油菜成條飛播裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

黃小毛，徐胡偉，張 順，李文成，羅承銘，鄧宇飛

油菜成條飛播裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

黃小毛1,2，徐胡偉1，張 順1，李文成1,2，羅承銘1,2，鄧宇飛1

（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(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070）

為解決常見(jiàn)地面播種機(jī)器無(wú)法進(jìn)入或進(jìn)入經(jīng)濟(jì)效益不高場(chǎng)景下的油菜播種問(wèn)題，基于極飛P20商用植保無(wú)人機(jī)平臺(tái)，設(shè)計(jì)一種基于電驅(qū)離心條播式排種器的無(wú)人機(jī)油菜飛播裝置，以實(shí)現(xiàn)類似地面機(jī)器條播而非撒播的效果。首先對(duì)已有倒置錐筒離心式排種器進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)上凸錐筒離心式排種器結(jié)構(gòu)，并確定排種盤和排種口等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)。在分析該款無(wú)人機(jī)下洗氣流場(chǎng)分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出了一種與該離心排種器配合使用的輔助導(dǎo)種裝置。排種性能臺(tái)架試驗(yàn)表明，當(dāng)排種轉(zhuǎn)速在40～220 r/min范圍逐漸增加時(shí)，單位時(shí)間總排量呈現(xiàn)先持續(xù)增加后趨于穩(wěn)定，且在排種轉(zhuǎn)速為190 r/min時(shí)達(dá)到最大單位時(shí)間總排量179.65 g/min，可滿足無(wú)人機(jī)作業(yè)速度5 m/s所需的排量要求；各行排量一致性變異系數(shù)和總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)先減小后增大，分別分布在4.5%～12.6%和0.7%～6.2%范圍內(nèi)；種子籽粒破損率隨排種轉(zhuǎn)速增大逐漸增大，但均在2%以內(nèi)。樣機(jī)場(chǎng)地測(cè)試試驗(yàn)表明，導(dǎo)種裝置高度在1.5～2.5 m范圍內(nèi)變化時(shí)，成條指數(shù)與其沒(méi)有顯著相關(guān)性（=0.0769>0.05），且成條寬度不到設(shè)定行距的1/4。進(jìn)一步的田間試驗(yàn)結(jié)果顯示，成條指數(shù)為35.0%，播種均勻性變異系數(shù)為19.26%，滿足油菜條播農(nóng)藝技術(shù)要求。

無(wú)人機(jī)；設(shè)計(jì)；油菜飛播；離心式排種器；旋翼氣流抗干擾技術(shù)

0 引 言

油菜是中國(guó)分布區(qū)域最廣、播種面積最大的油料作物，因其對(duì)土壤和熱量要求不高，具有廣適性[1]。油菜播種因區(qū)域不同對(duì)機(jī)具的選擇也需因地制宜。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)南方地區(qū)河灘、坡地總面積達(dá)240萬(wàn)hm2[2]；冬閑田面積約650萬(wàn)hm2[3]，這些區(qū)域是種植油菜作物的潛在耕地資源，但常見(jiàn)地面播種機(jī)器往往因?yàn)檫m應(yīng)性問(wèn)題無(wú)法進(jìn)入或進(jìn)入經(jīng)濟(jì)效益不高。長(zhǎng)期以來(lái)，油菜作為油料作物時(shí)往往與其他作物連作種植，播種時(shí)間短，對(duì)機(jī)具的作業(yè)效率要求高，南方水田土壤黏重、地塊面積狹小分散，大型地面播種機(jī)械難以行走，因此主要依靠人工撒播和移栽或小型播種機(jī)作業(yè)，耗工費(fèi)時(shí)，成本較大[4-7]。

配備高精度自主飛行功能的無(wú)人機(jī)，具有地面機(jī)器無(wú)法比擬的高通過(guò)性、穩(wěn)定性和作業(yè)效率等特點(diǎn)[8]。無(wú)人機(jī)體型小，操控靈活，可以實(shí)現(xiàn)航跡規(guī)劃和自動(dòng)導(dǎo)航飛行，能在地面機(jī)械難以進(jìn)入的場(chǎng)所進(jìn)行作業(yè)[9]。隨著技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)人機(jī)已可達(dá)到12 m/s的飛行速度，該速度是常規(guī)地面機(jī)器作業(yè)速度的3～5倍，且具有大范圍實(shí)時(shí)可調(diào)的特點(diǎn)。因此，利用無(wú)人機(jī)飛播技術(shù)可有效解決部分地區(qū)的油菜機(jī)械化播種問(wèn)題。

國(guó)內(nèi)外已有關(guān)于無(wú)人機(jī)播種的研究報(bào)道[10-11]，廣州極飛科技、深圳大疆創(chuàng)新和珠海羽人等無(wú)人機(jī)生產(chǎn)企業(yè)已陸續(xù)開發(fā)出播種無(wú)人機(jī)，并進(jìn)行了示范推廣，證明了無(wú)人機(jī)播種的可行性和實(shí)用性。相關(guān)學(xué)者也對(duì)無(wú)人機(jī)播種技術(shù)進(jìn)行了研究，Li等[12]設(shè)計(jì)了一種水平離心圓盤式水稻撒播裝置，并進(jìn)行了田間試驗(yàn)。宋燦燦等[13]設(shè)計(jì)了一種氣力式無(wú)人機(jī)水稻撒播裝置，該裝置利用排種槽輪控制稻種排量，利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的高速氣流吹送稻種。陳雄飛等[14]設(shè)計(jì)的離心擺管式播種無(wú)人機(jī)，離心擺管繞著固定的旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)使物料顆粒進(jìn)入擺管，再在離心力的作用下從擺管末端拋撒出去。沿前進(jìn)方向上的落種區(qū)是較多環(huán)形落種帶疊加形成的，存在較多重播和漏播，因此此類播種無(wú)人機(jī)通常只適用于飛播造林和飛播牧草等均勻性要求不高的領(lǐng)域。李遺[15]設(shè)計(jì)的適用于超低空飛行器的肥料撒播裝置，采用離心圓盤式排肥器半邊拋撒，落種帶呈扇形環(huán)狀。包勝軍等[16]設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)撒播裝置利用閘門的移動(dòng)控制出料口大小，調(diào)節(jié)播量，對(duì)閘門的控制精度要求較高，排量均勻性難以保證。Erico[17]嘗試一種基于螺旋送料器的樹種飛播裝置，用于飛播造林。上述飛播裝置，大多利用水平離心圓盤或外槽輪等核心器件對(duì)種子、化肥等物料向空中進(jìn)行拋撒作業(yè)。由于投種高度較大且受無(wú)人機(jī)旋翼氣流的擾動(dòng)，種子籽粒落點(diǎn)位置隨機(jī)性較大，一般整體上成面散點(diǎn)狀分布。已有的無(wú)人機(jī)播種屬于比較粗放的方式，播種效率高，但播種均勻性受因多種因素影響而不易控制。針對(duì)這一問(wèn)題，該文結(jié)合油菜條播農(nóng)藝技術(shù)要求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一種專用于油菜條播的無(wú)人機(jī)飛播裝置。

1 飛播裝置總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 油菜條播農(nóng)藝技術(shù)要求

油菜對(duì)播種期的反應(yīng)非常敏感，對(duì)于長(zhǎng)江中下游地區(qū)等冬油菜種植區(qū)而言，發(fā)芽適宜溫度為16～22 ℃，幼苗出葉溫度為10～15 ℃以上，一般要求在9月下旬到10月中旬播種，最遲不超過(guò)10月底[18]。地面機(jī)具條播播量每畝控制在150～250 g，隨著播種期的推遲播量逐漸增加，9月下旬播種一般為150 g，10月上旬播種一般為200 g，10月中旬播種一般為250 g[19-20]。油菜條播密度為225 000～375 000 株/hm2，實(shí)際播種時(shí)株距、行距和播種深度分別控制在0.04～0.07、0.20～0.4和0～0.02 m。

因飛播裝置不與地面土壤產(chǎn)生接觸，無(wú)法完成地面機(jī)具的開溝、覆土功能，因此為保證發(fā)芽率，油菜飛播時(shí)可采用3種模式：先地面機(jī)具旋耕并開溝后飛播，種子籽粒落入土壤顆粒間隙；先飛播后地面機(jī)具或人工開溝并利用開溝土壤進(jìn)行種子籽粒覆土；加大播量純飛播。本文田間試驗(yàn)時(shí)采用第一種模式。

1.2 飛播裝置總體結(jié)構(gòu)

飛播裝置搭載于極飛P20型無(wú)人機(jī)上，主要由種箱、種箱支架和離心式排種器等組成，如圖1所示。其中種箱支架和舵機(jī)分別通過(guò)螺栓與無(wú)人機(jī)機(jī)架固定連接。

1.種箱 2.種箱支架 3.離心式排種器 4.橡膠軟管 5.無(wú)人機(jī) 6.排種電機(jī)7.罩殼 8.舵機(jī) 9.導(dǎo)種管 10.水平固定桿 11.變向接口 12.投種管 13.硅膠尾管

1.3 工作原理

工作時(shí)，無(wú)人機(jī)以適當(dāng)高度懸停在空中，位于排種器上部種箱中的油菜種子籽粒在重力作用下下落，經(jīng)進(jìn)種口均勻連續(xù)地流入排種器外殼與排種盤所夾的充種室中。掛接導(dǎo)種裝置后解除無(wú)人機(jī)懸停指令，使其按照既定的軌跡實(shí)現(xiàn)自主飛行。同步啟動(dòng)排種電機(jī)，驅(qū)動(dòng)排種盤勻速旋轉(zhuǎn)，排種盤中的油菜種子籽粒在離心力和隔條的帶動(dòng)作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，形成均勻規(guī)則的種子籽粒旋轉(zhuǎn)流動(dòng)層。當(dāng)流動(dòng)層外緣種子籽粒與外殼內(nèi)壁的型孔相遇時(shí)，種子籽粒被型孔囊入并排出，經(jīng)過(guò)橡膠軟管、罩殼、導(dǎo)種管、變向接口和投種管，最后從硅膠尾管中排出至地表，實(shí)現(xiàn)一器多行精量排種作業(yè)。

1.4 技術(shù)參數(shù)

根據(jù)飛行器的特點(diǎn)及油菜條播農(nóng)藝技術(shù)要求，擬定飛播裝置的主要技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 飛播裝置（含極飛P20型無(wú)人機(jī)）主要技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 離心式排種器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

排種器是飛播裝置的核心工作部件，其性能直接影響到油菜飛播的作業(yè)質(zhì)量和效率；搭載于地面機(jī)器上的離心式排種器體積大、排種效率低、對(duì)坡角比較敏感，難以滿足無(wú)人機(jī)飛播裝置高速條播的作業(yè)要求。本文將傳統(tǒng)地面機(jī)器使用的倒置內(nèi)錐筒型排種盤[21]改進(jìn)成上凸錐筒式，設(shè)計(jì)一種電驅(qū)、大排量的離心式油菜排種器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。該排種器依靠油菜種子籽粒重力和離心力雙重作用充種，實(shí)現(xiàn)一器多行排種，不受機(jī)具振動(dòng)和顛簸影響，具有比傳統(tǒng)倒置內(nèi)錐筒型（下凹）離心式排種器更好的充種效果和作業(yè)穩(wěn)定性。

圖2 上凸錐筒離心式油菜排種器結(jié)構(gòu)

2.1.1 排種盤設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)離心式排種器倒置錐筒型排種盤[5]可能導(dǎo)致的問(wèn)題，本文改進(jìn)后提出的離心式油菜排種器，其排種盤結(jié)構(gòu)如圖3所示。排種盤型面為向外發(fā)散的傘狀，油菜種子籽粒自上而下靠自身重力、種群作用力和離心力進(jìn)行充種、運(yùn)種和排種。排種盤型面上設(shè)置6根均勻分布的隔條，在排種電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，充種間隙中的種子籽粒在隔條的帶動(dòng)下隨著排種盤勻速旋轉(zhuǎn)，形成規(guī)則的種子籽粒旋轉(zhuǎn)流動(dòng)層。

注：R1為排種盤型面半徑，mm；R2為排種盤半徑，mm；H為排種盤高度，mm，下同。

種子籽粒進(jìn)入排種盤與外殼間隙后，在隔條作用下獲得與排種盤相同的回轉(zhuǎn)速度，在排種盤型面中間任意位置C點(diǎn)處受到以下各力的作用（忽略種子籽粒之間的相互作用及垂直于紙面的隔條推力），如圖4所示。

離心力、重力、排種盤反作用力、摩擦力分別為

式中為種子籽粒質(zhì)量，kg；為排種盤角速度，rad/s；為種子籽粒中心位置到排種盤中心線的距離，m；為排種盤型面曲線C點(diǎn)處切線與水平面的夾角（簡(jiǎn)稱切平角），(°)；為摩擦角，(°)；為重力加速度，m/s2。

注：O為排種盤型面圓心；A為排種盤型面頂部；B為排種盤型面底部；C為油菜籽在排種盤中的位置；為離心力，N；為重力，N；為排種盤反作用力，N；為摩擦力，N；為油菜籽中心位置到排種盤中心線的距離，mm；為型面曲線C點(diǎn)處切線與水平面的夾角，(°)；max為最大切平角，(°)；min為最小切平角，(°)；為摩擦角，(°)。

Note:O is the center of seed metering tray surface; A is the top of the seed metering tray surface; B is the bottom of the seed metering tray surface; C is the position of rapeseed in the seed metering tray;is centrifugal force, N;is gravity, N;is the reaction force of seed metering tray, N;is friction, N;is the distance from the center of rapeseed to the center line of seed metering tray, mm;is the angle between the tangent line at point C of tray surface and the horizontal plane, (°);maxis the maximum angle between tangent line and horizontal plane, (°);minis the minimum angle between tangent line and horizontal plane, (°);is the friction angle, (°).

圖4 排種過(guò)程種子籽粒受力分析示意圖

Fig.4 Force analysis diagram of rapeseed during seeding process

由力學(xué)分析可知，排種的必要條件為種子籽粒受到的摩擦力小于等于重力及離心力在切線方向上的分力之和，即

代入、和并化簡(jiǎn)得

當(dāng)=0時(shí)，即在頂點(diǎn)A處時(shí)，tan(?)≤0，也就是A點(diǎn)處的切平角max大于摩擦角，即可滿足種子籽粒從入口處順利進(jìn)入排種盤與外殼間的間隙。

當(dāng)≠0時(shí)，進(jìn)一步有

式中由小變大（從0到排種盤半徑2），由大變小（從max到min），均與排種盤的形狀及結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)，因此種子籽粒能否順利從A點(diǎn)運(yùn)移至B點(diǎn)并從排種口排出的最低轉(zhuǎn)速主要取決于排種盤的半徑2、型面半徑1及圓心O的位置?？紤]到無(wú)人機(jī)安裝位置及載重等因素，排種器應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)得小巧，取其直徑22=100 mm，高度=35 mm，排種盤型面半徑1=75 mm，max=60.99°，min=8.99°，排種盤型面與外殼內(nèi)表面間間隙5 mm。由（7）式計(jì)算出種子籽粒處在最低點(diǎn)B時(shí)能夠被排出所需的最低轉(zhuǎn)速為18.79 r/min（試驗(yàn)測(cè)得華油雜9號(hào)油菜種子籽粒與排種盤3D打印樹脂材料的摩擦角=10.12°）。

2.1.2 排種口設(shè)計(jì)

排種口結(jié)構(gòu)如圖5所示，呈三通形式，有氣壓平衡口、型孔和排種出口3個(gè)出入口，通過(guò)螺栓固定連接至排種器外殼，作業(yè)時(shí)油菜種子籽粒在種群作用力和離心力的作用下，獲得較大的初始速度，被型孔囊入后順著彎管進(jìn)入豎直管后，在重力作用下流向排種出口。根據(jù)離心式排種器型孔堵塞試驗(yàn)結(jié)果[22]，取型孔直徑=3.8 mm。為保證型孔囊種后排種順暢，型孔后通道各處坡度均大于油菜種子籽?；瑒?dòng)摩擦角[23]，且通道及排種口直徑1均大于型孔直徑，實(shí)際取1=6 mm。

1.氣壓平衡口 2.型孔 3.排種出口

1.Air pressure balance port 2.Metering hole 3.Metering outlet

注：為型孔直徑，mm；1為型孔后通道直徑，mm。

Note:is the diameter of metering hole, mm;1is the diameter of channel behind metering hole, mm.

圖5 排種口結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

Fig.5 Structural diagram of seed metering port

2.2 導(dǎo)種裝置設(shè)計(jì)

2.2.1 導(dǎo)種裝置整體結(jié)構(gòu)和工作原理

無(wú)人機(jī)下方是個(gè)復(fù)雜多變的氣流場(chǎng)[24-25]，以下洗氣流為主，同時(shí)又存在水平面內(nèi)橫向和縱向（相對(duì)于機(jī)器前進(jìn)方向）的流動(dòng)和因機(jī)器前進(jìn)（會(huì)有一定前傾）導(dǎo)致的前方來(lái)流（向下、向后）。種子籽粒在氣流裹挾下大體上相對(duì)于地面向下向后運(yùn)動(dòng)，受到重力、空氣阻力、下洗氣流作用力、縱向氣流作用力和橫向氣流作用力等多個(gè)力的作用。作用力的大小和方向可能隨時(shí)間變化，很難給出定量的理論分析和計(jì)算。各種氣流交織在一起，即使在無(wú)自然風(fēng)的條件下，也會(huì)使得排種后種子籽粒無(wú)法繼續(xù)有序定向移動(dòng)。

為抑制無(wú)人機(jī)旋翼氣流對(duì)種子籽粒運(yùn)移軌跡的擾動(dòng)、降低種子籽粒投種高度，以保證種子籽粒落地成條的效果，設(shè)計(jì)一種如圖6所示的專用導(dǎo)種裝置，主要由機(jī)載部分和手持部分組成。其中機(jī)載部分由罩殼支撐桿、罩殼安裝支架、輕質(zhì)橫桿、罩殼、舵機(jī)和舵機(jī)安裝架等組成，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)臂帶動(dòng)橫桿做一定角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，舵機(jī)及罩殼分別通過(guò)舵機(jī)安裝架及罩殼安裝支架固定在無(wú)人機(jī)腳架上，罩殼上方6個(gè)通道分別通過(guò)橡膠軟管連接至排種器排種出口；手持部分由梯形接頭和導(dǎo)種管及變向接頭、投種管和硅膠尾管等組成。

在作業(yè)前的準(zhǔn)備階段，導(dǎo)種裝置兩部分通過(guò)人工拾舉方式進(jìn)行銜接。如表2所示，先將無(wú)人機(jī)懸停在空中適當(dāng)高度，通過(guò)遙控器遙控操作4個(gè)舵機(jī)同時(shí)帶動(dòng)橫桿向外張開，然后人工拾舉導(dǎo)種裝置的手持部分，將梯形接頭推入罩殼正下方，當(dāng)梯形接頭上表面及側(cè)壁與罩殼內(nèi)壁貼合時(shí)，再次按下遙控器相應(yīng)按鍵，使舵機(jī)帶動(dòng)橫桿向中間合攏，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)臂旋轉(zhuǎn)到豎直方向時(shí)鎖止，兩根橫桿與梯形接頭下表面漸進(jìn)接觸，從而實(shí)現(xiàn)梯形接頭與罩殼緊密貼合，完成種子籽粒通道的有效銜接。作業(yè)完成后，采用相反的動(dòng)作人工取下梯形接頭。

1.罩殼支撐桿 2.罩殼安裝支架 3.輕質(zhì)橫桿 4.梯形接頭 5.罩殼 6.舵機(jī)7.舵機(jī)安裝架 8.導(dǎo)種管 9.變向接頭 10.投種管 11.硅膠尾管 12.導(dǎo)種通道

表2 導(dǎo)種裝置銜接過(guò)程

注：1為罩殼，2為舵機(jī)，3為梯形接頭。

Note: 1 is the cover, 2 is the steering motor and 3 is the trapezoid joint.

2.2.2 導(dǎo)種裝置參數(shù)設(shè)計(jì)

首先，為確保導(dǎo)種裝置順利的銜接、分離和操作人員的安全，對(duì)罩殼和梯形接頭的機(jī)構(gòu)及參數(shù)的設(shè)計(jì)要綜合考慮極飛P20下方空間大小以及操作過(guò)程中的便捷性和可靠性。其次，導(dǎo)種管的作用是使得從排種器出口出來(lái)的種子籽粒流盡可能少地受到旋翼氣流的干擾，從而能夠繼續(xù)定向有序分配到地表廂面上。其高度方向的尺寸決定了對(duì)氣流的抑制效果。

采用ANSYS有限元模擬仿真手段獲得極飛P20型四旋翼無(wú)人機(jī)產(chǎn)生的下洗氣流場(chǎng)。如圖7a所示，總計(jì)算區(qū)域劃分為4個(gè)動(dòng)域和1個(gè)靜域：每個(gè)動(dòng)域?yàn)閱蝹€(gè)無(wú)人機(jī)槳片帶動(dòng)空氣旋轉(zhuǎn)的圓柱型區(qū)域，半徑為0.45 m（略大于無(wú)人機(jī)槳片的半徑），高度為0.04 m（略大于無(wú)人機(jī)槳片的空間高度），轉(zhuǎn)速設(shè)置為2 500 r/min；靜域?yàn)閳A柱型外部流場(chǎng)區(qū)域，半徑為2 m，高度為5 m。采用標(biāo)準(zhǔn)-湍流模型，壓力與速度耦合采用SIMPLE解法，控制方程中的對(duì)流相和擴(kuò)散相均設(shè)置為二階迎風(fēng)格式。仿真結(jié)果如圖7b～7f所示，沿豎直（軸）、橫向（軸）和縱向（軸，即作業(yè)方向）考察氣流速度分矢量可知，不同方向的氣流對(duì)種子籽粒落地成條效果的影響是不同的，其中影響最大的是水平面的橫向流動(dòng)，因其大小變化及與其他方向流動(dòng)交互作用，會(huì)極大改變種子籽粒的橫向位置分布，因此抑制或削弱其影響是導(dǎo)種裝置的首要任務(wù)。從圖7b～7f可以看出，每個(gè)旋翼正下方均存在急速變化的氣流擾動(dòng)區(qū)，旋翼平面下方0～1.5 m的范圍內(nèi)，下洗氣流速度較大，各旋翼下洗氣流交叉較少，但之后逐漸匯聚成一體，且水平面內(nèi)存在分速度。氣流作用區(qū)域內(nèi)的各方向分速度隨離旋翼平面的距離增大而逐漸減小。為保證獲得較好的種子籽粒落地成條效果，導(dǎo)種管的設(shè)置十分有必要。其長(zhǎng)度要兼顧考慮氣流擾動(dòng)抑制、人員風(fēng)險(xiǎn)操作和作業(yè)飛行安全等多個(gè)因素。在播種行距（即末端投種管間距）0.3 m前提下，取硅膠尾管末端離地高度（即投種高度）為0.2 m，并準(zhǔn)備導(dǎo)種裝置高度為1.5、2.0和2.5 m對(duì)應(yīng)的導(dǎo)種管，用于試驗(yàn)優(yōu)選評(píng)估。

注：A為動(dòng)域，B為無(wú)人機(jī)槳片，C為靜域；z為距離旋翼平面的垂直高度，m。

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)包括機(jī)載排種控制系統(tǒng)和手持遙控器兩部分，二者通過(guò)E32-TTL-100型無(wú)線通信模塊進(jìn)行通信。如圖8所示，根據(jù)作業(yè)飛行速度匹配的排量要求，設(shè)定對(duì)應(yīng)排種轉(zhuǎn)速后，通過(guò)手持遙控器上傳至機(jī)載排種控制系統(tǒng)，后者實(shí)測(cè)P20無(wú)人機(jī)離心噴頭的工作狀態(tài)并自動(dòng)實(shí)時(shí)啟停排種器，而導(dǎo)種裝置舵機(jī)動(dòng)作在作業(yè)準(zhǔn)備階段和終了階段由人工通過(guò)遙控器控制。

圖8 無(wú)人機(jī)飛播裝置控制邏輯

3 排種性能臺(tái)架試驗(yàn)

進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，以驗(yàn)證排種系統(tǒng)的各項(xiàng)排種性能指標(biāo)能否滿足油菜播種農(nóng)藝要求以及單位時(shí)間總排量能否滿足最大作業(yè)速度5 m/s所需的排量要求。

3.1 試驗(yàn)指標(biāo)

參考《GB/T 9478-2005谷物條播機(jī)試驗(yàn)方法》規(guī)定的試驗(yàn)方法和指標(biāo)[26]，選取各行排量一致性變異系數(shù)CVR、總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)CVT和種子籽粒破損率為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行排種性能試驗(yàn)。試驗(yàn)指標(biāo)的計(jì)算公式如下：

式中為平均行排量，g/min；i為第行排量均值，g/min；為試驗(yàn)次數(shù)，為單位時(shí)間總排量均值，g/min；j為第次的單位時(shí)間總排量，g/min；1為試驗(yàn)中破損種子籽粒的質(zhì)量，g；為試驗(yàn)中排出的所有種子籽粒的質(zhì)量，g。

3.2 試驗(yàn)條件及方法

將機(jī)器固定在室內(nèi)臺(tái)架裝置上，如圖9所示。

1.種箱 2.排種器 3.無(wú)人機(jī) 4.試驗(yàn)臺(tái)架 5.導(dǎo)種管 6.種子籽粒收集袋

以商品化的華油雜9號(hào)油菜種子籽粒（千粒質(zhì)量為4.24 g、含水率為8.9%）為試驗(yàn)對(duì)象，排種轉(zhuǎn)速設(shè)定7個(gè)水平（40、70、100、130、160、190、220 r/min），每個(gè)水平下重復(fù)3次，每次測(cè)定時(shí)間為1 min，收集各行排出的種子籽粒，分別稱質(zhì)量，再匯總后人工篩選出破碎損傷的種子籽粒并稱質(zhì)量。記錄并根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算得到表3所示試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表3 排種轉(zhuǎn)速對(duì)排種性能的影響

注：CVR為各行排量一致性變異系數(shù)、CVT為總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)。

Note: CVR is variability coefficient of the apiece row seeding quantity consistency, CVT is variability coefficient of the total seeding quantity stability.

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

各項(xiàng)排種性能指標(biāo)及排量隨排種轉(zhuǎn)速變化曲線如圖10所示。分析可以看出，排種器單位時(shí)間總排量隨著排種轉(zhuǎn)速增加呈現(xiàn)先持續(xù)增加后趨于穩(wěn)定。當(dāng)排種轉(zhuǎn)速為40～190 r/min時(shí)，單位時(shí)間總排量與排種轉(zhuǎn)速的擬合關(guān)系式為

各行排量一致性變異系數(shù)在排種轉(zhuǎn)速較低時(shí)值較大，達(dá)到12.6%，在排種轉(zhuǎn)速為40～160 r/min時(shí)隨排種轉(zhuǎn)速逐漸減小，之后隨著排種轉(zhuǎn)速增加稍有增加。說(shuō)明排種盤低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)各行排量不穩(wěn)定，但總體上維持在4.5%～12.6%范圍內(nèi)。該系數(shù)反映各行排種通道的差異性，取值越大說(shuō)明差異越大。試驗(yàn)中排種器排種口、梯形接頭等部分零件采用3D打印制作而成，若采用機(jī)加工或注塑方式制作，有望進(jìn)一步減小該指標(biāo)取值。

總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)隨著排種轉(zhuǎn)速的增加，先急劇下降后緩慢變化，當(dāng)排種轉(zhuǎn)速較大時(shí)，有所增加，但增幅不大?？傮w上維持在0.7%～6.2%范圍內(nèi)。種子籽粒破損率隨排種轉(zhuǎn)速增加而緩慢增加，最大值為1.673%，小于2%。綜上，排種器性能各系數(shù)指標(biāo)基本滿足油菜條播農(nóng)藝技術(shù)要求[27]。

3.4 單位時(shí)間總排量匹配性分析

按照油菜條播農(nóng)藝技術(shù)要求[27]，無(wú)人機(jī)作業(yè)過(guò)程中單位時(shí)間內(nèi)用種量為

式中為單位時(shí)間內(nèi)的用種量，g/min；為作業(yè)幅寬，m；為飛行作業(yè)速度，m/s；為株距，m；為行距，m；為油菜種子籽粒千粒質(zhì)量，g。

所設(shè)計(jì)的飛播裝置搭載6行離心式油菜排種器，作業(yè)幅寬為1.8 m，最大作業(yè)飛行速度為5 m/s，株距0.05 m，行距0.3 m，華油雜9號(hào)油菜種子籽粒千粒質(zhì)量4.24 g。經(jīng)計(jì)算，作業(yè)過(guò)程中所需最大用種量為152.64 g/min。排種性能試驗(yàn)中，一分鐘最大平均排量為179.65 g，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的排種系統(tǒng)能夠滿足最大設(shè)定飛播作業(yè)速度條件下的播量要求。

進(jìn)一步，在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中可根據(jù)設(shè)定的飛行作業(yè)速度取值，先利用式（14）計(jì)算出單位時(shí)間理論用種量，再根據(jù)式（13）反算推出得到對(duì)應(yīng)的排種轉(zhuǎn)速計(jì)算式（15），并綜合土壤墑情考慮發(fā)芽率后適當(dāng)增大取值。

4 樣機(jī)場(chǎng)地測(cè)試試驗(yàn)

飛播種子籽粒落地成條效果受排種系統(tǒng)固有分散度（靜止臺(tái)架試驗(yàn)效果）、飛行器飛行過(guò)程中的橫向振幅、自然風(fēng)和旋翼氣流等多個(gè)因素影響，很難準(zhǔn)確量化計(jì)算。為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)飛播裝置的作業(yè)效果，并得到合適的導(dǎo)種裝置高度參數(shù)，于2019年9月24－30日在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)拖拉機(jī)駕駛場(chǎng)進(jìn)行樣機(jī)場(chǎng)地測(cè)試試驗(yàn)。

4.1 試驗(yàn)條件

選用華油雜9號(hào)油菜種子籽粒，設(shè)定排種轉(zhuǎn)速60 r/min，無(wú)人機(jī)選擇自主飛行作業(yè)模式，作業(yè)速度為2 m/s，作業(yè)飛行高度根據(jù)導(dǎo)種裝置高度進(jìn)行設(shè)定，保證末端離地高度0.2 m左右，自然風(fēng)風(fēng)速<2級(jí)。試驗(yàn)場(chǎng)地長(zhǎng)度約為40 m，兩頭設(shè)置加減速緩沖區(qū)各15 m，選取中間10 m的勻速飛行區(qū)域?yàn)椴蓸訁^(qū)，如圖11所示。因油菜種子籽粒細(xì)小且具有較好彈性，在采樣區(qū)連續(xù)設(shè)置若干泥盒以承接下落種子籽粒，以達(dá)到固定并顯示種子籽粒的目的。任意選取中間泥盒的某處測(cè)量點(diǎn)測(cè)量每一行導(dǎo)種管對(duì)應(yīng)的種子籽粒成條寬度，取平均值。導(dǎo)種裝置豎直方向高度分別為1.5、2.0和2.5 m，每一導(dǎo)種裝置高度值的試驗(yàn)重復(fù)3次。

圖11 數(shù)據(jù)采集區(qū)示意圖

4.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

目前尚無(wú)油菜飛播作業(yè)效果評(píng)價(jià)的國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為此本文提出成條指數(shù)的概念。無(wú)人機(jī)按照擬定飛行速度和作業(yè)高度直線飛行作業(yè)40 m，考察穩(wěn)定作業(yè)航線段內(nèi)地面上種子籽粒的分布成條規(guī)律，若呈帶狀分布且種子帶的最大寬度為，定義該寬度與播種設(shè)定行距的比值為條播成條指數(shù)，即=/。該指數(shù)反映種子籽粒的分布集中度，取值越小，種子籽粒分散度越小、集中度越好。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)前述試驗(yàn)方法，得到表4所示試驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯?，3種高度導(dǎo)種裝置條件下的成條指數(shù)均較小，成條寬度（落地后種子籽粒分布狀況典型結(jié)果如圖12所示）不到設(shè)定行距的1/4，且在1.5～2.5 m范圍內(nèi)的導(dǎo)種裝置高度與成條指數(shù)沒(méi)有顯著相關(guān)性（=0.076 9）。

表4 導(dǎo)種裝置高度與成條指數(shù)的關(guān)系

圖12 泥盒中油菜種子籽粒典型分布狀況（導(dǎo)種裝置高度2 m）

分析原因可能為：一方面，種子籽粒從排種器出口出來(lái)后，在導(dǎo)種管內(nèi)不受旋翼氣流干擾且內(nèi)腔通過(guò)性較高而在自重下加速下落，從尾管出來(lái)時(shí)已獲得較大速度且3種高度導(dǎo)種裝置的差別不大，而在0.2 m投種高度范圍內(nèi)的停留時(shí)間非常短；另一方面，旋翼平面下方1.5 m之外的氣流擾動(dòng)已開始大大減弱。

5 田間試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證該裝置的實(shí)際應(yīng)用效果，于2019年10月10日在湖北省咸寧市馬橋鎮(zhèn)油菜花?；亻_展了田間播種試驗(yàn)，如圖13a所示。選取長(zhǎng)為50 m、寬為20 m的試驗(yàn)田塊，前茬作物為水稻，試驗(yàn)前使用旋耕機(jī)進(jìn)行淺旋并開溝。選取華油雜9號(hào)油菜種子籽粒，設(shè)定無(wú)人機(jī)自主飛行作業(yè)，作業(yè)速度為2 m/s，根據(jù)公式（15）推算后并適當(dāng)放大得到排種轉(zhuǎn)速為60 r/min，選用2 m的導(dǎo)種裝置，試驗(yàn)時(shí)天氣晴好，自然風(fēng)風(fēng)速<2級(jí)。

圖13b為播種30 d后的油菜出苗效果。在田間隨機(jī)選取18段，以1 m為測(cè)算單位，測(cè)得成條寬度和出苗數(shù)如表5所示，進(jìn)一步分析得到該飛播裝置作業(yè)時(shí)成條指數(shù)為35.0%，播種均勻性變異系數(shù)為19.26%，滿足油菜條播農(nóng)藝技術(shù)要求[27]。

圖13 田間試驗(yàn)

表5 田間苗情調(diào)查結(jié)果

在進(jìn)行樣機(jī)場(chǎng)地測(cè)試試驗(yàn)時(shí)，采用泥盒承接落下的油菜種子籽粒，能夠很好地固定油菜種子籽粒，方便數(shù)據(jù)測(cè)量。而實(shí)際田間試驗(yàn)過(guò)程中，播種效果受整地質(zhì)量和無(wú)人機(jī)地表卷?yè)P(yáng)氣流影響，排出的油菜種子籽粒一部分落入土壤間隙中，另一部分落入土壤表面，反彈或受到卷?yè)P(yáng)氣流作用離散開，而增加了成條寬度。此外，相對(duì)于種子籽粒，油菜苗的實(shí)際大小也會(huì)增大測(cè)量誤差。因此田間試驗(yàn)出苗成條指數(shù)略大于場(chǎng)地測(cè)試試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

6 結(jié) 論

基于商用植保無(wú)人機(jī)平臺(tái)（極飛P20）開發(fā)了一種可近似實(shí)現(xiàn)條播效果的油菜飛播裝置，采用電驅(qū)集排離心式排種器排種，配合專用導(dǎo)種裝置導(dǎo)種，有效抑制無(wú)人機(jī)旋翼氣流對(duì)下落種子籽粒的擾動(dòng)作用，實(shí)現(xiàn)高速、精量條播（而非“漫”撒播）的播種效果。

1）開展排種性能試驗(yàn)，得出了排種轉(zhuǎn)速對(duì)各行排量一致性變異系數(shù)、總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)和種子籽粒破損率的影響規(guī)律。當(dāng)排種轉(zhuǎn)速在40～220 r/min范圍逐漸增加時(shí)，單位時(shí)間總排量呈現(xiàn)先持續(xù)增加后趨于穩(wěn)定；各行排量一致性變異系數(shù)和總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)先減小后增大；種子籽粒破損率逐漸增大，但均在2%以內(nèi)。

2）樣機(jī)場(chǎng)地測(cè)試試驗(yàn)表明，導(dǎo)種裝置高度在1.5～2.5 m范圍內(nèi)時(shí)，成條指數(shù)與其沒(méi)有顯著相關(guān)性，但綜合考慮到在實(shí)際作業(yè)過(guò)程中人員操作風(fēng)險(xiǎn)及便利性等因素，建議選用2 m作為該導(dǎo)種裝置的適宜高度。在該條件下開展的田間試驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的油菜飛播裝置滿足油菜條播農(nóng)藝技術(shù)要求。

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Design and experiment of a device for rapeseed strip aerial seeding

Huang Xiaomao1,2, Xu Huwei1, Zhang Shun1, Li Wencheng1,2, Luo Chengming1,2, Deng Yufei1

(1.430070; 2.430070)

UAV can realize track planning and automatic navigation flight due to its small size and flexible operation performance. It has been widely used in the agricultural field for its advantages of high obstacle crossing performance, stability and operation efficiency comparing to ground machines. At present, most UAV based aerial seeding devices use core parts like horizontal centrifugal disc or outer groove wheel to scatter seeds, fertilizers and other materials in the air. Due to the high seeding height and the disturbance of UAV rotor air flow, the randomness of material particles after landing is very large, and they are generally scattered on the whole plane. Although it has high seeding efficiency, it belongs to a relatively extensive seeding mode for that it is not easy to control the seed uniformity affected by many factors. In view of the above problems, a kind of rapeseed aerial seeding device based on an electrically driven centrifugal seeding meter was designed and tested for XAG P20 which is a commercial crop protection UAV. The aerial seeding device can seed in lines instead of wide area, and is more conducive to improve the uniformity of seedlings and the convenience of field management during crop growth.In this study, we first improved the design of the concave cone centrifugal seed metering device and determined the structural parameters of the key components such as seed metering tray and seed metering port. Then, based on ANSYS Fluent simulation software, the distribution of downwash air flow field of the XAG P20 drone was analyzed. An auxiliary seed guiding device used in combination with the centrifugal seed metering device was proposed and built. Three experiments including the seed metering performance test, the prototype test and the field test were carried out to analyze and study the functions of the aerial seeding device. The results showed that the total seeding quantity per unit time increased when the seeding rotation speed increased from 40 to 190 r/min, and the maximum total seeding quantity reached 179.65 g/min at 190 r/min, which can meet the requirements of 0-5m/s operation speed of the drone; the variation coefficient of consistency and stability of apiecerow seeding quantity decreased first and then increased, which were distributed in the range of 4.5%-12.6% and 0.7%-6.2% respectively. The damage rate of seeds increased gradually, but all of which were within 2%. The prototype test showed that when the height of the seed guiding device wasin the range from 1.5 to 2.5 m, the width of the seed strips was less than 1/4 of the row spacing, and the striping index of the seed had no significant correlation with it. However, considering the operational risk and convenience of the personnel in the actual operation process, the height of 2m was selected as the appropriate height of the seed guiding device. Under that condition, the field experiment results showed that the strip index was 35.0%, the variation coefficient of sowing uniformity was 19.26%. The device designed in this study can meet the technical requirements of rape drilling.

UAV; design; rape aerial seeding; centrifugal seeding meter; anti-disturbing technology of rotor air flow

2019-11-13

2020-02-26

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（31771683），中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（2662018PY08），湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2019CFB752）。

黃小毛，副教授，主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計(jì)與測(cè)控方面的研究。Email：huangxiaomao@mail.hzau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.009

S251

A

1002-6819(2020)-05-0078-10

黃小毛，徐胡偉，張 順，李文成，羅承銘，鄧宇飛. 油菜成條飛播裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(5)：78－87. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.009 http://www.tcsae.org

Huang Xiaomao, Xu Huwei, Zhang Shun, Li Wencheng, Luo Chengming, Deng Yufei. Design and experiment of a device for rapeseed strip aerial seeding[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(5): 78－87. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.009 http://www.tcsae.org