農業(yè)物料撒播技術在無人直升機中應用的思考

農業(yè)物料撒播技術在無人直升機中應用的思考宋燦燦;周志艷;羅錫文;姜銳;蘭玉彬;張海艷【摘要】為了探究適合無人直升機的農業(yè)物料撒播技術,闡述了國內外常見的播量調控技術和拋撒技術,包括機械式、氣力式播量調控技術,以及離心式、氣力式、均分桿式、擺管式、錐盤式拋撒技術等,并詳細分析了不同播量調控技術和拋撒技術的特點和適用范圍及其在農業(yè)航空撒播方面的應用條件.對比了有人駕駛飛機撒播技術和無人機撒播技術的作業(yè)特點及目前航空撒播中常用的方法,分析了無人直升機撒播技術的可行性、優(yōu)越性、重要性和應用需求及無人直升機撒播的作業(yè)要求,并討論了可在無人直升機中應用的播撒技術和開展相關研究需要解決的關鍵問題,為進一步開發(fā)適用于無人直升機的農業(yè)物料播撒裝置提供參考.％Seedingbytheunmannedhelicopterisoneofthemainwaystosolvetheseedingproblemsinsomepartsofourcountry,andoneoftheimportantresearchdirectionsinthefieldofagriculturalaviation.Inordertoexplorethefeasibleunmannedhelicopterseedingmachines,theseedingratecontroltechnology(mechanicalorpneumatic)andsprayingtechnology(suchascentrifugaltype,pneumatictype,splitbartype,tubetype,conedisctypeandsoon)wereanalyzedfromtheperspectiveofgrainsprayingprogress.Thecharacteristicsandrangesofapplicationofdifferentseedingratecon-troltechnologiesandsprayingtechnologieswereanalyzedindetail,sodidtheapplicationconditioninagriculturalaviationarea.Theoperationcharacteristicsofmannedaircraftseedingtechnologyandagriculturalunmannedaerialvehicle(UAV)seedingtechnologywerecompared,aswellasthecurrentmethodsusedinaviationarea.thefeasibility,superiority,impor-tanceandapplicationprospectoftheunmannedhelicopterseedingtechnologywereanalyzed,sodidtheunmannedheli-copterseedingoperationrequirement.Thekeyproblemsofrealizingthecombinationofseedingdeviceandsmallagricul-turalUAVwerepointedout,providingthereferenceforfurtherdevelopmentofunmannedhelicopterseedingdevice.【期刊名稱】《農機化研究》年(卷),期】2018(040)009【總頁數(shù)】9頁(P1-9)【關鍵詞】農業(yè)航空;精準農業(yè);無人直升機撒播;飛機撒播;變量撒播【作者】宋燦燦;周志艷;羅錫文;姜銳;蘭玉彬;張海艷【作者單位】華南農業(yè)大學工程學院/廣東省農業(yè)航空應用工程技術研究中心,廣州510642;國家精準農業(yè)航空施藥技術國際聯(lián)合研究中心,廣州510642;華南農業(yè)大學工程學院/廣東省農業(yè)航空應用工程技術研究中心,廣州510642;國家精準農業(yè)航空施藥技術國際聯(lián)合研究中心,廣州510642;南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心,長沙410128;華南農業(yè)大學工程學院/廣東省農業(yè)航空應用工程技術研究中心,廣州510642;國家精準農業(yè)航空施藥技術國際聯(lián)合研究中心,廣州510642;華南農業(yè)大學工程學院/廣東省農業(yè)航空應用工程技術研究中心,廣州510642;國家精準農業(yè)航空施藥技術國際聯(lián)合研究中心,廣州510642;華南農業(yè)大學工程學院/廣東省農業(yè)航空應用工程技術研究中心,廣州510642;國家精準農業(yè)航空施藥技術國際聯(lián)合研究中心,廣州510642;華南農業(yè)大學工程學院/廣東省農業(yè)航空應用工程技術研究中心,廣州510642;國家精準農業(yè)航空施藥技術國際聯(lián)合研究中心,廣州510642正文語種】中文【中圖分類】S252+.10引言作為現(xiàn)代農業(yè)的重要組成部分，農業(yè)航空因其環(huán)境適應性強、作業(yè)高效和及時性等優(yōu)點近年來在國內外得到了快速發(fā)展［1-2］。航空作業(yè)不受作物長勢的限制，不受地面環(huán)境的影響，不會破壞地表，利于作物后期管理，可大幅度降低成本,改善生態(tài)環(huán)境，提高經(jīng)濟效益。在發(fā)展現(xiàn)代精準農業(yè)中，農業(yè)航空承擔著越來越重要的角色［3］。2010年以前，我國農用飛機以有人駕駛固定翼飛機和直升機為主［4］，作業(yè)效率高，克服了傳統(tǒng)作業(yè)方式的缺點；但需要專用機場起降，且有人駕駛飛機只能在大面積連片區(qū)域作業(yè)，對于小面積且分散的田塊，有人駕駛飛機難以靈活控制作業(yè)范圍。無人直升機無需專用機場，可在田間地頭靈活起降［5］，較高的實時性可對作業(yè)環(huán)境做出及時的響應［6-7］，相比地面機械和有人駕駛飛機，無人機作業(yè)優(yōu)勢明顯，無人直升機的出現(xiàn)給農業(yè)航空的發(fā)展開辟了新的方向［8-9］。據(jù)統(tǒng)計，我國沼澤面積約1100萬hm2［10］，沿海灘涂總面積約220萬hm2［11］,這些地區(qū)土壤水分大，嚴重潛育化。此外，我國南方地區(qū)多小田塊，高差大，冷浸田有深厚的潛育層，排水不暢［12-13］。目前，全國約有冷浸田346萬hm2,占全國稻田面積的15.7%［14］，深泥腳田的泥腳深度可達30cm以上，要在這些區(qū)域進行作業(yè)，地面機械行走困難，較容易深陷田間。在平原地區(qū)，機械化水平提高較快，但地面機械對地表的壓實破壞作用使后期作物的出苗率降低［15］。在丘陵地區(qū)，由于生產(chǎn)條件的限制，大型地面播種機械難以行走，主要依靠小型播種機作業(yè)，費時費力［16］。在丘陵、沼澤、電線桿、防風林、居民區(qū)等區(qū)域也不利于有人駕駛農用飛機播種作業(yè)。無人直升機可在地面機械和有人駕駛飛機難以作業(yè)的種植區(qū)進行作業(yè)，是對地面機械和有人駕駛飛機的完善和補充，可提高航空作業(yè)的環(huán)境適應性。由于無人直升機存在有效載荷量少、滯空時間短等缺點［17］，地面機械和有人駕駛飛機掛載的農業(yè)物料撒播器無法直接應用于無人直升機。為了開發(fā)出適合無人直升機掛載的農業(yè)物料撒播器，本文擬在綜述國內外現(xiàn)有撒播技術的基礎上，分析各種撒播技術的優(yōu)缺點；針對無人直升機掛載播撒裝置的特殊需求，提出無人直升機用于農業(yè)物料播撒的技術方案；基于無人直升機的農業(yè)物料撒播方法，分析無人直升機撒播技術的研究方向，為無人直升機撒播技術的研究提供參考。1常見農業(yè)物料撒播技術綜述撒播的對象主要是小粒徑種子、肥料顆粒等農業(yè)物料，與育苗相比，撒播降低了移栽成本，提高了作業(yè)效率，是目前較常用的直播方法［18-19］。物料撒播作業(yè)主要分為排種和拋撒兩個過程，將物料從物料箱均勻排出，并均勻拋撒是保證撒播質量的關鍵技術［20］。常見的播量調控技術綜述播量調控技術用于將物料從物料箱內分離并控制出口排量，主要依靠排種器或其他結構實現(xiàn)播量調控。機械式播量調控技術機械式播量調控主要是根據(jù)種子粒型，在排種器上設計型孔或者溝槽，種子依靠自身重力經(jīng)充種、排種從種箱中分離出來［20］。典型的有窩眼式、槽輪式、圓盤式、振動式、指夾式、帶式、滾筒式、攪龍式、推桿式和環(huán)帶孔式排種器等［21］，主要依靠改變排種原理實現(xiàn)變量調控。窩眼式排種器的重要部件是型孔，不同結構的型孔適應不同粒徑的種子。窩眼式排種器工作時，物料顆粒在窩眼輪的轉動下進入型孔內，并隨之排出［22］，窩眼輪的轉速和型孔尺寸等是影響排種器性能的關鍵因素。崔紅梅等人(2014)對玉米單粒播種機的可調窩眼式精密排種器進行研究，試驗分析了排種盤轉速和窩眼長度對播種質量的影響，確定了較佳的精量作業(yè)參數(shù)，玉米單粒指數(shù)達到88%；該排種器的窩眼大小可調，能適應不同的種子顆粒［23］。湯楚宙等人(2010)設計了一種由型孔輪和調節(jié)環(huán)組成的變容量型孔式排種器，移動調節(jié)環(huán)可改變型孔容積，實現(xiàn)無級變量調節(jié)［24］。窩眼式排種器的型孔尺寸對種子的要求較高，主要用于點播和穴播，通用性較差，播量調節(jié)不明顯，難以實現(xiàn)較大顆粒流。外槽輪排種器的關鍵部件是槽輪，排種時主要依靠外部動力帶動槽輪轉動，落入溝槽內的種子在槽輪的推撥下排出，播量取決于溝槽的尺寸、槽輪的有效工作長度和轉速，通用性較好［25］。常金麗等人(2007)在外槽輪排種器的基礎上設計了由壓縮彈簧和調節(jié)手柄組成的播量調節(jié)裝置，通過改變外槽輪的工作長度調節(jié)播量［26］。外槽輪排種器結構簡單，可通過改變溝槽的尺寸調節(jié)排量，且可適應不同粒徑的種子，方便調節(jié)播量。圓盤式排種器關鍵部件是帶有型孔的圓盤、刮種器和推種器，主要依靠圓盤上的型孔實現(xiàn)種子均布，對種子要求較高，受型孔限制，通用性差，主要用于穴播或單粒點播，播量依靠圓盤轉速調節(jié)［27-28］。振動式排種器主要依靠振動作用將物料箱中的種子振落，播量由振動頻率決定。振動式排種器較適合偏圓形的物料顆粒，流動性好，可形成較大顆粒流。指夾式排種器利用仿生原理，模仿人手指按壓顆粒物體在平面上推動的動作，關鍵部件是仿生指夾和指夾蓋，依靠凸輪實現(xiàn)仿生指夾和指夾蓋之間的配合運動，利用仿生指夾與種子之間的摩擦力使種子到達指定位置［29］，較適合單粒種子排種。攪龍式排種器的關鍵排種部件是攪龍，通過改變攪龍葉片的尺寸和攪龍的轉速調控播量。作業(yè)時，由單一的或者旋轉方向相反的兩個攪龍將物料箱內的物料顆粒沿攪龍長軸方向連續(xù)排列，常用于物料輸送裝置［30］，對攪龍單位時間內的輸送量要求不高［31］。李順等人(2012)設計了輕型帶式排種裝置，充種帶安裝在種箱底部，充種帶上設有錐型孔，作業(yè)時種子自種箱錐形底部直接囊入充種帶的型孔中，隨充種帶的轉動靠自重脫離充種帶［32］。氣力式播量調控技術氣力式排種器按照作用原理主要分3種：氣壓式、氣吹式和氣吸式，其相同點在于利用風機產(chǎn)生的氣流形成壓差，將種子囊入型孔內，并通過清種裝置清除多余的種子［33］，關鍵在于排種器的氣流出入口處壓差、空氣流速及錐孔結構設計［34］。R.C.Singh等人(2005)設計了一種氣力式排種裝置，通過試驗研究了排種盤轉速氣流壓力和吸種孔型對排種的影響，確定了單粒播種的最佳吸種孔的錐角及排種盤的轉速等參數(shù)［35］。張國忠等人(2013)設計的水稻氣力式排種器，主要用于水稻的精量穴直播，采用具有群布吸孔的吸種盤，利用氣壓差形成真空度，使種子順利排布在吸種盤上，精確度較高且傷種率低［36］。趙文厚等人研制了4BQD-40氣力噴播機噴射式排種器，利用高速氣流吸種、壓送的原理，將種子吸入管道內形成二相流，實現(xiàn)高速遠距離拋撒種子，傷種率較低［37］。氣力式排種器需要獨立的風機系統(tǒng)，對裝置的氣密性要求較高，氣室結構復雜。其他播量調控技術陳書法等人(2012)研究了用于微小尺寸作物育苗的壓電型振動氣吸式排種方式，將壓電驅動方式與氣吸盤相結合，使種子產(chǎn)生利于吸種的“沸騰”運動，吸種率和吸種量與壓電振動強度有關，吸種率高，傷種率低［38］。何培祥等人(2003)設計的電磁式排種器以PIC16F877為核心，利用光電控制技術，每次排種粒數(shù)由開關按鈕控制，方便調整，可實現(xiàn)單?；蛘哌B續(xù)排種［39］。張書慧等人(2004)設計了一套精準農業(yè)自動變量施肥機控制系統(tǒng)，以AT89C52單片機為中心，在不改變原有結構的前提下，通過改變排肥軸的轉速實現(xiàn)變量調節(jié)［40］。如前所述，目前研究較多的播量調控方法中，排種器主要分兩類:①依靠排種通孔、型孔、溝槽等分離顆粒，形成單粒顆粒流，適用于精密播種，不適合撒播［41］:②依靠振動帶、傳輸帶、旋轉葉片分離顆粒，形成較大顆粒流，較適合顆粒分布不規(guī)則的播種作業(yè)。部分機械式排種器的播量調控原理同樣適合控制顆粒流，如攪龍排種器的螺旋攪龍可在輸送過程中形成顆粒流，通過卡緊機構和分度盤等結構將物料顆粒定位輸出［42］，可產(chǎn)生大排量顆粒流。外槽輪式排種器的溝槽結構加以改進也可形成顆粒流。無人直升機載荷量有限，滯空時間短，屬于低空高速作業(yè)，現(xiàn)有的播量調控方法難以直接應用在無人直升機撒播上，需要對排種結構做進一步的研究和改進，以提高顆粒流量和播量調控的精度。常見農業(yè)物料拋撒技術綜述拋撒是物料撒播作業(yè)的第二個重要技術，關鍵在于將排種器排出的物料顆粒流均勻地拋撒出去?，F(xiàn)有的拋撒技術如下所述。離心式拋撒技術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。P.VanLiedekerke等人(2009)［43-44］和J.Reumers等人(2003)［45］分別對離心圓盤式撒肥機進行了仿真和試驗，研究了顆粒飛離圓盤的運動規(guī)律和拋撒顆粒的軌跡等，發(fā)現(xiàn)拋撒均勻性主要與圓盤轉速和圓盤上的葉片有關［46］。秦朝民等人(2004)設計了2SF-10型離心式撒肥機，并進行了田間試驗，證明圓盤式撒肥機效率高，作業(yè)效果良好［47］。湯遠菊等人(2014)設計了一種離心圓盤式的油菜撒播機，在離心圓盤周圍設計了圓盤罩殼實現(xiàn)半邊拋撒，使撒播幅寬可調［48］。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［49］。氣力式拋撒技術氣力式播撒是利用氣流將農業(yè)物料顆粒吹出，實現(xiàn)播撒。例如，日本的背負式動力撒播機和水平噴管式撒粒機，工作時，種箱內的種子經(jīng)排種裝置排出，再經(jīng)空氣氣流作用吹送到各個噴口，種子流撞擊到噴口處的突起分散開來，實現(xiàn)撒播［50］。許令峰等人(2015)設計了一種風送式水稻撒播機，出口噴嘴設計成等截面面積漸變式的扁狀扇形結構，便于顆粒拋撒［51-52］。氣力式拋撒技術的優(yōu)勢在于利用氣流吹送種子，可實現(xiàn)較大的撒播量，且傷種率低；但要想得到較大的幅寬，需要引導氣流沿不同的方向吹出，對裝置的結構和氣密性要求較高。均分桿(板)式拋撒技術均分桿式撒播機的特點是在排種管末端設置均分桿或者均分板,使來自排種管的顆粒流被分成若干較小的顆粒流,實現(xiàn)拋撒。此類撒播機較多用于有機肥和顆粒肥料的拋撒。吳海巖等人(2012)設計的小麥等深撒播機采用籽粒自流打散方式，在橫向均撒裝置上設置外罩，外罩的上方連接落種管，落種管的下端設有種子側分桿，便于種子分流；外罩中設有勻種柱，可將種子打散［53］。馬洪彬等人(2012)發(fā)明的適用于小麥播種機的勻種器，關鍵部件為分種盒和擋板，分種盒內至少有一個分種板，對種子進行分流；擋板底端設有阻擋片，下落的種子流在阻擋片上被打散，呈帶狀分布［54］。均分桿(板)式撒播主要是利用固定的桿(或者板)對種子進行分流，不能按需調整分流效果，且該撒播方式是基于帶有排種管的撒播機。擺管式拋撒技術仿生技術的發(fā)展為撒播機的研究提供了一個新的方向，一些研究者模仿人手臂撒施化肥的方式研制出擺管式撒施機。呂新民和張李嫻等人(2009)利用仿生學原理，模擬人手臂撒肥的動作特征設計了一種擺管式撒肥機［55］，重點設計了由偏心盤和擺叉組成的擺動機構。高靜華(2014)設計的擺管式撒肥機主要包括懸掛系統(tǒng)、驅動部件、肥箱、排料調節(jié)控制桿和排料管等部分，采用仿生學原理，模擬人手臂撒肥的動作，實現(xiàn)了肥料撒施的通暢和均勻，保證了施肥的穩(wěn)定高效及施肥的一致性；特別是用在水田撒肥，作業(yè)效果良好，勞動生產(chǎn)率較人工提高了18~20倍［56］。李鵬和夏俊芳(2013)設計的通用性擺管式撒肥機模擬人手臂撒肥方式，通過擺動管往復擺動撒施化肥；另在該撒肥機肥箱中加裝攪刀式攪肥裝置，既可以撒施顆粒狀肥料又可以撒施粉狀肥料，擴大了應用范圍［57］。此外還有其他的拋撒技術，如錐盤式拋撒技術、甩鏈式拋撒技術，其工作原理與上述技術相似，不再贅述。綜上所述，國內外對撒播技術的研究已取得很大成就，能滿足基本的撒播作業(yè)要求，但主要涉及地面撒播裝置，且存在以下問題：離心式撒播雖可獲得較大的幅寬，現(xiàn)有的裝置大都是用大扭矩電機驅動，且顆粒是從圓盤中心正上方下落，并在360°的環(huán)形區(qū)域內拋撒，重播、漏播較嚴重；氣力式撒播降低了傷種率，但現(xiàn)有的裝置以精播為主，且現(xiàn)有風送管的分布需要支撐結構，較難直接掛載在無人直升機上。均分桿式、擺管式和錐盤式等的撒播裝置目前大都掛載于地面牽引機械，不能直接用于無人直升機航空作業(yè)。航空撒播技術綜述航空撒播是指在農用飛機上掛載專用撒播器進行農業(yè)物料撒播的作業(yè)方式。國內早期的航空撒播作業(yè)平臺主要依托有人駕駛固定翼飛機和直升機。目前用于有人駕駛固定翼飛機的播撒器已比較成熟，多用于飛播造林和飛播牧草［58］，但是專門用于無人直升機的撒播器尚處于研究階段，未見大規(guī)模應用。有人駕駛固定翼飛機常用撒播裝置風道式航空撒播裝置如圖1所示：來自美國德克薩斯州博蒙特的風道式航空撒播裝置是有人駕駛固定翼飛機撒播常用的裝置，掛載在大型固定翼飛機底部，播量調控主要依靠大排量的長軸槽輪，拋撒主要依靠氣流吹送實現(xiàn)。該裝置設有入風口、入種口和弧形導流風道，導流風道分別向兩側呈弧形伸展，風道上間隔設置有若干出料口，利用飛機高速飛行時產(chǎn)生的高速氣流，在導流通道內與物料充分混合，使物料顆粒獲得較大的初速度，并沿若干風道脫離撒播裝置，撒播幅寬大、效率高。圖1風道式飛機撒播Fig.1AerialbroadcasterwithairflueR.W.Brazelton等(1968)報道了一種大排量的飛機撒播裝置［59］，如圖2所示。該撒播裝置在物料箱底部設置轉動軸控制物料排量，下落的顆粒流在氣流作用下經(jīng)各個風道排出。實際作業(yè)中，該撒播裝置安裝在有人駕駛飛機底部，對物料的播量調控主要依靠安裝在機艙底部的控制閥門，且由駕駛員手動控制，沒有專用的拋撒機構，從機身底部控制閥門流出的物料顆粒隨即被機身周圍高速氣流吹散。該裝置需要高速氣流，較適合有人駕駛固定翼飛機，且適宜在大面積連片區(qū)域作業(yè)。圖2用于直升機撒播干物質的撒播裝置Fig.2SpreaderassemblyforhandlingdrymaterialsbyaircraftR.K.Bansal等人(1998)對利用氣流進行飛機撒播肥料的試驗進行了相關研究，通過建立FLUENT仿真模型，探究飛離裝置的顆粒的速度的影響因素和分布規(guī)律，并與實際試驗作對比，驗證并得到了有人駕駛固定翼飛機撒播裝置中的肥料出口速度與顆粒形狀之間的關系［60］。導管式航空撒播裝置圖3為李萬春(1995)設計的導管式航空撒播裝置。1.種子箱2.機艙地板3.引流口框4.外蒙皮5.飛機冷氣源6.冷氣導管7.整流罩8.定量盤9.下種開關10.種子分配器11.吹種風洞12.拉桿13.電纜14.總操縱臺15.電源圖3導管式航空撒播裝置［61］Fig.3Pipelineairplanebroadcaster該裝置的播量調控是通過定量盤和種子分配器實現(xiàn)的，通過電氣操縱系統(tǒng)打開種箱的下種開關，將定量盤和種子分配器結合使種子按照比例吹進不同的導管內，形成具有一定寬度的撒播帶。導管一端為進風口，另一端為氣固混合出口，各導管呈錐形排列，引導顆粒流向不同的方向拋撒。該裝置有自動顯示系統(tǒng)，駕駛員可以隨時調整撒播量。不足之處在于：所用的定量盤和分配器形成的間隔是固定的，不能靈活調節(jié)，對物料的粒型要求較高，種子撒播量的可調范圍較小。其他航空撒播裝置圖4所示為國內早期使用的簡易飛機撒播裝置，由大型客機改裝而成，在機艙內加裝物料箱，播量調控由安裝在機艙底部的控制閥門實現(xiàn)，控制閥門由駕駛員手動控制，且無專用的拋撒裝置，從閥門流出的物料直接由高速氣流吹散開。該撒播裝置結構簡單，撒播量手動控制，適合飛播種草等均勻度要求不高的作業(yè)，是我國早期開展飛播種草所用的主要裝置［62］。圖4簡易的飛機撒播裝置Fig.4Simpleplanespreadingmechanism有人駕駛固定翼飛機撒播作業(yè)時，主要依靠駕駛員與地面人員的配合，人為控制撒播變量，且飛機前進速度較快，很難及時調整撒播量。撒播裝置結構簡單，主要利用高速氣流吹送物料顆粒，關于撒播裝置的結構研究較少［63］。2.2無人直升機撒播技術關于無人直升機撒播裝置，國內外的研究已取得一些成果。2000年，日本采用在無人直升機上安裝葉輪的方式撒播粒劑除草劑。工作時，葉輪上的葉片旋轉，將粒劑從物料箱中攜帶出去并撒播在作物上［64］。目前，無人直升機撒播主要采用離心圓盤式撒播裝置。羅錫文等(2014)研發(fā)了一種適用于無人機撒播作業(yè)的機載裝置及撒播方法，該裝置采用離心圓盤式播撒器，可掛載于無人直升機，通過移動物料箱出口處的擋板進行播量調控，通過旋轉圓盤實現(xiàn)拋撒［65］，通過遠程控制系統(tǒng)控制物料的播撒作業(yè)。李遺(2016)發(fā)明了一種適用于超低空飛行器的肥料撒播裝置，如圖5所示。該撒播器由多旋翼低空飛行器掛載，播種施肥機構采用離心圓盤式，在物料箱底部設置控制開口大小的播量調節(jié)開關，但是無法實現(xiàn)實時變量調節(jié)，而且該裝置采用半邊拋撒，落種帶呈扇形環(huán)狀，易在前進方向上出現(xiàn)重播、漏播的現(xiàn)象。1.電機2.機架主體3.可折疊式管夾4.螺旋槳5.起落架6.支撐架7.緩沖墊8.出料機構9.播種施肥箱10.支撐板11.懸臂圖5多旋翼無人直升機掛載的離心圓盤式撒播裝置［66］Fig.5Broadcasterofremotecontrolaircraft包勝軍等(2016)設計了一種無人直升機撒播裝置，如圖6所示。該撒播裝置采用單旋翼無人直升機作為掛接載體，利用閘門的移動控制出料口大小，調節(jié)播量，利用離心圓盤拋撒物料顆粒，結構小巧，撒播幅寬大；但該撒播裝置的不足之處在于利用閘門實現(xiàn)播量調控不夠準確和連續(xù)，隨著閘門的移動，容易出現(xiàn)從零物料下落突變成大流量物料下落的現(xiàn)象，難以精準控制，且該裝置選用圓盤360°圓周拋撒，前進方向上落種區(qū)是較多環(huán)形落種帶疊加形成的，重播和漏播較嚴重。國內的一些無人機生產(chǎn)企業(yè)也陸續(xù)推出基于無人直升機的播撒裝置，主要有“珠海羽人”“廣州天翔”“高科新農”等單位，如廣州天翔的撒肥播種機構［67］及深圳高科新農技術有限公司的物料自動播撒機構［68］，珠海羽人采用的航空播撒裝置為離心圓盤式。離心圓盤式利用舵機控制物料箱底部閥門，實現(xiàn)播量調控，會出現(xiàn)物料顆粒流量突變的情況，存在播種均勻性較差、播量控制不精準與高速旋轉的圓盤易傷種等問題。1.料桶2.連接架3.橫桿4.甩盤5.支架圖6單旋翼無人直升機掛載的離心圓盤式撒播裝置Fig.6Broadcasterdevicebasedonsingle-wingunmannedhelicopter［69］基于無人直升機的農業(yè)物料撒播探討無人直升機用于農業(yè)物料撒播的需求與地面機械和有人駕駛農用飛機相比，無人直升機通過性好，可空中懸停，可遠距離操控，可實現(xiàn)精準定位，結合空中遙感監(jiān)測等技術，可實現(xiàn)按需變量作業(yè)，不需要專用的機場起降［70-71］。無人直升機亦可在深泥腳田塊、池塘、沼澤、居民區(qū)等的小面積區(qū)域作業(yè)，是地面機械和有人駕駛飛機無法企及區(qū)域的播種作業(yè)的最佳補充，可實現(xiàn)較佳的農業(yè)物料投入量，且可實現(xiàn)播量控制，播撒均勻度高?，F(xiàn)有的航空撒播裝置多應用于有人駕駛飛機，將機艙改裝成簡易的物料箱，底部加裝控制閥門和簡易風道，并無配套的專用撒播裝置、撒播幅寬大，效率高；但撒播均勻性較差，且使用范圍受限。目前，用于無人直升機的播撒裝置主要由地面撒播機械改裝而來，播量調控主要采用改變出料口大小的方式實現(xiàn)，難以實現(xiàn)播量連續(xù)可調，播量不可控，拋撒方式較多采用離心圓盤式。該方式形成的環(huán)形落種帶重疊度較高，易出現(xiàn)重播現(xiàn)象。隨著農業(yè)航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，作為精準農業(yè)的一種作業(yè)形式［72-73］，無人直升機作業(yè)的需求將會增大。無人直升機用于農業(yè)物料撒播的關鍵問題3.2.1無人直升機作業(yè)平臺的問題無人直升機撒播屬于低空離地播種作業(yè)，沒有駕駛員，需要精準的導航系統(tǒng)和飛行控制系統(tǒng)，在無人直升機作業(yè)中控制飛行路線。目前，大多數(shù)無人直升機安裝的導航系統(tǒng)和平衡控制系統(tǒng)精度較低，飛行姿態(tài)難以精準確定［74］。無人直升機的飛行控制模塊撒播作業(yè)需要利用GNSS的定位，根據(jù)無人直升機的作業(yè)高度和作業(yè)速度自動調節(jié)播量，遠距離操控無人直升機撒播作業(yè)，實現(xiàn)均勻撒播。受載荷量和成本等因素的限制，目前無人直升機的結構多樣化，物料箱的形狀和容積不同，有效載荷量也各不相同，機身和旋翼的設計也各式各樣，開展撒播相關的試驗研究只能針對特定機型，設計特定結構的撒播裝置，較難形成統(tǒng)一的撒播裝置的結構參數(shù)，以及配合無人直升機作業(yè)的作業(yè)調節(jié)參數(shù)等。無人直升機旋翼氣流的影響機身周圍的風場是由無人機旋翼推動空氣進行流動形成的，風場分布規(guī)律及風速大小等也是影響田間撒播作業(yè)效果的重要因素，因此需要了解并利用機身周圍的風場分布。汪沛等人(2013)采用風場無線傳感器網(wǎng)絡測試系統(tǒng)設計了三向風速測量線陣和單向風速面陣，通過測量無人油動單旋翼直升機的風場，探究了該直升機作業(yè)時不同方向的風速和風場寬度的參數(shù)，用于指導后期作業(yè)［75］。胡煉等人(2014)設計了一種風場傳感器網(wǎng)絡測量系統(tǒng)，可在田間進行多點、多風向的風速測試，并進行了田間試驗測量和分析，驗證了該測試系統(tǒng)的可靠性［76］。李繼宇等人(2016)通過采集并分析風速參數(shù)得到機身底部的三維空間方向上的風場寬度分布和風速大小，并建立風速的理想模型，發(fā)現(xiàn)在沿無人機飛行的方向上的風場分布存在“陡壁”現(xiàn)象，且沿無人機飛行方向左右對稱［77］。對旋翼風場的研究可用于指導無人直升機撒播作業(yè)，對研究物料顆粒在分場中的軌跡變化有重要意義。專用的無人直升機撒播裝置如前所述，目前的無人直升機機型豐富多樣，基于無人直升機的撒播裝置還處于試驗階段，技術尚未定性，撒播裝置與無人直升機的技術融合較差，需加強對變量控制的研究。其次，農業(yè)物料種類很多，理化特性各異［78］，撒播裝置要有普適性，降低傷種率，需設計可快速拆卸的專用播量調控裝置和播撒器，以適應一機多用的要求，降低播撒器的使用成本。結語通過對國內外現(xiàn)有播量調控技術和撒播技術進行綜述，深入研究了已有技術的優(yōu)缺點，對適用于無人直升機的農業(yè)物料播撒技術進行了探討，找出了無人直升機用于農業(yè)物料播撒需要解決的關鍵問題，并提出了無人直升機撒播技術的研究方向。實現(xiàn)無人直升機精準撒播，要綜合考慮無人直升機作業(yè)狀態(tài)和撒播器的變量調節(jié)，以提高無人直升機作業(yè)的穩(wěn)定性和播撒的均勻性。無人直升機撒播裝置在農業(yè)上的應用能夠很好地推動精準農業(yè)的發(fā)展，具有重要的研究意義和實際應用價值。利用農用無人直升機作業(yè)已成一種趨勢，無人直升機撒播裝置的研究是農業(yè)航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向，隨著各項相關政策的出臺和相關監(jiān)管部門的完善，我國的航空撒播技術必將走向健康、高速和智能的發(fā)展道路，這將極大地促進精準農業(yè)的發(fā)展，加速我國農業(yè)現(xiàn)代化的進程。【相關文獻】吳曉玲?我國農業(yè)航空技術發(fā)展現(xiàn)狀及前景[幾農業(yè)機械,2001(7):8-11.GaneshC，BoraJFNA.EnergysavingsbyadoptingprecisionagricultureinruralUSA[J].Energy,SustainabilityandSociety,2012，2(1)：1-5.ZhangC,KovacsJM.Theapplicationofsmallunmannedaerialsystemsforprecisionagriculture:areview[J].PrecisionAgriculture,2012,13(6):693-712.郭永旺，袁會珠，何雄奎，等?我國農業(yè)航空植保發(fā)展概況與前景分析J].中國植保導刊,2014,34(10):78-82.⑸阮曉東?農用無人機，現(xiàn)代農業(yè)的助航者[幾新經(jīng)濟導刊,2015(4):66-70.趙鋒，楊偉，王偉，等?基于組合優(yōu)化算法的無人機航跡規(guī)劃方法研究[J].彈箭與制導學報,2009,29(2):282-285.GuoweiCaiaJDBL.ASurveyofSmall-ScaleUnmannedAerialVehicles:RecentAdvancesandFutureDevelopmentTrends[J].WorldScientificPublishingCompany,2014(2):1-26.張東彥，蘭玉彬，陳立平?中國農業(yè)航空施藥技術研究進展與展望[J].農業(yè)機械學報,2014,45(10):53-59.HoganSD,KellyM,StarkB,etal.Unmannedaerialsystemsforagricultureandnaturalresources[J].CaliforniaAgriculture,2017,71(1):5-14.萬本太?中國的沼澤資源及其開發(fā)與保護問題J].世界環(huán)境,1991(1):24-25.任美鍔?中國灘涂開發(fā)利用的現(xiàn)狀與對策J].中國科學院院刊,1996(6):440-443.張平，鄭宏剛，余建新?高原地區(qū)冷浸田治理技術研究[J].云南農業(yè)大學學報,2005,20(5):665-670.焦加國，張惠娟，賀大連?我國冷浸田的特性及改良措施[J].安徽農業(yè)科學,2012,40(7):4247-4248.呂豪豪，劉玉學，楊生茂，等?南方地區(qū)冷浸田分類比較及治理策略[J]?浙江農業(yè)學報,2015,27(5):822-829.李朝蘇，湯永祿，吳春，等?播種方式對稻茬小麥生長發(fā)育及產(chǎn)量建成的影響[J].農業(yè)工程學報,2012,28(18):36-43.湯永祿，李朝蘇，吳春，等?播種方式對丘陵旱地套作小麥立苗質量、產(chǎn)量及效益的影響[J]?中國農業(yè)科學,2013,46(24):5089-5097.徐芳?農用植保無人機的應用及市場前景[J].農業(yè)裝備技術,2016,42(1):49-51.張寧，廖慶喜?我國小粒徑種子播種技術與裝備的應用與研究進展J].中國農機化,2012(1):93-96.FarleeLD.Directseedingoffinehardwoodtreespecies[J].Research&DevelopmentTreesearch,2013，15:31-47.崔清亮，秦剛，王明富?幾種典型精密排種器的對比分析J]?山西農業(yè)大學學報：自然科學版,2003(1):69-71.張宇文?機械式多功能精密排種器的設計J].農業(yè)機械學報,2005,36(3):51-53.劉濤，何瑞銀，陸靜，等?基于EDEM的窩眼輪式油菜排種器排種性能仿真與試驗J].華南農業(yè)大學學報,2016,37(3):126-132.崔紅梅，陳福德，杜文亮?可調窩眼式玉米精密排種器排種性能試驗研究[J].農機化研究,2014，36(4):137-141.湯楚宙，羅海峰，吳明亮，等?變容量型孔輪式排種器設計與試驗[J].農業(yè)工程學報,2010,26(12):114-119.王兵利，劉紅?外槽輪排肥器肥量控制系統(tǒng)的研究[J]?楊凌職業(yè)技術學院學報,2013,12(3):7-9.常金麗，張曉輝，陳艷巧，等?氣流式集中排種系統(tǒng)中排種定量器的設計[J].農機化研究,2007(6):66-67.廖慶喜，高煥文?玉米水平圓盤精密排種器排種性能試驗研究[J].農業(yè)工程學報,2003,19(1):99-103.孫齊磊，趙洪林，張曉輝排種器的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]?山東農機,2002(2):8-9.李洪剛?仿生指夾式排種器[D]?長春:吉林大學,2010.董向輝，劉剛，周偉艷，等?螺旋攪龍式物料排送裝置的設計J].農業(yè)科技與裝備,2014(1):33-34.陳長海?水稻插秧機螺旋攪龍式側深施肥裝置的設計與試驗研究[D]?大慶:黑龍江八一農墾大學，2016.李順，馬榮朝，古強，等?水稻播種機排種裝置的設計[J].農機化研究,2012，32(9):135-138.王曉剛三種氣力式排種器的比較分析[J].新疆農墾科技,2014(1):27-28.XuL,QingxiL,JiajiaY.Dynamicanalysisandsimulationon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