玉米植保無人機熱霧噴施系統設計與霧滴分布特性試驗

劉立超 孫可可 張千偉 陳黎卿 程備久 鄭 泉

(1.安徽農業大學工學院， 合肥 230036； 2.合肥綜合性國家科學中心人工智能研究院， 合肥 230036；3.安徽農業大學生命科學學院， 合肥 230036)

0 引言

玉米是中國主要糧食作物之一，2021年種植面積達4.332×107hm2，對保障我國糧食戰略安全具有重大意義[1]。黃淮海平原每年玉米種植面積約占全國的35%，小麥秸稈覆蓋還田負效應使得該區域玉米中后期病蟲次生害加劇，制約了玉米產量的提升[2]。玉米生長中后期田間郁閉，行距窄且形成封行，傳統人工防控效率低且易中暑中毒，而現有的大型噴桿式噴霧機入行難，壓苗傷苗率高[3-4]。在當下農村勞動力短缺的背景下，植保無人機技術發展迅速，采用植保無人機進行玉米中后期病蟲害防控是目前較合理的解決方案[5]。但由于現有植保無人機霧滴粒徑普遍較大，難以穿透玉米冠層，藥液無法直接噴施到病蟲害發生部位，其防治效果還有待提升[6-7]。脈沖煙霧機由于藥液霧化粒徑小，具有較強的穿透能力，其在林業和衛生防疫方面應用廣泛[8-9]，部分學者也將其應用在大田農作物的病蟲害防控中，結合行間自走式底盤，實現玉米中后期的病蟲害防治[10-13]。利用植保無人機的高效作業性能與煙霧載藥技術及低量噴霧技術相融合，實現無人機的噴煙作業，可為高稈、密植作物的有效病蟲害防治提供新的手段[14]。由于該裝備在大田農業中的應用尚處于探索階段，其在玉米植保中的霧滴沉積特性尚需進一步研究。

作物冠層內霧滴的沉積效果是決定施藥質量的關鍵因素，冠層內霧滴沉積均勻性與防治效果具有顯著一致性[7,15]。近年來國內外學者對植保無人機在不同作物上的霧滴沉積分布規律進行了大量研究，張宋超等[16]利用單旋翼直升機開展了玉米植保作業的霧滴沉積效果研究，為無人機噴霧系統的優化設計、提高噴灑效率等提供了一定的技術依據。許童羽等[17]以粳稻為試驗對象，研究發現植保無人機低空噴霧在水稻垂直方向的霧滴覆蓋率存在顯著差異性。王昌陵等[18]、陳盛德等[19]分別研究了多旋翼無人機下洗氣流三維矢量對有效噴幅內霧滴沉積量及沉積穿透性的影響，均發現Z向風速對霧滴沉積量及沉積穿透性影響更加顯著。AHAMD等[20]通過單旋翼無人機雜草防治試驗，發現隨飛行高度和速度的降低，下洗氣流對作物冠層影響增強，霧滴沉積量、霧滴密度呈增長趨勢。SHAN等[21]還研究了作物冠層形態特征對無人機霧滴穿透沉積的影響情況。

脈沖煙霧機的熱力霧化方式及低量噴霧技術若能與高效率的植保無人機有機結合，可實現植保無人機的低容量噴霧，提高霧滴穿透能力。因此，本文針對玉米中后期封行后的病蟲害防控難題，提出植保無人機搭載熱霧噴施系統的植保作業方案，設計熱霧噴施管路與遙控作業系統，開展熱霧植保無人機在玉米中后期的霧滴沉積分布特性試驗，并研究玉米田間不同采樣點的霧滴粒徑、密度、覆蓋率及沉積率等參數指標，以期為熱霧植保無人機在玉米中后期植保的有效應用提供參考。

1 試驗裝置與方法

1.1 玉米熱霧植保無人機結構

玉米熱霧植保無人機結構如圖1所示，其中無人機平臺采用大疆T20型植保無人機，熱霧噴施系統由市場上現有的6HYC系列煙霧機模塊化設計改裝后形成獨立系統安裝在植保無人機腳架上。熱霧噴施系統主體為脈沖式發動機，主要結構包括燃燒室、噴管、化油器以及啟動點火裝置等，如圖2所示。工作時脈沖式發動機體內氣流自激自吸形成脈動燃燒振蕩過程，并利用振蕩過程中燃燒室內氣流的壓力波動實現自動吸氣、吸油及泵藥[22]。熱霧噴施系統的啟停由自主開發的遙控系統實現，通過手持遙控器發送指令給熱霧噴施系統的控制盒，實現煙霧機的一鍵啟動和熄火功能。其中啟動過程由控制盒內單片機控制氣泵運行和火花塞點火，煙霧機啟動完成后氣泵和火花塞停止供電；熄火時控制盒內單片機使電磁閥通電，將化油器進氣口彈簧擋片下推至封閉進氣口，實現煙霧機停機操作。由于加裝熱霧噴施系統會降低植保無人機額定載藥量，為減少熱霧噴施系統對植保無人機載藥量的影響，除脈沖發動機本體外，其余部分均采用輕質材料，熱霧噴施系統質量為3.5 kg，熱霧植保無人機主要技術參數如表1所示。

圖1 熱霧植保無人機結構示意圖Fig.1 Structure diagram of thermal fog plant protection UAV1.植保無人機 2.控制盒 3.脈沖式煙霧機 4.藥液管路 5.油箱

圖2 熱霧噴施系統結構示意圖Fig.2 Structure diagram of thermal spray system1.油箱 2.油閥 3.氣泵 4.化油器 5.火花塞 6.彈簧擋片 7.電磁閥 8.控制盒 9.燃燒室 10.保護罩 11.藥液噴嘴 12.噴管

熱霧噴施系統的藥液輸入部分由大疆植保無人機原有4路噴灑系統匯聚后接入藥液噴嘴，噴施流量由大疆植保無人機配套遙控器控制調節。根據煙霧機霧化介質不同，藥液噴出時的霧化效果也有較

表1 玉米熱霧植保無人機主要技術參數Tab.1 Major performance parameters of thermal fog plant protection UAV

大差異。煙霧機霧化油溶劑農藥或添加0號柴油等煙霧助劑時，霧化效果相較于水溶劑農藥具有明顯優勢，霧化水溶劑農藥時，若噴藥流量較大易出現霧滴過大或滴液、流液等現象，影響藥液均勻噴施，因此在熱霧植保無人機作業過程中，噴霧系統流量需控制在合理范圍以達到良好的霧化效果。

1.2 熱霧噴施管路與遙控系統設計

1.2.1管路系統

管路系統是連接無人機和脈沖式煙霧機2個獨立裝置的關鍵系統，包括藥液管路、氣路和油路。如圖3所示。藥液管路的流量由植保無人機流量控制系統進行調節，最大流量為6 L/min。根據原有植保無人機4路噴灑系統的控制特點，將第1和第4管路通過三通管進行匯聚，再將第2和第3管路匯聚，最后再通過一組三通管將兩組匯聚后的藥液管路連接到熱霧機噴嘴，以保證植保無人機不同飛行狀態下低流量作業時藥液供給的均勻性。

圖3 管路系統連接示意圖Fig.3 Schematic of piping system connection

氣體管路主要為熱霧機啟動時引入高速氣流，熱霧機點火時，氣泵將空氣壓入化油器，與汽油在化油器內混合后進入燃燒室。混合氣體被火花塞點燃后，隨即進入自激自吸脈動燃燒過程，此時無需氣泵和火花塞繼續參與工作。油液流量由油閥開閉程度控制，為提高整機安全性，將油箱布置在遠離熱霧機噴管等熱源位置。

1.2.2噴霧遙控系統

市場上現有熱霧機多采用手動啟動方式，無法適配植保無人機遙控作業需求，為此根據熱霧機啟動條件和啟動特點，設計了熱霧機噴霧遙控系統。以STM32單片機為控制核心，集成繼電器、電壓轉換、電平轉換及遙控接收端等模塊，實現對氣泵、火花塞及電磁鐵的工作狀態控制，從而控制熱霧機遙控啟停。遙控系統控制框圖如圖4所示。

圖4 噴霧遙控系統控制框圖Fig.4 Control block diagram of spray remote control system

熱霧機啟動時，遙控接收機接收到遙控器發送的啟動指令，單片機解析指令后通過I/O口輸出高電平，再經MAX3232芯片輸出5.5 V電壓控制繼電器1開關閉合，此時氣泵和火花塞同時通電開始工作，熱霧機順利啟動后即可松開遙控器啟動按鈕完成啟動過程。遠程熄火時遙控器發出熄火控制信號，接收端處理信號后控制繼電器2閉合，此時電磁鐵通電，將化油器進氣口彈簧擋片推下，阻斷化油器進氣，完成熱霧機熄火過程。為防止熱霧機損壞熱霧機噴管，熄火前應先關閉噴灑系統藥閥開關。

圖6 水敏試紙布置示意圖Fig.6 Layout diagram of water sensitive test paper

1.3 試驗方法

1.3.1試驗場地與材料

試驗于2021年10月13日在安徽省合肥市安徽農業大學農萃園試驗基地進行。試驗當天為多云天氣，平均氣溫21℃，東風，風速0.6～1.2 m/s，相對濕度為48%。試驗地種植玉米為晚熟鮮食玉米品種，處于灌漿期，平均株高約為1.75 m，種植行距為60 cm，平均株距為25 cm。霧滴采樣使用規格為35 mm×110 mm的水敏試紙，底色為黃色，遇水后變為藍色，可用于檢測田間霧滴的分布狀態。根據前期預試驗對植保無人機飛行高度、作業幅寬及施藥量等參數的匹配計算結果，設置無人機飛行高度為4 m，飛行速度為2 m/s，施藥流量設置為1 L/min，并以清水代替農藥進行試驗。為降低晨晚田間霧水的影響，試驗選在下午進行，試驗現場如圖5所示。

圖5 田間試驗現場Fig.5 Field test site

1.3.2采樣點布置

在試驗田塊中選擇30 m×20 m的試驗區域進行采樣點布置，包括水平采樣點和垂直采樣點。其中水平采樣點用于測量霧滴分布的幅寬和不同粒徑霧滴沉積分布規律，垂直采樣點用于采集玉米不同高度層間的霧滴分布情況。水平采樣點設置3組，每組布置10個水敏試紙采樣點，每個水敏試紙采樣點位置間隔為1 m，每組間距為5 m。垂直采樣點設置為3層，分別在各水平采樣點距離地面為0.25 m(底層)、0.75 m(中層)以及1.50 m(冠層)處設置，每個采樣點分別在玉米葉片正面和背面布置水敏試紙，形成立體采樣點。此外，在每個水平采樣點對應地面上也布置一組試紙，測試霧滴在地面的分布情況，田間試驗試紙布置示意圖如圖6所示。根據前期預試驗結果分析，在外界風場干擾較小情況下，霧滴從煙霧機噴管噴出后主要集中分布在噴管前方(無人機右側)，小部分霧滴受到旋翼風場擾動后分布在無人機左側位置，因此，在試驗時將煙霧機噴口位置對應于第3個水敏紙，以達到合理檢測霧滴分布情況的目標。在試驗過程中植保無人機飛行作業1次，3組試紙結果取均值代替重復試驗。設立起飛階段和熄火階段區域，以消除藥液噴施不均勻產生的影響。

1.4 霧滴沉積測定

水敏試紙上的霧滴粒徑、霧滴數量及霧滴覆蓋率等參數由圖像處理軟件DepositScan分析得到。在獲取試驗完成的水敏試紙后，首先對試紙進行掃描處理，采用分辨率為600 dpi的灰度掃描模式進行掃描，并將掃描得到的圖像導入DepositScan中進行處理，處理前后的水敏試紙如圖7所示，圖7b中，黑色區域為背景，白點為不同大小的霧滴。

圖7 水敏試紙原圖與處理結果Fig.7 Water-sensitive test paper original drawing and processing diagram

圖8 玉米各層采樣點霧滴粒徑與密度分布圖Fig.8 Distributions of droplet size and density at sampling points of each layer of corn

數據分析處理后，軟件可輸出DV10、DV50、DV90和NMD，其中DV10、DV50、DV90分別表示體積累加到10%、50%、90%時霧滴直徑，NMD為霧滴數量中值直徑。同時軟件可計算出霧滴沉積密度、平均沉積量、霧滴覆蓋率及霧滴譜寬度等指標。

2 試驗結果與分析

2.1 霧滴粒徑與霧滴密度分布

圖8為本研究試驗獲得的玉米田間不同采樣位置葉片正反面霧滴粒徑和霧滴密度的分布情況，其中，圖6中7 m位置的試紙由于霧滴覆蓋較少，因此不對其進行分析。可以看出，玉米各層采樣點處霧滴粒徑分布范圍較廣，冠層正面的霧滴DV90與DV10相差達400 μm左右。3組垂直采樣層中，葉片正反面的DV10均小于50 μm，NMD也均在50 μm左右，而DV50相較于DV10和NMD波動較大，主要集中在距噴管管口0～2 m的位置，該區域葉片正面的DV50均明顯高于葉片反面。由于霧滴粒徑與農藥藥效之間存在生物最佳粒徑的關系，不同生物靶標捕獲的霧滴粒徑范圍不同，只有在最佳粒徑范圍內，靶標捕獲的霧滴數量最多，防治效果也最佳。對于飛行昆蟲而言，生物最佳粒徑為10～50 μm；作物葉面爬行類害蟲幼蟲的生物最佳粒徑為30～150 μm；植物病害和雜草生物最佳粒徑分別為30～150 μm和100～300 μm。由此可見，本試驗采用的熱霧噴施方式，由于霧滴粒徑跨度較大，有利于不同生物靶標捕獲對應的最佳粒徑，可同時對作物的不同種類病蟲害進行綜合防治。

由于藥液集中從脈沖發動機管口噴出，并在霧滴自重和旋翼風場的作用下落入采樣區域，因此，在管口前端附近位置的霧滴密度明顯高于其他區域，結合玉米冠層、中層和底層的霧滴垂直分布情況可以看出，在不同采樣層的霧滴粒徑和密度變化趨勢總體上也保持一致，均是先增大后減小，在距離噴口前方1 m左右位置達到最大值。從同一采樣點處葉片正反面的霧滴分布情況可以看出，不同采樣層內葉片正面霧滴粒徑的DV10、DV50、DV90及NMD多數大于對應位置的葉片反面，其中在霧滴密度最大值附近的DV50和DV90表現最為明顯，其中DV50最大相差5.08倍，DV90最大相差3.15倍。從整體看，霧滴在-2～6 m的水平采樣區域內分布均勻性較差。

由圖8a可以看出，在距噴管管口前方1～2 m的霧滴密集分布區域，玉米冠層正面的霧滴DV50均高出煙霧機常規作業時的霧滴體積中徑[22]。煙霧機常規作業時，霧滴從管口噴出后在燃燒室氣流的作用下逐步擴散，均勻性較好，而煙霧機搭載在植保無人機上時，由于旋翼風場的作用，霧滴會迅速下落與玉米冠層接觸，此時玉米冠層正面存在大粒徑霧滴浸染或霧滴重疊、黏連等情況，導致霧滴粒徑增大。結合冠層葉片反面霧滴粒徑和密度分布情況可以看出，冠層葉片反面的霧滴粒徑更加細小均勻，因此對應的霧滴密度也高于葉片正面，距噴口前方1 m位置葉片反面霧滴密度為正面的1.58倍，達到332個/cm2，距噴口前方2～3 m位置由于正反面霧滴粒徑差異更大，導致葉片反面霧滴密度與正面差異更明顯。

圖8b、8c為玉米中層及底層霧滴粒徑和密度分布情況，實際作業過程中，冠層試紙易受到風力作用產生搖擺，而中層和底層的試紙位置受風力影響較小。可以看出，中層和底層的霧滴粒徑和密度相較于冠層逐步減小，在水平采樣區域內的霧滴參數變化趨勢與冠層總體保持一致，中層葉片正反面霧滴密度最大分別達到232、170個/cm2，最小密度也均超過20個/cm2。霧滴在噴管氣流和旋翼風場的共同作用下進入玉米行間，與植株產生接觸、碰撞并最終沉積在植株不同部位。由于葉片反面霧滴粒徑普遍小于葉片正面，在噴口前方3 m位置之后，葉片反面霧滴密度均大于葉片正面。從玉米中層和底層的霧滴密度分布情況可以看出，植保無人機搭載熱霧噴施系統，霧滴可有效穿透玉米中后期植株冠層，實現對玉米果穗部位的病蟲害防控。

2.2 地面霧滴粒徑與密度分布

為研究熱霧噴施系統作業時地表霧滴沉積情況，分析了地面布置的一組試紙霧滴分布數據，如 圖9所示。從整體上看，霧滴粒徑變化范圍不大，總體與圖8中玉米底層霧滴粒徑分布趨勢相近，地表霧滴的DV10為40 μm左右，DV50為75 μm左右，說明霧滴粒徑較小，其中心區域的霧滴密度達176個/cm2，隨著遠離噴口位置，霧滴密度緩慢降低，在距管口前方6 m處，霧滴密度降低為40個/cm2，但仍高出玉米底層采樣點的霧滴密度。由此可見，霧滴在擴散漂移過程中，一部分未與玉米植株產生接觸，最終落入地表，該部分霧滴在玉米植株病蟲害防治過程中起到的作用不大。

圖9 地面霧滴粒徑與霧滴密度分布Fig.9 Droplet size and droplet density distribution on ground

2.3 霧滴覆蓋率與霧滴沉積率分布

圖10為霧滴覆蓋率參數在玉米田間不同水平采樣點和不同垂直采樣層間的變化情況，本研究中霧滴覆蓋率為水敏試紙浸染面積與采樣面積百分比。由圖10可以看出，在距噴口前方1 m位置各垂直采樣層葉片正面的霧滴覆蓋率均取到最大值，從上層到地表的覆蓋率依次遞減，分別為18.02%、13.48%、4.37%和2.11%，此位置冠層反面的霧滴覆蓋率也較大，達到7.91%。相較而言，玉米中層、底層及地表的霧滴覆蓋率則在噴口位置達到最大值，分別為2.85%、1.15%和6.25%。結合圖8可以看出，在距離噴口前方3 m之后的區域，盡管霧滴密度均超過20個/cm2，部分區域甚至超過100個/cm2，但是由于該區域霧滴粒徑均比較小，DV50均為50 μm左右，所以該區域霧滴覆蓋率均小于1%，多數在0.5%左右。

圖10 田間試驗葉片霧滴覆蓋率分布Fig.10 Field test leaf droplet coverage distribution

圖11為各采樣點對應的霧滴沉積量分布情況，霧滴沉積量指在單位面積上霧滴沉積的質量[5]。從圖11可知，霧滴沉積量和霧滴覆蓋率在整體變化趨勢上保持了高度的一致性。在距噴口前方1 m位置，冠層葉片正面霧滴沉積量達到最大值，為0.36 μL/cm2，該位置玉米中層正面霧滴沉積量為0.17 μL/cm2，底層為0.04 μL/cm2，同樣呈遞減趨勢，而玉米底層霧滴沉積量最大值位于噴口處，為0.15 μL/cm2。分析葉片反面霧滴沉積量情況可以看出，冠層位置霧滴沉積量同樣達到最大值，為0.17 μL/cm2，約為正面霧滴沉積量的0.5倍。玉米中層和底層霧滴沉積量的最大值均位于噴口處，分別為0.05、0.08 μL/cm2，此位置地表的霧滴沉積量為0.15 μL/cm2。從設置的水平采樣長度范圍可以看出，植株中層和底層葉片反面的霧滴沉積量均小于地表，這與霧滴覆蓋率的數據趨勢也高度吻合。

圖11 田間試驗葉片霧滴沉積量分布Fig.11 Field test leaf droplet deposition distribution

2.4 霧滴譜寬度

霧滴譜寬度指霧滴分布的均勻程度，通常用體積中值直徑與數量中值直徑的比值(VMD/NMD)，或90%累積體積直徑和10%累積體積直徑的差值與體積中值直徑的比值來表示[23]。表2為不同采樣點處采用VMD/NMD比值計算得到的霧滴譜寬度。由表2可以看出，除位置1 m處中層正面和位置2 m處冠層正面的霧滴譜寬度大于2 μm以外，其他采樣點的數據均符合標準規定的低容量噴灑條件下霧滴譜寬度小于等于2.0 μm的技術指標[23]。由于噴口前方1～2 m位置霧滴分布較為集中，存在霧滴重疊、黏連等現象，因此其霧滴譜寬度較其他區域會偏大，對應位置垂直采樣層的霧滴譜寬度數值波動也更加明顯，噴口前方1、2 m處的垂直采樣區域霧滴譜寬度均值、標準差分別為(1.58±0.25) μm和(1.73±0.63) μm，在距離噴口4～6 m位置，由于霧滴粒徑普遍較小，霧滴譜寬度較為均勻。冠層正面霧滴譜寬度均值和標準差均達到最大值，為(1.69±0.55) μm，同一采樣層葉片反面霧滴譜寬度的均值和標準差均小于葉片正面，可見葉片反面的霧滴粒徑整體更加均勻。

表2 不同采樣點處霧滴譜寬度分布Tab.2 Droplet spectral width distribution at different sampling points μm

3 討論

通過分析熱霧植保無人機在玉米灌漿期噴霧作業的測量數據可以看出，霧滴密度、覆蓋率和沉積率等指標均存在單一峰值的情況，且在距噴口0～2 m區域的霧滴參數指標較為突出，由于存在玉米植株遮擋，霧滴在水平和垂直方向的擴散過程均受到較大影響，限制了噴霧擴散的均勻性。結合熱霧噴施系統單噴管噴施的結構特點，若想提高霧滴覆蓋的均勻性，可從熱霧噴施系統結構上加以改進，以實現霧滴在有效作業幅寬內水平方向的覆蓋均勻性。

植保無人機有效噴幅的準確評定對作業路徑規劃及噴施作業質量的提升均有重要意義[24]，根據本研究的試驗結果分析，在所設置的采樣范圍內，霧滴密度均超過20個/cm2，符合MH/T 1002.1—2016《農業航空作業質量技術指標 第1部分：噴灑作業》對低容量噴灑作業霧滴覆蓋密度的規定，但由于遠離噴口采樣區域的霧滴粒徑較小，細小霧滴能否被生物靶標捕獲還需要結合病蟲害的防治效果進一步判斷。熱霧植保無人機田間作業時，可根據霧滴分布情況適當設置重疊率，在兼顧作業效率的同時提高防治效果。

由于植保無人機搭載煙霧機進行大田農作物植保作業的研究尚處于探索階段，植保無人機的飛行作業參數與煙霧機作業參數之間的匹配關系還需進一步優化改進。煙霧機的霧化粒徑較小，結合植保無人機旋翼風場的作用，可順利穿透玉米冠層到達玉米果穗及以下部位，形成對玉米中后期病蟲害的立體防控，后續可結合熱霧植保無人機的病蟲害防控效果開展進一步研究。

4 結論

(1)提出了植保無人機搭載熱霧噴施系統的植保作業方案，設計了熱霧噴施管路與遙控作業系統。田間試驗表明，該套熱霧植保無人機作業時霧滴能有效穿透玉米冠層，可為玉米中后期植保提供有效作業裝備。

(2)熱霧植保無人機噴霧區域水平采樣范圍-2～6 m的霧滴粒徑和霧滴密度分布差異明顯，在距噴口0～2 m位置霧滴較為集中；垂直采樣范圍內，玉米冠層、中層和底層的霧滴粒徑和密度依次減小，地面上霧滴密度則超出玉米底層的數值；整個采樣區域內霧滴密度均超過20個/cm2，符合低容量噴灑作業霧滴覆蓋密度的規定。

(3)霧滴覆蓋率和霧滴沉積量在整體變化趨勢上保持高度的一致性，在距噴口前方1 m位置各垂直采樣層葉片正面的霧滴覆蓋率均取到最大值，從上層到地表的覆蓋率分別為18.02%、13.48%、4.37%和2.11%，表明霧滴可有效穿透冠層到達玉米中層部位，冠層葉片正面霧滴沉積量在此區域也達到最大值，為0.36 μL/cm2，中層至底層的霧滴沉積量也呈遞減趨勢。

(4)除少數采樣點位置因霧滴重疊、黏連導致霧滴譜寬度大于2 μm以外，其他采樣點的數據均符合標準規定的低容量噴灑條件下霧滴譜寬度小于等于2.0 μm的技術指標。從整體看，同一采樣層葉片反面霧滴譜寬度的均值和標準差均小于葉片正面，可見葉片反面的霧滴粒徑整體更加均勻。