沉降距離對(duì)植保無人機(jī)霧滴粒徑分布影響*＊

王聰，周仁建，朱小波，鄧佳，羅伍周，舒炎昕

(1.成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，成都市，610100；2.中國民用航空總局第二研究揚(yáng)，成都市，610041；3.四川省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究設(shè)計(jì)院，成都市，610066)

0 引言

近年來，隨著無人機(jī)變量噴灑、智能導(dǎo)航、自動(dòng)避障等關(guān)鍵技術(shù)的逐漸成熟，無人機(jī)在農(nóng)作物病蟲害防治上的應(yīng)用越來越廣，噴霧作業(yè)量增長迅猛，大有替代地面人工施藥的趨勢(shì)。雖然相比大容量、淋洗式的人工施藥，無人機(jī)噴霧作業(yè)在農(nóng)藥利用率上有了大幅的提升，但是農(nóng)藥浪費(fèi)的問題仍未被徹底解決。在不對(duì)環(huán)境造成污染的情況下，如何借助無人機(jī)以最少的施藥量達(dá)到最好的防治效果成為了無人機(jī)噴霧領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。

選用合理的霧滴粒徑是減少無人機(jī)施藥量、提升防治效果的技術(shù)關(guān)鍵。在霧滴數(shù)目一定的情況下，施藥量與霧滴粒徑的立方呈正相關(guān)關(guān)系。若霧滴粒徑縮小一半，則施藥量變?yōu)樵瓉淼?/8，減幅高達(dá)87.5%。蘭玉彬等[1]認(rèn)為，小尺寸霧滴的覆蓋均勻度、附著性能、穿透能力以及擊中靶標(biāo)的概率均高于大霧滴，揚(yáng)以防治效果也更好。當(dāng)然，這并不意味著霧滴越小越好。太細(xì)的霧滴在自然風(fēng)和無人機(jī)下洗氣流的作用下易發(fā)生漂移，進(jìn)而會(huì)對(duì)臨近的非噴灑區(qū)內(nèi)的農(nóng)作物造成藥害[2]。袁會(huì)珠等[3]的研究表明，最佳噴霧粒徑范圍并不是一個(gè)定值，它會(huì)隨著病蟲害類型的不同而變化，例如噴灑殺蟲劑防治作物葉面的爬行類害蟲幼蟲時(shí)，適合使用30～150μm的霧滴，而噴灑除草劑時(shí)，適合使用100～300μm的霧滴。揚(yáng)以說，對(duì)無人機(jī)霧滴粒徑及其分布進(jìn)行研究是非常有必要的。

國內(nèi)的諸多科研人員圍繞無人機(jī)霧滴粒徑開展了研究。周立新等[4]對(duì)無人機(jī)離心式噴頭的試驗(yàn)表明，霧化盤轉(zhuǎn)速、噴頭流量和噴霧高度會(huì)對(duì)霧滴粒徑產(chǎn)生較大影響。茹煜等[5]對(duì)一款兼具離心霧化和液力霧化優(yōu)點(diǎn)的新型無人機(jī)噴頭進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果顯示，電機(jī)電壓是決定霧滴粒徑大小的主要因素，電機(jī)電壓越大，霧滴粒徑越小。余文勝等[6]在田間環(huán)境下采用三因素三水平正交試驗(yàn)法，研究了無人機(jī)作業(yè)高度、飛行速度、噴頭流量對(duì)霧滴粒徑的影響。然而，這些研究基本都是從宏觀層面展開的，在描述霧滴粒徑時(shí)主要采用體積中值直徑（VMD）或數(shù)量中值直徑（NMD），難以直觀地、全面地反映出霧滴粒徑的分布情況。

以T16植保無人機(jī)噴灑煙草為例，對(duì)無人機(jī)霧滴粒徑分布進(jìn)行了針對(duì)性的試驗(yàn)研究，明確了不同沉降距離下霧滴數(shù)量占比及體積占比的分布模式，探討了沉降距離對(duì)霧滴數(shù)量占比、體積占比和霧滴覆蓋密度的影響，并提出了無人機(jī)噴霧作業(yè)參數(shù)的優(yōu)化建議。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

試驗(yàn)使用的是T16植保無人機(jī)，其外形尺寸(長×寬×高)為2 520 mm×2 212 mm×720 mm，最大載藥量為15.1 L，最大作業(yè)飛行速度7 m/s，流量范圍為0.45～5 L/min，噴幅范圍為4～6.5 m，無人機(jī)配有8個(gè)噴頭，選裝的噴頭型號(hào)為XR110015VS。采集霧滴的水敏紙規(guī)格為76 mm×26 mm。其他試驗(yàn)材料包括采樣桿、塑封袋、夾子、棉手套、皮尺、標(biāo)志旗等。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2020年5月16日在四川省什邡市的雪茄煙種植基地進(jìn)行，雪茄煙的平均株高約為0.7 m。環(huán)境溫度為28.6℃～32.7℃，濕度為55.0%～61.5%，風(fēng)速為0.7～1.2 m/s。無人機(jī)噴霧試驗(yàn)區(qū)長和寬分別為40 m和30 m，共設(shè)置三條平行的采樣線，相鄰采樣線的間隔為10 m，每條采樣線的長度為10 m。在每條采樣線上設(shè)置21根采樣桿，相鄰采樣桿的間隔為0.5 m。水敏紙布置示意圖如圖1揚(yáng)示。

圖1 水敏紙布置示意圖Fig.1 Water-sensitive cards layout

在每一根采樣桿上布置兩張水敏紙，第一張水敏紙的高度與煙草冠層齊平，第二張水敏紙位于第一張正下方0.5 m處。無人機(jī)采用自主飛行模式，噴灑介質(zhì)為清水。作業(yè)參數(shù)如表1揚(yáng)示，兩組試驗(yàn)的飛行速度、噴頭流量、噴幅寬度均保持一致，不同之處在于作業(yè)高度的設(shè)定。參考前期數(shù)次無人機(jī)煙草噴灑試驗(yàn)情況以及現(xiàn)場(chǎng)植保無人機(jī)操控手的建議，兩組的作業(yè)高度分別設(shè)定為1.5 m和2.5 m，那么A、B、C、D處水敏紙揚(yáng)對(duì)應(yīng)的霧滴沉降距離依次為1.5 m、2 m、2.5 m和3 m。

表1 無人機(jī)噴霧作業(yè)參數(shù)Tab.1 UAV spraying operation parameters

1.3 數(shù)據(jù)處理

在每組作業(yè)飛行完成后，按照順序?qū)⑺艏埛湃胨芊獯?。在?shí)驗(yàn)室內(nèi)使用便攜式掃描儀將水敏紙掃描成電子圖像，再利用iDAS軟件進(jìn)行圖像的批量處理及分析，可以得到每一張水敏紙上的霧滴覆蓋密度，以及不同粒徑范圍的霧滴數(shù)量和平均體積。每條采樣線的平均霧滴覆蓋密度的計(jì)算方式見文獻(xiàn)[7]?；趇DAS軟件給出的數(shù)據(jù)，不難計(jì)算出不同粒徑范圍的霧滴數(shù)量占比和體積占比。

因?yàn)橛?jì)算過程是相似的，因此下面只介紹霧滴數(shù)量占比的計(jì)算過程：本試驗(yàn)在同一沉降距離下對(duì)應(yīng)有三條采樣線。對(duì)于第一條采樣線上的21張水敏紙，iDAS軟件給出的不同粒徑范圍的霧滴數(shù)量見表2。

表2 第一條采樣線上不同粒徑范圍的霧滴數(shù)量Tab.2 Various-sized droplets number on the first sampling line

令an+bn+…+in=θn，其中，n=1,2,…,21。易知第一條采樣線上的不同粒徑范圍的霧滴數(shù)量占比如表3揚(yáng)示。同理，可以求得第二條和第三條采樣線上的不同粒徑范圍的霧滴數(shù)量占比均值。再對(duì)三條采樣線上的不同粒徑范圍的霧滴數(shù)量占比均值依次求平均值及標(biāo)準(zhǔn)誤，如表4揚(yáng)示。平均值用于估算不同粒徑范圍的霧滴粒徑占比的實(shí)際值，標(biāo)準(zhǔn)誤用于衡量平均值與實(shí)際值的偏離程度，標(biāo)準(zhǔn)誤越小，則偏離程度越小，平均值越能代表實(shí)際值。

表3 第一條采樣線上不同粒徑范圍的霧滴數(shù)量占比Tab.3 Proportion of various-sized droplets number on the first sampling line

表4 不同粒徑范圍的霧滴數(shù)量占比Tab.4 Proportion of various-sized droplets number

2 結(jié)果與分析

2.1 不同沉降距離下霧滴數(shù)量占比分布

圖2給出了不同沉降距離下的霧滴數(shù)量占比分布數(shù)據(jù)及其擬合曲線。

圖2 不同沉降距離下霧滴數(shù)量占比分布Fig.2 Proportion of droplets number at different settling distances

可以看到，四種不同沉降距離下的霧滴數(shù)量占比分布具有一定的共性。0～200μm的小尺寸霧滴的數(shù)量占比超過80%，200～400μm的中尺寸霧滴的數(shù)量占比約18%，400μm以上的大尺寸霧滴的數(shù)量占比不足2%。

從擬合曲線的變化趨勢(shì)來看，隨著霧滴粒徑的增大，霧滴數(shù)量占比先快速增加，達(dá)到峰值后開始緩慢減小，最后逐漸趨近于零。這種變化趨勢(shì)與威布爾分布相吻合，見式（1）。

式中：y1——數(shù)量占比，%；

x——霧滴粒徑，μm；

r——形狀參數(shù)；

a——比例參數(shù)。

此外，如表5揚(yáng)示，四條威布爾擬合曲線的參數(shù)波動(dòng)很小，r=1.85±0.05，a=2.97±0.09，說明在1.5～3 m的范圍內(nèi)，沉降距離對(duì)霧滴數(shù)量占比的影響可忽略不計(jì)。

表5 威布爾擬合曲線參數(shù)Tab.5 Weibull fitting curve parameters

2.2 不同沉降距離下霧滴體積占比分布

不同沉降距離下的霧滴體積占比分布數(shù)據(jù)及其擬合曲線如圖3揚(yáng)示。

圖3 不同沉降距離下霧滴體積占比分布Fig.3 Proportion of droplets volume at different settling distances

由圖3可知，在不同沉降距離下，小尺寸、中尺寸、大尺寸的霧滴體積占比分別約為30%、65%和5%。

盡管霧滴數(shù)量占比分布是右偏的，即細(xì)小霧滴數(shù)量占比大，粗大霧滴數(shù)量占比小，然而四種不同沉降距離下的霧滴體積占比分布基本都是軸對(duì)稱的，對(duì)稱軸位于x=250μm左右，呈現(xiàn)典型的高斯分布特征，見式（2）。

式中：y2——體積占比，%；

σ——標(biāo)準(zhǔn)差；

μ——均數(shù)。

此外，如表6揚(yáng)示，四條高斯擬合曲線的參數(shù)波動(dòng)也很小，σ=1.82±0.13，μ=4.91±0.21，說明在1.5～3 m的范圍內(nèi)，沉降距離對(duì)霧滴體積占比的影響也可忽略不計(jì)。

表6 高斯擬合曲線參數(shù)Tab.6 Gaussian fitting curve parameters

2.3 不同沉降距離下霧滴覆蓋密度

圖4為不同沉降距離下霧滴覆蓋密度數(shù)據(jù)。當(dāng)沉降距離為1.5 m時(shí)，沉積在水敏紙上的霧滴數(shù)量較密，霧滴覆蓋密度處于相當(dāng)高的水平，接近35粒/cm2。隨著霧滴的進(jìn)一步沉降，霧滴覆蓋密度也逐漸減小，該結(jié)果與文獻(xiàn)[8-9]相一致。當(dāng)沉降距離為2.5 m時(shí)，霧滴覆蓋密度略高于《農(nóng)業(yè)航空作業(yè)質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)第1部分：噴灑作業(yè)》[10]要求的門檻值（20粒/cm2）。最后，當(dāng)沉降距離達(dá)到3 m時(shí)，霧滴覆蓋密度已經(jīng)減小至12粒/cm2，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖4 不同沉降距離下霧滴覆蓋密度和水敏紙F(tuán)ig.4 Droplets coverage density and water-sensitive cards at different settling distances

3 討論

3.1 無人機(jī)霧滴粒徑分布規(guī)律

無人機(jī)噴霧揚(yáng)形成的霧滴在水敏紙上的沉積分布看似雜亂無章，實(shí)際上它具有一定的規(guī)律性。通過對(duì)比分析T16植保無人機(jī)在不同沉降距離下的霧滴粒徑分布數(shù)據(jù)，得到了兩個(gè)重要的結(jié)果：一是霧滴數(shù)量占比和體積占比分別遵循威布爾分布和高斯分布；二是沉降距離對(duì)霧滴數(shù)量占比及體積占比的影響微乎其微。因此，在1.5～3 m的沉降距離下，可以用一條威布爾曲線來描述霧滴數(shù)量占比分布，和一條高斯曲線來描述霧滴體積占分布，如圖5（a）揚(yáng)示。

從霧滴數(shù)量占比上來看，T16植保無人機(jī)的霧滴譜主要分布在0～400μm的粒徑區(qū)間內(nèi)。其中，又以小尺寸霧滴（0～200μm）居多，經(jīng)過簡(jiǎn)單的定積分計(jì)算，可知小尺寸霧滴的數(shù)量占比高達(dá)80%以上。盡管如此，小尺寸霧滴的體積占比只有30%，反而數(shù)量占比不到18%的中尺寸霧滴（200～400μm）的體積占比更高，接近65%。簡(jiǎn)單地說，就是小尺寸霧滴數(shù)量占比大，體積占比?。恢谐叽珈F滴數(shù)量占比小，體積占比大。文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[11]報(bào)道了其他型號(hào)無人機(jī)存在同樣的不足之處?？梢?，無人機(jī)霧滴粒徑分布不均是一個(gè)較為普遍的問題。

3.2 無人機(jī)噴霧作業(yè)參數(shù)優(yōu)化建議

無人機(jī)噴霧作業(yè)參數(shù)的合理設(shè)定有利于改善霧滴粒徑分布不均的問題。T16植保無人機(jī)采用的是壓力式扇形噴頭。前人研究表明[12-15]，當(dāng)扇形噴頭的噴施壓力增大時(shí)，噴頭流量會(huì)隨之變大，霧滴譜寬度變窄，霧滴整體變得更細(xì)密，進(jìn)而小尺寸霧滴數(shù)量占比和體積占比都變得更大。基于以上的分析，得出了增大噴頭流量后霧滴數(shù)量和體積占比分布的示意圖，見圖5（b）。需要注意的是，噴頭流量的增大還會(huì)引起作業(yè)區(qū)施藥量的增加，這違背了減少農(nóng)藥用量的目標(biāo)。施藥量的大小等于噴頭流量與作業(yè)時(shí)間的乘積。為了將施藥量維持在原先的水平，如果增大了噴頭流量，相應(yīng)地就必須減少作業(yè)時(shí)間，也就意味著要增大飛行速度。當(dāng)然，具體增大多少的噴頭流量和飛行速度還需要通過進(jìn)一步的試驗(yàn)來確定。

圖5 霧滴數(shù)量和體積占比分布變化Fig.5 Proportion change of droplets number and volume

無人機(jī)的防治效果與霧滴粒徑分布以及霧滴覆蓋密度密切相關(guān)[1,3,16]。雖然在一定的范圍內(nèi)，沉降距離對(duì)霧滴數(shù)量占比和體積占比的影響可以忽略不計(jì)，但是不能片面地認(rèn)為沉降距離是一個(gè)無足輕重的因素。

因?yàn)椴煌两稻嚯x下的霧滴覆蓋密度存在非常大的差異。當(dāng)沉降距離從1.5 m增加到3 m時(shí)，霧滴覆蓋密度從35粒/cm2減小至12粒/cm2，減幅超過65%。顯然，無人機(jī)作業(yè)高度直接關(guān)系到霧滴沉降至作物不同位置的距離，通過降低作業(yè)高度的方式，可以縮短沉降距離，從而提高霧滴覆蓋密度。然而，有研究指出，作業(yè)高度太低的話，無人機(jī)旋翼產(chǎn)生的下洗氣流會(huì)引起作物冠層的劇烈擾動(dòng)和搖擺[17]。在田間試驗(yàn)過程中，現(xiàn)場(chǎng)的煙草技術(shù)員和煙農(nóng)都認(rèn)為1.5 m的作業(yè)高度太低，下洗氣流容易傷到煙草葉片。試驗(yàn)人員確實(shí)也觀察到在該作業(yè)高度下煙葉邊緣被下洗氣流損傷開裂的現(xiàn)象。另一方面，在2.5 m的作業(yè)高度下，煙草底部（即3 m沉降距離位置）霧滴覆蓋密度遠(yuǎn)小于20粒/cm2的門檻值，難以保證良好的防治效果，說明2.5 m的作業(yè)高度偏高。因此，無人機(jī)作業(yè)高度不宜太低或太高，建議設(shè)定在2 m左右，此時(shí)無人機(jī)下洗氣流不易損傷煙葉，而且即便是煙草底部（即2.5 m沉降距離位置）的霧滴覆蓋密度也能滿足最低要求。

4 結(jié)論

本文使用T16植保無人機(jī)對(duì)煙草進(jìn)行了噴灑試驗(yàn)，研究了不同沉降距離對(duì)霧滴粒徑分布及霧滴覆蓋密度的影響，并針對(duì)性地提出了無人機(jī)煙草噴灑作業(yè)參數(shù)的優(yōu)化建議，結(jié)論如下。

1）在一定的沉降距離下，無人機(jī)霧滴數(shù)量占比呈現(xiàn)威布爾分布特征，霧滴體積占比呈現(xiàn)高斯分布特征。

2）隨著沉降距離的增加，霧滴覆蓋密度逐漸減小，然而霧滴數(shù)量占比和體積占比分布基本保持不變。小尺寸（0～200μm）和中尺寸（200～400μm）霧滴的數(shù)量占比分別約為80%和18%，體積占比分別約為30%和65%。

3）為了改善無人機(jī)霧滴粒徑分布不均的問題，同時(shí)控制作業(yè)區(qū)施藥量，建議在1 L/min和3.5 m/s的基礎(chǔ)上適當(dāng)增大無人機(jī)噴頭流量和飛行速度。

4）為了滿足霧滴覆蓋密度的最低要求，同時(shí)防止無人機(jī)下洗氣流損傷煙草葉片，建議將無人機(jī)噴灑煙草時(shí)的作業(yè)高度設(shè)定在2 m左右。