白秋薇，張 信，羅紅品，李光林

（西南大學(xué)工程技術(shù)學(xué)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(zhì)和產(chǎn)量的主要因素，合理施肥，加強果樹水肥管理是優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的主要措施[1]。國內(nèi)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(dǎo)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(zhì)[3-5]，如何實現(xiàn)果園自動化精準(zhǔn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)及操作參數(shù)對肥料物理性質(zhì)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(zhǔn)排肥播種控制系統(tǒng)，排肥裝置轉(zhuǎn)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(fù)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(zhuǎn)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(shè)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(shè)計了顆?；仕綒馑褪铰菪M合可調(diào)定量供肥裝置，可集中供肥滿足水稻基肥施復(fù)合肥的要求；陳雄飛等[20]對兩級螺旋排肥裝置進行了設(shè)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(fù)合肥的施肥量需求。張睿等[23]針對農(nóng)場、農(nóng)墾等大面積作業(yè)地區(qū)設(shè)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(shè)計了扇葉旋轉(zhuǎn)變量施肥器，實現(xiàn)了最小單位為200 g的變量穴施肥?，F(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(fù)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(jié)構(gòu)槽口體積多數(shù)可調(diào)范圍較小，不能滿足果樹有機肥或?qū)Ｓ梅适┓柿枯^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(zhǔn)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(biāo)施肥量與排肥輪轉(zhuǎn)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(guān)系及排肥輪轉(zhuǎn)速控制規(guī)則。以柑橘果樹為例，進行了室內(nèi)模擬試驗與大棚柑橘果園試驗。

1 精準(zhǔn)變量自動對靶施肥裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

施肥裝置由排肥器和控制系統(tǒng)構(gòu)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(qū)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)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(diào)節(jié)排肥輪槽口體積（0～163.2 cm3）與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)推動擋肥塊左右移動調(diào)節(jié)槽口體積，控制86式步進電機旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)排肥輪轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fù)合肥、0.89 g/cm3的有機復(fù)合肥3種顆粒肥料驗證排肥器排肥準(zhǔn)確性。首先，將單個槽口體積乘以對應(yīng)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(jié)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(nèi)，排肥器排肥準(zhǔn)確，可進一步用于精準(zhǔn)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(zhuǎn)速下的排肥量標(biāo)定

本試驗分別以尿素、復(fù)合肥、有機復(fù)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(zhuǎn)速下排肥量標(biāo)定，在室內(nèi)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(biāo)定。標(biāo)定時，下料口下方放有塑料桶，控制器內(nèi)部設(shè)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(nèi)肥料的質(zhì)量得到，每種肥料在每種速度下重復(fù)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(zhuǎn)速下的單個槽口實際排肥量（M總/8）進行統(tǒng)計，各轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)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(zhuǎn)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(fù)線性關(guān)系。

表2 回歸結(jié)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(biāo)施肥量與各變量之間的關(guān)系

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

式中mi為單棵果樹目標(biāo)施肥量，g，di為單棵果樹冠層直徑，m，n為排肥輪轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dāng)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(zhuǎn)速隨施肥車速變化，以實現(xiàn)果樹自動精準(zhǔn)定量施肥?？蓪⑹剑?）轉(zhuǎn)換為

對式（4）中n進行求解得

式中a的值均為負(fù)，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(dāng)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(zhuǎn)速控制規(guī)則，導(dǎo)入控制系統(tǒng)進行排肥輪轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)時，首先，根據(jù)果樹目標(biāo)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(shè)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(yīng)a、b的值依次代入式（8），計算出相應(yīng)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(dāng)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(biāo)施肥量及冠層直徑確定。

3 控制系統(tǒng)設(shè)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(fù)位后，通過4×4矩陣鍵盤選擇肥料種類、輸入目標(biāo)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(chǎn)生可調(diào)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(diào)節(jié)槽口體積，霍爾傳感器實時檢測施肥車速，當(dāng)激光雷達傳感器測定距離值小于設(shè)定值時（設(shè)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(zhuǎn)速，并產(chǎn)生相應(yīng)頻率的PWM波控制86式步進電機旋轉(zhuǎn)，帶動排肥輪轉(zhuǎn)動施肥，當(dāng)激光雷達傳感器測定距離值不小于設(shè)定值時，未識別到果樹冠層，86式步進電機停止轉(zhuǎn)動，不施肥。

4 室內(nèi)及果園試驗

為了測試裝置與控制系統(tǒng)可調(diào)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(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，以柑橘果樹為例，分別進行室內(nèi)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(zhì)豐產(chǎn)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(jié)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(nèi)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(nèi)模擬變量施肥試驗

室內(nèi)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(zhuǎn)動模擬施肥車行駛速度變化，結(jié)合運行時間，在模擬施肥距離等于果樹冠層直徑時，停止轉(zhuǎn)動。模擬施肥時，通過輸入目標(biāo)施肥量及果樹冠層直徑自動調(diào)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(zhuǎn)速，產(chǎn)生PWM波控制86步進電機轉(zhuǎn)動速度，實現(xiàn)排肥輪轉(zhuǎn)速控制。

根據(jù)種植株行距3 m×4 m的成年柑橘果園，設(shè)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(fù)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(jié)合每株果樹有機肥施用量1.5～2.5 kg[25]，設(shè)定單棵果樹目標(biāo)施肥量分別為顆粒尿素50、100、200、300、400 g，顆粒復(fù)合肥500、600、700、800、900 g，顆粒有機復(fù)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(biāo)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(biāo)施肥量重復(fù)3次試驗，通過電子秤稱取施肥后的肥料質(zhì)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(xué)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(fù)合肥150、180、200 g，有機復(fù)合肥400、500、600 g，記為m1～m9，對應(yīng)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(biāo)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(biāo)施肥量重復(fù)試驗3次，將袋子鋪在果樹冠層下方，稱取袋子上的肥料質(zhì)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(yīng)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(fù)。

4.3 試驗結(jié)果與分析

室內(nèi)模擬變量施肥試驗結(jié)果如表3；果園自動對靶變量施肥試驗結(jié)果如表4。

表3 室內(nèi)模擬變量施肥試驗結(jié)果Table3 Results of indoor simulated variable-rate fertilization test

表3 中室內(nèi)模擬試驗結(jié)果表明，單棵柑橘樹施用尿素的實際施肥量與目標(biāo)施肥量最大相對誤差為4.87%，復(fù)合肥施用量最大相對誤差為5.17%，有機復(fù)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(biāo)施肥量為50～2 500 g范圍內(nèi)準(zhǔn)確施肥。表4中果園自動對靶變量施肥試驗結(jié)果表明，單棵柑橘樹尿素施用量最大相對誤差為4.83%，復(fù)合肥施用量最大相對誤差為2.87%，有機復(fù)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(nèi)。

表4 果園自動對靶變量施肥試驗結(jié)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(nèi)模擬試驗，其主要原因是該施肥裝置當(dāng)施肥車運動特別是行駛震動時，排肥輪轉(zhuǎn)速不十分穩(wěn)定所致。但根據(jù)柑橘樹目標(biāo)施肥量、冠層直徑及施肥車速自動調(diào)節(jié)排肥輪槽口體積與轉(zhuǎn)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(nèi)。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(zhǔn)變量自動對靶施肥，既滿足尿素的少量精準(zhǔn)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(dǎo)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(fù)合肥、有機復(fù)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(yīng)性需進一步試驗分析。

5 結(jié) 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(biāo)施肥量與排肥輪轉(zhuǎn)速、施肥車速、排肥輪槽口體積及果樹冠層直徑之間的關(guān)系及排肥輪轉(zhuǎn)速控制規(guī)則。

2）室內(nèi)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(fù)合肥時單棵果樹最大相對誤差為5.17%；施有機復(fù)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(zhǔn)確識別，有效施肥在果樹冠層直徑對應(yīng)的土層范圍內(nèi)；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(zhǔn)變量自動對靶施肥的要求。