2BFJ- 24型小麥精量播種變量施肥機設計與試驗

金 鑫 李倩文 苑嚴偉 邱兆美 周利明 賀智濤

(1.河南科技大學農(nóng)業(yè)裝備工程學院， 洛陽 471003； 2.機械裝備先進制造河南省協(xié)同創(chuàng)新中心， 洛陽 471003；3.中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院， 北京 100083)

0 引言

種肥同播是指將種子和緩釋肥按照一定間隔分層播入田間的一種種植農(nóng)藝模式，實現(xiàn)了農(nóng)機與農(nóng)藝結合、良種與良肥配套，相對傳統(tǒng)耕作模式能有效提升肥料利用率、穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)[1-3]，已成為我國中原地區(qū)小麥機械化生產(chǎn)技術研究的熱點之一[4]。目前我國已在河南、山東、河北等地開展了一系列冬小麥種肥同播試驗示范，取得了較好的應用成果。但作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)，由于缺乏種肥播施狀態(tài)監(jiān)測、排肥變速調節(jié)及故障信息監(jiān)測等質量控制技術，易產(chǎn)生播施精度不高、田間施肥量相對過大、作業(yè)可靠性難以保證等問題。鑒于此，研究播種與施肥質量實時監(jiān)控技術并集成整機應用顯得尤為迫切。

國外相關技術的研究始于20世紀50年代，到目前已針對稻麥、玉米、大豆等大田作物開發(fā)出圖像檢測、光譜/光電傳感、電容傳感、電液控制等專用種肥播施監(jiān)測與變量控制的技術，形成了較為完善的系列裝備[5-7]，應用較為廣泛的有John Deere公司JD- 1820型氣力式變量施肥播種機，配備有播種質量監(jiān)測傳感器、液壓馬達驅動控制器、Seed Star監(jiān)視儀等一系列檢測、傳輸與信號處理設備，能夠檢測到漏播、斷條等現(xiàn)象，在監(jiān)視儀器上進行圖形化統(tǒng)計與報警，通過控制液壓電液比例閥開度，實現(xiàn)液壓馬達驅動施肥量變量調節(jié)；美國CASE公司生產(chǎn)的ST820型氣送式大豆變量施肥播種機，集成有AFS處方圖軟件，可將生成的處方文件存入外接存儲卡，作業(yè)時將存儲卡中數(shù)據(jù)導入變量控制器，實現(xiàn)機器自動變量施肥播種。

國內在引進、消化和吸收國外研究成果基礎上，開展了一些適合我國國情的精量播種與變量施肥技術研究，代表性成果有[8-19]：中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院研制的2F- 6- BP1型變量配肥施肥機，具有現(xiàn)場檢測控制器模塊，根據(jù)土壤N、P、K含量不同，按需進行配肥施肥；中國農(nóng)業(yè)大學研制的稻茬小麥寬幅精量少耕播種機，提出了“種- 肥- 種”寬幅精量播種和帶狀旋耕相結合的防堵方法，減少了對入土部件的纏繞堵塞；北京市農(nóng)林科學院研制的2F- VRT1型變量施肥機，可根據(jù)用戶設置施肥量結合GPS位置信號及機組速度信號，自動調整排肥軸驅動系統(tǒng)轉速，實現(xiàn)實時變量作業(yè)；南京農(nóng)業(yè)大學設計的冬小麥變量施肥機控制系統(tǒng)，采用近地光譜探測與模糊PID控制技術相結合，實現(xiàn)了追肥控制精度90%以上；中農(nóng)機2BMG- 20型玉米變量免耕播種機，突破了種肥流量信息實時反饋的閉環(huán)控制技術。而對于適合我國農(nóng)業(yè)發(fā)展模式的小麥種肥同播作業(yè)裝備與過程質量監(jiān)控技術的集成研究與創(chuàng)新，還相對缺乏，應用示范效應不明顯。

本文在現(xiàn)有研究的基礎上，根據(jù)中原地區(qū)冬小麥適度規(guī)模種植種肥同播作業(yè)特點，融合車載傳感器、CAN總線傳輸、PIC控制及PC終端等技術，設計冬小麥精量播種施肥機，旨在實現(xiàn)小麥種肥同播的同時能夠實時監(jiān)測種子漏播與肥料堵塞情況，并按定位信息和處方信息的要求進行變量施肥。

1 精量播種變量施肥機系統(tǒng)設計

2BFJ- 24型精量播種變量施肥機系統(tǒng)可分為播種(施肥)機械結構部分、種肥監(jiān)測與變量控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)。

1.1 機械結構設計

圖1 2BFJ- 24型小麥精量播種變量施肥機Fig.1 2BFJ- 24 type variable fertilizer and precision wheat seed sowing machine1.地輪 2.播種開溝圓盤 3.漏播檢測傳感器 4.排種管 5.種箱 6.霍爾測速傳感器 7.排種軸 8.限深輪 9.堵塞檢測傳感器 10.排肥管 11.肥箱壓力傳感器 12.缺肥檢測傳感器 13.伺服電機 14.排肥軸 15.肥箱 16.施肥質量控制器17.GPS模塊 18.車載計算機

2BFJ- 24型精量播種變量施肥機機械結構由種箱、肥料箱、缺肥檢測傳感器、槽輪式排種(肥)器、伺服電機、肥箱壓力傳感器、排種(肥)管、種子漏播檢測傳感器、肥料堵塞檢測傳感器、限深輪、地輪等組成，如圖1所示。整機采用“2+2”對稱式結構設計，即由兩組播種和施肥單元組成，在機組前進方向施肥單元在前、播種單元在后，種箱和肥箱平行排列，高度相同、間距40 cm，落種和落肥位置相距約95 cm，結構緊湊、利于整機傳動布局；在垂直機組前進方向兩組播種和施肥單元對稱分布，左右兩側各有1個種箱和肥箱，每個種箱下設有12個排種口，12個排種槽輪通過一根排種軸帶動，動力由獨立的鋼制籠式地輪(土壤附著力大，減少打滑)提供；每個肥箱下設有6個排肥口，6個排肥槽輪通過1根六邊形施肥傳動軸帶動，傳動軸與伺服電機連接，采用三菱HC- SFS52K型伺服電機，額定功率(額定轉速)500 W(3 500 r/min)，額定扭矩1.35 N·m；參考文獻[12]，施肥傳動軸正常排肥需提供大于36 N·m扭矩，因此在伺服電機輸出端連接速比為1∶40的減速機。在垂直機組前進方向落種位置間距15 cm，落種與落肥位置間距7.5 cm，播種深度3～5 cm可調，施肥深度8～10 cm可調(圖2)；整機24行播種與12行施肥，作業(yè)幅寬約3.5 m，滿足適度規(guī)模作業(yè)冬小麥分層種肥同播農(nóng)藝要求，防止燒苗。將AC220V交流電由XNT- 1000W逆變器將拖拉機電能轉換獲取整機電力；用于種肥播施深度控制的限深輪位于機器兩側，由獨立的液壓系統(tǒng)控制與拖拉機后置液壓裝置對接。

圖2 機器落種落肥示意圖Fig.2 Sketch of wheat seed and fertilizer particle seeding

圖3 精量播種變量施肥機系統(tǒng)結構框圖Fig.3 Structure diagram of variable fertilizer and precision wheat seed sowing machine system

1.2 系統(tǒng)方案設計

圖3是精量播種變量施肥機系統(tǒng)總體結構圖，系統(tǒng)主要由施肥(播種)執(zhí)行部件、傳感器模塊、控制器模塊、GPS模塊及車載計算機終端組成。傳感器模塊包括種子漏播檢測傳感器、肥料堵塞檢測傳感器、測速傳感器、肥箱壓力檢測傳感器及缺肥檢測傳感器；其中，兩組播種單元(每組12行)在排種管上端30 mm處以間隔2行各布置6個漏播檢測傳感器(小麥排種口間距較小為12 cm，近似認為兩相臨排種口狀態(tài)相同)，兩組施肥單元(每組6行)在每個排肥管下端口都布置肥料堵塞檢測傳感器，1個霍爾測速傳感器固定在1個種箱外側用于測量地輪與排種軸間的萬向傳動軸轉速，2個肥箱的外側下端各支撐2個BK- 2E型壓力傳感器(量程200 kg)，各肥箱的內側通過兩個連接點直接固定于機架上，連接點位置與壓力傳感器安裝點呈對稱分布，此時每個肥箱的4個連接點受力基本一致，則肥箱質量為

m=2k(V1+V2)

(1)

式中m——肥箱質量，kg

k——傳感器輸出電壓- 質量比例系數(shù)，kg/mV

V1——肥箱壓力傳感器1輸出信號，mV

V2——肥箱壓力傳感器2輸出信號，mV

根據(jù)箱內肥料質量變化，可由控制系統(tǒng)指導施肥作業(yè)；2個肥箱底部距排肥口30 mm處，均布置有一個電容式缺肥檢測傳感器?？刂破髂K包括2個播種質量控制器(兩組播種單元各1個)和1個施肥質量控制器，分別用于采集處理種子漏播、肥料堵塞與變量施肥數(shù)據(jù)信息。

該系統(tǒng)各模塊通過CAN總線連接，并根據(jù)預先制定的通訊協(xié)議協(xié)調工作，傳感器模塊將種子漏播、肥料堵塞、地輪速度、肥箱質量及電動機轉速等電壓檢測信號，經(jīng)控制器模塊整形放大、濾波降噪及模數(shù)轉換后，傳輸?shù)杰囕d計算機；車載計算機融合相關信息和決策算法，為變量施肥提供控制策略與指令，并顯示漏播和堵塞報警信息，實現(xiàn)精量播種和變量施肥目的。

2 種肥監(jiān)測與變量控制技術

2.1 種子漏播監(jiān)測系統(tǒng)

種子漏播監(jiān)測系統(tǒng)主要由光電傳感器、播種質量控制器、車載計算機監(jiān)控終端等組成，在小麥播種過程中具有漏播監(jiān)測與聲光報警功能，系統(tǒng)結構框圖如圖4所示。兩組播種單元中各6個光電傳感器的檢測信號分別經(jīng)2個播種質量控制器由CAN總線傳輸至車載計算機。

圖4 種子漏播監(jiān)測系統(tǒng)結構框圖Fig.4 Structure diagram of seed leakage monitoring system

2.1.1漏播檢測傳感器

(1)檢測原理

種子漏播檢測是基于光電檢測原理，將種子下落信號轉換為電脈沖信號，經(jīng)單片機處理后獲取漏播信息。具體實施：在排種管壁采用對射式紅外光電傳感器，一側為紅外發(fā)射端，另一側為信號接收端，接收端采用RC電路[20]；當有種子通過排種管時，發(fā)射端發(fā)出的紅外信號受到種子遮擋，接收端輸出電壓增大；通過對接收端電壓信號的采集與處理，來實現(xiàn)播種狀態(tài)的監(jiān)測。

漏播檢測傳感器采用對射式結構，主要由紅外發(fā)射端、信號接收端、數(shù)據(jù)線及電源線等組成，結構如圖5a所示。傳感器安裝前在排種管上端距排種口30 mm處相對開孔(圖5c)，將發(fā)射端和接收端置于孔內并對齊，殼體露于排種管外壁，外側再由固定帶緊固；避免了灰塵、泥土對信號傳遞的影響。

圖5 種子漏播檢測傳感器及安裝示意圖Fig.5 Diagrams of seed leakage detection sensor and installation1.信號接收端 2.電源線 3.紅外發(fā)射端 4.數(shù)據(jù)線 5.開孔 6.緊固帶

2.1.2播種質量控制器

播種質量控制器的主要功能是采集傳感器檢測信號，并實現(xiàn)信號整形、濾波放大與數(shù)模轉換。本文采用美國微芯科技的PIC16F1779單片機，具有4個捕捉/比較/脈寬調制模塊、3個增強型捕捉/比較/脈寬調制模塊、1個數(shù)模轉換器模塊和ECAN模塊等。利用其信號捕捉模式，可捕捉種子通過傳感器檢測區(qū)域的脈沖信號，進行放大與A/D處理，從而實現(xiàn)6路播種信號的實時監(jiān)測。經(jīng)檢測小麥種子通過排種管時產(chǎn)生的脈沖寬度為0.8～6 ms，信號捕捉處理分辨率滿足該機播種速率要求。數(shù)據(jù)傳輸采用CAN總線接口，由協(xié)議模塊完成數(shù)據(jù)處理并通過總線將數(shù)據(jù)傳至車載計算機。

2.1.3車載計算機監(jiān)控終端(播種部分)

車載計算機監(jiān)控終端對播種部分主要完成數(shù)據(jù)的解算、漏播評判、顯示與聲光報警等功能。車載計算機集成有顯示屏、聲光報警驅動、多路漏播報警指示燈及測速傳感數(shù)據(jù)，可對多路排種管漏播情況進行高亮顯示和聲音報警；當無測速傳感數(shù)據(jù)時，使報警系統(tǒng)停止，避免停機頻繁報警。

2.2 肥料堵塞監(jiān)測系統(tǒng)

肥料堵塞監(jiān)測系統(tǒng)主要由電容傳感器、施肥質量控制器、車載計算機監(jiān)控終端等組成，在施肥過程中具有肥料堵塞監(jiān)測與聲光報警功能，系統(tǒng)結構框圖如圖6所示。12個電容傳感器檢測信號經(jīng)施肥質量控制器由CAN總線傳輸至車載計算機。

圖6 肥料堵塞監(jiān)測系統(tǒng)結構框圖Fig.6 Structure diagram of fertilizer blockage monitoring system

2.2.1堵塞檢測傳感器

(1)檢測原理

當前臨床中治療腦膠質瘤的方式主要是手術,也是治療該疾病的首選方式。開放式手術需要進行開顱操作,手術時受到多方面因素的影響,創(chuàng)口大,容易導致術后細菌感染,所以開放式手術在治療的時候無法獲得預期的效果[1]?，F(xiàn)在臨床中的醫(yī)療手段不斷優(yōu)化,微創(chuàng)手術在手術治療中有著非常好的效果,臨床中得到了廣泛的應用。此次我院就微創(chuàng)手術和傳統(tǒng)開放手術效果進行了對比分析,現(xiàn)有以下報道。

肥料堵塞檢測是基于變介電常數(shù)電容檢測原理，將肥料顆粒堆積所引起的電容變化轉換為電壓信號，經(jīng)單片機處理后獲取堵塞信息。具體實施：在排肥管末端采用貼片式電容傳感器，調節(jié)閾值使其高于肥料顆粒正常通過排肥管時信號強度；當發(fā)生肥料堵塞時，傳感器內介質相對介電常數(shù)有較大變化導致電容量變化，通過測量電路可將電容變化轉換為電信號輸出。電容決定公式為

(2)

式中ε0——真空介電常數(shù)，F(xiàn)/m

ε1——電容極板間介質相對介電常數(shù)，F(xiàn)/m

S——兩電容極板正對面積，mm2

d——兩電容極板間距離，mm

(2) 傳感器結構及安裝

肥料堵塞檢測傳感器由絕緣筒、上下兩電容極板、測量電路板、信號線、電源線及殼體等組成，結構如圖7a所示。傳感器絕緣筒(外徑40 mm,內徑36 mm)上端口與排肥管下端口對接，上下兩電容極板(薄銅片)對稱環(huán)繞絕緣筒外壁，由殼體將信號線、測量電路板及電容極板封裝于絕緣筒上端口以下50 mm部位，避免泥灰干擾；殼體下端口對應兩開溝圓盤正上方，便于準確落肥。

圖7 肥料堵塞檢測傳感器Fig.7 Installation of fertilizer blockage monitoring sensor1.絕緣筒 2.電容極板 3.測量電路板 4.信號線 5.殼體

2.2.2施肥質量控制器(肥料堵塞部分)

施肥質量控制器對肥料堵塞部分主要功能是將電容傳感器檢測電壓信號進行整形、降噪、放大與D/A轉換，并由總線協(xié)議模塊對接CAN總線輸出。控制器具體結構與模塊功能見2.3.1節(jié)，拓展了12個PWM通道并集成AD7746轉換模塊，用于捕捉傳感器檢測區(qū)域脈沖信號，進行濾波放大與A/D轉換，實現(xiàn)12路落肥信號的實時監(jiān)測。

2.2.3車載計算機監(jiān)控終端(肥料堵塞部分)

車載計算機監(jiān)控終端對肥料堵塞部分主要完成數(shù)據(jù)解算、堵塞評判、顯示與聲光報警等功能。車載計算機集成有屏顯、聲光報警驅動、多路堵塞報警指示燈，可實現(xiàn)多路排肥管肥料堵塞情況的實時聲音報警與顯示。

2.3 變量施肥控制系統(tǒng)

變量施肥控制系統(tǒng)是該機的核心部分，主要由測速傳感器、缺肥檢測傳感器、肥箱壓力傳感器、排肥伺服電機、施肥質量控制器和車載計算機終端等組成，完成車載傳感器信號采集、施肥作業(yè)控制及工況數(shù)據(jù)顯示與存儲。變量施肥控制系統(tǒng)結構原理如圖8所示，由施肥質量控制器采集測速傳感器及兩組排肥單元的缺肥(采用電容式接近開關檢測)和肥箱壓力傳感器信號，經(jīng)放大、降噪處理與A/D轉換后，通過CAN總線傳輸至車載計算機；車載計算機根據(jù)信息反饋結合GPS位置與處方圖，通過PID控制算法，生成施肥策略，并向施肥質量控制器實時發(fā)送施肥指令；控制器通過D/A轉換輸出模擬控制信號，對兩組排肥伺服電機進行轉速控制，進而實現(xiàn)變量施肥目的。

圖8 變量施肥控制系統(tǒng)結構框圖Fig.8 Structure diagram of variable fertilizer control system

圖9 施肥質量控制器Fig.9 Controller of fertilizer quality1.電源 2.PIC單片機 3.數(shù)據(jù)線 4.伺服電機驅動器

2.3.1施肥質量控制器

施肥質量控制器有變量施肥信息處理和肥料堵塞信息處理兩大功能，對于變量施肥主要完成肥箱壓力傳感器、測速傳感器和排肥伺服電機轉速信息的采集，并通過CAN總線與車載計算機進行通訊，根據(jù)計算機指令來控制電機工作，實物如圖9所示?？刂破餍酒捎妹绹⑿究萍嫉腜IC18F2580單片機，具有SPI、USART、AD及ECAN等外圍模塊，通過SPI總線與16位無丟失代碼轉換模塊AD7706(0.003%非線性)通訊，實現(xiàn)數(shù)模轉換；整個控制器由單片機、伺服電機驅動器及相關模塊串聯(lián)組成，與車載計算機之間采用CAN總線組網(wǎng)連接，具有布線簡單、通訊可靠性高等優(yōu)點。

2.3.2測速傳感器

測速傳感器利用霍爾原理，通過檢測地輪與排種軸之間萬向傳動軸的轉速，可實現(xiàn)對機器前進速度檢測與排種動力情況監(jiān)測，現(xiàn)場安裝如圖10所示。采用霍爾式測速傳感器，固定于一個排種箱外側，在萬向傳動軸上安裝磁鐵，傳感器前端正對磁鐵、間距5 mm。當?shù)剌嗈D動帶動萬向傳動軸旋轉時，磁鐵接近傳感器便產(chǎn)生脈沖信號，通過霍爾器件電路輸出至施肥質量控制器，進行計數(shù)存儲。地輪線速度vD為

vD=2πriN/T

(3)

式中r——地輪半徑，m

i——地輪與萬向傳動軸的傳動比

N——脈沖個數(shù)

T——計時周期，s

考慮到地輪打滑，測速數(shù)據(jù)演算實際車速時，vC=δvD，δ為滑移系數(shù)，本文取δ=0.95。

圖10 測速傳感器安裝圖Fig.10 Installation diagram of velocity sensor1.種箱 2.萬向軸 3.霍爾測速傳感器 4.磁鐵

2.3.3車載計算機終端

車載計算機是針對2BFJ- 24型精量播種變量施肥機設計的一款集成工控與顯示的多功能PC一體機，可實現(xiàn)種子漏播、肥料堵塞的判定與報警，以及變量施肥決策功能。圖11為研制的車載計算機，具備人機交互接口，可進行作業(yè)參數(shù)設置與串口連接，顯示作業(yè)處方圖、排肥電動機轉速、作業(yè)面積、種子漏播與肥料堵塞等信息，負責變量施肥控制策略的輸出，存儲相關作業(yè)過程數(shù)據(jù)。車載計算機集成了高精度GPS定位模塊，可獲得當前機器的位置信息；集成武漢吉陽光電GY8507 USB- CAN通訊模塊，具有00RLT8111C 10/100/1000Mb/s網(wǎng)絡接口、RS232/485和USB2.0等多設備接口，方便與播種質量控制器和施肥質量控制器進行組網(wǎng)連接。車載計算機采用VI- PAD1000型工業(yè)觸摸屏、工業(yè)固態(tài)硬盤，屏顯豐富、操作便捷。

圖11 車載計算機Fig.11 Truck-mounted computer

3 軟件系統(tǒng)設計

精量播種變量施肥系統(tǒng)軟件包括傳感器數(shù)據(jù)采集顯示、機器位置信息解算、漏播顯示、堵塞顯示、處方圖數(shù)據(jù)加載、變量施肥決策、數(shù)據(jù)存儲及串口設置等模塊功能。機器位置信息是通過GPS模塊提供的NEMA0183協(xié)議信息，解算出機器當前的位置坐標；數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)種子和肥料流量、機器前進速度、排肥電動機轉速、GPS等傳感器信息的采集。變量施肥決策系統(tǒng)根據(jù)施肥處方圖結合當前機器位置信息，生成施肥決策，實時將施肥控制信息發(fā)送至施肥質量控制器，實現(xiàn)變量按需施肥。種子漏播、肥料堵塞及變量施肥作業(yè)參數(shù)數(shù)據(jù)實時顯示，車載計算機控制軟件程序由Visual Basic 6.0語言編寫，操作界面如圖12所示。

圖12 軟件操作界面Fig.12 Software operation interface

上位機系統(tǒng)軟件通過調用GY8507模塊提供的USBCAN庫文件中的CAN操作函數(shù)實現(xiàn)基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集與顯示。為提高傳感器及定位信息采集的準確性，采用滑動中值濾波算法對采集的信息進行預處理，盡可能消除現(xiàn)場干擾對數(shù)據(jù)的影響。

圖13 軟件系統(tǒng)程序流程Fig.13 Program flow diagram of software system

系統(tǒng)首先進行初始化配置，包括CAN總線通信速率及模式設置、GPS接收串口參數(shù)設置以及施肥量作業(yè)參數(shù)設置等，并進行處方圖加載；之后啟動數(shù)據(jù)接收定時器，通過CAN總線接收稱量傳感器、肥料堵塞傳感器、漏播檢測傳感器及前進速度傳感器信息并進行處理，完成堵塞漏播報警，同時獲取肥箱質量反饋信息及作業(yè)速度；另外系統(tǒng)通過調用MSCOMM控件中斷函數(shù)獲取GPS定位信息，結合處方圖進行位置匹配，得到作業(yè)點處的期望施肥量；系統(tǒng)根據(jù)期望施肥量、前進速度、肥箱質量、施肥作業(yè)幅寬等進行控制決策，得到期望排肥轉速，并通過CAN總線發(fā)送給施肥質量控制器，調整排肥軸轉速，完成施肥量在線調整。軟件程序流程如圖13所示。

4 田間試驗

為了對2BFJ- 24型小麥精量播種變量施肥機的種肥監(jiān)測準確性及變量施肥可靠性進行檢測，2017年10月在洛陽市伊濱區(qū)農(nóng)場由東方紅RD- 1504F型拖拉機牽引進行了田間作業(yè)試驗，試驗現(xiàn)場如圖14所示。試驗地塊面積選取5 hm2，試驗種子為科農(nóng)199小麥種子，肥料采用史丹利三安“18- 18- 18”復合肥；事先人工采集試驗地土樣，獲取該地塊養(yǎng)分信息，再按照施肥指導量生成處方圖，加載于車載計算機；試驗中機器常規(guī)作業(yè)速度5 km/h，單輪試驗取試驗地塊2次往返距離，試驗距離600 m，完成整機種子漏播率監(jiān)測、排肥管堵塞及變量施肥精度等試驗。

圖14 2BFJ- 24型小麥精量播種變量施肥機田間試驗Fig.14 Field experiment of 2BFJ- 24 type machine

4.1 漏播監(jiān)測精度試驗

漏播監(jiān)測試驗采取人為制造漏播故障的方式進行，當作業(yè)速度達到設定值后，啟動漏播監(jiān)控系統(tǒng)，記錄車載機算機顯示的漏播報警次數(shù)，并采用人工查看播種帶，統(tǒng)計播種作業(yè)實際斷條情況，記錄實際漏播次數(shù)，為驗證作業(yè)速度對漏播檢測的影響，設定作業(yè)速度分別為5 km/h和7 km/h。每個速度條件下重復試驗5次，各次試驗數(shù)據(jù)結果見表1。從表中可以看出，在兩種作業(yè)速度條件下該機漏播監(jiān)測系統(tǒng)種子漏播率監(jiān)測相對誤差均小于9%，準確率達91%以上，根據(jù)測試數(shù)據(jù)，作業(yè)速度對漏播檢測精度無明顯影響。檢查實際下種情況發(fā)現(xiàn)，漏播未報警是因為持續(xù)時間小于報警延遲時間設置，可通過多次檢測標定調整合適延時設置。

4.2 肥料堵塞報警試驗

肥料堵塞報警試驗采取人工干預落肥口堵塞的方式進行，在機組各部件正常運行情況下，啟動肥料堵塞監(jiān)測系統(tǒng)，記錄車載機算機顯示的堵塞報警次數(shù)及傳感器指示燈亮起次數(shù)，并統(tǒng)計人工干預堵塞次數(shù)。重復試驗8次，各次試驗結果見表2。從表中可以看出，堵塞報警準確率達98%以上，誤報的主要來源是漏報，可通過調節(jié)介質型電容傳感器的閾值來減少漏報情況。

表1 種子漏播率試驗數(shù)據(jù)Tab.1 Test data of seedmissing rate

表2 肥料堵塞報警試驗數(shù)據(jù)Tab.2 Test data of fertilizer blockage monitoring

4.3 變量施肥精度試驗

試驗區(qū)域隨機選擇，實際施肥質量采用塑料袋接取稱量方式獲得。進行6組試驗，分別記錄車載計算機顯示的理論施肥量、施肥面積、目標施肥質量等數(shù)據(jù)，并記錄實際施肥質量，數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果見表3。由表3可知，變量施肥系統(tǒng)控制誤差小于4%，準確率超過96%，滿足精準施肥要求。經(jīng)農(nóng)場科技人員測算，使用該機進行播種施肥作業(yè)，相對于傳統(tǒng)播施作業(yè)，每公頃地節(jié)約化肥近20 kg，降低成本約70元，具有較好的經(jīng)濟效益。

表3 變量施肥田間試驗數(shù)據(jù)Tab.3 Experiment results of automatic conveying forvegetable potted seedlings

5 結論

(1)集成車載傳感器、CAN總線傳輸、PIC控制及PC終端等技術，設計了2BFJ- 24型冬小麥精量播種變量施肥機，該機主要由槽輪式排種排肥機構、漏播監(jiān)測系統(tǒng)、堵塞監(jiān)測系統(tǒng)、變量施肥控制系統(tǒng)及車載計算機終端組成，整機作業(yè)幅寬3.2 m，可實現(xiàn)24行播種與12行施肥同步作業(yè)，并具備種子漏播、肥料堵塞實時聲光報警與按需變量施肥功能。

(2)基于光電檢測與介質型電容傳感技術，分別將對射式紅外傳感器、變介電常數(shù)電容傳感器元件封裝于排種管上端內與排肥管下端口，可實現(xiàn)種、肥流量信號的實時監(jiān)測，且防塵擋泥；變量施肥采用施肥質量控制器采集肥箱壓力傳感器獲取的肥料質量變化數(shù)據(jù)，解算出實際施肥量和肥料流量(作為反饋量)，并結合地塊處方圖和機器GPS定位信息確定目標施肥量，以速度控制方式驅動排肥伺服電機，構成閉環(huán)反饋PID控制系統(tǒng)，具有較好的魯棒性。

(3)田間試驗結果表明：該機種子漏播率監(jiān)測相對誤差小于9%，肥料堵塞報警準確率超過98%，變量施肥控制精度達96%以上，能夠對冬小麥播種施肥過程的作業(yè)質量進行有效監(jiān)測與控制，降低了生產(chǎn)成本。

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