基于无人机平台的绿肥种子撒播装置设计与试验

高学梅 游兆延 吴惠昌 彭宝良 王申莹 曹明珠

(农业农村部南京农业机械化研究所，南京 210014)

0 引言

绿肥能够提升地力、减施化肥、美化农田、提质增效，水田种植绿肥具有改变土壤理化性质、增加土壤有机质、提高作物产量和品质等优点[1-5]。但因种植绿肥当季无明显效益，以及受化肥工业的迅猛发展等多种因素影响，20世纪80年代至本世纪初，绿肥产业发展处于萧条期，绿肥生产机械研发也处于停滞阶段，近年来我国在轮作休耕、耕地质量提升、果蔬茶有机肥替代、绿色发展和乡村振兴等国家政策推动以及绿肥相关的国家专项项目支持下，绿肥产业进入了生产回升、科研快速恢复时期[3]。但绿肥生产作业机械投入少，仍主要借用其他大田作物生产装备，存在作业适应性差、专用性不强、技术水平偏低等诸多问题，尤其是水稻收获前的稻田以及丘陵山区地带不适于机具下田作业，主要靠人工撒播，耗时费力[6-8]，缺乏适合多品种绿肥播种的可靠性设备。

目前农用无人机进入快速发展时期，因其作业效率高、不易受地形限制作业等优势，逐渐得到市场认可，根据典型绿肥品种紫云英种子播种农艺要求，种子可直接撒播于地表，因此无人机飞播模式可完全满足紫云英种子播种要求，但适用于紫云英等绿肥种子的无人机撒播装置未见相关报道。发达国家农业耕作模式以及配套制度相对较为完善，所应用的无人机播种设备价格昂贵，不适合我国国情[9-14]。我国在水稻、油菜等农作物无人机播种已有研究，陈博[15-16]设计的水稻种肥一体化精量直播无人机，可实现水稻精量条播，同时其模块化设计可快速与无人机撒播装置进行更换，通过闸门式调节机构控制排种机构的排种量。李遗[17]设计的超低空遥控播种施肥机，采用圆盘式出料抛撒机构将肥料抛撒出去。彭冬星[18]设计的无人机水稻撒播机，采用L形搅拌棒辅助排种，控制系统可调节种箱开口、搅种棒和圆盘转速。宋灿灿等[19]设计的气力式无人机水稻撒播装置，主要通过气流将种子沿不同的方向吹送撒播出去。张青松等[20]设计的油菜飞播装置，排种机构为槽轮式，通过槽轮旋转将种子带入导种管，种子由出料口排出。黄小毛等[21]设计的油菜成条飞播装置，排种机构采用离心式排种盘，并配有橡胶软管导种机构，最终将油菜成条撒播。罗锡文等[22]在无人机撒播机载装置的物料箱内设计涵道风扇式搅拌机构，将物料输送至撒播轮盘上再撒播出去，目前无人机播种装置排种机构多采用槽轮式扇面或杆齿搅拌式，排量主要通过挡板或闸门开口调节。

本文基于农用多旋翼无人机平台，优化设计排种机构、撒种机构等关键部件，设计可方便快速与不同品牌无人机组配挂接，且适合紫云英等多品种绿肥种子播种的撒播装置。

1 整机结构及工作原理

基于无人机平台的绿肥种子撒播装置结构如图1所示，主要由挂接机构、种箱、排种机构、撒种机构及撒播自动控制模块组成。种箱由挂接机构固定于无人机机体正下方，其出料口与排种机构进料口配合连接，排种机构出料口通过支撑横梁与撒种机构进料口连接。整机技术参数如表1所示。

图1 绿肥种子撒播装置结构示意图

表1 主要技术参数

作业时，种子由种箱进入排种机构，由排种机构的螺旋输送器输送至撒种机构的甩种盘，再由甩种盘将种子撒播出去。其中控制系统根据播种作物单位面积用种量要求及无人机飞行速度，控制排种机构电机转速，实现排种机构定量排种；前期已通过试验确定了不同品种绿肥种子所对应的最佳甩种盘转速，通过绿肥品种选择开关实现不同品种绿肥种子对应的甩种盘转速，方便快捷。该装置在各个模块的配合下，可实现不同品种绿肥种子单位面积内均匀、定量撒播[23]。

2 关键部件及自动控制系统设计

2.1 挂接机构

为实现绿肥种子撒播装置与不同品牌无人机的快速组配，以及便于绿肥种子撒播装置与喷药植保装置方便切换，设计抽拉式挂接机构，结构简单。挂接机构的装配示意图如图2所示，主要由上、下两组U形导轨组成，每组导轨各2条，上、下导轨通过固定螺钉分别固定于无人机底板和种箱上。无人机可通过上挂接导轨和下挂接导轨快速组配，再通过限位销轴将上下导轨固定，可防止作业时导轨相互滑动错位。

图2 挂接机构

2.2 种箱

种箱结构及尺寸设计需综合考虑方便与无人机组配，不影响无人机起飞降落，且还需考虑关键参数载种量，理想状态是加种一次，待种子播种完成时恰好达到无人机电池最大续航能力，减少因加种或电池充电增加的无人机飞行无用功耗。因不同品牌无人机电池续航能力存在差异，且不同品种的绿肥作物播种量不同，为达到以上理想状态，针对紫云英等小粒绿肥种子，种箱最大载种量设计为12 kg，可满足播种量在3～50 kg/hm2内的绿肥种子撒播要求。该装置选用铝合金材料，且紫云英种子在其上的静摩擦角小于在塑料材料上的摩擦角，较塑料种箱更有利于种子顺畅下落。

种箱设计成上方下棱锥型(图3)，主要由前种箱板、后种箱板和两块侧板组成。

图3 种箱结构简图

种箱开口尺寸设计以图2的挂接导轨为依据，下部棱锥型设计可增加种箱内部排种顺畅性和彻底性，且可解决因种箱内四周种子挂壁、中间下降速度过快，造成排种机构供种不稳的难题。

为使种子在种箱内顺畅快速下落，种箱侧板倾斜角需大于绿肥种子在铝板表面的最大静摩擦角，即种箱板和侧板折弯角α和β(图3)应满足种子可在其上顺利下滑，试验测得常见绿肥品种的种子滑动摩擦角如表2所示。其中黑麦草滑动摩擦角最大，为30°，综合考虑种箱结构，该装置α和β分别设计为146.4°和132.6°，可满足主要绿肥品种紫云英种子等在种箱内顺利下落。

表2 主要绿肥品种种子滑动摩擦角

2.3 排种机构

排种机构是整个撒播装置的核心，传统排种机构通过闸门式限料板控制物料出口的开口来调节排种量，无法达到精确持续稳定排种，螺旋输送不仅具备不易卡料堵料的优点，且通过调整输送器转速来控制排种量，可实现持续、稳定、均匀且定量排种。

排种机构安装在种箱下端(图1)，主要由排种调速电机、螺旋输送器、排种管、安装支架等组成(图4)，种箱内种子由排种管进料口进入排种机构，在排种电机驱动下，螺旋输送器旋转推动种子移向排种装置出料口，经导料口进入撒种机构。

图4 定量排种机构

排种机构单位时间内所需排种量Im为

Im=QvF

(1)

式中Q——单位面积播种量，kg/m2

v——无人机飞行速度，m/s

F——有效撒播幅宽，m

根据实践经验与撒播装置设计要求，并结合紫云英、二月兰等小粒种子播量农艺要求，Q选为0.005 kg/m2，v为5 m/s，有效撒播幅宽F为5 m，通过计算可得Im=450 kg/h。

螺旋输送器螺旋直径D需满足

(2)

式中kS——螺距与螺旋直径比值

Z——物料综合系数

ρ——物料容重，kg/m3

J——螺旋输送倾角系数

ψ——填充系数

由式(1)、(2)可得排种量和螺旋直径，进而推导出螺距、螺旋轴直径以及螺旋轴最大转速，并根据螺旋轴最大转速来选取电机型号[24]。

通过查阅连续输送机械设计手册可知，kS=0.8，Z=50，ψ=0.45，J=1。测得主要绿肥品种种子容重ρ均值约为750 kg/m3，将Im代入式(2)，并根据排种机构尺寸等实际设计要求及经验，螺旋直径D设计为56 mm，螺距L为45 mm。螺旋输送器转速计算式为

(3)

式中n——螺旋输送器转速，r/min

相关数据代入式(3)可知n=201 r/min。

最大螺旋轴转速为

(4)

相关数据代入式(4)可知nmax=211 r/min。n

还需对ψ值进行验算，将相关数据代入

(5)

可得ψ=0.45，满足《连续输送机械设计手册》推荐值范围要求，故以上计算合理[24]。

根据螺旋轴允许的最大转速，并结合实际情况，选用ASLONG JGB37-3540型直流减速电机，可满足绿肥种子撒播装置排种需求。

总排料量即为排种机构在单位时间内排出的总种子质量或数量，总排料量稳定性变异系数可表征总排料量稳定性，直接关系到后期田间作物的出苗整齐性。根据标准测定总排料量变异系数时[25]，需将无人机固定且其控制命令置于某一固定指示值，设定排种螺旋输送器转速为200 r/min，甩种盘转速为1 800 r/min，以紫云英种子为物料，测试工作 1 min 排出种子质量，重复5次，测得总排料量稳定性变异系数为1.36%，优于标准要求。

2.4 撒种机构

采用离心甩盘式撒种机构进行种子撒播，该形式撒播机构生产成本低、效率高、转速可适应不同绿肥品种、方便可调。

撒种机构固定安装在排种机构下方，主要由支撑梁、甩种盘、甩种盘盖和撒种电机等组成(图5)。支撑梁将排种机构和撒种机构固定连接在一起，撒种电机两端分别通过螺栓将支撑梁和甩种盘固连在一起，撒种电机、甩种盘盖和甩种盘同轴配置。甩种盘配有4片甩种叶片，叶片夹角θ设计如图5所示，根据试验设定为15°，无刷电机可方便调节甩种盘转速，根据试验及经验，选取EAGLEPOWER LA3620 KV40型无刷电机。种子由排种机构排出，通过导料口落入甩种盘，在离心力的作用下，随着甩种盘的高速旋转沿叶片均匀抛撒出去。

图5 均匀撒种机构

撒种电机、甩种盘盖和甩种盘采用同轴配置方式，可使得由排种机构排出的绿肥种子，恰好被中间轴分散开来，避免堆积中间不能及时撒播出去而造成堵塞，且甩种盘和撒种电机同轴固定连接，甩种盘和甩种盘盖之间无任何横档等阻隔，相比有横档阻隔的甩种盘[15]，提高了作业顺畅性、撒播均匀性和可靠性。

因不同品种的绿肥种子自身物料特性不同，且排种机构可实时定量排种，即落入甩种盘的种子量稳定，前期已通过试验确定了不同品种绿肥种子所对应的最佳甩种盘转速。因此根据不同品种绿肥种子调整成相应的甩种盘转速，可实现多品种绿肥种子的均匀撒播。

2.5 定量撒播自动控制系统

(1)定量排种理论分析

螺旋输送器排种机构时间t内排种量W为

W=Kρnt

(6)

式中K——螺旋输送器旋转一圈排出种子的体积，由螺距和物料容重决定，m3

排种机构在时间t内排出的排种量，即为无人机绿肥撒播装置工作时，时间t内撒播到田间的撒种量W1为

W1=FvtQ

(7)

其中F为常数，因无人机具备自动避障功能，实际作业时播种飞行高度固定，在已有试验基础上，针对某一品种绿肥种子，飞行高度固定的条件下，根据试验测得最佳转速，故该转速下有效撒播幅宽固定。

由式(6)、(7)可得

(8)

由式(8)可知，K、ρ、F均为常数，参考农艺要求，为使单位面积撒种量Q固定，需满足螺旋输送器转速随着无人机飞行速度的变化而变化。

排种机构可通过控制系统实现跟随无人机飞行速度的变化来实时调整螺旋输送器转速，螺旋输送器转速又由压控直流减速电机驱动，即通过电压控制电机转速，可结合不同品种绿肥种子单位面积播种量以及无人机飞行速度由电机转速来实时调整螺旋输送器转速，最终实现定量均匀排种。

选取芜湖青弋江种业有限公司生产的青弋江1号紫云英种子为试验物料，测得排种量随电机电压变化规律如图6所示，由图6可知，紫云英种子排种量随着电机电压变化接近线性，说明螺旋输送器输送式排种机构的排种量随无人机飞行速度可方便调控。

图6 排种量-电机电压变化曲线

(2)控制系统构成

定量撒播自动控制系统由硬件和软件构成，主要由排种机构控制模块、撒种机构控制模块等组成，各模块间共同作用，使得该装置可满足不同绿肥品种定量均匀播种，控制原理框图如图7所示，控制系统硬件电路图如图8所示。

图7 控制系统框图

图8 控制系统硬件电路图

图8中撒播自动控制模块与无人机飞控系统的通讯硬件接口为有线TTL电平的异步串行UART，通讯协议采用微型无人机飞控系统通用的MAVLink协议，可实现全双工通讯。图8中单片机U1为撒播自动控制模块的核心，主要负责与无人机飞控系统的通讯、电机驱动信号输出、撒播数据的计算和存储等。S1为拨动地址开关，即绿肥品种选择开关，用于设定绿肥品种，根据当前撒播绿肥品种，以便微处理器读取相应品种的撒播参数。U2为EEPROM数据存储器件，可存储不同品种绿肥撒播参数，如不同品种的绿肥种子单位面积用种质量、有效撒播幅宽等，其通过I2C接口与微处理器通讯，即SDA和SCL两管脚。TXD和RXD为撒播自动控制模块与飞控系统通讯信号，获取飞控系统飞行速度等信息。OC1和OC2为微处理器AD采样输入口，分别采样排种电机和甩种电机的驱动电流，检测电机工作负载状态。A1+、A1-、B1+、B1-、C1+、C1-为排种电机调速信号输出；A2+、A2-、B2+、B2-、C2+、C2-为甩种电机调速信号输出。输出转速对应的PWM信号给电子调速器，电子调速器通过内部驱动电路，实现电机转速的调控。

撒播自动控制系统程序采用C语言进行编程，控制流程图如图9所示。撒播作业时，根据绿肥品种选择开关选择当前撒播的绿肥品种，确定该品种单位面积播种量等撒播参数，并实时读取无人机飞控系统飞行速度，利用电子调速器，实时调整排种电机和撒种电机转速，从而控制排种速度以及甩种盘转速，保证单位面积内播量持续稳定。

图9 控制系统流程图

3 试验与结果分析

为验证离心甩盘式无人机绿肥撒播装置的撒播均匀性以及单位面积播种量的准确性，对绿肥撒播装置开展性能试验。

3.1 试验条件

在江苏溧水白马农业机械化技术创新试验基地开展试验研究，天气多云，东北风3～4级。试验物料为芜湖青弋江种业有限公司生产的紫云英青弋江1号，含水率11.80%，容重0.73 g/cm3。无人机为山东风云农业科技有限公司生产的四旋翼无人机。

3.2 试验方法

结合实际撒播作业情况，试验测试方法及考核指标主要参照文献[25-28]。

先将撒播装置与无人机装配完成后，再添加紫云英种子，开展撒播试验(图10)。参考遥控飞行播种机质量评价技术规范，并考虑到稻田水稻植株高度，同时结合实际作业经验，无人机飞行高度设定为离地面2 m，撒播有效幅宽5 m，飞行航线根据遥控飞行播种机质量评价技术规范作业方式飞行，根据标准取样盒放置3排即可，为减小试验误差，以保证测试数据的准确性，将尺寸240 mm×165 mm×60 mm取样盒平放在试验区域的中间位置，每个取样盒之间排成行列间距均为1 m的11×11的矩阵，即共121个取样点，根据遥控飞行播种机质量评价技术规范，只需称量其中3排取样盒内种子质量，为避免在取样过程中取样盒不小心打翻和核实称量的准确性，取样盒数量多于标准要求。

图10 无人机绿肥撒播装置场地试验

撒播均匀性和单位面积播种量准确性是衡量撒播机构播种性能的参数、单位面积播种量是否符合农艺要求最直接的指标，直接关系到后期的出苗整齐率和紫云英产量。其中撒播均匀性可通过撒播均匀性变异系数Y1计算，单位面积播种量准确性可通过单位面积撒种量误差Y2计算。

撒播均匀性变异系数Y1通过称取取样盒内种子质量计算得出，该指标可直接反映后期播种作物出苗均匀性[29]。

根据紫云英单位面积播种量农艺要求，为判断无人机撒播装置播种量的准确性，以单位面积撒种量误差Y2为考核指标，计算式为

(9)

式中M——取样区内撒播种子总质量，g

S——取样区面积，m2

QZ——理论目标撒种量，取2.25 g/m2

3.3 试验结果分析

以撒播均匀性变异系数Y1和单位面积撒种量误差Y2为评价指标，在前期试验基础上，选取排种机构螺旋输送器转速、甩种盘转速、飞行速度为试验因素，开展三因素三水平L9(34)正交试验[30]，试验因素水平如表3所示。每组试验重复测定3次并取平均值为最终测定结果。试验方案与试验结果如 表4 所示。A、B、C为水平值，试验方差和极差分析结果如表4、5所示[31-33]。

表3 正交试验因素水平

表4 试验设计方案与结果

由表4可知，影响撒播均匀性变异系数Y1主次因素为B、A、C；影响单位面积撒种量误差Y2主次因素为A、B、C。

由表5可知，3个因素对撒播均匀性变异系数Y1和单位面积撒种量误差Y2都有显著影响，且排种机构螺旋输送器转速和甩种盘转速对两个评价指标影响都极显著。

表5 试验结果方差分析

为更清晰直观地分析各因素对评价指标的影响规律，用图11折线图来直观表示。由图11可知，撒播均匀性变异系数Y1随着因素A转速的增加而升高，因为排种机构螺旋输送器转速越高，排种量就越大，流入甩种盘的种子就越多，在甩种盘转速不增加的情况下，会造成种子撒播较密集集中，使得撒播均匀性变异系数升高；随着甩种盘转速的增加而降低，因为甩种盘转速越高，可及时将种子撒播出去，从而撒播均匀性变异系数降低；随着飞行速度增加先降低后升高，因为飞行速度过慢，抛撒种子太过密集，飞行速度过快，种子又太过稀疏，因此需根据排种机构螺旋输送器转速和甩种盘转速选择合适的飞行速度，以实现种子均匀抛撒。

图11 各因素对指标的影响规律

单位面积撒种量误差Y2随着A、B、C3因素的增加都呈先降低后升高趋势，因为螺旋输送器转速过高、甩种盘转速及飞行速度太低会导致排种量大或种子撒播不出去，单位面积撒种量多；螺旋输送器转速太低、甩种盘转速及飞行速度太高又会导致排种量小或撒播幅宽太宽，单位面积撒种量小，都会造成单位面积撒种量误差Y2增加。

由图11可知，排种机构螺旋输送器转速A取A1时，撒播均匀性变异系数Y1最小，Y1越小说明撒播越均匀，因此对Y1来讲A取A1时最佳；对单位面积撒种量误差Y2而言，排种机构螺旋输送器转速A取A2时，Y2最小，Y2越小说明单位面积撒种量越准确，因此对Y2来讲A取A2时最佳。以此类推，撒播均匀性变异系数Y1最优方案为A1B3C2，而单位面积撒种量误差Y2最优方案为A2B2C2，两个指标的最优方案不一致，且两组试验均未出现在表4正交试验的9组试验中。为得出最终的最优方案，采用模糊综合评分法对试验结果进一步评分分析[34]。

进行模糊综合评价前首先需确定评价指标集和对象集，其次建立隶属函数和确定权重分配集，最后计算模糊综合评价值，并对模糊综合评价值进行分析。以撒播均匀性变异系数Y1和单位面积撒种量误差Y2为评价指标，正交设计的9组试验确定评价对象集。因两个评价指标均为偏小型指标，即越小越好，因此隶属函数为

(10)

其中

(11)

结合实践经验并从实际分析出发，确定权重分配集P=(0.55，0.45)，即撒播均匀性较单位面积撒种量误差更重要。由隶属函数R和权重分配集P确定模糊综合评价值集W，其中W=PR=(W1，W2，…，W9)，结果如表4所示。

由表4可知，第5号试验评分最高，即A2B2C3，不能确定该处理是最佳试验方案，还需对评分结果进一步进行极差直观分析，极差分析结果表明，最优试验方案为A2B2C2，因该试验方案不在正交试验9组试验中，为确保试验准确性，对试验方案A2B2C2再开展验证试验。表明试验方案为A2B2C2时，撒播均匀性变异系数Y1为28.47%、单位面积撒种量误差Y2为11.81%，结果优于评分最高的A2B2C3方案，从而可以确定最优的试验方案为A2B2C2，即排种机构输送器转速为190 r/min、甩种盘转速为1 700 r/min、飞行速度为5 m/s。

4 田间验证试验

在安徽省芜湖市南陵县青弋江种业基地开展水稻收割前紫云英无人机撒播田间验证试验，天气晴，东北风2～3级，试验田面积1.8 hm2。试验物料与方法同3.2节，田间放置取样盒的位置将水稻连根拔掉。排种机构螺旋输送器转速、甩种盘转速、无人机飞行速度分别设定为190 r/min、1 700 r/min、5 m/s 时，测得田间试验结果，并计算与场地试验结果的相对偏差及田间试验结果的相对平均偏差，如表6所示。可知测得田间撒播均匀性变异系数最大为30.42%，最小为26.88%，均值为28.60%，与性能试验平均相对误差为3.64%；田间单位面积撒种量最大误差为12.54%，最小为11.32%，均值为12.03%，与性能试验平均相对误差为3.45%。

表6 田间试验结果

图12为田间撒播作业以及水稻收获后紫云英出苗情况，整体出苗良好。

图12 田间撒播试验及作业效果

5 结论

(1)针对水稻收获前稻田和丘陵山区地带播种绿肥存在机具下田难，以及人工撒播劳动强度大的难题，基于农用多旋翼无人机平台，研制出方便与多品牌无人机组配的离心甩盘式绿肥种子撒播装置，可实现紫云英、二月兰等小粒绿肥种子高效、准确、均匀撒播。

(2)离心甩盘式绿肥种子撒播装置主要由挂接机构、种箱、排种机构、撒播机构以及撒播自动控制系统构成，控制系统可通过控制排种机构螺旋输送器转速来调整排种量，根据不同绿肥品种选定不同甩种盘转速，实现绿肥种子定量排种、均匀撒播。

(3)紫云英撒播试验结果表明，绿肥种子撒播装置排种机构螺旋输送器转速A、甩种盘转速B以及无人机飞行速度C对撒播均匀性变异系数Y1和单位面积撒种量误差Y2都有显著影响。影响撒播均匀性变异系数Y1的主次因素为B、A、C，最佳因素水平组合为A1B3C2；影响单位面积撒种量误差Y2主次因素为A、B、C，最佳因素水平组合为A2B2C2；通过模糊综合评价法得出相对最佳因素水平组合为A2B2C2，即A为190 r/min、B为1 700 r/min、C为 5 m/s 时，相应的撒播均匀性变异系数Y1为28.47%，单位面积撒种量误差Y2为11.81%。

(4)开展了田间验证试验，在飞行高度为2 m，在最优参数组合下，测得撒播均匀性变异系数均值为28.60%，与性能试验平均相对误差为3.64%；单位面积撒种量误差均值为12.03%，与性能试验平均相对误差为3.45%，后期田间出苗整齐。