无人机作业参数对喷雾沉积的影响

管贤平

摘要：在室外自然条件下，开展无人机不同作业高度、飞行速度下的大田喷雾沉积试验。采用胭脂红溶液作为模拟农药，通过检测吸光度来确定喷雾沉积。结果表明，喷雾沉积一般随风速、作业高度和作业速度的增大而减少，在风速大于3.0 m/s时喷雾飘移严重；风速2.0 m/s以上时，作业高度1.5 m以上飘移严重，不宜进行小粒径低量喷雾作业。

关键词：无人机；航空喷雾；沉积；作业参数

中图分类号：S252+.3 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）03-0678-03

航空喷雾受地形地势限制小，作业效率高，得到广泛应用[1-4]。航空喷雾效果受气象条件、飞行作业高度及速度、喷雾系统类型及特性等多种因素的影响[1]，存在非靶标区的农药飘移问题，因此航空喷雾研究的一个重要方面是喷雾沉积特性分析。Hewitt等[5]对航空喷雾的飘移试验数据进行了分析整理，结果表明航空喷雾飘移主要影响因素有喷雾粒径、喷雾时喷杆的高度和宽度、风速和风向，但是这些数据主要来自载人飞机喷雾，其飞行速度较快，飞行高度较高。Tsai等[6]对航空喷雾飘移进行了建模试验，但由于航空喷雾的复杂性，难以获得满意的预测模型。

近年来，无人机喷雾研究已经广泛开展[7，8]。但目前尚缺乏对无人机航空喷雾沉积特性的研究。本研究基于无锡汉和航空技术有限公司生产的CD-10无人喷雾直升机，开展无人机航空喷雾沉积特性试验，主要考察无人机作业参数对喷雾沉积的影响。

1 材料与方法

1.1 试验设备和材料

试验采用无锡汉和航空技术有限公司生产的CD-10型无人驾驶喷雾飞机，最大载药量10 kg，飞行速度4～8 m/s，喷洒宽度3～4 m。无人机安装的液压泵工作压力范围为0.3～0.6 MPa，最大流量3.2 L/min。由于无人机载药量一般比较小，所以一般采用小粒径低量喷头。试验采用TeeJet公司的XR11001扇形喷头，在0.3 MPa压力时流量为0.39 L/min，雾滴体积中径约为80 μm。试验时无人机安装7个喷头，各喷头间距约为38 cm。

采用4 g/L的胭脂红溶液作为模拟农药。采用UV-2102PCS型紫外分光光度计测量胭脂红溶液的吸光度，风速、温度、湿度的测量采用手持式风速仪。

1.2 试验方法

1）胭脂红溶液的配制及标定。胭脂红标准溶液吸光度曲线如图1，可见最大吸收波长为508 nm处，所以采用508 nm作为胭脂红的吸光度检测波长。

2）喷雾沉积试验。试验在张家港市永联现代粮食基地进行。选择小麦田进行施药试验，小麦冠层高度约为90 cm。采用二因素三水平的试验方案，即喷雾高度为离作物冠层0.5、1.0、1.5 m，理论飞行速度为1、3、5 m/s。飞行高度和飞行速度由飞机操控手控制。根据不同设置条件，共进行9组试验（表1），其中实际速度为在试验中实际测量的飞行速度。

小麦田中等间距布置6个采样点，采样点间间隔5 m，各采样点用三脚架支撑直径为9 cm的玻璃采样皿，其内预先倒入10 mL去离子水，玻璃器皿的放置高度与小麦冠层高度基本平齐。试验时，无人机沿采样点连线方向飞行，控制无人机使得最中间的喷头位于采样点的上方。采用4 g/L的胭脂红溶液作为模拟农药，每组试验结束，将采样皿内溶液收集到试管中带回实验室进行吸光度测定，计算喷雾沉积量。

2 结果与分析

表2给出了各组试验的平均风速、平均温度和平均相对湿度的测量数据。图3给出了各组沉积浓度的平均值。从表2及图3可以看出，从沉积效果看，在同一作业高度，总体上沉积量随飞行速度增大而降低，但是在1.5 m时出现反常现象，可能原因是喷雾高度高时容易产生飘移，并且沉积量还受风速影响，在风速超过3 m/s时（处理5和处理7），出现沉积量较少的情况。可见在风速超过3.0 m/s时不宜进行喷雾作业。根据现场沉积情况看，风速2.0 m/s左右时作业高度不宜超过1.5 m。

为了考察喷雾作业参数对沉积量的具体影响，对各组试验的喷雾高度（x1）、飞行速度（x2）、平均风速（x3）、平均温度（x4）、平均相对湿度（x5）与平均沉积浓度（y）进行逐步回归分析，结果发现温度和相对湿度对沉积浓度影响不显著，而喷雾高度、飞行速度、风速对沉积浓度有显著影响。

取显著性水平α=0.05，喷雾高度、飞行速度、风速对沉积浓度的回归结果为：

y=0.032 7-0.005 3 x1-0.001 7 x2-0.005 2 x3，相关系数为0.870 2，F为11.171 5，F对应的概率为0.011 8，残差分布图如图4所示。

x1、x2、x3的系数皆为负值，可见沉积浓度与风速、作业高度、作业速度皆为负相关，即沉积量随着风速、作业高度、飞行速度的增大而减少。相关系数较大，可见沉积浓度与作业高度、飞行速度及风速有较大的相关性，但是不完全线性相关。由回归结果可见，为了提高沉积效果，需要限制作业高度和飞行速度，在风速过大时不宜进行喷雾作业。

3 小结

无人机航空喷雾的沉积与无人机作业时的风速、高度、飞行速度密切相关，沉积量随着作业高度、飞行速度、风速的增大而减少。航空喷雾受风速、作业高度及作业速度等作业参数影响较大，在小粒径低量喷雾时，在风速2.0 m/s或以上时，喷雾高度不宜超过1.5 m；在风速超过3.0 m/s时，不宜进行小粒径低量喷雾作业。

参考文献：

[1] PAYNE N J. Developments in aerial pesticide application methods for forestry[J]. Crop Protection，1998，17（2）：171-180.

[2] KGORI P M，MODO S， TORR S J. The use of aerial spraying to eliminate tsetse from the Okavango Delta of Botswana[J]. Acta Tropica，2006，99（2-3）：184-199.

[3] 薛新宇，梁 建，傅锡敏.我国航空植保技术的发展前景[J]. 中国农机化，2008（5）：27-28.

[4] THOMSON S J， HUANG Y B， HANKS J E， et al. Improving flow response of a variable-rate aerial application system by interactive refinement[J]. Computers and Electronics in Agriculture，2010，73（1）：99-104.

[5] HEWITT A J， JONHSON D R， FISH J D， et al. Development of the spray drift task force database for aerial applications[J]. Environmental Toxicology and Chemistry，2002，21（3）：648-658.

[6] TSAI M Y， ELGETHUN K， RAMAPRASAD J， et al. The Washington aerial spray drift study： Modeling pesticide spray drift deposition from an aerial application[J]. Atmospheric Environment，2005，39（33）：6194-6203.

[7] LAN Y B， THOMSON S J， HUANG Y B， et al. Current status and future directions of precision aerial application for site-specific crop management in the USA[J]. Computers and Electronics in Agriculture，2010，74（1）：34-38.

[8] ZHU H， LAN Y B， WU W F， et al. Development of a PWM precision spraying controller for unmanned aerial vehicles[J]. Journal of Bionic Engineering，2010，7（3）：276-283.

[2] KGORI P M，MODO S， TORR S J. The use of aerial spraying to eliminate tsetse from the Okavango Delta of Botswana[J]. Acta Tropica，2006，99（2-3）：184-199.

[3] 薛新宇，梁 建，傅锡敏.我国航空植保技术的发展前景[J]. 中国农机化，2008（5）：27-28.

[4] THOMSON S J， HUANG Y B， HANKS J E， et al. Improving flow response of a variable-rate aerial application system by interactive refinement[J]. Computers and Electronics in Agriculture，2010，73（1）：99-104.

[5] HEWITT A J， JONHSON D R， FISH J D， et al. Development of the spray drift task force database for aerial applications[J]. Environmental Toxicology and Chemistry，2002，21（3）：648-658.

[6] TSAI M Y， ELGETHUN K， RAMAPRASAD J， et al. The Washington aerial spray drift study： Modeling pesticide spray drift deposition from an aerial application[J]. Atmospheric Environment，2005，39（33）：6194-6203.

[7] LAN Y B， THOMSON S J， HUANG Y B， et al. Current status and future directions of precision aerial application for site-specific crop management in the USA[J]. Computers and Electronics in Agriculture，2010，74（1）：34-38.

[8] ZHU H， LAN Y B， WU W F， et al. Development of a PWM precision spraying controller for unmanned aerial vehicles[J]. Journal of Bionic Engineering，2010，7（3）：276-283.

[2] KGORI P M，MODO S， TORR S J. The use of aerial spraying to eliminate tsetse from the Okavango Delta of Botswana[J]. Acta Tropica，2006，99（2-3）：184-199.

[3] 薛新宇，梁 建，傅锡敏.我国航空植保技术的发展前景[J]. 中国农机化，2008（5）：27-28.

[4] THOMSON S J， HUANG Y B， HANKS J E， et al. Improving flow response of a variable-rate aerial application system by interactive refinement[J]. Computers and Electronics in Agriculture，2010，73（1）：99-104.

[5] HEWITT A J， JONHSON D R， FISH J D， et al. Development of the spray drift task force database for aerial applications[J]. Environmental Toxicology and Chemistry，2002，21（3）：648-658.

[6] TSAI M Y， ELGETHUN K， RAMAPRASAD J， et al. The Washington aerial spray drift study： Modeling pesticide spray drift deposition from an aerial application[J]. Atmospheric Environment，2005，39（33）：6194-6203.

[7] LAN Y B， THOMSON S J， HUANG Y B， et al. Current status and future directions of precision aerial application for site-specific crop management in the USA[J]. Computers and Electronics in Agriculture，2010，74（1）：34-38.

[8] ZHU H， LAN Y B， WU W F， et al. Development of a PWM precision spraying controller for unmanned aerial vehicles[J]. Journal of Bionic Engineering，2010，7（3）：276-283.