近年来,许多科研人员对变量施肥技术及其相关装置做了深入的研究^[1],成功试验和开发了一些自动变量施肥机^{[2, 3, 4]}。但是现有的变量施肥技术研究大多集中在控制算法^{[5, 6]}、决策控制系统^{[7, 8, 9]}和排肥机械结构^{[10, 11]}的研究与设计方面,对施肥机施肥性能的评价研究较少,缺少变量施肥直接效果的评价方法和相应的设备^[12]。

排肥口的施肥流量和施肥机单位面积的施肥量是影响施肥作业效果好坏的2个关键指标。排肥口施肥流量的性能取决于施肥机构和控制机构的性能;单位面积的施肥量取决于施肥流量和施肥机作业速度之间的配合性能^[13]。目前施肥机排肥口的流量都是根据一段时间内的排肥总量计算出的平均流量,而非实时流量,对施肥机构的排肥流量实时性能缺乏有效的评价方法;同时,对田间单位面积的实时施肥量尚无有效的检测手段,无法对变量施肥的实施效果给出合理的性能评价^[14]。

针对上述现状,我们设计了一套基于皮带秤的施肥机施肥性能检测装置,用以检测排肥口实时流量和施肥机单位面积实时施肥量,并对2个指标的动态性能进行评价。

以皮带秤作为主要检测单元,利用皮带秤的测量原理和特点,检测排肥口的实时流量和累积流量;同时,利用皮带速度模拟田间施肥作业车辆的行驶速度,检测施肥机的实时单位面积施肥量,从而可以在实验室完成施肥机施肥性能测试。图 1为检测装置的结构示意图。

	图 1 装置示意图 Fig. 1 Schematic diagram of the measurement equipment 1.物料出口 Fertilizer outlet;2.皮带端面 Belt;3.质量传感器 Weighing sensor;4.秤台底座 Weighing platform base
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图 2所示的系统功能结构表述了检测装置主要的软硬件组成,整个系统可以分成如下功能单元:

	图 2 装置的功能结构图 Fig. 2 The systemic structure diagram of the measurement equipment
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1)检测单元:实现皮带秤运行速度采集和施肥机质量流量信息采集。速度采集模块硬件选用E6B2-CWZ6C型高精度增量式旋转编码器;质量采集模块采用德国HBM公司的PW6KC3(20 kg)的单点式质量传感器和上海志荣电子科技有限公司的BGI.C2质量变送器。

2)速度控制单元:由皮带秤和驱动机构组成。电子皮带秤在自主完成参数和结构设计后由厂家定制,其CAD三维图如图 3所示;驱动机构采用变频交流调速电机,选用三菱D700系列变频驱动器和1个25 W交流调速电机驱动皮带运动,通过改变变频器频率改变皮带运行速度,模拟田间施肥作业车辆的行驶速度。

	图 3 皮带秤检测装置CAD三维结构图 Fig. 3 Three dimensional structure CAD-diagram of belt scale 1.皮带 Belt;2.驱动轴 Driving shaft;3.质量传感器 Weighing sensor;4.秤台底座 Weighing platform base
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3)主控制器:选用飞思卡尔半导体公司的16位MC9S12XS128单片机作为整个检测系统的主控芯片,开发成最小硬件系统后进行软件开发^[15]。整个控制器的程序设计主要实现以下功能:质量传感器信号采集与滤波;皮带秤转速编码器信息采集与滤波;皮带秤的标定与清零;皮带速度控制;瞬时流量与累积总量的计算,以及单片机系统与WINCE嵌入式上位机的信息交互。

4)人机交互界面:选用嵌入式ARM与WinCE系统平台进行上位机人机交互界面开发,主要实现检测装置的启停、检测装置相关信息显示及保存等功能。

皮带秤是皮带输送机输送固体散状物料过程中进行连续实时测量的一种计量设备,它主要用于计量连续物料流的实时流量和累积总量^[16]。本文将皮带秤作为主要测量设备,借以测量排肥口实时流量,同时,利用皮带的运动模拟作业车辆的运动,达到检测单位面积施肥量的目的。

在实际应用该公式时,为了保证测量精度,除了需要准确获知物料的质量和皮带的速度之外,皮带秤的有效测量长度l是整个测量系统的重要参数,该参数与皮带秤本身的结构参数和落料口的位置有关,本文通过试验方式进行测定,保证测量精度。

由式(2)可知,单位面积实时施肥量可通过检测排肥口的实时流量和施肥机作业行驶速度获取。

本文采用皮带秤的皮带运行速度模拟施肥机的行驶速度,可以根据需要改变皮带的运行速度,用来检测施肥机在作业行驶速度变化时的施肥性能。

施肥机的最终目标是控制单位面积的施肥量。从式(2)可知,施肥量主要取决于排肥口的流量和车辆行驶速度,因此,整个检测装置的测量精度也主要取决于排肥口出口流量和皮带速度的测量精度。由于出口流量的测量也与皮带的速度有关,综合式(1)和(2),通过基于皮带秤的检测装置测量时,单位面积施肥量可表示为:

由上式可知,检测装置的关键参数为皮带秤的有效测量长度l,l的准确性和动态测量值m(t)将影响单位面积施肥量M(t)的测量精度,l可以通过试验方式测定,动态测量精度可以通过检测装置在不同运行状况下的计量值来间接测定。

在实际测量中,皮带的有效测量长度l与出料口的具体位置相关,由于难以把握有效测量段的端点位置,直接测量在操作上存在较大困难,因此,本文采用试验方式进行测定。

l值的试验测定过程为:控制驱动电机使皮带运行在某个固定转速上,开启物料口放料,采集皮带秤的实时测量值m(t)和v(t),按式(4)计算下料口的累积总量Q₁。

静态秤量物料口实际下落累积总量值Q。有效测量段长度l就可表示为:

试验过程中,质量信息与速度信息的采样频率均为50 Hz,试验时落料口持续落料时长为60 s,并进行了不同皮带轮转速下的试验。图 4结果表明:试验测量所得有效测量长度l值的最大相对波动率为5.36%,绝对误差均方差为0.95 cm,说明在不同槽轮电机转速和不同皮带速度下,l值的波动不大,将试验过程获取的l值的平均值作为本测试系统皮带称有效测量长度,取l=44.6 cm。

	图 4 皮带秤有效测量长度测定结果 Fig. 4 Experimental results of the effective measurement length of the belt scale
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本试验目的是根据测定好的皮带称有效测量长度l值来测定基于皮带秤施肥机施肥性能检测装置的测量精度,通过施肥总量测量值与实际值比较表征其测量精度。

由表 1可见:外槽轮电机在不同测试转速下,根据实时流量检测数据推算的排肥总量相对误差最大值为4.14%,平均值为1.76%,均方差为1.03%,说明检测系统具有较高的计量精度。表明基于皮带秤的施肥机施肥性能检测装置的测量值具备了较好的稳定性和准确性,能够对施肥机构的施肥性能进行动态性能评价。

变量施肥是精准农业十分重要的作业手段,笔者所在课题组对苏南地区应用广泛的外槽轮施肥机机型进行了改造,使其能够进行变量施肥作业。为了对变量施肥控制系统和变量施肥机构的性能进行综合评价,应用本文所设计的基于皮带秤的施肥机施肥性能检测装置进行性能测试试验,主要测试施肥机排肥口流量稳定性和作业车速变化时施肥机保证目标施肥量稳定的性能,该性能测试结果可以对施肥机的性能改进提供参考依据。改造后的变量施肥机如图 5所示。

	图 5 变量施肥机 Fig. 5 Variable rate fertilizer applicator
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为了简化试验过程,按照与所改造的变量施肥机的槽轮结构和驱动系统相同的单通道施肥装置,开展了施肥机排肥口实时流量测量和单位面积施肥量2项性能测试试验,试验装置实物图如图 6所示。

	图 6 施肥机施肥性能检测装置 Fig. 6 The equipment for detecting performance of fertilization applicator
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实现变量施肥的关键是根据作业车辆的行驶速度动态调整排肥口的流量,使施肥机控制所需的目标施肥量。外槽轮的转速和排肥口流量之间的定量关系,单位面积施肥量与排肥口流量和施肥机作业速度之间的关系是变量施肥机控制策略的制订依据。施肥性能检测是对施肥机控制策略和施肥机构性能的综合评价。图 7是待检测机型外槽轮在不同开度下排肥口流量与槽轮转速之间的关系曲线。

	图 7 排肥口流量与槽轮转速和开度之间的关系曲线 Fig. 7 Regression curves between the flow rate and opening width of the fluted-wheel
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将图 7的结果结合式(5)可以确定不同开度下槽轮的控制策略,式(6)是槽轮开度为9 mm时的槽轮转速控制策略:

性能测试包括2个部分:固定槽轮转速时,检测排肥口实时流量的动态稳定性能;设定目标施肥量,改变施肥机作业车速(皮带秤速度),检测施肥机单位面积实时施肥量的动态稳定性能。

从图 8~11中可以看出:在设定目标施肥量不变的情况下,当改变施肥机行驶速度(皮带秤传输速度)时,依据所建立的槽轮转速控制模型,变量施肥控制器能够实时调节槽轮转速,使实时单位面积施肥量与目标施肥量一致。试验过程中,实时施肥量与目标施肥量的相对误差平均值为3.36%,均方差为3.93%。在车辆行驶速度发生突变时,实时施肥量波动较大,相对波动率最大值为11.29%;车速无突变时,实时施肥量平稳,波动较小。

	图 8 车速依次增大时的电机转速跟随效果 Fig. 8 The following effect of motor speed under vehicle speed increasing
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	图 9 车速依次减小时的槽轮电机跟随效果 Fig. 9 The following effect of motor speed under vehicle speed decreasing
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	图 10 车速依次增大时的实时施肥量 Fig. 10 Real-time fertilization rate under vehicle speed increasing
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	图 11 车速依次减小时的实时施肥量 Fig. 11 Real-time fertilization rate under vehicle speed decreasing
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从性能检测试验结果分析可以对所选外槽轮式变量施肥机的施肥性能得出以下结论: 1)在固定槽轮转速时,外槽轮式施肥机排肥口的流量总体平稳,相对波动率小于5%,波动率标准差小于4%,且槽轮转速越高,波动率越小。由于槽轮开度越小,达到相同流量所需的槽轮转速越高,因此,在实际运行中,较小的槽轮开度容易获取较为平稳的排肥口流量。

2)变量施肥机的控制策略能较好地保证目标施肥量的稳定,在作业速度阶跃性变化时,槽轮转速能快速跟随变化,保证目标施肥量的稳定,目标施肥量相对误差平均值和方差均小于5%。但同时表明:槽轮转速突变时引起施肥量的较大波动,且在低速阶段波动更加明显,这与槽轮转速越低越易脉动的特性有关,为改善性能应尽可能增加槽轮齿数。

本文针对排肥口流量无法实时测量和施肥机单位面积实时施肥量无法检测的现状,设计了基于皮带秤的变量施肥性能检测装置,详细阐述了该装置的测量原理及软硬件组成,检验了装置的测量精度。并对外槽轮式变量施肥机进行了施肥性能测试,给出了试验结果,指出了改善槽轮施肥性能的措施。试验表明:基于皮带秤的施肥机施肥性能检测装置具有较高的检测精度,能够为合理控制施肥机的运行,实现田间精确施肥管理提供科学依据。但是本文尚有不足之处,检测装置未考虑田间作业振动对施肥效果带来的影响;同时皮带秤在高速运转时有颤动现象,实际测试过程皮带的速度较小,与实际田间作业速度有一定差距,需在后续的研究中进一步完善。