水稻無人機多排型槽式條直播排種裝置設計與試驗

中圖分類號：S223.2 文獻標識碼：A 文章編號：2095-5553（2025）10-0099-08

Abstract：Aiming at the problem thatthe rice unmannedaerial vehicle（UAV）seeding operation seedsarenot in a row， which isnotconducivetothe later fieldmanagement，the peleted seds have poorcavitationabilityand highcostof seed coatingtreatment，theresearch onhigh eficient strip direct seeding technologyof rice UAVwith singlesed box and multiplerowsofseed tubes wascarriedout.Akindofmultirowfurrowdirectseeding method withlateralseedflling，soft brushingandseed cleaning without seed conservation was proposed.The correlation betwee the structural parametersof thesedng wheelandtheamount of seeds wasanalyzed，and thestructural parametersofthe seeding wheel were determined.Under the premise of determining the length of the seding pipe through the rotor airflow simulation，the kineticmodelof therice sedin theseeding pipe wasestablished，the structural parametersof the seeding pipe were optimized，the influenceof therotating speedoftheseedingrowwheel，the heightoftheseedingrowandtheairflowof the rotoronthedifusiondiameterwasstudiedto verifythecorrectnessof thetheoreticalcalculation.Throughthebench test， it was verifiedthatthe seedingquantityof theseed discharge device metthe seedingquantity demand，thecorrelation between thediameterof theseeding discharge whee，thewidth of theslot，the depth of theslotand theconsistent variationcoeficientof thedisplacementofeachrow，andthe stablevariationcoeficientof the total displacement was analyzed，andthestructuralparametersof theseedingdischarge wheelwere determined.Thefieldtestresultsshowed that when the flying height was 1m ，the flying speed was 3m/s ，the striping index was 22.7% ，which met the requirements oftheunmannedaerialvehicleinstripbroadcastingoperationandachieveduniform striping.Thestudyprovides theoretical supportandexperimental basis forthe designof ricestrip directseedingmachineryand the determinationof reasonable working parameters and has reference significance for the mechanization of rice planting.

Keywords：riceseed;unmannedaerialvehiclerowdirectseeding;discreteelementsimulationanalysis;rotorflowfieldanalysis

0 引言

水稻直播是一種簡單高效的水稻種植模式1，根據播種方式不同可分為撒播、穴播和條播。目前，水稻無人機直播主要以撒播為主，但由于撒播稻種無序分布水田，不利于后期田間管理，化學除草是其控草的主要方式；無人機穴直播技術難度大，雖然針對丸粒化水稻種子有相關研究，但總體存在成穴性差、使用成本高等問題；而無人機條播技術主要解決稻種的成條性問題（便于后期機械中耕除草），逐步成為當前水稻無人機直播的主要研究方向。

排種器作為無人機直播裝置的核心工作部件，其工作性能直接影響直播效果，目前對無人機排種裝置的研究以撒播為主。例如使用離心撥盤或者離心圓盤的撒播裝置，通過控制底板漏口的開口大小調節播量，以適應不同的飛行作業速度[2.3]。但由于撒播排種無序，無法避免落種不成條的現象，不利于田間管理。穴播則利用點射式水稻播種裝置，將三倍丸粒化稻種有序點播至水田，播種量精確4。但此類播種方式需要對谷物進行包衣處理，增加了成本，無法徹底解決高效條播的問題。黃小毛等5研發了一種稻油兼用的無人機條播裝置，通過室內臺架試驗、場地飛播試驗和田間試驗3種方式，確定結構參數和工作參數并驗證作業效果，實現成條播種，但由于此類條播裝置為多種箱多排種管的模式，不適合大載重的單種箱集排式直播[6]

為解決上述問題，本文基于稻種速度軌跡理論計算、離散元仿真以及旋翼氣流仿真結果，設計一種搭載于無人機的多排型槽式條直播排種裝置；通過排量一致性試驗對排種輪結構參數進行優化，比較優化前后變異系數曲線的一致性來驗證機構設計的正確性。開展機構的排種性能試驗和田間試驗，確定成條效果較好的工作參數，實現排種量均勻與落地成條，以促進水稻機械直播的研發工作。

1整體機構與工作原理

水稻無人機多排型槽式條直播排種裝置總體結構如圖1所示，其中排種管根據其位置分為內側管和外側管。

排種裝置結構如圖2所示。工作原理：裝置作業時，由無人機平臺提供動力，通過步進電機驅動排種輪旋轉，種箱內部堆積的稻種進人型槽完成充種，在毛刷輥的作用下完成清種，型槽內的稻種隨排種輪旋轉排至出種口。通過種箱內部結構及擋種板來調節稻種在箱中的分布情況，避免稻種堆積在排種輪正上方，導致卡種。從出種口排出的稻種經排種管落于地面，實現水稻無人機單種箱多排種管的條直播。

2 排種裝置設計

2.1 排種輪結構設計

圖3周向型槽式排種輪 Fig.3 Circumferential groove type seeding wheel

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目前，水稻條直播采用的排種輪包括型孔式、周向型槽式和徑向型槽式。其中，型孔式排種輪的排種量難以匹配無人機的高速作業模式，徑向型槽式排種輪的各行排量一致性較低。為提高作業效率及各行排量一致性，裝置采用周向型槽式排種輪，其結構如圖3所示。

考慮水稻無人機多排型槽式條直播排種裝置整體的體積和排種性能，需要確定周向型槽式排種輪直徑和長度與型槽深度和寬度。排種輪的長度受到無人機尺寸以及驅動裝置零部件尺寸限制，長度過長會增大裝配難度，長度過短會降低排種效率，綜合考慮，取排種輪的長度為 120mm 。排種性能與排種輪直徑相關性較高，轉速相同情況下，排種輪直徑過小，會出現漏種現象；直徑過大，排種輪質量和體積增加，會降低無人機的攜種量。采用離散元仿真的方法確定周向型槽式排種輪的直徑、型槽寬度和深度參數范圍，仿真模型如圖4所示，仿真參數設置如表1所示[8]。

圖4離散元仿真Fig.4Discrete element simulation

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表1仿真參數設置Tab.1 Simulation parameter setting

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在顆粒生成位置以及排種管末端設置數量傳感器，設置排種輪轉速為 60r/min ，工作時長為 30s ，對不同參數排種輪的排種量進行對比，仿真結果如圖5所示，當排種輪直徑為 40～80mm 、型槽深度為3～5mm 、寬度為 8～12mm 時，體積適中，基本無漏種現象，且排種量基本滿足無人機在 1～5m/s 飛行速度下的播量需求。

2.2排種管結構設計

無人機高速飛行作業時，旋翼氣流會影響稻種落地的分布情況[9.10]。為抑制此影響需設置排種管保護稻種度過氣流高速區，通過ANSYSFluent對四旋冀無人機工作時產生的氣流場進行分析，以確定排種管的最小長度。計算流體域為4個動域和1個靜域：動域為旋翼工作時形成的半徑為 430mm 、高度為 60mm 的圓柱形區域，靜域為無人機工作時周圍的流場，結合實際情況設置長 x 寬 x 高為 4000mm×4000mm× 5000mm 的長方體區域。基于可壓縮雷諾平均N一S方程，結合 k-ε 黏性模型和滑移網格技術，速度人口為上表面，其值為 2m/s ，壓力出口設置為下表面，其值為一個標準大氣壓[1]。不同高度的氣流速度有顯著差異，速度急劇變化區域位于旋翼的正下方 1.5m 以內，該區域以外的氣流速度基本小于 0.5m/s ，且隨著距離增加速度持續減小。由于無人機旋翼至排種管上端距離為 700mm ，為確保出種口位于旋翼下方 1.5m 外，排種管長度應不小于 800mm 。

為保證稻種順利通過排種管，排種管的內徑設置為稻種最大長度的3倍，即 25mm 。對不同結構參數的排種管進行稻種通過率測試，首先固定排種管，于排種管末端設置塑封袋，在排種管入口處投入 100g 稻種，離開排種管的稻種重量與進入排種管的稻種重量之比即為單次測試的稻種通過率，每組試驗進行5次，取平均值作為試驗結果，如表2和表3所示。結果表明，外側管和內側管較優參數為方案4與方案5。

表2外側排種管通過率仿真測試結果 Tab.2 Simulation test results of the pass rate of the outer seeding tube

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表3內側排種管通過率仿真測試結果 Tab.3 Simulation test resultsof the passrate of the inner seeding tube

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稻種在離開排種管時的速度和角度能夠在一定程度上影響落地成條效果。因此在設計排種管時，對稻種的速度和軌跡進行2個階段的計算：（1）對稻種被排種輪排出的瞬時速度進行計算；（2）對稻種進入排種管至離開排種管的軌跡和速度變化情況進行分析。

對于第一階段，稻種被排出型槽的瞬時速度大小與排種輪上該點的速度大小相同，如圖6所示，稻種離開型槽時的速度 V_D 計算如式（1）所示。

V_p=ω²r

式中： r （24 稻種的質心至排種輪中心的距離， mm ：ω 排種輪的角速度，rad/s。

圖6稻種速度示意圖

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第二階段計算在排種管內部的碰撞下，稻種在排種管內的速度增量以及角度 τ ，稻種在排種管內部碰撞軌跡如圖7所示。

圖7稻種在排種管內部碰撞軌跡示意圖

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式中： J₀ —稻種顆粒的轉動慣量， kg?m² ω_?0 碰撞前的角速度，rad/s;（204號 ω_P 碰撞后的角速度，rad/s;v₀ 碰撞前的速度， m/s v_p， 碰撞后的速度， m/s ：m 稻種顆粒質量；r_d 稻種顆粒半徑， mm ：I_X 沿管道壁面方向的沖量， N?s ：m- 入射角， （^°） ：θ 回彈角， （^°） ：e 稻種顆粒恢復系數；v₀ⁿ. 碰撞前沿管道壁面的法向速度， m/s v_pⁿ， 碰撞后沿管道壁面的法向速度， m/s 。

綜合式（2）可得

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在此基礎上，稻種離開排種管時的擴散角度 τ 與擴散直徑 w 關系如式（4）所示。

w=h_T×tanτ×2+d_N

式中： h_T 排種高度， mm d_v —排種管道內徑， mm 。

為方便計算，對模型進行假設處理：（1）忽略稻種自身的旋轉；（2）由于稻種顆粒直徑較小，且管道內壁較為光滑，假設稻種與排種管道壁面的碰撞為完全彈性碰撞；（3）忽略稻種受到排種管內部空氣阻力的影響。由于完全彈性碰撞不損失速度，故稻種離開排種管時的速度 V_L 等于離開型槽時的速度 V_D 與在排種管內的速度增量 V_z 之和，該速度增量僅與排種管總長度 L_Z 相關，可由式（5）計算，綜合式（1）和式（5）可以得到排種輪轉速與稻種離開排種管時的速度關系，如式（6所示。

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綜合式 （1）～ 式（6）可計算出排種管不同方案下稻種落地成條的寬度與速度增量，結果如表4所示。對比最大寬度以及速度增量，綜合考慮選擇方案5。

表4不同方案內、外側管的排種情況

Tab.4Seedingsituationof innerand outertubesunder different schemes

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2.3旋翼氣流影響下的驗證試驗

為分析旋翼氣流對排種效果的影響，加工實物樣機，將其搭載于無人機上后，利用高速攝像機觀察稻種離開排種管時的擴散角度以及落地情況。稻種離開排種管時的最小擴散角度與最大擴散角度如圖8所示，大部分稻種的擴散角度較小，只有小部分稻種以較大的擴散角度被射出，且最大擴散角不受排種高度與排種輪轉速的影響。

圖8擴散角度示意圖 Fig.8Diagram of diffusionangle

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不同排種輪轉速下，最大擴散直徑隨排種高度的變化如圖9（a）所示。在無旋翼影響時，不同排種輪轉速下的最大擴散直徑隨排種高度變化趨勢相近，但由于空氣阻力的影響，隨著排種輪轉速降低，最大擴散直徑會減小，且隨著排種高度的增加，不同轉速的最大擴散直徑差值變大；在開啟旋翼后，受旋翼氣流影響，3種排種輪轉速下的最大擴散直徑均增加。從圖9（b）

可知，當排種輪轉速為 60r/min 時，由于旋翼造成的氣流影響，排種高度為 1200mm 下的最大擴散直徑從 337mm 增大到 348mm ，表明當排種輪轉速較高時，稻種離開排種管時的速度較大，受到旋翼造成的氣流影響降低。綜上，為分析旋翼氣流對稻種最大擴散直徑的影響，保證條播時的成條性，下面選用排種輪轉速為 60r/min 的試驗結果開展進一步分析。

為表征不同排種高度下稻種落地的離散程度，定義無量綱參數 R^* ，該參數為落在圖10圓圈中稻種的數量與總稻種數量之比。當 R^* 相同時，對應擴散直徑越大，表明稻種的離散程度越大，則無人機條播時成條寬度越大，成條性越差。

當排種輪轉速為 60r/min 時，不同排種高度下稻種的擴散情況如圖10所示，圖11為不同 R^* 對應的擴散直徑隨排種高度的變化曲線。

由圖11可知，隨著排種高度增加，不同 R^* 對應的擴散直徑均增大，與上文分析的最大擴散直徑隨排種高度的變化趨勢一致。同時對比發現， R^?=99% 對應的擴散直徑隨排種高度的變化斜率更大，而 R^*=60% 和 R^*= 90% 對應擴散直徑隨排種高度的變化斜率幾乎相同。根據高速攝像機試驗結果分析，當稻種從排種管射出時，大部分稻種的擴散角度均較小，結合式（4）可知，擴散直徑的變化斜率與稻種擴散角度的正切值相關，說明大部分稻種的擴散直徑與排種高度的變化斜率相同，但當擴散角度較大時 （R^*=99% ），其對應的擴散直徑隨排種高度的變化斜率較大。理論分析與試驗結果一致，驗證理論的正確性，為后續條播試驗提供依據。

3 排種性能試驗

3.1轉速單因素試驗

排種輪轉速是排種性能的核心因素，開展臺架試驗進行轉速單因素試驗，如圖12所示。試驗指標為總排量穩定性變異系數 CVT， 各行排量一致性變異系數 CVR 以及破損率 K ，如表5所示[12.13]，電機轉速初步選取 40～90r/min 。

圖12臺架試驗Fig.12 Bench test

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表5條播農藝要求 Tab.5 Agricultural requirements for direct sowing in strip：

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根據式（7）～式（11）可計算出各項排種性能指標。如圖13所示，當排種輪低速工作時，脈動性較強[14.15]，各行的排種量不均勻。隨著排種輪轉速增加， CVR 呈先減小后增加的趨勢，總體上維持在 3.16%～10.20% CVT 先下降后基本保持平穩，總體上維持在 0.55%～ 2.17% ，破損率 K 小幅增加，最大值為 0.401% 。

式中： μ₁ —行排量均值， g （20 μ₂ —總排量均值， g

N₁? -排種管個數；

N₂ 試驗總次數；

x_i 第 i 行排量，g;

y_i 第 i 次試驗總排量，g;

m_b 破損稻種質量，g;

m_z 稻種總質量，g。 20 CVR -K T 40 5060708090 100 排種輪轉速/（r·min1）

綜上，當排種輪轉速為 60r/min 時，排種量基本穩定在 770g/min ，該排種量對應無人機 1～5m/s 的飛行速度時，播量為 21.45～106.95kg/hm²， 能夠滿足播量要求，且各項性能指標滿足表5中的要求。

3.2排量一致性試驗

為確定最優的排種輪參數，開展排量一致性試驗。以排種輪直徑、型槽寬度、型槽深度作為影響因素，CVR，CVT 作為評價指標[16.17]。使用加工直徑為 40～ 80mm 、型槽寬度為 8～12mm 、型槽深度為 3～5mm 的多套排種輪進行試驗。試驗采用Box—Bebnken設計法，可以減少試驗次數，用于評估因素的非線性影響[18.19]。試驗因素編碼如表6所示，使用Design—Expert得到試驗次序[20.21]，共進行15組試驗，每組試驗重復進行3次，取其均值作為該組試驗結果。

表6因素編碼表 Tab.6 Factor coding table

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在三項因素中，排種輪直徑對 CVR，CVT 產生的影響最大，型槽寬度影響其次，型槽深度影響最小。對試驗數據進行優化預測，影響因素的目標值選取在可及范圍內，評價指標的目標值選取為最低值，得到最佳參數：排種輪直徑為61. 75mm ，型槽寬度為 9.98mm ，型槽深度為 4.01mm ，此時， CVR=2.27% ， CVT= 0.89% 。結合實際情況，使用直徑為 60mm 、型槽寬度為 10mm 、型槽深度為 4mm 的排種輪進行驗證試驗，得出 CVR=2.73% CVT=1.19% ，滿足表5中水稻條播農藝要求，且與模型預測值較為接近，說明Box—Bebnken設計法可用于排種輪的結構優化。優化前排種輪直徑為 40mm 、型槽寬度為 8mm 、型槽深度為3mm ，將其性能指標與優化后進行對比，如圖14所示。

圖14優化前后對比

Fig.l4 Comparison before and after optimization

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3.3 田間試驗

為進一步驗證所設計裝置在田間的播種效果，于浙江省海寧市楊渡基地作物所試驗專用水田內以成條指數作為評價指標開展田間播種驗證試驗，成條指數為稻種落地平均寬度與行距之比，試驗時天氣多云，自然風速2級。不同飛行速度的成條指數如圖15所示。其中飛行高度為 ^1m 、飛行速度為 3m/s 的隨機12段播種效果如圖16所示。

分析圖15中數據，稻種落地的成條指數隨速度增加呈現先降低再升高的趨勢，并在 3m/s 左右達到相對較好的成條效果，成條指數為 22.7% 。表明速度越低時，單位長度內的稻種數量越多；速度越高時，旋翼氣流的影響增加，二者均一定程度增加稻種條帶的寬度。

圖16播種效果 Fig.16 Sowing effect

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4結論

1）設計一種水稻無人機多排型槽式條直播排種裝置，通過仿真分析、參數優化以及田間試驗等研究工作，驗證裝置的合理性，實現單種箱多排種管的高效成條播種。

2）以排種輪直徑、型槽寬度、型槽深度為試驗因素，總排量穩定性變異系數、各行排量一致性變異系數、破損率為評價指標，開展三因素三水平的Box—Bebnken響應面試驗，最終得出排種輪的最優結構參數。在通過旋翼氣流仿真確定排種管長度為 800mm 的前提下，構建稻種在排種管內的運動學模型，優選排種管結構參數。

3）臺架試驗結果表明，當排種輪轉速為 60r/min 時，無人機飛行速度為 1～5m/s ，總排量穩定性變異系數為 1.19% ，各行排量一致性變異系數為 2.73% ，破損率為 0.401% ，田間試驗結果表明，在飛行作業高度為 1m 、飛行速度為 3m/s 、排種輪轉速為 60r/min 的情況下，成條指數為 22.7% ，均滿足條播農藝要求，驗證該裝置的可行性。

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