法,同時(shí)優(yōu)化肥料質(zhì)量檢測(cè)精度E。依據(jù)提高肥料流量檢測(cè)精度的目標(biāo),結(jié)合各試驗(yàn)因素的邊界條件,得到優(yōu)化模型為

(5)

利用Design-Expert 13.0軟件中的 Optimization模塊進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化并分析求解,結(jié)果表明,當(dāng)前板安裝角度為59.12°、風(fēng)機(jī)風(fēng)速為15.67 m/s時(shí),肥料質(zhì)量檢測(cè)精度為94.74%,與表2中前板安裝角度60°、風(fēng)機(jī)風(fēng)速16 m/s時(shí)檢測(cè)精度為94.51%基本一致。

為便于參數(shù)測(cè)量,取其為整數(shù),則確定組合參數(shù)為前板安裝角度60°、風(fēng)機(jī)風(fēng)速16 m/s。

2.1.5肥料檢測(cè)流量標(biāo)定試驗(yàn)

使用井關(guān)PZ60型水稻高速插秧機(jī)與變量施肥裝置進(jìn)行肥料檢測(cè)流量標(biāo)定試驗(yàn)。肥料流量檢測(cè)機(jī)構(gòu)安裝于排肥器出肥口位置,在肥料流量檢測(cè)機(jī)構(gòu)的肥料出口位置直接接肥,采用稱量方法進(jìn)行肥料檢測(cè)流量標(biāo)定試驗(yàn)。

根據(jù)華南地區(qū)水稻施基肥量最大分別為復(fù)合肥300 kg/hm2和尿素225 kg/hm2,計(jì)算得出單體外槽輪排肥器最大排肥量分別為復(fù)合肥9 g/s和尿素6.75 g/s,為了提高模型的顯著性,在單體排肥器排肥流量分別為復(fù)合肥3～9 g/s和尿素2～7 g/s條件下分別取10種不同排肥流量進(jìn)行標(biāo)定,通過定時(shí)器定時(shí)排肥時(shí)間,待每次排肥結(jié)束后,采用電子天平稱取實(shí)際排肥質(zhì)量,同時(shí)記錄肥料沖擊信號(hào)ui轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào),即壓電片電壓,每次試驗(yàn)重復(fù)3次,對(duì)3種固體顆粒肥料(挪威復(fù)合肥、俄羅斯復(fù)合肥、國產(chǎn)尿素)分別進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)。利用Origin軟件對(duì)標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到肥料檢測(cè)流量與壓電片電壓之間的變化規(guī)律模型為

(6)

式中U——單位時(shí)間壓電片電壓,V/s

q——肥料檢測(cè)流量,g/s

關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 肥料檢測(cè)流量與壓電片電壓之間變化曲線

由圖4可知,3種固體顆粒肥料檢測(cè)流量與壓電片電壓之間均呈線性關(guān)系,且隨著壓電片電壓增加,肥料檢測(cè)流量也相應(yīng)變大。經(jīng)檢驗(yàn),3組擬合方程的決定系數(shù)R2分別為0.982、0.99和0.971,表明線性關(guān)系顯著。可以看出,在相同的壓電片電壓下,其肥料檢測(cè)流量略有差異,如要精確施特殊肥料時(shí),需要對(duì)肥料提前進(jìn)行標(biāo)定,對(duì)其它類似的肥料可以參考式(6)計(jì)算肥料檢測(cè)流量。

2.1.6肥料實(shí)際流量標(biāo)定試驗(yàn)

使用井關(guān)PZ60型水稻高速插秧機(jī)與變量施肥裝置進(jìn)行肥料實(shí)際流量標(biāo)定試驗(yàn)。在10種排肥軸轉(zhuǎn)速下,通過定時(shí)器定時(shí)排肥時(shí)間,待每次排肥結(jié)束后,采用電子天平稱取實(shí)際排肥質(zhì)量,同時(shí)記錄排肥軸轉(zhuǎn)速,每次試驗(yàn)重復(fù)3次,對(duì)3種固體顆粒肥料(挪威復(fù)合肥、俄羅斯復(fù)合肥、國產(chǎn)尿素)分別進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)。其中,排肥軸轉(zhuǎn)速由光電傳感器檢測(cè),即

(7)

式中c——排肥軸每轉(zhuǎn)實(shí)際脈沖數(shù),個(gè)/r

c1——每秒鐘采集的脈沖數(shù),個(gè)/s

n——排肥軸轉(zhuǎn)速,r/s

利用Origin軟件對(duì)標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到肥料實(shí)際流量與排肥軸轉(zhuǎn)速之間的變化規(guī)律模型為

(8)

式中q0——肥料實(shí)際流量,g/s

關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 肥料實(shí)際流量與排肥軸轉(zhuǎn)速之間變化曲線

由圖5可知,3種固體顆粒肥料實(shí)際流量與排肥軸轉(zhuǎn)速之間均呈線性關(guān)系,且隨著排肥軸轉(zhuǎn)速的增加,肥料實(shí)際流量也相應(yīng)變大。3組擬合方程的決定系數(shù)R2分別為0.998、0.996和0.996,表明線性關(guān)系顯著。可以看出,不同肥料在相同的排肥軸轉(zhuǎn)速下,其肥料實(shí)際流量略有差異。因此,控制系統(tǒng)可利用關(guān)系模型進(jìn)行肥料實(shí)際流量調(diào)控。

2.1.7插秧機(jī)前進(jìn)速度標(biāo)定試驗(yàn)

為了準(zhǔn)確檢測(cè)施肥量,需要及時(shí)掌握插秧機(jī)前進(jìn)速度,插秧機(jī)前進(jìn)速度由編碼器檢測(cè)。

系統(tǒng)讀取編碼器每秒鐘發(fā)送的脈沖數(shù),結(jié)合一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)插秧機(jī)前進(jìn)距離計(jì)算插秧機(jī)前進(jìn)速度,則插秧機(jī)前進(jìn)速度為

(9)

式中v——插秧機(jī)前進(jìn)速度,m/s

D——一個(gè)脈沖下插秧機(jī)前進(jìn)距離(根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)定得到一個(gè)脈沖下插秧機(jī)前進(jìn)距離為1.484 cm)

f——編碼器每秒種發(fā)送的脈沖數(shù),個(gè)/s

2.1.8排肥軸轉(zhuǎn)速控制模型標(biāo)定試驗(yàn)

使用井關(guān)PZ60型水稻高速插秧機(jī)與變量施肥裝置進(jìn)行排肥軸轉(zhuǎn)速控制模型標(biāo)定試驗(yàn)。插秧機(jī)在一定前進(jìn)速度下,調(diào)節(jié)電動(dòng)推桿不同工作長度可以改變排肥軸轉(zhuǎn)速,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)變量施肥作業(yè)。經(jīng)試驗(yàn),電動(dòng)推桿工作長度過長,上下擺動(dòng)過程中與秧苗移箱器發(fā)生碰撞;長度過短,施肥量過小,無法滿足水稻生產(chǎn)過程中所需施肥量,當(dāng)選取電動(dòng)推桿工作長度為0～60 mm(基礎(chǔ)長度105 mm)、插秧機(jī)前進(jìn)速度為0.4～1.4 m/s時(shí),挪威復(fù)合肥、俄羅斯復(fù)合肥和國產(chǎn)尿素施肥量范圍分別為170～360 kg/hm2、185～380 kg/hm2和145～300 kg/hm2,滿足目前水稻生產(chǎn)過程中施底肥量的需要。在7種插秧機(jī)前進(jìn)速度(0.4～1.4 m/s)和8種電動(dòng)推桿工作長度(0～60 mm)下,試驗(yàn)記錄排肥軸轉(zhuǎn)速,每次試驗(yàn)重復(fù)3次,利用Origin軟件對(duì)標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到排肥軸轉(zhuǎn)速與電動(dòng)推桿工作長度和插秧機(jī)前進(jìn)速度之間的變化規(guī)律模型為

n=1.01×10-2v2+1.05×10-5l2+5.84×10-3vl+

0.282v-9.41×10-4l+0.018

(10)

試驗(yàn)關(guān)系曲面如圖6所示。由圖6可知,排肥軸轉(zhuǎn)速與電動(dòng)推桿工作長度、插秧機(jī)前進(jìn)速度之間呈曲面關(guān)系,且隨著插秧機(jī)前進(jìn)速度變化或電動(dòng)推桿工作長度變化,排肥軸轉(zhuǎn)速也變化。擬合方程的決定系數(shù)R2為0.997,表明關(guān)系顯著。

圖6 電動(dòng)推桿工作長度和插秧機(jī)前進(jìn)速度與排肥軸轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系曲面

利用式(10)調(diào)控電動(dòng)推桿工作長度達(dá)到所需排肥軸轉(zhuǎn)速,改變實(shí)際排肥流量,進(jìn)行變量施肥作業(yè)。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖7所示,控制器以STM32為核心,STM32單片機(jī)內(nèi)置串口資源;電力系統(tǒng)選用6-QW-36電源、LM2596S降壓模塊,為控制器STM32單片機(jī)供電;肥料流量檢測(cè)機(jī)構(gòu)中選用2片F(xiàn)T-50T-3A1型壓電片;插秧機(jī)前進(jìn)速度傳感器選用K22-ABZ-20P/R型編碼器;排肥軸轉(zhuǎn)速傳感器選用GJ18-D80NK型光電傳感器;推桿伸縮位移傳感器選用XKC-KL200-UART型激光測(cè)距傳感器、LA-T8-12-30-30-60/105型電動(dòng)推桿及L9110型H橋模塊,根據(jù)激光測(cè)距傳感器檢測(cè)電動(dòng)推桿工作長度,通過L9110型H橋模塊控制電動(dòng)推桿啟停、伸縮。

圖7 控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖

2.2.2控制算法設(shè)計(jì)

系統(tǒng)檢測(cè)施肥量為

(11)

式中Q——檢測(cè)施肥量,kg/hm2

W——排肥器數(shù),個(gè)

B——插秧機(jī)具作業(yè)幅寬,m

系統(tǒng)計(jì)算預(yù)設(shè)肥料調(diào)控流量為

(12)

式中Q′——預(yù)設(shè)施肥量,kg/hm2

q′——預(yù)設(shè)肥料調(diào)控流量,g/s

控制系統(tǒng)開始工作時(shí),系統(tǒng)進(jìn)行初始化,通過手動(dòng)指令輸入肥料類型和施肥量,系統(tǒng)根據(jù)式(6)檢測(cè)肥料流量,式(9)得到插秧機(jī)前進(jìn)速度,式(11)檢測(cè)施肥量,系統(tǒng)檢測(cè)3次施肥量的平均值作為輸出(每秒檢測(cè)一次),并與預(yù)設(shè)施肥量進(jìn)行比較,如果檢測(cè)3次施肥量的平均值超過預(yù)設(shè)施肥量的10%,即

(13)

則進(jìn)行如下調(diào)控。

由式(8)可知,外槽輪排肥器的肥料實(shí)際流量與排肥軸轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系[32-33],因此,可對(duì)排肥軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)控,改變實(shí)際排肥流量,計(jì)算調(diào)控的排肥軸轉(zhuǎn)速方程為

(14)

式中k——比例系數(shù)(即式(8)的斜率)

n′——調(diào)控的排肥軸轉(zhuǎn)速,r/s

系統(tǒng)用式(12)計(jì)算預(yù)設(shè)肥料調(diào)控流量、式(14)計(jì)算調(diào)控的排肥軸轉(zhuǎn)速,將調(diào)控的排肥軸轉(zhuǎn)速代入式(10)計(jì)算電動(dòng)推桿工作長度,通過系統(tǒng)調(diào)節(jié)電動(dòng)推桿工作長度,改變實(shí)際排肥流量,進(jìn)而達(dá)到預(yù)期施肥量,控制流程圖如圖8所示。

圖8 控制系統(tǒng)流程圖

3 性能試驗(yàn)

為檢驗(yàn)固體顆粒肥料變量施肥裝置性能,搭建試驗(yàn)平臺(tái),并開展了田間試驗(yàn)。以挪威復(fù)合肥、俄羅斯復(fù)合肥和國產(chǎn)尿素為試驗(yàn)材料進(jìn)行肥料質(zhì)量檢測(cè)精度和施肥量調(diào)控性能試驗(yàn),并進(jìn)一步分析試驗(yàn)結(jié)果。

3.1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

樣機(jī)試驗(yàn)地點(diǎn)為華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院農(nóng)業(yè)工程樓,試驗(yàn)設(shè)備主要有井關(guān)PZ60型水稻高速插秧機(jī)與固體顆粒肥料變量施肥裝置,試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖9所示。

圖9 室內(nèi)試驗(yàn)裝置

3.2 肥料質(zhì)量檢測(cè)精度試驗(yàn)

為驗(yàn)證不同排肥流量條件下肥料流量在線檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性,試驗(yàn)時(shí),插秧機(jī)1 m/s勻速前進(jìn)下,分別設(shè)定排肥軸轉(zhuǎn)速為20、25、30 r/min,同時(shí)在輸肥管出肥口下方排肥,將肥料流量檢測(cè)系統(tǒng)獲得的肥料質(zhì)量與實(shí)際排肥質(zhì)量對(duì)比,每組試驗(yàn)重復(fù)3次,試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 肥料質(zhì)量檢測(cè)精度試驗(yàn)結(jié)果

由表4可知,在不同排肥軸轉(zhuǎn)速條件下,挪威復(fù)合肥質(zhì)量檢測(cè)精度平均值分別為94.12%、94.37%和94.87%;俄羅斯復(fù)合肥質(zhì)量檢測(cè)精度平均值分別為93.99%、93.44%和94.13%;國產(chǎn)尿素質(zhì)量檢測(cè)精度平均值分別為92.7%、93.46%和93.29%。3種固體顆粒肥料總體質(zhì)量檢測(cè)精度平均值分別為94.45%、93.85%和93.15%。試驗(yàn)結(jié)果表明,采用壓電原理的固體顆粒肥料流量檢測(cè)方法在不同排肥軸轉(zhuǎn)速下對(duì)不同品種顆粒肥料具有良好的適應(yīng)性。

3.3 施肥量調(diào)控試驗(yàn)

為驗(yàn)證施肥量調(diào)控性能,開展不同品種顆粒肥料和施肥量條件下調(diào)控試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí),設(shè)定復(fù)合肥施肥量為200、250、300 kg/hm2和尿素施肥量為165、195、225 kg/hm2,插秧機(jī)前進(jìn)速度為0.6～1.4 m/s,同時(shí)在輸肥管出肥口下方排肥,每次試驗(yàn)共計(jì)測(cè)定排肥時(shí)間16 s;試驗(yàn)后,在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)測(cè)量每秒排肥量,計(jì)算單位面積施肥量,并記錄最大誤差和計(jì)算調(diào)控穩(wěn)定后施肥量的變異系數(shù),施肥量調(diào)控規(guī)律見圖10,測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果分析如表5所示。

表5 施肥量調(diào)控試驗(yàn)結(jié)果

圖10 施肥量調(diào)控試驗(yàn)結(jié)果

從表5和圖10可以看出,控制系統(tǒng)經(jīng)1～2 s調(diào)控施肥量穩(wěn)定且與設(shè)定施肥量的誤差在設(shè)定范圍內(nèi)。在復(fù)合肥施肥量為200、250、300 kg/hm2和尿素施肥量為165、195、225 kg/hm2條件下,調(diào)控后,挪威復(fù)合肥施肥量變異系數(shù)平均值分別為3.27%、2.77%和3.01%;俄羅斯復(fù)合肥施肥量變異系數(shù)平均值分別為3.57%、2.97%和2.92%;國產(chǎn)尿素施肥量變異系數(shù)分別為3.45%、2.76%和2.26%。3種固體顆粒肥料總體施肥量變異系數(shù)平均值分別為3.02%、3.15%和2.82%。試驗(yàn)結(jié)果表明,在插秧機(jī)前進(jìn)速度不同條件下,調(diào)控后對(duì)不同施肥量和不同品種的顆粒肥料具有較好的施肥穩(wěn)定性,滿足水稻種植變量施肥作業(yè)的技術(shù)要求。

3.4 田間試驗(yàn)

利用井關(guān)PZ60型水稻高速插秧機(jī)與變量施肥裝置,于2022年8月4日在廣東省肇慶市沙浦農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行晚稻精準(zhǔn)變量施肥田間性能試驗(yàn),試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖11所示。試驗(yàn)地面積為1 hm2,試驗(yàn)肥料為挪威復(fù)合肥;試驗(yàn)前,將已知肥量的挪威復(fù)合肥放入插秧機(jī)中,根據(jù)農(nóng)藝要求設(shè)定施肥量;試驗(yàn)中,插秧機(jī)以速度1～1.4 m/s前進(jìn);試驗(yàn)后,將施肥機(jī)中剩余肥料排出稱量,通過作差方法計(jì)算肥料施入量,結(jié)合作業(yè)面積信息測(cè)得實(shí)際施肥量,將實(shí)際施肥量與預(yù)設(shè)施肥量對(duì)比,試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 變量施肥田間試驗(yàn)結(jié)果

圖11 田間試驗(yàn)

由表6可知,設(shè)定施肥量為180、225 kg/hm2,測(cè)得實(shí)際施肥量分別為189.2、220.1 kg/hm2,施肥量準(zhǔn)確率分別為94.89%和97.82%。試驗(yàn)結(jié)果表明,設(shè)計(jì)的變量施肥裝置在大田工作環(huán)境中仍能保持良好的施肥量控制精度,能夠滿足水稻側(cè)深變量施肥作業(yè)的技術(shù)要求。

4 結(jié)論

(1)基于氣力輸送式外槽輪排肥裝置,提出了一種壓電原理的固體顆粒肥料流量檢測(cè)方法,并通過控制插秧機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì)了一種固體顆粒肥料變量施肥裝置,實(shí)現(xiàn)了固體顆粒肥料施肥量在線檢測(cè)及智能調(diào)控的精準(zhǔn)變量施肥作業(yè)。

(2)采用Central Composite Design試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,進(jìn)行了肥料流量在線檢測(cè)系統(tǒng)性能試驗(yàn),應(yīng)用單目標(biāo)優(yōu)化方法對(duì)肥料流量在線檢測(cè)系統(tǒng)性能影響因素進(jìn)行優(yōu)化,得到最優(yōu)前板安裝角度和風(fēng)機(jī)風(fēng)速參數(shù)組合;通過標(biāo)定試驗(yàn)構(gòu)建了主要固體顆粒肥料檢測(cè)流量與壓電片電壓之間的關(guān)系模型、實(shí)際流量與排肥軸轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系模型、排肥軸轉(zhuǎn)速與電動(dòng)推桿工作長度和插秧機(jī)前進(jìn)速度之間的關(guān)系模型,為固體顆粒肥料變量施肥裝置精準(zhǔn)調(diào)控提供了基礎(chǔ)。

(3)開展了不同條件下的室內(nèi)和田間試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,固體顆粒肥料變量施肥裝置調(diào)控施肥量準(zhǔn)確。開展了排肥軸轉(zhuǎn)速分別為20、25、30 r/min肥料質(zhì)量檢測(cè)精度試驗(yàn),當(dāng)插秧機(jī)前進(jìn)速度為1 m/s勻速條件下,3種固體顆粒肥料總體質(zhì)量檢測(cè)精度平均值分別為94.45%、93.85%和93.15%;進(jìn)行了復(fù)合肥施肥量為200、250、300 kg/hm2和尿素施肥量為165、195、225 kg/hm2調(diào)控性能試驗(yàn),當(dāng)插秧機(jī)前進(jìn)速度為0.6～1.4 m/s條件下,3種固體顆粒肥料總體施肥量變異系數(shù)平均值分別為3.02%、3.15%和2.82%;進(jìn)行了施肥量分別為180、225 kg/hm2的田間試驗(yàn),當(dāng)插秧機(jī)前進(jìn)速度為1～1.4 m/s條件下,挪威復(fù)合肥施肥量準(zhǔn)確率分別為94.89%和97.82%,本研究設(shè)計(jì)的固體顆粒肥料變量施肥裝置調(diào)控性能穩(wěn)定,滿足水稻種植變量施肥作業(yè)的技術(shù)要求。