基于空间质量平衡法的植保无人机施药雾滴沉积分布特性测试

为了探究飞行方式、飞行参数及侧风等因素对无人机喷雾雾滴空间质量平衡分布和旋翼下旋气流场分布的影响,该文基于无人机施药雾滴空间质量平衡测试方法,测定了3WQF80-10型单旋翼油动植保无人机在不同飞行方式(前进、倒退)、飞行高度和侧风速条件下的喷雾雾滴空间不同部位的沉积率和下旋气流风速。结果表明:对于该型无人机,在飞行高度(3.0±0.1)m、速度(5.0±0.2)m/s、1.2 m/s侧风速条件下,机头朝前与机尾朝前2种飞行方式对雾滴分布有显著影响,机尾朝前的飞行方式底部沉积比例可达60%,作业效果更佳;在2.0~3.5 m高度、(5.0±0.3)m/s速度和0.8 m/s侧风速条件下,空间质量平衡收集装置底部雾滴沉积率变异系数与高度呈现线性负相关,线性回归方程决定系数为0.9178,即高度越高雾滴分布均匀性越好;在(3.0±0.1)m高度和(5.0±0.3)m/s速度条件下,空间质量平衡收集装置底部雾滴加权平均沉积率与侧风风速呈线性正相关,线性回归方程决定系数为0.9684,即侧风速越大雾滴越集中分布在下风向处;飞行方式、高度和侧风3种因素对单旋翼无人机喷雾雾滴产生的影响都是通过改变其旋翼下旋气流场在垂直于地面向下方向的强度,减弱气流对雾滴的下压作用来实现的。研究结果可以为植保无人机设计定型、田间喷雾作业参数确定和作业条件的选择提供理论参考。     

油动单旋翼植保无人机雾滴飘移分布特性

为了研究油动单旋翼植保无人机在精准作业参数(速度、高度)条件下的雾滴飘移分布特性,该文建立了雾滴飘移收集测试平台,分别用雾滴飘移测试框架、等动量雾滴收集装置和培养皿收集3WQF80-10型油动单旋翼植保无人机在作业时空中及地面飘移的雾滴。将测试结果分别与侧风风速、飞行高度、飞行速度进行相关分析和回归分析,结果表明:在平均温度31.5℃、平均相对湿度34.1%的条件下,侧风风速为雾滴飘移的主要影响因素;侧风风速与等动量雾滴收集器和培养皿测得的雾滴飘移率呈正相关(相关系数r分别为0.97、0.93);而与雾滴飘移测试框架测得的雾滴飘移率无相关性;侧风风速为0.76~5.5 m/s时,90%飘移雾滴沉降在喷雾区域下风向水平距离9.3~14.5 m的范围内,因此在作业时要预留至少15 m以上缓冲区(安全区)以避免药液飘移产生的危害。研究结果可为低空低量植保无人机施药技术研究和建立植保无人机低空低量施药田间雾滴沉积与飘移测试标准提供参考。     

无人机旋翼风场作用下雾滴在水稻植株上的黏附量模型构建

为了探究植保无人机旋翼风场对雾滴在水稻植株上黏附量的影响规律,该研究以大疆T30植保无人机为施药平台,分别以清水、1%迈飞和0.5%迈图Target助剂溶液为喷洒溶液,基于航空风洞和粒子图像测速系统（Particle Image Velocimetry,PIV）测量了植保无人机旋翼风场作用下的雾流场、溶液的动态表面张力、黏度和密度以及雾滴在水稻叶片表面的动态接触角,分析了植保无人机旋翼风场对雾滴沉降速度的影响,以及飞防助剂对溶液性质参数、喷嘴雾化性能和雾滴在水稻叶片表面润湿铺展能力的影响规律。在此基础上,结合雾滴拦截模型和雾滴与作物叶片表面碰撞模型,建立了应用于植保无人机施药技术领域的雾滴黏附量预测模型,并对模型计算的准确率进行了田间验证试验。试验结果表明,助剂溶液对溶液性质、喷嘴雾化性能、雾滴在水稻叶片表面的润湿铺展能力以及雾滴在水稻植株上的黏附量方面均有不同程度的影响。与清水溶液相比,添加1%迈飞与0.5%迈图Target助剂溶液后,溶液表面张力分别降低了46.81%,62.21%;喷嘴雾化雾滴的粒径均呈增大趋势,约增大9.3%;雾滴在水稻叶片表面的接触角分别降低了27.74%,46.37%;雾滴在每公顷水稻植株上的黏附量分别增加了800.78%和1 051.49%。无人机旋翼风场对雾滴沉降速度和雾滴在水稻植株上的黏附量均有明显影响,旋翼系统开启后,雾滴沉降速度明显增加,且更快达到稳定运动状态,当无人机旋翼转速由0增加至1 000 r/min 再增加至1 800 r/min时,雾滴沉降速度分别增加了366.67%,64.29%。与旋翼关闭状态相比,旋翼系统开启后,1%迈飞和0.5%迈图Target助剂溶液在水稻植株上的黏附量分别降低了26.78%和29.75%。本文建立的黏附量模型预测清水、1%迈飞和0.5%迈图Target 3种溶液在水稻植株上黏附量的准确率分别为48.59%,79.07%和79.29%。该研究为植保无人机对水稻进行施药作业时筛选助剂提供理论参考与指导,并提供一个新的旋翼风场作用下雾滴在水稻植株上黏附量的预测模型。     

无人机果树施药旋翼下洗气流场分布特征研究

植保无人机悬停果树施药时的旋翼下洗气流场分布对雾滴空间运动和在冠层内部的附着、穿透有重要影响。该文基于计算流体动力学(computationalfluiddynamic,CFD)方法,结合RNGκ–ε湍流模型、多孔介质模型和滑移网格技术,通过构建虚拟果园,对六旋翼植保无人机悬停果树施药时的下洗气流流场进行数值模拟,分析在无人机不同悬停高度、不同果树生长阶段和不同自然风速下的气流场分布特征,并进行标记点下洗气流速度测试试验。研究结果表明:1)自然风速大于3 m/s时,旋翼下洗气流速度已淹没于环境自然风速中,不再满足植保无人机悬停施药作业条件;2)自然风破坏了旋翼下洗气流的中心对称状态,向下风方向出现后扬,且随着自然风速和悬停高度的增大,后扬距离随之增大;3)与无自然风状态比较,果树生长时期对其喷头处速度分布影响不显著,主要受自然风影响,且竖直向下的z向气流占主体地位,对雾滴的对靶运输起主导作用,应将喷头安装于可使雾滴获得较大z向速度的旋翼正下方0.2 m处附近;4)无人机悬停位置沿逆风方向调整后,冠层内部上、中、下层气流平均速度较调整前分别由1.36、0.80、0.81 m/s增大至3.04、2.37、1.63 m/s;上、下层速度分布变异系数分别由74.26%、35.80%降至45.39%和22.70%,中层略有增大,总体利于实现对靶喷雾。试验结果表明,标记点下洗气流速度测量值和模拟值之间具有较好的一致性。该文可为动态环境条件下植保无人机悬停果树施药的对靶喷雾自适应控制技术研究提供参考。     

植保无人机旋翼风场模型与雾滴运动机理研究进展

近几年,植保无人机施药技术在中国获得广泛应用,并逐渐发展为国内主要植保技术之一。但由于对植保无人机施药技术基础理论研究不够深入,相关机理尚不明晰,且植保无人机作业平台的稳定性依然有待提高,导致国内植保无人机施药效果不够理想。深入研究植保无人机施药技术的基础理论,理论结合试验结果共同指导植保无人机田间施药是提高其施药效果的经典方法。该研究综述了植保无人机旋翼风场分布特性、雾滴与无人机旋翼风场交互机理、雾滴沉降与飘移机理、雾滴与叶片表面的交互机理及雾滴分散和蒸发特性等植保无人机施药技术基础理论及其模型构建情况的国内外研究现状,并结合其基础理论与模型构建的国内外研究现状,给出植保无人机施药技术的未来发展建议,以期为植保无人机施药技术的发展提供参考。     

植保无人机飞行参数对施药雾滴沉积分布特性的影响

为探究植保无人机喷雾田间雾滴沉积分布特性和飞行参数及参数精准度对沉积分布影响,该文采用高精度北斗卫星定位系统获取无人机精准飞行参数,以柠檬黄示踪剂水溶液代替农药对4种典型国产植保无人机进行了小麦田间喷雾试验,并将其中2种单旋翼无人机的飞行参数与其变异系数、均方根误差相结合,对雾滴沉积分布特性的影响因素进行了研究。结果表明:4种无人机施药在航线两端区域内沉积量变化剧烈,航线中间区域沉积量较稳定;影响横向雾滴沉积分布主要因素是无人机相邻喷头或喷幅间的雾滴重合度;对于单旋翼无人机,在高度1.1~1.2 m、速度4.2~4.9 m/s的范围内,沉积量与速度均方根误差呈极显著线性正相关关系(P0.01,r=0.952),纵向沉积量变异系数与速度变异系数呈极显著线性正相关关系(P0.01,r=0.963),总体沉积量变异系数与高度呈显著线性负相关关系(P0.01,r=–0.888);使用速度均方根误差、速度变异系数和高度这3个飞行参数和参数精准度指标来分析和预测雾滴沉积量和分布均匀性的方法合理、有效、可行。根据试验结果,该文给出了相关合理建议以改善植保无人机施药效果,研究结果可为植保无人机田间喷雾作业参数确定、作业条件的选择和田间作业规范的制定提供参考。     

基于仿真果园试验台的植保无人机施药雾滴飘移测试方法与试验

植保无人机(Unmanned Aerial Vehicle,UAV)果树飞防植保作业中飞行高度较高并且采用低容量细小雾滴喷雾,飘移风险极高。但是,无人机果园施药雾滴飘移特性研究尚处于初步开展阶段,缺乏全方位综合测试方法以及对不同无人机机型和喷头类型的评价。该研究在前期研究基础上,提出一种基于仿真果园试验台的植保无人机果园施药雾滴飘移测试方法,设计并制作仿真葡萄园试验台和空中飘移收集装置,结合地面飘移收集装置和冠层沉积收集带,首次通过雾滴空间飘移指数ADX定量分析评价不同机型的喷雾过程中农药雾滴空间飘移特性,并采用田间近地飘移测试平台进行无人机喷雾飘移试验,使用荧光示踪法探究4种典型植保无人机(油动单旋翼、电动6旋翼及2种电动8旋翼无人机)分别搭载IDK 120-015空气射流喷头和TR 80-0067空心圆锥喷头喷雾作业的雾滴冠层沉积分布、地面飘移、近地飘移及空中飘移特性,进而对不同喷雾飘移测试收集装置进行评估。结果表明:在侧风速2.2～3.6 m/s,温度29.8～34.3℃,相对湿度10.7%～30.6%的环境条件下,IDK空气射流喷头在作业高度1.5 m、速度2.0 m/s参数下可显著降低无人机喷雾下风向飘移水平,优化沉积分布均匀性,提高农药雾滴利用率;4种机型飘移特性无显著差异,旋翼下洗气流产生的卷扬涡流是影响无人机喷雾飘移的重要因素;葡萄园喷雾作业缓冲区至少应设置为15 m;冠层沉积率越小(P0.05,r0)、沉积分布变异系数越高(P0.01,r0)、田间飘移平台平均均值飘移率和90%累积飘移距离越大(P0.01,r0)以及ADX值越大(P0.01,r0)均表明雾滴飘移风险越高,3种收集装置及其评价指标均可有效评估下风向飘移特性;植保无人机喷雾飘移率与下风向距离满足指数函数关系。研究结果以期为新型果树专用植保无人机研发、植保无人机果园作业喷雾飘移测试方法的标准制定和田间作业参数选择提供参考和数据支持。     

植保无人机航空喷施作业有效喷幅的评定与试验

植保无人机有效喷幅宽度的准确评定是农业航空精准作业的前提,对其作业航线的规划及喷施作业质量的提升均有着重要意义。该文以不同参数的单旋翼植保无人机和多旋翼植保无人机为例,分别通过12架次不同飞行参数下的航空喷施试验及目前国内常用的雾滴密度判定法和50%有效沉积量判定法来评定植保无人机的有效喷幅宽度,并根据雾滴处理软件Deposit Scan对水敏纸等采集卡上的图像处理原理对不同评定方法进行了深入分析。结果表明:50%有效沉积量判定法更适于雾滴粒径相对较大的3WQF120-12型植保无人机有效喷幅宽度的评定,且评定的平均有效喷幅宽度为≥4.44 m;雾滴密度判定法更适于雾滴粒径相对较小的P-20型植保无人机有效喷幅宽度的评定,且评定的平均有效喷幅宽度为≥2.58 m;评定的有效喷幅结果与实际情况相符合。另外,由分析可知,由于当前图像处理技术的限制,不同粒径大小的雾滴斑点图像,软件Deposit Scan所产生的相对误差不同,因此,应根据植保无人机喷施雾滴粒径的范围选择合适的有效喷幅宽度评定方法。该结果为不同参数的植保无人机选择较优的有效喷幅评定方法提供了指导,降低了航空喷施作业的重喷率和漏喷率,提高了植保无人机航空喷施作业质量,可为植保无人机精准喷施作业的实施提供参考。     

植保无人机喷施雾滴沉积特性的荧光示踪分析

航空施药雾滴沉积特性的准确检测对施药参数选择和施药质量优化至关重要。该研究以3WQF-80-10型植保无人机为试验对象,选取典型飞行工况,通过水敏纸和基于荧光示踪的航空施药沉积检测系统同步获取展向雾滴沉积覆盖率,研究对比了该机型在典型飞行工况条件下的雾滴沉积离散性和连续性分布,评估基于荧光示踪的沉积检测系统对雾滴沉积检测效果与适用性。试验结果表明:荧光示踪法与水敏纸法所得雾滴沉积率分布曲线整体趋于一致,2种方法的检测结果相关性拟合优度(R2)为0.88~0.96;由于植保无人机旋翼下洗风场胁迫细小雾滴沉降至非水敏纸布样位置,致使荧光示踪法测得的平均雾滴覆盖率曲线出现更多峰值,覆盖率值高于水敏纸法测量结果。植保无人机飞行速度为2 m/s,飞行高度为3 m的作业条件下,与水敏纸离散布样方式相比,荧光示踪连续布样方式测得雾滴覆盖率提高16.92%,当飞行速度为4 m/s,飞行高度为9 m时,后者较前者提高97.77%。植保无人机作业工况对施药雾滴沉积覆盖率影响方面,飞行速度2 m/s,飞行高度3 m的工况下,雾滴沉积覆盖率最高,为8.34%和7.14%;随着植保无人机飞行高度和速度增加,雾滴沉积覆盖率降低。针对植保无人机下洗风场作用下施药雾滴沉积质量检测,与离散布样方式相比,连续性样品采集可获取更丰富的雾滴空间沉积分布细节。该研究可为无人机低空低量施药雾滴沉积检测和无人机下洗风场对雾滴沉积分布影响研究提供方法参考。     

无人植保机施药雾滴空间质量平衡测试方法

为了研究精准作业参数(速度、高度)下的无人植保机施药雾滴空间分布和下旋气流场特性,该文提出了一种无人机施药雾滴空间质量平衡测试试验方法,并且使用该方法对3种无人机进行了田间实际试验研究,结果表明:该方法可以有效获得准确飞行速度和高度下无人机施药雾滴空间分布情况和下旋气流场分布情况,在平均风速1.7 m/s、平均气温31.5℃、平均相对湿度34.1%的条件下,飞行高度2.5 m、速度5.0 m/s时,3WQF80-10型无人机喷雾作业雾滴在上风向部、顶部、下风向部和底部的平均分布比例为4.4%,2.3%,50.4%和43.7%;CG-Q60S型无人机雾滴在4个方向上平均分布比例为2.5%,1.5%,43.2%和52.8%;LXD8-3WD10型无人机雾滴在4个方向上平均分布比例为1.9%,2.0%,21.9%和74.7%。雾滴空间质量平衡分布规律符合下旋气流场分布规律,无人机下旋气流风场的测量是分析雾滴在空间不同部位分布的重要手段。研究结果可为低空低量无人植保机施药技术研究和建立无人植保机低空低量施药田间雾滴沉积与飘失测试标准提供参考。     

中国果园植保机械化技术与装备研究进展

果园植保是果园管理关键环节,其机械化发展水平直接影响水果种植的经济效益。为明确中国果园植保机械化技术与装备未来发展方向,该研究首先介绍了中国果园的主要种植方式、植保机械化发展水平及发展制约的因素,然后重点阐述了管道喷雾、风力辅助喷雾、静电喷雾、循环喷雾、变量喷雾和航空施药等植保机械化关键技术与装备的研究进展,概括分析了上述植保装备的农药利用率情况,最后结合中国果园种植特点提出了推广标准化果园种植方式、发展立体植保施药技术、推广专业化机械植保服务模式和研发智能植保机器人4个方面的建议,以期为中国果园植保机械化发展提供参考。     

参考作物腾发量主成分神经网络预测模型

为解决采用神经网络模型预测参考作物蒸发蒸腾最Eto研究中预测能力不足的问题,将气象因子包括最高、最低和日平均温度、日照时数、气压、水汽压、相对湿度和风速进行主成分分析,提取主成分,建立了基于主成分的三层BP神经网络模型.选取崇川水利科学试验站2001年到2004年的旬气象资料,采用Matlab神经网络工具箱进行模型训练与预测,并以传统BP网络模犁作为对照.结果表明,主成分网络模型能够很好地反映诸多影响因子与Eto之间的关系,尤其对训练样本以外的验证样本,主成分网络模型具有显著优于传统BP网络模型的识别能力,取得更为可靠的预测结果.     

N-3型农用无人直升机航空施药飘移模拟与试验

为了判定N-3型农用无人直升机在进行病虫害防治作业时所需的安全农药飘移缓冲区,该文通过模拟和试验,研究了飞机在飞行速度为3 m/s、侧风风速分别为1、2和3 m/s、飞行高度为5、6和7 m时在非靶标区域的药液飘移情况。采用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法,在约束条件下对作业过程中旋翼风场和农药喷洒的两相流进行了模拟,并设计了条件相似的对应试验进行验证。模拟的结果表明,在无人机飞行速度3 m/s,侧风风速相同的情况下,作业飞行高度为5、6、7 m时,药液在侧风下方(Z轴正向)的最大飘移距离和在无人直升机后方(X轴负向)的最大沉积量位置差异不大;在作业飞行高度相同的情况下,侧风风速为1、2、3 m/s时候,药液在侧风下方的最大飘移距离和在无人直升机后方的最大沉积量位置发生变化明显。通过相应试验,对飘移量(飞行高度6 m,飞行速度3 m/s)的模拟数值与试验值的变化趋势进行了比较,并进行线性回归分析,拟合直线决定系数R2分别为0.7482、0.8050和0.6875。本文提出一种较传统检测方法更为方便的CFD模拟方法,来对N-3型无人直升机施药作业中药液的飘移情况进行分析,模拟研究可以比较准确地定性地模拟出实际飘移情况,对实际生产具有一定的指导意义。     

NJS-1型植保直流闭口式风洞设计与试验

针对农药雾滴飘移特性研究的需要,依照流体力学、空气动力学及相似理论设计了NJS-1型植保低速风洞。该风洞型式为直流闭口式,主要由进气段、动力段、过渡段、扩散段、稳定段、收缩段及试验段等部分组成,采用理论计算确定各段结构,风洞总体尺寸为20 m×2.7 m×4.3 m(长×宽×高);动力段流道型式为R+S级,叶轮直径1.2 m,叶片数为8,后导叶叶片宽度0.18 m,叶片数为7;扩散段为大角度扩散,扩散角40°;稳定段采用六角形蜂窝器和两层阻尼网组合设计;试验段长度为7.5 m,出口截面尺寸为1.8 m×1.2 m(高×宽)。通过性能试验测定了风洞试验段气流品质,试验结果表明:试验段风速1.0~10 m/s连续可调,气流动压稳定系数小于1.5%,气流紊流度小于1%;同时在1.0~9.0 m/s风速下测定试验段入口截面风场均匀性,表明随着风速的增加,风场的风速分布更加均匀。该文为进一步研究植保风洞的结构设计和飘移试验参数优化提供依据。     

植保无人机昼夜作业的雾滴沉积特性及棉蚜防效对比

针对无人机在棉蚜防治过程中夜间作业雾滴沉积特性和防效未知、目标喷洒区域雾滴沉积规律不明确等问题,该研究采用P20植保无人机进行棉蚜防治试验,对比了无人机白天和夜间作业时棉花植株不同部位的雾滴沉积规律及棉蚜防效,以常规喷杆喷雾机和喷枪为对照。结果表明,无人机白天和夜间作业的雾滴沉积数量及覆盖率差异显著,相同作业参数下,夜间作业的雾滴沉积数量平均比白天多42.82%,覆盖率平均比白天增加51.04%;夜间作业的雾滴穿透性较好,棉花植株的中下层及叶片背面雾滴沉积数量均多于白天。夜间作业时,棉花植株中、下层的雾滴沉积数量平均占垂直方向上雾滴总数量的比例分别为34.79%和22.07%,白天平均占33.27%和21.89%,喷枪为29.50%和19.98%,喷杆喷雾机为43.30%和15.84%;无人机夜间作业的叶片背面雾滴沉积数量平均占正反面总雾滴沉积数量的19.80%,白天作业占14.18%,夜间比白天多39.63%,各层叶片背面的雾滴沉积数量表现为上层下层中层;总体上,无人机作业的叶片背面雾滴沉积数量比例不超过25%,喷枪及喷杆喷雾机作业的叶片背面雾滴数量少,分别占7.09%和0.20%;在棉花花铃期和蕾期作业时,为提高雾滴沉积数量和雾滴穿透性,建议将无人机作业参数设置为飞行高度1.5～2 m,飞行速度3～4 m/s,选用较大的喷洒量,因为只有无人机下压风场不削弱、雾滴不大量损失的前提下,旋翼风场才能有效促进雾滴穿透性。就雾滴沉积数量和棉蚜防效关系而言,药后第1天棉蚜减退率与叶片背面雾滴沉积数量呈正相关关系,因受天敌影响药后第10天二者关联性不高。试验表明,无人机夜间作业更有利于棉蚜防治,其防效显著优于白天作业和其他2种常规设备,且农药剂量减少20%对棉蚜防效无显著影响。该研究结果可为植保无人机作业参数的合理设置提供参考,为棉蚜有效防控提供科学依据。