植保无人飞机作业参数对田外除草靶标区内外雾滴沉积规律的影响*

Fiaz Ahmad,邱白晶,董晓娅,马靖,黄鑫,Shibbir Ahmed,Farman Ali Chandio

(1.江苏大学农业工程学院，江苏镇江，212013；2.巴哈丁拉齐大学农业科学与技术学院农业工程系，巴基斯坦木尔坦，60800；3.信德省农业大学农业工程学院农业动力与机械系，巴基斯坦坦杜阿拉亚，70060)

0 引言

农药的应用在现代农业作物生产中不可或缺，有助于提高农产品产量和质量。但由于施药方法的落后，农药喷洒作业效率依然明显较低[1]。植物保护产品用量的不断增加引发了越来越多的环境问题[2]。雾滴大小、气象条件和施药装备作业参数影响药液在靶标上的覆盖、附着与吸收[3]。

航空施药技术有助于减少农药对人类和环境的危害，因此近年来无人飞机在农药应用中的适应性成为研究的热点。在此之前，一些关于航空施药雾滴沉积和飘移的研究通过田间试验[4-8]和数值模型[9-12]开展。操作者应清楚理解计量条件(温度、风向、风速、湿度等)对喷洒效率的影响[13]。植物冠层和小型无人飞机喷雾高度对雾滴沉积和雾滴大小也有显著影响[14]。

Wang等[15]研究了植保无人飞机喷雾量对小麦雾滴沉积的影响。He等[16]回顾了植保无人飞机的发展，认为无人飞机施药技术的商业化需要来自政府、研究机构和行业的利益相关者合作与建设性参与。Zhang等[13]采用数值模拟技术(计算流体动力学)研究了N-3型单旋翼无人机下洗风场的分布，并研制了测量装置。Zhang等[17]为提高农药喷洒效率，研制了一种六旋翼植保无人飞机静电喷雾系统。Zheng等[18]模拟了无人飞机作业参数对玉米不同生育阶段施药效果的影响。Zhou等[19]研究了转杯式离心喷头结构参数对雾化性能的影响，以实现高雾化质量和窄雾滴谱。

航空施药过程中的农药喷雾飘移会带来严峻的环境问题。与载人农用飞机相比[20-23]，无人飞机的雾滴飘移量随着飞行高度的降低[3，16，24]和下洗风场[5-6，25]的作用而有效减少。

Qin等[3]研究了无人飞机的雾滴沉积和喷洒杀虫剂对稻飞虱的防治效果。Xue等[24]通过田间试验测量了无人飞机在稻田作业时的雾滴沉积和空中飘移量。无人飞机(UAV)低空作业时，上层平均沉积量占总喷洒量的28%，下层平均沉积量占总喷洒量的26%。下层约为上层的92.8%。雾滴飘移数据显示，占总喷洒量12.9%的雾滴运动到了非靶标区域。而其中的90%的雾滴沉积在距离靶标区域8 m的范围内，在距离靶标区域50 m处的飘移量几乎为零。

喷雾测量方法同样也受到了广泛关注。学者[26-29]设计并制造了新型喷雾沉积模式测量系统(SDPMS)利用荧光示踪和光谱分析技术克服了采样数据离散化的问题，优化了无人飞机雾滴沉积的测量方法。然而航空喷雾中的沉积测量方法仍需标准化。

Wang等[30]比较了六旋翼无人飞机与自走式喷杆喷雾机和两种背负式喷雾器的工作效率和雾滴沉积效果。Wang等[31]提出了一种基于视觉(Lucy-Richardson算法)的新型喷雾系统，可以自动识别裸露区域从而在靶标区域上实现农药的精确喷洒。并在决策支持系统中采用模糊控制模型用于迟滞和非线性喷雾。

以往的研究主要针对大田作物的害虫防治。本文旨在研究除草应用中无人飞机作业参数对雾滴沉积量、覆盖密度、覆盖率和雾滴直径在靶标区和脱靶区的影响。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验地点位于在江苏省镇江市京东农场(东经119.738 58；北纬32.134 49)。气象条件：现场温度25.5 ℃～26.9 ℃，风速0.4～1.1 m/s，相对湿度46.1%～47.8%。试验在麦田旁边的杂草区进行。

1.2 材料与装置

采用单旋翼植保无人飞机(Freeman-200型，飞瑞航空科技(江苏)有限公司)作为喷雾机具。主要性能指标如表1所示。

表1 无人飞机参数与杂草特性Tab.1 UAV parameters and weed characteristics

无人飞机喷雾系统由矩形药箱、液泵、喷杆、软管、喷头等部件组成。喷头选用TeeJet110-015，共9个喷头朝下沿着垂直于无人飞机轴的喷杆等间距(各50 cm)布置。

1.3 试验设计

喷洒药液为除草剂与荧光示踪剂(罗丹明-B，上海寰宸经贸有限公司)的混合溶液。表2为试验四种处理T1、T2、T3、T4的作业参数。计算雾滴沉积量、覆盖密度、覆盖率、雾滴直径和雾滴谱相对宽度。

表2 无人飞机作业参数Tab.2 UAVSprayeroperational Parameter

1.4 采样点布置

如图1所示，采样点排列成一条直线。假设靶标区在无人飞机航线的左右两侧各3 m范围内。在距离左右两侧无人飞机航线各3 m开外，根据无人飞机的有效喷洒幅宽建立脱靶区。按照每组17个雾滴采样点布置。水敏纸(26 mm×76 mm)和载玻片(26 mm×76 mm)分别距离航线两侧0 m、1 m、2 m、3 m、6 m、10 m、15 m、20 m和25 m水平摆放，航线右侧采样点记为正，左侧采样点记为负。水敏纸和载玻片的高度等于杂草植株的平均高度(1 m)。田间试验设置如图2所示，无人飞机作业现场如图3所示。

图1 采样布局示意图Fig.1 Sampling layout for UAV performance

图2 田间试验设置Fig.2 Test setup in the field

图3 无人飞机除草作业Fig.3 UAVin operation under weed conditions

采用自动便携式气象站(TYD-ZS，北京宏昌鑫峰科技有限公司)在2.5 m高度上获取不同喷雾作业参数(平均飞行高度和不同航段平均飞行速度)下对应的气象数据(表3)。田间杂草情况如图4所示。

图4 田间杂草情况Fig.4 Weed conditions in the field

1.5 雾滴数据的获取和处理

每次试验结束，待水敏纸干后放入有标签的自封袋中，随后将其放入干燥冷却器中，以便安全地将采样卡送入实验室。在收集水敏纸时，必须佩戴橡胶手套。使用高密度激光扫描仪逐个扫描水敏纸以获得600dpi的图像，并使用Depositscan软件对图像进行处理，该软件较为先进，能够用于测定沉积量、覆盖密度、覆盖率和雾滴直径[32]。Depositscan软件通过下列方程将图像中的着色点大小转换为雾滴直径

d=0.95ds0.910

(1)

(2)

式中：A——经过图像软件Image J处理得到的斑点区域，μm2。

由于图像软件未考虑扩散系数的影响[33]，在Depositscan软件中使用下式将着色点直径转化为Dv0.1、Dv0.5和Dv0.9等雾滴直径[15]。

D=0.550 7d-0.000 09d2

(3)

式中：D——雾滴直径，μm；

d——水敏纸上着色点直径，μm。

1.6 统计分析

使用Satistix 8.1统计软件进行方差分析(ANOVA)。F检验在显著性水平为0.05时，对各处理均值进行最小显著性差异检验(LSD0.05)。

2 结果与讨论

2.1 作业参数对雾滴沉积量和密度的影响

雾滴的沉积量和分布均匀性是评价喷雾效果的最重要指标。水敏纸被广泛应用于快速、方便地评估雾滴沉积分布和靶标覆盖[32，34]。运用沉积扫描软件测量了水敏纸上雾滴沉积量、覆盖密度、覆盖率以及雾滴直径之间的变化。图5显示了在不同的作业速度和高度下，雾滴在靶标区和脱靶区的沉积情况。发现当无人飞机在处理T1以2 m/s速度、2 m高度飞行时，靶标区平均沉积量最高，为2.29 μL/cm2。处理T2、T3和T4在靶标区域的平均沉积量分别为0.82、2.01、0.42 μL/cm2。表4显示了不同处理下靶标区和脱靶区沉积量占总沉积量的百分比，其中处理T4的脱靶区最高，为8.47%；处理T1脱靶区最低，为2.47%。

图5 采样点雾滴沉积量分布Fig.5 Spray deposition at different sampling site during various treatments

表4 各处理雾滴沉积量占比Tab.4 Percentage deposition during various treatment

这能够清楚反映作业和气象因素如风速和风向的影响，即随着前进速度和作业高度的增加，雾滴沉积量在靶标区减少。处理T1、T2、T3、T4在中心线0点位置的雾滴沉积量分别为4.63、1.91、3.55、1.06 μL/cm2；在靶标区的平均雾滴密度分别为56.19、54.37、83.07、41.79粒/cm2(图6)。飞行速度较慢(2 m/s)时雾滴沉积量较大，但由于飞行速度、飞行高度和风速的共同作用，处理T3的雾滴密度显著增大。有学者[35]认为飞行高度较低，水平风和旋翼下洗风之间交互作用的增加导致了雾滴破裂和波动。处理T1、T2、T3和T4在中心线0点处的雾滴密度分别为87.1、116.2、91.9、91.1粒/cm2。Hussain等[5]发现，随着无人飞机作业高度的增加，雾滴数量减少。

图6 采样点雾滴密度分布Fig.6 Spray deposits in the unit area at different sampling site during various treatments

雾滴沉积量、覆盖密度和覆盖率在中心线0点位置较高，随着距离中心线距离的增加逐渐下降，分布更加不规则。雾滴从喷头射出时的动能越大，在中心线0点位置沉积量越大。因为无人飞机旋翼在机身下方产生的相对稳定的气流分布[23，36]，促使较粗的雾滴以较快的速度沉积在靶标水敏纸上。Sunada等[37]以一架大型直升机为研究对象，研究了喷杆两侧的涡流和翼尖气流在喷雾过程中的变化规律。旋翼在喷杆两侧产生的涡流改变了雾滴群的原始运动轨迹和形态，导致喷杆两侧形成较多的粗雾滴分布。Teske等[23]总结了单旋翼无人飞升机和自主导航八旋翼无人飞机的尾流特性，并利用CHARM和AGDISP软件对雾滴喷施进行了预测。研究发现，尽管雾滴从喷杆对称喷出，但由于侧风的作用，并没有直接沉积在机身后部中心位置。Shi等[36]在一项对植保无人飞机的数值模拟研究中得出，无人飞机向前飞行时，旋翼引发的下洗气流与地面发生碰撞产生的地效形成气旋，使流场向相反方向增强并向周围环境扩散。旋翼周期性高速旋转和地面效应共同作用使气流的流动方向和速度不一致。并且通过数值模拟发现没有下洗风场时雾滴沉积是集中在航线左右1.3 m的范围；有下洗风场时雾滴沉积发生在航线左右6.4 m范围,其中90%的雾滴沉积集中在3 m的范围内，沉积量峰值出现在无人飞机航线位置。而前进方向0～2 m之间的波动趋势是由无人飞机旋翼形成的下洗风场分布变化造成的。下降趋势验证了无人飞机腹部对下洗风场的阻碍作用。进一步总结了旋翼长度对无人飞机下方不同水平距离下洗风场速度分布的影响。

2.2 雾滴覆盖率

无人飞机各作业处理中的靶标区和脱靶区雾滴覆盖率结果如图7所示，处理T1、T2、T3和T4的平均雾滴覆盖率率分别为18.77%、10.37%、19.91%、6.03%，沿直线方向采样点上的雾滴覆盖密度差异显著。一般而言，雾滴沉积量与覆盖率呈正相关，通过优化无人飞机的作业参数提高雾化均匀性是降低雾滴飘移和提高雾滴穿透能力的关键。随着飞行速度的增加，雾滴覆盖率降低。T1处理下，航线中心0点位置雾滴覆盖率最高，达到36.19%。处理T1、T2、T3、T4在中心线0点位置的覆盖率分别为36.19%、30.2%、23.26%、14.26%。受下洗风场影响，各处理的覆盖率均随离中心线距离的增加而减小。图8为各处理水敏纸扫描图，清晰地反映了靶标区和脱靶区雾滴覆盖率的真实情况。类似地，Lou等[38]在应用无人飞机防治棉蚜和红蜘蛛时发现了飞行高度对雾滴沉积量和覆盖率的影响。图9为各处理下的无人飞机航线中心处水敏纸阈值图像。

图7 采样点雾滴覆盖率分布Fig.7 Spraycoverage at different sampling site during various treatments

右侧脱靶区飘移雾滴的数量明显大于左侧脱靶区飘移雾滴的数量，航线右侧的沉积和飘移量也明显大于左侧。这种现象主要是由侧向风场引起的，因为外部风场的方向在61°～101°之间变化，从航线左侧吹向右侧。

(a)处理T1

(a)T10

植物冠层结构是影响雾滴沉积量和覆盖率的因素[14，39-41]，通常植物冠层外侧的沉积量大于内侧。此外，在田间环境下，雾滴沉积效果主要由施药技术决定，如喷头类型、喷洒方式、作业参数。在航空喷洒中，雾滴沉积分布的均匀性和穿透性主要取决于低自然风速下的飞行高度和飞行速度[3]。由于对无人飞机的研究仍在进行中，植保无人飞机在田间高效利用还需要解决路径规划、边界和障碍物检测等问题[42]，探明旋翼下洗气流对农药雾滴的作用机理[36]。

细小的雾滴受风速影响显著，从而降低了到达靶标(叶片/水敏纸)的概率。飞行速度、高度和高风速是影响整体施药效率的限制因素。这一发现与Zhang等[17]和Su等[43]报道的在无人飞机植保作业过程中的观察结果相符。航空喷洒雾滴的Dv0.5也受到喷头类型的影响，Wang等[15]发现液力喷头产生的Dv0.5大于离心喷头。Guo等[44]得出结论，合适的涡流更有助于提高作业质量，涡流相对于飞行参数是更加影响沉积分布的决定性因素，涡流越强，沉积量越大，覆盖率越高，沉积均匀性越好。沉积分布不仅与无人飞机的作业参数有关，还与风场有关。旋翼风场和外部风场之间有关联。

雾化机理对沉积特性如沉积覆盖率、雾滴大小等有显著影响[15]。此外，施药量还影响到覆盖率和覆盖密度。雾滴密度只有达到一定阈值方可达到较好的防治效果[32]。先正达植保公司(瑞士巴塞尔)对于杀虫剂、除草剂和杀菌剂，给出的能实现较好防治效果的最小雾滴覆盖密度分别为20、30～40、50～70粒/cm2。

2.3 航空施药的雾滴分布

雾滴直径及其分布均匀性也是施药过程中的主要参数[3]，雾滴直径分布均匀性通过雾滴谱相对宽度表示。图10为Freeman200无人飞机喷洒的雾滴直径分布，表5表示了不同处理下各采样点的雾滴谱相对宽度。处理T1、T2、T3和T4的雾滴谱相对宽度分别为0.70、1.01、1.03、1.05，各处理的Dv0.1、Dv0.5和Dv0.9均从飞行航线中心点向两侧逐步减小，可能是受到旋翼下洗气流和侧向自然风的影响，波动趋势较小。航线中心点的体积中径Dv0.5最大为448.75 μm出现在处理T1，最小为238.95 μm出现在处理T4(图10)。在喷洒过程中对雾形没有较高要求，然而雾滴的大小在喷洒过程中起着很大的作用。较小的雾滴(<50 μm)相对容易飘移；而较大雾滴(>400 μm)的穿透性较差，在水敏纸胶状硬质表面的展开及重叠因素的影响下，雾滴主要集中在表面。

(a)处理T1

表5 各处理采样点雾滴谱相对宽度Tab.5 Relative span at various sampling point for different treatment

直径小于50 μm的细雾滴在释放后立即失去动能，从而在外界风的作用下随空气进入悬浮或飘失状态，而较粗雾滴的航空飘移则显著降低[39]。文丘里喷嘴易飘移细雾滴的Dv0.1、Dv0.9与Dv0.5模型预测的趋势相似。通常，随着占空比的降低，Dv0.1和Dv0.9会增加，在额定压力下文丘里喷嘴喷洒的易飘移细雾滴减少[45]。由于无人飞机旋翼的介入对气象环境和风场的影响，过细、过粗的雾滴难以均匀分布在靶标上。当侧向风速大于临界值时，雾滴飘移可能会加剧[22-25,36,46]。无人飞机尾流会使喷洒的雾滴运动超出预期的距离[23]。雾滴轨迹是无序的，具有特殊的特性：在出口即受到下压作用的雾滴会优先沉积在目标表面，100 μm的雾滴在尾流的作用下没有被卷吸到空中而是落在-1.5～1.5 m的范围内，而300～500 μm的雾滴则能有效沉积在喷幅范围内[22]。Qin等[3]也得出了同样的结论:粗雾滴(400～450 μm)占比为10%，最高沉积密度集中在无人飞机航线-1～2 m范围内。

处理T1靶标区(-3～3 m)的Dv0.1、Dv0.5和Dv0.9分别为113.2～267.5、211.11～571.04和328～637.00，Dv0.5随着飞行高度和速度的增加而减小；处理T4，Dv0.1、Dv0.5和Dv0.9在靶标区域(-3～3 m)的范围为94.65～120.37、181.2～249.62和285～517.00(图10)。表明高度和速度的提高使粗雾滴在旋翼下洗气流较强作用下分解为过细的雾滴且动能衰减，从而明显降低靶标区域雾滴浓度并且增加了航空飘移。

由此可见，低作业高度(2 m)和低作业速度(2 m/s)的沉降量和雾滴密度最高，雾滴在靶标区的覆盖率最高。Teske等[23]运用CHARM+AGDISP模型证明无人飞机在低速飞行时涡流产生的地效及尾流与固定翼飞机的高速飞行时类似，飞行速度与飞行高度是决定雾滴飘移的重要因素。此外还可以得出结论，飞行速度不应高于临界速度，否则喷雾效果可能会受到影响。

3 结论

通过田间试验在不同飞行高度(2 m和3 m)和飞行速度(2 m/s和3 m/s)下，研究了植保无人飞机在田外杂草防治中的雾滴沉积量、覆盖密度、覆盖率和雾滴大小。结果表明,当无人飞机在处理T1中以2 m/s速度、2 m高度飞行时，发现靶标区平均沉积量最高，为2.29 μL/cm2，飞行航线中央0点位置的覆盖率达到36.19%。处理T1、T2、T3和T4在飞行航线中央的雾滴覆盖密度分别为87.1、116.2、91.9、91.1粒/cm2。

各处理Dv0.1、Dv0.5和Dv0.9的雾滴直径均从飞行中心线开始减小。但其波动趋势较小，可能是由于旋翼下洗气流和侧向自然气流的作用。对于单旋翼植保无人飞机来说，脱靶区沉积量几乎可以忽略不计。

未来可以开展无人飞机施药穿透性研究，并建立不同杂草条件下的模型。本研究为无人飞机运营商、农民和生产企业提供了建议，从而优化航空植保技术在除草上的应用。

(译者：蔡晨，农业农村部南京农业机械化研究所助理研究员。译自[英]Computers and Electornics in Agriculture,2020,172,略有删节。)