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。     

喷头类型对药液沉积和麦蚜防效的影响

为研究雾滴尺寸对药液沉积和麦蚜防效的影响,该试验通过选择不同喷头喷施吡虫啉来防治麦蚜。所选德国Lechler生产的3种喷头(LU120-02、AD120-02和IDK120-02)的VMD(volume median diameter,VMD)相差约100μm。试验结果表明:IDK喷头在小麦冠层的平均沉积量显著小于LU和AD,而LU和AD这2个喷头之间没有显著差异性,3种喷头在冠层下部的药液沉积量>中部>上部;LU喷头喷施的药液平均覆盖率显著好于AD和IDK,覆盖率随着雾滴粒径的增加而递减;LU喷头喷施的药液的地面损失最大,且显著高于其他两种喷头;3种喷头都体现了对麦蚜的良好防效;从沉积量、沉积均匀性及地面损失量来衡量,AD喷头优于其他2种喷头。     

两类扇形雾喷头雾化过程比较研究

为了探究标准扇形雾喷头(ST)与防飘喷头(IDK)的雾化特性,利用雾滴粒径分析仪(PDIA)对以上2种类型喷头的雾化过程进行了试验研究与可视化图形分析。结果表明:ST喷头具有面积较大的液膜区,且具有波纹结构,破裂区内的破裂孔洞呈现不规则撕裂状;IDK喷头液膜区面积较ST喷头小,具有气泡状结构,但并未发现波纹区。随着ST与IDK喷头孔径的增大,液膜长度、破裂区长度分别由20mm增长至40mm、10mm增长至20mm。随着压力的增加,ST110-03型喷头的液膜长度由35mm降低至22mm,雾滴体积中径由128.2μm降低至92.4μm;IDK120-03型喷头的液膜-破裂区长度由40mm降低至30mm,雾滴体积中径由366.4μm降低至285.3μm。该研究可为进一步研究新型防飘喷头的雾化特性以及新型喷雾设备的生产提供参考。     

基于文献计量的全球农用无人机研发应用比较

为全面掌握全球农用无人机的研发态势,对2000—2019年Web of Science数据库中的论文和Derwent数据库中的专利进行分析。结果显示:中国、美国、西班牙、德国、日本和印度是农用无人机研发的主要国家;无人机论文数量前五强机构均来自中国,专利数量前五强机构以美国的公司为主,但农用无人机及植保无人机专利数量前五强机构来自中国的最多;中国在植保无人机研究中占据主导地位,论文和专利数量占全球的比例分别为61%和78%;农用无人机重要论文的产出国为西班牙和美国,而重要专利的产出国为美国和中国;农用无人机研发关注作业系统、测控系统和方法原理等方面,其中植保无人机研发侧重于作业系统和部件;农用无人机在遥感监测、长势监测与估产、植物保护中有广泛应用,在畜禽监管、播种授粉、农业灌溉等方向也逐步得到推广。作业对象信息特征的提取和分析是农用无人机推广应用的关键,未来的研发既要关注终端的作业设备研究,还要深入开展作业对象表型的研究,开发出高敏感度的传感器,适应精准农业的要求。     

大力推进我国农业航空植保产业发展

<正>我国是农业病虫草害发生严重的国家。随着工业化和城镇化的快速发展,城镇提高了对农村劳动力的吸收接纳能力,导致了农村劳动力的大量转移和农村季节性劳力短缺以及用工成本的大幅上升。同时,农村土地流转正在加速推进,家庭农场、新型农业经济主体和种植大户越来越多,对病虫害防治的需求越来越大,我国传统的小型背负式的喷雾器械已经不能满足现在的市场需求,作业效率高、适用范围广、节水节药环保型、用工少的大中型植保机械和农业航空植     

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。     

基于LiDAR扫描的高地隙宽幅喷雾机变量施药系统研制

为提高甘蔗等高茎秆作物的机械化病虫害防治水平,解决普通喷雾机进地困难、农药用量大且利用率低等问题,该研究研制了一套基于三维LiDAR实时扫描的高地隙宽幅喷雾机变量施药系统。该系统搭载的喷雾机作业幅宽24 m、地隙1.35 m,喷杆喷雾高度在0.5～2.5 m可调。变量施药系统采用16线激光雷达传感器,对作物的三维信息实时探测,安装于机具后端的脉宽调制（PWM,Pulse-Width Modulation）控制器从CAN总线上获取喷雾机的速度信息并传递给计算机,采用Python控制程序,融合激光雷达数据与实时速度信息绘制喷雾量处方图并发送给PWM控制器。建立了作物冠层高度与施药量之间的数学模型,根据作物冠层所需要的喷雾量,由控制器控制电磁阀的开闭实现精准变量施药。系统组装完成后,在甘蔗地进行田间试验测试。结果显示：激光雷达能够准确识别甘蔗株高,最大识别误差为8.42%,最小识别误差为0.17%,平均误差为4.59%,激光雷达将识别到的株高信息准确传递给变量施药系统。变量系统开启后,喷雾机会根据株高变化实时改变喷雾量,雾滴沉积密度满足相关标准要求。在变量施药条件下,植株上中下3层的雾滴沉积密度变异系数均小于15%,满足喷雾机(器)作业质量标准要求,机具整体作业性能良好。变量施药时布样区施药总量为56.43 L, 相比常量施药的施药总量78.96 L,减少农药用量22.53 L,减幅28.5%。该研究可为高茎秆作物病虫害高效精准防治提供新的思路和方法,为新型精准变量施药机械的结构设计和高效施药技术性能优化提供参考。     

气泡雾化喷嘴的试验研究

气泡雾化是一种新型的两相流雾化方法,具有更小的雾滴直径和更低的工作压力.为此,设计了一种新型农业施药用的气泡雾化喷嘴,并对其流量和雾化特性进行了实验研究.其试验结果发现:喷嘴的雾化特性主要受气液比的影响,流量特性比较复杂, 气体流量和液体流量之间相互影响,一相流量的变化必引起另一相的流量变化;水平喷射时,颗粒直径沿径向的分布不对称,下方沿径向增大;上方基本不变.喷嘴出口直径的大小对雾化质量影响较小.     

标准扇形雾喷头雾化过程测试分析

为了描述雾滴颗粒特性与飘失之间的关系,用激光衍射粒度仪(PDPA)对植保机械标准扇型雾喷头的雾化场进行了研究,主要描绘了雾化场雾滴特征参数,并对雾滴尺寸空间分布和雾滴的运动进行分析,确定了飘失区域在雾化场中的位置,为进一步分析雾滴的沉降及漂移特性提供了理论支持。结果表明：在逐渐远离喷头的截面上,雾滴直径分布呈中间小边缘大的凹形椭球面,而轴向速度则是呈中间大边缘小的山丘形分布。雾锥体外层空间区域雾滴密度小,小雾滴能量小且易蒸发,易受周围环境影响发生飘失,是雾滴易飘失区域。     

果园自动对靶喷雾机红外探测控制系统的研制

针对目前果园自动对靶喷雾机红外探测控制系统易受环境影响、工作不稳定、探测距离近的缺陷,研制了一种由集成电路构成的果园自动对靶喷雾机红外探测系统。结果表明：系统的探测距离为0～6.15 m,最小识别间距小于0.3 m;系统工作稳定、灵敏度高、体积小、不受自然光的干扰。