论文部分内容阅读
油菜是我国重要的油料作物、绿肥作物、观赏作物、饲料作物和蜜源作物，机械化种植方式对油菜产业的发展具有重要意义。油菜作物具有播量小、籽粒小、球形度好等特点。利用多旋翼小型农用无人机进行油菜撒播作业可充分利用油菜作物和高精度自主飞行的小型无人机优势，是对油菜机械化播种方式的一种重要补充。本研究结合多旋翼小型农用无人机的特点和油菜种植农艺要求，提出了适用于无人机的油菜撒播装置，并设计了基于STM32单片机的控制系统；通过EDEM仿真和台架试验开展了排种性能研究，通过空气动力学分析与CFD仿真建立了旋翼气流场模型；开展了无人机撒播作业质量影响要素分析，并在此基础上开展了场地测定试验和田间试验，为油菜无人机撒播装置及其控制系统的实际应用提供参考。主要研究结论包括：
(1)基于油菜种植农艺要求和油菜无人机撒播作业的特点，提出了油菜无人机撒播装置的基本结构，分析了其工作原理，确定了排种装置基本结构，开展了排种装置工作过程分析，确定了排种装置中种箱、壳体、槽轮、充种漏斗等关键部件的相关参数。种箱容积为5L，槽轮直径为80mm，槽轮槽孔形状为倾角为20°的锥柱状，槽孔长度L、槽孔宽度A和槽孔深度H分别为5mm、5mm、3mm，每个槽孔一次可充种6~9粒。完成了导种管的选型，确定出种口排布方式。
(2)基于STM32F407单片机设计了与撒播装置配套的撒播控制系统。提出了控制系统的总体方案。通过对比分析确定STM32为主控制器；为保证槽轮设定转速与实际转速基本一致，减少重播与漏播的可能性，确定步进电机为槽轮机构的动力源；确定理论传输距离为3000m的E32-TTL-100模块为无线传输模块，以保证控制的实时性和有效性；完成了定位模块的参数分析。对处理器资源进行了合理分配；编写了通信协议，自制遥控器与机载撒播控制器每500ms相互发送一次作业信息，保证了信息的实时性；自动状态下，机载撒播控制器500ms更新一次无人机工作状态信息，300ms更新一次无人机飞行速度信息，根据状态信息和速度信息实时调节排种装置的槽轮转速，以保证无人机撒播的均匀性。
(3)开展了油菜无人机撒播装置排种过程的仿真分析与试验。利用EDEM软件和台架试验开展了排种性能分析，分析了转速和充种漏斗长度对排种装置的供种性能影响，确定了充种漏斗长度为53mm，此时供种速率为7.943~40.143g/min，各行排量一致性变异系数不高于2.28%，总排量一致性变异系数不高于1.76%，破碎率不高于0.02%，满足油菜种植的相关农艺要求。并建立了此参数下转速与供种速率的函数模型，该模型决定系数R2为0.9998，经试验验证，预测值与试验值偏差不超过2.71%。利用动量理论建立了悬停状态和前后运动状态下的气流场分布模型，分析了种子受力情况；并利用ICEM-Fluent软件仿真分析了本研究所选用的四旋翼无人机旋翼气流分布情况，结果表明，旋翼下方存在对称的流速较大的“塔型”下洗气流场，无人机下洗旋翼气流流速随远离旋翼的程度增加而衰减。在两旋翼的对称中心区域，存在一定的低速气流区域。旋翼下方1m处，各旋翼下洗气流影响区域出现交叉，在旋翼下方2m处，各旋翼气流影响完全融合。
(4)从内部因素(无人机平台和撒播装置)、外部因素(环境因素)两个方面分析了无人机撒播作业质量的影响因素，其中无人机平台和撒播装置对撒播质量影响更大，明确了出种口横向距离和作业高度对撒播作业质量有一定影响。以出种口横向距离和飞行高度为影响因素，以有效幅宽和撒播均匀性为评价指标，开展了单因素场地测定试验，试验表明，有效幅宽随出种口横向距离的增加而增大，且增速越来越快；种子分布均匀性变异系数随出种口横向距离的增大而减小，确定了油菜无人机撒播装置出种口横向距离最优值为1.1m；出种口横向距离为1.1m时，无人机飞行高度对撒播作业的有效幅宽和种子分布均匀性有一定影响，有效幅宽随飞行高度的增加呈增大趋势，其中飞行高度为1.5m~2.5m时，有效幅宽增幅不大；种子分布均匀性变异系数随飞行高度的增加呈先增加再稳定的趋势，当飞行高度大于2m时，种子分布均匀性变异系数趋于稳定。确定了飞行高度为2m和2.5m作为参考作业高度，此时有效幅宽为2.19m和2.16m，种子分布均匀性变异系数不高于33.17%，作业效果满足相关农艺要求和设计要求。根据试验结果建立了槽轮转速与无人机前进速度、亩播量的关系式。开展了田间试验，结果表明，本研究提出的油菜无人机撒播装置及其控制系统，可实现无人机撒播作业，满足设计要求。
(1)基于油菜种植农艺要求和油菜无人机撒播作业的特点，提出了油菜无人机撒播装置的基本结构，分析了其工作原理，确定了排种装置基本结构，开展了排种装置工作过程分析，确定了排种装置中种箱、壳体、槽轮、充种漏斗等关键部件的相关参数。种箱容积为5L，槽轮直径为80mm，槽轮槽孔形状为倾角为20°的锥柱状，槽孔长度L、槽孔宽度A和槽孔深度H分别为5mm、5mm、3mm，每个槽孔一次可充种6~9粒。完成了导种管的选型，确定出种口排布方式。
(2)基于STM32F407单片机设计了与撒播装置配套的撒播控制系统。提出了控制系统的总体方案。通过对比分析确定STM32为主控制器；为保证槽轮设定转速与实际转速基本一致，减少重播与漏播的可能性，确定步进电机为槽轮机构的动力源；确定理论传输距离为3000m的E32-TTL-100模块为无线传输模块，以保证控制的实时性和有效性；完成了定位模块的参数分析。对处理器资源进行了合理分配；编写了通信协议，自制遥控器与机载撒播控制器每500ms相互发送一次作业信息，保证了信息的实时性；自动状态下，机载撒播控制器500ms更新一次无人机工作状态信息，300ms更新一次无人机飞行速度信息，根据状态信息和速度信息实时调节排种装置的槽轮转速，以保证无人机撒播的均匀性。
(3)开展了油菜无人机撒播装置排种过程的仿真分析与试验。利用EDEM软件和台架试验开展了排种性能分析，分析了转速和充种漏斗长度对排种装置的供种性能影响，确定了充种漏斗长度为53mm，此时供种速率为7.943~40.143g/min，各行排量一致性变异系数不高于2.28%，总排量一致性变异系数不高于1.76%，破碎率不高于0.02%，满足油菜种植的相关农艺要求。并建立了此参数下转速与供种速率的函数模型，该模型决定系数R2为0.9998，经试验验证，预测值与试验值偏差不超过2.71%。利用动量理论建立了悬停状态和前后运动状态下的气流场分布模型，分析了种子受力情况；并利用ICEM-Fluent软件仿真分析了本研究所选用的四旋翼无人机旋翼气流分布情况，结果表明，旋翼下方存在对称的流速较大的“塔型”下洗气流场，无人机下洗旋翼气流流速随远离旋翼的程度增加而衰减。在两旋翼的对称中心区域，存在一定的低速气流区域。旋翼下方1m处，各旋翼下洗气流影响区域出现交叉，在旋翼下方2m处，各旋翼气流影响完全融合。
(4)从内部因素(无人机平台和撒播装置)、外部因素(环境因素)两个方面分析了无人机撒播作业质量的影响因素，其中无人机平台和撒播装置对撒播质量影响更大，明确了出种口横向距离和作业高度对撒播作业质量有一定影响。以出种口横向距离和飞行高度为影响因素，以有效幅宽和撒播均匀性为评价指标，开展了单因素场地测定试验，试验表明，有效幅宽随出种口横向距离的增加而增大，且增速越来越快；种子分布均匀性变异系数随出种口横向距离的增大而减小，确定了油菜无人机撒播装置出种口横向距离最优值为1.1m；出种口横向距离为1.1m时，无人机飞行高度对撒播作业的有效幅宽和种子分布均匀性有一定影响，有效幅宽随飞行高度的增加呈增大趋势，其中飞行高度为1.5m~2.5m时，有效幅宽增幅不大；种子分布均匀性变异系数随飞行高度的增加呈先增加再稳定的趋势，当飞行高度大于2m时，种子分布均匀性变异系数趋于稳定。确定了飞行高度为2m和2.5m作为参考作业高度，此时有效幅宽为2.19m和2.16m，种子分布均匀性变异系数不高于33.17%，作业效果满足相关农艺要求和设计要求。根据试验结果建立了槽轮转速与无人机前进速度、亩播量的关系式。开展了田间试验，结果表明，本研究提出的油菜无人机撒播装置及其控制系统，可实现无人机撒播作业，满足设计要求。