不同作業(yè)參數(shù)下植保機(jī)噴霧沉積試驗(yàn)分析

包玉花

（溫州科技職業(yè)學(xué)院，浙江 溫州 325006）

農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展命脈,農(nóng)業(yè)航空施藥是保障國家生態(tài)安全的有效措施,農(nóng)業(yè)航空精準(zhǔn)化在我國發(fā)展迅速,植保無人機(jī)具有適應(yīng)能力強(qiáng),作業(yè)效率高,節(jié)省勞動(dòng)力,節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn),在農(nóng)業(yè)航空領(lǐng)域擁有非常好的發(fā)展空間,噴頭的霧滴粒徑和對(duì)靶標(biāo)作物的覆蓋率等霧化性能直接影響藥液的噴灑質(zhì)量。

多旋翼無人機(jī)植保技術(shù)已廣泛應(yīng)用于多種復(fù)雜農(nóng)作物植保場景中,作業(yè)效率大大提高,但農(nóng)藥的利用率仍有待提高.對(duì)于具有一定縱深的植株,霧滴較難吸附于植物隱蔽部位,致使防蟲防病效果不理想.靜電噴霧技術(shù)利用靜電效應(yīng)使霧滴吸附于植株隱蔽部位,可有效提高霧滴吸附效果,增加霧滴在靶標(biāo)正背面的沉積率,進(jìn)而可提高農(nóng)藥的使用率.因此將無人機(jī)植保技術(shù)與靜電噴霧技術(shù)相結(jié)合可提高作業(yè)效率和施藥效果.由于在不同噴霧參數(shù)下霧滴沉積效果不同,因此需要研究不同條件下植保無人機(jī)靜電噴霧霧滴沉積效果,探尋最優(yōu)理論噴霧參數(shù),對(duì)我國實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥零增長具有重要意義。

本文為了研究植保無人機(jī)不同作業(yè)參數(shù)對(duì)霧滴分布影響,主要采用理論分析,數(shù)值模擬,水敏紙霧滴沉積檢測,試驗(yàn)研究相結(jié)合等研究方法,運(yùn)用高清攝影儀拍攝圖像,編寫霧滴霧化效果的圖像處理程序"Nozzle Droplet Analysis"(噴頭液滴分析),研究了植保無人機(jī)不同作業(yè)參數(shù)對(duì)霧滴在灌漿期水稻植株上分布的影響。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下:為解決水稻生長中后期車載式植保機(jī)械機(jī)動(dòng)性差、對(duì)棉株的傷害大、費(fèi)藥費(fèi)水的問題，組裝了1 臺(tái)多旋翼植保機(jī)。為了研究該多旋翼植保機(jī)在棉田施藥的情況，試驗(yàn)采用水敏紙對(duì)噴霧的沉積量、沉積密度、霧滴中直徑等參數(shù)進(jìn)行采樣和分析，研究分析了多旋翼植保機(jī)在不同飛行高度、不同速度及不同型號(hào)噴嘴工作參數(shù)下對(duì)噴霧的均勻性及沉積量等的影響，通過交叉試驗(yàn)找出作業(yè)參數(shù)的較優(yōu)組合。結(jié)果表明：飛行速度為 5 m/ s，飛行高度為 2.5 m，噴嘴型號(hào)選取01.5（內(nèi)腔直徑為 1.5 mm），多旋翼植保機(jī)噴霧均勻、工作效率高、施藥效果較好。

一、試驗(yàn)材料與方案

試驗(yàn)系統(tǒng)組成

該多旋翼植保機(jī)是四旋翼無人機(jī)。操作控制部分由飛行控制器、GPS定位系統(tǒng)、數(shù)鏈、電子羅盤、超聲波、電調(diào)、無線遙控系統(tǒng)等組成。多旋翼植保機(jī)噴灑系統(tǒng)主要由藥箱、水泵、水泵控制器、流量計(jì)、扇形噴頭及水管等組成。將藥箱安裝在飛行器的重心處，扇形噴頭安裝在各電機(jī)下方的機(jī)架上（螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生軸向推力，可輸送霧滴快速到達(dá)標(biāo)靶），可以噴灑各類農(nóng)藥，更換不同型號(hào)的霧化部件以滿足不同的作業(yè)要求。該多旋翼植保機(jī)可以實(shí)現(xiàn)自主飛行、精準(zhǔn)噴灑、智能規(guī)劃作業(yè)航線等功能，以上功能為多旋翼植保機(jī)施藥提供了很好的穩(wěn)定性，保證了后續(xù)試驗(yàn)的可靠性。

試驗(yàn)材料及設(shè)備

該多旋翼植保機(jī)單次作業(yè)時(shí)間為 10～15 min，可作業(yè)高度 1～30 m，最大飛行速度 6 m/s，藥箱容積10 L，施藥不受地形和作物高低的限制。試驗(yàn)還需準(zhǔn)備水、水桶、水敏紙、霧滴分析軟件、掃描儀、橡膠手套、密封袋、溫度計(jì)、風(fēng)速測量儀等。

試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)在溫州瑪納斯縣水稻田進(jìn)行，水稻在生育期。試驗(yàn)地塊為 21 m×100 m（約0.21hm）2的區(qū)域。試驗(yàn)時(shí)，需要定時(shí)測量和記錄該試驗(yàn)期間的溫度、風(fēng)速和相對(duì)濕度。

試驗(yàn)條件

環(huán)境溫度 33 ℃，相對(duì)濕度 30%，環(huán)境風(fēng)速 0.8～1.4 m/s，噴嘴流量 1.25 L/min，噴霧壓力 1.0 MPa。

二、試驗(yàn)結(jié)果與分析

多旋翼植保機(jī)施藥試驗(yàn)方案與結(jié)果分析

為探究該多旋翼植保機(jī)在不同飛行速度、高度和不同型號(hào)的噴嘴作業(yè)對(duì)霧滴沉積密度、霧滴直徑和覆蓋率的影響，本試驗(yàn)采用綜合平衡法，選出較優(yōu)組合，試驗(yàn)方案與結(jié)果分析。因素主次順序?yàn)椋篈 B C，選定較優(yōu)組合為：A2B2C2。當(dāng)然，還要進(jìn)一步做校核試驗(yàn)，以確定最優(yōu)組合。

使用綜合加權(quán)評(píng)分法進(jìn)一步校核試驗(yàn)，經(jīng)計(jì)算得出綜合加權(quán)評(píng)分值，最后按單指標(biāo)分析出總的結(jié)果。

（一）水稻各采樣點(diǎn)的沉積密度

霧滴沉積密度是衡量農(nóng)藥藥效發(fā)揮好壞的指標(biāo)，使用水敏紙來檢測該多旋翼植保機(jī)在水稻植株各層的霧滴沉積密度如表 1。

表1 多旋翼植保機(jī)施藥霧滴在水稻各采樣點(diǎn)的沉積密度（單位：滴·cm-2）

由表 1 可以看出：上層正面和中層正面沉積密度較大，其余采樣點(diǎn)沉積密度都較小。這說明該多旋翼植保機(jī)低量施藥作業(yè)時(shí)，螺旋槳的下旋風(fēng)在水稻中層以下對(duì)霧滴的穿透性急劇減小。農(nóng)藥藥效的發(fā)揮在下層的效果要小于上層和中層。

（二）霧滴分布均勻性

施藥時(shí)的現(xiàn)場風(fēng)速、濕度和溫度會(huì)影響霧滴的沉積量和漂移。為了分析 01.5 噴嘴噴霧霧滴分布的均勻性，本文使用霧滴沉積量分布變異系數(shù)CV 來衡量該多旋翼植保機(jī)噴霧的均勻性。

（三）定速或定高施藥霧滴的分布情況

探究多旋翼植保機(jī)定速或定高作業(yè)各對(duì)霧滴沉積密度和霧滴直徑的影響時(shí)，選用水敏紙采集霧滴，霧滴在水敏紙上會(huì)有很小的擴(kuò)散造成系統(tǒng)誤差，但水敏紙能夠近似反映出霧滴分布情況，提供理論依據(jù)。每組試驗(yàn)取上層正面 6 個(gè)采樣點(diǎn)。

三、討論

通過田間試驗(yàn)得出該多旋翼植保機(jī)施藥霧滴分布的數(shù)據(jù)表明：該植保機(jī)噴霧較均勻，作業(yè)效率高，施藥效果較好。為研究該多旋翼植保機(jī)在不同作業(yè)參數(shù)下的霧滴分布情況，根據(jù)各組試驗(yàn)采樣數(shù)據(jù)，分析水稻各冠層的霧滴沉積分布。借助綜合平衡法與綜合加權(quán)評(píng)分法分析得出作業(yè)參數(shù)設(shè)置為飛行速度 5 m/s、飛行高度 2.5m、噴嘴型號(hào)選取 01.5 時(shí)，該多旋翼植保機(jī)施藥效果最好，噴灑較均勻，農(nóng)藥在水稻植株上層和中層的沉積量相對(duì)較多，有效利用率較高，防治效果較好，但是下層的農(nóng)藥利用率使用較低。借助控制飛行速度方法分析霧滴分布情況可知：當(dāng)作業(yè)高度升高時(shí)，下旋風(fēng)不能完全穿透水稻葉片，因此霧滴在到達(dá)標(biāo)靶之前，自然風(fēng)速、風(fēng)向和溫度都會(huì)較大程度的影響霧滴的分布情況，造成霧滴飄移、沉積量下降；而飛行高度降低時(shí)，大部分霧滴會(huì)隨著下旋風(fēng)穿透水稻冠層沉積到地面，標(biāo)靶上的霧滴沉積量就會(huì)下降，造成農(nóng)藥的浪費(fèi)和污染環(huán)境。上述結(jié)論表明，本文所做分析對(duì)多旋翼植保機(jī)的應(yīng)用與發(fā)展具有一定程度的指導(dǎo)意義。