植保无人机旋翼对雾滴沉积量的影响

董云哲++李君兴++吴光华++杨文挺++史云天

摘要：为了探究植保无人机的喷施效果，进行了多旋翼植保无人机在不同高度下和旋翼处于不同状态下对雾滴沉积量影响的试验。结果表明，当旋翼不工作时随着高度的升高，沉积量下降，而当旋翼工作时雾滴分布趋于均匀，雾滴沉积范围加大，但雾滴沉积量显著减少。

关键词：农药；无人机；旋翼；漂移

中图分类号：S252+.3 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2017）08-1557-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.08.039

Influences of Rotor of Unmanned Aerial Vehicle for Plant Protection on

Droplets Deposition

DONG Yun-zhe，LI Jun-xing，WU Guang-hua，YANG Wen-ting，SHI Yun-tian

（Jilin Academy of Agricultural Machinery，Changchun 130022， China）

Abstract： To explore the spraying effect of unmanned aerial vehicle（UAV） for plant protection，tests of influences under different heights and conditions on the droplets deposition were made on rotor of UAV. The results showed that when the rotor does not work，droplets deposition decreases with the increase of height，and when the rotor works，droplets tends to be more uniform and deposition scope tends to be wider，but deposition volume decreases significantly.

Key words： pesticide； unmanned aerial vehicle（UAV）； rotor； drift

2015年中国粮食总产量为6.21亿t，粮食生产成功实现“十二连增”[1]，农药的作用功不可没，但农药过度使用的危害日益显现，如病毒、害虫的耐药性逐年增强，土壤和水资源的污染日趋严重等。农业部下发《到2020年化肥使用量零增长行动方案》，提出了在保证粮食产量安全的同时，农药使用量到2020年实现零增长[2]。2015年中国农药利用率为36.6%，虽然比2013年提高了1.6个百分点，但远低于发达国家50%～60%的平均水平，研发高效植保机械已成农业植保领域的重中之重[3]。

植保无人机是新兴的植保机械，可实现微量喷洒，作业效率高，雾滴穿透力强。但目前植保无人机没有明确的植保标准，主要因为其喷洒效果受到影响因素较多，如旋翼风场的影响、作业环境（温度、湿度、风向、风力）的影响和喷洒设备性能的影响以及农药特性（黏度、密度）的影响[4，5]。目前，许多研究者对无人机喷洒进行研究，如张京等[6]研究了无人驾驶直升机航空喷雾参数对药液雾滴沉积效果的影响；薛新宇等[7]进行了N-3型无人直升机不同作业高度和不同喷洒浓度的田间药效试验；高圆圆等[8]应用Af-811小型无人机对不同雾化方式的喷头、不同药剂、不同助剂进行了低空喷洒试验，并对雾滴沉积分布状况及防治效果進行了分析；邱白晶等[9]研究了无人直升机飞行高度与速度对喷雾沉积分布的影响。研究均表明无人机的作业参数对雾滴沉积效果有直接影响。为了探究植保无人机的喷施效果，在吉林省泵类产品检测站室内进行了植保无人机在4种高度和无人机旋翼工作与旋翼不工作两种状态下，进行了喷洒试验，并对结果进行了分析。

1 材料与方法

1.1 设备与材料

试验设备选用NJY1206八旋翼电动植保无人机（吉林省农业机械研究院研制），其主要性能参数见表1；喷头TP11001（斯普瑞喷雾系统有限公司）；雾滴承接箱（吉林省农业机械研究院）；电子天平（先行者OHOUS）；小型真空烘干箱（DZF-6210）；转速计（AZ8008）；喷洒液为纯净水。

为了避免在工作过程中雾滴承接器的位置发生变化，设计了雾滴承接箱，如图1所示，支架固定在雾滴收件箱的中部，支架与各个雾量承接器的配合为间隙配合，雾量承接器间距为100 mm。

1.2 方法

将NJY1206型八旋翼电动植保无人机固定在桁架上，如图2所示，将雾滴承接箱放置在飞机正下方（雾滴承接箱中心与飞机中心喷头对齐，试验仅测量植保无人机右侧数据，左侧数据与右侧相同），调整飞机高度，使得喷头距雾量承接器的距离为1.0 m，向植保药箱注入10 kg水，待无人机药箱中水喷完后，测量雾滴承接器中液体的质量。测量完毕后，将横向（与喷杆垂直方向）雾滴承接器液体质量相加，将雾滴承接器擦净后，放入烘干箱中烘干以备再次使用。再将无人机药箱加10 kg水，遥控器发出指令，旋翼开始工作，当旋翼转速为7 000 r/min时，开始喷洒，喷洒完毕后，测量雾滴承接器中液体的质量。测量完毕后，将横向雾滴承接器中液体质量相加，再调整飞机高度至1.5、2.0、2.5 m，再分别测量。为保证测试结果的可重复性，每次测试结束后，均需使用满电电池。试验时，温度为12～15 ℃。

2 结果与分析

保持无人机旋翼状态不变，测量不同位置（以无人机中心为原点，以平行于喷杆右侧方向为横坐标正方向）雾量分布随高度变化的情况，并计算出雾量分布变异系数以及液滴沉积总量。不同高度旋翼不同状态下液滴沉积量分布见图3，雾量分布变异系数随高度变化关系见图4，不同高度旋翼不同状态下液滴沉积总量见图5。旋翼对雾滴沉积量分布影响巨大，旋翼不工作时沉积量是旋翼工作时沉积量的1.9倍，主要是因为无人机风场产生的效果，无人机旋翼正下方的风向是向下的，而旋翼其他位置的风向较为复杂，有的风向是斜向下，有的风向甚至是向上的，如多旋翼飞机中心的风，而且旋翼上方气压小于周边的气压，部分雾滴随向上的风和其他方向的风而漂移，有许多雾滴直接落在无人机上。旋翼静止时，雾量承接器中沉积量随高度的升高呈下降趋势，是因为蒸发漂移原因造成的，高度越高，下降时间越长，极小液滴在下降过程中，体积逐步缩小直至消亡[10]；旋翼工作时，沉积量随高度变化不大，是因为雾滴在飞行过程中，在无人机风场的作业下，雾滴的飞行时间短，直接达到靶标。旋翼工作与不工作相比，雾滴分布更加宽泛，其主要原因也是无人机风场和风场产生的地面效应原因造成的。旋翼无人机的向下风达到地面时，会反弹、四溅，雾滴的沉积也深受影响。

3 小结

针对植保无人机旋翼对雾滴沉积量的影响进行了试验，对试验数据进行了采集和分析，结论如下：

1）雾滴沉积量受旋翼影响较大，该机型旋翼降低了雾滴沉积量，应充分利用旋翼正下方风场。

2）在室内，高度对处于工作状态下的植保无人机沉积量影响不大，旋翼使得雾滴分布更为宽泛。

3）植保无人作业高度1.0 m时，雾量分布变异系数最小。

参考文献：

[1] 庞无忌.中国粮食产量“十二连增”2015年达6.21亿吨[J].农药市场信息，2015，30（30）：10.

[2] 金书秦.关于“十三五”实现农药零增长目标的几点思考[J].农药科学与管理，2016，37（2）：1-3.

[3] 罗锡文，廖 娟，胡 炼，等.提高农业机械化水平促进农业可持续发展[J].农业工程学报，2016，32（1）：1-11.

[4] 董云哲，李君兴，史云天，等.植保无人机未来发展的思考[J].陕西农业科学，2016，62（3）：119-121.

[5] 赵 辉，宋坚利，曾爱军，等.喷雾液动态表面张力与雾滴粒径关系[J].农业机械学报，2009，40（8）：74-79.

[6] 张 京，何雄奎，宋坚利，等.无人驾驶直升机航空喷雾参数对雾滴沉积的影响[J].农业机械学报，2012，43（12）：94-96.

[7] 薛新宇，秦维彩，孙 竹，等.N-3型无人直升机施药方式对稻飞虱和稻纵卷叶螟防治效果的影响[J].植物保护学报，2013，40（3）：273-278.

[8] 高圆圆，张玉涛，赵酉成，等.小型无人机低空喷洒在玉米田的雾滴沉积分布及对玉米螟的防治效果初探[J].植物保护，2013， 39（2）：152-157.

[9] 邱白晶，王立伟，蔡东林，等.无人直升机飞行高度与速度对喷雾沉积分布的影响[J].农业机械学报，2013，44（24）：25-31.

[10] 宋吉林，祁力钧，孙小华，等.喷雾机雾滴大小和飞行时间的研究[J].农业机械学报，2007，38（7）：54-57.