智能有機肥施肥機設計及驗證

郝延杰 劉樹澤 王子強 王鵬軍 代惠芹 孫冬霞

摘要：針對有機肥施肥存在智能化程度低等問題，研發設計一種智能施肥機。整機動力部分采用液壓系統和機械系統結合方式，控制系統采用FPGA技術，利用前期的數據處理得到施肥量、施肥幅寬與輸肥機構擋位、控肥閘門開度和肥料落點控制罩角度關系式及施肥量和幅寬的相關性，實現施肥量、施肥幅寬的變量調節及可視控制，并可根據施肥量預測幅寬的大小。驗證結果表明：該施肥機控制系統程序穩定可靠，施肥量誤差為2.58%，施肥幅寬誤差為3.53%，作業效果良好，各項技術指標滿足農藝要求。

關鍵詞：智能；施肥機；可視控制；有機肥；田間管理機械

中圖分類號：S224.21

文獻標識碼：A

文章編號：20955553 （2024） 02027506

收稿日期：2022年5月10日 ?修回日期：2022年8月20日

基金項目：山東省重點研發計劃（2019GNC106114）

第一作者：郝延杰，男，1991年生，山東德州人，碩士，助理研究員；研究方向為農機裝備。Email： bznkyhyj@163.com

通訊作者：孫冬霞，女，1981年生，山東濰坊人，碩士，副研究員；研究方向為施肥機設計及理論。Email： bznjsdx@163.com

Design and verification of intelligent organic fertilizer applicator

Hao Yanjie1， Liu Shuze1， Wang Ziqiang1， Wang Pengjun2， Dai Huiqin1， Sun Dongxia1

（1. Binzhou Academy of Agricultural Sciences， Binzhou， 256600， China; 2. Nanjing Institute of

Agricultural Mechanization， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Nanjing， 210014， China）

Abstract：

Aiming at the problem of low intelligent degree of organic fertilizer fertilization， an intelligent fertilizer application machine is developed. The power part of the whole machine adopts the combination of hydraulic system and mechanical system， and the control system adopts FPGA technology. Using the data processing in the early stage， the relationship between the amount of fertilizer application， the width of fertilizer application and the gear position of the fertilizer delivery mechanism， the opening of the fertilizer control gate and the angle of the fertilizer drop point control cover and the correlation between the amount of fertilizer application and the width are obtained， and the variable adjustment and visual control of the amount of fertilizer application and the width can be realized， and the size of the width can be predicted according to the amount of fertilizer application. The results show that the program of the control system is stable and reliable， the error of fertilizer application amount is 2.58%， the error of fertilizer width is 3.53%， and the operation effect is good， and the technical indexes meet the agronomic requirements.

Keywords：

intelligence; fertilizer applicator; visual control; organic fertilizer; field management machinery

0 引言

有機肥的推廣使用可提高農產品品質，降低農業對化肥的依賴程度，防止農業面源污染［1］。而精準施肥是精準農業實施的關鍵一環，主要分為基于處方圖的變量施肥作業和基于實時傳感器的變量施肥作業兩種方式［23］。兩種施肥方式都是為了實現信息感知、精準決策、智能控制和變量投入的充分結合［4］。國外相關技術的研究始于20世紀 50年代，90年代快速發展，到目前已針對稻麥、玉米、大豆等大田作物開發出圖像檢測、光譜／光電傳感、電容傳感、電液控制等專用種肥播施監測與變量控制技術，形成了較為完善的系列裝備［57］，已經商品化的有美國John Deere變量撒肥機、Flexi Soil變量施肥播種機等。國內外學者針對變量施肥已有部分研究。金鑫等［8］利用基于CAN總線通信協議下的車載傳感器與PLC控制融合技術，設計了小麥精量播種變量施肥機，試驗結果表明，整機監控系統能夠適應復雜田間環境，肥料堵塞報警誤差小于2%，變量施肥準確率超過96%。冬小麥返青期地表追施的氮肥易揮發導致肥料利用率低，目前追肥過程中也缺少深施氮肥作業裝備，馮慧敏等［9］針對此問題，設計的基于拖拉機自動導航技術的液壓系統驅動排肥機構實現了精準對行深施氮肥。余洪鋒等［10］構建了一套基于簡易電子處方圖系統的變量施肥系統，對外槽輪施肥播種器結構進行優化設計，提高了播量精度和穩定性。宿寧［11］以外槽輪式排肥器為主要研究對象，針對其模型特點，對排肥量和排肥器結構參數關系進行分析建模，研究變量施肥的相關控制參數，得到了調節外槽輪有效工作長度和調節外槽輪與施肥機地輪傳動比兩種可用于外槽輪式排肥器的變量施肥控制策略，并基于這兩種控制策略分別進行了變量施肥應用系統的探索。

但目前大多數的研究都是控制施肥機構轉速、外槽輪長度或其他參數來實現，在施肥量較大時施肥精度較低，這種隨時改變對于工作機構的可靠性是一個挑戰。基于此，設計一種工作可靠的智能施肥機，結合我國目前農用拖拉機數量較多的優勢，利用拖拉機PTO對施肥機構提供可靠穩定動力，通過組合控制輸肥機構擋位、肥料落點控制罩角度和控肥閘門開度來進行施肥量及施肥幅寬的調整，實現精準控制。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

施肥機主要包括輸肥機構、控制終端、肥箱、螺旋破碎機構等［12］，如圖1所示。

1.撒施圓盤

2.肥料落點控制罩

3.螺旋破碎機構

4.控肥閘門

5.肥箱

6.扶梯

7.外屏顯示終端

8.輸肥機構

9.傳動軸

10.懸掛支架

11.減震系統

12.輪胎

1.2 工作原理

螺旋破碎機構和撒施圓盤采用機械傳動，動力來自拖拉機PTO，轉速穩定，可靠性好。輸肥機構、控肥閘門、肥料落點控制罩采用液壓驅動，工作范圍可調，易實現變量控制。利用裝載機將肥料裝入施肥機，在控制終端輸入施肥量，控肥閘門打開一定高度，肥料落點控制罩按實際所需打開一定角度，輸肥機構選擇擋位開始工作將肥料向后輸送，螺旋破碎機構拋出的肥料撞擊到肥料落點控制罩內部后被撞擊破碎，下落到旋轉的撒施圓盤后被拋出。在肥箱內部安裝的攝像頭可觀察鏈板運行情況，在后方安裝的攝像頭實現撒施情況的實時監控。

2 液壓系統設計

整機采用的控制方式為液壓控制，執行部件為液壓缸和液壓馬達，需對其進行選型。液壓系統由輸肥機構轉動液壓回路、控肥閘門開度調節液壓回路和肥料落點控制罩角度調節液壓回路組成［13］。輸肥機構液壓回路中馬達的運動由三位四通電磁換向閥（型號：DSG-3Z2-DL-D24）控制，可正反轉防止堵塞。控肥閘門輸肥口開度調節和肥料落點控制罩角度調節由液壓缸控制。

2.1 液壓缸

控肥閘門的運動需要兩個液壓缸的同步工作，無桿腔為工作腔。

極限狀況下液壓缸推力

F=mg2

（1）

式中：

g——重力常數，9.8N/kg;

m——控肥閘門重量，kg。

液壓缸缸筒內徑

D=4Fπp1ηm

（2）

式中：

ηm——液壓缸的機械效率，取0.9；

p1——

進油路初選壓力，農業機械一般取16MPa。

計算得D=62.5mm，根據GB/T 2348—2018內徑圓整為63mm，取活塞桿直徑d=36mm。

根據GB/T 321—2005液壓缸活塞行程第一系列和現實需要，選擇活塞行程S=800mm。

液壓缸缸筒長度L由活塞行程S、活塞寬度B、活塞桿導向套長度H來確定。

L=S+B+H

（3）

H=S20+D2

（4）

B=（0.6－1）D

（5）

代入公式計算得，控肥閘門液壓缸參數為：內徑63mm，桿徑36mm，缸筒長度910mm。

同理求得，肥料落點控制罩液壓缸參數為：內徑40mm，桿徑22mm，缸筒長度580mm。

2.2 液壓馬達

不同農作物、不同地區對有機肥需求不同，濱州市無棣縣土壤主要為濱海潮土、鹽化潮土，土質差，土壤養分少，可適當加大有機肥的撒施量，肥料中的有機質能對土壤中的有害陰、陽離子起緩沖稀釋作用，對植物的生長發育有促進作用［14］。初選大田有機肥的施肥量為4000～8000kg/hm2，肥料的堆積密度為700kg/m3，拖拉機以2km/h速度前進，幅寬4.5m，即有機肥撒施效率為5.7～11.5m3/（hm2·h）。控肥閘門開度取值一般為0.1～0.6m，肥箱寬度1.5m，求得輸肥速度為0.7～8.9r/min。初選減速傳動比為8，則液壓馬達轉速范圍為5.6～71.2r/min。

馬達扭矩

T=W·R

（6）

W=Wf（m1f+m0f′）g

（7）

式中：

W——刮板輸送裝置總阻力，N；

R——驅動鏈輪節圓半徑，mm；

Wf——附加阻力系數，取1.05；

f——物料與底板的摩擦系數，取0.6；

f′——刮板鏈條與底板的摩擦系數，取0.4；

m1——

滿載時刮板輸送裝置上的物料質量，kg；

m0——刮板輸送裝置質量，kg。

減速器傳動比為8，因此馬達扭矩T為410.2N·m。

馬達排量

V′=2πTp1η1=178.5mL/r

（8）

式中：

η1——馬達容積效率，取0.9。

馬達最大流量

qmax=nmax·V′η=14.1L/min

（9）

式中：

nmax——最高轉速，r/min。

根據計算得到的轉速范圍、扭矩、排量和最大流量，查液壓手冊確定馬達為徑向柱塞馬達，參數如表1所示。因為采用拖拉機型號為John Deere 1204，液壓主泵最大流量為59.5L/min，滿足使用要求。

3 數據采集與分析

3.1 采集數據

為了得到施肥量、施肥幅寬與輸肥機構擋位、控肥閘門開度和肥料落點控制罩角度之間的關系式及施肥量和幅寬的對應方程，對基礎數據進行了采集。

數據的采集過程在山東省某公司進行，地面平整，水泥質地，風速為2m/s，濕度為38.2%。所用肥料為發酵牛糞，容重為6.5g/cm3。利用料盤擺成7行13列的形狀（沿車頭前進方向），橫向料盤間間距為200mm，縱向料盤間間距為1000mm。動力設備為John Deere1204拖拉機，速度為中速二擋，手動控制3個自變量的調整，速度穩定后勻速通過料盤。

3.2 數據分析

在此設計中，影響施肥量和施肥幅寬的因素中，有5個因素。為使機具破碎穩定及撒施均勻，螺旋破碎輥動力和撒施圓盤動力采用了拖拉機PTO，穩定工作情況視為定值，撒施圓盤轉速為540r/min，螺旋輥轉速為135r/min。自變量因素有3個，分別為輸肥機構擋位（3擋、4擋、6擋、8擋）、控肥閘門開度（10cm、25cm、40cm、60cm）、肥料落點控制罩開啟角度（0°、4.4°、10°、15°）。質量分布結果如圖2所示。

（a） 橫向質量分布

（b） 縱向質量分布

橫向質量分布都符合高斯分布，擬合得到的正態函數Rsquare分布在0.8922～0.9681，當鏈板擋位最大、控肥閘門開度最大時正態函數值最小。在實際施肥時，施肥機中間料盤質量最大，越遠離施肥機，料盤質量越小，且以施肥機中軸線對稱分布，會通過兩次疊加作業進行施肥，使得滿足施肥要求。縱向分布系數反映的是在沿施肥機前進方向上，肥料的撒施均勻情況。數值越小，說明肥料的破碎率越高。同時說明施肥機工作平穩可靠，沒有出現停頓等異常情況。縱向料盤質量分布上下變化范圍小，說明撒施較均勻。

對于變異系數，控肥閘門開啟程度越大，橫向變異系數越高。隨擋位、角度的增加，變化不大，控肥閘門開啟程度是影響橫向變異系數的主因。縱向變異系數范圍為0.16～0.46，平均系數為0.26，小于國家標準，機具工作穩定性好。

各因素之間相關性如表2所示。

由表2可知，輸肥機構擋位與縱向系數的相關系數檢驗的概率P值是0.25，肥量落點控制罩角度和幅寬的相關系數檢驗的概率P值是0.325，擋位、角度與其他變量之間不顯著相關。控肥閘門開度與施肥量、幅寬、橫向系數的顯著性高，且在控制輸肥機構擋位條件上，控肥閘門開度與三者之間的相關系數檢驗的概率P值是0.02、0.00、0.00；在控制肥料落點控制罩條件上，控肥閘門開度與三者之間的相關系數檢驗的概率P值是0.01、0.00、0.00；在輸肥機構擋位和肥料落點控制罩都控制條件上，相關系數檢驗的概率P值是0.02、0.00、0.00，說明控肥閘門開度在各自變量中是主要影響因子；肥量與幅寬的顯著性在0.01水平顯著；肥量與橫向系數的概率P值是0.017，在0.05水平顯著。幅寬與橫向系數也具有極強的線性關系。影響施肥量和幅寬的主要因素是控肥閘門的開啟程度，輸肥機構擋位和肥料落點控制罩角度為次要影響。

施肥量Y1和各因素關系如式（10）所示。

Y1=

34.592 12X1+32.533X2+27.778 89X3+

2 618.548 18

（10）

幅寬Y2和各因素關系如式（11）所示。

Y2=

0.033 7X1+0.047 92X2－0.007 31X3+

3.929 78

（11）

施肥量和幅寬關系如式（12）所示。

Y1=489.300 3Y2+1 386.3

（12）

式（10）～式（12）的F值分別為6.8、18.2、9.7，概率P值分別是0.008 9、0.000 2、0.008 8。

利用Matlab對式（10）～式（12）模擬時，位數太多，無數據輸出，將公式修正為

Y1=34.6X1+32.5X2+37.8X3+2 618.5

（13）

Y2=0.034X1+0.048X2－0.007X3+3.930

（14）

Y1=489.3Y2+1 386.4

（15）

式中：

X1——輸肥機構擋位；

X2——控肥閘門開度，cm；

X3——肥料落點控制罩角度，（°）。

4 控制系統設計

施肥機控制終端系統由嵌入式作業控制終端（FPGA芯片）、觸摸屏、數據采集模塊、位移傳感器、轉速傳感器、角度傳感器、開關控制模塊、液壓電磁閥及監控攝像頭組成，實現不同施肥量、不同幅寬的調整及實時監控［15］。控制系統方案如圖3所示。

顯示屏為嵌入式一體化控制屏，芯片型號為XC7A35，存儲芯片為128M×16bit，配置S25FL032flash，UART芯片為PL2303，可滿足使用要求。數據采集模塊采用DAQM-4206，可實現工業級8通道模擬量采集，內置看門狗，保證施肥過程中信號采集的穩定性。繼電器控制板具有4路NPN型光電輸入和4路繼電器輸出，電源、通訊均隔離，具有超強抗干擾能力。

輸肥機構擋位的檢測采用CZ716傳感器，設置成上下限報警輸出，用于鏈板擁堵報警。

肥門開度的檢測利用德格斯的DL系列拉線位移傳感器，安裝在控肥閘門液壓缸活塞桿，活塞桿的移動帶動不銹鋼繩長度的變化，經內部轉換即采集到實時位移數據。

肥料落點控制罩開合角度的檢測采用HVS120T雙軸數字輸出型傾角傳感器，量程±90°，安裝在肥料落點控制罩側板并置零，此時傳感器內部加速度傳感器靈敏軸與重力垂直軸重合，重力垂直軸會保持不變，當肥料落點控制罩轉動時，加速度傳感器靈敏軸隨之轉動，兩軸之間便形成了夾角，即控制罩開啟角度。

5 驗證試驗

施肥機驗證試驗在山東省某公司進行，采用了3組方案進行驗證，方案1參數：輸肥機構擋位為6、控肥閘門升起高度為25 cm、肥料落點控制罩開啟角度為13°；方案2參數：輸肥機構擋位為8、控肥閘門升起高度為75 cm、肥料落點控制罩開啟角度24°；方案3參數：輸肥機構擋位為2、控肥閘門升起高度107 cm、肥料落點控制罩開啟角度66°。試驗結果如表3所示，結果表明，在控制系統中輸入目標施肥量后，輸肥機構擋位、控肥閘門升起高度和肥料落點控制罩角度能達到所計算量，但施肥量和幅寬與目標量存在誤差，但都在目標量左右浮動，施肥量誤差在2.58%，幅寬誤差在3.53%，造成誤差的原因在于有機肥存在部分較大的肥塊，無法順利通過控肥閘門或者一大塊突然通過，造成施肥量和幅寬與目標量的誤差；地塊平整度差，容易顛簸，造成輸肥不均勻。

6 結論

1） 施肥機實現了施肥量和幅寬的變量控制，得到了施肥量、幅寬與影響因素的關系式及相關性，控肥閘門開啟程度是主要因素，輸肥機構擋位和肥料落點控制罩角度為次要影響。

2） 橫向質量分布擬合得到的正態函數分布在0.8922～0.9681，控肥閘門開啟程度是影響橫向變異系數的主因。縱向質量分布上下變化范圍小，變異系數為0.26，小于國家標準。

3） 驗證試驗結果表明此控制系統簡單可靠，輸肥機構擋位、控肥閘門升起高度和肥料落點控制罩角度能達到所需量，施肥量與幅寬實際量與目標量存在誤差，施肥量平均誤差在2.58%，幅寬平均誤差在3.53%，能應用于實際工作。

參 考 文 獻

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