小型植保無人機(jī)噴霧參數(shù)對橘樹冠層霧滴沉積分布的影響

陳盛德，蘭玉彬，周志艷，廖 娟，朱秋陽

(1 國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國際聯(lián)合研究中心/廣東省農(nóng)業(yè)航空應(yīng)用工程技術(shù)研究中心/國際農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)聯(lián)合實驗室/華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 廣州 510642； 2 廣州天翔航空科技有限公司，廣東 廣州 511442)

小型植保無人機(jī)噴霧參數(shù)對橘樹冠層霧滴沉積分布的影響

陳盛德1，蘭玉彬1，周志艷1，廖 娟1，朱秋陽2

(1 國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國際聯(lián)合研究中心/廣東省農(nóng)業(yè)航空應(yīng)用工程技術(shù)研究中心/國際農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)聯(lián)合實驗室/華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 廣州 510642； 2 廣州天翔航空科技有限公司，廣東 廣州 511442)

【目的】探索小型植保無人機(jī)對果樹噴施作業(yè)的霧滴沉積分布效果及應(yīng)用前景，研究小型植保無人機(jī)噴霧參數(shù)對橘樹冠層霧滴沉積分布的影響。 【方法】采用三因素(飛行高度、飛行速度、噴施流量)的正交試驗，應(yīng)用小型六旋翼植保無人機(jī)進(jìn)行噴霧試驗。 【結(jié)果】根據(jù)霧滴沉積密度和霧滴沉積均勻性結(jié)果，較佳的作業(yè)參數(shù)是噴頭流量1.0 L·min–1、作業(yè)高度2.5 m、作業(yè)速度4 m·s–1，影響霧滴沉積密度的主次順序依次為作業(yè)速度、作業(yè)高度、噴頭流量；根據(jù)霧滴沉積穿透性結(jié)果，作業(yè)高度均為2.0 m的試驗號2(作業(yè)速度4 m·s–1，噴頭流量0.6 L·min–1)和試驗號8(作業(yè)速度1 m·s–1，噴頭流量1.0 L·min–1)中霧滴沉積穿透性分別為22.21%和22.41%，其霧滴覆蓋密度大且穿透性較好；影響霧滴沉積穿透性的因素主次順序為作業(yè)高度、作業(yè)速度、噴頭流量。 【結(jié)論】針對植保無人機(jī)旋翼風(fēng)場的影響和橘樹獨(dú)特的樹形結(jié)構(gòu)，對植保無人機(jī)的作業(yè)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)選，以保證航空噴施作業(yè)霧滴在橘樹冠層的有效沉積分布。本試驗研究可為小型無人機(jī)對果樹的合理噴施、提高噴施效率提供參考和指導(dǎo)。

植保無人機(jī)；橘樹；航空噴施；霧滴沉積；噴霧參數(shù)；正交試驗

2007年中國柑橘種植面積和產(chǎn)量均躍居世界第 1，柑橘也是中國南方栽培面積最大、涉及就業(yè)人口最多的果樹[1-2]。隨著近年來柑橘種植面積的不斷擴(kuò)大，果樹病害的發(fā)生日趨嚴(yán)重，中國乃至世界柑橘產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定和發(fā)展都受到了影響[3-4]。因此，加強(qiáng)柑橘果樹病蟲害的有效化學(xué)防治對確保柑橘保產(chǎn)和豐產(chǎn)具有十分重要的意義。

目前，中國農(nóng)藥噴施方式主要包括人工噴施、地面機(jī)械噴施和航空噴施[5-6]。傳統(tǒng)的人工噴施方式作業(yè)勞動強(qiáng)度大、效率低、耗時長，當(dāng)突發(fā)式病蟲害暴發(fā)時，需要在較短時間內(nèi)進(jìn)行快速全覆蓋式的噴霧才能取得較好的防控實效[7]，采用傳統(tǒng)的人工噴霧作業(yè)顯然難以達(dá)到防控要求，甚至可能延誤防控時機(jī)。地面機(jī)械噴施方式作業(yè)成本高、藥劑有效利用率低，且我國現(xiàn)有柑橘園大多位于丘陵或山地，行走式施藥機(jī)械難以在這類果園中運(yùn)行[8-9]。農(nóng)用航空噴施作為我國近年來的新型噴施方式，消除了中國傳統(tǒng)噴施方式的弊端，農(nóng)用航空噴施作業(yè)效率高、成本低、噴施效果好，且可解決地面機(jī)械在山地果園難以作業(yè)的問題等[10-12]，正逐漸成為人們首選的噴施作業(yè)方式。

作為農(nóng)業(yè)航空重要標(biāo)志之一的無人機(jī)噴施作業(yè)在近年來的迅速發(fā)展和應(yīng)用引起了人們的廣泛關(guān)注[13-14]。隨著航空噴施方式的應(yīng)用，針對農(nóng)用無人機(jī)在不同種類作物上的作業(yè)質(zhì)量和霧滴沉積分布效果，學(xué)者均進(jìn)行了一些探索。陳盛德等[15]研究了HY-B-10L型單旋翼電動無人直升機(jī)在不同作業(yè)參數(shù)下對雜交水稻植株冠層噴施作業(yè)的霧滴沉積分布效果；邱白晶等[16]采用2因素3水平試驗方法研究了CD-10型無人直升機(jī)對小麥植株的噴霧沉積濃度、沉積均勻性與飛機(jī)飛行高度、飛行速度及兩因素間的交互作用的關(guān)系，并建立了相應(yīng)的關(guān)系模型；秦維彩等[17]通過改變N-3型無人直升機(jī)的作業(yè)高度和噴灑幅度對玉米作物進(jìn)行噴施試驗，研究了噴灑參數(shù)對玉米層的霧滴沉積分布的影響。目前，農(nóng)用無人機(jī)噴施作業(yè)技術(shù)在水稻、小麥、玉米等作物上的應(yīng)用趨于成熟，但對果園噴霧作業(yè)的研究還鮮見報道，難以滿足果樹產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的迫切需求。因此，本試驗采用小型六旋翼植保無人機(jī)在不同作業(yè)參數(shù)的條件下對橘樹進(jìn)行噴施作業(yè)來研究其霧滴沉積分布效果，以期準(zhǔn)確地找出對霧滴沉積分布情況的影響因素，為農(nóng)業(yè)航空技術(shù)在果樹產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)備

本次噴霧作業(yè)采用的是廣州天翔航空科技有限公司提供的TXA-翔農(nóng)六旋翼電動無人直升機(jī)，如圖1所示，其外形尺寸(長×寬×高)為2 400 mm× 600 mm× 300 mm，最大載藥量為16 L，作業(yè)速度范圍為2～6 m·s–1，作業(yè)高度范圍為0.5～3.0 m，有效噴幅寬度≥ 6 m；且此無人機(jī)機(jī)身裝有2種作業(yè)噴頭類型，015和020型噴頭，噴頭噴霧壓力均為1 MPa，其中，噴頭015和噴頭020的噴施流量分別為0.6和1.0 L·min–1。

圖1 無人機(jī)噴霧試驗現(xiàn)場Fig. 1 UAV spray test site

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)包括便攜式風(fēng)速風(fēng)向儀Kestrel 4500(美國NK公司)和試驗用數(shù)字溫濕度表LS-204(中山市朗信電子有限公司)。

霧滴收集處理設(shè)備包括夾子、回形針、橡膠手套、密封袋、標(biāo)簽紙等。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于廣東省肇慶市懷集縣冷坑鎮(zhèn)將軍嶺砂糖橘種植基地進(jìn)行，試驗作物橘樹平均株高2～3 m。1.2.1 采樣點(diǎn)布置 飛行器沿作物行飛行，每組試驗選擇1棵果樹進(jìn)行采樣。根據(jù)果樹冠層形狀和枝葉疏密程度確定采樣點(diǎn)個數(shù)和位置，在豎直z方向?qū)涔趯臃譃樯?、中、?層。以靠近施藥機(jī)具前進(jìn)方向一側(cè)最左端的采樣點(diǎn)作為起始采樣點(diǎn)，以順時針方向在橘樹冠層布置8個采樣點(diǎn)，最上層的8個采樣點(diǎn)作為a層，并以同樣的分別方式布置b、c 2層的8個采樣點(diǎn)。在樹冠中間布置最頂端、上、中、下4個采樣點(diǎn)。每棵樹共采集9列，28個采樣點(diǎn)。每個采樣點(diǎn)用回形針將霧滴采集卡卡在樹葉上，用于收集葉片表面霧滴沉積量和覆蓋率。采樣點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 采樣點(diǎn)布置示意圖Fig. 2 Schematic diagram of sample point

采集卡編號規(guī)則如下：1-O：第1棵樹的樹冠頂層外葉；1-M-1；1-M-2；1-M-3：依次表示第1棵樹中列上層、中層、下層采樣點(diǎn)；1-a-1；1-a-2；…；1-a-8：順時針依次表示第1棵樹上層8個采樣點(diǎn)；1-b-1；1-b-2；…；1-b-8：順時針依次表示第1棵樹中層8個采樣點(diǎn)；1-c-1；1-c-2；…；1-c-8：順時針依次表示第1棵樹下層8個采樣點(diǎn)；第2株、3株……樹的編號方式依次類推。

1.2.2 作業(yè)方式 通過設(shè)計1因素2水平和2因素3水平正交試驗，考察飛行器噴頭流量、飛行高度和作業(yè)速度對霧滴沉積的影響。試驗因素、水平如表2所示。

由于因素A只有2個水平，為滿足正交試驗設(shè)計要求，因此，本文通過擬水平法設(shè)計正交試驗方案，即以因素A中的第2水平代替第3水平進(jìn)行正交試驗，如表3所示。

表2 試驗因素與水平Tab. 2 Test factors and levels

表3 正交試驗方案Tab. 3 Orthogonal design

1.3 數(shù)據(jù)采集與處理

每次試驗完成，待采集卡上的霧滴干燥后，按照序號收集霧滴采集卡，并逐一放入相對應(yīng)的密封袋中，帶回實驗室進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

將收集的霧滴采集卡逐一用HP Scanjet 200掃描儀(惠普公司)掃描，掃描后的圖像通過圖像處理軟件Deposit Scan(V1.2)進(jìn)行處理分析，根據(jù)文獻(xiàn)[18]的方法，得出在不同的航空噴施作業(yè)參數(shù)下的霧滴覆蓋率、覆蓋密度及單位面積上的沉積量。

為表征試驗中各采集點(diǎn)之間的霧滴沉積均勻性和沉積穿透性[19]，本研究以飛機(jī)有效噴幅區(qū)內(nèi)每層不同采集點(diǎn)上霧滴沉積密度的變異系數(shù)(CV)來衡量3組試驗中霧滴的沉積均勻性，以飛機(jī)有效噴幅區(qū)內(nèi)每個采集點(diǎn)上層、中層、下層霧滴沉積量的CV來衡量霧滴沉積穿透性；其中，變異系數(shù)值越小表示霧滴沉積越均勻，穿透性越好。

2 結(jié)果與分析

2.1 霧滴沉積密度

表4為果樹施藥的霧滴沉積密度試驗結(jié)果，從霧滴沉積密度角度可以看出，噴頭流量為1.0 L·min–1、作業(yè)高度為2.5 m、作業(yè)速度為4 m·s–1時霧滴在果樹上、中、下3層的平均霧滴沉積密度分別為196.11、114.76、73.60個·cm–2，均基本優(yōu)于其他試驗組號，因此，試驗號9為較佳的作業(yè)方式。

另外，從霧滴沉積密度試驗結(jié)果直觀來看，當(dāng)作業(yè)速度為2 m·s–1或作業(yè)高度為1.5 m時，霧滴沉積密度值均較小，且當(dāng)作業(yè)速度為2 m·s–1和作業(yè)高度為1.5 m時，霧滴沉積密度值達(dá)到最小。這說明無人機(jī)的飛行速度和飛行高度影響著噴施作業(yè)過程中的霧滴沉積分布，當(dāng)飛行速度較慢和飛行高度較低時，無人機(jī)下方的旋翼風(fēng)場過強(qiáng)，果樹樹枝和樹葉會沿著風(fēng)場中心向四周倒伏，不能較好地收集到沉積的霧滴。

表4 霧滴沉積分布試驗結(jié)果Tab. 4 Test results of droplet deposition distrubition

表5為霧滴覆蓋密度的極差分析結(jié)果，由表5可以看出，影響霧滴在果樹冠層的沉積密度的因素較優(yōu)水平結(jié)果一致，且較優(yōu)的作業(yè)水平為A3B3C2的試驗號9，即噴頭流量為1.0 L·min–1、作業(yè)高度為2.5 m、作業(yè)速度為4 m·s–1，與表4中霧滴覆蓋密度試驗結(jié)果的初步分析相一致；且根據(jù)極差值可知，這3種因素影響霧滴沉積密度的主次順序依次為作業(yè)速度、作業(yè)高度、噴頭流量。

表5 霧滴沉積密度極差分析Tab. 5 Range analysis of droplet deposition density

2.2 霧滴沉積均勻性

表6為霧滴沉積密度變異系數(shù)的極差分析結(jié)果，可以表示霧滴沉積密度的均勻性。由表4可以看出，較優(yōu)的作業(yè)水平為A2B3C2的試驗號9，即噴頭流量為1.0 L·min–1、作業(yè)高度為2.5 m、作業(yè)速度為4 m·s–1，其霧滴在果樹上層、中層、下層的沉積均勻性分別為45.58%、68.65%、51.13%；且根據(jù)極差值的大小(表6)可以知道，這3種因素在不同果樹的高度上影響霧滴均勻性的主次順序不一致，其中，上層的主次順序依次為噴頭流量、作業(yè)速度、作業(yè)高度；中層的主次順序依次為作業(yè)速度、作業(yè)高度、噴頭流量；下層的主次順序依次為作業(yè)高度、噴頭流量、作業(yè)速度。

3種因素在不同果樹冠層上影響霧滴均勻性的主次順序出現(xiàn)不一致可能是試驗誤差所導(dǎo)致的，由分析及實際作業(yè)結(jié)果我們可以得知，影響霧滴沉積均勻性的主次順序依次為作業(yè)速度、作業(yè)高度、噴頭流量；且當(dāng)作業(yè)速度為2 m·s–1或作業(yè)高度為1.5 m時，霧滴在果樹每層的沉積均勻性均非常差。這很好的從霧滴沉積均勻性角度論證了無人機(jī)的作業(yè)速度和作業(yè)高度均影響著噴施作業(yè)過程中霧滴的沉積分布，當(dāng)作業(yè)速度較慢和作業(yè)高度較低時，無人機(jī)下方的旋翼風(fēng)場過強(qiáng)，使其霧滴沉積在果樹冠層的均勻性較差。

表6 霧滴沉積均勻性極差分析Tab. 6 Range analysis of droplet deposition uniformity

2.3 霧滴沉積穿透性

表7為霧滴沉積密度穿透性極差分析結(jié)果，綜合霧滴沉積密度數(shù)值大小及變異系數(shù)可以看出，噴頭流量為0.6 L·min–1、作業(yè)高度為2.0 m、作業(yè)速度為4 m·s–1的試驗號2和噴頭流量為1.0 L·min–1、作業(yè)高度為2.0 m、作業(yè)速度為1 m·s–1的試驗號8中霧滴沉積穿透性分別為22.21%和22.41%，其霧滴覆蓋密度大且穿透性較好，均可視為較佳的作業(yè)方式。另外，由極差大小可以看出，影響霧滴覆蓋密度穿透性大小的因素主次順序為作業(yè)高度、作業(yè)速度、噴頭流量。

表7 霧滴沉積穿透性極差分析Tab. 7 Range analysis of droplet deposition penetrability

試驗號2和8的作業(yè)高度均為2.0 m時，霧滴穿透性較佳；由分析可以知道，當(dāng)作業(yè)高度過低時，無人機(jī)旋翼下方風(fēng)場過強(qiáng)，造成果樹上層樹枝向周圍擺動傾斜，影響霧滴在果樹上層的沉積；當(dāng)作業(yè)高度過高時，無人機(jī)旋翼下方風(fēng)場減弱，使霧滴難以到達(dá)果樹下層；這與霧滴沉積結(jié)果相一致。

3 討論與結(jié)論

本研究根據(jù)霧滴沉積密度和霧滴沉積均勻性結(jié)果，得出較佳的作業(yè)水平為試驗號9，即噴頭流量為1.0 L·min–1、作業(yè)高度2.5 m、作業(yè)速度4 m·s–1，根據(jù)極差值可知，影響霧滴沉積密度和沉積均勻性的主次順序依次為作業(yè)速度、作業(yè)高度、噴頭流量；根據(jù)霧滴沉積穿透性結(jié)果，作業(yè)高度均為2.0 m的試驗號2和試驗號8中霧滴沉積穿透性分別22.21%和22.41%，其霧滴沉積密度大且穿透性較好；影響霧滴沉積穿透性的因素主次順序為作業(yè)高度、作業(yè)速度、噴頭流量。由于植保無人機(jī)旋翼風(fēng)場的影響和不同種類果樹獨(dú)特的樹形結(jié)構(gòu)，應(yīng)對植保無人機(jī)的作業(yè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，來保證航空噴施作業(yè)霧滴在果樹冠層的有效沉積分布。

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，農(nóng)用無人機(jī)正在成為規(guī)?；r(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地高效省工、節(jié)本管理的重要平臺，其對農(nóng)場的高精度控制、大范圍快速噴灑作業(yè)，更是深受廣大農(nóng)場主的信賴[20]。本研究通過農(nóng)用無人機(jī)對果樹進(jìn)行噴施作業(yè)，所采用的材料為圓頭形橘樹，霧滴在植株冠層的沉積趨勢基本上是植株上層的霧滴沉積密度大于樹冠中、下層區(qū)域，即農(nóng)用無人機(jī)噴施沉積效應(yīng)自上而下逐漸減弱，這主要與果樹樹形的結(jié)構(gòu)狀態(tài)有關(guān)。但值得注意的是，在以上的9次試驗中，其中有若干次試驗的霧滴沉積效應(yīng)并非呈自上而下逐漸減弱的趨勢，相反地，在果樹植株冠層下層或中層的霧滴沉積密度高于上層的霧滴沉積密度；另外，霧滴在果樹冠層每一層上的沉積均勻性和穿透性均較差。我們分析認(rèn)為造成這一現(xiàn)象的主要原因是農(nóng)用無人機(jī)旋翼下方的風(fēng)場過強(qiáng)，造成果樹植株上部的樹枝向四周傾斜，大部分霧滴均隨著風(fēng)場到達(dá)果樹植株的中下部，冠層上層四周沉積的霧滴較少，且傾斜的樹枝會對霧滴在果樹葉片上的沉積造成影響，使其在倒伏方向葉片上的霧滴沉積量較少。

綜合上述分析，為改善農(nóng)用無人機(jī)在果樹噴施作業(yè)上的應(yīng)用，提升霧滴沉積質(zhì)量，應(yīng)從以下2個方面著手：首先，對農(nóng)用無人機(jī)的作業(yè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，不同作業(yè)參數(shù)下無人機(jī)的旋翼風(fēng)場強(qiáng)度不同，不同農(nóng)作物的傾斜程度不一樣，因此，適合不同農(nóng)作物的作業(yè)參數(shù)也會不一樣，包括作業(yè)高度、作業(yè)速度等，較優(yōu)的作業(yè)參數(shù)會提升霧滴在果樹冠層上的沉積質(zhì)量；其次，在果園試驗航空噴施作業(yè)的同時，還需考慮農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝技術(shù)的有效結(jié)合，例如對果樹植株進(jìn)行開心或籬壁形修剪，在增加植株的通風(fēng)透光、提高果實品質(zhì)的同時[21]，可使航空噴施的霧滴更易穿透樹冠，減少樹枝的過度傾斜，促使霧滴在植株冠層間各部位的均勻分布。

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【責(zé)任編輯 霍 歡】

Effects of spraying parameters of small plant protection UAV on droplets deposition distribution in citrus canopy

CHEN Shengde1, LAN Yubin1, ZHOU Zhiyan1, LIAO Juan1, ZHU Qiuyang2
(1 National Center for International Collaboration Research on Precision Agricultural Aviation Pesticides Spraying Technology/Engineering Research Center for Agricultural Aviation Application / International Laboratory of Agricultural Aviation Pesticide Spraying Technology/College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China; 2 Guangzhou Tianxiang Aviation Technology Co. Ltd., Guangzhou 511442, China)

【Objective】To explore droplet deposition distribution patterns from aerial spraying and the application prospect of small plant protection unmanned aerial vehicle (UAV) for fruit trees, and study the influence of spraying parameters of UAV on droplets deposition distribution in citrus canopy. 【Method】Spray test with six-rotor plant protection UAV was arranged by an orthogonal test of three factors (flight height, flight velocity, nozzle flow rate).【Result】Preferred spraying operation parameters for small plant protection UAV were 2.5 m flight height, 4.0 m·s–1flight speed and 1.0 L·min–1nozzle flow rate based on the test results of density and uniformity of deposited droplets. The factors that affected the density of deposited droplets were in order of flight velocity, flight height, and nozzleflow rate. Test No.2 with 2.0 flight height, 4 m·s–1flight speed, 0.6 L·min–1nozzle flow rate and No.8 with 2.0 m flight height, 1 m·s–1flight speed, 1.0 L·min–1nozzle flow rate resulted in relatively high density and penetrability of deposited droplets, and the penetrability of droplets were 22.21% and 22.41% respectively. The factors that affected the penetrability of deposited droplets were in order of flight height, flight velocity, and nozzle flow rate. 【Conclusion】Due to the influence of the wind field of UAV rotor and the unique structure of citrus, the operating parameters of plant protection UAV should be optimized to ensure effective deposition and distrubition of droplets in citrus canopy from aerial spraying. This research can provide reference and guidance for reasonable spraying using small UAV on fruit trees, for improving the spraying efficiency.

plant protection UAV; citrus; aerial spraying; droplet deposition; spraying parameter; orthogonal test

S25

A

1001-411X(2017)05-0097-06

陳盛德, 蘭玉彬, 周志艷, 等. 小型植保無人機(jī)噴霧參數(shù)對橘樹冠層霧滴沉積分布的影響[J]. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2017, 38(5): 97-102.

2017-01-04 優(yōu)先出版時間：2017-07-14

優(yōu)先出版網(wǎng)址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/44.1110.s.20170714.0859.034.html

陳盛德(1989—)，男，博士研究生，E-mail: 1163145190@qq.com； 通信作者： 蘭玉彬(1961—)，男，教授，博士，E-mail: ylan@scau.edu.cn

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃(2016YFD0200700)，廣東省自然科學(xué)基金(2015A030313420)