基于變量施肥系統(tǒng)的施肥準(zhǔn)確性影響因素仿真與試驗(yàn)*

何義川，楊毅，弋曉康，王維鵬

(1.塔里木大學(xué)機(jī)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(cè)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(guó)農(nóng)業(yè)農(nóng)村科技發(fā)展規(guī)劃》中指出,應(yīng)用測(cè)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(shí)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(guó)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(shì),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(shí)效性較差,精準(zhǔn)施肥功能難以實(shí)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(cè)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(jī)擬在得到更好的變量施肥技術(shù)和結(jié)果。

國(guó)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(shí)際應(yīng)用中具有較大的發(fā)展前景[9]。例如對(duì)電控液壓馬達(dá)作為變量施肥執(zhí)行機(jī)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(duì)肥料性質(zhì)和測(cè)土配方技術(shù)進(jìn)行的要素分施和種肥分施,使用計(jì)算機(jī)算法在控制系統(tǒng)中對(duì)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(jī)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(jī)的效率。但針對(duì)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(duì)變量系統(tǒng)匹配與修正排肥電機(jī)轉(zhuǎn)速與影響因素方面進(jìn)行探究[13],對(duì)修正施肥誤差做進(jìn)一步分析。

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

1 基于自動(dòng)導(dǎo)航的變量施肥系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)與基本原理

一種基于自動(dòng)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(dòng)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(hào)進(jìn)行定位,中央控制系統(tǒng)控制動(dòng)力部分的終端元件進(jìn)行轉(zhuǎn)向與掉頭,當(dāng)收到作業(yè)任務(wù)時(shí),由人工或計(jì)算機(jī)算法規(guī)劃行走路線與轉(zhuǎn)向點(diǎn);當(dāng)需要進(jìn)行施肥作業(yè)時(shí),使用點(diǎn)定位技術(shù)獲取所在坐標(biāo)的數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)值,數(shù)據(jù)庫(kù)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(lái)獲得當(dāng)前地塊缺肥的指標(biāo)值,將已按農(nóng)藝要求計(jì)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(jìn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化軟件按不同的施肥差異要求進(jìn)行施肥量等級(jí)的調(diào)整,經(jīng)過步進(jìn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化后的地塊施肥量值存入在數(shù)據(jù)庫(kù)中,可供變量施肥系統(tǒng)隨時(shí)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(shí),自動(dòng)打開串口調(diào)試系統(tǒng),將數(shù)據(jù)上傳,步進(jìn)電機(jī)方可按程序設(shè)定的步進(jìn)值進(jìn)行排肥作業(yè),當(dāng)施肥機(jī)進(jìn)入下一個(gè)設(shè)定長(zhǎng)度的施肥點(diǎn)時(shí),再次使用點(diǎn)定位技術(shù)讀取當(dāng)前施肥數(shù)據(jù)。設(shè)定的點(diǎn)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(jìn)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(jì)流程

針對(duì)上位機(jī)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(duì)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(shí),采用躍遷轉(zhuǎn)速的方法,即使用理論范圍內(nèi)更高一級(jí)的轉(zhuǎn)速修正應(yīng)達(dá)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?yàn)椴圯喪绞┓势鞯霓D(zhuǎn)速增大時(shí),達(dá)不到所設(shè)定轉(zhuǎn)速的漏肥量,而更高一級(jí)的轉(zhuǎn)速值可以代替設(shè)定值進(jìn)行正常工作[14-15]。

轉(zhuǎn)速修正流程是首先測(cè)定單位時(shí)間內(nèi)各個(gè)轉(zhuǎn)速下對(duì)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(jìn)行排肥試驗(yàn)測(cè)定施肥量與相對(duì)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(jìn)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(jìn)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(gè)區(qū)分值的坐標(biāo)都對(duì)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(jìn)數(shù)據(jù)的數(shù)字信號(hào)圖(圖3(b)),按照等級(jí)劃分的施肥區(qū)域以點(diǎn)坐標(biāo)的形式存入數(shù)據(jù)庫(kù)中,這里的步進(jìn)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(shí)[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(jìn)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(dòng)跳過無(wú)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(shí)鐘端引入,調(diào)用點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí),可以根據(jù)輸出的時(shí)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(diǎn)定位技術(shù)[19]隨時(shí)調(diào)取云端數(shù)據(jù)庫(kù)的變量施肥處方數(shù)據(jù),達(dá)到精確施肥的目的。

2 仿真計(jì)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(jìn)行分析[12],因此進(jìn)行離散元分析,使用EDEM導(dǎo)入排肥器模型與有機(jī)顆粒肥相關(guān)參數(shù)進(jìn)行仿真分析[19]。

利用中化化肥生產(chǎn)的有機(jī)肥料顆粒作為試驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行仿真模擬,其狀態(tài)為黑色硬質(zhì)球形包衣型顆粒有機(jī)肥,測(cè)得顆粒的粒徑分布,輸入單個(gè)顆粒,選擇Single sphere。根據(jù)統(tǒng)計(jì)的粒徑分布,對(duì)Size Distribution進(jìn)行設(shè)置,選擇User defined進(jìn)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(duì)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(jī)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(jìn)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(wú)黏結(jié)現(xiàn)象,含水率較低,按照相關(guān)文獻(xiàn)[20-21],使用Hertz-Mindlin(No slip)模型進(jìn)行仿真計(jì)算。

表2 材料基本接觸參數(shù)

2.2 后處理階段

在進(jìn)行仿真過程中選取了1 000粒肥料顆粒進(jìn)行試驗(yàn),在此選取入料口范圍的100粒肥料顆粒進(jìn)行軌跡循跡(圖5),其中選取顏色代表顆粒的受力值,藍(lán)色為min,紅色為max,其在入料口范圍的顆粒軌跡無(wú)回彈現(xiàn)象,軌跡皆為向下,其在入料口些許粒子有蠕動(dòng)軌跡,其為粒子相互擠壓形成的,槽輪葉片對(duì)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(yùn)動(dòng)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(jī)的肥料顆粒無(wú)回彈現(xiàn)象,全部為向下運(yùn)動(dòng)。

圖6 穿過槽輪式排肥器的顆粒受力與運(yùn)動(dòng)軌跡圖

選取任意時(shí)刻肥料在槽輪運(yùn)動(dòng)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(shí)仍不與下凹槽面進(jìn)行接觸,說(shuō)明肥料重力狀態(tài)下未能及時(shí)填充至凹槽中,其為槽輪式施肥器的本身缺陷,也驗(yàn)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(duì)穩(wěn)定后的1～2 s內(nèi)的顆粒在入料口受力值進(jìn)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(shí)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(huì)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(shuō)明槽輪對(duì)肥料的反推作用對(duì)施肥準(zhǔn)確率的影響很小。

2.4 排肥器漏肥量統(tǒng)計(jì)

在EDEM中添加一個(gè)計(jì)數(shù)器(圖11),將規(guī)定時(shí)間段內(nèi)通過的顆粒質(zhì)量疊加值作為統(tǒng)計(jì)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(jì)算的標(biāo)定漏肥量統(tǒng)計(jì)

圖11 添加計(jì)數(shù)框以統(tǒng)計(jì)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(jì)值,計(jì)算得出每轉(zhuǎn)排肥量結(jié)果為98.047 g。

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)試驗(yàn)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(gè)等級(jí)作為轉(zhuǎn)速的設(shè)定值進(jìn)行仿真計(jì)算,輸出30 s內(nèi)的仿真計(jì)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(yàn)證試驗(yàn)與分析

使用履帶式變量施肥機(jī)作為試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行田間試驗(yàn),其履帶式變量施肥機(jī)的基本參數(shù)如表5所示。

表5 履帶式施肥機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

履帶式開溝施肥機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),開溝漏肥的過程自動(dòng)覆土,在停轉(zhuǎn)覆土機(jī)構(gòu)后會(huì)導(dǎo)致肥料播撒在溝中與土混合難以計(jì)數(shù)(圖12(a)),因此采用停轉(zhuǎn)開溝機(jī)構(gòu)并在后方覆膜的試驗(yàn)方法(圖12(b)),按試驗(yàn)指標(biāo)和方法開啟或關(guān)閉施肥機(jī)和變量系統(tǒng),將膜上的肥料收集并統(tǒng)計(jì)其質(zhì)量[20-21]。

進(jìn)行田間試驗(yàn)時(shí),測(cè)得60 r/min時(shí)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(jì)算的計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)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(yàn)中60 r/min下漏肥量統(tǒng)計(jì)

在進(jìn)行田間試驗(yàn)時(shí)采用直流電機(jī)排肥器進(jìn)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(cè)得60 r/min、80 r/min、100 r/min下30 s的漏肥量,9次試驗(yàn)的準(zhǔn)確率取平均值為95.91%。

表7 使用直流電機(jī)排肥器施肥準(zhǔn)確性試驗(yàn)

將變量施肥系統(tǒng)應(yīng)用到排肥器上進(jìn)行田間試驗(yàn),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(jì)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(duì)于80 r/min的系統(tǒng)設(shè)定轉(zhuǎn)速應(yīng)為84 r/min;相對(duì)于100 r/min的系統(tǒng)設(shè)定轉(zhuǎn)速為144 r/min。9次試驗(yàn)的準(zhǔn)確率取平均值為98.96%,其實(shí)際作業(yè)過程中受開溝裝置的震動(dòng)影響或復(fù)雜地形情況下震動(dòng)影響會(huì)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(yàn)

通過表7和表8的對(duì)比得出在相同工況下,直流電機(jī)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(jì)算的結(jié)果與田間試驗(yàn)作比較,如表9所示,平均誤差率為3.11%。因此,使用顆粒有機(jī)肥時(shí),入料口槽輪葉片的反推作用對(duì)施肥準(zhǔn)確率影響較小。

表9 仿真計(jì)算與田間試驗(yàn)漏肥量對(duì)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(shí)間內(nèi)進(jìn)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(diǎn)定位技術(shù)的變量施肥控制系統(tǒng),針對(duì)應(yīng)用于槽輪式排肥器的施肥準(zhǔn)確性進(jìn)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(yùn)動(dòng)規(guī)律,將仿真結(jié)果與田間試驗(yàn)結(jié)果對(duì)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(duì)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(shí)沒有及時(shí)填滿凹槽,導(dǎo)致施肥量不成比例增加,同時(shí)通過仿真與田間試驗(yàn)證明可通過變量施肥系統(tǒng)來(lái)達(dá)到提高排肥器準(zhǔn)確率的目的。

3) 通過田間試驗(yàn)可知,田間試驗(yàn)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(jī)的進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。