張季琴，劉 剛，張東峰，姜碧瓊，仁重義

(1.寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，寧夏銀川 750021；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成研究教育部重點實驗室，北京 100083)

化肥對提高作物產(chǎn)量，保障糧食安全具有重要作用[1]。中國是世界上最主要的化肥生產(chǎn)和施用大國[2]。據(jù)國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)，1979—2020年，我國化肥施用總量從1 086.3萬 t增加到5 250.7萬 t，化肥施用強度也從73.16 kg/hm2增加到 325.68 kg/hm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出發(fā)達(dá)國家防止化肥對水體造成污染的化肥施用上限值225 kg/hm2[3]。糧食作物平均過量施肥程度平均達(dá)到36.94%[2]，但肥料的利用率僅為30%～40%，單位質(zhì)量化肥投入帶來的糧食增產(chǎn)不斷減少[4-6]。肥料施用量的增加和利用效率的下降，不僅造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，還帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染，如耕地土壤結(jié)構(gòu)破壞、土壤板結(jié)和鹽堿化[7]、水環(huán)境惡化[8]以及二氧化碳排放增加[9]等。2021年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部、國家發(fā)展和改革委員會、科學(xué)技術(shù)部等印發(fā)《“十四五”全國農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展規(guī)劃》，提出“以化肥減量增效為重點，集成推廣科學(xué)施肥技術(shù)，培育扶持一批專業(yè)化服務(wù)組織，開展肥料統(tǒng)配統(tǒng)施社會化服務(wù)，鼓勵農(nóng)企合作推進(jìn)測土配方施肥”的工作部署。因此，在保證糧食安全的同時實施按需投入的變量施肥方案，逐步建立科學(xué)的施肥管理技術(shù)體系，這是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的關(guān)鍵。變量施肥裝備作為化肥“減量增效”的重要載體，其控制技術(shù)的研究和分析對于引導(dǎo)智能變量施肥裝備開發(fā)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、綠色發(fā)展具有重要意義。因此，本試驗系統(tǒng)分析固體顆粒肥變量撒施控制技術(shù)，重點闡述國內(nèi)外在變量撒施、條施控制和作業(yè)監(jiān)測方面的研究進(jìn)展，并對目前存在的技術(shù)問題提出建議，為改變我國變量撒施裝備研究技術(shù)現(xiàn)狀、促進(jìn)變量施肥技術(shù)發(fā)展提供參考。

1 變量施肥技術(shù)概況

變量施肥技術(shù)能夠根據(jù)土壤和作物營養(yǎng)狀況，按需精準(zhǔn)投入肥料，有效降低肥料使用量，提高作物產(chǎn)量，在提高肥料利用率的同時減少土壤養(yǎng)分空間差異，減少環(huán)境污染，是現(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)的重要組成部分[10]。胡中澤等認(rèn)為，變量施肥技術(shù)能夠有效提高玉米、小麥、水稻對氮肥、磷肥、鉀肥的利用率[11-13]；陳靜等認(rèn)為，平衡土壤養(yǎng)分含量、改善土壤結(jié)構(gòu)，具有良好的推廣價值[14]。國外變量施肥技術(shù)發(fā)展較早，已形成完整的變量施肥技術(shù)體系，具有成熟的變量智能化作業(yè)裝備，已實現(xiàn)商品化、規(guī)模化的推廣和應(yīng)用[15-16]。截至2015年年底，美國變量施肥技術(shù)的應(yīng)用范圍達(dá)到63.6%[17]，在澳大利亞、加拿大以及一些歐盟國家也有一定的應(yīng)用，并取得較好的社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益[18]。我國在20世紀(jì)90年代以后開始精細(xì)農(nóng)業(yè)的研究，變量施肥裝備的研究主要以消化吸收再創(chuàng)新為主，經(jīng)過科研人員多年的努力，已取得一定的成果，但我國農(nóng)作物種植模式多種多樣，各地區(qū)地形、地貌差異較大，現(xiàn)有變量施肥技術(shù)裝備沒有得到大規(guī)模的推廣應(yīng)用。變量施肥的實現(xiàn)方式主要有基于實時傳感器和基于處方圖2種，其核心是對施肥量進(jìn)行變量控制。工況信息如作業(yè)車速、排肥驅(qū)動軸轉(zhuǎn)速、排肥量信息等的實時檢測是實現(xiàn)施肥量準(zhǔn)確控制的基礎(chǔ)。根據(jù)施入方式不同，固體顆粒肥的變量施用方式主要有撒施和條施2種。顆粒肥變量撒施控制技術(shù)主要包括撒施量控制與作業(yè)監(jiān)測。撒施量控制主要包括離心變量撒施技術(shù)和條播變量施肥技術(shù)。作業(yè)監(jiān)測主要包括工況信息監(jiān)測技術(shù)和排肥流量檢測技術(shù)(圖1)。

2 撒施量控制技術(shù)

固體顆粒肥變量施肥裝備是變量撒施技術(shù)實施的載體，其關(guān)鍵是對撒施量的精準(zhǔn)控制。排肥器作為肥料撒施的直接執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了控制方式。撒施裝備主要有離心撒肥機(jī)、條播施肥機(jī)兩大類，其變量撒施控制技術(shù)如下。

2.1 離心變量撒肥技術(shù)

離心撒肥機(jī)一般利用圓盤轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的離心力將肥料拋灑出去，具有撒施幅寬大、作業(yè)效率高等特點，但肥料撒施橫向穩(wěn)定性較低，一般應(yīng)用于大規(guī)模田塊基肥、追肥作業(yè)[19]。撒肥機(jī)下料口的開度決定了排肥量，撒肥圓盤的轉(zhuǎn)速和結(jié)構(gòu)參數(shù)影響肥料撒施幅寬與分布均勻性。因此，變量撒肥機(jī)的控制技術(shù)主要包括下料口尺寸控制技術(shù)以及撒肥圓盤結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化技術(shù)。

2.1.1 下料口尺寸控制技術(shù) 變量撒肥機(jī)一般通過液壓馬達(dá)或電機(jī)對下料口尺寸進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對撒肥量的精準(zhǔn)控制[20-21]。根據(jù)排肥口位置不同，撒肥量控制方式主要有2種，第1種是肥箱側(cè)面排肥，即在肥箱側(cè)面開排肥口，通過控制排肥門的開度，實現(xiàn)排肥量的調(diào)節(jié)；第2種是肥箱底部排肥，即在肥箱底部開排肥口，通過調(diào)節(jié)排肥裝置動盤相對于定盤的轉(zhuǎn)角，實現(xiàn)排肥量的調(diào)節(jié)(表1)。

表1 撒肥機(jī)下料口結(jié)構(gòu)形式

肥箱側(cè)面排肥方式通過液壓馬達(dá)或電機(jī)驅(qū)動排肥門上下移動，實現(xiàn)撒肥量變量調(diào)節(jié)。國外如Fulton等研發(fā)出一種利用液壓比例閥控制排肥門開度的雙邊盤變量撒施機(jī)，建立了撒肥量分布模型，并對不同施肥量下開環(huán)控制、閉環(huán)控制以及手動控制的作業(yè)性能進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明，閉環(huán)控制方式具有更好的控制精度和變量施肥一致性[22-24]。Kweon等分析肥箱側(cè)面排肥、肥箱底部2種下料方式的肥料分布特性，針對大排量情況下肥料撒施均勻性低的問題提出優(yōu)化控制方法，并提高了肥料撒施的均勻性[25]。國內(nèi)如張睿等研發(fā)的鏈條輸送式拋撒機(jī)，采用電動推桿驅(qū)動排肥門移動，位移傳感器實時獲取開度位置信息作為反饋，對排肥門開度進(jìn)行閉環(huán)控制，實現(xiàn)排肥量變量調(diào)節(jié)，填補了中國變量撒肥機(jī)械的空白[20]?，F(xiàn)有變量撒肥機(jī)大多采用肥箱底部排肥方式，通過液壓馬達(dá)或電機(jī)驅(qū)動肥箱底部排肥動盤轉(zhuǎn)動，進(jìn)而實現(xiàn)撒肥量的調(diào)節(jié)。國外如Han 等研發(fā)出一種單元盤撒肥機(jī)，在排肥動盤兩側(cè)連接電動推桿，可以實現(xiàn)排肥動盤雙向調(diào)節(jié)，并分析下料口調(diào)節(jié)方向?qū)Ψ柿先鍪┚鶆蛐缘挠绊?，?gòu)建撒肥量控制模型，提出一種優(yōu)化控制方法，根據(jù)目標(biāo)撒肥量選擇下料口調(diào)節(jié)方向，改善撒肥均勻性[22]；國內(nèi)如施印炎等研發(fā)出一種采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動齒輪齒條結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)排肥動盤轉(zhuǎn)角，實現(xiàn)施肥量自動調(diào)節(jié)的雙圓盤變量撒肥機(jī)[21，24]，并對齒輪齒條、電動推桿、絲杠滑塊3種下料口尺寸調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行運動分析[25-27]，結(jié)果表明，對同一目標(biāo)旋轉(zhuǎn)角，電子推桿下料口調(diào)節(jié)裝置的響應(yīng)時間最短。

2.1.2 撒肥圓盤結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化技術(shù) 撒肥圓盤是離心式變量撒肥機(jī)的核心部件，主要由撒肥盤、葉片、勻肥罩等組成。肥料從下料口落下之后進(jìn)入勻肥罩，經(jīng)勻肥出口，通過撒肥圓盤的離心力撒施出去，主要有單圓盤和雙圓盤2種結(jié)構(gòu)。變量撒肥機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)如圓盤直徑、葉片形狀、葉片轉(zhuǎn)角等均會影響撒施肥料的分布特性[26]，為了進(jìn)一步提高撒肥機(jī)橫向撒施的均勻性，國內(nèi)外學(xué)者基于離散單元法(DEM)、多因素響應(yīng)面分析法等對撒肥圓盤結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。van Liedekerke等分析德國AMAZOME的ZA-M懸掛式雙圓盤撒肥機(jī)施肥過程中的顆粒運動軌跡，采用離散單元法研究撒肥圓盤直徑、葉片形狀、葉片長度、安裝角等對撒肥分布的影響[27-28]。Przywara分析撒肥圓盤的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如撒肥盤轉(zhuǎn)速、葉片角度和撒肥盤轉(zhuǎn)速對撒施效果的影響，發(fā)現(xiàn)平均撒施角受到撒肥盤肥料喂入角、撒肥盤葉片角和肥料種類的影響，平均撒施直徑受撒肥盤轉(zhuǎn)速影響[29]。Shi等通過基于EDEM軟件的仿真撒肥試驗，分析葉片傾角、撒肥高度及撒肥圓盤轉(zhuǎn)速對撒肥均勻性的影響，并獲得了最佳控制參數(shù)組合[30]。Yang等對3種不同類型肥料的撒肥過程進(jìn)行仿真試驗[31-32]；通過設(shè)計響應(yīng)面分析和單因素試驗，分析撒肥高度、葉片位置角、下料位置角對雙圓盤撒施肥料撒施均勻性的影響，并對參數(shù)組合進(jìn)行優(yōu)化，從而改善肥料撒施的均勻性。此外，國內(nèi)學(xué)者還對甩盤[33]、錐盤[34]等不同結(jié)構(gòu)撒肥圓盤的參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行探索。

總體而言，針對撒施量的控制技術(shù)基本成熟，近年研究主要集中在撒肥盤結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方面。

2.2 條播變量施肥技術(shù)

條播施肥機(jī)主要通過排肥軸帶動排肥器轉(zhuǎn)動排肥，通過開溝器將肥料施入一定深度，能更好為種子提供養(yǎng)分，但其作業(yè)幅寬小，作業(yè)效率低，一般用于作物基肥和種肥的施用。常見條播施肥機(jī)的排肥器有外槽輪式、行星輪式、螺旋式、振動式、釘齒式等[35]。其中，外槽輪排肥器以其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、各行排肥量一致性好等優(yōu)點在條播變量施肥機(jī)中應(yīng)用廣泛。目前，變量施肥機(jī)外槽輪排肥器的排肥量調(diào)節(jié)主要有排肥軸轉(zhuǎn)速控制、排肥口開度控制、排肥軸轉(zhuǎn)速和開度雙變量控制3種方式(表2)。

2.2.1 排肥軸轉(zhuǎn)速控制技術(shù) 通過自動調(diào)節(jié)外槽輪排肥軸轉(zhuǎn)速實現(xiàn)施肥量調(diào)節(jié)是目前最常用的一種變量施肥作業(yè)方式，但其低速作業(yè)時排肥脈動明顯，排肥均勻性較差。對排肥軸轉(zhuǎn)速的精確控制是實現(xiàn)該類型變量施肥機(jī)精準(zhǔn)變量施肥的關(guān)鍵，一般通過在排肥軸的一側(cè)安裝霍爾效應(yīng)傳感器或編碼器進(jìn)行測速，將轉(zhuǎn)速信息反饋給控制系統(tǒng)實現(xiàn)閉環(huán)控制。主要控制技術(shù)為比例-積分-微分(proportion-integration-differentiation，PID)控制。通過結(jié)合智能算法對PID控制參數(shù)進(jìn)行整定，實現(xiàn)排肥軸轉(zhuǎn)速的精確控制，如基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID參數(shù)優(yōu)化算法[38]、徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID算法[39]、模糊PID算法[40]、基于遺傳優(yōu)化的RBF-PID算法[41-44]等。

2.2.2 排肥口開度控制技術(shù) 外槽輪排肥器中槽輪伸出阻塞套的長度為外槽輪的有效工作長度或排肥口開度。以排肥口開度控制調(diào)節(jié)施肥量的變量施肥系統(tǒng)，將原有機(jī)械或手動開度調(diào)節(jié)方式轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤厚R達(dá)或電機(jī)驅(qū)動方式，進(jìn)而實現(xiàn)開度的自動調(diào)節(jié)。受原機(jī)械結(jié)構(gòu)和安裝空間限制，該控制方式實現(xiàn)的難點是機(jī)械結(jié)構(gòu)的改裝。Alameen等搭建的變量施肥試驗平臺，采用氣缸驅(qū)動排肥口開度調(diào)節(jié)杠桿，進(jìn)而實現(xiàn)開度變量調(diào)節(jié)[31]；Su等改造了法國庫恩公司的Maxim2氣吸式點播機(jī)，采用伺服電機(jī)，通過鏈輪傳動和絲杠結(jié)構(gòu)實現(xiàn)外槽輪有效工作長度的自動調(diào)節(jié)[45]；戚武振等研發(fā)的稻麥變量施肥機(jī)，采用一種絲杠排肥軸連接機(jī)構(gòu)，以步進(jìn)電機(jī)為動力，通過驅(qū)動排肥軸軸向移動，帶動排肥器開度自動調(diào)節(jié)[46]。

表2 外槽輪排肥器控制特性

2.2.3 排肥軸轉(zhuǎn)速、開度雙變量控制技術(shù) 排肥軸轉(zhuǎn)速、開度雙變量控制方式是指排肥器的排肥軸、排肥口均可自動調(diào)節(jié)施肥量，通過將轉(zhuǎn)速、開度原有的手動或機(jī)械驅(qū)動方式改造為液壓或電機(jī)自動控制方式[47-48]。由于排肥軸轉(zhuǎn)速、排肥口開度以及排肥量的關(guān)系不再是線性關(guān)系，且非優(yōu)控制序列組合的排肥效果較差，因此對雙變量控制方式的研究主要集中在排肥量控制模型構(gòu)建以及控制序列優(yōu)化方面。古玉雪等基于高斯過程(gaussian process，GP)算法構(gòu)建外槽輪排肥軸轉(zhuǎn)速、排肥口有效工作長度和排肥量之間的預(yù)測模型，構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化問題模型，并提出控制序列優(yōu)化方法，驗證了雙變量控制方式的優(yōu)越性[49-50]。陳滿等基于近地光譜監(jiān)測技術(shù)和模糊PID控制技術(shù)，設(shè)計出一種軸分段式冬小麥雙變量精準(zhǔn)施肥機(jī)，采用Bisquare估計穩(wěn)健回歸方法分析雙變量施肥控制模型[51-52]。趙學(xué)觀等發(fā)現(xiàn)，影響充肥特性的主要參數(shù)即為排肥輪轉(zhuǎn)速、排肥口開度、排肥輪傾角[53]。為了進(jìn)一步擴(kuò)展雙變量施肥裝備的適應(yīng)性，提高施肥量控制準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，張季琴等開發(fā)出一種排肥單體獨立雙變量施肥控制系統(tǒng)，基于廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(general regression neural network，GRNN)算法構(gòu)建螺旋外槽輪排肥器的排肥量預(yù)測模型，提出一種基于分解的差分進(jìn)化算法(multi-objective evolutionary algrithm based on decomposition，MOEA/D)對控制序列進(jìn)行優(yōu)化，并取得較好的控制效果[54-56]。

排肥軸轉(zhuǎn)速、排肥口開度雙變量控制方式與單一變量控制方式相比，可以通過轉(zhuǎn)速和開度組合的協(xié)調(diào)控制，避免施肥量較小時排肥軸轉(zhuǎn)速過低帶來的排肥脈動問題以及轉(zhuǎn)速過高時帶來的施肥精度低和種子破損問題，可以有效擴(kuò)展施肥量的調(diào)節(jié)范圍，提高施肥量控制的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性[57]，對該類設(shè)備的研發(fā)、系統(tǒng)集成及控制技術(shù)的研究已成為當(dāng)前變量施肥技術(shù)研究的重要內(nèi)容。

3 作業(yè)監(jiān)測技術(shù)

完善的變量施肥作業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)是保證作業(yè)可靠的關(guān)鍵。變量施肥作業(yè)監(jiān)測技術(shù)主要包括對作業(yè)工況，如機(jī)具位置、作業(yè)車速、肥箱余量等的檢測和排肥量的檢測。目前變量施肥作業(yè)過程中工況信息的監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)相對較成熟，但顆粒肥流量的在線監(jiān)測仍是一個難點。

3.1 工況監(jiān)測技術(shù)

為了保證變量施肥裝備的正常作業(yè)，變量施肥機(jī)作業(yè)工作過程中需要對影響作業(yè)的信息進(jìn)行監(jiān)測，對作業(yè)過程中的故障進(jìn)行報警。國內(nèi)外學(xué)者對變量施肥工況監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了大量研究，已實現(xiàn)變量施肥機(jī)的行進(jìn)速度、位置、肥箱余量、下料口開度、撒肥盤、排肥軸轉(zhuǎn)速等的檢測，以及對堵塞故障的報警。主要研究成果見表3。

表3 工況監(jiān)測技術(shù)

最初變量施肥裝備的作業(yè)車速通過在地輪安裝霍爾效應(yīng)傳感器進(jìn)行檢測，隨著GPS、GNSS定位系統(tǒng)的普及，機(jī)具定位和行進(jìn)速度逐步采用GPS、GNSS進(jìn)行檢測，測速精度能夠達(dá)到0.1 m/s，水平定位精度能夠達(dá)到0.01 m。肥箱余量的檢測一般通過在肥箱底部或肥箱內(nèi)側(cè)安裝傳感器進(jìn)行檢測，但田間作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，作業(yè)振動、環(huán)境光線等因素均會影響其檢測精度，目前余量檢測精度能夠到達(dá)到95%以上。撒肥圓盤、排肥軸轉(zhuǎn)速的檢測主要通過在驅(qū)動軸安裝增量式編碼器進(jìn)行精確檢測，檢測精度由編碼器型號決定；肥箱底部下料口開度主要通過編碼器檢測排肥動盤轉(zhuǎn)角獲得，條播施肥機(jī)的有效工作長度采用位移傳感器，檢測精度較高，應(yīng)用較成熟。堵塞報警檢測已經(jīng)較成熟，堵塞檢測精度能夠達(dá)到100%，滿足變量作業(yè)的使用要求。

3.2 排肥流量監(jiān)測技術(shù)

固體顆粒肥排肥流量的實時監(jiān)測是進(jìn)行變量施肥閉環(huán)控制以及作業(yè)效果在線評價的關(guān)鍵，變量撒肥機(jī)的排肥量可以根據(jù)肥箱質(zhì)量以及下料口開度進(jìn)行預(yù)測，但變量條播機(jī)按行作業(yè)，其復(fù)雜的肥料特性以及非接觸式測量要求，使得條播機(jī)顆粒肥流量在線監(jiān)測仍然是一個難點。

現(xiàn)有固體顆粒肥排肥流量的檢測方法主要有間接檢測法和直接檢測法。間接檢測法包括排肥軸轉(zhuǎn)速間接測量、肥箱體積預(yù)測；直接檢測法包括稱質(zhì)量法、電容法、圖像法、微波法。其檢測原理及主要特點見表4。

間接檢測法中，基于排肥軸轉(zhuǎn)速的排肥量間接測量方法應(yīng)用最廣泛。通過標(biāo)定模型，對排肥量進(jìn)行預(yù)測，受不同肥料充肥性能差異、故障等影響，檢測精確度較低?；诜氏溆嗔康念A(yù)測方法，根據(jù)排肥過程中肥箱剩余體積變化差值對排肥量進(jìn)行預(yù)測。其中，基于單線激光雷達(dá)的檢查方法檢測時，首先采用單線激光雷達(dá)掃描獲取肥箱余量表面特征，并對肥箱余量體積進(jìn)行三維重構(gòu)，通過計算一定時間間隔內(nèi)的體積變化量，即可獲得排肥量[74]。但其檢測精度受排肥速度影響，單位時間排肥量較小時，肥箱余量體積變化不大，檢測精度較低。此外，這種檢測方法只能對肥箱的整體排肥量進(jìn)行預(yù)測，當(dāng)1個肥箱連接多個排肥器時，無法對單行排肥情況進(jìn)行準(zhǔn)確檢測。

直接測量方法中，基于稱質(zhì)量法的顆粒肥流量檢測傳感器體積較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，須要對被檢測裝備做較大的改裝。因此，進(jìn)行田間應(yīng)用推廣有一定的難度?；陔娙莘ㄩ_發(fā)的流量傳感器，體積小，質(zhì)量輕，能夠直接安裝在肥管上，對單行顆粒肥流量實現(xiàn)在線檢測，但容易受作業(yè)溫度、肥料濕度以及發(fā)動機(jī)電磁波等影響。圖像法需要獲取清晰有效的落肥顆粒圖像，但實際作業(yè)環(huán)境較復(fù)雜，灰塵、肥料粉末等容易覆蓋鏡頭，影響圖像采集質(zhì)量?；谖⒉ǘ嗥绽辗ㄩ_發(fā)的流量檢測傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，檢測時不干擾流體等特點，逐漸受到專家學(xué)者關(guān)注。為了進(jìn)一步提高顆粒肥流量檢測精度，專家學(xué)者對噪聲去除方法進(jìn)行探索，如卡爾曼濾波去噪[80]、小波閾值去噪[82]、基于經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解(empirical mode decomposition，EMD)的小波閾值去噪法[83]，以及干擾抑制方法，如單元平均恒虛警(cell average constant false alarm rate，CA-CFAR)干擾抑制方法[79]等。經(jīng)過改進(jìn)，微波多普勒法室內(nèi)檢測精度能夠達(dá)到99.80%～97.20%，田間試驗檢測精度能夠達(dá)到91.42%[83]。

表4 顆粒肥流量檢測技術(shù)

4 分析與展望

目前我國顆粒肥變量撒施控制技術(shù)研究存在以下主要問題：第一，變量控制技術(shù)發(fā)展不均衡，系統(tǒng)通用性較差。我國變量撒施控制技術(shù)研究較早，撒肥量控制、工況監(jiān)測等技術(shù)較成熟；由于不同作物變量條施機(jī)的結(jié)構(gòu)差異較大，變量控制、肥管內(nèi)顆粒肥流量在線監(jiān)難度較大，變量條施控制技術(shù)相對不成熟。此外，研發(fā)的變量控制系統(tǒng)缺乏標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議和接口，導(dǎo)致不同系統(tǒng)之間不兼容，系統(tǒng)通用性較差。第二，系統(tǒng)集成度不高，智能化水平有待提高。我國現(xiàn)有變量撒施機(jī)的研究以中小型為主，變量撒施控制和工況監(jiān)測的研究相對獨立，集成變量控制與工況監(jiān)測的系統(tǒng)較少。對于肥料撒施控制的研究以直線作業(yè)方式為主，缺乏對復(fù)雜作業(yè)環(huán)境和不同作業(yè)軌跡自適應(yīng)控制方法的研究。第三，市場化程度低，適應(yīng)性有待提高。目前，我國對于變量施肥技術(shù)的研究主要集中在科研院所，主要針對變量控制技術(shù)難點問題的攻克，技術(shù)向產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化較少，研制出的成熟產(chǎn)品不多。此外，我國不同地區(qū)地形地貌差異較大，種植模式多樣，進(jìn)而對變量施肥系統(tǒng)的適應(yīng)性提出更高的要求。

為了進(jìn)一步提高我國變量施肥裝備的性能，促進(jìn)變量施肥技術(shù)發(fā)展，可以從以下幾個方面進(jìn)行突破。第一，擴(kuò)展故障監(jiān)測對象，研究故障預(yù)警技術(shù)。目前工況監(jiān)測中對故障的監(jiān)測主要集中在肥管堵塞等方面，變量施肥裝備各部分的運行狀態(tài)均會影響作業(yè)效果，完善故障監(jiān)測體系、擴(kuò)展監(jiān)測對象能夠提高系統(tǒng)無障礙工作時間，提高作業(yè)效率。進(jìn)行故障預(yù)警技術(shù)研究，有助于提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備問題，節(jié)省故障解決時間。第二，攻克變量條施機(jī)顆粒肥流量在線檢測難題，研究閉環(huán)控制技術(shù)，加強施肥數(shù)據(jù)的收集與分析。顆粒肥流量在線檢測是實現(xiàn)變量施肥閉環(huán)控制的前提。攻克顆粒肥流量在線檢測技術(shù)有助于肥料施用信息的收集和分析，以及對變量施肥系統(tǒng)作業(yè)性能進(jìn)行在線評價。第三，研究自適應(yīng)控制技術(shù)，提高系統(tǒng)的兼容性和適應(yīng)性，并促進(jìn)技術(shù)轉(zhuǎn)化和推廣。研究不同作業(yè)軌跡自適應(yīng)變量控制方法，提高變量施肥系統(tǒng)對不同作業(yè)環(huán)境的適應(yīng)能力。確立變量施肥設(shè)計行業(yè)規(guī)范，統(tǒng)一軟件設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、通信協(xié)議，提高變量施肥控制系統(tǒng)的兼容性。積極探索技術(shù)轉(zhuǎn)化模式，促進(jìn)變量施肥技術(shù)產(chǎn)業(yè)化、商品化。第四，研究無人機(jī)變量撒肥技術(shù)。無人機(jī)具有機(jī)動靈活、操縱簡單、成本低、獲取影像速度快、地面分辨率高等優(yōu)點。隨著無人航空技術(shù)的普及，無人機(jī)已經(jīng)在土壤和作物長勢信息獲取方面得到廣泛應(yīng)用。通過研究無人機(jī)變量撒施技術(shù)，可以實現(xiàn)對山地、不規(guī)則田塊等區(qū)域的變量施肥作業(yè)，進(jìn)一步豐富我國變量施肥裝備體系。