小型無人飛行噴霧機噴霧性能試驗研究與分析

連德旗，王世恒，徐銘辰，余泳昌

(1.南陽農業(yè)職業(yè)學院 農機系，河南 南陽 473000；2.南陽工業(yè)學校 機電工程系，河南 南陽 473000;3.河南農業(yè)大學 機電工程系,鄭州 450002)

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小型無人飛行噴霧機噴霧性能試驗研究與分析

連德旗1，王世恒1，徐銘辰2，余泳昌3

(1.南陽農業(yè)職業(yè)學院 農機系，河南 南陽 473000；2.南陽工業(yè)學校 機電工程系，河南 南陽 473000;3.河南農業(yè)大學 機電工程系,鄭州 450002)

為解決大豆生長中后期的植保噴霧作業(yè)難度較大的問題，研制了一種小型無人飛行噴霧機。為了研究該噴霧機在大豆田噴霧作業(yè)的可靠性與穩(wěn)定性，試驗采用聚酯卡、熒光分光光度計、卡羅米特紙卡等對飛行噴霧機的噴霧沉積量、沉積密度及分布均勻性等參數(shù)進行取樣和分析，研究分析了小型無人噴霧機的飛行高度、速度等工作參數(shù)對噴霧沉積均勻性及濃度等的影響。結果表明：該噴霧機噴霧均勻，工作效率高，整體噴霧效果較好，不同作業(yè)高度和飛行速度時在大豆各冠層霧滴沉積效果和分布均勻性的變異系數(shù)不同。對試驗樣本進行數(shù)據(jù)分析并結合實際的噴灑效果得出：當飛行高度控制在植被上方1.5～2.0m、飛行速度控制在3～5m/s時，該小型無人飛行噴霧機噴施農藥效果較好。

小型無人飛行噴霧機；沉積密度；沉積均勻性；飛行高度與速度；大豆

0 引言

近年來，航空技術越來越廣泛地被運用于防治農作物、林木病蟲害等領域，航空噴霧技術正在逐漸代替地面機械和人工噴霧成為植物保護發(fā)展的新趨勢。相比地面機械噴霧，航空噴霧有更好的機動性和施藥效率[1-3]。經(jīng)測算每公頃可節(jié)省農藥約40%，噴霧均勻度相比人工噴霧可提高4～5倍，防治效果達到90% 以上；受地形的影響極小、作業(yè)速度快、成本低，而且由于使用藥量較少、霧滴小，可有效地減少農藥對人畜的侵害和環(huán)境污染[4-5]。因此，航空噴霧因地形地勢限制小、作業(yè)效率高，得到廣泛應用[6-7]。大豆作為重要經(jīng)濟作物，在生長過程中需要噴灑殺蟲、殺菌類藥劑，尤其是大豆生長到中后期，此時大豆株冠層已經(jīng)比較濃密，在大豆田中進行機械式或人工噴霧作業(yè)都較困難。所以，推廣航空噴霧技術在大豆田中的使用，對我國大豆產業(yè)的發(fā)展意義重大。結合我國大豆的種植模式種植面積，顯然更適合使用地形適應性和低空噴霧適應能力更強的小型航空噴霧機[8]。針對我國大豆生長噴灑農藥的需要，研制了一種小型無人飛行噴霧機—小型多旋翼無人飛行噴霧機(見圖1)用于解決大豆田噴霧難題。

圖1 小型多旋翼無人飛行噴霧機(八旋翼)

該無人飛行噴霧機的飛行平臺采用新型飛行工具—多旋翼飛行器。多旋翼飛行器以高性能聚合物鋰電池作為動力源，采用無刷電機驅動螺旋槳組成單組旋翼動力系統(tǒng)，以便各旋翼獨立控制?？刂乞寗硬糠钟蓱T導系統(tǒng)、飛控系統(tǒng)、GPS定位系統(tǒng)、電子羅盤、電子調速器及無線遙控系統(tǒng)等組成[9]。航空噴霧系統(tǒng)主要由供藥部件、噴射部件及控制部件等組成。藥液箱安裝在機身重心附近，噴桿可伸縮，噴桿上安裝4個扇形霧噴頭，噴幅一般為3m，噴射部件可以根據(jù)不同施藥作業(yè)要求更換不同型號的霧化裝置。整機尺寸小、質量輕、攜帶方便、飛行靈活、抗風能力強，具有失控保護，實現(xiàn)可控霧滴噴霧，適合各類農藥的使用，更節(jié)水省藥。該無人飛行噴霧能實現(xiàn)定點定高懸停，具備自主導航實現(xiàn)全自動飛行、自主懸停、半自動起降、定高巡航、圖像實時傳輸及姿態(tài)實時監(jiān)控等功能，還可以搭載精密儀器，使噴灑農藥等更加精準。為了研究該航空噴霧機在大豆田噴霧作業(yè)的可靠性與穩(wěn)定性，為航空植保的農藥使用技術及其設備的研究提供理論依據(jù)，并為大規(guī)模推廣應用提供依據(jù)，本次試驗研究了該小型無人飛行噴霧機在大豆田中的噴霧性能。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及設備

試驗機型采用8旋翼無人飛行噴霧機，配備遙控指揮器。該噴霧機每次的連續(xù)作業(yè)時間小于15min、作業(yè)高度1～10m，噴霧效率可達到666.67～1 333.33m2/min，噴霧的作業(yè)高度、速度可以根據(jù)作業(yè)要求控制；搭載藥箱為5 L，噴幅為3m。同時，還要準備可溶性熒光示蹤劑染料Rhodamine-B、聚酯卡、羅米特紙卡、霧滴收集器、過濾紙、一次性手套、自封袋、數(shù)字溫濕度表、用風速測量儀、熒光分光光度計等試驗藥劑、指示劑和設備。

1.2 試驗方法

本試驗在河南省南陽市臥龍區(qū)潦河鎮(zhèn)大豆田進行，試驗時大豆生長情況，如圖2所示。作物生育期為開花期，平均株高35.6cm。試驗時，選取50m ×60m 的地塊作為一個試驗作業(yè)小區(qū)，并在每個處理小區(qū)周邊均留約15m 的緩沖隔離帶，以避免飄失造成的試驗誤差。試驗過程中，需要使用數(shù)字溫濕度表和風速測量儀定時測量并記錄在試驗時間段內的環(huán)境參數(shù)。

試驗時，首先選定其中一個試驗區(qū)，利用多旋翼飛行器的定高、定速噴霧功能，對飛行噴霧機的噴霧沉積面積、覆蓋率、沉積密度、分布均勻性等參數(shù)進行取樣和分析。采用含染料Rhodamine-B的溶液(質量分數(shù)為0.1%)作為示蹤劑代替農藥對大豆田進行噴霧，用聚酯卡采集霧滴，用熒光分光光度計測定霧滴在大豆植株各層的霧滴沉積量，用卡羅米特紙卡檢驗霧滴密度。為方便研究將大豆植株分為上中下3層，每層分為內膛和外膛，每株大豆6個樣點；在大豆田中均布取樣點，隔20m重復取樣3次，每個樣點在正面放置一張卡羅米特紙卡來檢測霧滴密度，地面放濾紙和卡羅米特紙用于測量地面霧滴沉積量和霧滴密度。每個樣點采集一片大豆葉子，用于藥劑沉積量測定。每個試驗區(qū)域噴霧完成后，需要等聚酯卡上的霧滴晾干后再將收集的大豆葉片和濾紙等放置于自封袋內并做好標記，置于陰涼處帶回實驗室進行分析。再將每一個樣品用定量的去離子水洗脫聚酯卡上Rhodamine-B，用熒光分光光度計(F95)測定每份洗脫液的熒光值，根據(jù)R--B 標樣的“濃度-熒光值”標準曲線可計算出洗脫液中Rhodamine-B的沉積量[10]。即可實現(xiàn)精確測定示蹤劑在地面和大豆株冠層不同部位單位面積上的的沉積量(μg/cm2)。

圖2 試驗田大豆生長情況

2 結果與分析

2.1 霧滴在大豆植株冠層的沉積量分布情況

霧滴沉積的狀態(tài)參數(shù)有霧滴沉積量、沉積密度和霧滴分布均勻性等。測定噴霧霧滴在大豆參數(shù)植株冠層不同部位的沉積分布，即測定大豆植株冠層的垂直方向各部位的霧滴沉積分布。霧滴沉積量指在單位面積上霧滴沉積的質量[11]，計算公式為

(1)

式中 βdep— 霧滴沉積量(μg/cm2)；

ρsmpl—樣本采樣器的熒光計讀數(shù)；

ρblk—采樣器+稀釋水的熒光計讀數(shù)；

Fcal—校準系數(shù)(等于回收率的到數(shù))(μg/L)；

Vdii— 溶解來自采樣器的示蹤劑的稀釋液(去離子水)的量(L)；

ρspray—噴霧液中的示蹤劑的濃度(g/L)；

Acol—聚酯卡的面積(cm)。

測定結果(見表1)顯示：霧滴在大豆冠層平均沉積量分布排序為：上層>中層外膛>下層內膛>中層內膛>下層外膛>冠下地面。從表1中數(shù)據(jù)可以看出：不同取樣位置的霧滴沉積分布量并不是從上到下呈逐漸遞減趨勢。從數(shù)據(jù)上看中層內膛位置的沉積量反而比下層內膛位置的沉積量要低，霧滴沉積量的最高值在上層位置出現(xiàn)。這說明小型多旋翼無人飛行噴霧機在低量噴灑時，形成的小霧滴具有水平方向分速度大，彌漫性能好的特點，螺旋槳產生的下旋氣流能很好地使霧滴具有穿透性[11]。

表1 小型多旋翼無人飛行噴霧機在大豆植株不同部位的沉積量分布

2.2 霧滴在大豆植株冠層的沉積密度

農藥在作物上的沉積密度將直接影響藥物的發(fā)揮，通過卡羅米特紙卡檢驗該小型無人飛行噴霧機在大豆株層不同部位的霧滴密度的結果如表2所示。由表2可以看出：上層霧滴沉積密度最大，平均霧滴量達到48.7個/cm2；中層和下層的霧滴沉積密度分別為22.71、23.72 個/cm2，中層和下層霧滴密度相近，都低于上層霧滴密度。但是，在大豆中層和下層的霧滴占總霧滴的比例要大于上層霧滴數(shù)。

表2 小型多旋翼無人飛行噴霧機在大豆植株不同部位的沉積密度

2.3 霧滴分布均勻性

噴霧的沉積量和漂移與現(xiàn)場的風速、濕度和溫度有關[12]。為了表征各組試驗各采樣點沉積濃度均勻性，本文采用變異系數(shù)V表示各組試驗沉積濃度分布的均勻性[13]，試驗測定結果如表3所示。

表3 小型多旋翼無人飛行噴霧機噴霧均勻性

作業(yè)高度控制在1.0～2.0m，作業(yè)速度控制在1～3m/s 。當時的環(huán)境參數(shù)：平均風速1.6m/s、平均溫度28.7℃、平均相對濕度46.%。

由表3可以看出：噴霧霧滴在大豆田的沉積分布比較均勻，沉積量變異系數(shù)為9.2%～19.47%，變異系數(shù)較小，說明沉積分布比較均勻。變異系數(shù)V為

(2)

(3)

式中S—同組試驗采集樣本標準差；

Xi—各采樣點沉積濃度(μg/cm2)；

n—各組試驗采樣點個數(shù)。

2.4 小型多旋翼無人飛行噴霧機在不同作業(yè)參數(shù)下的霧滴分布情況

探討小型多旋翼無人飛行噴霧機的飛行高度和飛行速度對霧滴沉積濃度和沉積均勻性的影響時，將該噴霧機的飛行高度取值區(qū)間設為0.5～2.5m，飛行速度取值區(qū)間為1～7m/s。試驗時，采用聚酯片代替植物葉片進行噴灑試驗，這樣雖會有一定的誤差，但霧滴在聚酯片上的分布能夠近似說明不同高度植物葉片之間的相互影響[13-14]。每個試驗單元取6株大豆的葉片。圖3、圖4是小型多旋翼無人飛行噴霧機在不同的作業(yè)高度和速度下噴灑的試驗結果。由圖3、圖4可以看出：在不同的飛行作業(yè)參數(shù)時產生的霧滴在大豆植株上的沉積密度和均勻性情況有明顯的不同。

作業(yè)高度在0.5～1.0m時環(huán)境參數(shù)：平均風速1.1m/s、平均溫度28.6℃、相對濕度41.3%；作業(yè)高度在1.0～1.5m時環(huán)境參數(shù)：平均風速1.5m/s、平均溫度30.5℃、相對濕度45.4%；作業(yè)高度在1.5～2.0m時環(huán)境參數(shù)：平均風速1.9m/s、平均溫度31℃、平均相對濕度50.1%。

圖3 不同飛行高度下的霧滴沉積密度、霧滴分布均勻性對比

Fig.3 Under different flight height of droplet deposition density, droplet distribution uniformity comparison

作業(yè)高度控制在1.0～2.0m，當時環(huán)境參數(shù)：平均風速1.7m/s、平均溫度29.1℃、平均相對濕度48.5%。

3 結論

田間性能試驗表明：該噴霧機噴霧均勻，工作效率高，整體噴霧效果較好。通過改變小型飛行器的工作參數(shù)，研究了該飛行噴霧機在不同作業(yè)參數(shù)下的霧滴分布情況，不同作業(yè)高度和飛行速度時大豆各冠層霧滴沉積效果不同。當作業(yè)高度控制在1.5～2.0m、飛行速度控制在3～5m/s時，該小型無人飛行噴霧機噴施農藥效果較好，霧滴在大豆植株上的沉積量相對較多，分布均勻性也較好。這是由于當作業(yè)高度降低時，大部分霧滴都落在靶標的下部，并且由于氣流的影響，霧滴可穿透冠層沉積到地面，從而影響整體的霧滴沉積量；而作業(yè)高度越高，霧滴在降落過程中易受自然風速、風向和溫度的影響，易造成霧滴的飄失，因而使霧滴沉積量減少，分布均勻性降低。對試驗樣本進行數(shù)據(jù)分析并結合實際的噴灑效果表明：該小型多旋翼無人飛行噴霧機在大豆田中的工作性能比較穩(wěn)定，操作簡便，噴霧效率較高，噴霧較均勻，值得推廣。

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Experimental Study and Analysis on Spray Characteristics of Small Scale Unmanned Aerial Spraying in Soybean Field

Lian Deqi1, Wang Shiheng1, Xu Mingchen2, Yu Yongchang3

(1.Department of Agricultural Mechanization，Nanyang Vocational College，Nanyang 473000,China; 2.Nanyang Technical School Mechanical and Electrical Engineering, Nanyang 473000,China;3. Mechanical and Electrical Engineering College,Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China)

Because of the difficulty of spray operation in the middle and late stage of soybean growth, we have developed a kind of mini unmanned aerial sprayer. The soybean canopy was divided into three layers,the test by containing dye Rhodamine-B solution as a tracer instead of pesticide spray in soybean field and polyester card collecting droplet. With fluorospectro photometer in soybean plants of each layer of droplet deposition, Carlo Miter card test droplet density.Sampling and analysis of spray deposition area,coverage, deposition density and distribution uniformity. In order to study the reliability and stability of the spray machine for the spray operation in soybean field.And The influence of the flying height and velocity of the small unmanned aerial sprayer on the uniformity and the concentration of the spray deposition was studied.The results show that the sprayer spray evenly, high work efficiency, the overall effect of spray is good; when operating altitude and flight speed and the soybean canopy of droplet deposition effect and uniform distribution of coefficient of variation of different.Combined with the actual effect of the spray and the samples for data analysis, concluded that when the flying height control in 1.5-2.0m, flight speed control in the 3-5m/s, the small unmanned aerial sprayer spraying pesticide effect better.

small unmanned aerial sprayer； deposition density； deposition uniformity； flying height and speed； soybean

2016-04-06

公益性行業(yè)(農業(yè))科研專項(201303011-4)

連德旗(1963-)，男，河南南陽人，高級講師,(E-mail)825653126@qq.com。

余泳昌(1955-)，男，河南杞縣人，教授，博士生導師，(E-mail)hnyych@163.com。

S251

A

1003-188X(2017)05-0197-05