氣力式無人機水稻撒播裝置的設計與參數優(yōu)化

0　引　言

中國幅員遼闊，不同地區(qū)地形地貌、種植習慣差異較大，對播種機具的設計要求也需要因地制宜[1]。據統(tǒng)計，中國泥腳深、雨水多、排水不暢的冷浸田是低產田的主要類型之一[2]，目前約占低產稻田面積的44.2%，占全國稻田面積的15.07%[3]；此外，沿海灘涂總面積達220萬hm2[4]；沼澤面積約1 100萬hm2[5]。上述區(qū)域是潛在的耕地資源[6]，但地面機械難以進入進行正常作業(yè)[7]。此外，在丘陵地區(qū)，由于地塊面積小、高差大，大型地面播種機械難以行走，主要依靠小型播種機作業(yè)，費時費力[8]。

無人直升機體型小，操控靈活，可以實現航跡規(guī)劃和自動導航飛行[9]，不需要專用機場，可在田頭靈活起降[10]，不受地形地貌的限制，能夠適應各種復雜的環(huán)境[11]，能在地面機械和有人駕駛飛機難以企及的場所進行作業(yè)[12]。因此，利用無人直升機進行撒播可有效解決部分地區(qū)的機械化問題。

國內外已有采用無人直升機進行種子、肥料撒播的研究報道[13]，國內珠海羽人、深圳高科新農等企業(yè)已開發(fā)出撒播無人直升機[14]，證明了無人直升機撒播的可行性和實用性。但目前用于無人機掛載的撒播裝置通常為離心圓盤式，該方式主要從地面播撒機械借鑒而來[15]，在無人機上掛載使用存在以下不足之處：離心撒播的落種區(qū)為圓弧形，相鄰的 2個落種區(qū)之間很容易產生重播和漏播，均勻性不好[16]，且在作業(yè)幅寬方向上的調控比較困難，通常只適合用于施肥、飛播造林和飛播牧草等均勻度要求不高的粗播領域[17]。隨著無人機技術的發(fā)展，無人直升機的載荷能力和續(xù)航時間有了很大的提高，目前裝載量可達20 kg以上，作業(yè)時間也由原來的10 min左右提升至20 min以上（部分機型甚至更長），無人直升機撒播能夠作為地面機械和有人駕駛飛機作業(yè)的有效補充，具有一定的實際應用價值。

為了探究適合無人機作業(yè)的撒播方式和撒播裝置，改善無人機撒播作業(yè)的效果，以有效解決部分地區(qū)的種植機械化問題，本文擬提出一種較適合無人機高速撒播作業(yè)且均勻性較好的氣力式撒播裝置的設計方案，并對其關鍵部件進行仿真和樣機測試驗證，對影響撒播幅寬和均勻度的關鍵參數進行分析和優(yōu)化，以期為樣機優(yōu)化制造提供參考。

1　氣力式無人機撒播裝置的工作原理

撒播裝置的工作原理如圖 1所示，氣力式撒播裝置主要由風機、分流箱、排種槽輪和導流通道組成。工作時，風機產生的高速氣流經由入風口將落種口的種子顆粒吹入獨立分開的導流通道，二者充分混合后，由氣固混合出口排出。該裝置主要利用排種槽輪調控種子顆粒的排量，利用風機產生的高速氣流吹送種子顆粒，種子顆粒的撒播量和運動軌跡有較強的可控性。

圖1　氣力式水稻撒播裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of pneumatic rice sowing device

作業(yè)中，撒播裝置與無人機采用如下方式進行配合：根據無人機前進的速度和高度實時調整排種輪的轉速和風機的風速，以此調整種子顆粒的畝撒播量和撒播幅寬，從而控制該航線上的撒播均勻性和幅寬的穩(wěn)定性。為方便描述，便于進行參數的優(yōu)選，后文的仿真分析及樣機測試均以稻種作為撒播作業(yè)對象。

2　氣力式無人機撒播裝置關鍵部件的設計與仿真

2.1　無人機平臺

2.1.1無人機機體結構

搭載該撒播裝置的無人機為六旋翼無人機（廣州天翔航空科技有限公司），最大任務載荷為 19 kg，機體結構如圖2所示。

圖2　無人機平臺結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of unmanned aerial vehicle platform

2.1.2無人機風場仿真分析

無人機作業(yè)中下旋風場的分布對種子顆粒的運動軌跡有較顯著的影響，為了獲得撒播裝置的較優(yōu)結構參數及安裝位置，對該機型的下旋風場進行模擬仿真。

根據標準的k-ε湍流模型[17]，假設流體是不可壓縮的連續(xù)體[18]。該多旋翼無人機的 6個旋翼電機沿機身圓周對稱分布。無人機機懸停時風場穩(wěn)定，可采用 Ansys流體分析中的 3D風扇模型[19]計算方法將計算域分為靜止域和流動域：將高速旋轉的單個螺旋槳所在的極小的范圍設置為圓柱型流動域（圓柱半徑設置為螺旋槳葉片的半徑，即30 cm，厚度為葉片的空間高度，無限接近于零），如圖3a 中A所示。將螺旋槳以外的計算域設置為圓柱型靜止域（圓柱半徑為1.5 m，高度為3.6 m）[20]，如圖3a 中B所示（在圖3a所示仿真模型中，圓柱型靜止域中小圓柱所在的上表面圓心設置為空間坐標軸的原點，豎直向下為Z軸正方向）。單個旋翼電機的轉速設置為2 960 r/min，螺旋槳葉片上下表面的實測壓差為150 Pa。

由仿真結果知，懸停狀態(tài)下，多旋翼無人機的風場對稱分布，在機身下方，各旋翼產生的氣流螺旋向下。從圖3c～圖3g不同水平面上的氣流分布情況可知，旋翼產生的氣流擾動區(qū)域隨著與機身底部的距離增大而擴大，同時風力強度逐漸衰弱，距離增大到約1 m時，不同旋翼下的氣流擾動區(qū)域出現交叉，逐漸擴大。上述規(guī)律表明，若稻種離開撒播裝置出口后進入旋翼風場氣流擾動區(qū)域，其運動軌跡主要受旋翼風場影響，在區(qū)域內逐漸散開，能獲得較大的幅寬；當稻種逃離旋翼風場氣流擾動區(qū)域后，其運動軌跡主要由逃離時最后時刻的初速度和方向決定，做自由落體運動后落入泥面。換言之，若無人機相對地面的飛行高度小于其旋翼風場衰減的距離，則撒播幅寬主要受旋翼風場影響。

圖 4為在2個特殊平面上的風速分布情況，如圖4中箭頭所示，在各旋翼氣流柱周圍產生一定的低壓區(qū)，吸引機身下方的中心區(qū)域和周邊區(qū)域的氣流向其靠近。在機身底部及2個旋翼之間所形成區(qū)域的氣流擾動較少，適合將撒播裝置的出口安裝于該區(qū)域內。由圖4a可知，旋翼下方的風速較大，氣壓較低，吸引周圍的氣流，由圖4b可知旋翼之間的區(qū)域風速較小，氣流被迫趨于旋翼正下方，且在一定范圍內，風場風速隨著離地高度的減小而增大。

2.2　分流箱的設計

撒播裝置的外部氣流由涵道風機（群汐QX90-80A，威海齊飛模型科技有限公司）提供。為了將涵道風機產生的高速氣流進行整流，以獲得較均勻的平行氣流用于后續(xù)物料的輸送，設計了分流箱，入口處連接涵道風機。

根據流體力學相關理論[21]，相同時間內，氣流通過密閉容器 2個截面的流量相等，分流箱出風口的風速值與出風口直徑之間的關系可用式（1）表示。

式中va為涵道風機的出口風速，m/s；vb為分流箱的氣流出口風速，m/s；Da為分流箱氣流入口直徑，mm；Db為氣流出口的直徑，mm。由式（1）可知，截面處的氣體流速與截面面積成反比。

圖3　整體旋翼風場仿真Fig.3　Simulation of overall rotor wind field

圖4　特殊平面上旋翼風場仿真Fig.4 Simulation of rotor wind field of special planes

水稻顆粒質量輕，且相互之間的摩擦力較大。為了形成較大的撒播幅寬，需要為稻種提供較大的初始速度，即需要較大的氣流出口速度，但隨著氣流出口速度增加，風阻及能量消耗也會增加。為了得到最佳的氣流出口參數，設置了 6組氣流出口直徑，通過理論計算和試驗驗證的方法，得出了氣流出口直徑與氣流出口速度的關系，如表1所示。

表1　氣流出口直徑與氣流出口的風速關系Table 1　Relationship between diameters and wind velocity of air-flow outlets

由公式（1）可知，當分流箱氣流出口直徑較小時，風速值較大，這與理論值一致。但是理論值與實測值之間存在較大差異，主要是因為隨著氣流入口與出口截面間差距的增加，氣流箱中紊流度增加，氣流阻力加大，能量損失較嚴重[22]。而隨著氣流出口截面積的增大，實測值與理論值趨于一致。根據試驗用稻種的物理特性選擇吹送稻種的氣流初始速度最小為10 m/s效果較好[23]。通過試驗測試，折中考慮氣流出口風速與能量損失情況，氣流出口直徑范圍在 30～35 mm之間較好，確定為φ32 mm，6個氣流出口的實際風速均值為9 m/s，變異系數為7.08%，表明各氣流出口速度間差異不顯著，較為均勻，基本滿足撒播要求。

2.3　導流通道的設計與仿真

導流通道連接在分流箱的氣流出口處，是氣流與水稻種子混合的通道，該通道的設計既要考慮無人機機身底部空間，又要使水稻顆粒飛離時有較佳的初始速度以便形成較佳的幅寬[24-25]。

2.3.1種子在導流通道內的運動分析

如圖 5所示，由落種口落下的稻種在導流通道入風口處高速氣流作用下獲得較高的速度，后經錐形通道分散開來，沿不同的方向拋撒。在通道內的氣固兩相流中，稻種間的復雜運動可分解為與其他顆粒的碰撞過程及在流體中的懸浮過程[26]，在稀相氣固兩相流中[27]，氣流與稻種的作用力遠大于稻種之間的作用力，所以忽略稻種之間的相互碰撞。

圖5　種子在導流通道內的運動軌跡Fig.5 Motion trajectory of seed particle in diversion channel

下面分析單個稻種在水平氣流中的運動，假設稻種與氣流之間無熱量傳遞，可將氣流對稻種的作用力分解為與氣流方向相同的氣動力 Pv和與相對速度 v垂直的升力Pr，分別位于法向量n的兩側，則氣流的作用力表示為[28]

式中Pv, Pr為稻種所受的氣流作用力，N；ρ為空氣密度，kg/m3；v為種子顆粒與氣流的相對速度，m/s；d，L為稻種的長徑，cm；Cv為氣動力系數，Cr為升力系數[29]。

故種子顆粒在通道內受重力和氣流作用力，在豎直和水平方向上有

式中m為種子顆粒的質量，g；g為重力加速度，m/s2；t為種子顆粒下落的時間，s；v1為種子顆粒豎直方向上的速度，在落種口處為 0，m/s；v2為種子顆粒水平方向上的速度，初始值為0，最大值為氣流速度v，m/s。

由于稻種的雷諾數符合牛頓定律，在空氣中的懸浮速度和阻力系數接近常量[30]，氣流作用力用上述公式表示不會產生很大誤差。因氣流速度較高且通道空間有限，水稻顆粒運動到導流通道出口的過程中可能會觸碰且沿底面運動，導致飛離導流通道的種子顆粒的速度會在一個范圍內，從而形成具有一定寬度的落種區(qū)，即導流通道的長度及形狀也會對顆粒的運動產生影響。在錐形通道內設計一段直線通道，便于顆粒與氣流充分混合，較短的時間內獲得較大的速度[31]。

2.3.2導流通道內氣流分布的仿真模擬

不同錐角的導流通道內部的氣流分布不同，對稻種的引導作用也不同。為了優(yōu)選出氣流阻力最小的錐角，設計了 4 種不同錐角（錐角分別為 90°，110°，130°和 150°）的導流通道，選取最外側的通道，通過仿真模擬分析通道內部氣流速度的分布情況。設置初始條件為：導流通道入口處氣流速度為10 m/s，出口氣壓為1個標準大氣壓，其余為常態(tài)。

速度仿真結果如圖 6所示，速度以流跡線的形式表示，圖6a與圖6b所示出口處的速度分布集中在截面兩側，中間部分幾乎沒有速度流跡線，圖6c與圖6d所示出口處的速度流跡線分布均勻，且隨著錐角增大，出口處的氣流速度有所減小。

水稻在通道內運動時，較好的流通性和均勻性能夠促進良好的撒播效果，從速度流跡線來看，錐角越大越均勻，但錐角為 150°時，通道內的最小截面較小，嚴重阻礙水稻顆粒的流動，降低流通性。由圖 6仿真結果知130°是較佳的折中選擇，是否能滿足實際生產中對撒播幅寬和撒播均勻性的要求，還需要進一步進行樣機試驗驗證。

2.4　撒播裝置的集成控制

撒播裝置包括機上執(zhí)行機構和手持地面控制模塊兩部分，二者通過2.4 G全向高增益天線進行無線通信。通過手持地面控制模塊與無人機上執(zhí)行機構之間的通信實現撒播作業(yè)的控制。其控制主要包括以下流程：

1）作業(yè)前的參數標定：作業(yè)前需根據不同品種種子顆粒的物理特性對排種槽輪轉速與排量之間的關系進行標定，不同的轉速值對應不同的排量，將標定值存儲在機上執(zhí)行機構的控制器中，作業(yè)時可根據不同種類的種子顆粒撒播量的要求調整排種槽輪的轉速。

2）作業(yè)中的排量控制：在實際作業(yè)中，控制器接收無人機前進速度的反饋信號，根據無人機前進速度實時調整排種槽輪的轉速，進而實現排種量的自適應調整，保證撒播的均勻性；此外，還根據無人機距離地面的高度控制風機風速，期望以此來調節(jié)撒播幅寬，降低重播、漏播的風險。具體實施過程如圖7所示。

圖6　導流通道不同錐角的速度仿真圖Fig.6　Simulation of velocity at different cone angles of diversion channel

圖7　無人機水稻撒播裝置控制過程Fig.7　Control process of UAV rice sowing device

2.5　稻種在旋翼風場下的運動分析

利用無人機進行田間播撒作業(yè)時，旋翼風場將對稻種的運動姿態(tài)產生一定的影響。根據前文對旋翼風場和導流通道錐角的仿真分析，錐角 130°時撒播效果較佳，因此選用該參數對稻種在旋翼風場下的運動做進一步分析研究。

考慮到無人機平臺的安裝空間有限，仿真是假定撒播裝置安裝在多旋翼無人機機身下方。如圖 8所示，從130°錐角的導流通道內吹出的稻種的速度為V，速度流線1~5是可能的典型軌跡。由于水稻顆粒較輕，在旋翼風場中主要受到重力G、旋翼氣流和風機氣流的作用力F1和F2影 響。在螺旋氣流柱附近，以旋翼氣流的作用力 F1為主，水稻顆粒加速下降，在導流通道出風口附近，以風機氣流的作用力F2為主，水稻顆粒水平運動較快，一旦水稻顆粒遠離風場，進入自由落體運動狀態(tài)，對其影響以空氣阻力為主，在空中的懸浮速度變化不大。但由于撒播作業(yè)高度較低，稻種主要還是在風場區(qū)域運動。如軌跡1，運動到在低壓區(qū)受到吸引向高速氣流靠近，軌跡2和軌跡3的F2較大，逃離風場后水平運動距離增大，有利于幅寬和均勻性，軌跡4和軌跡5遇到較強的旋翼氣流，F1迅速增大，稻種加速下落。

圖8　130°錐角方向平面內的顆粒運動仿真分析Fig.8　Particle motion simulation in plane with 130° of cone angle

撒播裝置的出口設置在 6個多旋翼的中心區(qū)域，越接近螺旋氣流柱的顆粒受到的影響越大。稻種若要逃離旋翼風場形成的氣流柱區(qū)域，從導流通道出口處獲得的初始速度 V必須足夠大。因此，播撒幅寬將受到旋翼風場和播撒裝置風機所產生氣流的雙重影響，當無人機相對地面的飛行高度小于其旋翼風場衰減的距離時，撒播幅寬主要由旋翼風場決定，其影響規(guī)律較復雜，需要進一步試驗確定。

3　樣機測試試驗

有效撒播幅寬和撒播均勻性是撒播作業(yè)的重要指標，為了探究撒播幅寬和撒播均勻性的影響因素，根據前述仿真分析的結果，制作了樣機用于測試驗證試驗，分析導流通道的錐角和作業(yè)高度對撒播效果的影響并進行作業(yè)參數優(yōu)選。

3.1　撒播作業(yè)效果的評價指標及測量方法

1）有效撒播幅寬：田間撒播作業(yè)通常是往返式，需要將落種區(qū)域末端接合重疊才能實現整體均勻，確定實際的撒播幅寬。因此，有效撒播幅寬的邊界線定義為距離撒播區(qū)域中心線兩側撒播量為目標撒播量一半時的位置[32]。本文所用的稻種界定有效幅寬時的目標撒播量為180 粒/m2。

有效撒播幅寬測量方法：沿幅寬方向（垂直于無人機前進方向）上的同一采集區(qū)測量 3次有效撒播幅寬，取平均值，重復3次。

2）撒播均勻性：均勻性反映稻種分布的離散情況，沿無人機前進方向的均勻性用采集點處稻種數量的變異系數來評價。

撒播均勻性統(tǒng)計方法：沿幅寬方向上設置若干個采集區(qū)，每個采集區(qū)內沿無人機前進方向設置 3個采集點，統(tǒng)計每個采集點的稻種，取平均值，重復 3次。以下 2個測試試驗的幅寬和均勻性的數據采集方法均如前所述。

3.2　試驗場地及測試條件

3.2.1試驗場地

試驗場地為華南農業(yè)大學岑村校內農場，測試場地長度約為40 m，兩頭設置加速緩沖區(qū)10 m，選取中段勻速飛行區(qū)域設置采樣區(qū)。采樣區(qū)的布置如圖 9所示，以無人機前進方向航線為基準總線，在前進方向上間隔設置 3行采集帶，在每行采集帶上，沿幅寬方向左右對稱間隔30 cm設置16個采集區(qū)（采集區(qū)面積370 cm2）。

圖9　采集點分布圖Fig.9 Distribution of collection points

3.2.2測試條件

為保證試驗因素單一，試驗稻種為黃華占，排量為2.25 kg/min。導流通道錐角的測試是基于臺架，作業(yè)高度的測試是基于圖10所示的六旋翼無人機撒播平臺（廣州天翔航空科技有限公司生產），由飛手結合GPS模式手動控制航線高度及作業(yè)速度，前進速度約為2 m/s，選擇無風時進行。

圖10　樣機實物圖Fig.10　Objective figure of prototype

3.3　導流通道的錐角對撒播作業(yè)效果的影響

前文已經對導流通道的錐角進行流體仿真，根據流速分布初步確定了較佳的錐角為 130°。為了進一步驗證導流通道的錐角與撒播幅寬和撒播均勻性的關系，通過臺架試驗對比了不同錐角下的撒播均勻性和有效撒播幅寬。

3.3.1錐角對撒播幅寬的影響

如圖11所示為4種不同錐角的導流通道實物，風機出口風速為9 m/s，測試高度為1 m，重復測量3次。為了模擬田間實際撒播的效果，盡量避免落地稻種彈跳影響測試精度，該試驗的落種區(qū)鋪設了軟毛地毯，以接納落地的稻種。軟毛有一定的高度，緩沖效果很好，表明粗糙的帶殼水稻落于地毯上幾乎停留在原地，有效避免了二次彈跳。表2為不同錐角對應的有效撒播幅寬。

圖11　4種不同錐角的導流通道Fig.11　4 kinds of diversion channels with different cone angles

表2　不同錐角對應的有效撒播幅寬Table 2　Sowing widths in different cone angles

以錐角為自變量，以撒播幅寬的均值為因變量，對錐角和撒播幅寬進行線性回歸分析，顯著性為 0.004，R2=0.999，錐角與撒播幅寬存在極強的線性相關性，關系式為

式中θ為導流通道的錐角，(°)；H為撒播的有效幅寬，m。

3.3.2錐角對撒播均勻性的影響

有效幅寬內各采集點處的撒播顆粒的統(tǒng)計情況如圖12所示。對各組數據進行差異性分析，結果如表3所示。

圖12　不同錐度的導流通道對撒播均勻性的影響Fig.12 Influence of different diversion channel cone angle on sowing uniformity

表3　不同錐角的撒播均勻性Table 3 Sowing distribution uniformity of different cone angles

從表 3可得，錐角不同的導流通道對撒播均勻性的有一定的影響，當錐角達到150°時，變異系數明顯增大，這是因為，考慮到裝置整體結構及安裝問題，不同的通道之間的距離較大，從導流通道內飛離的種子顆粒流之間的重疊搭接效果較差，落種區(qū)出現疏密相交的現象，導致整體均勻性下降，變異系數增大。根據仿真及實際測試的結果，優(yōu)選130°為導流通道的最佳錐角。

3.4　作業(yè)高度對撒播效果的影響

不同高度下的無人機下方風場形成的氣流分布各不相同[33-34]，稻種從不同高度下落，在空中的運動姿態(tài)所有影響程度也不相同。從前文仿真分析結果得知，無人機相對地面的飛行高度小于其旋翼風場衰減的距離時，則撒播幅寬主要受旋翼風場影響；當稻種逃離旋翼風場氣流擾動區(qū)域后，其運動軌跡主要由逃離時最后時刻的初速度和方向決定，做自由落體運動后落入泥面。農用無人機常見的作業(yè)高度試驗范圍為1~3 m，為了探究無人機作業(yè)高度對撒播作業(yè)效果的影響，以高度為自變量，設置 5個高度梯度進行測試試驗，撒播裝置的導流通道錐角為130°，分流箱的出口風速值約為9 m/s，飛機前進速度、撒播量和氣象條件等其他條件均如前述3.2節(jié)所示。

3.4.1作業(yè)高度對有效撒播幅寬的影響

不同作業(yè)高度下的幅寬試驗結果如表 4所示。為檢測作業(yè)高度是否對撒播幅寬有顯著影響，首先以作業(yè)高度為控制變量，撒播幅寬均值為觀測變量，對表 4中數據進行相關性分析，結果顯示相關性的顯著系數為0.359>0.05，因此，在1～2.8 m范圍內的撒播高度與撒播幅寬沒有顯著相關性。分析原因為：由前文可知，導流通道的出口設置在幾個旋翼之間，且撒播幅寬與導流通道的錐角有很強的相關關系，該試驗是在導流通道內的風速和導流通道的錐角均不變的情況下進行的，水稻顆粒飛離撒播裝置后得到的初始速度的差別并不大。在試驗高度范圍內，當高度小于2.8 m時，隨著離地高度的減小，旋翼氣流有所增大，尤其是旋翼正下方的區(qū)域，該處形成的低壓也會迫使旋翼之間的種子趨于旋翼正下方運動。種子下落過程中也會受到自然風力作用，水平位移有限，但是相比于自然風力的影響，種子受風場內旋翼氣流作用的時間較長，尤其是豎直向下的速度增大，被迫加速下落，而不會增大空中漂浮的時間，因此多數種子在此區(qū)域落地，幅寬增加不明顯。

表4　作業(yè)高度與撒播幅寬的關系Table 4　Relationship between height and sowing width

3.4.2作業(yè)高度對撒播均勻性的影響

不同的作業(yè)高度下，有效幅寬內各采集點處的稻種分布情況如圖13所示。由圖13可知，不同高度下各曲線的趨勢基本一致，兩端采集點（編號1～3和14～16）處的顆粒數約為目標量的一半，且各曲線的波動情況沒有明顯的規(guī)律?？傮w來看，高度為100 cm時的有效幅寬最短，高度為200和270 cm時的有效幅寬最長。

圖13　各采集區(qū)水稻顆粒數均值曲線Fig.13　Average number of grain particles in collection areas

為了進一步探究作業(yè)高度對撒播均勻性的關系，在有效幅寬內選取采集區(qū)的稻種數均值進行差異性分析，結果如表5所示。

對作業(yè)高度與變異系數進行相關性分析，結果表明相關性的顯著系數為 0.197>0.05，二者沒有很強的相關性，主要因為稻種飛離撒播裝置時的初始水平速度相差較大，在旋翼風場中的受力不同，豎直向下運動加快，部分水平速度較小顆粒較早扎堆落地，不利于稻種分散。因而在1~2.8 m范圍內，作業(yè)高度對撒播均勻性并無太大影響?？紤]到作業(yè)高度較低（約1 m）時旋翼風場會對水田表面產生影響，作業(yè)高度較高則會降低旋翼風場的利用率，在實際作業(yè)中，綜合撒播幅寬和均勻性變異系數以及田間作業(yè)環(huán)境等因素，建議2 m作為該無人機平臺的適宜作業(yè)高度。

表5　各采集區(qū)顆粒均勻性分析Table 5　Uniformity analysis of particles in collection areas

4　結論與討論

本文設計了一種氣力式無人機撒播裝置，采用播量可調的外槽輪排種，以風機產生的高速氣流作為種子撒播的動力，通過對關鍵部件進行仿真和試驗測試，得出以下結論：

1）分流箱的氣流出口尺寸直接影響氣流出口速度，可根據需要的氣流速度設計合理的分流箱，經仿真分析和試驗驗證，針對該試驗中所用的涵道風機選擇φ32 mm作為較佳的氣流出口直徑。

2）導流通道錐角與撒播幅寬之間存在極顯著的線性相關關系，相關系數R2=0.999，顯著性為0.004；通過相關的仿真分析和試驗驗證，優(yōu)選130°為導流通道的錐角。

3）在農用無人機常見的作業(yè)高度范圍（1～2.8 m）內，在1～2.8 m的范圍內，作業(yè)高度與撒播幅寬、作業(yè)高度與撒播均勻性的相關性均不顯著。因此，在該范圍內，無人機進行撒播作業(yè)時，可以不用考慮作業(yè)高度波動對撒播幅寬和均勻性的影響。綜合考慮作業(yè)環(huán)境等因素，建議2 m作為該無人機平臺的適宜作業(yè)高度。

本文所設計的氣力式無人機撒播裝置可實現排量隨無人機前進速度的變化而調節(jié)，提高了無人機撒播作業(yè)的均勻性。但是影響撒播均勻性的因素還有很多，這些因素的影響以及最佳參數的確定還有待進一步研究。

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