小型无人飞行喷雾机喷雾性能试验研究与分析

连德旗，王世恒，徐铭辰，余泳昌

(1.南阳农业职业学院 农机系，河南 南阳 473000；2.南阳工业学校 机电工程系，河南 南阳 473000;3.河南农业大学 机电工程系,郑州 450002)



小型无人飞行喷雾机喷雾性能试验研究与分析

连德旗1，王世恒1，徐铭辰2，余泳昌3

(1.南阳农业职业学院 农机系，河南 南阳 473000；2.南阳工业学校 机电工程系，河南 南阳 473000;3.河南农业大学 机电工程系,郑州 450002)

为解决大豆生长中后期的植保喷雾作业难度较大的问题，研制了一种小型无人飞行喷雾机。为了研究该喷雾机在大豆田喷雾作业的可靠性与稳定性，试验采用聚酯卡、荧光分光光度计、卡罗米特纸卡等对飞行喷雾机的喷雾沉积量、沉积密度及分布均匀性等参数进行取样和分析，研究分析了小型无人喷雾机的飞行高度、速度等工作参数对喷雾沉积均匀性及浓度等的影响。结果表明：该喷雾机喷雾均匀，工作效率高，整体喷雾效果较好，不同作业高度和飞行速度时在大豆各冠层雾滴沉积效果和分布均匀性的变异系数不同。对试验样本进行数据分析并结合实际的喷洒效果得出：当飞行高度控制在植被上方1.5～2.0m、飞行速度控制在3～5m/s时，该小型无人飞行喷雾机喷施农药效果较好。

小型无人飞行喷雾机；沉积密度；沉积均匀性；飞行高度与速度；大豆

0 引言

近年来，航空技术越来越广泛地被运用于防治农作物、林木病虫害等领域，航空喷雾技术正在逐渐代替地面机械和人工喷雾成为植物保护发展的新趋势。相比地面机械喷雾，航空喷雾有更好的机动性和施药效率[1-3]。经测算每公顷可节省农药约40%，喷雾均匀度相比人工喷雾可提高4～5倍，防治效果达到90% 以上；受地形的影响极小、作业速度快、成本低，而且由于使用药量较少、雾滴小，可有效地减少农药对人畜的侵害和环境污染[4-5]。因此，航空喷雾因地形地势限制小、作业效率高，得到广泛应用[6-7]。大豆作为重要经济作物，在生长过程中需要喷洒杀虫、杀菌类药剂，尤其是大豆生长到中后期，此时大豆株冠层已经比较浓密，在大豆田中进行机械式或人工喷雾作业都较困难。所以，推广航空喷雾技术在大豆田中的使用，对我国大豆产业的发展意义重大。结合我国大豆的种植模式种植面积，显然更适合使用地形适应性和低空喷雾适应能力更强的小型航空喷雾机[8]。针对我国大豆生长喷洒农药的需要，研制了一种小型无人飞行喷雾机—小型多旋翼无人飞行喷雾机(见图1)用于解决大豆田喷雾难题。

图1 小型多旋翼无人飞行喷雾机(八旋翼)

该无人飞行喷雾机的飞行平台采用新型飞行工具—多旋翼飞行器。多旋翼飞行器以高性能聚合物锂电池作为动力源，采用无刷电机驱动螺旋桨组成单组旋翼动力系统，以便各旋翼独立控制。控制驱动部分由惯导系统、飞控系统、GPS定位系统、电子罗盘、电子调速器及无线遥控系统等组成[9]。航空喷雾系统主要由供药部件、喷射部件及控制部件等组成。药液箱安装在机身重心附近，喷杆可伸缩，喷杆上安装4个扇形雾喷头，喷幅一般为3m，喷射部件可以根据不同施药作业要求更换不同型号的雾化装置。整机尺寸小、质量轻、携带方便、飞行灵活、抗风能力强，具有失控保护，实现可控雾滴喷雾，适合各类农药的使用，更节水省药。该无人飞行喷雾能实现定点定高悬停，具备自主导航实现全自动飞行、自主悬停、半自动起降、定高巡航、图像实时传输及姿态实时监控等功能，还可以搭载精密仪器，使喷洒农药等更加精准。为了研究该航空喷雾机在大豆田喷雾作业的可靠性与稳定性，为航空植保的农药使用技术及其设备的研究提供理论依据，并为大规模推广应用提供依据，本次试验研究了该小型无人飞行喷雾机在大豆田中的喷雾性能。

1 材料与方法

1.1 试验材料及设备

试验机型采用8旋翼无人飞行喷雾机，配备遥控指挥器。该喷雾机每次的连续作业时间小于15min、作业高度1～10m，喷雾效率可达到666.67～1 333.33m2/min，喷雾的作业高度、速度可以根据作业要求控制；搭载药箱为5 L，喷幅为3m。同时，还要准备可溶性荧光示踪剂染料Rhodamine-B、聚酯卡、罗米特纸卡、雾滴收集器、过滤纸、一次性手套、自封袋、数字温湿度表、用风速测量仪、荧光分光光度计等试验药剂、指示剂和设备。

1.2 试验方法

本试验在河南省南阳市卧龙区潦河镇大豆田进行，试验时大豆生长情况，如图2所示。作物生育期为开花期，平均株高35.6cm。试验时，选取50m ×60m 的地块作为一个试验作业小区，并在每个处理小区周边均留约15m 的缓冲隔离带，以避免飘失造成的试验误差。试验过程中，需要使用数字温湿度表和风速测量仪定时测量并记录在试验时间段内的环境参数。

试验时，首先选定其中一个试验区，利用多旋翼飞行器的定高、定速喷雾功能，对飞行喷雾机的喷雾沉积面积、覆盖率、沉积密度、分布均匀性等参数进行取样和分析。采用含染料Rhodamine-B的溶液(质量分数为0.1%)作为示踪剂代替农药对大豆田进行喷雾，用聚酯卡采集雾滴，用荧光分光光度计测定雾滴在大豆植株各层的雾滴沉积量，用卡罗米特纸卡检验雾滴密度。为方便研究将大豆植株分为上中下3层，每层分为内膛和外膛，每株大豆6个样点；在大豆田中均布取样点，隔20m重复取样3次，每个样点在正面放置一张卡罗米特纸卡来检测雾滴密度，地面放滤纸和卡罗米特纸用于测量地面雾滴沉积量和雾滴密度。每个样点采集一片大豆叶子，用于药剂沉积量测定。每个试验区域喷雾完成后，需要等聚酯卡上的雾滴晾干后再将收集的大豆叶片和滤纸等放置于自封袋内并做好标记，置于阴凉处带回实验室进行分析。再将每一个样品用定量的去离子水洗脱聚酯卡上Rhodamine-B，用荧光分光光度计(F95)测定每份洗脱液的荧光值，根据R--B 标样的“浓度-荧光值”标准曲线可计算出洗脱液中Rhodamine-B的沉积量[10]。即可实现精确测定示踪剂在地面和大豆株冠层不同部位单位面积上的的沉积量(μg/cm2)。

图2 试验田大豆生长情况

2 结果与分析

2.1 雾滴在大豆植株冠层的沉积量分布情况

雾滴沉积的状态参数有雾滴沉积量、沉积密度和雾滴分布均匀性等。测定喷雾雾滴在大豆参数植株冠层不同部位的沉积分布，即测定大豆植株冠层的垂直方向各部位的雾滴沉积分布。雾滴沉积量指在单位面积上雾滴沉积的质量[11]，计算公式为

(1)

式中 βdep— 雾滴沉积量(μg/cm2)；

ρsmpl—样本采样器的荧光计读数；

ρblk—采样器+稀释水的荧光计读数；

Fcal—校准系数(等于回收率的到数)(μg/L)；

Vdii— 溶解来自采样器的示踪剂的稀释液(去离子水)的量(L)；

ρspray—喷雾液中的示踪剂的浓度(g/L)；

Acol—聚酯卡的面积(cm)。

测定结果(见表1)显示：雾滴在大豆冠层平均沉积量分布排序为：上层>中层外膛>下层内膛>中层内膛>下层外膛>冠下地面。从表1中数据可以看出：不同取样位置的雾滴沉积分布量并不是从上到下呈逐渐递减趋势。从数据上看中层内膛位置的沉积量反而比下层内膛位置的沉积量要低，雾滴沉积量的最高值在上层位置出现。这说明小型多旋翼无人飞行喷雾机在低量喷洒时，形成的小雾滴具有水平方向分速度大，弥漫性能好的特点，螺旋桨产生的下旋气流能很好地使雾滴具有穿透性[11]。

表1 小型多旋翼无人飞行喷雾机在大豆植株不同部位的沉积量分布

2.2 雾滴在大豆植株冠层的沉积密度

农药在作物上的沉积密度将直接影响药物的发挥，通过卡罗米特纸卡检验该小型无人飞行喷雾机在大豆株层不同部位的雾滴密度的结果如表2所示。由表2可以看出：上层雾滴沉积密度最大，平均雾滴量达到48.7个/cm2；中层和下层的雾滴沉积密度分别为22.71、23.72 个/cm2，中层和下层雾滴密度相近，都低于上层雾滴密度。但是，在大豆中层和下层的雾滴占总雾滴的比例要大于上层雾滴数。

表2 小型多旋翼无人飞行喷雾机在大豆植株不同部位的沉积密度

2.3 雾滴分布均匀性

喷雾的沉积量和漂移与现场的风速、湿度和温度有关[12]。为了表征各组试验各采样点沉积浓度均匀性，本文采用变异系数V表示各组试验沉积浓度分布的均匀性[13]，试验测定结果如表3所示。

表3 小型多旋翼无人飞行喷雾机喷雾均匀性

作业高度控制在1.0～2.0m，作业速度控制在1～3m/s 。当时的环境参数：平均风速1.6m/s、平均温度28.7℃、平均相对湿度46.%。

由表3可以看出：喷雾雾滴在大豆田的沉积分布比较均匀，沉积量变异系数为9.2%～19.47%，变异系数较小，说明沉积分布比较均匀。变异系数V为

(2)

(3)

式中S—同组试验采集样本标准差；

Xi—各采样点沉积浓度(μg/cm2)；

n—各组试验采样点个数。

2.4 小型多旋翼无人飞行喷雾机在不同作业参数下的雾滴分布情况

探讨小型多旋翼无人飞行喷雾机的飞行高度和飞行速度对雾滴沉积浓度和沉积均匀性的影响时，将该喷雾机的飞行高度取值区间设为0.5～2.5m，飞行速度取值区间为1～7m/s。试验时，采用聚酯片代替植物叶片进行喷洒试验，这样虽会有一定的误差，但雾滴在聚酯片上的分布能够近似说明不同高度植物叶片之间的相互影响[13-14]。每个试验单元取6株大豆的叶片。图3、图4是小型多旋翼无人飞行喷雾机在不同的作业高度和速度下喷洒的试验结果。由图3、图4可以看出：在不同的飞行作业参数时产生的雾滴在大豆植株上的沉积密度和均匀性情况有明显的不同。

作业高度在0.5～1.0m时环境参数：平均风速1.1m/s、平均温度28.6℃、相对湿度41.3%；作业高度在1.0～1.5m时环境参数：平均风速1.5m/s、平均温度30.5℃、相对湿度45.4%；作业高度在1.5～2.0m时环境参数：平均风速1.9m/s、平均温度31℃、平均相对湿度50.1%。

图3 不同飞行高度下的雾滴沉积密度、雾滴分布均匀性对比

Fig.3 Under different flight height of droplet deposition density, droplet distribution uniformity comparison

作业高度控制在1.0～2.0m，当时环境参数：平均风速1.7m/s、平均温度29.1℃、平均相对湿度48.5%。

3 结论

田间性能试验表明：该喷雾机喷雾均匀，工作效率高，整体喷雾效果较好。通过改变小型飞行器的工作参数，研究了该飞行喷雾机在不同作业参数下的雾滴分布情况，不同作业高度和飞行速度时大豆各冠层雾滴沉积效果不同。当作业高度控制在1.5～2.0m、飞行速度控制在3～5m/s时，该小型无人飞行喷雾机喷施农药效果较好，雾滴在大豆植株上的沉积量相对较多，分布均匀性也较好。这是由于当作业高度降低时，大部分雾滴都落在靶标的下部，并且由于气流的影响，雾滴可穿透冠层沉积到地面，从而影响整体的雾滴沉积量；而作业高度越高，雾滴在降落过程中易受自然风速、风向和温度的影响，易造成雾滴的飘失，因而使雾滴沉积量减少，分布均匀性降低。对试验样本进行数据分析并结合实际的喷洒效果表明：该小型多旋翼无人飞行喷雾机在大豆田中的工作性能比较稳定，操作简便，喷雾效率较高，喷雾较均匀，值得推广。

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Experimental Study and Analysis on Spray Characteristics of Small Scale Unmanned Aerial Spraying in Soybean Field

Lian Deqi1, Wang Shiheng1, Xu Mingchen2, Yu Yongchang3

(1.Department of Agricultural Mechanization，Nanyang Vocational College，Nanyang 473000,China; 2.Nanyang Technical School Mechanical and Electrical Engineering, Nanyang 473000,China;3. Mechanical and Electrical Engineering College,Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China)

Because of the difficulty of spray operation in the middle and late stage of soybean growth, we have developed a kind of mini unmanned aerial sprayer. The soybean canopy was divided into three layers,the test by containing dye Rhodamine-B solution as a tracer instead of pesticide spray in soybean field and polyester card collecting droplet. With fluorospectro photometer in soybean plants of each layer of droplet deposition, Carlo Miter card test droplet density.Sampling and analysis of spray deposition area,coverage, deposition density and distribution uniformity. In order to study the reliability and stability of the spray machine for the spray operation in soybean field.And The influence of the flying height and velocity of the small unmanned aerial sprayer on the uniformity and the concentration of the spray deposition was studied.The results show that the sprayer spray evenly, high work efficiency, the overall effect of spray is good; when operating altitude and flight speed and the soybean canopy of droplet deposition effect and uniform distribution of coefficient of variation of different.Combined with the actual effect of the spray and the samples for data analysis, concluded that when the flying height control in 1.5-2.0m, flight speed control in the 3-5m/s, the small unmanned aerial sprayer spraying pesticide effect better.

small unmanned aerial sprayer； deposition density； deposition uniformity； flying height and speed； soybean

2016-04-06

公益性行业(农业)科研专项(201303011-4)

连德旗(1963-)，男，河南南阳人，高级讲师,(E-mail)825653126@qq.com。

余泳昌(1955-)，男，河南杞县人，教授，博士生导师，(E-mail)hnyych@163.com。

S251

A

1003-188X(2017)05-0197-05