《Agronomy》：Design Optimization and Experimental Evaluation of a Reciprocating Sweeping Spreading Disc for Agricultural UAVs
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针对农业无人机往复扫掠式撒施装置存在的颗粒抛撒行为不明确与撒施均匀性较差的问题，本研究分析了颗粒运动并对扫掠盘的关键结构参数进行了优化。首先分析颗粒与叶片的接触过程，确定作用在颗粒上的力以及接触过程中颗粒速度的演变规律，从而阐明叶片结构参数对颗粒抛撒的影响。随
针对农业无人机往复扫掠式撒施装置存在的颗粒抛撒行为不明确与撒施均匀性较差的问题，本研究分析了颗粒运动并对扫掠盘的关键结构参数进行了优化。首先分析颗粒与叶片的接触过程，确定作用在颗粒上的力以及接触过程中颗粒速度的演变规律，从而阐明叶片结构参数对颗粒抛撒的影响。随后开展基于离散元法（DEM）的单因素仿真，识别对颗粒沉积影响显著的叶片组及其结构参数。结果表明，第1组和第2组叶片对横向沉积分布影响显著，因此选取其宽度、间距和倾角作为后续响应面优化的6个因素。为克服变异系数（CV）在表征局部峰值变化方面的局限性，引入3个补充评价参数：峰值一致性（PC）、相对峰值强度（IP）和中心填充率（RC），并将PC和IP设定为多目标优化目标。参数优化后，单层盘中心区域仍存在沉积不足的问题。为此，进一步设计了一种内外叶片协同工作的双层叶片结构，以改善颗粒沉积分布。采用XAG P150农业无人机开展田间试验。PC、IP和RC的实测值与仿真值之间的相对误差分别为3.15%、6.08%和8.51%，CV由29.75%降至19.02%。研究结果可为农业无人机往复扫掠式撒施装置的结构优化及撒施均匀性提升提供支持。
**一、研究背景与问题提出**
农业无人机（UAV）具有灵活、精准、高效的特点，已广泛应用于播种、施肥、投饵等作业，在丘陵、湿地等复杂地形中优势明显。但与地面撒施装备相比，无人机平台载荷能力与安装空间有限，对撒施装置的尺寸和质量控制更为严格，且低空高速作业要求颗粒抛撒与沉积稳定。因此撒施装置需兼顾有效抛撒、均匀分布与轻量化紧凑设计，结构设计与参数优化难度较大。目前离心圆盘式撒施器仍是农业无人机撒施的主流构型，其源自地面施肥机械，依靠高速旋转产生离心力使颗粒获得径向初速度。已有研究从颗粒运动、作业参数与结构改进等角度对离心撒施器进行了探索，例如Coetzee等和Van Liedekerke等建立了肥料颗粒运动的离散元法（DEM）模型，使颗粒轨迹与沉积模式可视化成为可能；Wu等将DEM仿真与响应面法结合研究飞行高度、圆盘转速与导流结构参数对撒施均匀性的影响；Gao采用正交试验考察排种速度、圆盘转速与飞行速度对撒施均匀性的影响；Li等通过增设挡圈改变颗粒反弹轨迹以改善沉积均匀性；Wang等将曲线叶片与直线叶片结合并设置凸起导流结构开发高速率撒施器。此外，振荡管式与气力式装置也被用于控制颗粒输运与释放方向，如Chen等提出无人机悬挂离心振荡管式排种装置，Zhu等设计并试验了基于无人机的振荡管撒播装置，Song等开发了气力式水稻直播装置并进行了参数优化与试验评价。近年来，往复扫掠式撒施器被用于无人机颗粒物料撒施，其圆盘往复摆动而非连续旋转，叶片将连续颗粒流分割成颗粒簇并在扫掠运动中加速，抛出的颗粒在地面形成条带状沉积。对该构型的分析需同时考虑颗粒流分割与颗粒加速，但相关系统研究仍有限，叶片结构参数如何改变颗粒簇形成与初始抛撒状态、进而影响横向沉积尚不明确。前期试验还发现局部颗粒堆积与中心区域沉积不足，说明需在整体均匀性之外考虑局部沉积特征。
**二、研究内容与结论**
针对上述问题，研究人员以往复扫掠盘为对象，考察叶片结构参数与颗粒抛撒特性及沉积分布之间的关系，旨在阐明叶片宽度、间距和倾角变化对颗粒—叶片相互作用、颗粒簇形成和初始抛撒状态的影响，并分析这些变化在横向沉积格局中的体现。首先建立颗粒运动模型分析颗粒—叶片相互作用与抛撒过程，继而利用DEM仿真识别对颗粒沉积影响较大的叶片组与结构参数，采用响应面法对所选参数进行优化；由于优化后的单层盘中心沉积仍不足，进一步引入双层层叠叶片结构改善中心填充，最后通过田间试验评价优化设计。研究得出：叶片将连续颗粒流机械分割为离散颗粒簇，高频往复运动产生条带状沉积；理论分析表明颗粒离开叶片瞬间的抛撒速度由相对速度与牵连速度决定；以峰值一致性（PC）和相对峰值强度（IP）为最小化目标经中心复合设计（CCD）响应面优化，第1、2组叶片优化宽度分别为38.2 mm和36.9 mm，间距分别为27.1 mm和26.5 mm，倾角分别为?0.5°和1.8°；参数优化后中心区域沉积仍不足，所设计的双层结构内外叶片协同改变了颗粒抛撒速度与沉积位置，进一步改善了沉积分布；田间试验实测PC、IP、RC均值分别为26.91%、1.195和0.470，与仿真值相对误差分别为3.15%、6.08%和8.51%，CV由优化前29.75%降至19.02%，表明所提结构优化在试验工况下提升了复合肥颗粒沉积均匀性。该研究可为农业无人机往复扫掠式撒施装置的结构优化与均匀性提升提供依据。
**三、主要关键技术方法**
研究采用理论力学分析建立以随盘运动叶片面为参考系的颗粒受力与速度模型，推导离心惯性力、科里奥利力与欧拉惯性力表达式及沿叶片方向的运动方程；基于EDEM 2023建立撒施装置DEM仿真模型，采用Hertz-Mindlin（no-slip）接触模型与标准滚动摩擦模型，以35°幅值、12 Hz正弦运动近似曲柄摇杆机构驱动；采用单因素试验筛选叶片数量与关键叶片组参数，继而以六因素五水平可旋转中心复合设计（CCD）开展响应面优化；最后参照NY/T 3881—2021等方法，在农业农村部南京农业机械化研究所白马试验基地（2025年11月）与南京六合（2025年12月）两处开展XAG P150无人机田间试验，飞行速度4 m/s、作业高度3.5 m、目标施用量375 kg/ha，布置30个500 mm×350 mm×300 mm收集盘覆盖15 m采样宽度。
**四、研究结果**
（1）单因素仿真结果。颗粒整体呈条带状分布，但有效幅宽内仍存在中心附近低沉积区及两侧周期性峰谷；颗粒簇由叶片间歇释放并在地面形成沉积峰，簇间距过近则重叠堆积、过远则沉积带不连续。叶片数量由6增至8时横向沉积分布逐渐平坦、峰谷差减小、均匀性提高，增至9和10时沉积曲线与7、8片基本重合、均匀性增益有限，兼顾均匀性与轻量化选用8叶片构型。叶片宽度、间距与倾角对沉积分布影响规律相似：改变第1、2组叶片显著改变沉积曲线形状、峰位与峰强，而第3、4组在各参数水平下曲线基本重合、影响较小，据此确定6个结构参数进入响应面试验。
（2）结构参数优化结果。以PC和IP为最小化目标（Design-Expert中重要性水平分别设为4和5）进行期望函数优化。PC回归模型极显著（p < 0.001），R2为0.957，主效应显著性顺序为X1 = X4 > X2 > X3；X1X3交互对PC影响显著（p = 0.0008），PC随叶片宽度增大而下降并渐趋平缓，低倾角时下降更明显。IP回归模型极显著（p < 0.01），R2为0.865，X1主效应极显著，X3、X5显著；X1X2、X1X4、X2X5交互均显著（p < 0.05），其中X1X4影响最强（p < 0.01）。RC模型虽统计显著，但R2为0.747、调整R2仅0.463，预测性能有限，未作为独立预测模型参与参数搜索；这可能与往复运动角速度不均、扫掠中段快而换向端慢导致中心沉积不足有关。优化参数组合的独立DEM验证得PC = 29.205%、IP = 1.166，与回归预测值28.413%和1.191的相对偏差分别为2.79%和2.10%。
（3）双层盘结构改进结果。在不改变圆盘整体运动的前提下增设内层补偿叶片，考察其宽度、间距与倾角对中心沉积的影响：宽度与间距改变中心区沉积峰高与空间分布，倾角影响相对有限，据此选定内层补偿叶片宽度5 mm、间距40 mm、倾角0°。对比仿真表明，优化后颗粒簇更一致、间距更规则，但中心沉积不足仍明显；双层结构进一步增加中心区颗粒沉积。最终结构改进后PC由35.57%降至27.76%，IP由1.373降至1.122，RC由0.33增至0.51。
（4）田间验证结果。实测PC、IP、RC均值分别为26.91%、1.195和0.470，仿真值分别为27.76%、1.122和0.510，相对误差分别为3.15%、6.08%和8.51%，表明优化装置三项沉积指标具有较好的预测精度；差异可能部分源于仿真中固定采样区重复扫掠累积与田间无人机移动及未建模气流效应、颗粒特性与采样布置差异。田间试验CV由优化前29.75%降至19.02%，表明试验田间条件下撒施均匀性得到改善。
**五、讨论与结论**
讨论指出，离心撒施器以恒速连续旋转加速颗粒，相近颗粒在可比喂入与接触条件下加速过程较为一致；而本往复扫掠撒施器盘速与方向随时间变化，可通过调整结构参数改变释放条件及颗粒簇数量、速度与方向，从而控制颗粒落点、提升沉积均匀性潜力较大，但变速运动也使颗粒接触与结构参数关系更复杂、优化更具挑战。CV常用于描述整体沉积均匀性，但难以区分不均匀沉积的位置与形式，评价标准应与研究目标匹配；本研究在整体CV之外引入PC、IP和RC分别描述沉积峰间差异、局部峰强与中心填充，有助于识别局部分布问题并指导参数调整与补偿叶片设计。研究也指出局限：未在相同工况下对原始盘、参数优化盘与双层盘进行直接试验对比，各优化阶段贡献未单独量化；结论限于所研究的肥料、盘构型与作业工况，需对其他肥料类型进一步验证。无人机撒施可分为机内颗粒加速释放、空中输运与地面沉积三阶段，本研究聚焦第一阶段颗粒与叶片机械相互作用，未显式建模气流，实际中旋翼下洗气流、环境风与飞行参数变化会影响空中输运与最终沉积，后续将结合CFD-DEM分析与飞行试验研究颗粒释放条件与气流的联合作用。结论部分译为：本研究针对农业无人机撒施中颗粒分布不均、局部堆积及中心区域沉积不足等问题，对往复扫掠盘进行了优化，开展了理论分析、仿真优化与田间试验，主要结论如下：（1）分析了往复扫掠式撒施器的颗粒分散与抛撒特性，叶片将连续颗粒流机械分割为离散颗粒簇，高频往复运动产生条带状沉积格局；理论分析表明颗粒离开叶片瞬间的抛撒速度由相对速度与牵连速度决定，叶片宽度、间距和倾角影响颗粒—叶片相互作用与初始抛撒状态，进而影响颗粒沉积。（2）对扫掠盘结构参数进行了优化并进一步改进盘结构，基于CCD的响应面优化以PC和IP为最小化目标，优化后第1、2组叶片宽度分别为38.2 mm和36.9 mm，间距分别为27.1 mm和26.5 mm，倾角分别为?0.5°和1.8°；参数优化后中心区域沉积仍不足，为此开发了外层主叶片与内层补偿叶片构成的双层结构，内层补偿叶片改变颗粒抛撒速度与沉积位置，进一步改善了颗粒沉积分布。（3）田间试验支持了优化设计在改善沉积均匀性方面的有效性，PC、IP、RC实测均值分别为26.91%、1.195和0.470，与仿真结果相对误差分别为3.15%、6.08%和8.51%，CV由优化前29.75%降至优化后19.02%；结果表明所提结构优化在试验工况下改善了复合肥颗粒沉积均匀性。
