植保无人机雾滴飘移检测方法研究进展

陈佳坪 ,王妍玮 *,吴永志，魏子轶

(1.黑龙江省龙建路桥第一工程有限公司 黑龙江，哈尔滨 150028；2.黑龙江科技大学 黑龙江，哈尔滨 150027；3.黑龙江省科学技术情报研究院 黑龙江，哈尔滨 150028)

我国是一个农业大国，农业作为我国民经济的重要组成部分，为人民提供了必要的生产生活要素。然而，据资料表明，我国主要粮食作物每年因各种病虫害而损失4000 万吨,约占全国粮食总产量的8.8%[1]。气候、土壤、水、病虫害等因素都会影响农作物发育。据研究显示，病虫草鼠害发生面积已经从1990年的约41亿亩次，逐年上升至2020 年的约60 亿亩次。因此防治病、虫、草害是目前解决粮食安全问的重要部分。

据统计，使用化学药品进行植保作业可减少我国40%的粮食损失。植保过程中以合理手段喷施农药有助于提高农作物产量，并在防治病虫害及保护粮食安全中发挥重要作用。我国每年农作物植保施药面积达到70多亿亩次，防治的贡献率达到90%以上[2]。植保无人机喷雾施药技术是病虫害防治的重要手段。但雾化后在大气影响下药液雾滴会向非目标区域运动。雾滴飘移运动的发生在大气中是无法避免的。药液雾化后产生的雾滴越小，质量越轻越容易受到大气影响进而发生飘移。而通过降低雾化效果使雾滴质量及粒径增大，虽可以减小雾滴飘移运动发生，但这与施药技术中对雾滴的要求是矛盾的。实际田间植保作业中，能精准的作用于目标作物的雾滴相对较少。研究表明雾滴飘移量受施药设备参数、大气中风速、喷雾形式等多因素影响。

本文通过对农药雾滴的飘移分布特点的总结，分析导致雾滴发生飘移运动的原因，同时对目前检测植保无人机喷雾雾滴飘移的方法进行综述，并对雾滴飘移检测方法在未来的综合运用进行展望。

1 雾滴飘移特点及影响因素

1.1 飘移雾滴特点

农药药液飘移是在喷施农药过程中或在大气因素影响下导致的不可控现象，即喷施出的药液雾滴在空气中向非靶标区迁移的一种物理运动[3]。农药雾滴飘移有蒸发飘移、随风飘移及飞行飘移

1.1.1 蒸发飘移 蒸发飘移是指农药药液形成雾滴后，受大气环境影响附着在农作物表面、土壤表面上蒸发形成的农药烟雾颗粒，在大气中无规则运动扩散至周围非靶标环境中，主要由农药成分与药业中液体物质的挥发性造成。药液的蒸发飘移距离远，在空气中停留时间较长，覆盖面积较广，危害性较低。

1.1.2 随风飘移 随风飘移是指农药药液经压缩后从喷嘴喷出的细小雾滴随大气中气流作用被携带至非靶标区域后再沉降的过程[4]。主要与植保施药机械、施药操作人员技术，大气环境有关。随风飘移在多数情况下漂移距离与农药雾滴粒径有关，大部分农药雾滴漂移距离较短，对非靶标地块覆盖面积较小但密度较大，危害性较大。

1.2 雾滴飘移的影响因素

实际农业植保过程中，能导致雾化后的农药药液出现飘移运动的因素很多，如雾滴粒径、雾滴质量、药液理化性质、施药设备、风速、温湿度等多种因素影响，其中雾滴粒径的大小，尺寸是引起雾滴飘移的主要因素。

雾化后的药液雾滴根据粒径大小分类，据英国科学家Mat thews提出的雾滴大小分类方法如表1所示。

表1 雾滴大小分类

雾滴越小，在大气环境下飘移距离越长，飘移产生的危害性越高。质量轻的雾滴，在空气阻力下，下降速度不断降低，导致没有足够的动能使雾滴向下运动到达靶标，且更易受温湿度影响，受蒸发作用后雾滴质量更小，在大气中风力作用下飘移距离继续提高。试验发现，由于大气温度对雾滴的蒸发作用，在温度25℃、相对湿度30%的环境中，雾滴粒径大小在100μm时，移动75cm后，相比飘移前雾滴粒径会减少50%[5]。

雾滴飘移问题一直困扰着农业工作者，影响非靶标农作物及渔牧业等相关领域的环境健康，近年来大量国内外学者对雾滴飘移的控制、防护、检测进行研究，如按飘移范围建立施药缓冲区、防飘喷头、风幕式喷雾机等一系列防止雾滴飘移的技术并逐渐成熟，但对雾滴飘移检测上的研究还处在发展阶段，下对国内外农药雾滴飘移检测研究的方法进行归纳，对不同检测方法优劣，精准度进行总结分析。为优化植保喷药方法，提高农药利用效率，保护农田环境及日后广大植保领域科研人员对新植保技术的研究提供参考。与此同时，归纳国内外雾滴飘移检测方法，对促进发展适合我国对更先进无人机施药技术的研究具有重要意义。

2 国内外雾滴飘移的检测方法

相比于欧美国家，我国植保施药机械及施药喷雾技术发展较为落后，且因地域环境、气候等问题在进行防治病虫害过程中存在很多困难和问题。近年来，植保无人机以其具有作业效率高，操控距离远，安全性高等优点，在植保施药领域发展迅速。另一方面，相比于传统植保机械，植保无人机应用低容量喷雾技术，其作业面积大、农药消耗低，在病虫草害防治上具有广阔应用前景。在对水田田间作物或传统机械难以接近的山地进行施药作时，植保无人机以其独特的制空优势能够在任何地形实现精准喷施作业、减少对周边环境的污染。植保无人机在施药作业过程中受到环境气流与旋翼产生气流的影响更容易使雾滴发生飘移，与其他施药手段相比，雾滴发生飘移现象的机率更高。随着植保无人机的普及与发展，国内外学者纷纷对植保无人机药液雾滴飘移进行了大量的试验研究。

2.1 国外检测方法

目前国外对植保无人机药液雾滴飘移研究常见的方法包括田间试验、水敏纸图像分析法等，Li等[6]在苹果园试验中比较了四旋翼无人机和果园喷雾机分别喷雾作业时，药液雾滴在作物叶片表面沉积量、施药时雾滴在空中、地面发生飘失的情况，指出飘移受喷雾高度和喷洒系统参数的影响。Brown等[7]在葡萄园使用R-MaxII植保无人机对喷雾沉积量及飘移率进行试验，发现了沉积与飘移率的相关性。Martinez-Guanter等[8]通过在橄榄、柑橘园邻行果树中布置水敏纸，通过试验得到植保无人机与喷雾机各自喷施药液后雾滴的飘移情况，结果表明试验中植保无人机超低量喷雾系统可有效降低飘移率。Fritz[9]等在风洞中不同条件下的雾滴粒径和流场，建立WTDISP模型。Martin等[10]在风洞进行试验，测得风洞内不同风速气流下静电喷头的雾滴飘移率。国外学者对雾滴飘移的研究多是通过田间测试或水敏纸图像分析法来对沉积雾滴的方式进行间接的检测，且农业条件差异对植保无人机相关研究较少。

2.2 国内研究现状

相比于国外，目前国内学者对植保无人机药液雾滴飘移进行了大量的研究，常见的测试方法包括田间测试、水敏纸图像分析法、模型模拟计算分析、风洞测试分析及飘移测试平台。符海霸等[11]基于SolidWorks2016 软件对多旋翼无人机各喷雾区域中螺旋桨产生的风场进行仿真分析。在旋翼风场下，通过改变无人机喷嘴位置，研究螺旋桨不同旋向时无人机旋翼下风场对雾滴有效喷幅的影响，研究表明，有效喷幅受无人机旋翼旋向及喷头位置影响显著。曾爱军等[1]在风洞中使用塑料丝接收雾滴，用DIX指数评价方法比较不同温度、湿度以及喷雾参数条件下各喷头的雾滴沉积特性与飘移率。王昌陵等[12]基于自制仿真果园试验台及冠层沉积、地面及空中飘移收集装置。试验后，提出一种应用于果园的植保无人机喷雾雾滴飘移测试方法，对3 种收集装置进行试验测试，三种装置均可准确测出雾滴飘移率。张宋超等[13]基于CFD 技术，对N-3 型植保无人机田间作业中在空间及地面的雾滴飘移情况进行仿真。实际试验结果与仿真结果对照，对照结果表明CFD能够定性地模拟实际施药时空间及地面雾滴飘移倩况。王志翀等[14]基于国际标准ISO22866和ISO24253 建了1 套针对低空低量植保无人机的立体测试方法，对搭载多种喷头的4个不同植保无人机进行试验比较，应用比色卡有效收集雾滴，分析植保无人机在作业时雾滴在空间的分布状态。

通过对比国内外植保无人机药液雾滴飘移的研究方法，总结出国内外学者对雾滴飘移流场的检测大多采用田间试验、模型建立、模拟仿真、风洞试验、水敏纸图像分析法、比色分析法，这些方法多是在雾滴沉积后进行的检测，在复杂农业环境下进行实时检测雾滴飘移的方法。综上所述，仅测试地面或者空间飘移雾滴分布情况来分析雾滴飘移规律得到结果并不全面，需要综合考虑施药过程中，无人机所在自然环境中及无人机自身因素的影响。如风速、高度、速度，喷头压力等，全面的研究植保无人机的雾滴飘移特性。

3 结论

农作物生长离不开植保作业，农药喷施效果的优劣与农产品质量及农田环境息息相关，农药药液雾滴飘移是影响施药效果的主要因素之一，在植保无人机施药过程中对飘移量进行科学检测可以在最大程度避免药液流失以及对农田环境的破坏。总结前人研究可知单以某一参数对飘移雾滴率进行测试研究并不能全面阐述雾滴飘移运动特点，需要在无人机实际施药过程中综合考虑不同风速、飞行高度、飞行速度，等多种因素对雾滴飘移的影响。全面客观的分析出植保无人机喷施药业过程中药液雾滴的飘移规律。

4 展望

目前，有关植保无人机药液雾滴飘移检测方面的研究并不多，大多数检测飘移量的方法都是基于沉积及模拟试验得出的数据。雾滴飘移受多因素影响，如施药技术、施药设备，气象环境等因素，在田间复杂的作业环境下药液飘移量都大为不同。

综上所述未来在对植保无人机药液雾滴飘移检测方法的研究中应考虑对雾滴状态的直接检测。结合图像技术、激光示踪技术、多无人机协同技术及5G 技术等高新技术，实现对全场药液雾滴飘移的实时检测及调整。