農(nóng)業(yè)工程

李繼宇，周志艷，胡煉，等

農(nóng)業(yè)工程

單旋翼電動無人直升機輔助授粉作業(yè)參數(shù)優(yōu)選

李繼宇，周志艷，胡煉，等

目的：不同類型的農(nóng)用無人直升機的結(jié)構(gòu)不同，旋翼所產(chǎn)生氣流到達作物冠層后形成的風場也有較大的差異，對應(yīng)的風速、風向和風場寬度等參數(shù)對雜交水稻花粉的運送直接影響到授粉的效果（母本結(jié)實率）、作業(yè)效率及經(jīng)濟效益。因此，需要針對不同的機型參數(shù)（翼展、軸距、旋翼個數(shù)及布局、飛機及負載質(zhì)量等），決策出較佳（效率較高、作業(yè)成本較低）的飛行作業(yè)參數(shù)（包括飛行高度、飛行速度、作業(yè)航向、有效負載等），同時又能較好地滿足輔助授粉生產(chǎn)的需要（保證母本結(jié)實率）。該文采用正交試驗，對單軸單旋翼電動無人直升機用于水稻制種輔助授粉的田間作業(yè)參數(shù)進行優(yōu)選。方法：采用單軸單旋翼電動無人直升機的代表機型用于測試試驗研究，根據(jù)正交試驗設(shè)計法設(shè)計了3因素3水平的正交試驗（其中因素A為飛機及負載質(zhì)量：A1（12.05 kg）、A2（13.05 kg）、A3（14.05 kg），因素B為飛行相對高度：B1（1.59 m）、B2（1.93 m）、B3（2.41 m），因素C為飛行速度：C1（1.56 m/s）、C2（3.05 m/s）、C3（4.53 m/s）），考察平行于飛行方向（X向）、垂直于飛行方向（Y向）、垂直地面（Z向）3個方向上的峰值風速（X、Y向越大越好，Z向越小越好）、Y向風場寬度（越寬越好）、動力電池的壓降（放電越慢越好）3個指標。試驗場地位于海南省三亞市樂東縣黃流鎮(zhèn)隆平種業(yè)公司雜交水稻繁育基地，水稻正處于始穗期，試驗時平均株高約為50 cm。數(shù)據(jù)采集設(shè)備為風場無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測量系統(tǒng)，包括按線陣方式布置的10個風速傳感器無線測量節(jié)點（WWSS），可同步采集水稻冠層風場數(shù)據(jù)及飛行器的位姿數(shù)據(jù)；考察風場寬度的適宜風速定義為花粉懸浮的參考速度，即：風場寬度是指以飛機航線與WWSS線陣交點為原點，峰值風速＞1 m/s的WWSS 節(jié)點所覆蓋的寬度。對獲取的數(shù)據(jù)進行異常樣本剔除和自然風干擾處理后，進行正交試驗數(shù)據(jù)結(jié)果的統(tǒng)計分析和基于綜合評分法的田間作業(yè)參數(shù)評價和優(yōu)選。結(jié)果：不考察因素間的交互作用，每個飛行條件按照去向與回向重復(fù)2次，按照數(shù)據(jù)預(yù)處理規(guī)則處理后共獲得試驗樣本數(shù)據(jù)18個。峰值風速試驗結(jié)果：X向最大值對應(yīng)6號8.2 m/s，X向最小值對應(yīng)3號和4號均為2.4 m/s，Y向最大值對應(yīng)6號和8號7.5 m/s，Y向最小值對應(yīng)3號2.2 m/s；峰值風速的極差分析結(jié)果顯示，飛機及負載質(zhì)量較優(yōu)水平均為A3（14.05 kg），速度較優(yōu)水平均為C1（1.56 m/s），而高度的較優(yōu)水平對于X向風速是B2（1.93 m），對于Y向較優(yōu)值為B1（1.59 m），影響3向風速峰值的主次因素排序為C（飛行速度）、A（飛機及負載質(zhì)量）、B（飛行高度）。Y向風場寬度（峰值風速＞1 m/s時WWSS所覆蓋的寬度）試驗結(jié)果：最大值對應(yīng)8號8.1 m，最小值為4號4.9 m；Y向風場寬度極差分析結(jié)果顯示，各因素較優(yōu)水平為A1（12.05 kg）、B2（1.93 m）、C1（1.56 m/s），影響Y向風場寬度的主次因素排序為C、A、B，此結(jié)果與峰值風速極差分析結(jié)果保持一致。為進一步從極差分析結(jié)果中優(yōu)選出較佳的作業(yè)參數(shù)，采用綜合評分法結(jié)合電池壓降對該機型作業(yè)參數(shù)進一步分析評價，通過式Pi=(X×L×0.4+Yi×L×0.4+(1/Zi)×L×0.2)×0.5+Di×L×0.5（P：綜合評分值，i：試驗號，L：當次試驗電壓降，Xi：X向峰值風速值，Yi：Y向峰值風速值，Zi：Z向峰值風速值，Di：Y向風場寬度值）計算出綜合評分分數(shù)最高值為8號試驗，分數(shù)值為12.82，最低值為3號試驗，分數(shù)值為6.04。結(jié)論：SCAU-2型單軸單旋翼電動無人機在峰值風速＞1 m/s時對應(yīng)的水稻冠層有效風場最寬可達8.1 m，最窄為4.9 m，該機型在所設(shè)計的試驗條件下基本能滿足傳播花粉的需求；該機型在水稻冠層所形成風場的峰值風速主要受飛機的飛行速度、飛機及負載質(zhì)量、飛行高度影響，且隨著飛行速度的降低、飛機及負載質(zhì)量的增加、飛行高度的降低，其峰值風速有逐步增大的趨勢。結(jié)合有效風場寬度及電池電量消耗程度來考量，3種主要因素的主次排序及其較優(yōu)水平依次為飛行速度1.56 m/s、飛機及負載質(zhì)量14.05 kg和飛行高度1.93 m。該結(jié)果可為其他單軸單旋翼電動無人直升機用于水稻制種輔助授粉的田間作業(yè)參數(shù)設(shè)置提供參考，而且也可為制定基于農(nóng)用無人直升機的水稻制種輔助授粉作業(yè)技術(shù)規(guī)范提供依據(jù)。

來源出版物：農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2014, 30(10)： 43025

入選年份：2014

編輯：張寧寧