果园环沟施肥机械化：多段弧线轨迹设计与电液控制系统优化

为解决传统果园施肥存在肥料利用率低、根系损伤大及机械作业流畅性不足等问题，中国研究人员创新提出基于多段弧线轨迹的环沟施肥方法，开发分段PID（Proportional-Integral-Derivative）控制系统，实现施肥轨迹精准控制。结果显示，该轨迹使肥-根接触系数提升1.5倍，根系修剪系数≤8.13%，横向伸缩位移均方根误差（RMSE）仅0.010–0.011 m，为果园机械化精准施肥提供理论支撑。

　　

果园施肥技术长期面临肥料暴露地表或远离根系的困境，导致肥效低下且污染环境。中国黄土高原等干旱地区因土壤有机质匮乏，亟需通过精准施肥改善根域环境。传统环沟施肥依赖人工开沟，效率低且难以机械化。现有直线或锯齿形轨迹虽能机械作业，但存在肥-根接触不足、机械运行不流畅等问题。为此，陕西农业协同创新联盟等机构的研究团队在《Biosystems Engineering》发表论文，首次提出多段弧线轨迹及其分段PID控制方法，实现果园机械化环沟施肥的精准与高效。

研究采用多段弧线轨迹设计结合电液控制系统，通过构建开沟器横向运动控制模型，利用分段PID算法调控轨迹。田间试验以1.3 m和2.3 m株距验证系统性能，并评估肥-根接触系数（fertiliser-root contact coefficient）和根系修剪系数（root pruning coefficient）。

多段弧线轨迹设计
研究对比直线、锯齿形与多段弧线轨迹，发现后者机械运行速度无突变，肥-根接触系数达直线轨迹1.5倍以上（表3），根系修剪系数稳定在8.13%以下（图8, 10b）。弧线半径基于根系水平分布半径（R_b
）确定，兼顾施肥精度与机械连续性。

分段PID控制性能
电液系统在0.40 m s^?1
推荐速度下（图19），横向位移曲线与目标值相关系数>0.99，RMSE为0.010 m（1.3 m株距）和0.011 m（2.3 m株距），显示高精度适应性。

田间验证
试验表明，多段弧线轨迹在重载条件下仍保持稳定，开沟器阻力扭矩（214.4 N m）和牵引阻力（1328.2 N）可控，验证系统对株距与负载的强适应性。

该研究为果园机械化环沟施肥提供了理论与技术基础，通过多段弧线轨迹与分段PID控制的创新结合，显著提升施肥精度与机械效率，对干旱地区土壤改良与肥效提升具有重要实践意义。