八旋翼植保无人机在小麦不同生长周期的作业参数优化

吴巧荣

(西安城市交通技师学院，西安 710100)

0 引言

自1940年首次采用飞机进行肥料施用至今，农用飞机应用发展迅速，其中无人机施药尤为突出。无人机施药是一种采用无人机对田间作物进行农药喷洒的工作，在采用药剂喷洒作业完成病虫害防治时，无人机通过装载超声波、雷达或其他先进的喷洒系统进行大田作业。进行病虫害防治时，无人机在飞行过程中，结合自主识别系统可以根据地理地形环境不断调整飞行高度、姿态躲避障碍物，并且依靠先进的喷洒系统实现精准、均匀喷洒作业，可以提高农药使用效率，减轻植保带来的生态环境污染，减少人力消耗，无人机施药有着成本低、人工劳动强度低、不对地面压实等优势，近年来，在我国发展农业机械化、智能化的政策要求下，无人机施药逐渐成为了植保机械的热点话题。现阶段无人机施药有效改善了农药利用率低下、施药成本高等问题[1]。

目前，无人机施药作业效果主要以叶面雾滴沉积效果为主要评价指标。叶面雾滴沉积效果能直接说明喷洒的农药雾滴落在叶面上的量。并且，近年来关于此类研究较多，但是在生产生活中，不同生长周期的作物在同一工作参数中叶面雾滴沉积量大相径庭[2，3]。

本文从实际生产出发，将农机农艺相结合，探索以八旋翼植保无人机为主要作业设备，在不同生长周期的小麦(返青起身期、齐穗期、盛花期)的最佳农艺参数，并对参数进行优化，以便为后续无人机相关飞行作业参数优化提供一定的理论依据与数据支持[4]。

1 植保无人机的发展

在如美国、加拿大等发达国家中有着较为成熟的农业航空体系，通过研究可知高达65%的化学药剂农业喷洒由飞机承担。我国从1951年开始研究航空技术在农业上的应用，时至今日收获颇丰，但距离国外发达国家仍有较大差距，如施药装置性能差、喷射出的雾滴对靶性差、化学试剂泄露危害驾驶员健康等问题。农用无人机能有效避免人与化学试剂直接接触，并且近年来我国学者通过对农用植保无人机的有效喷幅、雾滴沉积、雾滴飘移等参数进行试验研究，在对靶性与雾滴沉积效果方面得以大幅度提升，从而有效提高了农药利用率与喷施效果[5]。

目前，我国部分学者通过对算法与卫星导航技术进行探索研究，提出了关于无人机航线规划的改进措施，从而增强了整体航线规划的合理性，减少了由于航线问题导致的工作时间与电量不足的问题。

2 材料与方法

2.1 试验材料

本研究采用八旋翼植保无人机(智飞极农ZFJN850植保无人机)，采购于河北智飞农业科技有限公司，具有快拆桨，防水、防尘电机，断点续喷，断电、断药记忆续喷，通过药液监测系统显示药量等优势，机臂横向折叠设计，便于运输。

断桨保护、无线遥控启动、远程控制采用雾化扇形喷头，对目标地区进行超低量喷雾施药，其工作参数如表1所示，实物图如图1所示。

图1 智飞极农ZFJN850植保无人机

表1 喷雾施药工作参数表

本研究采用20 g·L-1的噻呋酰胺(thiafuramide)悬浮剂和10%高氯氟悬浮剂作为喷施药剂。

2.2 试验方法

在无人机运行航线上设置若干雾滴收集点，自飞机开始启动起飞后40 m开始间隔5 m设置一个雾滴收集点，设置水敏纸，大小为40 mm×80 mm。对不同时期小麦，水平设置水敏纸并且在试验结束后对试纸进行干燥处理并收集，通过软件分析出相应数据。

3 结果与分析

3.1 小麦返青起身期

3.1.1 雾滴数量

通过试验数据可知(表2),通过设计专家软件分析，可得知飞行高度对雾滴数量与覆盖率差异显著(p<0.05)。通过试验数据可知，当飞行速度恒定时，雾滴数量与覆盖度随飞机高度上升而减少，且当飞机高度达到2.5 m时，出现最小值。八旋翼植保无人机飞行高度为1 m时雾滴数量达到最大值149.8滴·cm-2，且飞行高度为0.5～2 m时的雾滴数量差异显著。当飞机高度为2.5 m时雾滴数量远小于1～2 m时雾滴数量，为70.0滴·cm-2。雾滴数量随飞行高度升高而减少，且在1～2 m时呈线性分布，所以在小麦返青起身期时，飞机飞行高度参数应处于1～2 m范围内。

表2 小麦返青起身期八旋翼植保无人机在不同飞行高度参数下药液沉积效果

3.1.2 覆盖率

由结果可知，当八旋翼植保无人机飞行速度恒定的情况下，雾滴覆盖率随飞行高度升高而降低，且在飞行高度为1 m时得到最大值6.32%，当飞行高度高于2 m时，雾滴数量急速下降至1.05%。且覆盖率在1～1.5 m时数据呈不显著分布。

3.1.3 小结

由小麦返青起身期八旋翼植保无人机在不同飞行高度工作时的雾滴数量与覆盖率数据可知，当飞行速度恒定时，飞机飞行高度处于1～2 m范围内施药效果最佳。

3.2 小麦齐穗期

3.2.1 雾滴数量

通过试验数据可知(表3),通过设计专家软件分析，可得知飞行高度对雾滴数量与覆盖率差异显著(p<0.05)。通过试验数据可知，当飞行速度恒定时，雾滴数量与覆盖度随飞机高度的升高逐渐增大，且当飞机高度达到2 m时，出现最小值。八旋翼植保无人机飞行高度为1 m时雾滴数量为最大值，为150.2滴·cm-2，且飞行高度为1～2 m时的雾滴数量差异不显著。当飞机高度为2 m时雾滴数量远小于其他高度雾滴数量，为45.9滴·cm-2。雾滴数量随飞行高度升高而减少，且在1～2 m时呈线性分布，所以在小麦齐穗期时，飞机飞行高度参数应处于1～1.5 m范围内。

表3 小麦返青起身期八旋翼植保无人机在不同飞行高度参数下药液沉积效果

3.2.2 覆盖率

由结果可知，当八旋翼植保无人机飞行速度恒定的情况下雾滴覆盖率随飞机高度升高而降低，且在飞机高度为1 m时得到最大值4.19%，当飞机高度高于2 m时，由结果可知雾滴数量急速下降至1.09%。且覆盖率在1～1.5 m时数据呈不显著分布。

3.2.3 小结

由小麦齐穗期八旋翼植保无人机在不同飞行高度工作时的雾滴数量与覆盖率数据可知，当飞行速度恒定时，飞机飞行高度参数处于1～1.5 m范围内施药效果最佳。

3.3 小麦盛花期

3.3.1 雾滴数量

通过试验数据可知(表4),通过设计专家软件分析，可得知飞行高度对雾滴数量与覆盖率差异显著(p<0.05)。通过试验数据可知，当飞行速度恒定时，雾滴数量与覆盖率随飞机高度上升而减少，且当飞机高度达到2.5 m时，出现最小值。八旋翼植保无人机飞行高度为1 m时雾滴数量达最大值，为138.96滴·cm-2，且飞行高度为1～2 m时的雾滴数量差异显著。当飞机高度为2.5 m时雾滴数量远小于1～2 m时雾滴数量，为60.10滴·cm-2。雾滴数量随飞行高度升高而减少，且在1～2 m时呈线性分布，所以在小麦盛花期时，飞机飞行高度参数应处于1～2 m范围内。

表4 小麦返青起身期八旋翼植保无人机在不同飞行高度参数下药液沉积效果

3.3.2 覆盖率

由结果可知，当八旋翼植保无人机飞行速度恒定的情况下雾滴覆盖率随飞机高度升高而降低，且在飞机高度为1 m时得到最大值3.69%，当飞机高度高于2 m时，由结果可知雾滴数量急速下降至1.00%。且覆盖率在1～1.5 m时数据呈不显著分布。

3.3.3 小结

由小麦盛花期八旋翼植保无人机在不同飞行高度工作时的雾滴数量与覆盖率数据可知，当飞行速度恒定时，飞机飞行高度参数处于1～2 m范围内施药效果最佳。

4 结论

本研究结果表明在飞行高度为1～2 m时三种不同生长周期的小麦的雾滴数量、雾滴覆盖率均有不错的效果，较高的工作高度会减少雾滴附着效果，究其原因可能是高度会导致喷射的雾滴的蒸发效率与漂移概率增加。