我国是一个农业大国,用占世界7%的耕地面积养活了世界22%的人口。施肥和喷药是农业生产过程中重要环节,肥料能促进植物的生长,农药可控制农作物的病虫草害;高效施肥和喷药不仅有利于农作物的生长,实现农业高产、提高农业生产力,而且还能保护土壤和环境、实现资源的合理利用和农业的可持续发展。目前,国内外研发的施肥喷药机械大多功能单一,且主要针对大田作业,适用于丘陵山区的小型施肥喷药机械较少,丘陵山区人们施肥喷药作业存在劳动强度大、肥料和药液浪费严重等问题,因此研发一种适用于丘陵山地的施肥喷药机械具有重要意义。本文结合丘陵山区种植植物的农艺要求,运用离散元、传感器与自动控制技术,针对上述问题研制了一种小型施肥喷药机,主要研究内容与结论如下:（1）整机总体方案与关键部件设计结合施肥、喷药农艺要求,确定了小型施肥喷药机的整机设计方案,设计了撒肥圆盘、肥量调节装置、多方位可调式喷药装置、水/肥箱等关键部件;对肥料颗粒进行了运动学和动力学分析,得到了肥料颗粒的动力学方程,确定了影响施肥均匀性的工作参数范围:落肥口开度为40～80%、撒肥高度为400～600mm、圆盘转速为120～180r/min;基于液滴运动特性分析,确定了液滴覆盖面积控制理论。（2）基于EDEM的离散元施肥仿真试验与参数优化通过测量肥料颗粒的三轴尺寸、休止角、含水率、密度等物理特性参数,建立了施肥颗粒仿真模型;基于Slid Works中导入的简化施肥装置三维边界模型,结合EDEM离散元仿真分析软件设计了施肥过程虚拟仿真试验;试验以落肥口开度、撒肥高度、圆盘转速为试验因素,以肥料颗粒的均匀性变异系数为试验指标,基于Box-Behnken试验设计理论,进行了二次回归正交旋转组合仿真试验,建立了试验因素与指标之间的回归模型,并借助Design-expert10软件进行了响应面分析和参数优化。仿真试验结果表明:影响肥料颗粒均匀性变异系数Cv的主次顺序为圆盘转速C、落肥口开度A、撒肥高度B;通过参数优化后可知,当落肥口开度为62.63%、撒肥高度为482.97mm、圆盘转速为172.95r/min时,肥料颗粒分布均匀性变异系数（8.99%）最小,此时肥料的抛撒均匀性最好、撒肥性能最优。（3）控制系统软硬件设计搭建了以STM32F103C8T6核心控制器的施肥和变量喷药的硬件系统平台,利用Altium Designer软件完成了电源稳压、直流电机驱动、前进速度检测、步进电机驱动、水泵驱动以及人机交互等功能模块的设计与构建,使研发的系统能够通过传感器和STM32核心控制器实时获取、计算并处理前进速度、预设喷药量等信息,驱动直流电机、步进电机及水泵按照预定的目标动作,以辅助人们完成农业生产。同时,应用模块化程序设计原理,以C语言为系统开发语言,选用Keil u Vision 5为开发环境及编译、调试工具,配置硬件电路相关功能模块进行软件程序的开发;主要针对施肥作业系统以及基于用户设置、速度检测、步进电机与水泵驱动以及声光报警等子程序的变量喷药系统进行软件设计与开发;并在变量喷药系统中加入PID反馈控制,形成闭环控制回路,进一步提高系统控制精度,使软硬件相互结合,共同完成机具的作业执行系列过程。（4）整机施肥、喷药作业性能试验研究完成了小型施肥喷药机的样机试制,并基于试制样机开展了施肥、喷药相关性能试验研究。施肥性能试验表明:在最优施肥工作参数下,肥料颗粒分布均匀性变异系数Cv的均值为9.72%,与仿真试验的相对误差均值为7.36%,表明仿真优化模型较为可靠,验证了离散元仿真的可行性;对落肥口开度与排肥量进行了试验标定,两者的线性相关决定系数R~2=0.9909,可用于指导农业生产。喷药性能试验表明:变量喷药系统作业性能稳定,能够根据作业速度调整喷药量,系统设定的理论喷药量与实际喷药量的平均误差为5.02%;水平喷药模式下,当PWM占空比为40%～100%时,喷头喷药量范围为74.94～345.41m L/min,喷头均匀性变异系数均低于5%;在最优喷药参数下,竖直、45°倾斜、水平三种喷药模式的喷幅、射程均符合行业标准,水泵平均流量为1.74L/min;液滴覆盖率田间试验表明:同一喷药模式下,冠层雾滴覆盖率大小依次为左层＞中层＞右层,不同冠层高度的雾滴覆盖率大小依次为冠层高度1m＞0.6m＞1.4m;证明了根据植株的冠层大小和生长状况选择合适的喷药模式能够有效提高液滴覆盖率和药液利用率;喷药机各项参数均符合《NY/T 650-201喷雾机（器）作业质量》中的相关标准。本文为丘陵山区施肥喷药劳动强度大,机械集成度低、适应性差、无法精准变量药等问题提供了有效解决办法,为丘陵山区小型化、集成化和精确化机械的研发提供了理论和技术支撑。