李继宇，周志艳，胡炼，等

农业工程

单旋翼电动无人直升机辅助授粉作业参数优选

李继宇，周志艳，胡炼，等

目的：不同类型的农用无人直升机的结构不同，旋翼所产生气流到达作物冠层后形成的风场也有较大的差异，对应的风速、风向和风场宽度等参数对杂交水稻花粉的运送直接影响到授粉的效果（母本结实率）、作业效率及经济效益。因此，需要针对不同的机型参数（翼展、轴距、旋翼个数及布局、飞机及负载质量等），决策出较佳（效率较高、作业成本较低）的飞行作业参数（包括飞行高度、飞行速度、作业航向、有效负载等），同时又能较好地满足辅助授粉生产的需要（保证母本结实率）。该文采用正交试验，对单轴单旋翼电动无人直升机用于水稻制种辅助授粉的田间作业参数进行优选。方法：采用单轴单旋翼电动无人直升机的代表机型用于测试试验研究，根据正交试验设计法设计了3因素3水平的正交试验（其中因素A为飞机及负载质量：A1（12.05 kg）、A2（13.05 kg）、A3（14.05 kg），因素B为飞行相对高度：B1（1.59 m）、B2（1.93 m）、B3（2.41 m），因素C为飞行速度：C1（1.56 m/s）、C2（3.05 m/s）、C3（4.53 m/s）），考察平行于飞行方向（X向）、垂直于飞行方向（Y向）、垂直地面（Z向）3个方向上的峰值风速（X、Y向越大越好，Z向越小越好）、Y向风场宽度（越宽越好）、动力电池的压降（放电越慢越好）3个指标。试验场地位于海南省三亚市乐东县黄流镇隆平种业公司杂交水稻繁育基地，水稻正处于始穗期，试验时平均株高约为50 cm。数据采集设备为风场无线传感器网络测量系统，包括按线阵方式布置的10个风速传感器无线测量节点（WWSS），可同步采集水稻冠层风场数据及飞行器的位姿数据；考察风场宽度的适宜风速定义为花粉悬浮的参考速度，即：风场宽度是指以飞机航线与WWSS线阵交点为原点，峰值风速＞1 m/s的WWSS 节点所覆盖的宽度。对获取的数据进行异常样本剔除和自然风干扰处理后，进行正交试验数据结果的统计分析和基于综合评分法的田间作业参数评价和优选。结果：不考察因素间的交互作用，每个飞行条件按照去向与回向重复2次，按照数据预处理规则处理后共获得试验样本数据18个。峰值风速试验结果：X向最大值对应6号8.2 m/s，X向最小值对应3号和4号均为2.4 m/s，Y向最大值对应6号和8号7.5 m/s，Y向最小值对应3号2.2 m/s；峰值风速的极差分析结果显示，飞机及负载质量较优水平均为A3（14.05 kg），速度较优水平均为C1（1.56 m/s），而高度的较优水平对于X向风速是B2（1.93 m），对于Y向较优值为B1（1.59 m），影响3向风速峰值的主次因素排序为C（飞行速度）、A（飞机及负载质量）、B（飞行高度）。Y向风场宽度（峰值风速＞1 m/s时WWSS所覆盖的宽度）试验结果：最大值对应8号8.1 m，最小值为4号4.9 m；Y向风场宽度极差分析结果显示，各因素较优水平为A1（12.05 kg）、B2（1.93 m）、C1（1.56 m/s），影响Y向风场宽度的主次因素排序为C、A、B，此结果与峰值风速极差分析结果保持一致。为进一步从极差分析结果中优选出较佳的作业参数，采用综合评分法结合电池压降对该机型作业参数进一步分析评价，通过式Pi=(X×L×0.4+Yi×L×0.4+(1/Zi)×L×0.2)×0.5+Di×L×0.5（P：综合评分值，i：试验号，L：当次试验电压降，Xi：X向峰值风速值，Yi：Y向峰值风速值，Zi：Z向峰值风速值，Di：Y向风场宽度值）计算出综合评分分数最高值为8号试验，分数值为12.82，最低值为3号试验，分数值为6.04。结论：SCAU-2型单轴单旋翼电动无人机在峰值风速＞1 m/s时对应的水稻冠层有效风场最宽可达8.1 m，最窄为4.9 m，该机型在所设计的试验条件下基本能满足传播花粉的需求；该机型在水稻冠层所形成风场的峰值风速主要受飞机的飞行速度、飞机及负载质量、飞行高度影响，且随着飞行速度的降低、飞机及负载质量的增加、飞行高度的降低，其峰值风速有逐步增大的趋势。结合有效风场宽度及电池电量消耗程度来考量，3种主要因素的主次排序及其较优水平依次为飞行速度1.56 m/s、飞机及负载质量14.05 kg和飞行高度1.93 m。该结果可为其他单轴单旋翼电动无人直升机用于水稻制种辅助授粉的田间作业参数设置提供参考，而且也可为制定基于农用无人直升机的水稻制种辅助授粉作业技术规范提供依据。

来源出版物：农业工程学报, 2014, 30(10)： 43025

入选年份：2014

编辑：张宁宁