水稻無人機(jī)撒肥系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

任萬軍 吳振元 李蒙良 雷小龍, 朱世林 陳 勇

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)四川省作物生理生態(tài)及栽培重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 611130； 2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，雅安 625014)

0 引言

按照水稻的營養(yǎng)需肥時(shí)間，施肥可分為基肥、蘗肥與穗肥3個(gè)階段，其中穗肥的肥料利用率最高，穗肥的施用能夠有效提高水稻產(chǎn)量[1-2]。在施用水稻穗肥時(shí)，水稻生長已經(jīng)進(jìn)入中后期，植株較為茂盛、水田地表軟塌，特別在四川省等丘陵地區(qū)，復(fù)雜的田間環(huán)境限制了地面施肥機(jī)械的使用[3]。因此，水稻施穗肥大多采用人工，這不僅占用了大量農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力，且工作效率低[4]。人工撒肥時(shí)易撒施不均，化肥易過度使用，造成環(huán)境污染和土壤板結(jié)，降低了土壤質(zhì)量[5]。機(jī)械化施肥能夠精準(zhǔn)控制肥料用量，從而提高施肥效率與施肥質(zhì)量[6]。

近年來，我國學(xué)者對(duì)稻田追肥機(jī)械進(jìn)行了大量研究。此類追肥機(jī)械大多采用地面機(jī)械搭載，主要以拖拉機(jī)與高地隙四輪機(jī)械為機(jī)載平臺(tái)，在水田中進(jìn)行施肥作業(yè)(或轉(zhuǎn)彎、過埂、爬坡等)。但在水稻生長中后期，追肥機(jī)械存在適應(yīng)性差、操作強(qiáng)度大、對(duì)水稻碾壓嚴(yán)重等問題[3,7-9]，且不適應(yīng)地形地貌復(fù)雜的丘陵地區(qū)作業(yè)。

多旋翼無人機(jī)具有自主飛行功能，能夠緊貼作物低空飛行，具有地面機(jī)器無法比擬的高通過性和穩(wěn)定性[10-11]；無人機(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，可在地面機(jī)械難以進(jìn)入的場(chǎng)所進(jìn)行高效作業(yè)[10]。因此，無人機(jī)為水稻穗肥的撒肥提供了良好的機(jī)載平臺(tái)，能夠有效規(guī)避水稻特殊的生長環(huán)境對(duì)施肥機(jī)械的限制。隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，撒播技術(shù)已應(yīng)用于無人機(jī)[12-13]。此類撒播裝置主要用于撒播種子，因其排種量小、排速較低，故無法滿足水稻施肥要求。賈瑞昌等[14]設(shè)計(jì)一種基于無人機(jī)的顆粒拋撒裝置，該裝置由螺旋式給料器調(diào)節(jié)流量，通過兩個(gè)拋撒葉片拋撒肥料。包勝軍[15]設(shè)計(jì)的飛行撒播裝置利用閘門轉(zhuǎn)動(dòng)控制出料口，調(diào)節(jié)播量、離心盤轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)肥料撒播。對(duì)于此類離心式撒播裝置，肥料落入圓盤位置無法改變，故難以通過改變肥料落入圓盤的位置來進(jìn)一步提升均勻性，變異系數(shù)普遍為14%～27%[16-19]。并且還缺乏對(duì)撒播裝置關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的研究分析，無法明確其結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)對(duì)無人機(jī)撒肥的適應(yīng)情況。因此針對(duì)上述問題，本文以多旋翼無人機(jī)為機(jī)載平臺(tái)，設(shè)計(jì)水稻無人機(jī)撒肥系統(tǒng)。通過分析顆粒化肥的物理特性，確定流量控制開關(guān)、離心盤等結(jié)構(gòu)參數(shù)，并試驗(yàn)研究流量、轉(zhuǎn)速、落入位置角對(duì)均勻性的影響，通過調(diào)整落入位置角與圓盤轉(zhuǎn)速提高均勻性，通過調(diào)節(jié)開關(guān)扇葉角度控制流量，以期滿足無人機(jī)不同飛行高度與速度施肥需求和提高施肥均勻性。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的水稻無人機(jī)撒肥系統(tǒng)如圖1所示，主要由無人機(jī)機(jī)體、動(dòng)力系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、撒肥控制系統(tǒng)和撒肥裝置等組成，撒肥裝置通過承重滑軌與無人機(jī)機(jī)體腳架連接。

1.2 撒肥裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

為滿足無人機(jī)載荷及安裝尺寸需要，腳架安裝孔距340 mm，設(shè)計(jì)肥料艙容積為18 L，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。撒肥裝置包括電池艙、固定架、承重滑軌、流量調(diào)節(jié)裝置、離心盤、電池固定卡扣和肥箱等，如圖2所示。固定架安裝于無人機(jī)腳架兩側(cè)，電池艙與滑軌安裝于固定架上，肥箱通過滑軌與固定架連接，能夠抽拉實(shí)現(xiàn)肥料的快速填裝。安裝于肥箱底部的流量調(diào)節(jié)裝置與離心盤是實(shí)現(xiàn)均勻拋撒的重要裝置，離心盤由電子調(diào)速器控制的無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)；舵機(jī)通過搖臂與拉桿帶動(dòng)流量控制扇葉。電子調(diào)速器、舵機(jī)與撒肥控制系統(tǒng)連接；通過PWM信號(hào)線與飛行控制系統(tǒng)通信，從而控制撒肥裝置工作。

表1 無人機(jī)撒肥裝置主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main parameters of UAV fertilizer spreader

撒肥裝置工作時(shí)，首先拉出肥箱填裝肥料，接通電源將無人機(jī)飛至作業(yè)區(qū)域撥動(dòng)撒播裝置控制開關(guān)至工作狀態(tài)。舵機(jī)帶動(dòng)流量控制扇葉向下擺動(dòng)，肥箱與離心盤之間的通道打開，肥料顆粒在重力和機(jī)械振動(dòng)的作用下，從肥箱通過流量控制開關(guān)進(jìn)入高速旋轉(zhuǎn)的離心盤，在離心力的作用下顆粒肥料均勻拋撒。

2 撒肥裝置設(shè)計(jì)

2.1 離心盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

離心盤由水平底座、電機(jī)轉(zhuǎn)子安裝座、上擋板和撥肥片組成，撥肥片位于上擋板和水平底座之間，如圖3a所示。離心盤內(nèi)部設(shè)有電機(jī)安裝座，為凸起的錐形臺(tái)，高度10 mm，能夠防止肥料顆粒在離心盤中部堆積堵塞，使肥料顆粒均勻落入離心盤中。離心盤結(jié)構(gòu)對(duì)肥料顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡至關(guān)重要[17-18]，肥料顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡還受到無人機(jī)下旋氣流的影響。楊風(fēng)波等[20]、COOL等[21]研究發(fā)現(xiàn)肥料顆粒運(yùn)動(dòng)方向與氣流運(yùn)動(dòng)方向夾角越小，氣流對(duì)肥料顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡影響越小；氣流對(duì)速度越快、密度越大的肥料顆粒影響越小。無人機(jī)下旋氣流主要位于旋翼下方，離心盤位于六旋翼無人機(jī)中心，肥料顆粒離開離心盤后將會(huì)受到下旋氣流的影響。

根據(jù)無人機(jī)施肥作業(yè)要求，離心盤結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算式為

(1)

式中D——離心盤直徑，mm

A——拋撒幅寬，mm

ω——角速度，rad/s

ka——顆粒數(shù)量，取2 000～7 000粒

Q——流量，粒/sh——飛行高度，m

v——顆粒運(yùn)動(dòng)速度，m/s

dm——電機(jī)安裝座直徑，mm

df——顆粒直徑，mm

d——入料口直徑，mm

l——撥肥片長度，mm

hm——離心盤高度，mm

當(dāng)作業(yè)幅寬、飛行高度和離心盤轉(zhuǎn)速分別為4～6 m、1.5～3 m和1 000 r/min時(shí)，離心盤直徑D為132～157 mm，取140 mm；高h(yuǎn)m為20 mm。電機(jī)安裝座為錐形臺(tái)結(jié)構(gòu)，根據(jù)電機(jī)安裝座底部直徑為60 mm，得撥肥片長度為40 mm；錐形臺(tái)結(jié)構(gòu)頂部直徑，即電機(jī)安裝直徑dm為35 mm。

為減小肥料顆粒運(yùn)動(dòng)方向與氣流方向的夾角，使肥料顆粒離開離心盤時(shí)，運(yùn)動(dòng)方向具有向下的傾角，將撥肥片設(shè)計(jì)為90°逐漸偏轉(zhuǎn)為30°的直紋曲面(圖3b)，用于引導(dǎo)肥料顆粒的運(yùn)動(dòng)方向，偏轉(zhuǎn)方向與離心盤旋轉(zhuǎn)方向(逆時(shí)針)一致。根據(jù)高h(yuǎn)m和偏向角，撥肥片寬度為11～16 mm。

前人發(fā)現(xiàn)，撥肥片數(shù)量為4～6個(gè)，撥肥片較短時(shí)對(duì)離心盤的高轉(zhuǎn)速適應(yīng)性較好，均勻性較優(yōu)[22-23]，本研究取撥肥片數(shù)量為6個(gè)，離心盤能夠在高轉(zhuǎn)速條件下保持較好的撒肥均勻性。離心盤工作時(shí)，受上擋板的限制，肥料顆粒只能從狹長的出料口撒出，使肥料顆粒撒出后集中在圓形邊緣，肥料分布以離心盤為圓心形成一個(gè)同心圓。無人機(jī)撒肥作業(yè)時(shí)，同心圓進(jìn)行疊加形成撒肥帶。該同心圓撒肥模式，幅寬即為同心圓外圓直徑，可避免因幅寬疊加不準(zhǔn)確導(dǎo)致的肥料分布不均勻。

2.2 流量調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)

流量調(diào)節(jié)裝置主要由下料筒、電機(jī)定子安裝座、固定面、舵機(jī)安裝槽、舵機(jī)、開關(guān)扇葉和拉桿組成。流量調(diào)節(jié)裝置下料筒直徑為89.5 mm，通過調(diào)節(jié)流量改變肥料顆粒落入離心盤的位置。通過控制舵機(jī)帶動(dòng)流量控制扇葉擺動(dòng)，從而改變肥料下落口的面積，實(shí)現(xiàn)流量控制。

電機(jī)定子安裝座寬度為35 mm，安裝座位于下料筒中部，將落肥口從中間一分為二；固定面為圓形，有環(huán)形旋轉(zhuǎn)安裝孔位，電機(jī)定子安裝座能圍繞z軸在15°～75°間旋轉(zhuǎn)，使電機(jī)定子安裝座中軸線與無人機(jī)航線的垂直方向的y軸形成一定夾角，由于電機(jī)定子安裝座的遮擋，當(dāng)流量調(diào)節(jié)裝置旋轉(zhuǎn)時(shí)，落肥口的位置也會(huì)發(fā)生改變，從而改變肥料顆粒落入離心盤的位置。落入位置角α如圖4a所示，即電機(jī)定子安裝座對(duì)稱軸與y軸的夾角。落入位置角是通過固定面上的環(huán)形安裝孔，在15°～75°范圍內(nèi)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)整。流量調(diào)節(jié)裝置安裝完畢后，落入位置角與機(jī)身保持固定的角度，當(dāng)無人機(jī)偏航角改變時(shí)航線也會(huì)發(fā)生改變，落入位置角隨即發(fā)生改變，從而影響撒肥的均勻性。無人機(jī)作業(yè)時(shí)，需保持偏航角穩(wěn)定，在同一偏航角下，前后移動(dòng)、左右平移。

3 撒肥分配性能仿真

拋撒結(jié)構(gòu)為肥料拋撒的關(guān)鍵部件，其作業(yè)性能直接影響作業(yè)效率與施肥效果。使用EDEM建立仿真模型，能夠較為快速準(zhǔn)確地分析各因素對(duì)均勻性的影響，優(yōu)化出拋撒結(jié)構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)。

3.1 仿真模型建立

使用Unigraphics NX 10.0軟件建立仿真模型，導(dǎo)入EDEM軟件。根據(jù)仿真結(jié)果，在距離離心盤下方1 m處建立肥料顆粒收集面，為確保所有肥料顆粒能夠被收集，確定收集區(qū)域?yàn)?5 m×40 m，為避免肥料顆粒彈跳影響試驗(yàn)結(jié)果，將肥料顆粒與收集面的靜摩擦因數(shù)和動(dòng)摩擦因數(shù)設(shè)定為1。

試驗(yàn)材料選用顆粒尿素，使用外徑千分尺測(cè)定100粒尿素顆粒直徑，平均值為3.341 mm。材料之間均選擇Hertz-Mindlin無滑動(dòng)接觸模型。各材料及材料之間的仿真參數(shù)如表2所示。

表2 仿真參數(shù)Tab.2 Simulation parameters

3.2 肥料顆粒運(yùn)動(dòng)特性仿真分析

在撒肥過程中，肥料顆粒受力的大小、速度、位移的變化對(duì)肥料顆粒的最終分布狀態(tài)有直接影響。如圖5所示，隨機(jī)選取具有代表性的顆粒進(jìn)行標(biāo)記，將顆粒的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)導(dǎo)出，分別對(duì)肥料顆粒的速度、受力及位移變化規(guī)律進(jìn)行分析。

由圖6可知，在0.16 s之前，由于肥料顆粒尚未生成，合力、位移、速度為0。0.2 s時(shí)肥料顆粒在距離坐標(biāo)原點(diǎn)0.272 m處生成，受到重力做自由落體運(yùn)動(dòng)，向位于坐標(biāo)原點(diǎn)的流量調(diào)節(jié)裝置移動(dòng)，合力約為2.56×10-4N，速度受合力影響逐漸增加。在0.36 s時(shí)速度達(dá)到第一峰值(1.648 m/s)后，由于肥料落到下料筒的肥料堆積位置，速度迅速降低，位移變化減小。在0.65 s后，此時(shí)顆粒較多，受到肥料顆粒間的擠壓力、顆粒與撒肥裝置間的碰撞影響，受力情況波動(dòng)較大。在1.21 s時(shí)落入離心盤，此時(shí)受離心力的影響，合力較大，峰值達(dá)到0.003 9 N。肥料顆粒在1.54 s受離心盤作用速度突然增大，離開離心盤后位移逐漸增大，此時(shí)顆粒受到重力做加速平拋運(yùn)動(dòng)，速度依然逐漸增加。在2.18 s時(shí)與地面接觸，運(yùn)動(dòng)停止。

3.3 試驗(yàn)指標(biāo)

根據(jù)圓盤式撒肥機(jī)的試驗(yàn)方法[21,24]，在EDEM 后處理Selection中沿Z軸方向，距離離心盤下方1 m處設(shè)置Grid Bin Group計(jì)數(shù)網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格尺寸300 mm×400 mm，15 m×40 m的收集矩形區(qū)域內(nèi)50行、100列共5 000個(gè)計(jì)算網(wǎng)格，如圖7所示。將落入每列網(wǎng)格中肥料顆粒數(shù)量進(jìn)行疊加，形成1×50的單行肥料收集矩陣，以橫向單行肥料顆粒數(shù)量及其橫向變異系數(shù)作為試驗(yàn)的均勻性指標(biāo)。

3.4 單因素仿真試驗(yàn)

3.4.1離心盤轉(zhuǎn)速對(duì)肥料分布的影響

在飛行高度為1.5 m、飛行速度為5 m/s、流量為3 500粒/s、落入位置角為40°時(shí)，離心盤轉(zhuǎn)速在800～1 400 r/min、增量為100 r/min下進(jìn)行仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。隨著離心盤轉(zhuǎn)速增加幅寬逐漸增大，變異系數(shù)呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，肥料分布峰值由左側(cè)逐漸變?yōu)橛覀?cè)；在高轉(zhuǎn)速(1 200～1 400 r/min)條件下均勻性優(yōu)于低轉(zhuǎn)速(800～1 000 r/min)。在轉(zhuǎn)速1 100～1 300 r/min時(shí)，變異系數(shù)在7%～9%之間，肥料分布較為均勻。

3.4.2落入位置角對(duì)均勻性的影響

在飛行高度為1.5 m、飛行速度為5 m/s、流量為3 500粒/s、離心盤轉(zhuǎn)速為1 100 r/min時(shí)，落入位置角在5°～75°、增量為10°下進(jìn)行仿真試驗(yàn)。隨著落入位置角的增大，均勻性呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)(圖9)。落入位置角對(duì)橫向肥料分布密度影響不明顯，但是隨落入位置角的增加，肥料分布由中心聚集逐漸向兩側(cè)聚集。在35°～55°時(shí)肥料分布較為均勻，變異系數(shù)在8%～15%之間。

3.4.3流量對(duì)肥料分布的影響

在飛行高度為1.5 m、飛行速度為5 m/s、圓盤轉(zhuǎn)速為1 100 r/min、落入位置角為40°時(shí)，流量在1 000～6 000粒/s、增量為1 000粒/s下進(jìn)行仿真試驗(yàn)。結(jié)果表明，隨著流量增大，肥料分布曲線出現(xiàn)明顯波動(dòng)，變異系數(shù)呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)；在橫向幅寬上，由于恒定轉(zhuǎn)速排出的肥料顆粒數(shù)量是固定的，隨著流量增大，受到落入位置角與離心盤轉(zhuǎn)速的影響，肥料顆粒在離心盤內(nèi)單側(cè)堆積，肥料分布峰值由左側(cè)逐漸變?yōu)橛覀?cè)，在3 000粒/s時(shí)肥料分布較為均勻，變異系數(shù)較小(圖10)。

3.4.4無人機(jī)飛行速度對(duì)肥料分布的影響

在飛行高度為1.5 m、落入位置角為40°、流量為3 500粒/s、圓盤轉(zhuǎn)速為1 100 r/min時(shí)，飛行速度在3～8 m/s、增量為1 m/s下進(jìn)行仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。飛行速度的增加對(duì)均勻性影響不明顯；隨著肥料分布密度逐漸降低，肥料分布曲線波動(dòng)逐漸變小。

單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，離心盤轉(zhuǎn)速、落入位置角、流量都會(huì)影響肥料分布。離心盤結(jié)構(gòu)形成的同心圓式撒肥與傳統(tǒng)撒肥幅寬界定相比[17,22]，撒肥幅寬邊界較為明顯，作業(yè)規(guī)劃航線時(shí)有利于幅寬快速確定。在圓盤轉(zhuǎn)速、落入位置角、流量較大或較小時(shí)，肥料分布呈現(xiàn)出單側(cè)或兩側(cè)顆粒密度大、中間少的情況。飛行速度僅對(duì)肥料分布密度有影響，因此開展正交回歸旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化分析。

3.5 正交回歸旋轉(zhuǎn)仿真試驗(yàn)

采用四因素五水平的二次正交回歸旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以與飛行方向一致的橫向變異系數(shù)為衡量指標(biāo)。試驗(yàn)因素編碼見表3，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表4。

表3 試驗(yàn)因素編碼Tab.3 Test factors coding

表4 二次正交回歸旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.4 Test plan and results of quadratic regression rotatable orthogonal design experiment

3.5.1數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用Design-Expert 11軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合分析，得到方差分析如表5所示，其中二次回歸模型呈極顯著(P<0.000 1)，方差分析結(jié)果表明，影響均勻性顯著性的因素由大到小依次為C、C2、A、BC、AC、B2、A2、B、CD、BD、D2、AD、D、AB，其中除交互項(xiàng)CD對(duì)變異系數(shù)影響顯著(0.01

根據(jù)系數(shù)間不存在線性相關(guān)性，經(jīng)逐步回歸法剔除不顯著因素，得到各因素與變異系數(shù)回歸響應(yīng)方程為

CV=47.312 5-6.019 4×10-2A+7.93×10-3B-
0.536 75C-9.06×10-4AC-3.31×10-4BC+
9.104 2×10-2CD+4.8×10-5A2+1.958 44×10-6B2+0.292 54C2

(2)

3.5.2響應(yīng)面分析

根據(jù)方差分析結(jié)果，AC、BC、CD對(duì)變異系數(shù)影響顯著，因此分析這3組對(duì)變異系數(shù)影響顯著的交互作用。

在流量為3 500粒/s、飛行速度為5 m/s時(shí)，離心盤轉(zhuǎn)速與落入位置角交互作用的響應(yīng)曲面如圖12a所示。當(dāng)落入位置角不變時(shí)，變異系數(shù)隨著離心盤轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)；當(dāng)離心盤轉(zhuǎn)速不變時(shí)，變異系數(shù)隨著落入位置角的增加也呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。在離心盤轉(zhuǎn)速為1 000～1 350 r/min、落入位置角為35°～50°時(shí)變異系數(shù)較小。肥料顆粒離開離心盤時(shí)的狀態(tài)由離心盤轉(zhuǎn)速與落入位置角共同決定，從而影響了均勻性，落入位置角與離心盤轉(zhuǎn)速是影響均勻性最為關(guān)鍵的兩個(gè)因素。

在離心盤轉(zhuǎn)速為1 200 r/min、飛行速度為5 m/s時(shí)，流量與落入位置角交互作用的響應(yīng)曲面如圖12b所示。當(dāng)落入位置角不變時(shí)，變異系數(shù)隨著流量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)；當(dāng)流量不變時(shí)，變異系數(shù)隨著落入位置角的增加也呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。在落入位置角為33°～51°、流量為2 000～4 000粒/s時(shí)變異系數(shù)較小。為滿足目標(biāo)施肥量，流量需要根據(jù)幅寬的變化隨時(shí)調(diào)整，從圖12b中可以看出，落入位置角為42°左右時(shí)，對(duì)流量變化適應(yīng)性最好，有利于流量的調(diào)整。

在離心盤轉(zhuǎn)速為1 200 r/min、流量為3 500粒/s時(shí)，飛行速度與落入位置角交互作用的響應(yīng)曲面如圖12c所示，當(dāng)落入位置角不變時(shí)，變異系數(shù)隨著飛行速度的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)；當(dāng)飛行速度不變時(shí)，變異系數(shù)隨著落入位置角的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。在飛行速度為3～6.5 m/s、落入位置角為35°～45°時(shí)變異系數(shù)較小。由于飛行速度對(duì)變異系數(shù)影響不顯著，因此落入位置角是這一組交互作用中影響變異系數(shù)的重要因素。

3.5.3參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證試驗(yàn)

為得到最佳撒肥性能，尋找最優(yōu)的工作參數(shù)，以表3中各因素范圍為約束條件，以變異系數(shù)回歸模型為目標(biāo)函數(shù)，求解其最小值，得最優(yōu)參數(shù)組合為圓盤轉(zhuǎn)速1 105.0 r/min(取1 100 r/min)、流量3 459.38顆/s(取3 460顆/s)、落入位置角40.5°(取40°)、飛行速度5.03 m/s(取5 m/s)，此時(shí)變異系數(shù)為8.86%。將優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，得橫向變異系數(shù)為8.23%，與優(yōu)化結(jié)果基本吻合。

使用與仿真條件一致的顆粒尿素，試驗(yàn)地點(diǎn)為四川農(nóng)業(yè)大學(xué)崇州基地。根據(jù)ASAE試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[23，25]，在與仿真一致的15 m×40 m收集域內(nèi)擺放14×40個(gè)盒子，每個(gè)盒子面積與計(jì)算網(wǎng)格面積相同(300 mm×400 mm)。為使肥料不從紙盒中彈出，其底部鋪5 000 g的細(xì)沙(圖13)。在最優(yōu)參數(shù)組合下進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，變異系數(shù)分別為9.86%、9.02%、10.34%，均值為9.74%，與優(yōu)化結(jié)果基本一致，表明仿真模型的參數(shù)可靠。

4 無人機(jī)飛行姿態(tài)對(duì)肥料分布的影響

在無人機(jī)工作過程中，接收控制指令后，無人機(jī)通過改變飛行姿態(tài)，即俯仰傾斜與橫滾傾斜，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)方向的改變，外界環(huán)境也會(huì)對(duì)無人機(jī)飛行姿態(tài)造成影響。前人研究發(fā)現(xiàn)，撒肥裝置工作姿態(tài)會(huì)對(duì)肥料分布造成影響[26]。由于多旋翼無人機(jī)特殊的控制特性，飛行姿態(tài)變化較為頻繁，研究飛行姿態(tài)可提高無人機(jī)施肥質(zhì)量。本文依據(jù)無人機(jī)常規(guī)工作狀態(tài)，對(duì)飛行姿態(tài)的變化范圍進(jìn)行了仿真。研究俯仰姿態(tài)與橫滾姿態(tài)不同傾斜角下肥料分布規(guī)律。

4.1 俯仰姿態(tài)對(duì)肥料分布的影響

俯仰姿態(tài)對(duì)肥料分布影響如圖14所示。當(dāng)無人機(jī)向前飛行、迎風(fēng)或俯仰修正時(shí)，機(jī)身發(fā)生俯仰傾斜，離心盤與無人機(jī)固定連接保持同一姿態(tài)前后俯仰傾斜。在最優(yōu)工作參數(shù)下，橫滾傾斜角為0°，在俯仰傾斜角為7°～28°、增量為7°下，進(jìn)行仿真試驗(yàn)。結(jié)果表明，肥料顆粒受姿態(tài)改變的影響，在幅寬內(nèi)呈現(xiàn)出中部分布密度高、兩側(cè)分布密度低的現(xiàn)象。隨著俯仰傾斜角增加，均勻性逐漸變差，肥料顆粒集中于中部，兩側(cè)分布密度逐漸降低；高密度區(qū)域逐漸變窄，低密度區(qū)域逐漸變寬。幅寬與肥料分布峰值，隨著俯仰傾斜角的增加而增加。

4.2 橫滾姿態(tài)對(duì)肥料分布的影響

橫滾姿態(tài)對(duì)肥料分布的影響如圖15所示。當(dāng)無人機(jī)橫向飛行、側(cè)風(fēng)或航線修正時(shí)，機(jī)身發(fā)生橫滾傾斜，離心盤與無人機(jī)固定連接保持同一姿態(tài)左右橫滾傾斜。在最優(yōu)工作參數(shù)下，俯仰傾斜角為0°，在橫滾傾斜角為7°～28°、增量為7°條件下開展仿真試驗(yàn)。結(jié)果表明，無人機(jī)橫滾傾斜角在7°以內(nèi)時(shí)，對(duì)肥料分布影響較小。當(dāng)傾斜角高于14°時(shí)隨著傾斜角的增加，肥料顆粒集中于無人機(jī)傾斜一側(cè)，幅寬逐漸增大，肥料分布峰值增高，均勻性逐漸變差，肥料整體分布逐漸向無人機(jī)傾斜一側(cè)移動(dòng)。

飛行姿態(tài)對(duì)肥料分布影響的仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，俯仰與橫滾傾斜角對(duì)肥料分布都有影響，橫滾傾斜角對(duì)肥料分布影響大于俯仰傾斜角。俯仰傾斜會(huì)使肥料顆粒集中分布于中部，顆粒數(shù)量由中部向兩側(cè)遞減，會(huì)減小有效幅寬，可利用傳統(tǒng)幅寬疊加方式解決。橫滾傾斜造成的肥料分布不均勻，無法通過操作手段解決，在作業(yè)過程中，應(yīng)避免橫向飛行與大風(fēng)天氣作業(yè)；橫滾傾斜角較小時(shí)對(duì)肥料分布影響不大，因此常規(guī)作業(yè)航線修正對(duì)無人機(jī)撒肥質(zhì)量影響不大。

5 田間試驗(yàn)

5.1 小區(qū)試驗(yàn)

為驗(yàn)證無人機(jī)施肥是否影響水稻產(chǎn)量，進(jìn)行了與傳統(tǒng)施肥對(duì)比的小區(qū)試驗(yàn)，小區(qū)面積為324 m2，采用人工施肥與無人機(jī)施肥兩種施肥方式進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)(圖16)。供試品種為宜香優(yōu)2115。人工施肥全生育期均為人工，無人機(jī)施肥僅穗肥使用無人機(jī)。人工施肥與無人機(jī)施肥的產(chǎn)量分別為9 007.03、9 109.76 kg/hm2。說明無人機(jī)施肥可以穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)，滿足水稻施肥要求。

5.2 大田試驗(yàn)

為進(jìn)一步考察無人機(jī)施肥在大面積應(yīng)用時(shí)的可靠性與穩(wěn)定性，進(jìn)行了大田試驗(yàn)(圖17)。試驗(yàn)點(diǎn)為四川省大邑縣，供試品種為天優(yōu)華占、晶兩優(yōu)534、C兩優(yōu)華占、蓉7優(yōu)2115與德優(yōu)4727共5個(gè)品種。其中基蘗肥采用地面機(jī)械與人工撒施；穗肥(即促花肥與保花肥)均采用無人機(jī)施肥，施肥面積共計(jì)102 hm2，平均產(chǎn)量為11 769.54 kg/hm2，達(dá)到了高產(chǎn)水平。

5.3 成本與工作效率對(duì)比分析

無人機(jī)所需成本：無人機(jī)折舊為7.5元/hm2；動(dòng)力電池為：22 000 mA智能電池，功率為976.8 W，單價(jià)：3 200元/組，200～300沖放次數(shù)，無人機(jī)單次載荷為12 kg的效率最高，約每2 min為一架次，每組電池共計(jì)撒施3架次；每天工作10 h，飛手工資以40.8元/hm2計(jì)算。人工成本按照四川省大邑縣旭成農(nóng)作物種植合作社人均工資每人100元/天計(jì)算。

無人機(jī)施肥、人工施肥兩種施肥方式作業(yè)成本見表6。雖然無人機(jī)施肥成本相對(duì)于人工施肥成本降低程度較少，但是無人機(jī)施肥工作效率約為人工施肥的12.5倍。人工作業(yè)效率低，在大面積作業(yè)時(shí)可能導(dǎo)致耽誤農(nóng)時(shí)。降低無人機(jī)施肥成本的主要因素是載荷與飛行時(shí)間的矛盾，以及電池成本高等問題。

表6 無人機(jī)施肥與人工施肥成本對(duì)比Tab.6 Cost comparison between UAV fertilization and manual fertilization

6 結(jié)論

(1)根據(jù)水稻穗肥撒施需求及無人機(jī)飛行特性設(shè)計(jì)了一種離心式無人機(jī)撒肥系統(tǒng)，確定了離心盤與流量調(diào)節(jié)裝置等主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。對(duì)離心盤等結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，確定了利用上下?lián)醢逍纬傻拈]合式離心盤結(jié)構(gòu)參數(shù)。結(jié)合單因素仿真試驗(yàn)，分析了圓盤轉(zhuǎn)速、落入位置角、流量、無人機(jī)飛行速度對(duì)肥料分布的影響。

(2)多元回歸正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)表明，落入位置角與離心盤轉(zhuǎn)速、落入位置角與流量、落入位置角與飛行速度間的交互作用對(duì)均勻性影響顯著，各因素對(duì)均勻性的影響順序由大到小為：落入位置角、離心盤轉(zhuǎn)速、流量、飛行速度。無人機(jī)俯仰傾斜角與橫滾傾斜角對(duì)肥料分布均有影響，其中橫滾傾斜角影響較大，會(huì)造成肥料向單側(cè)堆積；俯仰傾斜角影響相對(duì)較小，會(huì)造成肥料向中部堆積。

(3)優(yōu)化求解得到的工作參數(shù)為：落入位置角40°、離心盤轉(zhuǎn)速1 100 r/min、流量3 460顆/s、飛行速度5 m/s，此時(shí)均勻性變異系數(shù)為8.86%，與仿真驗(yàn)證(8.23%)及試驗(yàn)驗(yàn)證(9.74%)結(jié)果基本一致。無人機(jī)施肥工作效率約為人工施肥的12.5倍，作業(yè)成本降低了18.45元/hm2，能夠滿足田間撒肥作業(yè)要求。