張青松，張 愷，廖慶喜，廖宜濤，王 磊，舒彩霞

·農(nóng)業(yè)航空工程·

油菜無人機飛播裝置設(shè)計與試驗

張青松，張 愷，廖慶喜，廖宜濤，王 磊，舒彩霞

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，武漢 430070）

針對丘陵山區(qū)油菜種植面積逐步擴大和平原地區(qū)稻油茬口矛盾突出的生產(chǎn)現(xiàn)狀，結(jié)合無人機飛播作業(yè)不受地形限制、作業(yè)速度快、工作效率高和適用范圍廣等優(yōu)點，該研究開發(fā)了與極飛P20四旋翼無人機平臺配套的油菜無人機飛播裝置和控制系統(tǒng)。分析確定了飛播裝置種箱、充種漏斗、槽輪等的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并研制了相應(yīng)的控制系統(tǒng)。在分析無人機飛播質(zhì)量影響要素基礎(chǔ)上，建立了無人機旋翼氣流場仿真模型，并以充種漏斗長度和槽輪轉(zhuǎn)速為試驗因素開展臺架試驗。仿真分析和臺架試驗結(jié)果表明，旋翼氣流場對油菜種子的空中漂移運動軌跡有較大影響，根據(jù)獲得的無人機飛行速度與槽輪轉(zhuǎn)速關(guān)系模型，確定了旋翼氣流場對種子影響較小的參數(shù)組合：導(dǎo)種管出種口與無人機旋翼距離300 mm，充種漏斗長度53 mm，槽輪轉(zhuǎn)速10～50 r/min、無人機飛行速度2～4 m/s。場地試驗表明：導(dǎo)種管出種口橫向距離為1.1 m，無人機飛行高度為2～2.5 m時，無人機有效作業(yè)幅寬2.15～2.45 m，種子分布均勻性變異系數(shù)為32.05%～34.78%，裝置作業(yè)性能較好，滿足油菜農(nóng)藝種植要求。研究結(jié)果可為油菜無人機飛播配套裝置設(shè)計提供參考。

無人機；試驗；飛播；油菜；排種裝置；控制系統(tǒng)

0 引 言

油菜是中國重要的油料作物，廣泛種植于長江中下游地區(qū)，具有菜用、飼用、肥用、花用、蜜用等功能[1-2]。長江中下游平原地區(qū)稻油茬口矛盾突出，為搶農(nóng)時，部分田塊種植油菜時直接旋耕、開溝整地后進行人工撒播，作業(yè)效率低且播種均勻性難以保證[3-4]。而丘陵山區(qū)地形地貌復(fù)雜，地塊較小，地勢不平坦，不便于現(xiàn)有油菜精量聯(lián)合直播機進行機械化作業(yè)[5-6]。無人機飛播作業(yè)不受地形限制，具有作業(yè)速度快、工作效率高和適用范圍廣等優(yōu)點[7]。運用無人機開展油菜飛播作業(yè)，可以提高播種均勻性，減少人工投入和提高作業(yè)效率，且可在不便于機械作業(yè)地區(qū)進行油菜種植。

國內(nèi)外學(xué)者對無人機在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用開展了相關(guān)研究，包括病蟲害信息監(jiān)測，農(nóng)田地理信息獲取，農(nóng)作物長勢預(yù)測，農(nóng)作物播種、施肥、施藥等[8-11]。在無人機飛播技術(shù)研究方面，陳雄飛等[12]設(shè)計了一種離心擺管式播種無人機，利用離心力的作用把進入擺管的種子從擺管末端拋撒出去。包勝軍[13]通過控制所設(shè)計的無人機飛播裝置閘門移動來改變出料口大小，調(diào)節(jié)播量，實現(xiàn)飛播作業(yè)。黃小毛等[14]設(shè)計了一種基于電驅(qū)離心條播式排種器的無人機飛播裝置，并通過專用導(dǎo)種裝置實現(xiàn)無人機播種作業(yè)，但使用時需要在無人機下方人工銜接導(dǎo)種裝置，需要考慮操作安全性及便利性等因素。無人機飛播的排種器一般選用集排器，可實現(xiàn)高速、高效作業(yè)，氣力式集排器由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整體質(zhì)量大，不適合作為飛播排種器[15-18]；而機械式集排器由于結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕，飛播作業(yè)普遍選用[19-23]。

針對丘陵山區(qū)油菜種植面積逐步擴大和原地區(qū)稻油茬口矛盾突出的生產(chǎn)現(xiàn)狀，結(jié)合油菜無人機飛播技術(shù)具有作業(yè)速度快、工作效率高、適用范圍廣、操作便利等優(yōu)點，本研究開發(fā)了與無人機平臺相配套的油菜無人機飛播裝置，對排種裝置和飛播控制系統(tǒng)進行設(shè)計，通過數(shù)值仿真和臺架試驗分析了影響裝置飛播作業(yè)質(zhì)量的因素，確定了最優(yōu)作業(yè)參數(shù)，并通過場地試驗驗證裝置作業(yè)效果，以期為油菜無人機播種技術(shù)與配套裝置設(shè)計提供參考。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

油菜無人機飛播裝置以無人機作為動力平臺，由排種裝置和飛播控制系統(tǒng)組成，總體結(jié)構(gòu)如圖1a所示。無人機平臺選用極飛P20四旋翼無人機。排種裝置和飛播控制系統(tǒng)機載部分固定在無人機平臺上，排種裝置由種箱、充種漏斗、槽輪、外殼等組成，如圖1b所示。槽輪通過聯(lián)軸器與步進電機連接，落種口處通過快速接頭與導(dǎo)種管鏈接，各導(dǎo)種管出種口固定在無人機旋翼下方的出種口支撐架上并均勻分布。

注：Ⅰ為充種區(qū)；Ⅱ為攜種區(qū)；Ⅲ為投種區(qū)；Lc為充種漏斗長度，mm。

排種裝置工作過程包括充種、攜種和投種3個過程。工作時，飛播控制系統(tǒng)根據(jù)無人機飛行狀態(tài)調(diào)節(jié)步進電機轉(zhuǎn)速，控制排種裝置槽輪轉(zhuǎn)速，排種裝置開始飛播作業(yè)，種箱內(nèi)的油菜種子在重力作用下由種箱經(jīng)充種漏斗下落至槽輪充種區(qū)，槽輪旋轉(zhuǎn)，充種區(qū)的種子被槽輪型孔“囊取”后，在型孔的約束下到達投種區(qū)，在重力和離心力的共同作用下脫離型孔，經(jīng)過導(dǎo)種管從出種口流出，各出種口排出的種子經(jīng)無人機旋翼下方氣流場的擾動后落入地表，完成飛播作業(yè)?；陂L江中下游地區(qū)地塊大小、無人機一次作業(yè)飛行時間和起飛載荷等因素綜合考慮，設(shè)計無人機飛飛行速度為2～4 m/s，作業(yè)幅寬為2～2.5 m，導(dǎo)種管出種口數(shù)量為8個且均布在出種口支撐架上，出種口離地高度為1～3 m，一次作業(yè)飛播面積最多為0.67 hm2。

2 飛播裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

2.1 排種裝置

2.1.1 種箱容積

根據(jù)長江中下游地區(qū)的油菜種植農(nóng)藝要求，油菜播量為3.75～5.25kg/hm2，由于飛播播量較大，取播量為5.25 kg/hm2，無人機續(xù)航能力為10～13 min，除去起飛、降落、往返等所需時間，確定種箱容積為：

式中為種箱容積，L；S為一次飛行播種面積，hm2，S=0.67；s為油菜播量，kg/hm2，s=5.25；ρ為華油雜62油菜種子容重，kg/m3，ρ=680，計算得種箱容積設(shè)計為5.2 L。

2.1.2 槽輪

槽輪直徑、型孔結(jié)構(gòu)和數(shù)量對飛播作業(yè)性能有較大影響。根據(jù)槽輪排量公式[24]可知，當(dāng)播量和作業(yè)速度一定時，槽輪型孔數(shù)量與槽輪轉(zhuǎn)速成反比。若槽輪直徑過小，則槽輪轉(zhuǎn)速較高，會導(dǎo)致種子破損率增加；若槽輪直徑過大，則排種裝置體積大，不適于無人機飛播作業(yè)。綜合考慮，本文槽輪直徑設(shè)計為80 mm[25]，如圖2a所示，每圈30個型孔，各圈交錯排列，相鄰型孔圓心角為12°。

無人機飛播作業(yè)時，槽輪轉(zhuǎn)速大，在充種階段油菜種子需快速囊入型孔，在投種階段型孔內(nèi)油菜種子需及時脫離型孔排出，本文槽輪型孔設(shè)計為斜置錐柱形，如圖2b所示，型孔具有一定傾斜角和錐角，型孔孔口斜置且外張，以利于快速充種和投種。作業(yè)時，為保證快速飛行作業(yè)時的排種量，設(shè)計每個型孔充入6～10粒。根據(jù)播種排種器槽輪參數(shù)設(shè)計公式[24]可知：

式中max為充入型孔的油菜種子群長度，mm；1為油菜種子高，mm；為槽輪型孔寬度，mm。

注：L為型孔長度，mm；h為型孔深度，mm；δ為型孔錐角，（°）；θ為型孔傾斜角，（°）；ω為槽輪角速度，rad·s-1。

油菜種子流動性好，華油雜62油菜種子平均尺寸（長 ×寬×高）為2.03 mm×1.87 mm×1.92 mm，形狀為類球形，球形度0.96，當(dāng)量直徑1.94 mm[26]，據(jù)此設(shè)計槽輪型孔長度為5 mm，寬度為5 mm，深度為3 mm，取槽輪型孔傾斜角為20°，錐角為18°。

2.1.3 充種漏斗

充種區(qū)種群厚度直接影響槽輪充種性能。在種箱和槽輪之間安裝充種漏斗，以控制充種區(qū)種群厚度。如圖3所示，充種漏斗上方進口設(shè)計為長方形，其長為30 mm，寬為18 mm，下方出口設(shè)計為圓形，其直徑為15 mm，8個充種漏斗并排安裝在種箱下方。

充種漏斗長度L是影響槽輪充種區(qū)種群厚度的關(guān)鍵因素，直接影響槽輪充種性能。根據(jù)飛播裝置的結(jié)構(gòu)尺寸，取充種漏斗長度L為49～65 mm。

注：m為充種漏斗進口長方形的長度，mm；n為充種漏斗上方進口長方形寬度，mm；φ為充種漏斗圓形出口直徑，mm。

2.2 飛播控制系統(tǒng)

飛播控制系統(tǒng)根據(jù)無人機飛行信息控制飛播裝置作業(yè)。為便于操作，飛播控制系統(tǒng)獨立于無人機飛行控制系統(tǒng)，由機載控制系統(tǒng)和手持遙控系統(tǒng)2部分組成。機載控制系統(tǒng)主要由主控制器（STM32F4單片機）、北斗導(dǎo)航芯片（芯片型號ATK-S1216F8-BD）、壓電傳感器、步進電機（型號42HS4813A4CEL06）及其驅(qū)動器、飛行信息檢測模塊、無線傳輸模塊（模塊型號E32-TTL-100）、電源模塊等組成；手持遙控器系統(tǒng)主要由控制器、顯示屏、無線傳輸模塊、電源模塊和按鍵組成。飛播控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖和系統(tǒng)組成如圖4所示。

作業(yè)時，手持遙控系統(tǒng)與機載控制系統(tǒng)通訊，獲取無人機飛行信息，控制排種速率。電源模塊為飛播控制系統(tǒng)各部件提供動力。飛播作業(yè)開始前，利用手持遙控系統(tǒng)設(shè)定作業(yè)模式、單位面積播量和步進電機轉(zhuǎn)速等。作業(yè)過程中，手持遙控系統(tǒng)和機載控制系統(tǒng)通過無線傳輸模塊互發(fā)作業(yè)指令和作業(yè)狀態(tài)信息。無人機進入作業(yè)區(qū)域，飛行信息檢測模塊檢測無人機位置信息，判斷無人機是否處于作業(yè)區(qū)域并控制飛播裝置播種啟停。安裝于種箱內(nèi)的壓電傳感器獲取種箱內(nèi)種子余量信息，北斗導(dǎo)航芯片實時獲取無人機飛行速度信息，機載控制系統(tǒng)根據(jù)無人機飛行速度與電機轉(zhuǎn)速計算出槽輪轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)排種速率，保證飛播均勻性。無人機飛出作業(yè)區(qū)域時，手持遙控系統(tǒng)發(fā)出停止作業(yè)指令，裝置停止工作，無人機返回。

圖4 飛播裝置控制系統(tǒng)

3 飛播作業(yè)質(zhì)量影響因素試驗分析

3.1 試驗?zāi)康?/h3>

田間作業(yè)時，從出種口落出的油菜種子經(jīng)旋翼下方氣流場的擾動后落入地表，飛播作業(yè)質(zhì)量受無人機旋翼氣流場影響較大[11]，充種漏斗長度和槽輪轉(zhuǎn)速影響槽輪充種性能和排量，進而影響播量。因此開展無人機旋翼氣流場、飛播裝置充種漏斗長度和槽輪轉(zhuǎn)速對油菜無人機飛播裝置作業(yè)質(zhì)量影響規(guī)律的試驗研究。

3.2 試驗材料與方法

本文通過數(shù)值仿真試驗方法，分析旋翼氣流場對油菜種子下落過程的影響。無人機作業(yè)時，旋翼數(shù)量、翼型、軸距等對無人機旋翼氣流場具有重要影響，極飛P20四旋翼無人機旋翼形狀較為復(fù)雜，為獲取旋翼精確尺寸，利用3D掃描儀獲得旋翼空間曲面云點數(shù)據(jù)，構(gòu)建旋翼三維模型。其中無人機旋翼軸距為1 500 mm，旋翼槳葉直徑為740 mm。飛播作業(yè)時，由于無人機機身部件主要位于旋翼上方，因此對無人機模型進行簡化，只保留無人機旋翼部分，建立油菜無人機飛播裝置仿真模型[27-30]，如圖5所示。仿真時，依據(jù)無人機旋翼轉(zhuǎn)速范圍2 000～40 000 r/min設(shè)置旋翼轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。旋翼擾動的氣流場計算域設(shè)置為直徑5 m，高5 m的圓柱體，4個旋翼槳葉的旋轉(zhuǎn)區(qū)域設(shè)置為動域，其余區(qū)域設(shè)置為靜域，無人機飛行高度設(shè)置為3 m，依據(jù)長江中下游稻油輪作區(qū)作業(yè)工況及無人機續(xù)航和承載能力，設(shè)置飛行速度為2.5 m/s。

1.地面 2.油菜種子 3.無人機旋翼 4.飛播裝置

開展臺架試驗分析充種漏斗長度和槽輪轉(zhuǎn)速對排種速率影響，如圖6所示，試驗材料為華油雜62，含水率為7.15%，千粒質(zhì)量為4.87 g，以充種漏斗長度L和槽輪轉(zhuǎn)速為試驗因素，以槽輪排種速率V（1 min內(nèi)飛播裝置排種量）、各行排量一致性變異系數(shù)、總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)和破損率為評價指標，按照GB/T 9478—2005開展試驗，其中，充種漏斗長度設(shè)置5個水平，分別為49、53、57、61和65 mm，槽輪轉(zhuǎn)速設(shè)置5個水平，分別為10、20、30、40和50 r/min。試驗時，每個導(dǎo)種管出種口下方放置量杯，收集每行的油菜種子。穩(wěn)定排種1 min后停止，用精度為0.001 g的天平分別稱取每個稱量杯內(nèi)油菜籽質(zhì)量，試驗重復(fù)5次，依次記錄并計算槽輪排種速率、各行排量一致性變異系數(shù)、總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)和破損率。

1.量杯 2.導(dǎo)種管 3.機載控制系統(tǒng) 4.槽輪 5.種箱 6.步進電機 7.聯(lián)軸器 8.快速接頭

3.3 結(jié)果與分析

3.3.1 旋翼氣流場對油菜種子下落影響

無人機旋翼氣流場云圖如圖7所示，由圖7可看出，無人機旋翼對其下方氣流的擾動非常大，氣流速度最高達12 m/s，處于每個旋翼正下方，但在旋翼對稱中心區(qū)域存在氣流速度小于1 m/s的低速氣流區(qū)域；在旋翼下方0.5 m內(nèi)，各旋翼的氣流區(qū)域相對獨立。從0.5 m處開始，各旋翼氣流的擾動區(qū)域出現(xiàn)交叉重疊，到旋翼下方2.5 m處，各旋翼氣流擾動完全融合；氣流場的氣流速度隨與旋翼距離的增大而減小，而旋翼氣流擾動區(qū)域隨與旋翼距離的增大而逐漸變大。為減少無人機旋翼氣流場對油菜種子下落的影響，應(yīng)使飛播裝置出種口位于低速氣流區(qū)域，本文設(shè)計出種口支撐架距旋翼距離為300 mm。

圖7 無人機旋翼下不同距離水平面的氣流速度云圖

油菜種子分別在有旋翼氣流場和無旋翼氣流場的空中漂移軌跡如圖8所示，當(dāng)無旋翼氣流場存在時，從導(dǎo)種管出種口排出的油菜種子主要受到重力作用向下運動并落至地表。當(dāng)有旋翼氣流場存在時，油菜種子從導(dǎo)種管出種口排出后，受旋翼氣流影響，呈隨機發(fā)散漂移運動狀態(tài)。旋翼氣流場仿真結(jié)果表明，無人機旋翼氣流場對油菜種子空中漂移運動有較大影響，無人機飛行高度越高，受旋翼影響的空間氣流區(qū)域越大，油菜種子漂移范圍越大，落入地表的油菜種子分布區(qū)域也越大。結(jié)合飛播作業(yè)幅寬要求，設(shè)定飛播作業(yè)飛行高度不超過3 m。

3.3.2 充種漏斗長度和槽輪轉(zhuǎn)速對排種速率影響

臺架試驗結(jié)果如表1所示。由表1可知，各行排量一致性變異系數(shù)小于3.70%，總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)小于3.19%，種子破損率小于0.02%。槽輪排種速率隨充種漏斗長度和槽輪轉(zhuǎn)速的增加而減小。這是因為當(dāng)充種漏斗長度較大時，充種區(qū)種群厚度小，致使種群壓力小，槽輪單個型孔充種粒數(shù)減少，槽輪排量減小；當(dāng)槽輪轉(zhuǎn)速較高時，每個型孔經(jīng)過充種區(qū)所用時間變短，使槽輪單個型孔充種粒數(shù)減少，槽輪排量減小。

1. 導(dǎo)種管出種口 2. 油菜種子

飛播作業(yè)時，設(shè)無人機飛行速度為m，作業(yè)幅寬為，播量為s，槽輪排種速率V，則有：

式中v為無人機飛行速度，m/s；為作業(yè)幅寬，m；Q為播量，g/hm2；V為槽輪排種速率，g/min。

油菜無人機飛播裝置作業(yè)速度為2～4 m/s，作業(yè)幅寬為2～2.5 m，按播量5.25 kg/hm2，根據(jù)公式（3）計算可得槽輪排種速率為126.01～315.03 g/min，在槽輪轉(zhuǎn)速范圍為10～50 r/min時，充種漏斗長度取53 mm時滿足設(shè)計要求。

根據(jù)表1試驗結(jié)果，建立槽輪排種速率V與槽輪轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系模型，結(jié)果如式（4）所示，擬合方程決定系數(shù)2為0.999 8。

式中為槽輪轉(zhuǎn)速，r/min，=10～50。

為驗證該模型準確性，以槽輪轉(zhuǎn)速為試驗因素，取15、25、35和45 r/min四個水平，以槽輪排種速率V為試驗指標，開展臺架驗證試驗，每個水平試驗重復(fù)5次取平均值，試驗結(jié)果如表2所示。

表1 飛播裝置臺架試驗結(jié)果

由表2可知，在轉(zhuǎn)速為15～35 r/min范圍時，預(yù)測值與試驗值接近，誤差不高于0.29%；在轉(zhuǎn)速為45 r/min時誤差最大，為2.71%。試驗結(jié)果表明，公式（3）可以表征槽輪排種速率V與槽輪轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系。聯(lián)立公式（3）和公式（4，當(dāng)播量和作業(yè)幅寬一定時，無人機飛行速度v與槽輪轉(zhuǎn)速（步進電機轉(zhuǎn)速）的關(guān)系可表示為公式（5）示。油菜無人機飛播裝置田間作業(yè)時，機具振動、粉塵、地表起伏等因素影響小，排種器作業(yè)環(huán)境與臺架試驗接近，依據(jù)公式（5）設(shè)定槽輪轉(zhuǎn)速，播量穩(wěn)定性和作業(yè)質(zhì)量可得到保證。

表2 排種速率驗證試驗結(jié)果

4 場地試驗

4.1 試驗材料與方法

油菜無人機飛播作業(yè)時，其播種幅寬受導(dǎo)種管出種口橫向距離（即出種口支撐架上2個最外側(cè)導(dǎo)種管出種口間距離）和無人機飛行高影響。在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機械實訓(xùn)中心開展場地試驗，如圖9a所示，試驗材料有華油雜62油菜種子、鏡面田塊、抹泥刀、采樣單元和油菜無人機飛播裝置等。鏡面田塊如圖9b所示，在1 100 mm×650 mm的金屬容器框內(nèi)放入適量軟泥土并用抹泥刀抹平，用于模擬田間地面情況。采樣工具為200 mm×200 mm的金屬框，以統(tǒng)計鏡面田塊某區(qū)域內(nèi)種子分布數(shù)量。

試驗場地布置如圖9c所示，試驗時天氣晴朗，無自然風(fēng)。由于目前尚無具體油菜飛播作業(yè)場地試驗指導(dǎo)標準，試驗時設(shè)置測試場地長度約20 m，采集區(qū)域前后各設(shè)置7.5 m緩沖區(qū)，采集區(qū)域由3條采集帶組成，各采集帶間隔0.7 m，每條采集帶由4個鏡面田塊拼成。設(shè)置無人機航線與場地中軸線重合，利用手持遙控終端設(shè)置無人機飛行速度、高度等作業(yè)參數(shù)。作業(yè)過程中，落入鏡面田塊的種子被泥土粘附。測量數(shù)據(jù)后，利用抹泥刀將鏡面田塊抹平，表面的油菜種子被抹入泥土，可繼續(xù)開展下組試驗。

4.2 試驗因素與指標

以導(dǎo)種管出種口橫向距離和無人機飛行高度為試驗因素，以有效作業(yè)幅寬和種子分布均勻性變異系數(shù)為試驗指標，開展單因素試驗。由于無人機尺寸限制，經(jīng)前期試驗測定，導(dǎo)種管出種口橫向距離最大取1.1 m時，油菜種子從落種口進入導(dǎo)種管后，能夠在重力的作用下順利從出種口排出，因此導(dǎo)種管出種口橫向距離設(shè)4個水平，分別為0.8、0.9、1.0和1.1 m。根據(jù)農(nóng)用無人機常用飛行高度1～3 m，無人機飛行高度設(shè)5水平，分別為1、1.5、2、2.5和3 m。試驗時，無人機飛行速度設(shè)為2.5 m/s，槽輪轉(zhuǎn)速設(shè)為17 r/min。

按播量5.25 kg/hm2計算，采樣單元內(nèi)有4～5粒油菜種子即滿足油菜飛播作業(yè)要求。測量有效作業(yè)幅寬時，將2個采樣單元從航線中軸線與采集帶中軸線交點開始，沿各采集帶中軸線分別向兩端移動，當(dāng)采樣單元內(nèi)油菜種子數(shù)量不滿足要求時，停止移動。利用卷尺測量2個采樣單元之間的距離，記為在該采集帶上的有效幅寬，分別測量3條采集帶上的有效幅寬，取平均值，試驗重復(fù)3次，取3次試驗平均值作為最終飛播有效幅寬。

統(tǒng)計種子分布均勻性時，在測量出的有效幅寬之間，沿采集帶中軸線均勻布置5個采集單元。記錄各采集單元內(nèi)油菜種子數(shù)，以各采集單元的種子均值計算種子分布均勻性變異系數(shù)。

注：A為采樣單元移動方向；a為鏡面田塊長度，a=1 100 mm；b為鏡面田塊寬度，b=650 mm；c為采樣單元長度，c=200 mm；d為采集帶間隔距離，d=700 mm。

4.3 結(jié)果與分析

開展導(dǎo)種管出種口橫向距離單因素試驗，飛行高度取中位水平值2 m，導(dǎo)種管出種口橫向距離對飛播作業(yè)影響如圖10a所示。由圖可知，導(dǎo)種管出種口橫向距離對有效作業(yè)幅寬和種子分布均勻性變異系數(shù)有較大影響。有效作業(yè)幅寬隨導(dǎo)種管出種口橫向距離的增加而增大，而種子分布均勻性變異系數(shù)隨導(dǎo)種管出種口橫向距離的增大而減小。當(dāng)導(dǎo)種管出種口橫向距離取1.1 m時，有效作業(yè)幅寬為2.15 m，種子分布均勻性變異系數(shù)為33.17%，作業(yè)效果較好。

開展無人機飛行高度單因素試驗，導(dǎo)種管出種口橫向距離取1.1 m，無人機飛行高度對飛播作業(yè)效果影響如圖10b所示，由圖可知，無人機飛行高度對有效作業(yè)幅寬和種子分布均勻性也具有較大影響。有效作業(yè)幅寬隨無人機飛行高度的增加而增加，其中飛行高度為1.5～2.5 m時，有效作業(yè)幅寬增幅不大。種子分布均勻性變異系數(shù)隨飛行高度的增加呈先增加后趨于穩(wěn)定的趨勢，當(dāng)飛行高度大于2.0 m時，種子分布均勻性變異系數(shù)趨于穩(wěn)定。當(dāng)飛行高度1.0～1.5 m時，種子分布均勻性較好，但田間作業(yè)飛行高度較低時，旋翼氣流對已落地的種子有較大影響，且近地飛行不利于無人機安全作業(yè)。

綜合考慮，選取導(dǎo)種管出種口橫向距離為1.1 m、飛行高度為2～2.5 m作為油菜無人機飛播裝置作業(yè)參數(shù)，此時有效作業(yè)幅寬為2.15～2.45 m，種子分布均勻性變異系數(shù)為32.05%～34.78%，符合NY/T 2709—2015油菜播種機作業(yè)質(zhì)量標準規(guī)定播種均勻性變異系數(shù)不大于45%要求[31]，油菜無人機飛播裝置作業(yè)質(zhì)量滿足油菜種植農(nóng)藝要求。

圖10 場地試驗結(jié)果

為驗證油菜無人機飛播裝置田間作業(yè)效果，2019年11月在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植示范基地開展田間飛播試驗，試驗地塊在無人機飛播作業(yè)前已旋耕整理好。試驗時，天氣晴朗微風(fēng)，油菜種子選用華油雜62，無人機飛行速度為2.5 m/s，飛行高度為2 m。由于試驗地塊墑情較差，為保證出苗，實際作業(yè)播量比設(shè)計值偏高，槽輪轉(zhuǎn)速（步進電機轉(zhuǎn)速）設(shè)置為25 r/min，此時有效作業(yè)幅寬為2.15 m，播量為7.35 kg/hm2。播種11 d后，隨機選5處，每處框選1 m2區(qū)域統(tǒng)計出苗數(shù)及種子分布均勻性。結(jié)果表明，平均出苗密度為64.5株/m2，種子分布均勻性變異系數(shù)為38.23%，滿足油菜農(nóng)藝種植要求。

5 討 論

油菜無人機飛播裝置進行場地試驗時，由于目前尚無具體油菜飛播作業(yè)場地試驗指導(dǎo)標準，采集帶數(shù)量設(shè)置為3，間距設(shè)置為700 mm，采集樣本數(shù)量較少，可能導(dǎo)致試驗誤差較大，后續(xù)需要對場地試驗采集帶數(shù)量及間距進行規(guī)范，增加采集樣本數(shù)量。同時，油菜無人機飛播裝置可以適應(yīng)多種工況的地表，如面積大小不同的山地、坡地、灘涂地和平原田地等。地表工況影響油菜種子落入地表時的彈跳程度，進而影響油菜無人機飛播裝置作業(yè)幅寬和種子分布均勻性。同時，在實際生產(chǎn)作業(yè)中，由于天氣原因及農(nóng)時限制，在個別情況下，不得不在有自然風(fēng)工況下開展生產(chǎn)作業(yè)。為了提高飛播裝置田間作業(yè)適應(yīng)性，后續(xù)需進一步系統(tǒng)開展田間試驗研究。

6 結(jié) 論

1）針對丘陵山區(qū)油菜種植面積逐步擴大和平原區(qū)域稻油茬口矛盾突出的生產(chǎn)現(xiàn)狀，開發(fā)了與無人機平臺相配套的油菜無人機飛播裝置，通過飛播控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)排種裝置槽輪排種速率，保證飛播作業(yè)播量，實現(xiàn)無人機不同飛行速度飛播作業(yè)。

2）分析確定了飛播裝置種箱容積為5.2 L，充種漏斗上方進口為30 mm×18 mm長方形，下方出口為直徑15 mm圓形，槽輪直徑為80 mm，每圈30個型孔，采用交錯槽排列，相鄰型孔對應(yīng)中心角為12°。飛播控制系統(tǒng)包括機載控制系統(tǒng)和手持遙控系統(tǒng)2部分組成，作業(yè)時，手持遙控器系統(tǒng)與機載控制系統(tǒng)通訊，獲取無人機飛行信息，控制排種裝置排種速率。

3）通過建立無人機旋翼氣流場仿真模型得出旋翼氣流場對油菜種子空中漂移運動軌跡有較大影響，確定了飛播裝置導(dǎo)種管出種口距旋翼距離為300 mm；以充種漏斗長度和槽輪轉(zhuǎn)速為試驗因素開展了全因子試驗，獲得了無人機飛行速度與槽輪轉(zhuǎn)速關(guān)系模型，得出充種漏斗長度為53 mm，槽輪轉(zhuǎn)速為10～50 r/min時，滿足飛行速度為2～4 m/s，播量為5.25 kg/hm2的作業(yè)要求。

4）開展場地試驗，確定了導(dǎo)種管出種口橫向距離為1.1 m，無人機飛行高度為2～2.5 m時，油菜無人機飛播裝置作業(yè)質(zhì)量較好，飛播有效作業(yè)幅寬為2.15～2.45 m，種子分布均勻性變異系數(shù)為32.05%～34.78%，播量為5.25 kg/hm2。田間試驗的平均出苗密度為64.5株/m2，種子分布均勻性變異系數(shù)為38.23%，滿足油菜農(nóng)藝種植要求。

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Design and experiment of rapeseed aerial seeding device used for UAV

Zhang Qingsong, Zhang Kai, Liao Qingxi, Liao Yitao, Wang Lei, Shu Caixia

(1.,,430070,; 2.,,430070,)

Considering the rapeseed planting area is large in hilly and montanic area and the planting period for rice and rapeseed is partly overlapped in flat area in China, a rapeseed aerial seeding device used for UAV was designed in this paper. The rapeseed aerial seeding device included two parts: seeding device and control system. The working power come from UAV. Structure parameters of seed box volume, seed-filling funnel and geneva wheel of aerial seeding device were confirmed. The volume of seed box was 5.2 L so that it provided enough rapeseed for UAV to seeding 0.67 hm2area at one operation. The upper inlet shape of seed-filling funnel was a rectangle with length 30 mm and width 18 mm. The down outlet shape of seed-filling funnel was a circle with diameter 15 mm. The length of seed-filling funnel was 49-65 mm. The diameter of geneva wheel seed metering device was 80 mm with 30 type holes per circle in circumferential direction. Aerial seeding control system contained hand tele-control system and airborne tele-control system. The airborne tele-control system contained main controller (STM32 single chip), BeiDou Navigation chip, piezoelectric sensor, stepping motor with driver, flying information detection module, wireless transmission module and power module. The hand tele-control system contained controller, display screen, wireless transmission module, power module and keys. When the UAV was in the working field, the location information of UVA was detected by flying information detection module and the aerial seeding device started to seeding. The aerial seeding device stopped to seed when the flying information detection module detected that the UAV was out the working field. Hand tele-control system communicated with the airborne tele-control system acquired the flying information and then controlled the seeding rate of metering device when the UAV was flying. In order to analyze the factors affecting the working performance of aerial seeding device, the simulation model of airflow field of UAV rotor wing was established and the effects of rotor wing to airflow field was analyzed. The simulation results showed that the airflow field conducted by rotor wing affected the rapeseed falling track obviously. With the flight height of UVA increased, the range of space airflow field affected by UVA wings increased, and the distribution area of rapeseed landing on the ground increased. The relationship model between the UAV flight speed and geneva wheel rotary speed was established by selecting the length of seed-filling funnel and geneva wheel rotary speed as the factors based on the bench est. The results showed that when the distance between outlets of seed guiding tube and rotor wing was 300 mm, the length of seed-filling funnel was 53 mm, geneva wheel rotary speed was 10-50 r/min, the geneva wheel seeding rate met the requirements at the UAV flight speed of 2-4 m/s. The pavement test was conducted and the results showed that the effective working width was 2.15-2.45 m, coefficient of variation of seed distribution uniform was 32.05%-34.78% at the cross distance of seed tube outlets of 1.1 m, UAV flight height of 2-2.5 m. The average seedling density of field experiment was 64.5 plants/m2, the coefficient of variation of seed distribution uniformity was 38.23%, which meet the requirements of rape cultivation This study can provide a reference for the design of UAV aerial seeding device. In order to further optimize the working performance of UAV aerial seeding, it is necessary to conduct comprehensive tests under natural wind and different field conditions in the future research work.

UAV; experiments; aerial seeding; rape; metering device; control system

張青松，張愷，廖慶喜，等. 油菜無人機飛播裝置設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(14)：138-147.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.017 http://www.tcsae.org

Zhang Qingsong, Zhang Kai, Liao Qingxi, et al. Design and experiment of rapeseed aerial seeding device used for UAV[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(14): 138-147. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.017 http://www.tcsae.org

2020-02-10

2020-06-20

國家自然科學(xué)基金項目（51875229、51975238）；國家油菜產(chǎn)業(yè)體系專項資助項目（CARS-12）；湖北省自然科學(xué)基金（2019CFB153）；湖北省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新行動

張青松，博士，講師，主要從事油菜機械化生產(chǎn)技術(shù)與裝備研究。Email：qszhang@mail.hzau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.14.017

S251

A

1002-6819(2020)-14-0138-10