基于變量施肥系統的施肥準確性影響因素仿真與試驗*

何義川，楊毅，弋曉康，王維鵬

(1.塔里木大學機械電氣化工程學院,新疆阿拉爾,843300;2.新疆維吾爾自治區教育廳普通高等學?，F代農業工程重點實驗室,新疆阿拉爾,843300)

0 引言

變量施肥不僅可以節約農業生產成本,還可以通過測土配方技術滿足植物的需肥量差異使之增產增收。農業農村部《“十四五”全國農業農村科技發展規劃》中指出,應用測土配方新技術,開發農業新裝備新產品,保證農業生產應用技術的綠色發展,實現高水平的農業戰略布局是新的發展方向。2020年我國果園種植面積12 646 khm2,其中農用化肥施用量52 507 kt[1];高效、智能、精細是農業現代化施肥的發展趨勢,而變量施肥是精準農業關鍵一環。但由于目前變量施肥的體系較不完善,導致施肥時效性較差,精準施肥功能難以實現。技術集成性差并且產品成本較為高昂也使得變量施肥技術難以推廣應用。現根據已經測土完成的施肥處方圖以及同北斗導航技術相結合開發的變量施肥機擬在得到更好的變量施肥技術和結果。

國內學者在研究變量系統匹配執行元件的過程中,發現其大田作物的實際應用中具有較大的發展前景[9]。例如對電控液壓馬達作為變量施肥執行機構[10],使用多系統、多單元分量控制的變量施肥系統都具有良好的適用性[11]。針對肥料性質和測土配方技術進行的要素分施和種肥分施,使用計算機算法在控制系統中對肥料配比和施肥組件的控制研究都具有良好的適用性。變量控制系統和施肥機控制系統更加趨于完善,有效地減少了變量施肥成本并提高了施肥機的效率。但針對槽輪式排肥器漏肥準確性研究仍存在較多不足[12],需要針對變量系統匹配與修正排肥電機轉速與影響因素方面進行探究[13],對修正施肥誤差做進一步分析。

基于此,本文基于點定位技術的變量施肥控制系統,對槽輪式排肥器的施肥準確性進行探究。

1 基于自動導航的變量施肥系統簡介

1.1 系統架構與基本原理

一種基于自動導航的變量施肥系統架構如圖1所示。主要由導航定位與作業規劃系統和基于施肥處方圖的精準施肥系統組成。

基于自動導航的變量施肥系統基本原理是,導航系統接收衛星信號進行定位,中央控制系統控制動力部分的終端元件進行轉向與掉頭,當收到作業任務時,由人工或計算機算法規劃行走路線與轉向點;當需要進行施肥作業時,使用點定位技術獲取所在坐標的數據庫數值,數據庫的數值是提前通過遙感技術和光譜技術采集的該地塊施肥處方圖轉化后輸入的。施肥處方圖經過反演等過程來獲得當前地塊缺肥的指標值,將已按農藝要求計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,圖像處理與步進數據轉化軟件按不同的施肥差異要求進行施肥量等級的調整,經過步進數據轉化后的地塊施肥量值存入在數據庫中,可供變量施肥系統隨時讀取?？刂撇圯喪脚欧势鞯目刂破髯x取到該地塊的施肥數據時,自動打開串口調試系統,將數據上傳,步進電機方可按程序設定的步進值進行排肥作業,當施肥機進入下一個設定長度的施肥點時,再次使用點定位技術讀取當前施肥數據。設定的點定位的區分值可以在中央控制系統或導航系統進行設定,設定值越小,根據施肥處方圖施肥的精確度越高。

1.2 排肥器控制程序設計流程

針對上位機系統設置變量施肥的研究與基于算法[13]修正可提高施肥準確性。施肥量精準度修正圖如圖2所示,施肥量精準度修正指的是應對槽輪式排肥器施肥量不隨轉速比例增加的問題,修正施肥量準確度時,采用躍遷轉速的方法,即使用理論范圍內更高一級的轉速修正應達到的轉速值,例如以120 r/min的轉速代替100 r/min的槽輪轉速,因為槽輪式施肥器的轉速增大時,達不到所設定轉速的漏肥量,而更高一級的轉速值可以代替設定值進行正常工作[14-15]。

轉速修正流程是首先測定單位時間內各個轉速下對應的漏肥量,調整轉速值以適應槽輪式排肥器的準確度;其次進行排肥試驗測定施肥量與相對于理論值的匹配度,如果有差異或不符合預期的施肥準確度則返回再次進行修正。

1.3 施肥處方圖圖像分解與定位

施肥處方圖區域劃分示例與轉化后的步進數據如圖3所示,處方圖經區域劃分后(圖3(a)),每個區分值的坐標都對應相應的地塊施肥處方圖的定值,經處理轉化為步進數據的數字信號圖(圖3(b)),按照等級劃分的施肥區域以點坐標的形式存入數據庫中,這里的步進數據是經過施肥量準確度修正后的值。

(a) 施肥處方圖區域劃分

建立串口調試時[16],開放控制板的使能引腳和高低電平引腳,設置Arduino的循環程序(編譯完成的程序如圖4所示),待編譯完成后,燒錄進以串口開放的通訊開發板中,輸入編譯的選擇數字,輸入的數字即為上述代表施肥處方的數據,中間除1～9的執行數字以外,自動跳過無關的數字和字母,在輸入的程序設置循環程序,將時鐘端引入,調用點數據時,可以根據輸出的時間判斷系統執行的情況[17-18]。

圖4 串口調試系統的調用狀態

該系統可利用點定位技術[19]隨時調取云端數據庫的變量施肥處方數據,達到精確施肥的目的。

2 仿真計算與分析

2.1 參數擬定和模型選擇

槽輪式排肥器的漏肥量與槽輪轉速的增加呈非線性關系,存在一定的衰減現象,其原因與詳細數據難以憑借排肥器和控制系統進行分析[12],因此進行離散元分析,使用EDEM導入排肥器模型與有機顆粒肥相關參數進行仿真分析[19]。

利用中化化肥生產的有機肥料顆粒作為試驗對象進行仿真模擬,其狀態為黑色硬質球形包衣型顆粒有機肥,測得顆粒的粒徑分布,輸入單個顆粒,選擇Single sphere。根據統計的粒徑分布,對Size Distribution進行設置,選擇User defined進行更改粒徑分布,三種基礎平均半徑分別為1.8 mm、2.2 mm、2.7 mm,相對于基礎平均半徑的比例分別為1、1.22、1.5。至此,仿真產生的顆粒有機肥即含有三種不同的粒徑。

設置材料的基本參數,其泊松比和剪切模量的參數如表1所示[16]。

表1 材料基本參數

擬定材料的接觸參數,輸入進離散元分析基本材料特征中,基本接觸參數如表2所示。由于顆粒間無黏結現象,含水率較低,按照相關文獻[20-21],使用Hertz-Mindlin(No slip)模型進行仿真計算。

表2 材料基本接觸參數

2.2 后處理階段

在進行仿真過程中選取了1 000粒肥料顆粒進行試驗,在此選取入料口范圍的100粒肥料顆粒進行軌跡循跡(圖5),其中選取顏色代表顆粒的受力值,藍色為min,紅色為max,其在入料口范圍的顆粒軌跡無回彈現象,軌跡皆為向下,其在入料口些許粒子有蠕動軌跡,其為粒子相互擠壓形成的,槽輪葉片對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動軌跡圖

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,其通過施肥機的肥料顆粒無回彈現象,全部為向下運動。

圖6 穿過槽輪式排肥器的顆粒受力與運動軌跡圖

選取任意時刻肥料在槽輪運動狀態的圖像,如圖7所示,可看出槽輪在轉過限位梳齒時仍不與下凹槽面進行接觸,說明肥料重力狀態下未能及時填充至凹槽中,其為槽輪式施肥器的本身缺陷,也驗證了施肥口并不存在堵塞現象。

圖7 槽輪凹槽顆粒與內板形成的空隙

2.3 入料口顆粒受力變化分析

對穩定后的1～2 s內的顆粒在入料口受力值進行導出分析,如圖8～圖10所示。

圖8 1～2 s內入料口顆粒受力最小值變化圖

圖9 1～2 s內入料口顆粒受力最大值變化圖

圖10 1～2 s內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的受力均為正值,可認為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導致施肥準確性的明顯下降(其中Total Force表示顆粒群在1～2 s內的受力)。說明槽輪對肥料的反推作用對施肥準確率的影響很小。

2.4 排肥器漏肥量統計

在EDEM中添加一個計數器(圖11),將規定時間段內通過的顆粒質量疊加值作為統計數據,導出漏肥量如表3所示。

表3 60 r/min工況下仿真計算的標定漏肥量統計

圖11 添加計數框以統計漏肥量

當設定排肥槽輪轉速為60 r/min,排肥器每轉的排肥量為1 s內的統計值,計算得出每轉排肥量結果為98.047 g。

為驗證設計試驗的準確性,在上述接觸參數和仿真模型的基礎上,分別取60 r/min、80 r/min、100 r/min、120 r/min、150 r/min、170 r/min、200 r/min這七個等級作為轉速的設定值進行仿真計算,輸出30 s內的仿真計算漏肥量如表4所示。

表4 不同轉速工況下30 s的漏肥量

3 田間驗證試驗與分析

使用履帶式變量施肥機作為試驗平臺進行田間試驗,其履帶式變量施肥機的基本參數如表5所示。

表5 履帶式施肥機設計參數

履帶式開溝施肥機進行試驗時,開溝漏肥的過程自動覆土,在停轉覆土機構后會導致肥料播撒在溝中與土混合難以計數(圖12(a)),因此采用停轉開溝機構并在后方覆膜的試驗方法(圖12(b)),按試驗指標和方法開啟或關閉施肥機和變量系統,將膜上的肥料收集并統計其質量[20-21]。

進行田間試驗時,測得60 r/min時漏肥量的數據如表6所示,其單轉平均漏肥量為96.48 g,與仿真計算的計數統計單轉98.047 g較為相近,仿真結果具有一定的參考意義。

表6 田間試驗中60 r/min下漏肥量統計

在進行田間試驗時采用直流電機排肥器進行施肥,讀取到串口的轉速設定值如表7所示,取30 s的工作區間,分別測得60 r/min、80 r/min、100 r/min下30 s的漏肥量,9次試驗的準確率取平均值為95.91%。

表7 使用直流電機排肥器施肥準確性試驗

將變量施肥系統應用到排肥器上進行田間試驗,讀取到串口的轉速設定值如表8所示,取30 s的工作區間,則目標值為基于60 r/min的標定轉速計算的30 s的漏肥量,由于施肥量的矯正程序采用躍遷轉速的方法,相對于80 r/min的系統設定轉速應為84 r/min;相對于100 r/min的系統設定轉速為144 r/min。9次試驗的準確率取平均值為98.96%,其實際作業過程中受開溝裝置的震動影響或復雜地形情況下震動影響會使誤差率有所變化。

表8 變量系統下修正后的施肥準確性試驗

通過表7和表8的對比得出在相同工況下,直流電機排肥器準確率平均值為95.91%,應用變量施肥系統的槽輪式排肥器平均準確率為98.96%,變量系統修正后的準確率提高了3.05%。

將仿真計算的結果與田間試驗作比較,如表9所示,平均誤差率為3.11%。因此,使用顆粒有機肥時,入料口槽輪葉片的反推作用對施肥準確率影響較小。

表9 仿真計算與田間試驗漏肥量對比

影響排肥器漏肥準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間內進入凹槽,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,其使用變量系統的修正與調整后誤差較小,滿足變量施肥的作業標準。

4 結論

1) 介紹了一種基于點定位技術的變量施肥控制系統,針對應用于槽輪式排肥器的施肥準確性進行探究。

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動規律,將仿真結果與田間試驗結果對比分析得知,肥料顆粒在入料口受槽輪葉片的反推力作用對施肥準確性的影響較小,影響施肥準確性的原因是肥料在槽輪葉片旋轉時沒有及時填滿凹槽,導致施肥量不成比例增加,同時通過仿真與田間試驗證明可通過變量施肥系統來達到提高排肥器準確率的目的。

3) 通過田間試驗可知,田間試驗與仿真結果的漏肥量平均誤差率為3.11%,誤差率較小,仿真結果與結論具有一定的合理性,為樣機的進一步改進優化提供了理論基礎。