设施果园自动对靶精准变量施肥控制系统

2021-09-15白秋薇罗红品李光林

农业工程学报 2021年12期

白秋薇，张信，罗红品，李光林

（西南大学工程技术学院，重庆 400715）

0 引言

土壤中的氮、磷、钾等元素与有机肥含量是影响水果品质和产量的主要因素，合理施肥，加强果树水肥管理是优质高产的主要措施[1]。国内有很多果园特别是丘陵山地果园仍采用人工施肥的方式，导致有的果树施肥不足，有的果树施肥过量，既浪费了人财物力，又造成环境污染[2]。减少化肥施用，增施有机肥，提高肥料利用率，既可以改善土壤，又能够提高果实品质[3-5]，如何实现果园自动化精准施肥是亟需解决的问题。

为了提高肥料利用率达到按需施肥，研究人员对不同结构形式的排肥装置及控制系统进行了研究[6-9]。Chattha等[10]对蓝莓地抛撒变量施肥机喷嘴进行改进，实现喷嘴单独控制。Przywara等[11-12]研究了离心盘式撒肥机结构及操作参数对肥料物理性质空间分布的影响。祝清震等[13-14]针对小麦分层施肥播种研究了多路精准排肥播种控制系统，排肥装置转动一圈最大排肥量为37.05 g。张书慧等[15]针对田间作物开发了基于复杂可编程逻辑器件的变量施肥控制系统。刘成良等[16-17]针对田间作物提出了一种开度转速双变量施肥播种控制序列生成方法，在固定施肥车速的前提下进行了变量施肥试验。伟利国等[18]设计了2F-6-BP1型变量配肥施肥机，单圈最大排肥量为73.1 g。雷小龙等[19]设计了颗粒化肥水平气送式螺旋组合可调定量供肥装置，可集中供肥满足水稻基肥施复合肥的要求；陈雄飞等[20]对两级螺旋排肥装置进行了设计与试验，满足水稻基肥的施用要求。刘正道等[21-22]对腔盘式穴施肥装置进行了研究，单周肥腔体积大小在14～56 cm3，满足玉米种肥施用缓释复合肥的施肥量需求。张睿等[23]针对农场、农垦等大面积作业地区设计了一种链条输送式宽幅变量施肥抛撒机。翟长远等[24]针对枸杞树精量排肥设计了扇叶旋转变量施肥器，实现了最小单位为200 g的变量穴施肥。现有变量施肥装置及控制系统的研究大多针对大田作物，且土地大多面积大平整，施肥车速固定或车速变化不大的连续施肥，外槽轮单周排肥的可控变化小，多为双变量控制。而丘陵地区果园果树种植地地形复杂，果树树形大小不一，施肥过程中施肥车匀速行驶困难，同时若采用整条沟连续施肥，造成肥料浪费，降低肥料利用率。此外，现有外槽轮式排肥结构槽口体积多数可调范围较小，不能满足果树有机肥或专用肥施肥量较大的要求（一般每株1.5～2.5 kg）[25]。

针对果园果树条施肥，本文研究了精准变量自动对靶施肥装置与控制系统。采用激光雷达传感器识别果树自动对靶，建立了单棵果树目标施肥量与排肥轮转速、施肥车速、排肥轮槽口体积及果树冠层直径4变量之间的关系及排肥轮转速控制规则。以柑橘果树为例，进行了室内模拟试验与大棚柑橘果园试验。

1 精准变量自动对靶施肥装置结构与工作原理

1.1 整体结构

施肥装置由排肥器和控制系统构成。排肥器由肥料箱、排肥轮、排肥管、固定架等组成；控制系统包括STM32F407VET6单片机、86式步进电机、42式步进电机、驱动器、联轴器、TF02激光雷达传感器、霍尔传感器、4×4矩阵键盘、LCD液晶显示器等。施肥装置结构示意图如图1所示。

1.2 工作原理

该施肥装置排肥器采用外槽轮式结构，其结构原理如图2所示，由4个可同时改变体积大小的槽口组成，42式步进电机通过联轴器、丝杆滑轨、连接杆与排肥器挡肥块相连，86式步进电机通过联轴器与排肥器主轴相连。施肥作业时，控制系统根据果树需肥量（不同果树相差较大，比如苹果树年施用量150～360 kg/hm2（N）、90～180 kg/hm2（P2O5）、150～390 kg/hm2（K2O）[26]，柑橘树年施肥量为200～450 kg/hm2（N）、100～250 kg/hm2（P2O5）、150～400 kg/hm2（K2O）[27]，土壤次施肥量为总施肥量的15%～40%[28]）、冠层直径（不同时期小乔木果树冠径一般在1～5 m之间）、施肥车速（果园履带车车速范围一般为0～2 m/s[29]），自动调节排肥轮槽口体积（0～163.2 cm3）与转速（0～200 r/min，超过200r/min时步进电机力矩下降），由单片机控制42式步进电机旋转推动挡肥块左右移动调节槽口体积，控制86式步进电机旋转调节排肥轮转速，由霍尔传感实时检测施肥车速，激光雷达传感器识别果树冠层，液晶显示器显示施肥车速、排肥轮转速、果树冠层位置、槽口体积及肥料种类等信息。

2 装置排肥量与施肥控制模型

2.1 外槽轮体积及排肥量的验证

根据果树不同时期需肥量，选取6种排肥轮槽口开度进行验证，开度值分别为108、90、72、54、36、18 mm，单个槽口体积依次为141、117.5、94、70.5、47、23.5 cm3，将其依次命名为V1、V2、V3、V4、V5、V6，分别选取密度为0.75 g/cm3的尿素、0.84 g/cm3的复合肥、0.89 g/cm3的有机复合肥3种颗粒肥料验证排肥器排肥准确性。首先，将单个槽口体积乘以对应肥料密度得到单个槽口理论排肥量ml，由单片机控制排肥轮以5 r/min的速度排肥得到单个槽口实际排肥量，理论排肥量与实际排肥量的统计结果如表1所示。从表1可以看出，不同槽口开度情况下单个槽口5 r/min时的实际排肥量与理论排肥量的相对误差均在4.5%以内，排肥器排肥准确，可进一步用于精准变量施肥。

表1 排肥器槽口体积及排肥量Table 1 Groove volume and fertilizer discharging quantity of fertilizer apparatus

2.2 排肥器不同转速下的排肥量标定

本试验分别以尿素、复合肥、有机复合肥3种不同颗粒的肥料为试验材料，采用表1中的6种槽口体积进行不同转速下排肥量标定，在室内搭建试验平台，如图3所示。

分别将3种肥料使用排肥器的6种槽口体积以10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140 r/min进行排肥量标定。标定时，下料口下方放有塑料桶，控制器内部设定排肥器排肥2圈（1圈4个槽口），排肥量通过电子称称取桶内肥料的质量得到，每种肥料在每种速度下重复3次试验，通过取3次试验的平均值得到排肥2圈的总排肥量M总。6种槽口体积下，分别对3种颗粒肥料在各排肥轮转速下的单个槽口实际排肥量（M总/8）进行统计，各转速下单个槽口实际排肥量如图4所示。

图4 中，相同排肥轮转速下，排肥轮槽口体积从体积1到体积6，排肥量呈梯度减少，可满足不同大小果树需肥量不同的情况；在排肥轮槽口大小一定时，随着排肥轮转速的增加，单个槽口的排肥量降低。对单个槽口排肥量与排肥轮转速进行一元线性回归分析，得出两者之间的一元线性回归模型为

式中n为排肥轮转动速度，r/min，mf为单个槽口排肥量，g，a、b分别为一元线性回归模型的系数和常量，不同肥料、不同槽口体积下，a、b的值不相同。对各回归模型进行显著性检验，结果如表2。

由表2可知，不同颗粒肥料在各槽口体积下建立的一元线性回归模型决定系数R2的值均不小于0.93，P值均小于0.000 1，则6种槽口体积下建立的单个槽口排肥量与排肥轮转速之间的一元线性回归方程均特别显著且拟合度较高，有实际意义，置信度为99.99%，二者呈负线性关系。

表2 回归结果与显著性检验Table 2 Regression results and significance test

2.3 施肥控制模型

2.3.1 目标施肥量与各变量之间的关系

根据给定果树目标施肥量进行施肥，单棵果树目标施肥量与排肥轮转速、施肥车速、排肥轮槽口体积及果树冠层直径之间的关系为

式中mi为单棵果树目标施肥量，g，di为单棵果树冠层直径，m，n为排肥轮转速，r/min，v为施肥车速，m/s，mf为排肥轮单个槽口排肥量，g。将式（1）代入式（2）并化简得：

排肥轮槽口体积不同时，式（3）中a、b的值不相等。

2.3.2 排肥轮转速控制规则

在果园果树施肥过程中，施肥车匀速行驶困难。当果树确定时，冠层直径随之确定，则施肥过程车速变化时，可控制排肥轮转速随施肥车速变化，以实现果树自动精准定量施肥。可将式（3）转换为

对式（4）中n进行求解得

式中a的值均为负，b的值均为正。分别将表2中a、b的值代入式（5）、式（6）分析可知，式（4）要有实数解时，n1的值在0～111 r/min之间，n2的值在87～222 r/min之间，n1≤n2；当mi或v为0时，不需要施肥，n1等于0，装置不排肥，符合实际施肥情况，n2不等于0，装置排肥，不符合实际施肥情况；故将式（5）作为排肥轮转速控制规则，导入控制系统进行排肥轮转速自动控制。

2.3.3 槽口体积自动选择规则

在排肥轮槽口体积自动调节时，首先，根据果树目标施肥量mi与表1中单个槽口理论排肥量ml进行选择，mi≥ml，为避免误差较大，设定mi≥2ml时，槽口体积可选；然后，根据式（4）有实数解的条件：

则

将满足mi≥2ml时的槽口体积对应a、b的值依次代入式（8），计算出相应体积下vmax的值，从V1～V6分别记为vmax1～vmax6；依次将vmax6～vmax1与施肥车最大行驶速度进行比较，当vmax大于等于施肥车最大行驶速度选出排肥轮槽口体积，施肥车最大行驶速度根据施肥现场总体果树目标施肥量及冠层直径确定。

3 控制系统设计

该施肥装置控制系统以STM32F407VET6型单片机为核心，根据建立的施肥控制模型，采用C语言编写果树自动对靶变量施肥控制程序，其主要流程如图5所示。系统上电复位后，通过4×4矩阵键盘选择肥料种类、输入目标施肥量与果树冠层直径，控制芯片STM32F407VET6根据槽口体积自动选择规则，产生可调占空比脉冲波形PWM波控制42式步进电机推动排肥器挡肥块左右移动调节槽口体积，霍尔传感器实时检测施肥车速，当激光雷达传感器测定距离值小于设定值时（设定值根据激光雷达传感器与果树最远端及果树后方障碍物之间的距离确定），识别到果树冠层，控制芯片根据式（5）快速计算排肥轮所需转速，并产生相应频率的PWM波控制86式步进电机旋转，带动排肥轮转动施肥，当激光雷达传感器测定距离值不小于设定值时，未识别到果树冠层，86式步进电机停止转动，不施肥。

4 室内及果园试验

为了测试装置与控制系统可调施肥量范围是否满足果树不同时期对不同种类颗粒肥的施肥量需求，以及验证自动对靶变量施肥的准确性与稳定性，以柑橘果树为例，分别进行室内模拟变量施肥试验与果园自动对靶变量施肥试验。

4.1 试验条件

中国柑橘大部分种植在丘陵或山地，种植园栽种株距一般为3～5 m，行距为3.5～6 m[30]，优质丰产园成年柑橘树高度在3 m以下，绿叶层厚度1～1.5 m，树冠覆盖率70%～80%，树冠间距在0.2～1 m[31]，常采用有机肥结合化肥的施肥方式，全年进行多次施肥，且常根据幼树少施、大树多施因树施肥。室内模拟变量施肥试验以种植株行距为3 m×4 m、冠层直径为2.5 m左右的成年柑橘果园为例。果园自动对靶变量施肥试验在种植株行距为3 m×4 m、冠层直径为1 m左右的幼年柑橘果园进行。

4.2 试验方法

4.2.1 室内模拟变量施肥试验

室内模拟变量施肥试验如图3。采用STC12C5A60S2型单片机控制57式步进电机转动模拟施肥车行驶速度变化，结合运行时间，在模拟施肥距离等于果树冠层直径时，停止转动。模拟施肥时，通过输入目标施肥量及果树冠层直径自动调节排肥轮槽口体积，由角位移传感器测定模拟施肥车行驶速度，控制芯片STM32F407VET6根据式（5）快速计算排肥轮所需转速，产生PWM波控制86步进电机转动速度，实现排肥轮转速控制。

根据种植株行距3 m×4 m的成年柑橘果园，设定柑橘果树冠层直径分别为2、2.5、3 m，每公顷可种植833棵树，所选尿素含N率为46.2%，复合肥含N、P2O5、K2O率分别为15%，单棵果树土壤次施肥量为78～800 g[28-29]，结合每株果树有机肥施用量1.5～2.5 kg[25]，设定单棵果树目标施肥量分别为颗粒尿素50、100、200、300、400 g，颗粒复合肥500、600、700、800、900 g，颗粒有机复合肥1,500、1,800、2,000、2,200、2,500 g，依次进行施肥试验。根据果树冠层直径及目标施肥量，控制模拟施肥车最大行驶速度分别为2、1、0.5 m/s。同一目标施肥量重复3次试验，通过电子秤称取施肥后的肥料质量得到实际施肥量，并计算出3次试验的平均值与施肥量变异系数。

4.2.2 果园自动对靶变量施肥试验

将施肥装置搭载在手扶式履带车上，在西南大学大棚柑橘园进行自动对靶变量施肥试验，如图6所示。根据大树多施、幼树少施的原则，使用研制的施肥装置与控制系统分别对9棵不同的柑橘树施颗粒尿素20、50、80 g，复合肥150、180、200 g，有机复合肥400、500、600 g，记为m1～m9，对应冠层直径分别为0.8、0.9、1.0、0.9、0.8、1.0、0.9、1.0、1.2 m，记为d1～d9。果园试验过程中，根据果树目标施肥量及冠层直径，人为操作施肥车速在0～1 m/s之间变化，采用霍尔传感器实时检测施肥车行驶速度，由激光雷达传感器自动识别柑橘树冠层对靶施肥，同一目标施肥量重复试验3次，将袋子铺在果树冠层下方，称取袋子上的肥料质量得到实际施肥量，并计算出3次试验的平均值与施肥量变异系数；对施肥后落肥起点、终点与果树对应冠层边缘的距离进行测量，将3次试验的平均值分别记为起点偏移距离、终点偏移距离，超出果树冠层边缘为正，反之为负。

4.3 试验结果与分析

室内模拟变量施肥试验结果如表3；果园自动对靶变量施肥试验结果如表4。

表3 室内模拟变量施肥试验结果Table3 Results of indoor simulated variable-rate fertilization test

表3 中室内模拟试验结果表明，单棵柑橘树施用尿素的实际施肥量与目标施肥量最大相对误差为4.87%，复合肥施用量最大相对误差为5.17%，有机复合肥施用量最大相对误差为2.59%，施肥量变异系数最大值为1.47%，可在单棵果树目标施肥量为50～2 500 g范围内准确施肥。表4中果园自动对靶变量施肥试验结果表明，单棵柑橘树尿素施用量最大相对误差为4.83%，复合肥施用量最大相对误差为2.87%，有机复合肥施用量最大相对误差为3.78%；施肥量变异系数最大值为6.96%；落肥起点偏移冠层边缘距离最大为-0.15 m，终点偏移冠层边缘距离最大为-0.09 m，落肥位置均在果树冠层直径范围内。

表4 果园自动对靶变量施肥试验结果Table 4 Results of auto-targeting variable-rate fertilization test in orchard

果园试验单棵柑橘树施肥量变异系数总体高于室内模拟试验，其主要原因是该施肥装置当施肥车运动特别是行驶震动时，排肥轮转速不十分稳定所致。但根据柑橘树目标施肥量、冠层直径及施肥车速自动调节排肥轮槽口体积与转速，单棵柑橘树施肥量相对误差均小于5.5%，最大变异系数为6.96%；采用激光雷达传感器识别果树冠层对靶施肥，落肥位置均在果树冠层直径范围内。则该施肥装置与控制系统实现了不同大小果树对不同颗粒肥料的精准变量自动对靶施肥，既满足尿素的少量精准施肥需求，又满足较大量有机颗粒肥的定量施肥需求。

此外，本装置与控制系统的果园验证试验在大棚柑橘果园进行，柑橘树较少，后期在进行丘陵山地果园大面积连续对靶自动施肥时，不仅要加装定位系统，还需根据每棵果树空间位置、需肥量及冠层直径信息生成施肥处方图，导入控制系统，以实现大面积果树自动对靶按需施肥。本装置以尿素、复合肥、有机复合肥3种颗粒肥料为试验材料进行了试验，对粉状肥料的适应性需进一步试验分析。