日本农业航空技术发展及对我国的启示

日本根据其地形、地貌特征、从事农业劳动的情况选择了从有人直升机到无人直升机航空施药为主的发展模式,研制了几款不同发展时期的植保无人机机型(R50、RMAX、RMAXⅡG、FAZER)应用于水稻植保作业,日本学者对农业航空遥感技术、精准导航控制技术、无人机控制技术进行了大量研究,在施药实践中形成了较为实用的无人机植保管理体制,确保了日本农业航空的健康、有序发展。本文旨在介绍日本农业航空现状、应用领域、精准施药技术及管理方法,以期为我国农业航空应用技术的发展提供借鉴。     

柑橘黄龙病远红外热处理温度场分布特性试验研究

针对柑橘黄龙病热空气处理存在能耗高、加热设备笨重、传热较慢等问题,提出了柑橘黄龙病远红外热处理方法。为解决远红外加热时柑橘树温差过大的问题,搭建了柑橘黄龙病热空气快速处理温度场分布特性试验平台,研究了远红外灯管组数量、单根灯管功率、加热时间、远红外灯与支架顶部距离对柑橘树温度场分布的影响,并对远红外加热影响因素进行优化。研究结果表明:远红外灯管组数量、单根灯管功率以及加热时间对柑橘树叶和枝干的温度场分布均有显著影响,远红外灯与支架顶部距离对树叶的温度场分布影响显著。试验优化后的参数为:远红外灯管组数量为3,单根灯管功率为1 k W,加热时间为3 min,远红外灯与支架顶部距离为10 cm。在此条件下,树叶温度平均值为58. 1℃,枝干温度平均值为43. 1℃,整体温度平均值为52. 3℃。在此参数下对柑橘黄龙病进行远红外热处理田间试验,病菌浓度平均降低34. 4%。研究结果可为柑橘黄龙病规模化远红外热处理设备的优化设计提供参考。     

农药液滴在玉米叶片表面铺展面积的影响因素

农药液滴在植物叶面上最大铺展面积,决定了农药有效成分作用范围、蒸发时间和叶面吸收效果。为了探究液滴粒径、农药润湿性能和叶面倾角对液滴在玉米叶面上铺展面积的影响机理,通过试验方式产生548、675、756、877、973 μm粒径的液滴,利用质量分数为0、0.005%、0.01%、0.1%的OP-10表面活性剂代表润湿性能不同的农药,设定叶面倾角为0°、15°、30°、45°、60°、75°,进行全因子试验。结果表明：液滴粒径、表面活性剂浓度、叶面倾角均对铺展面积影响显著（P<0.001）,三者增大均能提高液滴在玉米叶面上的最大铺展面积。在不同角度下,增大液滴粒径和溶液的润湿性能都能增加液滴在玉米叶面上的铺展面积。药液润湿性能差时,铺展面积随叶面倾角的变化不够明显,润湿性能较好时,铺展面积呈现出随叶面倾角先上升后下降的趋势,粒径为548 μm液滴铺展面积的最大值出现在叶面倾角45°左右。通过表面活性剂的单位浓度铺展面积评估了不同浓度的OP-10液滴的铺展能力,发现0.005%铺展能力大于其他浓度,说明在溶液中加入少量OP-10就可以显著改变溶液润湿性能。研究结果有助于理解叶面铺展润湿机理,并为通过调控农药润湿性能和药液粒径来实现农药减量增效提供了理论支撑。     

液滴体积对水稻叶面接触角的影响

接触角是衡量液滴在水稻叶片上润湿展布效果和滞留能力的主要指标,为了准确测量液滴在水稻叶片表面上接触角(θ)大小,研究了液滴体积对水稻叶面接触角的影响。通过试验测量不同液滴体积下的水稻叶面接触角、液滴高度(h)和液滴接触面直径(d),分析接触角随液滴体积变化的规律。结果显示,液滴体积对4种被测水稻叶面接触角均有显著性影响。在液滴体积上升的初期(1.0~7.5 μL),液滴高度随液滴体积变化的速率(h'_v)与液滴接触面直径随液滴体积变化的速率(d'_v)的比值h'_v/d'_v>h/d,水稻叶面接触角增大;在液滴体积继续上升的后期(7.5~20.0 μL),当h'_v/d'_v≈h/d时,水稻叶面接触角基本不变,当h'_v/d'_v<h/d时,水稻叶面接触角略微减小,最后接触角趋于稳定。由此得出,液滴体积对水稻叶面接触角有显著影响,且接触角的变化趋势与液滴高度和接触面直径及二者的增长速率密切相关。最后还提出了水稻叶面接触角试验统一使用的液滴体积应大于水稻叶面最大接触角所对应的体积,且最好控制在7.5~20.0 μL,水稻叶面最大接触角在液滴体积7.5~10.0 μL、首次h'_v/d'_v≈h/d时近似测得。     

液滴荷电特性对水稻叶片表面接触角的影响

针对水稻叶片表面润湿性较差,喷洒作业时的药剂液滴容易从叶片表面滚落,药液利用率低的问题,研究液滴荷电特性对水稻叶片(倒二叶)表面接触角的影响。通过试验,研究荷电电压大小、电荷极性、电极环材料、电极环内径、NaCl含量等参数对水稻叶片表面接触角的影响。结果表明,随着荷电电压的增大,液滴在水稻叶片表面接触角整体呈先减小后增大的趋势,接触角在荷电电压为±4 kV时达到最小值;荷电正负极对水稻叶片表面接触角有明显影响,总体来说,液滴带负电荷时与水稻叶片表面的接触角较小;同种材料电极环条件下,随着电极环内径增大,液滴在水稻叶片表面接触角呈逐渐减小趋势;随着NaCl含量增大,液滴在水稻叶片表面接触角呈先减小后增大的趋势,不同品种水稻存在最佳的NaCl含量使接触角达到最小值。表明,通过调整液滴的荷电参数来减小液滴在水稻叶片表面接触角是可行的,对农药的高效利用具有重要参考意义。     

木棉干燥花制作工艺研究

为了丰富市场上的干燥花品种,满足人们对干燥花的品类需求,探究木棉干燥花的制作工艺。将新鲜木棉花用无水乙醇和10%柠檬酸溶液复合保色剂进行保色预处理,用直径为0.5～1mm的硅胶粉末进行包埋,分别采用恒温箱和改装后的微波炉进行干燥花制作工艺试验。结果表明:采用保色剂与包埋剂对木棉花进行预处理,能较好地提升干燥后的外观品质;采用恒温热风方法对木棉花进行干燥,存在干燥时间长且成品花颜色不均和变黄的问题,说明木棉花不适宜用热风恒温箱进行干燥;采用微波干燥的干花整体品质较好,且干燥周期短。用800W加热5min后继续用200W加热2min,或用800W加热5min后继续用400W加热1min,这两种微波组合干燥方案是较为合适的干燥工艺。     

单旋翼植保无人机翼尖涡流对雾滴飘移的影响

为研究单旋翼植保无人机翼尖涡流对雾滴飘移的影响特性,基于格子玻尔兹曼(Lattice-Boltzman,LBM)方法的自适应细化物理模型,对单旋翼无人机的旋翼流场进行了数值模拟。通过改变无人机喷杆的垂直距离和喷头在旋翼下方的位置,研究了不同飞行速度下,无人机翼尖涡流对雾滴飘移的影响规律。为捕获到不同粒径的雾滴在无人机下洗流场中的运动轨迹,采用基于拉格朗日离散相粒子跟踪法模拟了雾滴的运动轨迹。为验证数值模拟的准确性,进行了试验验证,研究结果表明:当无人机飞行速度大于3 m/s时,机身后方开始出现螺旋型尾涡,且飞行速度越大、飞行高度越高,尾涡向机身后方的扩散距离越远;当飞行速度为5 m/s、飞行高度为3 m时,38%的雾滴因螺旋尾涡而造成空中飘移,其中粒径小于100μm的雾滴约占总飘移雾滴数的80%;喷杆距离主旋翼的高度对雾滴因翼尖涡流造成的飘移影响不明显,但喷头的位置越靠近主旋翼的边缘,雾滴越容易被翼尖涡流卷吸。     

基于磁流变液的农用变量喷头设计及试验

【目的】为实现农作物保护区的变量喷洒,设计一种基于磁流变液的农用变量喷头。【方法】根据磁流变效应理论设计变量喷头的机械结构,并利用软件仿真对结构进行参数优化。然后设置不同线圈电压和磁流变液注入量进行流量测试,分析线圈电压、磁流变液注入量对喷头流量的影响。【结果】隔膜泵泵压恒定在0.3 MPa,当磁流变液注入量从0增加到2.5 mL,喷头流量随之减小。在24 V线圈电压下流量减小最少,为14.29%;在0 V电压下流量减小最多,为28.57%。当磁流变液注入量恒定在1.5 mL,线圈电压由0升高到28 V,喷头流量增加了25.00%。【结论】基于磁流变液的变量喷头可以通过控制外部磁场实现变流量控制,可用于精准农业喷施。     

基于PINNs的单旋翼植保无人机下洗流场预测模型

植保无人机（unmanned aerial vehicle,UAV）进行喷施作业时,旋翼高速旋转所产生的下洗流场是影响雾滴飘移的重要因素。为了快速准确地预测单旋翼植保无人机下洗流场的速度等流场参数,提升无人机精准施药效果,该研究基于物理信息神经网络（physics-informed neural networks,PINNs）构建了单旋翼植保无人机下洗流场的预测模型。在全连接神经网络结构的基础上,嵌入纳维-斯托克斯（Navier-Stokes,N-S）方程作为物理学损失项来参与训练,减轻网络模型对数据依赖性的同时增强了模型的可解释性。通过最小化损失函数,使得该模型学习到流场中流体的运动规律,以得到时空坐标与速度信息等物理量之间的映射关系,从而实现对单旋翼无人机下洗流场的速度等参数的快速预测。并通过风洞试验验证了该预测模型的可行性和准确性,结果表明：没有侧风的情况下,预测模型在旋翼下方0.3、0.7、1.1以及1.5 m 4个不同高度处各向速度的预测值和试验值的误差均小于0.6 m/s,具有较小的差异性;不同侧风风速情况下,水平和竖直方向速度的预测值与试验值的总体拟合优度R2分别为0.941和0.936,表明所提出的模型在单旋翼植保无人机下洗流场预测方面具有良好的应用效果,能够快速准确地预测下洗流场的速度信息。结果可为进一步研究旋翼风场对雾滴沉积分布特性的影响机理提供数据支撑。     

植保无人机水稻田间农药喷施的作业效果

【目的】测试和对比电动单旋翼与电动多旋翼植保无人机在水稻田间的作业效果。【方法】测试的植保无人机为HY-B-15L型单旋翼植保无人机(单旋翼机)和MG-1S型多旋翼植保无人机(多旋翼机)。以一定比例的罗丹明B与善思纳米农药的混合溶液作为喷施溶液,通过改变无人机作业高度和农药喷洒量进行田间喷施试验,采用荧光示踪剂法和水敏纸图像分析法获得2种无人机在不同喷施条件下喷施的雾滴在靶标上的沉积效果。按田间药效调查准则,调查不同处理下的纳米农药对水稻病虫害的防治效果。【结果】2种无人机喷施的雾滴在各采样点上的沉积量随农药喷洒量的增加而增加,当农药喷洒量为66.67和100.00 mL·hm~(–2)时,单旋翼机在各采样点上的沉积量比喷洒量为46.67 mL·hm~(–2)时的分别增加了48.50%和137.73%,多旋翼机分别增加了66.60%和111.88%。作业高度影响了无人机喷施雾滴在采样点上的沉积量和沉积均匀性,当作业高度由1.5 m增加至2.5 m时,单旋翼机喷施的雾滴在采样点上的沉积量和沉积均匀性分别降低了19.3%和53.6%、多旋翼机分别降低了48.7%和22.9%。在4种喷施条件下,单旋翼机在采样点上的沉积量比多旋翼机同条件下分别高出85.8%、26.5%、59.4%和123.4%。单旋翼机在1.5 m和46.67 mL·hm~(–2)作业条件下,农药对稻飞虱Nilaparvata lugens、稻纵卷叶螟Cnaphalocrocis medinalis、稻秆潜蝇Chlorops oryzae、细菌性条纹病及稻瘟病5种水稻病虫害的防治效果最好,防效分别为87.63%、76.67%、84.08%、59.26%和82.33%;多旋翼机在1.5 m和66.67 mL·hm~(–2)作业条件下,农药对上述水稻病虫害的防治效果最好,防效分别为86.54%、78.62%、89.47%、66.67%和83.33%。【结论】2种植保无人机由于旋翼风场不同,导致雾滴沉积效果不同,单旋翼植保无人机喷施效果更好;2种无人机喷施的农药最终对水稻病虫害的防治效果无明显差异,且防治效果均达到国家防效标准。