何偉灼，劉 威，姜 銳，顧慶宇，黃俊浩，鄒帥帥，徐學(xué)浪，周志艷

·農(nóng)業(yè)裝備工程與機(jī)械化·

無人機(jī)點(diǎn)射式水稻播種裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

何偉灼，劉 威，姜 銳，顧慶宇，黃俊浩，鄒帥帥，徐學(xué)浪，周志艷※

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院/嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642；2. 廣東省農(nóng)業(yè)人工智能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642；3. 廣東省農(nóng)業(yè)航空應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，廣州 510642；4. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642）

針對(duì)當(dāng)前無人機(jī)水稻撒播難以成行成穴、落種易受旋翼風(fēng)場(chǎng)干擾和播種均勻性不佳等問題，該研究結(jié)合點(diǎn)射式水稻播種裝置和飛行控制器設(shè)計(jì)了一套播種控制系統(tǒng)，開發(fā)了配套的地面站功能，并制作了樣機(jī)?？刂葡到y(tǒng)基于PID算法實(shí)現(xiàn)排種器步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制，通過標(biāo)定模型對(duì)振動(dòng)電機(jī)激振力和摩擦輪電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，并根據(jù)狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)播種控制程序。以3倍丸粒化稻種為對(duì)象，從播種量準(zhǔn)確性、播種成行性和播種均勻性3個(gè)方面對(duì)樣機(jī)的播種性能進(jìn)行驗(yàn)證并優(yōu)選合適的播種參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明：無人機(jī)模擬飛行的播種量準(zhǔn)確性測(cè)試中，樣機(jī)以1.0～2.5 m/s的作業(yè)速度進(jìn)行播種時(shí)，播種量的平均相對(duì)誤差小于4%，控制系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力。實(shí)地飛播測(cè)試中，樣機(jī)以1.0和1.5 m的高度播種時(shí)，種子分布在12 cm種行寬度內(nèi)的平均概率超過80%，成行性較好?？紤]安全因素，優(yōu)選1.5 m為樣機(jī)的適宜作業(yè)高度。在作業(yè)高度為1.5 m，3倍丸?；痉N的播種量為90～150 kg/hm2（對(duì)應(yīng)裸種的播種量22.5～37.5 kg/hm2），作業(yè)速度為0.5～2.0 m/s時(shí)，播種均勻性變異系數(shù)為20.51%～35.52%。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)提升作業(yè)速度可提高播種均勻性。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，播種量的相對(duì)誤差分別為2.47%和4.12%，播種均勻性變異系數(shù)分別為22.17%和21.82%，種子破損率分別為0.34%和0.18%，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的水稻飛播精度控制要求。研究結(jié)果可為無人機(jī)水稻直播技術(shù)提供參考。

無人機(jī)；PID；水稻直播；點(diǎn)射播種；控制系統(tǒng)；狀態(tài)機(jī)

0 引 言

水稻機(jī)械化直播是一種高效輕簡(jiǎn)化栽培技術(shù)，不僅能夠穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)，還能減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，促進(jìn)節(jié)本增收，近年來得到了廣泛關(guān)注和推廣[1-2]。但對(duì)于高差大、深泥腳易陷車、形狀不規(guī)則的稻田，地面機(jī)械下田作業(yè)較困難[3-6]，而無人機(jī)具有較好的通過性，受地形地貌的影響較小，可靈活規(guī)劃航線和自主飛行[7-9]，且不破壞田埂，播種速度快。因此無人機(jī)播種正逐漸成為一種新的播種方式。

目前無人機(jī)播種以撒播作業(yè)為主，撒播裝置可分為離心式[10-12]和氣力式[13-14]兩種。相比人工撒播，無人機(jī)撒播的播種均勻性有所提高[15]，但存在以下不足：1）種子在下落過程中，容易受旋翼風(fēng)場(chǎng)的干擾，導(dǎo)致落種位置不可控，播種均勻性不佳；2）撒播難以達(dá)到成行成穴的播種效果，作物在后期生長(zhǎng)時(shí)通風(fēng)透氣性較差，易滋生病蟲害，且不便于田間管理；3）種子直播到稻田表面，容易被鳥類、鼠類取食或被雨水沖走，從而造成缺苗現(xiàn)象。

針對(duì)撒播落種雜亂無章的問題，黃小毛等[16]基于離心式排種器設(shè)計(jì)了油菜飛播裝置，以實(shí)現(xiàn)油菜條播作業(yè)。張青松等[17]基于槽輪式排種器設(shè)計(jì)了無人機(jī)油菜條播裝置，并開展了油菜條播試驗(yàn)。陳博[18]設(shè)計(jì)了一種用于無人機(jī)條播的機(jī)載吹射式種子精量直播裝置，作業(yè)時(shí)利用風(fēng)機(jī)氣流將種子吹出，實(shí)現(xiàn)成行落種。上述方式對(duì)種子的加速能力有限，為減少旋翼風(fēng)場(chǎng)的干擾以保證條播效果，作業(yè)時(shí)播種裝置的出種口需靠近地面（通常為0.5 m以內(nèi)），存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

丁素明等[19]設(shè)計(jì)了一種農(nóng)用無人機(jī)條播裝置，該裝置工作時(shí)利用電磁鐵、彈簧和永磁體來構(gòu)成彈性勢(shì)能積累和釋放的循環(huán)系統(tǒng)，從而通過彈力將種子彈出，達(dá)到種子加速的效果。該裝置雖然能提高種子的下落初速度，但加速能力仍然有限，種子下落時(shí)仍易受旋翼風(fēng)場(chǎng)等外部風(fēng)力的干擾，且裝置的運(yùn)作方式復(fù)雜，播種速度易受限制。

為了解決上述問題，周志艷等[20]發(fā)明了一種點(diǎn)射式水稻播種裝置，本文擬在該裝置的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)配套的播種控制系統(tǒng)，并通過試驗(yàn)探討該裝置合適的播種作業(yè)參數(shù)，以提高播種的準(zhǔn)確性和均勻性，為無人機(jī)水稻直播技術(shù)的研究提供參考。

1 點(diǎn)射式水稻播種無人機(jī)結(jié)構(gòu)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

點(diǎn)射式水稻播種無人機(jī)如圖1所示。整機(jī)主要由機(jī)架、排種器、分種器、5個(gè)點(diǎn)射式播種模塊、角度調(diào)節(jié)裝置、導(dǎo)向管、步進(jìn)電機(jī)、質(zhì)量傳感器和種箱組成。種箱通過左右兩側(cè)的質(zhì)量傳感器與機(jī)架固接，質(zhì)量傳感器用于實(shí)時(shí)稱量種箱的質(zhì)量，以監(jiān)測(cè)種子余量信息。排種器的排種輪為槽輪式，排種輪與步進(jìn)電機(jī)相連。排種器安裝于種箱的底部，用于將種箱的種子排到下方的分種器。分種器的出口與5個(gè)點(diǎn)射式播種模塊相連。導(dǎo)向管安裝于點(diǎn)射式播種模塊的出口，用于種子的導(dǎo)流和導(dǎo)向。角度調(diào)節(jié)裝置用于調(diào)節(jié)導(dǎo)向管之間的間距，進(jìn)而改變播種角度和播種行距。整機(jī)的有效載荷約為20 kg。

1.機(jī)架 2.排種器 3.分種器 4.點(diǎn)射式播種模塊 5.角度調(diào)節(jié)裝置 6.導(dǎo)向管 7.步進(jìn)電機(jī) 8.質(zhì)量傳感器 9.種箱

1.2 點(diǎn)射式水稻播種裝置

相關(guān)研究[21-22]指出，丸粒化后的水稻種子體積和質(zhì)量明顯增加，表面強(qiáng)度得到提升，形狀更規(guī)則，利于機(jī)械化播種。本研究的水稻種子采用3倍丸?；幚?，以提升點(diǎn)射式水稻播種裝置的播種性能。

播種前，通過角度調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)5根導(dǎo)向管之間的間距，以改變播種行距。導(dǎo)向管的間距由作業(yè)高度和播種行距決定，如圖2所示。

根據(jù)圖2有：

式中1、4、5為固定參數(shù)，由機(jī)架及各部件的安裝位置確定，分別為4.8、21.0和8.7 cm?；?jiǎn)后，導(dǎo)向管間距為

點(diǎn)射式水稻播種裝置的結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中，錐筒和振動(dòng)電機(jī)組成稻種單粒排隊(duì)機(jī)構(gòu)，拉伸彈簧、活動(dòng)電機(jī)座和摩擦輪電機(jī)組成稻種加速機(jī)構(gòu)。工作時(shí)，排種輪按目標(biāo)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，將種子帶入分種器，分種器將種子分流到5個(gè)點(diǎn)射式播種模塊。進(jìn)入點(diǎn)射式播種模塊的種子，首先匯聚在錐筒中，在振動(dòng)電機(jī)激振力和錐筒下方開口限制的共同作用下，種子進(jìn)行單粒排隊(duì)后進(jìn)入摩擦輪間隙中進(jìn)行加速。受到2個(gè)摩擦輪的加速作用，種子下落速度得到較大的提升。而在摩擦輪對(duì)種子加速的過程中，由于拉伸彈簧和活動(dòng)電機(jī)座的設(shè)置，2個(gè)摩擦輪的間隙能夠根據(jù)種子的大小自適應(yīng)調(diào)節(jié)，可有效降低丸粒化稻種的破損率。最后被加速的種子在導(dǎo)向管的導(dǎo)向作用下逐粒高速射向泥面，且具有一定的入泥深度。

注：d1為分種器相鄰出口距離，cm；d2為間距調(diào)節(jié)的中間變量，cm；d3為相鄰導(dǎo)向管間距，cm；d4為分種器出口與角度調(diào)節(jié)裝置的距離，cm；d5為角度調(diào)節(jié)裝置與無人機(jī)最底部的距離，cm；H為作業(yè)高度，cm；L為播種行距，cm。

1.排種器 2.排種輪 3.丸粒化水稻種子 4.分種器 5.錐筒 6.拉伸彈簧 7.摩擦輪電機(jī) 8.導(dǎo)向管 9.活動(dòng)電機(jī)座 10.振動(dòng)電機(jī)

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體構(gòu)成

點(diǎn)射式水稻播種裝置中包含排種器步進(jìn)電機(jī)、稻種單粒排隊(duì)機(jī)構(gòu)振動(dòng)電機(jī)和稻種加速機(jī)構(gòu)摩擦輪電機(jī)，控制系統(tǒng)需對(duì)這3種電機(jī)進(jìn)行精確控制。為了提高播種控制系統(tǒng)和飛行控制器的耦合度，達(dá)到更好的控制效果，控制系統(tǒng)基于飛行控制器（DJI A3 flight controller，深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司）進(jìn)行二次開發(fā)，如圖4所示，播種控制板實(shí)現(xiàn)飛行控制器通訊、播種量實(shí)時(shí)控制、電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和播種狀態(tài)轉(zhuǎn)換等任務(wù)。

圖4 控制系統(tǒng)總體構(gòu)成

控制系統(tǒng)的工作流程為：作業(yè)前，在無人機(jī)地面站中規(guī)劃航線和設(shè)定播種參數(shù)，并上傳到飛行控制器和播種控制板。作業(yè)時(shí)，無人機(jī)自主飛行進(jìn)入播種區(qū)域，播種控制板通過飛行控制器提供的Onboard SDK接口訂閱無人機(jī)的實(shí)時(shí)經(jīng)緯度坐標(biāo)、速度、高度和航點(diǎn)狀態(tài)等信息，并根據(jù)播種參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)各個(gè)電機(jī)控制板的輸出，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)以不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)播種的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。在播種過程中，實(shí)時(shí)播種量、電機(jī)狀態(tài)和種子余量等信息在地面站顯示。

2.2 排種器步進(jìn)電機(jī)控制

2.2.1 驅(qū)動(dòng)方案

選用42步進(jìn)電機(jī)（42HB60-403A，樂清市德軒電機(jī)有限公司）驅(qū)動(dòng)排種器排種輪，所選步進(jìn)電機(jī)的保持轉(zhuǎn)矩為0.9 N·m，額定電流為2.3 A，采用2顆TB64H450FNG（東芝）電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。

步進(jìn)電機(jī)的控制方式為閉環(huán)控制，采用位置式PID算法進(jìn)行速度控制，該算法的離散化公式為

式中K、K、K分別為PID控制器的比例、積分和微分系數(shù)，()為當(dāng)前時(shí)刻目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的誤差，(-1)為上一時(shí)刻目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的誤差，()為所有時(shí)刻的誤差積累和。最后采用試湊法對(duì)PID控制器的系數(shù)進(jìn)行整定，整定后K為0.035，K為0.007，K為0.005。

2.2.2 目標(biāo)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)

步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了播種裝置的排種速度，因此播種前需進(jìn)行校準(zhǔn)，電機(jī)轉(zhuǎn)速和排種速度的關(guān)系為

式中V為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；為排種速度，kg/min；該關(guān)系式一般為一元一次方程或一元二次方程。排種速度的計(jì)算公式為

式中為設(shè)定的播種量，kg/hm2；為播種裝置的播種行數(shù)；為播種行距，m；UAV為無人機(jī)飛行速度，m/s。實(shí)際播種時(shí)，播種量和作業(yè)幅寬為定值，播種控制程序以50 Hz的頻率對(duì)無人機(jī)速度采樣，并以25 Hz的頻率計(jì)算目標(biāo)排種速度，進(jìn)而得出目標(biāo)轉(zhuǎn)速，最后通過脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）信號(hào)將目標(biāo)轉(zhuǎn)速輸入到步進(jìn)電機(jī)控制板，實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

2.3 稻種單粒排隊(duì)機(jī)構(gòu)振動(dòng)電機(jī)控制

2.3.1 驅(qū)動(dòng)方案

稻種單粒排隊(duì)機(jī)構(gòu)中振動(dòng)電機(jī)為直流有刷電機(jī)（XFF-030，惠州市信力電機(jī)有限公司），其額定電壓為3 V，額定空載電流為0.3 A。L9110芯片（海天芯）具有兩通道輸出端，每通道可持續(xù)輸出0.8 A電流，滿足該電機(jī)的驅(qū)動(dòng)需求。

2.3.2 目標(biāo)激振力調(diào)節(jié)

激振力是衡量振動(dòng)電機(jī)動(dòng)力效應(yīng)的一個(gè)重要指標(biāo)，計(jì)算公式[23]為

式中為激振力，N；為偏心塊質(zhì)量，kg；為偏心塊的偏心距，m；為偏心塊的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad/s。經(jīng)測(cè)量和計(jì)算，所選振動(dòng)電機(jī)的偏心塊質(zhì)量為0.004 2 kg，偏心距為0.001 9 m。偏心塊的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度可由振動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速算得，因此通過控制振動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)激振力。

振動(dòng)電機(jī)控制板通過接收播種控制板的PWM信號(hào)來對(duì)電機(jī)調(diào)速，而PWM占空比與電機(jī)轉(zhuǎn)速一般為非線性關(guān)系，因此需進(jìn)行PWM占空比-轉(zhuǎn)速標(biāo)定。標(biāo)定時(shí)，PWM占空比的測(cè)定范圍為8%～100%（占空比低于8%時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，無法正常測(cè)量），每4個(gè)百分點(diǎn)作為1個(gè)水平，測(cè)量不同占空比對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速。電機(jī)的轉(zhuǎn)速用測(cè)速頻閃儀（SW-6500，廣州市速為電子科技有限公司）測(cè)量，PWM占空比-轉(zhuǎn)速的標(biāo)定結(jié)果如圖5a所示，PWM占空比-激振力的標(biāo)定結(jié)果如圖5b所示。

根據(jù)標(biāo)定結(jié)果，計(jì)算振動(dòng)電機(jī)在空載時(shí)的最大激振力約為0.7 N。前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，激振力越大，振動(dòng)錐筒的出種效果越好，因此后續(xù)試驗(yàn)設(shè)置振動(dòng)電機(jī)的激振力為0.7 N。

2.4 稻種加速機(jī)構(gòu)摩擦輪電機(jī)控制

摩擦輪電機(jī)選用直流無刷電機(jī)（DJI2008-KV1400，深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司），該電機(jī)的轉(zhuǎn)速可達(dá)15 000 r/min以上，采用3S/20 A電子調(diào)速器（DSHOT600，深圳市好盈科技有限公司）驅(qū)動(dòng)。

播種控制板輸出PWM信號(hào)到電子調(diào)速器，PWM信號(hào)的周期為20 ms，一個(gè)周期內(nèi)有效高電平脈寬范圍為1～2 ms，對(duì)應(yīng)占空比為0～100%。用測(cè)速頻閃儀測(cè)定不同控制量占空比對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，控制量占空比在0～15%時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速變化規(guī)律不明顯，在15%～100%時(shí)，占空比和轉(zhuǎn)速具有較高的線性關(guān)系。因此播種時(shí)占空比選擇15%～100%，對(duì)應(yīng)摩擦輪電機(jī)的調(diào)速范圍為2 460～15 817 r/min。

圖5 振動(dòng)電機(jī)標(biāo)定結(jié)果

圖6 摩擦輪電機(jī)轉(zhuǎn)速與占空比關(guān)系曲線

2.5 播種控制程序設(shè)計(jì)

樣機(jī)的播種流程基于狀態(tài)機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)，播種狀態(tài)遷移圖如圖7所示。播種控制程序通過Onboard SDK獲取飛行控制器的任務(wù)狀態(tài)、航點(diǎn)狀態(tài)、航點(diǎn)索引和飛行速度等信息，主要執(zhí)行流程如下：

1）當(dāng)無人機(jī)開始自動(dòng)航線任務(wù)時(shí)，觸發(fā)“航線開始”事件，此時(shí)依次啟動(dòng)摩擦輪電機(jī)和振動(dòng)電機(jī)。

2）當(dāng)無人機(jī)到達(dá)序號(hào)為奇數(shù)的航點(diǎn)時(shí)觸發(fā)“到達(dá)航點(diǎn)”事件，此時(shí)啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，開始播種；無人機(jī)在序號(hào)為偶數(shù)的航點(diǎn)處換行，觸發(fā)“正在換行”事件，此時(shí)關(guān)閉步進(jìn)電機(jī)，暫停播種。航點(diǎn)示意圖如圖8所示。

3）在作業(yè)過程中，若無人機(jī)的速度降到0.2 m/s以下并保持300 ms，則觸發(fā)“航線暫停”事件，此時(shí)關(guān)閉步進(jìn)電機(jī)，暫停播種，并記錄暫停點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)；若無人機(jī)終止航線任務(wù)，則觸發(fā)“任務(wù)終止”事件，依次關(guān)閉步進(jìn)電機(jī)、振動(dòng)電機(jī)和摩擦輪電機(jī)。

4）航線暫停后，若無人機(jī)繼續(xù)開始航線任務(wù)，并以0.2 m/s以上的速度飛行，則計(jì)算當(dāng)前點(diǎn)與暫停點(diǎn)的距離。當(dāng)距離小于0.5 m時(shí)，觸發(fā)“到達(dá)航點(diǎn)”事件，繼續(xù)播種，實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)續(xù)播。

5）無人機(jī)完成航線任務(wù)后，觸發(fā)“任務(wù)完成”事件，依次關(guān)閉步進(jìn)電機(jī)、振動(dòng)電機(jī)和摩擦輪電機(jī)，完成播種作業(yè)。

圖7 播種狀態(tài)遷移圖

注：1～12為航點(diǎn)序號(hào)。

2.6 地面站設(shè)計(jì)

地面站具有航線規(guī)劃和斷點(diǎn)續(xù)航等功能[24]，為實(shí)現(xiàn)點(diǎn)射播種控制，本文增加了播種量校準(zhǔn)、播種參數(shù)設(shè)置以及狀態(tài)信息顯示等功能。地面站功能基于Android Studio平臺(tái)結(jié)合飛行控制器的Mobile SDK進(jìn)行二次開發(fā)，采用Handler消息隊(duì)列和EventBus發(fā)布訂閱框架實(shí)現(xiàn)圖形用戶界面與線程的異步通信。

播種量校準(zhǔn)界面如圖9a所示，播種量校準(zhǔn)時(shí)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的校準(zhǔn)范圍為0～34 r/min（轉(zhuǎn)速為34 r/min左右時(shí)，達(dá)到了播種裝置對(duì)3倍丸?；痉N的極限吞吐量），轉(zhuǎn)速每增加2 r/min作為一個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，每個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)行20 s，記錄質(zhì)量的變化值，由此得出對(duì)應(yīng)排種速度。采用最小二乘法求出排種速度與電機(jī)轉(zhuǎn)速的一元二次方程，最后在地面站界面中顯示該方程的曲線。播種參數(shù)設(shè)置界面如圖9b所示，作業(yè)高度范圍0～3 m，播種行距范圍0～50 cm，速度范圍0～5 m/s，播種量范圍0～300 kg/hm2（3倍丸?；痉N的播種量），摩擦輪電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍2 460～15 817 r/min，振動(dòng)電機(jī)激振力范圍0～0.7 N。圖 9c為稻種余量信息及電機(jī)狀態(tài)顯示界面，稻種余量信息包括質(zhì)量和狀態(tài)2部分，當(dāng)質(zhì)量持續(xù)在0.5 kg以上時(shí)，狀態(tài)顯示“余量充足”，質(zhì)量持續(xù)在0.5 kg以下時(shí)，則顯示“余量不足”，以提醒無人機(jī)飛手及時(shí)添加種子。

圖9 地面站功能界面示意圖

3 樣機(jī)性能試驗(yàn)

為驗(yàn)證樣機(jī)的播種性能，優(yōu)選樣機(jī)播種作業(yè)參數(shù)，分別從播種量準(zhǔn)確性、播種成行性和播種均勻性3個(gè)方面進(jìn)行檢驗(yàn)。試驗(yàn)選擇豐田優(yōu)1 999（谷粒長(zhǎng)約9.7 mm，直播播種量一般為22.5～37.5 kg/hm2）作為播種對(duì)象，進(jìn)行3倍丸?；幚恚ㄍ枇；筚|(zhì)量是原來的4倍，后續(xù)試驗(yàn)所述的播種量均指3倍丸粒化稻種的播種量）。

3.1 播種量準(zhǔn)確性試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)方法與評(píng)價(jià)指標(biāo)

采用飛行控制器自帶的模擬飛行功能，進(jìn)行播種量準(zhǔn)確性的測(cè)試。播種量的準(zhǔn)確性主要由排種輪電機(jī)的控制精度決定，為了避免摩擦輪對(duì)丸?；痉N造成損壞，在試驗(yàn)前將點(diǎn)射式播種模塊和導(dǎo)向管拆除，試驗(yàn)如圖10所示。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：

1）在種箱中放入足量的丸?；痉N，并在分種器下方放置接料盒。采用地面站的校準(zhǔn)功能對(duì)該批次種子的播種量進(jìn)行校準(zhǔn)。

圖10 播種量準(zhǔn)確性試驗(yàn)

2）在地面站上規(guī)劃666.7 m2的播種區(qū)域，并設(shè)定播種參數(shù)：播種量為150 kg/hm2（對(duì)應(yīng)裸種的播種量為37.5 kg/hm2），播種行距為25 cm，飛行高度為1.5 m。

3）不同飛行速度對(duì)播種的準(zhǔn)確性有較大影響，以飛行速度為變量，設(shè)置4個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)，分別為1.0、1.5、2.0和2.5 m/s（播種量為150 kg/hm2，速度為2.5 m/s以上時(shí)，步進(jìn)電機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速在34 r/min以上，達(dá)到了播種裝置對(duì)3倍丸粒化稻種的極限吞吐量），共4組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)5次，每次試驗(yàn)后用電子秤（MAX-FS-30kg，深圳市無限量衡器有限公司）稱量接料盒，去皮得出單次試驗(yàn)實(shí)際的播種用量（kg），最后換算為播種量（kg/hm2）。

播種量準(zhǔn)確性的評(píng)價(jià)指標(biāo)為播種量的相對(duì)誤差，計(jì)算公式為

式中Q為實(shí)際播種量，kg/hm2；Q為目標(biāo)播種量，kg/hm2；為播種量相對(duì)誤差，%。

3.1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，隨著無人機(jī)速度的增加，實(shí)際播種量變小，誤差逐漸增大，原因可能是無人機(jī)在換行過程中速度產(chǎn)生劇烈變化，而控制系統(tǒng)的響應(yīng)存在延遲，造成實(shí)際播種量偏小。在所選作業(yè)速度范圍內(nèi)，單次試驗(yàn)的播種量相對(duì)誤差較小，每組試驗(yàn)的平均相對(duì)誤差均小于4%，表明樣機(jī)在理想條件下以1.0～2.5 m/s的速度進(jìn)行播種，播種量準(zhǔn)確性較好，也證明了控制系統(tǒng)具有較好的控制精度和動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力。

3.2 播種成行性試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)方法與評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了保證樣機(jī)飛行的穩(wěn)定性和減少外界因素對(duì)樣機(jī)播種效果的影響，試驗(yàn)在自然風(fēng)風(fēng)速≤3 m/s、天氣晴朗的情況下進(jìn)行，如圖11a所示，試驗(yàn)前，在地面鋪設(shè)2 m×7 m的平整、松軟泥面作為采樣區(qū)域（種子落地不反彈），接著在地面站上規(guī)劃航線和設(shè)置播種參數(shù)，使樣機(jī)能夠在采樣區(qū)域上方直線飛行和播種。樣機(jī)按照預(yù)設(shè)的播種參數(shù)進(jìn)行5行播種后，采用如圖11b所示250 mm×500 mm的采樣框確定落種區(qū)域并拍照，每行連續(xù)采集14個(gè)點(diǎn)（采樣長(zhǎng)度為7 m）。

為了更準(zhǔn)確地分析種子的分布情況，對(duì)采樣圖片進(jìn)行圖像識(shí)別，導(dǎo)出種子的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，最后對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行變換和整理，得到整體的種子分布坐標(biāo)圖，進(jìn)而分析播種的成行性。

表1 3倍丸粒化稻種播種量準(zhǔn)確性試驗(yàn)結(jié)果

圖11 播種成行性試驗(yàn)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：

1）播種參數(shù)設(shè)置為：播種量為150 kg/hm2（對(duì)應(yīng)裸種的播種量37.5 kg/hm2），速度為2.0 m/s，振動(dòng)電機(jī)激振力為0.7 N，摩擦輪轉(zhuǎn)速為8 000 r/min（此轉(zhuǎn)速下種子入泥深度為2～10 mm左右），播種行距為30 cm。

2）不同作業(yè)高度對(duì)播種的成行性影響較大，以作業(yè)高度作為變量，設(shè)置3個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)，分別為1.0、1.5和2.0 m，根據(jù)式（2），3個(gè)作業(yè)高度時(shí)對(duì)應(yīng)的導(dǎo)向管間距應(yīng)調(diào)整為8.9、7.7和7.1 cm，以實(shí)現(xiàn)播種行距為30 cm。

播種成行性的評(píng)價(jià)方法如下：

以500 mm為一段劃分每行種子，在每段的種子坐標(biāo)中采用最小二乘法擬合一條一元線性回歸曲線0，以該曲線為每段種子的成行參考直線。通過計(jì)算每個(gè)種子到參考直線的距離，得到種子的位置偏差，計(jì)算方法為

式中、、為一元線性回歸曲線的系數(shù)；x為第個(gè)種子的橫坐標(biāo)；y為第個(gè)種子的縱坐標(biāo)；D為第個(gè)種子到參考直線的距離（種子的位置偏差），m。每行種子的播種寬度（以下稱“種行寬度”）可由種子的位置偏差數(shù)據(jù)確定，最后以種子分布在5～15 cm種行寬度的概率來評(píng)價(jià)成行效果的好壞。概率反應(yīng)種子的集中度，在某個(gè)行寬度的概率越大，表明種子在該種行寬度內(nèi)集中度越好，該種行寬度越小，表明播種的成行性越好。

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同作業(yè)高度下，落種分布圖和種子分布在各種行寬度的概率分別如圖12、表2所示。由圖12和表2可知，每組試驗(yàn)中第3行（中間行）的種子分布相對(duì)集中，其他行的種子分布較為離散，可能是因?yàn)椴シN裝置的第3個(gè)導(dǎo)向管垂直于地面，使得第3行的種子在下落時(shí)受重力和無人機(jī)旋翼風(fēng)場(chǎng)的影響最小，從而分布更集中。從概率的角度分析，高度為1.0 m時(shí)，種子在9 cm的種行寬度內(nèi)有較好的集中度，平均概率為82.82%；高度為1.5 m時(shí)，種子在12 cm的種行寬度內(nèi)有較好的集中度，平均概率為83.08%；但高度為2.0 m時(shí)，種子分布在15 cm種行寬度內(nèi)的平均概率只有75.18%，種子集中度比高度為1.0和1.5 m時(shí)的差，說明隨著高度的增加，種子分布離散程度增加?？傮w來看，作業(yè)高度為1.0和1.5 m時(shí)，種子在12 cm的種行寬度內(nèi)集中度都較好，平均概率均超過80%，成行性較好，基本不會(huì)出現(xiàn)鄰行種子重疊的現(xiàn)象?？紤]到近地飛行存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，1.0 m左右的高度過于靠近地面，因此后續(xù)試驗(yàn)中樣機(jī)的作業(yè)高度選擇1.5 m。

3.3 播種均勻性試驗(yàn)

3.3.1 試驗(yàn)方法與評(píng)價(jià)指標(biāo)

播種均勻性試驗(yàn)的示意圖如圖13a所示，試驗(yàn)場(chǎng)地設(shè)置及氣象條件同3.2.1節(jié)；采樣框大小為200 mm×300 mm，如圖13b所示，采樣長(zhǎng)度為10.2 m，即每行連續(xù)采集34個(gè)點(diǎn)。

試驗(yàn)方案如下：

1）以播種量和作業(yè)速度作為變量，分析播種均勻性的變化情況，得出樣機(jī)合適的作業(yè)速度范圍。播種量設(shè)置3個(gè)水平，分別為90、120和150 kg/hm2（對(duì)應(yīng)裸種的播種量22.5、30和37.5 kg/hm2），作業(yè)速度設(shè)置4個(gè)水平，分別為0.5、1.0、1.5和2.0 m/s，

圖12 不同作業(yè)高度下的落種分布

表2 不同作業(yè)高度下種子分布在各種行寬度的概率

2）其他播種參數(shù)設(shè)置：作業(yè)高度1.5 m，振動(dòng)電機(jī)激振力設(shè)置0.7 N，摩擦輪轉(zhuǎn)速設(shè)置8 000 r/min，播種行距設(shè)置30 cm，根據(jù)式（2），導(dǎo)向管間距調(diào)整為7.7 cm。試驗(yàn)后，統(tǒng)計(jì)每個(gè)采樣點(diǎn)的種子粒數(shù)。

以播種均勻性變異系數(shù)作為播種均勻性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，變異系數(shù)越小，說明播種越均勻，計(jì)算公式為

3.3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，從種子平均粒數(shù)的角度分析，播種量一定時(shí)，無人機(jī)作業(yè)速度改變，種子平均粒數(shù)變化較小，證明播種控制系統(tǒng)在定量播種時(shí)工作性能較為穩(wěn)定，能較好地適應(yīng)無人機(jī)速度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)播種量。從變異系數(shù)角度分析，各行播種均勻性變異系數(shù)的最小值和最大值為15.21%和39.95%，對(duì)整體進(jìn)行分析，平均播種均勻性變異系數(shù)為20.51%～35.52%，符合NY/T 3881—2021 《遙控飛行播種機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》中水稻條播的播種均勻性變異系數(shù) ≤45%的要求[25]。

對(duì)表3進(jìn)一步分析，當(dāng)播種量一定時(shí)，隨著無人機(jī)作業(yè)速度的增加，播種均勻性變異系數(shù)變小；當(dāng)無人機(jī)作業(yè)速度一定時(shí)，播種量增大，播種均勻性變異系數(shù)存在變小的趨勢(shì)。分析原因?yàn)椋寒?dāng)瞬時(shí)播種量較小時(shí)，槽輪式排種輪的轉(zhuǎn)速較慢，此時(shí)脈動(dòng)性較強(qiáng)[26]，容易造成播種不均勻問題；而瞬時(shí)播種量較大時(shí)，排種輪的轉(zhuǎn)速較快，可改善排種脈動(dòng)問題。因此實(shí)際播種時(shí)，在播種裝置未達(dá)到極限吞吐量的條件下，適當(dāng)增加樣機(jī)的作業(yè)速度以提升瞬時(shí)播種量，可提高播種的均勻性。對(duì)于3倍丸粒化稻種，當(dāng)播種量為150 kg/hm2時(shí)，若作業(yè)速度設(shè)置2.5 m/s以上，瞬時(shí)播種量較大，播種裝置容易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，因此作業(yè)速度2～2.3 m/s較為合適。

表3 3倍丸?；痉N播種均勻性試驗(yàn)結(jié)果

4 田間試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證樣機(jī)實(shí)際的應(yīng)用效果，分別于2022年4月16日和2022年4月22日，分別在廣州增城朱村鎮(zhèn)大崗村（試驗(yàn)1）和廣州華南農(nóng)業(yè)大學(xué)增城教學(xué)科研基地（試驗(yàn)2）開展了2次田間播種試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)天氣狀況良好，自然風(fēng)風(fēng)速≤3 m/s，具體試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。水稻種子經(jīng)過3倍丸?；幚恚以诓シN前進(jìn)行了播種量校準(zhǔn)。根據(jù)當(dāng)?shù)胤N植農(nóng)戶的建議，2次試驗(yàn)的播種量設(shè)置為150 kg/hm2（對(duì)應(yīng)裸種37.5 kg/hm2）。綜合考慮土壤軟硬度及旋翼風(fēng)場(chǎng)的干擾情況，根據(jù)前期試驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)判斷，摩擦輪電機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為8 000 r/min。綜合考慮作業(yè)的安全性及成行效果，作業(yè)高度設(shè)置為1.5 m。播種前根據(jù)式（2）將導(dǎo)向管間距調(diào)整為7.2 cm，使播種行距為25 cm。作業(yè)速度分別設(shè)置為2.0和2.3 m/s。

2次試驗(yàn)的播種量相對(duì)誤差分別為2.47%和4.12%，該結(jié)果與播種量準(zhǔn)確性試驗(yàn)的結(jié)果相近，再次證明了播種控制系統(tǒng)具有較好的控制精度，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能較穩(wěn)定。由于田間環(huán)境復(fù)雜，下田采集數(shù)據(jù)困難，且采集數(shù)據(jù)時(shí)容易破壞播種區(qū)域，因此只對(duì)播種區(qū)域的某一行采樣并拍照，分析播種均勻性變異系數(shù)，結(jié)果分別為22.17%和21.82%。

根據(jù)采樣圖片統(tǒng)計(jì)丸?；痉N外層包衣破損率和內(nèi)部種子破損率，如圖14a所示。破損率計(jì)算公式為

式中為包衣或種子的破損率，%；1為包衣或種子破損粒數(shù)；2為樣本總粒數(shù)。

結(jié)果表明：包衣破損率分別為3.79%和4.20%，種子破損率分別為0.34%和0.18%。對(duì)照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《遙控飛行播種機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范（NY/T 3881—2021）》，播種均勻性和種子破損率均滿足飛播的要求。

圖14b為試驗(yàn)2的播種現(xiàn)場(chǎng)，播種前在試驗(yàn)田塊開水溝，以方便后期排灌水。圖14c為播種后種子的成行成穴效果，可見種子成行地落于泥中，形成小淺坑，遇到下雨時(shí)種子不易被沖走。播種后，在播種區(qū)域隨機(jī)選取4個(gè)500 mm×500 mm的采樣點(diǎn)，調(diào)查出苗率，結(jié)果如圖 14d所示，第11 d的平均出苗率為68.05%，第17 d的平均出苗率為74.5%。圖14e為播種后29 d的水稻長(zhǎng)勢(shì)，大部分區(qū)域水稻成行生長(zhǎng)，但也存在缺苗的區(qū)域，缺苗原因可能是排灌水不及時(shí)造成部分區(qū)域過澇或過旱，從而影響了出苗率。

表4 田間試驗(yàn)方案和結(jié)果

注：試驗(yàn)稻種均為3倍丸?；?，谷粒長(zhǎng)度分別為9.6和9.3 mm。

Note: The rice seeds used for test were the 3-fold pelleted, with lengths of 9.6 and 9.3 mm, respectively.

圖14 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)增城教學(xué)科研基地田間試驗(yàn)

5 結(jié) 論

1）設(shè)計(jì)了無人機(jī)點(diǎn)射式水稻播種裝置控制系統(tǒng)，開發(fā)了配套的地面站功能，并制作了樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了整機(jī)播種過程的控制。

2）開展了樣機(jī)的播種量準(zhǔn)確性、播種成行性和均勻性試驗(yàn)，結(jié)果表明：樣機(jī)在模擬飛行時(shí)，以1.0～2.5 m/s的速度進(jìn)行播種作業(yè)，播種量平均相對(duì)誤差小于4%，證明控制系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力；在1.0和1.5 m的高度下作業(yè)，種子分布在12 cm種行寬度內(nèi)的平均概率超過80%，成行性較好，考慮安全因素，優(yōu)選樣機(jī)適宜的作業(yè)高度為1.5 m；在1.5 m高度下，3倍丸?；痉N的播種量設(shè)置為90～150 kg/hm2（裸種的播種量為22.5～37.5 kg/hm2），作業(yè)速度設(shè)置為0.5～2.0 m/s時(shí)，平均播種均勻性變異系數(shù)為20.51%～35.52%。

3）開展了田間試驗(yàn)驗(yàn)證，播種量（3倍丸?；痉N）的相對(duì)誤差分別為2.47%和4.12%；2次田間試驗(yàn)的播種均勻性變異系數(shù)分別為22.17%和21.82%，種子破損率分別為0.34%和0.18%，播種控制系統(tǒng)具有較好的控制精度。

從田間試驗(yàn)的包衣破損率和種子破損率數(shù)據(jù)看出，摩擦輪對(duì)丸?；痉N的損傷程度較小，主要是所選丸?；痉N的包衣具有較高抗壓強(qiáng)度，減少了摩擦輪對(duì)種子的損傷。但種子破損受丸粒化粉劑類型、摩擦輪電機(jī)轉(zhuǎn)速、排種量等因素影響，要進(jìn)一步降低破損率，需開展系統(tǒng)的對(duì)比試驗(yàn)研究。另外，試驗(yàn)中摩擦輪電機(jī)轉(zhuǎn)速為經(jīng)驗(yàn)值，未考慮影響種子入泥深度的因素，種子入泥深度與土壤軟硬度、摩擦輪電機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)場(chǎng)干擾等因素相關(guān)，后續(xù)需結(jié)合農(nóng)藝和播種作業(yè)參數(shù)進(jìn)一步開展試驗(yàn)研究。

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Control system design and experiments of UAV shot seeding device for rice

He Weizhuo, Liu Wei, Jiang Rui, Gu Qingyu, Huang Junhao, Zou Shuaishuai, Xu Xuelang, Zhou Zhiyan※

(1.,,510642,;2.(-),510642,; 3.(),510642,; 4.(),,510642,)

Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) have been widely used in rice direct seeding in recent years, due to the flexibility and high efficiency suitable for the terrain. Among them, UAV broadcast sowing has been one of the most UAV rice direct seeding, particularly with better seeding uniformity and work efficiency, compared with manual seeding. The broadcast sowing device can also be divided into the centrifugal disc and pneumatic types in China at present. However, the UAV broadcast sowing is easily affected by the rotor wind field, leading to uneven seeding. At the same time, the effect of seeding in the rows and holes can also result in air permeability and occurrence of diseases during the growth of rice in field management. In this study, a control system was designed for the rice shot seeding device in a flight controller order, in order to improve the uniformity and the accuracy of the seeding rate during UAV rice direct seeding. A UAV ground station function was also established to develop the experimental prototype. A closed-loop control was realized in the speed of the stepping motor using the Proportion Integral Derivative (PID). The calibration was then conducted to evaluate the excitation force of the vibration motor and the speed of the friction wheel motor. Finally, the seeding control program was designed to control the whole process of rice shot seeding using a Finite State Machine. The control functions included operation route planning, seeding rate calibration, parameter setting, seed remaining quantity display, and automatic seeding, in order to more easily realize the automatic operation of rice direct seeding. Taking three-fold pelleted rice seeds as the seeding objects, the seeding performance of the prototype was verified from three aspects: the accuracy of the seeding rate, the row effect, and seeding uniformity. The results showed that the average relative error of the seeding rate was less than 4% when the prototype flew at the speed of 1.0-2.5 m/s under the simulation. An excellent performance was achieved in the dynamic adjustment for the seeding control system, particularly with the relatively accurate seeding rate. Specifically, the average probability of seeds was 75.18% within the seed row width of 15 cm, when the prototype was seeding at the height of 2.0 m. By contrast, the average probability of seeds was higher than 80% within the seed row width of 12 cm, when the prototype seeding at the height of 1.0 and 1.5 m, indicating the better performance of the seeding row. Correspondingly, the working height of 1.5 m was preferred, in terms of safety. The average Coefficient of Variation (CV) of seeding uniformity was 20.51%-35.52% when the prototype worked at the height of 1.5 m with a speed of 0.5-2.0 m/s, and the seeding rate of three-fold pelleted rice seed of 90-150 kg/hm2(corresponding to the seeding rate of naked seeds was 22.5-37.5 kg/hm2). It infers that the working speed greatly contributed to the seeding uniformity. Two field experiments were carried out, according to the preferred seeding parameters, where the relative errors of the seeding rate were 2.47% and 4.12%, respectively, the seeding uniformity CV values were 22.17% and 21.82%, respectively, and the seed breakage rates were 0.34% and 0.18%, respectively. The seeding control system fully met the control accuracy requirements of UAV rice direct seeding, according to the standard Technical specification of quality evaluation for the aerial broadcast seeder by remote control (standard NY/T 3881-2021). This finding can provide a strong reference for the UAV rice direct seeding.

UAV; PID; rice direct seeding; shot seeding; control system; Finite State Machine(FSM)

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.006

S147.2

A

1002-6819(2022)-18-0051-11

何偉灼，劉威，姜銳，等. 無人機(jī)點(diǎn)射式水稻播種裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2022，38(18)：51-61.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.006 http://www.tcsae.org

He Weizhuo, Liu Wei, Jiang Rui, et al. Control system design and experiments of UAV shot seeding device for rice[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(18): 51-61. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.006 http://www.tcsae.org

2022-06-25

2022-08-09

嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)室科研項(xiàng)目（NT2021009）；廣州市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（202206010149）；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2021B1212040009）；廣東省鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略專項(xiàng)（2020KJ261）

何偉灼，研究方向?yàn)闊o人機(jī)水稻播種技術(shù)。Email：957723414@qq.com

周志艷，博士，教授，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)航空應(yīng)用技術(shù)。Email：zyzhou@scau.edu.cn

中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)會(huì)員：周志艷（E042100021M）