油菜成條飛播裝置設計與試驗

黃小毛，徐胡偉，張 順，李文成，羅承銘，鄧宇飛

油菜成條飛播裝置設計與試驗

黃小毛1,2，徐胡偉1，張 順1，李文成1,2，羅承銘1,2，鄧宇飛1

（1. 華中農業大學工學院，武漢 430070；2. 農業農村部長江中下游農業裝備重點實驗室，武漢 430070）

為解決常見地面播種機器無法進入或進入經濟效益不高場景下的油菜播種問題，基于極飛P20商用植保無人機平臺，設計一種基于電驅離心條播式排種器的無人機油菜飛播裝置，以實現類似地面機器條播而非撒播的效果。首先對已有倒置錐筒離心式排種器進行改進，設計上凸錐筒離心式排種器結構，并確定排種盤和排種口等關鍵部件的結構參數。在分析該款無人機下洗氣流場分布規律的基礎上，提出了一種與該離心排種器配合使用的輔助導種裝置。排種性能臺架試驗表明，當排種轉速在40～220 r/min范圍逐漸增加時，單位時間總排量呈現先持續增加后趨于穩定，且在排種轉速為190 r/min時達到最大單位時間總排量179.65 g/min，可滿足無人機作業速度5 m/s所需的排量要求；各行排量一致性變異系數和總排量穩定性變異系數先減小后增大，分別分布在4.5%～12.6%和0.7%～6.2%范圍內；種子籽粒破損率隨排種轉速增大逐漸增大，但均在2%以內。樣機場地測試試驗表明，導種裝置高度在1.5～2.5 m范圍內變化時，成條指數與其沒有顯著相關性（=0.0769>0.05），且成條寬度不到設定行距的1/4。進一步的田間試驗結果顯示，成條指數為35.0%，播種均勻性變異系數為19.26%，滿足油菜條播農藝技術要求。

無人機；設計；油菜飛播；離心式排種器；旋翼氣流抗干擾技術

0 引 言

油菜是中國分布區域最廣、播種面積最大的油料作物，因其對土壤和熱量要求不高，具有廣適性[1]。油菜播種因區域不同對機具的選擇也需因地制宜。據統計，中國南方地區河灘、坡地總面積達240萬hm2[2]；冬閑田面積約650萬hm2[3]，這些區域是種植油菜作物的潛在耕地資源，但常見地面播種機器往往因為適應性問題無法進入或進入經濟效益不高。長期以來，油菜作為油料作物時往往與其他作物連作種植，播種時間短，對機具的作業效率要求高，南方水田土壤黏重、地塊面積狹小分散，大型地面播種機械難以行走，因此主要依靠人工撒播和移栽或小型播種機作業，耗工費時，成本較大[4-7]。

配備高精度自主飛行功能的無人機，具有地面機器無法比擬的高通過性、穩定性和作業效率等特點[8]。無人機體型小，操控靈活，可以實現航跡規劃和自動導航飛行，能在地面機械難以進入的場所進行作業[9]。隨著技術的進步，無人機已可達到12 m/s的飛行速度，該速度是常規地面機器作業速度的3～5倍，且具有大范圍實時可調的特點。因此，利用無人機飛播技術可有效解決部分地區的油菜機械化播種問題。

國內外已有關于無人機播種的研究報道[10-11]，廣州極飛科技、深圳大疆創新和珠海羽人等無人機生產企業已陸續開發出播種無人機，并進行了示范推廣，證明了無人機播種的可行性和實用性。相關學者也對無人機播種技術進行了研究，Li等[12]設計了一種水平離心圓盤式水稻撒播裝置，并進行了田間試驗。宋燦燦等[13]設計了一種氣力式無人機水稻撒播裝置，該裝置利用排種槽輪控制稻種排量，利用風機產生的高速氣流吹送稻種。陳雄飛等[14]設計的離心擺管式播種無人機，離心擺管繞著固定的旋轉中心旋轉使物料顆粒進入擺管，再在離心力的作用下從擺管末端拋撒出去。沿前進方向上的落種區是較多環形落種帶疊加形成的，存在較多重播和漏播，因此此類播種無人機通常只適用于飛播造林和飛播牧草等均勻性要求不高的領域。李遺[15]設計的適用于超低空飛行器的肥料撒播裝置，采用離心圓盤式排肥器半邊拋撒，落種帶呈扇形環狀。包勝軍等[16]設計的無人機撒播裝置利用閘門的移動控制出料口大小，調節播量，對閘門的控制精度要求較高，排量均勻性難以保證。Erico[17]嘗試一種基于螺旋送料器的樹種飛播裝置，用于飛播造林。上述飛播裝置，大多利用水平離心圓盤或外槽輪等核心器件對種子、化肥等物料向空中進行拋撒作業。由于投種高度較大且受無人機旋翼氣流的擾動，種子籽粒落點位置隨機性較大，一般整體上成面散點狀分布。已有的無人機播種屬于比較粗放的方式，播種效率高，但播種均勻性受因多種因素影響而不易控制。針對這一問題，該文結合油菜條播農藝技術要求，設計實現一種專用于油菜條播的無人機飛播裝置。

1 飛播裝置總體結構及工作原理

1.1 油菜條播農藝技術要求

油菜對播種期的反應非常敏感，對于長江中下游地區等冬油菜種植區而言，發芽適宜溫度為16～22 ℃，幼苗出葉溫度為10～15 ℃以上，一般要求在9月下旬到10月中旬播種，最遲不超過10月底[18]。地面機具條播播量每畝控制在150～250 g，隨著播種期的推遲播量逐漸增加，9月下旬播種一般為150 g，10月上旬播種一般為200 g，10月中旬播種一般為250 g[19-20]。油菜條播密度為225 000～375 000 株/hm2，實際播種時株距、行距和播種深度分別控制在0.04～0.07、0.20～0.4和0～0.02 m。

因飛播裝置不與地面土壤產生接觸，無法完成地面機具的開溝、覆土功能，因此為保證發芽率，油菜飛播時可采用3種模式：先地面機具旋耕并開溝后飛播，種子籽粒落入土壤顆粒間隙；先飛播后地面機具或人工開溝并利用開溝土壤進行種子籽粒覆土；加大播量純飛播。本文田間試驗時采用第一種模式。

1.2 飛播裝置總體結構

飛播裝置搭載于極飛P20型無人機上，主要由種箱、種箱支架和離心式排種器等組成，如圖1所示。其中種箱支架和舵機分別通過螺栓與無人機機架固定連接。

1.種箱 2.種箱支架 3.離心式排種器 4.橡膠軟管 5.無人機 6.排種電機7.罩殼 8.舵機 9.導種管 10.水平固定桿 11.變向接口 12.投種管 13.硅膠尾管

1.3 工作原理

工作時，無人機以適當高度懸停在空中，位于排種器上部種箱中的油菜種子籽粒在重力作用下下落，經進種口均勻連續地流入排種器外殼與排種盤所夾的充種室中。掛接導種裝置后解除無人機懸停指令，使其按照既定的軌跡實現自主飛行。同步啟動排種電機，驅動排種盤勻速旋轉，排種盤中的油菜種子籽粒在離心力和隔條的帶動作用下做勻速圓周運動，形成均勻規則的種子籽粒旋轉流動層。當流動層外緣種子籽粒與外殼內壁的型孔相遇時，種子籽粒被型孔囊入并排出，經過橡膠軟管、罩殼、導種管、變向接口和投種管，最后從硅膠尾管中排出至地表，實現一器多行精量排種作業。

1.4 技術參數

根據飛行器的特點及油菜條播農藝技術要求，擬定飛播裝置的主要技術參數如表1。

表1 飛播裝置（含極飛P20型無人機）主要技術參數

2 關鍵部件設計

2.1 離心式排種器結構設計

排種器是飛播裝置的核心工作部件，其性能直接影響到油菜飛播的作業質量和效率；搭載于地面機器上的離心式排種器體積大、排種效率低、對坡角比較敏感，難以滿足無人機飛播裝置高速條播的作業要求。本文將傳統地面機器使用的倒置內錐筒型排種盤[21]改進成上凸錐筒式，設計一種電驅、大排量的離心式油菜排種器，其結構如圖2所示。該排種器依靠油菜種子籽粒重力和離心力雙重作用充種，實現一器多行排種，不受機具振動和顛簸影響，具有比傳統倒置內錐筒型（下凹）離心式排種器更好的充種效果和作業穩定性。

圖2 上凸錐筒離心式油菜排種器結構

2.1.1 排種盤設計

針對傳統離心式排種器倒置錐筒型排種盤[5]可能導致的問題，本文改進后提出的離心式油菜排種器，其排種盤結構如圖3所示。排種盤型面為向外發散的傘狀，油菜種子籽粒自上而下靠自身重力、種群作用力和離心力進行充種、運種和排種。排種盤型面上設置6根均勻分布的隔條，在排種電機驅動下，充種間隙中的種子籽粒在隔條的帶動下隨著排種盤勻速旋轉，形成規則的種子籽粒旋轉流動層。

注：R1為排種盤型面半徑，mm；R2為排種盤半徑，mm；H為排種盤高度，mm，下同。

種子籽粒進入排種盤與外殼間隙后，在隔條作用下獲得與排種盤相同的回轉速度，在排種盤型面中間任意位置C點處受到以下各力的作用（忽略種子籽粒之間的相互作用及垂直于紙面的隔條推力），如圖4所示。

離心力、重力、排種盤反作用力、摩擦力分別為

式中為種子籽粒質量，kg；為排種盤角速度，rad/s；為種子籽粒中心位置到排種盤中心線的距離，m；為排種盤型面曲線C點處切線與水平面的夾角（簡稱切平角），(°)；為摩擦角，(°)；為重力加速度，m/s2。

注：O為排種盤型面圓心；A為排種盤型面頂部；B為排種盤型面底部；C為油菜籽在排種盤中的位置；為離心力，N；為重力，N；為排種盤反作用力，N；為摩擦力，N；為油菜籽中心位置到排種盤中心線的距離，mm；為型面曲線C點處切線與水平面的夾角，(°)；max為最大切平角，(°)；min為最小切平角，(°)；為摩擦角，(°)。

Note:O is the center of seed metering tray surface; A is the top of the seed metering tray surface; B is the bottom of the seed metering tray surface; C is the position of rapeseed in the seed metering tray;is centrifugal force, N;is gravity, N;is the reaction force of seed metering tray, N;is friction, N;is the distance from the center of rapeseed to the center line of seed metering tray, mm;is the angle between the tangent line at point C of tray surface and the horizontal plane, (°);maxis the maximum angle between tangent line and horizontal plane, (°);minis the minimum angle between tangent line and horizontal plane, (°);is the friction angle, (°).

圖4 排種過程種子籽粒受力分析示意圖

Fig.4 Force analysis diagram of rapeseed during seeding process

由力學分析可知，排種的必要條件為種子籽粒受到的摩擦力小于等于重力及離心力在切線方向上的分力之和，即

代入、和并化簡得

當=0時，即在頂點A處時，tan(?)≤0，也就是A點處的切平角max大于摩擦角，即可滿足種子籽粒從入口處順利進入排種盤與外殼間的間隙。

當≠0時，進一步有

式中由小變大（從0到排種盤半徑2），由大變小（從max到min），均與排種盤的形狀及結構參數相關，因此種子籽粒能否順利從A點運移至B點并從排種口排出的最低轉速主要取決于排種盤的半徑2、型面半徑1及圓心O的位置。考慮到無人機安裝位置及載重等因素，排種器應盡可能設計得小巧，取其直徑22=100 mm，高度=35 mm，排種盤型面半徑1=75 mm，max=60.99°，min=8.99°，排種盤型面與外殼內表面間間隙5 mm。由（7）式計算出種子籽粒處在最低點B時能夠被排出所需的最低轉速為18.79 r/min（試驗測得華油雜9號油菜種子籽粒與排種盤3D打印樹脂材料的摩擦角=10.12°）。

2.1.2 排種口設計

排種口結構如圖5所示，呈三通形式，有氣壓平衡口、型孔和排種出口3個出入口，通過螺栓固定連接至排種器外殼，作業時油菜種子籽粒在種群作用力和離心力的作用下，獲得較大的初始速度，被型孔囊入后順著彎管進入豎直管后，在重力作用下流向排種出口。根據離心式排種器型孔堵塞試驗結果[22]，取型孔直徑=3.8 mm。為保證型孔囊種后排種順暢，型孔后通道各處坡度均大于油菜種子籽粒滑動摩擦角[23]，且通道及排種口直徑1均大于型孔直徑，實際取1=6 mm。

1.氣壓平衡口 2.型孔 3.排種出口

1.Air pressure balance port 2.Metering hole 3.Metering outlet

注：為型孔直徑，mm；1為型孔后通道直徑，mm。

Note:is the diameter of metering hole, mm;1is the diameter of channel behind metering hole, mm.

圖5 排種口結構簡圖

Fig.5 Structural diagram of seed metering port

2.2 導種裝置設計

2.2.1 導種裝置整體結構和工作原理

無人機下方是個復雜多變的氣流場[24-25]，以下洗氣流為主，同時又存在水平面內橫向和縱向（相對于機器前進方向）的流動和因機器前進（會有一定前傾）導致的前方來流（向下、向后）。種子籽粒在氣流裹挾下大體上相對于地面向下向后運動，受到重力、空氣阻力、下洗氣流作用力、縱向氣流作用力和橫向氣流作用力等多個力的作用。作用力的大小和方向可能隨時間變化，很難給出定量的理論分析和計算。各種氣流交織在一起，即使在無自然風的條件下，也會使得排種后種子籽粒無法繼續有序定向移動。

為抑制無人機旋翼氣流對種子籽粒運移軌跡的擾動、降低種子籽粒投種高度，以保證種子籽粒落地成條的效果，設計一種如圖6所示的專用導種裝置，主要由機載部分和手持部分組成。其中機載部分由罩殼支撐桿、罩殼安裝支架、輕質橫桿、罩殼、舵機和舵機安裝架等組成，舵機轉動臂帶動橫桿做一定角度的轉動，舵機及罩殼分別通過舵機安裝架及罩殼安裝支架固定在無人機腳架上，罩殼上方6個通道分別通過橡膠軟管連接至排種器排種出口；手持部分由梯形接頭和導種管及變向接頭、投種管和硅膠尾管等組成。

在作業前的準備階段，導種裝置兩部分通過人工拾舉方式進行銜接。如表2所示，先將無人機懸停在空中適當高度，通過遙控器遙控操作4個舵機同時帶動橫桿向外張開，然后人工拾舉導種裝置的手持部分，將梯形接頭推入罩殼正下方，當梯形接頭上表面及側壁與罩殼內壁貼合時，再次按下遙控器相應按鍵，使舵機帶動橫桿向中間合攏，舵機轉動臂旋轉到豎直方向時鎖止，兩根橫桿與梯形接頭下表面漸進接觸，從而實現梯形接頭與罩殼緊密貼合，完成種子籽粒通道的有效銜接。作業完成后，采用相反的動作人工取下梯形接頭。

1.罩殼支撐桿 2.罩殼安裝支架 3.輕質橫桿 4.梯形接頭 5.罩殼 6.舵機7.舵機安裝架 8.導種管 9.變向接頭 10.投種管 11.硅膠尾管 12.導種通道

表2 導種裝置銜接過程

注：1為罩殼，2為舵機，3為梯形接頭。

Note: 1 is the cover, 2 is the steering motor and 3 is the trapezoid joint.

2.2.2 導種裝置參數設計

首先，為確保導種裝置順利的銜接、分離和操作人員的安全，對罩殼和梯形接頭的機構及參數的設計要綜合考慮極飛P20下方空間大小以及操作過程中的便捷性和可靠性。其次，導種管的作用是使得從排種器出口出來的種子籽粒流盡可能少地受到旋翼氣流的干擾，從而能夠繼續定向有序分配到地表廂面上。其高度方向的尺寸決定了對氣流的抑制效果。

采用ANSYS有限元模擬仿真手段獲得極飛P20型四旋翼無人機產生的下洗氣流場。如圖7a所示，總計算區域劃分為4個動域和1個靜域：每個動域為單個無人機槳片帶動空氣旋轉的圓柱型區域，半徑為0.45 m（略大于無人機槳片的半徑），高度為0.04 m（略大于無人機槳片的空間高度），轉速設置為2 500 r/min；靜域為圓柱型外部流場區域，半徑為2 m，高度為5 m。采用標準-湍流模型，壓力與速度耦合采用SIMPLE解法，控制方程中的對流相和擴散相均設置為二階迎風格式。仿真結果如圖7b～7f所示，沿豎直（軸）、橫向（軸）和縱向（軸，即作業方向）考察氣流速度分矢量可知，不同方向的氣流對種子籽粒落地成條效果的影響是不同的，其中影響最大的是水平面的橫向流動，因其大小變化及與其他方向流動交互作用，會極大改變種子籽粒的橫向位置分布，因此抑制或削弱其影響是導種裝置的首要任務。從圖7b～7f可以看出，每個旋翼正下方均存在急速變化的氣流擾動區，旋翼平面下方0～1.5 m的范圍內，下洗氣流速度較大，各旋翼下洗氣流交叉較少，但之后逐漸匯聚成一體，且水平面內存在分速度。氣流作用區域內的各方向分速度隨離旋翼平面的距離增大而逐漸減小。為保證獲得較好的種子籽粒落地成條效果，導種管的設置十分有必要。其長度要兼顧考慮氣流擾動抑制、人員風險操作和作業飛行安全等多個因素。在播種行距（即末端投種管間距）0.3 m前提下，取硅膠尾管末端離地高度（即投種高度）為0.2 m，并準備導種裝置高度為1.5、2.0和2.5 m對應的導種管，用于試驗優選評估。

注：A為動域，B為無人機槳片，C為靜域；z為距離旋翼平面的垂直高度，m。

2.3 控制系統設計

控制系統包括機載排種控制系統和手持遙控器兩部分，二者通過E32-TTL-100型無線通信模塊進行通信。如圖8所示，根據作業飛行速度匹配的排量要求，設定對應排種轉速后，通過手持遙控器上傳至機載排種控制系統，后者實測P20無人機離心噴頭的工作狀態并自動實時啟停排種器，而導種裝置舵機動作在作業準備階段和終了階段由人工通過遙控器控制。

圖8 無人機飛播裝置控制邏輯

3 排種性能臺架試驗

進行臺架試驗，以驗證排種系統的各項排種性能指標能否滿足油菜播種農藝要求以及單位時間總排量能否滿足最大作業速度5 m/s所需的排量要求。

3.1 試驗指標

參考《GB/T 9478-2005谷物條播機試驗方法》規定的試驗方法和指標[26]，選取各行排量一致性變異系數CVR、總排量穩定性變異系數CVT和種子籽粒破損率為試驗指標，進行排種性能試驗。試驗指標的計算公式如下：

式中為平均行排量，g/min；i為第行排量均值，g/min；為試驗次數，為單位時間總排量均值，g/min；j為第次的單位時間總排量，g/min；1為試驗中破損種子籽粒的質量，g；為試驗中排出的所有種子籽粒的質量，g。

3.2 試驗條件及方法

將機器固定在室內臺架裝置上，如圖9所示。

1.種箱 2.排種器 3.無人機 4.試驗臺架 5.導種管 6.種子籽粒收集袋

以商品化的華油雜9號油菜種子籽粒（千粒質量為4.24 g、含水率為8.9%）為試驗對象，排種轉速設定7個水平（40、70、100、130、160、190、220 r/min），每個水平下重復3次，每次測定時間為1 min，收集各行排出的種子籽粒，分別稱質量，再匯總后人工篩選出破碎損傷的種子籽粒并稱質量。記錄并根據相關公式計算得到表3所示試驗數據。

表3 排種轉速對排種性能的影響

注：CVR為各行排量一致性變異系數、CVT為總排量穩定性變異系數。

Note: CVR is variability coefficient of the apiece row seeding quantity consistency, CVT is variability coefficient of the total seeding quantity stability.

3.3 試驗結果分析

各項排種性能指標及排量隨排種轉速變化曲線如圖10所示。分析可以看出，排種器單位時間總排量隨著排種轉速增加呈現先持續增加后趨于穩定。當排種轉速為40～190 r/min時，單位時間總排量與排種轉速的擬合關系式為

各行排量一致性變異系數在排種轉速較低時值較大，達到12.6%，在排種轉速為40～160 r/min時隨排種轉速逐漸減小，之后隨著排種轉速增加稍有增加。說明排種盤低速轉動時各行排量不穩定，但總體上維持在4.5%～12.6%范圍內。該系數反映各行排種通道的差異性，取值越大說明差異越大。試驗中排種器排種口、梯形接頭等部分零件采用3D打印制作而成，若采用機加工或注塑方式制作，有望進一步減小該指標取值。

總排量穩定性變異系數隨著排種轉速的增加，先急劇下降后緩慢變化，當排種轉速較大時，有所增加，但增幅不大。總體上維持在0.7%～6.2%范圍內。種子籽粒破損率隨排種轉速增加而緩慢增加，最大值為1.673%，小于2%。綜上，排種器性能各系數指標基本滿足油菜條播農藝技術要求[27]。

3.4 單位時間總排量匹配性分析

按照油菜條播農藝技術要求[27]，無人機作業過程中單位時間內用種量為

式中為單位時間內的用種量，g/min；為作業幅寬，m；為飛行作業速度，m/s；為株距，m；為行距，m；為油菜種子籽粒千粒質量，g。

所設計的飛播裝置搭載6行離心式油菜排種器，作業幅寬為1.8 m，最大作業飛行速度為5 m/s，株距0.05 m，行距0.3 m，華油雜9號油菜種子籽粒千粒質量4.24 g。經計算，作業過程中所需最大用種量為152.64 g/min。排種性能試驗中，一分鐘最大平均排量為179.65 g，說明所設計的排種系統能夠滿足最大設定飛播作業速度條件下的播量要求。

進一步，在實際作業過程中可根據設定的飛行作業速度取值，先利用式（14）計算出單位時間理論用種量，再根據式（13）反算推出得到對應的排種轉速計算式（15），并綜合土壤墑情考慮發芽率后適當增大取值。

4 樣機場地測試試驗

飛播種子籽粒落地成條效果受排種系統固有分散度（靜止臺架試驗效果）、飛行器飛行過程中的橫向振幅、自然風和旋翼氣流等多個因素影響，很難準確量化計算。為驗證所設計飛播裝置的作業效果，并得到合適的導種裝置高度參數，于2019年9月24－30日在華中農業大學拖拉機駕駛場進行樣機場地測試試驗。

4.1 試驗條件

選用華油雜9號油菜種子籽粒，設定排種轉速60 r/min，無人機選擇自主飛行作業模式，作業速度為2 m/s，作業飛行高度根據導種裝置高度進行設定，保證末端離地高度0.2 m左右，自然風風速<2級。試驗場地長度約為40 m，兩頭設置加減速緩沖區各15 m，選取中間10 m的勻速飛行區域為采樣區，如圖11所示。因油菜種子籽粒細小且具有較好彈性，在采樣區連續設置若干泥盒以承接下落種子籽粒，以達到固定并顯示種子籽粒的目的。任意選取中間泥盒的某處測量點測量每一行導種管對應的種子籽粒成條寬度，取平均值。導種裝置豎直方向高度分別為1.5、2.0和2.5 m，每一導種裝置高度值的試驗重復3次。

圖11 數據采集區示意圖

4.2 評價指標

目前尚無油菜飛播作業效果評價的國家或行業標準，為此本文提出成條指數的概念。無人機按照擬定飛行速度和作業高度直線飛行作業40 m，考察穩定作業航線段內地面上種子籽粒的分布成條規律，若呈帶狀分布且種子帶的最大寬度為，定義該寬度與播種設定行距的比值為條播成條指數，即=/。該指數反映種子籽粒的分布集中度，取值越小，種子籽粒分散度越小、集中度越好。

4.3 試驗結果

根據前述試驗方法，得到表4所示試驗結果。可以看出，3種高度導種裝置條件下的成條指數均較小，成條寬度（落地后種子籽粒分布狀況典型結果如圖12所示）不到設定行距的1/4，且在1.5～2.5 m范圍內的導種裝置高度與成條指數沒有顯著相關性（=0.076 9）。

表4 導種裝置高度與成條指數的關系

圖12 泥盒中油菜種子籽粒典型分布狀況（導種裝置高度2 m）

分析原因可能為：一方面，種子籽粒從排種器出口出來后，在導種管內不受旋翼氣流干擾且內腔通過性較高而在自重下加速下落，從尾管出來時已獲得較大速度且3種高度導種裝置的差別不大，而在0.2 m投種高度范圍內的停留時間非常短；另一方面，旋翼平面下方1.5 m之外的氣流擾動已開始大大減弱。

5 田間試驗

為進一步驗證該裝置的實際應用效果，于2019年10月10日在湖北省咸寧市馬橋鎮油菜花海基地開展了田間播種試驗，如圖13a所示。選取長為50 m、寬為20 m的試驗田塊，前茬作物為水稻，試驗前使用旋耕機進行淺旋并開溝。選取華油雜9號油菜種子籽粒，設定無人機自主飛行作業，作業速度為2 m/s，根據公式（15）推算后并適當放大得到排種轉速為60 r/min，選用2 m的導種裝置，試驗時天氣晴好，自然風風速<2級。

圖13b為播種30 d后的油菜出苗效果。在田間隨機選取18段，以1 m為測算單位，測得成條寬度和出苗數如表5所示，進一步分析得到該飛播裝置作業時成條指數為35.0%，播種均勻性變異系數為19.26%，滿足油菜條播農藝技術要求[27]。

圖13 田間試驗

表5 田間苗情調查結果

在進行樣機場地測試試驗時，采用泥盒承接落下的油菜種子籽粒，能夠很好地固定油菜種子籽粒，方便數據測量。而實際田間試驗過程中，播種效果受整地質量和無人機地表卷揚氣流影響，排出的油菜種子籽粒一部分落入土壤間隙中，另一部分落入土壤表面，反彈或受到卷揚氣流作用離散開，而增加了成條寬度。此外，相對于種子籽粒，油菜苗的實際大小也會增大測量誤差。因此田間試驗出苗成條指數略大于場地測試試驗數據。

6 結 論

基于商用植保無人機平臺（極飛P20）開發了一種可近似實現條播效果的油菜飛播裝置，采用電驅集排離心式排種器排種，配合專用導種裝置導種，有效抑制無人機旋翼氣流對下落種子籽粒的擾動作用，實現高速、精量條播（而非“漫”撒播）的播種效果。

1）開展排種性能試驗，得出了排種轉速對各行排量一致性變異系數、總排量穩定性變異系數和種子籽粒破損率的影響規律。當排種轉速在40～220 r/min范圍逐漸增加時，單位時間總排量呈現先持續增加后趨于穩定；各行排量一致性變異系數和總排量穩定性變異系數先減小后增大；種子籽粒破損率逐漸增大，但均在2%以內。

2）樣機場地測試試驗表明，導種裝置高度在1.5～2.5 m范圍內時，成條指數與其沒有顯著相關性，但綜合考慮到在實際作業過程中人員操作風險及便利性等因素，建議選用2 m作為該導種裝置的適宜高度。在該條件下開展的田間試驗表明，所設計的油菜飛播裝置滿足油菜條播農藝技術要求。

[1] 李兆東，雷小龍，曹秀英，等. 油菜精量氣壓式集排器的設計與試驗[J]. 農業工程學報，2015，31(7)：9－17.

Li Zhaodong, Lei Xiaolong, Cao Xiuying, et al. Design and experiment of pneumatic-typed precision centralized metering device for rapeseed[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of CSAE), 2015, 31(7): 9－17. (in Chinese with English abstract)

[2] 黃海東，舒彩霞，段宏兵，等. 我國油菜機械化播種技術研究現狀與發展趨勢[C]//紀念中國農業工程學會成立30周年暨中國農業工程學會2009年學術年會（CSAE 2009）論文集，2009：411－414.

[3] 傅廷棟. 油菜遺傳改良與機械化[J]. 農業技術與裝備，2008(5)：10－11.

Fu Tingdong. Genetic improvement and mechanization of rape[J]. Agricultural Technology and Equipment, 2008(5): 10－11. (in Chinese with English abstract)

[4] 廖慶喜，雷小龍，廖宜濤，等. 油菜精量播種技術研究進展[J]. 農業機械學報，2017，48(9)：1－16.

Liao Qingxi, Lei Xiaolong, Liao Yitao, et al. Research progress of rape precision seeding technology [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(9): 1－16. (in Chinese with English abstract)

[5] 廖慶喜，張寧，張朋玲，等. 一器多行離心式油菜排種器[J]. 農業機械學報，2012，43(2)：48－51.

Liao Qingxi, Zhang Ning, Zhang Pengling, et al. A multi row centrifugal seed metering device for rape[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(2): 48－51. (in Chinese with English abstract)

[6] 袁文勝，吳崇友，金誠謙. 異形孔窩眼輪式油菜排種器設計與試驗[J]. 農業機械學報，2009，40(5)：72－75.

Yuan Wensheng, Wu Chongyou, Jin Chengqian. Design and test of wheel seed metering device with special hole and socket hole for rape[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2009, 40(5): 72－75. (in Chinese with English abstract)

[7] 李明，劉曉輝，廖宜濤，等. 氣力滾筒式油菜精量集排器[J]. 農業機械學報，2013，44(12)：68－73.

Li Ming, Liu Xiaohui, Liao Yitao, et al. Pneumatic roller type precision row collector for rape[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(12): 68－73. (in Chinese with English abstract)

[8] Zhang C, Kovacs J M. The application of small unmanned aerial systems for precision agriculture: A review[J]. Precision Agriculture, 2012, 13(6): 693－712.

[9] Cai G, Dias J, Seneviratne L. A Survey of small-scale unmanned aerial vehicles: recent advances and future development trends[J]. Unmanned Systems, 2014, 2(2): 175－199.

[10] Xiao X, Wei X, Liu Y, et al. Aerial seeding：an effective forest restoration method in highly degraded forest landscapes of sub-tropic regions[J]. Forests, 2015, 6(12): 1748－1762.

[11] Anderson G W, Batini F E. Pasture, sheep and timber production from agro-forestry systems with subterranean clover sown under 15-year-old Pinusradiata by a method simulating aerial seeding[J]. Australian Journal of Experimental Agriculture, 1983, 23(121): 123－130.

[12] Li J Y, Lan Y B, Zhou Z Y, et al. Design and test of operation parameters for rice air broadcasting by unmanned aerial vehicle[J]. International Journal Agricultural and Biological Engineering, 2016, 9(5): 24－32.

[13] 宋燦燦，周志艷，姜銳，等. 氣力式無人機水稻撒播裝置的設計與參數優化[J]. 農業工程學報，2018，34(6)：80－88.

Song Cancan, Zhou Zhiyan, Jiang Rui, et al. Design and parameter optimization of pneumatic rice sowing device for unmanned aerial vehicle[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of CSAE), 2018, 34(6): 80－88. (in Chinese with English abstract)

[14] 陳雄飛，周博聰，劉木華，等. 一種離心擺管式播種無人機[P]. CN207631497U，2018-07-20.

[15] 李遺. 一種超低空遙控飛行播種施肥機：CN205418091U[P]. 2016-08-03.

[16] 包勝軍. 一種播撒裝置及飛行播撒裝置：CN106612829A[P]. 2017-05-10.

[17] Erico P F. Seed plant drone for reforestation[J]. The Graduate Review, 2017, 2: 13－26.

[18] 敖禮林. 油菜直播豐產增效栽培技術[J]. 農村百事通，2018(19)：29－31.

[19] 劉震林. 油菜籽機械化條播技術[J]. 江蘇農機化，2002(2)：11－12.

[20] 黃麗霞. 油菜直播技術[J]. 湖南農業，2018(9)：16.

[21] 翁衛國，李建莊. 離心排種器試驗研究[J]. 農業機械學報，1991，22(2)：28－34.

Weng Weiguo, Li Jianzhuang. Experimental study on centrifugal seed metering device[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 1991, 22(2): 28－34. (in Chinese with English abstract)

[22] 曹秀英，廖慶喜，叢錦玲，等. 離心式油菜精量排種器型孔結構設計與試驗[J]. 農業機械學報，2014，45(S1)：40－46.

Cao Xiuying, Liao Qingxi, Cong Jinling, et al. Holestructure design and test of centrifugal precision metering device for rape[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(S1): 40－46. (in Chinese with English abstract)

[23] 趙進輝，吳明亮，湯楚宙，等. 油菜籽粒物理特性對排種器性能影響的試驗研究[J]. 湖南農機，2004(1)：18－19.

Zhao Jinhui, Wu Mingliang, Tang Chuzhou, et al. Experimental study on the effect of physical characteristics of rape seed on the performance of seed metering device[J]. Hunan Agricultural Machinery, 2004(1): 18－19. (in Chinese with English abstract)

[24] Yang Fengbo, Xue Xinyu, Zhang Ling, et al. Numerical simulation and experimental verification on downwash air flow of six-rotor agricultural unmanned aerial vehicle in hover[J]. International Journal of Agricultural and Biological Engineering, 2017, 10(4): 41－53.

[25] 沈奧，周樹道，王敏，等. 多旋翼無人機流場仿真分析[J]. 飛行力學，2018，36(4)：29－33.

Shen Ao, Zhou Shudao, Wang Min, et al. Simulation and analysis of multi-rotor UAV flow field[J]. Flight Dynamics, 2018, 36(4): 29－33. (in Chinese with English abstract)

[26] GB/T 9478-2005：谷物條播機試驗方法[S]. 北京：中國標準出版社，2006.

[27] NY/T 2709－2015：油菜播種機作業質量[S]. 北京：中國標準出版社，2016.

Design and experiment of a device for rapeseed strip aerial seeding

Huang Xiaomao1,2, Xu Huwei1, Zhang Shun1, Li Wencheng1,2, Luo Chengming1,2, Deng Yufei1

(1.430070; 2.430070)

UAV can realize track planning and automatic navigation flight due to its small size and flexible operation performance. It has been widely used in the agricultural field for its advantages of high obstacle crossing performance, stability and operation efficiency comparing to ground machines. At present, most UAV based aerial seeding devices use core parts like horizontal centrifugal disc or outer groove wheel to scatter seeds, fertilizers and other materials in the air. Due to the high seeding height and the disturbance of UAV rotor air flow, the randomness of material particles after landing is very large, and they are generally scattered on the whole plane. Although it has high seeding efficiency, it belongs to a relatively extensive seeding mode for that it is not easy to control the seed uniformity affected by many factors. In view of the above problems, a kind of rapeseed aerial seeding device based on an electrically driven centrifugal seeding meter was designed and tested for XAG P20 which is a commercial crop protection UAV. The aerial seeding device can seed in lines instead of wide area, and is more conducive to improve the uniformity of seedlings and the convenience of field management during crop growth.In this study, we first improved the design of the concave cone centrifugal seed metering device and determined the structural parameters of the key components such as seed metering tray and seed metering port. Then, based on ANSYS Fluent simulation software, the distribution of downwash air flow field of the XAG P20 drone was analyzed. An auxiliary seed guiding device used in combination with the centrifugal seed metering device was proposed and built. Three experiments including the seed metering performance test, the prototype test and the field test were carried out to analyze and study the functions of the aerial seeding device. The results showed that the total seeding quantity per unit time increased when the seeding rotation speed increased from 40 to 190 r/min, and the maximum total seeding quantity reached 179.65 g/min at 190 r/min, which can meet the requirements of 0-5m/s operation speed of the drone; the variation coefficient of consistency and stability of apiecerow seeding quantity decreased first and then increased, which were distributed in the range of 4.5%-12.6% and 0.7%-6.2% respectively. The damage rate of seeds increased gradually, but all of which were within 2%. The prototype test showed that when the height of the seed guiding device wasin the range from 1.5 to 2.5 m, the width of the seed strips was less than 1/4 of the row spacing, and the striping index of the seed had no significant correlation with it. However, considering the operational risk and convenience of the personnel in the actual operation process, the height of 2m was selected as the appropriate height of the seed guiding device. Under that condition, the field experiment results showed that the strip index was 35.0%, the variation coefficient of sowing uniformity was 19.26%. The device designed in this study can meet the technical requirements of rape drilling.

UAV; design; rape aerial seeding; centrifugal seeding meter; anti-disturbing technology of rotor air flow

2019-11-13

2020-02-26

國家自然科學基金面上項目（31771683），中央高校基本科研業務費專項資金資助項目（2662018PY08），湖北省自然科學基金項目（2019CFB752）。

黃小毛，副教授，主要從事現代農業裝備設計與測控方面的研究。Email：huangxiaomao@mail.hzau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.009

S251

A

1002-6819(2020)-05-0078-10

黃小毛，徐胡偉，張 順，李文成，羅承銘，鄧宇飛. 油菜成條飛播裝置設計與試驗[J]. 農業工程學報，2020，36(5)：78－87. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.009 http://www.tcsae.org

Huang Xiaomao, Xu Huwei, Zhang Shun, Li Wencheng, Luo Chengming, Deng Yufei. Design and experiment of a device for rapeseed strip aerial seeding[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(5): 78－87. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.009 http://www.tcsae.org