噴施參數對四旋翼植保無人機霧滴在橡膠林中分布的影響

黃曦澤　梁曉宇　任賽豪　田方　張宇　王萌

摘? 要：霧滴分布特征影響作物上噴霧的施藥效果，而噴施參數是影響植保無人機霧滴分布特性的重要因素之一。為了揭示施藥量和霧滴粒徑等噴施參數對電動四旋翼植保無人機霧滴在高大喬木橡膠樹林段中分布的影響，以成齡‘熱研7-20-59’膠林為試驗地，分別設置18.75、37.50、75.00、90.00、105.00?L/hm施藥量，70、100、150、250?μm霧滴粒徑，采用5點采樣法在6個高度上測量水平方向及垂直方向的霧滴譜寬度、霧滴覆蓋密度、霧滴分布均勻度等主要作業質量技術指標數據，結合橡膠樹白粉病的防治效果，篩選四旋翼無人機的最佳噴施參數。結果表明，隨施藥量的增加，霧滴譜寬度呈下降趨勢，霧滴覆蓋密度顯著增加;施藥量在75?L/hm及以上時滿足最低施藥霧滴覆蓋密度的要求。隨著霧滴粒徑的增加，霧滴譜寬度呈上升趨勢，霧滴覆蓋密度無顯著差異，霧滴粒徑100 μm的水平分布均勻度最優。不同施藥量和霧滴粒徑的霧滴在橡膠林垂直方向的分布均勻度一致，穿透性良好。本研究篩選出施藥量75 L/hm和噴霧粒徑100 μm的最佳噴施參數，在橡膠樹白粉病最佳防治時期使用咪鮮胺（EW）和戊唑醇（SC）復配藥劑進行田間飛防試驗，效果優異，2塊試驗地的防效分別為65.7%和82.9%。本研究提供了一組橡膠樹白粉病防治的四旋翼無人機施藥參數，為植保無人機在橡膠林病蟲害防治作業中提供參考。

關鍵詞：四旋翼植保無人機;噴施參數;橡膠林;霧滴分布中圖分類號：S763.7;S252.3 ?????文獻標識碼：A

Effects of Spraying Parameters of Four-rotor Plant Protection UAV on Droplets Distribution in Rubber Plantations

HUANG XizeLIANG XiaoyuREN SaihaoTIAN FangZHANG YuWANG Meng

1. School of Plant Protection， Hainan University， Haikou， Hainan 570228， China; 2. Natural Rubber Cooperative Innovation Center of Hainan Province & Ministry of Education of PRC， Haikou， Hainan 570228， China

Droplet distribution characteristics affect the effectiveness of spray on crops， and spraying parameters are one of the important factors affecting the droplet distribution characteristics of plant protection unmanned aerial vehicles. The purpose of this study was to reveal the effects of spraying parameters such as dosage and droplet size on droplet distribution of electric quadrotor plant protection unmanned aerial vehicles in tall trees such as rubber forest. The target of this study was the mature rubber plantation of ‘Reyan 7-20-59’. The dosage of 18.75， 37.50， 75.00， 90.00， 105.00?L/hm and particle sizes of 70， 100， 150， 250 μm were set respectively. The main operational quality technical index data include droplet spectrum width， droplet coverage density and droplet distribution uniformity in horizontal and vertical directions. The data of main operation quality technical indexes were collected by water sensitive paper at six heights using the five-point sampling method. The optimal spraying parameters of the quadrotor unmanned aerial vehicles were selected and the field flight test was carried out in the optimal control period of powdery mildew. The results showed that the droplet spectrum width decreased with the increase of dosage， and the droplet coverage density increased significantly. When the dosage was 75 L/hm and above， the minimum droplet coverage density requirement was met. With the increase of droplet size， the droplet spectrum width of quadrotor unmanned aerial vehicles showed an increasing trend， and the droplet coverage density had no significant difference. The horizontal distribution uniformity of droplet size 100 μm was the best. The distribution uniformity of fog droplets produced by quadrotor unmanned aerial vehicles with different dosage and droplet size was consistent in the vertical direction of rubber forest， and the penetration of quadrotor unmanned aerial vehicles was good in rubber forest. In this study， the optimal spraying parameters of 75 L/hm and 100 μm spray particle size of quadrotor unmanned aerial vehicles were selected in rubber forest. In the optimal control period of rubber tree powdery mildew， prochloraz （EW） and tebuconazole （SC） agent were used for field flight control test， and the average control effect was 65.7% and 82.9%. This study would provide a group of application parameters of quadrotor unmanned aerial vehicles for the control of powdery mildew of rubber trees， which could provide reference for the operation of quadrotor unmanned aerial vehicles for the control of pests and diseases in rubber forest.

quadrotor plant protection UAV; spraying parameters; rubber plantations; droplet distribution

10.3969/j.issn.1000-2561.2022.06.015

天然橡膠廣泛應用于汽車、航空、軍工、民用等多個領域。天然橡膠主要來源于橡膠樹，我國橡膠種植面積約115.4萬hm，種植橡膠樹對提高邊疆地區農民收入及促進地方經濟發展具有重要的現實意義。橡膠樹白粉病為橡膠樹重要病害之一，發生嚴重時導致葉片脫落，推遲開割期，干膠產量降低。2017年云南省橡膠樹白粉病特大流行，損失達4億～5億元，及時施藥是防治白粉病的重要手段。目前我國橡膠樹病蟲害防治的施藥工具多為傳統的噴霧或噴粉機械，工作效率低，工作強度大，用工成本高，合理使用植保無人機可有效緩解防治橡膠樹病蟲害的用工壓力。據估算，在橡膠林采取無人機防治病蟲害，其效率是人工使用噴霧噴粉機械的5倍。我國植保無人機產業近年發展迅速，在小麥、玉米等低矮作物的作業技術趨于成熟，在蘋果、柑橘、茶樹、荔枝樹等中等高度作物中的應用也取得一定進展。由于高大喬木冠層茂密，形態不一，存在霧滴分布不均等問題，需要根據作物種類對噴施參數進行調整。目前已在檳榔樹、棕櫚樹等高大喬木上進行無人機作業參數研究，橡膠樹上尚未見相關報道。尤其是橡膠樹高度可達20?m，冠層厚度約占樹高一半，品種及種植制度差異均會影響整體冠層厚度及密度，對藥劑霧滴穿透能力要求更高，霧滴分布不均往往會造成施藥效果不佳的問題。

無人機作業質量技術指標主要包括霧滴譜寬度、霧滴覆蓋密度、霧滴分布均勻度等。飛行高度、飛行速度、施藥量、霧滴粒徑等均可影響無人機的作業質量。如作業高度影響無人機霧滴在水稻上的分布均勻度，飛行速度影響水稻植株下部的霧滴覆蓋密度;霧滴粒徑影響無人機霧滴在棉花和果樹的覆蓋密度。另外，無人機作業質量很大程度會影響藥劑的防治效果。如霧滴粒徑與霧滴數量達到最優組合時，藥劑防治蟲害的效果最佳;同等施藥量條件下，內吸性殺菌劑霧滴譜越小且霧滴覆蓋密度越大，防治效果越好。目前測定無人機作業質量方法包括風洞試驗、模擬仿真及田間試驗，尤其是田間試驗可直觀獲取施藥作業質量數據，方法簡便，貼近實際生產情況。

本研究通過分析四旋翼植保無人機霧滴在橡膠林中的分布特點，以期得到該型號無人機對橡膠樹冠層的作業數據，進而優化施藥參數，為田間多旋翼無人機施藥提供技術支持，并為制訂橡膠樹植保無人機施藥標準提供參考數據。

?材料與方法

?材料

1.1.1 ?儀器設備? 試驗采用蘇州極目機器人科技有限公司生產的E-A2020四旋翼電動無人機（圖1），飛控系統為全自動方式，可定高定速飛行，攜帶2個離心噴頭，間距1.43?m。無人機主要參數及性能指標見表1。

1.1.2? 藥劑及材料? 施用藥劑為450?g/L咪鮮胺水乳劑（山東東合生物科技有限公司）、430?g/L戊唑醇懸浮劑（山東中新科農生物科技有限公司），分別稀釋250倍后按1∶1混合使用。其他材料主要包括水敏紙（先正達集團股份有限公司）、可拆裝伸縮桿、塑料繩、夾子等。本研究未添加其他飛防助劑。

方法

1.2.1? 試驗地概況? 試驗地位于海南省儋州市寶島新村中國熱帶農業科學院試驗場橡膠林，橡膠樹品種為‘熱研7-20-59’（2002年定植），橡膠樹長勢均一，平均高度13.5 m。試驗小區呈方形，面積0.67?hm，株行距3?m×7?m。試驗選擇在2—4月橡膠樹白粉病流行期進行。試驗氣象條件晴朗無雨，風力1～2級，無持續風向。

1.2.2? 霧滴采樣設計? 如圖2所示，在每個試驗小區設置5個采樣點，沿著樹體垂直放置伸縮桿并懸掛采樣線，選取距地面3.5、5.0、6.5、8.0、9.5、11.0 m共6個高度水平放置水敏紙。噴霧結束后，將水敏紙按照序號收集，并逐一放入相對應的密封袋中，帶回實驗室處理。

1.2.3? 施藥量篩選? 根據《農業航空作業質量技術指標 ?第1部分：噴灑作業》（MH/T 1002.1— 2016）推薦林業真菌病害飛防噴灑噴霧粒徑，設置無人機霧滴粒徑為125?μm。考慮無人機最大載藥量，分別設置18.75、37.50、75.00、90.00、105.00?L/hm施藥量。每個處理設置1個小區，每個小區相同參數重復飛行3次，分別設置水敏紙進行采集霧滴。

1.2.4? 霧滴粒徑篩選 ?選擇無人機最佳載藥量，同時分別設置70、100、150、250 μm霧滴粒徑，每個處理設置1個小區，相同參數重復飛行3次，分別設置水敏紙進行采集霧滴。

1.2.5? 橡膠樹白粉病飛防試驗? 選擇無人機最佳載藥量和最優霧滴粒徑，對2個試驗小區分別使用供試藥劑進行飛防試驗，共施藥2次，施藥間隔7?d。空白對照小區噴施清水，2次施藥后第7天每小區隨機選取10株橡膠樹，每株橡膠樹隨機采集冠層5蓬葉，每蓬葉隨機摘取5片中間小葉，按《橡膠樹白粉病測報技術規程》（NY/T 1089—2015）觀察病害等級并計算病情指數和防治效果。

?數據處理

用掃描儀在600 dpi分辨率下掃描水敏紙，采用Deposit scan軟件處理圖像，獲取包括體積中值直徑（volume median diameter， VDM）、10%累計體積直徑（）、90%累計體積直徑（）、霧滴覆蓋密度等霧滴分布特征參數，計算霧滴譜寬度，計算公式如下：

霧滴譜寬度=D D/VDM

使用變異系數（coefficient of variation， ）衡量試驗中霧滴在橡膠林中的分布均勻性，使用5個采樣點的平均霧滴譜寬度及霧滴覆蓋密度計算水平方向值，使用6個高度的平均霧滴譜寬度及霧滴覆蓋密度計算垂直方向值，計算公式如下：

不同施藥量對無人機霧滴在橡膠林中分布的影響

2.1.1? 不同施藥量對霧滴譜寬度的影響? 單位體積里霧滴密度隨施藥量的變化而變化，霧滴密度可能對霧滴粒徑分布均勻度產生影響，霧滴譜寬度可衡量霧滴粒徑分布均勻度。通過分析無人機施藥后霧滴在橡膠林中的分布特征，結果表明，不同施藥量顯著影響霧滴譜寬度（表2）。當施藥量≤75 L/hm時，隨著施藥量的增加，霧滴譜寬度顯著下降，霧滴大小越一致;當施藥量> 75?L/hm時，霧滴譜寬度無顯著差異。5個梯度的施藥量不影響霧滴譜寬度在橡膠林垂直方向的均勻性，說明在不同冠層高度無人機霧滴大小一致，噴施穿透性良好，霧滴粒徑穩定性好，霧滴譜寬度<1.5，符合MH/T 1002.1—2016中霧滴譜的最低要求。施藥量顯著改變其在橡膠林水平方向的均勻性。當施藥量≤75?L/hm時，霧滴譜寬度水平方向均勻性較好，霧滴大小一致;當施藥量>75?L/hm時，均勻性顯著降低，霧滴大小差異明顯。

2.1.2? 不同施藥量對霧滴覆蓋密度和分布均勻度的影響 ?霧滴覆蓋密度及分布均勻度是霧滴分布特征的重要指標之一，霧滴分布均勻度使用變異系數表示。無人機不同施藥量顯著影響霧滴在橡膠林中的覆蓋密度（表3）。隨著施藥量增加，霧滴覆蓋密度顯著增大，單位面積的霧滴量越大。5個梯度的施藥量不影響霧滴在橡膠林垂直方向的分布均勻度，無人機霧滴覆蓋密度在不同冠層高度的變化趨勢一致，霧滴覆蓋密度隨植株高度上升而增加。當施藥量≥90?L/hm時，霧滴覆蓋密度在垂直高度11 m處顯著高于施藥量<90 L/hm的處理組，可達46個/cm以上，同時在冠層9.5、6.5、5.0?m處，90?L/hm與75?L/hm霧滴密度無顯著差異，2個施藥量在9.5 m及以下的高度呈現相似的變化趨勢，可見當施藥量≥90?L/hm，加劇了冠層截留情況（圖3）。頂部冠層藥劑截留過多易導致藥害、用藥浪費、降低作業效率等問題。同時，施藥量不影響垂直水平霧滴分布均勻度，但會在一定程度上影響霧滴在橡膠林水平方向的分布均勻度。綜上所述，故選擇75 L/hm為四旋翼無人機在橡膠林中應用的最佳施藥量。

? 不同霧滴粒徑對無人機霧滴在橡膠林中分布的影響

2.2.1? 不同霧滴粒徑對霧滴譜寬度的影響 ?相同噴霧量下，霧滴粒徑大小影響霧滴間碰撞，造成B-We碰撞圖聚并區域及衛星液滴生成差異，進而可能造成霧滴粒徑分布均勻性差異。無人機不同霧滴粒徑顯著影響其在橡膠林中的霧滴譜寬度（表4）。隨著霧滴粒徑增大，霧滴譜寬度顯著上升，霧滴粒徑分布情況差異明顯;4個梯度的粒徑不影響霧滴譜寬度在橡膠林水平方向的均勻性，說明無人機霧滴在水平方向大小較為一致，但其會影響霧滴在橡膠林垂直方向的均勻性。

2.2.2? 不同霧滴粒徑對霧滴覆蓋密度和分布均勻度的影響? 農藥噴霧霧滴粒徑通常為50～ 350?μm，4個噴霧粒徑對霧滴覆蓋密度及分布均勻度結果見表5，相同噴霧量下，霧滴分布均勻度越小，霧滴分布越均勻，無人機不同霧滴粒徑不影響霧滴在橡膠林中的覆蓋密度和垂直方向的分布均勻度，但會一定程度地影響霧滴在橡膠林水平方向的均勻度。當霧滴粒徑為100 μm時，霧滴水平方向分布均勻度為49.39，顯著低于其他粒徑設置組，霧滴分布最為均勻。綜合上述，故選擇100?μm為四旋翼無人機在橡膠林中應用的最佳霧滴粒徑。

?四旋翼無人機最優噴施參數的田間飛防驗證

根據噴霧覆蓋密度、垂直及水平分布均勻度、霧滴譜寬度及無人機作業效率，選擇75 L/hm施藥量，設置100?μm霧滴粒徑，在橡膠樹白粉病最佳防治時期進行田間飛防試驗，2塊試驗地的霧滴譜寬度在0.74～0.76之間，表明霧滴大小一致性良好，霧滴粒徑分布較為均勻。試驗地1的霧滴覆蓋密度為7.69個/cm，對白粉病的防治效果為65.72%;試驗地2的霧滴覆蓋密度為12.98個/cm，對白粉病的防治效果為82.87%，表明該噴施參數條件下的四旋翼無人機防治橡膠樹白粉病效果優異（表6）。

討論

目前，我國現有植保機型約230多種，主要由單旋翼無人機和多旋翼無人機2種機型構成，其中多旋翼無人機由于其技術門檻低，結構和技術相對簡單，約占總機型的78%。單旋翼無人機擁有更大的旋翼風場，但多旋翼無人機下洗風場比單旋翼無人機更復雜，會不同程度地影響霧滴在作物上的沉積及漂移行為，因此研究飛行噴施參數對多旋翼無人機的田間應用尤為重要。旋翼風場受飛行速度影響，霧滴的下壓效應隨飛行速度提高而減小，速度過快會促進產生馬蹄形渦流，導致霧滴分布不均。相關數據模擬及風洞試驗結果顯示，四旋翼無人機最優飛行速度為2?m/s。當四旋翼無人機飛行速度超過3?m/s，會破壞下洗氣流聚合，使下洗氣流發生較大偏移，霧滴發生明顯偏移。已有研究表明無人機在主干形果樹最優飛行速度為2～3 m/s，故本研究采用飛行速度2.5 m/s進行飛防試驗。研究結果表明，不同施藥量和霧滴粒徑的四旋翼無人機霧滴在橡膠林垂直方向的分布均勻度一致，說明該機型施藥穿透性較強，可用于橡膠樹等高大喬木的飛防作業。本研究發現四旋翼無人機施藥量為75?L/hm時，橡膠林中的霧滴覆蓋密度適中，霧滴在冠層上部（11?m）的覆蓋密度為冠層下部（6.5?m）的2.1倍，頂部冠層藥劑截留程度低，植株整體的霧滴覆蓋密度符合農業航空作業的標準要求，垂直及水平分布均勻性良好。橡膠樹高度可達20 m，膠林中不同樹體冠層相連，施藥量不足會造成下部葉片的霧滴覆蓋密度小，影響整體防治效果。因此，樹冠結構是影響施藥作業質量技術指標的重要因素之一，在最優噴施參數條件下對作物進行飛防，棉花頂部霧滴覆蓋密度約為底部的1.2倍，玉米頂部霧滴覆蓋密度約為底部的2倍，柑橘樹冠層上部霧滴覆蓋密度約為冠層下部的2.4倍。喬木頂部冠層對霧滴截留能力往往強于低矮作物，施藥量過大會導致頂部冠層藥劑截留過多，引起葉部藥害和用藥浪費等問題。主流植保無人機有效載荷在10～40 L，電動植保無人機自動化程度高但續航能力較弱，施藥量直接影響作業效率，在保證作業效率及最低施藥作業質量指標的前提下，推薦75 L/hm作為四旋翼無人機在橡膠林中的最佳施藥量。

多旋翼無人機復雜的下洗風場也會導致不同粒徑的霧滴運動軌跡不同，從而影響霧滴的覆蓋密度和分布均勻性。有報道認為霧滴粒徑大于400?μm時難以穿透作物冠層，霧滴粒徑小于50?μm容易失去動能并產生漂移，合適飛防粒徑為50～300?μm，較小粒徑的霧滴蒸發及飄失程度更高。通過研究霧滴粒徑對無人機霧滴在橡膠林中分布的影響，發現隨著霧滴粒徑增大，霧滴譜寬度顯著上升，這與前人報道一致。霧滴粒徑設置不影響無人機霧滴在橡膠林中的覆蓋密度，但在一定程度上影響了霧滴在橡膠林水平方向的均勻度。無人機軌跡變動可能通過霧滴粒徑影響水平霧滴分布均勻度，當噴頭位置相對飛行方向為前置，粒徑100～200?μm時，霧滴覆蓋密度下降25%;當霧滴粒徑大于200 μm時，霧滴覆蓋密度下降50%以上。在水稻上研究發現粒徑為185 μm時霧滴穿透效果最好，霧滴漂移距離隨粒徑增大而減小，而本研究中橡膠樹屬高大作物，四旋翼無人機下洗風場風速衰減率隨冠層高度的增加而減小，霧滴粒徑在垂直方向對霧滴分布均勻度無顯著影響。本研究發現無人機霧滴粒徑為100 μm時，橡膠林中的霧滴水平方向分布均勻度最好，推薦作為四旋翼無人機在橡膠林中的最佳霧滴粒徑。

利用推薦的施藥量和霧滴粒徑進行橡膠樹白粉病四旋翼無人機飛防試驗。結果表明，2塊試驗地的霧滴譜寬度穩定，霧滴覆蓋密度和防治效果略有差異，這可能與不同橡膠林的冠層郁閉度有關，但總體防治效果均超過60%，表明該噴施參數條件下的四旋翼無人機防治橡膠樹白粉病效果優異。鑒于目前普通植保機械無法將藥物送達橡膠樹頂部，且施藥勞動強度大和功效低，亟需研發簡約省力化植保裝備，四旋翼無人機具有較好的應用潛力。由于膠林地形復雜，多山地和坡地，冠層起伏大，常規無人機目視手動飛行存在一定困難。本研究所使用的無人機與目前其他型號無人機相比，具有自動避障仿地飛行的自動化功能，可根據地形和作物冠層自動調節飛行高度，保證了施藥質量，能較好地適應膠林實際作業的需求。其不足之處在于載荷小、續航能力差等。目前植保無人機型號多，更新快，部分無人機最大有效載荷可達100 kg，未來林木病蟲害需求的植保無人機應具備有效載荷大、續航時間長、自動化及智能化水平高的特點。綜上所述，當E-A2020四旋翼無人機飛行速度2.5?m/s，施藥量75?L/hm，霧滴粒徑100?μm時，飛防噴霧作業質量和藥劑防治效果良好。本研究篩選的參數可為植保無人機在橡膠樹等高大喬木上的應用提供參考。

參考文獻

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