離心勻肥罩式水稻地表變量撒肥機設計與試驗

施印炎　陳　滿　汪小旵,3　MORICE O O　李成光　丁為民,3

(1.南京農業大學工學院， 南京 210031； 2.農業部南京農業機械化研究所， 南京 210014；3.江蘇省現代設施農業技術與裝備工程實驗室， 南京 210031)

0　引言

作為主要糧食作物之一，水稻的合理施肥能夠有效促進生長，提高相應的生物量和產量[1-3]。變量施肥作為合理分配肥料養分的有效手段之一，成為實施精確農業的一個重要環節。水稻作物因其特殊的水田生長模式，大部分施肥方式仍停留在人工作業，耗時、費力、不均勻，急需提高水稻施肥作業機械化水平[4]。大幅寬圓盤式變量撒肥機提高了施肥工作效率和肥料利用率，減少了人工投入，降低了生產成本，成為水稻地表追肥的主要作業方式[5-6]。

大面積農場種植模式的歐美等發達國家，早在20世紀已經對離心式撒肥機展開大量的研究[7-10]。OLIESLAGERS等[11]研究了出肥孔口位置和圓盤轉速等結構參數對圓盤式撒肥機撒肥分布的影響，建立肥料顆粒運動模型并設計了模型控制系統，通過驗證對比試驗證明數學模型的有效性；CAMPELL等[12]設計了一種基于液壓流量比例閥控制的雙圓盤撒肥機，對采用開、閉環控制系統的執行機構分別進行不同施肥量的排肥性能試驗，驗證控制系統的準確性和顆粒分布均勻性；COETZEE等[13]通過建立果園離心式施肥機的離散元仿真模型，研究孔口流量、葉片傾角等結構參數對撒肥一致性的影響，試驗表明離散單元法(Discrete element method,DEM)仿真模型具有很好的預測效果。近年來，國內對離心圓盤式施肥機研究相繼有了一定的成果[14-16]。陳書法等[17]為解決水田變量撒肥技術相對落后的問題，設計了一種高地隙自走式變量撒肥機，研究了整機關鍵結構參數以及變量控制系統，通過場地和田間試驗驗證整機工作性能；呂金慶等[18]針對撒肥機拋撒不均勻問題，設計了一種錐盤葉片偏置式撒肥裝置，通過旋轉正交試驗對撒肥裝置結構參數進行優化，滿足馬鈴薯撒肥作業最佳要求；胡永光等[19]設計了一種適用于茶園的偏置式窄行距撒肥離心盤，利用EDEM軟件建立離散元仿真模型，通過虛擬試驗分析優化工作參數、臺架試驗驗證回歸模型的預測精度。目前已開展的對離心撒肥機的研究主要集中在裝備的結構設計以及參數優化對撒肥性能的影響，對變量控制系統研究主要參考槽輪式基于處方圖技術的精準變量施肥，缺乏基于傳感器和水稻實時生長信息的變量均勻撒肥控制技術。

本文參考課題組研制的基于光譜技術的冬小麥精準變量追肥機[20-21]，針對華南稻麥輪作區少壓損、大寬幅、高效率、低成本等水稻地表施肥農藝要求，設計一種基于水稻實時生長信息的雙圓盤離心勻肥罩式地表變量撒肥機。主要對撒肥機關鍵結構參數進行設計，研究分析檢測、控制、決策系統，并通過試驗驗證撒肥性能，尋求最優的撒肥作業工作參數組合，實現單次軌跡撒肥有效幅寬大于24 m的水稻高效、準確、均勻撒肥。

1　整機結構與工作原理

1.1　整機結構

基于光譜技術的雙圓盤離心勻肥罩式水稻地表變量撒肥機整體結構如圖1所示，主要由光譜傳感器、無線通信系統、車控制終端(CPU)、行走系統、撒肥裝置、控制系統等部件組成，整機主要技術參數如表1所示。

圖1　離心式變量撒肥機整機結構圖Fig.1　Structure diagram of centrifugal variable-rate fertilizer spreader1.光譜傳感器　2.車速傳感器　3.車載CPU　4.控制系統　5.行走系統　6.傳動系統　7.肥箱　8.撒肥盤

1.2　工作原理

水稻地表變量撒肥機為拖拉機三點懸掛式牽引，PTO驅動一對反向撒肥圓盤，單次軌跡撒肥有效幅寬大于24 m，通過閉環反饋系統分別調整圓盤轉速和撒肥開度，自動化程度高，撒肥分布均勻，有效提高生產效率和肥料利用率，適用于大規模稻麥輪作區現代化農業種植。撒肥過程中，無線串口模塊將Greenseeker光譜檢測系統實時獲取的水稻冠層NDVI值傳輸給車載控制終端，運行設置的變量施肥專家決策系統，基于優化的Ruan模型生成實時目標需肥量，結合傳感器反饋的當前整機行走速度、圓盤轉速以及肥箱開度信息，經決策系統指導核心控制器(STM32單片機)驅動步進電動機控制排肥開度，在線調整作物實時施肥量，實現相對意義上的水稻精準變量施肥。

表1　主要技術參數Tab.1　Technical parameters of fertilizer spreader

2　撒肥裝置結構設計

2.1　撒肥圓盤結構設計

撒肥圓盤作為離心式撒肥機的核心部件，主要由撒肥盤、葉片、勻肥罩等組成，如圖2a所示。根據撒肥機結構尺寸，設計撒肥圓盤直徑為620 mm，為增大撒肥有效幅寬，設計截面為錐形，錐角α范圍0°～10°；選用常見的雙撒肥葉片布置，互呈180°，與圓錐對心母線的夾角(葉片傾角)β可以通過緊定螺釘調節，葉片傾角β一般取6°～20°[17]；結合上述錐形撒肥圓盤直徑和葉片分布，設計的勻肥罩為柱形罩底部開口分料，其直徑240 mm(厚5 mm)，高80 mm，開口高度45 mm，位于兩葉片中心位置，顆粒肥料在離心力作用下不斷地從勻肥罩出料口流出，被依次到達的撒肥葉片拋灑出去，有助于均勻撒肥。

圖2　撒肥圓盤和肥量調節裝置結構圖Fig.2　Structure diagrams of centrifugal disc and fertilizer regulating device1.葉片　2.勻肥出口　3.勻肥罩　4.圓盤　5.齒輪齒條機構　6.步進電動機　7.連桿　8.動盤　9.定盤

2.2　撒肥量調節機構設計

施肥量調節機構作為變量撒肥機的關鍵部件，其結構如圖2b所示，主要包括步進電動機、齒輪齒條機構、連桿、動定圓盤、角位移感器、限位行程開關等零部件。根據下位機決策的目標施肥量信息，通過控制步進電動機驅動齒條連桿機構調節由動盤和定盤構成的下料口相互位置，從而控制下肥口大小(流量0～500 g/s)，調節排肥流量。DELIXI LXJM1-8108型限位開關與上位機協調工作控制動盤的極限位置角度，即排肥量最大、最小值；WDD35D-4 5k型角度位移傳感器直接檢測動盤當前位置轉角，換算為即時排肥流量，實時傳送至車載CPU人機交互界面顯示；選用常見的控制相對簡單而性能準確可靠的57HBP76AL4型步進電動機，額定電流3 A，輸入直流電壓10～48 V，靜扭矩1.5 N·m，歩距角1.8°，配備相應的HYQD40-5742型數字式驅動器。

圖3　肥量調節裝置與減速機構示意圖Fig.3　Schematic diagrams of fertilizer regulating device and retarding mechanism

根據撒肥量調節裝置工作原理，運動分析時將其簡化為偏置式曲柄滑塊機構[22]，如圖3a所示，建立坐標系。圖中e為偏心距，mm；r1為曲柄長度，mm；r2為連桿長度，mm；l為滑塊移動距離，mm；α為曲柄轉角，(°)；β為連桿轉角，(°)。由運動分析圖可知，滑塊移動距離l為

l=r1cosα+r2cosβ

(1)

對時間t求導，得滑塊移動速度

(2)

由圖可得r1sinα=r2sinβ+e，對時間t求導得

(3)

(4)

在已知滑塊速度v或位移l的情況下可以反演計算出曲柄的角速度ω1，從而得出動盤轉角。根據機械原理，齒輪齒條傳動機構中齒條的移動速度為

(5)

式中d——齒輪分度圓直徑，mm

n1——曲柄轉速

2.3　圓盤驅動裝置和肥箱設計

離心式撒肥機整機驅動力來自牽引拖拉機PTO輸出軸，通過二級錐齒輪減速器將驅動力傳遞至兩撒肥圓盤轉軸，轉向相反，根據理論力學知識，通過相應的傳動比計算出圓盤轉速，傳動路線如圖3b所示。撒肥機牽引拖拉機動力參考文獻[23]中的輸出功率經驗公式來選取。

為了減少停車裝肥次數，提高撒肥機單次撒肥效率，設計的肥量總容積為1 500 L，左右相互獨立，肥箱形狀為回字形倒四棱柱，且增加過濾網，防止塊狀肥料和雜質進入肥箱，增強顆粒肥料的流動性，降低堵塞率。

3　控制系統設計

3.1　光譜檢測裝置設計

基于傳感器的離心式水稻變量施肥機根據采集的作物冠層歸一化植被指數(NDVI)進行施肥決策。光譜采集檢測系統主要由6個相互間隔0.4 m的GreenSeeker傳感器、1個信號協調器Interface Module、12 V電源和高度可調支架組成，以保證傳感器光源距離作物冠層0.8～1.2 m(圖1)。系統以主動遙感的方式(紅光波段671±6 nm、近紅外光波段780±6 nm)將采集的水稻冠層生長信息光信號轉換為通過CAN總線傳輸的電信號至協調器，數據經過無線串口通信模塊E61-TTL-1W遠程發送給車載CPU，進行施肥決策。

作為整個施肥過程最基本的環節，光譜檢測系統采集數據的準確性和代表性尤為重要，采樣頻率是關鍵。樣本量越大，數據越準確越具有代表性，但是數據處理對系統軟硬件要求越高；樣本量越小，數據處理越快，但是無法客觀反映區域作物長勢空間差異性。GreenSeekerRT200采樣頻率范圍f在0.7～3.33 Hz之間，在能夠保證采樣數據一定準確性(NDVI值變異系數Cv)、不影響系統硬件性能的情況下，采用克里斯琴森均勻系數評價采樣頻率對NDVI值變異系數的影響，確定最佳采樣頻率[21]。采樣試驗如圖4所示，結果如表2所示，克里斯琴森均勻系數計算式為

(6)

式中n——樣本數量

fi——第i個樣本NDVI值

圖4　光譜數據采樣試驗Fig.4　Picture of sampling test for spectrum data

表2樣本分布均勻系數和變異系數與采樣頻率的關系

Tab.2Relationshipbetweensamplingfrequencyanddistributionuniformitycoefficientandvariationcoefficient %

采樣頻率f/Hz參數試驗地塊人工撒肥傳統機撒變量機撒0.8Cu92.3490.8693.6493.7292.1691.7594.2691.8792.43Cv15.7516.3414.2914.7613.6415.0710.7512.4314.821.2Cu91.8491.3190.6792.4691.7293.5393.0793.7291.67Cv14.3815.7614.2514.5313.7414.2613.2514.0315.071.6Cu90.4891.5290.0391.5490.9691.0392.4191.7292.64Cv14.0613.8714.3513.2712.4614.8212.0811.5613.722.0Cu89.4690.7288.3791.5390.4691.7292.4890.3791.05Cv11.5212.8714.6912.7513.0912.9110.8512.0611.752.4Cu87.5186.7288.9189.7790.3589.7190.2891.0689.43Cv10.8412.6711.7311.6412.8110.9211.8910.7514.862.8Cu89.7285.4984.6189.7886.3488.9691.7290.4186.75Cv7.689.7211.5610.4812.689.756.6710.819.76

圖5　變量撒肥機控制系統框圖Fig.5　Block diagram of control system for variable-rate fertilizer spreader

分別對人工撒肥、傳統施肥機均衡撒肥、變量施肥機按需撒肥3個不同的對照區進行隨機采樣試驗，由表2可以看出，樣本分布均勻系數最大為94.26%(變量機撒區)、最小為84.61%(人工撒肥區)，變異系數最大值為16.34%(人工撒肥區)、最小值為6.67%(變量機撒區)，說明采樣頻率f對分布均勻系數影響不大，而對變異系數影響顯著。根據表中數據分析，為保證3個不同的對照區樣本分布均勻系數大于等于90%，變異系數小于等于15%，選取系統采樣頻率f=1.6 Hz。

3.2　控制系統硬件設計

控制系統作為離心式水稻變量施肥機核心，主要由硬件和軟件組成，完成傳感器信息采集、通信、存儲，對執行機構的實時控制以及人機交互界面的顯示。控制系統硬件部分如圖5所示，主要包括電源、穩壓模塊、GPS模塊、傳感器模塊、無線通信模塊、核心控制器模塊、驅動器模塊、車載控制終端、人機交互模塊等。

電源選用24 V、36 A·h的鋰電池為整個控制系統獨立供電，通過穩壓模塊分配到不同的用電元件，不受外在因素干擾；核心控制器選用STM32F103系列作為主控制芯片，接收通過無線通信模塊E61-TTL-1W傳輸的光譜數據進行解析決策，車載控制終端Windows操作系統計算出水稻實時目標需肥量，結合霍爾傳感器采集的拖拉機車速、編碼器采集的雙圓盤轉速、角度傳感器采集的肥箱開度反饋信息，指導核心控制器PWM控制電動機驅動模塊，從而調節肥箱開口角度，控制施肥量。GPS模塊ATK-NEO-6M-V23用于實時定位當前施肥機所處的作業位置，可輔助完成車速檢測；人機交互顯示模塊選用基于ARM的WAT-T8060-104組態多功能一體機，10.4 in TFTLCD顯示屏完成采集信息的顯示和存儲，發送相應的作業參數指令。

3.3　控制系統軟件設計

控制系統程序采用C語言在KeilμVision5開發環境中進行編程，由主程序調用若干相應的模塊子程序實現整個施肥控制過程，控制流程如圖6所示。系統供電，施肥作業開始后，GPS子程序被調用獲取當前位置信息，光譜信息檢測子程序被調用獲取水稻實時生長信息，系統調用施肥模型子程序計算目標需肥量，結合調用的相應傳感器模塊子程序監測信息(車速、圓盤轉速、肥箱開度)，根據決策模型確定當前有效作業幅寬對應的撒肥面積所需的目標施肥量，主程序根據目標施肥量調用步進電動機驅動器模塊子程序，控制步進電動機調節撒肥量大小；實時位置、光譜數據、行走速度、肥箱開度、圓盤轉速、施肥量等信息通過人機交互模塊子程序顯示和存儲；判斷模塊子程序連續監測撒肥動作是否繼續，如需繼續則重復以上工作循環。

4　性能試驗

為評價變量撒肥機撒肥分布均勻性和施肥量準確性，對變量撒肥機進行性能試驗。

4.1　試驗條件

圖6　控制系統流程圖Fig.6　Flowchart of control system

試驗于2017年4月在江蘇鹽城鹽海拖拉機制造有限公司試驗基地進行，天氣晴，氣溫15～25℃，風速小于2.0 m/s(符合ASAE標準允許試驗風速)，地面相對平整，試驗地面積 500 m2，空氣相對濕度 42%，土壤絕對含水率 21%；試驗材料為南方常用的復合顆粒肥料，南京正美實農化有限公司生產，含水率為1.03%，顆粒直徑均值為4.02 mm；測試方法及指標參照GB/T 5262—2008《農業機械試驗條件測定方法的一般規定》以及ISO 5690和ASAE S314.2所規定的離心式撒肥機試驗方法，圖7為撒肥機性能試驗圖。

圖7　撒肥性能試驗Fig.7　Performance test of spreading fertilizer

4.2　試驗方法

撒肥作業時，在試驗區域內(30 m×14 m)鋪放塑料薄膜以減少肥料浪費，在二維矩陣收集盒內壁粘貼適量柔軟棉布料以降低因肥料彈跳造成的試驗誤差。按15×10矩陣擺放收集盒(50.8 cm×40.6 cm×10.2 cm)150個，列間隔1.5 m，行間隔0.8 m，撒肥機以一定的作業速度從橫向對稱中心穿過后，稱量各收集盒內肥料顆粒(裝袋標號保存)，用于表征變量撒肥顆粒分布。每次試驗調整肥箱肥料大于總容量的50%并校準整機進入相應的工作狀態，變量撒肥機在穩定區啟動后進入測定區(收集盒區域)，最終有一段停止區，以保證測定區域試驗準確性。

針對變量撒肥機施肥質量和施肥可靠性要求，選擇影響變量撒肥效果的主要作業參數：出口排肥流量、撒肥圓盤轉速、整機前進速度為試驗因素，定點收集試驗區域內肥料顆粒，以撒肥有效幅寬內顆粒分布變異系數為評價指標1，表征變量施肥機撒肥分布均勻性，以單位面積施肥量誤差為評價指標2，表征變量撒肥機施肥量準確性。根據設計方案，參考文獻[15，18]中變量撒肥裝備性能作業參數，施肥機械作業速度v1范圍為0.6～1.8 m/s，圓盤轉速范圍為300～1 000 r/min，排肥流量q范圍為0～500 g/s，在實際變量施肥作業的基礎上，選取合適的因素水平，設計三因素三水平正交試驗(L9(34))，因素水平如表3所示。分別計算肥料顆粒分布變異系數和單位面積撒肥量誤差評價變量施肥機撒肥性能，每組試驗重復3次取平均值，試驗指標計算公式為

(7)

式中γ——單位面積撒肥量誤差，%

M——試驗區域內肥料顆粒總質量，g

S——試驗區域面積，m2

Q——理論目標施肥量，g/m2

(8)

其中

式中Cv——顆粒分布變異系數，%

SD——肥料顆粒質量標準差，g

Xi——第i個收集盒肥料顆粒質量，g

m——收集盒數量

表3　正交試驗因素水平Tab.3　Factors and levels of orthogonal test

4.3　試驗結果與分析

上述性能正交試驗方案與結果如表4所示，A、B、C分別為q、n、v1水平值。

由表4中極差分析可知，對于不同的評價指標，影響因素的顯著性不同。評價指標以撒肥顆粒分布變異系數Cv優先時，影響Cv的主次順序為A、B、C，選擇較優的水平組合為A1B3C2，顆粒分布變異系數Cv隨著因素A的增大而增大，隨著因素B的增大而減小，隨著因素C的增大呈現先減小后增大的趨勢；評價指標以撒肥量誤差γ優先時，影響γ的主次順序為B、A、C，選擇較優的水平組合為A2B2C2，撒肥量誤差γ隨著A、B、C各因素的增大都呈現出先減小后增大的趨勢。

方差分析結果見表5，由Cv的方差分析可以看出FA>FB>FC，表明因素A對變異系數Cv影響最為顯著，因素B影響次之，因素C影響最小(P<0.05)；由γ的方差分析可以看出FB>FA>FC，表明

表4　正交試驗設計與結果Tab.4　Results of orthogonal test

因素B對撒肥量誤差γ影響最為顯著，因素A影響次之，因素C影響最小(P<0.05)，與極差分析結果一致。綜合極差分析和方差分析結果，根據不同的評價指標，選擇的最優因素水平組合不同。Cv優先時，選取A1B3C2組合最優，Cv=12.67%，γ=12.47%；γ優先時，選取A2B2C2組合最優(未出現在正交試驗方案中)，另外增加一組試驗方案A2B2C2，Cv=13.82%，γ=9.54%。比較不同評價指標優先時最佳組合方案，參考相關標準對撒肥機械作業要求[15](Cv≤15%，γ≤10%)，選取相對更優的因素水平組合A2B2C2，即排肥流量q=300 g/s，圓盤轉速n=600 r/min，行走速度v1=1.2 m/s，施肥機整機撒肥性能最優。

表5　方差分析Tab.5　Analysis of variance

注：** 為極顯著，*為顯著。

4.4　田間試驗

為了驗證上述正交性能試驗最佳因素水平組合的準確性，提高變量撒肥機撒肥性能，于2017年6月在江蘇省東臺金滿穗農業發展有限公司水稻試驗基地進行田間試驗，天氣晴，氣溫25～36℃，風速小于2.0 m/s，試驗地面積1.3 hm2，空氣相對濕度31%，試驗方法與4.2節一致，圖8所示為撒肥機田間試驗。

圖8　田間驗證試驗Fig.8　Picture of field validation test

試驗過程中，調節撒肥機工作參數到最佳水平：排肥流量q=300 g/s，圓盤轉速n=600 r/min，行走速度v1=1.2 m/s，進行6組重復性試驗(6塊試驗地)，試驗結果如表6所示。試驗結果表明，田間撒肥顆粒分布變異系數Cv最大為15.71%，最小為12.13%，均值為13.97%，與性能試驗誤差均值為9.19%；田間撒肥量誤差γ最大值為10.76%，最小值為8.24%，均值為9.46%，與性能試驗誤差均值為9.25%。評價指標滿足相關規定對施肥機械作業要求[24]，表明設計的離心式變量施肥機提高了撒肥分布均勻性和施肥量準確性，為離心式撒肥機傳統的經驗式施肥提供了一定的理論基礎。

表6　田間試驗結果Tab.6　Results of field test　%

5　結論

(1)針對目前水稻變量追肥作業均勻性、準確性要求，設計了一種基于傳感器的雙圓盤離心勻肥罩式水稻地表變量施肥機，開發配套的變量施肥作業控制系統，開展相應的排肥性能試驗，實現水稻高效、準確、均勻變量撒肥。

(2)以STM32F103為核心控制器，集成各傳感器數據信息，協調反饋信息，結合施肥策略模型，響應目標需肥量，經過決策系統指導步進電動機控制排肥開度，在線調整作物實時施肥量，實現相對意義上的水稻精準變量施肥。

(3)撒肥性能試驗結果表明，撒肥機作業參數排肥流量A、圓盤轉速B、行進速度C對于不同的評價指標的影響顯著性不同。以顆粒分布變異系數Cv為評價指標，影響主次因素為A、B、C，最佳因素水平組合是A1B3C2；以施肥量相對誤差γ為評價指標，影響主次因素為B、A、C，最佳因素水平組合是A1B3C2；比較不同最佳組合方案，選取相對更優的因素水平組合A2B2C2，即q=300 g/s，n=600 r/min，v1=1.2 m/s時，Cv=13.82%，γ=9.54%，施肥機整機撒肥性能最優。

(4)田間試驗結果表明：在最優的撒肥作業參數組合條件下，變異系數Cv均值為13.97%，與性能試驗誤差均值為9.19%；撒肥量誤差γ均值為9.46%，與性能試驗誤差均值為9.25%。滿足國標相關規定對施肥機械作業要求，表明設計的離心式變量施肥機能夠提高撒肥分布均勻性和施肥量準確性，為離心式撒肥機傳統經驗式施肥提供了一定技術支持。

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