油动单旋翼植保无人机雾滴飘移分布特性

王潇楠，何雄奎※，王昌陵，王志翀，李龙龙，王士林，Jane·Bonds，Andreas·Herbst，王志国

（1. 中国农业大学理学院，北京100193；2. Bonds Consulting Group LLC，Panama City Florida 32408，USA；3. Institute for Chemical Application Technology of JKI，Messeweg 11/12 D-38104 Braunschweig，Germany；4. 安阳全丰航空植保科技有限公司，安阳455001）

油动单旋翼植保无人机雾滴飘移分布特性

王潇楠1，何雄奎1※，王昌陵1，王志翀1，李龙龙1，王士林1，Jane·Bonds2，Andreas·Herbst3，王志国4

（1. 中国农业大学理学院，北京100193；2. Bonds Consulting Group LLC，Panama City Florida 32408，USA；3. Institute for Chemical Application Technology of JKI，Messeweg 11/12 D-38104 Braunschweig，Germany；4. 安阳全丰航空植保科技有限公司，安阳455001）

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 3 1.5℃、平均相对湿度 3 4.1%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。

无人机；喷药；风；雾滴；空中飘移；地面飘移；等动量雾滴收集器；分布

0 引 言

农业是中国国民经济的基础产业，是国家富强的根本保证[1]。然而中国农药使用技术发展特别是施药机械发展相对滞后，在开展病虫草害防治的过程中仍存在诸多问题[2]。航空植保能快速高效地完成病虫草害的防治，应用超低容量施药技术，具有喷雾药量少、高工效的特点和广阔的应用前景[3-8]。植保无人机不需要飞行员驾驶，风险小；不需要机场与跑道，机动灵活，适用于水田、丘陵等地面机械无法进入的地块进行田间作业；应付突发灾害能力强，能有效减少施药过程中农药对人员的危害和环境的污染[9-12]。

由于空中作业条件与气流的影响，植保无人机相对于地面机，航空作业中更易产生农药飘移[13-16]。雾滴飘移分为地面飘移（sediment spray drift）和空中飘移（airborne spray drift）[17]。地面飘移的测试方法主要使用培养皿、麦拉片、滤纸等接收雾滴[18-20]，相应的国际标准和测试方法较为成熟[21-24]；空中飘移的测试方法主要使用聚乙烯软管、试管刷等接收雾滴[25-27]。曾爱军[28]使用聚乙烯软管收集飘移雾滴，用飘移潜在指数（drift potential index，DIX）作为评价指标，应用小喷量标准扇形雾喷头在风洞条件下进行了雾滴飘移沉积特性试验。Andrew等[29]进行果园智能精准施药试验时使用试管刷收集飘移雾滴。但目前关于植保无人机雾滴飘移方面研究较少，尚未建立相关测试标准。

张宋超等[30]使用计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）对N-3型无人直升机施药作业中药液的雾滴飘移进行了模拟，并与地面雾滴飘移量进行比较，结果表明计算流体力学能够定性地模拟实际飘移情况。Xue等[31]研究了Z-3型植保无人机飞行高度为5 m、飞行速度为3 m/s、侧风风速为3 m/s时的药液飘移情况，结果表明该条件下90%的雾滴飘移量在8 m内。但是，测试地面飘移雾滴或在特定环境参数与飞行参数条件下测试均不能全面阐述雾滴飘移规律，需要在不同侧风风速、飞行高度、飞行速度等条件下测量地面及空中飘移量，以揭示植保无人机的雾滴飘移分布特性与规律。

因此，本文研发了一套雾滴飘移收集平台，使用雾滴飘移测试框架收集无人机周围飘移雾滴、使用等动量雾滴收集器收集下风向空中飘移雾滴，使用培养皿收集地面飘移雾滴；并将高精度北斗定位系统与带全球定位系统（global position system，GPS）的无人机平台结合获取飞行速度和高度，结合雾滴飘移测试平台分析精准作业高度和速度下无人机喷雾雾滴飘移分布，为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。

1 材料与方法

1.1 植保无人飞机参数

试验用植保无人飞机为3WQF80-10型油动单旋翼植保无人机（河南安阳全丰航空植保技术有限公司），主要技术参数如表1 所示，无人机的飞行速度和高度根据测试要求调整。

表1 3WQF80-10型植保无人机主要技术参数Table 1 Primary technical parameters of 3WQF80-10 type UAV

1.2 试验系统

本方法的试验系统主要由雾滴飘移收集平台、北斗卫星定位系统和田间气象站等组成。

1.2.1 雾滴飘移收集平台

雾滴飘移收集平台（图1）由雾滴飘移测试框架、等动量雾滴收集器（Leading Edge公司）和培养皿3部分组成。雾滴飘移测试框架用于收集无人机周围飘移雾滴，尺寸为5 m×5 m×2 m，主体为8条5 m长的棱，采用规格为15 cm×15 cm的铝合金型材（北京和平铝型材有限责任公司），4条2 m长的棱为直径2 cm不锈钢管，5 m长的棱中点处均由直径2 cm不锈钢管相接以稳定框架结构。框架上使用直径2 mm聚乙烯软管[14]深圳东正和塑胶有限公司）收集飘移的雾滴，在长方体的4个侧面中，选择下风向截面拉起9条长度为2 m的聚乙烯软管，间距为50 cm。

等动量雾滴收集器用于收集空中雾滴飘移，在雾滴飘移测试框架边缘下风向20 m处放置5个等动量雾滴收集器（图1），距离地面高度1.5 m。每个收集器上有2个玻璃棒作为收集装置，电源为 6 V直流，确保收集装置在测试中匀速转动。

培养皿用于收集地面飘移雾滴，根据国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）22866标准[22]，在雾滴飘移测试框架边缘下风向1、3、5、10、15、20 m处每个距离水平布置5个培养皿（共计30个）。

图1 雾滴飘移收集平台布样示意图Fig.1 Spray drift sampling layout diagram

1.2.2 北斗卫星定位系统

为了得到高精度的全球卫星定位数据，采用差分北斗全球导航卫星系统（上海司南卫星导航技术股份有限公司）记录无人机飞行高度、飞行速度和轨迹。该系统分为基准站和移动站 2 个部分，基准站用于接收卫星信号确定地理位置信息和接收差分数据，高功率电台传输差分信号至移动站。移动站安装在待测无人机上（图2），包括M600姿态定位定向型全球卫星导航系统（global navigation satellite system，GNSS）接收机、AT300系列测量型天线、433 MHz数据传输模块。移动站接收卫星信号和差分数据，通过数据传输模块将无人机定位数据传回接收模块并通过串口转USB接口数据线连接到笔记本电脑上，根据定位数据软件系统可实时显示、保存无人机飞行速度和高度等数据。基准站接收机水平静态差分精度为±(2.5D+10-6D) mm，垂直静态差分精度为±(5D+10-6D) mm，D指以基准站为中心的方圆直径；移动站双频载波相位差分技术（real-time kinematic，RTK）水平定位精度为±(10+10-6) mm，双频RTK垂直定位精度为±(20+10-6) mm。

图2 北斗卫星定位系统移动站Fig.2 Beidou satellite navigation system moving station

1.2.3 田间气象站与测试设备

通过ZENO-3200农业/森林自动气象站（美国原生态有限公司，图3a）和Testo 350-XL环境分析仪（德国德图仪器有限公司）获取试验地点气象信息。测试前，将可溶性荧光示踪剂磺基四羟酮醇（brillant sulfoflavin，BSF）（德国Chroma-Gesellschaft Schmid公司）配置成质量浓度为0.1%的水溶液作为喷雾液。测试后，采用Kontron SFM25荧光光谱仪（德国控创仪器公司，图3b）检测样品荧光值。

图3 测试所需相关设备Fig.3 Equipments applied in test

1.3 测试试验

1.3.1 试验地及设备安装

试验于2015年5月28日—6月20日在河南省安阳全丰航空植保技术有限公司小麦种植基地（114°39′E、36°15′N）10 m×10 m的正方形地块进行。雾滴飘移测试框架摆放在地面上，如图1a所示，按照待测无人机机身高度和稳定性制定穿越装置的飞行高度和水平位置，以距收集装置边缘1 m以上为安全距离。测试前，在试验场地附近 2 00 m范围内固定北斗定位系统基准站，保持整个测试期间不再变动位置。检查待测植保无人机，保证燃油量充足。将配置好的0.1% BSF示踪剂水溶液加入药液箱，同时在雾滴飘移测试框架上布置聚乙烯软管，在地面处布置好培养皿，并打开等动量雾滴收集器开关，将定位数据无线模块连接到笔记本电脑上，放置在距试验场地20 m范围内。Testo 350-XL环境分析仪探头架设高度为2 m，ZENO-3200自动气象站架设高度为6 m，实时监测试验现场的自然侧风风速和风向。场地布置完后，将北斗卫星定位系统移动站安装在待测无人机上备测。

1.3.2 试验方法

测试时，无人机操控手通过机载GPS系统获取实时航速、航高信息，以此控制无人机的飞行姿态。操控手遥控无人机在测试场地边缘20 m处起飞，加速到试验预定速度，打开喷雾系统，保持匀速并按照预定的高度和水平位置定点穿过雾滴飘移测试框架，继续飞行 5m后关闭喷雾系统，绕过试验场地返回出发点。测试中，从无人机距收集装置框架边缘 5m时开始测定风速数据，定位数据则从无人机起飞时即开始获取。无人机测试共7组，每组测试过程中实测无人机飞行参数如表2 所示。测试期间平均温度31.5 ℃、平均相对湿度34.1%。

表2 无人机工作时实测参数Table 2 Parameter values measured during working process of UAV

测试完毕后，收集聚乙烯软管以及等动量雾滴收集器上的玻璃棒，装入自封袋中标记待测，依次收集地面上的培养皿并盖上盖子。在测试场地附近有电源的室内设立样品检测室，每组试验后，将该组试验收集的待测样品运送到样品检测室，将聚乙烯软管、玻璃棒、培养皿分别以一定体积去离子水洗脱，使用SFM25荧光光谱仪检测洗脱液荧光值。设置 1个空白对照组以去除试验材料等因素对测试结果的干扰。

1.4 计算方法

1.4.1 雾滴飘移测试框架

通过雾滴飘移测试框架获得的数据，拟合得到测试垂直面内飘移量分布曲线图，再通过积分计算出测试平面内的雾滴体积总通量。

式中y是水平距离，m；z是垂直距离，m；T为雾滴体积总通量，L/m2；v为通过测试截面内任意一点的体积通量，L/m2。因此，相对体积飘移量V为

式中TN为喷头喷液量，L/m2。

飘移量分布的特征高度h定义为

式中hN是喷头高度，m。

飘移潜在指数DIX定义为

式中a、b为回归系数，由大量风洞试验与田间试验回归分析得到，a、b分别取值为0.88和0.78。DIX值越大，飘移损失的可能性越大。

1.4.2 等动量雾滴收集器

根据ISO22866标准[22]计算单位面积飘移量及飘移率。

式中βdep为单位面积雾滴飘移量，μL/cm2；ρsmpl为洗脱液的荧光仪示数；ρblk为空白采样器的荧光仪示数；ρspray为喷雾液中示踪剂浓度，g/L；Vdil为加入洗脱液的体积，L；Fcal为荧光仪示数与示踪剂浓度的关系系数，（μg/L荧光剂刻度单位）；Acol为雾滴收集器面积，cm2；λ为飘移率，%；βV为施药液量（L/hm2），βV=Q/(10w·s)，其中Q为喷雾流量（mL/s），w为喷幅（m），s为飞行速度，m/s。

1.4.3 培养皿

单位面积飘移量及飘移率计算方法同1.4.2。据 I SO 22866标准[22]，累计飘移率βT和飘移百分比β%为

90%飘移距离X90定义为β%达90%时的距离，m。

2 结果与分析

2.1 雾滴飘移测试框架测试结果

在不同测试条件下雾滴飘移框架测得的雾滴飘移率如图4，随着高度（距离）上升，雾滴飘移率下降。由图4可以看出，框架上聚乙烯软管收集的飘移雾滴主要分布于0～2 m范围内，垂直距离2 m以下雾滴飘移量的平均值约占总飘移量的80%。无人机飞行参数为高度1.5～3 m，速度2.4～5 m/s时，垂直距离4 m以上雾滴飘移量的平均值约占总飘移量的8%。将雾滴飘移潜在指数DIX，分别与风速、飞行高度、飞行速度进行相关和回归分析（表3）。结果表明，雾滴飘移测试框架的DIX与风速、飞行高度、飞行速度无显著相关（P＞0.05），可能主要由于无人机飞行过程中部分雾滴受旋翼周围气流胁迫向上运动。

图4 不同垂直距离雾滴飘移测试框架飘移率Fig.4 Application rate of spray drift on sampling frame of spray drift along vertical distance

表3 雾滴飘移测试框架漂移潜在指数与各因素的回归分析结果Table 3 Regression result of each factor with drift potential index(DIX) of sampling frame

2.2 等动量雾滴收集器测试结果

等动量雾滴收集器在距离下风向20 m处接收空中飘移的雾滴，在不同环境与飞行参数条件下等动量雾滴收集器测得的雾滴飘移率，分别与侧风风速、飞行高度、飞行速度进行相关和回归分析（表4）。结果表明，等动量雾滴收集器的雾滴飘移率与侧风风速呈极显著正相关（r=0.97，P＜0.01），而与飞行高度、飞行速度无显著相关（P＞0.05）。雾滴飘移率随侧风风速增大而增大（图5）。当侧风风速最大为5.5 m/s时，距离喷雾作业区下风向20 m处雾滴飘移率仅为5%，说明建立20 m缓冲区可以有效避免雾滴飘移产生的影响。

表4 等动量雾滴收集器飘移率与各因素的回归分析结果Table 4 Regression result of each factor with application rate of spray drift based on rotary impactors

图5 侧风风速对基于等动量雾滴收集器获得的雾滴飘移率的影响Fig.5 Effect of wind speed on application rate of spray drift based on rotary impactors

2.3 培养皿测试结果

培养皿在不同测试条件下测量的雾滴飘移率如图6。

图6 培养皿雾滴飘移率随水平距离变化Fig.6 Change in application rate of spray drift based on petri dishes along horizontal distance

图6表明，在喷雾作业区域下风向雾滴飘移率随水平距离增大呈减小，并随着距离增大，雾滴飘移率减小趋势减缓。由表5可知，当侧风风速为0.76～2.27 m/s时，累计飘移率（即非靶标区域雾滴飘移量占总喷洒量的比例）为14.3%～33.6%；当侧风风速最大为5.5 m/s时，累计飘移率高达75.8%，因此无人机在风速过大时应尽量避免喷雾作业，以避免药液飘移产生的危害；在侧风风速0.76～5.5 m/s条件下，90%飘移距离为9.3～14.5 m，即在各侧风风速时距离下风向15 m范围内均沉降了90%以上的飘移雾滴，因此在有风作业情况下，应设置15 m的缓冲区。累计飘移率βT和90%飘移距离X90分别与风速、飞行高度、飞行速度进行相关和回归分析（表6），结果表明，培养皿的累计飘移率与侧风风速呈极显著正相关（r=0.93，P＜0.01），与飞行高度和飞行速度无显著相关（P＞0.05）；90%飘移距离与侧风风速、飞行高度和飞行速度均无显著相关（P＞0.05）。

表5 不同测试条件下的累计飘移率和90%飘移距离Table 5 Cumulative drift rates and 90% drift distances under different conditions

表6 培养皿累计飘移率或90%飘移距离与各因素的回归分析结果Table 6 Regression result of each factor with cumulative drift rate or 90% drift distance based on petri dish measurement

等动量雾滴收集器可以有效收集下风向20 m处空中飘移的雾滴。20 m处等动量雾滴收集器获得的雾滴飘移率为0.89%～5.08%（图5），20 m处培养皿测得的雾滴飘移率为0.09%～0.25%（图6）。可见，在20 m处等动量雾滴收集器的雾滴飘移率明显高于培养皿测得的雾滴收集率，说明等动量雾滴收集器收集效率更高。该方法测试耗时较短，测试简单，受环境因素干扰较小，适合在田间测试时使用；培养皿可以收集下风向 1 ～20 m范围内地面飘移的雾滴，该方法是植物保护机械喷雾飘移测试标准中常用的方法，能较好地体现飘移雾滴随水平距离的变化趋势与规律，但测试耗时较长，测试过程相对复杂，且培养皿使用量大，造价昂贵，测试时培养皿必须放在空旷、平坦处，对环境要求较高；雾滴飘移测试框架上的聚乙烯软管可以收集无人机周围飘移的雾滴，该方法能较好地体现飘移雾滴随垂直距离的变化趋势与规律，但由于雾滴收到旋翼附近气流胁迫运动，雾滴飘移潜力指数DIX与风速、飞行高度、飞行速度无显著相关（P＞0.05）。在本试验中，侧风风速能够显著地影响等动量雾滴收集器和培养皿的雾滴飘移率（P＜0.05）并呈现较好的线性规律，为雾滴飘移率的主要影响因素。

3 结论与讨论

本文对3WQF80-10型植保无人机进行田间雾滴飘移试验并将北斗卫星定位系统与无人机平台结合获取准确飞行速度和飞行高度，进行定位飞行。分别用雾滴飘移测试框架、等动量雾滴收集器和地面雾滴飘移收集装置测试空中及地面雾滴飘移分布，得到以下结论：

1）通过无人机机载GPS系统和北斗定位系统控制和监测飞行参数，获得了精准飞行高度、速度下无人机施药空间与地面雾滴飘移分布情况，试验表明，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极显著正相关（相关系数分别为 0 .97、0.93）；而与雾滴飘移测试框架的雾滴飘移率无显著相关（P＞0.05）。

2）在平均温度31.5℃、平均相对湿度34.1%的条件下，在影响飘移率的因素中，侧风风速的作用大于无人机飞行高度、飞行速度的因素。

3）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。

建立雾滴飘移测试平台能够收集植保无人机施药作业过程中地面及空中飘移的雾滴，但由于雾滴受到旋翼附近气流胁迫运动，雾滴飘移测试框架方法仅能体现雾滴随垂直距离的变化趋势与规律；培养皿方法仅能体现飘移雾滴随水平距离的变化趋势与规律。等动量雾滴收集器效率高，但该研究中仅在距离下风向20 m处布点，因此还需要进一步研究该方法在距离下风向不同位置，距地面不同高度时雾滴飘移收集情况，优化雾滴飘移测试方法，为低空低量植保无人机雾滴飘移测试标准的建立提供参考。

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[31] Xue Xinyu,Tu Kang,Qin Weicai,et al. Drift and deposition of ultra-low altitude and low volume application in paddy field[J]. International Journal of Agriculture and Biology. 2014,7(4):23－28.

Spray drift characteristics of fuel powered single-rotor UAV for plant protection

Wang Xiaonan1,He Xiongkui1※,Wang Changling1,Wang Zhichong1,Li Longlong1,Wang Shilin1,Jane·Bonds2,Andreas·Herbst3,Wang Zhiguo4
(1. College of Science,China Agricultural University,Beijing 100193,China;2. Bonds Consulting Group LLC,Panama City Florida 32408,USA;3. Institute for Chemical Application Technology of JKI,Messeweg 11/12 D-38104 Braunschweig,Germany;4. Quanfeng Aviation Plant Protection Technology Co.,Ltd.,Anyang 455001,China)

In recent years,the unmanned aircraft application techniques and equipments are rapidly developing in China. In order to evaluate spray drift characteristics and to find out the buffer areas of pesticide drift during aerial spraying by 3WQF80-10 unmanned aerial vehicle(UAV),spray tests were conducted using UAV at different working height and velocity in wheat field(114°39′E、36°15′N). Three measurement methods were used to test the sediment and airborne spray drift distribution of UAV in Anyang city,Henan,Province,respectively. Various collectors were used,including petri dishes,rotary impactors and 2-mm diameter polythene lines. A spatial spray deposition sampling frame(5 m by 5 m by 2 m) with such lines was made to collect droplets of UAV pesticide application from downwind direction. Five petri dishes were put at 1,3,5,10,15 and 20 m away from the frame on the ground according to ISO 22866 standard and 5 rotary impactors were set at 20 m to collect spatial fine droplets. Beidou navigation satellite system was used for controlling and recording the working height and velocity of UAV,ZENO-3200 meteorological station system was used to monitor wind speed of flight direction,as well as humidity and temperature. Brilliant sulphoflavine(BSF) solution with 0.1% concentration was used to spray wheat fields and the deposit of spraying droplets were analyzed by fluorescence spectrophotometer to study the drift distribution characteristics of droplet deposition. Drift potential index(DIX) was used to evaluate droplet drift on the spray drift sampling frame,cumulative spray drift was used to evaluate spray drift of petri dishes and application rate of spray drift was used to evaluate the rotary impactor method. The results showed that the influence of wind speed on spray drift was greater than flight height and flight velocity of UAV under the condition of the average temperature 31.5 ℃ and average relative humidity 34.1%. Wind speed was positively correlated with the application rate of spray drift based on rotary impactors and petri dishes(correlation coefficient was 0.97 and 0.93,respectively) while it was not well related to DIX of sampling frame. There were 8% droplet drift on the spray drift sampling frame above 4 m from the ground while about 80% droplet drift below 2 m when the parameters of UAV was flight height 1.5-3 m and flight velocity was 2.4-5 m/s. The droplet drift only occurred downwind of the spraying field,and as the wind speed was 0.76-5.5 m/s,the 90% drift droplets were located within a range of 9.3-14.5 m of the target area,so a 15 m buffer zone should be considered downwind the spraying field for safe aerial spraying. The rotary impactor sampler had a higher drift collect efficiency than petri dishes. This research would provide data support to spray drift control and to establishment of aviation spray standards.

unmanned aerial vehicles;spraying;wind;droplets;airborne spray drift;sediment spray drift;rotary impactor;distribution

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.016

S252+.3

A

1002-6819(2017)-01-0117-07

王潇楠，何雄奎，王昌陵，王志翀，李龙龙，王士林，Jane·Bonds，Andreas·Herbst，王志国. 油动单旋翼植保无人机雾滴飘移分布特性[J]. 农业工程学报，2017，33(1)：117－123.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.016 http:// www.tcsae.org

Wang Xiaonan,He Xiongkui,Wang Changling,Wang Zhichong,Li Longlong,Wang Shilin,Jane · Bonds,Andreas · Herbst,Wang Zhiguo. Spray drift characteristics of fuel powered single-rotor UAV for plant protection[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2017,33(1):117－123.(in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.016 http://www.tcsae.org

2016-04-21

2016-10-10

国家自然科学基金资助项目（31470099）；公益性行业（农业）科研专项资助项目（201503130，201203025）

王潇楠，博士生，主要从事植保机械与施药技术研究。北京 中国农业大学理学院，100193。Email：404694775@qq.com

※通信作者：何雄奎，教授，博士生导师，主要从事植保机械与施药技术研究。北京 中国农业大学理学院，100193。Email：xiongkui@cau.edu.cn