多功能种、肥播撒无人机设计与实现

张 伟，王新法，商俊娟，王 玲

（1.河南农业大学 机电工程学院，河南 郑州 450002；2.河南科技学院信息与工程学院，河南 新乡 453003）

0 引言

随着无人机技术的发展，无人机逐渐被应用于各行各业中，例如航拍、农业生产、快递运输、灾难救援、测绘、电力巡检、影视拍摄等。

农用无人机具有特有的空中作业优势，不受作业地形的影响，除了适用于农药喷洒、遥感监测、辅助授粉等，在种子、颗粒肥播撒等方面也有着良好的应用前景。然而，现有的无人机播种技术中，往往无法做到定量、均匀的播种，使得被播种过的土地长出的作物疏密不一，并且也无法针对不同作物进行定量播种。现有单一圆盘播撒由于播撒直径所限，需要高速旋转才能使颗粒播撒范围更广，但是，高速旋转的播撒盘会导致种子破损影响出芽率。本设计采用分布式播撒盘，可以在播撒盘转速不高的情况下保证播撒均匀性，同时提高播撒效率。

1 无人机播撒技术的发展

2000年，日本农业实验研究中心利用雅马哈公司研制生产的R50无人直升机对农田进行播撒颗粒肥，喷撒量可达300kg/hm2，实际作业时间效率为27.7%。2004年开始，日本在水稻生产中，使用农用无人机的数量已超越有人驾驶飞机，采用农用无人机进行农业生产已成为日本农业发展的趋势[1]。

目前，我国农用无人机多用于植物保护方面，无人机播撒作业还处于初步研究及试应用阶段。一些丘陵、山地、沼泽以及滩涂地带，特别是一些网格化、小型化作业区域，不太适宜传统的地面中大型播撒机械，即使在平原地区，中大型机械对地表的压实作用也会对种子的出苗率造成一定的影响。

我国农业航空播撒技术最早应用在有人驾驶固定翼飞机和直升机上，主要进行飞播造林和飞播牧草作业。目前，排种系统已趋于成熟，而应用于无人机上的排种系统目前还处于研发初期阶段[2]。

目前，我国已有高校科研机构和高科技公司对无人机播撒相关技术进行了研究。在国家知识产权局官网查询近10年我国关于无人机播撒技术的专利申请情况，如图1所示，可以看出2014年后的4年专利申请数量呈爆发性增长，我国对无人机播撒技术的研究已进入快速发展阶段，该技术也为精准农业航空播撒提供了全新的途径[3]。

我国已有不少公司生产播撒无人机，珠海羽人推出了3WDM8-20型多功能无人机，可以实现固体肥料播撒和种子播撒、粉剂喷撒。且推出了全球第一台5～10行精量播种无人机，目前正在全国范围内推广水稻精量播种，机具在不断完善中；2018年大疆推出了可选配播撒颗粒肥的播撒装置。2019年，极飞科技在湖北、陕西、四川等地区推广采用高速气流直播技术的全自主播撒无人机，主要是水稻直播，作业效率80亩/h左右[4-5]。

2 离心式播撒技术

现代地面播撒设备应用较为成熟，播撒方式多为离心式和气力式2种，颗粒在物料箱通过自身重力下落在播撒盘上，离心式是利用播撒盘高速转动将物料播撒出去，而气力式是利用风机将下落的物料吹撒出去。

离心式抛撒技术的核心在于利用离心力将物料从高速旋转的离心圆盘上甩出。离心圆盘通用性好，颗粒状的肥料和作物种子均可使用，抛撒幅宽较大，应用范围较广。但离心播撒方式落种区为环形，若航线规划出现偏差，会出现重播和漏播现象。

3 播撒装置关键部件设计及工作原理

3.1 整机设计

如图1所示，无人机本体1下部连接播种箱2，无人机本体1包括机体，机体内置有无线接收控制装置、蓄电池、机体四周阵列设置若干机臂，机臂端部设置电机，电机通过电机轴连接桨叶。通过两个扣件连接固定机臂连接于播种箱2的方式将无人机本体1固定于播种箱2上。

图1 整体设计结构图

播种箱2下端连接至少两个下料管10，每个下料管10下端连接撒种装置3，每个撒种装置3独立运行，通过撒种装置3将垂直落下的种子撒开，通过调整使每一个下料管10下料的种子撒开半径不同，以实现均匀播种。

下料管10管口的开关装置4，控制种子是否落下。

开关装置4包括通过第二连接杆8与播种箱2连接的固定板6，固定板6为横向设置的长板；固定板6设置若干固定夹7，固定夹7固定下料管10，固定夹7数量大于下料管10的数量，且固定夹7阵列于固定板6上；固定板6垂直于下料管10下料方向的一端设置双向直流电机5（即长板的一端），双向直流电机5通过直流电机轴连接齿轮2，双向直流电机5与齿轮2分别位于固定板6的两边；齿轮2下侧设置与齿轮2配合的齿条3，齿条3下端固定设置开关板16，开关板16长度约等于固定板6；开关板16上端与下端分别设置限位滚轮11，限位滚轮11通过第三连接杆48与固定板6连接，开关板16在齿轮2与配合齿条3配合的一端只在下方设置限位滚轮11，通过限位滚轮11与齿轮2进行上下方向的限位，另一端通过上下两个限位滚轮11夹住开关板16进行上下限位；开关板16朝向下料管10管口的位置延伸设置封闭片15，封闭片15的形状与大小和下料管10管口相同，使得关闭状态下下料管10的下料口被堵住，种子无法落下。该开关装置4使用时，控制双向直流电机5带动齿轮2，齿轮2带动开关板16上的齿条3，使开关板16左右平移，使封闭片15不再堵住下料管10的下料口，使种子落下。

多个伺服电机12以及双向直流电机5通过无人机本体1机体内置的无线接收控制装置进行控制、蓄电池进行供电。

播种箱2设置起落支腿9，可以对上述整体结构进行支撑，使播种无人机可以平稳起落。

3.2 载机

载机是物料播撒作业装置的载体，支撑着无人机播撒作业体系。目前，农用无人机的主要机型分为单旋翼无人机和多旋翼（四旋翼、六旋翼、八旋翼等）无人机。

多旋翼无人机多以锂电池提供动力，续航能力较弱但更为稳定。由于单旋翼无人机技术门槛较高，我国目前农用无人机以多旋翼为主。

本研究设计一种多旋翼无人机机臂折叠装置，可使旋翼机臂稳定切换折叠和展开，特别是采用上折叠结构，使机体折叠、运输更为方便，方便机体与播撒装置拆装，上下互不影响，节省空间，利于作业搬运。

3.3 物料控制装置

播撒装置关键部件设计及工作原理播撒装置（图2），包括一个连接在机臂的料桶、联通料桶的送料管、下料嘴、挡板、播撒盘、电机、支架等组成。工作时将颗粒由料桶两侧的敞口端同时放入，以减小多旋翼无人机的振动，然后启动电机带动转盘转动，颗粒通过料桶经送料管和下料嘴送入到转盘中，下料嘴下部出口端对准播撒盘，在播撒盘的快速旋转作用下使颗粒产生离心运动，沿转盘的内壁面上的各导向槽均匀甩出。

图2 物料控制装置

转盘为顶面敞口的中空倒圆锥台结构，内壁锥面倾角在5°～65°之间，优选6°～8°之间，本装置转盘圆锥台角度为7°，在飞机启动时可防止因振动颗粒洒出，还可以提高颗粒抛出速度，且不影响主桨正常工作。该装置使用分布式离心圆盘式播撒装置，单片机控制第1电机带动播撒盘旋转，控制第2电机用于开关出料口的闸门大小，通过双重控制，使出料口的流量达到按需分配的效果。

3.4 播撒装置

播撒装置是无人机播撒作业体系的心脏，关乎播撒作业效果的好坏。目前应用于农用无人机的播撒装置主要分为离心式和气力式2种。

撒种装置3包括通过第一连接杆3与出料筒4下端连接的伺服电机2，伺服电机2上端通过电机轴连接播撒盘1，为了实现播撒盘1将从下料管10垂直落下的种子撒开，播撒盘1设置由转盘中心向圆周延伸出的薄筋条，筋条圆周阵列于播撒盘1上，使得落下的种子会被旋转的播撒盘1上的筋条碰撞并向四周弹开，见图3。

图3 播撒装置

离心圆盘式播撒装置，下料管落料口设有滑杆连接的挡料滑盖，通过单电机控制调节滑杆上对应滑盖遮挡下料筒的开度及播撒盘转速进行物料流量控制。

3.5 无人机播撒工作过程

将多个下料管10根据预先计划的播种分散程度，设置于固定夹7上，可以是连续的几个固定夹7，也可以是如图中所示间隔设置；所有下料管10的下料口应处于同一平面且刚好被封闭片15所堵住。

控制无人机升空，控制多个伺服电机12启动，使播撒盘14旋转，并开启双向直流电机5使开关板16向左右某一方向平移，可以通过平移距离控制封闭片15与下料管10下料口之间的开口大小，控制种子流量。控制无人机按预设的播种航线进行行驶，观察落下的种子散布是否均匀，分别调整每个伺服电机12的转速，改变对应下料管10种子撒开的情况，直到整体种子撒开的均匀程度符合使用者预期。这种调整方式使得使用者可以根据不同的作物设定不同的种子播撒的均匀程度。

同样的，本播撒装置也可以用于肥料的播撒，使用方式与种子的播撒方式相似。

4 无人机播撒系统特点

无人机播撒的特点：①成本更低、效率更高。水稻直播能完成5.3hm2/h的作业，是人工播撒效率的50～60倍；②精准播撒、颗粒均匀。系统设计有11L标准颗粒箱，适合直径为1～10mm的种子、化肥、农药等，通过十字搅拌使颗粒有效分离结块和粘连，下落均匀；③该装置可通过控制模块接收流量监测单元的数据，进而通过出料调节单元动力机构调节出料口的开关挡板来控制物料播撒，以达到多旋翼无人机均匀播撒物料的目的。设计的挡板式定量器通过伺服电机精确控制挡板的开合度将颗粒均匀地分拨到播撒盘，即可精准控制用量及播撒密度，结合飞行速度，最终可实现变量播撒[6]。

5 结论

本研究设计的播散无人机采用分布式离心播撒装置，可以调节播撒宽幅，同时可以调节播撒流量从而实现精准播撒，在设定好相关参数后，通过手机就能控制无人机进行全自主播撒作业，效率更高，一架无人机作业可达5.3hm2/h，一天作业8h可完成42.7hm2田地播种，是人工播撒效率的50～60倍[7]。不仅可以节省80%～90%的劳动力，大大缓解用工紧缺问题，而且还可减少种子的投入，降低生产成本，提高种植收益。

无人机播撒技术的发展，是农业种植模式实现全无人农场实现的关键环节，农业种植模式发生改变，影响整个产业链，土地，农资，管理，机械设备的更新，农业现代化的真正实现，此外，多种技术的融入，通过将全球定位系统、地理信息系统、遥感系统充分结合，可以为无人机在农业中的应用提供全新方向。