无人机风场下的水稻花粉运动规律的研究

摘要

水稻在制种期间，花粉借助风力传播完成授粉。目前无人机逐渐被广泛应用于杂交水稻授粉作业。无人机水稻授粉作业时，旋翼产生的风场对水稻花粉分布影响显著，直接关系到杂交水稻的制种质量。为了找出小型无人机旋翼风场下水稻花粉的分布规律，本文首先利用高速摄像技术尝试拍摄花粉运动轨迹图像，再结合风洞模拟试验方法采集风洞内各采样点风场参数和花粉数据，研究三种不同初始风速条件下的风场参数与水稻花粉分布的关系。此外，本文利用航空用北斗系统UB351定位采样点坐标，精确掌握各个采样点的位置坐标与间距，并绘制无人机飞行轨迹，为试验提供准确的数据参考；利用风场无线网络测量系统测量不同试验因素下旋翼产生的三向风场，并获得风场宽度、风场峰值等，与无人机授粉作业的花粉分布面积比、花粉分布宽度作对比联系；利用Shapiro-Wilk、Kolmogorov-Smimov统计量进行正态性检验。最后根据花粉分布趋势优选出适宜的无人机授粉作业飞行速度，建立回归模型。主要研究内容有：
　　（1）根据高速摄像机的原理并结合花粉的物理特性，设置该试验环境下高速摄像机的参数，包括焦距、摄像频率等，在完成试验场景布置和各项参数设置后，拍摄粉笔灰的运动图像，并对运动图像做各项阈值的二值化处理，计算得到拍摄到的粉笔灰粒径大于花粉粒径，最后得到该型号的高速摄像机无法在所提供的试验条件下拍摄到花粉的结论。
　　（2）设计小型风洞的整体结构，包括选择合适的转速、功率的风机、选择振动频率符合要求的电机。设置试验方法，包括确定试验的初始风速、小型风洞内的采样点分布距离、承载台的花粉量。试验采集在不同初始风速条件下的各个采样点的风场、花粉分布数据，并对所采集的数据进行正态分析和线性回归分析，最后得到结论：风洞内采样点风场分布方面，悬浮速度风速带最宽的为试验2（初始风速为3.5m/s），悬浮速度风速带最窄的为试验1（初始风速为2.5m/s）；试验3（初始风速为4.5m/s）与试验2各阶段的风场宽度相差不大。花粉分布方面，三次试验中7＃处花粉量均最多，试验1的各项数据均最小（花粉平均分布密度、花粉分布面积比、花粉分布宽度），试验2与试验3的数据相差不大；风洞试验各采样点花粉量呈近似正态分布，且当风洞试验初始风速为3.5m/s时，风洞试验的花粉量与采样点风速值呈线性关系，花粉较为集中地分布在风场的悬浮速度带内，该风速有利于花粉传播授粉。
　　（3）设计田间无人机的花粉分布试验，设置3个试验区域，在每一个区域布置20个采样点，并布置采样载玻片；选择合适的无人机机型，并根据机型确定飞行作业参数，无人机按照3个不同的飞行速度、一定的飞行高度进行授粉作业，收集3次作业条件下的风场分布参数、花粉分布量等，并对花粉量的分布情况做正态性检验以及建立风场与花粉分布量之间的线性回归模型，最后得到结论：通过比较 x、y方向风速值，无人机旋翼产生的水平风场以y方向为主，且y方向风场宽度最宽，同时飞行速度为风场宽度的主要影响因素，其中水平风场宽度随无人机飞行速度的增大而减小，同时无人机的飞行速度也对垂直风场影响明显；无人机以4.53 m/s飞行时，大于5粒的花粉分布宽度和花粉分布面积比均最大，该飞行速度最利于花粉授粉，说明花粉分布量不仅受水平风场影响也与垂直风场密切相关。对比1＃~10＃采样点花粉量与11＃~20＃采样点花粉量，无人机授粉作业下旋翼产生的风场对花粉分布的影响呈非对称性。利用spss软件的Q-Q图检验得到无人机风场下的花粉分布不服从正态分布。通过建立花粉分布量等级与各自方向风速等级之间的多元线性回归模型，花粉分布量只与无人机旋翼产生的x方向风场成正向线性关系。该结果为无人机的水稻授粉作业提供了理论指导依据。

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1 绪论

1.1 研究的背景和意义

1.2 国内外水稻授粉技术的研究现状

1.3 本课题的主要研究内容及创新点

2 高速摄像机尝试拍摄水稻花粉运动轨迹

2.1 高速摄像技术的原理

2.2试验设计

2.3本章小结

3 小型风洞试验分析理论环境下的花粉运动趋势

3.1 引言

3.2 风洞气流特性对花粉的影响

3.3 试验材料与设备

3.4 试验方法

3.5 数据采集

3.6 数据处理与分析

3.7本章小结

4 田间小型无人机水稻花粉分布试验

4.1 引言

4.2 无人机风场特性分析

4.3 花粉运动分析

4.4 试验方案设计

4.5 数据采集

4.6 数据处理与分析

4.7 小型风洞试验与田间小型无人机花粉分布试验简易分析

4.8 本章小结

5 总结与展望

5.1 研究主要结果

5.2 展望

致谢

参考文献