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。     

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。     

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。     

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。     

植保无人机飞行参数对油茶授粉雾滴分布及坐果率的影响

为了探究植保无人机授粉喷施时对油茶坐果率的影响,该文采用大疆T20型无人机开展授粉试验研究。通过设置植保无人机不同飞行高度和飞行速度,比较分析各试验组的雾滴分布情况,探究植保无人机飞行参数对油茶授粉雾滴分布的影响,以及雾滴分布对油茶坐果率的影响。结果表明：油茶树冠层对于植保无人机喷施的雾滴有较强的阻碍作用;植保无人机授粉喷施的雾滴沉积量随着飞行速度的增加而逐渐减少;随着植保无人机飞行高度增加,雾滴沉积量呈现先升后降的趋势;当飞行速度为3m/s、飞行高度为2.5m时,植保无人机授粉效果最好,油茶树上层平均坐果率达到42.67%,油茶树下层平均坐果率为36.00%;油茶坐果率与雾滴沉积量之间呈正相关,斜率K为25.267,修正后的R²为0.806。该研究结果可为植保无人机开展油茶林授粉喷施作业提供重要的数据支撑,为提高油茶产量提供理论依据。     

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。     

旋翼无人机气流特征及大田施药作业研究进展

旋翼植保无人机近年发展迅速,已出现大量施药作业的相关研究成果。针对目前研究现状中基础作业体系不清晰、关键问题研究不深入的问题,该文聚焦旋翼无人机施药目的,明确指出旋翼气流的存在是旋翼植保无人机大田作业的典型特征。围绕该特征,提出旋翼无人机大田施药作业基础体系,依照农药装载搬运-农药转化雾滴-雾滴空间运动-雾滴植株扩散-施药作业方法的主线,分别对旋翼无人机的机体、药箱、雾滴物理状态、运动状态、旋翼气流、对靶沉积、脱靶飘移、气流与作物互作、雾滴附着、机体控制、喷施量控制及作业模式等基本要素的研究现状进行归纳总结,梳理旋翼无人机施药作业体系的内在逻辑关系,探寻施药作业体系中待深入研究的基础科学问题。指出目前旋翼无人机大田作业亟需解决作业体系内容研究不均衡、机理研究不深入的问题;亟需解决作业参数关联性不强、大田试验条件精准性有待提高的问题;亟需解决作业模式无法直接表征作业效果、高精度飞行参数难转化为作业参数的问题,并给出深入研究的相关建议。期待广大学者提高对旋翼气流相关研究的关注度,围绕旋翼无人机大田作业体系中的实践与技术难点,寻找出具有旋翼气流特征的物理参数,提炼基础科学问题,加强工程应用研究。     

植保无人机低空低量施药雾滴沉积飘移分布立体测试方法

随着植保无人机在中国的广泛使用,植保无人机的沉积分布均匀性与雾滴飘移流失也引起各方面的重视。目前,针对植保无人机施药雾滴沉积飘移的测试方法较少,且着重于从沉积或飘移中某一方面分析植保无人机雾滴沉积飘移规律,未对作业中全方位的雾滴的沉积飘失规律进行系统测试。该文基于国际标准ISO22866和ISO24253建了1套针对低空低量植保无人机的立体测试方法,分别在地面布置沉积和飘移收集器,在空中架设立体沉积和空中飘移收集器,结合航拍影像所获取的植保无人机准确作业参数,对4个型号植保无人机分别搭载德国Lechler公司的IDK120-015和TR80-0067喷头进行了测试,系统分析了无人机周边的总沉积以验证方法准确性,计算了总地面沉降以表征可利用部分和空中耗散以评估环境风险。结果表明,各植保无人机地面沉积率在53.6%~76.6%,地面飘移率最高17.4%,空中飘移率可高达14.7%;该测试系统可收集62.4%~101.7%无人机喷洒出的雾滴。测试的4种植保无人机在搭载IDK喷头后均明显降低了雾滴飘移,但也同时降低地面沉积率;各植保无人机在搭载2种喷头时沉积规律不同,不同植保无人机设计需要选择不同喷头。该测试方法能够有效的收集并分析植保无人机在作业区域的雾滴立体分布状态,可为植保无人机综合评估提供新的参考依据。     

无人直升机喷雾参数对玉米冠层雾滴沉积分布的影响

为了阐明喷洒药械N-3型无人直升机(N-3 UAV)在玉米生长后期雾沉积效果及应用前景,研究了喷洒参数对玉米冠层雾滴沉积分布的影响。该试验研究以染料Rhodamine-B溶解成一定浓度的溶液代替农药进行喷雾,通过改变飞机的作业高度和横向喷洒幅度进行喷雾试验;采样点设置沿玉米高度方向分4层,用聚酯卡作为雾滴取样器采集雾滴。用荧光分光光度计测定雾滴在玉米某一区域的沉积量,由此获得雾滴沉积量在玉米植株不同层间分布的规律。结果表明:作业高度为5 m时,雾滴在目标上的总沉积量最少,离散程度最大,极差值为0.17;作业高度为7 m时,雾滴在目标上的总沉积量比作业高度为5和9 m时的沉积量大,雾滴沉积量的离散程度最小,极差为0.10;不同作业高度时,雾滴在玉米顶部、上部、穂部、下部的沉积效果和分布均匀性的变异系数不同,雾滴在玉米上部和穗部的沉积量高于顶部和下部的沉积量。在同一作业高度下(7 m),横向喷幅为5和9 m时,多喷幅雾滴沉积百分比的极差为38.4%和38.1%,变异系数为41%和34.4%;横向喷幅为7 m时,多喷幅雾滴沉积百分比的极差为26.3%,变异系数为25%,雾滴分布均匀性最好。小型无人直升机在玉米生长后期喷洒农药时,作业高度和横向喷洒幅度会影响雾滴在植株上的沉积量和分布均匀性,综合考虑雾滴沉积特性和喷洒效果情况下,应该选择飞行高度为7 m,横向喷洒幅度为7 m作为作业参数。该研究可为喷雾器具的优化设计、性能改进以及正确使用等提供技术依据;对合理喷施农药、提高喷洒效率、防治病虫害大面积暴发具有重要意义。     

用P20型植保无人机减量施药防治稻纵卷叶螟

为探讨植保无人机（UAV）减量施药对水稻病虫害的防治效果,该研究采用P20型植保无人机进行水稻田间施药作业。分别在水稻分蘖末期、孕穗期开展了两种施药液量（15、22.5 L/hm2）的水稻冠层雾滴沉积试验,以及两种施药液量下480、540、600 mL/hm2 3种农药剂量（阿维·氯苯酰推荐剂量的80%、90%、100%）的防治稻纵卷叶螟减量施药田间药效试验,并与背负式电动喷雾器（Knapsack Electric Sprayer,KES）人工施药的常规防治方法进行施药效果对比。雾滴沉积试验结果表明,水稻冠层上部的雾滴分布均匀性优于水稻冠层下部;施药液量15、22.5 L/hm2的冠层上部雾滴沉积有显著差异,且施药液量22.5 L/hm2的冠层上部雾滴沉积显著优于施药液量15 L/hm2。药效试验结果表明,农药剂量越大稻纵卷叶螟防治效果越好,采用农药剂量100%的植保无人机施药防治效果最好,并优于KES人工施药;施药液量15、22.5 L/hm2的稻纵卷叶螟防治效果有显著差异,且施药液量22.5 L/hm2较15 L/hm2的防治效果更好;处理T2（施药液量15 L/hm2、农药剂量90%）、处理T4（施药液量22.5 L/hm2、农药剂量80%）与KES人工施药的防治效果没有显著差异。采用植保无人机施药防治稻纵卷叶螟,施药液量22.5 L/hm2可以获得更好的雾滴沉积和稻纵卷叶螟防治效果;施药液量22.5 L/hm2时,减少20%的农药剂量也能保证稻纵卷叶螟防治效果。该结果对水稻田间植保无人机减量施药具有实践指导意义。     

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。     

植保无人机施药喷嘴的发展现状及其施药决策

农药的低利用率是影响农业生态环境和农产品品质安全的重要原因之一,优化农药喷施技术是提高农药利用率的有效手段。无人机植保喷施作业作为航空施药领域的重要组成部分,因其应对突发灾害能力强、不受作业地点限制等优势,具有巨大的发展潜力。喷嘴作为植保无人机喷施系统中的关键部件,主要分为液力雾化喷嘴和离心雾化喷嘴两大类,良好的喷嘴性能能够大大提升航空施药喷洒的均匀性,提高农药的利用效率。该文总结了各类植保无人机常用喷嘴的原理、特点以及应用场合,提出了喷嘴性能评价指标并总结了三大类常用的雾滴粒径、沉积量、分布、速度等指标的测量手段,包括雾滴收集方法,雾滴沉积量测试方法以及仪器测量法。最后,针对目前无人机施药缺乏专业的指导,农药喷施效果有待提升的现状,该文提出合理的施药决策是结合靶标作物、喷药需求以及喷施环境三方面因素共同作用的结果,并从喷嘴喷雾角、防堵塞性、喷嘴压力与流量以及最佳作业粒径4个方面分析了喷嘴选型的思路,从专业喷嘴选型决策系统的建立以及无人机植保专用喷嘴的研发两方面对今后的研究进行展望。     

小型无人直升机喷雾参数对杂交水稻冠层雾滴沉积分布的影响

为了初探小型无人直升机航空喷施雾滴在水稻冠层沉积分布规律,主要通过不同的飞行参数研究了不同喷雾作业参数对水稻冠层的雾滴沉积分布的影响。该试验以HY-B-10L型单旋翼电动无人机搭载北斗定位系统UB351绘制作业轨迹,以质量分数为5‰的丽春红2R水溶液模拟生长调节剂喷施沉积情况,以图像处理软件DepositScan来分析靶区和非靶区的雾滴沉积参数得出雾滴的沉积分布结果。结果表明：3次试验中的雾滴沉积分布趋势均相似,且飞行高度和飞行速度对靶区内采集点上雾滴平均沉积量影响均显著,对雾滴沉积均匀性影响并不显著。3次试验中靶区的雾滴沉积量随着高度的增加而减少,总雾滴沉积量分别为2.380、1.905、1.156μL/cm2,采集点的平均沉积量分别为0.198、0.159、0.064μL/cm2;在作业高度为1.92 m时雾滴沉积平均均匀性最佳,且非靶区的雾滴漂移总量最少,为0.174μL/cm2。另外,第1、2条采集带上靶区内的雾滴沉积量均明显多于作业速度较大的第三条采集带上的雾滴沉积量,3次试验中,第一、2条采集带上雾滴沉积总量的平均值分别高于第3条采集带上雾滴沉积总量的184.27%、53.51%、72.31%;且由于外界风场的影响,作业航线下风向的雾滴沉积量和漂移距离均大于作业航线上风向的雾滴沉积量和漂移距离;以及由于飞行速度的影响,非靶区航线下风向第3条雾滴采集上的雾滴漂移量均大于第1、2条雾滴采集带上的雾滴漂移量。该结果较好地全面揭示了作业参数对航空喷施雾滴沉积分布结果的影响,并从风场因素方面推测了对雾滴沉积的影响,对药液的合理喷施、提高喷施效率具有十分重要的指导意义。