基于無人機(jī)平臺的綠肥種子撒播裝置設(shè)計與試驗

高學(xué)梅 游兆延 吳惠昌 彭寶良 王申瑩 曹明珠

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

0 引言

綠肥能夠提升地力、減施化肥、美化農(nóng)田、提質(zhì)增效，水田種植綠肥具有改變土壤理化性質(zhì)、增加土壤有機(jī)質(zhì)、提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)等優(yōu)點[1-5]。但因種植綠肥當(dāng)季無明顯效益，以及受化肥工業(yè)的迅猛發(fā)展等多種因素影響，20世紀(jì)80年代至本世紀(jì)初，綠肥產(chǎn)業(yè)發(fā)展處于蕭條期，綠肥生產(chǎn)機(jī)械研發(fā)也處于停滯階段，近年來我國在輪作休耕、耕地質(zhì)量提升、果蔬茶有機(jī)肥替代、綠色發(fā)展和鄉(xiāng)村振興等國家政策推動以及綠肥相關(guān)的國家專項項目支持下，綠肥產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了生產(chǎn)回升、科研快速恢復(fù)時期[3]。但綠肥生產(chǎn)作業(yè)機(jī)械投入少，仍主要借用其他大田作物生產(chǎn)裝備，存在作業(yè)適應(yīng)性差、專用性不強(qiáng)、技術(shù)水平偏低等諸多問題，尤其是水稻收獲前的稻田以及丘陵山區(qū)地帶不適于機(jī)具下田作業(yè)，主要靠人工撒播，耗時費力[6-8]，缺乏適合多品種綠肥播種的可靠性設(shè)備。

目前農(nóng)用無人機(jī)進(jìn)入快速發(fā)展時期，因其作業(yè)效率高、不易受地形限制作業(yè)等優(yōu)勢，逐漸得到市場認(rèn)可，根據(jù)典型綠肥品種紫云英種子播種農(nóng)藝要求，種子可直接撒播于地表，因此無人機(jī)飛播模式可完全滿足紫云英種子播種要求，但適用于紫云英等綠肥種子的無人機(jī)撒播裝置未見相關(guān)報道。發(fā)達(dá)國家農(nóng)業(yè)耕作模式以及配套制度相對較為完善，所應(yīng)用的無人機(jī)播種設(shè)備價格昂貴，不適合我國國情[9-14]。我國在水稻、油菜等農(nóng)作物無人機(jī)播種已有研究，陳博[15-16]設(shè)計的水稻種肥一體化精量直播無人機(jī)，可實現(xiàn)水稻精量條播，同時其模塊化設(shè)計可快速與無人機(jī)撒播裝置進(jìn)行更換，通過閘門式調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)控制排種機(jī)構(gòu)的排種量。李遺[17]設(shè)計的超低空遙控播種施肥機(jī)，采用圓盤式出料拋撒機(jī)構(gòu)將肥料拋撒出去。彭冬星[18]設(shè)計的無人機(jī)水稻撒播機(jī)，采用L形攪拌棒輔助排種，控制系統(tǒng)可調(diào)節(jié)種箱開口、攪種棒和圓盤轉(zhuǎn)速。宋燦燦等[19]設(shè)計的氣力式無人機(jī)水稻撒播裝置，主要通過氣流將種子沿不同的方向吹送撒播出去。張青松等[20]設(shè)計的油菜飛播裝置，排種機(jī)構(gòu)為槽輪式，通過槽輪旋轉(zhuǎn)將種子帶入導(dǎo)種管，種子由出料口排出。黃小毛等[21]設(shè)計的油菜成條飛播裝置，排種機(jī)構(gòu)采用離心式排種盤，并配有橡膠軟管導(dǎo)種機(jī)構(gòu)，最終將油菜成條撒播。羅錫文等[22]在無人機(jī)撒播機(jī)載裝置的物料箱內(nèi)設(shè)計涵道風(fēng)扇式攪拌機(jī)構(gòu)，將物料輸送至撒播輪盤上再撒播出去，目前無人機(jī)播種裝置排種機(jī)構(gòu)多采用槽輪式扇面或桿齒攪拌式，排量主要通過擋板或閘門開口調(diào)節(jié)。

本文基于農(nóng)用多旋翼無人機(jī)平臺，優(yōu)化設(shè)計排種機(jī)構(gòu)、撒種機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵部件，設(shè)計可方便快速與不同品牌無人機(jī)組配掛接，且適合紫云英等多品種綠肥種子播種的撒播裝置。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

基于無人機(jī)平臺的綠肥種子撒播裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由掛接機(jī)構(gòu)、種箱、排種機(jī)構(gòu)、撒種機(jī)構(gòu)及撒播自動控制模塊組成。種箱由掛接機(jī)構(gòu)固定于無人機(jī)機(jī)體正下方，其出料口與排種機(jī)構(gòu)進(jìn)料口配合連接，排種機(jī)構(gòu)出料口通過支撐橫梁與撒種機(jī)構(gòu)進(jìn)料口連接。整機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 綠肥種子撒播裝置結(jié)構(gòu)示意圖

表1 主要技術(shù)參數(shù)

作業(yè)時，種子由種箱進(jìn)入排種機(jī)構(gòu)，由排種機(jī)構(gòu)的螺旋輸送器輸送至撒種機(jī)構(gòu)的甩種盤，再由甩種盤將種子撒播出去。其中控制系統(tǒng)根據(jù)播種作物單位面積用種量要求及無人機(jī)飛行速度，控制排種機(jī)構(gòu)電機(jī)轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)排種機(jī)構(gòu)定量排種；前期已通過試驗確定了不同品種綠肥種子所對應(yīng)的最佳甩種盤轉(zhuǎn)速，通過綠肥品種選擇開關(guān)實現(xiàn)不同品種綠肥種子對應(yīng)的甩種盤轉(zhuǎn)速，方便快捷。該裝置在各個模塊的配合下，可實現(xiàn)不同品種綠肥種子單位面積內(nèi)均勻、定量撒播[23]。

2 關(guān)鍵部件及自動控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 掛接機(jī)構(gòu)

為實現(xiàn)綠肥種子撒播裝置與不同品牌無人機(jī)的快速組配，以及便于綠肥種子撒播裝置與噴藥植保裝置方便切換，設(shè)計抽拉式掛接機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單。掛接機(jī)構(gòu)的裝配示意圖如圖2所示，主要由上、下兩組U形導(dǎo)軌組成，每組導(dǎo)軌各2條，上、下導(dǎo)軌通過固定螺釘分別固定于無人機(jī)底板和種箱上。無人機(jī)可通過上掛接導(dǎo)軌和下掛接導(dǎo)軌快速組配，再通過限位銷軸將上下導(dǎo)軌固定，可防止作業(yè)時導(dǎo)軌相互滑動錯位。

圖2 掛接機(jī)構(gòu)

2.2 種箱

種箱結(jié)構(gòu)及尺寸設(shè)計需綜合考慮方便與無人機(jī)組配，不影響無人機(jī)起飛降落，且還需考慮關(guān)鍵參數(shù)載種量，理想狀態(tài)是加種一次，待種子播種完成時恰好達(dá)到無人機(jī)電池最大續(xù)航能力，減少因加種或電池充電增加的無人機(jī)飛行無用功耗。因不同品牌無人機(jī)電池續(xù)航能力存在差異，且不同品種的綠肥作物播種量不同，為達(dá)到以上理想狀態(tài)，針對紫云英等小粒綠肥種子，種箱最大載種量設(shè)計為12 kg，可滿足播種量在3～50 kg/hm2內(nèi)的綠肥種子撒播要求。該裝置選用鋁合金材料，且紫云英種子在其上的靜摩擦角小于在塑料材料上的摩擦角，較塑料種箱更有利于種子順暢下落。

種箱設(shè)計成上方下棱錐型(圖3)，主要由前種箱板、后種箱板和兩塊側(cè)板組成。

圖3 種箱結(jié)構(gòu)簡圖

種箱開口尺寸設(shè)計以圖2的掛接導(dǎo)軌為依據(jù)，下部棱錐型設(shè)計可增加種箱內(nèi)部排種順暢性和徹底性，且可解決因種箱內(nèi)四周種子掛壁、中間下降速度過快，造成排種機(jī)構(gòu)供種不穩(wěn)的難題。

為使種子在種箱內(nèi)順暢快速下落，種箱側(cè)板傾斜角需大于綠肥種子在鋁板表面的最大靜摩擦角，即種箱板和側(cè)板折彎角α和β(圖3)應(yīng)滿足種子可在其上順利下滑，試驗測得常見綠肥品種的種子滑動摩擦角如表2所示。其中黑麥草滑動摩擦角最大，為30°，綜合考慮種箱結(jié)構(gòu)，該裝置α和β分別設(shè)計為146.4°和132.6°，可滿足主要綠肥品種紫云英種子等在種箱內(nèi)順利下落。

表2 主要綠肥品種種子滑動摩擦角

2.3 排種機(jī)構(gòu)

排種機(jī)構(gòu)是整個撒播裝置的核心，傳統(tǒng)排種機(jī)構(gòu)通過閘門式限料板控制物料出口的開口來調(diào)節(jié)排種量，無法達(dá)到精確持續(xù)穩(wěn)定排種，螺旋輸送不僅具備不易卡料堵料的優(yōu)點，且通過調(diào)整輸送器轉(zhuǎn)速來控制排種量，可實現(xiàn)持續(xù)、穩(wěn)定、均勻且定量排種。

排種機(jī)構(gòu)安裝在種箱下端(圖1)，主要由排種調(diào)速電機(jī)、螺旋輸送器、排種管、安裝支架等組成(圖4)，種箱內(nèi)種子由排種管進(jìn)料口進(jìn)入排種機(jī)構(gòu)，在排種電機(jī)驅(qū)動下，螺旋輸送器旋轉(zhuǎn)推動種子移向排種裝置出料口，經(jīng)導(dǎo)料口進(jìn)入撒種機(jī)構(gòu)。

圖4 定量排種機(jī)構(gòu)

排種機(jī)構(gòu)單位時間內(nèi)所需排種量Im為

Im=QvF

(1)

式中Q——單位面積播種量，kg/m2

v——無人機(jī)飛行速度，m/s

F——有效撒播幅寬，m

根據(jù)實踐經(jīng)驗與撒播裝置設(shè)計要求，并結(jié)合紫云英、二月蘭等小粒種子播量農(nóng)藝要求，Q選為0.005 kg/m2，v為5 m/s，有效撒播幅寬F為5 m，通過計算可得Im=450 kg/h。

螺旋輸送器螺旋直徑D需滿足

(2)

式中kS——螺距與螺旋直徑比值

Z——物料綜合系數(shù)

ρ——物料容重，kg/m3

J——螺旋輸送傾角系數(shù)

ψ——填充系數(shù)

由式(1)、(2)可得排種量和螺旋直徑，進(jìn)而推導(dǎo)出螺距、螺旋軸直徑以及螺旋軸最大轉(zhuǎn)速，并根據(jù)螺旋軸最大轉(zhuǎn)速來選取電機(jī)型號[24]。

通過查閱連續(xù)輸送機(jī)械設(shè)計手冊可知，kS=0.8，Z=50，ψ=0.45，J=1。測得主要綠肥品種種子容重ρ均值約為750 kg/m3，將Im代入式(2)，并根據(jù)排種機(jī)構(gòu)尺寸等實際設(shè)計要求及經(jīng)驗，螺旋直徑D設(shè)計為56 mm，螺距L為45 mm。螺旋輸送器轉(zhuǎn)速計算式為

(3)

式中n——螺旋輸送器轉(zhuǎn)速，r/min

相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(3)可知n=201 r/min。

最大螺旋軸轉(zhuǎn)速為

(4)

相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(4)可知nmax=211 r/min。n

還需對ψ值進(jìn)行驗算，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入

(5)

可得ψ=0.45，滿足《連續(xù)輸送機(jī)械設(shè)計手冊》推薦值范圍要求，故以上計算合理[24]。

根據(jù)螺旋軸允許的最大轉(zhuǎn)速，并結(jié)合實際情況，選用ASLONG JGB37-3540型直流減速電機(jī)，可滿足綠肥種子撒播裝置排種需求。

總排料量即為排種機(jī)構(gòu)在單位時間內(nèi)排出的總種子質(zhì)量或數(shù)量，總排料量穩(wěn)定性變異系數(shù)可表征總排料量穩(wěn)定性，直接關(guān)系到后期田間作物的出苗整齊性。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)測定總排料量變異系數(shù)時[25]，需將無人機(jī)固定且其控制命令置于某一固定指示值，設(shè)定排種螺旋輸送器轉(zhuǎn)速為200 r/min，甩種盤轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，以紫云英種子為物料，測試工作 1 min 排出種子質(zhì)量，重復(fù)5次，測得總排料量穩(wěn)定性變異系數(shù)為1.36%，優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.4 撒種機(jī)構(gòu)

采用離心甩盤式撒種機(jī)構(gòu)進(jìn)行種子撒播，該形式撒播機(jī)構(gòu)生產(chǎn)成本低、效率高、轉(zhuǎn)速可適應(yīng)不同綠肥品種、方便可調(diào)。

撒種機(jī)構(gòu)固定安裝在排種機(jī)構(gòu)下方，主要由支撐梁、甩種盤、甩種盤蓋和撒種電機(jī)等組成(圖5)。支撐梁將排種機(jī)構(gòu)和撒種機(jī)構(gòu)固定連接在一起，撒種電機(jī)兩端分別通過螺栓將支撐梁和甩種盤固連在一起，撒種電機(jī)、甩種盤蓋和甩種盤同軸配置。甩種盤配有4片甩種葉片，葉片夾角θ設(shè)計如圖5所示，根據(jù)試驗設(shè)定為15°，無刷電機(jī)可方便調(diào)節(jié)甩種盤轉(zhuǎn)速，根據(jù)試驗及經(jīng)驗，選取EAGLEPOWER LA3620 KV40型無刷電機(jī)。種子由排種機(jī)構(gòu)排出，通過導(dǎo)料口落入甩種盤，在離心力的作用下，隨著甩種盤的高速旋轉(zhuǎn)沿葉片均勻拋撒出去。

圖5 均勻撒種機(jī)構(gòu)

撒種電機(jī)、甩種盤蓋和甩種盤采用同軸配置方式，可使得由排種機(jī)構(gòu)排出的綠肥種子，恰好被中間軸分散開來，避免堆積中間不能及時撒播出去而造成堵塞，且甩種盤和撒種電機(jī)同軸固定連接，甩種盤和甩種盤蓋之間無任何橫檔等阻隔，相比有橫檔阻隔的甩種盤[15]，提高了作業(yè)順暢性、撒播均勻性和可靠性。

因不同品種的綠肥種子自身物料特性不同，且排種機(jī)構(gòu)可實時定量排種，即落入甩種盤的種子量穩(wěn)定，前期已通過試驗確定了不同品種綠肥種子所對應(yīng)的最佳甩種盤轉(zhuǎn)速。因此根據(jù)不同品種綠肥種子調(diào)整成相應(yīng)的甩種盤轉(zhuǎn)速，可實現(xiàn)多品種綠肥種子的均勻撒播。

2.5 定量撒播自動控制系統(tǒng)

(1)定量排種理論分析

螺旋輸送器排種機(jī)構(gòu)時間t內(nèi)排種量W為

W=Kρnt

(6)

式中K——螺旋輸送器旋轉(zhuǎn)一圈排出種子的體積，由螺距和物料容重決定，m3

排種機(jī)構(gòu)在時間t內(nèi)排出的排種量，即為無人機(jī)綠肥撒播裝置工作時，時間t內(nèi)撒播到田間的撒種量W1為

W1=FvtQ

(7)

其中F為常數(shù)，因無人機(jī)具備自動避障功能，實際作業(yè)時播種飛行高度固定，在已有試驗基礎(chǔ)上，針對某一品種綠肥種子，飛行高度固定的條件下，根據(jù)試驗測得最佳轉(zhuǎn)速，故該轉(zhuǎn)速下有效撒播幅寬固定。

由式(6)、(7)可得

(8)

由式(8)可知，K、ρ、F均為常數(shù)，參考農(nóng)藝要求，為使單位面積撒種量Q固定，需滿足螺旋輸送器轉(zhuǎn)速隨著無人機(jī)飛行速度的變化而變化。

排種機(jī)構(gòu)可通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)跟隨無人機(jī)飛行速度的變化來實時調(diào)整螺旋輸送器轉(zhuǎn)速，螺旋輸送器轉(zhuǎn)速又由壓控直流減速電機(jī)驅(qū)動，即通過電壓控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，可結(jié)合不同品種綠肥種子單位面積播種量以及無人機(jī)飛行速度由電機(jī)轉(zhuǎn)速來實時調(diào)整螺旋輸送器轉(zhuǎn)速，最終實現(xiàn)定量均勻排種。

選取蕪湖青弋江種業(yè)有限公司生產(chǎn)的青弋江1號紫云英種子為試驗物料，測得排種量隨電機(jī)電壓變化規(guī)律如圖6所示，由圖6可知，紫云英種子排種量隨著電機(jī)電壓變化接近線性，說明螺旋輸送器輸送式排種機(jī)構(gòu)的排種量隨無人機(jī)飛行速度可方便調(diào)控。

圖6 排種量-電機(jī)電壓變化曲線

(2)控制系統(tǒng)構(gòu)成

定量撒播自動控制系統(tǒng)由硬件和軟件構(gòu)成，主要由排種機(jī)構(gòu)控制模塊、撒種機(jī)構(gòu)控制模塊等組成，各模塊間共同作用，使得該裝置可滿足不同綠肥品種定量均勻播種，控制原理框圖如圖7所示，控制系統(tǒng)硬件電路圖如圖8所示。

圖7 控制系統(tǒng)框圖

圖8 控制系統(tǒng)硬件電路圖

圖8中撒播自動控制模塊與無人機(jī)飛控系統(tǒng)的通訊硬件接口為有線TTL電平的異步串行UART，通訊協(xié)議采用微型無人機(jī)飛控系統(tǒng)通用的MAVLink協(xié)議，可實現(xiàn)全雙工通訊。圖8中單片機(jī)U1為撒播自動控制模塊的核心，主要負(fù)責(zé)與無人機(jī)飛控系統(tǒng)的通訊、電機(jī)驅(qū)動信號輸出、撒播數(shù)據(jù)的計算和存儲等。S1為撥動地址開關(guān)，即綠肥品種選擇開關(guān)，用于設(shè)定綠肥品種，根據(jù)當(dāng)前撒播綠肥品種，以便微處理器讀取相應(yīng)品種的撒播參數(shù)。U2為EEPROM數(shù)據(jù)存儲器件，可存儲不同品種綠肥撒播參數(shù)，如不同品種的綠肥種子單位面積用種質(zhì)量、有效撒播幅寬等，其通過I2C接口與微處理器通訊，即SDA和SCL兩管腳。TXD和RXD為撒播自動控制模塊與飛控系統(tǒng)通訊信號，獲取飛控系統(tǒng)飛行速度等信息。OC1和OC2為微處理器AD采樣輸入口，分別采樣排種電機(jī)和甩種電機(jī)的驅(qū)動電流，檢測電機(jī)工作負(fù)載狀態(tài)。A1+、A1-、B1+、B1-、C1+、C1-為排種電機(jī)調(diào)速信號輸出；A2+、A2-、B2+、B2-、C2+、C2-為甩種電機(jī)調(diào)速信號輸出。輸出轉(zhuǎn)速對應(yīng)的PWM信號給電子調(diào)速器，電子調(diào)速器通過內(nèi)部驅(qū)動電路，實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)控。

撒播自動控制系統(tǒng)程序采用C語言進(jìn)行編程，控制流程圖如圖9所示。撒播作業(yè)時，根據(jù)綠肥品種選擇開關(guān)選擇當(dāng)前撒播的綠肥品種，確定該品種單位面積播種量等撒播參數(shù)，并實時讀取無人機(jī)飛控系統(tǒng)飛行速度，利用電子調(diào)速器，實時調(diào)整排種電機(jī)和撒種電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而控制排種速度以及甩種盤轉(zhuǎn)速，保證單位面積內(nèi)播量持續(xù)穩(wěn)定。

圖9 控制系統(tǒng)流程圖

3 試驗與結(jié)果分析

為驗證離心甩盤式無人機(jī)綠肥撒播裝置的撒播均勻性以及單位面積播種量的準(zhǔn)確性，對綠肥撒播裝置開展性能試驗。

3.1 試驗條件

在江蘇溧水白馬農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)創(chuàng)新試驗基地開展試驗研究，天氣多云，東北風(fēng)3～4級。試驗物料為蕪湖青弋江種業(yè)有限公司生產(chǎn)的紫云英青弋江1號，含水率11.80%，容重0.73 g/cm3。無人機(jī)為山東風(fēng)云農(nóng)業(yè)科技有限公司生產(chǎn)的四旋翼無人機(jī)。

3.2 試驗方法

結(jié)合實際撒播作業(yè)情況，試驗測試方法及考核指標(biāo)主要參照文獻(xiàn)[25-28]。

先將撒播裝置與無人機(jī)裝配完成后，再添加紫云英種子，開展撒播試驗(圖10)。參考遙控飛行播種機(jī)質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范，并考慮到稻田水稻植株高度，同時結(jié)合實際作業(yè)經(jīng)驗，無人機(jī)飛行高度設(shè)定為離地面2 m，撒播有效幅寬5 m，飛行航線根據(jù)遙控飛行播種機(jī)質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范作業(yè)方式飛行，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)取樣盒放置3排即可，為減小試驗誤差，以保證測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，將尺寸240 mm×165 mm×60 mm取樣盒平放在試驗區(qū)域的中間位置，每個取樣盒之間排成行列間距均為1 m的11×11的矩陣，即共121個取樣點，根據(jù)遙控飛行播種機(jī)質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范，只需稱量其中3排取樣盒內(nèi)種子質(zhì)量，為避免在取樣過程中取樣盒不小心打翻和核實稱量的準(zhǔn)確性，取樣盒數(shù)量多于標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖10 無人機(jī)綠肥撒播裝置場地試驗

撒播均勻性和單位面積播種量準(zhǔn)確性是衡量撒播機(jī)構(gòu)播種性能的參數(shù)、單位面積播種量是否符合農(nóng)藝要求最直接的指標(biāo)，直接關(guān)系到后期的出苗整齊率和紫云英產(chǎn)量。其中撒播均勻性可通過撒播均勻性變異系數(shù)Y1計算，單位面積播種量準(zhǔn)確性可通過單位面積撒種量誤差Y2計算。

撒播均勻性變異系數(shù)Y1通過稱取取樣盒內(nèi)種子質(zhì)量計算得出，該指標(biāo)可直接反映后期播種作物出苗均勻性[29]。

根據(jù)紫云英單位面積播種量農(nóng)藝要求，為判斷無人機(jī)撒播裝置播種量的準(zhǔn)確性，以單位面積撒種量誤差Y2為考核指標(biāo)，計算式為

(9)

式中M——取樣區(qū)內(nèi)撒播種子總質(zhì)量，g

S——取樣區(qū)面積，m2

QZ——理論目標(biāo)撒種量，取2.25 g/m2

3.3 試驗結(jié)果分析

以撒播均勻性變異系數(shù)Y1和單位面積撒種量誤差Y2為評價指標(biāo)，在前期試驗基礎(chǔ)上，選取排種機(jī)構(gòu)螺旋輸送器轉(zhuǎn)速、甩種盤轉(zhuǎn)速、飛行速度為試驗因素，開展三因素三水平L9(34)正交試驗[30]，試驗因素水平如表3所示。每組試驗重復(fù)測定3次并取平均值為最終測定結(jié)果。試驗方案與試驗結(jié)果如 表4 所示。A、B、C為水平值，試驗方差和極差分析結(jié)果如表4、5所示[31-33]。

表3 正交試驗因素水平

表4 試驗設(shè)計方案與結(jié)果

由表4可知，影響撒播均勻性變異系數(shù)Y1主次因素為B、A、C；影響單位面積撒種量誤差Y2主次因素為A、B、C。

由表5可知，3個因素對撒播均勻性變異系數(shù)Y1和單位面積撒種量誤差Y2都有顯著影響，且排種機(jī)構(gòu)螺旋輸送器轉(zhuǎn)速和甩種盤轉(zhuǎn)速對兩個評價指標(biāo)影響都極顯著。

表5 試驗結(jié)果方差分析

為更清晰直觀地分析各因素對評價指標(biāo)的影響規(guī)律，用圖11折線圖來直觀表示。由圖11可知，撒播均勻性變異系數(shù)Y1隨著因素A轉(zhuǎn)速的增加而升高，因為排種機(jī)構(gòu)螺旋輸送器轉(zhuǎn)速越高，排種量就越大，流入甩種盤的種子就越多，在甩種盤轉(zhuǎn)速不增加的情況下，會造成種子撒播較密集集中，使得撒播均勻性變異系數(shù)升高；隨著甩種盤轉(zhuǎn)速的增加而降低，因為甩種盤轉(zhuǎn)速越高，可及時將種子撒播出去，從而撒播均勻性變異系數(shù)降低；隨著飛行速度增加先降低后升高，因為飛行速度過慢，拋撒種子太過密集，飛行速度過快，種子又太過稀疏，因此需根據(jù)排種機(jī)構(gòu)螺旋輸送器轉(zhuǎn)速和甩種盤轉(zhuǎn)速選擇合適的飛行速度，以實現(xiàn)種子均勻拋撒。

圖11 各因素對指標(biāo)的影響規(guī)律

單位面積撒種量誤差Y2隨著A、B、C3因素的增加都呈先降低后升高趨勢，因為螺旋輸送器轉(zhuǎn)速過高、甩種盤轉(zhuǎn)速及飛行速度太低會導(dǎo)致排種量大或種子撒播不出去，單位面積撒種量多；螺旋輸送器轉(zhuǎn)速太低、甩種盤轉(zhuǎn)速及飛行速度太高又會導(dǎo)致排種量小或撒播幅寬太寬，單位面積撒種量小，都會造成單位面積撒種量誤差Y2增加。

由圖11可知，排種機(jī)構(gòu)螺旋輸送器轉(zhuǎn)速A取A1時，撒播均勻性變異系數(shù)Y1最小，Y1越小說明撒播越均勻，因此對Y1來講A取A1時最佳；對單位面積撒種量誤差Y2而言，排種機(jī)構(gòu)螺旋輸送器轉(zhuǎn)速A取A2時，Y2最小，Y2越小說明單位面積撒種量越準(zhǔn)確，因此對Y2來講A取A2時最佳。以此類推，撒播均勻性變異系數(shù)Y1最優(yōu)方案為A1B3C2，而單位面積撒種量誤差Y2最優(yōu)方案為A2B2C2，兩個指標(biāo)的最優(yōu)方案不一致，且兩組試驗均未出現(xiàn)在表4正交試驗的9組試驗中。為得出最終的最優(yōu)方案，采用模糊綜合評分法對試驗結(jié)果進(jìn)一步評分分析[34]。

進(jìn)行模糊綜合評價前首先需確定評價指標(biāo)集和對象集，其次建立隸屬函數(shù)和確定權(quán)重分配集，最后計算模糊綜合評價值，并對模糊綜合評價值進(jìn)行分析。以撒播均勻性變異系數(shù)Y1和單位面積撒種量誤差Y2為評價指標(biāo)，正交設(shè)計的9組試驗確定評價對象集。因兩個評價指標(biāo)均為偏小型指標(biāo)，即越小越好，因此隸屬函數(shù)為

(10)

其中

(11)

結(jié)合實踐經(jīng)驗并從實際分析出發(fā)，確定權(quán)重分配集P=(0.55，0.45)，即撒播均勻性較單位面積撒種量誤差更重要。由隸屬函數(shù)R和權(quán)重分配集P確定模糊綜合評價值集W，其中W=PR=(W1，W2，…，W9)，結(jié)果如表4所示。

由表4可知，第5號試驗評分最高，即A2B2C3，不能確定該處理是最佳試驗方案，還需對評分結(jié)果進(jìn)一步進(jìn)行極差直觀分析，極差分析結(jié)果表明，最優(yōu)試驗方案為A2B2C2，因該試驗方案不在正交試驗9組試驗中，為確保試驗準(zhǔn)確性，對試驗方案A2B2C2再開展驗證試驗。表明試驗方案為A2B2C2時，撒播均勻性變異系數(shù)Y1為28.47%、單位面積撒種量誤差Y2為11.81%，結(jié)果優(yōu)于評分最高的A2B2C3方案，從而可以確定最優(yōu)的試驗方案為A2B2C2，即排種機(jī)構(gòu)輸送器轉(zhuǎn)速為190 r/min、甩種盤轉(zhuǎn)速為1 700 r/min、飛行速度為5 m/s。

4 田間驗證試驗

在安徽省蕪湖市南陵縣青弋江種業(yè)基地開展水稻收割前紫云英無人機(jī)撒播田間驗證試驗，天氣晴，東北風(fēng)2～3級，試驗田面積1.8 hm2。試驗物料與方法同3.2節(jié)，田間放置取樣盒的位置將水稻連根拔掉。排種機(jī)構(gòu)螺旋輸送器轉(zhuǎn)速、甩種盤轉(zhuǎn)速、無人機(jī)飛行速度分別設(shè)定為190 r/min、1 700 r/min、5 m/s 時，測得田間試驗結(jié)果，并計算與場地試驗結(jié)果的相對偏差及田間試驗結(jié)果的相對平均偏差，如表6所示?？芍獪y得田間撒播均勻性變異系數(shù)最大為30.42%，最小為26.88%，均值為28.60%，與性能試驗平均相對誤差為3.64%；田間單位面積撒種量最大誤差為12.54%，最小為11.32%，均值為12.03%，與性能試驗平均相對誤差為3.45%。

表6 田間試驗結(jié)果

圖12為田間撒播作業(yè)以及水稻收獲后紫云英出苗情況，整體出苗良好。

圖12 田間撒播試驗及作業(yè)效果

5 結(jié)論

(1)針對水稻收獲前稻田和丘陵山區(qū)地帶播種綠肥存在機(jī)具下田難，以及人工撒播勞動強(qiáng)度大的難題，基于農(nóng)用多旋翼無人機(jī)平臺，研制出方便與多品牌無人機(jī)組配的離心甩盤式綠肥種子撒播裝置，可實現(xiàn)紫云英、二月蘭等小粒綠肥種子高效、準(zhǔn)確、均勻撒播。

(2)離心甩盤式綠肥種子撒播裝置主要由掛接機(jī)構(gòu)、種箱、排種機(jī)構(gòu)、撒播機(jī)構(gòu)以及撒播自動控制系統(tǒng)構(gòu)成，控制系統(tǒng)可通過控制排種機(jī)構(gòu)螺旋輸送器轉(zhuǎn)速來調(diào)整排種量，根據(jù)不同綠肥品種選定不同甩種盤轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)綠肥種子定量排種、均勻撒播。

(3)紫云英撒播試驗結(jié)果表明，綠肥種子撒播裝置排種機(jī)構(gòu)螺旋輸送器轉(zhuǎn)速A、甩種盤轉(zhuǎn)速B以及無人機(jī)飛行速度C對撒播均勻性變異系數(shù)Y1和單位面積撒種量誤差Y2都有顯著影響。影響撒播均勻性變異系數(shù)Y1的主次因素為B、A、C，最佳因素水平組合為A1B3C2；影響單位面積撒種量誤差Y2主次因素為A、B、C，最佳因素水平組合為A2B2C2；通過模糊綜合評價法得出相對最佳因素水平組合為A2B2C2，即A為190 r/min、B為1 700 r/min、C為 5 m/s 時，相應(yīng)的撒播均勻性變異系數(shù)Y1為28.47%，單位面積撒種量誤差Y2為11.81%。

(4)開展了田間驗證試驗，在飛行高度為2 m，在最優(yōu)參數(shù)組合下，測得撒播均勻性變異系數(shù)均值為28.60%，與性能試驗平均相對誤差為3.64%；單位面積撒種量誤差均值為12.03%，與性能試驗平均相對誤差為3.45%，后期田間出苗整齊。