設施果園自動對靶精準變量施肥控制系統(tǒng)

白秋薇，張 信，羅紅品，李光林

（西南大學工程技術學院，重慶 400715）

0 引 言

土壤中的氮、磷、鉀等元素與有機肥含量是影響水果品質和產量的主要因素，合理施肥，加強果樹水肥管理是優(yōu)質高產的主要措施[1]。國內有很多果園特別是丘陵山地果園仍采用人工施肥的方式，導致有的果樹施肥不足，有的果樹施肥過量，既浪費了人財物力，又造成環(huán)境污染[2]。減少化肥施用，增施有機肥，提高肥料利用率，既可以改善土壤，又能夠提高果實品質[3-5]，如何實現(xiàn)果園自動化精準施肥是亟需解決的問題。

為了提高肥料利用率達到按需施肥，研究人員對不同結構形式的排肥裝置及控制系統(tǒng)進行了研究[6-9]。Chattha等[10]對藍莓地拋撒變量施肥機噴嘴進行改進，實現(xiàn)噴嘴單獨控制。Przywara等[11-12]研究了離心盤式撒肥機結構及操作參數(shù)對肥料物理性質空間分布的影響。祝清震等[13-14]針對小麥分層施肥播種研究了多路精準排肥播種控制系統(tǒng)，排肥裝置轉動一圈最大排肥量為37.05 g。張書慧等[15]針對田間作物開發(fā)了基于復雜可編程邏輯器件的變量施肥控制系統(tǒng)。劉成良等[16-17]針對田間作物提出了一種開度轉速雙變量施肥播種控制序列生成方法，在固定施肥車速的前提下進行了變量施肥試驗。偉利國等[18]設計了2F-6-BP1型變量配肥施肥機，單圈最大排肥量為73.1 g。雷小龍等[19]設計了顆?；仕綒馑褪铰菪M合可調定量供肥裝置，可集中供肥滿足水稻基肥施復合肥的要求；陳雄飛等[20]對兩級螺旋排肥裝置進行了設計與試驗，滿足水稻基肥的施用要求。劉正道等[21-22]對腔盤式穴施肥裝置進行了研究，單周肥腔體積大小在14～56 cm3，滿足玉米種肥施用緩釋復合肥的施肥量需求。張睿等[23]針對農場、農墾等大面積作業(yè)地區(qū)設計了一種鏈條輸送式寬幅變量施肥拋撒機。翟長遠等[24]針對枸杞樹精量排肥設計了扇葉旋轉變量施肥器，實現(xiàn)了最小單位為200 g的變量穴施肥。現(xiàn)有變量施肥裝置及控制系統(tǒng)的研究大多針對大田作物，且土地大多面積大平整，施肥車速固定或車速變化不大的連續(xù)施肥，外槽輪單周排肥的可控變化小，多為雙變量控制。而丘陵地區(qū)果園果樹種植地地形復雜，果樹樹形大小不一，施肥過程中施肥車勻速行駛困難，同時若采用整條溝連續(xù)施肥，造成肥料浪費，降低肥料利用率。此外，現(xiàn)有外槽輪式排肥結構槽口體積多數(shù)可調范圍較小，不能滿足果樹有機肥或專用肥施肥量較大的要求（一般每株1.5～2.5 kg）[25]。

針對果園果樹條施肥，本文研究了精準變量自動對靶施肥裝置與控制系統(tǒng)。采用激光雷達傳感器識別果樹自動對靶，建立了單棵果樹目標施肥量與排肥輪轉速、施肥車速、排肥輪槽口體積及果樹冠層直徑4變量之間的關系及排肥輪轉速控制規(guī)則。以柑橘果樹為例，進行了室內模擬試驗與大棚柑橘果園試驗。

1 精準變量自動對靶施肥裝置結構與工作原理

1.1 整體結構

施肥裝置由排肥器和控制系統(tǒng)構成。排肥器由肥料箱、排肥輪、排肥管、固定架等組成；控制系統(tǒng)包括STM32F407VET6單片機、86式步進電機、42式步進電機、驅動器、聯(lián)軸器、TF02激光雷達傳感器、霍爾傳感器、4×4矩陣鍵盤、LCD液晶顯示器等。施肥裝置結構示意圖如圖1所示。

1.2 工作原理

該施肥裝置排肥器采用外槽輪式結構，其結構原理如圖2所示，由4個可同時改變體積大小的槽口組成，42式步進電機通過聯(lián)軸器、絲桿滑軌、連接桿與排肥器擋肥塊相連，86式步進電機通過聯(lián)軸器與排肥器主軸相連。施肥作業(yè)時，控制系統(tǒng)根據(jù)果樹需肥量（不同果樹相差較大，比如蘋果樹年施用量150～360 kg/hm2（N）、90～180 kg/hm2（P2O5）、150～390 kg/hm2（K2O）[26]，柑橘樹年施肥量為200～450 kg/hm2（N）、100～250 kg/hm2（P2O5）、150～400 kg/hm2（K2O）[27]，土壤次施肥量為總施肥量的15%～40%[28]）、冠層直徑（不同時期小喬木果樹冠徑一般在1～5 m之間）、施肥車速（果園履帶車車速范圍一般為0～2 m/s[29]），自動調節(jié)排肥輪槽口體積（0～163.2 cm3）與轉速（0～200 r/min，超過200r/min時步進電機力矩下降），由單片機控制42式步進電機旋轉推動擋肥塊左右移動調節(jié)槽口體積，控制86式步進電機旋轉調節(jié)排肥輪轉速，由霍爾傳感實時檢測施肥車速，激光雷達傳感器識別果樹冠層，液晶顯示器顯示施肥車速、排肥輪轉速、果樹冠層位置、槽口體積及肥料種類等信息。

2 裝置排肥量與施肥控制模型

2.1 外槽輪體積及排肥量的驗證

根據(jù)果樹不同時期需肥量，選取6種排肥輪槽口開度進行驗證，開度值分別為108、90、72、54、36、18 mm，單個槽口體積依次為141、117.5、94、70.5、47、23.5 cm3，將其依次命名為V1、V2、V3、V4、V5、V6，分別選取密度為0.75 g/cm3的尿素、0.84 g/cm3的復合肥、0.89 g/cm3的有機復合肥3種顆粒肥料驗證排肥器排肥準確性。首先，將單個槽口體積乘以對應肥料密度得到單個槽口理論排肥量ml，由單片機控制排肥輪以5 r/min的速度排肥得到單個槽口實際排肥量，理論排肥量與實際排肥量的統(tǒng)計結果如表1所示。從表1可以看出，不同槽口開度情況下單個槽口5 r/min時的實際排肥量與理論排肥量的相對誤差均在4.5%以內，排肥器排肥準確，可進一步用于精準變量施肥。

表1 排肥器槽口體積及排肥量Table 1 Groove volume and fertilizer discharging quantity of fertilizer apparatus

2.2 排肥器不同轉速下的排肥量標定

本試驗分別以尿素、復合肥、有機復合肥3種不同顆粒的肥料為試驗材料，采用表1中的6種槽口體積進行不同轉速下排肥量標定，在室內搭建試驗平臺，如圖3所示。

分別將3種肥料使用排肥器的6種槽口體積以10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140 r/min進行排肥量標定。標定時，下料口下方放有塑料桶，控制器內部設定排肥器排肥2圈（1圈4個槽口），排肥量通過電子稱稱取桶內肥料的質量得到，每種肥料在每種速度下重復3次試驗，通過取3次試驗的平均值得到排肥2圈的總排肥量M總。6種槽口體積下，分別對3種顆粒肥料在各排肥輪轉速下的單個槽口實際排肥量（M總/8）進行統(tǒng)計，各轉速下單個槽口實際排肥量如圖4所示。

圖4 中，相同排肥輪轉速下，排肥輪槽口體積從體積1到體積6，排肥量呈梯度減少，可滿足不同大小果樹需肥量不同的情況；在排肥輪槽口大小一定時，隨著排肥輪轉速的增加，單個槽口的排肥量降低。對單個槽口排肥量與排肥輪轉速進行一元線性回歸分析，得出兩者之間的一元線性回歸模型為

式中n為排肥輪轉動速度，r/min，mf為單個槽口排肥量，g，a、b分別為一元線性回歸模型的系數(shù)和常量，不同肥料、不同槽口體積下，a、b的值不相同。對各回歸模型進行顯著性檢驗，結果如表2。

由表2可知，不同顆粒肥料在各槽口體積下建立的一元線性回歸模型決定系數(shù)R2的值均不小于0.93，P值均小于0.000 1，則6種槽口體積下建立的單個槽口排肥量與排肥輪轉速之間的一元線性回歸方程均特別顯著且擬合度較高，有實際意義，置信度為99.99%，二者呈負線性關系。

表2 回歸結果與顯著性檢驗Table 2 Regression results and significance test

2.3 施肥控制模型

2.3.1 目標施肥量與各變量之間的關系

根據(jù)給定果樹目標施肥量進行施肥，單棵果樹目標施肥量與排肥輪轉速、施肥車速、排肥輪槽口體積及果樹冠層直徑之間的關系為

式中mi為單棵果樹目標施肥量，g，di為單棵果樹冠層直徑，m，n為排肥輪轉速，r/min，v為施肥車速，m/s，mf為排肥輪單個槽口排肥量，g。將式（1）代入式（2）并化簡得：

排肥輪槽口體積不同時，式（3）中a、b的值不相等。

2.3.2 排肥輪轉速控制規(guī)則

在果園果樹施肥過程中，施肥車勻速行駛困難。當果樹確定時，冠層直徑隨之確定，則施肥過程車速變化時，可控制排肥輪轉速隨施肥車速變化，以實現(xiàn)果樹自動精準定量施肥。可將式（3）轉換為

對式（4）中n進行求解得

式中a的值均為負，b的值均為正。分別將表2中a、b的值代入式（5）、式（6）分析可知，式（4）要有實數(shù)解時，n1的值在0～111 r/min之間，n2的值在87～222 r/min之間，n1≤n2；當mi或v為0時，不需要施肥，n1等于0，裝置不排肥，符合實際施肥情況，n2不等于0，裝置排肥，不符合實際施肥情況；故將式（5）作為排肥輪轉速控制規(guī)則，導入控制系統(tǒng)進行排肥輪轉速自動控制。

2.3.3 槽口體積自動選擇規(guī)則

在排肥輪槽口體積自動調節(jié)時，首先，根據(jù)果樹目標施肥量mi與表1中單個槽口理論排肥量ml進行選擇，mi≥ml，為避免誤差較大，設定mi≥2ml時，槽口體積可選；然后，根據(jù)式（4）有實數(shù)解的條件：

則

將滿足mi≥2ml時的槽口體積對應a、b的值依次代入式（8），計算出相應體積下vmax的值，從V1～V6分別記為vmax1～vmax6；依次將vmax6～vmax1與施肥車最大行駛速度進行比較，當vmax大于等于施肥車最大行駛速度選出排肥輪槽口體積，施肥車最大行駛速度根據(jù)施肥現(xiàn)場總體果樹目標施肥量及冠層直徑確定。

3 控制系統(tǒng)設計

該施肥裝置控制系統(tǒng)以STM32F407VET6型單片機為核心，根據(jù)建立的施肥控制模型，采用C語言編寫果樹自動對靶變量施肥控制程序，其主要流程如圖5所示。系統(tǒng)上電復位后，通過4×4矩陣鍵盤選擇肥料種類、輸入目標施肥量與果樹冠層直徑，控制芯片STM32F407VET6根據(jù)槽口體積自動選擇規(guī)則，產生可調占空比脈沖波形PWM波控制42式步進電機推動排肥器擋肥塊左右移動調節(jié)槽口體積，霍爾傳感器實時檢測施肥車速，當激光雷達傳感器測定距離值小于設定值時（設定值根據(jù)激光雷達傳感器與果樹最遠端及果樹后方障礙物之間的距離確定），識別到果樹冠層，控制芯片根據(jù)式（5）快速計算排肥輪所需轉速，并產生相應頻率的PWM波控制86式步進電機旋轉，帶動排肥輪轉動施肥，當激光雷達傳感器測定距離值不小于設定值時，未識別到果樹冠層，86式步進電機停止轉動，不施肥。

4 室內及果園試驗

為了測試裝置與控制系統(tǒng)可調施肥量范圍是否滿足果樹不同時期對不同種類顆粒肥的施肥量需求，以及驗證自動對靶變量施肥的準確性與穩(wěn)定性，以柑橘果樹為例，分別進行室內模擬變量施肥試驗與果園自動對靶變量施肥試驗。

4.1 試驗條件

中國柑橘大部分種植在丘陵或山地，種植園栽種株距一般為3～5 m，行距為3.5～6 m[30]，優(yōu)質豐產園成年柑橘樹高度在3 m以下，綠葉層厚度1～1.5 m，樹冠覆蓋率70%～80%，樹冠間距在0.2～1 m[31]，常采用有機肥結合化肥的施肥方式，全年進行多次施肥，且常根據(jù)幼樹少施、大樹多施因樹施肥。室內模擬變量施肥試驗以種植株行距為3 m×4 m、冠層直徑為2.5 m左右的成年柑橘果園為例。果園自動對靶變量施肥試驗在種植株行距為3 m×4 m、冠層直徑為1 m左右的幼年柑橘果園進行。

4.2 試驗方法

4.2.1 室內模擬變量施肥試驗

室內模擬變量施肥試驗如圖3。采用STC12C5A60S2型單片機控制57式步進電機轉動模擬施肥車行駛速度變化，結合運行時間，在模擬施肥距離等于果樹冠層直徑時，停止轉動。模擬施肥時，通過輸入目標施肥量及果樹冠層直徑自動調節(jié)排肥輪槽口體積，由角位移傳感器測定模擬施肥車行駛速度，控制芯片STM32F407VET6根據(jù)式（5）快速計算排肥輪所需轉速，產生PWM波控制86步進電機轉動速度，實現(xiàn)排肥輪轉速控制。

根據(jù)種植株行距3 m×4 m的成年柑橘果園，設定柑橘果樹冠層直徑分別為2、2.5、3 m，每公頃可種植833棵樹，所選尿素含N率為46.2%，復合肥含N、P2O5、K2O率分別為15%，單棵果樹土壤次施肥量為78～800 g[28-29]，結合每株果樹有機肥施用量1.5～2.5 kg[25]，設定單棵果樹目標施肥量分別為顆粒尿素50、100、200、300、400 g，顆粒復合肥500、600、700、800、900 g，顆粒有機復合肥1,500、1,800、2,000、2,200、2,500 g，依次進行施肥試驗。根據(jù)果樹冠層直徑及目標施肥量，控制模擬施肥車最大行駛速度分別為2、1、0.5 m/s。同一目標施肥量重復3次試驗，通過電子秤稱取施肥后的肥料質量得到實際施肥量，并計算出3次試驗的平均值與施肥量變異系數(shù)。

4.2.2 果園自動對靶變量施肥試驗

將施肥裝置搭載在手扶式履帶車上，在西南大學大棚柑橘園進行自動對靶變量施肥試驗，如圖6所示。根據(jù)大樹多施、幼樹少施的原則，使用研制的施肥裝置與控制系統(tǒng)分別對9棵不同的柑橘樹施顆粒尿素20、50、80 g，復合肥150、180、200 g，有機復合肥400、500、600 g，記為m1～m9，對應冠層直徑分別為0.8、0.9、1.0、0.9、0.8、1.0、0.9、1.0、1.2 m，記為d1～d9。果園試驗過程中，根據(jù)果樹目標施肥量及冠層直徑，人為操作施肥車速在0～1 m/s之間變化，采用霍爾傳感器實時檢測施肥車行駛速度，由激光雷達傳感器自動識別柑橘樹冠層對靶施肥，同一目標施肥量重復試驗3次，將袋子鋪在果樹冠層下方，稱取袋子上的肥料質量得到實際施肥量，并計算出3次試驗的平均值與施肥量變異系數(shù)；對施肥后落肥起點、終點與果樹對應冠層邊緣的距離進行測量，將3次試驗的平均值分別記為起點偏移距離、終點偏移距離，超出果樹冠層邊緣為正，反之為負。

4.3 試驗結果與分析

室內模擬變量施肥試驗結果如表3；果園自動對靶變量施肥試驗結果如表4。

表3 室內模擬變量施肥試驗結果Table3 Results of indoor simulated variable-rate fertilization test

表3 中室內模擬試驗結果表明，單棵柑橘樹施用尿素的實際施肥量與目標施肥量最大相對誤差為4.87%，復合肥施用量最大相對誤差為5.17%，有機復合肥施用量最大相對誤差為2.59%，施肥量變異系數(shù)最大值為1.47%，可在單棵果樹目標施肥量為50～2 500 g范圍內準確施肥。表4中果園自動對靶變量施肥試驗結果表明，單棵柑橘樹尿素施用量最大相對誤差為4.83%，復合肥施用量最大相對誤差為2.87%，有機復合肥施用量最大相對誤差為3.78%；施肥量變異系數(shù)最大值為6.96%；落肥起點偏移冠層邊緣距離最大為-0.15 m，終點偏移冠層邊緣距離最大為-0.09 m，落肥位置均在果樹冠層直徑范圍內。

表4 果園自動對靶變量施肥試驗結果Table 4 Results of auto-targeting variable-rate fertilization test in orchard

果園試驗單棵柑橘樹施肥量變異系數(shù)總體高于室內模擬試驗，其主要原因是該施肥裝置當施肥車運動特別是行駛震動時，排肥輪轉速不十分穩(wěn)定所致。但根據(jù)柑橘樹目標施肥量、冠層直徑及施肥車速自動調節(jié)排肥輪槽口體積與轉速，單棵柑橘樹施肥量相對誤差均小于5.5%，最大變異系數(shù)為6.96%；采用激光雷達傳感器識別果樹冠層對靶施肥，落肥位置均在果樹冠層直徑范圍內。則該施肥裝置與控制系統(tǒng)實現(xiàn)了不同大小果樹對不同顆粒肥料的精準變量自動對靶施肥，既滿足尿素的少量精準施肥需求，又滿足較大量有機顆粒肥的定量施肥需求。

此外，本裝置與控制系統(tǒng)的果園驗證試驗在大棚柑橘果園進行，柑橘樹較少，后期在進行丘陵山地果園大面積連續(xù)對靶自動施肥時，不僅要加裝定位系統(tǒng)，還需根據(jù)每棵果樹空間位置、需肥量及冠層直徑信息生成施肥處方圖，導入控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)大面積果樹自動對靶按需施肥。本裝置以尿素、復合肥、有機復合肥3種顆粒肥料為試驗材料進行了試驗，對粉狀肥料的適應性需進一步試驗分析。

5 結 論

1）根據(jù)果園果樹大小不一、需肥量不同及施肥車速無法保持勻速，建立了單棵果樹目標施肥量與排肥輪轉速、施肥車速、排肥輪槽口體積及果樹冠層直徑之間的關系及排肥輪轉速控制規(guī)則。

2）室內模擬試驗表明，施顆粒尿素時，單棵果樹施肥最大相對誤差為4.87%；施復合肥時單棵果樹最大相對誤差為5.17%；施有機復合肥單棵果樹最大相對誤差為2.59%。

3）果園試驗表明，激光雷達傳感器可對不同大小柑橘果樹冠層準確識別，有效施肥在果樹冠層直徑對應的土層范圍內；單棵柑橘樹施肥量最大相對誤差為4.83%，變異系數(shù)最大為6.96%，滿足不同大小果樹精準變量自動對靶施肥的要求。