多功能種、肥播撒無人機設計與實現

張 偉，王新法，商俊娟，王 玲

（1.河南農業大學 機電工程學院，河南 鄭州 450002；2.河南科技學院信息與工程學院，河南 新鄉 453003）

0 引言

隨著無人機技術的發展，無人機逐漸被應用于各行各業中，例如航拍、農業生產、快遞運輸、災難救援、測繪、電力巡檢、影視拍攝等。

農用無人機具有特有的空中作業優勢，不受作業地形的影響，除了適用于農藥噴灑、遙感監測、輔助授粉等，在種子、顆粒肥播撒等方面也有著良好的應用前景。然而，現有的無人機播種技術中，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行定量播種?，F有單一圓盤播撒由于播撒直徑所限，需要高速旋轉才能使顆粒播撒范圍更廣，但是，高速旋轉的播撒盤會導致種子破損影響出芽率。本設計采用分布式播撒盤，可以在播撒盤轉速不高的情況下保證播撒均勻性，同時提高播撒效率。

1 無人機播撒技術的發展

2000年，日本農業實驗研究中心利用雅馬哈公司研制生產的R50無人直升機對農田進行播撒顆粒肥，噴撒量可達300kg/hm2，實際作業時間效率為27.7%。2004年開始，日本在水稻生產中，使用農用無人機的數量已超越有人駕駛飛機，采用農用無人機進行農業生產已成為日本農業發展的趨勢[1]。

目前，我國農用無人機多用于植物保護方面，無人機播撒作業還處于初步研究及試應用階段。一些丘陵、山地、沼澤以及灘涂地帶，特別是一些網格化、小型化作業區域，不太適宜傳統的地面中大型播撒機械，即使在平原地區，中大型機械對地表的壓實作用也會對種子的出苗率造成一定的影響。

我國農業航空播撒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。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[2]。

目前，我國已有高?？蒲袡C構和高科技公司對無人機播撒相關技術進行了研究。在國家知識產權局官網查詢近10年我國關于無人機播撒技術的專利申請情況，如圖1所示，可以看出2014年后的4年專利申請數量呈爆發性增長，我國對無人機播撒技術的研究已進入快速發展階段，該技術也為精準農業航空播撒提供了全新的途徑[3]。

我國已有不少公司生產播撒無人機，珠海羽人推出了3WDM8-20型多功能無人機，可以實現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，目前正在全國范圍內推廣水稻精量播種，機具在不斷完善中；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、四川等地區推廣采用高速氣流直播技術的全自主播撒無人機，主要是水稻直播，作業效率80畝/h左右[4-5]。

2 離心式播撒技術

現代地面播撒設備應用較為成熟，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動將物料播撒出去，而氣力式是利用風機將下落的物料吹撒出去。

離心式拋撒技術的核心在于利用離心力將物料從高速旋轉的離心圓盤上甩出。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，應用范圍較廣。但離心播撒方式落種區為環形，若航線規劃出現偏差，會出現重播和漏播現象。

3 播撒裝置關鍵部件設計及工作原理

3.1 整機設計

如圖1所示，無人機本體1下部連接播種箱2，無人機本體1包括機體，機體內置有無線接收控制裝置、蓄電池、機體四周陣列設置若干機臂，機臂端部設置電機，電機通過電機軸連接槳葉。通過兩個扣件連接固定機臂連接于播種箱2的方式將無人機本體1固定于播種箱2上。

圖1 整體設計結構圖

播種箱2下端連接至少兩個下料管10，每個下料管10下端連接撒種裝置3，每個撒種裝置3獨立運行，通過撒種裝置3將垂直落下的種子撒開，通過調整使每一個下料管10下料的種子撒開半徑不同，以實現均勻播種。

下料管10管口的開關裝置4，控制種子是否落下。

開關裝置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為橫向設置的長板；固定板6設置若干固定夾7，固定夾7固定下料管10，固定夾7數量大于下料管10的數量，且固定夾7陣列于固定板6上；固定板6垂直于下料管10下料方向的一端設置雙向直流電機5（即長板的一端），雙向直流電機5通過直流電機軸連接齒輪2，雙向直流電機5與齒輪2分別位于固定板6的兩邊；齒輪2下側設置與齒輪2配合的齒條3，齒條3下端固定設置開關板16，開關板16長度約等于固定板6；開關板16上端與下端分別設置限位滾輪11，限位滾輪11通過第三連接桿48與固定板6連接，開關板16在齒輪2與配合齒條3配合的一端只在下方設置限位滾輪11，通過限位滾輪11與齒輪2進行上下方向的限位，另一端通過上下兩個限位滾輪11夾住開關板16進行上下限位；開關板16朝向下料管10管口的位置延伸設置封閉片15，封閉片15的形狀與大小和下料管10管口相同，使得關閉狀態下下料管10的下料口被堵住，種子無法落下。該開關裝置4使用時，控制雙向直流電機5帶動齒輪2，齒輪2帶動開關板16上的齒條3，使開關板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。

多個伺服電機12以及雙向直流電機5通過無人機本體1機體內置的無線接收控制裝置進行控制、蓄電池進行供電。

播種箱2設置起落支腿9，可以對上述整體結構進行支撐，使播種無人機可以平穩起落。

3.2 載機

載機是物料播撒作業裝置的載體，支撐著無人機播撒作業體系。目前，農用無人機的主要機型分為單旋翼無人機和多旋翼（四旋翼、六旋翼、八旋翼等）無人機。

多旋翼無人機多以鋰電池提供動力，續航能力較弱但更為穩定。由于單旋翼無人機技術門檻較高，我國目前農用無人機以多旋翼為主。

本研究設計一種多旋翼無人機機臂折疊裝置，可使旋翼機臂穩定切換折疊和展開，特別是采用上折疊結構，使機體折疊、運輸更為方便，方便機體與播撒裝置拆裝，上下互不影響，節省空間，利于作業搬運。

3.3 物料控制裝置

播撒裝置關鍵部件設計及工作原理播撒裝置（圖2），包括一個連接在機臂的料桶、聯通料桶的送料管、下料嘴、擋板、播撒盤、電機、支架等組成。工作時將顆粒由料桶兩側的敞口端同時放入，以減小多旋翼無人機的振動，然后啟動電機帶動轉盤轉動，顆粒通過料桶經送料管和下料嘴送入到轉盤中，下料嘴下部出口端對準播撒盤，在播撒盤的快速旋轉作用下使顆粒產生離心運動，沿轉盤的內壁面上的各導向槽均勻甩出。

圖2 物料控制裝置

轉盤為頂面敞口的中空倒圓錐臺結構，內壁錐面傾角在5°～65°之間，優選6°～8°之間，本裝置轉盤圓錐臺角度為7°，在飛機啟動時可防止因振動顆粒灑出，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，單片機控制第1電機帶動播撒盤旋轉，控制第2電機用于開關出料口的閘門大小，通過雙重控制，使出料口的流量達到按需分配的效果。

3.4 播撒裝置

播撒裝置是無人機播撒作業體系的心臟，關乎播撒作業效果的好壞。目前應用于農用無人機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2，伺服電機2上端通過電機軸連接播撒盤1，為了實現播撒盤1將從下料管10垂直落下的種子撒開，播撒盤1設置由轉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，使得落下的種子會被旋轉的播撒盤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，下料管落料口設有滑桿連接的擋料滑蓋，通過單電機控制調節滑桿上對應滑蓋遮擋下料筒的開度及播撒盤轉速進行物料流量控制。

3.5 無人機播撒工作過程

將多個下料管10根據預先計劃的播種分散程度，設置于固定夾7上，可以是連續的幾個固定夾7，也可以是如圖中所示間隔設置；所有下料管10的下料口應處于同一平面且剛好被封閉片15所堵住。

控制無人機升空，控制多個伺服電機12啟動，使播撒盤14旋轉，并開啟雙向直流電機5使開關板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。控制無人機按預設的播種航線進行行駛，觀察落下的種子散布是否均勻，分別調整每個伺服電機12的轉速，改變對應下料管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期。這種調整方式使得使用者可以根據不同的作物設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 無人機播撒系統特點

無人機播撒的特點：①成本更低、效率更高。水稻直播能完成5.3hm2/h的作業，是人工播撒效率的50～60倍；②精準播撒、顆粒均勻。系統設計有11L標準顆粒箱，適合直徑為1～10mm的種子、化肥、農藥等，通過十字攪拌使顆粒有效分離結塊和粘連，下落均勻；③該裝置可通過控制模塊接收流量監測單元的數據，進而通過出料調節單元動力機構調節出料口的開關擋板來控制物料播撒，以達到多旋翼無人機均勻播撒物料的目的。設計的擋板式定量器通過伺服電機精確控制擋板的開合度將顆粒均勻地分撥到播撒盤，即可精準控制用量及播撒密度，結合飛行速度，最終可實現變量播撒[6]。

5 結論

本研究設計的播散無人機采用分布式離心播撒裝置，可以調節播撒寬幅，同時可以調節播撒流量從而實現精準播撒，在設定好相關參數后，通過手機就能控制無人機進行全自主播撒作業，效率更高，一架無人機作業可達5.3hm2/h，一天作業8h可完成42.7hm2田地播種，是人工播撒效率的50～60倍[7]。不僅可以節省80%～90%的勞動力，大大緩解用工緊缺問題，而且還可減少種子的投入，降低生產成本，提高種植收益。

無人機播撒技術的發展，是農業種植模式實現全無人農場實現的關鍵環節，農業種植模式發生改變，影響整個產業鏈，土地，農資，管理，機械設備的更新，農業現代化的真正實現，此外，多種技術的融入，通過將全球定位系統、地理信息系統、遙感系統充分結合，可以為無人機在農業中的應用提供全新方向。