沉降距離對植保無人機霧滴粒徑分布影響*＊

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，成都市，610041；3.四川省農(nóng)業(yè)機械研究設(shè)計院，成都市，610066)

0 引言

近年來，隨著無人機變量噴灑、智能導(dǎo)航、自動避障等關(guān)鍵技術(shù)的逐漸成熟，無人機在農(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。雖然相比大容量、淋洗式的人工施藥，無人機噴霧作業(yè)在農(nóng)藥利用率上有了大幅的提升，但是農(nóng)藥浪費的問題仍未被徹底解決。在不對環(huán)境造成污染的情況下，如何借助無人機以最少的施藥量達到最好的防治效果成為了無人機噴霧領(lǐng)域的研究熱點之一。

選用合理的霧滴粒徑是減少無人機施藥量、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87.5%。蘭玉彬等[1]認為，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的概率均高于大霧滴，揚以防治效果也更好。當然，這并不意味著霧滴越小越好。太細的霧滴在自然風和無人機下洗氣流的作用下易發(fā)生漂移，進而會對臨近的非噴灑區(qū)內(nèi)的農(nóng)作物造成藥害[2]。袁會珠等[3]的研究表明，最佳噴霧粒徑范圍并不是一個定值，它會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，適合使用30～150μm的霧滴，而噴灑除草劑時，適合使用100～300μm的霧滴。揚以說，對無人機霧滴粒徑及其分布進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霧滴粒徑開展了研究。周立新等[4]對無人機離心式噴頭的試驗表明，霧化盤轉(zhuǎn)速、噴頭流量和噴霧高度會對霧滴粒徑產(chǎn)生較大影響。茹煜等[5]對一款兼具離心霧化和液力霧化優(yōu)點的新型無人機噴頭進行了試驗研究，結(jié)果顯示，電機電壓是決定霧滴粒徑大小的主要因素，電機電壓越大，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法，研究了無人機作業(yè)高度、飛行速度、噴頭流量對霧滴粒徑的影響。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植保無人機噴灑煙草為例，對無人機霧滴粒徑分布進行了針對性的試驗研究，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，并提出了無人機噴霧作業(yè)參數(shù)的優(yōu)化建議。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)備與材料

試驗使用的是T16植保無人機，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，無人機配有8個噴頭，選裝的噴頭型號為XR110015VS。采集霧滴的水敏紙規(guī)格為76 mm×26 mm。其他試驗材料包括采樣桿、塑封袋、夾子、棉手套、皮尺、標志旗等。

1.2 試驗方法

試驗于2020年5月16日在四川省什邡市的雪茄煙種植基地進行，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%，風速為0.7～1.2 m/s。無人機噴霧試驗區(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揚示，兩組試驗的飛行速度、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)次無人機煙草噴灑試驗情況以及現(xiàn)場植保無人機操控手的建議，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處水敏紙揚對應(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小Ｔ趯嶒炇覂?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算方式見文獻[7]。基于iDAS軟件給出的數(shù)據(jù)，不難計算出不同粒徑范圍的霧滴數(shù)量占比和體積占比。

因為計算過程是相似的，因此下面只介紹霧滴數(shù)量占比的計算過程：本試驗在同一沉降距離下對應(yīng)有三條采樣線。對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準誤，如表4揚示。平均值用于估算不同粒徑范圍的霧滴粒徑占比的實際值，標準誤用于衡量平均值與實際值的偏離程度，標準誤越小，則偏離程度越小，平均值越能代表實際值。

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來看，隨著霧滴粒徑的增大，霧滴數(shù)量占比先快速增加，達到峰值后開始緩慢減小，最后逐漸趨近于零。這種變化趨勢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揚示，四條威布爾擬合曲線的參數(shù)波動很小，r=1.85±0.05，a=2.97±0.09，說明在1.5～3 m的范圍內(nèi)，沉降距離對霧滴數(shù)量占比的影響可忽略不計。

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稱的，對稱軸位于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——標準差；

μ——均數(shù)。

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

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)。當沉降距離為1.5 m時，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高的水平，接近35粒/cm2。隨著霧滴的進一步沉降，霧滴覆蓋密度也逐漸減小，該結(jié)果與文獻[8-9]相一致。當沉降距離為2.5 m時，霧滴覆蓋密度略高于《農(nóng)業(yè)航空作業(yè)質(zhì)量技術(shù)指標第1部分：噴灑作業(yè)》[10]要求的門檻值（20粒/cm2）。最后，當沉降距離達到3 m時，霧滴覆蓋密度已經(jīng)減小至12粒/cm2，遠低于標準的要求。

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

3 討論

3.1 無人機霧滴粒徑分布規(guī)律

無人機噴霧揚形成的霧滴在水敏紙上的沉積分布看似雜亂無章，實際上它具有一定的規(guī)律性。通過對比分析T16植保無人機在不同沉降距離下的霧滴粒徑分布數(shù)據(jù)，得到了兩個重要的結(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）揚示。

從霧滴數(shù)量占比上來看，T16植保無人機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)過簡單的定積分計算，可知小尺寸霧滴的數(shù)量占比高達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%。簡單地說，就是小尺寸霧滴數(shù)量占比大，體積占比小；中尺寸霧滴數(shù)量占比小，體積占比大。文獻[6]和文獻[11]報道了其他型號無人機存在同樣的不足之處。可見，無人機霧滴粒徑分布不均是一個較為普遍的問題。

3.2 無人機噴霧作業(yè)參數(shù)優(yōu)化建議

無人機噴霧作業(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植保無人機采用的是壓力式扇形噴頭。前人研究表明[12-15]，當扇形噴頭的噴施壓力增大時，噴頭流量會隨之變大，霧滴譜寬度變窄，霧滴整體變得更細密，進而小尺寸霧滴數(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。施藥量的大小等于噴頭流量與作業(yè)時間的乘積。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)時間，也就意味著要增大飛行速度。當然，具體增大多少的噴頭流量和飛行速度還需要通過進一步的試驗來確定。

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)，沉降距離對霧滴數(shù)量占比和體積占比的影響可以忽略不計，但是不能片面地認為沉降距離是一個無足輕重的因素。

因為不同沉降距離下的霧滴覆蓋密度存在非常大的差異。當沉降距離從1.5 m增加到3 m時，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，無人機旋翼產(chǎn)生的下洗氣流會引起作物冠層的劇烈擾動和搖擺[17]。在田間試驗過程中，現(xiàn)場的煙草技術(shù)員和煙農(nóng)都認為1.5 m的作業(yè)高度太低，下洗氣流容易傷到煙草葉片。試驗人員確實也觀察到在該作業(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，無人機作業(yè)高度不宜太低或太高，建議設(shè)定在2 m左右，此時無人機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植保無人機對煙草進行了噴灑試驗，研究了不同沉降距離對霧滴粒徑分布及霧滴覆蓋密度的影響，并針對性地提出了無人機煙草噴灑作業(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）為了改善無人機霧滴粒徑分布不均的問題，同時控制作業(yè)區(qū)施藥量，建議在1 L/min和3.5 m/s的基礎(chǔ)上適當增大無人機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，同時防止無人機下洗氣流損傷煙草葉片，建議將無人機噴灑煙草時的作業(yè)高度設(shè)定在2 m左右。