植保無人機施藥噴嘴的發展現狀及其施藥決策

何 勇，肖舒裴，方 慧，董 濤，唐 宇，聶鵬程，吳劍堅，駱少明

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植保無人機施藥噴嘴的發展現狀及其施藥決策

何 勇1，肖舒裴1，方 慧1※，董 濤1，唐 宇2，聶鵬程1，吳劍堅1，駱少明2

（1. 浙江大學生物系統工程與食品科學學院，杭州 310058； 2. 仲愷農業工程學院自動化學院，廣州 510225）

農藥的低利用率是影響農業生態環境和農產品品質安全的重要原因之一，優化農藥噴施技術是提高農藥利用率的有效手段。無人機植保噴施作業作為航空施藥領域的重要組成部分，因其應對突發災害能力強、不受作業地點限制等優勢，具有巨大的發展潛力。噴嘴作為植保無人機噴施系統中的關鍵部件，主要分為液力霧化噴嘴和離心霧化噴嘴兩大類，良好的噴嘴性能能夠大大提升航空施藥噴灑的均勻性，提高農藥的利用效率。該文總結了各類植保無人機常用噴嘴的原理、特點以及應用場合，提出了噴嘴性能評價指標并總結了三大類常用的霧滴粒徑、沉積量、分布、速度等指標的測量手段，包括霧滴收集方法，霧滴沉積量測試方法以及儀器測量法。最后，針對目前無人機施藥缺乏專業的指導，農藥噴施效果有待提升的現狀，該文提出合理的施藥決策是結合靶標作物、噴藥需求以及噴施環境三方面因素共同作用的結果，并從噴嘴噴霧角、防堵塞性、噴嘴壓力與流量以及最佳作業粒徑4個方面分析了噴嘴選型的思路，從專業噴嘴選型決策系統的建立以及無人機植保專用噴嘴的研發兩方面對今后的研究進行展望。

無人機；農藥；噴嘴；分類；霧滴測量手段；噴嘴選型；施藥決策

0 引 言

目前，中國受農藥污染的耕地面積高達1 300～1 600萬hm2，每年因病蟲害造成的糧食損失約為1 500億kg[1-3]。傳統噴藥器具在施藥過程中存在較嚴重的“跑冒滴漏”現象，自走式噴桿噴霧機，雖然能夠實現大田環境下的精準施藥，但對于丘陵、水田、山地等某些植保機械難以進入的環境，仍需要更加靈活的航空施藥技術的支持[4]。因此亟需一種高效、安全、靈活的精準施藥技術在有效防治病蟲害的同時盡可能地降低農藥殘留，減少農藥污染，提升農產品品質。

中國在1951年首次用航空手段參與防治東亞飛蝗以及播種造林等工作[5]，但長期以來，由于缺乏高新的技術支持以及航空管制嚴格等原因，航空施藥發展速度緩慢，直至近幾年植保無人機的出現，航空施藥領域開拓了更為廣闊的發展前景[6-7]。植保無人機施藥技術具有應對突發災害能力強、不受作物長勢以及作業地點限制等優勢[8]，克服了農機或勞動力無法進入目標區域作業的困難，適合于各種地形的作物病蟲害防治[9]。然而，目前中國噴灑部件技術仍處于相對落后階段，航空施藥存在霧滴分布不均、霧滴飄移以及作業精準度不夠導致的重噴漏噴等問題。噴嘴作為噴藥系統的核心組件，其性能尤其是霧化性能，很大程度上決定了藥液的噴灑質量[10]。

本文介紹了植保無人機常用噴嘴的發展現狀，討論總結了液力霧化噴嘴與旋轉離心霧化噴嘴的分類、原理、噴施參數及其應用場合；針對霧滴粒徑、分布、速度、沉積量等霧滴評價指標，對常用霧滴測量手段進行了分類討論；最后，文章針對無人機施藥缺乏專業性與規范性的現狀，從靶標作物、噴藥需求以及環境因素與飛行參數3個方面確定合理的施藥決策，并從噴霧角、防堵塞性、噴霧壓力與流量以及最佳作業粒徑4個方面建立噴嘴選型方案。

1 植保無人機噴嘴的發展現狀

噴嘴是無人機施藥系統的關鍵部件之一，良好的噴嘴性能能夠提升霧滴沉積的均勻性，增加沉積量，減少藥液飄移，提升防治效果。植保無人機噴嘴與地面植保機械噴嘴相比噴施的藥液濃度更高，流量更大，噴施高度更高，霧滴飄移的可能性也更大。依據霧化方式，可分為液力霧化噴嘴和旋轉離心霧化噴嘴兩類，其中液力霧化噴嘴依據噴霧霧流形狀又可分為扇形噴嘴和錐形噴嘴兩類；旋轉離心霧化噴嘴又可分為轉籠式離心噴嘴和轉盤式離心噴嘴兩類。

1.1 液力霧化噴嘴

液力霧化噴嘴采用液力式的霧化方式，常用于液體藥劑的噴灑，是目前生產企業中供應最多的一種噴嘴。其基本原理是：藥液在一定壓力下經過噴嘴腔體霧化并形成液膜，在噴嘴內外壓力差的作用下，液膜不斷伸長變薄并形成細絲狀，在一定距離內，液膜厚度與液膜距噴嘴出口的距離的乘積液厚系數為常數，因此離出口噴孔越遠的液流薄膜被拉伸得越薄[11]。最后液膜與相對靜止的空氣相撞擊后分裂成細小的霧滴并在慣性力的作用下噴灑在農作物上[12]。影響液膜產生的因素主要是藥液的壓力與藥液的表面張力，隨著施加壓力的升高，液體流量不斷增大，霧滴粒徑和分布也隨之發生變化，噴嘴的噴霧角增大，霧滴譜變寬。

以2種基礎類型的噴嘴（常規扇形噴嘴與空心錐形噴嘴）為例。如圖1a所示，常規扇形噴嘴的結構相對簡單，進液口大而廣，液體經底部的橢球體后形成不穩定的液絲，然后再分裂成大小不等的霧滴；空心錐形噴嘴的結構如圖1b所示，噴芯由4個齒輪狀的部件抵住噴嘴體內部的邊緣，液體在高壓條件下經進液口進入渦流室后，在離心力的作用下以一定的角度從噴孔中噴出形成空心錐形的霧化帶。

1.噴嘴體 2.進液口 3.出口噴孔 4.橢球形出口 5.噴芯體 6.渦流室

1.1.1 扇形噴嘴

扇形噴嘴是液力霧化噴嘴中種類最多，在無人機植保領域應用最為廣泛的一種，噴霧時能夠產生沖擊力較大的液柱流或扇面噴霧，橫向沉積呈正態分布[13]。如圖2所示，常用的扇形噴嘴有常規扇形噴嘴、防飄移扇形噴嘴、氣吸型扇形噴嘴、延長范圍扇形噴嘴和廣角扇形噴嘴等，其中前4種扇形噴嘴在植保無人機上均有廣泛應用，廣角扇形噴嘴常用在地面植保機械。

常規扇形噴嘴是扇形噴嘴中的基礎類型，能產生均勻穩定的扇面狀噴霧，噴霧邊緣逐漸變細，垂直地面噴射時形成狹長的噴霧帶[14]；防飄移扇形噴嘴在進液口處增加了孔片，與常規扇形噴嘴寬大的進液口相比，進液口窄而噴道寬，使藥液能夠在噴嘴腔體內呈渦流狀，因此噴施時霧滴譜變窄且易飄移霧滴的比重在霧滴譜中大大減少，同時霧滴粒徑在同等壓力、流量和噴霧角的條件下較常規扇形噴嘴相比明顯增大，進而霧滴的穿透力與抗飄性能也更好[15-16]；氣吸型扇形噴嘴的原理基于文丘里效應，指液體在流過縮小的橫截面時流體流速突然增大的現象，一般在噴嘴的側向增加了2個對稱的入風口，使藥液與空氣充分混合，文式吸氣結構能產生充氣的大霧滴，噴施過程中霧滴飄移的可能性降低，并且霧滴與空氣的混合體到達靶區后還能破裂成更小的霧滴，很大程度上提升藥液對靶標葉片的附著率[17-18]；延長范圍扇形噴嘴的進液口略窄于常規扇形噴嘴，同等條件下產生的霧滴粒徑介于常規扇形噴嘴與氣吸型扇形噴嘴之間，因此抗霧滴飄移能力弱于防飄型和氣吸型，適合噴施除草劑[19]；廣角扇形噴嘴內部采用無阻塞通道設計，靠近噴孔處時噴道變窄并與下方狹長的通道連接，出口噴孔在狹長通道的一端并呈不對稱的半月形，因此產生的噴霧形狀從側面觀察呈近似三角狀，霧滴覆蓋面積遠大于前幾種扇形噴嘴，霧滴均勻性較好[20]。

圖2 常用的扇形噴嘴

由于扇形噴嘴種類眾多，國內外研究學者針對藥液沉積效果、噴嘴性能等參數選擇2～3種噴嘴進行了測試比較。楊希娃等[21]研究了Lechler公司3種扇形噴嘴（平面扇形噴嘴LU120－02、防飄移扇形噴嘴AD120－02和氣吸型扇形噴嘴IDK120－02）對藥液沉積以及麥蚜防治的影響。結果表明藥液下部的沉積量最多，而LU噴嘴的藥液平均覆蓋率最好，地面損失量也最大。Guler等[22]在實驗室條件下比較了氣吸型噴嘴以及平面扇形噴嘴的噴霧性能，表明在等流量條件下，氣吸型噴嘴的出口噴孔面積比平面扇形噴嘴大2.1到2.75倍。謝晨等[23]利用霧滴粒度儀對標準扇形霧化噴嘴（Lechler_ST）和扇形防飄移噴嘴（Lechler_IDK）的霧化性能進行了試驗探究以及可視化圖形分析，具體研究了兩種噴頭的液膜區、破裂區、霧滴體積中徑VMD（volume median diameter）與噴頭孔徑和壓力之間的關系。結果表明ST噴嘴具有更大面積的液膜區，并且隨著噴頭孔徑的增大，液膜與破裂區面積增大；而隨著壓力的升高，噴嘴的液膜－破裂區長度、VMD均有所下降。Garcerá等[24]比較了標準扇形噴嘴與防飄移噴嘴噴霧在柑橘樹冠、地面和空氣中的沉積分布情況。結果顯示僅有大約46%的霧滴落在目標作物上，標準扇形噴嘴的霧滴飄移量多于防飄移噴嘴（23%和17%），但地面損失量更小（22%和27%）。以上研究結果表明，不同種類扇形噴嘴在結構上微小的差異對霧滴沉積效果都有極大的影響，因此選擇合適的噴嘴是提升噴施效果的關鍵因素之一。

1.1.2 錐形噴嘴

錐形噴嘴按照噴霧的形狀可分為空心錐形噴嘴和實心錐形噴嘴2種，如圖3所示。空心錐形噴嘴的特點是內部結構簡單易拆卸，通過噴嘴內部的環形齒輪狀結構能夠使液體沿切向進入噴嘴腔體并且在噴出時產生空心圓環狀噴霧[25-26]，噴霧粒徑較小，流道通暢不易堵塞，在低壓條件下也能產生良好的霧化效果，缺點是噴霧角一般僅有80°，與扇形噴嘴相比噴灑角度較小，一般噴霧角噴幅較窄；實心錐形噴嘴在與空心錐形噴嘴相比能產生實心錐形噴霧形狀，霧滴覆蓋面積更廣，霧滴集中分布在離中心線較近的區域內并沿四周分布[27]，這種較大的霧滴粒徑以及覆蓋面積廣的霧滴譜在植保領域適用于煙草秧苗根出條控制，更多用于廢氣除塵、濕法脫硫、洗滌漂淋等工業領域。

圖3 常用的錐形噴嘴

1.2 旋轉離心霧化噴嘴

液力霧化噴嘴依靠噴嘴液膜與空氣碰撞形成細小霧滴，而旋轉離心霧化噴嘴中的藥液依靠重力進入轉盤，在離心力的作用下由徑向噴出，因此所需噴霧壓力小，導致霧滴譜較窄且霧滴穿透力也較弱。但由于霧滴流出噴嘴的過程互不干涉，霧滴沉積分布更加均勻可控[28]，常用于小型無人機植保、噴霧干燥、霧化降塵等領域。旋轉離心霧化噴嘴主要分為轉盤式離心噴嘴和轉籠式離心噴嘴。

轉盤式離心噴嘴在轉盤內壁上有多個徑向溝槽，溝槽端面一般采用正三角形，徑向溝槽的存在可以減少藥液的滑移，使藥液與轉盤具有相近的圓周速度。噴嘴中的液體經過導流管進入高速旋轉的轉盤內，在離心力的作用下霧滴沿著轉盤邊緣呈螺旋線狀切向飛出，形成大小均勻的霧滴[29]。轉盤式離心噴嘴的霧滴粒徑大小一般可通過調節旋轉速度進行控制，而大流量的噴道具有不易堵塞的特點，非常適合可濕性粉劑和懸浮劑等溶解度較低的藥劑噴施，符合無人機植保作業時藥液濃度高的特點，但存在藥液穿透力不如液力霧化噴嘴，易滴漏以及成本較高的問題。在植保作業中應用較廣，常用于小型無人機[30]，如圖4所示。而轉籠式離心噴嘴結構復雜，目前市場占有率低，僅在生物噴藥領域有一定的應用，極少應用在無人機植保領域，此處不再詳細敘述。

圖4 轉盤式離心噴嘴

1.3 噴嘴評價指標

噴嘴的類型決定了噴嘴的內部結構，進而決定了噴施特點及其適用場合，不同的噴嘴型號適應不同的植保噴施需求。目前航空施藥的噴嘴選擇缺乏規范性的指導，制定一份完善的噴嘴評價指標有助于提升航空施藥的專業性。噴嘴的性能指標主要有防堵塞性、噴霧角、霧滴體積中徑、沉積分布均勻性等。表1總結了無人機植保常用噴嘴的性能參數、特點及其適用場合。

表1 植保無人機常用噴嘴的分類、噴灑參數及其適用場合Table 1 Classification, spraying parameters and applications of common-used nozzle for plant protection UAV

注：表中所列液力霧化噴嘴的霧滴體積中徑參數參考Lechler和Teejet公司的產品說明：噴霧高度為50 cm，扇形噴嘴的噴霧角為110°，空心錐形噴嘴的噴霧角為80°，噴霧壓力為3 kg，噴孔編號為03，分類標準參考上文所述。

Note: Volume median diameter of the hydraulic atomizing nozzles listed above referred to Lechler and Teejet's product description: the corresponding spray height is 50 cm, the spray angle of fan nozzle is 110° while of hollow cone nozzle is 80°, the spray pressure is 3 kg and the orifice number is 03. The classification criteria refers to the above.

噴嘴的防堵塞性能決定了噴嘴是否能夠適用于具有特殊性質的藥液以及助劑，尤其是無人機高濃度施藥特點下溶解性較差的藥劑；另外目前市場上的噴嘴可供選擇的扇形噴嘴的噴霧角常有80°/110°以及90°/120° 2種，而空心錐形噴嘴的噴霧角一般為80°；根據英國作物生產委員會BCPC技術要求以及ASAE標準S－572，霧滴粒徑可分為非常細、細、中等、粗、非常粗和極粗[31-32]。細霧滴能夠增加霧滴表面覆蓋量而粗霧滴能夠減少飄移。對于引起霧滴飄移的霧滴粒徑界限，茹煜等[33]的研究發現小于200m的霧滴在側風作用下更容易飄移；王瀟楠[34]的研究表明VMD小于75m的體積百分比越小，霧滴飄移潛力越小。目前不同的研究成果對霧滴漂移的粒徑界限仍有不同的結論，而生物最佳粒徑理論[35-36]認為不同的防控對象適合不同的粒徑范圍，而落在最佳粒徑范圍內的霧滴數量越多，防治效果則越好。因此，有必要根據實際情況考慮各個因素確定合適的噴嘴。

2 霧滴測量手段

霧滴沉積量、覆蓋率以及霧滴粒徑及其分布等是評價噴嘴霧化性能以及施藥效果的重要指標[37-38]。目前測量農藥霧滴粒徑的常用手段有氧化鎂板法、硅油法和紙卡法；測量霧滴沉積量的常用手段有染色劑法和熒光粒子示蹤法；測量霧滴粒徑、速度以及實時觀測霧滴場的變化可以使用相位多普勒粒子分析法或激光/霧滴圖像分析儀；測量霧滴的粒度分布時可使用激光粒度儀[39-42]。表2對比總結了各個測量手段的優缺點及其適用場合。

表2 各測量手段的優缺點及其適用場合Table 2 Advantages and disadvantages of each measurement method and its applications

2.1 霧滴收集方法

2.1.1 斑痕法

斑痕法是測量霧滴粒徑大小的傳統收集方法，常有的有分別針對油劑霧滴和水劑霧滴的氧化鎂板法與硅油法。氧化鎂板法是在載玻片上燃燒鎂條獲取氧化鎂涂層的方法，當霧滴遇到覆蓋有氧化鎂的載玻片時，會形成凹陷圓圈，圓圈尺寸稍大于霧滴實際尺寸，需用校正系數進行修正。硅油法能夠將水性霧滴收集在表面覆蓋有硅油的介質上進行分析[43]。這2種方法不適合易蒸發的小霧滴收集。

2.1.2 紙卡法

常用的霧滴測量試紙有水敏紙、油敏紙、卡羅米特紙等，以水敏紙應用最廣[44]。試紙法測量即將試紙置于目標施藥區域內，評估霧滴粒徑、分布、覆蓋率以及霧滴穿透能力等性能[45]。當水敏紙遇水溶性霧滴時，試紙變藍；油敏紙遇油性霧滴時試紙變黑；卡羅米特紙常與染色溶液搭配使用。用試紙法獲取霧滴粒徑與分布時需掃描處理試紙圖像[46]，計算霧滴粒徑時還需事先測出試紙的擴散系數。該方法操作簡便，但測量準確性受試紙大小與擴散系數的影響，不適用于空氣濕度較大的環境，且只能放置在特定位置的試紙不能反映全局霧滴分布。

2.2 霧滴沉積量測試方法

2.2.1 染色劑法

染色劑法是將染色劑（胭脂紅、檸檬黃等）按一定比例溶于清水，用該混合溶液進行施藥后采集作業區域內的葉片樣本，洗脫葉片上的沉積量并利用可見光分光光度計對葉片沉積量的洗脫液進行檢測，建立染色劑質量濃度與吸光度之間的標準曲線[47]。該方法原理簡單，成本低，但操作過程復雜，測量誤差較大。

2.2.2 熒光粒子示蹤法

熒光粒子示蹤法，是以一定配比的熒光溶液作為噴霧液，試驗結束后收集待測樣品并用去離子水洗脫，使用熒光光譜儀測定洗脫液的熒光值含量。施藥后葉面的沉積量與熒光值之間存在一定的線性關系[48-49]，因此將洗脫液的熒光值由初始熒光溶液的標準曲線標定后即可能夠計算單位面積內的霧滴沉積量。

2.3 儀器測量方法

2.3.1 相位多普勒粒子分析法

相位多普勒粒子分析儀（phase doppler particle analyzer，PDPA）是利用多普勒效應來測量運動粒子相關特性的儀器，應用于植保領域時能夠測量運動霧滴的速度、粒徑、噴霧角以及單位時間內的霧滴數[50]。PDPA系統對測量霧滴速度、粒徑等衡量噴霧特性的指標具有較大優勢，精確測量的同時能對比不同測量條件下噴霧場的變化情況。然而，受多普勒信號相位差的限制，PDPA法更適合于檢測粒徑較小的霧滴[51]。

2.3.2 激光/霧滴圖像分析儀

激光/霧滴圖像分析儀（particle/droplet image analyzer，PDIA）是基于粒子圖像分析技術，當噴霧區域經激光光束照亮后，照亮區域的陰影圖像由圖像采集裝置快速采集并由霧滴的投影輪廓快速計算出霧滴尺寸，并根據多幅圖像之間的關系計算出霧滴譜。PDPA能夠獲取霧滴的實時運動圖像，計算霧滴粒徑和運動速度，并且能夠直觀探究霧滴場的變化過程[52]。然而受圖像分析條件的限制，當霧滴譜中霧滴密度較大時，霧滴重疊會導致儀器的精度有所下降[34]。

2.3.3 激光粒度儀

基于光學手段能夠獲得更精確的霧滴粒徑分布規律，噴霧粒度儀能夠獲取激光線上所有霧滴的粒度分布，可自定義輸出D0-D100之間的任意典型粒徑值、大于或小于某一粒徑的累計百分比、某一粒徑區間的累計百分比等結果。目前常用的有英國Malvern公司的Spraytec噴霧粒度儀[53]，德國SYMPATEC公司的HELOS噴霧激光粒度儀[54]，以及國內自主研發的分體式激光粒度儀。激光粒度儀的檢測精度極高，但僅能獲取激光束上的霧滴分布，獲取全局霧滴譜需要移動噴嘴位置多次測量。

2.4 小 結

綜上所述，傳統的霧滴粒徑測量方法如氧化鎂板法和硅油法正逐漸被操作更加方便的紙卡法所代替，并且紙卡法能夠用于評估霧滴的覆蓋率、分布均勻性以及穿透能力；染色劑法與熒光粒子示蹤法測量原理相似，在測量霧滴沉積量時均應用較廣；儀器測量法一般屬于非接觸式測量，具有精度非常高、獲取信息量大等優勢，在室內試驗時能夠發揮極大的作用。

3 施藥決策

在無人機植保作業中，噴嘴的選擇與噴施參數的確立缺乏規范的指導，無人機施藥存在霧滴飄移與藥液流失的問題，農藥利用率有待提升。而合理的施藥決策為噴嘴選型提供理論依據，是結合靶標作物、噴藥需求以及噴施環境三方面因素共同作用的結果[55]。靶標作物涵蓋作物長勢、作物葉表面性質與葉片傾角等因素；噴施需求主要指根據治病、殺蟲或除草的防治目標確定合適的藥劑、劑型以及是否需要添加助劑；而環境因素帶來的影響主要指由溫濕度、風速和風向的變化造成的霧滴蒸發與飄移，通過調節無人機作業參數來適應環境因素的變化以獲取最佳的噴施效果。

3.1 靶標作物

靶標作物是藥劑施用的直接對象，而葉片表面性質與葉片傾角是影響藥液是否浸潤葉片表面的關鍵因素，藥液在葉片表面的附著能力則是藥液表面張力與葉片表面性質共同作用的結果。

3.1.1 葉片表面性質

在農藥噴施過程中，葉片表面的潤濕性以及藥液在植物葉片表面的鋪張與持留行為是影響農藥藥效發揮的關鍵因素，潤濕性與藥液和葉片表面的性質緊密相關[56]。植物葉表面的潤濕性反映了葉片的親水能力，具體是指霧滴在葉片表面替代空氣的過程[57-58]。在霧滴與葉片接觸面的邊界處任取一點，并作霧滴表面及葉片表面的切線，這2條切線通過霧滴內部的夾角稱為接觸角，接觸角是度量葉片潤濕性的重要指標[59]。如圖5所示，接觸角為0時液體完全浸潤葉片表面，接觸角為180°時葉片表面完全斥水，液體在葉片表面呈球狀，并且一般認為當接觸角小于90°時認為其浸潤，大于90°時表現為不浸潤[60]。

注：θ為接觸角，(°).

不同種類葉片的浸潤性表現不同，葉片表面的浸潤性主要受葉面蠟質含量與形態分布[61-62]，葉面絨毛密度，葉片氣孔和表皮細胞形態與大小以及葉面本身含水量等內部因素以及外界環境變化的影響[59]。通過研究靶標作物的葉片表面性質，主要是浸潤性，有助于選擇更加合適的藥劑以提高噴灑效率。許多學者的研究發現，葉表面性質是影響藥液沉積效果的重要因素。Dorr等[63]對藜、小麥和棉花構建了虛擬葉片模型，結果表明葉片表面性質是影響水平葉片上所保留的噴霧量的因素之一。陳志剛等[64]研究了噴霧角度、荷電電壓和葉片表面性質對靜電噴霧施藥靶標沉積效果的綜合影響，表明葉片表面結構對藥液沉積效果影響最為顯著，高密度的葉片絨毛結構更有利于霧滴的沉積。就植物葉表面自身的性質而言，蠟質層與絨毛結構是影響葉表面潤濕性的顯著因素。孫艷紅等[65]對鮮、老、病、枯4個狀態下的荷葉進行了潤濕性觀察，結果表明乳突與蠟質層的復合結構是影響荷葉表面潤濕性的根本原因。Kumar等[66]發現具有高絨毛密度的西南牡蒿具有很強的疏水性而絨毛密度低的葉片潤濕性較好。可以看出，葉表面的蠟質和絨毛密度結構是影響潤濕性的最主要因素。

3.1.2 葉片表面傾角

葉片表面傾角是影響藥液在葉片上的持留量的決定因素，平坦的葉片更利于藥液的附著。袁會珠等[67]指出了不同作物的葉片流失點不同，在常規噴霧中研究并控制噴霧量在流失點以下就能夠大大降低農藥的流失量，而葉片傾角則是影響藥液流失量的重要因素之一。楊希娃等[68]探究了霧滴粒徑、葉片表面性質與傾角對農藥霧滴沉積的影響，結果表明葉片表面性質、葉片傾角對沉積量影響顯著。盡管作物葉片傾角是影響農藥在葉片上的沉積量的主要原因，但由于葉片傾角不屬于人為控制范圍內，可以通過探究同一作物葉片各個時間點的傾角差異選擇合適的施藥時間，盡量減少由于葉片傾角過大造成藥液過多的流失。

3.2 噴藥需求

3.2.1 常用藥劑與劑型

不同的防治目標對應不同的噴施需求，根據生物最佳粒徑理論，不同的噴施需求對應的最佳霧滴粒徑不同。例如，飛行昆蟲的最佳防治粒徑為10～50m，葉面爬行類害蟲和作物病害的最佳防治粒徑為30～150m，雜草的最佳防治粒徑為100～300m[36]。最佳粒徑范圍能夠直接對應噴嘴的霧滴粒徑范圍，而靶標作物與病害的種類也直接決定了合適的藥劑與劑型，藥劑種類、劑型以及藥液濃度都影響藥液的防治效果。王波等[69]探究了40種藥液液滴在棉花（親水性）和水稻（疏水性）葉片上的持留及鋪展行為。楊帥[70]對不同施藥藥液劑型進行了測定，試驗比較了小麥和棉花在不同藥劑不同濃度下的防治效果。薛新宇等[71]探究了毒死蜱、吡蚜酮和二嗪·辛硫磷3種藥劑對稻飛虱和稻縱卷葉螟在不同作業高度與施藥天數下的防治效果。本文選取5 種作物（水稻、小麥、油菜、玉米、大豆）并列出其常見病害與常用藥劑及劑型，如表3[72-74]所示。

表3 5種作物的常見病害與適用藥劑

3.2.2 助劑性質

由于某些植物葉表面蠟質層較厚、葉面絨毛多導致葉表面潤濕性較差，藥液容易從葉表面滾落流失。并且受外界環境溫濕度與自然風的影響，無人機施藥常存在霧滴的蒸發與飄移等問題影響藥效。為了提高農藥利用率，降低藥液向非靶標區的飄移，達到更理想的沉積效果，常在藥液中添加植物油、有機硅等農藥助劑以達到增加藥液在葉面上的持留量，減少藥液流失的目的[75-76]。

根據助劑的功能，可分為能夠增強藥液潤濕、滲透、附著葉片能力的農藥助劑以及帶有一定活性的生物助劑，其中前者應用在無人機植保領域，后者常用在生物降解、紡織制造等領域。對于農藥助劑對藥液沉積效果的改善，國內外學者均有研究涉及。Zyl等[77]探究了助劑對葉面噴霧沉積效果的改善，結果表明，針對葡萄樹的白粉病與灰霉病，使用不同類型的助劑有些能夠增加葉片上下部的沉積量，有些能夠改善沉積分布質量，并且助劑濃度與藥液施用量相匹配才能達到最佳的霧滴沉積效果。王瀟楠等[78]在不同風速、溫度和濕度的條件下利用熒光分析儀比較了不同濃度的抗蒸發助劑與防飄助劑對霧滴飄移潛在指數的影響。結果表明，助劑的使用能夠顯著提升潛在飄移指數，對不同類型的噴嘴效果不同。綜上所述，助劑與藥液的配合使用能夠提升藥液在葉表面的附著能力，減少藥液流失。

3.3 環境因素及飛行參數

無人機植保作業環境是受溫度、濕度、風速和風向等多因素共同影響的環境。1.3節中提出不同學者對霧滴飄移界限的定義不同，但可以肯定的是，如何在不同溫濕度條件下平衡霧滴的蒸發與飄移是探究最佳作業粒徑范圍的切入點。而風速直接決定了無人機的作業高度與作業速度，風向影響著噴霧角度的選擇。

由于環境因素的不穩定性與不可控性，使得大田試驗過程中難以量化某一因素對噴施效果的影響。邱白晶等[79-80]探究了無人機作業飛行高度和飛行速度對霧滴沉積的影響。Qin等[7]的研究結果表明水稻生長后期的霧滴沉積與分布與無人機植保作業時的高度與飛行速度密切相關。Zhang等[81]研究了四旋翼無人機在不同飛行高度下對柑橘林冠層霧滴沉積的影響。周莉萍等[82-83]探究了不同側風條件以及無人機飛行參數對施藥霧滴沉積分布與覆蓋率的影響，表明飛行速度均方根誤差、速度變異系數和高度這3個飛行參數能夠有效分析和預測霧滴沉積量和分布均勻性。Gil等[84]的研究結果表明平均噴霧損失量隨風速增加而增加，并且溫度較高時收集到的霧滴量較少。王瀟楠等[85]的研究表明側風風速與霧滴飄移率呈正相關。目前，國內外學者的試驗研究主要圍繞風速、風向以及無人機飛行高度和飛行速度展開，環境因素直接影響著無人機植保的噴施參數，而噴施參數的變化直接影響霧滴沉積分布的均勻性與覆蓋率。

3.4 噴嘴選型思路

與地面植保設備相比，無人機施藥具有低容量高濃度飛行速度快的特點，藥液濃度是地面植保機械的50倍左右[4]，噴嘴選型時與地面植保機械有很大區別，主要考慮藥液的沉積效果最佳，蒸發量與飄移量最小。受施藥設備、靶標作物與施藥環境等多方面因素的影響，多因素間的相互作用決定了最優的噴嘴選型與噴施參數方案。本文從噴霧角、防堵塞需求、最佳霧滴粒徑以及噴嘴壓力與流量這4個角度為出發點進行噴嘴選型。

1）噴霧角。根據作物種植的行距、作物長勢以及作物密度，首先確定無人機的最大起飛質量，藥物載荷一般不超過飛機重量的30%，一般飛機越重下壓風場越強，藥液到達作物底部的比例越高，對于高大的作物如玉米而言，需要較大的下壓風場使藥液能到達冠層以下的部位，而對于水稻苗期而言，下壓風場過強會影響幼苗生長。其次確定無人機作業高度與噴嘴噴霧角，作業高度越高，噴嘴噴霧角越大，噴幅也越大，而霧滴飄移的可能性也越大。2）防堵塞性。根據目標作物的葉表面性質、葉片傾角以及具體防治需求（治病、殺蟲還是除草），確定適合的藥劑與劑型。常見的農藥劑型有可濕性粉劑、懸浮劑、水分散粒劑、乳油等，不同農藥劑型的溶解性存在巨大的差異。有的劑型溶于水形成水溶液，有的溶于水后形成穩定的懸浮液，有的僅溶于某些有機溶劑或者在水中的溶解性較差，極易形成沉淀物。結合表3可以看出，可濕性粉劑在常用藥劑中所占比重最大，在無人機高濃度施藥的特點下噴施溶解性較差的可濕性粉劑容易發生粉劑堵塞噴嘴的情況，應首先考慮噴道較粗、防堵塞性能較好的噴嘴。3）最佳作業粒徑。針對具體病害，結合生物最佳粒徑理論以及實際噴施時的氣象條件可以確定合適的作業粒徑范圍，即對應噴嘴的霧滴粒徑范圍。在得知生物最佳粒徑理論所指導的合適粒徑范圍后，根據實際噴施環境可適當調節并縮小霧滴粒徑范圍。例如，風速較大時與氣溫較高時，小霧滴蒸發與飄移嚴重，應適當選擇霧滴粒徑稍大的噴嘴。4）噴嘴壓力和流量。上文所述的噴霧角與防堵塞性都是噴嘴自身的性質，結合環境因素確定最佳作業粒徑后已經能夠選出噴嘴的具體類型與型號。最后，依據防治要求的作業量并結合無人機的飛行速度，能夠計算出每畝地塊所需噴施量，進而確定噴霧流量與噴霧壓力。根據以上噴嘴選型思路，本文建立了基于多因素的施藥決策流程圖，如圖6所示。

圖6 噴嘴選型流程示意圖

可以看出，噴嘴選型受多方面因素的影響，而本文所列的噴霧角、防堵塞需求、壓力與流量以及最佳作業粒徑基本涵蓋了噴嘴的性能指標。然而，僅僅根據這些因素結合復雜的作物、病害與噴施環境難以應對變化多、維度廣的農田環境。針對霧滴飄移規律，Teske等[86]建立了AGDISP（agricultural dispersion)和AGDRIFT（agricultural drift）預測模型，對模型輸入噴嘴型號、藥液種類、飛機類型、氣象因素等就能夠有效預測霧滴潛在飄移。類似地，針對高效合理的噴嘴選型，有必要設計噴嘴選型決策系統來指導農民實際生產施藥。例如，建立軟件數據庫時能直接獲取的信息有：各型號噴嘴的噴霧角、防堵塞能力、壓力與流量之間的變化關系以及不同壓力流量下的霧滴粒徑；常見作物及其病害與適用藥劑、助劑以及指導施用藥量；生物最佳粒徑理論所建議的防治不同病害的最佳霧滴粒徑范圍。而需要試驗獲取的信息有不同風速、溫濕度條件下霧滴沉積分布的均勻性與覆蓋率等檢驗藥液防治效果的直接指標；無人機作業高度、飛行速度以及旋翼下壓風場對霧滴沉積的影響等；而需要作業人員實際使用時輸入的參數僅有作物種類、病害、作物長勢、作物種植間距以及作業時的溫濕度、風速、風向等氣象因素。

4 結論與展望

綜上所述，無人機施藥具有作業地點靈活、作業方式高效等優勢，在幾年發展迅速，已成為農業病害防治的重要手段之一。但與地面植保機械相比發展仍不成熟，并且實驗室條件下的研究與實際噴施作業之間仍存在“脫節”現象，過快的發展速度與相關作業人員培訓力度不配套，實際作業時缺乏專業的指導與監管。由此可見，專業的噴嘴選型與施藥指導是推動植保無人機有序合理發展的關鍵條件，目前在無人機施藥的發展過程中仍存在一些急需解決的問題，具體體現在：1）目前植保無人機施藥時的噴嘴選型相對局限，大多根據地面植保機械的要求進行噴嘴選型，缺乏對作物病害、藥劑、作業環境等多方面因素的綜合分析，而不合理的施藥容易引發“藥害”等問題。2）目前研究大多圍繞現有噴嘴的性能測試與霧滴沉積飄移影響因素展開，基于液力霧化噴嘴的研究較多而針對離心霧化噴嘴的研究較少，并且很少針對無人機高濃度低容量的施藥特點研發無人機植保專用噴嘴。

針對現有問題，今后的研究可圍繞以下幾方面深入展開：1）建立更為完善的多因素噴嘴選型與施藥決策流程，將專業性與規范性融入無人機植保作業；整合現有的農業資源信息與研究成果，設立專用數據庫并開發一套結合多因素的噴嘴選型決策系統，應對復雜多變的農田施藥環境。2）結合旋轉離心霧化噴嘴霧化均勻、霧滴大小可控、防堵塞性能好以及液力霧化噴嘴霧滴霧滴譜寬、穿透力強、成本低的優勢，研發霧化均勻、飄移少、穿透力強的植保無人機專用噴嘴，將噴嘴的理論研究與專用化生產緊密結合，規范噴施作業。

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Development situation and spraying decision of spray nozzle for plant protection UAV

He Yong1, Xiao Shupei1, Fang Hui1※, Dong Tao1, Tang Yu2, Nie Pengcheng1, Wu Jianjian1, Luo Shaoming2

(1.,,310058,;2.,,510225,)

The low utilization rate of pesticides is one of the important factors that affect the agricultural ecological environment as well as the quality and safety of agricultural products, while optimizing pesticide spraying technology is an effective means to improve the pesticide utilization rate. As one of the most important components in the aerial pesticide application in the field, UAV (unmanned aerial vehicle) spraying has developed rapidly with advantages of strong flexibility, high spraying efficiency and fast operation speed. As a key component of aviation spraying system, nozzle for UAV plant protection is mainly divided into 2 categories, i.e. the hydraulic atomization nozzle and the centrifugal atomization nozzle. The common used hydraulic atomization nozzle mainly contains fan nozzle and cone nozzle, and fan nozzle has various types and has been applied more widely. The centrifugal atomization nozzle has an adjustable droplet size with better anti-blocking performance, but the high price and low droplet penetration have restrained its fast development. Besides, the good performance of nozzle can greatly improve the uniformity of the aerial spraying and reduce droplet drift, enhancing the pesticide utilization efficiency. Thus this paper put forward the nozzle performance evaluation index, which included the nozzle type, spray angle, volume median diameter (VMD), features and applications. Beyond this, the amount of droplet deposition, coverage rate and droplet distribution are important indices to evaluate the spray performance. Therefore, the measuring methods of droplets were summarized from 3 aspects, including droplet collection method, droplet deposition test method and instrument test method. Among them, the droplet collection method included magnesium oxide plate method, silicon oil method and test paper method; the droplet deposition test method included colorant method and fluorescent particle tracing method; the instrument test method included phase Doppler particle analyzer (PDPA), particle/droplet image analyzer (PDIA) and laser diffraction analyzer. The traditional droplet size measurement methods such as magnesium oxide plate method and silicon oil method are gradually replaced by paper card method, which is widely used in the measurement of droplet coverage and distribution. The colorant method and fluorescent particle tracing method are widely used in the measurement of droplet deposition, and the instrument measurement method has the advantages of high precision and large amount of information, which can play a great role in indoor experiment. However, the nozzle selection for UAV plant protection often refers to the ground machinery, which lacks standard and professional guidance. The problems of droplet drift and pesticide loss exist in the application of UAV spray, and the utilization rate of pesticides needs to be improved. On this basis, this paper proposed that the rational spray decision should be based on the comprehensive analysis of target crop, spraying demand and spraying environment condition. The target crops information covers crop growth, leaf surface properties and leaf inclination; the spraying demands mainly refer to the determination of appropriate pesticides, dosage forms and adjuvants according to the control objectives of disease control, pest control or weeding; the influence of environmental factors mainly refers to the evaporation and drift of droplets caused by the changes of temperature, humidity, wind speed and wind direction. As the field environment is an uncontrollable environment, it is necessary to develop a selection scheme for the spraying characteristics of high concentration and low capacity for UAV, aiming at the best deposition effect and least droplet drift. Under the influence of spray equipment, target crops and pesticide application environment, the interaction between those factors determines the selection of optimal nozzle and spraying parameters. In this paper, spray angle, anti-blocking requirement, optimum droplet size, nozzle pressure and flow rate are the crucial points for nozzle selection. Finally, the further research is prospected from 2 aspects: the establishment of the specialized nozzle determination system and the research and development of the specialized nozzle for plant protection of UAV.

unmanned aerial vehicle; pesticide; nozzles; classification; droplet measurement means; nozzle selection; spray decision

何 勇，肖舒裴，方 慧，董 濤，唐 宇，聶鵬程，吳劍堅，駱少明. 植保無人機施藥噴嘴的發展現狀及其施藥決策[J]. 農業工程學報，2018，34(13)：113－124.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.014 http://www.tcsae.org

He Yong, Xiao Shupei, Fang Hui, Dong Tao, Tang Yu, Nie Pengcheng, Wu Jianjian, Luo Shaoming. Development situation and spraying decision of spray nozzle for plant protection UAV[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the Cshiyao SAE), 2018, 34(13): 113－124. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.014 http://www.tcsae.org

2018-01-14

2018-04-04

國家重點研發計劃課題（2016YFD0200701）

何 勇，教授，博士生導師，主要從事數字農業、3S技術與農業物聯網方面研究。Email：yhe@zju.edu.cn

方 慧，副教授，博士，主要從事精細農業信息采集與處理方面的研究。Email：hfang@zju.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.014

S251

A

1002-6819(2018)-13-0113-12