植保无人飞机油菜杂草防治与效果评估研究

为探索油菜田杂草看麦娘的有效防治,进行植保无人飞机低量施药防治试验,分析不同雾滴粒径、不同飞行高度、不同飞行速度和不同施药液量下雾滴沉积覆盖率、雾滴密度等,结果表明在其他条件相同时,小雾滴粒径(195μm)喷洒的雾滴覆盖率和沉积密度明显大于大雾滴粒径(235μm)喷洒。选取雾滴粒径195μm、高度1.5 m、速度4 m/s、施药液量12 L/hm~2条件下植保无人飞机施药(UAV)与空白对照(CK)、人工施药(Manual)对比,采用反射光谱信息和植被指数进行防治后10天的效果评估,敏感波段区间光谱反射值和植被指数(NDVI、PRI)值均是CK>UAV>Manual,表明常规药液量的人工施药较优,建议植保无人飞机防治杂草看麦娘应增加单位面积的施药液量以提高防效。研究结论为植保无人飞机防治油菜田杂草看麦娘提供参考。     

飞行参数对结荚期花生航空施药雾滴沉积特性的影响

花生结荚期是提高花生群体质量、促进产量形成的关键阶段,此时正值高温高湿期,容易遭受病虫害的影响,在这一时期做好病虫害防控对于花生高产具有重要意义。为探究花生结荚期使用植保无人机施药时,飞行参数对雾滴沉积特性的影响,采用三因素五水平的正交试验方法,研究极飞P30植保无人机飞行高度、飞行速度、喷药量对雾滴覆盖率、雾滴沉积密度和雾滴沉积量的影响。极差分析结果表明,飞行高度为2 m、飞行速度为3.5 m/s、喷药量为15 000 mL/hm~2时雾滴覆盖率和雾滴沉积量最优,分别为5.48%、0.448μL;飞行高度为2.5 m、飞行速度为3.5 m/s、喷药量为15 000 mL/hm~2时雾滴沉积密度最优;并得出飞行参数对雾滴沉积影响的主次顺序。使用SPSS对试验结果进行方差分析,结果表明,喷药量对雾滴沉积特性的影响均为极显著。本试验可为花生结荚期进行植保无人机施药作业参数确定提供参考依据。     

冬小麦田植保无人飞机喷施除草剂雾滴粒径及沉积飘移分布特性评估

随着植保无人飞机作业面积的增加，雾滴飘移风险也日益凸显，尤其以除草剂飘移风险危害最高。为明确除草剂溶液对雾滴粒径的影响及植保无人飞机喷施除草剂雾滴沉积飘移分布特性，本研究通过室内雾化室测定了植保无人飞机安装的离心转盘雾化喷头喷洒清水及常用的15种麦田除草剂溶液的雾滴粒径分布，并通过田间试验在药箱中添加荧光示踪剂（60 g/hm²）测定喷施作业区和飘移区的雾滴沉积量分布。室内测定结果表明，与清水相比，除草剂溶液对雾滴粒径影响显著。除唑草酮水分散粒剂外，其余溶液经离心转盘雾化喷头喷洒后，雾滴体积中径较清水均有所降低，且最大降低22.0%；小雾滴（V<150 μm）比例均有所增加，最大增加50.8%。田间飘移试验表明，植保无人飞机喷洒150 μm雾滴，在环境侧风风速为3.76 m/s时，作业区的雾滴沉积覆盖度和雾滴沉积密度仅为风速0.74 m/s时的41.3%和42.2%，且均匀性显著降低。在飘移区下风向12 m位置，雾滴沉积量为作业区的10%以下；下风向50 m处，雾滴沉积量低于检测限（0.0002 μL/cm²）。飘移比率随风速的增加而增加，当风速达到3.76 m/s时，雾滴飘移比率达到46.4%。不同侧风风速下，90%的累积飘移位置在4.8~22.4 m。对飘移区沉积量与飘移距离、侧风风速拟合，结果表明下风向沉积量与风速呈正比。本研究为植保无人飞机冬麦田不同风速作业下的雾滴飘移距离提供数据支持，为喷雾飘移缓冲带、飘移风险评估提供依据。     

大载荷植保无人直升机喷雾气液两相流动数值模拟

为研究大载荷植保无人直升机喷雾流场特性,基于FR-200型大载荷植保无人直升机喷洒系统,建立FR-200型大载荷植保无人直升机无植物冠层三维雾滴沉降仿真模拟平台,利用Fluent软件的SST k-ω湍流模型和DPM离散相模型对无人直升机喷雾沉降过程进行了仿真模拟,分别研究了飞行速度、喷杆相对位置、喷施角度对喷雾流场的影响,并进行户外试验验证。试验结果表明,下洗流场垂直方向速度(Z向)呈不对称分布,旋翼x/R为0.8处垂直方向速度(Z向)最大;仿真模拟的雾滴沉积总量与户外试验的雾滴沉积密度基本一致,线性决定系数R2为0.999 6,无人直升机前飞速度与雾滴群抗飘移系数及沉积量呈线性关系,前飞速度3 m/s时,靶标上雾滴总沉积密度为4.208μL/cm~2,前飞速度5 m/s时,靶标上雾滴总沉积密度为1.766μL/cm~2;随着采样面的升高,雾滴群抗飘移性能增强;位于喷杆不同位置处喷头的抗飘移性能不同,主要表现在位于喷杆两端的喷头1和9受到旋翼尾涡的影响,雾滴群抗飘移性能变差,机身正下方的喷头5由于机身阻挡作用,造成雾滴群分散性增加,雾滴因垂直方向动能衰减而难以到达采样面;喷施角度越小,雾滴群总体抗飘移性能越好。     

单旋翼植保无人飞机小麦返青期施药作业参数优选

以CE20型电动单旋翼植保无人飞机为研究对象,结合小麦返青期植保作业要求,对植保无人飞机常用作业参数组合(作业速度、作业高度和喷施流量)进行了全因素试验与优选。依据国内首个植保无人飞机行业标准《植保无人飞机质量评价技术规范NY/T3212-2018》,分析了不同作业速度、作业高度和喷施流量下的作业喷幅与作业喷幅内的雾滴覆盖率变异系数。结果表明:作业速度与喷施流量对该型植保无人飞机的作业喷幅影响显著,作业高度和喷施流量对作业喷幅内雾滴覆盖率变异系数影响显著。结合作业喷幅与覆盖率变异系数,经过对比分析,筛选出作业速度4m/s、作业高度2m、喷施流量2L/min作为较优作业参数组合。在该组合下,作业喷幅为5.75m,雾滴覆盖率变异系数为26.2%,对应的施药液量为14.5L/hm~2,单日综合作业效率为36.8hm~2/天。     

植保无人机喷施除草剂喷头选择及参数优化

植保无人机因其具有灵活、精确的特点,在全球范围内得到迅猛发展。为获得相对较好的植保无人机喷雾雾滴沉积效果,应用电动四旋翼植保无人机在冬小麦除草过程中进行施药试验,研究喷头类型(防飘喷头DG11003型和原装喷头SX11001VS型)及喷液量(7.5、15.0、22.5及30.0 L/hm~2)对雾滴沉积分布的影响,为优选植保无人机田间除草作业参数提供数据参考。使用DepositScan软件分析雾滴沉积参数,包括不同采样点的雾滴覆盖率和雾滴密度。试验结果表明:防飘喷头DG11003的雾滴密度(27.9～73.0个/cm~2)显著大于原装喷头SX11001VS(13.7～47.2个/cm~2),而对于雾滴覆盖率二者无显著差异,其变化范围分别为2.1%～10.4%及2.0%～9.9%,同时雾滴覆盖率及密度均随喷液量增大而增大;根据不同处理雾滴沉积的变异系数差异可以看出,喷液量对雾滴沉积的均匀性无显著影响。但两种喷头类型对雾滴沉积影响差异显著,防飘喷头DG11003变异系数较小,对雾滴沉积效果更好,其雾滴覆盖率及雾滴密度变异系数的变化范围分别为43.6%～73.4%及46.0%～49.4%。论述应用植保无人机在冬小麦除草剂喷施作业时,喷液量及喷头类型对雾滴在小麦冠层的沉积分布的影响,综合分析可得,选用防飘喷头DG11003在喷液量较大的条件下进行施药,其效果最佳。该研究可为植保无人机对麦田除草剂的合理喷施提供参考和指导。     

大载荷无人直升机静电喷雾沉积特性试验研究

为探索在大载荷植保无人直升机下洗气流作用下各因素对静电喷雾沉积特性的影响规律,将正交试验与Box-Behnken响应面试验相结合,在定性分析的基础上,建立起沉积特性参数与荷电电压、飞行参数等影响因素之间的数学预测模型,定量地分析了各因素对沉积特性的影响.结果表明:大载荷无人直升机静电喷雾沉积特性受施药过程中荷电电压和飞行参数的影响显著.雾滴单位面积沉积量与荷电电压成正相关,与飞行速度、飞行高度成负相关.相同飞行参数下(飞行速度5m/s、飞行高度4m),荷电电压8kV的静电喷雾单位面积沉积量为0.3180μL/cm²,比非静电喷雾单位面积沉积量提高了1.17倍.与此同时,沉积量变异系数与飞行速度成正相关,与荷电电压、飞行高度成负相关,即增加荷电电压、降低飞行速度或者提高飞行高度能有效改善雾滴的沉积均匀性.     

无人机飞行高度和速度对喷药效果的影响分析

为深入分析无人机进行施药作业过程中飞行高度和飞行速度对喷药效果带来的影响,对无人机喷药系统进行了设计。以无人机整体施药运作机理为载体,结合作业过程中的喷雾流量、雾滴粒径及飞行速度等核心参数,选择雾滴沉积密度、雾滴沉积覆盖率、雾滴沉积均匀度为衡量指标,建立喷药系统理论控制模型,并进行喷药系统的硬件系统设计和软件程序编写,展开无人机施药效果试验。结果表明:在一定的施药流量控制条件下,不同飞行高度的雾滴沉积平均覆盖率整体呈现出下降趋势,且当无人机选择飞行高度H=1.4m、飞行速度V=0.5m/s组合参数条件下,该喷药系统的雾滴沉积覆盖率为26.9%,雾滴粒径分布均匀度达90%以上,雾滴沉积密度保持在70%以上,为最佳施药参数组合。     

M18系列飞机不同施药浓度下的雾滴沉积分布

针对航空施药中存在的雾滴飘移严重、利用率低等问题,对水稻田施药后药液的沉积分布进行了分析。通过M18系列飞机在水稻田进行田间试验,在施药作业中雾化喷头在50m/s的喷洒速度下,进行了3种不同的液体直径对雾滴的直径、数量和沉积密度的比较。结果表明:-40～50m的水敏纸均有药液沉积,主要集中在-25～-20m之间,且随着漂移距离的增加,药液沉积量逐渐减少。分析结果表明:3个采样区中液体直径越大,相应的雾滴粒径越大,雾滴数量越少,沉积点数主要分布在-25m和至0m范围内。本研究对合理喷施农药、提高喷洒效率、防治病虫害大面积暴发具有重要意义。     

高架草莓摆动式小型施药机设计与试验

针对温室高架草莓的机械化施药需要,在对高架栽培环境、草莓植株特性和病虫害防治等调研的基础上,设计开发了高架草莓摆动式小型施药机。利用CFD仿真模拟技术对不同竖直施药角度和辅助风速进行雾滴群体沉积运动模拟仿真实验,结果表明:风速越大雾滴沉积距离越远,角度越大雾滴沉积距离越远,雾滴在空间内的运动轨迹可以看作是圆锥形雾柱;喷筒角度在10°～50°、风速为12m/s时,雾滴沉积密度最大,且纵向喷幅范围最广,喷幅范围为0.5～5.1m。进行了棚内实地喷雾试验,结果表明:雾滴沉积量随风速增大而增大,沿纵向方向呈"近大远小"的分布特点,沿横向方向呈周期性"波浪线"分布,在0.5m/s行进速度和15°/s喷筒摆动速度下,雾滴横向沉积均匀性和覆盖率最佳。     

水平棚架式梨树多旋翼无人机液体授粉试验

针对我国梨树授粉用工量大、作业效率低等问题,基于液体授粉技术,以水平棚架式栽培的梨树为研究对象,开展多旋翼无人机液体授粉试验,探究多旋翼无人机单位面积液体喷施量、飞行高度及授粉方式等对雾滴沉积分布及授粉效果的影响。试验结果表明多旋翼无人机液体喷雾授粉作业性能稳定,雾滴沉积分布组内变异系数不超过20%;雾滴覆盖率及雾滴覆盖密度均与喷施量呈正相关,当液体喷施量为6mL/m2时,飞行高度的变化对雾滴沉积分布影响显著,飞行高度为4m时,雾滴覆盖率及覆盖密度分别为7.06%、84.77个/cm2,花朵坐果率为49.70%,花序坐果率为85.83%,较自然授粉分别提高91%及43%。当花粉液体喷施量为4.5、6mL/m2时,无人机液体授粉与自然授粉花序坐果率差异显著,且无人机液体授粉与背负式喷雾器授粉花序坐果率无显著差异,花序坐果率可达80%以上。研究结果表明,无人机液体授粉作业时雾滴覆盖率及覆盖密度越高,对提升花朵坐果率、花序坐果率作用越显著,当无人机飞行高度为4m、花粉液体喷施量为4.5mL/m2时为较优的无人机液体授粉参数组合。     

多旋翼无人机不同作业参数对花生冠层雾滴沉积分布特性的影响

为探究无人机航空喷施时花生冠层雾滴沉积分布规律,设计无人机不同喷雾作业参数对花生冠层的雾滴沉积分布影响的试验。该试验以DJ T20型多旋翼电动无人机进行作业,以清水代替农药喷施采集雾滴沉积数据,以图像处理软件Depositscan来分析采集来的水敏纸数据。结果表明：各组试验的雾滴沉积分布趋势均相似,在靶区内雾滴沉积大致呈正态分布,受环境风场的影响,大量雾滴在中心航线左侧沉积,受无人机起飞时速度和高度的影响,各区域内第一条采样带R1的雾滴沉积效果较好;从雾滴沉积量、沉积密度均匀性分析可知,当飞行速度为2.5 m/s、喷雾流量为1.6 L/min,飞行高度为3.5 m时,喷雾效果最佳,为最佳作业组合;飞行高度、飞行速度对靶区内雾滴沉积量、雾滴沉积均匀性影响均显著。该研究对提高无人机喷施效率具有十分重要的指导意义。     

不同飞行参数下八旋翼植保无人机下洗气流场对雾滴沉积分布特性的影响

近年来，应用植保无人机防治农业有害生物已成为中国植保机械发展的一大新亮点。无人机旋翼提供飞行升力的同时具有下洗气流场，低空低量施药作业雾滴沉积分布质量优劣与旋翼下洗气流场的作用密不可分。为探究植保无人机旋翼下洗气流场对喷雾效果的影响，本研究以当前植保无人机主流机型——“X型”布局八旋翼无人机为研究对象，采用实际作业测试方式，利用微气象测量系统测定无人机飞行状态下旋翼下方不同水平位置下洗气流场风速，同时采用诱惑红示踪剂水溶液代替农药喷雾获取喷雾沉积分布情况，重点对下洗气流场分布实测结果进行可视化分析，包括不同飞行高度、不同速度下旋翼下洗气流场分布特性与雾滴沉积分布特性以及二者的相互关系。测试结果显示：八旋翼植保无人机飞行过程中随着飞行速度加快（1.0~6.0 m/s）和飞行高度升高（1~2 m），冠层位置X、Y、Z三向下洗气流场总体表现为气流强度由强到弱、分布状态由集中到分散的变化趋势；X方向气流来源于下洗气流与外界空气相互作用产生的卷扬气流，对喷施雾滴的作用为逆飞行方向；Y方向为下洗卷扬气流以及地面效应共同作用的结果，对雾滴的作用为垂直于航线朝向两侧；Z方向为下洗气流竖直向下方向分量，对雾滴下降沉积具有直接促进作用；飞行速度与下洗气流场范围内风速峰值（P＜0.05，r=-0.836）和有效喷幅内平均沉积量（P＜0.05，r=-0.833）均表现出显著负相关；在飞行速度为1.0 m/s和3.0 m/s时，雾滴沉积量与下洗气流场风速均呈现极显著正相关关系（P＜0.01，r＞0），即垂直地面方向的下洗气流场越强，有效喷幅内沉积的雾滴越多；速度加快至6.0 m/s，风速显著降低，气流场对雾滴沉积的促进作用逐步消失（P＞0.05）。因此，植保无人机作业时飞行速度不应设置超过6.0 m/s，避免因下洗气流场作用减弱而导致雾滴损失。本研究结果可为改善低空低量施药作业质量和无人机田间作业规范的制定提供技术参考和支撑。     

自走式旋翼气流静电喷杆喷雾机喷雾性能测试

设计了一款自走式旋翼气流辅助式静电喷杆喷雾机,应用静电喷雾技术提高了雾滴在靶标上的附着性,利用气流辅助技术提高雾滴的穿透性。该机具有水平和垂直两种工作方式,可针对不同高度、不同长势的作物进行喷洒。对喷雾机开展了流量、水平喷幅测试,进行了雾滴沉积效果及雾滴穿透性等试验研究。研究结果表明:整机静态和动态流量接近,稳定性较好;随着喷头与靶标距离增大,喷雾幅宽增大。在整个幅宽范围内雾滴覆盖较均匀,当喷雾高度为1m时,9#~11#水敏纸上的覆盖率和沉积量最大;雾滴粒径为150~300μm,平均雾滴粒谱宽度1.1~1.8,说明雾滴分布较均匀。旋翼气流对雾滴在植株内的穿透性有直接影响,喷头距离靶标越近,雾滴穿透沉积效果越好。试验结果对优化旋翼气流静电喷杆喷雾机的结构,提高其应用效果具有重要意义。     

小型无人飞行喷雾机喷雾性能试验研究与分析

为解决大豆生长中后期的植保喷雾作业难度较大的问题,研制了一种小型无人飞行喷雾机。为了研究该喷雾机在大豆田喷雾作业的可靠性与稳定性,试验采用聚酯卡、荧光分光光度计、卡罗米特纸卡等对飞行喷雾机的喷雾沉积量、沉积密度及分布均匀性等参数进行取样和分析,研究分析了小型无人喷雾机的飞行高度、速度等工作参数对喷雾沉积均匀性及浓度等的影响。结果表明:该喷雾机喷雾均匀,工作效率高,整体喷雾效果较好,不同作业高度和飞行速度时在大豆各冠层雾滴沉积效果和分布均匀性的变异系数不同。对试验样本进行数据分析并结合实际的喷洒效果得出:当飞行高度控制在植被上方1.5~2.0m、飞行速度控制在3~5m/s时,该小型无人飞行喷雾机喷施农药效果较好。     

多旋翼无人机旋翼下方风场对航空喷施雾滴沉积的影响

风场是影响航空喷施雾滴沉积分布特性的重要因素之一。为了揭示多旋翼无人机旋翼下方风场对雾滴沉积分布的影响机理,通过无人机旋翼风场测量系统测量多旋翼电动无人机旋翼下方的风场分布,同时结合航空喷施雾滴在水稻冠层的沉积情况,分析旋翼下方X、Y、Z 3个方向的风场对雾滴沉积分布的影响,并对试验结果进行了方差分析和回归分析。结果表明:在无人机旋翼下方3向风场中,X和Y向风速对有效喷幅区内雾滴沉积量的影响不显著,Z向风速的影响极显著;X向风速对有效喷幅区内雾滴沉积穿透性的影响不显著,Y和Z向风速的影响分别为显著和极显著;X和Y向风速对雾滴沉积飘移的影响均不显著,Z向风场的影响显著;且当水平方向上X、Y向风速峰值越小、垂直方向上Z向风速峰值越大时,雾滴沉积均匀性越好,最佳值达到36.44%。另外,有效喷幅区内雾滴沉积量与因素Z向风速之间的回归模型及有效喷幅区内雾滴沉积穿透性与因素Y和Z向风速之间的回归模型的决定系数R~2分别为0.868和0.842,表明模型可以为实际作业提供指导。     

植保无人机旋翼下洗气流对喷幅的影响研究

基于XV-2植保无人机,利用流体仿真,探究了该无人机旋翼下洗气流的速度分布特性。在此基础上,分析了在下洗气流影响下的雾滴运动方式,并进行实地测试。仿真分析说明:旋翼下洗气流从中心向外的流速差使流场从上向下有向外的铺展效应,使得喷幅增大,且喷幅与飞行高度成正比;旋翼外沿的卷扬气流使得喷幅范围内的雾滴沉积数出现2个峰值。试验结果表明:当飞行高度为6 m时,有效喷幅为10 m;飞行高度8 m时,有效喷幅为12 m。2种飞行高度下的雾滴分布均匀性基本一致。试验结果与仿真结果基本一致。研究结果可为无人机喷雾系统设计和航空植保作业参数的选择提供参考依据。     

助剂影响大载荷植保无人机喷洒沉积特性的试验研究

为了研究助剂对大载荷植保无人机喷雾沉积分布均匀性、雾滴抗飘移性和抗蒸发性的影响,通过添加5种喷雾助剂改变液滴的表面张力,并利用热线风速仪测量了FR-200大载荷植保无人机不同作业环境下的风速和温度,对FR-200大载荷植保无人机的雾滴沉积分布均匀性、抗飘移性和抗蒸发性这3种喷洒沉积特性进行了试验研究.试验采用图像处理软件DepositScan分析雾滴沉积参数,获得雾滴沉积分布规律.结果表明:大载荷植保无人机添加喷雾助剂进行施药作业时,能提高靶区范围内的沉积浓度,溶液的表面张力越低、雾滴沉积分布越均匀;在侧风作用下大载荷植保无人机不使用助剂时飘移现象十分明显,加入5种喷雾助剂后均能明显改善雾滴抗飘移性;通过分析不同温度对雾滴沉积的影响,发现温度升高时,添加助剂可以提高大载荷植保无人机喷洒雾滴的沉积浓度,说明助剂可以改善雾滴的抗蒸发性.