排肥單體獨立控制的雙變量施肥控制系統(tǒng)研制

張季琴，劉 剛，胡 號，黃家運

排肥單體獨立控制的雙變量施肥控制系統(tǒng)研制

張季琴1,2，劉 剛1,3※，胡 號1,3，黃家運1,3

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學現(xiàn)代精細農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成研究教育部重點實驗室，北京 100083；2. 寧夏大學機械工程學院，銀川 750021；3. 中國農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)信息獲取技術重點實驗室，北京 100083）

針對當前變量施肥機無法根據(jù)實際田塊尺寸調(diào)整作業(yè)行數(shù)，進而調(diào)節(jié)作業(yè)幅寬的問題，該研究通過改造玉米播種施肥機的排肥驅(qū)動方式，設計了一種排肥單體獨立控制的雙變量施肥控制系統(tǒng)。首先通過二次多項式擬合方法，構(gòu)建了排肥單體的雙變量控制模型；然后對排肥單體的定位方法進行了分析，提出排肥單體獨立控制系統(tǒng)；最后對各行排肥量一致性、不同車速下的排肥量控制準確性以及各行獨立控制性能進行試驗研究。結(jié)果表明，在排肥軸轉(zhuǎn)速為10～60 r/min的區(qū)間內(nèi)，各行平均排肥量一致性變異系數(shù)為3.35%；在目標排肥量為350 kg/hm2，作業(yè)車速為7 km/h的條件下，排肥量控制精度達到97.6%；對于凸、凹和S形3種不同形狀的施肥邊界，各行排肥滯后距離相對于作業(yè)幅寬的變化率均小于15%。系統(tǒng)具有較高的控制準確性和穩(wěn)定性，能夠適應復雜施肥邊界，可為玉米基肥變量施用裝備的創(chuàng)新性研發(fā)提供技術參考。

農(nóng)業(yè)機械；玉米；基肥；雙變量；排肥單體；獨立控制

0 引 言

變量施肥技術能夠根據(jù)土壤養(yǎng)分或作物長勢進行按需施肥，在降低肥料用量的同時，能夠提高肥料利用率，提高產(chǎn)量，減少溫室氣體排放和對環(huán)境的污染[1-4]。現(xiàn)有變量施肥機的排肥方式主要包括離心式、轉(zhuǎn)盤式、螺旋式和外槽輪式等[5-7]。其中，基于外槽輪的變量施肥機，通過改變排肥軸轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)施肥量調(diào)節(jié)[8-10]，普遍存在施肥量調(diào)節(jié)范圍小，低速排肥時脈動顯著，排肥均勻性差等缺點[11]。

為了克服單一變量控制的缺點，提高變量施肥作業(yè)精度和穩(wěn)定性，近年來，國內(nèi)外學者在雙變量施肥機的整機結(jié)構(gòu)設計、控制系統(tǒng)集成等方面做了大量研究，并取得一定成果。劉成良等[12]研發(fā)了一種排肥軸轉(zhuǎn)速、排肥口開度雙調(diào)節(jié)的變量施肥機。吳金林[13]設計了一種液壓驅(qū)動的雙變量排肥裝置，通過在排肥主軸兩側(cè)安裝主軸馬達和開口馬達，帶動主軸上所有外槽輪轉(zhuǎn)動和左右移動，實現(xiàn)雙變量調(diào)節(jié)。Su等[14-15]將手動調(diào)節(jié)開度的庫恩氣吸式點播機改造為有效工作長度可通過伺服電機自動調(diào)整的變量施肥機，經(jīng)試驗驗證，在5個不同開度下，7個排肥器各行平均排肥量一致性變異系數(shù)為8.4%。戚武振等[16-17]設計了一種絲杠排肥軸連接機構(gòu)，以步進電機為動力，帶動排肥軸做軸向移動實現(xiàn)所有排肥器開度的自動調(diào)節(jié)。Alameen等[18]搭建了一個可以通過氣缸調(diào)節(jié)所有排肥器開度的雙變量施肥試驗臺，室內(nèi)試驗結(jié)果表明，該試驗臺具有較好的準確性、穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)快速性。施印炎等[19-20]設計了一種基于光譜探測的小麥精準追肥機，該機采用軸分段式執(zhí)行機構(gòu)，8個排肥器分2組，每組4個排肥器通過一個直流電機控制轉(zhuǎn)速，一個步進電機控制開度，作業(yè)時，根據(jù)光譜傳感器獲取小麥冠層歸一化植被指數(shù)，生成目標追肥量，通過對兩組排肥器的開度、轉(zhuǎn)速的實時調(diào)整，實現(xiàn)追肥量的精確控制，田間試驗控制精度達到90%以上[21-22]。

綜上可知，現(xiàn)有雙變量施肥機一般通過一個驅(qū)動軸驅(qū)動多個排肥器同時作業(yè)，無法根據(jù)實際需要調(diào)整作業(yè)行數(shù)，最小作業(yè)寬度為機具幅寬。但田間作業(yè)區(qū)域大多形狀不規(guī)則，且田塊寬度一般不是作業(yè)幅寬的整數(shù)倍，在田塊邊緣易發(fā)生作業(yè)區(qū)域的重疊或造成壟溝邊界的肥料浪費[23]，無法進行跨處方圖柵格作業(yè)。因此，本文擬改造現(xiàn)有玉米播種施肥機的排肥驅(qū)動方式，設計一種排肥單體獨立控制的雙變量施肥控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)各行獨立作業(yè)，作業(yè)幅寬可調(diào)，提高變量施肥機對田間復雜環(huán)境的適應能力。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

雙變量施肥機實物如圖1所示，整機主要由RTK- GNSS（Real Time Kinematic-Global Navigation Satellite System）定位系統(tǒng)、排肥單體獨立控制的雙變量施肥控制系統(tǒng)、施肥執(zhí)行裝置等組成。RTK-GNSS定位系統(tǒng)主要包括天線和接收機；控制系統(tǒng)包括車載終端、下位機控制器、伺服電機、減速器、電子推桿、電子位移傳感器等；施肥執(zhí)行裝置主要包括肥箱、螺旋外槽輪排肥器、開度調(diào)節(jié)擋板、排肥管、開溝器、地輪等。該機與拖拉機采用三點懸掛方式連接，設有2個肥箱，每個肥箱配2個排肥器，每個排肥器為一個獨立的控制單元，可實現(xiàn)排肥口開度、排肥軸轉(zhuǎn)速的獨立控制。最大作業(yè)行數(shù)為4行，作業(yè)幅寬為0.6～2.4 m，可根據(jù)實際作業(yè)需求調(diào)整，主要技術參數(shù)如表1所示。

1.2 工作原理

作業(yè)時，首先根據(jù)GNSS系統(tǒng)采集的坐標位置信息，計算獲得單體排肥器的位置，查詢處方圖，得到各排肥單體的目標施肥量，再根據(jù)控制模型計算得到排肥器轉(zhuǎn)速、開度控制信息，最后發(fā)送控制指令到下位機執(zhí)行裝置，實現(xiàn)變量施肥作業(yè)。該系統(tǒng)采用CAN（Controller Area Network）通信方式、各排肥器獨立控制。控制系統(tǒng)原理如圖2所示，RTK-GNSS接收機獲取整機當前位置經(jīng)緯度信息、車速信息以及航向角信息，并通過RS232串口發(fā)送給車載計算機；車載計算機根據(jù)當前位置信息以及RTK-GNSS天線的安裝位置等信息，計算每個排肥單體的位置坐標，通過查詢處方圖，得到每個排肥器的目標施肥量信息，結(jié)合作業(yè)車速，形成單體排肥器的開度、轉(zhuǎn)速控制決策，最后將控制指令發(fā)送給并聯(lián)在CAN通信網(wǎng)絡上的各排肥單體控制器，控制器通過對伺服電機和電子推桿的控制，實現(xiàn)對排肥器轉(zhuǎn)速、開度的控制，最終實現(xiàn)精準施肥作業(yè)。

2 排肥單體控制原理

該排肥單體獨立控制的雙變量施肥機以單個排肥器為獨立控制單元，通過雙變量調(diào)節(jié)裝置，實現(xiàn)排肥軸轉(zhuǎn)速、排肥口開度的調(diào)節(jié)[24]。車載計算機通過CAN總線控制多個排肥器。各排肥單體的工作原理相同，因此，以一個排肥單體為例，對其施肥量的控制模型及田間精準定位方法進行分析。

2.1 排肥量控制模型

為了實現(xiàn)雙變量施肥機的精確控制，建立一個排肥單體的雙變量控制模型是關鍵。根據(jù)外槽輪排肥器的排肥原理，變量施肥機每公頃施肥量為[25]

式中為目標施肥量，kg/hm2；為單個排肥器單位時間排肥量，g/min；為排肥器個數(shù)；為變量施肥機作業(yè)車速，km/h為作業(yè)行距，即相鄰2個排肥器之間的距離，m；k為機具打滑率。

由于該系統(tǒng)采用GNSS測速，伺服電機驅(qū)動排肥軸，機具打滑對排肥器的影響可忽略，即k=1，同時由于該控制系統(tǒng)以單個排肥器為一個獨立控制單元，即=1，則式（1）可簡化為

由式（2）可知，要實現(xiàn)施肥量的精確控制，必須獲取單位時間排肥量與控制參數(shù)即排肥口開度（mm）和排肥軸轉(zhuǎn)速（r/min）的關系。經(jīng)過標定試驗，獲取不同開度、轉(zhuǎn)速條件下的單位時間排肥量，利用Matlab軟件進行二次多項式擬合，得到、與滿足如下關系：

=-13.5+9.153+19.89-0.0982+1.756-0.3072（3）

擬合方程決定系數(shù)為0.9992，擬合度較高。根據(jù)目標施肥量范圍確定開度后，代入式（3）即可獲得排肥軸轉(zhuǎn)速與的二次方程，通過解二次方程即可獲得目標排肥轉(zhuǎn)速。

作業(yè)時，通過處方圖獲取目標施肥量，確定開度，實時獲取變量施肥機作業(yè)速度，代入式（2），計算可得單位時間排肥量，代入式（3）即可獲得目標轉(zhuǎn)速，進而控制伺服電機帶動排肥器動作，實現(xiàn)施肥量的精確控制。

2.2 排肥單體定位方法

為了實現(xiàn)排肥單體的準確定位，需要根據(jù)GNSS系統(tǒng)獲取的變量施肥機的當前經(jīng)緯度信息，實時計算各排肥器的位置坐標。GNSS系統(tǒng)遵循NMEA-0183協(xié)議，利用ASCII碼傳遞信息[26]，本文截取包含位置、速度以及航向角的$GPRMC格式信息。為了實現(xiàn)排肥單體在平面上的準確定位，基于大地坐標系（WGS84）的經(jīng)緯度信息通過墨卡托投影法（Mercator）轉(zhuǎn)化為平面坐標信息。

作業(yè)時，GNSS天線安裝在拖拉機駕駛室的上方，與各排肥器中心連線的垂直距離為（m），GNSS天線的平面位置坐標為(,)，則第個排肥單體的平面坐標(x,y)的計算公式為[27]

式中θ為向量[x-x y-]T與平面坐標軸的夾角，（°）。d為第個排肥單體與GNSS天線之間的距離，m，計算方法如式（5）～（6）所示。

式中為航向角，（°），∈[1,]。

作業(yè)過程中，設備基本參數(shù)如GNSS天線與各排肥器中心連線的垂直距離、相鄰2個排肥器之間的距離以及排肥單體個數(shù)等由用戶根據(jù)設備實際情況通過控制軟件輸入。GNSS天線的平面位置坐標(,)以及航向角由對GNSS信息的解析和變換獲得。為防止$GPRMC字段截取不完整造成定位信息丟失，本文采用C#正則表達式進行字段匹配。

3 控制系統(tǒng)設計

3.1 硬件組成

基于排肥單體獨立控制的雙變量施肥機控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)對GNSS信息的采集、解析、存儲，作業(yè)參數(shù)設置以及排肥單體的獨立控制。系統(tǒng)采用CAN通信方式，以單個排肥器為一個獨立控制單元，具有很好的可擴展性?？刂葡到y(tǒng)硬件系統(tǒng)組成如圖3所示。

本系統(tǒng)采用的GNSS設備是基于NovAtel公司的OEM615核心板卡開發(fā)的，支持北斗雙頻差分定位，RTK水平定位精度達到0.01 m。采用APC-3082工業(yè)平板作為車載終端，經(jīng)串口由USB/CAN-IIC分析儀連接到CAN網(wǎng)絡，實現(xiàn)人機交互、作業(yè)參數(shù)設置以及作業(yè)控制。電機選用MOTEC公司的ARES-8015-E-AC系列直流伺服電機，額定功率100 kW，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min，根據(jù)MOTECIAN通信協(xié)議發(fā)送控制指令到伺服電機驅(qū)動器，驅(qū)動伺服電機轉(zhuǎn)動進而實現(xiàn)對排肥軸轉(zhuǎn)速的控制，與之配套的減速器減速比為1∶32。下位機控制器采用Arduino的Mega2560控制板，通過MCP2515模塊連入CAN通信網(wǎng)絡，可實現(xiàn)對電子位移傳感器數(shù)據(jù)的采集和電子推桿的控制。電子推桿采用TB6600型驅(qū)動器，推力250/N、速度12 mm/s，主要實現(xiàn)排肥口開度大小調(diào)節(jié)。電子位移傳感器選用米郎RTK系列，量程為75 mm，測量精度達到0.1 mm。GNSS設備和工業(yè)平板均采用12 V、60 Ah的鋰電池供電。排肥控制單體的電源選用同型號鋰電池，通過升壓器轉(zhuǎn)化為24V電壓給伺服電機和電子推桿供電，通過降壓器轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為5 V電壓給控制器供電。電子位移傳感器由控制器的5 V電壓輸出引腳供電。每個排肥單體配備一塊鋰電池。

3.2 軟件設計

使用C#語言，基于VS2012開發(fā)平臺結(jié)合SQL2008數(shù)據(jù)庫，開發(fā)上位機控制軟件。軟件系統(tǒng)在VS2012軟件開發(fā)平臺開發(fā)主體程序，利用SQL2008數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)GNSS信息的上傳和存儲，主要包括通信模塊、參數(shù)設置模塊和作業(yè)控制模塊。其中，作業(yè)控制模式分為手動和自動控制模式，自動控制模式的軟件工作界面如圖4所示。

系統(tǒng)通訊模塊使用CAN總線通訊技術，通過對CAN分析儀的二次開發(fā)，實現(xiàn)串口信號到CAN信號的轉(zhuǎn)換。參數(shù)設置模塊主要實現(xiàn)對設備信息和所用肥料信息的設置和存儲。作業(yè)控制模塊實現(xiàn)對排肥器的自動控制，控制方式主要有手動模式和自動模式?？刂屏鞒倘鐖D5所示。

作業(yè)時，首先啟動系統(tǒng)，進行GNSS設備和CAN分析儀的通信連接，包括對通信端口的配置和波特率的選擇，其中，GNSS設備波特率為115 200 b/s，CAN分析儀波特率為500 kb/s。然后進行系統(tǒng)作業(yè)參數(shù)設置，輸入GNSS天線到排肥口的安裝距離，相鄰2個排肥器之間的距離以及排肥器個數(shù)，以便系統(tǒng)對各個排肥單體進行定位。完成參數(shù)設置后進入作業(yè)控制界面，根據(jù)實際作業(yè)需要選擇手動或自動控制模式。

在手動模式下，用戶可以根據(jù)實際情況選中需要作業(yè)的排肥器編號，然后輸入排肥口目標開度和排肥軸目標轉(zhuǎn)速值，并設定排肥時間，啟動系統(tǒng)作業(yè)，到達設定時間后，排肥自動停止。該功能模塊可實現(xiàn)對不同肥料標定。在自動模式下，系統(tǒng)通過解析GNSS信息，獲得機具當前位置坐標、航向角以及車速信息，實時計算單體排肥器位置坐標，再根據(jù)處方圖目標施肥量信息，結(jié)合施肥控制模型生成控制序列，形成控制指令并發(fā)送給下位機控制器，實現(xiàn)自動施肥。

4 田間試驗

為了檢驗該雙變量施肥樣機的作業(yè)性能，于2020年11月中旬，在中國農(nóng)業(yè)大學上莊試驗站進行田間試驗。采用GB/T 35487—2017《變量施肥播種機控制系統(tǒng)》對該樣機的各行排肥量一致性、施肥量控制準確性進行檢驗。另外，針對該機的各行獨立控制性能，設計了施肥邊界為凸、凹、S三種形狀的道路排肥試驗。試驗肥料采用撒可富“22-8-10”復合肥，堆積密度為964 kg/m3。

4.1 排肥量一致性試驗

各行之間的排肥量一致性反映了變量施肥機的施肥均勻性，采用各行一致性變異系數(shù)進行評價。使用變量施肥控制軟件的手動模式控制排肥。首先選中4個排肥器，設置排肥口開度為常用工作開度35 mm，調(diào)整排肥軸轉(zhuǎn)速10～60 r/min，調(diào)節(jié)步長5 r/min，排肥時長1 min，系統(tǒng)達到設定時間自動停止。將4個排肥器依次從左到右編號，在每個排肥口放置小桶收集肥料并稱量統(tǒng)計，每個轉(zhuǎn)速條件下進行3次重復試驗，取均值作為試驗結(jié)果，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 各行排肥量一致性試驗結(jié)果

由表2可知，當排肥軸轉(zhuǎn)速為10 r/min時，各行排肥量一致性變異系數(shù)為5.37%，隨著轉(zhuǎn)速的提高，各行之間的排肥一致性提高，排肥穩(wěn)定性增加。各行最小變異系數(shù)為2.99%，平均一致性變異系數(shù)為3.35%，整機具有較好的排肥穩(wěn)定性。

4.2 排肥量控制準確性試驗

排肥量控制準確性是評價變量施肥機作業(yè)性能的重要指標。田間試驗在Jhon Deere的5E-904型拖拉機的牽引下進行，在排肥口掛小桶對排肥進行收集并稱質(zhì)量，分別在車速3、5、7 km/h[29]的條件下進行施肥作業(yè)50 m，每種車速條件下進行3次重復試驗，取均值作為試驗結(jié)果。排肥量控制精度采用式（7）計算，試驗現(xiàn)場如6所示。

排肥量控制精度計算公式[28]為

式中為排肥量控制精度，%；1為實際排肥總質(zhì)量，g；2為理論排肥總質(zhì)量，g。

理論排肥質(zhì)量2按照下式計算：

2=2/10 （8）

式中為作業(yè)面積，m2；2為目標排肥量，kg/hm2。

試驗結(jié)果見表3，在目標排肥量35 0kg/hm2下，排肥量控制準確性隨著作業(yè)車速的增加而增加，排肥精度在車速為7 km/h 時達到97.6%，滿足GB/T 35487—2017的要求。

表3 排肥量控制準確性試驗結(jié)果

4.3 各行獨立控制性能試驗

各行獨立控制性能是評價排肥單體獨立控制的變量施肥機對不規(guī)則形狀施肥邊界適應能力的重要指標。如果各行獨立控制，則通過不規(guī)則施肥邊界時，各行落肥位置與施肥邊界的滯后距離不會發(fā)生變化；如果各行同步控制，則通過不規(guī)則施肥邊界時，各行落肥位置與落肥邊界的之間的滯后距離會有較大差異，因此，用實際落肥滯后距離相對于作業(yè)幅寬的變化率V來評價各行獨立控制性能[30]，計算公式如下：

4.3.1 試驗原理

為了對該機各行獨立控制性能進行評價，設計了直徑為2.5m的半圓形凸、凹、S形的道路排肥試驗。試驗原理如圖7所示。

以凸邊為例，在平面坐標系內(nèi)，假設4個排肥器的初始位置為1～4，以第2行排肥器為例，在時刻的位置與初始位置的距離為d，并隨著整機沿作業(yè)方向行駛不斷增大。當d=10 m時，2、3行排肥器到達施肥邊界，發(fā)送2、3行排肥控制指令，啟動排肥，當d=10.35 m時，1、4行排肥器達到施肥邊界，發(fā)送1、4行排肥控制指令，啟動排肥。

經(jīng)過對邊界形狀的幾何運算和分析可得，對于凹邊排肥過程，1、4行排肥器先到達施肥邊界，啟動1、4行排肥，繼續(xù)行駛0.35 m后，2、3行到達施肥邊界，啟動2、3行排肥；對于S邊排肥過程，作業(yè)時，3、4行先到達施肥邊界，啟動3、4行排肥，繼續(xù)行駛1.1 m后，1、2行達到施肥邊界，啟動1、2行排肥。因此，通過實時計算排肥器當前位置與初始位置的距離d，即可實現(xiàn)對不同形狀排肥邊界的準確識別和對排肥的精確控制。試驗現(xiàn)場如圖8所示。

注：1～4為排肥器行數(shù)，ds為任意時刻排肥口與初始位置的距離，m。下同。

4.3.2 試驗結(jié)果

道路試驗在上莊試驗站的一段水泥路面上進行，準備路段10 m，作業(yè)路段20 m。測得道路坐標原點的緯度為40.138 760 62，經(jīng)度為116.176 540 078，施肥邊界采樣頻率為5 Hz。確定施肥邊界形狀，選取施肥邊界參數(shù)，作業(yè)車速為=5 km/h，在準備區(qū)啟動控制軟件，到達施肥邊界后，系統(tǒng)自動排肥。試驗結(jié)束后測量各行實際落肥位置相對于施肥邊界的滯后距離，計算滯后距離變化率。每種邊界條件下進行3次重復試驗，取均值。

在每種施肥邊界條件下，測量各行實際落肥位置相對于施肥邊界的滯后距離，利用式（9）計算得到各行獨立控制的滯后距離變化率，結(jié)果如表4所示。

表4 各行獨立控制排肥滯后距離變化率

由表4可知，對于凹、凸、形3種不同形狀的施肥邊界，該變量施肥機的各行排肥器實際排肥位置的滯后距離變化率分別為10%、14%、13%，均小于15%，且不受排肥邊界形狀的影響。雖然本試驗在水泥路面上進行，但各排肥器通過位置信息觸發(fā)排肥，各行獨立控制性能主要受處方圖邊界解析精度、定位精度和作業(yè)車速影響，該試驗結(jié)果能反映田間作業(yè)情況。

綜上可知，該變量施肥機機有較好的各行獨立控制性能，能夠較好適應復雜施肥邊界形狀，可減少施肥過程中田塊邊緣和壟溝邊界的肥料浪費，為進一步細化田間區(qū)域施肥精度提供可能。

4 結(jié) 論

1）基于CAN總線通訊技術，設計了一種排肥單體獨立控制的雙變量施肥控制系統(tǒng)，建立了系統(tǒng)控制模型，并對排肥單體的定位方法進行了分析，搭建了變量施肥機控制系統(tǒng)的硬件，開發(fā)了上位機操作軟件。

2）為了檢驗該雙變量施肥控制系統(tǒng)的作業(yè)性能，進行了各行排肥量一致性排肥試驗和排肥量控制控制準確性試驗。試驗結(jié)果表明，在排肥軸轉(zhuǎn)速10～60 r/min的區(qū)間內(nèi)，各行平均排肥量一致性變異系數(shù)為3.35%，各行之間排肥均勻、穩(wěn)定；對于同一目標排肥量350 kg/hm2，排肥量控制精度隨著作業(yè)車速的提高而提高，排肥量控制精度在車速為7 km/h時達到97.6%，該系統(tǒng)具有較好的排肥穩(wěn)定性和準確性。

3）為了檢驗該雙變量施肥控制系統(tǒng)的各行獨立控制性能，開展了直徑為2.5 m的半圓形凹、凸、S形3種不同形狀的施肥邊界的排肥試驗。結(jié)果表明，在作業(yè)車速5 km/h的條件下，各行排肥器排肥位置的滯后距離變化率均小于15%，且不受施肥邊界形狀的影響。該排肥單體獨立控制的雙變量施肥控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)各行獨立控制，能夠適應復雜施肥邊界形狀，減少肥料在壟溝邊界的浪費，可根據(jù)實際作業(yè)需求調(diào)整工作的排肥器個數(shù)，進而調(diào)節(jié)作業(yè)幅寬，實現(xiàn)跨處方圖柵格作業(yè)，為玉米基肥變量施用裝備的研發(fā)提供參考。

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Development of bivariate fertilizer control system via independent control of fertilizing unit

Zhang Jiqin1,2, Liu Gang1,3※, Hu Hao1,3, Huang Jiayun1,3

(1.,,,100083,;2.,,750021,;3.,,,100083,)

Current variable-rate fertilizer applicator generally drives all the fertilizer distributers through the same drive shaft at a fixed working width. Most fields are in an irregular shape during the operation of fertilization, particularly unsuitable for an integer multiple of working width. Severe overlap of working areas normally occurs at the edge of the field, resulting in a large amount of waste of fertilizer at the boundary. In addition, the cross-regional or cross-prescription raster operations are still lacking in the current fertilizer applicator. In this study, a bivariate fertilizer control system was designed to implement the independent control of fertilizer discharging unit in a modified applicator for corn fertilizing. The whole machine was composed mainly of a real-time kinematic (RTK) and global navigation satellite system (GNSS) positioning, a bivariate fertilization control system, and an executing device. Firstly, a calibration test was conducted at different active-feed roll lengths and rotational speeds of the drive shaft. A quadratic polynomial fitting was then used to obtain the bivariate control model for the distributing monomer of fertilizer. Specifically, the coefficient of determination reached 0.9992 in the fitting equation, indicating a high level of fitting. Secondly, an in-depth analysis was conducted for the positioning of each fertilization unit. Thirdly, the hardware and software of the control system were developed using the CAN bus communication to realize the collection, analysis and storage of GNSS information, the operation parameter setting, and the independent control of discharging unit. The hardware was composed of a GNSS navigation device, an industrial personal computer, a servo/stepping motor, a micro-controller, and an electronic ruler. The software was performed on a VS2012 platform with SQL2008 database using C# language. Three function modules were included: the communication, setting of working parameters, and working control in the manual and automatic mode. Finally, a systematic evaluation was completed on the comprehensive performance of the bivariate fertilizer control system, including the consistency of fertilizer discharge in each row, the accuracy of fertilization rate at different vehicle speeds, and independent control performance in each row. The results showed that the maximum coefficient of variation (CV) was 5.37% at the driving speed of 10 r/min within the range of 10-60 r/min of fertilizer shaft speed, as the speed of the driving shaft increased. The minimum CV of each row dropped to 2.99% at the driving speed of 55 r/min, indicating the average CV of consistency was 3.35%. At the target fertilizer rate of 350 kg/hm2, the accuracies of fertilization control were 93.2%, 96.75%, and 97.60% under the working speed of 3, 5, and 7 km/h, respectively. The operating speed was generally around 4-12 km/h in the variable rate fertilizer applicator, meeting the national standard accuracy of fertilizer application. Three experiments were conducted on the road fertilization with irregular boundary shapes, such as the concave, convex and S boundary. The lag distance change rate fertilization correlated to the working width was less than 15% on average, indicating no influence by the shape of fertilization boundary. More specifically, the variation ratios of lag distance were 10%, 14%, and 13% at the concave, convex and S boundary, respectively. This applicator can be expected to well simulate the fertilization boundary shape, due to its high stability of fertilization, and control accuracy.The bivariate fertilizer applicator with independent control of fertilization monomer can realize the independent control of each row, suitable for the shape of complex fertilization boundary, while reducing fertilizer wastes at the boundary of the furrow. The finding can provide a potential technical reference for the innovative development of variable-rate equipment for basal fertilizer in corn production.

agricultural machinery; corn; basic fertilizer; bivariate; fertilizing unit; independent control

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.005

S224.2

A

1002-6819(2021)-10-0038-08

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Zhang Jiqin, Liu Gang, Hu Hao, et al. Development of bivariate fertilizer control system via independent control of fertilizing unit[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(10): 38-45. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.005 http://www.tcsae.org

2020-12-19

2021-04-18

國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFD0700503）

張季琴，講師，博士生，研究方向為精細農(nóng)業(yè)關鍵技術。Email：zhjq2010jasmine@163.com

劉剛，教授，博士生導師，研究方向為電子信息技術在農(nóng)業(yè)中的應用。Email：pac@cau.edu.cn