基于无人直升机的航空静电喷雾系统研究

金　兰，茹　煜

(南京林业大学 机械电子工程学院，南京　210037)



基于无人直升机的航空静电喷雾系统研究

金兰，茹煜

(南京林业大学 机械电子工程学院，南京210037)

摘要：航空静电喷雾技术具有防治效率好、可及时控制大面积病虫害的优点。为此，针对AF-811无人直升机设计了一套航空静电喷雾系统，由航空静电喷头、水泵、药箱、摆动悬臂、直流电源、高压静电发生器、流量调节系统和远程控制系统组成。将该静电喷雾系统搭载在AF-811无人机上进行了有效喷幅和雾滴沉积效果试验研究，研究结果表明：无人机静电喷雾不仅施药灵活，而且增加了农药在目标上的附着率，减少了雾滴的飘移，起到更好的保护生态环境的效果。

关键词：病虫害防治；无人直升机；航空喷雾；静电喷雾

0引言

农林病虫害严重危害我国的农业、林业生产及生态环境。我国森林病虫害种类繁多，发生率高，2006-2010年，我国每年因森林病虫害致死的林木就达4 000万多株，年均病虫害发生面积为1 133.33万hm2[1]，粮食和经济作物年均病虫害发生面积为47 000万hm2[2]。目前，我国大部分农药喷雾以动力机喷雾为主，这种喷洒方式仅使少部分农药附着在植物冠表面上，农药的有效利用率只有20%～30%，而真正到达害虫体的药量不到施药量的1%[3]。目前，应用无人机施药的优势已经非常明显[4-5]：不需要固定机场；作业灵活；作业效率高空飞率低，爬升率大；地形适应性好(丘陵、山区、坡地、作物密集等复杂地形)；操纵控制简单，可以实现随作物高度变化的仿形喷雾。

静电喷雾与常规喷雾相比有着显著的优势，雾滴尺寸均匀、沉积性能好、漂移损失小、穿透性强，尤其是在植物叶片背面也能附着雾滴[6]。在航空静电喷雾的试验研究中，国外起步早[7]、技术较为先进。例如，美国静电喷雾器公司(Spectrum Electrostatic Sprayers, Inc)制造的航空静电喷雾系统是自20世纪90年代以来最先进的航空静电喷雾器械，适用于各种中小型螺旋桨飞机和直升机挂载[8-10]。

目前，国内在无人直升机静电喷雾技术方面的应用研究还较少，因此研究和发展无人机航空静电喷雾施药技术，对提高施药效率和灵活性及有效减少农药浪费，显得尤为重要。为此，在消化吸收国外航空静电喷雾系统技术的基础上，研制开发了适合无人直升机AF-811的航空静电喷雾系统并开展了相关的试验研究。

1无人直升机航空静电喷雾系统

无人直升机航空静电喷雾系统主要由雾化系统、高压静电充电装置、流量控制系统和远程控制系统4大部分组成。其喷雾原理如图1所示。

图1　无人直升机静电喷雾原理图

1.1雾化系统

该无人直升机雾化系统主要由药箱、水泵、静电喷头及摆动悬臂组成。考虑到现有无人直升机起落架较小的特点，得到的初步布局方案是：将两药箱设置在起落架的两侧，采用一套喷雾系统，从两侧药箱输送来的药液经一个三通后共同输送到水泵中，再由水泵经过一个三通接头分别输送至两侧4个喷头中。

图2为无人机喷雾系统，主要固定在无人机起落架支撑平台上。其中，两个专用药箱通过螺栓连接对称布置在大支撑平台两侧，考虑飞机承载量，每个药箱的容量为4.5L；12V、20W的微型直流隔膜水泵固定在大支撑平台底部，上侧小支撑平台固定12V直流电源、高压静电发生器及控制盒(流量及远程控制)。选用的喷头是单喷嘴航空静电喷头，喷头与接头相连后固定在摆动悬臂上。

1.机身　2.药箱　3.起落架　4.喷头　5.摆动悬臂　6.电池

摆动悬臂由支撑座、喷杆和挡风板组成，如图3所示。其通过支撑座固定在无人机起落架上，功能是一方面在施药过程中，喷头能根据风向转动，改善施药效果；另一方面，使无人机喷雾系统在不使用时，两侧喷杆向上收起，节约摆放的空间。两侧喷杆各为长700mm、外径17mm的空心铝管，通过滚针和角接触球组合轴承NKIB5903(JB/T8877-2001)连接喷杆和支撑座。因此，喷杆可实现横向的转动，带动喷头转动。在实际施药时，无人机旋翼有一个较大的下旋气流，飞行时受到一个气流，如果这个组合气流能够穿过静电喷头的电极支撑环，那么就能使雾滴沿着风向喷洒下去，增大喷洒的有效面积，提高的喷洒效果。

图3　摆动悬臂

在喷杆中间安装塑料材质的挡风板，实际所受的合力作用使喷杆转动起来。外力是存在的，不管是来自无人机旋翼下旋的风力还是飞行中所受的阻力。因此，结合实际，设计了一块挡风板，固定在喷杆的中间位置，支撑座通过间隙配合与起落架水平圆管连接，利用内侧水平挡块使悬臂保持水平。

1.2高压静电充电装置

针对本设计基于AF-811的航空静电喷雾系统，选用的是12V的航空专用电池，配套选择了输入电压为12V的高压静电发生器，能产生4～10kV的高压。其质量较小，仅为260g，适用于小型无人机航空喷雾。由高压静电发生器后生成的高压电，经高压导线输送到静电喷头的金属环电极处，导线与圆管状电极接头相连后插到电极处。

1.3流量调节系统

考虑到喷雾系统中流量的实际变化曲率相对平缓，本流量控制系统采用调整电动比例控制阀的开度大小来实现喷雾系统的流量控制。

该流量调节系统的主要工作原理(见图4)：通过微型水泵将药箱里的药液抽到喷雾管路中，在喷雾管路中接一条分流支路，分流支路中接1个节流阀和1个电动比例调节阀。节流阀可以手动调节支路的流量大小，电动比例调节阀可以通过无线遥控调节阀口开口的大小来调节支路的流量，以实现连续调节。当支路的阀口开的比较小也就是支路流量很小时，分流影响比较小，主干路的压力和流量比较大，喷头处喷出的雾滴量也就比较大；当支路的阀口开的比较大，支路的分流效果就比较明显，主干路的压力和流量就比较小，从而喷头处喷出的雾滴量也就比较小。此系统通过对支路流量的控制实现对整个喷雾系统流量的控制，其优点就在于可以手动调节节流阀控制流量，也可以在无人机上通过无线遥控来控制流量的大小；同时，此系统也有体积小、轻便等优点，便于在无人机上进行试验。图5为流量控制装置实物图。

图4　流量控制系统的示意图

1.4远程控制系统

远程控制系统通过操作地面发射端，以无线电、红外等方式可以传输地面控制信号，将接收模块接入到无人机的喷雾系统的控制箱中，保证接收模块能准确接收信号；并按照已经设置好的程序作出相应的反应，并达到定点针对性施药的目标。通过设置多个接收端来接受不同的功能型号，以此实现喷雾系统的施药工作，包括控制水泵的开闭、高压静电发生器的开闭及调节流量大小。例如：当需要实施喷药时，按下遥控器按钮，发射对应型号，打开水泵，系统开始喷药；当需要终止农药的喷洒时，再从地面发出相应的关闭信号，停止喷雾系统运转。

1.控制阀出口　2.止动片　3.控制阀进口　4.电机螺杆

2航空喷洒试验

2.1试验准备

2014年4月下旬，将航空静电喷雾系统安装在AF-118无人机上，在西安进行了有效喷幅、喷雾沉积效果方面的测试。试验所用喷洒装置为改进设计的圆锥管状电极式航空静电喷头。试验分为两组：一组是航空静电喷嘴不带电进行航空喷洒，即常规航空喷雾；另一组为航空静电喷嘴带电喷洒。

试验设备包括：

①AF-811无人直升机；

②喷雾装置(单喷嘴航空静电喷头、12V直流电源、高压静电发生器、药箱、12V微型隔膜水泵、流量调节装置、摆动喷杆)；

③黑色墨水、复印纸。

试验条件：

①环境温度25℃；②风力为1～2级；③无人机飞行高度为 3m；④飞行速度为5m/s；⑤选用静电喷头喷嘴直径为0.9mm；⑥喷雾压力为0.5MPa。

2.2有效喷幅的测试及分析

为了能够比较准确地测定与本套无人机静电喷雾系统的有效喷幅，在水泥地面垂直于无人机飞行方向铺设8m长的采样复印纸[11-13]，如图6所示。按上文所示测试条件重复测量两次，同一架次进行静电喷雾与非静电喷雾后，比较非静电与静电两种情况下航空喷洒的有效喷幅，收集并记录靶标(复印纸)上的黑色雾滴沉积情况。根据GB/T17997-2008农药喷雾机(器)田间操作规程及喷洒质量评定，采用超大容量喷雾防虫或治病时，喷洒在作物上的雾滴粒径数应不少于10滴/cm2，以这一标准来衡量有效幅宽的范围。

图6　喷幅测试实验

2.3雾滴飘移的测试及分析

根据上述试验结果，采集0～8m范围内复印纸上的沉积雾滴，分析得到雾滴的沉积效果。

如图7所示，将每 -4～-3.75m，…，0，…，3.75～4m区间的雾滴沉积作为32个试片，通过观察和计算可获得该试片的平均雾滴数。

图7　喷幅测试

图8是无人机在飞行高度为3m时，非静电喷洒和静电喷洒情况下的雾滴在试片上平均雾滴数的记录。雾滴沉积数可以得出大多数试片达 15滴 /cm2以上，只有少数小于10 /cm2；非静电喷雾时达到的有效幅宽为 7m，而静电喷雾时达到的有效幅宽为6.5m。非静电喷雾相对于静电喷雾时喷幅大，雾滴沉积数量少，说明雾滴的飘移严重些；静电喷雾的喷幅相对较小，而雾滴数量却明显增多，说明了在相同用药量的情况下，静电喷雾更能发挥药液的效能。

图8　雾滴密度分布曲线

从图8雾滴分布曲线可以看出：由于环境风速的影响，雾滴会产生侧向漂移，因此沉积结果并不是对称分布的；但两曲线中间偏右部分均比较平缓，没有出现明显的波峰和波谷，也说明了4个喷头安装位置相对合理。

从经济效益方面来看，AF-811无人直升机的作业航速约为5m/s，有效喷雾幅宽为6.5m，则作业面积为1 950m2/min。1 000m× 50m的一块田，无人机的喷洒时间只需25min左右，作业效率为12hm2/h，而人工机械作业的效率为2hm2/h。相比较而言，无人机的作业效率是人工机械作业的6倍。

3结论

1)基于无人直升机AF-811设计的航空静电喷雾系统包括专用药箱、12V微型隔膜水泵、航空单喷嘴静电喷头及摆动悬臂(喷杆能实现折叠与转动功能)；12V直流电源、12V的高压静电发生器；流量调节系统(采用调整电动比例控制阀的开度大小方式实现了喷雾流量调节)；远程控制系统(采用无线电方式实现了远程控制功能)。

2)在静电和非静电条件下，在室外开展了无人机静电喷雾系统有效喷幅和沉积效果的研究，结果表明：静电相比非静电喷雾时喷幅相对较小，而雾滴数量却明显增多，喷雾均匀性也较好，说明了在相同用药量的情况下，静电喷雾更能发挥药液的效能；同时，根据无人机静电喷雾作业速度5m/s和喷幅6.5m，得出其作业效率为12hm2/h，相比较而言，无人机的作业效率是人工机械作业的6倍，说明无人直升机静电喷雾作业效率高。

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Research on UAV-based Aerial Electrostatic Spraying System

Jin Lan, Ru Yu

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China)

Abstract：It is wide foreground that aerial electrostatic spraying technology is applied for prevention and cure pests in agriculture and forestry.The electrostatic spraying system was designed for the AF-118 helicopter. The structural of spray system was designed, including: tank, pump, the swinging spray boom, the aerial electrostatic nozzle; 12V DC power supply, electrostatic generator; the flow control device and the special remote control system.Some experimental studies about aerial electrostatic spraying set were introduced and conducted on the electrostatic spraying system assembled in the AF-118 helicopter. These experiments included the effective spraying breadth, droplets deposition characteristics and so on. It was shown that the spraying system had several advantages such as flexibility, steady working, increased deposition and well-distributed.

Key words：control pest； unmanned aerial vehicle (UAV)； aerial spraying； electrostatic spraying

文章编号：1003-188X(2016)03-0227-04

中图分类号：S252;S251

文献标识码：A

作者简介：金兰(1989-)，女，江苏苏州人，硕士研究生，(E-mail)joanna200889@126.com。通讯作者：茹煜(1973-)，女，南京人，副教授，博士，(E-mail)superchry@163.com。

基金项目：江苏省自然科学基金项目(BK20131422)；江苏高校优势学科建设工程项目(PAPD)

收稿日期：2015-03-04