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(xué) 江西省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/工學(xué)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(fù)雜，田塊細(xì)碎，坡多埂多，形狀不規(guī)則，造成水稻種植機(jī)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(jìn)式水稻種植機(jī)具易陷車，進(jìn)而導(dǎo)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(jī)械化水平?！厩叭搜芯炕A(chǔ)】多旋翼農(nóng)用無人機(jī)具有機(jī)動性強(qiáng)、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(yīng)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(jī)具的限制，國內(nèi)外諸多學(xué)者[7-12]以多旋翼無人機(jī)為載體，開展了無人機(jī)水稻飛播研究。宋燦燦等[13]設(shè)計(jì)了一種氣力式無人機(jī)水稻撒播裝置，分析了分流箱出口尺寸和風(fēng)速的關(guān)系，明確了導(dǎo)流通道錐角對撒播幅寬和均勻性的影響；彭冬星[14]設(shè)計(jì)了一種無人機(jī)搭載的圓盤式水稻撒播機(jī)，分析了落種點(diǎn)位置、圓盤轉(zhuǎn)速和開口大小對撒播效果的影響，其工作效率每分鐘可達(dá)0.97單位面積（667 m2）；周龍[15]設(shè)計(jì)了雙螺旋式水稻直播機(jī)，確定了最佳參數(shù)為雙螺旋轉(zhuǎn)速600 r/min 和甩盤轉(zhuǎn)速300 r/min；李蒙良[16]設(shè)計(jì)了帶擋環(huán)的離心水稻直播機(jī)，開展了離心拋灑盤轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)了一種離心擺管式水稻播種無人機(jī)；包勝軍等[18]設(shè)計(jì)了一種閘門控制裝置調(diào)節(jié)無人機(jī)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(jī)(珠海）有限公司等企業(yè)均研發(fā)了水稻無人機(jī)飛播樣機(jī)。【本研究切入點(diǎn)】基于多旋翼無人機(jī)的飛播裝置的播撒性能需進(jìn)一步提升，尤其是播量有效調(diào)節(jié)和播種均勻性仍有待于深入研究?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究以3WWDZ-16A 六旋翼無人機(jī)為載體，基于螺旋定量供種和離心排種的技術(shù)思路，設(shè)計(jì)一種定量供種離心式水稻播種裝置。理論計(jì)算確定種箱、定量供種螺旋、離心圓盤等結(jié)構(gòu)參數(shù)，并通過飛播試驗(yàn)和田間試驗(yàn)，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(jī)的水稻播種裝置設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)和工作原理

1.1.1 總體結(jié)構(gòu)基于螺旋定量供種和離心排種的技術(shù)思路，以3WWDZ-16A 六旋翼無人機(jī)（江西省南昌市新和萊特科技有限公司）為載體，設(shè)計(jì)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(qū)動電機(jī)、圓盤驅(qū)動電機(jī)等組成。其中種箱通過掛接鋁柱與無人機(jī)下端固定連接，螺旋驅(qū)動電機(jī)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(qū)動電機(jī)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(qū)動電機(jī)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(jī)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(cè)的進(jìn)種口，將破胸露白的水稻芽種添加進(jìn)種箱內(nèi)；根據(jù)飛行高度與播撒幅寬要求，設(shè)定圓盤驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速；根據(jù)飛行速度、播撒幅寬及播量要求，調(diào)節(jié)供種螺旋驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速；同時規(guī)劃無人機(jī)作業(yè)路徑。起飛后，按照設(shè)定的轉(zhuǎn)速，先啟動圓盤驅(qū)動電機(jī)，后啟動螺旋驅(qū)動電機(jī)，帶動供種螺旋和播種裝置回轉(zhuǎn)；進(jìn)而按照規(guī)劃作業(yè)路徑，進(jìn)行無人機(jī)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(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(jī)續(xù)航時間為10～15 min，因此，無人機(jī)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(jī)械物理特性參數(shù)，如表1所示。代入式（1）中，計(jì)算確定種箱容積為17 L。

表1 不同水稻芽種的機(jī)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(yàn)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(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)直接影響供種性能和播種均勻性（圖2）。研究結(jié)果表明，定量供種螺旋采用垂直布置方式更恰當(dāng)，其關(guān)鍵參數(shù)可由式（2）[19-20]計(jì)算可得。

圖2 離心式播種裝置排種速率及變異系數(shù)與轉(zhuǎn)速關(guān)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(zhuǎn)速，r/min。

經(jīng)計(jì)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J(rèn)B-T 62741.1—2001《谷物播種機(jī)技術(shù)條件》，以排種速率及其變異系數(shù)為評價指標(biāo)，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(yàn)。試驗(yàn)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(jì)定量供種螺旋在轉(zhuǎn)速20～100 r/min條件下的排種速率，每個處理重復(fù)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(zhuǎn)速呈線性關(guān)系，相關(guān)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(biāo)準(zhǔn)。為此，定量供種螺旋轉(zhuǎn)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(yùn)動軌跡和有效幅寬，為保證無人機(jī)飛播水稻的實(shí)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(shè)為20 cm，轉(zhuǎn)速設(shè)為600 r/min，葉片數(shù)量設(shè)為4 片，并呈十字型對稱分布（圖3）。

圖3 離心圓盤結(jié)構(gòu)Fig.3 Schematic structure of centrifugal disc

1.3 無人機(jī)飛播試驗(yàn)

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)為明確定量供種離心式水稻播種裝置的工作性能，以前進(jìn)速度、作業(yè)高度和螺旋轉(zhuǎn)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(shè)置因素水平，開展全因素飛播試驗(yàn)，結(jié)果見圖4。試驗(yàn)時，采用4行8列布置采樣點(diǎn)，每個采樣點(diǎn)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(diǎn)間隔為0.30 m×0.50 m；采樣區(qū)域外設(shè)置起落緩沖帶，試驗(yàn)后統(tǒng)計(jì)采樣點(diǎn)實(shí)際落種數(shù)。

表2 基于六旋翼無人機(jī)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(jī)播種試驗(yàn)Fig.4 Seeding performance test based on UAV

1.3.2 評價指標(biāo)參考MH/T 1002.2—1995《農(nóng)業(yè)航空作業(yè)質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)》，選擇種子分布均勻度、實(shí)際落種量誤差和有效幅寬為評價指標(biāo)，其中有效幅寬是指無人機(jī)播撒作業(yè)中落種密度達(dá)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(shí)際落種量誤差計(jì)算公式如下：

式（3）中：E為實(shí)際落種誤差，%；N1為實(shí)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(jié)果與分析

2.1 作業(yè)高度、前進(jìn)速度和螺旋轉(zhuǎn)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(jī)前進(jìn)方向落種量最大，兩側(cè)播種量逐漸減少；當(dāng)定量供種螺旋的轉(zhuǎn)速越大，落種量和有效播幅寬度也隨之增大；且無人機(jī)作業(yè)高度和前進(jìn)速度對作業(yè)幅寬、分布均勻度和落種量影響明顯，當(dāng)無人機(jī)作業(yè)高度和前進(jìn)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(jìn)速度和作業(yè)高度下，定量供種螺旋的轉(zhuǎn)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(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)速度和螺旋轉(zhuǎn)速對分布均勻度及實(shí)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(jī)作業(yè)高度、前進(jìn)速度和螺旋轉(zhuǎn)速3個因素按照從小到大順序統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)樣本值，獲得無人機(jī)播種水稻的種子分布均勻度和實(shí)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(jī)在前進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)40%，且由低到高的次序?yàn)椋喝f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(jī)前進(jìn)速度1.5 m/s，作業(yè)高度為2.5 m 和螺旋轉(zhuǎn)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(jìn)速度1.5 m/s，作業(yè)高度為1.5 m 和螺旋轉(zhuǎn)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(jìn)速度為1.5 m/s、作業(yè)高速1.5 m和螺旋轉(zhuǎn)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(jī)飛播水稻的分布均勻度Fig.8 Distribution uniformity of seeding rate based on UAV

（2）實(shí)際落種誤差。由圖9可知，無人機(jī)在前進(jìn)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(shí)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(jìn)速度為1.5 m/s，作業(yè)高度為2.5 m 和螺旋轉(zhuǎn)速為30 r/min 條件下，實(shí)際落種量誤差最大樣本值為32.73%；就黃華占而言，前進(jìn)速度2.0m/s，作業(yè)高度為2.5 m 和螺旋轉(zhuǎn)速為30 r/min 條件下，實(shí)際落種量誤差最大樣本值為28.00%；就甬優(yōu)12而言，前進(jìn)速度為1.5 m/s、作業(yè)高速2.5 m 和螺旋轉(zhuǎn)速為30 r/min條件下，實(shí)際落種量誤差最大樣本值為33.73%。

圖9 無人機(jī)飛播水稻的實(shí)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(jī)的定量供種離心式水稻播種裝置可實(shí)現(xiàn)對不同品種水稻的均勻播種，但其前進(jìn)速度、作業(yè)高度和螺旋轉(zhuǎn)速均會直接影響分布均勻度及實(shí)際落種量誤差；就3個供試品種而言，較低的前進(jìn)速度和螺旋轉(zhuǎn)速會增大分布均勻度及實(shí)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(shí)際落種量誤差，則可獲取最優(yōu)作業(yè)參數(shù)為前進(jìn)速度為2.0 m/s，作業(yè)高度為2.0 m 和螺旋轉(zhuǎn)速為30 r/min。

此外，供試品種甬優(yōu)12 分布均勻度和實(shí)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(dǎo)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(shè)計(jì)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(jìn)速度和螺旋轉(zhuǎn)速對有效幅寬的影響

以無人機(jī)前進(jìn)速度x1、作業(yè)高度x2和螺旋轉(zhuǎn)速x3為自變量，將無人機(jī)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(biāo)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(jī)在不同作業(yè)高度下的有效幅寬Fig.10 Broadcasting effective width based on UAV

結(jié)果表明：就3個供試品種而言，無人機(jī)飛播作業(yè)的有效幅寬受作業(yè)高度、前進(jìn)速度和螺旋轉(zhuǎn)速影響較明顯。其中無人機(jī)作業(yè)高度影響較大，當(dāng)無人機(jī)作業(yè)高度為1.50 m 時，有效幅寬明顯受影響；當(dāng)無人機(jī)作業(yè)高度超過2.00 m時，無人機(jī)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(jī)飛播黃華占可獲得更大有效幅寬。因此，為了保證無人機(jī)飛播作業(yè)效率和質(zhì)量要求，落種量受到飛行速度和有效幅寬的影響較大，當(dāng)無人機(jī)前進(jìn)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(jī)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(yàn)

為驗(yàn)證該裝置對不同水稻品種的適應(yīng)性和工作性能，以明確其實(shí)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(jī)飛播野香優(yōu)2 號（千粒質(zhì)量26.10g，長寬比3∶10）的田間試驗(yàn)（圖11）。試驗(yàn)前期田塊耕整處理與當(dāng)?shù)刂辈ヌ幚肀３忠恢?；水稻種子清選后浸泡24 h，催芽至破胸露白，晾干表面水分后播種。無人機(jī)作業(yè)參數(shù)為：作業(yè)高度2.00 m，前進(jìn)速度2.00 m/s，螺旋轉(zhuǎn)速為20 r/min，計(jì)算理論飛播密度為100 粒/m2。采用基于六旋翼無人機(jī)的離心式水稻精量播種裝置播種后，沿橫縱2 個方向隨機(jī)選取9 個1 m×3 m 的采樣點(diǎn)，采樣面積與飛播試驗(yàn)保持一致，統(tǒng)計(jì)出苗數(shù)，計(jì)算播種量變異系數(shù)，實(shí)際落種量誤差，驗(yàn)證該裝置的播種性能。

圖11 無人機(jī)飛播田間試驗(yàn)Fig.11 Field experiment

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

3 結(jié)論

基于3WWDZ-16A 六旋翼無人機(jī)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(zhuǎn)速；結(jié)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(zhuǎn)速在20～100 r/min 與供種量之間呈線性關(guān)系，其決定系數(shù)均為0.99，變異系數(shù)低于1.75%，能實(shí)現(xiàn)對不同長寬比水稻的定量播種要求。

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

田間試驗(yàn)結(jié)果表明：該裝置在前進(jìn)速度為2.0 m/s、作業(yè)高度為2 m 和螺旋轉(zhuǎn)速為20 r/min 工況下，可實(shí)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(shí)際落種量誤差為13.64%，進(jìn)一步驗(yàn)證了該裝置對不同水稻品種的適應(yīng)性和工作性能；但旋翼風(fēng)場和自然風(fēng)速對播種質(zhì)量的影響尚需深入討論。