多旋翼無人機不同作業參數對花生冠層霧滴沉積分布特性的影響

漆海霞 鄒軍 苗秋實 黃桂珍 陳宇 蘭玉彬

摘要：為探究無人機航空噴施時花生冠層霧滴沉積分布規律，設計無人機不同噴霧作業參數對花生冠層的霧滴沉積分布影響的試驗。該試驗以DJ T20型多旋翼電動無人機進行作業，以清水代替農藥噴施采集霧滴沉積數據，以圖像處理軟件Depositscan來分析采集來的水敏紙數據。結果表明：各組試驗的霧滴沉積分布趨勢均相似，在靶區內霧滴沉積大致呈正態分布，受環境風場的影響，大量霧滴在中心航線左側沉積，受無人機起飛時速度和高度的影響，各區域內第一條采樣帶R1的霧滴沉積效果較好；從霧滴沉積量、沉積密度均勻性分析可知，當飛行速度為2.5 m/s、噴霧流量為1.6 L/min，飛行高度為3.5 m時，噴霧效果最佳，為最佳作業組合；飛行高度、飛行速度對靶區內霧滴沉積量、霧滴沉積均勻性影響均顯著。該研究對提高無人機噴施效率具有十分重要的指導意義。

關鍵詞：無人機噴霧；花生冠層；作業參數；霧滴沉積；均勻性

中圖分類號：S252

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2023） 04-0057-08

Abstract： In order to explore the distribution pattern of peanut canopy droplet deposition during aerial spraying by UAV， an experiment was designed to investigate the effect of different spraying operation parameters of UAV on the droplet deposition distribution of peanut canopy. The experiment was conducted with DJ T20 multi-rotor electric UAV， and the fog droplet deposition data was collected with water instead of pesticide spraying， and the image processing software Depositscan was used to analyze the collected water-sensitive paper data. The results showed that the droplet deposition distribution trends of all groups of tests were similar， the droplet deposition in the target area was roughly normal distribution， influenced by the ambient wind field， a large number of droplets deposited in the left side of the central route， influenced by the speed and height of the UAV takeoff， the first sampling zone R1 in each area of the droplet deposition effect was better. From the analysis of the uniformity of droplet deposition amount and deposition density， it could be seen that when the flying speed was 2.5 m/s， the spray flow rate was 1.6 L/min， and the flying altitude was 3.5 m， the spray effect was the best， which was the best operation combination. The effects of flight height and flight speed on the droplet deposition volume and droplet deposition uniformity in the target area were significant. This study has very important guiding significance for improving the spraying efficiency of UAV.

Keywords： UAV spraying; peanut canopy; operational parameters; droplet deposition; uniformity

0 引言

我國是世界上最大的花生主產國，種植面積及產量均居世界第一?；ㄉ鳛槲覈匾慕洕魑锖陀土献魑?，在全國范圍內均有種植，但花生種植過程中蟲害也時常發生，導致產量大幅降低。為了貫徹落實國家保障油脂油料供給安全的戰略方針，保障花生行業快速、有效的蟲害防治對花生行業具有積極的意義［1］。

植保無人機航空施藥技術作為中國近年來的新型植保作業方式，改變了中國傳統植保作業方式的弊端。植保無人機不僅噴施作業效率高、霧化效果好、成本低，并且可以解決地面機械難以下田作業的問題等，正逐漸成為人們首選的植保作業方式［2-3］。截至2020年，我國植保無人機保有量超過了12萬架，年作業面積超過了7.3 khm2，作業對象幾乎覆蓋了全部農作物，如花生、水稻、玉米等經濟作物，并取得了理想的防治效果［4］。

噴霧霧滴在作物上的沉積效果是評價植保機械農田作業效果的重要指標［5-7］，也是無人機作業中最被關心的問題，因而研究員針對無人機的作業質量和霧滴沉積效果方面的研究也逐漸得以開展［8］。王昌陵等［9-10］提出了一種植保無人機施藥霧滴空間質量平衡測試法，該方法可以有效獲得準確飛行速度和高度下無人機施藥霧滴空間分布情況和下旋氣流場分布情況；Thistle等［11］根據選定的試驗參數對噴灑的霧滴沉積分布規律的影響因素進行探究，最后發展成為AGDISP（Agricultural dispersion）模型；Lan等［12］研究單因素對霧滴沉積分布規律的獨立影響，預測了對霧滴沉積的最大影響因子；如杜文等通過調節無人機的作業高度進行水稻冠層霧滴沉積量評估試驗。試驗中無人機在不同作業高度時，霧滴在水稻冠層和下層具有不同的沉積效果，且分布均勻性也不同；薛新宇等［13］利用N-3型無人直升機對稻飛虱和稻縱卷葉螟的防治效果進行了不同作業高度和不同噴灑濃度的田間藥效試驗，得出無人機優于傳統擔架式噴霧機噴灑防治效果的結論；陳盛德等［14］以HY-B-10L型單旋翼電動無人機通過設置3種不同的飛行參數，研究噴霧霧滴在水稻冠層沉積分布規律并初步探究了各因素與霧滴沉積效果的相關性；郭祥雨等［15］設計了三因素三水平正交試驗，探究了單旋翼無人機對棕櫚樹霧滴沉積效果的影響；Pan等［16］通過3W-LWS-Q60S型4旋翼無人機，針對果樹不同形狀和高度進行了冠層霧滴沉積效果試驗；Lan等［17］研究四種霧滴防飄助劑對霧滴沉積影響，結果顯示霧滴沉積量、霧滴粒徑、覆蓋率及霧滴沉積密度與助劑的使用有很大的相關性，助劑能有效提高霧滴的沉積量和沉積密度；Fritz等［18］通過試驗評估了風場和噴嘴對航空噴施霧滴沉積和漂移分布效果的影響。

目前應用比較廣泛的植保無人機類型有單旋翼油動、單旋翼電動、多旋翼電動等。不同類型的植保無人機由于其機身構造不一樣，對作業參數的要求也不一樣，為了便于無人機作業的快速推廣，應通過試驗優選出無人機的最佳作業參數。本文以DJ T20多旋翼植保無人直升機為例，通過不同飛行參數進行花生田間噴霧試驗，針對無人機不同作業參數（飛行速度、高度、作業流量），設計了三因素三水平正交試驗［19］，對農藥在花生冠層的霧滴沉積分布特性和均勻性進行研究，并優選出該無人機進行花生冠層噴霧作業的最佳參數，以期為植保無人機田間噴霧作業參數的選擇提供參考，提高植保無人機作業噴施質量。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

試驗裝置主要為作業植保無人機，數據收集、分析裝置以及環境參數監測裝置。本次作業采用DJ T20多旋翼植保無人機，主要性能指標見表1，DJ T20多旋翼植保無人機采用八噴頭設計，6 L/min大流量水泵，配合深度優化的風場設計，可讓霧滴均勻細密，輕松覆蓋作物葉片兩面。全新研發的四通道電磁流量計，可對DJ T20多旋翼植保無人機四條液體管路進行獨立管控，使得各噴頭噴灑效果更為接近，整體噴灑也更均勻。

采用HberW6-3便攜式微型自動氣象站，實時監測田間作業時的溫度、風速、風向等環境因素；霧滴數據的收集需要萬向夾、支架、水敏紙、橡膠手套、標簽紙和密封袋等；數據分析需要掃描儀將水敏紙掃描成灰度圖，通過Depositscan圖像處理軟件進行進一步分析。

1.2 試驗方法

DJT20多旋翼植保無人機藥效試驗于2021年7月初在廣東省陽江市梨花基地進行。試驗區域是長為72 m，寬為25 m的花生地塊?；ㄉ鸀橥侠瓩C單粒精播，生長期為結莢期，平均株高為15 cm，行距為15～30 cm，株距為15～18 cm，株密度為2 024萬株/hm2。試驗時平均溫度為32 ℃，濕度為35%，平均風速為1.3 m/s。

1.2.1 采樣點布置

試驗區域劃分與采樣點的布置如圖1所示，將花生地塊劃分為9個區域。每個區域大小為長24 m，寬8 m。圖1中取1個區域進行采樣點布置示意，其他8個作業區域的布置方式相同。每個區域內布置3條采樣帶，每條采樣帶上設置7個采樣點，從航線左側依次記作1#～7#，各采樣點間隔1 m。第二條采樣帶R2在各自區域的中心線處，各區域第一條采樣帶R1和第三條采樣帶R3在距離各自區域中心線的6 m處。每個采樣點在距離地面50 cm處，用萬向夾固定3 cm×8 cm大小的水敏紙，收集霧滴沉積數據，箭頭方向為無人機作業時實際飛行方向。

1.2.2 作業參數

本次試驗為了研究DJ T20多旋翼植保無人機在不同飛行速度、飛行高度和噴霧流量下的霧滴沉積規律，設計了3因素3水平正交試驗，總計共9次試驗，試驗因素與水平劃分和試驗方案如表2、表3所示。

2 結果與分析

2.1 霧滴沉積分布特性

圖2為9次試驗的霧滴沉積情況分布圖，試驗中每個采集點霧滴沉積量采用三條采集帶的平均值，最大程度減少了試驗誤差。圖中橫坐標表示每條霧滴采樣帶上按等間距分布的1#～7#采樣點的位置，縱坐標表示在同一區域3條采樣帶上收集霧滴沉積量的總和。

由圖2可以看出，在靶標區域內霧滴沉積大致呈正態分布。對比試驗組T2、T5、T8可以看出，在噴霧流量一定的情況下，靶區內的霧滴沉積量因飛行速度與高度的增加呈現減少趨勢，參照玄子玉［21］計算噴霧流量與飛行速度關系可知，隨著無人機飛行速度的增加，使得單位面積內的噴霧量減少，而飛行高度的增加，無人機的作業噴幅也相對變?。?2］，同樣造成單位面積內噴霧量的減少。試驗組T1的飛行速度和飛行高度最低，有著最大的沉積量，也驗證了該分析的可靠性。9組試驗區域內三條采樣帶R1～R3飛行航線左側（采樣點1#～3#）的霧滴沉積量均值分別為0.435 μL/cm2、0.249 μL/cm2，0.289 μL/cm2明顯高于飛行航線右側的0.278 μL/cm2、0.111 μL/cm2、0.147 μL/cm2，且采樣帶R1的霧滴沉積量明顯大于采樣帶R2、R3的值。由表3可以發現，在實際田間飛行作業時，外界存在東南風的干擾，即吹向飛行航線左前方向的側向風，受環境風場的影響，霧滴沉積分布出現偏移，揭示了霧滴沉積效果受外界風場的影響；而第一條采樣帶R1的霧滴沉積量明顯大于采樣帶R2、R3，且采樣帶R2、R3處霧滴沉積量相差不大，究其原因，是無人機作業經過第一條采樣帶R1時，無人機飛行不穩定，受旋翼風場的影響，從而造成花生冠層霧滴大量沉積，待飛行穩定后，霧滴沉積效果也趨于穩定，無明顯差異。

2.2 霧滴沉積均勻性與因素顯著性分析

為較為全面的分析霧滴沉積量分布的均勻性，從總體區域、無人機航線方向和無人機兩翼方向3個方面進行研究。如表4所示，總體區域變異系數的計算取每次試驗全部采樣點的集合；無人機航線方向，取每次試驗的列采樣點霧滴沉積量的平均值為一個集合，數據量為采樣點的列數；無人機兩翼方向，取每次試驗的行采樣點霧滴沉積量的平均值為一個集合，數據量為采樣點的行數。

通過變異系數大小來衡量花生冠層霧滴沉積量分布的均勻性，由表4可知，試驗過程中，總體區域的霧滴沉積量變異系數平均值為51.7%，最大值為72.4%，無人機航線方向的霧滴沉積效果相對兩翼方向更穩定。試驗號T2～T7組次，總體區域、航向方向、兩翼方向的變異系數均值分別為45.9%、23.7%、37.3%，遠低于試驗T1、T8、T9組次的60.7%、47.8%、48.2%。出現這一現象的原因，試驗T1組次，可能是無人機起飛速度、高度較低造成的，在靶區內無人機下方旋翼風場和花生產生較強的紊流風場，使得下落的霧滴無法均勻的沉積在花生冠層；試驗T7、T8組次，可能是下落的霧滴，受外界較強的環境風場影響，小粒徑霧滴隨風飄移出靶區，造成霧滴沉積量的減少、分布不均勻。綜合分析，可以看出試驗T5、T6組次的霧滴沉積量的分布較為均勻，為最佳試驗組。

圖3和表5為9組試驗霧滴沉積密度分布情況，其中，圖3的每個采樣點用實際測得的沉積密度值表示，表5中的沉積密度用每條采樣帶沉積密度的均值表示，用三條采樣帶的平均CV值來表示霧滴沉積均勻性。從霧滴沉積密度可以看出，當噴霧流量為0.8 L/min或者速度為2.5 m/s時，霧滴沉積密度值較小。飛行速度為2.5 m/s、噴霧流量為1.6 L/min，飛行高度為3.5 m時，無人機施藥時霧滴沉積在三條采樣帶上的沉積密度分別為70.34個/cm2、106.01個/cm2、98.57個/cm2，且變異系數為41.1%，均優于其他試驗組，因此試驗T5為最佳試驗組。

將圖3和表5的數據導入SPSS20軟件中進行方差分析，得到各作業參數與霧滴沉積效果的影響顯著性水平，如表6所示?？梢钥闯鲲w行高度（P=0.018<0.05）、飛行速度（P=0.027<0.05）、噴霧流量（P=0.046<0.05）對靶區內霧滴沉積量均有顯著性影響；飛行高度（P=0.034<0.05）對霧滴沉積均勻性有顯著影響，而噴霧流量、飛行速度對靶區內霧滴沉積分布均勻性無顯著影響。

2.3 霧滴粒徑分布

圖4為DJ T20多旋翼植保無人機在9組田間作業中霧滴在不同采樣點處的平均霧滴粒徑分布情況。

霧滴體積中值直徑（DV.50）主要分布在130～260 μm之間，滿足國家對航空低容量噴灑殺菌劑霧滴粒徑的要求（200～250 μm）；大粒徑霧滴主要沉積在中心航線附近，較小粒徑的霧滴，主要分布在中心航線遠處的兩側。這一現象的主要原因是較大粒徑的霧滴受田間側向水平風場的影響較小，在自身重力的作用下快速沉降到花生冠層葉面；粒徑較小的霧滴更容易受到環境側向水平風場的影響而發生飄移，且受側向風場的影響，中心航線左側沉積了較多的小粒徑霧滴。

3 討論

無人機飛行參數、自然因素、噴霧方式等是影響作物葉面霧滴沉積特性、分布均勻特性的主要因素。本試驗發現無人機飛行速度、飛行高度對霧滴沉積量和分布均勻性有著顯著影響，在噴霧流量一定的情況下，飛行速度過快，單位面積內的霧滴沉積量就會減少；飛行高度的增加會改變無人機的作業噴幅，容易造成田間作業的重噴、漏噴。姚偉祥等［23］研究發現自然因素中風場是影響霧滴沉積分布特性的主要因素，包括旋翼風場和環境風場。其中側向風的大小和方向對有效噴幅有顯著影響，小粒徑霧滴會發生明顯的飄移現象。文晟等［24］研究發現無人機機翼尾渦會隨著飛行高度和飛行速度的變化而改變，而飄移是由霧滴因尾渦發生卷揚現象造成的。

本試驗中T1組次由于無人機飛行速度和高度較低，旋翼風場與作物冠層產生較強的紊流風場，造成霧滴發生飄移，使得霧滴分布不均；試驗T7、T8組次，受環境側向風場的影響，小粒徑霧滴向航向中心左側大量沉積，甚至飄移，試驗結果與上述旋翼風場和環境風場對霧滴沉積效果影響結論一致。本試驗探究了無人機飛行參數對航空噴施霧滴沉積分布特性的影響，并分析了旋翼風場和環境風場對霧滴沉積的影響。由于霧滴在下落過程極容易因環境風發生飄移，飄移會造成農藥的浪費甚至對周圍作物造成不利影響。該試驗結果用以指導無人機企業在設計噴霧系統時，應充分考慮旋翼風場對霧滴沉積分布影響，在田間實際作業時，不僅選擇合適的飛行參數，還要考慮作物種類和風場等因素，提高航空噴施的效率。

4 結論

本次試驗主要探究了多旋翼植保無人機在不同作業參數下，花生冠層的霧滴沉積效果規律。

1）? 試驗以DJ T20型多旋翼電動無人機為作業機體，設計不同維度作業參數進行試驗，以圖像處理軟件Depositscan分析霧滴沉積數據，通過霧滴沉積量、沉積密度、霧滴粒徑大小等指標來評價作業質量，并引入變異系數來衡量作業均勻性。

2）? 從霧滴沉積密度和霧滴沉積均勻性分析：飛行速度為2.5 m/s、噴霧流量為1.6 L/min、飛行高度為3.5 m時，無人機施藥時霧滴沉積密度分別為70.34個/cm2、106.01個/cm2、98.57個/cm2，且變異系數為41.1%；總體區域、航向方向、兩翼方向的霧滴密度變異系數均值分別為41.8%、23.7%、34.7%均優于其他試驗組，綜合得出試驗T5為最佳試驗組。

3）? 由顯著性分析可知，飛行高度（P=0.018<0.05）、飛行速度（P=0.027<0.05）對靶區內霧滴沉積量、霧滴沉積均勻性影響均顯著，噴霧流量對靶區內霧滴沉積量、霧滴沉積均勻性無顯著性影響；此外，無人機旋翼風場、自然風場的風速和風向對霧滴沉積分布有著明顯的影響，本研究為后續無人機的噴霧作業參數的設置提供理論指導。

參 考 文 獻

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