基于差异化无人机的肥料施用装置的设计与优化

《Biosystems Engineering》：Design and optimisation of differentiated UAV-based fertiliser applicator

UAV施肥技术通过可调风门和分调模块实现多端口差异化施肥，基于DEM建立肥料颗粒运动模型，分析进料角度、风门角度及喷口角度对施肥均匀性的影响，实验验证各端口施肥比例差异达61.38%-8.59%，为精准农业变量施肥提供新方法。

　　

Jingang Han|Guobin Wang|Xinyu Xue|Cancan Song|Yubin Lan

山东工业大学农业工程与食品科学学院，淄博，255049，中国

摘要

作为一项新兴的精准农业技术，无人机施肥技术近年来发展迅速。然而，现有的基于无人机的施肥器（UFAs）缺乏针对不同排放口出口的差异化变量性能设计。为了解决这一限制，本研究设计了一种具有可调肥料排放功能的无人机施肥器。该施肥器主要由一个流量调节风扇和一个调节模块组成。流量调节风扇安装在肥料罐的底部，用于调节肥料排放速率；调节单元安装在流量调节风扇的底部，用于调节各出口处的肥料量。基于离散元方法（DEM）建立了肥料颗粒的运动模型，并用于分析进料角度、流量调节风扇角度和出口角度等参数对不同出口处肥料施用率变化的影响。通过台架试验验证了整体排放性能以及在不同排放速率和调节单元组合下各出口之间的差异。仿真结果表明，当进料角度为70°、流量调节风扇角度为15°、出口角度为15°时，五个出口的变异系数（CV）为66.63%，表明该施肥器能够实现肥料排放的显著差异化。台架试验还显示，各个出口处的肥料平均排放比例在8.59%至61.38%之间，证实了其显著的变异性。本研究可为研究具有不同出口的变量施肥器提供参考，以实现肥料施用量的调节。

引言

随着精准农业技术的快速发展，基于无人机的施肥技术作为一种高效且灵活的施肥方法，逐渐成为现代农业的重要组成部分（Bilal等人，2014年；Zhang & Kovacs，2012年）。它克服了传统地面机械施肥的局限性，在复杂地形、小地块和高残茬作物区域具有显著优势（Cai等人，2014年；Liu等人，2025年）。然而，传统的施肥器通常功能单一，仅能实现均匀施肥，难以满足不同作物和生长阶段对肥料用量和空间分配的差异化需求（Mondal等人，2023年；Zhang等人，2019年）。例如，水稻作物在特定生长阶段需要局部集中施肥，而这无法通过传统的均匀施肥模型实现（Hu等人，2023年；Zhang等人，2022年）。因此，开发一种能够支持多种施肥模式并实现不同出口排放差异化的施肥器已成为当前精准农业领域的重要研究方向。

近年来，全球学者在施肥器的设计和优化方面开展了大量研究。例如，一些研究通过改进肥料盘结构和优化气流场分布来提高施肥均匀性（Zhou等人，2024年）；另一些研究则利用传感器技术和智能算法实现了基于土壤肥力信息的变量施肥（Li等人，2020年；Liu等人，2023年；Singh等人，2022年）。

然而，现有研究中仍存在一些不足：①现有的变量施肥技术主要通过与变量控制系统的协调来调整设备参数，从而改变总施肥量。但由于作业面积较大且缺乏更细粒度的变量分配，这些技术不适用于针对特定区域的精准施肥（Alameen等人，2019年；Reyes等人，2015年）。此外，现有设备不支持不均匀施肥等多样化的施肥模式。

②无人机上的变量施肥装置通常采用离心和气动机制。离心装置通过调节盘转速和流量来实现总排放量的变化，从而实现变量控制；但其变量范围受机械设计的限制，难以进一步精细化（Chen等人，2018年；Villette等人，2017年）。气动施肥装置依赖调节装置与气动系统的配合来调节总排放量，但缺乏更细粒度的排放量调节能力。在小面积应用中，这可能导致肥料在目标区域外过度扩散，造成肥料积聚和浪费（Kim等人，2008年；Talha等人，2011年）。虽然施肥器的扩散范围较大，但容易发生肥料重叠和浪费。因此，在提高施肥精度和实现更精细的变量控制方面仍有改进空间（Song, Zhou, Wang等人，2021年；Su等人，2022年）。

以往的研究主要关注整体施肥变异性和覆盖面积，未能详细区分不同出口的施肥量差异，且采用单线水平扩散格式，容易导致施肥覆盖重复。

基于这些考虑，本研究创新性地基于离散元方法（DEM）设计了这种差异化施肥器。具体研究目标包括：

• ①
  设计一种支持多种变量施肥模式的施肥器（如均匀施肥、不均匀施肥），以满足不同作物和生长阶段的施肥需求。
• ②
  基于DEM建立肥料颗粒运动模型，分析施肥器关键结构参数对施肥性能的影响规律。
• ③
  通过仿真和实验相结合的方法评估施肥器的结构参数性能，为未来提高其适应性和操作效率提供参考。

部分内容

整体结构

图1a展示了该施肥器的整体结构（使用SolidWorks建模），主要包括多旋翼无人机机身、施肥器组件、30升肥料罐、锂电池及其他部件。肥料罐位于无人机机身中央，施肥器直接安装在其下方，以减少旋翼气流的干扰。

肥料颗粒通过进料口进入施肥装置，经过流量调节风扇和调节单元后进行分配。

不同出口流量的变异系数（CV）分析

CV的分析结果如表4所示。在多元回归模型（四次方模型）中，有四个回归模型具有统计学意义（P < 0.05）。方差分析（ANOVA）结果显示，影响均匀性的因素按重要性降序排列为：CD、A²C、A²B²、D²、B²C、B²D、A²D、A²、C²、B²、A²C²、AB²、AB、BC²、BD、BC、A²B、AD、AC、AC²，其中CD、AD、A²、B²、C²和D²对CV的影响显著（P ≤ 0.05）。如图8所示，这些因素

使用该装置的实际施肥应用分析

表10总结了27种调节单元组合下的适用施肥模式。根据这些组合的肥料分布数据，可以确定三种实际应用场景：

(1)

均匀施肥模式，适用于大面积、基础均匀施肥（如水稻基肥），其特点是肥料分布的变异系数（CV）较低，所有出口的排放量相对均衡。

(2)

结论

本研究创新设计了基于无人机的施肥器，并对其关键结构参数进行了优化。综合所有测试结果，得出以下结论：

①

使用离散元方法（DEM）对该装置进行了高精度仿真测试，并通过正交回归旋转试验和响应面分析优化了关键结构参数。仿真结果显示，肥料排放的变异系数（CV）

作者贡献声明

Jingang Han：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、监督、软件开发、资源管理、项目管理、方法论研究、数据分析、概念化。Guobin Wang：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证。Xinyu Xue：验证、资金筹集。Cancan Song：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、方法论研究、资金筹集、数据分析。

资助

作者感谢专家们对本文的审稿帮助。本研究得到了宁夏重点研发计划（2024BBF01013）、国家重点研发项目（2023YFD2000200）和国家自然科学基金（32301716）的资助。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。