支持種肥監(jiān)測的變量施肥系統(tǒng)設(shè)計與試驗

楊 碩 王 秀 翟長遠(yuǎn) 竇漢杰 高原源 趙春江

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院， 北京 100083； 2.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心， 北京 100097； 3.國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心， 北京 100097； 4.俄克拉荷馬州立大學(xué)生物系統(tǒng)與農(nóng)業(yè)工程系， 斯蒂爾沃特 74078)

0 引言

施肥播種作業(yè)過程中出現(xiàn)施用量精度低、漏播和重播等問題時，將對作物產(chǎn)量造成損失，且污染環(huán)境，制約著智能化播種施肥機(jī)作業(yè)高效發(fā)揮。學(xué)者在保證種子、肥料的精準(zhǔn)化、高效施用方面做了大量的研究，主要集中在精準(zhǔn)施肥技術(shù)和施肥播種作業(yè)狀態(tài)監(jiān)控兩方面[1-4]。精準(zhǔn)施肥技術(shù)根據(jù)目標(biāo)作物的需肥種類及用量，將肥料施到作物所需的最佳位置。寬幅施肥機(jī)多采用液壓馬達(dá)驅(qū)動控制，適應(yīng)我國華北等地區(qū)的小地塊施肥機(jī)多采用電動機(jī)驅(qū)動方案。文獻(xiàn)[5-7]研究了采用光譜探測、圖像處理及土壤傳感器等實時獲取施肥決策的方法，控制施肥機(jī)進(jìn)行施肥；文獻(xiàn)[2-3,8-14]報道了采用模糊控制、PID控制等多種變量技術(shù)來保證肥料用量的精確，并進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗研究；文獻(xiàn)[15-16]在施肥播種關(guān)鍵機(jī)構(gòu)方面進(jìn)行了研究，以保證施肥播種的精量實施。精準(zhǔn)施肥技術(shù)依據(jù)施肥處方圖指導(dǎo)作業(yè)，施肥處方圖網(wǎng)格劃分方法對準(zhǔn)確施肥至關(guān)重要，學(xué)者普遍采用垂直或任意角度的均等網(wǎng)格劃分，在網(wǎng)格橫向長度上依據(jù)機(jī)具作業(yè)幅寬或者方形網(wǎng)格，縱向長度上反映的準(zhǔn)確度受變量施肥裝備位置滯后及系統(tǒng)反應(yīng)時間的影響[17-18]。在施肥播種作業(yè)狀態(tài)的監(jiān)控方面，通過監(jiān)控播種、施肥過程中作業(yè)參數(shù)的變化，對異常故障進(jìn)行處置。Precision Planting公司生產(chǎn)的20/20 SeedSense系統(tǒng)可以實現(xiàn)多路玉米播種漏播、重播等狀態(tài)的監(jiān)測和機(jī)具實時工作地圖的顯示。文獻(xiàn)[19-20]通過研制施肥播種監(jiān)測傳感器，獲取排種、排肥狀態(tài)信息。盧彩云等[4]對施肥播種作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究，對小麥播種進(jìn)行實時監(jiān)控。文獻(xiàn)[1,21-24]針對連續(xù)和間斷播種兩種不同的播種類型進(jìn)行了研究，并在試驗樣機(jī)中對系統(tǒng)進(jìn)行驗證。DICKEY-john公司生產(chǎn)的智能農(nóng)業(yè)設(shè)備通過CAN接口單元的擴(kuò)展可以實現(xiàn)對播種、施肥的控制和監(jiān)測。國內(nèi)學(xué)者大多針對單一方面進(jìn)行研究，造成在施肥機(jī)工作過程中，為達(dá)到施肥狀態(tài)監(jiān)測和變量施肥實施，需同時安裝兩套控制系統(tǒng)，操作復(fù)雜，成本增加。為此，研究一種集成多路施肥作業(yè)監(jiān)測和變量施肥控制的系統(tǒng)迫在眉睫。

針對以上問題，本文擬設(shè)計一種實現(xiàn)多路施肥播種作業(yè)狀態(tài)監(jiān)測和施肥參數(shù)監(jiān)控的集成系統(tǒng)，旨為解決連續(xù)型播種施肥一體機(jī)主要作業(yè)參數(shù)的控制和監(jiān)測提供一種方法。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

設(shè)計的支持多路排肥監(jiān)測的電動施肥控制系統(tǒng)如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)主要由控制器、觸摸屏、數(shù)據(jù)采集器、排肥電動機(jī)、GPS測速模塊、機(jī)具起降傳感器和種肥監(jiān)測傳感器組成。其中，排肥電動機(jī)通過鏈輪連接排肥軸，用于排肥控制；種肥監(jiān)測傳感器安裝于排種器或排肥器出口位置，用于監(jiān)測連續(xù)型排種或肥料下落；機(jī)具起降傳感器安裝于機(jī)具起降懸掛軸位置，用于監(jiān)測機(jī)具升降；GPS測速模塊接收器安裝于拖拉機(jī)頂端高處，用于獲取機(jī)具行進(jìn)速度。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of control system1.種肥監(jiān)測傳感器 2.排肥器 3.鏈輪 4.排肥電動機(jī) 5.排肥軸 6.機(jī)具起降傳感器 7.數(shù)據(jù)采集器 8.車載蓄電池 9.觸摸屏 10.控制器 11.GPS測速模塊

工作時，拖拉機(jī)帶動播種施肥機(jī)前進(jìn)，控制器根據(jù)觸摸屏設(shè)置參數(shù)，整合機(jī)具作業(yè)速度和機(jī)具起降信息，控制排肥電動機(jī)轉(zhuǎn)速，帶動排肥軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)精量排肥。數(shù)據(jù)采集器采集種肥監(jiān)測傳感器狀態(tài)，接收控制器指令，將信息反饋給控制器。

控制器利用應(yīng)用協(xié)議解析反饋指令，獲得各路排種或排肥狀態(tài)，將數(shù)據(jù)傳送至觸摸屏實時顯示，發(fā)生故障時，啟動蜂鳴器進(jìn)行報警，實現(xiàn)多路排種或排肥作業(yè)狀態(tài)監(jiān)測和精量排肥的集成控制。

1.2 硬件設(shè)計

控制器以STC12C5A60S2為核心，控制系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。MCU內(nèi)置雙串口資源，通過UART0與DC48270B043_06WK_RTC型觸摸屏通訊，通過UART1與JY-DAM-3280D型數(shù)據(jù)采集器通訊。該觸摸屏支持RS232串口通訊，可滿足對施肥播種作業(yè)系統(tǒng)排肥量等參數(shù)的設(shè)置與監(jiān)控以及各路排種、排肥狀態(tài)圖形化監(jiān)測的要求。數(shù)據(jù)采集器具有32路開關(guān)量輸入和8路模擬量輸出的功能，支持標(biāo)準(zhǔn)Modbus RTU通訊協(xié)議，滿足最多32路種肥監(jiān)測傳感器的信號讀取的要求。種肥監(jiān)測傳感器(保定聯(lián)宇電子科技有限公司)采用光電對管探測原理，常態(tài)為低電平，觸發(fā)后為高電平，觸發(fā)脈沖延時3.5 s自動復(fù)位，可重復(fù)觸發(fā)，該傳感器可滿足對連續(xù)播種、施肥進(jìn)行監(jiān)測的要求。機(jī)具起降傳感器選用LIS331型傾斜開關(guān)傳感器。GPS測速模塊(北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心)能夠?qū)⑺俣刃盘栟D(zhuǎn)換為頻率信號輸出，測速范圍為1.8～130 km/h，采集速度每增加1 km/h，輸出頻率信號增加36.1 Hz。GPS測速模塊輸出信號經(jīng)頻率脈沖隔離模塊傳輸至MCU I/O監(jiān)測口。

圖2 控制系統(tǒng)硬件框圖Fig.2 Hardware block diagram of control system

本試驗樣機(jī)中排肥電動機(jī)采用D5BLD200-24V-30S型電動機(jī)，由DMKE D750-BLD型電動機(jī)驅(qū)動器驅(qū)動，另配有PLF090-L2-20-S2-P2-T型減速器。MCU通過改變頻率，經(jīng)FVS-200HZ5V型F/V轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換為電壓模擬量控制電動機(jī)驅(qū)動器，對電動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，同時監(jiān)測電動機(jī)反饋轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)精量排肥的控制和監(jiān)測。

1.3 觸摸屏界面設(shè)計

觸摸屏界面實現(xiàn)施肥量的設(shè)置及監(jiān)控、多路施肥播種作業(yè)狀態(tài)參數(shù)設(shè)置及監(jiān)測(圖3)。設(shè)置主界面包括施肥量相關(guān)參數(shù)設(shè)置和播種施肥作業(yè)狀態(tài)監(jiān)測設(shè)置。施肥量相關(guān)參數(shù)的設(shè)置包括每公頃施肥量、作業(yè)幅寬和施肥量及排肥器個數(shù)。多路施肥播種作業(yè)狀態(tài)的設(shè)置包括監(jiān)測工作行號設(shè)置和監(jiān)測靈敏度設(shè)置。

圖3 觸摸屏界面Fig.3 Interface of touch screen

其中，施肥量設(shè)置為每公頃所需肥量；作業(yè)幅寬設(shè)置為機(jī)具作業(yè)幅寬；每轉(zhuǎn)肥量設(shè)置為單排肥器每轉(zhuǎn)排肥量；排肥器個數(shù)設(shè)置為實際工作排肥器個數(shù)；監(jiān)測靈敏度設(shè)置為控制器對種肥監(jiān)測傳感器信號脈沖的掃描間隔時間；工作行設(shè)置為對應(yīng)工作行號。數(shù)據(jù)監(jiān)控界面可對實時施肥量、總施肥量和作業(yè)面積進(jìn)行實時監(jiān)測。多路施肥播種監(jiān)測界面可實現(xiàn)工作行數(shù)中各路工作狀態(tài)監(jiān)測，正常狀態(tài)顯示為綠色，否則為紅色。

1.4 控制算法設(shè)計

播種施肥機(jī)通過GPS測速模塊獲得機(jī)具行進(jìn)速度，速度脈沖頻率每增加36.1 Hz，則說明機(jī)具行進(jìn)速度增加1 km/h，控制器取3次行進(jìn)速度的平均值作為輸出值，則播種施肥機(jī)速度為

(1)

式中v——播種施肥機(jī)行進(jìn)速度，m/s

f——GPS測速模塊信號頻率，Hz

排肥電動機(jī)與排肥軸傳動比為1∶1，則排肥電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速為

(2)

式中n——排肥電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，r/min

w——機(jī)具作業(yè)幅寬，m

q——施肥量設(shè)定值，kg/hm2

p——單排肥器每轉(zhuǎn)排肥量，g/r

m——工作排肥器個數(shù)，個

MCU通過輸出頻率，經(jīng)F/V轉(zhuǎn)換模塊，由電動機(jī)驅(qū)動器控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速輸出。播種施肥機(jī)作業(yè)面積通過單位時間內(nèi)的工作面積累加獲得，作業(yè)面積為

(3)

式中S——作業(yè)面積，hm2

t——工作時間，s

排肥軸轉(zhuǎn)速監(jiān)測通過電動機(jī)轉(zhuǎn)速反饋頻率確定，則排肥軸轉(zhuǎn)速為

(4)

式中nb——排肥軸轉(zhuǎn)速，r/min

fb——電動機(jī)轉(zhuǎn)速反饋頻率，Hz

Pb——排肥電動機(jī)極對數(shù)，為4

I——減速器減速比，為20

系統(tǒng)由電動機(jī)轉(zhuǎn)速反饋頻率獲取排肥電動機(jī)轉(zhuǎn)速實際值，單位時間內(nèi)的排肥電動機(jī)轉(zhuǎn)速實際值累加，獲得排肥軸轉(zhuǎn)動圈數(shù)的累加值，則總施肥量為

會議要求，各級黨委（黨組）要加強(qiáng)對《條例》實施的組織領(lǐng)導(dǎo)。要抓好《條例》的宣傳解讀和學(xué)習(xí)培訓(xùn)，使各級黨組織和廣大黨員深入領(lǐng)會《條例》精神，全面掌握《條例》內(nèi)容，增強(qiáng)貫徹執(zhí)行《條例》的思想自覺和行動自覺。要加強(qiáng)對黨員領(lǐng)導(dǎo)干部的培訓(xùn)，提高抓好黨支部工作、推動黨支部建設(shè)的本領(lǐng)。要加強(qiáng)督促落實，確保《條例》各項規(guī)定要求落到實處。

(5)

圖4 控制系統(tǒng)流程圖Fig.4 Flow charts of control system

式中Q——總施肥量，kg

控制系統(tǒng)流程如圖4所示。程序初始化參數(shù)后，通過UART0與觸摸屏通訊，發(fā)送讀取觸摸屏控件初值的指令。觸摸屏接收到讀取指令，向外發(fā)送對應(yīng)控件參數(shù)指令，MCU通過對應(yīng)協(xié)議解析獲得各變量值。GPS模塊冷啟動結(jié)束后，向外發(fā)送測速脈沖，MCU通過外部中斷0接收該脈沖信號，并對脈沖信號進(jìn)行測頻計數(shù)。速度脈沖頻率每1 s更新，根據(jù)公式(1)計算出機(jī)具行進(jìn)速度，并將單位時間速度脈沖計數(shù)值清零；分別利用公式(4)、(3)、(5)計算反饋轉(zhuǎn)速、作業(yè)面積和總施肥量。接收到機(jī)具下降傳感器信號后，MCU根據(jù)公式(2)計算排肥電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，通過電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制曲線獲得輸出頻率值，啟動PWM輸出。排肥電動機(jī)運轉(zhuǎn)后，MCU通過外部中斷1接收排肥電動機(jī)反饋轉(zhuǎn)速脈沖。

間隔1 s，通過UART0向觸摸屏發(fā)送數(shù)據(jù)更新指令。每隔100 ms，MCU通過UART1向數(shù)據(jù)采集器發(fā)送讀取32路開關(guān)量采集口狀態(tài)指令，將返回數(shù)據(jù)存入數(shù)組hex[j]，對接收到的數(shù)據(jù)和D_3208_m(初值0x01)進(jìn)行按位與運算，每進(jìn)行一次，D_3208_m左移1位，令D_3208_z=D_3208_m&hex[j]，若D_3208_z=D_3208_m，則說明該位監(jiān)測到了種肥監(jiān)測傳感器信號，將該路報警監(jiān)測標(biāo)志位置0。

若該位未監(jiān)測到種肥監(jiān)測傳感器信號，判斷是否到達(dá)監(jiān)測靈敏度設(shè)定時間，若超過設(shè)定時間，判定該路是否設(shè)定為工作狀態(tài)，若為工作狀態(tài)，則啟動蜂鳴器報警，通過UART1向觸摸屏發(fā)送該路故障指令。

2 試驗平臺搭建

2.1 施肥播種監(jiān)測性能試驗臺

搭建施肥播種監(jiān)測性能試驗臺，對系統(tǒng)監(jiān)測性能進(jìn)行試驗，如圖5所示。

圖5 施肥播種監(jiān)測試驗臺Fig.5 Diagram of test platform1.控制器 2.報警燈 3.數(shù)據(jù)采集器 4.箱體 5.支架 6.外槽輪排種器(或排肥器) 7.種肥監(jiān)測傳感器 8.導(dǎo)管 9.塑料容器 10.電動機(jī) 11.電動機(jī)驅(qū)動器 12.開關(guān)電源 13.稱重儀 14.觸摸屏 15.PC機(jī)

試驗臺利用開關(guān)電源(AC220V-DC12V)供電，由PC機(jī)AQMDBLS控制軟件控制AQMD3608BLS型驅(qū)動器驅(qū)動電動機(jī)，從而實現(xiàn)外槽輪排種器或排肥器的轉(zhuǎn)速控制。觸摸屏用于參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)讀?。幌到y(tǒng)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；報警燈用于工作狀態(tài)報警；數(shù)據(jù)采集器用于采集種肥監(jiān)測傳感器的信號。種肥監(jiān)測傳感器安裝于排種器或排肥器出口位置，下端連接直徑為44 mm的導(dǎo)種管。直徑為0.3 m，高0.15 m的塑料容器用于收集從導(dǎo)管下落的物料。BT418/15B型稱重儀(2.5 g～15 kg，精度0.5 g)對下落的物料進(jìn)行稱量。

2.2 排肥量變化響應(yīng)時間性能試驗臺

搭建排肥量變化響應(yīng)時間性能試驗臺，如圖6所示。將排肥箱升高，下側(cè)布置傳送帶，排肥器排肥口距離傳送帶的高度為0.5 m。排肥口處連接導(dǎo)肥管，導(dǎo)肥管出口處緊貼傳送帶表面。在導(dǎo)肥管出口位置設(shè)置長度約0.3 m的擋板，防止肥料外濺出傳送帶。傳送帶寬度為0.15 m，總長度4 m，可通過電動機(jī)驅(qū)動器進(jìn)行轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，傳送帶末端轉(zhuǎn)軸上安裝有轉(zhuǎn)速碼盤，通過GS08A3-2-Z/BX型齒輪測速傳感器進(jìn)行測速。

圖6 排肥量變化響應(yīng)時間性能試驗臺Fig.6 Test platform of response time with different fertilizer rates1.測速碼盤 2.無刷電動機(jī) 3.肥箱 4.排肥器 5.導(dǎo)肥管 6.擋板 7.測量尺 8.傳送帶 9.傳送帶電動機(jī)驅(qū)動器 10.控制器 11.排肥電動機(jī)驅(qū)動板 12.齒輪測速傳感器

3 試驗與結(jié)果分析

3.1 監(jiān)測靈敏度試驗

監(jiān)測靈敏度設(shè)置的時間長短直接影響排種、排肥監(jiān)測的可靠性，時間過長，導(dǎo)致報警不及時，時間過短，導(dǎo)致誤報警次數(shù)的增加。為了避免在特定落料流速下，因掃描周期短而導(dǎo)致誤報警情況的發(fā)生，同時獲得最短的響應(yīng)時間，進(jìn)行了系統(tǒng)監(jiān)測靈敏度試驗。

試驗分別利用磷酸二胺顆粒肥(容積密度為980 g/L)和小麥(容積密度為796 g/L)在不同流速下進(jìn)行試驗，得出排肥速率為10 686 g/min(轉(zhuǎn)速100 r/min)時，種肥監(jiān)測傳感器反饋頻率最低，平均值為2.5 Hz，方差為1.4 Hz；排種速率為6 087 g/min(轉(zhuǎn)速75 r/min)時，監(jiān)測反饋頻率最低，平均值為2.4 Hz，方差為1.7 Hz。為了避免誤報警，同時獲取最高的監(jiān)測靈敏度，選擇種肥監(jiān)測傳感器監(jiān)測反饋頻率最低時的槽輪轉(zhuǎn)速作為試驗設(shè)定轉(zhuǎn)速，排肥時選定槽輪轉(zhuǎn)速為100 r/min，排種時選定排肥轉(zhuǎn)速為75 r/min，設(shè)定脈沖監(jiān)測閾值為1。通過觸摸屏設(shè)定監(jiān)測靈敏度時間，范圍為1～5 s，設(shè)定間隔1 s，每組試驗采樣100次。對系統(tǒng)誤報警次數(shù)進(jìn)行記錄，結(jié)果如表1所示。

由試驗結(jié)果可得，監(jiān)測靈敏度設(shè)定為3 s時，系統(tǒng)監(jiān)測排肥的準(zhǔn)確率達(dá)到100%，監(jiān)測排種的準(zhǔn)確率為99%。因此，設(shè)定脈沖監(jiān)測閾值1、監(jiān)測靈敏度3 s為系統(tǒng)對排種、排肥可靠監(jiān)測的設(shè)置參數(shù)。

表1 監(jiān)測靈敏度試驗結(jié)果Tab.1 Experiment results of monitoring sensitivity

3.2 單排肥器排肥量變化響應(yīng)時間試驗

排肥量變化響應(yīng)時間直接影響精準(zhǔn)變量施肥處方邊界變化時變量實施效果，為了獲得系統(tǒng)排肥量變化的響應(yīng)時間關(guān)系，利用排肥量變化響應(yīng)時間試驗臺(圖6)進(jìn)行試驗。試驗時，傳送帶的行進(jìn)速度設(shè)定為2.88 km/h，通過控制器改變排肥量，在0～11 500 g/min范圍內(nèi)，以575 g/min為間隔依次進(jìn)行試驗，采集3 m內(nèi)間隔20 cm的排肥量，則每次肥量收集的時間間隔為0.25 s，記錄各肥量及時間點，獲得肥量變化隨響應(yīng)時間的結(jié)果，如圖7所示。試驗結(jié)果表明，在0～11 500 g/min的排肥量變化范圍內(nèi)，系統(tǒng)響應(yīng)時間最大為0.75 s，平均為0.56 s，標(biāo)準(zhǔn)差為0.18 s。

圖7 排肥量變化響應(yīng)時間試驗結(jié)果Fig.7 Results of response times with different fertilizer rates

3.3 排肥量控制精度試驗

為了驗證系統(tǒng)的排肥量控制精度，以試驗樣機(jī)為平臺，進(jìn)行了排肥量控制精度試驗。試驗樣機(jī)以2BMGF-7/14型免耕播種施肥機(jī)為平臺，幅寬220 cm，選用的N-P2O5-K2O符合肥料容積密度為920.3 g/L，單排肥器每轉(zhuǎn)排肥量為62.9 g/r。試驗時，控制器設(shè)定施肥量范圍為450～750 kg/hm2，試驗樣機(jī)在4～6 km/h范圍內(nèi)勻速或隨機(jī)速度行駛，于排肥鏟出口處設(shè)置塑料袋收集肥料、稱量，采樣距離為30 m，單次試驗采樣作業(yè)面積為67.2 m2。

3.3.1電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制曲線

電動機(jī)轉(zhuǎn)速精度直接影響排肥量的控制精度。電動機(jī)驅(qū)動器具有模擬量驅(qū)動和頻率驅(qū)動兩種方式，經(jīng)試驗測得，模擬量驅(qū)動方式具有更好的轉(zhuǎn)速控制穩(wěn)定性和線性度。由于STC12C5A60S2單片機(jī)無模擬量輸出功能，系統(tǒng)采取改變控制器輸出頻率的方式，經(jīng)F/V轉(zhuǎn)換模塊，控制電動機(jī)驅(qū)動器。為了獲得電動機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系曲線，設(shè)置輸出頻率范圍為0～160 Hz，間隔10 Hz，采集電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，試驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制曲線Fig.8 Control curve of motor rotation speed

由試驗可得，采用最小二乘法直線擬合，R2=1，輸出頻率與轉(zhuǎn)速具有良好的線性關(guān)系，確定了電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)速與系統(tǒng)輸出頻率的計算關(guān)系。

3.3.2測速標(biāo)定試驗

機(jī)具行進(jìn)速度的獲取精度對于系統(tǒng)排肥量控制精度影響較大。于河北省趙縣農(nóng)村合作社對GPS測速模塊進(jìn)行了測速標(biāo)定試驗，在機(jī)具行進(jìn)速度2.35～6.75 km/h范圍內(nèi)，行進(jìn)30 m過程的試驗數(shù)據(jù)如表2所示。系統(tǒng)監(jiān)測速度為GPS測速模塊輸出頻率增加36.1 Hz時，機(jī)具行進(jìn)速度增加1 km/h計算的速度；實際速度為機(jī)具行進(jìn)30 m過程中的速度平均值；速度線性系數(shù)為實際速度與系統(tǒng)監(jiān)測速度的比值。結(jié)果表明GPS測速線性系數(shù)平均值為1.20，方差為0.02，最終確定測速模塊的線性系數(shù)為1.20。

表2 GPS模塊測速標(biāo)定試驗結(jié)果Tab.2 Calibration experiment results of GPS speed module

3.3.3排肥量控制精度試驗

試驗結(jié)果如表3所示，可得在設(shè)定施肥量為450、600、750 kg/hm2范圍，4～6 km/h勻速下，排肥量準(zhǔn)確率平均值分別為96.90%、94.72%和97.76%，方差分別為2.79%、1.13%和1.14%。變車速下的排肥量準(zhǔn)確率分別為92.95%、96.79%和99.75%。系統(tǒng)在變行進(jìn)速度的過程中，排肥量準(zhǔn)確率平均值分別為95.92%、95.24%和98.26%，方差分別為3.01%、1.39%和1.36%。施肥量設(shè)定范圍為450～750 kg/hm2，總體排肥量準(zhǔn)確率平均值為96.47%，肥量控制效果較好，排肥量準(zhǔn)確率大于93%。在設(shè)定600、750 kg/hm2的排肥量準(zhǔn)確率中，變行進(jìn)速度的準(zhǔn)確率高于勻速時，可能是由于GPS測速模塊在低速和較高速度下測量誤差相互補(bǔ)償造成的。

表3 排肥量控制精度試驗結(jié)果Tab.3 Experiment results of accuracy of fertilization

3.4 系統(tǒng)施肥量變化響應(yīng)時間試驗

以試驗樣機(jī)為平臺，施肥量變化值為75、150、225、300、375、450 kg/hm2，依次在播種施肥機(jī)行駛過程中進(jìn)行手動施肥量輸入，使施肥量變化差值依次等于上述施肥量變化值，依次分成6組進(jìn)行試驗，記錄行進(jìn)距離30 m，采樣間隔為1 m，如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)排肥量變化響應(yīng)時間試驗Fig.9 Experiment of system response time with different fertilizer rates

通過采樣間隔除以速度得到采樣時間，由采樣間隔內(nèi)肥量變化分析得出施肥量變化過程中系統(tǒng)響應(yīng)時間。對每個施肥量變化值重復(fù)記錄2或3次響應(yīng)時間，取平均值，試驗結(jié)果如表4所示。

各施肥量變化值下，6組總平均響應(yīng)時間為1.08 s，標(biāo)準(zhǔn)差為0.21 s；平均速度為3.79 km/h時，平均反應(yīng)距離為1.14 m，標(biāo)準(zhǔn)差為0.22 m。結(jié)果表明施肥量變化與響應(yīng)時間不存在明顯的正相關(guān)性，說明電動機(jī)驅(qū)動變量排肥控制具有較穩(wěn)定的響應(yīng)時間。

表4 系統(tǒng)施肥量變化響應(yīng)時間試驗結(jié)果Tab.4 Experiment results of system response time with different fertilizer rates

3.5 田間試驗

利用試驗樣機(jī)，于河北省趙縣光輝農(nóng)業(yè)機(jī)械服務(wù)專業(yè)合作社進(jìn)行了大田試驗(圖10)。設(shè)定施肥量為450、600、750 kg/hm2，采集播種施肥機(jī)行進(jìn)30 m內(nèi)的排肥量，利用施肥總量減去剩余總量獲得排肥量，測得排肥量準(zhǔn)確率分別為94.41%、92.61%和97.05%，系統(tǒng)排肥量準(zhǔn)確率平均值為94.69%，方差為2.23%。表明系統(tǒng)在大田工作環(huán)境，仍能保持良好的排肥控制精度。進(jìn)行了系統(tǒng)監(jiān)測可靠性驗證，設(shè)定監(jiān)測靈敏度為3 s，脈沖監(jiān)測閾值為1，系統(tǒng)采集14路排種、排肥過程中，人為堵塞任意1路，采樣100次的試驗中，系統(tǒng)報警準(zhǔn)確率為100%。

圖10 田間試驗Fig.10 Field experiment1.GPS測速模塊 2.種肥監(jiān)測傳感器 3.壓實輪 4.排種軸 5.排肥軸 6.拖拉機(jī) 7.排肥電動機(jī) 8.控制器

4 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種支持多路施肥播種狀態(tài)監(jiān)測的變量施肥機(jī)集成控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠完成設(shè)定排肥量，根據(jù)機(jī)具行進(jìn)速度改變排肥電動機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到精量排肥；對多路施肥播種作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行可視化監(jiān)測，并進(jìn)行故障報警的功能。該系統(tǒng)能夠滿足對小麥播種施肥機(jī)、玉米追肥機(jī)等連續(xù)型播種監(jiān)測、施肥監(jiān)測和排肥量控制的要求。

(2)確定了單排肥器和整機(jī)兩種情況下，采用電動機(jī)驅(qū)動排肥控制的系統(tǒng)肥量變化響應(yīng)時間。試驗結(jié)果表明，單排肥器排肥量變化0～11 500 g/min的范圍內(nèi)，系統(tǒng)響應(yīng)時間最大為0.75 s，平均為0.56 s，標(biāo)準(zhǔn)差為0.18 s；在整機(jī)試驗中，設(shè)定排肥量變化范圍為75～450 kg/hm2，以75 kg/hm2遞增，平均響應(yīng)時間最大為1.42 s，平均反應(yīng)距離最大為1.51 m(行進(jìn)速度3.80 km/h)。

(3)試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)解決了多路連續(xù)性排種、施肥監(jiān)測與精量排肥控制集成的問題。在改變行進(jìn)速度的過程中，施肥量設(shè)定范圍為450～750 kg/hm2，整機(jī)試驗得系統(tǒng)總體排肥量準(zhǔn)確率平均值為96.47%；田間試驗得排肥量準(zhǔn)確率平均值為94.69%，方差為2.23%，系統(tǒng)能夠滿足施肥精度要求；采用數(shù)據(jù)采集器對最多32路排肥監(jiān)測，設(shè)定監(jiān)測靈敏度為3 s時，小麥排種和施肥監(jiān)測報警準(zhǔn)確率達(dá)到100%。