无人油动力直升机用于水稻制种辅助授粉的田间风场测量.pdf

第 29 卷第 3 期农 业 工 程 学 报Vol.29No.3542013 年2 月Transactions of the Chinese Society of Agricultural EngineeringFeb.2013无人油动力直升机用于水稻制种辅助授粉的田间风场测量汪沛1,2，胡炼1,2，周志艳1,2，杨维顺3，刘爱民4，罗锡文1,2，薛新宇5，何杰1,2，严乙桉1,2（1.华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广州 510642；2.华南农业大学工程学院，广州 510642；3.中国人民解放军总参谋部第六十研究所，南京 210016；4.湖南隆平种业有限公司，长沙 410006；5.农业部南京农业机械化研究所植保机械重点实验室，南京 210014）摘要：无人驾驶直升机具有机动灵活、不需要专用机场等特点，目前已在农业航空植保中得到应用。杂交水稻制种中，利用无人直升飞机飞行时其旋翼产生的风力能使父本花粉传播更远，可扩大父本和母本相间种植的宽度，实现父本和母本的机械化耕种和收割，从而实现制种全程机械化。杂交稻制种辅助授粉的效果(母本异交结实率)、作业效率及经济效益与无人直升机飞行时产生的风速、风向和风场宽度等参数密切相关，但迄今尚不明确。该文采用风场无线传感器网络测量系统组成三向风速测量线阵和单向风速面阵在水稻田里对无人油动单旋翼直升机飞行时的风场进行了测量试验，目的在于探明无人直升机在辅助授粉作业时不同方向的风速和风场宽度等参数，以便决策出较佳的飞行作业参数，包括飞行高度、作业航向等。无人直升机授粉作业的飞行速度设置为 3 m/s，作业载荷为 3.75 kg，飞行高度为：9、8、7 和 6 m，测量的风向为：平行于飞行方向（X）、垂直于飞行方向（Y）、垂直于地面方向（Z）。测量试验结果表明，上述 3 个风向的风速值大小排序为 VXVYVZ，且风速持续稳定，因此，在直升机辅助水稻授粉作业时，平行于飞行方向的风力（即沿着直升机前进方向的飞机尾风）更有益于辅助授粉作业；随着飞行高度不断降低，风场宽度亦有所增加，在飞行高度为 68 m 时，达到 3 级风的风场宽度最大可达到 9 m，飞行高度为 9 m 时，达到 3 级风的风场宽度最大仅为 4 m，明显缩小，综合考虑农艺要求、作业效率及安全性等因素，该文建议无人驾驶油动单旋翼直升机 Z3 机型的较佳飞行作业高度为 7 m；直升机逆自然风方向飞行作业时到达水稻冠层的风力较小，很难形成能满足水稻制种授粉所需的风场宽度和风速，而顺风方向飞行时的风场宽度和风速较大，因此采用油动力无人直升机辅助水稻制种授粉时，宜避免逆自然风方向飞行作业。该研究可为无人直升机水稻制种辅助授粉技术的发展提供参考。关键词：无人机，测量，试验，风速，风场，水稻制种，辅助授粉doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2013.03.008中图分类号：S252+.9文献标志码：A文章编号：1002-6819(2013)-03-0054-08汪沛，胡炼，周志艳，等.无人油动力直升机用于水稻制种辅助授粉的田间风场测量J.农业工程学报，2013，29(3)：5461.Wang Pei,Hu Lian,Zhou Zhiyan,et al.Wind field measurement for supplementary pollination in hybrid rice breedingusing unmanned gasoline engine single-rotor helicopterJ.Transactions of the Chinese Society of AgriculturalEngineering(Transactions of the CSAE),2013,29(3):5461.(in Chinese with English abstract)0引言水稻是世界的主要粮食作物，随着世界人口的收稿日期：2012-10-03修订日期：2013-01-17基金项目：“十二五”国家“863”计划项目(SS2013AA100303，2012AA101901-3)；国 家 自 然 科 学 基 金-广 东 省 联 合 基 金 项 目（U0931001）；教育部科学技术研究重点项目(212128)；广东省科技计划项目（2009B020314003）作者简介：汪沛（1983），女（汉族），江苏徐州人，博士生，主要从事农业航空应用技术研究。广州市天河区五山路华南农业大学工程学院，510642。Email:通讯作者：周志艳（1972），男（汉族），湖南永州人，博士，副教授，中国农业工程学会会员（E042100021M），主要从事农业航空应用技术研究。广州市天河区五山路华南农业大学工程学院，510642。Email:增加和粮食需求的大幅增长，杂交水稻的推广和增产是满足世界粮食需求的主要途径1。在杂交水稻生产过程中，制种是其重要组成部分，辅助授粉是保证制种成功的关键因素之一2。充分、均匀的授粉可以提高种子结实率，对于提高制种产量和质量具有举足轻重的意义3-4。现有的授粉方式采用人工辅助授粉，人工使用绳索或竹竿振动开花的父本稻穗，使父本花粉向母本的穗层传播，这种人工辅助授粉方式的父本花粉传播的距离小，限制了父本和母本相间种植的宽度，父本一般采用单行或双行种植，难以进行机械化种植和收割5。扩大父母行比是保证母本结实率，进一步提高制种产量和实现制种全程机械化的基础6-8。利用无人直升机飞行时旋第 3 期汪沛等：无人油动力直升机用于水稻制种辅助授粉的田间风场测量55翼所产生的风力大，可使父本花粉传播更远，授粉效果更好9，可扩大父本和母本相间种植的宽度，实现父本和母本的机械化耕种和收割，无人直升机辅助制种授粉已成为实现杂交水稻制种全程机械化的关键，也是实现水稻制种全程机械化的必然选择5,10。由于水稻每天的开花期较短，一般在 10:0012:00，只有 1.52 h 的开花时间11-12，要提高花粉的利用率和母本的结实率，必须要适时授粉13。此外，每天需授粉 34 次，须在 30 min 内完成一次授粉作业，共需授粉 1012 d，这对机械授粉的效率提出了较高的要求14-15。无人驾驶直升机具有作业高度低、无需专用起降机场、操作灵活轻便，环境适应性强等突出优点16-17，授粉作业效率可达80100 hm2/d，是人力的 20 倍，能够较好地适用于大面积水稻制种辅助授粉作业18。近年来美国已将直升飞机用于杂交水稻制种辅助授粉作业，实现了杂交水稻制种全程机械化19。在辅助水稻制种授粉作业中，授粉效果（母本结实率）、作业效率及经济效益与无人驾驶直升机所产生的风速、风向和风场宽度等参数密切相关20-22，但迄今尚不明确。要了解直升机等飞行器所形成风场对杂交水稻辅助授粉的实际效果，必须在稻田中实地测量风场在水稻冠层的分布情况，要求风速测量设备能进行多点、多风向、可移动、实时采集数据23。梁建等24公布了一种移动式无人机农用喷洒作业风场测试设备及测试方法，其测试方法是将无人直升机安置在固定台上，可形成相位稳定的风场，为研究无人直升机农药喷洒二相流场及喷洒分布提供科学依据；此外，杨滨等25公布了一种智能风向风速传感器；张荣标等26发明了一种用于棉花异性纤维检测的风速传感器和检测方法；赵湛等公布了一种微型电容式风速传感器27和一种导引式风向风速传感器28，但上述方法用于田间进行无人直升机飞行时风场的动态测量，很难满足多点、多风向、可移动、实时采集数据的特殊需要。为此，本文采用风场无线传感器网络测量系统组成三向风速测量线阵和单向风速测量面阵在水稻生长已封行的稻田里对无人油动单旋翼直升机（unmannedgasoline engine single-rotor helicopter,UGESRH）飞行时的风场开展测量试验，并对风速、风向和风场宽度进行分析计算，目的在于探明无人直升机在辅助授粉作业时的风速、风向和风场宽度等参数，以便决策出较佳的飞行作业参数，包括飞行高度及作业航向等，为无人直升机辅助授粉技术的发展提供理论依据。1材料与方法1.1试验材料1.1.1无人驾驶油动单旋翼直升飞机无人直升机采用中国人民解放军总参谋部第六十研究所研制的 Z3 型无人驾驶油动力单旋翼直升飞机（UGESRH），飞机最大起飞质量 120 kg，任务载荷能力 25 kg，风场测量试验时的作业载荷为 3.75 kg，机长 3 600 mm，机高 1 110 mm，机宽725 mm，主悬翼直径 3 400 mm，尾悬翼直径580 mm，发动机功率 25 kW，最大飞行高度 3200 m，续航时间 3.8 h，控制半径 110 km。1.1.2风场测量系统1）风速传感器采用叶轮式风速传感器（WSS，wind speedsensor），测量范围在045 m/s之间，精确度为 3%，分辨率达 0.1 m/s。风速的计算公式如下:V=0.1F（1）式中，V 为风速，m/s；F 为脉冲频率，Hz。2）风速传感器无线测量节点风速传感器无线测量节点（wirless wind speedsensor，WWSS）由 490 MHz 无线数传模块、微控制器以及供电模块组成。490 MHz 无线收发模块传输距离在开阔地无干扰情况下可达 1.5 km 以上。微控制器采用 C8051f330 作为主控制器，采集风速传感器信号，并进行模数转换，经无线收发模块将风速数据传输到智能总控汇聚节点（intelligent controlfocus node，ICFN，由计算机实现）。此外，WWSS具有外扩 Flash 存储器，可在无线模块丢失数据时及时保存数据。供电模块采用聚合物可充电电池供电，持续工作时间为 10 h。3）风场无线传感器网络测量系统风场无线传感器网络测量系统（wireless windspeed sensor network，WWSSN）由飞行航线测量系统（flight global position system，FGPS）、若干风速传感器无线测量节点（WWSS）及智能总控汇聚节点（ICFN）组成。FGPS由高精度GPS和433 MHz无线数传模块组成，用于测量飞机的飞行航线，包括飞行高度和航迹等，以便在进行风场数据分析时确定飞机所处的准确位置。本次试验中所采用的 GPS 为 TrimbleRTKGPS 5700，平面精度达(10 0.1)mm，高程精度达(20 0.4)mm。GPS 数据通过 433MHz 无线数传模块实时传输到 ICFN 存储。WWSS 以星形拓扑结构布置于被测田块，布置方式为线阵或面阵 2 种形式，各节点的风场数据通过 490 MHz 无线数传模块分时传输到 ICFN 存储。农业工程学报2013 年56ICFN 由笔记本电脑、风场无线传感器测量总控软件系统、433 MHz 和 490 MHz 无线数传模块组成，用于向 WWSS 及 FGPS 发出参数配置及远程控制指令，实现风场数据及飞机飞行航线数据的远程采集。图 1风场无线传感器网络测量系统Fig.1Wireless wind speed sensor network measurementsystem1.1.3试验场地试验场地位于江苏省农科院白马基地水稻种植试验场（119 1122E，31 35 50N），水稻品种为南梗 1104，试验时平均株高约为 45 cm。1.2试验方法为了使测量的风场更接近实际授粉时母本冠层的受风情况，在风速传感器安装时，使其叶轮轴心的高度与水稻冠层顶部齐平，设计了线阵和面阵2 种布局，对无人驾驶油动单旋翼直升机辅助授粉作业时的风场分布情况进行了模拟测量试验。在每个架次风场数据采样开始前进行自然风数据的采集，用于后续风场数据分析时对自然风的影响进行滤除。1.2.1三向线阵风场测量方法如图 2 所示，在水稻田中选 10 个测量点，每个点间隔 1 m，即测定的宽度为 9 m，每个测量点上布置 3 个风速传感器（如图 2a 所示），风速传感器轴心的安装方向分别为平行于飞行方向（X，即平行于水稻种植行方向）、垂直于飞行方向（Y，即垂直于水稻种植行方向）、垂直于地面方向（Z），即同时测定每个点的 3 个不同方向的飞机作业产生的风速。在平均 1.2 m/s 的自然风条件下，当飞机飞行至距离线阵 3 m 时开始测定风速，同时获取GPS 数据。飞机沿线阵的中心轴 A 至 B，B 至 A 来回飞行，飞行速度为 3 m/s，飞行高度分别距离地面 9、8、7、6 m，每个高度测量 2 个来回。1.2.2单向面阵风场测量方法如图 3 所示，在水稻田中选 30 个测量点，共计 3 行，每行间隔 1 m，每行 10 个点，行内各点间隔 1 m，即测定的区域为一个 2 m 9 m 的矩阵，每个点上布置一个风速传感器，风速传感器轴心的安装方向为平行于飞行方向（X）。在平均 1.2 m/s 的自然风条件下，当飞机飞行至距离面阵中心轴 3 m时开始测定风速，同时获取 GPS 数据。飞机沿线阵的中心轴 A 至 B，B 至 A 来回飞行，飞行速度为3 m/s，飞行方向为平行于水稻种植行方向，飞行高度分别距离地面 9、8、7、6 m，每个高度测量 2 个来回。图 2三向线阵风场测量Fig.2Wind field distribution measurement usingthree-direction line-array of wireless wind speed sensors图 3单向面阵风场测量Fig.3Wind field distribution measurement usingsingle-direction wireless sensor array2结果与分析2.1三向线阵风场测量试验结果通过采用三向线阵布置方案进行风场测量试第 3 期汪沛等：无人油动力直升机用于水稻制种辅助授粉的田间风场测量57验，测定了飞机不同高度飞行时，水稻田中同一点平行飞行方向 X、垂直飞行方向 Y 和竖直于地面方向Z的风速值。图4为选取预定飞机飞行高度为6 m时测定的 3 个方向的风速分布图。由图 4 可知，X方向的风速值最大；Y 方向的风速值小于 X 方向；Z 方向的风速值最小，均在 2 m/s 以下。三向风速值的大小排序为 VXVYVZ。上述结果表明，在飞机辅助水稻授粉作业时，平行于飞行方向的风力最大，相对于垂直于飞行方向的横风而言更有益于辅助授粉作业；同时，Z 方向的风速值较小，说明直升机辅助授粉作业时垂直于地面方向的风力较小，不会对水稻茎秆造成损伤，避免了因倒伏而影响花粉的传播。图 4 还表明，飞机飞行时两边的风力并不对称，这是因为飞机飞行时自然风的平均风速约为1.2 m/s，且飞机是垂直自然风向飞行的，位于飞机上风向的风力小于下风向的风力，作用在水稻冠层叶面的风场中心点的轨迹与飞行轨迹并不在同一垂直面上，而是发生了飘移（约 1.5 m，与当时的自然风力相当）。基于此，本文重点研究平行于飞行方向（X）风力的风场分布情况。图 43 个不同方向的风速分布图Fig.4Comparison of three different directions wind speed2.2单向面阵风场测量试验结果结合三向线阵风场测量试验结果，设计了 X 方向面阵风场测量试验，利用风场无线传感器网络测量系统（WWSSN）同时采集面阵上 30 个传感器的风速数据，采样频率为 20 Hz，连续采集 5 s，每个飞行架次共获得 100 个采样时刻的数据。图 5 是采用单向面阵风场测量方法获得的无人直升机过顶时风场分布情况的等值线图，从图中可获知无人直升机辅助授粉作业时所产生风场的基本变化规律。图 5a 是无人直升机过顶时传感器面阵上峰值风场的分布情况，由图 5a 可知，传感器面阵所覆盖的 2 m 9 m 矩阵区域内，沿行方向的 3 组传感器的风场基本相似，同一列上传感器节点所测得的风速峰值非常接近，说明飞机辅助水稻授粉作业时动态飞行所产生的风场内风速稳定，水稻授粉作业的质量能得到保证。图 5b 是采样时刻范围内传感器面阵测得的风场分布情况，图中，风场宽度的测量以 1 号传感器为原点进行计算。由图 5b 可获知无人直升机掠过测量区域上方时所形成风场的具体位置以及风场内风速的空间分布情况。图 5单向面阵风场测量试验结果Fig.5Contour of wind speed by using single direction arraydistribution wireless wind speed sensor network measurement2.3不同飞行高度下风场的分布情况图6为采用GPS设备测定的直升机在预定飞行高度为 6 m、前进速度为 3 m/s 时的飞行航迹和飞行高度图，从图中可看出，直升机在飞行过程中，由于自然风产生的气流影响，直升机的飞行航迹会有一定程度的波动，因此在风场的分布情况分析时需注意滤除自然风的影响。1 级（0.31.5 m/s）自然风条件下测得的风场分布等值线如图 5b，图中横坐标为风场宽度，纵坐标为直升机进入风场测量区域后的采样时刻，从图中可以看出，在 1 级（0.31.5 m/s）自然风的影响下，风场整体向中心轴右侧漂移。根据风力等级分类表29，对直升机不同飞行高度下作用在水稻冠层的风场分布情况进行分析，可知在该架次飞行中，无人直升机在水稻冠层所形成风场内风速达到3.4 m/s以上（3级风的下界值）的风场宽度约为9 m；农业工程学报2013 年58风速达到 5.5 m/s 以上（4 级风的下界值）的风场宽度约为 6 m；风速达到 8 m/s 以上（5 级风的下界值）的风场宽度约为 5 m。a.无人直升机的飞行航迹图a.Flight trajectory of unmanned helicopterb.无人直升机的飞行高程图b.Flight elevation of unmanned helicopter注：预设高度 6 m，前进速度 3 m/s。Note:Setting speed at 3 m/s and height 6 m.图 6无人直升机飞行的航迹和高程Fig.6Trajectory and height of UGESRH表 1 是滤除自然风影响后不同飞行高度的风场分布情况（自然风影响的简单滤除方法：在风场数据采样开始前一个时序各传感器采集一次自然风风速，滤除时直接用当前风速减去自然风风速）。从表中可以看出，随着飞行高度不断降低，风场宽度亦有所增加，在飞行高度为 6、7、8 m 高度时，风速达到 3 级风的风场宽度最大可达到 9 m，达到4 级风的风场宽度达到 7 m，达到 5 级风的风场宽度达到 5 m，飞行高度 9 m 时，达到 3 级风的风场宽度最大仅为 4 m，明显缩小。在飞行速度恒定时，随着飞行高度不断降低，风场宽度呈上升趋势。根据水稻制种的农艺要求，作用于父本冠层的风速达到 3 级以上风力即已足够使花粉从父本散发并向母本冠层传播30，同时，为了获得较高的作业效率，满足农艺要求的风场宽度（3 级以上风力的风场宽度）越大越好。然而，随着直升机飞行高度的不断降低，飞行安全风险亦不断增加，而且由于风速过大造成水稻植株倒伏的风险也不断增加。综合考虑各种影响因素，本文所采用的无人驾驶油动单旋翼直升机 Z3 机型的较佳飞行作业高度建议为 7 m，在满足农业要求的同时，作业效率较高，飞行安全性较好。表 1不同飞行高度的风场分布情况Table 1Wind speed distribution at different flight height风场宽度/mWidth of wind field飞行高度/mFlight altitude3 级风Wind scale 3(3.4 m s-1)4 级风Wind scale 4（5.5 m s-1）5 级风Wind scale 5(8.0 m s-1)69657875876594312.4顺风作业和逆风作业条件下风场的分布情况直升机在顺自然风飞行作业和逆自然风飞行作业条件下，在水稻冠层形成的风场差异较大。图7 为未滤除自然风影响时，直升机顺风作业和逆风作业条件下风场的分布情况，直升机的前进速度为3 m/s，飞行高度为 7 m。从图中可以看出，顺风作业时第 510 号传感器在飞机飞过时产生的风速的峰值达到 5 m/s 以上，4 级以上风力的风场宽度达到 5 m，3 级以上风力的风场宽度达到 6 m；逆风作业时，10 个传感器的风速值均小于 2.5 m/s，风场中的最大风速仅能达到 2 级风，不满足水稻制种辅助授粉的农艺要求。因此，采用直升机辅助水稻制种授粉作业时，宜避免选择逆自然风方向飞行作业。图 7顺风和逆风作业条件下飞机过顶时各节点峰值风速对比Fig.7Comparison of wind speed sensor values whileUGESRH flights in different direction of nature wind3结论本文采用风场无线传感器网络测量系统组成三向风速测量线阵和单向风速测量面阵在水稻生长已封行的稻田里对无人油动单旋翼直升机授粉第 3 期汪沛等：无人油动力直升机用于水稻制种辅助授粉的田间风场测量59作业的风场进行了测量试验，无人直升机授粉作业的飞行速度设置为 3 m/s，作业载荷为 3.75 kg，分析了不同方向（平行于飞行方向（X）、垂直于飞行方向（Y）、竖直方向（Z）、不同高度（9、8、7、6 m）下无人直升机作业时水稻冠层的风场分布情况，初步得出如下结论：1）上述 3 个方向的风速值大小排序为VXVYVZ，且风速稳定，因此，在直升机辅助水稻授粉作业时，平行于飞行方向的风力（即沿着直升机前进方向的飞机尾风）最大，有利于更远地传播水稻花粉，建议在辅助水稻制种授粉时飞机宜垂直父本行种植方向飞行；同时，Z 方向的风速值较小，说明直升机辅助授粉作业时垂直于地面方向的风力较小，不会对水稻茎秆造成损伤，避免了因倒伏而影响花粉的传播。2）随着飞行高度不断降低，风场宽度亦有所增加，在飞行高度为 68 m 时，风速达到 3 级风的风场宽度最大达到 9 m，达到 4 级风的风场宽度达到 7 m，达到 5 级风的风场宽度达到 5 m，飞行高度 9 m 时，达到 3 级风的风场宽度最大仅为 4 m，明显缩小，综合考虑各种影响因素，本文所采用的无人驾驶油动单旋翼直升机 Z3 机型的较佳飞行作业高度建议为 7 m，在满足制种农艺技术要求的同时，作业效率较高，飞行安全性较好。3）直升机逆自然风方向飞行作业到达水稻冠层的风力较小，很难形成能满足水稻制种授粉农艺要求的风场宽度，而顺风方向作业时的风场宽度能得到保证，因此，采用直升机辅助水稻制种授粉作业时，宜避免逆自然风方向飞行作业。致谢：本文所述试验在开展过程中，得到了湖南隆平种业有限公司、农业部南京农业机械化研究所和中国人民解放军总参 60 所相关技术人员的大力支持和帮助，在此表示深深的谢意！参考文献1袁国飞.杂交水稻的发展现状及展望J.中国农学通报，2011(15)：611.Yuan Guofei.Development of hybrid rice and itsprospectJ.ChineseAgriculturalScienceBulletin,2011(15):611.(in Chinese with English abstract)2胡建平.浅析杂交水稻制种的产量构成与高产制种技术J.种子，2010(12)：119122.Hu Jianping.Probation on yield component and seedproduction technology of hybrid riceJ.Seed,2010(12):119122.(in Chinese with English abstract)3张绍安，余保生，谢保忠.杂交水稻制种高产的影响因素与对策J.现代农业科技，2010(24)：8689.Zhang Shaoan,Yu Baosheng,Xie Baozhong.Effect factsand countermeasure for the higher yield of hybrid riceseed productionJ.Modern Agricultural Sciences andTechnology,2010(24):8689.(in Chinese with Englishabstract)4Uchiumi T,Okamoto T.Rice fruit development is associatedwith an increased IAA content in pollinated ovariesJ.Planta,2010,232(3):579592.5汤楚宙，王慧敏，李明，等.杂交水稻制种机械授粉研究现状及发展对策J.农业工程学报，2012,28(4)：17.Tang Chuzhou,Wang Huimin,Li Ming,et al.Studystatusanddevelopmentalstrategiesofmechanicalpollination for hybrid rice breedingJ.Transactions 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