智能排肥試驗臺的設(shè)計與性能試驗

高文杰， 宋學鋒， 戴 飛， 張鋒偉， 張方圓， 趙武云

(甘肅農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

施肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，而變量施肥技術(shù)作為精準農(nóng)業(yè)的一部分，是調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分平衡、保障作物實現(xiàn)良好生長及高產(chǎn)的關(guān)鍵[1]。變量施肥可根據(jù)田間土壤養(yǎng)分差異、作物長勢及機具行走速度等改變施肥量，從而提高肥料利用率，實現(xiàn)按需供給[2]，達到精準施肥的效果。采用變量施肥技術(shù)進行田間施肥作業(yè)，能減少作物收獲后的土壤氮殘留與氮淋失，在達到最大經(jīng)濟效益的同時也收獲了環(huán)境效益[3]。

我國針對變量施肥技術(shù)的研究起步相對較晚。在機具結(jié)構(gòu)設(shè)計方面：水平渦輪葉片式精量排肥器[4]、螺旋組合式集中供肥裝置[5]、氣力集排式分層施肥量調(diào)節(jié)裝置[6]、香蕉變量施肥機[7]、配比變量施肥裝置[8]等在一定程度能實現(xiàn)施肥量可調(diào)，但上述研究都是從結(jié)構(gòu)設(shè)計出發(fā)，較難保證排肥均勻性與變量控制準確性。齊江濤[9]等基于藍牙技術(shù)可實時采集施肥機田間作業(yè)速度，該方法可集成到變量施肥機測速系統(tǒng)中。周利明[10]等基于電容法開發(fā)了施肥量在線實時檢測系統(tǒng)，能夠精準識別排肥管路堵塞故障，對高精度變量施肥作業(yè)技術(shù)能起到有效支撐。趙碩[11]等采用電機驅(qū)動法研發(fā)了定位施肥控制系統(tǒng)，能夠識別定位施肥過程中的堵塞現(xiàn)象，具有實時獲取地速信息和施肥位置信息的功能。袁全春[12]等采用PID算法控制比例流量閥開度，調(diào)節(jié)排肥器驅(qū)動馬達轉(zhuǎn)速，可實現(xiàn)分層變量排肥，為果園分層變量施肥提供了技術(shù)支撐。張季琴[13]等通過改變施肥機排肥驅(qū)動方式，設(shè)計了一種排肥單體獨立控制的雙變量施肥控制系統(tǒng)，能解決作業(yè)過程中根據(jù)實際田塊尺寸調(diào)整作業(yè)行數(shù)的難題。

本研究為解決變量施肥機械地速與排肥槽輪轉(zhuǎn)速匹配準確率低的問題，基于尋跡傳感器工作原理設(shè)計了智能排肥試驗臺，確定了地速(即傳送帶帶速)與排肥槽輪轉(zhuǎn)速匹配系數(shù)，建立了施肥機不同前進速度下槽輪轉(zhuǎn)速配比，最后對模型進行驗證。

1 試驗臺結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 試驗臺結(jié)構(gòu)

智能排肥試驗臺整體結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，主要由變速電機、臺架、變壓器、PG602紅外線顆粒計數(shù)傳感器、排肥管、驅(qū)動馬達、排肥盒、Arduino UNO R3單片機[14]、TCRT500尋跡傳感器構(gòu)成。紅外線顆粒計數(shù)傳感器安裝在排肥管末端，在排肥過程中檢測統(tǒng)計下落肥料顆粒數(shù)，尋跡傳感器置于臺架傳送帶上方，通過識別傳送帶上黑色膠帶通過的頻率判別傳送帶運動過程，并通過單片機反饋至排肥盒驅(qū)動馬達，以實時調(diào)節(jié)排肥盒槽輪轉(zhuǎn)速。

1.2 工作原理

試驗臺工作時，根據(jù)相對運動原理以皮帶運動模擬施肥機田間運動[15-16]。皮帶表面每隔一定距離粘貼黑色膠帶，用做尋跡傳感器目標識別，將紅外線顆粒計數(shù)傳感器安裝在排肥管末端、尋跡傳感器置于傳送帶上方20 mm處。本系統(tǒng)肥量調(diào)節(jié)具有手動與自動兩種控制模式。每當?shù)谝淮螁樱到y(tǒng)都處于手動模式，在手動模式下可根據(jù)實際需要自行調(diào)節(jié)排肥盒槽輪轉(zhuǎn)速。當切換到自動模式下，黑色膠帶跟隨皮帶以不同頻率通過尋跡傳感器，此時尋跡傳感器識別黑色膠帶，電路板上綠燈亮，輸出端持續(xù)輸出高電平信號，并通過串行接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C，單片機運行肥料流量實時控制系統(tǒng)，驅(qū)動馬達帶動排肥盒槽輪旋轉(zhuǎn)進行排肥，并根據(jù)單片機反饋信息實時調(diào)節(jié)槽輪轉(zhuǎn)速。當肥料流經(jīng)排肥管末端時，紅外線顆粒計數(shù)傳感器識別并統(tǒng)計下落肥料顆粒數(shù)，進而實現(xiàn)變量施肥作業(yè)信息的采集、顯示及控制[17]。該系統(tǒng)基于尋跡傳感器測速原理，控制系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 電機與排肥器

本研究選用200 W交流調(diào)速電機作為傳送帶動力，轉(zhuǎn)速最高可達1 350 r/min，選用小型驅(qū)動馬達調(diào)節(jié)改變排肥盒槽輪轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速最高達150 r/min，可滿足排肥盒槽輪工作要求。

排肥盒作為智能排肥試驗臺的執(zhí)行元件，具有重要作用[18-20]，其結(jié)構(gòu)參數(shù)可影響排肥均勻性，相較于其他排肥機構(gòu)，螺旋槽輪式排肥器具有更好的穩(wěn)定性，可有效降低施肥過程中出現(xiàn)的脈動現(xiàn)象—“波峰波谷”[21]，降低排肥均勻度變異系數(shù)，提高碎肥效果而被廣泛應(yīng)用在施肥機械中。因此，本研究選用螺旋槽輪式排肥器作為智能排肥試驗臺的排肥機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

螺旋排肥器槽輪旋轉(zhuǎn)一周的排肥量q可以按式(1)計算[22]。

(1)

式中：q為螺旋槽輪旋轉(zhuǎn)1周的排肥量，g/r；d為螺旋槽輪外徑，mm；L為螺旋槽輪有效工作長度，mm；λ為肥料密度，kg/m3；fq為單個螺旋凹槽截面積，mm2；t為螺旋凹槽節(jié)距，mm；α0為螺旋槽內(nèi)肥料充滿系數(shù)；φ為槽輪凹槽外側(cè)肥料帶動系數(shù)。

以圖4所示的圓弧形凹槽為例，式(1)中凹槽截面積fq可由式(2)計算

(2)

式中：α為相鄰凹槽之間的節(jié)距角，rad；φ為凹槽的圓心角，rad；d為外槽輪外徑，mm；dg為槽輪根圓直徑，mm；r為凹槽圓弧半徑，mm。

2.2 尋跡傳感器

尋跡傳感器是該系統(tǒng)中最關(guān)鍵部分[23]，其測速性能直接影響槽輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，本研究所使用的TCRT500尋跡傳感器主要由紅外傳感器、指示燈、輸出端口(out)組成，大小為42 mm×10 mm，有效檢測距離為1～25 mm，其工作原理與實物如圖5所示。將其安裝在傳送帶上方20 mm處，同時在尋跡傳感器外側(cè)設(shè)計并安裝金屬屏蔽殼，以降低金屬臺架對傳感器的干擾。當傳送帶運動時，黑色膠帶同傳送帶以不同頻率通過尋跡傳感器，此時尋跡傳感器的紅外發(fā)射模塊發(fā)射紅外線，當遇見黑色膠帶時紅外光被吸收，紅外傳感器接收不到返回的紅外光線，即遇見黑色時尋跡傳感器輸出端輸出高電平，綠燈亮，遇見其他反射紅外光的顏色時輸出低電平，紅燈亮，傳感器將高電平信號通過串行接口輸入單片機，單片機運行肥料流量實時控制系統(tǒng)，并根據(jù)高電平輸出時間差判別傳送帶處于加速、減速、勻速狀態(tài)并計算傳送帶帶速，傳送帶帶速可由式(3)計算。

圖5 尋跡傳感器工作原理與實物

(3)

式中：vd為傳送帶帶速，m/s；n為t時間內(nèi)高電平輸出次數(shù)；l為傳送帶上黑色膠帶間距，m；tn為高電平輸出n次所需時間，s。

3 性能試驗

試驗于2021年12月23日進行，試驗地點為甘肅省蘭州市甘肅農(nóng)業(yè)大學力學試驗室，排肥器關(guān)鍵部件均使用3D打印技術(shù)加工而成，滿足施肥要求。試驗材料選用農(nóng)業(yè)中常用的復(fù)合肥作為研究對象，肥料顆粒均勻，且無結(jié)塊現(xiàn)象，為了驗證智能排肥試驗臺的可靠性與準確性，在自主設(shè)計的施肥試驗臺上進行施肥量與相關(guān)傳感器性能的測量試驗。

3.1 尋跡試驗

尋跡傳感器工作時，其模塊上的紅外傳感器發(fā)射紅外線光，當遇見黑色物體時紅外光線被吸收，尋跡傳感器接收不到反饋信號，輸出端輸出高電平且綠色指示燈亮，反之則輸出低電平。根據(jù)其工作原理分析，光照強度是影響尋跡傳感器檢測性能的重要因素之一，考慮到施肥機械田間作業(yè)環(huán)境，分別在5種不同時間段環(huán)境下測量尋跡傳感器的精準度。將傳送帶以不同的速度通過尋跡傳感器下方1 000次，即在不同速度下尋跡傳感器輸出端輸出高電平的次數(shù)為固定，在此條件下對尋跡傳感器的檢測性能進行試驗，結(jié)果見表1。

表1 尋跡傳感器性能檢測表

由表1可知，光線強度對尋跡傳感器的檢測性能無太大影響，即尋跡傳感器能很好適應(yīng)施肥機械田間工作環(huán)境，這是因為尋跡傳感器自帶紅外線發(fā)射模塊，太陽等可見光對尋跡傳感器所發(fā)射的紅外光線基本無影響，但通過上表可見，當傳送帶帶速逐漸增加時，尋跡傳感器的檢測性能略有下降，即輸出高電平信號的次數(shù)有所減少，這是因為當帶速逐漸增加，黑色膠帶通過尋跡傳感器的頻率超過了尋跡傳感器的響應(yīng)時間，導(dǎo)致出現(xiàn)漏測現(xiàn)象，影響尋跡傳感器的檢測性能。

3.2 傳送帶加減速過程

尋跡傳感器對傳送帶加減速狀態(tài)的判別是影響排肥均勻性的重要因素，為探究尋跡傳感器在不同增速目標下的加減速識別過程，分別設(shè)置1.0、0.9、0.8、0.7 m/s等4種增速目標，傳送帶由靜止開始加速，逐漸加速至增速目標時進行勻速運動，通過程序窗口分別實時記錄當前所測速度、時間等信息，并進行保存[24]，并對加減速過程速記錄的速度進行擬合，擬合結(jié)果分別如圖6、圖7所示，進行各增速目標下的殘差分析，統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2 加速與減速過程擬合曲線殘差平方和

圖6 不同目標速度的實際加速過程與擬合曲線

圖7 不同目標速度的實際減速過程與擬合曲線

由不同目標速度下的實際增減速過程擬合曲線圖可知，當傳送帶速度由靜止分別增長至0.7、0.8、0.9、1.0 m/s時尋跡傳感器所測速度與理論實際增長速度擬合效果較好。由表2知當增速目標逐漸增大時，尋跡傳感器所測實際速度與理論速度曲線擬合程度逐漸減小，殘差平方和呈現(xiàn)小范圍的增長。主要由于當傳送帶速度增快時，尋跡傳感器響應(yīng)越快，當響應(yīng)程度達到一定峰值時會出現(xiàn)一定程度的漏測現(xiàn)象，影響對傳送帶加減速過程的判定，故當增速目標為0.7 m/s時，尋跡傳感器對于增速與減速過程判別效果最好，綜上所述尋跡傳感器對于實際施肥機械的增減速過程能夠做出有效地判斷。

3.3 測速模式對排肥的影響

為明確傳送帶在加減速過程中對螺旋槽輪實際轉(zhuǎn)速的影響，分別設(shè)置傳送帶由靜止開始加速，增速目標分別為1.2、1.0、0.9、0.8、0.7 m/s等5種速度，當傳送帶達到目標速度后進行勻速運動，并使用轉(zhuǎn)速表實時檢測記錄螺旋槽輪的轉(zhuǎn)速，檢測轉(zhuǎn)速曲線如圖8所示，在不同增速目標下的槽輪轉(zhuǎn)速配比見表3。

圖8 加減速過程螺旋槽輪轉(zhuǎn)速響應(yīng)曲線

表3 不同增速目標下槽輪轉(zhuǎn)速配比

由圖8(a)可知，在加速過程中螺旋槽輪隨傳送帶帶速逐漸增加呈線性增加趨勢，當傳送帶帶速達到目標速度后，螺旋槽輪轉(zhuǎn)速出現(xiàn)一定范圍的上下波動，即槽輪轉(zhuǎn)速以一定的穩(wěn)態(tài)誤差趨于穩(wěn)定值。由圖8(b)可知，在減速過程中，螺旋槽輪轉(zhuǎn)速呈線性減少的趨勢，無較大波動，說明在加速與減速過程中，螺旋槽輪能夠均勻地進行排肥。由表3可知，在5種增速目標下，螺旋槽輪轉(zhuǎn)速與傳送帶帶速之間的轉(zhuǎn)速配比基本為0.56，表明當傳送帶帶速發(fā)生改變時，螺旋槽輪平均轉(zhuǎn)速也以一定比例發(fā)生改變，以達到精準施肥的效果。

4 結(jié)論

(1)本研究基于尋跡傳感器、單片機、排肥盒、電機等設(shè)備搭建了智能排肥試驗臺，提出并完成了基于尋跡傳感器測速原理的顆粒肥料變量施肥程序。

(2)在5種不同時間段環(huán)境下尋跡傳感器測速性能對比試驗結(jié)果表明，光線強度對尋跡傳感器的檢測性能無太大影響，測量精確率均在98%以上。但傳送帶帶速對尋跡傳感器檢測性能略有影響，當帶速超過尋跡傳感器響應(yīng)時間，則出現(xiàn)漏測現(xiàn)象，影響尋跡傳感器檢測性能。

(3)以0.7、0.8、0.9、1.0 m/s等4種速度為目標，研究了尋跡傳感器對傳動帶加減速過程的識別效果。結(jié)果表明，當增速目標逐漸增大，尋跡傳感器所測實際速度與理論速度的擬合程度逐漸減小，殘差平方和呈現(xiàn)小范圍的增長，當增速目標為0.7 m/s時，尋跡傳感器對于傳送帶增速與減速過程的判別效果最好。

(4)測速模式對排肥影響試驗結(jié)果表明，加速過程中螺旋槽輪隨傳送帶帶速增加逐漸增加呈線性增加趨勢，當傳送帶帶速達到目標速度后，螺旋槽輪轉(zhuǎn)速出現(xiàn)一定范圍的上下波動，在減速過程中，螺旋槽輪轉(zhuǎn)速呈線性減少的趨勢，無較大波動，說明在加速與減速過程中，螺旋槽輪能夠均勻進行排肥。