四旋翼無人機撒播參數對黃芪種子分布的影響

劉 琪,蘭玉彬,3,單常峰,毛越東,趙德楠,魯文霞

(1.山東理工大學 農業工程與食品科學學院,山東 淄博 255000;2.國家精準農業航空施藥技術國際聯合研究中心山東理工大學分中心, 山東 淄博 255000;3.山東省農業航空智能裝備工程技術研究中心,山東 淄博 255000;4.深圳高科新農技術有限公司,廣東 深圳 518000)

0 引言

播種作為農業生產環節中的重要一環,在我國經歷了較長時間的發展,從人工播種到機械化聯合作業,實現了勞動力的更替和勞動效率的飛躍。按照播種機排種器的結構可分為窩眼式、振動式、圓盤式、槽輪式、攪龍式、環帶式、指夾式、推桿式和帶式等機械式排種器,以及氣吹式、氣壓式和氣吸式等氣力式排種器[1]。此外,利用其他技術也研發了壓電型振動氣吸式排種器[2]、電磁式排種機[3]、基于變量系統的排種施肥機[4]等。由于我國復雜的地形[5]限制了大型播種機在我國的發展,雖然研發了大量的適合不同作物作業的播種機[6-8],但南方多丘陵山地,地面機械在切換地塊與作業速度上都存有作業效率低下的問題[9],能夠突破地勢限制的高效率播種機成為我國農業播種管理的迫切需求。

農業航空撒播技術在不受地勢地貌限制的同時,與地面零接觸,避免了傳統地面機械由于碾壓對地面的壓實作用[10]。相關研究表明,無人機在農業上的作業效率為4.11hm2/h[11],遠高于地面機械的作業效率。相比于有人駕駛飛機,無人機不需要專用機場,在田間可靈活起降與切換地塊[12],撒播技術的發展彌補了地面機械在小面積區域及丘陵山區無法下地作業的盲區,降低了勞動力和農業生產成本[13]。

我國農業航空撒播技術最早應用在有人駕駛固定翼飛機和直升機上,主要進行飛播造林和飛播牧草作業[14]。目前,排種系統已趨于成熟,而應用于無人機上的排種系統目前還處于研發初期階段。無人機在防治病蟲害方面得到了飛躍的發展并取得了實質性的進展[15-19],在農業領域的應用顯示出巨大的潛力。深圳高科新農技術有限公司、珠海羽人、大疆創新等公司在已有的植保無人機的基礎上相繼推出了無人駕駛撒播機,撒播裝置采用離心圓盤式的結構,利用離心力實現種子的拋撒。華南農業大學宋燦燦等人[20]設計了氣力式的無人機水稻撒播裝置,通過對撒播裝置的關鍵部件進行仿真和試驗,優化出了較佳的氣流出口直徑,試驗表明：無人機的作業高度為2m時是試驗機型的適宜作業高度。周龍等人[21]研究對比了育秧手插、機插和無人機撒播3種播種方式對水稻植株抗倒伏的影響,發現無人機撒播水稻莖稈抗折力和倒伏指數與水稻莖稈、節間長、莖稈粗等關系顯著。然而,針對我國市場上普遍存在的離心圓盤式無人播種機的作業參數的優化研究目前還尚未報道。

為了優化出撒播無人機作業時的最佳作業參數,提高無人機作業效果,針對深圳高科新農技術有限公司研發的四旋翼撒播無人機進行了試驗研究,對物料倉的出料口大小、撒播轉盤的離心轉速以及飛行高度等參數進行了優化設計,以期為撒播無人機的實際作業提供科學的數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗設備與材料

1.1.1 試驗設備

試驗機型選用深圳高科新農技術有限公司研發的四旋翼電動無人機M23-G,搭載物料撒播系統,如圖1所示。飛機機體的尺寸為(長×寬×高)：938mm×938mm×596mm,安全飛行速度≤7m/s,整機質量為15kg。撒播系統由物料倉、出料口控制器、離心式轉盤和轉動軸組成,物料倉的容積為20L,標準作業載荷為10kg,撒播半徑為2～5m。物料倉上部為長方體,下部為圓錐體;離心式轉盤盤面等分為6個扇形區域,即每個區域的圓心角為60°,轉盤直徑為19.5cm。

圖1 四旋翼M23-G撒播機Fig.1 Four-rotor M23-G broadcasting machine

1.1.2 試驗材料

因為黃芪多種植在山坡上,地面播種機械作業困難,且黃芪種子適合撒播播種,因此選用黃芪種子作為試驗時的撒播樣本種子。試驗選用橫截面直徑為0.1m的收集器收集黃芪種子,為保證收集器作業時不受旋翼風場和外界風場的擾動,用體積較小的石塊放入收集器內壓制。試驗儀器包括卷尺、高精度電子稱、收集袋及秒表等。

1.2 試驗場地與條件

試驗于2018年12月11日在廣東省深圳市大鵬新區華大基因試驗田(東經114°29′4″,北緯22°34′27″,海拔10m)進行。試驗田的大小為50m×100m,土地平整。為了避免無人機起飛加速或臨近田地邊界時減速時飛行速度不穩定對試驗結果的影響,將試驗采樣區設置在試驗田的中部位置,距田地邊界長度超過30m。試驗期間氣溫21～23℃,濕度51%～55%。

1.3 試驗方案設計

1.3.1 作業參數的設置

為了避免飛行速度過大引起的飛行不穩定性及飛行速度過小導致效率低下的問題,選擇飛控操作手常規作業速度4m/s作為試驗時的飛行速度。

種子的流量通過遙控器控制物料倉出料口大小進行調控,遙控器上的控制旋鈕被分為30等份,相應出料口的大小也被分為30等份。對2kg黃芪種子進行了若干次的流量計算,控制旋鈕每旋轉一格,記錄一次種子全部流出時所用時間。對流量記錄結果進行觀察和分析可知：出料口過大,流量變大,種子撒播過密;出料口過小,流量變小,種子撒播稀疏。因此,對旋鈕所在位置的9～16格區間內進行了流量的測定,每次流量測試重復3次取平均值。表1為出料口大小和時間的對應表。通過觀察流量表中的時間數據,結合飛機飛行速度和種子撒播時適宜的密度范圍,選擇出料口大小為11/30、13/30和15/30作為試驗的3個水平,相對應2kg黃芪種子全部流出的時間為51、41、33s。

表1 流量表Table1 Flow table

撒播系統離心式轉盤的轉速同樣受遙控器上的旋鈕控制,且旋鈕分為30等份,根據飛行員的作業經驗,選用8/30、10/30和12/30等3個水平的轉速作為試驗參數。飛行高度選用1、1.5、2m作為試驗的3個水平。

1.3.2 試驗方案設計

通過設計3因素3水平的正交試驗,考察飛行器飛行高度、出料口大小和轉盤轉速對撒播后黃芪種子分布的影響,選用L9(34)正交表進行試驗,試驗因素水平表和正交表如表2和表3所示。

表2 試驗因素和水平對應表Table 2 Corresponding table of test factors and levels

表3 正交試驗方案Table 3 Orthogonal design

1.3.3 采樣點布置

在采樣區布置兩條采樣帶,每條采樣帶的長度均為12m,兩條采樣帶之間的距離為10m,采樣帶的延伸方向與飛機飛行方向垂直,以飛機飛行航線為0m,面向飛機飛行方向左側采樣區為-6～0m,右側為0～6m,采樣帶中相鄰采樣點之間的距離為0.5m,并在每個采樣點處放置收集器,如圖2所示。

(a) 試驗方案示意圖

1.4 數據分析方法

1.4.1 種子分布數據采集與處理

每次飛行試驗結束,待飛機平穩降落停止工作后,對田間收集器中的種子數據進行采集計數。為表征種子分布均勻性,試驗采用種子個數變異系數(Coefficient of Variation,CV)來衡量9次試驗主要沉積區內采樣點間種子的分布情況。變異系數為

(1)

(2)

1.4.2 撒播參數顯著性分析

為分析撒播飛行高度參數、轉盤轉速參數和出料口大小參數對撒播時種子分布狀態的影響,對試驗結果中主要沉積區內的種子分布數據進行極差分析。采用數據統計軟件SPSS對數據進行分析。其中,飛機飛行高度、轉盤轉速和出料口大小3個因素均分為3個水平。

2 結果與分析

2.1 種子分布狀態分析

飛機飛行試驗結束后,采集收集器中黃芪種子并記錄每個采集點采集到的種子個數,對位于兩條采樣帶同一位置收集器中的種子個數做均值化處理,可得到種子分布狀態圖如圖3所示。由圖3可以看出：采樣帶上種子基本呈現出正態分布,黃芪種子主要分布在-1.5～3m區間內,在此區間內大多數采集器中收集到的種子個數大于2,種子關于采樣點1m處對稱分布,與飛機飛行航線不一致。出現這種現象的原因可能是采樣區距離飛手較遠,通過視線校準飛行航線存在一定的視覺誤差,因種子自身質量及在轉盤中受離心力的作用慣性力較大,在一定程度上受旋翼風場和周圍環境風場的影響較小。通過對圖3的直觀觀察,可以看出：主要分布區間內試驗1和試驗7種子的分布較為集中,即出料口大小為11/30、飛行高度為1.5m、轉盤轉速為8/30,以及出料口大小為15/30、飛行高度為1.5m、轉盤轉速12/30。

圖3 種子分布狀態圖Fig.3 Seed distribution diagram

2.2 種子分布均勻性分析

表4為主要沉積區內種子均勻性分布狀態表。由表4可以看出：種子分布個數變異系數的分布在28.2%～57.7%之間,最大值和最小值相差29.5%,差值較大。通過對變異系數最大值和最小值作業參數分析可知,造成這種差異的原因是飛行高度和轉盤轉速不同,分別對應的是飛行高度為2m和1m,轉盤轉速為12/30和10/30;當飛行高度過高,轉盤轉速大時,種子受到離心力較大,在空中滑落的時間較長,由于種子質量不一,高速運動的種子與空氣的相對運動對種子起到清選作用,空氣阻力使發生霉變、未成熟的等輕質種子落在距航線較近的區域,致使種子分布不均勻,播種質量降低。

表4 種子分布均勻性列表Table 4 Table of seed distribution uniformity

根據《中華人民共和國民用航空行業標準》中關于農業航空作業質量技術指標中規定,飛機在進行撒播作業時,幅寬內種子分布均勻度應不大于40%。由此可見,通過作業參數的優化選擇,無人機在進行撒播作業時能夠達到國家的行業標準。

2.3 種子均勻性極差分析

表5 正交試驗極差分析表Table 5 Range analysis table for orthogonal tests %

3 結論

1)正交試驗的組次中,種子分布個數變異系數區間為28.2%～57.7%,差值較大,為29.5%。種子分布個數變異系數最大值和最小值時的作業參數分別為：出料口大小均為11/30,飛行高度為2m和1m,轉盤轉速為12/30和10/30。

2)9個試驗組次中,試驗1、2、4、5、7的種子個數變異系數分別為39.5%、28.2%、36.6%、30.4%和36.3%,符合《中華人民共和國民用航空行業標準》中關于種子分布均勻度應小于40%的要求。

無人機在撒播種子時作業參數的選擇對作業質量可產生較大的影響,對于文中選用的出料口大小、飛行高度和轉盤轉速3個因素不同水平下的種子分布均勻度差異較大。出料口大小控制種子的流量,流量過大,種子分布過密造成不必要的浪費,流量過小,達不到作物撒播的密度要求,產量降低;飛行高度決定種子在空中滑落的時間,飛行高度的增加增強了空氣氣流對種子的清選作用,降低了種子分布的均勻度,種子質量分布不均衡;轉盤轉速決定了種子射出時的初始速度,理論上轉速越大,無人機的撒播噴幅越大,效率越高,但較高的轉速增大了種子與轉盤內壁之間的摩擦力,種子破損率增加。綜合以上的論述,選用適宜的作業參數對提高種子分布均勻性、降低種子損傷率及提高種子撒播質量起到了十分重要的作用。