无人机式毛叶苕子撒播装置设计和试验

发布时间：2020-02-25

　　摘要:毛叶苕子是一种优良的绿肥，对增加土壤有机质和氮素有显著影响。经过前期文献查阅，研制了自带电源和远程遥控的撒播装置。撒播装置机构由种子仓、电机、播撒系统及支架等组成。利用SoliDworks对关键部件支架进行强度仿真，仿真屈服力为5.515e+0.1，表明支架强度符合要求。其次，通过撒播圆盘均匀性试验，撒播圆盘均匀性变异系数为39.71%，符合国家关于撒播的要求。本研究为新疆地区播种绿肥毛叶苕子种子提供了一种新的播种方式。

　　关键词:毛叶苕子;撒播装置;绿肥;无人机式

　　0引言

　　绿肥是我国传统农业的精华，栽培历史悠久，对我国农业生产起到举足轻重的作用。传统的肥料价格高、污染大、经济效益差，施用绿肥不仅可以减少化肥用量、提高产量，而且对农产品品质、土壤质量的提升效果显著。毛叶苕子作为绿肥一年生或越年生草本植物，鲜草中含纯氮0.64%、磷0.13%、钾0.45%，春、秋播种都可以，不仅产量高，而且是高蛋白的精草料，可以作为各类畜禽的优质饲草。

　　当前，新疆土壤中的有机质含量比全国平均水平低。查相关资料，新疆耕地土壤有机质含量平均为11.1g/kg:南疆8.9g/kg，北疆13.5g/kg。全疆现有耕地60%缺氮，全磷含量大多为0.5～1.4g/kg，速效磷(P)小于5μg/g的缺磷面积占耕地70.98%。因此，发展绿肥种植对新疆建立一个高产、优质、高效的现代化农业生产体系将具有十分重要的作用。

　　相比传统机械播种毛叶苕子种子方式，无人机撒播效率远高于机械播种。另外，无人机撒播具有不受地形限制的优势，只要在允许的范围内，对接受的各种指令和信号都能得到有效的控制，不但节省人力、作业效率高，而且可以很好地缓解劳动力短缺的问题。

　　1基本结构及工作原理

　　撒播装置主要由起落架、种子仓、供电系统、电池固定架、远程遥控系统及撒播机构等组成，如图1所示。

　　撒播机构由电机、撒播圆盘、撒播圆盘挡板组成。撒播控制系统通过螺丝将种子仓和电机固定在一起，电池固定在电池架上，种子仓和电池架一起固定在支架中间横梁上。支架通过内六角螺丝连接，其前后之间的距离是可调的，同时支架上方可以根据无人机本身的螺丝孔距进行钻孔安装。工作时，先将撒播装置固定在无人机下面;然后打开供电系统的总开关，用遥控关掉撒播装置的仓门，装入种子后拧紧种子盖子;待无人机升空后，调整无人机飞行的高度，同时通过遥控调整好撒盘的转速，打开撒播装置的仓门，无人机以一定速度前行进行撒播。其主要技术参数如表1所示。

　　2关键部件设计

　　2.1撒播圆盘的设计

　　撒播圆盘均匀性直接决定了撒播装置的撒播性能，因此提高撒播圆盘的撒播均匀性是整个装置设计的关键。本撒播圆盘材料采用高分子聚丙烯材料，具有无毒、无味及密度小等优点，强度、刚度、硬度、耐热性均优于聚乙烯。撒播圆盘转动时，种子在重力作用下下落到撒播圆盘表面，然后种子随着撒播圆盘一起旋转，并在离心力作用下沿着弧形叶片边缘撒播出去。经过查询资料，在撒播圆盘上设置弧形叶片能降低种子的破损率，叶片数量越多，撒播均匀性越高。依据选择电机的功率和撒播的幅宽，所设计的撒播圆盘直径为150mm，叶片数量为6片，叶片高度为15mm，叶片半径为70mm，叶片弧长L=6.4mm，如图2所示。

　　2.2电源系统

　　电源是撒播装置电机工作的动力源，相比其他的撒播装置，利用植保无人机的电源，设计了独立电源。电源的设计不仅可以满足撒播电机和遥控装置的用电要求，而且可以降低无人机电源的消耗。本系统采用了48V锂电池作为动力来源，其遥控装置和转速控制器正常运行需要5V直流电压供电，撒播圆盘电机需要24V直流电压供电。电池工作时，先使用电压转化器将48V交流电转为24V和5V直流电压，再将稳压器装入电池内，可以使电池稳定输出24V和5V直流电压，整个电池由电池外壳上总开关控制。电源供电系统示意图如图3所示。

　　2.3撒播装置支架设计

　　撒播装置的支架采用空心的铝管，外径16mm，内径13mm，壁厚1.5mm，整个支架的质量小于1.5kg。支架左右通过三通和内六角螺丝连接，前后和左右均可以调节距离，目的是可以和不同型号多旋翼植保无人机连接。支架最上面可以根据多旋翼无人机安装孔距进行钻孔，通过螺丝进行连接，如图4所示。

　　3撒播装置支架强度仿真分析

　　整个撒播装置中，支架是撒播装置的主体结构，起到连接无人机和撒播装置及其他部件作用。为了验证支架强度是否符合要求，选择当无人机静止停在地面的条件下，支架上面受到无人机重力，中间横梁受到其他部件向下的重力，此时撒播装置受到的力最大。同时，使用选择SolidWorks中的插件simulation进行强度校核。

　　植保类多旋翼无人机的质量最大为10kg，取g=10m/s2。假设铝管所受的力最大为100N，横梁部分质量为3kg，横梁部分受力为30N;假设支架的铝管的各个地方的承受应力都相等，将4个与无人机安装孔的位置设定为固定约束，把载荷在接触面上的分布设置为均匀分布。最后得出屈服力为5.515e+0.1，应力如图5所示。撒播装置支架受到屈服强度小于规定值，符合撒播装置的要求。

　　4毛叶苕子种子在撒播圆盘上的运动分析

　　毛叶苕子在撒盘上运动过程中，由于种子仓和撒盘是垂直的，所以在撒播圆盘旋转的半径方向上的速度为0。当毛叶苕子种子随着旋转时，种子运动在撒盘上分为滚动和滑动两种情况，受力分析如图6所示。

　　相关论文推荐：基于机器视觉的无人机油菜长势调查研究

　　5撒播圆盘均匀性试验

　　5.1试验条件

　　试验在塔里木大学现代农业工程重点实验室进行。搭载无人机播种之前，先对撒播圆盘撒播均匀性进行试验。试验时，将撒播装置固定在1.5m高度，通过计算撒播均匀性变异系数判断是否符合毛叶苕子种子播种要求。

　　5.2试验材料及方法

　　试验机具及材料:撒播装置1台，1000mm×1500mm白纸，黄油，秒表，试验记录表，毛叶苕子种子，计算器，记号笔，长直尺等。

　　在地面铺上1000mm×1500mm白纸，用记号笔和长直尺把白纸分成150个100mm×100mm格子;在纸的表面涂上黄油，目的防止种子跳动和便于计数;依据最初设计将撒播圆盘速度设定为650r/min，种子仓门设定为全打开的1/2。待所有的条件准备好，打开撒播装置总电源，将仓门打开，计时进行撒播10s;

　　6结论

　　1)经过性能试验，整个装置基本能达到设计效果，满足毛叶苕子播种求。

　　2)使用软件对支架进行强度仿真分析，结果显示支架能承受强度符合要求，证明了设计的准确性。

　　3)通过撒播均匀性试验和计算，撒播均匀变异性系数小于国家播种要求，适合进行毛叶苕子种子播种及进行单因素和多因素试验。

　　4)由于增加了配电系统，撒播装置比原来设想的装置质量增加了1kg。考虑到成本，支架本应采用碳纤维材料，实际选择了铝合金材料，因而又增加了撒播装置的质量。下一步准备优化改进，减轻整个撒播装置质量。制约无人机撒播效率最关键问题还是在于无人机载重，现在多旋翼植保无人机载重均不超过30kg，只有增加无人机的载质量，无人机撒播才有更广阔的应用前景。