植保无人机作业参数对棕榈树雾滴沉积的影响*

郭祥雨，薛新宇，秦维彩，王珊, 2，刘小明

(1. 农业农村部南京农业机械化研究所，南京市，210014； 2. 安徽农业大学工学院，合肥市，230036)

0 引言

棕榈树主要分布在我国贵州、广东、海南等地，是棕榈油的重要原材料，花、果实、根皆可食用和入药，树干可以加工成抗腐蚀的木质产品，因此具有重要的经济价值[1-2]。其常见病虫害主要有黄化病、叶斑病、炭疽病、红棕象甲虫、蚧壳虫等，主要发生在叶柄基部和树冠叶片，严重时导致树木死亡。棕榈树高度可达 10 m 以上，地面机械采用从下往上的喷施方式，雾滴的穿透性能力有限，且操作困难。植保无人机作为一种新型施药装备，具有适应性强、效率高的优点，其旋翼下洗气流能够有效促进雾滴穿透性，喷洒效果好，已经被广泛应用在大田作物的病虫害防治中[3-6]。

很多学者在无人机作业参数和沉积分布特性方面作了大量研究。邱白晶等[7]通过试验方法探究了无人机作业高度、速度及二者间交互作用对喷雾沉积浓度、均匀性的影响。秦维彩等[8]采用N-3无人机研究了喷洒参数对玉米冠层雾滴沉积分布的影响。Zhang等[9]研究了在不同柑橘树形和不同作业高度下无人机在柑橘树冠层的雾滴沉积效果。在果树方面的应用还是较少，陈盛得等[10]研究了单旋翼无人机不同作业参数对柑橘树的雾滴沉积效果，结果表明飞行速度、高度对雾滴沉积效果影响显著。王昌陵等[11]探究了无人机飞行参数及参数精准度对小麦田间雾滴沉积分布特性的影响。王娟等[12]从雾滴沉积效果、地面流失雾滴沉积分布、飘移方面探究了单旋翼无人植保机不同作业高度对槟榔树冠层及地面喷施效果的影响。上述研究果树外形多为纺锤型，叶片之间的遮挡作用较小，可简化为多孔介质模型，气流包裹雾滴容易通过间隙进入冠层内部，而棕榈树属性为倒三角型，叶片类似蒲扇，叶片间遮挡作用很大，雾滴难以到达冠层下部，树形结构不同使得现有的研究成果难以应用在棕榈树病害防治。

国内植保无人机开始在棕榈树病虫害防治中使用，但有关棕榈树的飞防试验和综合分析的相关文章鲜有报道。本文从喷头流量、作业高度(距离树冠的高度)、飞行速度三个关键因素入手研究单旋翼植保无人机喷雾参数对棕榈树冠层雾滴沉积分布的影响，为单旋翼植保无人机在棕榈树飞防作业提供借参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验地点

试验于2019年11月28号在江苏省宿迁市沭阳县花卉基地进行，试验对象为棕榈树，属于乔木，品种为毛棕，冠层平均高度(包括茎干)为1～1.5 m、冠层平均宽度为2 m，平均株高6 m，株距为2 m。

1.2 试验设备

本次试验的设备为LJ-110N型单旋翼油动无人直升机，如图1所示，其外形尺寸(长×宽×高)为3 000 mm×1 000 mm×1 200 mm，最大载药量为40 L，飞行速度范围为3～7 m/s，作业高度范围3～15 m，有效喷幅≤10 m；本次作业采用02型喷头，喷头喷雾压力为0.32 MPa，喷头最大平均流量为4.2 mL/min。

图1 作业机具

Watchdog 2000气象站记录本次试验的温度、湿度、风速等信息，温度测量范围-32 ℃～100 ℃，测量精度0.5 ℃；湿度测量范围10%～100%，测量精度±3%；风向测量范围0°～360°，测量精度±3°；风速测量范围0.1～322 km/h，测量精度±5%。本次试验的平均温度为7.5 ℃，风速平均值为2.1 m/s，风向东南。

1.3 试验设计

每组试验选择3颗长势相同的棕榈树，无人机沿着作物正上方中心线飞行。参考《植物保护机械 乔木和灌木作物喷雾量分布的田间测定》标准[13]，按着体积采样、断面采样、地面采样策略，根据棕榈生长的情况将树冠冠层分为上、中、下3层，并在地面布置采样层。按照图2进行布样，每层按照顺时针方向进行编号，最上层依次为a-1、a-2、a-3、a-4、a-5，并以同样的方式对中、下层及地面进行编号，依次是b-1、b-2、b-3、b-4、b-5，c-1、c-2、c-3、c-4、c-5，d-1、d-2、d-3、d-4，共计19个采样点，每组试验重复3次，a、b、c组布样点用于计算雾滴沉积量，d组数据布样点计算地面雾滴流失量。

图2 棕榈树采样示意图

通过设计3因素3水平正交试验，研究单旋翼无人直升机喷头流量、作业高度和飞行速度对雾滴沉积的影响。试验因素、水平如表1所示，其中喷头流量只有两个水平，故用第一水平代替第二水平，试验方案如表2所示。

表1 试验因素与水平Tab. 1 Test factors and levels

表2 正交试验方案Tab. 2 Orthogonal test scheme

1.4 数据处理与分析

每组试验结束，待雾滴采集卡上的雾滴晾干后收集到密封袋中，带回实验室进行分析。将收集的采集卡用HP Scanjet200扫描仪扫描，然后用图像处理软件Deposit Scan(V1.2)进行分析，可得出雾滴覆盖率、雾滴沉积个数、沉积量等信息。

为表征试验中各采集点之间的雾滴沉积穿透性，本研究以飞机有效喷幅区内每个采集点上层、中层、下层雾滴沉积量CV来衡量雾滴沉积穿透性[14-15]，其中，变异系数值越小表示雾滴沉积越均匀，穿透性越好[16-17]。

变异系数

(1)

(2)

式中：S——标准差；

Xi——第i次所得到的雾滴沉积量；

2 试验结果与分析

不同作业参数的雾滴沉积效果见表3。

表3 不同作业参数雾滴沉积效果Tab. 3 Droplet deposition effect of different operating parameters

2.1 作业参数对雾滴沉积量的影响

综合分析喷头流量、作业高度、飞行速度对沉积量的影响程度，筛选出该无人机的最佳作业参数。将上、中、下3层雾滴沉积量进行平均值处理如图3所示，从图3中可知，喷头流量为4.2 L/min，作业高度为3 m，飞行速度为3 m/s所对应的雾滴沉积量最大。第1、2、3组均是在喷头流量为4.2 L/min作业参数下，飞行速度和作业高度不断增加，雾滴沉积量呈现减小趋势，原因在于作业速度增加使得单位面积喷洒时间减小，雾滴沉积量减小，作业高度增加使得雾滴在侧风影响下更容易飘散，雾滴沉积量减小。第1、4、7组均是在作业高度为3 m作业参数下，雾滴沉积量呈现减小趋势，原因在于作业速度增加使得单位面积喷洒时间减小，雾滴沉积量减小，虽然喷头流量有差异，但是影响程度没有飞行速度明显，同理第8、2、5组、第6、9、3组也符合此分析。

图3 不同作业参数下的平均雾滴沉积量

并借助SPSS V25软件进行正交试验方差分析，分析结果见表4。根据表4可知，作业高度和飞行速度所对应的P值均小于0.01，说明作业高度和飞行速度对雾滴沉积量有极显著影响，喷头流量所对应的P值均小于0.05，说明喷头流量对雾滴沉积量有显著影响。并结合表5的极差分析表可知植保无人机作业因素对雾滴沉积量的影响程度为：作业高度>飞行速度>喷头流量，最佳水平组合为A1B1C1，即喷头流量为4.2 L/min，作业高度为3 m，飞行速度为3 m/s，该结果与图3分析结果一致。

表4 雾滴沉积量方差分析及回归分析Tab. 4 Variance analysis and regression analysis of droplet deposition

表5 极差分析表Tab. 5 Range analysis table

通过回归分析可知，回归方程的系数分别为0.727、0.032、-0.081、-0.076，因此雾滴沉积量与喷头流量、作业高度、飞行速度之间的关系模型见式(3)，其决定系数为R2=0.992，说明模型可靠。从模型中可知随着喷头流量的增大，作业高度的降低，飞行速度的减小，雾滴沉积量呈现增大趋势。

Y1=0.727+0.032X1-0.081X2-0.076X3

(3)

式中：Y1——雾滴沉积量；

X1——喷头流量；

X2——作业高度；

X3——飞行速度。

2.2 作业参数对雾滴沉积穿透性的影响

为了研究喷头流量、作业高度、飞行速度对雾滴沉积穿透性的影响程度，将9组雾滴沉积穿透性数据进行方差分析，分析结果见表6。由表6可知作业高度和飞行速度所对应的P值小于0.05，说明作业高度和飞行速度对雾滴沉积穿透性有显著影响，喷头流量所对应的P值大于0.05，说明喷头流量对雾滴穿透性影响不显著，因为棕榈树树冠呈倒三角形，内部类似多孔介质模型，比较容易穿透。并结合表7的分析结果可知植保无人机作业因素对雾滴穿透性的影响程度为：作业高度>飞行速度>喷头流量，最佳作业参数为A2B1C1，即喷头流量为4.2 L/min，作业高度为3 m，飞行速度为3 m/s。雾滴沉积穿透性主要与作业高度与飞行速度有关系，作业高度和飞行速度决定了植保无人机飞机旋翼风场的强度，从而决定雾滴在作物冠层中穿透力，飞行速度影响了风场持续在雾滴上作用的时间。

表6 雾滴穿透性方差分析Tab. 6 Analysis of variance of droplet penetration

表7 雾滴穿透性极差分析表Tab. 7 Analysis table of fog drop penetration range

通过回归分析可知，回归方程的系数分别为49.819、-25.314、15.569、4.252。因此雾滴沉积量与喷头流量、作业高度、飞行速度之间的关系模型见式(4)，其相关系数R2=0.619。从模型中可知随着喷头流量的增大，作业高度的降低，飞行速度的减小，雾滴穿透性呈现减小趋势。

Y2=49.819-25.314X1+15.569X2+4.252X3

(4)

式中：Y2——雾滴穿透性。

2.3 作业参数对地面流失量的影响

为了研究喷头流量、作业高度、飞行速度对地面流失量的影响程度，将9组地面流失量数据进行方差分析，分析结果见表8。由表8可知喷头流量和飞行速度所对应的P值大于0.05，说明喷头流量和飞行速度对地面流失量没有显著影响，作业高度所对应的P值小于0.05，说明作业高度对地面流失量有显著影响，并结合表9的分析结果可知此植保无人机作业因素对雾滴穿透性的影响程度为：作业高度>飞行速度>喷头流量，最佳作业参数为A2B1C2，即喷头流量为4.2 L/min，作业高度为3 m，飞行速度为4 m/s。

表8 地面流失量方差分析Tab. 8 Analysis of variance of ground loss

通过回归分析可知，回归方程的系数分别为：0.042、-0.008、0.043、-0.008。因此雾滴沉积量与喷头流量、作业高度、飞行速度之间的关系模型见式(5)，其相关系数R2=0.859。从模型中可知随着喷头流量的增大，作业高度的降低，飞行速度的增大，地面流失量呈现减小趋势。

Y3=0.042-0.008X1+0.043X2-0.008X3

(5)

式中：Y3——地面流失量。

3 讨论

根据本文雾滴沉积量、雾滴穿透性和地面流失量分析结果，影响雾滴沉积效果的主次顺序依次为：作业高度、飞行速度、喷头流量；喷头流量4.2 L/min、作业高度3 m、作业速度3 m/s的作业参数可获得最佳的雾滴沉积量和雾滴穿透性，喷头流量4.2 L/min、作业高度3 m、作业速度4 m/s的作业参数可以保证最小的地面流失量，结合棕榈树树形和病虫害发生位置，在进行飞防作业时首先要保证其雾滴沉积量和雾滴穿透性，其次再保证地面流失量最小，最佳的雾滴沉积量和雾滴穿透性为0.397 μL/cm2和5.01%，虽然最佳地面流失量0.080 μL/cm2低于对应的最佳雾滴沉积量作业参数所对应的地面流失量0.125 μL/cm2，但最佳地面流失量作业参数所对应的雾滴沉积量和雾滴穿透性为0.325 μL/cm2和15.54%均低于最佳雾滴沉积量和最佳雾滴穿透性，所以棕榈树飞防最佳作业参数为喷头流量4.2 L/min、作业高度3 m、作业速度3 m/s。旋翼风场与作业参数、机型、环境等因素密切相关，从上述9组试验可知不同的作业高度、飞行速度会产生雾滴沉积效果各异，原因在于无人机速度过快会使得喷洒不均匀，药液只停留在冠层顶端，飞行高度太高使得旋翼下压风场压力不足，使雾滴不能穿透到作物底部；速度过慢则会造成重复喷施，作物局部施药过量，飞行高度太低则风场压力太大，一方面作物会收到损伤并会使得药物喷施到作物根部和土壤中，因此选择适当的作业高度和飞行速度会改善雾滴沉积效果。

4 结论

本次试验探索了单旋翼无人机作业参数对高大乔木雾滴沉积的效果，得出如下结论。

1) 根据雾滴沉积量、雾滴穿透性和地面流失量分析结果，影响雾滴沉积效果的主次顺序依次为：作业高度、飞行速度、喷头流量。

2) 从回归模型可知：随着喷头流量的增加，作业高度的降低，飞行速度的减小，雾滴沉积量呈现减小趋势，雾滴穿透性呈现减小趋势；随着喷头流量的减小，作业高度的增加，飞行速度的减小，雾滴穿透性呈现增大趋势。

3) 不同的作业参数，雾滴沉积效果各异，棕榈树雾滴沉积量和雾滴穿透性最佳优化方案为喷头流量4.2 L/min、作业高度3 m、作业速度3 m/s的作业参数，建议棕榈树飞防作业时使用此参数。