0　引　言

中國幅員遼闊，不同地區(qū)地形地貌、種植習(xí)慣差異較大，對(duì)播種機(jī)具的設(shè)計(jì)要求也需要因地制宜[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國泥腳深、雨水多、排水不暢的冷浸田是低產(chǎn)田的主要類型之一[2]，目前約占低產(chǎn)稻田面積的44.2%，占全國稻田面積的15.07%[3]；此外，沿海灘涂總面積達(dá)220萬hm2[4]；沼澤面積約1 100萬hm2[5]。上述區(qū)域是潛在的耕地資源[6]，但地面機(jī)械難以進(jìn)入進(jìn)行正常作業(yè)[7]。此外，在丘陵地區(qū)，由于地塊面積小、高差大，大型地面播種機(jī)械難以行走，主要依靠小型播種機(jī)作業(yè)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力[8]。

無人直升機(jī)體型小，操控靈活，可以實(shí)現(xiàn)航跡規(guī)劃和自動(dòng)導(dǎo)航飛行[9]，不需要專用機(jī)場，可在田頭靈活起降[10]，不受地形地貌的限制，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境[11]，能在地面機(jī)械和有人駕駛飛機(jī)難以企及的場所進(jìn)行作業(yè)[12]。因此，利用無人直升機(jī)進(jìn)行撒播可有效解決部分地區(qū)的機(jī)械化問題。

國內(nèi)外已有采用無人直升機(jī)進(jìn)行種子、肥料撒播的研究報(bào)道[13]，國內(nèi)珠海羽人、深圳高科新農(nóng)等企業(yè)已開發(fā)出撒播無人直升機(jī)[14]，證明了無人直升機(jī)撒播的可行性和實(shí)用性。但目前用于無人機(jī)掛載的撒播裝置通常為離心圓盤式，該方式主要從地面播撒機(jī)械借鑒而來[15]，在無人機(jī)上掛載使用存在以下不足之處：離心撒播的落種區(qū)為圓弧形，相鄰的 2個(gè)落種區(qū)之間很容易產(chǎn)生重播和漏播，均勻性不好[16]，且在作業(yè)幅寬方向上的調(diào)控比較困難，通常只適合用于施肥、飛播造林和飛播牧草等均勻度要求不高的粗播領(lǐng)域[17]。隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無人直升機(jī)的載荷能力和續(xù)航時(shí)間有了很大的提高，目前裝載量可達(dá)20 kg以上，作業(yè)時(shí)間也由原來的10 min左右提升至20 min以上（部分機(jī)型甚至更長），無人直升機(jī)撒播能夠作為地面機(jī)械和有人駕駛飛機(jī)作業(yè)的有效補(bǔ)充，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

為了探究適合無人機(jī)作業(yè)的撒播方式和撒播裝置，改善無人機(jī)撒播作業(yè)的效果，以有效解決部分地區(qū)的種植機(jī)械化問題，本文擬提出一種較適合無人機(jī)高速撒播作業(yè)且均勻性較好的氣力式撒播裝置的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其關(guān)鍵部件進(jìn)行仿真和樣機(jī)測試驗(yàn)證，對(duì)影響撒播幅寬和均勻度的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析和優(yōu)化，以期為樣機(jī)優(yōu)化制造提供參考。

1　氣力式無人機(jī)撒播裝置的工作原理

撒播裝置的工作原理如圖 1所示，氣力式撒播裝置主要由風(fēng)機(jī)、分流箱、排種槽輪和導(dǎo)流通道組成。工作時(shí)，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的高速氣流經(jīng)由入風(fēng)口將落種口的種子顆粒吹入獨(dú)立分開的導(dǎo)流通道，二者充分混合后，由氣固混合出口排出。該裝置主要利用排種槽輪調(diào)控種子顆粒的排量，利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的高速氣流吹送種子顆粒，種子顆粒的撒播量和運(yùn)動(dòng)軌跡有較強(qiáng)的可控性。

圖1　氣力式水稻撒播裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of pneumatic rice sowing device

作業(yè)中，撒播裝置與無人機(jī)采用如下方式進(jìn)行配合：根據(jù)無人機(jī)前進(jìn)的速度和高度實(shí)時(shí)調(diào)整排種輪的轉(zhuǎn)速和風(fēng)機(jī)的風(fēng)速，以此調(diào)整種子顆粒的畝撒播量和撒播幅寬，從而控制該航線上的撒播均勻性和幅寬的穩(wěn)定性。為方便描述，便于進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)選，后文的仿真分析及樣機(jī)測試均以稻種作為撒播作業(yè)對(duì)象。

2　氣力式無人機(jī)撒播裝置關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與仿真

2.1　無人機(jī)平臺(tái)

2.1.1無人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)

搭載該撒播裝置的無人機(jī)為六旋翼無人機(jī)（廣州天翔航空科技有限公司），最大任務(wù)載荷為 19 kg，機(jī)體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　無人機(jī)平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of unmanned aerial vehicle platform

2.1.2無人機(jī)風(fēng)場仿真分析

無人機(jī)作業(yè)中下旋風(fēng)場的分布對(duì)種子顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡有較顯著的影響，為了獲得撒播裝置的較優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)及安裝位置，對(duì)該機(jī)型的下旋風(fēng)場進(jìn)行模擬仿真。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型[17]，假設(shè)流體是不可壓縮的連續(xù)體[18]。該多旋翼無人機(jī)的 6個(gè)旋翼電機(jī)沿機(jī)身圓周對(duì)稱分布。無人機(jī)機(jī)懸停時(shí)風(fēng)場穩(wěn)定，可采用 Ansys流體分析中的 3D風(fēng)扇模型[19]計(jì)算方法將計(jì)算域分為靜止域和流動(dòng)域：將高速旋轉(zhuǎn)的單個(gè)螺旋槳所在的極小的范圍設(shè)置為圓柱型流動(dòng)域（圓柱半徑設(shè)置為螺旋槳葉片的半徑，即30 cm，厚度為葉片的空間高度，無限接近于零），如圖3a 中A所示。將螺旋槳以外的計(jì)算域設(shè)置為圓柱型靜止域（圓柱半徑為1.5 m，高度為3.6 m）[20]，如圖3a 中B所示（在圖3a所示仿真模型中，圓柱型靜止域中小圓柱所在的上表面圓心設(shè)置為空間坐標(biāo)軸的原點(diǎn)，豎直向下為Z軸正方向）。單個(gè)旋翼電機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)置為2 960 r/min，螺旋槳葉片上下表面的實(shí)測壓差為150 Pa。

由仿真結(jié)果知，懸停狀態(tài)下，多旋翼無人機(jī)的風(fēng)場對(duì)稱分布，在機(jī)身下方，各旋翼產(chǎn)生的氣流螺旋向下。從圖3c～圖3g不同水平面上的氣流分布情況可知，旋翼產(chǎn)生的氣流擾動(dòng)區(qū)域隨著與機(jī)身底部的距離增大而擴(kuò)大，同時(shí)風(fēng)力強(qiáng)度逐漸衰弱，距離增大到約1 m時(shí)，不同旋翼下的氣流擾動(dòng)區(qū)域出現(xiàn)交叉，逐漸擴(kuò)大。上述規(guī)律表明，若稻種離開撒播裝置出口后進(jìn)入旋翼風(fēng)場氣流擾動(dòng)區(qū)域，其運(yùn)動(dòng)軌跡主要受旋翼風(fēng)場影響，在區(qū)域內(nèi)逐漸散開，能獲得較大的幅寬；當(dāng)?shù)痉N逃離旋翼風(fēng)場氣流擾動(dòng)區(qū)域后，其運(yùn)動(dòng)軌跡主要由逃離時(shí)最后時(shí)刻的初速度和方向決定，做自由落體運(yùn)動(dòng)后落入泥面。換言之，若無人機(jī)相對(duì)地面的飛行高度小于其旋翼風(fēng)場衰減的距離，則撒播幅寬主要受旋翼風(fēng)場影響。

圖 4為在2個(gè)特殊平面上的風(fēng)速分布情況，如圖4中箭頭所示，在各旋翼氣流柱周圍產(chǎn)生一定的低壓區(qū)，吸引機(jī)身下方的中心區(qū)域和周邊區(qū)域的氣流向其靠近。在機(jī)身底部及2個(gè)旋翼之間所形成區(qū)域的氣流擾動(dòng)較少，適合將撒播裝置的出口安裝于該區(qū)域內(nèi)。由圖4a可知，旋翼下方的風(fēng)速較大，氣壓較低，吸引周圍的氣流，由圖4b可知旋翼之間的區(qū)域風(fēng)速較小，氣流被迫趨于旋翼正下方，且在一定范圍內(nèi)，風(fēng)場風(fēng)速隨著離地高度的減小而增大。

2.2　分流箱的設(shè)計(jì)

撒播裝置的外部氣流由涵道風(fēng)機(jī)（群汐QX90-80A，威海齊飛模型科技有限公司）提供。為了將涵道風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的高速氣流進(jìn)行整流，以獲得較均勻的平行氣流用于后續(xù)物料的輸送，設(shè)計(jì)了分流箱，入口處連接涵道風(fēng)機(jī)。

根據(jù)流體力學(xué)相關(guān)理論[21]，相同時(shí)間內(nèi)，氣流通過密閉容器 2個(gè)截面的流量相等，分流箱出風(fēng)口的風(fēng)速值與出風(fēng)口直徑之間的關(guān)系可用式（1）表示。

式中va為涵道風(fēng)機(jī)的出口風(fēng)速，m/s；vb為分流箱的氣流出口風(fēng)速，m/s；Da為分流箱氣流入口直徑，mm；Db為氣流出口的直徑，mm。由式（1）可知，截面處的氣體流速與截面面積成反比。

圖3　整體旋翼風(fēng)場仿真Fig.3　Simulation of overall rotor wind field

圖4　特殊平面上旋翼風(fēng)場仿真Fig.4 Simulation of rotor wind field of special planes

水稻顆粒質(zhì)量輕，且相互之間的摩擦力較大。為了形成較大的撒播幅寬，需要為稻種提供較大的初始速度，即需要較大的氣流出口速度，但隨著氣流出口速度增加，風(fēng)阻及能量消耗也會(huì)增加。為了得到最佳的氣流出口參數(shù)，設(shè)置了 6組氣流出口直徑，通過理論計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證的方法，得出了氣流出口直徑與氣流出口速度的關(guān)系，如表1所示。

表1　氣流出口直徑與氣流出口的風(fēng)速關(guān)系Table 1　Relationship between diameters and wind velocity of air-flow outlets

由公式（1）可知，當(dāng)分流箱氣流出口直徑較小時(shí)，風(fēng)速值較大，這與理論值一致。但是理論值與實(shí)測值之間存在較大差異，主要是因?yàn)殡S著氣流入口與出口截面間差距的增加，氣流箱中紊流度增加，氣流阻力加大，能量損失較嚴(yán)重[22]。而隨著氣流出口截面積的增大，實(shí)測值與理論值趨于一致。根據(jù)試驗(yàn)用稻種的物理特性選擇吹送稻種的氣流初始速度最小為10 m/s效果較好[23]。通過試驗(yàn)測試，折中考慮氣流出口風(fēng)速與能量損失情況，氣流出口直徑范圍在 30～35 mm之間較好，確定為φ32 mm，6個(gè)氣流出口的實(shí)際風(fēng)速均值為9 m/s，變異系數(shù)為7.08%，表明各氣流出口速度間差異不顯著，較為均勻，基本滿足撒播要求。

2.3　導(dǎo)流通道的設(shè)計(jì)與仿真

導(dǎo)流通道連接在分流箱的氣流出口處，是氣流與水稻種子混合的通道，該通道的設(shè)計(jì)既要考慮無人機(jī)機(jī)身底部空間，又要使水稻顆粒飛離時(shí)有較佳的初始速度以便形成較佳的幅寬[24-25]。

2.3.1種子在導(dǎo)流通道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)分析

如圖 5所示，由落種口落下的稻種在導(dǎo)流通道入風(fēng)口處高速氣流作用下獲得較高的速度，后經(jīng)錐形通道分散開來，沿不同的方向拋撒。在通道內(nèi)的氣固兩相流中，稻種間的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)可分解為與其他顆粒的碰撞過程及在流體中的懸浮過程[26]，在稀相氣固兩相流中[27]，氣流與稻種的作用力遠(yuǎn)大于稻種之間的作用力，所以忽略稻種之間的相互碰撞。

圖5　種子在導(dǎo)流通道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.5 Motion trajectory of seed particle in diversion channel

下面分析單個(gè)稻種在水平氣流中的運(yùn)動(dòng)，假設(shè)稻種與氣流之間無熱量傳遞，可將氣流對(duì)稻種的作用力分解為與氣流方向相同的氣動(dòng)力 Pv和與相對(duì)速度 v垂直的升力Pr，分別位于法向量n的兩側(cè)，則氣流的作用力表示為[28]

式中Pv, Pr為稻種所受的氣流作用力，N；ρ為空氣密度，kg/m3；v為種子顆粒與氣流的相對(duì)速度，m/s；d，L為稻種的長徑，cm；Cv為氣動(dòng)力系數(shù)，Cr為升力系數(shù)[29]。

故種子顆粒在通道內(nèi)受重力和氣流作用力，在豎直和水平方向上有

式中m為種子顆粒的質(zhì)量，g；g為重力加速度，m/s2；t為種子顆粒下落的時(shí)間，s；v1為種子顆粒豎直方向上的速度，在落種口處為 0，m/s；v2為種子顆粒水平方向上的速度，初始值為0，最大值為氣流速度v，m/s。

由于稻種的雷諾數(shù)符合牛頓定律，在空氣中的懸浮速度和阻力系數(shù)接近常量[30]，氣流作用力用上述公式表示不會(huì)產(chǎn)生很大誤差。因氣流速度較高且通道空間有限，水稻顆粒運(yùn)動(dòng)到導(dǎo)流通道出口的過程中可能會(huì)觸碰且沿底面運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致飛離導(dǎo)流通道的種子顆粒的速度會(huì)在一個(gè)范圍內(nèi)，從而形成具有一定寬度的落種區(qū)，即導(dǎo)流通道的長度及形狀也會(huì)對(duì)顆粒的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響。在錐形通道內(nèi)設(shè)計(jì)一段直線通道，便于顆粒與氣流充分混合，較短的時(shí)間內(nèi)獲得較大的速度[31]。

2.3.2導(dǎo)流通道內(nèi)氣流分布的仿真模擬

不同錐角的導(dǎo)流通道內(nèi)部的氣流分布不同，對(duì)稻種的引導(dǎo)作用也不同。為了優(yōu)選出氣流阻力最小的錐角，設(shè)計(jì)了 4 種不同錐角（錐角分別為 90°，110°，130°和 150°）的導(dǎo)流通道，選取最外側(cè)的通道，通過仿真模擬分析通道內(nèi)部氣流速度的分布情況。設(shè)置初始條件為：導(dǎo)流通道入口處氣流速度為10 m/s，出口氣壓為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，其余為常態(tài)。

速度仿真結(jié)果如圖 6所示，速度以流跡線的形式表示，圖6a與圖6b所示出口處的速度分布集中在截面兩側(cè)，中間部分幾乎沒有速度流跡線，圖6c與圖6d所示出口處的速度流跡線分布均勻，且隨著錐角增大，出口處的氣流速度有所減小。

水稻在通道內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，較好的流通性和均勻性能夠促進(jìn)良好的撒播效果，從速度流跡線來看，錐角越大越均勻，但錐角為 150°時(shí)，通道內(nèi)的最小截面較小，嚴(yán)重阻礙水稻顆粒的流動(dòng)，降低流通性。由圖 6仿真結(jié)果知130°是較佳的折中選擇，是否能滿足實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)撒播幅寬和撒播均勻性的要求，還需要進(jìn)一步進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.4　撒播裝置的集成控制

撒播裝置包括機(jī)上執(zhí)行機(jī)構(gòu)和手持地面控制模塊兩部分，二者通過2.4 G全向高增益天線進(jìn)行無線通信。通過手持地面控制模塊與無人機(jī)上執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的通信實(shí)現(xiàn)撒播作業(yè)的控制。其控制主要包括以下流程：

1）作業(yè)前的參數(shù)標(biāo)定：作業(yè)前需根據(jù)不同品種種子顆粒的物理特性對(duì)排種槽輪轉(zhuǎn)速與排量之間的關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定，不同的轉(zhuǎn)速值對(duì)應(yīng)不同的排量，將標(biāo)定值存儲(chǔ)在機(jī)上執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制器中，作業(yè)時(shí)可根據(jù)不同種類的種子顆粒撒播量的要求調(diào)整排種槽輪的轉(zhuǎn)速。

2）作業(yè)中的排量控制：在實(shí)際作業(yè)中，控制器接收無人機(jī)前進(jìn)速度的反饋信號(hào)，根據(jù)無人機(jī)前進(jìn)速度實(shí)時(shí)調(diào)整排種槽輪的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)排種量的自適應(yīng)調(diào)整，保證撒播的均勻性；此外，還根據(jù)無人機(jī)距離地面的高度控制風(fēng)機(jī)風(fēng)速，期望以此來調(diào)節(jié)撒播幅寬，降低重播、漏播的風(fēng)險(xiǎn)。具體實(shí)施過程如圖7所示。

圖6　導(dǎo)流通道不同錐角的速度仿真圖Fig.6　Simulation of velocity at different cone angles of diversion channel

圖7　無人機(jī)水稻撒播裝置控制過程Fig.7　Control process of UAV rice sowing device

2.5　稻種在旋翼風(fēng)場下的運(yùn)動(dòng)分析

利用無人機(jī)進(jìn)行田間播撒作業(yè)時(shí)，旋翼風(fēng)場將對(duì)稻種的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)產(chǎn)生一定的影響。根據(jù)前文對(duì)旋翼風(fēng)場和導(dǎo)流通道錐角的仿真分析，錐角 130°時(shí)撒播效果較佳，因此選用該參數(shù)對(duì)稻種在旋翼風(fēng)場下的運(yùn)動(dòng)做進(jìn)一步分析研究。

考慮到無人機(jī)平臺(tái)的安裝空間有限，仿真是假定撒播裝置安裝在多旋翼無人機(jī)機(jī)身下方。如圖 8所示，從130°錐角的導(dǎo)流通道內(nèi)吹出的稻種的速度為V，速度流線1~5是可能的典型軌跡。由于水稻顆粒較輕，在旋翼風(fēng)場中主要受到重力G、旋翼氣流和風(fēng)機(jī)氣流的作用力F1和F2影 響。在螺旋氣流柱附近，以旋翼氣流的作用力 F1為主，水稻顆粒加速下降，在導(dǎo)流通道出風(fēng)口附近，以風(fēng)機(jī)氣流的作用力F2為主，水稻顆粒水平運(yùn)動(dòng)較快，一旦水稻顆粒遠(yuǎn)離風(fēng)場，進(jìn)入自由落體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)其影響以空氣阻力為主，在空中的懸浮速度變化不大。但由于撒播作業(yè)高度較低，稻種主要還是在風(fēng)場區(qū)域運(yùn)動(dòng)。如軌跡1，運(yùn)動(dòng)到在低壓區(qū)受到吸引向高速氣流靠近，軌跡2和軌跡3的F2較大，逃離風(fēng)場后水平運(yùn)動(dòng)距離增大，有利于幅寬和均勻性，軌跡4和軌跡5遇到較強(qiáng)的旋翼氣流，F(xiàn)1迅速增大，稻種加速下落。

圖8　130°錐角方向平面內(nèi)的顆粒運(yùn)動(dòng)仿真分析Fig.8　Particle motion simulation in plane with 130° of cone angle

撒播裝置的出口設(shè)置在 6個(gè)多旋翼的中心區(qū)域，越接近螺旋氣流柱的顆粒受到的影響越大。稻種若要逃離旋翼風(fēng)場形成的氣流柱區(qū)域，從導(dǎo)流通道出口處獲得的初始速度 V必須足夠大。因此，播撒幅寬將受到旋翼風(fēng)場和播撒裝置風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生氣流的雙重影響，當(dāng)無人機(jī)相對(duì)地面的飛行高度小于其旋翼風(fēng)場衰減的距離時(shí)，撒播幅寬主要由旋翼風(fēng)場決定，其影響規(guī)律較復(fù)雜，需要進(jìn)一步試驗(yàn)確定。

3　樣機(jī)測試試驗(yàn)

有效撒播幅寬和撒播均勻性是撒播作業(yè)的重要指標(biāo)，為了探究撒播幅寬和撒播均勻性的影響因素，根據(jù)前述仿真分析的結(jié)果，制作了樣機(jī)用于測試驗(yàn)證試驗(yàn)，分析導(dǎo)流通道的錐角和作業(yè)高度對(duì)撒播效果的影響并進(jìn)行作業(yè)參數(shù)優(yōu)選。

3.1　撒播作業(yè)效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)及測量方法

1）有效撒播幅寬：田間撒播作業(yè)通常是往返式，需要將落種區(qū)域末端接合重疊才能實(shí)現(xiàn)整體均勻，確定實(shí)際的撒播幅寬。因此，有效撒播幅寬的邊界線定義為距離撒播區(qū)域中心線兩側(cè)撒播量為目標(biāo)撒播量一半時(shí)的位置[32]。本文所用的稻種界定有效幅寬時(shí)的目標(biāo)撒播量為180 粒/m2。

有效撒播幅寬測量方法：沿幅寬方向（垂直于無人機(jī)前進(jìn)方向）上的同一采集區(qū)測量 3次有效撒播幅寬，取平均值，重復(fù)3次。

2）撒播均勻性：均勻性反映稻種分布的離散情況，沿?zé)o人機(jī)前進(jìn)方向的均勻性用采集點(diǎn)處稻種數(shù)量的變異系數(shù)來評(píng)價(jià)。

撒播均勻性統(tǒng)計(jì)方法：沿幅寬方向上設(shè)置若干個(gè)采集區(qū)，每個(gè)采集區(qū)內(nèi)沿?zé)o人機(jī)前進(jìn)方向設(shè)置 3個(gè)采集點(diǎn)，統(tǒng)計(jì)每個(gè)采集點(diǎn)的稻種，取平均值，重復(fù) 3次。以下 2個(gè)測試試驗(yàn)的幅寬和均勻性的數(shù)據(jù)采集方法均如前所述。

3.2　試驗(yàn)場地及測試條件

3.2.1試驗(yàn)場地

試驗(yàn)場地為華南農(nóng)業(yè)大學(xué)岑村校內(nèi)農(nóng)場，測試場地長度約為40 m，兩頭設(shè)置加速緩沖區(qū)10 m，選取中段勻速飛行區(qū)域設(shè)置采樣區(qū)。采樣區(qū)的布置如圖 9所示，以無人機(jī)前進(jìn)方向航線為基準(zhǔn)總線，在前進(jìn)方向上間隔設(shè)置 3行采集帶，在每行采集帶上，沿幅寬方向左右對(duì)稱間隔30 cm設(shè)置16個(gè)采集區(qū)（采集區(qū)面積370 cm2）。

圖9　采集點(diǎn)分布圖Fig.9 Distribution of collection points

3.2.2測試條件

為保證試驗(yàn)因素單一，試驗(yàn)稻種為黃華占，排量為2.25 kg/min。導(dǎo)流通道錐角的測試是基于臺(tái)架，作業(yè)高度的測試是基于圖10所示的六旋翼無人機(jī)撒播平臺(tái)（廣州天翔航空科技有限公司生產(chǎn)），由飛手結(jié)合GPS模式手動(dòng)控制航線高度及作業(yè)速度，前進(jìn)速度約為2 m/s，選擇無風(fēng)時(shí)進(jìn)行。

圖10　樣機(jī)實(shí)物圖Fig.10　Objective figure of prototype

3.3　導(dǎo)流通道的錐角對(duì)撒播作業(yè)效果的影響

前文已經(jīng)對(duì)導(dǎo)流通道的錐角進(jìn)行流體仿真，根據(jù)流速分布初步確定了較佳的錐角為 130°。為了進(jìn)一步驗(yàn)證導(dǎo)流通道的錐角與撒播幅寬和撒播均勻性的關(guān)系，通過臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)比了不同錐角下的撒播均勻性和有效撒播幅寬。

3.3.1錐角對(duì)撒播幅寬的影響

如圖11所示為4種不同錐角的導(dǎo)流通道實(shí)物，風(fēng)機(jī)出口風(fēng)速為9 m/s，測試高度為1 m，重復(fù)測量3次。為了模擬田間實(shí)際撒播的效果，盡量避免落地稻種彈跳影響測試精度，該試驗(yàn)的落種區(qū)鋪設(shè)了軟毛地毯，以接納落地的稻種。軟毛有一定的高度，緩沖效果很好，表明粗糙的帶殼水稻落于地毯上幾乎停留在原地，有效避免了二次彈跳。表2為不同錐角對(duì)應(yīng)的有效撒播幅寬。

圖11　4種不同錐角的導(dǎo)流通道Fig.11　4 kinds of diversion channels with different cone angles

表2　不同錐角對(duì)應(yīng)的有效撒播幅寬Table 2　Sowing widths in different cone angles

以錐角為自變量，以撒播幅寬的均值為因變量，對(duì)錐角和撒播幅寬進(jìn)行線性回歸分析，顯著性為 0.004，R2=0.999，錐角與撒播幅寬存在極強(qiáng)的線性相關(guān)性，關(guān)系式為

式中θ為導(dǎo)流通道的錐角，(°)；H為撒播的有效幅寬，m。

3.3.2錐角對(duì)撒播均勻性的影響

有效幅寬內(nèi)各采集點(diǎn)處的撒播顆粒的統(tǒng)計(jì)情況如圖12所示。對(duì)各組數(shù)據(jù)進(jìn)行差異性分析，結(jié)果如表3所示。

圖12　不同錐度的導(dǎo)流通道對(duì)撒播均勻性的影響Fig.12 Influence of different diversion channel cone angle on sowing uniformity

表3　不同錐角的撒播均勻性Table 3 Sowing distribution uniformity of different cone angles

從表 3可得，錐角不同的導(dǎo)流通道對(duì)撒播均勻性的有一定的影響，當(dāng)錐角達(dá)到150°時(shí)，變異系數(shù)明顯增大，這是因?yàn)椋紤]到裝置整體結(jié)構(gòu)及安裝問題，不同的通道之間的距離較大，從導(dǎo)流通道內(nèi)飛離的種子顆粒流之間的重疊搭接效果較差，落種區(qū)出現(xiàn)疏密相交的現(xiàn)象，導(dǎo)致整體均勻性下降，變異系數(shù)增大。根據(jù)仿真及實(shí)際測試的結(jié)果，優(yōu)選130°為導(dǎo)流通道的最佳錐角。

3.4　作業(yè)高度對(duì)撒播效果的影響

不同高度下的無人機(jī)下方風(fēng)場形成的氣流分布各不相同[33-34]，稻種從不同高度下落，在空中的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)所有影響程度也不相同。從前文仿真分析結(jié)果得知，無人機(jī)相對(duì)地面的飛行高度小于其旋翼風(fēng)場衰減的距離時(shí)，則撒播幅寬主要受旋翼風(fēng)場影響；當(dāng)?shù)痉N逃離旋翼風(fēng)場氣流擾動(dòng)區(qū)域后，其運(yùn)動(dòng)軌跡主要由逃離時(shí)最后時(shí)刻的初速度和方向決定，做自由落體運(yùn)動(dòng)后落入泥面。農(nóng)用無人機(jī)常見的作業(yè)高度試驗(yàn)范圍為1~3 m，為了探究無人機(jī)作業(yè)高度對(duì)撒播作業(yè)效果的影響，以高度為自變量，設(shè)置 5個(gè)高度梯度進(jìn)行測試試驗(yàn)，撒播裝置的導(dǎo)流通道錐角為130°，分流箱的出口風(fēng)速值約為9 m/s，飛機(jī)前進(jìn)速度、撒播量和氣象條件等其他條件均如前述3.2節(jié)所示。

3.4.1作業(yè)高度對(duì)有效撒播幅寬的影響

不同作業(yè)高度下的幅寬試驗(yàn)結(jié)果如表 4所示。為檢測作業(yè)高度是否對(duì)撒播幅寬有顯著影響，首先以作業(yè)高度為控制變量，撒播幅寬均值為觀測變量，對(duì)表 4中數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示相關(guān)性的顯著系數(shù)為0.359>0.05，因此，在1～2.8 m范圍內(nèi)的撒播高度與撒播幅寬沒有顯著相關(guān)性。分析原因?yàn)椋河汕拔目芍?，?dǎo)流通道的出口設(shè)置在幾個(gè)旋翼之間，且撒播幅寬與導(dǎo)流通道的錐角有很強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，該試驗(yàn)是在導(dǎo)流通道內(nèi)的風(fēng)速和導(dǎo)流通道的錐角均不變的情況下進(jìn)行的，水稻顆粒飛離撒播裝置后得到的初始速度的差別并不大。在試驗(yàn)高度范圍內(nèi)，當(dāng)高度小于2.8 m時(shí)，隨著離地高度的減小，旋翼氣流有所增大，尤其是旋翼正下方的區(qū)域，該處形成的低壓也會(huì)迫使旋翼之間的種子趨于旋翼正下方運(yùn)動(dòng)。種子下落過程中也會(huì)受到自然風(fēng)力作用，水平位移有限，但是相比于自然風(fēng)力的影響，種子受風(fēng)場內(nèi)旋翼氣流作用的時(shí)間較長，尤其是豎直向下的速度增大，被迫加速下落，而不會(huì)增大空中漂浮的時(shí)間，因此多數(shù)種子在此區(qū)域落地，幅寬增加不明顯。

表4　作業(yè)高度與撒播幅寬的關(guān)系Table 4　Relationship between height and sowing width

3.4.2作業(yè)高度對(duì)撒播均勻性的影響

不同的作業(yè)高度下，有效幅寬內(nèi)各采集點(diǎn)處的稻種分布情況如圖13所示。由圖13可知，不同高度下各曲線的趨勢基本一致，兩端采集點(diǎn)（編號(hào)1～3和14～16）處的顆粒數(shù)約為目標(biāo)量的一半，且各曲線的波動(dòng)情況沒有明顯的規(guī)律?？傮w來看，高度為100 cm時(shí)的有效幅寬最短，高度為200和270 cm時(shí)的有效幅寬最長。

圖13　各采集區(qū)水稻顆粒數(shù)均值曲線Fig.13　Average number of grain particles in collection areas

為了進(jìn)一步探究作業(yè)高度對(duì)撒播均勻性的關(guān)系，在有效幅寬內(nèi)選取采集區(qū)的稻種數(shù)均值進(jìn)行差異性分析，結(jié)果如表5所示。

對(duì)作業(yè)高度與變異系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明相關(guān)性的顯著系數(shù)為 0.197>0.05，二者沒有很強(qiáng)的相關(guān)性，主要因?yàn)榈痉N飛離撒播裝置時(shí)的初始水平速度相差較大，在旋翼風(fēng)場中的受力不同，豎直向下運(yùn)動(dòng)加快，部分水平速度較小顆粒較早扎堆落地，不利于稻種分散。因而在1~2.8 m范圍內(nèi)，作業(yè)高度對(duì)撒播均勻性并無太大影響?？紤]到作業(yè)高度較低（約1 m）時(shí)旋翼風(fēng)場會(huì)對(duì)水田表面產(chǎn)生影響，作業(yè)高度較高則會(huì)降低旋翼風(fēng)場的利用率，在實(shí)際作業(yè)中，綜合撒播幅寬和均勻性變異系數(shù)以及田間作業(yè)環(huán)境等因素，建議2 m作為該無人機(jī)平臺(tái)的適宜作業(yè)高度。

表5　各采集區(qū)顆粒均勻性分析Table 5　Uniformity analysis of particles in collection areas

4　結(jié)論與討論

本文設(shè)計(jì)了一種氣力式無人機(jī)撒播裝置，采用播量可調(diào)的外槽輪排種，以風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的高速氣流作為種子撒播的動(dòng)力，通過對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行仿真和試驗(yàn)測試，得出以下結(jié)論：

1）分流箱的氣流出口尺寸直接影響氣流出口速度，可根據(jù)需要的氣流速度設(shè)計(jì)合理的分流箱，經(jīng)仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，針對(duì)該試驗(yàn)中所用的涵道風(fēng)機(jī)選擇φ32 mm作為較佳的氣流出口直徑。

2）導(dǎo)流通道錐角與撒播幅寬之間存在極顯著的線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R2=0.999，顯著性為0.004；通過相關(guān)的仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)選130°為導(dǎo)流通道的錐角。

3）在農(nóng)用無人機(jī)常見的作業(yè)高度范圍（1～2.8 m）內(nèi)，在1～2.8 m的范圍內(nèi)，作業(yè)高度與撒播幅寬、作業(yè)高度與撒播均勻性的相關(guān)性均不顯著。因此，在該范圍內(nèi)，無人機(jī)進(jìn)行撒播作業(yè)時(shí)，可以不用考慮作業(yè)高度波動(dòng)對(duì)撒播幅寬和均勻性的影響。綜合考慮作業(yè)環(huán)境等因素，建議2 m作為該無人機(jī)平臺(tái)的適宜作業(yè)高度。

本文所設(shè)計(jì)的氣力式無人機(jī)撒播裝置可實(shí)現(xiàn)排量隨無人機(jī)前進(jìn)速度的變化而調(diào)節(jié)，提高了無人機(jī)撒播作業(yè)的均勻性。但是影響撒播均勻性的因素還有很多，這些因素的影響以及最佳參數(shù)的確定還有待進(jìn)一步研究。

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