農(nóng)業(yè)物料撒播技術(shù)在無人直升機(jī)中應(yīng)用的思考

宋燦燦，周志艷,3，羅錫文，姜 銳, 蘭玉彬，張海艷

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院/廣東省農(nóng)業(yè)航空應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，廣州 510642；2.國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國際聯(lián)合研究中心，廣州 510642；3.南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，長沙 410128)

0 引言

作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分，農(nóng)業(yè)航空因其環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、作業(yè)高效和及時性等優(yōu)點(diǎn)近年來在國內(nèi)外得到了快速發(fā)展[1-2]。航空作業(yè)不受作物長勢的限制，不受地面環(huán)境的影響，不會破壞地表，利于作物后期管理，可大幅度降低成本,改善生態(tài)環(huán)境，提高經(jīng)濟(jì)效益。在發(fā)展現(xiàn)代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中，農(nóng)業(yè)航空承擔(dān)著越來越重要的角色[3]。2010年以前，我國農(nóng)用飛機(jī)以有人駕駛固定翼飛機(jī)和直升機(jī)為主[4]，作業(yè)效率高，克服了傳統(tǒng)作業(yè)方式的缺點(diǎn)；但需要專用機(jī)場起降，且有人駕駛飛機(jī)只能在大面積連片區(qū)域作業(yè)，對于小面積且分散的田塊，有人駕駛飛機(jī)難以靈活控制作業(yè)范圍。無人直升機(jī)無需專用機(jī)場，可在田間地頭靈活起降[5]，較高的實(shí)時性可對作業(yè)環(huán)境做出及時的響應(yīng)[6-7]，相比地面機(jī)械和有人駕駛飛機(jī)，無人機(jī)作業(yè)優(yōu)勢明顯，無人直升機(jī)的出現(xiàn)給農(nóng)業(yè)航空的發(fā)展開辟了新的方向[8-9]。

據(jù)統(tǒng)計，我國沼澤面積約1 100萬hm2[10]，沿海灘涂總面積約220萬hm2[11]，這些地區(qū)土壤水分大，嚴(yán)重潛育化。此外，我國南方地區(qū)多小田塊，高差大，冷浸田有深厚的潛育層，排水不暢[12-13]。目前，全國約有冷浸田346萬hm2，占全國稻田面積的15.7%[14]，深泥腳田的泥腳深度可達(dá)30cm以上，要在這些區(qū)域進(jìn)行作業(yè)，地面機(jī)械行走困難，較容易深陷田間。在平原地區(qū)，機(jī)械化水平提高較快，但地面機(jī)械對地表的壓實(shí)破壞作用使后期作物的出苗率降低[15]。在丘陵地區(qū)，由于生產(chǎn)條件的限制，大型地面播種機(jī)械難以行走，主要依靠小型播種機(jī)作業(yè)，費(fèi)時費(fèi)力[16]。在丘陵、沼澤、電線桿、防風(fēng)林、居民區(qū)等區(qū)域也不利于有人駕駛農(nóng)用飛機(jī)播種作業(yè)。無人直升機(jī)可在地面機(jī)械和有人駕駛飛機(jī)難以作業(yè)的種植區(qū)進(jìn)行作業(yè)，是對地面機(jī)械和有人駕駛飛機(jī)的完善和補(bǔ)充，可提高航空作業(yè)的環(huán)境適應(yīng)性。

由于無人直升機(jī)存在有效載荷量少、滯空時間短等缺點(diǎn)[17]，地面機(jī)械和有人駕駛飛機(jī)掛載的農(nóng)業(yè)物料撒播器無法直接應(yīng)用于無人直升機(jī)。為了開發(fā)出適合無人直升機(jī)掛載的農(nóng)業(yè)物料撒播器，本文擬在綜述國內(nèi)外現(xiàn)有撒播技術(shù)的基礎(chǔ)上，分析各種撒播技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)；針對無人直升機(jī)掛載播撒裝置的特殊需求，提出無人直升機(jī)用于農(nóng)業(yè)物料播撒的技術(shù)方案；基于無人直升機(jī)的農(nóng)業(yè)物料撒播方法，分析無人直升機(jī)撒播技術(shù)的研究方向，為無人直升機(jī)撒播技術(shù)的研究提供參考。

1 常見農(nóng)業(yè)物料撒播技術(shù)綜述

撒播的對象主要是小粒徑種子、肥料顆粒等農(nóng)業(yè)物料，與育苗相比，撒播降低了移栽成本，提高了作業(yè)效率，是目前較常用的直播方法[18-19]。物料撒播作業(yè)主要分為排種和拋撒兩個過程，將物料從物料箱均勻排出，并均勻拋撒是保證撒播質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)[20]。

1.1 常見的播量調(diào)控技術(shù)綜述

播量調(diào)控技術(shù)用于將物料從物料箱內(nèi)分離并控制出口排量，主要依靠排種器或其他結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)播量調(diào)控。

1.1.1 機(jī)械式播量調(diào)控技術(shù)

機(jī)械式播量調(diào)控主要是根據(jù)種子粒型，在排種器上設(shè)計型孔或者溝槽，種子依靠自身重力經(jīng)充種、排種從種箱中分離出來[20]。典型的有窩眼式、槽輪式、圓盤式、振動式、指夾式、帶式、滾筒式、攪龍式、推桿式和環(huán)帶孔式排種器等[21]，主要依靠改變排種原理實(shí)現(xiàn)變量調(diào)控。

窩眼式排種器的重要部件是型孔，不同結(jié)構(gòu)的型孔適應(yīng)不同粒徑的種子。窩眼式排種器工作時，物料顆粒在窩眼輪的轉(zhuǎn)動下進(jìn)入型孔內(nèi)，并隨之排出[22]，窩眼輪的轉(zhuǎn)速和型孔尺寸等是影響排種器性能的關(guān)鍵因素。崔紅梅等人(2014)對玉米單粒播種機(jī)的可調(diào)窩眼式精密排種器進(jìn)行研究，試驗(yàn)分析了排種盤轉(zhuǎn)速和窩眼長度對播種質(zhì)量的影響，確定了較佳的精量作業(yè)參數(shù)，玉米單粒指數(shù)達(dá)到88%；該排種器的窩眼大小可調(diào)，能適應(yīng)不同的種子顆粒[23]。湯楚宙等人(2010)設(shè)計了一種由型孔輪和調(diào)節(jié)環(huán)組成的變?nèi)萘啃涂资脚欧N器，移動調(diào)節(jié)環(huán)可改變型孔容積，實(shí)現(xiàn)無級變量調(diào)節(jié)[24]。窩眼式排種器的型孔尺寸對種子的要求較高，主要用于點(diǎn)播和穴播，通用性較差，播量調(diào)節(jié)不明顯，難以實(shí)現(xiàn)較大顆粒流。

外槽輪排種器的關(guān)鍵部件是槽輪，排種時主要依靠外部動力帶動槽輪轉(zhuǎn)動，落入溝槽內(nèi)的種子在槽輪的推撥下排出，播量取決于溝槽的尺寸、槽輪的有效工作長度和轉(zhuǎn)速，通用性較好[25]。常金麗等人(2007)在外槽輪排種器的基礎(chǔ)上設(shè)計了由壓縮彈簧和調(diào)節(jié)手柄組成的播量調(diào)節(jié)裝置，通過改變外槽輪的工作長度調(diào)節(jié)播量[26]。外槽輪排種器結(jié)構(gòu)簡單，可通過改變溝槽的尺寸調(diào)節(jié)排量，且可適應(yīng)不同粒徑的種子，方便調(diào)節(jié)播量。

圓盤式排種器關(guān)鍵部件是帶有型孔的圓盤、刮種器和推種器，主要依靠圓盤上的型孔實(shí)現(xiàn)種子均布，對種子要求較高，受型孔限制，通用性差，主要用于穴播或單粒點(diǎn)播，播量依靠圓盤轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)[27-28]。

振動式排種器主要依靠振動作用將物料箱中的種子振落，播量由振動頻率決定。振動式排種器較適合偏圓形的物料顆粒，流動性好，可形成較大顆粒流。

指夾式排種器利用仿生原理，模仿人手指按壓顆粒物體在平面上推動的動作，關(guān)鍵部件是仿生指夾和指夾蓋，依靠凸輪實(shí)現(xiàn)仿生指夾和指夾蓋之間的配合運(yùn)動，利用仿生指夾與種子之間的摩擦力使種子到達(dá)指定位置[29]，較適合單粒種子排種。

攪龍式排種器的關(guān)鍵排種部件是攪龍，通過改變攪龍葉片的尺寸和攪龍的轉(zhuǎn)速調(diào)控播量。作業(yè)時，由單一的或者旋轉(zhuǎn)方向相反的兩個攪龍將物料箱內(nèi)的物料顆粒沿攪龍長軸方向連續(xù)排列，常用于物料輸送裝置[30]，對攪龍單位時間內(nèi)的輸送量要求不高[31]。

李順等人(2012)設(shè)計了輕型帶式排種裝置，充種帶安裝在種箱底部，充種帶上設(shè)有錐型孔，作業(yè)時種子自種箱錐形底部直接囊入充種帶的型孔中，隨充種帶的轉(zhuǎn)動靠自重脫離充種帶[32]。

1.1.2 氣力式播量調(diào)控技術(shù)

氣力式排種器按照作用原理主要分3種：氣壓式、氣吹式和氣吸式，其相同點(diǎn)在于利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流形成壓差，將種子囊入型孔內(nèi)，并通過清種裝置清除多余的種子[33]，關(guān)鍵在于排種器的氣流出入口處壓差、空氣流速及錐孔結(jié)構(gòu)設(shè)計[34]。R.C. Singh等人(2005)設(shè)計了一種氣力式排種裝置，通過試驗(yàn)研究了排種盤轉(zhuǎn)速、氣流壓力和吸種孔型對排種的影響，確定了單粒播種的最佳吸種孔的錐角及排種盤的轉(zhuǎn)速等參數(shù)[35]。張國忠等人(2013)設(shè)計的水稻氣力式排種器，主要用于水稻的精量穴直播，采用具有群布吸孔的吸種盤，利用氣壓差形成真空度，使種子順利排布在吸種盤上，精確度較高且傷種率低[36]。趙文厚等人研制了4BQD-40氣力噴播機(jī)噴射式排種器，利用高速氣流吸種、壓送的原理，將種子吸入管道內(nèi)形成二相流，實(shí)現(xiàn)高速遠(yuǎn)距離拋撒種子，傷種率較低[37]。

氣力式排種器需要獨(dú)立的風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，對裝置的氣密性要求較高，氣室結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

1.1.3 其他播量調(diào)控技術(shù)

陳書法等人(2012)研究了用于微小尺寸作物育苗的壓電型振動氣吸式排種方式，將壓電驅(qū)動方式與氣吸盤相結(jié)合，使種子產(chǎn)生利于吸種的“沸騰”運(yùn)動，吸種率和吸種量與壓電振動強(qiáng)度有關(guān)，吸種率高，傷種率低[38]。何培祥等人(2003)設(shè)計的電磁式排種器以PIC16 F 877為核心，利用光電控制技術(shù)，每次排種粒數(shù)由開關(guān)按鈕控制，方便調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)單?；蛘哌B續(xù)排種[39]。張書慧等人(2004)設(shè)計了一套精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)自動變量施肥機(jī)控制系統(tǒng)，以AT89C52單片機(jī)為中心，在不改變原有結(jié)構(gòu)的前提下，通過改變排肥軸的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)變量調(diào)節(jié)[40]。

如前所述，目前研究較多的播量調(diào)控方法中，排種器主要分兩類:①依靠排種通孔、型孔、溝槽等分離顆粒，形成單粒顆粒流，適用于精密播種，不適合撒播[41]；②依靠振動帶、傳輸帶、旋轉(zhuǎn)葉片分離顆粒，形成較大顆粒流，較適合顆粒分布不規(guī)則的播種作業(yè)。部分機(jī)械式排種器的播量調(diào)控原理同樣適合控制顆粒流，如攪龍排種器的螺旋攪龍可在輸送過程中形成顆粒流，通過卡緊機(jī)構(gòu)和分度盤等結(jié)構(gòu)將物料顆粒定位輸出[42]，可產(chǎn)生大排量顆粒流。外槽輪式排種器的溝槽結(jié)構(gòu)加以改進(jìn)也可形成顆粒流。無人直升機(jī)載荷量有限，滯空時間短，屬于低空高速作業(yè)，現(xiàn)有的播量調(diào)控方法難以直接應(yīng)用在無人直升機(jī)撒播上，需要對排種結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步的研究和改進(jìn)，以提高顆粒流量和播量調(diào)控的精度。

1.2 常見農(nóng)業(yè)物料拋撒技術(shù)綜述

拋撒是物料撒播作業(yè)的第二個重要技術(shù)，關(guān)鍵在于將排種器排出的物料顆粒流均勻地拋撒出去。現(xiàn)有的拋撒技術(shù)如下所述。

1.2.1 離心式拋撒技術(shù)

離心式拋撒技術(shù)的核心在于利用離心力將物料從高速旋轉(zhuǎn)的離心圓盤上甩出。 P. Van Liedekerke 等人(2009)[43-44]和J. Reumers等人(2003)[45]分別對離心圓盤式撒肥機(jī)進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)，研究了顆粒飛離圓盤的運(yùn)動規(guī)律和拋撒顆粒的軌跡等，發(fā)現(xiàn)拋撒均勻性主要與圓盤轉(zhuǎn)速和圓盤上的葉片有關(guān)[46]。秦朝民等人(2004)設(shè)計了2SF-10型離心式撒肥機(jī)，并進(jìn)行了田間試驗(yàn)，證明圓盤式撒肥機(jī)效率高，作業(yè)效果良好[47]。湯遠(yuǎn)菊等人(2014)設(shè)計了一種離心圓盤式的油菜撒播機(jī)，在離心圓盤周圍設(shè)計了圓盤罩殼實(shí)現(xiàn)半邊拋撒，使撒播幅寬可調(diào)[48]。離心圓盤通用性好，顆粒狀的肥料和作物種子均可使用，拋撒幅寬較大，應(yīng)用范圍較廣[49]。

1.2.2 氣力式拋撒技術(shù)

氣力式播撒是利用氣流將農(nóng)業(yè)物料顆粒吹出，實(shí)現(xiàn)播撒。例如，日本的背負(fù)式動力撒播機(jī)和水平噴管式撒粒機(jī)，工作時，種箱內(nèi)的種子經(jīng)排種裝置排出，再經(jīng)空氣氣流作用吹送到各個噴口，種子流撞擊到噴口處的突起分散開來，實(shí)現(xiàn)撒播[50]。許令峰等人(2015)設(shè)計了一種風(fēng)送式水稻撒播機(jī)，出口噴嘴設(shè)計成等截面面積漸變式的扁狀扇形結(jié)構(gòu)，便于顆粒拋撒[51-52]。

氣力式拋撒技術(shù)的優(yōu)勢在于利用氣流吹送種子，可實(shí)現(xiàn)較大的撒播量，且傷種率低；但要想得到較大的幅寬，需要引導(dǎo)氣流沿不同的方向吹出，對裝置的結(jié)構(gòu)和氣密性要求較高。

1.2.3 均分桿(板)式拋撒技術(shù)

均分桿式撒播機(jī)的特點(diǎn)是在排種管末端設(shè)置均分桿或者均分板,使來自排種管的顆粒流被分成若干較小的顆粒流,實(shí)現(xiàn)拋撒。此類撒播機(jī)較多用于有機(jī)肥和顆粒肥料的拋撒。吳海巖等人(2012)設(shè)計的小麥等深撒播機(jī)采用籽粒自流打散方式，在橫向均撒裝置上設(shè)置外罩，外罩的上方連接落種管，落種管的下端設(shè)有種子側(cè)分桿，便于種子分流；外罩中設(shè)有勻種柱，可將種子打散[53]。馬洪彬等人(2012)發(fā)明的適用于小麥播種機(jī)的勻種器，關(guān)鍵部件為分種盒和擋板，分種盒內(nèi)至少有一個分種板，對種子進(jìn)行分流；擋板底端設(shè)有阻擋片，下落的種子流在阻擋片上被打散，呈帶狀分布[54]。均分桿(板)式撒播主要是利用固定的桿(或者板)對種子進(jìn)行分流，不能按需調(diào)整分流效果，且該撒播方式是基于帶有排種管的撒播機(jī)。

1.2.4 擺管式拋撒技術(shù)

仿生技術(shù)的發(fā)展為撒播機(jī)的研究提供了一個新的方向，一些研究者模仿人手臂撒施化肥的方式研制出擺管式撒施機(jī)。呂新民和張李嫻等人(2009)利用仿生學(xué)原理，模擬人手臂撒肥的動作特征設(shè)計了一種擺管式撒肥機(jī)[55]，重點(diǎn)設(shè)計了由偏心盤和擺叉組成的擺動機(jī)構(gòu)。高靜華(2014)設(shè)計的擺管式撒肥機(jī)主要包括懸掛系統(tǒng)、驅(qū)動部件、肥箱、排料調(diào)節(jié)控制桿和排料管等部分，采用仿生學(xué)原理，模擬人手臂撒肥的動作，實(shí)現(xiàn)了肥料撒施的通暢和均勻，保證了施肥的穩(wěn)定高效及施肥的一致性；特別是用在水田撒肥，作業(yè)效果良好，勞動生產(chǎn)率較人工提高了18～20倍[56]。李鵬和夏俊芳(2013)設(shè)計的通用性擺管式撒肥機(jī)模擬人手臂撒肥方式，通過擺動管往復(fù)擺動撒施化肥；另在該撒肥機(jī)肥箱中加裝攪刀式攪肥裝置，既可以撒施顆粒狀肥料又可以撒施粉狀肥料，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍[57]。

此外還有其他的拋撒技術(shù)，如錐盤式拋撒技術(shù)、甩鏈?zhǔn)綊伻黾夹g(shù)，其工作原理與上述技術(shù)相似，不再贅述。

綜上所述，國內(nèi)外對撒播技術(shù)的研究已取得很大成就，能滿足基本的撒播作業(yè)要求，但主要涉及地面撒播裝置，且存在以下問題：離心式撒播雖可獲得較大的幅寬，現(xiàn)有的裝置大都是用大扭矩電機(jī)驅(qū)動，且顆粒是從圓盤中心正上方下落，并在360°的環(huán)形區(qū)域內(nèi)拋撒，重播、漏播較嚴(yán)重；氣力式撒播降低了傷種率，但現(xiàn)有的裝置以精播為主，且現(xiàn)有風(fēng)送管的分布需要支撐結(jié)構(gòu)，較難直接掛載在無人直升機(jī)上。均分桿式、擺管式和錐盤式等的撒播裝置目前大都掛載于地面牽引機(jī)械，不能直接用于無人直升機(jī)航空作業(yè)。

2 航空撒播技術(shù)綜述

航空撒播是指在農(nóng)用飛機(jī)上掛載專用撒播器進(jìn)行農(nóng)業(yè)物料撒播的作業(yè)方式。國內(nèi)早期的航空撒播作業(yè)平臺主要依托有人駕駛固定翼飛機(jī)和直升機(jī)。目前用于有人駕駛固定翼飛機(jī)的播撒器已比較成熟，多用于飛播造林和飛播牧草[58]，但是專門用于無人直升機(jī)的撒播器尚處于研究階段，未見大規(guī)模應(yīng)用。

2.1 有人駕駛固定翼飛機(jī)常用撒播裝置

2.1.1 風(fēng)道式航空撒播裝置

如圖1所示：來自美國德克薩斯州博蒙特的風(fēng)道式航空撒播裝置是有人駕駛固定翼飛機(jī)撒播常用的裝置，掛載在大型固定翼飛機(jī)底部，播量調(diào)控主要依靠大排量的長軸槽輪，拋撒主要依靠氣流吹送實(shí)現(xiàn)。該裝置設(shè)有入風(fēng)口、入種口和弧形導(dǎo)流風(fēng)道，導(dǎo)流風(fēng)道分別向兩側(cè)呈弧形伸展，風(fēng)道上間隔設(shè)置有若干出料口，利用飛機(jī)高速飛行時產(chǎn)生的高速氣流，在導(dǎo)流通道內(nèi)與物料充分混合，使物料顆粒獲得較大的初速度，并沿若干風(fēng)道脫離撒播裝置，撒播幅寬大、效率高。

圖1 風(fēng)道式飛機(jī)撒播

R. W. Brazelton等(1968)報道了一種大排量的飛機(jī)撒播裝置[59]，如圖2所示。該撒播裝置在物料箱底部設(shè)置轉(zhuǎn)動軸控制物料排量，下落的顆粒流在氣流作用下經(jīng)各個風(fēng)道排出。實(shí)際作業(yè)中，該撒播裝置安裝在有人駕駛飛機(jī)底部，對物料的播量調(diào)控主要依靠安裝在機(jī)艙底部的控制閥門，且由駕駛員手動控制，沒有專用的拋撒機(jī)構(gòu)，從機(jī)身底部控制閥門流出的物料顆粒隨即被機(jī)身周圍高速氣流吹散。該裝置需要高速氣流，較適合有人駕駛固定翼飛機(jī)，且適宜在大面積連片區(qū)域作業(yè)。

圖2 用于直升機(jī)撒播干物質(zhì)的撒播裝置

R. K. Bansal等人(1998)對利用氣流進(jìn)行飛機(jī)撒播肥料的試驗(yàn)進(jìn)行了相關(guān)研究，通過建立FLUENT仿真模型，探究飛離裝置的顆粒的速度的影響因素和分布規(guī)律，并與實(shí)際試驗(yàn)作對比，驗(yàn)證并得到了有人駕駛固定翼飛機(jī)撒播裝置中的肥料出口速度與顆粒形狀之間的關(guān)系[60]。

2.1.2 導(dǎo)管式航空撒播裝置

圖3為李萬春(1995)設(shè)計的導(dǎo)管式航空撒播裝置。

1.種子箱 2.機(jī)艙地板 3.引流口框 4.外蒙皮 5.飛機(jī)冷氣源 6.冷氣導(dǎo)管 7.整流罩 8.定量盤 9.下種開關(guān) 10.種子分配器 11.吹種風(fēng)洞 12.拉桿 13.電纜 14.總操縱臺 15.電源

圖3 導(dǎo)管式航空撒播裝置[61]

Fig.3 Pipeline airplane broadcaster

該裝置的播量調(diào)控是通過定量盤和種子分配器實(shí)現(xiàn)的，通過電氣操縱系統(tǒng)打開種箱的下種開關(guān)，將定量盤和種子分配器結(jié)合使種子按照比例吹進(jìn)不同的導(dǎo)管內(nèi)，形成具有一定寬度的撒播帶。導(dǎo)管一端為進(jìn)風(fēng)口，另一端為氣固混合出口，各導(dǎo)管呈錐形排列，引導(dǎo)顆粒流向不同的方向拋撒。該裝置有自動顯示系統(tǒng)，駕駛員可以隨時調(diào)整撒播量。不足之處在于：所用的定量盤和分配器形成的間隔是固定的，不能靈活調(diào)節(jié)，對物料的粒型要求較高，種子撒播量的可調(diào)范圍較小。

2.1.3 其他航空撒播裝置

圖4所示為國內(nèi)早期使用的簡易飛機(jī)撒播裝置，由大型客機(jī)改裝而成，在機(jī)艙內(nèi)加裝物料箱，播量調(diào)控由安裝在機(jī)艙底部的控制閥門實(shí)現(xiàn)，控制閥門由駕駛員手動控制，且無專用的拋撒裝置，從閥門流出的物料直接由高速氣流吹散開。該撒播裝置結(jié)構(gòu)簡單，撒播量手動控制，適合飛播種草等均勻度要求不高的作業(yè)，是我國早期開展飛播種草所用的主要裝置[62]。

圖4 簡易的飛機(jī)撒播裝置

有人駕駛固定翼飛機(jī)撒播作業(yè)時，主要依靠駕駛員與地面人員的配合，人為控制撒播變量，且飛機(jī)前進(jìn)速度較快，很難及時調(diào)整撒播量。撒播裝置結(jié)構(gòu)簡單，主要利用高速氣流吹送物料顆粒，關(guān)于撒播裝置的結(jié)構(gòu)研究較少[63]。

2.2 無人直升機(jī)撒播技術(shù)

關(guān)于無人直升機(jī)撒播裝置，國內(nèi)外的研究已取得一些成果。2000年，日本采用在無人直升機(jī)上安裝葉輪的方式撒播粒劑除草劑。工作時，葉輪上的葉片旋轉(zhuǎn)，將粒劑從物料箱中攜帶出去并撒播在作物上[64]。目前，無人直升機(jī)撒播主要采用離心圓盤式撒播裝置。羅錫文等(2014)研發(fā)了一種適用于無人機(jī)撒播作業(yè)的機(jī)載裝置及撒播方法，該裝置采用離心圓盤式播撒器，可掛載于無人直升機(jī)，通過移動物料箱出口處的擋板進(jìn)行播量調(diào)控，通過旋轉(zhuǎn)圓盤實(shí)現(xiàn)拋撒[65]，通過遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)控制物料的播撒作業(yè)。李遺(2016)發(fā)明了一種適用于超低空飛行器的肥料撒播裝置，如圖5所示。該撒播器由多旋翼低空飛行器掛載，播種施肥機(jī)構(gòu)采用離心圓盤式，在物料箱底部設(shè)置控制開口大小的播量調(diào)節(jié)開關(guān)，但是無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時變量調(diào)節(jié)，而且該裝置采用半邊拋撒，落種帶呈扇形環(huán)狀，易在前進(jìn)方向上出現(xiàn)重播、漏播的現(xiàn)象。

1.電機(jī) 2.機(jī)架主體 3.可折疊式管夾 4.螺旋槳 5.起落架 6.支撐架 7.緩沖墊 8.出料機(jī)構(gòu) 9.播種施肥箱 10.支撐板 11.懸臂

包勝軍等(2016)設(shè)計了一種無人直升機(jī)撒播裝置，如圖6所示。該撒播裝置采用單旋翼無人直升機(jī)作為掛接載體，利用閘門的移動控制出料口大小，調(diào)節(jié)播量，利用離心圓盤拋撒物料顆粒，結(jié)構(gòu)小巧，撒播幅寬大；但該撒播裝置的不足之處在于利用閘門實(shí)現(xiàn)播量調(diào)控不夠準(zhǔn)確和連續(xù)，隨著閘門的移動，容易出現(xiàn)從零物料下落突變成大流量物料下落的現(xiàn)象，難以精準(zhǔn)控制，且該裝置選用圓盤360°圓周拋撒，前進(jìn)方向上落種區(qū)是較多環(huán)形落種帶疊加形成的，重播和漏播較嚴(yán)重。

國內(nèi)的一些無人機(jī)生產(chǎn)企業(yè)也陸續(xù)推出基于無人直升機(jī)的播撒裝置，主要有“珠海羽人”“廣州天翔”“高科新農(nóng)”等單位，如廣州天翔的撒肥播種機(jī)構(gòu)[67]及深圳高科新農(nóng)技術(shù)有限公司的物料自動播撒機(jī)構(gòu)[68]，珠海羽人采用的航空播撒裝置為離心圓盤式。離心圓盤式利用舵機(jī)控制物料箱底部閥門，實(shí)現(xiàn)播量調(diào)控，會出現(xiàn)物料顆粒流量突變的情況，存在播種均勻性較差、播量控制不精準(zhǔn)與高速旋轉(zhuǎn)的圓盤易傷種等問題。

1.料桶 2.連接架 3.橫桿 4.甩盤 5.支架

3 基于無人直升機(jī)的農(nóng)業(yè)物料撒播探討

3.1 無人直升機(jī)用于農(nóng)業(yè)物料撒播的需求

與地面機(jī)械和有人駕駛農(nóng)用飛機(jī)相比，無人直升機(jī)通過性好，可空中懸停，可遠(yuǎn)距離操控，可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，結(jié)合空中遙感監(jiān)測等技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)按需變量作業(yè)，不需要專用的機(jī)場起降[70-71]。無人直升機(jī)亦可在深泥腳田塊、池塘、沼澤、居民區(qū)等的小面積區(qū)域作業(yè)，是地面機(jī)械和有人駕駛飛機(jī)無法企及區(qū)域的播種作業(yè)的最佳補(bǔ)充，可實(shí)現(xiàn)較佳的農(nóng)業(yè)物料投入量，且可實(shí)現(xiàn)播量控制，播撒均勻度高。

現(xiàn)有的航空撒播裝置多應(yīng)用于有人駕駛飛機(jī)，將機(jī)艙改裝成簡易的物料箱，底部加裝控制閥門和簡易風(fēng)道，并無配套的專用撒播裝置、撒播幅寬大，效率高；但撒播均勻性較差，且使用范圍受限。目前，用于無人直升機(jī)的播撒裝置主要由地面撒播機(jī)械改裝而來，播量調(diào)控主要采用改變出料口大小的方式實(shí)現(xiàn)，難以實(shí)現(xiàn)播量連續(xù)可調(diào)，播量不可控，拋撒方式較多采用離心圓盤式。該方式形成的環(huán)形落種帶重疊度較高，易出現(xiàn)重播現(xiàn)象。隨著農(nóng)業(yè)航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，作為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的一種作業(yè)形式[72-73]，無人直升機(jī)作業(yè)的需求將會增大。

3.2 無人直升機(jī)用于農(nóng)業(yè)物料撒播的關(guān)鍵問題

3.2.1 無人直升機(jī)作業(yè)平臺的問題

無人直升機(jī)撒播屬于低空離地播種作業(yè)，沒有駕駛員，需要精準(zhǔn)的導(dǎo)航系統(tǒng)和飛行控制系統(tǒng)，在無人直升機(jī)作業(yè)中控制飛行路線。目前，大多數(shù)無人直升機(jī)安裝的導(dǎo)航系統(tǒng)和平衡控制系統(tǒng)精度較低，飛行姿態(tài)難以精準(zhǔn)確定[74]。無人直升機(jī)的飛行控制模塊撒播作業(yè)需要利用GNSS的定位，根據(jù)無人直升機(jī)的作業(yè)高度和作業(yè)速度自動調(diào)節(jié)播量，遠(yuǎn)距離操控?zé)o人直升機(jī)撒播作業(yè)，實(shí)現(xiàn)均勻撒播。

受載荷量和成本等因素的限制，目前無人直升機(jī)的結(jié)構(gòu)多樣化，物料箱的形狀和容積不同，有效載荷量也各不相同，機(jī)身和旋翼的設(shè)計也各式各樣，開展撒播相關(guān)的試驗(yàn)研究只能針對特定機(jī)型，設(shè)計特定結(jié)構(gòu)的撒播裝置，較難形成統(tǒng)一的撒播裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以及配合無人直升機(jī)作業(yè)的作業(yè)調(diào)節(jié)參數(shù)等。

3.2.2 無人直升機(jī)旋翼氣流的影響

機(jī)身周圍的風(fēng)場是由無人機(jī)旋翼推動空氣進(jìn)行流動形成的，風(fēng)場分布規(guī)律及風(fēng)速大小等也是影響田間撒播作業(yè)效果的重要因素，因此需要了解并利用機(jī)身周圍的風(fēng)場分布。汪沛等人(2013)采用風(fēng)場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)設(shè)計了三向風(fēng)速測量線陣和單向風(fēng)速面陣，通過測量無人油動單旋翼直升機(jī)的風(fēng)場，探究了該直升機(jī)作業(yè)時不同方向的風(fēng)速和風(fēng)場寬度的參數(shù)，用于指導(dǎo)后期作業(yè)[75]。胡煉等人(2014)設(shè)計了一種風(fēng)場傳感器網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)，可在田間進(jìn)行多點(diǎn)、多風(fēng)向的風(fēng)速測試，并進(jìn)行了田間試驗(yàn)測量和分析，驗(yàn)證了該測試系統(tǒng)的可靠性[76]。李繼宇等人(2016)通過采集并分析風(fēng)速參數(shù)得到機(jī)身底部的三維空間方向上的風(fēng)場寬度分布和風(fēng)速大小，并建立風(fēng)速的理想模型，發(fā)現(xiàn)在沿?zé)o人機(jī)飛行的方向上的風(fēng)場分布存在“陡壁”現(xiàn)象，且沿?zé)o人機(jī)飛行方向左右對稱[77]。對旋翼風(fēng)場的研究可用于指導(dǎo)無人直升機(jī)撒播作業(yè)，對研究物料顆粒在分場中的軌跡變化有重要意義。

3.2.3 專用的無人直升機(jī)撒播裝置

如前所述，目前的無人直升機(jī)機(jī)型豐富多樣，基于無人直升機(jī)的撒播裝置還處于試驗(yàn)階段，技術(shù)尚未定性，撒播裝置與無人直升機(jī)的技術(shù)融合較差，需加強(qiáng)對變量控制的研究。其次，農(nóng)業(yè)物料種類很多，理化特性各異[78]，撒播裝置要有普適性，降低傷種率，需設(shè)計可快速拆卸的專用播量調(diào)控裝置和播撒器，以適應(yīng)一機(jī)多用的要求，降低播撒器的使用成本。

4 結(jié)語

1)通過對國內(nèi)外現(xiàn)有播量調(diào)控技術(shù)和撒播技術(shù)進(jìn)行綜述，深入研究了已有技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，對適用于無人直升機(jī)的農(nóng)業(yè)物料播撒技術(shù)進(jìn)行了探討，找出了無人直升機(jī)用于農(nóng)業(yè)物料播撒需要解決的關(guān)鍵問題，并提出了無人直升機(jī)撒播技術(shù)的研究方向。

2)實(shí)現(xiàn)無人直升機(jī)精準(zhǔn)撒播，要綜合考慮無人直升機(jī)作業(yè)狀態(tài)和撒播器的變量調(diào)節(jié)，以提高無人直升機(jī)作業(yè)的穩(wěn)定性和播撒的均勻性。無人直升機(jī)撒播裝置在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用能夠很好地推動精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，具有重要的研究意義和實(shí)際應(yīng)用價值。

3)利用農(nóng)用無人直升機(jī)作業(yè)已成一種趨勢，無人直升機(jī)撒播裝置的研究是農(nóng)業(yè)航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向，隨著各項(xiàng)相關(guān)政策的出臺和相關(guān)監(jiān)管部門的完善，我國的航空撒播技術(shù)必將走向健康、高速和智能的發(fā)展道路，這將極大地促進(jìn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，加速我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)程。