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。     

不同喷雾助剂在植保无人机喷施作业中对雾滴沉积特性的影响

为研究不同喷雾助剂的理化性质及喷雾助剂在玉米叶片上的沉积特性,该研究将6种喷雾助剂对药液表面张力、药液在玉米叶片上接触角以及无人机喷施6种不同的喷雾助剂对雾滴的沉积特性进行对比。结果表明:喷雾助剂可以显著降低(P=0.000)溶液的表面张力,与清水溶液的表面张力相比Starguar4A喷雾助剂对降低溶液表面张力的作用效果最好,降低了67.8%。喷雾助剂对溶液在玉米叶片上接触角的变化程度影响不同,随着时间的增加雾滴在玉米叶片上的接触角均逐渐降低,其中Ultimate喷雾助剂的雾滴在滴落到玉米叶片上90 s后接触角降低至0°。与清水溶液相比倍达通喷雾助剂的雾滴密度、覆盖率与沉积量作用效果最好,雾滴密度与覆盖率、沉积量分别提高了35.1%、93.8%、31.9%;添加喷雾助剂后除倍达通喷雾助剂外,其他喷雾助剂溶液的雾滴体积中径DV0.5均有所降低;添加喷雾助剂对雾滴谱宽的影响不明显。在田间进行无人机植保喷施作业时,可以优选使用倍达通喷雾助剂,虽然倍达通喷雾助剂的表面张力与接触角并不是最优,但是也能够满足田间使用植保无人机喷雾作业的要求。同时,该试验也为进一步提高农药的利用率提供数据参考。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

作物航空喷施作业质量评价及参数优选方法

农用飞机由于具有很好的机动性、灵活性和施药效率,近年来受到高度重视,成为植保产业的重要发展方向。影响航空喷施效果的因素有很多,机型、喷嘴型号、喷雾压力、喷施角度、环境因素、作业高度、作业速度、药剂配方、药剂浓度等因素等都会影响雾滴在植物表面的分布特性,从而影响航空喷雾作业效果。地面药液的雾滴分布特性是决定航空植保效果的主要因素,研究不同因素条件下的雾滴分布情况能为航空喷施作业时选择相对合适的喷嘴型号、喷雾压力、喷施角度、作业高度、作业速度、药剂配方及药剂浓度等提供参考,从而有利于保证航空施药效果。该文在对目前中国航空植保产业发展现状进行深入剖析的基础上,研究分析了目前中国航空植保存在的主要问题,同时提出了作物航空植保技术规程中作业参数的优选及评价方法。该研究为中国主要作物航空植保喷施作业技术规程的制定提供了参考。     

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。     

农用荷电喷雾雾滴粒径与速度分布的试验研究

为研究荷电喷雾场的空间运动结构及其对植株界面的影响,该文运用PDPA测试系统对不同条件下的农用静电喷雾场进行了测试,结合荷质比、喷雾宽度测量结果,对雾滴的粒径分布、主流平均速度分布及平均速度与粒径的关系进行了分析和讨论.结果表明:在机械力和电场力的前后作用下,喷嘴压力愈大,荷电雾滴的粒径愈小且分布愈均匀;雾滴的粒径值随充电电压的增加而下降且粒径均匀分散;在较高的充电电压下,单个雾滴动能损耗的降低和雾滴粒径分布的均匀性又促使其主流平均速度分布趋于均匀.在较大粒径时,随着平均速度的增加,非荷电雾滴不易粘附于植株标靶界面;与非荷电相比,小粒径荷电雾滴群又因具有较大动能而提高了抗漂移能力.     

AS350B3e直升机航空喷施雾滴飘移分布特性

为了探究安装有AG-NAV Guía系统的AS350B3e直升机进行喷施作业时的雾滴飘移规律,以轻型机载北斗RTK差分系统获取的精准作业参数(时间、速度、高度、轨迹)为参考,进行了不同作业参数喷施试验。研究了该直升机以4种不同飞行速度范围进行单向式喷施作业时,对应的有效喷幅区域范围及雾滴飘移分布规律,对比了添加航空助剂对雾滴飘移距离及飘移量的影响。结果表明:有效喷幅区域的位置受自然风速和风向变化的影响,会向直升机航线下风向区域有不同程度的偏移;当直升机分别以70、90、100、120 km/h 4种速度参数进行喷施作业时,随着飞行速度的增大,有效喷幅宽度呈现先缓慢增大后急剧减小的趋势,100 km/h的飞行速度为有效喷幅宽度变化的峰值拐点;当侧风风速为1.1~2.3 m/s时,目标喷雾区的最小宽度在喷雾区域下风向水平距离27.61~48.94 m的范围内,且下风向受飘移影响距离均接近或小于下风向有效喷幅宽度,同时研究还发现雾滴粒径在200μm以下的雾滴更容易发生飘移,因此在作业时要预留至少50 m以上缓冲区(安全区)并合理选择航空喷头以避免药液飘移产生的危害;航空助剂的使用对于雾滴飘移量减轻效果显著,在同等作业条件下,添加航空助剂能够使雾滴飘移量减少33.94%。该研究结果可为直升机的喷施系统性能改进提供参考,对合理喷施农药、减少飘移、提高农药利用率具有重要意义。