基于空間質(zhì)量平衡法的植保無(wú)人機(jī)施藥?kù)F滴沉積分布特性測(cè)試

王昌陵，何雄奎，王瀟楠，王志翀，王士林，李龍龍，Jane. Bonds，Andreas. Herbst，王志國(guó)，梅水發(fā)

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基于空間質(zhì)量平衡法的植保無(wú)人機(jī)施藥?kù)F滴沉積分布特性測(cè)試

王昌陵1，何雄奎1※，王瀟楠1，王志翀1，王士林1，李龍龍1，Jane. Bonds2，Andreas. Herbst3，王志國(guó)4，梅水發(fā)5

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，北京100193；2. 邦德斯咨詢(xún)有限公司，巴拿馬城32408 美國(guó)；3. 德國(guó)聯(lián)邦作物研究中心植保施藥技術(shù)研究所，布倫瑞克D-38104 德國(guó)；4. 安陽(yáng)全豐航空植保科技有限公司，安陽(yáng)455001；5. 中國(guó)人民解放軍61833部隊(duì)，北京 100094）

為了探究飛行方式、飛行參數(shù)及側(cè)風(fēng)等因素對(duì)無(wú)人機(jī)噴霧霧滴空間質(zhì)量平衡分布和旋翼下旋氣流場(chǎng)分布的影響，該文基于無(wú)人機(jī)施藥?kù)F滴空間質(zhì)量平衡測(cè)試方法，測(cè)定了3WQF80-10型單旋翼油動(dòng)植保無(wú)人機(jī)在不同飛行方式（前進(jìn)、倒退）、飛行高度和側(cè)風(fēng)速條件下的噴霧霧滴空間不同部位的沉積率和下旋氣流風(fēng)速。結(jié)果表明：對(duì)于該型無(wú)人機(jī)，在飛行高度(3.0±0.1) m、速度(5.0±0.2) m/s、1.2 m/s側(cè)風(fēng)速條件下，機(jī)頭朝前與機(jī)尾朝前2種飛行方式對(duì)霧滴分布有顯著影響，機(jī)尾朝前的飛行方式底部沉積比例可達(dá)60%，作業(yè)效果更佳；在2.0~3.5 m高度、(5.0±0.3) m/s速度和0.8 m/s側(cè)風(fēng)速條件下，空間質(zhì)量平衡收集裝置底部霧滴沉積率變異系數(shù)與高度呈現(xiàn)線性負(fù)相關(guān)，線性回歸方程決定系數(shù)為0.9178，即高度越高霧滴分布均勻性越好；在(3.0±0.1) m高度和(5.0±0.3) m/s速度條件下，空間質(zhì)量平衡收集裝置底部霧滴加權(quán)平均沉積率與側(cè)風(fēng)風(fēng)速呈線性正相關(guān)，線性回歸方程決定系數(shù)為0.9684，即側(cè)風(fēng)速越大霧滴越集中分布在下風(fēng)向處；飛行方式、高度和側(cè)風(fēng)3種因素對(duì)單旋翼無(wú)人機(jī)噴霧霧滴產(chǎn)生的影響都是通過(guò)改變其旋翼下旋氣流場(chǎng)在垂直于地面向下方向的強(qiáng)度，減弱氣流對(duì)霧滴的下壓作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。研究結(jié)果可以為植保無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)定型、田間噴霧作業(yè)參數(shù)確定和作業(yè)條件的選擇提供理論參考。

噴霧；農(nóng)藥；機(jī)械化；植保無(wú)人機(jī)；霧滴；空間質(zhì)量平衡；飛行參數(shù)；沉積

0 引 言

農(nóng)業(yè)病蟲(chóng)草害是影響中國(guó)糧食安全和農(nóng)產(chǎn)品有效供給的重要制約因素[1]。但是，目前中國(guó)的施藥機(jī)械、施藥技術(shù)水平相對(duì)落后于世界發(fā)達(dá)國(guó)家水平，農(nóng)藥利用率低[2-3]，隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)規(guī)?；陌l(fā)展，中國(guó)施藥技術(shù)和裝備落后現(xiàn)狀亟待改進(jìn)[4]。植保無(wú)人機(jī)不需要跑道，運(yùn)行成本低，控制靈活，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)；可在全地形條件下作業(yè)，噴灑效率高，能大幅降低操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度并提升植保作業(yè)效率；人機(jī)分離作業(yè)，避免了農(nóng)藥中毒等惡性事件的發(fā)生；采用低量或超低量噴霧，可以降低農(nóng)藥使用量，提高農(nóng)藥利用率，同時(shí)還減少作業(yè)過(guò)程對(duì)環(huán)境的污染[5-12]。

近年來(lái)，中國(guó)農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)發(fā)展迅速，據(jù)農(nóng)業(yè)部相關(guān)部門(mén)統(tǒng)計(jì)，截至2016年5月止，全國(guó)在用的農(nóng)用無(wú)人機(jī)共有178種，全國(guó)農(nóng)業(yè)航空技術(shù)95%以上用于航空植保作業(yè)[13]。一直以來(lái)，科研人員從多種角度采用不同方法對(duì)無(wú)人機(jī)田間植保應(yīng)用中霧滴沉積和飄失特性進(jìn)行了探索。張瑞瑞等[14]基于變介電常數(shù)電容器原理和傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)了航空施藥?kù)F滴地面沉積實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可應(yīng)用于對(duì)霧滴沉積趨勢(shì)和沉積特性的檢測(cè)。張宋超等[15]采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）模擬方法對(duì)N-3型無(wú)人直升機(jī)施藥作業(yè)中藥液的飄移情況進(jìn)行分析，可較準(zhǔn)確地模擬真實(shí)霧滴漂移情況。張盼等[16]研究了QJ-460型4旋翼無(wú)人機(jī)在柑橘樹(shù)體冠層的霧滴沉積效果。董云哲等[17]研究了無(wú)人機(jī)旋翼對(duì)霧滴分布的影響。Qin Weicai等[18]使用HyB-15L型無(wú)人機(jī)在水稻上噴施毒死蜱乳油防治稻飛虱，對(duì)其霧滴沉積分布均勻性和防治效果進(jìn)行了研究。王玲等[19]設(shè)計(jì)了微型無(wú)人機(jī)脈寬調(diào)制型變量噴藥系統(tǒng)，并利用風(fēng)洞懸停無(wú)人機(jī)變量噴藥的霧滴沉積規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究。王昌陵等[20]提出了一種植保無(wú)人機(jī)施藥?kù)F滴空間質(zhì)量平衡測(cè)試方法，構(gòu)建霧滴空間質(zhì)量平衡收集裝置并測(cè)量無(wú)人機(jī)下旋氣流風(fēng)場(chǎng)，首次得到了精準(zhǔn)作業(yè)參數(shù)下霧滴在空間不同方向上的分布。近期，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)藥械與施藥技術(shù)中心聯(lián)合湖南省植保無(wú)人機(jī)聯(lián)盟及相關(guān)企業(yè)進(jìn)行的水稻田間除草劑噴灑研究取得突破性進(jìn)展，由于噴霧過(guò)程中飄失的除草劑對(duì)非靶標(biāo)區(qū)敏感作物極易造成藥害，所以采用植保無(wú)人機(jī)對(duì)水稻噴施除草劑時(shí)對(duì)于飛行方式、飛行參數(shù)及外界條件的要求更高。

在評(píng)價(jià)植保無(wú)人機(jī)噴霧質(zhì)量時(shí)，通常采用相同高度平面上霧滴分布均勻性變異系數(shù)（coefficient of variation，CV）指標(biāo)來(lái)描述無(wú)人機(jī)噴霧沉積質(zhì)量效果，目前國(guó)內(nèi)大部分無(wú)人機(jī)噴霧沉積分布均勻性變異系數(shù)都在30%以上，大大高于噴桿噴霧機(jī)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中變異系數(shù)≤10%的要求[21]。然而實(shí)際應(yīng)用表明，無(wú)人機(jī)低空低量施藥仍可以達(dá)到有效防治病蟲(chóng)草害的作用，所以?xún)H通過(guò)同一平面上的噴霧均勻性變異系數(shù)來(lái)判別無(wú)人機(jī)施藥質(zhì)量的方法并不完全可靠。霧滴空間質(zhì)量平衡方法是指無(wú)人機(jī)植保作業(yè)中噴出去的農(nóng)藥量與沉積在靶標(biāo)作物上的量、飄失于空中的量以及地面流失量的質(zhì)量平衡，通常我們將沉積在靶標(biāo)作物上農(nóng)藥量所占的比例稱(chēng)為農(nóng)藥利用率。因此，利用霧滴空間質(zhì)量平衡方法分別將無(wú)人機(jī)噴霧霧滴的空間質(zhì)量平衡分布、沉積分布趨勢(shì)、均勻性與旋翼下旋氣流場(chǎng)分布結(jié)合進(jìn)行研究來(lái)從多方面評(píng)價(jià)其施藥效果就顯得更為重要。

本文基于此前提出的無(wú)人機(jī)施藥?kù)F滴空間質(zhì)量平衡方法，對(duì)3WQF80-10型單旋翼油動(dòng)植保無(wú)人機(jī)進(jìn)行了進(jìn)一步田間測(cè)試，首次探究并分析不同飛行方式（前進(jìn)、后退）、不同飛行高度以及不同風(fēng)速的側(cè)風(fēng)對(duì)霧滴空間質(zhì)量平衡分布和下旋氣流場(chǎng)的影響，以期為植保無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)定型、噴霧作業(yè)參數(shù)確定和作業(yè)條件的選擇提供理論依據(jù)，減少無(wú)人機(jī)航空施藥作業(yè)中的農(nóng)藥?kù)F滴飄失，提高農(nóng)藥利用率，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥“零增長(zhǎng)計(jì)劃”的目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

試驗(yàn)采用材料與設(shè)備為本研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的無(wú)人植保機(jī)施藥?kù)F滴空間質(zhì)量平衡測(cè)試方法[20]的試驗(yàn)系統(tǒng)，由霧滴空間質(zhì)量平衡收集裝置（spatial spray deposition sampling frame，SSDSF）、北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)、多通道智能微氣象測(cè)量系統(tǒng)（multi-channel micro-meteorology measurement system，MMMS）和田間氣象站組成。

霧滴空間質(zhì)量平衡收集裝置（圖1a）尺寸為5 m× 5 m×2 m，裝置主體由鋁合金型材和不銹鋼管（北京和平鋁型材有限責(zé)任公司）搭建而成。在其4個(gè)側(cè)面共拉起36條2 mm的鋼絲繩，間距50 cm，用于固定霧滴收集器；由于水敏紙易受空氣濕度影響，培養(yǎng)皿布置成本高、時(shí)間長(zhǎng)，因此霧滴收集器選用規(guī)格為2 mm的聚乙烯軟管（深圳東正和塑膠有限公司），可以收集周?chē)蟹较虺练e到軟管表面的霧滴，將其裁剪成每段0.5 m，用夾子將其固定在鋼絲繩上，設(shè)置3組重復(fù)（圖1b），用以分析霧滴在上風(fēng)向部、頂部、下風(fēng)向部和底部不同部位的分布情況。

a. 實(shí)物照片

a. Physical photo

b. 布樣示意圖

b. Layout diagram

注：圖1b中標(biāo)明的數(shù)字“1~40”表示霧滴空間質(zhì)量平衡收集裝置上4個(gè)方向布置的霧滴收集器編號(hào)。

Note: Numbers ‘1-40’ labeled in Fig. 1b show the serial number of the deposition sampling wire in 4 directions on the spatial spray deposition sampling frame.

圖1 霧滴空間質(zhì)量平衡收集裝置

Fig.1 Spatial spray deposition sampling frame

為得到精準(zhǔn)的無(wú)人機(jī)飛行參數(shù)，使用差分北斗全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（上海思南衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司）記錄無(wú)人機(jī)飛行速度、高度和軌跡。該系統(tǒng)分為基準(zhǔn)站和移動(dòng)站2個(gè)部分，基準(zhǔn)站含有M300型全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system，GNSS）接收機(jī)、AT300測(cè)量型天線、高功率電臺(tái)，M300 GNSS接收機(jī)和AT300測(cè)量型天線，用于接收并傳輸衛(wèi)星差分?jǐn)?shù)據(jù)。移動(dòng)站安裝在待測(cè)無(wú)人機(jī)上（圖2a），由M600姿態(tài)定位定向型GNSS接收機(jī)、AT300測(cè)量型天線以及433 MHz數(shù)據(jù)傳輸模塊組成，移動(dòng)站通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸模塊將接收到的衛(wèi)星信號(hào)和差分?jǐn)?shù)據(jù)傳回433 MHz數(shù)據(jù)接收模塊，串口轉(zhuǎn)USB（universal serial bus，通用串行總線）接口數(shù)據(jù)線連接到筆記本電腦上，無(wú)人機(jī)飛行速度、高度等數(shù)據(jù)可在軟件中實(shí)時(shí)顯示并保存?；鶞?zhǔn)站接收機(jī)水平靜態(tài)差分精度為±(2.5+1×10-6D) mm，垂直靜態(tài)差分精度為±(5+1×10-6D) mm，D指以基準(zhǔn)站為中心的方圓直徑；移動(dòng)站雙頻載波相位差分技術(shù)（real-time kinematic，RTK）水平定位精度為±(10+1×10-6) mm，雙頻RTK垂直定位精度為±(20+1×10-6) mm。

采用多通道智能微氣象測(cè)量系統(tǒng)（廣東富民測(cè)控有限公司）測(cè)量無(wú)人機(jī)下旋氣流風(fēng)速，該系統(tǒng)由田間無(wú)線微氣象傳感器（圖2b）和智能控制系統(tǒng)組成。每個(gè)田間無(wú)線微氣象傳感器安裝3個(gè)方向的葉輪，分別可以測(cè)量垂直于飛行方向（）、垂直于地面方向（）、平行于飛行方向（）的風(fēng)速以及冠層中實(shí)時(shí)溫度和相對(duì)濕度。智能控制系統(tǒng)可以向田間傳感器發(fā)送控制指令并接收其傳回的風(fēng)速等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以通過(guò)軟件在筆記本電腦上實(shí)時(shí)查看和保存。測(cè)試中，該系統(tǒng)每次采樣時(shí)間為5 s，采樣頻率為20 Hz。

試驗(yàn)過(guò)程中的風(fēng)速、風(fēng)向、溫度和濕度等氣象數(shù)據(jù)通過(guò)Zeno-3200型農(nóng)業(yè)/森林自動(dòng)氣象站（美國(guó)原生態(tài)有限公司，圖2c）獲取，該氣象站的采樣頻率為1 Hz；配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的熒光示蹤劑Brillantsulfoflavin（德國(guó)Chroma-Gesellschaft Schmid公司）作為噴霧液，測(cè)試后將霧滴收集器的熒光示蹤劑洗脫液經(jīng)Kontron SFM25熒光光譜儀（德國(guó)控創(chuàng)儀器公司）檢測(cè)其熒光值；參與試驗(yàn)無(wú)人機(jī)為安陽(yáng)全豐航空植?？萍加邢薰旧a(chǎn)的3WQF80-10型油動(dòng)單旋翼植保無(wú)人機(jī)，藥箱容量為10 L，飛行控制模式為手動(dòng)控制，飛行高度為2和3 m時(shí)噴灑幅寬分別是2和3 m，均在霧滴空間質(zhì)量平衡收集裝置的霧滴收集范圍內(nèi)；該型無(wú)人機(jī)搭載德國(guó)Lechler公司生產(chǎn)的LU 120-02型液力式平面扇形噴頭，壓力范圍在0.15～0.50 MPa，單噴頭噴霧流量為0.56～1.03 L/min，適用于噴灑各種植物保護(hù)劑和生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑。表1中為該型無(wú)人機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)。

a. 安裝在無(wú)人機(jī)上的北斗系統(tǒng)移動(dòng)站a. Mobile station of Beidou navigation systemb. 田間無(wú)線微氣象傳感器陣列b. Wireless micro-meteorology sensorsc. ZENO-3200型田間氣象站c. ZENO-3200 weather station

表1 3WQF80-10型植保無(wú)人機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

2015年6月至7月在河南省安陽(yáng)市全豐航空植保科技有限公司小麥種植基地進(jìn)行田間試驗(yàn)，測(cè)試按照王昌陵等[20]提出的無(wú)人植保機(jī)施藥空間質(zhì)量平衡測(cè)試方法實(shí)施。該區(qū)域種植小麥品種為汝麥0319，生育期為成熟期，行距20 cm，株高60 cm，株密度20 株/m2。田間試驗(yàn)裝置布置情況如圖3所示，霧滴空間質(zhì)量平衡收集裝置放置在地塊邊緣，田間微氣象傳感器陣列布置在小麥地塊中，2部分裝置的中心都位于無(wú)人機(jī)航線上。霧滴空間收集裝置上的聚乙烯軟管從上風(fēng)向側(cè)底部開(kāi)始編號(hào)，上風(fēng)向部編號(hào)為1～10，頂部編號(hào)為11～20，下風(fēng)向部編號(hào)為21～30，底部編號(hào)為31～40，如圖1b所示。田間微氣象傳感器陣列布置方式為三向線陣，布置為2行，行距1.5 m，每行8個(gè)點(diǎn)，間距0.7 m，編號(hào)為1～16；高度設(shè)置在小麥冠層頂部距地面65 cm處，距離霧滴空間質(zhì)量平衡收集裝置1.5 m。全部試驗(yàn)裝置根據(jù)風(fēng)向改變位置，以確保無(wú)人機(jī)航線與下風(fēng)向垂直。測(cè)試過(guò)程與步驟同無(wú)人植保機(jī)施藥空間質(zhì)量平衡測(cè)試方法完全相同，在此不再贅述。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 沉積量和沉積率

根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization，ISO）24253-1標(biāo)準(zhǔn)[22]，計(jì)算單位面積沉積量和沉積率公式為

（2）

式中dep為單位面積霧滴沉積量，mL/cm2；dil為加入洗脫液的體積，mL；smpl為洗脫液的熒光儀示數(shù)；blk為空白采樣器的熒光儀示數(shù)；spray為噴霧液中示蹤劑濃度，g/L；cal為熒光儀示數(shù)與示蹤劑濃度的關(guān)系系數(shù)，（g/L）/單位示數(shù)；col為霧滴收集器面積，cm2；dep%為沉積率，%；β為施藥液量，L/m2。

1.3.2 沉積率變異系數(shù)

沉積率變異系數(shù)用于描述霧滴分布均勻性[23]，其數(shù)值越小表明分布均勻性越佳，計(jì)算公式為

式中CV為沉積率變異系數(shù)，%；為沉積率標(biāo)準(zhǔn)差，%；`為平均沉積率，%；為樣本數(shù)目；X為第段收集器上的沉積率，%。

1.3.3 加權(quán)平均沉積率

為研究側(cè)風(fēng)速對(duì)底部霧滴沉積的影響，需要找到一個(gè)合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)反映霧滴沉積分布的集中趨勢(shì)。在分析霧滴空間質(zhì)量平衡收集裝置底部的霧滴沉積時(shí)，根據(jù)偏向下風(fēng)向的距離遠(yuǎn)近，可以將底部的霧滴收集器賦予不同權(quán)數(shù)以判斷霧滴分布的集中部位：距下風(fēng)向部近的賦予權(quán)數(shù)大，距下風(fēng)向部遠(yuǎn)的賦予的權(quán)數(shù)小，因此對(duì)底部霧滴收集器從40號(hào)到31號(hào)依次賦予權(quán)數(shù)1～10。這樣計(jì)算出的加權(quán)平均數(shù)越大表明霧滴分布越集中于下風(fēng)向，這個(gè)加權(quán)平均數(shù)就稱(chēng)為加權(quán)平均沉積率（weighted mean deposition rate），其計(jì)算公式為

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在試驗(yàn)結(jié)果中，根據(jù)公式（1）、（2）計(jì)算得到的是霧滴空間質(zhì)量平衡收集裝置上不同位置的沉積率，分析飛行方向、飛行高度和側(cè)風(fēng)速這3個(gè)影響因素可知，最能直接說(shuō)明3種因素對(duì)霧滴沉積效果影響的指標(biāo)分別是沉積率在不同方向上的分布比例、沉積分布均勻性和霧滴沉積分布集中度，而直接反映這3個(gè)指標(biāo)的度量值分別是沉積率、沉積率變異系數(shù)和加權(quán)平均沉積率，因此為了最直觀、明顯地反映這些因素對(duì)霧滴沉積分布的影響，結(jié)合不同影響因素選擇了不同分析對(duì)象和評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.1 飛行方向?qū)F滴沉積分布的影響

在無(wú)人機(jī)田間實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，軌跡多數(shù)為“m”形路線，即機(jī)頭朝前從接近操控手的一側(cè)飛向遠(yuǎn)端，到達(dá)地塊邊緣減速至懸停，平移一定間隔后保持機(jī)頭朝前、機(jī)尾面向操控手的狀態(tài)從遠(yuǎn)端飛回近端，再平移進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)的作業(yè)。因此，在“去”和“回”兩個(gè)直線飛行過(guò)程中分別是機(jī)頭朝向前進(jìn)方向和機(jī)尾朝向前進(jìn)方向兩種飛行狀態(tài)，對(duì)于單旋翼無(wú)人機(jī)，其構(gòu)造與結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)多旋翼無(wú)人機(jī)不同，需要分析機(jī)頭朝向前進(jìn)方向（前進(jìn)）與機(jī)尾朝向前進(jìn)方向飛行（后退）是否會(huì)對(duì)霧滴空間質(zhì)量平衡分布產(chǎn)生影響。如表2中所示，在飛行高度(3.0±0.1) m，速度(5.0±0.2) m/s條件下進(jìn)行了4次測(cè)試，其中1-1組與1-2組飛行方向?yàn)闄C(jī)頭朝前，1-3組與1-4組為機(jī)尾朝前，表2為4次測(cè)試中北斗定位系統(tǒng)測(cè)得的飛行參數(shù)、飛行方向與計(jì)算出的霧滴空間質(zhì)量平衡收集裝置不同部位霧滴沉積量的和占總沉積量的比例，圖4為無(wú)人機(jī)在2種飛行方向下在霧滴空間質(zhì)量平衡收集裝置上測(cè)得的霧滴空間質(zhì)量平衡分布情況。

表2 飛行方向?qū)F滴沉積分布影響試驗(yàn)中各組測(cè)試飛行參數(shù)以及空間不同部位質(zhì)量平衡分布比例

注：測(cè)試時(shí)環(huán)境參數(shù)：平均側(cè)風(fēng)速1.2 m·s-1、平均溫度30.5 ℃、平均相對(duì)濕度36.9%。

Note: Environmental parameters during the test: Average crosswind speed is 1.2 m·s-1, average temperature is 30.5 ℃, average relative humidity is 36.9%.

從表2以及圖4中可看出，2種飛行方向下霧滴沉積都集中分布在霧滴質(zhì)量平衡收集裝置的下風(fēng)向部和底部，在上風(fēng)向部和頂部沉積少。當(dāng)機(jī)頭朝前飛行時(shí)：1～20號(hào)收集器即上風(fēng)向部和頂部幾乎沒(méi)有霧滴沉積；沉積率最大值出現(xiàn)在下風(fēng)向部25～30號(hào)范圍內(nèi)（1-1組最大值為28號(hào)：128.3%；1-2組為25號(hào)：135.2%），霧滴在下風(fēng)向部的分布也最多，達(dá)60%左右；底部沉積率基本都小于60%，分布比例在30%～40%范圍內(nèi)。而當(dāng)機(jī)尾朝前飛行時(shí)：2次測(cè)試中在上風(fēng)向部1～10號(hào)均檢測(cè)出一些霧滴沉積，分布比例在10%～20%范圍內(nèi)；沉積率最大值出現(xiàn)在底部（2-1組最大值為34號(hào)：124.1%；2-2組為36號(hào)：93.2%），霧滴分布在這一部分也最多，達(dá)50%以上。因此，這2種飛行方式帶來(lái)的霧滴分布情況差異主要集中于2個(gè)方面：霧滴在上風(fēng)向部沉積的多少和霧滴主要分布部位是下風(fēng)向部還是底部。在無(wú)人機(jī)田間植保作業(yè)中，噴頭噴灑出的農(nóng)藥?kù)F滴向下運(yùn)動(dòng)直接沉積到靶標(biāo)作物上是最理想的施藥情況，向下運(yùn)動(dòng)的霧滴飄失率最少，利用率最高；向兩側(cè)運(yùn)動(dòng)的霧滴則有不同的運(yùn)動(dòng)軌跡，其中部分粒徑和質(zhì)量較大的霧滴可以經(jīng)過(guò)漂移仍然沉積到作物葉片上，但其他霧滴則更容易在自然風(fēng)和下旋氣流的共同作用下飄失到非靶標(biāo)作物上和環(huán)境中造成藥害和污染，甚至直接在空氣中蒸發(fā)，這部分霧滴飄失率高，利用率低。所以，盡管機(jī)尾朝前的飛行方式造成霧滴在上風(fēng)向部有部分沉積，但是其最主要的沉積部位仍然是底部，考慮到機(jī)頭朝前飛行時(shí)霧滴在下風(fēng)向部分布多達(dá)60%，相比之下機(jī)尾朝前的作業(yè)方式更優(yōu)，能有效減少霧滴飄失，提高霧滴在靶標(biāo)上的沉積率和農(nóng)藥利用率。

如圖5所示為田間智能多通道微氣象測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得的2種飛行方式下無(wú)人機(jī)下旋氣流風(fēng)速峰值在垂直于地面方向（方向）的分布。可以看出，機(jī)尾朝前飛行時(shí)各測(cè)量節(jié)點(diǎn)上的方向風(fēng)速峰值普遍較高，其下旋氣流在方向的影響明顯大于機(jī)頭朝前的飛行方式，而垂直于地面方向的氣流對(duì)噴灑出的霧滴向下運(yùn)動(dòng)沉積到作物上作用最顯著，所以無(wú)人機(jī)后退飛過(guò)空間質(zhì)量平衡收集裝置時(shí)的霧滴更多沉積在底部。此外，上風(fēng)向部測(cè)量節(jié)點(diǎn)7、8號(hào)的風(fēng)速值較小，說(shuō)明下旋氣流在此處下壓霧滴作用較弱，更容易導(dǎo)致霧滴運(yùn)動(dòng)向兩側(cè)方向運(yùn)動(dòng)，這也解釋了1-3組和1-4組中有少量霧滴沉積在上風(fēng)向部的現(xiàn)象。分析可知：該型單旋翼無(wú)人機(jī)機(jī)頭朝前飛行時(shí)，旋翼的下旋氣流方向并不是垂直向下的，受與前進(jìn)方向相反的外界氣流影響，該氣流的方向應(yīng)該是介于豎直方向與機(jī)尾方向之間向下，而這個(gè)方向的氣流正好流經(jīng)機(jī)身，會(huì)被機(jī)身阻擋并改變方向，所以向下起下壓霧滴作用的氣流會(huì)大大減弱；而當(dāng)機(jī)尾朝前飛行時(shí)，下旋氣流方向?yàn)樨Q直方向與機(jī)頭方向之間向下，被機(jī)身阻擋的幾率明顯降低，會(huì)形成一股較強(qiáng)的向下氣流，并且流經(jīng)安裝在機(jī)身前部下方的噴桿，幫助噴頭霧化出的霧滴向下運(yùn)動(dòng)并沉積到作物表面。綜上所述，在飛行高度(3.0±0.1) m，速度(5.0±0.2) m/s，側(cè)風(fēng)速1.2 m/s條件下，該型無(wú)人機(jī)機(jī)尾朝前的飛行方式作業(yè)效果更好，造成2種飛行方式霧滴沉積分布差異的原因是單旋翼無(wú)人機(jī)不對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)所引起的前進(jìn)與后退時(shí)下旋氣流場(chǎng)對(duì)霧滴作用不同。

2.2 飛行高度對(duì)霧滴沉積分布的影響

距作物冠層的飛行高度是農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)作業(yè)中一項(xiàng)重要的飛行參數(shù)，此前的一些研究[24-26]表明，高度對(duì)無(wú)人機(jī)噴霧霧滴沉積量、冠層穿透性以及分布均勻性都有不同程度的影響。因此，為分析不同高度下的霧滴空間質(zhì)量平衡分布規(guī)律，在距地面2.0～3.5 m高度，以5.0 m/s的速度進(jìn)行了6組測(cè)試，北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)記錄的飛行參數(shù)情況、霧滴空間質(zhì)量平衡收集裝置底部沉積率變異系數(shù)和空間不同部位質(zhì)量平衡分布比例如表3所示。

表3 飛行高度對(duì)霧滴沉積分布影響試驗(yàn)中各組測(cè)試飛行參數(shù)、底部沉積率變異系數(shù)和空間不同部位質(zhì)量平衡分布比例

注：測(cè)試時(shí)環(huán)境參數(shù)：平均側(cè)風(fēng)速0.80 m·s-1、平均溫度28.4 ℃、平均相對(duì)濕度41.6%。

Note: Environmental parameters during the test: Average crosswind speed was 0.80 m·s-1; average temperature was 28.4 ℃; average relative humidity was 41.6%.

按照公式（3）計(jì)算霧滴空間沉積收集裝置底部、上風(fēng)向部、下風(fēng)向部和頂部的Brillantsulfoflavin示蹤劑沉積率變異系數(shù)，將不同試驗(yàn)組在不同部位的變異系數(shù)分別與飛行高度進(jìn)行線性回歸分析，可得：空間質(zhì)量平衡收集裝置底部的線性回歸方程為：=?27.327+130.64，決定系數(shù)為0.9178；其他部位變異系數(shù)與飛行高度無(wú)顯著線性關(guān)系。因此主要針對(duì)底部結(jié)果進(jìn)行分析，將收集框底部沉積率變異系數(shù)與飛行高度做出散點(diǎn)圖（圖6），在2.0～3.5 m高度和(5.0±0.3) m/s速度范圍內(nèi)，飛行高度增加，沉積率變異系數(shù)呈線性減小，說(shuō)明飛行高度的增加可以減小霧滴沉積率的離散程度，提高霧滴分布的均勻性。與此同時(shí)，底部霧滴質(zhì)量平衡分布比例隨著高度的增加而逐漸降低，從78.6%下降到40%以下；下風(fēng)向部質(zhì)量平衡分布比例明顯呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；上風(fēng)向部的霧滴分布比例有小幅增大；而頂部則無(wú)明顯變化，都在5%以?xún)?nèi)。

結(jié)合圖7中3組不同高度條件下旋翼下旋氣流風(fēng)速峰值在方向上的分布可知，當(dāng)飛行高度為2.00 m時(shí)，無(wú)人機(jī)旋翼下旋氣流風(fēng)速快，流場(chǎng)較強(qiáng)；隨著高度的增加，下旋氣流在垂直于地面方向上的流場(chǎng)會(huì)明顯減弱，當(dāng)飛行高度大于3 m時(shí)，該方向上下旋氣流的風(fēng)速已經(jīng)幾乎測(cè)量不到，這個(gè)結(jié)果與此前研究人員對(duì)單旋翼電動(dòng)無(wú)人機(jī)的測(cè)試情況基本一致[27]。這說(shuō)明飛行高度的變化在影響底部沉積分布均勻性的同時(shí)也與霧滴飄移性質(zhì)息息相關(guān)，旋翼下旋氣流隨著與旋翼距離的增大，氣流運(yùn)動(dòng)會(huì)逐漸由垂直向下運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樗竭\(yùn)動(dòng)[28]，所以高度越高，旋翼下旋氣流在冠層頂部位置的流場(chǎng)越弱，噴灑出的霧滴越容易隨側(cè)風(fēng)飄移。以上結(jié)果說(shuō)明，通過(guò)飛行高度來(lái)調(diào)節(jié)霧滴分布均勻性的方法是一把雙刃劍，一味提升飛行高度不能一直提升該型單旋翼植保無(wú)人機(jī)的噴霧效果，高度過(guò)高時(shí)反而會(huì)減弱下旋氣流對(duì)霧滴的下壓作用，加重霧滴飄失，將大大降低農(nóng)藥利用率。因此，植保無(wú)人機(jī)田間作業(yè)時(shí)需要綜合考慮作物特點(diǎn)、地塊情況和天氣情況等多種因素來(lái)確定合理的作業(yè)參數(shù)。

2.3 側(cè)風(fēng)速對(duì)霧滴沉積分布的影響

航空植保噴霧作業(yè)受風(fēng)力、風(fēng)向等因素影響較大，容易造成重噴、漏噴和霧滴飄失[29-30]。對(duì)于3WQF80-10型植保無(wú)人機(jī)，搭載2個(gè)LU120-02噴頭，產(chǎn)生的霧滴粒徑在120～160m之間，霧滴粒徑較小，非常易受氣流影響，因此探索側(cè)風(fēng)速對(duì)霧滴空間質(zhì)量平衡分布的影響程度十分必要。試驗(yàn)過(guò)程中，在3.0 m/s高度和5.0 m/s速度參數(shù)下以及不同強(qiáng)度的側(cè)風(fēng)條件下進(jìn)行了5組測(cè)試，側(cè)風(fēng)速通過(guò)Zeno-3200田間氣象站測(cè)得，表4中為無(wú)人機(jī)飛行參數(shù)、側(cè)風(fēng)速、加權(quán)平均沉積率和空間不同部位質(zhì)量平衡分布比例。

表4 側(cè)風(fēng)速對(duì)霧滴沉積分布影響試驗(yàn)中各組測(cè)試飛行參數(shù)、側(cè)風(fēng)速、加權(quán)平均沉積率和空間不同部位質(zhì)量平衡分布比例

注：測(cè)試時(shí)環(huán)境參數(shù)：平均溫度27.5 ℃、平均相對(duì)濕度50.3%。

Note: Environmental parameters during the test: Average temperature is 27.5 ℃, average relative humidity is 50.3%.

采用公式4對(duì)霧滴空間沉積收集框底部10段沉積率進(jìn)行加權(quán)平均計(jì)算，將計(jì)算出的加權(quán)平均沉積率和側(cè)向風(fēng)速進(jìn)行線性回歸分析，得到線性回歸方程為：=10.785+27.499，決定系數(shù)為0.9684。從圖8中可以看出，隨著側(cè)向風(fēng)速的增大，底部沉積率的加權(quán)平均數(shù)呈線性增大，由于沉積率權(quán)數(shù)按側(cè)風(fēng)風(fēng)向依次遞增，表明霧滴分布逐漸偏向下風(fēng)向部位。此外，從霧滴在空間質(zhì)量平衡收集裝置不同部位的分布比例來(lái)看，在(3.0±0.1) m高度和(5.0±0.3) m/s速度條件下，當(dāng)側(cè)風(fēng)速逐漸增加時(shí)，底部霧滴沉積比例逐漸降低，兩側(cè)特別是下風(fēng)向沉積比例有上升的趨勢(shì)，這也是霧滴集中分布于下風(fēng)向位置所帶來(lái)的必然結(jié)果。同樣，從3種不同側(cè)風(fēng)速下無(wú)人機(jī)旋翼在方向的下旋氣流場(chǎng)分布（圖9）可以看出，隨著側(cè)風(fēng)速增大，每個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)上測(cè)得的風(fēng)速值基本呈現(xiàn)依次降低的，下旋氣流場(chǎng)逐漸減弱，分析這是由于逐漸增強(qiáng)的側(cè)風(fēng)的影響，使原本應(yīng)該垂直向下行進(jìn)的氣流方向發(fā)生了改變，分散了方向上的下壓氣流的強(qiáng)度，霧滴更容易隨側(cè)向氣流向四周游動(dòng)而不是向下沉降，如此風(fēng)場(chǎng)分布更加印證了側(cè)風(fēng)對(duì)霧滴沉積有明顯的不利影響。以上結(jié)果表明，側(cè)風(fēng)速對(duì)霧滴沉積的作用主要在于降低下旋氣流場(chǎng)在垂直于地面方向的強(qiáng)度，讓霧滴沉積集中于下風(fēng)向一側(cè)，減少直接向下運(yùn)動(dòng)沉積到作物上霧滴的比例，致使飄失霧滴數(shù)目增加。

3 結(jié) 論

本文基于植保無(wú)人機(jī)施藥?kù)F滴空間質(zhì)量平衡測(cè)試方法，使用Brillantsulfoflavin示蹤劑水溶液代替農(nóng)藥對(duì)3WQF80-10型油動(dòng)單旋翼植保無(wú)人機(jī)進(jìn)行了小麥田間噴灑測(cè)試，首次對(duì)不同飛行方向（前進(jìn)、倒退）、飛行高度和側(cè)風(fēng)風(fēng)速條件下的無(wú)人機(jī)噴霧霧滴空間質(zhì)量平衡分布進(jìn)行了研究和分析，得到以下結(jié)論：

1）對(duì)于3WQF80-10型油動(dòng)單旋翼無(wú)人機(jī)，在飛行高度(3.0±0.1) m、速度(5.0±0.2) m/s和側(cè)風(fēng)速1.2 m/s的條件下，機(jī)頭朝前與機(jī)尾朝前2種飛行方式對(duì)空間霧滴質(zhì)量平衡分布有顯著影響，機(jī)尾朝前的飛行方式底部沉積比例可達(dá)60%，作業(yè)效果更佳；造成這種差異的原因是單旋翼無(wú)人機(jī)不對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)在不同飛行姿態(tài)下產(chǎn)生的下旋氣流場(chǎng)強(qiáng)弱和分布不同。

2）在2.0～3.5 m高度、(5.0±0.3) m/s速度和0.8 m/s側(cè)風(fēng)速的條件下，空間質(zhì)量平衡收集裝置底部霧滴沉積率變異系數(shù)與高度呈現(xiàn)線性負(fù)相關(guān)，線性回歸方程決定系數(shù)為0.9178，即高度越高霧滴分布均勻性越好；飛行高度的變化同時(shí)對(duì)旋翼下旋氣流場(chǎng)影響明顯，高度越高，霧滴越容易飄移。

3）在(3.0±0.1) m高度和(5.0±0.3 m/s)速度條件下，空間質(zhì)量平衡收集裝置底部霧滴加權(quán)平均沉積率與側(cè)風(fēng)風(fēng)速呈線性正相關(guān)，線性回歸方程決定系數(shù)為0.9684，即側(cè)風(fēng)速越大霧滴越集中分布在下風(fēng)向處，下旋氣流場(chǎng)在垂直于地面方向的強(qiáng)度越弱，霧滴飄移程度越嚴(yán)重。

綜上所述，無(wú)論是飛行方式、高度還是側(cè)風(fēng)速，對(duì)單旋翼無(wú)人機(jī)噴霧霧滴產(chǎn)生的影響都是通過(guò)改變其旋翼下旋氣流場(chǎng)在垂直于地面向下方向的強(qiáng)度，減弱氣流對(duì)霧滴的下壓作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此，無(wú)人機(jī)下旋氣流風(fēng)場(chǎng)應(yīng)是影響無(wú)人機(jī)航空植保作業(yè)中霧滴運(yùn)動(dòng)的重要因素，在植保無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)與田間使用過(guò)程中，需要充分考慮機(jī)身結(jié)構(gòu)、噴桿位置、噴頭類(lèi)型、飛行參數(shù)和氣象條件等因素對(duì)無(wú)人機(jī)下旋氣流風(fēng)場(chǎng)的影響，將各類(lèi)因素對(duì)霧滴沉積的不利作用降到最低。

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Distribution characteristics of pesticide application droplets deposition of unmanned aerial vehicle based on testing method of deposition quality balance

Wang Changling1, He Xiongkui1※, Wang Xiaonan1, Wang Zhichong1, Wang Shilin1, Li Longlong1, Jane. Bonds2, Andreas. Herbst3, Wang Zhiguo4, Mei Shuifa5

(1.,,100193,; 2.3.,11/12-38104,; 4.455001; 5.61889100094,)

In order to explore the effect of flight parameters and other factors on unmanned aerial vehicle (UAV) spatial pesticide spraying deposition distribution and rotor’s downwash flow field distribution, in this study, we usedthe testing method of spatial pesticide spraying deposition quality balance to test model ‘3WQF80-10’ single-rotor diesel plant-protection UAV. The test included the spatial deposition quality balance distribution, the bottom deposition distribution, and the coefficient of variation of deposition with downwash flow field to evaluate the application effect. The spraying droplets deposition rate of different spatial parts and downwash flow wind speed were measured with different flight directions, heights and crosswind speeds. The spatial spray deposition sampling frame (SSDSF) with triple monofilament wires was applied for collecting the droplets of UAV pesticide application in four directions, and a set of multi-channel micro-meteorology measurement system (MMMS) was used for measuring the downwash wind speed in three directions of,and. The MMMS had 16 wireless micro-meteorology sensors, and all these sensors, separated into two rows at the spacing of 1.5 m, were arranged below the UAV flight path and in line with the SSDSF in wheat field. Besides, Beidou Navigation Satellite System was used for controlling and recording the working height, velocity and track of this model of single-rotor UAV. The sensor of model ‘ZENO-3200’ weather station was set at the height of 6 m to record the environmental parameters at test site. Taking 0.1% mass fraction of brilliantsulfoflavin water solution as spraying liquid and pour the tracer liquid into the tank of the UAV before test. During every test, the operator controlled the UAV remotely to take off, when the UAV reached the required height, then opened the spray system and made the unmanned aircraft fly over the experimental area and went through the SSDSF. After tests, the monofilament wires on the SSDSF were measured for the absorbance of the tracer brillantsulfoflavin by the model ‘SFM25’ fluorescence spectrometer. In tests of flight direction, four flights were implemented in the forward and backward directions and the results showed: at the height of (3.0±0.1) m, the velocity of (5.0±0.2) m/s and the crosswind speed of 1.2 m/s, the flight directions of ahead and back had an impact on droplets deposition distribution and the working effect of flying backwards, with 60% of deposition ratio of the bottom part of the SSDSF, was better than flying forwards. For tests of flight height, six tests of different heights were conducted and results were: at the height from 2.0 to 3.5 m, the velocity of (5.0±0.3) m/s and the crosswind speed of 0.8 m/s, the coefficient of variation (2) of the bottom part was linearly associated with the flight height which was 0.9178, indicating that the deposition distribution became more uniform with the increase of height. Additionally, when it came to the tests of crosswind speed, five treatments were performed and results indicated that at the height of (3.0±0.1) m and the velocity of (5.0±0.3) m/s, there was a linear correlation between weighted mean deposition rate and crosswind speed and the coefficient of variation (2) was 0.9684, which showed the deposition distribution got more concentrated towards the downwind part with the rise of the crosswind speed. Overall, according to the result of tests of downwash flow wind speed, our results showed that regardless of the flight direction and height and the crosswind, all these factors influenced the droplets deposition distribution via weakening the intensity of the downwash wind field in direction.

spraying; pesticides; mechanization; plant-protection unmanned aerial vehicle; droplets; spatial spraying deposition quality balance; flight parameters; deposition

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.24.012

S252+.3

A

1002-6819(2016)-24-0089-09

2016-07-23

2016-11-21

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（31470099），公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)目（201503130）

王昌陵，博士生，主要從事無(wú)人航空植保施藥技術(shù)研究。北京 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，100193。Email：wcl1991@cau.edu.cn

何雄奎，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事植保機(jī)械與施藥技術(shù)研究。北京 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，100193。Email：xiongkui@cau.edu.cn