無人機點射式水稻播種裝置控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗

何偉灼，劉 威，姜 銳，顧慶宇，黃俊浩，鄒帥帥，徐學(xué)浪，周志艷

·農(nóng)業(yè)裝備工程與機械化·

無人機點射式水稻播種裝置控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗

何偉灼，劉 威，姜 銳，顧慶宇，黃俊浩，鄒帥帥，徐學(xué)浪，周志艷※

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院/嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實驗室，廣州 510642；2. 廣東省農(nóng)業(yè)人工智能重點實驗室，廣州 510642；3. 廣東省農(nóng)業(yè)航空應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，廣州 510642；4. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點實驗室，廣州 510642）

針對當(dāng)前無人機水稻撒播難以成行成穴、落種易受旋翼風(fēng)場干擾和播種均勻性不佳等問題，該研究結(jié)合點射式水稻播種裝置和飛行控制器設(shè)計了一套播種控制系統(tǒng)，開發(fā)了配套的地面站功能，并制作了樣機?？刂葡到y(tǒng)基于PID算法實現(xiàn)排種器步進電機的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，通過標定模型對振動電機激振力和摩擦輪電機轉(zhuǎn)速進行控制，并根據(jù)狀態(tài)機設(shè)計播種控制程序。以3倍丸?；痉N為對象，從播種量準確性、播種成行性和播種均勻性3個方面對樣機的播種性能進行驗證并優(yōu)選合適的播種參數(shù)。試驗結(jié)果表明：無人機模擬飛行的播種量準確性測試中，樣機以1.0～2.5 m/s的作業(yè)速度進行播種時，播種量的平均相對誤差小于4%，控制系統(tǒng)具有較好的動態(tài)調(diào)節(jié)能力。實地飛播測試中，樣機以1.0和1.5 m的高度播種時，種子分布在12 cm種行寬度內(nèi)的平均概率超過80%，成行性較好?？紤]安全因素，優(yōu)選1.5 m為樣機的適宜作業(yè)高度。在作業(yè)高度為1.5 m，3倍丸?；痉N的播種量為90～150 kg/hm2（對應(yīng)裸種的播種量22.5～37.5 kg/hm2），作業(yè)速度為0.5～2.0 m/s時，播種均勻性變異系數(shù)為20.51%～35.52%。進一步分析發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)提升作業(yè)速度可提高播種均勻性。田間試驗結(jié)果表明，播種量的相對誤差分別為2.47%和4.12%，播種均勻性變異系數(shù)分別為22.17%和21.82%，種子破損率分別為0.34%和0.18%，滿足相關(guān)標準的水稻飛播精度控制要求。研究結(jié)果可為無人機水稻直播技術(shù)提供參考。

無人機；PID；水稻直播；點射播種；控制系統(tǒng)；狀態(tài)機

0 引 言

水稻機械化直播是一種高效輕簡化栽培技術(shù)，不僅能夠穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)，還能減輕勞動強度，促進節(jié)本增收，近年來得到了廣泛關(guān)注和推廣[1-2]。但對于高差大、深泥腳易陷車、形狀不規(guī)則的稻田，地面機械下田作業(yè)較困難[3-6]，而無人機具有較好的通過性，受地形地貌的影響較小，可靈活規(guī)劃航線和自主飛行[7-9]，且不破壞田埂，播種速度快。因此無人機播種正逐漸成為一種新的播種方式。

目前無人機播種以撒播作業(yè)為主，撒播裝置可分為離心式[10-12]和氣力式[13-14]兩種。相比人工撒播，無人機撒播的播種均勻性有所提高[15]，但存在以下不足：1）種子在下落過程中，容易受旋翼風(fēng)場的干擾，導(dǎo)致落種位置不可控，播種均勻性不佳；2）撒播難以達到成行成穴的播種效果，作物在后期生長時通風(fēng)透氣性較差，易滋生病蟲害，且不便于田間管理；3）種子直播到稻田表面，容易被鳥類、鼠類取食或被雨水沖走，從而造成缺苗現(xiàn)象。

針對撒播落種雜亂無章的問題，黃小毛等[16]基于離心式排種器設(shè)計了油菜飛播裝置，以實現(xiàn)油菜條播作業(yè)。張青松等[17]基于槽輪式排種器設(shè)計了無人機油菜條播裝置，并開展了油菜條播試驗。陳博[18]設(shè)計了一種用于無人機條播的機載吹射式種子精量直播裝置，作業(yè)時利用風(fēng)機氣流將種子吹出，實現(xiàn)成行落種。上述方式對種子的加速能力有限，為減少旋翼風(fēng)場的干擾以保證條播效果，作業(yè)時播種裝置的出種口需靠近地面（通常為0.5 m以內(nèi)），存在較大的安全風(fēng)險。

丁素明等[19]設(shè)計了一種農(nóng)用無人機條播裝置，該裝置工作時利用電磁鐵、彈簧和永磁體來構(gòu)成彈性勢能積累和釋放的循環(huán)系統(tǒng)，從而通過彈力將種子彈出，達到種子加速的效果。該裝置雖然能提高種子的下落初速度，但加速能力仍然有限，種子下落時仍易受旋翼風(fēng)場等外部風(fēng)力的干擾，且裝置的運作方式復(fù)雜，播種速度易受限制。

為了解決上述問題，周志艷等[20]發(fā)明了一種點射式水稻播種裝置，本文擬在該裝置的基礎(chǔ)上設(shè)計配套的播種控制系統(tǒng)，并通過試驗探討該裝置合適的播種作業(yè)參數(shù)，以提高播種的準確性和均勻性，為無人機水稻直播技術(shù)的研究提供參考。

1 點射式水稻播種無人機結(jié)構(gòu)

1.1 整機結(jié)構(gòu)

點射式水稻播種無人機如圖1所示。整機主要由機架、排種器、分種器、5個點射式播種模塊、角度調(diào)節(jié)裝置、導(dǎo)向管、步進電機、質(zhì)量傳感器和種箱組成。種箱通過左右兩側(cè)的質(zhì)量傳感器與機架固接，質(zhì)量傳感器用于實時稱量種箱的質(zhì)量，以監(jiān)測種子余量信息。排種器的排種輪為槽輪式，排種輪與步進電機相連。排種器安裝于種箱的底部，用于將種箱的種子排到下方的分種器。分種器的出口與5個點射式播種模塊相連。導(dǎo)向管安裝于點射式播種模塊的出口，用于種子的導(dǎo)流和導(dǎo)向。角度調(diào)節(jié)裝置用于調(diào)節(jié)導(dǎo)向管之間的間距，進而改變播種角度和播種行距。整機的有效載荷約為20 kg。

1.機架 2.排種器 3.分種器 4.點射式播種模塊 5.角度調(diào)節(jié)裝置 6.導(dǎo)向管 7.步進電機 8.質(zhì)量傳感器 9.種箱

1.2 點射式水稻播種裝置

相關(guān)研究[21-22]指出，丸?；蟮乃痉N子體積和質(zhì)量明顯增加，表面強度得到提升，形狀更規(guī)則，利于機械化播種。本研究的水稻種子采用3倍丸?；幚?，以提升點射式水稻播種裝置的播種性能。

播種前，通過角度調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)5根導(dǎo)向管之間的間距，以改變播種行距。導(dǎo)向管的間距由作業(yè)高度和播種行距決定，如圖2所示。

根據(jù)圖2有：

式中1、4、5為固定參數(shù)，由機架及各部件的安裝位置確定，分別為4.8、21.0和8.7 cm?；喓?，導(dǎo)向管間距為

點射式水稻播種裝置的結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中，錐筒和振動電機組成稻種單粒排隊機構(gòu)，拉伸彈簧、活動電機座和摩擦輪電機組成稻種加速機構(gòu)。工作時，排種輪按目標轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，將種子帶入分種器，分種器將種子分流到5個點射式播種模塊。進入點射式播種模塊的種子，首先匯聚在錐筒中，在振動電機激振力和錐筒下方開口限制的共同作用下，種子進行單粒排隊后進入摩擦輪間隙中進行加速。受到2個摩擦輪的加速作用，種子下落速度得到較大的提升。而在摩擦輪對種子加速的過程中，由于拉伸彈簧和活動電機座的設(shè)置，2個摩擦輪的間隙能夠根據(jù)種子的大小自適應(yīng)調(diào)節(jié)，可有效降低丸?；痉N的破損率。最后被加速的種子在導(dǎo)向管的導(dǎo)向作用下逐粒高速射向泥面，且具有一定的入泥深度。

注：d1為分種器相鄰出口距離，cm；d2為間距調(diào)節(jié)的中間變量，cm；d3為相鄰導(dǎo)向管間距，cm；d4為分種器出口與角度調(diào)節(jié)裝置的距離，cm；d5為角度調(diào)節(jié)裝置與無人機最底部的距離，cm；H為作業(yè)高度，cm；L為播種行距，cm。

1.排種器 2.排種輪 3.丸?；痉N子 4.分種器 5.錐筒 6.拉伸彈簧 7.摩擦輪電機 8.導(dǎo)向管 9.活動電機座 10.振動電機

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體構(gòu)成

點射式水稻播種裝置中包含排種器步進電機、稻種單粒排隊機構(gòu)振動電機和稻種加速機構(gòu)摩擦輪電機，控制系統(tǒng)需對這3種電機進行精確控制。為了提高播種控制系統(tǒng)和飛行控制器的耦合度，達到更好的控制效果，控制系統(tǒng)基于飛行控制器（DJI A3 flight controller，深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司）進行二次開發(fā)，如圖4所示，播種控制板實現(xiàn)飛行控制器通訊、播種量實時控制、電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和播種狀態(tài)轉(zhuǎn)換等任務(wù)。

圖4 控制系統(tǒng)總體構(gòu)成

控制系統(tǒng)的工作流程為：作業(yè)前，在無人機地面站中規(guī)劃航線和設(shè)定播種參數(shù)，并上傳到飛行控制器和播種控制板。作業(yè)時，無人機自主飛行進入播種區(qū)域，播種控制板通過飛行控制器提供的Onboard SDK接口訂閱無人機的實時經(jīng)緯度坐標、速度、高度和航點狀態(tài)等信息，并根據(jù)播種參數(shù)動態(tài)調(diào)節(jié)各個電機控制板的輸出，進而驅(qū)動電機以不同轉(zhuǎn)速運行，實現(xiàn)播種的動態(tài)調(diào)節(jié)。在播種過程中，實時播種量、電機狀態(tài)和種子余量等信息在地面站顯示。

2.2 排種器步進電機控制

2.2.1 驅(qū)動方案

選用42步進電機（42HB60-403A，樂清市德軒電機有限公司）驅(qū)動排種器排種輪，所選步進電機的保持轉(zhuǎn)矩為0.9 N·m，額定電流為2.3 A，采用2顆TB64H450FNG（東芝）電機驅(qū)動芯片。

步進電機的控制方式為閉環(huán)控制，采用位置式PID算法進行速度控制，該算法的離散化公式為

式中K、K、K分別為PID控制器的比例、積分和微分系數(shù)，()為當(dāng)前時刻目標轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的誤差，(-1)為上一時刻目標轉(zhuǎn)速與實際轉(zhuǎn)速的誤差，()為所有時刻的誤差積累和。最后采用試湊法對PID控制器的系數(shù)進行整定，整定后K為0.035，K為0.007，K為0.005。

2.2.2 目標轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

步進電機的轉(zhuǎn)速決定了播種裝置的排種速度，因此播種前需進行校準，電機轉(zhuǎn)速和排種速度的關(guān)系為

式中V為電機轉(zhuǎn)速，r/min；為排種速度，kg/min；該關(guān)系式一般為一元一次方程或一元二次方程。排種速度的計算公式為

式中為設(shè)定的播種量，kg/hm2；為播種裝置的播種行數(shù)；為播種行距，m；UAV為無人機飛行速度，m/s。實際播種時，播種量和作業(yè)幅寬為定值，播種控制程序以50 Hz的頻率對無人機速度采樣，并以25 Hz的頻率計算目標排種速度，進而得出目標轉(zhuǎn)速，最后通過脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）信號將目標轉(zhuǎn)速輸入到步進電機控制板，實現(xiàn)對步進電機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

2.3 稻種單粒排隊機構(gòu)振動電機控制

2.3.1 驅(qū)動方案

稻種單粒排隊機構(gòu)中振動電機為直流有刷電機（XFF-030，惠州市信力電機有限公司），其額定電壓為3 V，額定空載電流為0.3 A。L9110芯片（海天芯）具有兩通道輸出端，每通道可持續(xù)輸出0.8 A電流，滿足該電機的驅(qū)動需求。

2.3.2 目標激振力調(diào)節(jié)

激振力是衡量振動電機動力效應(yīng)的一個重要指標，計算公式[23]為

式中為激振力，N；為偏心塊質(zhì)量，kg；為偏心塊的偏心距，m；為偏心塊的轉(zhuǎn)動角速度，rad/s。經(jīng)測量和計算，所選振動電機的偏心塊質(zhì)量為0.004 2 kg，偏心距為0.001 9 m。偏心塊的轉(zhuǎn)動角速度可由振動電機的轉(zhuǎn)速算得，因此通過控制振動電機的轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)激振力。

振動電機控制板通過接收播種控制板的PWM信號來對電機調(diào)速，而PWM占空比與電機轉(zhuǎn)速一般為非線性關(guān)系，因此需進行PWM占空比-轉(zhuǎn)速標定。標定時，PWM占空比的測定范圍為8%～100%（占空比低于8%時，電機轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，無法正常測量），每4個百分點作為1個水平，測量不同占空比對應(yīng)的電機轉(zhuǎn)速。電機的轉(zhuǎn)速用測速頻閃儀（SW-6500，廣州市速為電子科技有限公司）測量，PWM占空比-轉(zhuǎn)速的標定結(jié)果如圖5a所示，PWM占空比-激振力的標定結(jié)果如圖5b所示。

根據(jù)標定結(jié)果，計算振動電機在空載時的最大激振力約為0.7 N。前期試驗發(fā)現(xiàn)，激振力越大，振動錐筒的出種效果越好，因此后續(xù)試驗設(shè)置振動電機的激振力為0.7 N。

2.4 稻種加速機構(gòu)摩擦輪電機控制

摩擦輪電機選用直流無刷電機（DJI2008-KV1400，深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司），該電機的轉(zhuǎn)速可達15 000 r/min以上，采用3S/20 A電子調(diào)速器（DSHOT600，深圳市好盈科技有限公司）驅(qū)動。

播種控制板輸出PWM信號到電子調(diào)速器，PWM信號的周期為20 ms，一個周期內(nèi)有效高電平脈寬范圍為1～2 ms，對應(yīng)占空比為0～100%。用測速頻閃儀測定不同控制量占空比對應(yīng)的電機轉(zhuǎn)速，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，控制量占空比在0～15%時，電機轉(zhuǎn)速變化規(guī)律不明顯，在15%～100%時，占空比和轉(zhuǎn)速具有較高的線性關(guān)系。因此播種時占空比選擇15%～100%，對應(yīng)摩擦輪電機的調(diào)速范圍為2 460～15 817 r/min。

圖5 振動電機標定結(jié)果

圖6 摩擦輪電機轉(zhuǎn)速與占空比關(guān)系曲線

2.5 播種控制程序設(shè)計

樣機的播種流程基于狀態(tài)機程序?qū)崿F(xiàn)，播種狀態(tài)遷移圖如圖7所示。播種控制程序通過Onboard SDK獲取飛行控制器的任務(wù)狀態(tài)、航點狀態(tài)、航點索引和飛行速度等信息，主要執(zhí)行流程如下：

1）當(dāng)無人機開始自動航線任務(wù)時，觸發(fā)“航線開始”事件，此時依次啟動摩擦輪電機和振動電機。

2）當(dāng)無人機到達序號為奇數(shù)的航點時觸發(fā)“到達航點”事件，此時啟動步進電機，開始播種；無人機在序號為偶數(shù)的航點處換行，觸發(fā)“正在換行”事件，此時關(guān)閉步進電機，暫停播種。航點示意圖如圖8所示。

3）在作業(yè)過程中，若無人機的速度降到0.2 m/s以下并保持300 ms，則觸發(fā)“航線暫?！笔录藭r關(guān)閉步進電機，暫停播種，并記錄暫停點的經(jīng)緯度坐標；若無人機終止航線任務(wù)，則觸發(fā)“任務(wù)終止”事件，依次關(guān)閉步進電機、振動電機和摩擦輪電機。

4）航線暫停后，若無人機繼續(xù)開始航線任務(wù)，并以0.2 m/s以上的速度飛行，則計算當(dāng)前點與暫停點的距離。當(dāng)距離小于0.5 m時，觸發(fā)“到達航點”事件，繼續(xù)播種，實現(xiàn)斷點續(xù)播。

5）無人機完成航線任務(wù)后，觸發(fā)“任務(wù)完成”事件，依次關(guān)閉步進電機、振動電機和摩擦輪電機，完成播種作業(yè)。

圖7 播種狀態(tài)遷移圖

注：1～12為航點序號。

2.6 地面站設(shè)計

地面站具有航線規(guī)劃和斷點續(xù)航等功能[24]，為實現(xiàn)點射播種控制，本文增加了播種量校準、播種參數(shù)設(shè)置以及狀態(tài)信息顯示等功能。地面站功能基于Android Studio平臺結(jié)合飛行控制器的Mobile SDK進行二次開發(fā)，采用Handler消息隊列和EventBus發(fā)布訂閱框架實現(xiàn)圖形用戶界面與線程的異步通信。

播種量校準界面如圖9a所示，播種量校準時步進電機轉(zhuǎn)速的校準范圍為0～34 r/min（轉(zhuǎn)速為34 r/min左右時，達到了播種裝置對3倍丸粒化稻種的極限吞吐量），轉(zhuǎn)速每增加2 r/min作為一個校準點，每個校準點運行20 s，記錄質(zhì)量的變化值，由此得出對應(yīng)排種速度。采用最小二乘法求出排種速度與電機轉(zhuǎn)速的一元二次方程，最后在地面站界面中顯示該方程的曲線。播種參數(shù)設(shè)置界面如圖9b所示，作業(yè)高度范圍0～3 m，播種行距范圍0～50 cm，速度范圍0～5 m/s，播種量范圍0～300 kg/hm2（3倍丸?；痉N的播種量），摩擦輪電機轉(zhuǎn)速范圍2 460～15 817 r/min，振動電機激振力范圍0～0.7 N。圖 9c為稻種余量信息及電機狀態(tài)顯示界面，稻種余量信息包括質(zhì)量和狀態(tài)2部分，當(dāng)質(zhì)量持續(xù)在0.5 kg以上時，狀態(tài)顯示“余量充足”，質(zhì)量持續(xù)在0.5 kg以下時，則顯示“余量不足”，以提醒無人機飛手及時添加種子。

圖9 地面站功能界面示意圖

3 樣機性能試驗

為驗證樣機的播種性能，優(yōu)選樣機播種作業(yè)參數(shù)，分別從播種量準確性、播種成行性和播種均勻性3個方面進行檢驗。試驗選擇豐田優(yōu)1 999（谷粒長約9.7 mm，直播播種量一般為22.5～37.5 kg/hm2）作為播種對象，進行3倍丸粒化處理（丸?；筚|(zhì)量是原來的4倍，后續(xù)試驗所述的播種量均指3倍丸粒化稻種的播種量）。

3.1 播種量準確性試驗

3.1.1 試驗方法與評價指標

采用飛行控制器自帶的模擬飛行功能，進行播種量準確性的測試。播種量的準確性主要由排種輪電機的控制精度決定，為了避免摩擦輪對丸粒化稻種造成損壞，在試驗前將點射式播種模塊和導(dǎo)向管拆除，試驗如圖10所示。

試驗設(shè)計如下：

1）在種箱中放入足量的丸?；痉N，并在分種器下方放置接料盒。采用地面站的校準功能對該批次種子的播種量進行校準。

圖10 播種量準確性試驗

2）在地面站上規(guī)劃666.7 m2的播種區(qū)域，并設(shè)定播種參數(shù)：播種量為150 kg/hm2（對應(yīng)裸種的播種量為37.5 kg/hm2），播種行距為25 cm，飛行高度為1.5 m。

3）不同飛行速度對播種的準確性有較大影響，以飛行速度為變量，設(shè)置4個水平進行試驗，分別為1.0、1.5、2.0和2.5 m/s（播種量為150 kg/hm2，速度為2.5 m/s以上時，步進電機瞬時轉(zhuǎn)速在34 r/min以上，達到了播種裝置對3倍丸?；痉N的極限吞吐量），共4組試驗，每組試驗重復(fù)5次，每次試驗后用電子秤（MAX-FS-30kg，深圳市無限量衡器有限公司）稱量接料盒，去皮得出單次試驗實際的播種用量（kg），最后換算為播種量（kg/hm2）。

播種量準確性的評價指標為播種量的相對誤差，計算公式為

式中Q為實際播種量，kg/hm2；Q為目標播種量，kg/hm2；為播種量相對誤差，%。

3.1.2 試驗結(jié)果與分析

試驗結(jié)果如表1所示，隨著無人機速度的增加，實際播種量變小，誤差逐漸增大，原因可能是無人機在換行過程中速度產(chǎn)生劇烈變化，而控制系統(tǒng)的響應(yīng)存在延遲，造成實際播種量偏小。在所選作業(yè)速度范圍內(nèi)，單次試驗的播種量相對誤差較小，每組試驗的平均相對誤差均小于4%，表明樣機在理想條件下以1.0～2.5 m/s的速度進行播種，播種量準確性較好，也證明了控制系統(tǒng)具有較好的控制精度和動態(tài)調(diào)節(jié)能力。

3.2 播種成行性試驗

3.2.1 試驗方法與評價指標

為了保證樣機飛行的穩(wěn)定性和減少外界因素對樣機播種效果的影響，試驗在自然風(fēng)風(fēng)速≤3 m/s、天氣晴朗的情況下進行，如圖11a所示，試驗前，在地面鋪設(shè)2 m×7 m的平整、松軟泥面作為采樣區(qū)域（種子落地不反彈），接著在地面站上規(guī)劃航線和設(shè)置播種參數(shù)，使樣機能夠在采樣區(qū)域上方直線飛行和播種。樣機按照預(yù)設(shè)的播種參數(shù)進行5行播種后，采用如圖11b所示250 mm×500 mm的采樣框確定落種區(qū)域并拍照，每行連續(xù)采集14個點（采樣長度為7 m）。

為了更準確地分析種子的分布情況，對采樣圖片進行圖像識別，導(dǎo)出種子的坐標數(shù)據(jù)，最后對坐標進行變換和整理，得到整體的種子分布坐標圖，進而分析播種的成行性。

表1 3倍丸?；痉N播種量準確性試驗結(jié)果

圖11 播種成行性試驗

試驗設(shè)計如下：

1）播種參數(shù)設(shè)置為：播種量為150 kg/hm2（對應(yīng)裸種的播種量37.5 kg/hm2），速度為2.0 m/s，振動電機激振力為0.7 N，摩擦輪轉(zhuǎn)速為8 000 r/min（此轉(zhuǎn)速下種子入泥深度為2～10 mm左右），播種行距為30 cm。

2）不同作業(yè)高度對播種的成行性影響較大，以作業(yè)高度作為變量，設(shè)置3個水平進行試驗，分別為1.0、1.5和2.0 m，根據(jù)式（2），3個作業(yè)高度時對應(yīng)的導(dǎo)向管間距應(yīng)調(diào)整為8.9、7.7和7.1 cm，以實現(xiàn)播種行距為30 cm。

播種成行性的評價方法如下：

以500 mm為一段劃分每行種子，在每段的種子坐標中采用最小二乘法擬合一條一元線性回歸曲線0，以該曲線為每段種子的成行參考直線。通過計算每個種子到參考直線的距離，得到種子的位置偏差，計算方法為

式中、、為一元線性回歸曲線的系數(shù)；x為第個種子的橫坐標；y為第個種子的縱坐標；D為第個種子到參考直線的距離（種子的位置偏差），m。每行種子的播種寬度（以下稱“種行寬度”）可由種子的位置偏差數(shù)據(jù)確定，最后以種子分布在5～15 cm種行寬度的概率來評價成行效果的好壞。概率反應(yīng)種子的集中度，在某個行寬度的概率越大，表明種子在該種行寬度內(nèi)集中度越好，該種行寬度越小，表明播種的成行性越好。

3.2.2 試驗結(jié)果與分析

不同作業(yè)高度下，落種分布圖和種子分布在各種行寬度的概率分別如圖12、表2所示。由圖12和表2可知，每組試驗中第3行（中間行）的種子分布相對集中，其他行的種子分布較為離散，可能是因為播種裝置的第3個導(dǎo)向管垂直于地面，使得第3行的種子在下落時受重力和無人機旋翼風(fēng)場的影響最小，從而分布更集中。從概率的角度分析，高度為1.0 m時，種子在9 cm的種行寬度內(nèi)有較好的集中度，平均概率為82.82%；高度為1.5 m時，種子在12 cm的種行寬度內(nèi)有較好的集中度，平均概率為83.08%；但高度為2.0 m時，種子分布在15 cm種行寬度內(nèi)的平均概率只有75.18%，種子集中度比高度為1.0和1.5 m時的差，說明隨著高度的增加，種子分布離散程度增加。總體來看，作業(yè)高度為1.0和1.5 m時，種子在12 cm的種行寬度內(nèi)集中度都較好，平均概率均超過80%，成行性較好，基本不會出現(xiàn)鄰行種子重疊的現(xiàn)象?？紤]到近地飛行存在較大的安全風(fēng)險，1.0 m左右的高度過于靠近地面，因此后續(xù)試驗中樣機的作業(yè)高度選擇1.5 m。

3.3 播種均勻性試驗

3.3.1 試驗方法與評價指標

播種均勻性試驗的示意圖如圖13a所示，試驗場地設(shè)置及氣象條件同3.2.1節(jié)；采樣框大小為200 mm×300 mm，如圖13b所示，采樣長度為10.2 m，即每行連續(xù)采集34個點。

試驗方案如下：

1）以播種量和作業(yè)速度作為變量，分析播種均勻性的變化情況，得出樣機合適的作業(yè)速度范圍。播種量設(shè)置3個水平，分別為90、120和150 kg/hm2（對應(yīng)裸種的播種量22.5、30和37.5 kg/hm2），作業(yè)速度設(shè)置4個水平，分別為0.5、1.0、1.5和2.0 m/s，

圖12 不同作業(yè)高度下的落種分布

表2 不同作業(yè)高度下種子分布在各種行寬度的概率

2）其他播種參數(shù)設(shè)置：作業(yè)高度1.5 m，振動電機激振力設(shè)置0.7 N，摩擦輪轉(zhuǎn)速設(shè)置8 000 r/min，播種行距設(shè)置30 cm，根據(jù)式（2），導(dǎo)向管間距調(diào)整為7.7 cm。試驗后，統(tǒng)計每個采樣點的種子粒數(shù)。

以播種均勻性變異系數(shù)作為播種均勻性的評價指標，變異系數(shù)越小，說明播種越均勻，計算公式為

3.3.2 試驗結(jié)果與分析

試驗結(jié)果如表3所示，從種子平均粒數(shù)的角度分析，播種量一定時，無人機作業(yè)速度改變，種子平均粒數(shù)變化較小，證明播種控制系統(tǒng)在定量播種時工作性能較為穩(wěn)定，能較好地適應(yīng)無人機速度實時調(diào)節(jié)播種量。從變異系數(shù)角度分析，各行播種均勻性變異系數(shù)的最小值和最大值為15.21%和39.95%，對整體進行分析，平均播種均勻性變異系數(shù)為20.51%～35.52%，符合NY/T 3881—2021 《遙控飛行播種機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》中水稻條播的播種均勻性變異系數(shù) ≤45%的要求[25]。

對表3進一步分析，當(dāng)播種量一定時，隨著無人機作業(yè)速度的增加，播種均勻性變異系數(shù)變??；當(dāng)無人機作業(yè)速度一定時，播種量增大，播種均勻性變異系數(shù)存在變小的趨勢。分析原因為：當(dāng)瞬時播種量較小時，槽輪式排種輪的轉(zhuǎn)速較慢，此時脈動性較強[26]，容易造成播種不均勻問題；而瞬時播種量較大時，排種輪的轉(zhuǎn)速較快，可改善排種脈動問題。因此實際播種時，在播種裝置未達到極限吞吐量的條件下，適當(dāng)增加樣機的作業(yè)速度以提升瞬時播種量，可提高播種的均勻性。對于3倍丸?；痉N，當(dāng)播種量為150 kg/hm2時，若作業(yè)速度設(shè)置2.5 m/s以上，瞬時播種量較大，播種裝置容易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，因此作業(yè)速度2～2.3 m/s較為合適。

表3 3倍丸?；痉N播種均勻性試驗結(jié)果

4 田間試驗

為了進一步驗證樣機實際的應(yīng)用效果，分別于2022年4月16日和2022年4月22日，分別在廣州增城朱村鎮(zhèn)大崗村（試驗1）和廣州華南農(nóng)業(yè)大學(xué)增城教學(xué)科研基地（試驗2）開展了2次田間播種試驗，試驗時天氣狀況良好，自然風(fēng)風(fēng)速≤3 m/s，具體試驗方案和試驗結(jié)果如表4所示。水稻種子經(jīng)過3倍丸?；幚?，且在播種前進行了播種量校準。根據(jù)當(dāng)?shù)胤N植農(nóng)戶的建議，2次試驗的播種量設(shè)置為150 kg/hm2（對應(yīng)裸種37.5 kg/hm2）。綜合考慮土壤軟硬度及旋翼風(fēng)場的干擾情況，根據(jù)前期試驗及經(jīng)驗判斷，摩擦輪電機轉(zhuǎn)速設(shè)置為8 000 r/min。綜合考慮作業(yè)的安全性及成行效果，作業(yè)高度設(shè)置為1.5 m。播種前根據(jù)式（2）將導(dǎo)向管間距調(diào)整為7.2 cm，使播種行距為25 cm。作業(yè)速度分別設(shè)置為2.0和2.3 m/s。

2次試驗的播種量相對誤差分別為2.47%和4.12%，該結(jié)果與播種量準確性試驗的結(jié)果相近，再次證明了播種控制系統(tǒng)具有較好的控制精度，動態(tài)調(diào)節(jié)性能較穩(wěn)定。由于田間環(huán)境復(fù)雜，下田采集數(shù)據(jù)困難，且采集數(shù)據(jù)時容易破壞播種區(qū)域，因此只對播種區(qū)域的某一行采樣并拍照，分析播種均勻性變異系數(shù)，結(jié)果分別為22.17%和21.82%。

根據(jù)采樣圖片統(tǒng)計丸?；痉N外層包衣破損率和內(nèi)部種子破損率，如圖14a所示。破損率計算公式為

式中為包衣或種子的破損率，%；1為包衣或種子破損粒數(shù)；2為樣本總粒數(shù)。

結(jié)果表明：包衣破損率分別為3.79%和4.20%，種子破損率分別為0.34%和0.18%。對照現(xiàn)行標準《遙控飛行播種機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范（NY/T 3881—2021）》，播種均勻性和種子破損率均滿足飛播的要求。

圖14b為試驗2的播種現(xiàn)場，播種前在試驗田塊開水溝，以方便后期排灌水。圖14c為播種后種子的成行成穴效果，可見種子成行地落于泥中，形成小淺坑，遇到下雨時種子不易被沖走。播種后，在播種區(qū)域隨機選取4個500 mm×500 mm的采樣點，調(diào)查出苗率，結(jié)果如圖 14d所示，第11 d的平均出苗率為68.05%，第17 d的平均出苗率為74.5%。圖14e為播種后29 d的水稻長勢，大部分區(qū)域水稻成行生長，但也存在缺苗的區(qū)域，缺苗原因可能是排灌水不及時造成部分區(qū)域過澇或過旱，從而影響了出苗率。

表4 田間試驗方案和結(jié)果

注：試驗稻種均為3倍丸粒化，谷粒長度分別為9.6和9.3 mm。

Note: The rice seeds used for test were the 3-fold pelleted, with lengths of 9.6 and 9.3 mm, respectively.

圖14 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)增城教學(xué)科研基地田間試驗

5 結(jié) 論

1）設(shè)計了無人機點射式水稻播種裝置控制系統(tǒng)，開發(fā)了配套的地面站功能，并制作了樣機，實現(xiàn)了整機播種過程的控制。

2）開展了樣機的播種量準確性、播種成行性和均勻性試驗，結(jié)果表明：樣機在模擬飛行時，以1.0～2.5 m/s的速度進行播種作業(yè)，播種量平均相對誤差小于4%，證明控制系統(tǒng)具有較好的動態(tài)調(diào)節(jié)能力；在1.0和1.5 m的高度下作業(yè)，種子分布在12 cm種行寬度內(nèi)的平均概率超過80%，成行性較好，考慮安全因素，優(yōu)選樣機適宜的作業(yè)高度為1.5 m；在1.5 m高度下，3倍丸?；痉N的播種量設(shè)置為90～150 kg/hm2（裸種的播種量為22.5～37.5 kg/hm2），作業(yè)速度設(shè)置為0.5～2.0 m/s時，平均播種均勻性變異系數(shù)為20.51%～35.52%。

3）開展了田間試驗驗證，播種量（3倍丸?；痉N）的相對誤差分別為2.47%和4.12%；2次田間試驗的播種均勻性變異系數(shù)分別為22.17%和21.82%，種子破損率分別為0.34%和0.18%，播種控制系統(tǒng)具有較好的控制精度。

從田間試驗的包衣破損率和種子破損率數(shù)據(jù)看出，摩擦輪對丸?；痉N的損傷程度較小，主要是所選丸粒化稻種的包衣具有較高抗壓強度，減少了摩擦輪對種子的損傷。但種子破損受丸?；蹌╊愋?、摩擦輪電機轉(zhuǎn)速、排種量等因素影響，要進一步降低破損率，需開展系統(tǒng)的對比試驗研究。另外，試驗中摩擦輪電機轉(zhuǎn)速為經(jīng)驗值，未考慮影響種子入泥深度的因素，種子入泥深度與土壤軟硬度、摩擦輪電機轉(zhuǎn)速、風(fēng)場干擾等因素相關(guān)，后續(xù)需結(jié)合農(nóng)藝和播種作業(yè)參數(shù)進一步開展試驗研究。

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Control system design and experiments of UAV shot seeding device for rice

He Weizhuo, Liu Wei, Jiang Rui, Gu Qingyu, Huang Junhao, Zou Shuaishuai, Xu Xuelang, Zhou Zhiyan※

(1.,,510642,;2.(-),510642,; 3.(),510642,; 4.(),,510642,)

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have been widely used in rice direct seeding in recent years, due to the flexibility and high efficiency suitable for the terrain. Among them, UAV broadcast sowing has been one of the most UAV rice direct seeding, particularly with better seeding uniformity and work efficiency, compared with manual seeding. The broadcast sowing device can also be divided into the centrifugal disc and pneumatic types in China at present. However, the UAV broadcast sowing is easily affected by the rotor wind field, leading to uneven seeding. At the same time, the effect of seeding in the rows and holes can also result in air permeability and occurrence of diseases during the growth of rice in field management. In this study, a control system was designed for the rice shot seeding device in a flight controller order, in order to improve the uniformity and the accuracy of the seeding rate during UAV rice direct seeding. A UAV ground station function was also established to develop the experimental prototype. A closed-loop control was realized in the speed of the stepping motor using the Proportion Integral Derivative (PID). The calibration was then conducted to evaluate the excitation force of the vibration motor and the speed of the friction wheel motor. Finally, the seeding control program was designed to control the whole process of rice shot seeding using a Finite State Machine. The control functions included operation route planning, seeding rate calibration, parameter setting, seed remaining quantity display, and automatic seeding, in order to more easily realize the automatic operation of rice direct seeding. Taking three-fold pelleted rice seeds as the seeding objects, the seeding performance of the prototype was verified from three aspects: the accuracy of the seeding rate, the row effect, and seeding uniformity. The results showed that the average relative error of the seeding rate was less than 4% when the prototype flew at the speed of 1.0-2.5 m/s under the simulation. An excellent performance was achieved in the dynamic adjustment for the seeding control system, particularly with the relatively accurate seeding rate. Specifically, the average probability of seeds was 75.18% within the seed row width of 15 cm, when the prototype was seeding at the height of 2.0 m. By contrast, the average probability of seeds was higher than 80% within the seed row width of 12 cm, when the prototype seeding at the height of 1.0 and 1.5 m, indicating the better performance of the seeding row. Correspondingly, the working height of 1.5 m was preferred, in terms of safety. The average Coefficient of Variation (CV) of seeding uniformity was 20.51%-35.52% when the prototype worked at the height of 1.5 m with a speed of 0.5-2.0 m/s, and the seeding rate of three-fold pelleted rice seed of 90-150 kg/hm2(corresponding to the seeding rate of naked seeds was 22.5-37.5 kg/hm2). It infers that the working speed greatly contributed to the seeding uniformity. Two field experiments were carried out, according to the preferred seeding parameters, where the relative errors of the seeding rate were 2.47% and 4.12%, respectively, the seeding uniformity CV values were 22.17% and 21.82%, respectively, and the seed breakage rates were 0.34% and 0.18%, respectively. The seeding control system fully met the control accuracy requirements of UAV rice direct seeding, according to the standard Technical specification of quality evaluation for the aerial broadcast seeder by remote control (standard NY/T 3881-2021). This finding can provide a strong reference for the UAV rice direct seeding.

UAV; PID; rice direct seeding; shot seeding; control system; Finite State Machine(FSM)

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.006

S147.2

A

1002-6819(2022)-18-0051-11

何偉灼，劉威，姜銳，等. 無人機點射式水稻播種裝置控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2022，38(18)：51-61.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.006 http://www.tcsae.org

He Weizhuo, Liu Wei, Jiang Rui, et al. Control system design and experiments of UAV shot seeding device for rice[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(18): 51-61. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.006 http://www.tcsae.org

2022-06-25

2022-08-09

嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)實驗室科研項目（NT2021009）；廣州市重點研發(fā)計劃項目（202206010149）；廣東省科技計劃項目（2021B1212040009）；廣東省鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略專項（2020KJ261）

何偉灼，研究方向為無人機水稻播種技術(shù)。Email：957723414@qq.com

周志艷，博士，教授，研究方向為農(nóng)業(yè)航空應(yīng)用技術(shù)。Email：zyzhou@scau.edu.cn

中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會會員：周志艷（E042100021M）