基于無人機平臺的有序拋秧裝置設計與試驗

摘要：

為進一步發揮水稻拋秧的生產優勢，根據水稻拋秧移栽特點，設計一種基于無人機平臺的有序拋秧裝置。闡述裝置的總體結構與作業流程，對載苗、推秧、導苗等關鍵部件進行設計。通過對推秧部件的運動分析，驗證有序漸次推秧的功能需求。選取漂秧率、株距合格率作為有序拋秧的作業評價指標，以拋秧高度、推秧機構轉速、導苗管底口直徑作為試驗因素進行臺架試驗。利用Design—Expert 10軟件對試驗結果進行分析，建立響應面數學模型，分析各因素對作業質量的影響，并對影響因素進行優化求解。試驗結果表明，當拋秧高度為143cm、推秧機構轉速為55r/min、導苗管底口直徑為44mm時，漂秧率為2.6%、株距合格率為87.2%，滿足設計要求。

關鍵詞：水稻；缽體苗；無人機；拋秧裝置；正交試驗

中圖分類號：S223.9

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2025） 03-0019-07

收稿日期：2024年5月6日" 修回日期：2024年6月19日*

基金項目：中國農業科學院科技創新工程（CAAS—SAE—202301）

第一作者：原培超，男，1998年生，河南新鄉人，碩士研究生；研究方向為農業機械化工程。E-mail： 18337342092@163.com

通訊作者：張文毅，男，1966年生，江蘇丹陽人，研究員；研究方向為農業機械化工程。E-mail： zwy-yxkj@163.com

Design and experiment of an ordered rice seedling throwing device based on UAV platform

Yuan Peichao， Ji Yao， Zhang Wenyi

（Nanjing Institute of Agricultural Mechanization， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Nanjing， 210014， China）

Abstract：

To further exploit the production advantages of rice seedling throwing， an ordered seedling-throwing device based on a UAV platform is designed according to the characteristics of rice seedling throwing and transplanting. The overall structure and operational process of the device are described. The key components， such as the seedling carrier， pushing device， and guiding tube， are designed. Through motion analysis of the pushing component， the functional requirements for ordered sequential pushing of seedlings are verified. The floating seedling rate and plant spacing qualification rate are selected as the evaluation indicators for the ordered seedling throwing. The seedling throwing height， pushing component rotation speed， and the diameter of the guiding tube’s bottom are chosen as experimental factors for bench-scale testing. The experimental results are analyzed using Design—Expert 10 software to establish a response surface mathematical model， assess the influence of various factors on operational quality， and optimize the influencing factors. The results show that when the seedling throwing height is 143 cm， the pushing component rotation speed is 55r/min， and the diameter of the guiding tube’s outlet is 44mm， the floating rate is 2.6% and the plant spacing qualification rate is 87.2%， meeting the design requirements.

Keywords：

rice; bowl-type seedlings; UAV; seedling throwing device; orthogonal test

0 引言

水稻是中國的主要糧食作物之一。通過拋秧移栽后的秧苗，具有生長快、分蘗多等優勢，有助于提高水稻產量［1， 2］。因此，水稻拋秧具有很大的發展潛力，為進一步發揮其移栽優勢，我國水稻拋秧機械從無序散拋向有序作業快速發展［3］。國內水稻有序拋秧機主要包括氣力式、對輥式、帶夾式3種取秧方式，使秧苗通過導秧裝置落入水田。華南農業大學研制了氣力有序拋秧機，利用脈沖噴嘴壓縮氣流，吹出秧盤內的缽苗，通過排布固定間距的導苗管，實現有序栽植［4］。中國農業大學采用對輥式拔秧機構，研制一種水稻缽苗行拋機，由多行布置的拔秧輥實現取秧動作，當拔秧機構旋轉到一定角度，使秧苗脫離拔秧輥落入水田［5］。湖南某公司研制一種13行水稻有序拋秧機，通過縱向皮帶對行取秧，隨后將缽苗輸送到不同的拋秧帶，在末端分離，實現秧苗落體入泥［6］。但是現有機型在作業穩定性和作業效果上仍有不足，尤其在國內丘陵山區，因地塊狹小、坡度大導致地面機具通過性較差，機具難以下田作業［7］。

針對以上問題，希望利用無人機作業速度快、效率高、通過性好的優勢［8］，進行水稻拋秧作業。目前無人機在施肥、噴藥、播種等領域應用較多［9， 10］，而在拋秧領域應用研究較少。因此，探討無人機固體物料的應用對本研究具有重要借鑒意義。在無人機施肥環節，飛行高度和排肥速度對施肥效果有重要影響［11-13］。在作物播種環節，農業無人機飛播種植主要有無序撒播和有序條播兩種形式［14］。有序條播通常需要引導通道，來控制物料下落位置。

綜上所述，作業速度、飛行高度、引導裝置是無人機有序拋秧作業的重要影響因素。隨著國內農業無人機快速發展，且無人機市場保有量不斷提高，為無人機搭載水稻缽體苗有序拋秧奠定深厚的材料技術基礎。本文設計一種可以使用無人搭載的水稻有序拋秧裝置，并通過臺架試驗進行驗證，為拓展無人機生產應用和補充現有拋秧機具類型提供參考。

1 總體結構與工作原理

基于無人機平臺的水稻缽苗拋秧裝置如圖1所示。以大疆MG-1P無人機為動力源，由載苗臺（包含載苗箱和夾爪）、推秧機構、導苗裝置組成。為保證該拋秧裝置與無人機之間可以穩定高效地掛載，選擇將拋秧裝置放置于特制的港架上。

根據無人機飛拋過程中無人機姿態及拋秧裝置的工作狀態，可將其分為4個階段。（1）準備階段：在無人機拋秧作業前，需要提前做好載苗臺的準備工作。將培育好的水稻缽苗依次裝入載苗箱，使其緊密排列，確保飛拋過程中不會缺苗。裝苗完成后，將載苗臺置于起落架上，便于無人機高效掛載。（2）取苗階段：遙控無人機飛至載苗臺上方，在適當高度懸停，通過4個遙控夾爪將拋秧裝置掛載于無人機起落架上，保證在飛拋作業過程中，載苗臺與無人機之間的掛載可靠，避免因掛載不穩而導致的飛拋效果不佳等問題。（3）作業階段：掛載完畢后，無人機攜帶拋秧裝置飛至預先確定的作業地點，根據規劃航線勻速飛行。同時遙控推秧部件工作，推秧主軸旋轉1圈推出16穴缽苗。以秧苗株距為150mm為標準，當推秧部件轉速為60r/min時，無人機飛行速度為2.4m/s。推秧部件與無人機完成速度匹配，以固定速度均勻連續地將缽苗推入導苗管，水稻缽苗經過導苗管姿態調整后，受自身重力和無人機旋翼氣流的加速作用加速入泥，實現水稻有序栽植。（4）補苗階段：當載苗箱的缽苗被全部取出時，推秧部件停止工作，無人機飛回工作準備區，將拋秧裝置重新放置于港架上后與其脫離，然后飛向另一個已經完成準備工作的港架。重復上述過程，進行無人機連續拋秧作業。

2 關鍵部件設計

2.1 載苗部件

載苗箱作為水稻缽苗的裝載部件，其載苗量大小決定無人機拋秧裝置單次作業的拋量多少?？紤]到無人機載重有限，為降低不必要的負重，明確載苗方式為不帶盤作業。因此，需要將缽苗盡可能堆積到一起。隨著缽苗堆積數量的提升，苗葉糾纏的可能性也逐漸提高，在堆放缽苗時最好保持苗葉方向一致性。因此，載苗箱結構如圖2所示，呈環狀正十六邊形分布，每個苗槽可裝缽苗60穴，共計960穴缽苗；苗槽底部連接處預留孔位以安裝推秧部件；苗槽側壁由網格狀加強筋提高苗箱強度；苗槽背面上端內側設有安裝面，連接頂蓋以支撐頂部結構；苗槽背面下端預留好推桿孔。

2.2 推秧部件

推秧機構的設計目標是實現間歇式環狀推苗。內部結構如圖3所示，主要由推秧底座、推桿、連桿、花盤、隨動曲軸、滑軌、主動曲軸、電機座等組成。其中所有推桿、連桿尺寸一致，在推桿端面黏合有一層彈性材料，防止在推秧時損傷缽體基質；隨動曲軸與主動曲軸中心距保持一致，同時所有連桿中心距與曲軸比例相等；核心部件是位于底座中間的花盤，花盤下方連接曲軸，上半部分連接連桿，支撐整體推秧機構，保證其平穩運行。

以推秧機構的推桿執行端作為研究對象，其運動形式及其組成構件在去除虛約束影響后，可簡化為普通的曲柄滑塊機構，其機構運動簡圖如圖4所示，建立直角坐標系，以曲軸旋轉中心為圓點O，推桿軸線方向為x軸，豎直方向為y軸。其中，ab為主動曲柄，長度為l1，bc為連桿，長度為l2。當曲柄轉過角度為α時，推桿軸線與連桿之間的夾角為β，此時滑塊距離轉動中心的距離為L。

在曲柄轉動過程中，曲柄與連桿存在兩次共線時刻，曲柄位置分別為ab1和ab2，正好對應滑塊的兩個極限位置，與轉動中心的距離分別為Lmax和Lmin，可以計算得出推桿的行程s，如式（1）所示。

s=Lmax－Lmin=2×l1

（1）

該機構的封閉矢量方程如式（2）所示。

L1+L2=L

l1e-iα+l2eiβ=L

（2）

式中： L——

ac方向長度為L的向量；

L1——

ab方向長度為l1的向量；

i——復數中虛數單位；

L2——

bc方向長度為l2的向量。

根據歐拉公式eiθ=cosθ+isinθ將式（1）展開

l1cosα-l1isinα+l2cosβ+l2isinβ=L

（3）

將式（3）取實部和虛部相等可以求得

L=l1cosα+l2cosβ

l1sinα-l2sinβ=0

（4）

對式（1）求導可得滑塊速度方程

－l1ω1ie－iα+l2ω2ieiβ=Vl

（5）

根據歐拉公式將式（5）展開

l2ω2i（cosβ+isinβ）－l1ω1i（cosα－isinα）=Vl

（6）

將式（6）化簡

Vl=l1ω1sinα－l2ω2sinβ

（7）

由式（4）可知，當推桿位移最大時，α=0°、β=180°，代入式（7）可知，推桿速度此時為0。因此，當推桿在頂出缽苗時，推桿速度逐漸降為0，不易損傷缽苗基質。且不會將苗槽中的缽苗頂飛，便于缽苗落入導苗裝置。由圖3和圖4可知，在推秧部件中線兩側任意對稱位置的α、β角度相等，變化趨勢相反。但是在其單側180°分度內，任一相位的α、β均不相等，因此，各相位對應的推桿運動狀態均不相同，驗證漸次推秧的可行性。

2.3 導苗部件

由于推秧裝置將缽苗圓周狀推出，若不加引導直接散拋至田中，無法達到成行效果。因此，導苗部件的主要作用為調整落苗姿態、矯正缽苗落點。參考地面拋秧機導苗管的應用，設計導苗管外形如圖5所示。導苗管呈回轉式結構設計，對不同相位落下的缽苗進行過程相同的姿態調整，將圓周方向推出的秧苗集中到一條軸線上，以減小單行秧苗落點偏差。為防止整體拋秧裝置超出無人機額定載荷，將導苗管設計為外框架和內部卷筒兩部分：外框架通過螺栓固定連接在載苗臺底部，其中最大外圈作為在出苗口位置調整秧苗姿態的擋苗環；卷筒內嵌于外框架內，其錐面部分使缽苗集中，圓柱部分實現缽苗姿態直立度調整，由于外框架為主要受力部件，因此，內部卷筒可以盡可能輕薄，在保證導苗功能的前提下，可大幅減小導苗管整體質量。

3 樣機試驗

3.1 試驗材料與方法

試驗臺架如圖6所示，在方形土槽兩邊使用槽鋼搭建軌道，以電機驅動同步帶使滑臺滑動。使用30型材搭建支撐拋秧裝置的方形框架，方框底部通過螺栓和扎帶與滑臺連接。無人機固定在臺架上，試驗時無人機怠速旋轉。拋秧裝置安裝在方框上，通過墊高方框頂端的型材能夠達到調節拋秧高度的效果。土槽內土壤已做打漿、沉實處理，達到水稻移栽要求。

根據水稻缽苗栽植質量對水稻生長及產量影響因素，試驗主要探究拋秧高度（載苗箱出苗口底端到地面的距離）、推秧機構轉速（推秧機構主軸轉速）、導苗管底口直徑對漂秧率、株距合格率兩個指標的影響。設定標準株距為150mm，當秧苗株距大于1.5倍標準株距或者小于0.5倍標準株距時定義為株距不合格。

Y1=N0V×100%

（8）

Y2=V0V×100%

（9）

式中： Y1——水稻漂秧率；

Y2——株距合格率；

N0——測區內漂秧數；

V0——測區內株距合格數；

V——測區內總測定穴數。

3.2 試驗設計

以漂秧率Y1、株距合格率Y2作為響應值，對拋秧高度、推秧機構轉速、導苗管底口直徑3個工作參數開展Box—Benhnken響應面試驗研究。采用三因素三水平二次回歸正交試驗設計方案，通過改變不同因素水平，優化漂秧率、株距合格率2個主要參數。在預試驗中，拋秧高度小于120cm時，漂秧率較高；推秧部件轉速大于75r/min，株距合格率較低；導苗管底口直徑大于60mm，株距合格率較低。因此，拋秧高度選取120～160cm、推秧部件轉速選取45～75r/min、導苗管底口直徑選擇40～60mm。因素及水平設計如表1所示。

3.3 結果與分析

利用Design—Expert 10軟件對漂秧率、株距合格率進行二次多項式回歸分析，利用響應面分析法對各因素相關性和交互效應的影響規律進行分析研究，尋求最佳參數組合。根據Box—Behnken試驗原理設計三因素三水平分析試驗，試驗方案與響應值見表2，其中X1、X2、X3為因素編碼值。

根據表2中的數據樣本，利用Design—Expert 10軟件開展多元回歸擬合分析，建立漂秧率Y1、株距合格率Y2對拋秧高度X1、推秧機構轉速X2、導苗管底口直徑X3三個自變量的二次多項式響應面回歸模型，如式（10）、式（11）所示，并對回歸方程進行方差分析，結果如表3、表4所示。

Y1=

2.82－1.1X1+0.33X2+0.3X3－

0.007 5X1X2+0.075X1X3－0.025X2X3+

1.15X12+0.1X22+X32

（10）

Y2=

87.92－0.42X1－1.24X2－2.76X3+

0.4X1X2－0.15X1X3－0.57X2X3－

0.9X12－1.42X22－3.17X32

（11）

由表3、表4分析可知，漂秧率、株距合格率模型顯著水平為極顯著；模型R2值均在0.95以上，表明上述模型可以解釋95%以上的評價指標。因此，可以使用上述模型對拋秧裝置的工作參數進行優化。

其中漂秧率Y1有4個回歸項影響顯著（Plt;0.1），其中X1拋秧高度對模型影響最顯著；株距合格率Y2有5個回歸項影響顯著，其中推秧機構轉速X2和導苗管底口直徑X3對模型影響最顯著。在剔除不顯著回歸項后，對模型Y1、模型Y2進行優化。

優化后如式（12）、式（13）所示。優化后Y1、Y2模型P值均小于0.000 1，且失擬項P值gt;0.1，表明該模型可靠。

Y1=

2.96－1.1X1+0.33X2+0.3X3+1.17X12

（12）

Y2=

87.92－1.24X2－2.76X3－0.9X12－1.42X22－3.17X32

（13）

利用Design—Expert 10軟件繪制響應面圖，分析拋秧高度、推秧機構轉速和導苗管底口直徑交互因素對響應值漂秧率Y1、株距合格率Y2的影響。

1） 交互因素對漂秧率影響規律分析。拋秧高度、推秧機構轉速和導苗管底口直徑交互因素對漂秧率影響的響應面曲線見圖7。其中，圖7（a）為導苗管底口直徑等于50mm時，拋秧高度、推秧機構轉速與漂秧率的交互作用的響應面圖，可以看出，提高拋秧高度、適當降低推秧機構轉速可以降低漂秧率；圖7（b）為推秧機構轉速等于60r/min時，拋秧高度、導苗管底口直徑與漂秧率的交互作用的響應面圖，可以看出，提高拋秧高度、減小導苗管底口直徑均可以實現漂秧率降低；圖7（c）為拋秧高度等于140cm時，推秧機構轉速、導苗管底口直徑與漂秧率的交互作用的響應面圖，可以看出，推秧機構轉速、導苗管底口直徑對漂秧率的影響較為平緩，降低推秧機構轉速、減小導苗管底口直徑可以小幅度降低漂秧率。

綜上，從各因素對漂秧率的響應面圖中可知：拋秧高度越高，漂秧率越低；適當減小導苗管底口直徑，在低水平拋秧高度的條件下，有助于降低漂秧率；推秧機構轉速對漂秧率影響不明顯，在轉速較低時漂秧率相對較小。其主要原因是拋秧高度增高時，缽苗落地速度大、動能大，與泥面沖擊后入泥深度提高進而不易漂秧；導苗管底口直徑減小，缽苗入泥前與地面垂直度會增高，可以小幅度降低漂秧率。

2） 交互因素對株距合格率影響規律分析。拋秧高度、推秧機構轉速和導苗管底口直徑交互因素對株距合格率影響的響應面曲線見圖7。其中圖7（d）為導苗管底口直徑等于50mm時，拋秧高度、推秧機構轉速與推秧機構轉速的交互作用的響應面圖，可以看出，減小拋秧高度可以提高株距合格率、推秧機構轉速在50～70r/min時，株距合格率較高；圖7（e）為推秧機構轉速等于60r/min時，拋秧高度、導苗管底口直徑與株距合格率的交互作用的響應面圖，可以看出，提高拋秧高度株距合格率有略微下降趨勢，導苗管底口直徑為45～55mm時，株距合格率較高；圖7（f）為拋秧高度等于140cm時，推秧機構轉速、導苗管底口直徑與株距合格率的交互作用的響應面圖，可以看出，推秧機構轉速提高、導苗管底口直徑增大會造成株距合格率逐漸減小，推秧機構轉速在50～70r/min、導苗管底口直徑在40～55mm時，株距合格率處于較高水平。

綜上，從各因素對響應值Y2影響的響應圖中可以得知，導苗管底口直徑越小、推秧機構轉速越低，株距合格率越高；適當降低拋秧高度，在推秧機構轉速和導苗管底口直徑固定的情況下有助于提高株距合格率。其主要原因是由于拋秧高度增高時，缽苗滯空時間變長，受環境以及自身側向速度影響變大，導致株距合格率降低；推秧機構轉速越高，導苗管內每秒缽苗通過量就會提高，容易發生卡苗風險，導致株距變化較大；導苗管底口直徑減小，缽苗中心在入泥前越靠近導苗管收口中軸線，因此，可以降低株距變化程度，但是當導苗管底口直徑過小時，有可能導致落苗不通暢，導致株距合格率降低。

3.4 試驗驗證

為進一步提升栽植效果，得到各影響因素中最優的工作參數。利用Design—Expert 10軟件對拋秧高度、推秧機構轉速與導苗管底口直徑進行優化求解。當拋秧高度為142.79cm、推秧機構轉速為55.38r/min、導苗管底口直徑為43.51mm時，漂秧率為2.48%、株距合格率為88.43%。

將最優試驗參數取整，設置拋秧高度為143cm、推秧機構轉速為55r/min、導苗管底口直徑為44mm，進行3組臺架試驗。作業完成后，分別測量測區內缽苗漂秧率、株距合格率，取平均值。試驗結果如表5所示，試驗平均值與預測值基本吻合，相對誤差小于5%。

4 結論

針對丘陵山區地面農機通行不易并且水稻移栽效果不理想的問題，設計一種無人機有序拋秧裝置。介紹裝置的主要結構和工作流程，設計載苗部件、推秧部件、導苗部件等關鍵部件。

1） 為進一步提高拋秧裝置的工作性能，對影響水稻移栽效果的因素進行分析。將拋秧高度、推秧部件轉速、導苗管底口直徑作為影響因素，以漂秧率、秧苗株距合格率為性能指標，進行三因素三水平響應面試驗，得到試驗指標的回歸模型。通過對響應面的結果分析，確定最優參數組合：拋秧高度為142.79cm、推秧部件轉速為55.38r/min、導苗管底口直徑為43.51mm。此時模型預測漂秧率為2.48%，秧苗株距合格率為88.43%。

2） 為驗證模型優化結果的準確性，進行試驗驗證。試驗數據表明，在回歸模型計算的最優工作參數下，漂秧率為2.6%，秧苗株距合格率為87.2%。試驗結果滿足設計要求，為無人機水稻拋秧提供一定參考。

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