植保无人机旋翼对雾滴分布的影响试验研究

董云哲， 李君兴， 史云天， 于海涛， 杨文挺

(吉林省农业机械研究院，吉林长春 130022)



植保无人机旋翼对雾滴分布的影响试验研究

董云哲， 李君兴*， 史云天， 于海涛， 杨文挺

(吉林省农业机械研究院，吉林长春 130022)

摘要[目的]探究植保无人机旋翼对雾滴分布的影响。[方法]将植保无人机机体分别固定在4种不同高度下，比较旋翼工作与旋翼不工作2种状态下的雾滴分布情况。[结果]旋翼降低了雾滴沉积量，但雾滴分布更加宽泛，小型旋翼无人机作业高度在2.0 m处，雾滴沉积效果最佳。[结论] 该研究可为制定植保无人机操作规范提供参考。

关键词无人机；旋翼；漂移

目前化学防治是防治农作物病、虫、草及鼠害的主要方法，随着我国城镇化建设的发展，农村劳动力急剧减少，传统人工植保作业已无法满足农业现代化生产需求。植保无人机具有效率高、作业过程中不受地理因素及作物长势的制约、旋翼产生的风场可使作物正反面均可着药、无需专业起飞场地等诸多优点[1]，现已成为植保机械领域的新热点。目前全国有400余家企业或科研部门从事植保无人机的研究与生产工作。但由于植保无人机是新兴产业，国内尚无统一的生产标准和操作规范。缺少大量植保无人机雾滴沉积有效利用率的数据是其标准和操作规程不能出台的一个重要原因。雾滴分布是考核植保器械性能的重要指标，是制定植保器械标准和操作规范的重要依据，所以国内很多大学和科研院所对无人机喷洒性能及施药效果进行了研究，并取得了许多进展，如张京等[2]研究了无人驾驶直升机航空喷雾参数对药液雾滴沉积效果的影响；薛新宇等[3]进行了N-3型无人直升机不同作业高度和不同喷洒浓度的田间药效试验，探索了无人机施药对稻飞虱和稻纵卷叶螟的防治效果；高圆圆等[4]应用Af-811小型无人机对不同雾化方式的喷头、不同药剂、不同助剂进了低空喷洒试验，并对雾滴沉积分布状况及防治效果进行了分析；邱白晶等[5]研究了无人直升机飞行高度与速度对喷雾沉积分布的影响；荀栋等[6]利用TH80-1 植保无人机和3WBD-16HBA电动喷雾器2种不同的施药方式对早稻中后期稻飞虱、稻纵卷叶螟和纹枯病进行防治，并对试验结果进行了分析和比较。这些研究均是在田间进行，更接近于实际作业情况，并且只是在特定的条件下进行的试验。影响雾滴分布的因素在野外无法控制，风向、风速、温度时刻发生变化会导致飞机姿态变化，因而获得一个可重复准确数据相当困难。迄今为止，尚未见植保无人机旋翼对雾滴分布影响试验的报道。鉴于此，笔者依据植物保护机械通用试验方法设计了雾滴承接箱并进行无人机旋翼对雾滴分布的影响试验，以期为制定植保无人机操作规范提供参考。

1材料与方法

1.1试验材料植保无人机选用吉林省农业机械研究院研制的NJY1206八旋翼电动植保无人机，其药箱容积为10 L，飞机轴距为1 206 mm，该无人机的药泵压力为0.2 MPa，采用斯普瑞喷雾系统有限公司的TP11001喷头，喷头间距为0.5 m。为了避免在工作过程中雾滴承接器的位置发生变化，设计了雾滴承接箱，雾滴承接箱中部设有支架，支架与雾滴承接器的配合为间隙配合，各个雾滴承接器间距为100 mm；其他辅助仪器还有电子天平(先行者OHOUS)、小型真空烘干箱(DZF-6210)、转速计(AZ8008)；喷洒液为纯净水。

1.2试验方法将NJY1206八旋翼电动植保无人机固定在桁架上，如图1所示，将雾滴承接器放置在飞机正下方(雾滴承接器中心与飞机中心喷头对齐)，调整飞机高度，使得喷头距雾滴承接器的距离为1.0 m，待无人机药箱中水喷完后，测量旋翼不工作雾滴承接器中积液盒中沉积液体的质量，测量完毕后，将纵向(喷杆平行方向)雾滴承接器中液体质量相加；将雾滴承接器擦净后，放入烘干箱中烘干以备再次使用；再将无人机药箱加10 kg水，遥控器发出指令，旋翼开始工作，当旋翼转速为7 000 r/min时，开始喷洒，喷洒完毕后，测量雾滴承接器中液体的质量，测量完毕后，将纵向雾滴承接器中液体质量相加。再将飞机高度分别调至1.5、2.0、2.5 m，按照上述方法再分别进行测量。为保证测试结果的可重复性，每次测试需使用满电电池。试验时，实验室温度为12～15 ℃。

图1　试验现场Fig.1　Testing site

2结果与分析

令无人机旋翼处于静止状态，分别测量不同高度雾滴沉积量分布，结果显示：1.0 m高度沉积总量为784.10 g，1.5 m高度沉积总量为742.35 g，2.0 m沉积总量为683.17 g，2.5 m高度沉积总量为675.01 g，沉积量波峰出现在无人机横滚位置为0.6～0.7 m处，其沉积量分布如图2所示。令无人机旋翼处于7 000 r/min旋转状态，再分别测量不同高度雾滴沉积量分布，结果显示：1.0 m高度沉积总量为387.96 g，1.5 m高度沉积总量为350.43 g，2.0 m高度沉积总量为398.46 g，2.5 m高度沉积总量为378.80 g，沉积量波峰出现在无人机横滚位置为0.6～0.7 m处，其沉积量分布如图3所示。

在旋翼静止喷洒时，随着高度升高，沉积量呈下降趋势。其主要原因是，喷头喷出的小雾滴在飞行过程中，由于空气阻力小雾滴动能很快消失，其悬浮在空气中直至消亡。这也验证了宋吉林等[7]在喷雾机雾滴大小和飞行时间的研究中关于小雾滴动能快速消失的论断。扇形喷头喷雾分布流量是中间高两边低的峰状结构[8]，所以沉积量波峰出现在无人机横滚位置为0.6～0.7 m处。

图2　旋翼静止时雾滴沉积分布Fig.2　Droplets deposition when rotor does not work

旋翼工作时的沉积总量相比于旋翼静止时的沉积总量

显著下降，其主要原因是沉积总量受旋翼风场的影响。多旋翼风场较为复杂，旋翼正下方的风向是向下的，而旋翼其他位置的风向不定，有的风向是斜向下，有的风向甚至是向上的(如多旋翼飞机中心的风)。部分雾滴尤其是小雾滴随向上的风或其他方向的风而漂移，故而造成大量雾滴漂移。沉积量波峰依然出现在无人机横滚位置为0.6～0.7 m处，与静态波峰出现位置相同。此外，无人机风场产生的地面效应使得旋翼工作时雾滴分布相比于旋翼不工作时雾滴分布更为宽泛。

图3　旋翼工作时雾滴沉积分布Fig.3 　Droplets deposition when rotor works

3结论

该试验结果表明：雾滴沉积量受旋翼影响较大，该机型旋翼降低了雾滴沉积量；在室内，植保无人机悬停高度为2.0 m时，雾滴沉积量最大；旋翼使得植保无人机的雾滴分布更为宽泛。

参考文献

[1] 吴小伟,茹煜,周宏平.无人机喷洒技术的研究[J].农机化研究,2010(7):224-228.

[2] 张京，何雄奎，宋坚利，等．无人驾驶直升机航空喷雾参数对雾滴沉积的影响[J].农业机械学报，2012,43(12):94-96.

[3] 薛新宇，秦维彩，孙竹，等．N-3型无人直升机施药方式对稻飞虱和稻纵卷叶螟防治效果的影响[J]．植物保护学报，2013，40(3)：273-278．

[4] 高圆圆，张玉涛，赵酉成，等.小型无人机低空喷洒在玉米田的雾滴沉积分布及对玉米螟的防治效果初探[J].植物保护，2013,39(2)：152-157.

[5] 邱白晶，王立伟，蔡东林，等．无人直升机飞行高度与速度对喷雾沉积分布的影响[J].农业机械学报，2013,29(24):25-31.

[6] 荀栋，张兢，何可佳，等.TH80-1 植保无人机施药对水稻主要病虫害的防治效果研究[J].湖南农业科学，2015(8)：39-42.

[7] 宋吉林，祁力钧，孙小华，等．喷雾机雾滴大小和飞行时间的研究[J].农业机械学报，2007,38(7)：54-57.

[8] 宋坚利，刘亚佳，张京，等.扇形雾喷头雾滴飘失机理[J].农业工程学报，2011,46(6)：63-69.

基金项目吉林省财政厅行业科研专项(2015102206)。

作者简介董云哲(1975- )，男，吉林长春人，高级工程师，从事农业植保机械研究。*通讯作者，正高级工程师,从事精准植保机械研究。

收稿日期2016-04-18

中图分类号S 252+.3

文献标识码A

文章编号0517-6611(2016)13-297-02

Experimental Study on Effects of Plant Protection UAV Rotor on Droplets Distribution

DONG Yun-zhe, LI Jun-xing*, SHI Yun-tian et al

(Jilin Academy of Agricultural Machinery, Changchun, Jilin 130022)

Abstract[Objective] The aim was to explore effects of plant protection UAV rotor on droplets distribution.[Method] Plant protection UAV was fixed in 4 different heights, droplets distribution when rotor works and does not work were compared.[Result] Rotor reduced the droplet deposition, but the droplet distribution was more extensive.When operation height of small rotor UAV was at 2.0 m, droplet deposition effect was the best.[Conclusion] The study can provide reference for formulating operation standards of plant protection UAV.

Key wordsUnmanned aerial vehicle(UAV); Rotor; Drift