环境风速对四旋翼植保无人机喷施雾滴飘移的影响研究

为了研究四旋翼植保无人机田间施药过程中风速对雾滴飘移的影响,分别在风速为0.1、2.4、2.5、3.1、3.4、4.0m/s6种不同风速下进行喷施试验。试验结果表明:随着风速的增大,沉积区雾滴起始点会产生位移,当风速增大到3.1m/s时,雾滴沉积的起始点移动1.75m,风速增大到4m/s时,雾滴沉积的起始点移动3.5m;风速对沉积区采集点上的雾滴覆盖度影响显著,对雾滴密度影响不显著;风速对飘移区采集点上的雾滴覆盖度和雾滴密度影响均显著;风速越大,雾滴飘移距离越远,风速为4m/s时,采集点50m处仍有雾滴沉积。研究可为植保无人机在不同环境风速下作业时的飘移缓冲区的设置提供参考。     

分行冠内冠上组合风送式喷杆喷雾机工作参数优化

为了改善喷杆喷雾机上两风筒之间作物中部冠层的雾滴沉积率,针对现有的风送式风筒,利用计算流体动力学(CFD)仿真技术对喷杆喷雾机风筒的工作参数进行了仿真分析,优化了风筒入口风速。仿真结果表明:风筒入口风速为v=20m/s时,棉花冠层区域气流场风速较大、横向分布均匀、气流穿透能力较强,完全满足风送系统末速度要求;中、下部冠层区域的气流速度衰减缓慢,有利于雾滴在棉花冠层内部的扩散。同时,利用水敏纸进行大田试验,在两两风筒的中间区域点布置相应的水敏纸,检测作物中部冠层的雾滴沉积率。试验结果表明:作物中部冠层的叶片正面雾滴沉积率达到了82.87%,作物中部冠层的叶片反面雾滴沉积率达到了50.6 7%,与优化前相比正面雾滴沉积率提高了1 7.5 7%,反面雾滴沉积率提高了1 0.8 4%。本研究可为喷杆式喷雾机风机风量的确定提供参数指标,并为风机的选型提供指导。     

液体张力对风场中雾滴特性影响的试验研究

为研究液体表面张力对远射程风送式喷雾机外部流场中雾滴特性与分布的影响,使用ANSYS ICEM软件建立了远射程风送式喷雾机出风口及外部流场的三维模型,采用CFD数值模拟探究液体表面张力分别为60.3、54.5、44.6、38.4、31.8mN/m时流场中雾滴粒径、密度、速度和沉积分布情况。结果表明:喷雾压力为1.8MPa时,各采样面上雾滴体积中值粒径随着喷雾距离的增加而变小,降低液体表面张力可以细化流场中雾滴粒径。不同液体表面张力下,喷筒出风口轴心范围0～1m区间内雾滴密度在流场中是最大的;当液体表面张力从60.3mN/m下降至31.8mN/m时,雾滴密度0.07kg/m~3所占面积沿喷筒出口轴线方向逐渐增加。雾滴平均速度随喷雾距离的增加而减小,液体表面张力对距离喷筒出口1～6m区域内雾滴平均速度影响最大,表现在液体表面张力越大雾滴平均速度越小。相同采样点上,雾滴沉积量随液体表面张力降低而减少。将雾滴沉积量的数值试验结果与田间试验结果进行χ~2检验,证明了所采用的模型仿真结果可信。     

风洞条件下植保无人机离心喷头喷雾特性试验研究

为了探究极飞P20离心喷嘴的喷雾特性,文章对其喷嘴进行了测试。通过单因素实验法,测得流量、转速、喷洒高度对喷幅的影响规律;在不同的风速下,测得流量、转速、喷嘴距激光的垂直高度和喷嘴距激光的水平距离对雾滴粒径的影响规律;在不同的风速下,结合水敏纸进行试验,测得喷嘴的雾滴沉积量的分布。结果表明流量的增大会导致喷幅增大;转速增大,喷幅在一个范围内波动;高度的增大会导致喷幅变小。在无风的条件下,流量以及高度的增加,对雾滴粒径的大小没有显著影响;转速的增大会使得雾滴粒径减小;喷嘴与激光的水平距离的增大,雾滴粒径整体数值也随着增大。在有风的条件下,随着风速的增大,雾滴粒径略微减小,并且同区域内雾滴沉积量也随着风速的增大而减小。本试验为进行无人机喷雾时的喷头所采用的参数值提供了数据支持,便于对喷头进一步优化。     

喷雾机风幕系统雾滴飘移分析及结构优化

目前，高地隙喷雾机被广泛应用在大田作业中，在喷杆上方加装风幕系统可有效降低农药雾滴的飘失率，从而提高农药的利用率。为此，基于CFD软件，采用离散相模型对雾滴在不同水平风速(0、1、2、3m/s),不同喷头上游压力(0.3、0.7、1MPa)、不同喷施高度(0.5、1、1.5、2m)下的雾滴飘失进行了数值模拟研究。仿真结果表明：雾滴沉积分布在无任何因素干扰下呈圆环分布，当高度为0.5m时，即使水平风速为2m/s,雾滴飘失效果也较不明显，随着水平风速和喷施高度的增加，雾滴飘失逐渐增加；当喷头高度为2m、自然风速为3m/s时，一部分雾滴已飘离计算区域，增大喷头压力则能有效降低雾滴飘移，原因是喷头压力能够给雾滴较大的初速度，协迫雾滴向下运动，以补偿水平风速带来的飘失。通过加装导流板优化风幕结构，采用ANSA软件对风幕结构进行前处理、Fluent计算及后处理，结果表明：出口气流流速横向分布较为均匀，加装导流板的方案可行。实际作业中，应当根据实际情况合理选择喷施高度、压力，并应考虑风幕辅助气流细化雾滴和雾滴触叶反弹，可能对不同农作物防治效果造成的影响。     

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。     

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。     

微型无人机低空变量喷药系统设计与雾滴沉积规律研究

针对我国施药机械和农药使用技术严重落后带来的农药用量大、资源有效利用率低、农作物产量和品质下降等问题,设计了微型无人机脉宽调制型变量喷药系统,并利用风洞的可控多风速环境,通过荧光粉测试方法对悬停无人机变量喷药的雾滴沉积规律进行了试验研究。变量喷药系统由地面测控单元和机载喷施系统两部分组成,基于Lab Windows/CVI的地面测控软件,采用频率为10 Hz、占空比可调的脉冲信号经无线数传模块远程控制机载喷施系统;机载喷施系统以ARM Cortex-M3系列的STM32F103VC微处理器为核心,接收地面控制信号实时调节电动隔膜泵电动机转速,以改变系统喷雾压力和喷药量,实现变量喷雾调节。悬停风洞试验中,选择了PWM占空比、喷孔直径、电动离心喷头转速等变量,对不同距离和风速条件下雾滴沉积效果进行了试验研究。试验结果表明,风速是影响雾滴沉积效果的最显著因素,雾滴沉积以抛物线形式分布在采集区域,沉积高峰区随风速增加不仅远离喷头,且飘移沉积量逐渐减少;雾滴粒径在风速小于3 m/s时对沉积效果影响不显著,当风速大于3 m/s时,不同粒径的雾滴均发生飘移,飘移沉积量明显减少且沉积范围向远离喷头运动;粒径101.74μm的雾滴更易发生飘移,沉积高峰区集中在距离喷头4 m以外,且飘移沉积量明显低于粒径164.00μm与228.16μm的雾滴。     

喷雾参数对雾滴沉积性能影响研究

为了研究扇形喷嘴不同喷雾方式下的空间沉积情况,利用自行设计的NJS-1型植保风洞,搭建雾滴粒径测试装置与雾滴沉积分布测试装置。选用LURMARK-04F80型标准扇形喷嘴开展雾滴粒径分布与沉积特性试验,分析了喷雾压力与风速对雾滴粒径的影响,同时研究了不同风速、喷雾压力、雾流角及喷头倾角下雾滴沉积特性,并采用3种不同的计算方法对比了雾滴飘移减少百分比的影响因素。雾滴粒径分布试验结果表明,相同风速下,增大喷雾压力会导致DV0.1、DV0.5和DV0.9都变小,同时ΦVol＜100μm变大,雾滴谱宽S变化不大;相同压力下,增大风速导致DV0.1和DV0.5变大,DV0.9变化较小,同时ΦVol＜100μm变小,雾滴谱宽S减小。雾滴沉积分布试验结果表明,压力从0.2MPa增加至0.4MPa时,水平喷雾平面上,距离喷头2～3m处雾滴沉积量基本呈增加趋势,竖直喷雾平面上,距离地面0.1～0.2m处雾滴沉积量呈增加趋势;风速从1m/s增加至5m/s时,在水平喷雾平面以及竖直喷雾平面上,雾滴沉积量整体呈增加趋势;雾流角从-15°变化到15°时,在水平喷雾平面以及竖直喷雾平面上,雾滴沉积量明显加大;喷头倾角从0°变化到30°时,在水平喷雾平面以及竖直喷雾平面上,总体趋势是喷头倾角越大,沉积量越低,但差异不大;同时与参考喷雾相比较,采用3种计算方法得到的雾滴飘移减少百分比（DPRP）表明,喷雾压力、风速以及雾流角对雾滴飘移减少百分比影响较大,特别是侧风风速影响尤为显著。该研究可为田间喷雾作业参数的选择提供试验数据指导。     

风幕式喷杆喷雾雾滴漂移距离计算方法研究

基于Miller P H雾滴速度模型和离散相模型的粒子跟踪技术,就侧风风速、风幕出风口气流速度和喷雾压力对雾滴漂移的影响展开研究,获得了风幕式喷杆喷雾漂移距离计算方法。同时,利用风幕式喷杆喷雾气液两相流系统试验平台和自制的雾滴承接器进行了与计算相对应的试验研究。对比显示计算与实验结果基本一致,说明该风幕式喷杆喷雾漂移距离计算方法是可行的。计算和试验研究显示:风幕能有效地抑制雾滴漂移现象,在4级风以下(含4级风),风幕式喷杆喷雾机也能正常作业;当无风幕和侧风时,雾滴漂移距离为65~1 7 0 mm;当侧风风速增大至4 m/s时,无风幕情况下雾滴漂移距离增大了5 2.4倍,而当风幕出风口气流速度增大至12.3m/s时,雾滴漂移距离降低至340~390mm。     

多旋翼植保无人机风场下喷洒方式对有效喷幅的影响

为研究多旋翼无人机风场下喷头布置对有效喷幅的影响,基于SolidWorks 2016软件对多旋翼无人机前、中、后螺旋桨喷洒区域风场进行模拟仿真分析。在此风场下,通过改变喷头安装位置,研究机身前方两个螺旋桨不同旋向时无人机旋翼风场对雾滴有效喷幅的影响。试验结果表明,无人机旋翼旋向和喷头布置对有效喷幅有显著影响:当机身前方两个螺旋桨为内旋、飞行速度为4m/s、飞行高度为2m时,喷头前置和后置的有效喷幅分别为3m和2m;相比机身前方两个螺旋桨为外旋时,雾滴总沉积密度分别高出26.8%和66.7%,且有效喷幅分别多出1m和0.5m。该结果可为无人机植保作业过程中耦合风场扰动下雾滴的漂移、沉积的进一步研究提供参考。     

风幕式气力辅助静电喷雾沉积特性

针对传统农业施药过程中雾滴漂移量大和雾滴冠层穿透力不足的问题,以风幕式气力辅助喷雾系统为研究对象,采用称重平面沉积量方法,研究了风幕式气力辅助下荷电喷雾和非荷电喷雾在不同高度面上的沉积规律,以及不同风幕风速影响下荷电喷雾和非荷电喷雾的沉积特性,分析了风幕射流流场对喷雾液滴沉积分布的影响。研究表明：风幕式气力辅助有效减少了液滴的横向扩散,使喷雾沉积集中在靠近喷雾中心的狭窄区域,有效抑制雾滴漂移;风幕流场加强喷雾流场的扰动,使非荷电喷雾和荷电喷雾沿喷杆轴向沉积都更加均匀。气体射流增加了液滴的动量,射流速度越大风幕对喷雾沉积分布影响越大。      

风幕式气力辅助静电喷雾沉积特性

针对传统农业施药过程中雾滴漂移量大和雾滴冠层穿透力不足的问题,以风幕式气力辅助喷雾系统为研究对象,采用称重平面沉积量方法,研究了风幕式气力辅助下荷电喷雾和非荷电喷雾在不同高度面上的沉积规律,以及不同风幕风速影响下荷电喷雾和非荷电喷雾的沉积特性,分析了风幕射流流场对喷雾液滴沉积分布的影响.研究表明:风幕式气力辅助有效减少了液滴的横向扩散,使喷雾沉积集中在靠近喷雾中心的狭窄区域,有效抑制雾滴漂移;风幕流场加强喷雾流场的扰动,使非荷电喷雾和荷电喷雾沿喷杆轴向沉积都更加均匀.气体射流增加了液滴的动量,射流速度越大风幕对喷雾沉积分布影响越大.     

远射程喷雾机喷雾参数优化与试验

针对远射程喷雾机作业参数选择不当导致施药过程中药液在果树冠层附着率低及浪费等问题，以3WF-100型远射程喷雾机为试验平台，研究喷雾距离、喷射角度、喷雾压力3个因素对果树药液附着性能的影响。通过单因素试验确定3个因素取值范围，利用三因素三水平的Box-Behnken Design响应面试验分析得到了优化的远射程喷雾机喷雾参数。结果表明：当喷雾压力为0.3～0.5MPa时，雾滴沉积覆盖率达到峰值，叶面为52.5%～71.8%,叶背为27.6%～32.4%;喷射角度为30°～60°时，雾滴流可覆盖果树冠层范围；喷雾距离为2.5～3.5m时，果树药液附着均匀性及雾滴沉积密度均较高。响应面试验方差分析得知：3个因素与喷雾效果呈极显著相关(P<0.01),远射程喷雾机对果树施药作业的优化参数组合为喷雾距离2.5m、喷射角度54°、喷雾压力0.48MPa时雾滴沉积量为7.09μL/cm²,提升了远射程喷雾机的施药效果。     

单旋翼植保有人机雾滴飘移影响因素试验研究

为了研究单旋翼植保有人机在不同作业参数条件下雾滴飘移的分布特性及其影响因素,进行了航空雾滴飘移分布测量试验,利用水敏纸收集和测量加拿大贝尔407型单旋翼植保有人机在作业时的有效喷幅和雾滴飘移距离,并将雾滴飘移测试数据与侧风风速、飞行高度、飞行速度、助剂加入量等作业参数运用SPSS软件进行相关性回归分析。结果表明:在平均温度21.2℃、平均相对湿度72.5%的条件下,侧风风速、喷雾高度与雾滴飘移距离相关性系数达0.6以上,呈现较强的正相关关系;在飞行速度80～120km/h的范围内,航化作业雾滴沉积均匀性随飞行速度的增加呈现先增加后降低的趋势,在95km/h左右出现雾滴沉积均匀性峰值拐点;喷雾过程中加入航空助剂后雾滴总飘移量降30%左右。该型直升机航化作业时的最适喷雾高度在5m左右,飞行速度最宜保持在90～100km/h的范围内,添加适量航空助剂可以缩短雾滴飘移距离,提高喷雾质量。试验发现,侧风风速在3m/s以内作业时要预留至少40m以上缓冲区,以避免药液飘移产生的危害。本研究结果可为单旋翼植保有人机减飘施药技术的研究提供参考。     

大田对靶施药雾滴定向沉积控制方法研究

针对植保机械在大田对靶施药过程中雾滴沉积偏移导致准确率低的问题，本文基于大田对靶施药机器人，开展了雾滴定向沉积控制方法研究。以对靶喷施雾滴群体为研究对象，阐述对靶施药工作原理和作业特点，剖析雾滴群体沉积偏移成因；根据机器人空间结构位置关系，建立基于GNSS/IMU卡尔曼滤波信号的喷头运动状态感知模型与沉积位置预估模型，确定喷头响应控制准则；在此基础上以机车作业速度、喷头控制方法为试验因素，以对靶喷施准确率和沉积偏移距离为试验指标，开展平整场地对靶喷施模拟试验；选取满足作业需求的组别进行大田对靶施药作业验证。试验表明：作业速度0.5、1.0、1.5、2.0m/s下的平整地面对靶施药平均准确率分别为99.8%、98.4%、95.9%、76.5%，沉积偏移距离分别为3.8、5.4、7.5、10.0cm;作业速度0.5、1.0、1.5m/s下的田间对靶施药准确率分别为98.7%、96.7%、95.3%。结果表明，基于GNSS/IMU卡尔曼滤波的雾滴沉积位置预估喷头控制方法，满足大田对靶施药作业需求。     

新型风送式喷雾机风筒设计与研究

为提高矮化密植植物的施药效果,在现有风送式喷杆喷雾机基础上,设计了一种新型风送式喷雾机风筒,并对风筒内外流场进行CFD仿真,监测外流场距离出风口不同距离平面上风速风大小。结果表明:外部气流场风速分布均匀,能量损失少;将设计的风筒安装在喷雾机上进行实际大田作业,检验风送式喷雾机的雾滴沉积分布情况,验证仿真结果的准确性。雾量沉积分布试验结果表明:棉花冠层内部叶片正面雾滴平均覆盖率达到88.30%,叶片反面达到42.83%,上、中、下部冠层叶片正面雾滴平均覆盖率最大相差7.25%,叶片反面最大相差9.75%,整个冠层雾量沉积分布均匀性较好,冠内组合风送施药效果明显提高。     

大田对靶施药雾滴定向沉积控制方法研究

针对植保机械在大田对靶施药过程中雾滴沉积偏移导致准确率低的问题，本文基于大田对靶施药机器人，开展了雾滴定向沉积控制方法研究。以对靶喷施雾滴群体为研究对象，阐述对靶施药工作原理和作业特点，剖析雾滴群体沉积偏移成因；根据机器人空间结构位置关系，建立基于GNSS/IMU卡尔曼滤波信号的喷头运动状态感知模型与沉积位置预估模型，确定喷头响应控制准则；在此基础上以机车作业速度、喷头控制方法为试验因素，以对靶喷施准确率和沉积偏移距离为试验指标，开展平整场地对靶喷施模拟试验；选取满足作业需求的组别进行大田对靶施药作业验证。试验表明：作业速度0.5、1.0、1.5、2.0 m/s下的平整地面对靶施药平均准确率分别为99.8%、98.4%、95.9%、76.5%,沉积偏移距离分别为3.8、5.4、7.5、10.0 cm;作业速度0.5、1.0、1.5 m/s下的田间对靶施药准确率分别为98.7%、96.7%、95.3%。结果表明，基于GNSS/IMU卡尔曼滤波的雾滴沉积位置预估喷头控制方法，满足大田对靶施药作业需求。     

基于PDA系统单喷嘴雾滴参数的试验研究

雾滴粒径和速度分布共同影响着农药雾滴在靶标上的沉积量和分布的均匀性。使用PDA系统对空心圆锥喷雾喷嘴进行试验与分析,测量TR80-03C空心圆锥雾喷嘴的雾滴粒径和速度分布情况。探究了在不同压力条件下雾滴粒径和速度在喷雾空间中水平方向和垂直方向的分布,结果表明:在距离喷嘴相同的位置,压力越大,雾滴粒径越小,在相同压力条件下,喷雾范围内沿水平方向的距离越远,雾滴粒径越大;在中轴线方向,距离喷嘴200~500mm范围内,距离喷嘴越远,雾滴粒径越大。为了进一步了解雾滴粒径分布规律,对雾滴的Dv0.5和D32进行多项式拟合以及曲面拟合,结果表明:在相同阶数的拟合函数中,Dv0.5与D32的拟合趋势是一致的,压力越大,拟合结果越好;D32与Dv0.5的拟合结果相比,表现更优一些。借助拟合函数,可以更加形象地描绘雾滴粒径在空间分布规律,预测一些非测试点的粒径,进而可以有针对易飘移区域进行防飘移,提高农药的有效利用率。     

航空植保喷施参数对苹果树雾滴沉积特性影响

为提高植保无人机在果树上的喷施效果、增加雾滴在果树上的穿透力和分布均匀性,进行了系列试验,研究了喷头间距和飞行高度参数对雾滴沉积分布的影响,并优化出最佳喷头间距参数。确定了喷洒系统喷头安装位置参数,并通过正交试验,研究了飞行高度、飞行速度和喷洒系统喷头安装位置参数对雾滴在苹果树上分布的影响。试验以S40电动直升机为载体,以诱惑红为液体染色剂、铜版纸为雾滴采集卡。结果表明:飞行高度Sig.=0.811,P0.01,喷嘴间距Sig.=0.006,P0.01,喷头间距对喷幅影响极其显著;当飞行高度为2m,喷头间距为55、50、50、55cm时,喷幅最大均为7m,雾滴密度变异系数最小为63%和44.5%。苹果树喷施正交试验中,飞行高度2m、飞行速度1m/s、喷洒系统中4个喷头位于交叉角度为90°的十字形喷杆上且距离交叉点均为105cm时,雾滴在苹果树上的沉积较好。