基于六旋翼無人機的定量供種離心式水稻播種裝置設計與試驗

彭永福，劉兆朋，陳雄飛，劉木華，周博聰，余佳佳，劉俊安，余國棟

（江西農(nóng)業(yè)大學 江西省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室/工學院，江西 南昌 330045）

【研究意義】南方丘陵和水網(wǎng)平湖交織區(qū)域是我國重要的水稻生產(chǎn)基地。南方丘陵地形復雜，田塊細碎，坡多埂多，形狀不規(guī)則，造成水稻種植機具下田作業(yè)難及作業(yè)效率低[1]；水網(wǎng)平湖交織區(qū)域泥腳深，現(xiàn)有高速乘坐式和步進式水稻種植機具易陷車，進而導致作業(yè)效率低。因此，亟需研發(fā)適宜南方丘陵及水網(wǎng)平湖交織區(qū)域田塊的新型水稻種植裝備，以提升區(qū)域水稻種植機械化水平。【前人研究基礎】多旋翼農(nóng)用無人機具有機動性強、作業(yè)效率高、不受地形限制等優(yōu)勢，其發(fā)展迅速，已在農(nóng)業(yè)植保方面得到廣泛應用[2-6]。為破解南方丘陵及水網(wǎng)平湖交織區(qū)域田塊對傳統(tǒng)水稻種植機具的限制，國內(nèi)外諸多學者[7-12]以多旋翼無人機為載體，開展了無人機水稻飛播研究。宋燦燦等[13]設計了一種氣力式無人機水稻撒播裝置，分析了分流箱出口尺寸和風速的關系，明確了導流通道錐角對撒播幅寬和均勻性的影響；彭冬星[14]設計了一種無人機搭載的圓盤式水稻撒播機，分析了落種點位置、圓盤轉速和開口大小對撒播效果的影響，其工作效率每分鐘可達0.97單位面積（667 m2）；周龍[15]設計了雙螺旋式水稻直播機，確定了最佳參數(shù)為雙螺旋轉速600 r/min 和甩盤轉速300 r/min；李蒙良[16]設計了帶擋環(huán)的離心水稻直播機，開展了離心拋灑盤轉速、作業(yè)高度和擋環(huán)角度對橫向變異系數(shù)的影響；陳雄飛[17]設計了一種離心擺管式水稻播種無人機；包勝軍等[18]設計了一種閘門控制裝置調節(jié)無人機飛播播量，以改善水稻種子受飛行姿態(tài)影響而出現(xiàn)播量不穩(wěn)定的情況；深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司、廣州極飛科技股份有限公司、羽人無人機(珠海）有限公司等企業(yè)均研發(fā)了水稻無人機飛播樣機。【本研究切入點】基于多旋翼無人機的飛播裝置的播撒性能需進一步提升，尤其是播量有效調節(jié)和播種均勻性仍有待于深入研究?！緮M解決的關鍵問題】本研究以3WWDZ-16A 六旋翼無人機為載體，基于螺旋定量供種和離心排種的技術思路，設計一種定量供種離心式水稻播種裝置。理論計算確定種箱、定量供種螺旋、離心圓盤等結構參數(shù)，并通過飛播試驗和田間試驗，明確定量供種離心式水稻播種裝置工作性能的影響因素及最優(yōu)工作參數(shù)組合，以期為基于多旋翼無人機的水稻播種裝置設計和研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 定量供種離心式水稻播種裝置結構和工作原理

1.1.1 總體結構基于螺旋定量供種和離心排種的技術思路，以3WWDZ-16A 六旋翼無人機（江西省南昌市新和萊特科技有限公司）為載體，設計了一種定量供種離心式水稻播種裝置（圖1）。該裝置主要由種箱、定量供種螺旋、種箱-圓盤固接圓筒、播種裝置、螺旋驅動電機、圓盤驅動電機等組成。其中種箱通過掛接鋁柱與無人機下端固定連接，螺旋驅動電機固定安裝在種箱十字支撐架上端，定量供種螺旋上端通過軸與螺旋驅動電機固接，且置于種箱-圓盤固接圓筒內(nèi)，播種裝置通過種箱-圓盤固接圓筒安裝在定量供種螺旋正下方，圓盤驅動電機通過圓盤軸固接在播種裝置正下方。

圖1 基于六旋翼無人機的定量供種離心式水稻播種裝置Fig.1 Structure of centrifugal rice spreading device based on UAV

1.1.2 工作原理起飛前，打開種箱兩側的進種口，將破胸露白的水稻芽種添加進種箱內(nèi)；根據(jù)飛行高度與播撒幅寬要求，設定圓盤驅動電機轉速；根據(jù)飛行速度、播撒幅寬及播量要求，調節(jié)供種螺旋驅動電機轉速；同時規(guī)劃無人機作業(yè)路徑。起飛后，按照設定的轉速，先啟動圓盤驅動電機，后啟動螺旋驅動電機，帶動供種螺旋和播種裝置回轉；進而按照規(guī)劃作業(yè)路徑，進行無人機飛播。飛播過程中，種箱內(nèi)的稻種在定量供料螺旋的作用下，將稻種定量輸送至播種裝置上，離心圓盤葉片將稻種均勻撒播到田間。

1.2 關鍵結構設計

1.2.1 種箱根據(jù)水稻播種量農(nóng)藝要求，667 m2雜交稻播種量為1.5～2.5 kg，667 m2常規(guī)稻播種量為3～5 kg，無人機續(xù)航時間為10～15 min，因此，無人機搭載的種箱容積為：

式（1）中：V為種箱容積大小，L；S為單次飛行播種面積，hm2，S=0.72 hm2；G為水稻播種量，kg/hm2；ρ為水稻堆積密度，t/m3。

以江西稻區(qū)典型長粒型雜交秈稻萬象優(yōu)華占、中粒型常規(guī)秈稻黃華占和短粒型雜交粳稻甬優(yōu)12 為供試品種，催芽至破胸露白后測試稻種機械物理特性參數(shù)，如表1所示。代入式（1）中，計算確定種箱容積為17 L。

表1 不同水稻芽種的機械物理特性參數(shù)Tab.1 Mechanical and physical characteristic parameters of different rice varieties

1.2.2 定量供種螺旋及供種穩(wěn)定性試驗為保證播種裝置供料連續(xù)均勻，采用螺旋裝置定量供種，而定量供種螺旋的結構和運行參數(shù)直接影響供種性能和播種均勻性（圖2）。研究結果表明，定量供種螺旋采用垂直布置方式更恰當，其關鍵參數(shù)可由式（2）[19-20]計算可得。

圖2 離心式播種裝置排種速率及變異系數(shù)與轉速關系曲線Fig.2 Relationship between Seeding rate and Coefficient of variation and rotating speed of screw

式（2）中：D為定量供種螺旋直徑，m；K1為水稻特性系數(shù)，取值0.049；Q為螺旋輸送能力，t/h，取值0.32；φ為填充系數(shù)，取值0.30；ρ為水稻堆積密度，t/m3，取值0.60；C為定量供種螺旋傾角系數(shù)，取值1.00；P為定量供種螺旋螺距，m；K2為水稻流動性參數(shù)，取值0.90；ω為螺旋角速度，rad/s；R為螺旋葉片直徑，m；nmax為定量供種螺旋最大轉速，r/min。

經(jīng)計算定量供種螺旋直徑D≥0.062 m，nmax=200 r/min。為明確離心式水稻播種裝置的供種均勻性，參照JB-T 62741.1—2001《谷物播種機技術條件》，以排種速率及其變異系數(shù)為評價指標，以長粒型雜交秈稻萬象優(yōu)華占、中粒型常規(guī)秈稻黃華占和短粒型雜交粳稻甬優(yōu)12為供試品種，開展定量供種螺旋的供種穩(wěn)定性試驗。試驗時，將供試品種浸泡24 h 后，放置人工氣候箱內(nèi)，催芽至破胸露白，晾干表面水分后，加入離心式水稻播種裝置的種箱內(nèi)，統(tǒng)計定量供種螺旋在轉速20～100 r/min條件下的排種速率，每個處理重復5次。

由圖2可知，就供試品種萬象優(yōu)華占、黃華占和甬優(yōu)12而言，排種速率與螺旋轉速呈線性關系，相關系數(shù)均高于0.99；排種量變異系數(shù)最大值分別為1.63%、1.75%和1.08%，最小值分別為0.32%、0.39%和0.32%，均滿足谷物撒播標準。為此，定量供種螺旋轉速在20～100 r/min，其排種性能穩(wěn)定，可為播種裝置的離心圓盤定量供種，保證其播量穩(wěn)定性。

1.2.3 播種裝置已有研究[21]表明：離心式播種裝置的離心圓盤葉片直接影響撒播水稻的初始速度、運動軌跡和有效幅寬，為保證無人機飛播水稻的實際落種數(shù)量、分布均勻度和有效幅寬，其離心圓盤直徑可設為20 cm，轉速設為600 r/min，葉片數(shù)量設為4 片，并呈十字型對稱分布（圖3）。

圖3 離心圓盤結構Fig.3 Schematic structure of centrifugal disc

1.3 無人機飛播試驗

1.3.1 試驗設計為明確定量供種離心式水稻播種裝置的工作性能，以前進速度、作業(yè)高度和螺旋轉速為自變量，以長粒型雜交秈稻萬象優(yōu)華占、中粒型常規(guī)秈稻黃華占和短粒型雜交粳稻甬優(yōu)12 為供試品種，根據(jù)表2 設置因素水平，開展全因素飛播試驗，結果見圖4。試驗時，采用4行8列布置采樣點，每個采樣點放置塑料收集盒內(nèi)置濕潤土壤，防止稻種產(chǎn)生彈跳，影響種子分布均勻度，采樣點間隔為0.30 m×0.50 m；采樣區(qū)域外設置起落緩沖帶，試驗后統(tǒng)計采樣點實際落種數(shù)。

表2 基于六旋翼無人機的水稻播種裝置作業(yè)參數(shù)表Tab.2 Operational parameters of flight experiment based on UAV

圖4 無人機播種試驗Fig.4 Seeding performance test based on UAV

1.3.2 評價指標參考MH/T 1002.2—1995《農(nóng)業(yè)航空作業(yè)質量技術指標》，選擇種子分布均勻度、實際落種量誤差和有效幅寬為評價指標，其中有效幅寬是指無人機播撒作業(yè)中落種密度達到生產(chǎn)上所要求的播幅寬度，種子分布均勻度采用落種量的變異系數(shù)來表示，實際落種量誤差計算公式如下：

式（3）中：E為實際落種誤差，%；N1為實際單位面積水稻種子數(shù)；N為理論單位面積水稻種子數(shù)。

2 結果與分析

2.1 作業(yè)高度、前進速度和螺旋轉速對落種量的影響

由圖5、圖6、圖7可知，就供試品種長粒型雜交秈稻萬象優(yōu)華占、中粒型常規(guī)秈稻黃華占和短粒型雜交粳稻甬優(yōu)12而言，沿著無人機前進方向落種量最大，兩側播種量逐漸減少；當定量供種螺旋的轉速越大，落種量和有效播幅寬度也隨之增大；且無人機作業(yè)高度和前進速度對作業(yè)幅寬、分布均勻度和落種量影響明顯，當無人機作業(yè)高度和前進速度越大，作業(yè)幅寬增大，落種量減少，分布均勻度提高；而在相同的前進速度和作業(yè)高度下，定量供種螺旋的轉速越大，落種量越多，分布均勻度提升明顯。

圖5 不同工作參數(shù)無人機飛播萬象優(yōu)華占的落種量Fig.5 Seeds number of broadcasting Wanxiangyouhuazhan in different operational parameters

圖6 不同工作參數(shù)無人機飛播黃華占的落種量Fig.6 Seeds number of broadcasting Huanghuazhan in different operational parameters

圖7 不同工作參數(shù)無人機飛播甬優(yōu)12的落種量Fig.7 Seeds number of broadcasting Yongyou12 in different operational parameters

2.2 作業(yè)高度、前進速度和螺旋轉速對分布均勻度及實際落種量誤差的影響

為分析該離心式水稻播種裝置工作性能，分別將無人機作業(yè)高度、前進速度和螺旋轉速3個因素按照從小到大順序統(tǒng)計試驗樣本值，獲得無人機播種水稻的種子分布均勻度和實際落種量誤差曲線（圖8、圖9）。

（1）分布均勻度。由圖8可知，無人機在前進速度1.5～2.5 m/s和作業(yè)高度1.5～2.5 m條件下，3個供試品種的分布均勻度集中于10%～35%，整體低于行業(yè)參考標準40%，且由低到高的次序為：萬象優(yōu)華占、黃華占和甬優(yōu)12。就供試品種萬象優(yōu)華占而言，無人機前進速度1.5 m/s，作業(yè)高度為2.5 m 和螺旋轉速為50 r/min 條件下，分布均勻度最大樣本值為36.38%；就黃華占而言，前進速度1.5 m/s，作業(yè)高度為1.5 m 和螺旋轉速為30 r/min條件下，分布均勻度最大樣本值為38.61%；就甬優(yōu)12而言，前進速度為1.5 m/s、作業(yè)高速1.5 m和螺旋轉速為30 r/min條件下，分布均勻度最大樣本值為47.49%。

圖8 無人機飛播水稻的分布均勻度Fig.8 Distribution uniformity of seeding rate based on UAV

（2）實際落種誤差。由圖9可知，無人機在前進速度1.5～2.5 m/s和作業(yè)高度1.5～2.5 m條件下，3個供試品種的實際落種量誤差范圍為0～25%，且由低到高依次為：萬象優(yōu)華占、黃華占和甬優(yōu)12。就供試品種萬象優(yōu)華占而言，前進速度為1.5 m/s，作業(yè)高度為2.5 m 和螺旋轉速為30 r/min 條件下，實際落種量誤差最大樣本值為32.73%；就黃華占而言，前進速度2.0m/s，作業(yè)高度為2.5 m 和螺旋轉速為30 r/min 條件下，實際落種量誤差最大樣本值為28.00%；就甬優(yōu)12而言，前進速度為1.5 m/s、作業(yè)高速2.5 m 和螺旋轉速為30 r/min條件下，實際落種量誤差最大樣本值為33.73%。

圖9 無人機飛播水稻的實際落種量誤差Fig.9 Error of seeding rate based on UAV

因此，基于多旋翼無人機的定量供種離心式水稻播種裝置可實現(xiàn)對不同品種水稻的均勻播種，但其前進速度、作業(yè)高度和螺旋轉速均會直接影響分布均勻度及實際落種量誤差；就3個供試品種而言，較低的前進速度和螺旋轉速會增大分布均勻度及實際落種量誤差，作業(yè)高度低則影響分布均勻度，作業(yè)高度過高則影響實際落種量誤差，則可獲取最優(yōu)作業(yè)參數(shù)為前進速度為2.0 m/s，作業(yè)高度為2.0 m 和螺旋轉速為30 r/min。

此外，供試品種甬優(yōu)12 分布均勻度和實際落種誤差均高于萬象優(yōu)華占和黃華占，主要由于甬優(yōu)12的流動特性更好，導致定量供種螺旋的自鎖性能變差，定量供種性能不穩(wěn)定，但設計的播撒裝置均可滿足3個供試品種的均勻撒播。

2.3 作業(yè)高度、前進速度和螺旋轉速對有效幅寬的影響

以無人機前進速度x1、作業(yè)高度x2和螺旋轉速x3為自變量，將無人機飛播萬象優(yōu)華占、黃華占和甬優(yōu)12 有效幅寬y1、y2和y3作為目標函數(shù)，分別建立其擬合方程，如式（4）、（5）和（6）所示，其決定系數(shù)R2分別為0.93、0.94和0.94（圖10）。

圖10 無人機在不同作業(yè)高度下的有效幅寬Fig.10 Broadcasting effective width based on UAV

結果表明：就3個供試品種而言，無人機飛播作業(yè)的有效幅寬受作業(yè)高度、前進速度和螺旋轉速影響較明顯。其中無人機作業(yè)高度影響較大，當無人機作業(yè)高度為1.50 m 時，有效幅寬明顯受影響；當無人機作業(yè)高度超過2.00 m時，無人機飛播萬象優(yōu)華占和甬優(yōu)12的有效幅寬差異性較小，而無人機飛播黃華占可獲得更大有效幅寬。因此，為了保證無人機飛播作業(yè)效率和質量要求，落種量受到飛行速度和有效幅寬的影響較大，當無人機前進速度越快，有效幅寬越大，則作業(yè)效率越高。綜上所述，基于多旋翼無人機的定量供種離心式水稻播種裝置推薦其作業(yè)高度高于2.0 m。

2.4 田間試驗

為驗證該裝置對不同水稻品種的適應性和工作性能，以明確其實際飛播作業(yè)效果，于2020年4月6日在江西省宜春市袁州區(qū)開展無人機飛播野香優(yōu)2 號（千粒質量26.10g，長寬比3∶10）的田間試驗（圖11）。試驗前期田塊耕整處理與當?shù)刂辈ヌ幚肀３忠恢拢凰痉N子清選后浸泡24 h，催芽至破胸露白，晾干表面水分后播種。無人機作業(yè)參數(shù)為：作業(yè)高度2.00 m，前進速度2.00 m/s，螺旋轉速為20 r/min，計算理論飛播密度為100 粒/m2。采用基于六旋翼無人機的離心式水稻精量播種裝置播種后，沿橫縱2 個方向隨機選取9 個1 m×3 m 的采樣點，采樣面積與飛播試驗保持一致，統(tǒng)計出苗數(shù)，計算播種量變異系數(shù)，實際落種量誤差，驗證該裝置的播種性能。

圖11 無人機飛播田間試驗Fig.11 Field experiment

試驗結果表明：有效幅寬為6.00 m 單位面積實際落種量為95 粒，比理論值小5.00%，實際播種量變異系數(shù)為18.70%；實際落種量誤差為13.64%，均滿足無人機飛播谷物的行業(yè)標準要求和水稻播種的農(nóng)藝生產(chǎn)要求。

3 結論

基于3WWDZ-16A 六旋翼無人機研制了一種與之配套的定量供種離心式水稻精量播種裝置，建立了定供種螺旋供種量模型，確定了種箱容積、定量供種螺旋直徑和離心圓盤臨界轉速；結果表明：就萬象優(yōu)華占、黃華占和甬優(yōu)12 而言，定量供種螺旋轉速在20～100 r/min 與供種量之間呈線性關系，其決定系數(shù)均為0.99，變異系數(shù)低于1.75%，能實現(xiàn)對不同長寬比水稻的定量播種要求。

根據(jù)無人機前進速度（1.50～2.00 m/s）、作業(yè)高度（1.50～2.00 m）和螺旋轉速（30～50 r/min）開展了全因素飛播試驗，并構建了無人機飛播有效幅寬與前進速度、作業(yè)高度和螺旋轉速的數(shù)學模型。結果表明：作業(yè)高度、前進速度和螺旋轉速直接影響落種量及有效幅寬，且實際落種量誤差隨著前進速度增大而逐漸趨于穩(wěn)定，分布均勻度分布在10%～35%，實際落種誤差波動范圍為0～25%，且該裝置可實現(xiàn)對不同水稻品種的定量播種農(nóng)藝要求。

田間試驗結果表明：該裝置在前進速度為2.0 m/s、作業(yè)高度為2 m 和螺旋轉速為20 r/min 工況下，可實現(xiàn)定量播種野香優(yōu)2 號，其播種量變異系數(shù)為18.70%，實際落種量誤差為13.64%，進一步驗證了該裝置對不同水稻品種的適應性和工作性能；但旋翼風場和自然風速對播種質量的影響尚需深入討論。