玉米植株抗倒性測(cè)量裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

崔 濤 董佳琪 楊瑞梅 張東興 楊 麗 李克鴻

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.北京聯(lián)合大學(xué)機(jī)器人學(xué)院， 北京 100101)

0 引言

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)玉米集約化密植栽培增產(chǎn)理念的提出與深入實(shí)踐，玉米倒伏已經(jīng)成為限制玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，玉米倒伏嚴(yán)重會(huì)減產(chǎn)30%～50%。玉米倒伏不僅直接影響玉米產(chǎn)量和品質(zhì)，且不利于玉米的機(jī)械化收獲，制約了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)玉米集約化生產(chǎn)[1-3]。

玉米倒伏主要因素包括玉米莖稈力學(xué)性能，如莖稈彎曲強(qiáng)度、根系錨固強(qiáng)度、形態(tài)結(jié)構(gòu)和彈性模量等[4-6]，外力影響如風(fēng)力、種植密度、降水量等[7-8]。研究表明，植株自重彎矩和根系的錨固強(qiáng)度為莖稈倒伏的重要影響因素[9]。因此，通過(guò)外力誘導(dǎo)玉米倒伏，研究玉米倒伏的力學(xué)機(jī)制對(duì)于玉米育種和田間管理具有指導(dǎo)意義。

目前，通過(guò)測(cè)量玉米植株彎曲強(qiáng)度來(lái)預(yù)測(cè)抗倒性應(yīng)用普遍，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)莖稈彎曲強(qiáng)度的測(cè)量方法與裝置做了大量研究。ALAIN等[10]設(shè)計(jì)了一種由支架、力傳感器、角度傳感器和控制器組成的便攜式電子設(shè)備，人工推動(dòng)裝置，測(cè)量莖稈傾斜時(shí)的阻力轉(zhuǎn)矩和對(duì)應(yīng)的角度，測(cè)量得到的數(shù)據(jù)可以傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，用來(lái)測(cè)量玉米莖稈的抗倒性。但裝置需人力提供加載，即加載不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的誤差較大。BEERY等[6]研究的手持式測(cè)力計(jì)可以根據(jù)不同株高來(lái)調(diào)節(jié)推桿高度，通過(guò)測(cè)力傳感器同時(shí)檢測(cè)多株小麥的力，但因電池組和電子部件的重量阻礙了這種技術(shù)的廣泛應(yīng)用。日本大樹(shù)理化工業(yè)有限公司研究的DIK-7401型手持裝置將植物壓到相對(duì)于地面45°時(shí)，與莖稈成直角的方向推動(dòng)下軸部的電阻進(jìn)行測(cè)定，顯示此時(shí)移動(dòng)的錨固力，可用于小麥和水稻抗倒伏性的測(cè)量[11]。卞曉慧[12]設(shè)計(jì)了一種便攜式玉米抗折性能測(cè)定儀，搭建了基于單片機(jī)、壓力傳感器和2個(gè)傾角傳感器的壓力與角度信息采集系統(tǒng)。測(cè)量時(shí)在水平和垂直2個(gè)方向?qū)ηo稈施力，儀器顯示此時(shí)的力和角度值，同時(shí)上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)輸出力-角度曲線。但這2種儀器在測(cè)量時(shí)難以保證與莖稈垂直或與地面保持水平。呂宗迎等[13]設(shè)計(jì)了一種測(cè)定小麥莖稈力學(xué)特性的試驗(yàn)系統(tǒng)，運(yùn)用比較精確的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)技術(shù)，可對(duì)不同性狀的小麥進(jìn)行分類試驗(yàn)。李偉等[14]研究了玉米秸稈抗根倒伏強(qiáng)度檢測(cè)方法并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的檢測(cè)儀。將玉米秸稈簡(jiǎn)化為懸臂梁力學(xué)模型，以植株的最大垂直拔根阻力作為衡量玉米秸稈抗根倒伏強(qiáng)度的參數(shù)，但只能實(shí)現(xiàn)部分歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，且沒(méi)有對(duì)裝置的精確性進(jìn)行驗(yàn)證。

上述裝置存在人工施力速度不穩(wěn)定且未進(jìn)行裝置精確性驗(yàn)證等問(wèn)題。隨著玉米植株抗倒伏研究的深入，抗倒性測(cè)量成為玉米品種培育中的重要環(huán)節(jié)。為解決現(xiàn)有測(cè)量裝置存在的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種玉米植株抗倒性測(cè)量裝置，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行測(cè)量，模擬玉米倒伏時(shí)的真實(shí)情況，獲得倒伏實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。通過(guò)探究玉米倒伏機(jī)理，以更優(yōu)化的指標(biāo)來(lái)預(yù)測(cè)玉米的抗倒性，為育種專家培育抗倒性強(qiáng)的玉米品種提供設(shè)備支撐。

1 測(cè)量原理

將玉米莖稈簡(jiǎn)化成一端固定一端自由的懸臂梁力學(xué)模型[15-16]。圖1為玉米植株倒伏臨界狀態(tài)，假定L1為倒伏時(shí)植株頂端橫向偏移位移，Q為莖稈單位長(zhǎng)度重力，L2為玉米莖稈垂直高度，G為果穗重力，L3為果穗橫向位移長(zhǎng)度，F(xiàn)為施加玉米植株的勻速外力，力F距離地面高度為H。

圖1 玉米倒伏時(shí)的臨界狀態(tài)Fig.1 Critical state diagram of maize during lodging

倒伏是影響玉米產(chǎn)量的重要因素之一，其中玉米倒伏分為莖倒伏與根倒伏[14]。建立莖倒伏與根倒伏模型，分析兩種狀態(tài)下植株倒伏的受力情況，對(duì)玉米植株抗倒性測(cè)量具有重要意義。

1.1 莖倒伏模型

圖2為玉米莖倒伏時(shí)受力分析圖，臨界狀態(tài)的平衡方程為

圖2 玉米莖倒伏受力分析Fig.2 Analysis on lodging force of maize stem

∑Fx=F-FXA=0

(1)

(2)

(3)

式中FXA——莖倒伏時(shí)土壤、地表根系及莖稈表面張力等對(duì)莖稈水平方向作用力，N

FYA——莖倒伏時(shí)土壤、地表根系及莖稈表面張力等對(duì)植株垂直方向作用力，N

MA——莖倒伏時(shí)土壤、地表根系及莖稈表面張力等對(duì)植株的力矩，N·m

h——莖倒伏時(shí)莖稈折斷處與地表的距離，m

α——莖倒伏時(shí)折斷處下方莖稈偏移垂直地表角度，(°)

β——莖倒伏角，(°)

Fx——水平方向分力，N

Fy——垂直方向分力，N

其中FXA、FYA、MA等效作用于莖稈折斷處，式(1)～(3)化簡(jiǎn)可得

FXA=F

(4)

(5)

(6)

當(dāng)α=β或α>β時(shí)，可看作玉米莖稈發(fā)生根倒伏。

1.2 根倒伏模型

圖3為玉米根倒伏受力分析圖。

圖3 玉米根倒伏受力分析Fig.3 Analysis of root lodging force of maize

臨界狀態(tài)的平衡方程為

∑Fx=F-FXB=0

(7)

(8)

(9)

式中FXB——根倒伏時(shí)土壤對(duì)根系水平方向作用力，N

FYB——根倒伏時(shí)土壤對(duì)根系垂直方向作用力，N

MB——根倒伏時(shí)土壤對(duì)根系的力矩，N·m

θ——根倒伏角，(°)

其中FXB、FYB、MB等效作用于根倒伏點(diǎn)，式(7)～(9)化簡(jiǎn)可得

FXB=F

(10)

(11)

(12)

由倒伏模型得出Q、G、L2、L3均與植株自身的生理特性相關(guān)。外力F的不同，會(huì)導(dǎo)致FXA、FXB和MA、MB的不同，進(jìn)而導(dǎo)致倒伏強(qiáng)度的差異。因此根據(jù)不同植株倒伏時(shí)所能承受的最大抗推力矩或最大抗拉力來(lái)衡量玉米植株的抗倒能力具有理論性依據(jù)，且最大抗推力矩或最大抗拉力可同時(shí)適用于根倒伏與莖倒伏兩種狀態(tài)下的玉米植株抗倒能力的衡量。

2 硬件結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 總體結(jié)構(gòu)

玉米植株抗倒性測(cè)量裝置總體結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括支撐架、驅(qū)動(dòng)裝置、旋轉(zhuǎn)推動(dòng)裝置、數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)及移動(dòng)鋰電池等。測(cè)量裝置由電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作，提供勻速外力F推動(dòng)玉米莖稈，測(cè)量速度及測(cè)量高度可調(diào)節(jié)，且同時(shí)適用于玉米植株根倒伏與莖倒伏兩種狀態(tài)。

圖4 測(cè)量裝置總體結(jié)構(gòu)圖Fig.4 General structure drawing of measuring device1.移動(dòng)鋰電池 2.數(shù)據(jù)采集顯示儀 3.藍(lán)牙 4.電源轉(zhuǎn)換器 5.控制器 6.電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 7.上位機(jī) 8.變送器 9.步進(jìn)電機(jī) 10.支撐架 11.行星減速機(jī) 12.支架 13.聯(lián)軸器 14.扭矩傳感器 15.非調(diào)心軸承座 16.連接軸 17.夾頭 18.折彎臂 19.傾角傳感器 20.夾持部件

數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)作為裝置的核心部分，主要包括：扭矩傳感器、傾角傳感器、數(shù)據(jù)采集顯示儀，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能圖Fig.5 Structure and function diagram of data acquisition system

利用扭矩傳感器檢測(cè)推力矩，利用傾角傳感器精確地檢測(cè)推倒玉米植株過(guò)程中角度變化情況，利用數(shù)據(jù)采集顯示儀接收傳感器傳來(lái)的電信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的力矩和角度。數(shù)據(jù)采集顯示儀包括單片機(jī)模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、液晶顯示模塊、藍(lán)牙傳輸模塊等。

驅(qū)動(dòng)裝置由步進(jìn)電機(jī)、減速機(jī)和控制器構(gòu)成，用于勻速推倒莖稈。旋轉(zhuǎn)推動(dòng)裝置包括夾頭、折彎臂和夾持部件，將電機(jī)輸出的扭矩傳遞給折彎臂，進(jìn)而推動(dòng)莖稈，同時(shí)折彎臂和夾持部件的設(shè)計(jì)，使測(cè)量時(shí)接觸面始終垂直于莖稈軸向，能夠?qū)崟r(shí)保持垂直狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量。扭矩傳感器與連接軸通過(guò)聯(lián)軸器相連接，傾角傳感器安裝在折彎臂上。

2.2 旋轉(zhuǎn)推動(dòng)裝置

旋轉(zhuǎn)推動(dòng)裝置三維模型如圖6所示。夾頭用于穩(wěn)定地夾住折彎臂，同時(shí)傳遞扭矩。夾頭一端通過(guò)夾爪夾住折彎臂，確保莖稈偏移角與折彎臂旋轉(zhuǎn)角一致，避免發(fā)生松動(dòng)，另一端通過(guò)螺紋與連接軸連接。夾持部件由夾持單元和管子夾構(gòu)成，用于夾持玉米莖稈，防止測(cè)量時(shí)滑脫，管子夾一端夾住折彎臂，一端與夾持單元通過(guò)螺紋固定。

圖6 旋轉(zhuǎn)推動(dòng)裝置三維模型Fig.6 3D model of rotary propulsion device1.夾頭 2.折彎臂 3.傾角傳感器 4.管子夾 5.夾持單元

玉米植株抗倒性測(cè)量裝置工作時(shí)，夾頭與折彎臂間產(chǎn)生摩擦力，為便于建立折彎臂受力模型，對(duì)夾頭與折彎臂進(jìn)行簡(jiǎn)化，受力分析如圖7所示。

圖7 折彎臂外圓柱面受力分析簡(jiǎn)圖Fig.7 Force analysis diagram of cylindrical surface of bending arm1.夾頭 2.折彎臂

圖7中夾頭為三爪型夾頭，3個(gè)夾爪施加的夾緊力均等于J，R為折彎臂半徑，R=0.06 m，Mf為裝置工作過(guò)程中折彎臂推動(dòng)玉米莖稈時(shí)產(chǎn)生的阻力矩，最大力矩小于等于30 N·m[10]。折彎臂打滑臨界狀態(tài)受力公式為

Tf=3FfR

(13)

Ff=Jf

(14)

Tf=Mf

(15)

聯(lián)立式(13)～(15)可得

(16)

式中f——夾爪與折彎臂間的摩擦因數(shù)

Ff——單個(gè)夾爪產(chǎn)生的摩擦力，N

Tf——夾頭與折彎臂之間的摩擦力矩，N·m

由于折彎臂與夾頭之間的摩擦為不銹鋼與金屬靜摩擦，取f=0.3，將數(shù)值代入式(16)計(jì)算得出J=555 N，而夾爪夾緊力可達(dá)4 900 N[17]，因此工作過(guò)程中，折彎臂與夾頭之間不會(huì)出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

此外，由于折彎臂為圓柱形，被夾頭夾持時(shí)為圓面摩擦，若使用時(shí)間較長(zhǎng)，受腐蝕、老化等因素的影響，有折彎臂打滑的可能。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，將折彎臂與夾頭連接部分用機(jī)床磨出平面，將圓面摩擦變?yōu)槠矫婺Σ粒拐蹚澅鄄粫?huì)出現(xiàn)滑轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

2.3 工作流程

進(jìn)行測(cè)量工作時(shí)，打開(kāi)電源，通過(guò)控制器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，打開(kāi)手機(jī)上位機(jī)軟件，連接設(shè)備，驅(qū)動(dòng)電機(jī)，旋轉(zhuǎn)推動(dòng)裝置推動(dòng)玉米莖稈并勻速施力。扭矩傳感器和傾角傳感器檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)單片機(jī)處理后實(shí)時(shí)顯示在液晶顯示屏上，同時(shí)經(jīng)藍(lán)牙模塊傳輸?shù)绞謾C(jī)APP中，顯示推力矩-角度動(dòng)態(tài)曲線。當(dāng)加載力矩減小為0后停止測(cè)量，上位機(jī)軟件動(dòng)態(tài)繪制扭矩-角度變化曲線，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)數(shù)據(jù)采集顯示儀的功能需求，將軟件控制部分設(shè)計(jì)為3個(gè)模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)初始化模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，其程序流程如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)采集顯示儀結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Program flow chart of data acquisition instrument

玉米植株抗倒性測(cè)量裝置工作時(shí)，根據(jù)所設(shè)計(jì)的程序，單片機(jī)對(duì)各模塊進(jìn)行初始化(LCD液晶初始化、串口初始化、I2C數(shù)據(jù)總線初始化)，上位機(jī)發(fā)送信號(hào)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換命令，進(jìn)行扭矩與角度數(shù)據(jù)的采集，同時(shí)液晶顯示屏實(shí)時(shí)顯示扭矩與角度的數(shù)據(jù)，最后單片機(jī)將數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸給上位機(jī)軟件。

3.1.1扭矩信號(hào)采集

扭矩傳感器輸出的毫伏級(jí)模擬信號(hào)通過(guò)變壓器放大為0～5 V電壓輸出。后經(jīng)AD轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)進(jìn)行處理。

對(duì)于數(shù)模轉(zhuǎn)換之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)施加不同力矩，記錄所對(duì)應(yīng)的不同的電壓值，得到扭矩與輸出電壓的關(guān)系如圖9所示。

圖9 扭矩標(biāo)定關(guān)系曲線Fig.9 Relationship curve of torque calibration

扭矩傳感器的輸出電壓與實(shí)際扭矩關(guān)系為

y1=19.844x1+0.429

(17)

式中y1——標(biāo)定后的扭矩，N·m

x1——實(shí)際得到的電壓，V

3.1.2角度信號(hào)采集

在玉米莖稈倒伏測(cè)量過(guò)程中，莖稈以一定速度倒伏，速度較慢，沒(méi)有產(chǎn)生加速度，因此選用靜態(tài)單軸傾角傳感器。傾角傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換之后通過(guò)I2C數(shù)據(jù)總線傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)進(jìn)行處理。利用計(jì)算機(jī)串口和波特率調(diào)試標(biāo)定軟件對(duì)傾角傳感器進(jìn)行調(diào)試和標(biāo)定。使用萬(wàn)用表測(cè)量不同傾角下輸出的實(shí)際電壓值。傾角傳感器標(biāo)定過(guò)程如圖10a所示，實(shí)際傾角與輸出電壓關(guān)系曲線如圖10b所示。

圖10 傾角傳感器標(biāo)定Fig.10 Calibrations of inclination sensor

傾角傳感器輸出電壓和測(cè)量角度關(guān)系為

y2=35.511x2-89.451

(18)

式中y2——實(shí)際測(cè)量角度，(°)

x2——傳感器輸出電壓，V

3.2 上位機(jī)軟件

基于Android平臺(tái)開(kāi)發(fā)了上位機(jī)軟件[18-19]，主要實(shí)現(xiàn)Android藍(lán)牙數(shù)據(jù)通信、主界面數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、動(dòng)態(tài)曲線繪制以及歷史數(shù)據(jù)的查詢和導(dǎo)出，能夠?qū)崟r(shí)觀測(cè)和便捷獲得測(cè)量的數(shù)據(jù)。軟件流程如圖11所示，上位機(jī)軟件界面如圖12所示。

圖11 上位機(jī)軟件流程圖Fig.11 Upper computer software flow chart

圖12 上位機(jī)軟件界面Fig.12 Upper computer software interface

裝置工作時(shí)啟動(dòng)藍(lán)牙，設(shè)備被搜索功能找到后與服務(wù)器建立上位機(jī)與客戶端數(shù)據(jù)采集顯示儀的藍(lán)牙連接。連接成功后，設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸共享，在顯示屏上進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示與動(dòng)態(tài)曲線的繪制。數(shù)據(jù)采集完成后，可以對(duì)上位機(jī)軟件的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查看和導(dǎo)出，在支持的PC端用Excel方式打開(kāi)，方便后續(xù)進(jìn)一步分析。

4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

4.1 角度精確性試驗(yàn)

4.1.1試驗(yàn)?zāi)康?/p>

進(jìn)行田間試驗(yàn)前，應(yīng)校核裝置檢測(cè)結(jié)果的精確性，即裝置的重復(fù)測(cè)試精度應(yīng)滿足檢測(cè)要求。

4.1.2試驗(yàn)方法

2019年9月，在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)西校區(qū)試驗(yàn)基地，以檢測(cè)角度與實(shí)際角度偏差為試驗(yàn)指標(biāo)，以自制裝置輸出角為試驗(yàn)因素進(jìn)行測(cè)量角度精確性試驗(yàn)。在田間通過(guò)控制器控制裝置旋轉(zhuǎn)，每株玉米測(cè)量10°、20°、30°共3個(gè)角度，每組測(cè)試重復(fù)10次。記錄自制裝置檢測(cè)的角度與數(shù)顯角度尺量取的角度。

其中誤差消除采用抵消法，消除誤差示意圖如圖13所示，采用數(shù)顯角度尺進(jìn)行倒伏角的測(cè)量。采用上述測(cè)量方法可抵消人工操作誤差或儀器誤差。實(shí)際角度計(jì)算過(guò)程為

(19)

式中δ——實(shí)際豎直倒伏角，(°)

δ1——玉米莖稈倒伏角第1次測(cè)量值，0°<δ1<90°

δ2——第1次測(cè)量對(duì)側(cè)位置測(cè)量值，90°<δ2<180°

圖13 實(shí)際角度測(cè)量誤差消除示意圖Fig.13 Schematic of actual angle measurement error elimination

4.1.3結(jié)果與分析

以自制裝置輸出時(shí)所測(cè)得的實(shí)際角度與偏差結(jié)果如表1所示。

表1 自制裝置檢測(cè)角度與實(shí)際角度對(duì)比結(jié)果Tab.1 Comparison between detection angle of self-made device and actual angle

試驗(yàn)結(jié)果表明，在檢測(cè)角度均值為70°和30°時(shí)，自制裝置檢測(cè)角度與實(shí)際角度的實(shí)際偏差不超過(guò)1°，相對(duì)誤差約為3%，可滿足檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)角度測(cè)量的要求[20]，即所設(shè)計(jì)裝置測(cè)量準(zhǔn)確可靠，可以對(duì)抗倒性指標(biāo)進(jìn)行田間試驗(yàn)。其中，檢測(cè)角度小于10°時(shí)的測(cè)量誤差較大的原因?yàn)椋瑐鞲衅鞯陌惭b穩(wěn)定性及施力角度會(huì)產(chǎn)生檢測(cè)結(jié)果的滯后現(xiàn)象。因此在實(shí)際田間試驗(yàn)之前應(yīng)對(duì)傳感器進(jìn)行固定。同時(shí)在施力過(guò)程中保證施力方向與莖稈軸線方向呈90°夾角，使旋轉(zhuǎn)推動(dòng)裝置實(shí)時(shí)保持垂直狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量。

4.2 加載速度穩(wěn)定性驗(yàn)證試驗(yàn)

4.2.1試驗(yàn)?zāi)康?/p>

進(jìn)行田間試驗(yàn)前，通過(guò)對(duì)裝置旋轉(zhuǎn)與人工旋轉(zhuǎn)加載速度穩(wěn)定性的對(duì)比，實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)裝置加載速度穩(wěn)定性的驗(yàn)證。

4.2.2試驗(yàn)方法

(1)無(wú)負(fù)載試驗(yàn)

以轉(zhuǎn)動(dòng)角度隨時(shí)間變化平穩(wěn)性為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行裝置旋轉(zhuǎn)和人工旋轉(zhuǎn)對(duì)比試驗(yàn)。無(wú)負(fù)載試驗(yàn)，即不對(duì)玉米莖稈進(jìn)行作用時(shí)，自制裝置與手持旋轉(zhuǎn)推動(dòng)裝置分別轉(zhuǎn)動(dòng)50°，測(cè)試重復(fù)3次。角度采集頻率為10 Hz。

(2)有負(fù)載試驗(yàn)

2019年9月，在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)西校區(qū)試驗(yàn)基地，利用裝置和人工分別對(duì)隨機(jī)選取的6株莖稈直徑相似、穗高一致的植株進(jìn)行推動(dòng)測(cè)量，角度采集頻率為10 Hz，記錄測(cè)量角度，并繪制角度-時(shí)間關(guān)系曲線。

4.2.3結(jié)果與分析

(1)無(wú)負(fù)載試驗(yàn)

裝置工作時(shí)測(cè)得的角度與時(shí)間關(guān)系如圖14a所示，人工測(cè)得的角度與時(shí)間關(guān)系如圖14b所示。

圖14 無(wú)負(fù)載試驗(yàn)結(jié)果Fig.14 No-load test results

(2)有負(fù)載試驗(yàn)

裝置推動(dòng)玉米莖稈時(shí)測(cè)得的角度與時(shí)間關(guān)系如圖15a所示，采用人工推動(dòng)玉米莖稈進(jìn)行測(cè)量時(shí)測(cè)得的角度與時(shí)間關(guān)系如圖15b所示。

圖15 有負(fù)載試驗(yàn)結(jié)果Fig.15 Load test results

由圖14可知，當(dāng)無(wú)負(fù)載時(shí)，所設(shè)計(jì)裝置測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)角度較人工測(cè)量更平穩(wěn)，且進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)時(shí)，所設(shè)計(jì)裝置測(cè)得的數(shù)據(jù)波動(dòng)小，而人工手持旋轉(zhuǎn)推動(dòng)裝置由于推力不均勻造成測(cè)量數(shù)據(jù)波動(dòng)較大。由圖15可知，當(dāng)有負(fù)載時(shí)，所設(shè)計(jì)裝置測(cè)得的角度雖有一定波動(dòng)，但在可接受范圍內(nèi)，而人工測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)角度時(shí)由于隨著負(fù)載逐漸增加人工推力波動(dòng)明顯變大，使測(cè)量數(shù)據(jù)波動(dòng)顯著變大。因此，無(wú)論有無(wú)負(fù)載，玉米植株抗倒性測(cè)量裝置較人工手持裝置加載速度更穩(wěn)定，測(cè)量精度更高。

4.3 田間試驗(yàn)

4.3.1試驗(yàn)?zāi)康?/p>

由角度精確性試驗(yàn)和加速度穩(wěn)定性驗(yàn)證試驗(yàn)可知，裝置運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，測(cè)量準(zhǔn)確。為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)測(cè)量裝置工作的有效性以及探究衡量玉米莖稈抗倒性最佳指標(biāo)，利用自制裝置開(kāi)展了田間試驗(yàn)。

4.3.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2019年10月初，在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)吳橋?qū)嶒?yàn)站使用設(shè)計(jì)的玉米植株抗倒性測(cè)量裝置進(jìn)行了田間試驗(yàn)，裝置加載速度為0.2 r/min[21-23]。試驗(yàn)玉米分為75 000株/hm2與105 000株/hm22個(gè)密度，玉米植株的物理特性如表2所示。

表2 不同品種和密度下玉米植株平均直徑和穗高Tab.2 Mean diameter and ear height of maize plants under different varieties and densities cm

4.3.3試驗(yàn)過(guò)程與方法

對(duì)植株分別施加推力和拉力，并以最大抗推力矩和最大抗拉力為指標(biāo)進(jìn)行田間試驗(yàn)，試驗(yàn)測(cè)定項(xiàng)目包括測(cè)定莖稈最大拉力以及垂直推力矩下的莖稈彎曲強(qiáng)度。為保證測(cè)量時(shí)試驗(yàn)材料的一致性，排除玉米植株本身的生理特性對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選5株莖稈直徑相似、穗高一致的植株進(jìn)行測(cè)量，總共有2個(gè)小區(qū)，即進(jìn)行10次重復(fù)試驗(yàn)，并調(diào)查選取玉米品種的田間倒伏率。

圖18 不同品種和密度下玉米推力矩與角度變化關(guān)系圖Fig.18 Relationships between thrust and angle change of corn under different varieties and densities

參考目前以抗拉力作為玉米抗倒性指標(biāo)的方法[21,24]，莖稈最大抗拉力測(cè)定方法為：考慮不同品種、密度、植株間穗高差異以及重心的影響，量取玉米穗下45 cm[25]處做記錄，用拉力計(jì)垂直于莖稈拉至折斷，讀取最大力值，使用拉力計(jì)垂直拉莖稈的試驗(yàn)過(guò)程如圖16所示。

莖稈彎曲強(qiáng)度的測(cè)定方法為：采用玉米植株抗倒性測(cè)量裝置，通過(guò)更換不同高度的折彎臂，在穗下45 cm處測(cè)定從垂直到倒伏的推力矩及傾角變化，以玉米根斷或莖折斷作為玉米倒伏判斷依據(jù)。

使用自制裝置垂直測(cè)量推動(dòng)玉米倒伏的試驗(yàn)過(guò)程，如圖17a所示。夾持部件夾持莖稈效果如圖17b所示，夾持單元可保證裝置施力方向與莖稈軸向始終保持垂直。

圖16 拉力計(jì)垂直拉玉米試驗(yàn)過(guò)程Fig.16 Test process of vertical pulling corn with tension meter

圖17 自制裝置工作過(guò)程Fig.17 Working process of self-made device1.折彎臂 2.管子夾 3.夾持單元

4.3.4試驗(yàn)結(jié)果與分析

使用自制裝置將采集到的樣本數(shù)據(jù)通過(guò)上位機(jī)軟件導(dǎo)出Excel表格，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)2個(gè)密度下6個(gè)品種的折斷角和最大折斷推力矩進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，所得數(shù)據(jù)如圖18所示，將不同密度和品種下玉米的平均折斷角及最大推力矩進(jìn)行分析，得到的數(shù)據(jù)如圖19、20所示。將不同密度下6個(gè)品種的最大抗推力矩、最大抗拉力與田間實(shí)際倒伏率進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表3所示。

圖19 不同品種和密度下玉米最大推力矩Fig.19 Maximum pushing moment of corn under different varieties and densities

圖20 不同品種和密度下玉米折斷角Fig.20 Breaking angle of corn under different varieties and densities

表3 不同品種和密度下玉米最大推力矩、抗拉力與 平均倒伏率Tab.3 Maximum pushing moment, pulling force and average lodging rate of corn under different varieties and densities

(1)裝置檢測(cè)結(jié)果差異性分析

由圖18可得，不同品種下的推力矩達(dá)到最大值后變化趨勢(shì)不同，京單28和鄭單958在推力矩達(dá)到最大值后，絕大部分迅速減小到0，而登海618、登海605、紀(jì)元1號(hào)和浚單20在推力矩達(dá)到峰值后緩慢減小。

通過(guò)圖19、20可知，隨著密度的增加，6個(gè)玉米品種的折斷角和推力矩均減小。

在試驗(yàn)過(guò)程中觀察到一般折斷推力矩達(dá)到最大后緩慢減小，玉米的根會(huì)斷，而折斷推力矩從最大很快減到0時(shí)，一般玉米會(huì)連根拔起，因此推測(cè)這種變化可能和玉米根系的錨固強(qiáng)度有關(guān)。

為驗(yàn)證裝置檢測(cè)不同玉米品種時(shí)工作的有效性，即不同樣本間抗倒性檢測(cè)結(jié)果的差異性顯著才能滿足檢測(cè)要求，分別對(duì)表3中不同品種下的植株倒伏率進(jìn)行了方差分析。方差分析數(shù)據(jù)如表4、5所示。

表4 75 000株/hm2下不同玉米品種倒伏率顯著性 差異分析Tab.4 Analysis of significant difference in lodging rate of different corn varieties under 75 000 plants/hm2

表5 105 000株/hm2下不同玉米品種倒伏率 顯著性差異分析Tab.5 Analysis of significant difference in lodging rate of different corn varieties under 105 000 plants/hm2

由方差分析結(jié)果可知，不同玉米品種的抗倒性具有顯著性差異，同時(shí)裝置對(duì)選取的6個(gè)品種抗倒能力以及2個(gè)種植密度下抗倒能力的測(cè)量結(jié)果與農(nóng)學(xué)玉米專家研究一致[26-30]，即玉米品種抗倒能力由強(qiáng)到弱依次為：京單28、登海618、登海605、紀(jì)元1號(hào)、鄭單958、浚單20，且105 000株/hm2密度下玉米倒伏率大于75 000株/hm2密度下相應(yīng)值。驗(yàn)證了該裝置可以有效區(qū)分不同抗倒性的玉米品種。

(2)衡量抗倒特性指標(biāo)

由表3可知，在密度為75 000株/hm2時(shí)，當(dāng)最大抗推力矩大于18 N·m時(shí)，玉米倒伏率小于5%，當(dāng)最大抗推力矩小于15 N·m時(shí)，玉米倒伏率大于20%。在密度為105 000株/hm2時(shí)，當(dāng)最大抗推力矩大于11 N·m時(shí)，玉米倒伏率小于5%，當(dāng)最大抗推力矩小于10 N·m時(shí)，玉米倒伏率大于18%。在密度為75 000株/hm2時(shí)，當(dāng)平均最大抗拉力大于30 N時(shí)，玉米倒伏率小于5%，當(dāng)最大抗拉力小于20 N時(shí)，玉米植株倒伏率大于20%。在密度為105 000株/hm2時(shí)，當(dāng)平均最大抗拉力大于25 N時(shí)，玉米植株倒伏率小于5%，當(dāng)最大抗拉力小于17 N時(shí)，玉米倒伏率大于20%。

為獲得衡量玉米莖稈抗倒性的最佳指標(biāo)，運(yùn)用SPSS軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了相關(guān)性分析，通過(guò)計(jì)算得出不同密度下最大抗推力矩、最大抗拉力與倒伏率間的相關(guān)系數(shù)。相關(guān)性分析數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 相關(guān)性分析Tab.6 Correlation analysis

由表6可知，玉米植株的最大抗推力矩、最大抗拉力與倒伏率之間存在著較為明顯的負(fù)相關(guān)性，即玉米植株的最大抗推力矩、最大抗拉力越大，其倒伏發(fā)生的概率就越低。由表6可知，在75 000株/hm2和105 000株/hm2的密度下，玉米植株的最大抗推力矩與倒伏率的相關(guān)系數(shù)分別為-0.971、-0.991，呈極高相關(guān)性，同時(shí)對(duì)比試驗(yàn)中，75 000株/hm2和105 000株/hm2的密度下，玉米植株的最大抗拉力與倒伏率的相關(guān)系數(shù)分別為-0.873、-0.927，呈高度相關(guān)。其中，高密度田塊由于陽(yáng)光水分不足，植株倒伏率高于低密度田塊，故種植密度越大，與倒伏率的相關(guān)系數(shù)越高。

由相關(guān)性分析結(jié)果可知，最大抗推力矩與實(shí)際倒伏率的相關(guān)性大于最大抗拉力與倒伏的相關(guān)性。因此可將最大抗推力矩作為衡量抗倒性的力學(xué)指標(biāo)。在田間測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程中，也表明所設(shè)計(jì)的儀器測(cè)量精確、操作簡(jiǎn)便。裝置的夾持部件直徑為30 mm，因此也可用于直徑為10～30 mm的莖稈抗倒伏性的測(cè)量。

其中，所設(shè)計(jì)電動(dòng)裝置最大抗推力矩與倒伏率之間模型的相關(guān)系數(shù)大于手持裝置的相關(guān)系數(shù)[13]，進(jìn)一步驗(yàn)證了裝置的精確性。

4.4 裝置可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)

通過(guò)田間試驗(yàn)可知，選用最大抗推力矩作為玉米品種抗倒性指標(biāo)較最大抗拉力更優(yōu)。2020年，為驗(yàn)證不同含水率下測(cè)量裝置的可靠性，以不同時(shí)期的玉米植株為試驗(yàn)因素，選取與田間試驗(yàn)不同的地塊，以植株最大抗推力矩為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行了玉米植株抗倒性測(cè)量裝置可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)。

試驗(yàn)玉米選取鄭單958與浚單20，密度為75 000株/hm2與105 000株/hm2。采用抗倒性測(cè)量裝置分別測(cè)量植株在灌漿中期與成熟期時(shí)的最大抗推力矩，并統(tǒng)計(jì)倒伏率。

為保證試驗(yàn)材料的一致性，排除玉米植株本身的生理特性對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選5株莖稈直徑相似、穗高一致的植株進(jìn)行測(cè)量，共有2個(gè)小區(qū)，即進(jìn)行10次重復(fù)試驗(yàn)。測(cè)量結(jié)果如表7所示。

表7 不同時(shí)期的玉米植株倒伏率Tab.7 Lodging rate of corn plants in different periods

由表7可知，在灌漿中期與成熟期，鄭單958的最大抗推力矩均大于浚單20，且75 000株/hm2下植株的最大抗推力矩大于105 000株/hm2下相應(yīng)值。即品種鄭單958抗倒性優(yōu)于浚單20，且75 000株/hm2密度下的植株抗倒性優(yōu)于105 000株/hm2密度下抗倒性，測(cè)量結(jié)果與農(nóng)學(xué)玉米專家研究一致[26]。驗(yàn)證了玉米植株抗倒性測(cè)量裝置的可靠性。由于裝置可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)與田間試驗(yàn)時(shí)期、地塊、管理水平的不同，表6與表7中數(shù)據(jù)出現(xiàn)差異，屬于正常波動(dòng)。

5 結(jié)論

(1)選用扭矩傳感器、傾角傳感器為檢測(cè)設(shè)備，搭建了以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集轉(zhuǎn)換和顯示。通過(guò)藍(lán)牙與上位機(jī)軟件進(jìn)行通信可完成數(shù)據(jù)的傳輸，并實(shí)時(shí)顯示推力矩、角度和扭矩-角度變化曲線。

(2)施力方向與莖稈軸向呈90°作業(yè)時(shí)，該裝置檢測(cè)角度與實(shí)際角度的偏差為1°，可滿足檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)角度測(cè)量的要求。對(duì)裝置工作的加載速度穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)證，由角度-時(shí)間關(guān)系曲線得知，裝置加載速度平穩(wěn)。

(3)利用自制裝置在玉米穗下45 cm處測(cè)量倒伏最大推力矩的過(guò)程中，隨著密度的增加，6個(gè)品種的折斷推力矩和折斷角均減小。對(duì)于不同的玉米品種，裝置測(cè)得植株的抗倒性差異顯著，且結(jié)果與現(xiàn)有研究結(jié)論一致。

(4)田間試驗(yàn)表明，玉米植株最大抗推力矩與倒伏率之間存在著較為明顯負(fù)相關(guān)性。兩個(gè)種植密度下，最大抗推力矩與倒伏率間相關(guān)系數(shù)均大于最大抗拉力，即選用最大抗推力矩為指標(biāo)，相關(guān)性區(qū)分較大。在田間試驗(yàn)基礎(chǔ)上利用最大抗推力矩為評(píng)價(jià)抗倒性指標(biāo)進(jìn)一步開(kāi)展裝置可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)，對(duì)不同時(shí)期的玉米植株進(jìn)行了抗倒性測(cè)量，裝置測(cè)得不同時(shí)期的植株抗倒性均與現(xiàn)有研究結(jié)論一致。以上試驗(yàn)驗(yàn)證了玉米植株抗倒性測(cè)量裝置的可靠性，且表明最大抗推力矩可作為不同品種抗倒性評(píng)價(jià)依據(jù)。