多功能種、肥播撒無人機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 偉，王新法，商俊娟，王 玲

（1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.河南科技學(xué)院信息與工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

0 引言

隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)逐漸被應(yīng)用于各行各業(yè)中，例如航拍、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、快遞運(yùn)輸、災(zāi)難救援、測繪、電力巡檢、影視拍攝等。

農(nóng)用無人機(jī)具有特有的空中作業(yè)優(yōu)勢，不受作業(yè)地形的影響，除了適用于農(nóng)藥噴灑、遙感監(jiān)測、輔助授粉等，在種子、顆粒肥播撒等方面也有著良好的應(yīng)用前景。然而，現(xiàn)有的無人機(jī)播種技術(shù)中，往往無法做到定量、均勻的播種，使得被播種過的土地長出的作物疏密不一，并且也無法針對不同作物進(jìn)行定量播種。現(xiàn)有單一圓盤播撒由于播撒直徑所限，需要高速旋轉(zhuǎn)才能使顆粒播撒范圍更廣，但是，高速旋轉(zhuǎn)的播撒盤會(huì)導(dǎo)致種子破損影響出芽率。本設(shè)計(jì)采用分布式播撒盤，可以在播撒盤轉(zhuǎn)速不高的情況下保證播撒均勻性，同時(shí)提高播撒效率。

1 無人機(jī)播撒技術(shù)的發(fā)展

2000年，日本農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)研究中心利用雅馬哈公司研制生產(chǎn)的R50無人直升機(jī)對農(nóng)田進(jìn)行播撒顆粒肥，噴撒量可達(dá)300kg/hm2，實(shí)際作業(yè)時(shí)間效率為27.7%。2004年開始，日本在水稻生產(chǎn)中，使用農(nóng)用無人機(jī)的數(shù)量已超越有人駕駛飛機(jī)，采用農(nóng)用無人機(jī)進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已成為日本農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢[1]。

目前，我國農(nóng)用無人機(jī)多用于植物保護(hù)方面，無人機(jī)播撒作業(yè)還處于初步研究及試應(yīng)用階段。一些丘陵、山地、沼澤以及灘涂地帶，特別是一些網(wǎng)格化、小型化作業(yè)區(qū)域，不太適宜傳統(tǒng)的地面中大型播撒機(jī)械，即使在平原地區(qū)，中大型機(jī)械對地表的壓實(shí)作用也會(huì)對種子的出苗率造成一定的影響。

我國農(nóng)業(yè)航空播撒技術(shù)最早應(yīng)用在有人駕駛固定翼飛機(jī)和直升機(jī)上，主要進(jìn)行飛播造林和飛播牧草作業(yè)。目前，排種系統(tǒng)已趨于成熟，而應(yīng)用于無人機(jī)上的排種系統(tǒng)目前還處于研發(fā)初期階段[2]。

目前，我國已有高校科研機(jī)構(gòu)和高科技公司對無人機(jī)播撒相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究。在國家知識產(chǎn)權(quán)局官網(wǎng)查詢近10年我國關(guān)于無人機(jī)播撒技術(shù)的專利申請情況，如圖1所示，可以看出2014年后的4年專利申請數(shù)量呈爆發(fā)性增長，我國對無人機(jī)播撒技術(shù)的研究已進(jìn)入快速發(fā)展階段，該技術(shù)也為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空播撒提供了全新的途徑[3]。

我國已有不少公司生產(chǎn)播撒無人機(jī)，珠海羽人推出了3WDM8-20型多功能無人機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)固體肥料播撒和種子播撒、粉劑噴撒。且推出了全球第一臺5～10行精量播種無人機(jī)，目前正在全國范圍內(nèi)推廣水稻精量播種，機(jī)具在不斷完善中；2018年大疆推出了可選配播撒顆粒肥的播撒裝置。2019年，極飛科技在湖北、陜西、四川等地區(qū)推廣采用高速氣流直播技術(shù)的全自主播撒無人機(jī)，主要是水稻直播，作業(yè)效率80畝/h左右[4-5]。

2 離心式播撒技術(shù)

現(xiàn)代地面播撒設(shè)備應(yīng)用較為成熟，播撒方式多為離心式和氣力式2種，顆粒在物料箱通過自身重力下落在播撒盤上，離心式是利用播撒盤高速轉(zhuǎn)動(dòng)將物料播撒出去，而氣力式是利用風(fēng)機(jī)將下落的物料吹撒出去。

離心式拋撒技術(shù)的核心在于利用離心力將物料從高速旋轉(zhuǎn)的離心圓盤上甩出。離心圓盤通用性好，顆粒狀的肥料和作物種子均可使用，拋撒幅寬較大，應(yīng)用范圍較廣。但離心播撒方式落種區(qū)為環(huán)形，若航線規(guī)劃出現(xiàn)偏差，會(huì)出現(xiàn)重播和漏播現(xiàn)象。

3 播撒裝置關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)及工作原理

3.1 整機(jī)設(shè)計(jì)

如圖1所示，無人機(jī)本體1下部連接播種箱2，無人機(jī)本體1包括機(jī)體，機(jī)體內(nèi)置有無線接收控制裝置、蓄電池、機(jī)體四周陣列設(shè)置若干機(jī)臂，機(jī)臂端部設(shè)置電機(jī)，電機(jī)通過電機(jī)軸連接槳葉。通過兩個(gè)扣件連接固定機(jī)臂連接于播種箱2的方式將無人機(jī)本體1固定于播種箱2上。

圖1 整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

播種箱2下端連接至少兩個(gè)下料管10，每個(gè)下料管10下端連接撒種裝置3，每個(gè)撒種裝置3獨(dú)立運(yùn)行，通過撒種裝置3將垂直落下的種子撒開，通過調(diào)整使每一個(gè)下料管10下料的種子撒開半徑不同，以實(shí)現(xiàn)均勻播種。

下料管10管口的開關(guān)裝置4，控制種子是否落下。

開關(guān)裝置4包括通過第二連接桿8與播種箱2連接的固定板6，固定板6為橫向設(shè)置的長板；固定板6設(shè)置若干固定夾7，固定夾7固定下料管10，固定夾7數(shù)量大于下料管10的數(shù)量，且固定夾7陣列于固定板6上；固定板6垂直于下料管10下料方向的一端設(shè)置雙向直流電機(jī)5（即長板的一端），雙向直流電機(jī)5通過直流電機(jī)軸連接齒輪2，雙向直流電機(jī)5與齒輪2分別位于固定板6的兩邊；齒輪2下側(cè)設(shè)置與齒輪2配合的齒條3，齒條3下端固定設(shè)置開關(guān)板16，開關(guān)板16長度約等于固定板6；開關(guān)板16上端與下端分別設(shè)置限位滾輪11，限位滾輪11通過第三連接桿48與固定板6連接，開關(guān)板16在齒輪2與配合齒條3配合的一端只在下方設(shè)置限位滾輪11，通過限位滾輪11與齒輪2進(jìn)行上下方向的限位，另一端通過上下兩個(gè)限位滾輪11夾住開關(guān)板16進(jìn)行上下限位；開關(guān)板16朝向下料管10管口的位置延伸設(shè)置封閉片15，封閉片15的形狀與大小和下料管10管口相同，使得關(guān)閉狀態(tài)下下料管10的下料口被堵住，種子無法落下。該開關(guān)裝置4使用時(shí)，控制雙向直流電機(jī)5帶動(dòng)齒輪2，齒輪2帶動(dòng)開關(guān)板16上的齒條3，使開關(guān)板16左右平移，使封閉片15不再堵住下料管10的下料口，使種子落下。

多個(gè)伺服電機(jī)12以及雙向直流電機(jī)5通過無人機(jī)本體1機(jī)體內(nèi)置的無線接收控制裝置進(jìn)行控制、蓄電池進(jìn)行供電。

播種箱2設(shè)置起落支腿9，可以對上述整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行支撐，使播種無人機(jī)可以平穩(wěn)起落。

3.2 載機(jī)

載機(jī)是物料播撒作業(yè)裝置的載體，支撐著無人機(jī)播撒作業(yè)體系。目前，農(nóng)用無人機(jī)的主要機(jī)型分為單旋翼無人機(jī)和多旋翼（四旋翼、六旋翼、八旋翼等）無人機(jī)。

多旋翼無人機(jī)多以鋰電池提供動(dòng)力，續(xù)航能力較弱但更為穩(wěn)定。由于單旋翼無人機(jī)技術(shù)門檻較高，我國目前農(nóng)用無人機(jī)以多旋翼為主。

本研究設(shè)計(jì)一種多旋翼無人機(jī)機(jī)臂折疊裝置，可使旋翼機(jī)臂穩(wěn)定切換折疊和展開，特別是采用上折疊結(jié)構(gòu)，使機(jī)體折疊、運(yùn)輸更為方便，方便機(jī)體與播撒裝置拆裝，上下互不影響，節(jié)省空間，利于作業(yè)搬運(yùn)。

3.3 物料控制裝置

播撒裝置關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)及工作原理播撒裝置（圖2），包括一個(gè)連接在機(jī)臂的料桶、聯(lián)通料桶的送料管、下料嘴、擋板、播撒盤、電機(jī)、支架等組成。工作時(shí)將顆粒由料桶兩側(cè)的敞口端同時(shí)放入，以減小多旋翼無人機(jī)的振動(dòng)，然后啟動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)，顆粒通過料桶經(jīng)送料管和下料嘴送入到轉(zhuǎn)盤中，下料嘴下部出口端對準(zhǔn)播撒盤，在播撒盤的快速旋轉(zhuǎn)作用下使顆粒產(chǎn)生離心運(yùn)動(dòng)，沿轉(zhuǎn)盤的內(nèi)壁面上的各導(dǎo)向槽均勻甩出。

圖2 物料控制裝置

轉(zhuǎn)盤為頂面敞口的中空倒圓錐臺結(jié)構(gòu)，內(nèi)壁錐面傾角在5°～65°之間，優(yōu)選6°～8°之間，本裝置轉(zhuǎn)盤圓錐臺角度為7°，在飛機(jī)啟動(dòng)時(shí)可防止因振動(dòng)顆粒灑出，還可以提高顆粒拋出速度，且不影響主槳正常工作。該裝置使用分布式離心圓盤式播撒裝置，單片機(jī)控制第1電機(jī)帶動(dòng)播撒盤旋轉(zhuǎn)，控制第2電機(jī)用于開關(guān)出料口的閘門大小，通過雙重控制，使出料口的流量達(dá)到按需分配的效果。

3.4 播撒裝置

播撒裝置是無人機(jī)播撒作業(yè)體系的心臟，關(guān)乎播撒作業(yè)效果的好壞。目前應(yīng)用于農(nóng)用無人機(jī)的播撒裝置主要分為離心式和氣力式2種。

撒種裝置3包括通過第一連接桿3與出料筒4下端連接的伺服電機(jī)2，伺服電機(jī)2上端通過電機(jī)軸連接播撒盤1，為了實(shí)現(xiàn)播撒盤1將從下料管10垂直落下的種子撒開，播撒盤1設(shè)置由轉(zhuǎn)盤中心向圓周延伸出的薄筋條，筋條圓周陣列于播撒盤1上，使得落下的種子會(huì)被旋轉(zhuǎn)的播撒盤1上的筋條碰撞并向四周彈開，見圖3。

圖3 播撒裝置

離心圓盤式播撒裝置，下料管落料口設(shè)有滑桿連接的擋料滑蓋，通過單電機(jī)控制調(diào)節(jié)滑桿上對應(yīng)滑蓋遮擋下料筒的開度及播撒盤轉(zhuǎn)速進(jìn)行物料流量控制。

3.5 無人機(jī)播撒工作過程

將多個(gè)下料管10根據(jù)預(yù)先計(jì)劃的播種分散程度，設(shè)置于固定夾7上，可以是連續(xù)的幾個(gè)固定夾7，也可以是如圖中所示間隔設(shè)置；所有下料管10的下料口應(yīng)處于同一平面且剛好被封閉片15所堵住。

控制無人機(jī)升空，控制多個(gè)伺服電機(jī)12啟動(dòng)，使播撒盤14旋轉(zhuǎn)，并開啟雙向直流電機(jī)5使開關(guān)板16向左右某一方向平移，可以通過平移距離控制封閉片15與下料管10下料口之間的開口大小，控制種子流量。控制無人機(jī)按預(yù)設(shè)的播種航線進(jìn)行行駛，觀察落下的種子散布是否均勻，分別調(diào)整每個(gè)伺服電機(jī)12的轉(zhuǎn)速，改變對應(yīng)下料管10種子撒開的情況，直到整體種子撒開的均勻程度符合使用者預(yù)期。這種調(diào)整方式使得使用者可以根據(jù)不同的作物設(shè)定不同的種子播撒的均勻程度。

同樣的，本播撒裝置也可以用于肥料的播撒，使用方式與種子的播撒方式相似。

4 無人機(jī)播撒系統(tǒng)特點(diǎn)

無人機(jī)播撒的特點(diǎn)：①成本更低、效率更高。水稻直播能完成5.3hm2/h的作業(yè)，是人工播撒效率的50～60倍；②精準(zhǔn)播撒、顆粒均勻。系統(tǒng)設(shè)計(jì)有11L標(biāo)準(zhǔn)顆粒箱，適合直徑為1～10mm的種子、化肥、農(nóng)藥等，通過十字?jǐn)嚢枋诡w粒有效分離結(jié)塊和粘連，下落均勻；③該裝置可通過控制模塊接收流量監(jiān)測單元的數(shù)據(jù)，進(jìn)而通過出料調(diào)節(jié)單元?jiǎng)恿C(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)出料口的開關(guān)擋板來控制物料播撒，以達(dá)到多旋翼無人機(jī)均勻播撒物料的目的。設(shè)計(jì)的擋板式定量器通過伺服電機(jī)精確控制擋板的開合度將顆粒均勻地分撥到播撒盤，即可精準(zhǔn)控制用量及播撒密度，結(jié)合飛行速度，最終可實(shí)現(xiàn)變量播撒[6]。

5 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)的播散無人機(jī)采用分布式離心播撒裝置，可以調(diào)節(jié)播撒寬幅，同時(shí)可以調(diào)節(jié)播撒流量從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)播撒，在設(shè)定好相關(guān)參數(shù)后，通過手機(jī)就能控制無人機(jī)進(jìn)行全自主播撒作業(yè)，效率更高，一架無人機(jī)作業(yè)可達(dá)5.3hm2/h，一天作業(yè)8h可完成42.7hm2田地播種，是人工播撒效率的50～60倍[7]。不僅可以節(jié)省80%～90%的勞動(dòng)力，大大緩解用工緊缺問題，而且還可減少種子的投入，降低生產(chǎn)成本，提高種植收益。

無人機(jī)播撒技術(shù)的發(fā)展，是農(nóng)業(yè)種植模式實(shí)現(xiàn)全無人農(nóng)場實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，農(nóng)業(yè)種植模式發(fā)生改變，影響整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，土地，農(nóng)資，管理，機(jī)械設(shè)備的更新，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的真正實(shí)現(xiàn)，此外，多種技術(shù)的融入，通過將全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、遙感系統(tǒng)充分結(jié)合，可以為無人機(jī)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用提供全新方向。