一种绿肥种子无人机定量播撒装置的制作方法

本实用新型涉及一种肥种播撒装置，尤其是一种绿肥种子无人机定量播撒装置，属于农业自动化技术领域。

背景技术：

众所周知，种植绿肥具有改变土壤理化性质、增加土壤有机质、提高作物产量和品质等优点，同时也是轮作休耕、耕地质量提升、化学肥料减施的重要技术手段。然而，绿肥种植地块往往主要是水田旱地的冬闲田、丘陵山区坡地，以及果园茶园等林间空地，不同地区的种植模式要求大部分绿肥在前茬作物未收获前进行播种，致使地面机械无法进入开展播种作业，同时绿肥的品种多样，种子大小和形状、播种量等播种参数各异，常规播种机械很难具有多品种的适应性，所以目前绿肥播种基本采用人工作业，不仅劳动强度大、效率低，而且播种均匀性差和播种量难以控制。

检索可知，申请号为201511014147.7的中国授权专利公开了一种无人机播种施肥装置，包括无人机的药箱和横杆式起落架，药箱设有开口向下的圆柱形出料口，出料口的下方设有播撒部；播撒部包括连接在出料口下方的接料漏斗，接料漏斗下方固定连接具有凹陷部的旋转托盘，接料漏斗内部设有若干层带有漏料孔的隔板，接料漏斗的内部空腔与旋转托盘的底部连通；播撒部连接带动其转动的电机。虽然该技术方案能够将作物的种子或者固体肥料放置在药箱内，通过旋转托盘的转动将籽粒或肥料抛洒出去，但存在以下不足之处：1）漏料孔的大小固定，小颗粒排种过快、而大颗粒无法排种；2）种子靠重力作用自由漏出，排种速度不可控，无法做到定量播种；3）电机转速不可调，对于不同大小的种子，撒播幅宽和均匀性无法控制；4）固定板（3）位于旋转托盘（4）的下方，作业时难免会导致种子在固定板上的堆积，并且遮挡了部分种子下落。

另外，申请号为201811196021.x的中国专利申请公开了一种新型精确定量无人机肥料撒播系统，包括无人机、自动控制系统、固定单元、流量控制单元以及撒播单元，无人机与固定单元可拆卸连接，固定单元与流量控制单元活动连接，流量控制单元与撒播单元固定连接，自动控制系统位于固定单元内部；据介绍，该技术方案解决了现有技术存在的结构复杂、肥料填装困难、肥箱内部结拱、控制难度大、实用性低、撒播区域小、精确度低以及兼容性低的问题。然而实际上，存在的问题是：1）控制系统中含有无人机飞控系统已具有的gps测速模块、惯性测量等单元，增加了撒播系统的复杂性和成本；2）额外增加的流量控制仓（31）、固定筒（32）和搅拌总成（8），增加了重量和体积；3）尤其是，通过舵机控制开关扇片的开合度只能调整肥种出口大小，而实际排出的肥种量受肥种颗粒大小、形状和流动性、以及出口上方肥种堆积厚度产生的压力（撒肥过程中肥箱内的肥种逐渐减少）等因素影响，只控制排肥出口大小不能实现精确定量。

还有，申请号为201910331021.4的中国专利申请公开了一种可适应多种环境作业的无人机播种施肥装置，无人机本体的顶部可拆卸固定安装有防雨板，防雨板可以防止外部的雨雪进入无人机本体内电子元件内，防止发生电路短路，无人机本体的顶部固定安装有对称设置的两个第一驱动电机。据说介绍，该技术方案可以同时实现对耕地进行均匀的播种和施肥，进而提高耕作效率。然而，分析可知尚存如下问题：1）种箱和肥料箱的同时存在难以保证排出速度一致，容易导致重量不平衡，存在安全隐患；2）虽利用螺旋输送进行排种，但种箱（5）的内腔、尤其是挡板（10）的设计，不能保证顺畅给螺旋输送器供种，并且采用立式螺旋推送物料厚度必须大于螺距，否者不能保证转速一定时排种量固定；2）步进电机驱动作为撒种装置的下落管往复左右摆动，无法避免重播区和漏播区，很难保证撒播幅宽内的均匀性，还容易产生振动。（注：上文括号内的数字分别为相应专利的附图标号）。

总之，在预定作业幅宽内保持单位面积的播种量一致是衡量绿肥种子播种质量的重要指标。借助无人机播种时，由于种种原因，其飞行高度和速度始终在一定范围内变化，因此要保证绿肥种子在预定作业幅宽内的播种量基本不变不仅要控制好出种量，还要同时调控好播撒范围，十分困难。上述现有技术都未能妥善解决该技术难题。此外，不同种类的绿肥种子具有不同的播撒特性，现有技术均无法适应各种绿肥种子的播撒。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于：针对以上现技术难题，提出一种无论飞行高度和速度在一定范围内如何变化，都能通过自动调适可以保证各种绿肥种子预定作业幅宽和单位面积播种量不变的绿肥种子无人机定量播撒装置，同时给出相应的定量播撒方法，从而切实保证田间播种质量。

为了达到以上目的，本实用新型绿肥种子无人机定量播撒装置的基本技术方案为：包括播撒控制电路以及通过挂接组件安置在无人机底板下的漏斗状种箱；所述种箱下端安装定量排种机构，所述定量排种机构下部安装播种机构；所述定量排种机构的安装支架上支撑排种电机驱动的水平轴绞龙，所述绞龙外包围排种管；所述排种管一端开有正对种箱漏口的进料口，另一端开有朝下的出料口；所述播种机构含有与安装支架固连的圆盘盖，所述圆盘盖具有正对出料口的穿孔，且下面装有播种电机驱动的甩种盘，所述甩种盘上固定有由播种电机外切向延伸的至少三个甩种叶片；所述播撒控制电路含有存储各品种绿肥种子播撒参数的播撒自动控制模块，所述播撒自动控制模块与无人机的飞控系统通讯连接，且具有接品种选择开关的选择输入端、接排种电机的电流采样输入端和分别通过相应调速器接排种电机和播种电机受控端的控制输出端。

绿肥种子播撒参数包括各种常用绿肥种子容重，对应各种常用绿肥种子的适宜单位面积用种量和撒播幅宽、适宜飞行高度、适宜播种电机转速，以及由绞龙设计参数决定的绞龙旋转一圈排出种子的体积。

工作时，播撒自动控制模块按以下步骤实现绿肥种子无人机定量播撒：

第一步、获取参数——接收飞控系统传输的飞行高度和速度参数，并根据品种选择开关输入读取存储的相应品种绿肥种子播撒参数；

第二步、计算转速——按下式分别计算排种电机转速n和播种电机转速n

n=kvb/ap

n=bophopnop/bht

式中：

k——单位面积用种量，单位g/m²；

v——无人机实时飞行速度，单位m/s；

b——撒播幅宽，单位m；

a——绞龙旋转一圈排出种子的体积，单位cm³/r；

p——绿肥种子容重，单位g/cm³；

bop——适宜撒播幅宽，单位m；

hop——适宜飞行高度，单位m；

nop——适宜播种电机转速，单位r/min；

ht——无人机实时飞行高度，单位m；

第三步、输出控制——分别通过相应调速器向排种电机和播种电机输出转速控制信号；

第四步、判断种箱内是否剩余种子——接收排种电机的驱动电流信号，判断该信号是否小于设定值，如否则返回第一步，如是则发出警示信号后停播。

采用本实用新型后，种箱内的种子通过排种管的进料口进入定量排种机构后，由排种电机驱动的绞龙旋转推向排料口，之后在种子自重作用下，进入播种机构；再由播种电机驱动旋转的甩种盘产生用离心作用抛撒出去。在此过程中，排种电机和播种电机的转速在存储的相应播撒参数基础上，经实时获取的飞行速度和高度相应修正，因此可以适应飞行高度和速度在一定范围内的变化；而借助绞龙排种可以避免肥种颗粒大小、形状和流动性以及堆积压力等诸多因素的影响；从而保证各种绿肥种子在预定作业幅宽和幅宽内的单位用种量不变，切实保证田间的播种质量。

本实用新型进一步的完善是，所述绿肥种子播撒参数包括各种常用绿肥种子容重，对应各常用绿肥种子的适宜单位面积用种量和撒播幅宽、适宜飞行高度、适宜播种电机转速，以及由绞龙设计参数决定的绞龙旋转一圈排出种子的体积。

本实用新型更进一步的完善是，所述种箱由上部平直、下部内折的前、后、左、右四块侧板组成，各侧板的内折角大于绿肥种子与板面的静摩擦角。

本实用新型再进一步的完善是，所述种箱前、后侧板的内折角为150°±5°，左、右侧板的内折角为130°±5°。

本实用新型又进一步的完善是，所述挂接机构由固定在无人机底板下开口朝外的一对u型挂接导轨以及相配的一对固定于种箱上的开口朝内的u型挂接导轨组成。

本实用新型还进一步的完善是，所述甩种叶片的内段等高，外段高度渐缩。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

图1是本实用新型一个实施例的立体结构示意图。

图2是图1实施例的种箱部分立体分解结构示意图。

图3是图1实施例的播种机构立体结构示意图。

图4是图1实施例的定量排种机构立体结构示意图。

图5是图4中甩种盘部分的立体结构示意图。

图6是图1实施例的播撒控制电路框图。

图7是图6中播撒自动控制模块的中央处理器部分电路图。

图8是图6中播撒自动模块的控制执行部分电路图。

图9是图6控制电路的控制逻辑框图。

具体实施方式

实施例一

所谓定量撒播就是作业过程中，无论无人机的飞行高度和速度如何变化，对于某一品种的绿肥种子，单位面积田块的用种量始终保持固定数值。

本实施例的绿肥种子无人机定量播撒装置如图1和图2所示，其基本构成为：漏斗状种箱2通过挂接组件3安置在无人机底板1下，种箱2下端安装定量排种机构7，定量排种机构7下部安装播种机构5。图中4是排种电机罩。

具体而言，种箱2由上部平直、下部内折的前、后、左、右四块侧板组成，水平截面为矩形。为了保证排种顺利，各侧板的内折角必须大于绿肥种子与板面的静摩擦角，以避免四周种子挂壁造成排种不彻底和不稳定，反复试验表明，当前、后侧板的内折角为150°±5°，左、右侧板的内折角为130°±5°，最适合保证各种绿肥种子的均匀落种。

挂接机构3由固定在无人机底板1下开口朝外的一对u型挂接导轨3-1以及相配的一对固定于种箱2上的开口朝内的u型挂接导轨3-2组成。使用时，将带有u型挂架接导轨的种箱插入无人机底板的u型挂接导轨后，用限位销轴3-3定位，即可实现播撒装置与无人机的快速组配。

定量排种机构7如图3所示，其安装支架7-2上通过电机支架7-4支撑排种电机7-3，该排种电机7-3的水平输出轴通过联轴器7-5与绞龙7-10的水平轴7-7传动连接，绞龙7-10外包围两端具有支撑法兰7-8的排种管7-9。排种管7-9一端开有正对种箱漏口的进料口，另一端开有朝下的出料口，该出料口处装有防止种肥外溢的导料挡板7-12。定量排种机构利用绞龙输送将绿肥种子推送至排料口，在种子自重的作用下，即可通过导料挡板下安装支架7-2上的开孔，落入播种机构。根据不同品种绿肥单位面积播种量调整排种电机转速，即可控制实现定量排种。

播种机构5如图4、5所示，含有与安装支架7-2固连的圆盘盖5-4，圆盘盖5-4的一侧具有位于安装支架7-2开孔下正对出料口的穿孔，且下面装有播种电机5-6驱动的甩种盘5-2。甩种盘5-2上固定有由播种电机5-6外圆周切向延伸的四个均布甩种叶片5-5，作业时，离心圆盘的高速旋转可以使种子在离心力的作用下，沿离心圆盘切向抛撒出去。各甩种叶片的内段等高，外段高度渐缩，因为高速旋转时相邻叶片之间区域产生的负压虽有利于排种管排出的种子下落至甩种盘，但同时也对对种子甩出产生不利影响，而将叶片设计为内高外低，可以使负压区域趋于集聚在甩种盘中部，从而在利于排种的同时不妨碍甩出播种。根据种子品种、飞行高度等调节播种电机的转速，可以实现不同绿肥种子在无人机前进方向上的撒播幅宽调控，有利于保证播撒均匀。

播撒控制电路主要用于调控无刷排种电机和播种电机的转速，其基本构成如图6所示，含有带eeprom存储器的播撒自动控制模块，并含有接品种选择开关、电子调速器。其中存储有经反复试验得到的各种绿肥种子播撒参数：包括各种常用绿肥种子容重，对应各种常用绿肥种子的适宜单位面积用种量和撒播幅宽、适宜飞行高度、适宜播种电机转速，以及由绞龙设计参数决定的绞龙旋转一圈排出种子的体积。

播撒自动控制模块的具体电路如图7所示，微处理器u1是该撒播自动控制模块的核心，负责与飞控系统的通讯、无刷电机驱动信号输出、撒播数据的计算和存储等。s1为拨动地址开关，接u1的选择输入端，用于设定绿肥种子品种，以便微处理器读取相应品种的撒播参数，最多可以设定256种绿肥种子。u2为eeprom存储器，存储不同品种绿肥种子撒播参数，u2通过i²c接口与微处理器u1的sda和scl两脚通讯连接，微处理器u1的txd和rxd脚用于实现播撒自动控制模块与无人机的飞控系统通讯连接，以获取实时飞行高度和速度等信息。撒播自动控制模块与无人机飞控系统的通讯硬件接口为有线ttl电平的异步串行uart，通讯协议采用微型无人机飞控系统通用的mavlink协议，可实现全双工通讯。撒播自动控制模块按照mavlink协议向无人机飞控系统发出读取飞行高度和速度的命令帧，飞控系统收到命令后立刻给予应答，发出包含飞行高度和速度的应答帧，撒播自动控制模块收到应答帧后提取飞行高度和速度数据，并以此进行排种电机和播种电机的转速调控。撒播自动控制模块周期性发送数据读取命令，时间周期为1秒钟。

排种电机和播种电机均采用三极直流无刷电机，撒播自动控制模块根据飞行高度和速度信息，计算对应的排种电机和播种电机适宜转速，输出转速对应的pwm信号给电子调速器，电子调速器通过内部驱动电路，实现电机转速的调控。由于直流电机的转速与驱动电压近似成线性关系，因此通过改变pwm信号的占空实现无刷电机驱动电压的调整，实现电机转速调控。排种电机和播种电机的调速电路相同。微处理器u1的a1+、a1-、b1+、b1-、c1+、c1-为排种电机调速信号输出；a2+、a2-、b2+、b2-、c2+、c2-为播种电机调速信号输出。

如图8所示，无刷电机的驱动采用星形连接全桥驱动，vdd为电机驱动电压，q1、q4、q7为p沟道增强型场效应管，q3、q6、q9为n沟道增强型场效应管，q2、q5、q8为npn型三极管，r1、r5、r9为上拉电阻，r4、r8、r12为下拉电阻，r2、r3、r6、r7、r10、r11为限流电阻。根据无刷电机的原理，三极直流无刷电机的六种相位导通模式为：ab、ac、bc、ba、ca、cb。当ab相导通时，场效应管q1和q6同时导通，其它场效应管截至，此时a+信号输入端输入pwm信号，经过q2放大后驱动q1产生同频同占空比的大电流pwm信号施加于a相，信号b-端输入“1”电平信号，经r7驱动场效应管q6导通，使b相与电机驱动电源地相接，构成ab相供电电流回路。

图7中的oc1和oc2为微处理器u1的a/d采样输入口，分别采样排种电机和播种电机的驱动电流，检测电机工作负载状态。图8中的shunt为电机驱动电流检测器件，为一组印制电路板上累积直流电阻恒定的蛇型走线。通过采样电机驱动电流在蛇型走线累积电阻上产生的压降即可得到驱动电流。r13与c1构成rc滤波电路，滤除采样电压信号上因pwm信号而产生的纹波。

参见图9，本实施例的播撒自动控制模块按以下步骤实现绿肥种子无人机定量播撒：

第一步、获取参数——接收飞控系统传输的飞行高度和速度参数，并根据品种选择开关输入读取存储的相应品种绿肥种子播撒参数；包括各种常用绿肥种子容重p，对应各种常用绿肥种子的适宜单位面积用种量和撒播幅宽bop、适宜飞行高度hop、适宜播种电机转速nop，以及由绞龙设计参数决定的绞龙旋转一圈排出种子的体积。

第二步、计算转速——按下式分别计算排种电机转速n和播种电机转速n

n=kvb/ap

式中：

k——绿肥种子单位面积用种量，单位g/m²，品种选定后此值为常数；

v——无人机实时飞行速度，单位m/s；

b——撒播幅宽，单位m；

a——绞龙旋转一圈排出种子的体积，单位cm³/r，由绞龙设计参数决定；

p——绿肥种子容重，单位g/cm³，选择品种后此值为常数；

n=bophopnop/bht

式中：

k——单位面积用种量，单位g/m²；

v——无人机实时飞行速度，单位m/s；

b——撒播幅宽，单位m；

a——绞龙旋转一圈排出种子的体积，单位cm³/r；

p——绿肥种子容重，单位g/cm³；

bop——适宜撒播幅宽，单位m；

hop——适宜飞行高度，单位m；

nop——适宜播种电机转速，单位r/min；

ht——无人机实时飞行高度，单位m；

本步骤中的计算公式推导如下。首先，播种量可分别由公示（1）和（2）计算出

w=a·n·t·p（1）

w=v·t·b·k（2）

式中：w为排种机构排出撒到田地上的种子重量；a为绞龙旋转一圈排出种子的体积，是设计常数；n是决定绞龙转速的排种电机转速；t为撒播时间;p为绿肥种子容重，即单位体积内的种子重量；v为无人机实时飞行速度；b为撒播幅宽；k为绿肥种子单位面积用种量。将（1）代入（2）即推导出n=kvb/ap。

此外，影响撒播幅宽b的主要因素是播种电机转速n和飞行高度h，而理论上的影响因素还有空气阻力、种子形状、甩种盘摩擦系数、飞行气流等，因此难以准确定义三者之间的函数关系。经长期反复摸索，当以撒播均匀性和幅宽为试验考核指标，飞行高度、播种电机转速为试验因数，进行二因素水平正交试验，再借助方差分析和综合评分法，可以发现，当飞行高度保持在一定变化范围内时，将b×h×n近似为常数，不仅可以大大简化运算，而且具有可以满足农业需求的精确度。因此，借助比例公式推导出n=bophopnop/bht。

第三步、输出控制——分别通过相应调速器向排种电机和播种电机输出转速控制信号。

第四步、判断种箱内是否剩余种子——接收排种电机的驱动电流信号，判断该信号是否小于设定值，具体为图8的排种电机驱动电路中，控制系统利用shunt（采样电阻）检测电机驱动电流，根据电流的大小判断种箱内的种子是否已近排空。因为当种箱内有种子的时候，排种电机的驱动电流要比无种子的时候大很多，每次起飞开始撒播后，一旦发现当前驱动电流值小于等于起始有种记录值的10%时，即可判断种箱的种子已经撒播完成。判断为否则返回第一步，如是则发出警示信号后停播。

由于实际计算时，k、a、p和b均为已知，因此只要一方面将随无人机实时飞行速度v变化而改变的排种电机转速结算结果，通过电子调速器，相应调节排种电机转速；另一方面，预先将通过试验获取各种绿肥种子的适宜撒播作业参数（适宜撒播幅宽bop、适宜飞行高度hop、适宜播种电机转速nop）保存在eeprom存储器中，播撒作业时根据输入的绿肥种子品种调出相应适宜数据，并用根据实时飞行高度得出的播种电机转速结算结果通过电子调速器，相应调节播种电机转速；即可实现保持预定作业幅宽、单位面积播种量不变的自动控制。例如以紫云英为例，其容重为p=0.8g/cm³,适宜撒播幅宽bop=6m、适宜飞行高度hop=2m、适宜播种电机转速nop=1350r/min；并且常规单位面积用种量k=2.3g/m²，预定撒播幅宽b=6m，绞龙旋转一圈排出种子的体积a=14cm³/r；当由飞控系统获得当前无人机实时飞行速度v=5m/s，实时飞行高度ht=1.5m，则可以算得：

排种电机转速n=kvb/ap=2.3×5×6/（14×0.8）=6.16r/s即6.16×60=369.6r/min；播种电机转速n=bophopnop/bht=6×2×1350/(6×1.5)=1800r/min。

试验证明，本实施例基于多旋翼无人机平台的绿肥种子无人机定量播撒装置，可以根据事先设定的绿肥种子作业条件，实时采集无人机的飞行速度和高度，通过相应实时自动控制排种电机和播种电机的转速，无论飞行速度和高度在一定范围如何变换，均保持单位面积内的播种量和作业幅宽不变，从而保证了理想的播种质量。

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