植保無人機飛行參數(shù)對施藥霧滴沉積分布特性的影響

王昌陵，宋堅利，何雄奎※，王志翀，王士林，蒙艷華

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植保無人機飛行參數(shù)對施藥霧滴沉積分布特性的影響

王昌陵1，宋堅利1，何雄奎1※，王志翀1，王士林1，蒙艷華2

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，北京 100193；2. 安陽全豐航空植保科技有限公司，安陽 455001）

為探究植保無人機噴霧田間霧滴沉積分布特性和飛行參數(shù)及參數(shù)精準度對沉積分布影響，該文采用高精度北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)獲取無人機精準飛行參數(shù)，以檸檬黃示蹤劑水溶液代替農(nóng)藥對4種典型國產(chǎn)植保無人機進行了小麥田間噴霧試驗，并將其中2種單旋翼無人機的飛行參數(shù)與其變異系數(shù)、均方根誤差相結(jié)合，對霧滴沉積分布特性的影響因素進行了研究。結(jié)果表明：4種無人機施藥在航線兩端區(qū)域內(nèi)沉積量變化劇烈，航線中間區(qū)域沉積量較穩(wěn)定；影響橫向霧滴沉積分布主要因素是無人機相鄰噴頭或噴幅間的霧滴重合度；對于單旋翼無人機，在高度1.1～1.2 m、速度4.2～4.9 m/s的范圍內(nèi)，沉積量與速度均方根誤差呈極顯著線性正相關(guān)關(guān)系（<0.01，=0.952），縱向沉積量變異系數(shù)與速度變異系數(shù)呈極顯著線性正相關(guān)關(guān)系（<0.01，=0.963），總體沉積量變異系數(shù)與高度呈顯著線性負相關(guān)關(guān)系（<0.01，=–0.888）；使用速度均方根誤差、速度變異系數(shù)和高度這3個飛行參數(shù)和參數(shù)精準度指標來分析和預(yù)測霧滴沉積量和分布均勻性的方法合理、有效、可行。根據(jù)試驗結(jié)果，該文給出了相關(guān)合理建議以改善植保無人機施藥效果，研究結(jié)果可為植保無人機田間噴霧作業(yè)參數(shù)確定、作業(yè)條件的選擇和田間作業(yè)規(guī)范的制定提供參考。

無人機；農(nóng)藥；噴霧；霧滴；飛行參數(shù)；沉積；分布均勻性

0 引 言

當前，中國等世界很多國家都面臨著人口老齡化和人口縮減的嚴峻形勢，農(nóng)業(yè)勞動力短缺的趨勢在不久的將來會愈發(fā)明顯[1]。為了保障中國農(nóng)業(yè)的穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展，加快實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械化已經(jīng)成為中國國家層面的一項發(fā)展戰(zhàn)略[2-3]。無人機（unmanned aerial vehicle，UAV）航空施藥技術(shù)的出現(xiàn)和蓬勃發(fā)展正切合當前中國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展要求，植保無人機航空施藥作業(yè)效率高，突擊能力強；田間地頭即可起降，機動靈活，不受地形和作物長勢的限制，適用于水田、丘陵、山地等地面機械難以下田作業(yè)的情況；采用低量或超低量噴霧，可降低農(nóng)藥使用量[4-10]。

但是，在植保無人機產(chǎn)業(yè)近年來快速發(fā)展并呈現(xiàn)井噴趨勢的同時，一些廠家和飛防服務(wù)組織為了片面追求利益和效率，在作業(yè)過程中采用不合理的飛行參數(shù)，距作物冠層飛行高度大于5 m、飛行速度大于6 m/s的情況時有發(fā)生，這不僅會造成作業(yè)區(qū)施藥效果差、病蟲害不能得到有效控制，還會在非靶標區(qū)域產(chǎn)生作物藥害和環(huán)境污染，大大降低農(nóng)藥利用率[11-14]。因此，植保無人機施藥作業(yè)的合理飛行參數(shù)的選擇和標準作業(yè)規(guī)范的制定對整個行業(yè)的發(fā)展都至關(guān)重要。

一段時間以來，研究人員已經(jīng)利用多種方法對無人機飛行參數(shù)（速度、高度）與噴霧質(zhì)量、沉積分布和施藥效果的關(guān)系進行了探索。邱白晶等[15]采用二因素三水平試驗方法探究了無人直升機噴霧沉積濃度、均勻性與飛行高度、速度及兩因素間的交互作用的關(guān)系。秦維彩等[16-17]在玉米生長后期利用N-3型無人機研究了噴灑參數(shù)對玉米冠層霧滴沉積分布的影響。王昌陵等[18-19]提出了一種植保無人機施藥霧滴空間質(zhì)量平衡測試法，基于該方法研究了3WQF80-10型無人機在不同飛行方式、高度和側(cè)風(fēng)速條件下的霧滴空間沉積分布特性和下旋氣流場性質(zhì)。Zhang等[20]研究了在不同柑橘樹形和不同飛行高度下3W-LWS-Q60S型4旋翼無人機在柑橘樹體冠層的霧滴沉積效果。陳盛德等[21-22]研究了HY-B-10L 型無人機不同噴霧作業(yè)參數(shù)對水稻冠層的霧滴沉積分布的影響。Wang等[23]對4種植保無人機的作業(yè)效率和沉積分布均勻性進行了測試與評價。但在這些研究中，反映高度和速度參數(shù)的指標往往僅有速度和高度的平均值，噴霧作業(yè)中無人機飛行參數(shù)是否準確及其變化情況對霧滴沉積分布特性的研究尚未見報道。在植保無人機作業(yè)過程中，飛行參數(shù)并不是一直保持不變的，要想全面衡量一個作業(yè)過程中的飛行參數(shù)，必須考慮到整體飛行過程中該參數(shù)的變化特點，變異系數(shù)可用于表征參數(shù)分布均勻性進而反映飛行穩(wěn)定性，均方根誤差可表達實測參數(shù)與設(shè)定參數(shù)的差距大小，再結(jié)合參數(shù)的平均值，才能全面反映飛行過程中參數(shù)的大小、離散程度和與準確性。

本文對4種典型國產(chǎn)植保無人機進行了小麥田間噴霧試驗，首次將無人機飛行參數(shù)平均值與精準度（變異系數(shù)、均方根誤差）相結(jié)合，針對飛行參數(shù)對霧滴沉積分布特性的影響進行了研究，以期為植保無人機田間噴霧作業(yè)參數(shù)確定、作業(yè)條件的選擇和田間作業(yè)規(guī)范的制定提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

試驗裝置主要為參試植保無人機，北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)，取樣、分析裝置以及環(huán)境監(jiān)測裝置。

1.1.1 參試植保無人機

參與試驗無人機有4種，均為當前國內(nèi)具有代表性的植保無人機機型，分別為：安陽全豐航空植?？萍加邢薰旧a(chǎn)的3WQF120-12型油動單旋翼無人機和3WQFTX-10型電動多旋翼無人機、無錫漢和航空技術(shù)有限公司生產(chǎn)的水星一號型電動單旋翼無人機以及新鄉(xiāng)市昌杰農(nóng)業(yè)機械有限公司出產(chǎn)的3WCJ8-10型電動多旋翼無人機，表1為4種無人機的主要技術(shù)參數(shù)。

表1 參試無人機主要技術(shù)參數(shù)

注：四點式指4個噴頭分別放置于無人機4個旋翼下方、噴頭連線呈矩形的噴頭分布方式。

Note: Tetrapod means that 4 nozzles are respectively set below 4 rotors of the UAV and the 4 nozzles form a rectangle.

1.1.2 北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)

為測得厘米級精度的無人機飛行參數(shù)，試驗中使用高精度差分北斗全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)記錄無人機飛行速度、高度和軌跡。該系統(tǒng)分為基準站和移動站2個部分：基準站包括T300型接收機、無線4G數(shù)據(jù)傳輸模塊（上海司南衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司），用于接收衛(wèi)星差分定位數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器；移動站由M1型北斗伴侶和北斗增強高精度智能手機（北京東方聯(lián)星科技有限公司）組成，安裝在待測無人機上，北斗伴侶通過4G信號從云服務(wù)器中下載差分數(shù)據(jù)，并將定位報文傳輸?shù)脚c它通過藍牙相連的北斗增強高精度智能手機上，無人機飛行過程中的時間、地理坐標、海拔高度、飛行速度等實時數(shù)據(jù)可保存在手機中，飛行結(jié)束后可將手機中保存的無人機飛行過程中定位報文數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦進行分析?；鶞收窘邮諜C水平靜態(tài)測量精度為±(2.5+0.5′10–6) mm，垂直靜態(tài)測量精度為±(5+0.5′10–6) mm，指以基準站為中心的方圓直徑；實時動態(tài)RTK（real-time kinematic，載波相位差分技術(shù)）水平定位精度為±(8+1′10–6) mm，實時動態(tài)RTK垂直定位精度為±(15+1′10–6) mm；定位報文傳輸頻率為1 Hz。

1.1.3 取樣、分析及環(huán)境監(jiān)測裝置

取樣裝置包括霧滴收集器、雙頭夾和聚氟乙烯塑料取樣桿，霧滴收集器采用7 cm化學(xué)分析濾紙（杭州特種紙業(yè)有限公司），通過雙頭夾固定在聚氟乙烯塑料取樣桿上。使用電子天平和2 L塑料量杯配置質(zhì)量分數(shù)為0.5%的檸檬黃食用色素（上海染料研究所有限公司）水溶液作為噴霧液，測試后將霧滴收集器的熒光示蹤劑洗脫液經(jīng)722型紫外可見分光光度計（上海儀電分析儀器有限公司）檢測其吸光值。試驗中風(fēng)速、風(fēng)向、溫度和濕度等環(huán)境氣象數(shù)據(jù)通過Zeno-3200型農(nóng)業(yè)/森林自動氣象站（美國原生態(tài)有限公司）獲取，該氣象站的采樣頻率為1 Hz。

1.2 試驗方法

試驗于2017年4月中下旬小麥生長旺期在河南省新鄉(xiāng)縣七里營鎮(zhèn)中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保所綜合試驗基地進行。試驗區(qū)域為100 m′50 m的小麥地塊，株高65～70 cm，行距20 cm，株密度約為30株/m2，試驗前用彩旗區(qū)分出小區(qū)邊界頂點。田間試驗裝置布置情況如圖1a所示，縱向霧滴收集帶沿航線方向布點，布置于小麥植株冠層頂部距地面約70 cm處，每行15個點分布在一條直線上。為更準確地分析無人機在加減速過程中的霧滴沉積分布情況，采用兩側(cè)密、中間疏的非等距布點方式，將“1～15”號取樣裝置到測試小區(qū)無人機起降處邊界的距離分別設(shè)為1、2、4、7、11、16、33、50、67、84、89、93、96、99 m，設(shè)置3次重復(fù)，行間距12.5 m，共45個測試點；橫向霧滴收集帶垂直于航線方向，布置于冠層頂部距地面約70 cm處，取樣裝置間距1 m，每行11個點，行間距5 m，從無人機起降處邊界的左側(cè)開始編號為“1～11”號，試驗設(shè)置3次重復(fù)，共33個測試點。

圖1 小麥田間噴霧測試

測試前，各型無人機按照施藥液量12 L/hm2、飛行速度5 m/s、距小麥冠層頂部飛行高度2 m的施藥參數(shù)，按表1中噴灑流量調(diào)整并校準噴頭流量，測試中噴頭流量和壓力固定不變，隨后進行熟悉試驗區(qū)域、設(shè)定飛行參數(shù)等飛行前的準備工作。將北斗定位系統(tǒng)移動站固定在無人機上，用于獲取無人機飛行參數(shù)。配置質(zhì)量分數(shù)為0.5%的檸檬黃水溶液作為噴霧液，注入無人機藥箱。測試開始后，操控手遙控?zé)o人機起飛，調(diào)整到預(yù)定飛行高度，從起降處邊界進入測試區(qū)域，按照各自在2 m飛行高度下的噴幅進行噴霧作業(yè)，飛行結(jié)束后立即關(guān)閉噴灑系統(tǒng)回到起始點待命（圖1b）。

每組測試完畢后，試驗人員戴乳膠手套收集各布樣點的濾紙，按照“測試組—布樣方向—重復(fù)號—編號”編號后，裝在自封袋中密封帶回實驗室進行定量分析。分析時，加入10 mL去離子水洗脫示蹤劑，使用722型分光光度計在430 nm吸收波長處測量洗脫液吸光度，由式（1）、（2）計算出單位面積霧滴沉積量和沉積分布均勻性變異系數(shù)。另外，將北斗增強高精度智能手機上的衛(wèi)星定位報文數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機，提取時間、經(jīng)緯度坐標、速度、高度等數(shù)據(jù)進行分析，得到各組測試中無人機的飛行參數(shù)和飛行參數(shù)精準度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 霧滴沉積量

按ISO 24253-1田間噴霧沉積測試標準[24]的規(guī)定，單位面積霧滴沉積量計算公式如式（1）所示。

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為洗脫液的吸光值；blk為空白采樣器的吸光值；spray為噴霧液中示蹤劑濃度，g/L；cal為吸光值與示蹤劑濃度的關(guān)系系數(shù)，g/L；col為霧滴收集器面積，cm2。

1.3.2 沉積量及飛行參數(shù)變異系數(shù)

變異系數(shù)（coefficient of variation，CV）為一組數(shù)據(jù)的標準差與平均數(shù)的比值，反映該組數(shù)據(jù)的離散程度。對于霧滴沉積量，可用于描述霧滴沉積分布均勻性[25]，數(shù)值越小說明霧滴分布均勻性越好；對于飛行參數(shù)（速度、高度），可用于表征飛行穩(wěn)定性，數(shù)值越小說明無人機在作業(yè)過程中越穩(wěn)定。變異系數(shù)計算公式為

式中CV為變異系數(shù)，%；為標準差；`為平均值；為樣本數(shù)目；X為第次測量值。

1.3.3 飛行參數(shù)均方根誤差

均方根誤差（root-mean-square error，RMSE）用來衡量觀測值同真值之間的偏差，可以表征飛行參數(shù)精準度，其值越小表明飛行參數(shù)距設(shè)定值越近、精準度越高。其計算公式為：

式中RMSE為均方根誤差；為真實值。

1.3.4 施藥液量

施藥液量（application rate）指每單位面積農(nóng)田上所噴施的農(nóng)藥藥液量[26]。其計算公式為

式中為施藥液量，L/hm2；為噴頭總流量，L/min；為噴幅，m；為行駛速度，m/s。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 無人機田間施藥霧滴沉積分布特性

為了分析參試無人機施藥時農(nóng)藥霧滴在小麥田間沉積分布特性，采用手動遙控的飛行模式對4種無人機各進行了按照本研究的實際田間生產(chǎn)噴霧試驗，飛行速度設(shè)為2.00 m/s，飛行高度設(shè)為距小麥冠層頂部2.00 m，各無人機噴灑流量如表1中所示，按照式（4）計算出的理論施藥液量為12 L/hm2（0.12L/cm2）。其中，4組測試的機型、實測飛行參數(shù)、霧滴沉積量、沉積量變異系數(shù)如表2所示。

表2 4種機型測試中飛行參數(shù)、霧滴沉積量及沉積量變異系數(shù)

注：試驗過程中環(huán)境參數(shù)：平均風(fēng)速1.1 m·s–1、平均溫度18.4 ℃、平均相對濕度56.5%。

Note: The environmental parameters during the test: Average crosswind velocity is 1.1 m·s–1, average temperature is 18.4 ℃, average relative humidity is 56.5%.

由表2可知，4種植保無人機施藥作業(yè)縱向、橫向和總體霧滴沉積量變異系數(shù)基本在30%～60%范圍內(nèi)，數(shù)值遠高于ISO 16122-2標準中對地面噴霧機具的沉積分布均勻性變異系數(shù)小于10%的要求[27]。3WQFTX-10型無人機由于飛行速度明顯慢于其余3種機型，導(dǎo)致其沉積量整體偏高，平均沉積量為理論施藥液量的140%左右。對于水星一號型單旋翼電動無人機，結(jié)合測試時的實際情況與飛行軌跡可以判斷該飛機未能完全覆蓋到距測試區(qū)域邊界1～10 m的區(qū)域內(nèi)，造成縱向測試帶兩端區(qū)域沉積量反而低于中間區(qū)域，使該組測試的平均沉積量明顯低于其他3種無人機。

噴灑霧滴在縱向、橫向霧滴收集器上的沉積分布如圖2所示。由圖2a可知，4次測試中沿平行于無人機飛行方向（縱向）測試點沉積量數(shù)值大小雖有不同，但變化趨勢卻是類似的，即在航線兩端區(qū)域（距測試區(qū)起降側(cè)邊界1～11 m和89～99 m范圍內(nèi)）的沉積量隨著距離的變化增減迅速（30%

圖2 4種無人機田間霧滴沉積分布

此外，在橫向不同位置也呈現(xiàn)出霧滴沉積量差異較大的現(xiàn)象，航線附近的沉積量大都高于0.12L/cm2，根據(jù)圖2b可以判斷出3WQF120-12型和水星一號型無人機相鄰噴幅分界線分別位于6號和7號測試點，這2處均遠小于噴幅內(nèi)側(cè)的沉積量（占理論施藥液量的65.9%和25.7%），分析主要原因是無人機橫向平移距離大于其有效噴幅，導(dǎo)致漏噴。通過測試C的橫向沉積則可以探究噴頭布置方式對沉積分布的影響，3、7、10號霧滴收集器的沉積量均比相鄰測試點明顯降低，說明該無人機間距為1.5 m的四點式布局在此飛行高度（1.67 m）下會造成兩側(cè)噴頭的霧滴重疊程度不足，作業(yè)中需保持一定的飛行高度。而對于同為四點式的3WQFTX-10型（噴頭間距0.93 m），則不存在同一噴幅內(nèi)的沉積量明顯波動的情況，都在0.15至0.20L/cm2范圍內(nèi)，4號和10號點2個較大的數(shù)據(jù)應(yīng)是來源于平移距離過近而產(chǎn)生的重噴。這2種多旋翼無人機噴頭分布方式類似，作業(yè)過程中飛行高度相近，僅在噴頭間距方面有所差異，但霧滴橫向沉積分布情況卻明顯不同，所以在飛行高度低于2.00 m時，四點式多旋翼無人機的噴頭間距需適當縮小以避免漏噴，前后2排噴頭并不能對霧滴重疊不足產(chǎn)生彌補作用。

因此，對于縱向霧滴沉積分布，影響因素應(yīng)主要是無人機飛行參數(shù)的大小及變化情況；對于橫向霧滴沉積分布，主要影響因素是無人機相鄰噴頭或噴幅間霧滴重合度，橫向平移距離與有效噴幅不符以及無人機自身噴霧系統(tǒng)配置不合理都會導(dǎo)致漏噴或重噴現(xiàn)象，降低沉積分布均勻性。

2.2 飛行參數(shù)及其精準度對霧滴沉積分布的影響顯著性和回歸分析

由以上測試結(jié)果及分析可知，植保無人機的飛行速度、高度等飛行參數(shù)與參數(shù)變化情況同霧滴在田間沉積量的多少和分布均勻性都息息相關(guān)。均方根誤差和變異系數(shù)分別是分析一組數(shù)據(jù)距離設(shè)定值差距大小和自身離散程度的參數(shù)，可以反映作業(yè)過程中飛行參數(shù)的變化情況與其飛行穩(wěn)定性。因此，在霧滴沉積分布均勻性分析中引入飛行參數(shù)精準度很有必要，飛行參數(shù)精準度結(jié)合飛行參數(shù)平均值，能全面考量飛行參數(shù)對霧滴沉積特性的影響。與多旋翼無人機旋翼下旋氣流場分布較復(fù)雜、紊亂不同，單旋翼無人機旋翼下旋氣流場分布相對簡單、明確，即氣流從旋翼處開始從上至下呈螺旋狀分布，使用單旋翼無人機進行這部分試驗可以盡量減少因旋翼氣流的變化而引起的霧滴分布不同；而2種參試單旋翼無人機在機身設(shè)計和噴頭布局上的差異均不大，且均采用扇形霧噴頭。因此，為了研究飛行參數(shù)及其精準度與霧滴沉積量和分布均勻性的關(guān)系，選取2種參試的單旋翼無人機3WQF120-12和水星一號，對A1、B1組測試各進行了2次重復(fù)，命名為A2、A3和B2、B3。提取這6次測試中北斗定位系統(tǒng)測得的實時速度和高度，計算出平均飛行速度、速度變異系數(shù)、速度均方根誤差、平均飛行高度、高度變異系數(shù)、高度均方根誤差，結(jié)果如表3所示。

表3 單旋翼無人機測試中飛行參數(shù)、飛行參數(shù)精準度、霧滴沉積量及沉積量變異系數(shù)

注：試驗過程中環(huán)境參數(shù)：平均風(fēng)速1.7 m·s–1、平均溫度24.6 ℃、平均相對濕度41.2%。

Note: The environmental parameters during the test: Average crosswind velocity is 1.7 m·s–1, average temperature is 24.6 ℃, average relative humidity is 41.2%.

將表3中各類試驗結(jié)果導(dǎo)入SPSS 20軟件進行方差分析可得田間霧滴沉積量及沉積量變異系數(shù)的方差分析結(jié)果（表4）。由表4中的各因素對霧滴沉積量及其變異系數(shù)的影響顯著性可知：飛行速度均方根誤差對平均沉積量有極顯著影響（0.003<0.01）；飛行速度變異系數(shù)對縱向沉積量變異系數(shù)有極顯著影響（0.002<0.01）；平均飛行高度對總體沉積量變異系數(shù)有顯著影響（0.018<0.05）；其他飛行參數(shù)及參數(shù)精準度對施藥霧滴沉積量和沉積分布均勻性均無明顯影響。

表4 霧滴沉積量及沉積量變異系數(shù)方差分析

Note: **:<0.01, *:<0.05.

分別對這3組有顯著相關(guān)關(guān)系的試驗指標進行回歸分析（表5）。結(jié)果表明，針對單旋翼無人機進行的6組施藥測試中，平均霧滴沉積量與飛行速度均方根誤差呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（=0.952）；縱向霧滴沉積量變異系數(shù)與飛行速度變異系數(shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（=0.963）；總體沉積量變異系數(shù)與平均飛行高度呈顯著負相關(guān)關(guān)系（=–0.888）。

2.3 飛行速度均方根誤差對霧滴沉積量的影響

本次試驗中所有測試飛行速度的設(shè)定值都是5.00 m/s，測試A和B的6組測試平均速度均小于設(shè)定速度，北斗定位系統(tǒng)測得的實時速度也普遍小于設(shè)定值。根據(jù)式（4），在噴幅變化不大、噴灑流量保持不變的情況下，施藥液量與速度成線性正相關(guān)，然而表3中的平均速度和平均沉積量的關(guān)系并不完全符合這個規(guī)律。觀察平均速度可以發(fā)現(xiàn)其數(shù)值相差不大，極差不過0.70 m/s，按照2種無人機噴幅和流量計算出的施藥液量變化僅有0.015L/cm2，實則高達0.044L/cm2，接近理論值的3倍。根據(jù)方差與回歸分析結(jié)果，速度的均方根誤差會顯著影響沉積量的大小，這時速度平均值就不能準確反映沉積量的變化規(guī)律，需要采用反映實際速度與設(shè)定速度的差異大小的速度均方根誤差來分析。因此，在飛行速度小于理論設(shè)定值情況下，實際霧滴沉積量會隨速度均方根誤差的增大而顯著提升，使施藥液量增大；據(jù)此可以推測，當飛行速度大于理論設(shè)定值時，霧滴沉積量會隨著速度均方根誤差的增大而降低。

表5 霧滴沉積量及沉積量變異系數(shù)與其顯著相關(guān)因素回歸分析結(jié)果

眾所周知，無人機在施藥過程中噴出的霧滴并不能全部沉積到靶標作物上，地面流失、粒徑較小霧滴下降過程中的蒸發(fā)、旋翼下旋氣流風(fēng)場與環(huán)境風(fēng)場共同裹挾下的霧滴飄失都會影響霧滴沉積，植保無人機采用的是低容量或超低量噴霧技術(shù)，試驗采用的扇形霧噴頭霧化出的霧滴粒徑較小，體積中徑在100～200m之間，極易因蒸發(fā)或飄移而導(dǎo)致沉積量降低，造成實際沉積量小于理論施藥液量。在這種低容量噴霧的條件下，霧滴的損失、施藥液量的降低對防治效果將會產(chǎn)生顯著影響[28]。另外，由表3可知，速度均方根誤差越大，沉積量越接近理論施藥液量（0.12L/cm2），這表明無人機噴霧作業(yè)時可以在設(shè)定速度的基礎(chǔ)上適當降低飛行速度，增大飛行速度相對于設(shè)定速度的均方根誤差，以提高霧滴沉積量，提升噴霧作業(yè)效果。

2.4 飛行速度變異系數(shù)對縱向沉積量變異系數(shù)的影響

飛行速度變異系數(shù)表征了無人機行進過程中的速度變化率的大小，速度變異系數(shù)越大，說明速度變化越劇烈，由表5可知，霧滴沿飛行方向上的沉積量變異系數(shù)也會隨之增大，霧滴沉積分布越不均勻。目前無論在手動操控還是自主飛行模式下，植保無人機單次作業(yè)的基本流程是：起飛—調(diào)整高度—開啟噴霧系統(tǒng)—加速—勻速噴霧—減速—平移—加速—……—減速—降落。施藥中無人機在航線兩端有多次加速和減速過程，這種加減速過程在飛行中所占比例越大，飛行速度的離散程度越高，變異系數(shù)就會越大，此結(jié)果進一步印證了無人機飛行狀態(tài)下的加減速行為是影響縱向霧滴沉積分布均勻性好壞的主要原因。

無人機的速度控制是由飛行控制系統(tǒng)中的GPS或北斗定位模塊完成的。目前，對于國產(chǎn)各型植保無人機，飛控系統(tǒng)中采用可達厘米級定位精度的差分RTK技術(shù)的屈指可數(shù)，造成飛行速度控制精度不足，速度變異系數(shù)偏大（20%～30%）。為減小噴霧過程中的飛行速度變異系數(shù)，建議升級無人機飛控系統(tǒng)，推進改裝含有RTK差分定位功能的GPS或北斗模塊，增加無人機作業(yè)過程中的飛行穩(wěn)定性。此外，由前文的試驗結(jié)果可知，速度分布不均勻會直接導(dǎo)致霧滴分布均勻性不佳，分析這是由于無人機在速度變化時噴灑流量仍保持不變，加減速及平移區(qū)域的霧滴沉積量就會隨之明顯增加。因此，建議采用如下方法從速度控制方面減小沉積分布變異系數(shù)：1）如拖拉機作業(yè)時設(shè)置地頭最小拐彎區(qū)域一樣，植保無人機也需要設(shè)置地頭起降、平移區(qū)域，加減速及平移過程均在作業(yè)區(qū)域外完成；2）無人機加減速及平移切換航線的狀況下關(guān)閉噴灑系統(tǒng)；3）在植保無人機上推廣應(yīng)用變量施藥系統(tǒng)，該系統(tǒng)能將速度與噴霧流量、霧滴粒徑等噴霧參數(shù)關(guān)聯(lián)起來，只要輸入設(shè)定的施藥液量，噴霧流量會根據(jù)速度的快慢自行調(diào)整，保證施藥液量不變。

2.5 飛行高度對總體沉積量變異系數(shù)的影響

由表5中回歸分析結(jié)果，在1.1～2.2 m的高度范圍和4.2～4.9 m/s的速度范圍內(nèi)，隨著無人機飛行高度增加，田間總體沉積量變異系數(shù)呈線性減小，說明飛行高度的增加可以使霧滴沉積量的離散程度減小，有效提高霧滴分布的均勻性。無人機飛行高度過低、過于接近作物冠層時，噴桿上相鄰噴頭噴出的霧滴重疊不足，噴頭正下方附近霧滴多，相鄰噴頭中間位置霧滴少，霧滴分布不均勻；當飛行高度逐漸提升，相鄰噴頭噴出霧滴重疊更充分，沿噴桿方向不同位置霧滴沉積量差異縮小，霧滴沉積分布均勻性能得到明顯優(yōu)化，這種飛行高度與霧滴沉積分布均勻性的負相關(guān)關(guān)系與作者此前的霧滴空間質(zhì)量平衡測試研究中的結(jié)論一致[19]。但是，提升高度的另一個結(jié)果是易引起霧滴飄失率增大，這主要有2個原因：1）同一區(qū)域，在近地面的一定高度，海拔越高，風(fēng)速越大[29]，環(huán)境風(fēng)場也越復(fù)雜；2）飛行高度增加，無人機旋翼下旋氣流在垂直于地面方向上的流場隨之明顯減弱，帶來下旋氣流對霧滴的下壓作用減弱的結(jié)果[19,30]。當高度增加到一定值之后，高度對霧滴分布均勻性的優(yōu)化作用會逐漸弱于高度升高引起的霧滴飄失作用，產(chǎn)生田間霧滴沉積量降低、農(nóng)藥利用率下降等不利影響。所以，合理飛行高度的確定需要根據(jù)作物特點、地塊情況、飛機性能、天氣條件和噴霧系統(tǒng)特性等因素綜合考慮。

綜上所述，針對單旋翼植保無人機低空低量田間噴霧作業(yè)，使用飛行速度均方根誤差、速度變異系數(shù)和高度這3個飛行參數(shù)及精準度指標來分析和預(yù)測霧滴沉積量和霧滴沉積分布均勻性的方法是合理、有效、可行的。

3 結(jié)論與討論

本文采用高精度北斗定位系統(tǒng)獲取無人機飛行參數(shù)，使用檸檬黃示蹤劑水溶液代替農(nóng)藥對國產(chǎn)4種典型植保無人機進行了小麥田間噴霧測試，得到了各型無人機霧滴田間分布特性，并首次對單旋翼植保無人機飛行參數(shù)精準度（變異系數(shù)CV、均方根誤差RMSE）對霧滴沉積分布特性的影響進行了研究和分析，測試結(jié)果通過SPSS 20軟件進行顯著性和回歸分析，得到以下結(jié)論：

1）4種無人機在距航線起點和終點10 m左右的兩端區(qū)域內(nèi)的霧滴沉積量變化劇烈（30%

2）對于單旋翼植保無人機田間噴霧作業(yè)，在平均飛行高度1.1～1.2 m，平均飛行速度4.2～4.9 m的飛行參數(shù)下，平均霧滴沉積量與飛行速度均方根誤差呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（<0.01，=0.952）；縱向霧滴沉積量變異系數(shù)與飛行速度變異系數(shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（<0.01，=0.963）；總體沉積量變異系數(shù)與平均飛行高度呈顯著負相關(guān)關(guān)系（<0.01，=–0.888）。因此，使用飛行速度均方根誤差、速度變異系數(shù)和高度這3個飛行參數(shù)及精準度指標來分析和預(yù)測霧滴沉積量和分布均勻性的方法是合理、有效、可行的。

根據(jù)以上結(jié)論，可以通過以下方法來提高植保無人機施藥霧滴沉積分布效果：1）適當提高飛行高度，降低飛行速度；2）設(shè)置地頭起降、平移區(qū)域，加減速及平移過程均在作業(yè)區(qū)域外完成；3）無人機加減速及平移切換航線的過程中關(guān)閉噴灑系統(tǒng)；4）應(yīng)用噴霧量與速度相關(guān)的變量施藥系統(tǒng)；5）在飛控系統(tǒng)中加裝包含載波相位差分定位功能的定位模塊。

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Wang Changling, Song Jianli, He Xiongkui, Wang Zhichong, Wang Shilin, Meng Yanhua. Effect of flight parameters on distribution characteristics of pesticide spraying droplets deposition of plant-protection unmanned aerial vehicle[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(23): 109－116. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.23.014 http://www.tcsae.org

Effect of flight parameters on distribution characteristics of pesticide spraying droplets deposition of plant-protection unmanned aerial vehicle

Wang Changling1, Song Jianli1, He Xiongkui1※, Wang Zhichong1, Wang Shilin1, Meng Yanhua2

(1.100193,;2.455001,)

As a consequence of population aging and shrinkage in China, the trend of labor shortage for agricultural production has grown and will continue in future. Acceleration of agricultural mechanization has been proposed as a developmental strategy in support of steady and sustainable development of agriculture in China. In alignment with this national developmental plan, the use of unmanned aerial vehicle (UAV) for pesticide application contributes to the advancement of plant protection mechanization by providing improved ability to apply pesticide in a time sensitive manner with enhanced safety and efficiency.The flight parameter of UAV was one kind of the most important indices affecting the quality of aerial pesticide application. To explore the distribution characteristics of pesticide spraying droplets deposition of UAV and the effect of flight parameters (flight altitude and velocity) and parameter accuracy on the deposition distribution characteristics, the spraying droplets depositions of 4 models of typical Chinese domestic UAVs (3WQF120-12, Mercury Ⅰ, 3WCJ8-10 and 3WQFTX-10) were tested in the wheat field in Xinxiang City, Henan Province in April, 2017. The high-precision Beidou navigation satellite system was used for recording the accurate working altitude, velocity and track of UAV, and the tartrazine tracer water solution of 0.5% was adopted to replace pesticide liquid for spraying. The filter paper with the diameter of 7 mm was used for collecting spraying droplets from UAV at the height of 0.7 m on the top of the wheat canopy, and the sensor of Zeno-3200 weather station was set at the height of 6 m to record the environmental parameters at test site. The size of the testing field was 50 m × 100 m and there were 15 sampling points in a straight line with 3 duplications for longitudinal droplet deposition distribution and 11 sampling points also with 3 duplications for crosswise one. During every test, the operator controlled the UAV remotely to take off, when the UAV reached the required height, then open the spraying system and make the unmanned aircraft fly over the experimental area according to the planned flight. After tests, the eluent from the filter paper was used to measure the absorbance of the tracer tartrazine by the 722 type spectrophotometer and the droplet deposition in every test was figured out. Combining the flight parameters with their coefficient of variation (CV) and root mean square error (RMSE), the impact factors on deposition distribution characteristics were studied and the results were analyzed by significance and regression analysis via SPSS 20 software. The results showed: The deposition in the area of both ends of flight route varied violently (30%＜CV＜70%) and there were the maximal values, while the deposition in the area of the middle of route was relatively steady (CV＜20%); the main factor impacting the crosswise deposition distribution was the overlap ratio of droplets of adjacent nozzles and spraying swath, and too high or too low overlap ratio both led to the poor uniformity of droplets distribution; with regard to pesticide application operation of single-rotor UAV, at the altitude of 1.1-1.2 m, and the velocity of 4.2-4.9 m/s, there was a high significant positive correlation between average droplets deposition and the RMSE of flight velocity (＜0.01，=0.952) and between the CV of the longitudinal droplets deposition and the CV of flight velocity (＜0.01，=0.963), and the CV of the total deposition was significantly negatively correlated with the average flight altitude (＜0.01，=-0.888). So, the method that the droplets deposition and distribution uniformity were analyzed and predicted by the flight parameters and their accuracy, such as the RMSE and CV of flight velocity and flight altitude, was reasonable, effective and feasible. The results of this study provide some theory reference for the determination of the ideal spraying parameters of UAV pesticide application work, the choice of environmental conditions of UAV operation and the formulation of standard working practice of UAV aerial spraying.

unmanned aerial vehicle; pesticide; spraying; droplet; flight parameters; deposition; uniformity of distribution.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.23.014

S252+.3

A

1002-6819(2017)-23-0109-08

2017-08-10

2017-10-22

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項資助項目（201503130）；京津冀協(xié)同創(chuàng)新重大專項-北京市重點研發(fā)計劃（D171100002317003）

王昌陵，博士生，主要從事無人航空植保施藥技術(shù)研究。 Email：wcl1991@cau.edu.cn

何雄奎，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事植保機械與施藥技術(shù)研究。Email：xiongkui@cau.edu.cn