植保無人機航空噴施作業有效噴幅的評定與試驗

陳盛德，蘭玉彬※，李繼宇，徐小杰，王志國，彭 斌

（1. 華南農業大學工程學院，廣州 510642； 2. 國家精準農業航空施藥技術國際聯合研究中心/國際農業航空施藥技術聯合實驗室，廣州 510642；3. 安陽全豐航空植保科技有限公司，安陽 455001； 4. 廣州極飛科技有限公司，廣州 510663；

植保無人機航空噴施作業有效噴幅的評定與試驗

陳盛德1,2，蘭玉彬1,2※，李繼宇1,2，徐小杰1,2，王志國3，彭 斌4

（1. 華南農業大學工程學院，廣州 510642； 2. 國家精準農業航空施藥技術國際聯合研究中心/國際農業航空施藥技術聯合實驗室，廣州 510642；3. 安陽全豐航空植保科技有限公司，安陽 455001； 4. 廣州極飛科技有限公司，廣州 510663；

植保無人機有效噴幅寬度的準確評定是農業航空精準作業的前提，對其作業航線的規劃及噴施作業質量的提升均有著重要意義。該文以不同參數的單旋翼植保無人機和多旋翼植保無人機為例，分別通過12架次不同飛行參數下的航空噴施試驗及目前國內常用的霧滴密度判定法和50%有效沉積量判定法來評定植保無人機的有效噴幅寬度，并根據霧滴處理軟件DepositScan對水敏紙等采集卡上的圖像處理原理對不同評定方法進行了深入分析。結果表明：50%有效沉積量判定法更適于霧滴粒徑相對較大的 3WQF120-12型植保無人機有效噴幅寬度的評定，且評定的平均有效噴幅寬度為≥4.44 m；霧滴密度判定法更適于霧滴粒徑相對較小的P-20型植保無人機有效噴幅寬度的評定，且評定的平均有效噴幅寬度為≥2.58 m；評定的有效噴幅結果與實際情況相符合。另外，由分析可知，由于當前圖像處理技術的限制，不同粒徑大小的霧滴斑點圖像，軟件DepositScan所產生的相對誤差不同，因此，應根據植保無人機噴施霧滴粒徑的范圍選擇合適的有效噴幅寬度評定方法。該結果為不同參數的植保無人機選擇較優的有效噴幅評定方法提供了指導，降低了航空噴施作業的重噴率和漏噴率，提高了植保無人機航空噴施作業質量，可為植保無人機精準噴施作業的實施提供參考。

無人機；噴霧；試驗；有效噴幅；評定方法；優選；精準作業

陳盛德，蘭玉彬，李繼宇，徐小杰，王志國，彭 斌. 植保無人機航空噴施作業有效噴幅的評定與試驗[J]. 農業工程學報，2017，33(7)：82－90.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.011 http://www.tcsae.org

Chen Shengde, Lan Yubin, Li Jiyu, Xu Xiaojie, Wang Zhiguo, Peng Bin. Evaluation and test of effective spraying width of aerial spraying on plant protection UAV[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(7): 82－90. (in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.011 http://www.tcsae.org

0 引 言

中國是一個農業大國，保證糧食安全是中國的基本國策。然而，中國受農業自然災害嚴重，特別是生物災害發生頻繁[1-3]。病蟲草害化學防除是重要的農業生產技術，但中國目前普遍存在的農藥“粗放式”噴灑，不僅導致農藥有效利用率低，而且為保證防效過度施用的農藥形成大量殘留，嚴重污染生態環境，威脅食品和生命安全[4-5]。據統計，中國單位面積農藥使用量是世界平均水平的2.5倍，受污染的耕地面積達1×107hm2，約占可耕種面積的1/10[6]。

而近年來，中國農業航空產業發展迅速，特別是農業航空產業的重要組成之一的植保無人機在近年來的迅猛發展和應用引起了人們廣泛地關注[7-8]。植保無人機航空施藥技術作為中國近年來的新型植保作業方式，改變了中國傳統植保作業方式的弊端，植保無人機噴施作業效率高、霧化效果好、成本低、采用低容量或超低容量噴霧，且可解決水稻生長過程中地面機械難以下田作業的問題等等，正逐漸成為人們首選的植保作業方式[9-11]。因此，植保無人機航空噴施是減少農藥用量，降低農藥殘留，提升農藥防效的有力手段。

隨著植保無人機在中國的廣泛應用，其低空低量航空施藥技術研究逐步成為研究熱點[12-14]。目前，國內關于植保無人機噴施應用研究主要在于航空噴施作業參數對霧滴沉積分布特性影響的層面上[15-19]，而忽略了植保無人機航空噴施作業的有效噴幅寬度的評定，植保無人機有效噴幅寬度的準確評定對其作業航線的規劃及噴施作業質量的提升均有著重要意義。茹煜等[20-21]分別通過霧滴分布試驗臺在實驗室測試了單個不同類型的航空霧化噴頭在不同作業參數條件下的噴幅寬度等性能參數；崔瑾等[22]應用噴霧性能綜合試驗臺對噴桿式果樹苗圃打藥機在設置噴頭不同間距條件下的有效噴幅寬度進行了研究和試驗；張海星等[23]曾通過霧滴沉積密度判定法來對噴桿噴霧機進行了有效噴幅寬度性能測試；Zhang等[24]曾對有人駕駛飛機M-18B和畫眉鳥510G在不同作業參數下進行了噴施試驗，通過不同的評定方法對其有效噴幅寬度進行了評定；而學者對植保無人機航空噴施作業中有效噴幅寬度的評定及研究卻鮮有報道。

本文以單旋翼植保無人直升機和多旋翼植保無人直升機為例，通過不同飛行參數下的航空噴施試驗及目前國內常用的不同有效噴幅評定方法來評定不同參數無人機的有效噴幅，以期在評定植保無人機有效噴幅寬度的同時，為不同參數和類型的植保無人機選擇較優的有效噴幅評定方法，降低航空噴施作業的重噴率和漏噴率，提高植保無人機航空噴施作業質量，為植保無人機的精準航空作業提供參考。

1 材料與方法

1.1 儀器設備

本次測定試驗的植保無人機分別是安陽全豐航空植保科技有限公司提供的3WQF120-12型智能懸浮植保機（下文簡稱為“3WQF120-12型植保機”）和廣州極飛科技有限公司提供的P-20型農業植保無人機（下文簡稱為“P-20型植保機”），如圖1所示，主要性能指標如表1所示。

圖1 噴霧作業現場Fig.1 Spray test site

表1 植保無人機主要性能指標Table1 Main performance index of plant protection UAV

北斗定位系統為航空用北斗系統UB351，具有RTK差分定位功能，平面精度達（10+5×D×10-7）mm，高程精度達（20+1×D×10-6）mm，其中，D表示該系統實際測量的距離值，km。農用無人機搭載該系統移動站給作業航線繪制軌跡及給各個風場采樣點和霧滴采樣點坐標定位，通過北斗系統繪制的作業軌跡來觀察實際作業航線與各采集點之間的關系，并獲取農用無人機噴施作業的飛行參數。

環境監測系統包括便攜式風速風向儀和試驗用數字溫濕度表，風速風向儀用于監測和記錄試驗時環境的風速和風向，溫濕度表用于測量試驗時環境的溫度及濕度。霧滴收集處理設備包括三腳架、掃描儀、夾子、橡膠手套、密封袋、標簽紙等。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗場地

3WQF120-12型植保機測試試驗于河南省新鄉市七里營鎮中國農業科學院實驗基地進行，P-20型植保機測試試驗于河南省周口市西華縣奉母鎮小麥地進行進行，小麥生長期為冬小麥楊花灌漿期。

1.2.2 采樣點布置

如圖2所示，在足夠大的地塊中設置一條霧滴采集帶，計劃設置采集帶上采集點之間的間距為0.5 m。由于通過觀察3次3WQF120-12型植保機有效噴幅測試預試驗的結果可知，離航線中心兩側0.5 m處的采集點上的霧滴數量較多；考慮到3WQF120-12型植保機的有效噴幅較大，P-20型植保機有效噴幅較小，因此，設置如圖 2所示的試驗方案。圖2a為3WQF120-12型植保機測試試驗方案圖，以中心航線處記為0，左右對稱布置8個采集點，左右兩邊的采集點分別依次記為?1、?1.5、?2、?2.5、?3、?3.5、?4、?4.5和1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5 m；如圖2b所示為P-20型植保機測試試驗方案圖，以中心航線處記為0 m，左右對稱布置8個采集點，左右兩邊的采集點分別依次記為?0.5、?1、?1.5、?2、?2.5、?3、?3.5、?4和0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4 m。

圖2 試驗方案示意圖Fig.2 Test diagram

1.2.3 作業參數設計

由于此次試驗是為了判定植保無人機噴施作業時的有效噴幅寬度，所以試驗作業參數應在正常作業范圍內。據飛控手之前的噴施作業經驗，推薦較佳的作業高度為2 m左右，作業速度為4 m/s左右；且考慮到飛控手的平時操作誤差，將作業參數設置為作業高度 1～3.5 m，作業速度 2～5 m/s。在此作業參數范圍內每種機型選擇了12次不同的飛行參數進行噴施試驗。

1.3 數據處理

1.3.1 作業參數及軌跡處理

如圖 3a、3b所示，分別取試驗時由北斗定位系統UB351對3WQF120-12型植保機、P-20型植保機其中一次測試試驗所繪制成的布點圖及飛行軌跡圖作示意圖，其中，北斗定位系統UB351在噴施作業時的軌跡定位頻率為 1 Hz。由于無人機的飛行操作存在誤差，3WQF120-12型植保機的第5、7次飛行航線在采集位置?1 m處上方，其余架次均通過采集位置0處上方；P-20型植保機的第5次飛行航線在采集位置0處上方，其余架次均通過采集位置?0.5 m處上方。

圖3 試驗飛行軌跡Fig.3 Test trajectory

如表2所示，分別為3WQF120-12型植保機12次飛行試驗的飛行參數及環境參數（試驗當天上午的溫度為21 ℃左右，濕度為58%左右，環境風向為東北風向）及P-20型植保機12次飛行試驗的飛行參數及環境參數（試驗當天上午的溫度為30 ℃左右，濕度為54%左右，環境風向為西南風向），風速采集高度約為2 m。

1.3.2 數據采集與處理

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，并逐一放入相對應的密封袋中，帶回實驗室進行數據處理。

將收集的霧滴采集卡逐一用掃描儀掃描，掃描后的圖像通過圖像處理軟件DepositScan進行分析，得出在不同的航空施藥參數下霧滴的覆蓋密度、沉積量及霧滴粒徑大小等參數[25]。

表2 試驗參數Table2 Test parameters

1.4 有效噴幅判定方法

霧滴密度判定法：根據《中華人民共和國民用航空行業標準》中《農業航空噴灑作業質量技術指標》規定:在飛機進行超低容量的農業噴灑作業時，作業對象的霧滴覆蓋密度達到15個/cm2以上就達到有效噴幅[26]。

50%有效沉積量判定法：根據《中華人民共和國民用航空行業標準》中《航空噴施設備的噴施率和分布模式測定》規定：以沉積率為縱坐標，以航空設備飛行路線兩側的采樣點為橫坐標繪制分布曲線，曲線兩側各有一點的沉積率為最大沉積率的一半，這兩點之間的距離可作為有效噴幅寬度[27]。

2 結果與分析

2.1 3WQF120-12型植保機航空噴施霧滴沉積分布與有效噴幅測定

2.1.1 霧滴沉積結果

如表3、4所示，分別表示3WQF120-12型植保機在12個架次噴施試驗中霧滴在不同采樣位置的霧滴沉積密度、霧滴沉積率。

根據表 3的霧滴密度沉積結果及霧滴密度判定法對3WQF120-12型植保機的有效噴幅進行評定，12個架次試驗的有效噴幅分布范圍分別為 2.0～2.5、?1.0～1.5、?1.5～2.0、0～1.5、?2.5～1.5、?1.5～3.0、?1.5～1.5、1.0～4.0、0～1.5、?1.0～1.5、0、2.0～2.5 m；而根據表4的霧滴沉積率結果及 50%有效沉積量判定法對3WQF120-12型植保機的有效噴幅進行評定，12個架次試驗的有效噴幅分布范圍分別為?1.5～3.0、?1.0～3.0、?1.5～2.5、0～1.5、?2.5～1.5、?1.0～2.5、?1.5～1.0、0～4.5、?2.0～3.5、?1.0～1.0、?2.5～2.5、?1.5～3.0 m。根據有效噴幅寬度的判定結果可得表5。

表3 霧滴沉積密度Table3 Density of droplet deposition 個·cm-2

表4 霧滴沉積率Table4 Droplet deposition rateμL·cm-2

表5 3WQF120-12型植保機有效噴幅判定結果Table5 Results of effective spraying width of plant protection UAV 3WQF120-12

從表5可以看出，對于3WQF120-12型植保機來說，隨著不同架次中飛行作業參數的改變，其有效噴幅寬度也發生了變化；但是，在同一架次中，不同評定方法所評定出的有效噴幅寬度結果不同；霧滴密度判定法評定的有效噴幅寬度的結果波動范圍從≥0.5 m到≥4.5 m，結果極不穩定。且第11架次飛行試驗的有效噴幅寬度結果為0，難以評定，而這一架次的飛行速度為5.01 m/s，飛行高度為 3.60 m，因此，出現這一情況的原因可能是由于無人機在這一架次的飛行參數過大而導致霧滴在農作物冠層的沉積量達不到評定要求。

50%有效沉積量判定法評定的有效噴幅寬度結果與霧滴密度判定法評定的結果相比，噴幅寬度范圍更穩定，剔除第4、7、10架次出現的異常值，其噴幅寬度結果均在提供參考的有效噴幅寬度4.0～6.0 m范圍之內，平均有效噴幅寬度≥4.44 m。因此，根據3WQF120-12型植保機的有效噴幅寬度評定結果，50%有效沉積量判定法與霧滴密度判定法相比，50%有效沉積量判定法更適合于3WQF120-12型植保機有效噴幅寬度的評定。而第4、7、10架次中的飛行速度分別為3.84、2.90、4.88 m/s，飛行高度分別為1.05、1.02、1.12 m，飛行高度均明顯低于其他飛行架次的飛行高度，飛行高度是影響植保無人機噴幅寬度的重要因素，因此，造成噴幅寬度低于正常值的原因可能是由于這3個架次的飛行高度過低。

另外，從圖3a可以看出，植保機的飛行航線經過采集位置0 m處附近，即表明此處為無人機的中心航線；根據表4中的霧滴沉積量結果來看，航空噴施霧滴的沉積中線均發生了偏移，除第 5、7架次外，有效噴幅區內中心航線下風向的霧滴沉積量都多于上風向的霧滴沉積量，且下風向的霧滴沉積飄移距離也大于上風向的霧滴沉積飄移距離；而造成第 5、7架次霧滴沉積結果不同其它架次的主要原因是 2個架次的飛行航線中線經過采集位置?1 m處，航線發生了較大偏差，且2個架次作業時環境風速較小，使霧滴在沉積過程中發生了較小范圍內的飄移。

2.1.2 霧滴粒徑分布

圖4為3WQF120-12型植保機在12個架次噴施作業中霧滴在不同采樣位置處的平均霧滴粒徑分布情況。

圖4 3WQF120-12型植保機平均霧滴粒徑分布Fig.4 Average droplet size distribution of plant protection UAV 3WQF120-12

由圖4可以看出，3WQF120-12型植保機噴施作業的霧滴體積中值直徑（DV.5）主要分布在270～380μm之間；且較大粒徑的霧滴（霧滴體積中值直徑在370μm左右）主要沉積在中心航線附近，較小粒徑的霧滴（霧滴體積中值直徑在300μm左右）主要分布在中心航線遠處的兩側，這一現象的主要原因是粒徑較大的霧滴受環境側向水平風場的影響較小，更容易沉降；粒徑較小的霧滴更容易受到環境側向水平風場的影響而發生較大范圍內飄移。

2.2 P-20型植保機航空噴施霧滴沉積分布與有效噴幅測定

2.2.1 霧滴沉積結果

如表6、7所示，分別表示P-20型植保機在12個架次噴施試驗中霧滴在不同采樣位置的霧滴沉積密度、霧滴沉積率。

表6 霧滴沉積密度Table 6 Density of droplet deposition 個·cm-2

表7 霧滴沉積率Table 7 Droplet deposition rateμL·cm-2

根據表 6的霧滴密度沉積結果及霧滴密度判定法對P-20型植保機的有效噴幅進行評定，12個架次試驗的有效噴幅分布范圍分別為?1.0～2.0、?1.0～1.5、?1.0～1.5、?0.5～2.0、?1.0～1.5、?0.5～1.5、?0.5～2.0、?1.5～2.0、?0.5～2.0、?0.5～2.0、0～2.0、?0.5～2.5 m；而根據表7的霧滴沉積率結果及50%有效沉積量判定法對P-20型植保機的有效噴幅進行評定，12個架次試驗的有效噴幅分布范圍分別為?0.5～1.5、?1.0～1.0、?0.5～1.0、0～1.5、0.5～1.0、0～0.5、0～1.5、?0.5～1.0、0～1.5、0～1.5、0.5～1.5、0～1.5 m。根據有效噴幅的判定結果可得表8。

表8 極飛無人機有效噴幅判定結果Table 8 Result of effective spraying width of plant protection UAV 3WQF120-12

同樣，從表 8可以看出，隨著不同架次中飛行作業參數的改變，其有效噴幅寬度也發生了變化；但是，在同一架次中，不同評定方法所評定出的有效噴幅寬度結果并不相同；50%有效沉積量判定法評定的有效噴幅寬度的結果波動范圍從≥1.0 m到≥2.0 m，平均有效噴幅寬度≥1.46 m。而霧滴密度判定法判定的有效噴幅寬度結果波動范圍從≥2.0 m到≥3.5 m，平均有效噴幅寬度≥2.58 m。對于P-20型植保機來說，霧滴密度判定法判定的有效噴幅寬度結果與 50%有效沉積量判定法相比，其評定的噴幅寬度結果與提供參考的有效噴幅寬度更接近，且在參考范圍2.5～5.0 m范圍之內。因此，根據P-20型植保機的有效噴幅寬度評定結果，霧滴密度判定法與 50%有效沉積量判定法相比更適合于P-20型植保機有效噴幅寬度的評定。

與 3WQF120-12型植保機噴施霧滴沉積結果一樣，P-20型植保機的霧滴沉積中線也發生了偏移。從圖3b可以看出，植保機的飛行航線經過采集位置?0.5 m處，即表明此處為無人機的中心航線；根據表 6的霧滴沉積密度結果來看，有效噴幅區內中心航線下風向的霧滴沉積數量遠遠多于上風向的霧滴沉積數量，且下風向的霧滴沉積飄移距離也遠遠大于上風向的霧滴沉積飄移距離。

2.2.2 霧滴粒徑分布

如圖5所示，表示P-20型植保機在12個架次噴施作業中霧滴在不同采樣位置的平均霧滴粒徑大小分布情況。由圖5可以看出，P-20型植保機噴施作業的霧滴粒徑的體積中值直徑（DV.5）主要分布在130～175μm之間；其次，由于無人機的中心航線在霧滴采集位置?0.5 m處附近，而較大粒徑的霧滴（霧滴體積中值直徑大于160μm）主要沉積在中心航線下風向的0.5～1.0 m附近，較小粒徑的霧滴（霧滴體積中值直徑在130μm左右）主要分布在中心航線遠處的兩側，這主要是由于P-20型植保機的霧滴粒徑的整體值較小，相對較大粒徑的霧滴隨著環境側向風場的影響而向下風向方向發生了小范圍的飄移，相對較小粒徑的霧滴受到環境側向風場的影響而發生了較大范圍的飄移。

圖5 P-20型植保無人機試驗平均霧滴粒徑分布Fig.5 Average droplet size distribution of plant protection UAV P-20

3 討 論

植保無人機有效噴幅寬度的準確評定是精準農業航空作業的前提，對其作業效率和作業質量的保證和提升均有著重要作用。本文通過 50%有效沉積量判定法和霧滴密度判定法分別對單旋翼植保無人機和多旋翼植保無人機在正常作業參數范圍內的不同作業參數條件下進行多次試驗重復測定。基于本文的試驗條件下得出的評定結果表明，不同參數的植保無人機適于評定其有效噴幅寬度的方法不一樣，對于3WQF120-12型植保無人機而言，更適合于 50%有效沉積量判定法；對于 UAV P-20型農業植保無人機而言，則更適合于霧滴密度判定法。

從霧滴粒徑分布結果來看，3WQF120-12型植保無人機噴施的霧滴粒徑范圍要遠遠大于P-20型植保無人機的霧滴粒徑范圍。因此推斷不同參數的植保無人機適于不同的有效噴幅寬度判定方法可能是由于其霧滴粒徑大小范圍的不同而造成的。首先，航空噴施噴量小，但其霧化程度較高，對于較大粒徑的霧滴來說，由于有效噴幅內霧滴數量較多，極易造成沉積在水敏紙表面的霧滴鋪展后而發生霧滴斑點部分重疊現象[28-29]，而當前霧滴圖像處理技術難以分割和識別重疊霧滴，無法準確計數，導致產生誤差的較大，從而造成霧滴密度判定方法不適于對于霧滴粒徑較大的植保無人機有效噴幅寬度的評定。進一步地，根據霧滴圖像處理軟件DepositScan對水敏紙上霧滴的沉積量計算公式為

式中V為單個霧滴的體積，μm3；d為霧滴的直徑，μm。

由式（1）可知，霧滴沉積量主要是通過霧滴斑點的直徑計算得到的。根據Zhu等[25]對標準粒徑大小為50、100、250、500、1000μm 的斑點測量結果可知，軟件DepositScan測量的結果與標準值相比，相對偏差分別為34.1%、16.3%、7.8%、1.4%、1.2%，表明軟件DepositScan對霧滴尺寸的測量誤差會隨著霧滴粒徑的減小而增大。因此，對于霧滴粒徑體積中值為 370?μm 左右的3WQF120-12型植保無人機來說，霧滴粒徑測量誤差在1.4%～7.8%之間，從而對霧滴沉積量的計算誤差影響較小，即 50%有效沉積量判定法更適于霧滴粒徑相對較大的 3WQF120-12型植保無人機有效噴幅寬度的評定。對于霧滴粒徑體積中值為150μm左右的P-20型農業植保無人機來說，霧滴粒徑的測量誤差在 10%以上，從而對霧滴沉積量的計算影響較大；其次，由式（1）可知，當霧滴粒徑大小減小 1倍，霧滴沉積量的計算體積就會相應減小8倍，而單位面積內霧滴的累積沉積量計算公式為

式中Vt為單位采樣面積內的霧滴累積沉積量，μm3；Vi為第i個霧滴沉積量，μm3；n為單位采樣面積內的霧滴個數。

由于計算結果中有效數字位數的限制，導致會忽略粒徑較小的霧滴沉積量，因此，對于極小的霧滴來說，霧滴沉積量計算公式也會造成霧滴沉積量的計算結果偏小，產生計算誤差。由圖 5可知，粒徑較大的霧滴基本上沉積在采集位置0.5～1.0 m處附近，極小的霧滴則沉積在兩側，且從表6、7看出，霧滴的沉積中線也在采集處0.5～1.0 m附近，隨著兩側霧滴粒徑的減小，兩側的霧滴沉積量也發生驟減，導致 50%有效沉積量判定法評定的有效噴幅寬度值較給出的參考值偏小；而較小粒徑的霧滴在水敏紙表面不容易發生重疊等現象，單位面積內的霧滴個數的計算結果誤差較小。因此，霧滴密度法與 50%有效沉積量判定法相比，更適于霧滴粒徑相對較小的P-20型植保無人機有效噴幅寬度的評定。

另外，本文需要指出的是，首先，植保無人機飛行作業參數的不同在一定程度上必然會引起其有效噴幅寬度的波動和變化，隨著不同架次中飛行作業參數的改變，其有效噴幅寬度也發生了變化；但是，在同一架次中，不同評定方法所評定出的有效噴幅寬度結果不同，因此，我們可以認為，不同參數的植保無人機適于評定其有效噴幅寬度的方法不一樣，這一結論是有效和可靠的。

其次，本次試驗結果是在正常飛行參數范圍內和一定外界環境條件內 12次不同作業參數條件下進行測定的，由于外界環境和結果處理誤差的影響，不同參數的植保無人機有效噴幅的判定結果會存在一定的誤差。因此，將來的研究工作需要在多種外界環境影響的情況下增加試驗次數，在采集大樣本量數據的基礎上，對不同參數的植保無人機的有效噴幅進行準確的判定，以期降低航空噴施作業的重噴率和漏噴率，提高植保無人機航空噴施作業質量，為植保無人機的精準航空作業提供理論指導和數據支持。

最后，目前對霧滴沉積效果檢測方法主要有圖像測量法和示蹤劑洗脫測量法，由于圖像測量法對霧滴沉積結果的檢測具有簡單快速、成本低等特點[30-31]，因此，對霧滴斑點重疊或部分重疊圖像處理技術[32]的改進應作為未來農業航空領域的另一研究重點。

4 結 論

本文以單旋翼植保無人直升機和多旋翼植保無人直升機為例，通過不同飛行參數下的航空噴施試驗及目前國內常用的有效噴幅評定方法來評定不同參數植保無人機的有效噴幅，并對評定的有效噴幅結果分析可得如下結論：

1）50%有效沉積量判定法適于3WQF120-12型植保無人機有效噴幅寬度的評定，且評定的平均有效噴幅寬度為≥4.44 m；

2）霧滴密度判定法適于P-20型農業植保無人機有效噴幅寬度的評定，且評定的平均有效噴幅寬度為≥2.58 m；

3）對于通過霧滴在水敏紙等采集卡上的圖像來計算霧滴沉積結果的方法而言，由于當前圖像處理技術的限制，不同霧滴粒徑參數的植保無人機應選擇合適的有效噴幅寬度評定方法；50%有效沉積量判定法更適合于霧滴粒徑相對較大的植保無人機，霧滴密度判定法更適合于霧滴粒徑相對較小的植保無人機。

[1] 張競成，袁琳，王紀華，等. 作物病蟲害遙感監測研究進展[J]. 農業工程學報，2012，28(20)：1－11. Zhang Jingcheng, Yuan Lin, Wang Jihua, et al. Research progress of crop diseases and pests monitoring based on remote sensing[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(20): 1－11. (in Chinese with English abstract)

[2] 趙慶展，靳光才，周文杰，等. 基于移動GIS的棉田病蟲害信息采集系統[J]. 農業工程學報，2015，31(4)：183－190. Zhao Qingzhan, Jin Guangcai, Zhou Wenjie, et al. Information collection system for diseases and pests in cotton field based on mobile GIS[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(4): 183－190. (in Chinese with English abstract)

[3] 王艷青. 近年來中國水稻病蟲害發生及趨勢分析[J].中國農學通報，2006，22(2)：343－347. Wang Yanqing. Analysis on the occurrence and development of rice diseases and insects in China[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2006, 22(2): 343－347. (in Chinese with English abstract)

[4] 袁會珠，楊代斌，閆曉靜，等. 農藥有效利用率與噴霧技術優化[J]. 植物保護，2011，37(5)：14－20. Yuan Huizhu, Yang Daibin, Yan Xiaojing, et al. Pesticide efficiency and the way to optimize the spray application[J]. Plant Protection, 2011, 37(5): 14－20. (in Chinese with English abstract)

[5] 何雄奎. 改變我國植保機械和施藥技術嚴重落后的現狀[J].農業工程學報，2004，20(1)：13－15. He Xiongkui. Improving severe draggling actuality of plant protection machinery and its application techniques[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2004, 20(1): 13－15. (in Chinese with English abstract)

[6] 全國土壤污染狀況調查公報[R]．北京：中華人民共和國國土資源部和環境保護部，2014.

[7] 周志艷，臧英，羅錫文，等.中國農業航空植保產業技術創新發展戰略[J]. 農業工程學報，2013，29(24)：1－10. Zhou Zhiyan, Zang Ying, Luo Xiwen, et al. Technology innovation development strategy on agricultural aviation industry for plant protection in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(24): 1－10. (in Chinese with English abstract)

[8] Huang Y, Hoffmann W C, Lan Y, et al. Development of a spray system an unmanned aerial vehicle platform[J]. Applied Engineering Agriculture, 2009, 25(6): 803－809.

[9] 薛新宇，梁建，傅錫敏. 我國航空植保技術的發展前景[J].中國農機化，2008(5)：27－28. Xue Xinyu, Liang Jian, Fu Ximin. Prospect of aviation plant protection in China[J]. Chinese Agricultural Mechanization, 2008(5): 27－28. (in Chinese with English abstract)

[10] 張東彥，蘭玉彬，陳立平，等. 中國農業航空施藥技術研究進展與展望[J]. 農業機械學報，2014，45(10)：53－59. Zhang Dongyan, Lan Yubin, Chen Liping, et al. Current Status and future trends of agricultural aerial spraying technology in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2014, 45(10): 53－59. (in Chinese with English abstract)

[11] 廖娟，臧英，周志艷，等. 作物航空噴施作業質量評價及參數優選方法[J]. 農業工程學報，2015，31(增刊2)：38－46. Liao Juan, Zang Ying, Zhou Zhiyan, et al. Quality evaluation method and optimization of operating parameters in crop aerial spraying technology[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(Supp.2): 38－46. (in Chinese with English abstract)

[12] Xue X, Tu K, Qin W, et al. Drift and deposition of ultra-low altitude and low volume application in paddy field[J]. Int J Agric & Biol Eng, 2014, 7(4): 23－28.

[13] Qin W, Xue X, Cui L, et al. Optimization and test for spraying parameters of cotton defoliant sprayer[J]. Int J Agric & Biol Eng, 2016, 9(4): 63－72.

[14] 王昌陵，何雄奎，王瀟楠，等. 無人植保機施藥霧滴空間質量平衡測試方法[J]. 農業工程學報，2016，32(11)：54－61. Wang Changling, He Xiongkui, Wang Xiaonan, et al. Testing method of spatial pesticide spraying deposition quality balance for unmanned aerial vehicle[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions ofthe CSAE), 2016, 32(11): 54－61. (in Chinese with English abstract)

[15] 王昌陵，何雄奎，王瀟楠，等. 基于空間質量平衡法的植保無人機施藥霧滴沉積分布特性測試[J]. 農業工程學報，2016，32(24)：89－97. Wang Changling, He Xiongkui, Wang Xiaonan, et al. Distribution characteristics of pesticide application droplets deposition of unmanned aerial vehicle based on testing method of spatial quality balance[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(24): 89－97. (in Chinese with English abstract)

[16] 王瀟楠，何雄奎，王昌陵，等. 油動單旋翼植保無人機霧滴飄移分布特性[J]. 農業工程學報，2017，33(1)：117－123. Wang Xiaonan, He Xiongkui, Wang Changling, et al. Spray drift characteristics of fuel powered single-rotor UAV for plant protection[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(1): 117－123. (in Chinese with English abstract)

[17] 邱白晶，王立偉，蔡東林，等. 無人直升機飛行高度與速度對噴霧沉積分布的影響[J]. 農業工程學報，2013，29(24)：25－32. Qiu Baijing, Wang Liwei, Cai Donglin, et al. Effects of flight altitude and speed of unmanned helicopter on spray deposition uniform[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(24): 25－32. (in Chinese with English abstract)

[18] 秦維彩，薛新宇，周立新，等. 無人直升機噴霧參數對玉米冠層霧滴沉積分布的影響[J]. 農業工程學報，2014，30(5)：50－56. Qin Weicai, Xue Xinyu, Zhou Lixin, et al. Effects of spraying parameters of unmanned aerial vehicle on droplets deposition distribution of maize canopies[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(5): 50－56. (in Chinese with English abstract)

[19] 陳盛德，蘭玉彬，李繼宇，等. 小型無人直升機噴霧參數對雜交水稻冠層霧滴沉積分布的影響[J]. 農業工程學報，2016，32(17)：40－46. Chen Shengde, Lan Yubin, Li Jiyu, et al. Effect of spray parameters of small unmanned helicopter on distribution regularity of droplet deposition in hybrid rice canopy[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(17): 40－46. (in Chinese with English abstract)

[20] 茹煜，金蘭，周宏平，等. 航空施藥旋轉液力霧化噴頭性能試驗[J]. 農業工程學報，2014，30(3)：50－55. Ru Yu, Jin Lan, Zhou Hongping, et al. Performance experiment of rotary hydraulic atomizing nozzle for aerial spraying application[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(3): 50－55. (in Chinese with English abstract)

[21] 范慶妮. 小型無人直升機農藥霧化系統的研究[D]. 南京：南京林業大學，2011. Fan qingni. The Research on the Pesticide Spray System Using for the Mini Unmanned Helicopter[D]. Nanjing: Nanjing Forestry University, 2011. (in Chinese with English abstract)

[22] 崔瑾，楊欣，劉俊峰，等. 噴桿式果樹苗圃打藥機噴頭間距設置與研究[J]. 農機化研究，2014(5)：184－187. Cui Jin, Yang Xin, Liu Junfeng, et al. Setting and study on nozzle spacing of spray rod type of orchard and nursery spraying machine [J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2014(5): 184－187. (in Chinese with English abstract)

[23] 張海星，茹煜. 自走式旋翼氣流靜電噴桿噴霧機噴霧性能測試[J]. 農機化研究，2017(7)：164－168. Zhang Haixing, Ru Yu. Spray performance test of a self-propelled with rotary wing air-flow assisted electrostatic spray boom sprayer[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2017(7): 164－168. (in Chinese with English abstract)

[24] Zhang D, Chen L, Zhang R, et al. Evaluating effective swath width and droplet distribution of aerial spraying systems on M-18B and Thrush 510G airplanes[J]. Int J Agric & Biol Eng, 2015, 8(2): 21－30.

[25] Zhu H, Masoud S, Robert D F. A portable scanning system for evalution of spray deposit distribution[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2011(76): 38－43.

[26] 中國民用航空總局運輸管理司. 中華人民共和國民用航空行業標準：第1部分 農業航空作業質量技術指標：MH/T 1002-1995 [S]. 北京：中國民用航空局，1995：11.

[27] 中國民用航空總局運輸管理司. 中華人民共和國民用航空行業標準：第 1部分 航空噴施設備的噴施率和分布模式測定：MH/T 1040-2011 [S]. 北京：中國民用航空局，2011：10.

[28] Cunha M, Carvalho C, Marcal A R S. Assessing the ability of image processing software to analyse spray quality on water-sensitive papers used as artificial targets[J]. Biosystems Engineering, 2012, 111(1): 11－23.

[29] Hoffmann W C. Comparison of three imaging systems for water-sensitive papers[J]. Applied Engineering in Agriculture, 2005, 21(6): 961－964.

[30] 蘭玉彬，彭瑾，金濟. 農藥噴霧粒徑的研究現狀與發展[J].華南農業大學學報，2016，37(6)：1－9. Lan Yubin, Peng Jin, Jin ji. Research status and development of pesticide spraying droplet size [J]. Journal of South China Agricultural University, 2016, 37(6): 1－9. (in Chinese with English abstract)

[31] Marcal A R S. Image processing of artifical targets for automatic evalution of spray quality[J]. Transactions of the ASABE, 2013, 51(3): 811－821.

[32] Wei X, Cao Y, Fu G, et al. A counting method for complex overlapping erythrocyres-based microscopic imaging[J]. Journal of Innovative Optical Health Sciences, 2015, 8(6): 1550033.

Evaluation and test of effective spraying width of aerial spraying on plant protection UAV

Chen Shengde1,2, Lan Yubin1,2※, Li Jiyu1,2, Xu Xiaojie1,2, Wang Zhiguo3, Peng Bin4
(1.College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou510642,China; 2.National Center for International Collaboration Research on Precision Agricultural Aviation Pesticides Spraying Technology / International Laboratory of Agricultural Aviation Pesticide Spraying Technology, Guangzhou510642,China; 3.Quanfeng Aviation Plant Protection Technology Co.,LTD,Anyang455001,China; 4.XAIRCRAFT Co., LTD,Guangzhou510663,China)

With the extensive application of plant protection UAV (unmanned aerial vehicle) in China, the research of its low-attitude and low-volume spray technology has gradually become a research hotspot. At present, the domestic research on the aerial spraying application of plant protection UAV mainly focuses on the effect of aerial spraying operation parameters on the distribution of droplet deposition, while neglecting the evaluation and test of the effective spraying width of aerial spraying by plant protection UAV. It is a prerequisite for precision spraying operation of agricultural aviation to evaluate the effective spraying width of plant protection UAV accurately, and it has great significance to the planning of operation route and the improvement of spraying quality. Therefore, the effective spraying width of single-rotor and multi-rotor plant protection UAV was evaluated with the evaluation method of droplet density and 50% effective deposition amount method which were commonly used in China by the tests of 12 times with different flight parameters; and different evaluation methods were deeply analyzed with the image processing principle of DepositScan, which is an image processing software used to analyze the results of droplet deposition with the image of water-sensitive paper and other cards. The test results showed that: The evaluation method of 50% effective deposition amount was more suitable than the evaluation method of droplet density for evaluating the effective spraying width of plant protection UAV 3WQF120-12, which had a relatively larger droplets size, and the volume median diameter of droplet was about 270-380μm. The average effective spraying width of plant protection UAV 3WQF120-12 was greater than or equal to 4.44 m with the evaluation method of 50% effective deposition amount. The evaluation method of droplet density was more suitable than the evaluation method of 50% effective deposition amount for evaluating the effective spraying width of plant protection UAV P-20, which had a relatively smaller droplets size, and the volume median diameter of droplet was about 130-175μm. The average effective spraying width was greater than or equal to 2.58 m with the evaluation method of droplet density. The evaluating results of the effective spraying width of plant protection UAV P-20 were in accordance with the actual situation. At the same time, the droplet deposition midline of plant protection UAV 3WQF120-12 had shift with the wind direction, as well as plant protection UAV P-20. In addition, the analysis showed that the relative error produced by the software of DepositScan was different with the spot image produced by the droplets of different size due to the limitation of current image processing techniques. The relative differences of average diameters between the software of DepositScan and the stereoscopic microscope were 34.1%, 16.3%, 7.8%, 1.4% and 1.2% for 50, 100, 250, 500 and 1 000μm spots, respectively, and the relative measurement error of droplet diameter would increase with the droplet size decreasing. Therefore, we should choose the suitable evaluation method for the effective spraying width based on different droplets size of plant protection UAV. The evaluation method of 50% effective deposition amount should be chosen by plant protection UAV with a relatively larger droplets size, and the evaluation method of droplet density should be chosen by plant protection UAV with a relatively smaller droplets size. The results provide a guidance for selecting the more suitable evaluating method of effective spraying width for plant protection UAVs with different parameters, reduce the re-spraying rate and the missing spraying rate of aerial spraying operation, and improve the spraying quality of aerial spraying operation. The results provide the theoretical guidance and data support for precision spraying operation of plant protection UAV.

unmanned aerial vehicles; spraying; experiments; effective spraying width; evaluation method; choose; precision operation

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.011

S49

A

1002-6819(2017)-07-0082-09

2016-12-27

2017-04-05

國家重點研發計劃項目（2016YFD0200700）

陳盛德，男（漢），湖北，博士生，主要從事農業航空噴施技術研究。廣州 華南農業大學工程學院，510642。

Email：1163145190@qq.com

※通信作者：蘭玉彬，男（漢），吉林，國家“千人計劃”特聘專家，教授，中國農業工程學會農業航空分會常務副主任，主要從事精準農業航空方向研究。廣州 華南農業大學工程學院，510642。

Email：ylan@scau.edu.cn。中國農業工程學會高級會員：蘭玉彬（E041200725S）。