水稻無人機撒肥系統(tǒng)設計與試驗

任萬軍 吳振元 李蒙良 雷小龍, 朱世林 陳 勇

(1.四川農(nóng)業(yè)大學四川省作物生理生態(tài)及栽培重點實驗室，成都 611130； 2.四川農(nóng)業(yè)大學機電學院，雅安 625014)

0 引言

按照水稻的營養(yǎng)需肥時間，施肥可分為基肥、蘗肥與穗肥3個階段，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，水稻生長已經(jīng)進入中后期，植株較為茂盛、水田地表軟塌，特別在四川省等丘陵地區(qū)，復雜的田間環(huán)境限制了地面施肥機械的使用[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)勞動力，且工作效率低[4]。人工撒肥時易撒施不均，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]。機械化施肥能夠精準控制肥料用量，從而提高施肥效率與施肥質(zhì)量[6]。

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

多旋翼無人機具有自主飛行功能，能夠緊貼作物低空飛行，具有地面機器無法比擬的高通過性和穩(wěn)定性[10-11]；無人機體型小，操控靈活，可以實現(xiàn)航跡規(guī)劃和自動導航飛行，可在地面機械難以進入的場所進行高效作業(yè)[10]。因此，無人機為水稻穗肥的撒肥提供了良好的機載平臺，能夠有效規(guī)避水稻特殊的生長環(huán)境對施肥機械的限制。隨著無人機技術的發(fā)展，撒播技術已應用于無人機[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]設計一種基于無人機的顆粒拋撒裝置，該裝置由螺旋式給料器調(diào)節(jié)流量，通過兩個拋撒葉片拋撒肥料。包勝軍[15]設計的飛行撒播裝置利用閘門轉(zhuǎn)動控制出料口，調(diào)節(jié)播量、離心盤轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)肥料撒播。對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]。并且還缺乏對撒播裝置關鍵結(jié)構的研究分析，無法明確其結(jié)構與工作參數(shù)對無人機撒肥的適應情況。因此針對上述問題，本文以多旋翼無人機為機載平臺，設計水稻無人機撒肥系統(tǒng)。通過分析顆粒化肥的物理特性，確定流量控制開關、離心盤等結(jié)構參數(shù)，并試驗研究流量、轉(zhuǎn)速、落入位置角對均勻性的影響，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)開關扇葉角度控制流量，以期滿足無人機不同飛行高度與速度施肥需求和提高施肥均勻性。

1 整機結(jié)構與工作原理

1.1 整機結(jié)構

設計的水稻無人機撒肥系統(tǒng)如圖1所示，主要由無人機機體、動力系統(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機體腳架連接。

1.2 撒肥裝置結(jié)構與工作原理

為滿足無人機載荷及安裝尺寸需要，腳架安裝孔距340 mm，設計肥料艙容積為18 L，主要技術參數(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驅(qū)動；舵機通過搖臂與拉桿帶動流量控制扇葉。電子調(diào)速器、舵機與撒肥控制系統(tǒng)連接；通過PWM信號線與飛行控制系統(tǒng)通信，從而控制撒肥裝置工作。

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

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

2 撒肥裝置設計

2.1 離心盤結(jié)構設計

離心盤由水平底座、電機轉(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)部設有電機安裝座，為凸起的錐形臺，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)構對肥料顆粒運動軌跡至關重要[17-18]，肥料顆粒的運動軌跡還受到無人機下旋氣流的影響。楊風波等[20]、COOL等[21]研究發(fā)現(xiàn)肥料顆粒運動方向與氣流運動方向夾角越小，氣流對肥料顆粒運動軌跡影響越小；氣流對速度越快、密度越大的肥料顆粒影響越小。無人機下旋氣流主要位于旋翼下方，離心盤位于六旋翼無人機中心，肥料顆粒離開離心盤后將會受到下旋氣流的影響。

根據(jù)無人機施肥作業(yè)要求，離心盤結(jié)構參數(shù)計算式為

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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——顆粒運動速度，m/s

dm——電機安裝座直徑，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，離心盤直徑D為132～157 mm，取140 mm；高hm為20 mm。電機安裝座為錐形臺結(jié)構，根據(jù)電機安裝座底部直徑為60 mm，得撥肥片長度為40 mm；錐形臺結(jié)構頂部直徑，即電機安裝直徑dm為35 mm。

為減小肥料顆粒運動方向與氣流方向的夾角，使肥料顆粒離開離心盤時，運動方向具有向下的傾角，將撥肥片設計為90°逐漸偏轉(zhuǎn)為30°的直紋曲面(圖3b)，用于引導肥料顆粒的運動方向，偏轉(zhuǎn)方向與離心盤旋轉(zhuǎn)方向(逆時針)一致。根據(jù)高hm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，撥肥片較短時對離心盤的高轉(zhuǎn)速適應性較好，均勻性較優(yōu)[22-23]，本研究取撥肥片數(shù)量為6個，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，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同心圓。無人機撒肥作業(yè)時，同心圓進行疊加形成撒肥帶。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確導致的肥料分布不均勻。

2.2 流量調(diào)節(jié)裝置設計

流量調(diào)節(jié)裝置主要由下料筒、電機定子安裝座、固定面、舵機安裝槽、舵機、開關扇葉和拉桿組成。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。通過控制舵機帶動流量控制扇葉擺動，從而改變肥料下落口的面積，實現(xiàn)流量控制。

電機定子安裝座寬度為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，電機定子安裝座能圍繞z軸在15°～75°間旋轉(zhuǎn)，使電機定子安裝座中軸線與無人機航線的垂直方向的y軸形成一定夾角，由于電機定子安裝座的遮擋，當流量調(diào)節(jié)裝置旋轉(zhuǎn)時，落肥口的位置也會發(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，即電機定子安裝座對稱軸與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，落入位置角與機身保持固定的角度，當無人機偏航角改變時航線也會發(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。無人機作業(yè)時，需保持偏航角穩(wěn)定，在同一偏航角下，前后移動、左右平移。

3 撒肥分配性能仿真

拋撒結(jié)構為肥料拋撒的關鍵部件，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，能夠較為快速準確地分析各因素對均勻性的影響，優(yōu)化出拋撒結(jié)構的最優(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)域為15 m×40 m，為避免肥料顆粒彈跳影響試驗結(jié)果，將肥料顆粒與收集面的靜摩擦因數(shù)和動摩擦因數(shù)設定為1。

試驗材料選用顆粒尿素，使用外徑千分尺測定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 肥料顆粒運動特性仿真分析

在撒肥過程中，肥料顆粒受力的大小、速度、位移的變化對肥料顆粒的最終分布狀態(tài)有直接影響。如圖5所示，隨機選取具有代表性的顆粒進行標記，將顆粒的運動數(shù)據(jù)導出，分別對肥料顆粒的速度、受力及位移變化規(guī)律進行分析。

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時肥料顆粒在距離坐標原點0.272 m處生成，受到重力做自由落體運動，向位于坐標原點的流量調(diào)節(jié)裝置移動，合力約為2.56×10-4N，速度受合力影響逐漸增加。在0.36 s時速度達到第一峰值(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，受力情況波動較大。在1.21 s時落入離心盤，此時受離心力的影響，合力較大，峰值達到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，此時顆粒受到重力做加速平拋運動，速度依然逐漸增加。在2.18 s時與地面接觸，運動停止。

3.3 試驗指標

根據(jù)圓盤式撒肥機的試驗方法[21,24]，在EDEM 后處理Selection中沿Z軸方向，距離離心盤下方1 m處設置Grid Bin Group計數(shù)網(wǎng)格，每個網(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個計算網(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)作為試驗的均勻性指標。

3.4 單因素仿真試驗

3.4.1離心盤轉(zhuǎn)速對肥料分布的影響

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，離心盤轉(zhuǎn)速在800～1 400 r/min、增量為100 r/min下進行仿真試驗，試驗結(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，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，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，落入位置角在5°～75°、增量為10°下進行仿真試驗。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(圖9)。落入位置角對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°時肥料分布較為均勻，變異系數(shù)在8%～15%之間。

3.4.3流量對肥料分布的影響

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，流量在1 000～6 000粒/s、增量為1 000粒/s下進行仿真試驗。結(jié)果表明，隨著流量增大，肥料分布曲線出現(xiàn)明顯波動，變異系數(shù)呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢；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時肥料分布較為均勻，變異系數(shù)較小(圖10)。

3.4.4無人機飛行速度對肥料分布的影響

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，飛行速度在3～8 m/s、增量為1 m/s下進行仿真試驗，試驗結(jié)果如圖11所示。飛行速度的增加對均勻性影響不明顯；隨著肥料分布密度逐漸降低，肥料分布曲線波動逐漸變小。

單因素試驗結(jié)果表明，離心盤轉(zhuǎn)速、落入位置角、流量都會影響肥料分布。離心盤結(jié)構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，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。飛行速度僅對肥料分布密度有影響，因此開展正交回歸旋轉(zhuǎn)試驗進行參數(shù)優(yōu)化分析。

3.5 正交回歸旋轉(zhuǎn)仿真試驗

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

表3 試驗因素編碼Tab.3 Test factors coding

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

3.5.1數(shù)據(jù)分析

應用Design-Expert 11軟件對試驗結(jié)果進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CD對變異系數(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

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3.5.2響應面分析

根據(jù)方差分析結(jié)果，AC、BC、CD對變異系數(shù)影響顯著，因此分析這3組對變異系數(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，離心盤轉(zhuǎn)速與落入位置角交互作用的響應曲面如圖12a所示。當落入位置角不變時，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；當離心盤轉(zhuǎn)速不變時，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。在離心盤轉(zhuǎn)速為1 000～1 350 r/min、落入位置角為35°～50°時變異系數(shù)較小。肥料顆粒離開離心盤時的狀態(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鍵的兩個因素。

在離心盤轉(zhuǎn)速為1 200 r/min、飛行速度為5 m/s時，流量與落入位置角交互作用的響應曲面如圖12b所示。當落入位置角不變時，變異系數(shù)隨著流量的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢；當流量不變時，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。在落入位置角為33°～51°、流量為2 000～4 000粒/s時變異系數(shù)較小。為滿足目標施肥量，流量需要根據(jù)幅寬的變化隨時調(diào)整，從圖12b中可以看出，落入位置角為42°左右時，對流量變化適應性最好，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，飛行速度與落入位置角交互作用的響應曲面如圖12c所示，當落入位置角不變時，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；當飛行速度不變時，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。在飛行速度為3～6.5 m/s、落入位置角為35°～45°時變異系數(shù)較小。由于飛行速度對變異系數(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)化與驗證試驗

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)，此時變異系數(shù)為8.86%。將優(yōu)化參數(shù)進行仿真驗證，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，試驗地點為四川農(nóng)業(yè)大學崇州基地。根據(jù)ASAE試驗標準[23，25]，在與仿真一致的15 m×40 m收集域內(nèi)擺放14×40個盒子，每個盒子面積與計算網(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的細沙(圖13)。在最優(yōu)參數(shù)組合下進行3次重復試驗，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 無人機飛行姿態(tài)對肥料分布的影響

在無人機工作過程中，接收控制指令后，無人機通過改變飛行姿態(tài)，即俯仰傾斜與橫滾傾斜，實現(xiàn)運動方向的改變，外界環(huán)境也會對無人機飛行姿態(tài)造成影響。前人研究發(fā)現(xiàn)，撒肥裝置工作姿態(tài)會對肥料分布造成影響[26]。由于多旋翼無人機特殊的控制特性，飛行姿態(tài)變化較為頻繁，研究飛行姿態(tài)可提高無人機施肥質(zhì)量。本文依據(jù)無人機常規(guī)工作狀態(tài)，對飛行姿態(tài)的變化范圍進行了仿真。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)對肥料分布的影響

俯仰姿態(tài)對肥料分布影響如圖14所示。當無人機向前飛行、迎風或俯仰修正時，機身發(fā)生俯仰傾斜，離心盤與無人機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，進行仿真試驗。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)對肥料分布的影響

橫滾姿態(tài)對肥料分布的影響如圖15所示。當無人機橫向飛行、側(cè)風或航線修正時，機身發(fā)生橫滾傾斜，離心盤與無人機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。結(jié)果表明，無人機橫滾傾斜角在7°以內(nèi)時，對肥料分布影響較小。當傾斜角高于14°時隨著傾斜角的增加，肥料顆粒集中于無人機傾斜一側(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傾斜一側(cè)移動。

飛行姿態(tài)對肥料分布影響的仿真試驗結(jié)果表明，俯仰與橫滾傾斜角對肥料分布都有影響，橫滾傾斜角對肥料分布影響大于俯仰傾斜角。俯仰傾斜會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，應避免橫向飛行與大風天氣作業(yè)；橫滾傾斜角較小時對肥料分布影響不大，因此常規(guī)作業(yè)航線修正對無人機撒肥質(zhì)量影響不大。

5 田間試驗

5.1 小區(qū)試驗

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

5.2 大田試驗

為進一步考察無人機施肥在大面積應用時的可靠性與穩(wěn)定性，進行了大田試驗(圖17)。試驗點為四川省大邑縣，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個品種。其中基蘗肥采用地面機械與人工撒施；穗肥(即促花肥與保花肥)均采用無人機施肥，施肥面積共計102 hm2，平均產(chǎn)量為11 769.54 kg/hm2，達到了高產(chǎn)水平。

5.3 成本與工作效率對比分析

無人機所需成本：無人機折舊為7.5元/hm2；動力電池為：22 000 mA智能電池，功率為976.8 W，單價：3 200元/組，200～300沖放次數(shù)，無人機單次載荷為12 kg的效率最高，約每2 min為一架次，每組電池共計撒施3架次；每天工作10 h，飛手工資以40.8元/hm2計算。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/天計算。

無人機施肥、人工施肥兩種施肥方式作業(yè)成本見表6。雖然無人機施肥成本相對于人工施肥成本降低程度較少，但是無人機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)時可能導致耽誤農(nóng)時。降低無人機施肥成本的主要因素是載荷與飛行時間的矛盾，以及電池成本高等問題。

表6 無人機施肥與人工施肥成本對比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飛行特性設計了一種離心式無人機撒肥系統(tǒng)，確定了離心盤與流量調(diào)節(jié)裝置等主要結(jié)構參數(shù)。對離心盤等結(jié)構進行分析，確定了利用上下?lián)醢逍纬傻拈]合式離心盤結(jié)構參數(shù)。結(jié)合單因素仿真試驗，分析了圓盤轉(zhuǎn)速、落入位置角、流量、無人機飛行速度對肥料分布的影響。

(2)多元回歸正交旋轉(zhuǎn)試驗表明，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均勻性影響顯著，各因素對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。無人機俯仰傾斜角與橫滾傾斜角對肥料分布均有影響，其中橫滾傾斜角影響較大，會造成肥料向單側(cè)堆積；俯仰傾斜角影響相對較小，會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，此時均勻性變異系數(shù)為8.86%，與仿真驗證(8.23%)及試驗驗證(9.74%)結(jié)果基本一致。無人機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。