植保无人机雾滴沉积效果研究综述

何勇，吴剑坚，方慧*，郑启帅，肖舒裴，岑海燕1

（1.浙江大学生物系统工程与食品科学学院，杭州310058；2.农业农村部光谱检测重点实验室，杭州310058）

病虫害是阻碍农作物健康生长的主要因素。目前，化学防治因其高效、快速、经济等特点而应用普遍。但在传统的施药过程中，经常出现农药高效而利用低效的现象，导致药液流失于非靶标区域，造成药剂浪费、人畜中毒、环境破坏等问题[1-2]。

随着无人机技术的不断发展，植保无人机凭借其成本低、性能优越、无需专门起降场地等优点得到了越来越广泛的应用[1-2]。植保无人机相对于其他植保机械更为灵活，便于控制，操作劳动强度低，不损伤作物，且适用于各种复杂的作业环境，例如水田、山坡等地面机械难以进入的区域，能有效减少施药过程中农药对操作者的危害和操作的危险系数[3-4]。随着植保无人机在农药喷施中的推广运用，农药的利用率大幅提升，但仍存在由雾滴飘移及药液流失等造成的农药浪费及污染等问题[5]。喷雾雾滴在靶标作物上的沉积效果是评价农田作业效果的重要指标，因而针对无人机的作业质量和雾滴沉积效果的研究也逐渐得以开展，以改善当前农药利用率低下和环境污染严重的喷药作业状况，促成喷药技术的创新。影响雾滴沉积效果的因素有很多，将它们进行综合分析，完善喷雾系统，提高农药的喷施效果和效率是当前无人机喷雾系统研究工作的重点。

本文综述了植保无人机喷雾过程中雾滴沉积分布的特点及影响雾滴沉积效果的因素，并介绍了目前主要的雾滴沉积检测技术；同时，针对研究发展中的不足之处进行了总结和思考。

1 沉积分布特点及评价指标

1.1 沉积分布的一般特点

喷雾系统中雾滴的沉积分布具有较高的不确定性。当喷雾条件发生改变时，例如采用不同型号的喷头、改变药剂剂型和施药量等，雾滴在同一靶标作物的沉积分布会产生差别。此外，雾滴在同一植株冠层不同位置的沉积分布也有所不同，一般情况下，冠层的上、中、下位置的沉积量依次递减。飞行航向上的喷雾效果相对航向两侧更为稳定，且航向两侧的雾滴沉积效果受风场的影响较大[6]。

1.2 喷雾沉积效果评价指标

雾滴的沉积效果直接影响到喷雾作业的成效。它的主要评价指标包括：雾滴沉积量、雾滴沉积密度、雾滴沉积的均匀性和穿透性、雾滴飘移率等。沉积量是指在单位面积上雾滴沉积的质量或体积。雾滴的沉积密度是指沉积在单位面积作物叶面上的雾滴数目，雾滴沉积密度越大，说明雾滴在作物表面的作用点越多，产生的防治效果也相对较好。在进行沉积密度测试时，通常以同一冠层高度、不同采集位置的雾滴沉积密度的变异系数来衡量雾滴的沉积均匀性。而评估雾滴的穿透性，则是以植株同一采集位置、不同冠层高度的雾滴沉积密度或其他沉积参数的变异系数来衡量。当变异系数较小时，说明雾滴沉积均匀性和穿透性较好。在喷雾作业中，部分雾滴会沉积在非靶标区域或飘浮在空中，造成雾滴飘移。与地面机械喷雾作业相比，航空施药中的雾滴飘移现象更为严重[7]。雾滴飘移分为空中飘移和地面飘移，降低雾滴飘移率是提高作业质量的关键[8-9]。

2 雾滴沉积参数的检测方法

雾滴沉积参数的检测方法有很多，且各有特点。

通过对水敏纸[10-12]进行图像分析以检测雾滴特性的方法在无人机喷雾方面的应用较为广泛。在部分研究中，也有将荧光染料添加到药液样品中，用聚酯卡收集雾滴，利用荧光分光光度计测量沉积量[13]；荧光粒子示踪法与该方法原理类似，且灵敏度更高，但是由于荧光物质的特殊性，采用这种方法时试验结果易受环境因素影响。

光学原理的测量系统能够精准、方便地实时测量雾滴粒径与分布规律，获取雾滴的粒度分布等相关参数[14]。其中，激光粒度仪依据颗粒能使激光产生散射进行测试，在不同喷雾条件下对雾滴粒径分布的研究中都得到了应用。张慧春等[15]利用激光粒度仪对不同扇形雾化喷头在不同工作条件下的雾滴粒径分布情况进行了探究。高圆圆[6]利用以激光粒度分析仪为主建成的雾滴粒径测试系统对Af-811小型无人机雾化系统的性能参数进行了初步研究。KIRK[16]则将激光粒度仪用于喷头的性能测试，帮助建立用于开发雾化模型的数据集。以上研究表明，激光粒度仪能够辅助雾化系统参数的优化，有利于比较不同喷头的喷雾效果，帮助开发新型雾化喷头，但是基于激光的测量成本高，不适合田间大规模地进行实地快速测量。

此外，更多的测试手段不断地应用于本领域中。如张京等[17]使用红外热像仪与无人机联用测试喷雾前、后作物冠层温度，通过温度变化率来反映雾滴在水稻冠层的沉积效果，表明该研究与以雾滴沉积量与冠层温度变化率为评价指标得到的结果一致，说明红外热成像技术可以准确反映雾滴在水稻上的沉积规律。张瑞瑞等[18]开发了一种基于变介电常数电容器原理的雾滴沉积传感器及检测系统，实现了对航空施药中雾滴地面沉积量的快速获取，并参照水敏纸图像处理方法对系统的测量数据进行了分析；结果表明，基于电容变介电常数原理和Zigbee技术设计的测量系统，对雾滴沉积分布特性的检测结果较好，但对雾滴沉积量的测量结果不甚理想。吴亚垒等[19]提出的基于驻波率原理的叉指型雾滴采集系统可实现对温室中雾滴沉积量的实时检测，具有较高的可靠性。这几种方法都可以较好地测量单个沉积效果指标，但存在无法获取其他沉积分布参数或者测量效果不够理想等问题。

总之，雾滴沉积参数的获取是促进提高喷雾效果的重要环节，目前关于田间在线快速检测技术的研究仍较为缺乏。因此，亟需开发新型的在线检测系统，提高检测精度，为田间试验检测雾滴沉积特性提供便捷，同时为喷施决策提供实时的反馈，以达到更好的喷施效果。

3 雾滴沉积效果的影响因素研究

农药从喷嘴喷出后主要有3个去向，分别是蒸发、飘移和沉积，而沉积后的药液部分将滴落至土壤里，造成药液的流失。雾滴的沉积规律和沉积量受多种因素的影响。对于无人机喷雾系统而言，喷雾雾滴参数、作业参数、设备结构类型和环境因素等都会对雾滴沉积效果产生影响。此外，旋翼无人机作业时，其旋翼风场产生的下压气流也会影响药液的沉积分布。

3.1 风洞试验

由于环境因素复杂多变且难以把控，在大田试验中对雾滴沉积影响因素的分析较为困难，且试验过程难以重复，因此，确定某一因素对雾滴沉积分布的影响和量化变得非常困难。而风洞试验能够较好地解决这个问题。

风洞实验室是以人工方式产生并控制气流来模拟实体周围气流的流动情况，帮助度量气流对实体的作用效果的一种管道状实验设备，主要由洞体、驱动系统和测量控制系统组成。风洞实验室中的环境因素相对可控且稳定，例如风速、风向及环境温度等能够方便、准确地控制，也能够在其中准确地测定实验参数，例如喷雾压力、高度、流量及喷头移动速度等。通过风洞试验控制其他变量，可逐一分析上述变量对雾滴沉积分布及飘移特性的影响，为试验的进行和数据的有效性提供了保障。

如在大田试验中，风速往往波动很大，难以控制，但通过风洞试验可以准确地获取风速对雾滴沉积飘移的影响信息。王玲等[20]通过悬停风洞试验，选择了脉宽调制占空比、喷孔直径、电动离心喷头转速等变量，对不同距离和风速条件下的雾滴沉积效果进行了试验研究；结果表明，风速是影响雾滴沉积效果的最显著因素，雾滴沉积量以抛物线形式分布在采集区域，沉积高峰区随风速增加不仅远离喷头，且对应沉积量也逐渐减少。类似地，对相关影响因素的研究还有很多，如：茹煜等[21]在风洞环境下研究了雾滴粒径和气流速度对沉积规律的影响，并建立了相应的运动模型；张慧春等[22]分析了不同喷头类型、不同药剂及不同风速下，不同位置处的雾滴沉积和飘移情况，并建立了包含采样距离、风速、喷头类型和药剂类型在内的多变量非线性雾滴飘移特性模型。此外，风洞试验也常应用于喷嘴性能的比较试验中。吕晓兰等[23]在风洞的可控环境下测试了不同型号喷头在不同喷雾技术参数下的抗飘移能力，发现喷头型号变小会增加雾滴飘移的可能性；此外，他们还比较了德国Lechler公司的标准扇形喷头和防飘射流喷头，发现防飘射流喷头的抗飘性能更强。风洞试验为量化喷雾参数对雾滴沉积效果的影响提供了可能，通过综合喷头类型、风速、高度、药剂类型等多因素的影响，可建立雾滴沉积和飘移预测模型，指导实际的喷雾作业。虽然风洞试验在沉积影响因素分析方面的优势明显，但是风洞实验室的造价昂贵，条件要求较高，研究人员不一定有条件进行风洞试验；并且风洞试验难以考虑飞行参数及无人机飞行作业时旋翼下压风场带来的影响。

3.2 模拟仿真

计算流体动力学（computational fluid dynamics,CFD）是研究药液喷施效果的一个重要模拟分析工具，在植保领域中发挥着重要作用；此外，在喷雾沉积分布及风场模拟研究中也有所应用。模拟仿真的结果对实际作业中喷施决策及影响因素分析方面有着重要的指导意义。

应用计算流体动力学能够模拟喷雾环境，综合考虑喷雾影响因素，进行雾滴沉积分布和飘移趋势的预测，且预测精度较高，能有效模拟实际作业情况，有利于雾滴沉积和飘移模型的建立。孙国祥等[24]基于CFD离散相模型建立了三维模拟环境，研究了不同风速和喷雾高度下雾滴的沉积分布趋势并建立了雾滴沉积量的预测模型。苑进等[25]采用多相流计算流体动力学软件，建立了三维流场几何模型，并依据不同工况参数对雾滴飘移特性的影响进行了分析。NUYTTENS等[26]提出了采用三维CFD喷雾飘失模型，该模型同时考虑到雾滴特性、气象条件、药液特性、冠层结构和作物特点等因素，并进行了田间试验，证明CFD三维仿真模型是辅助田间减飘试验的有效途径。张宋超等[27]基于CFD对N-3型无人直升机施药作业中药液的雾滴飘移进行了模拟，并与地面雾滴飘移量进行了比较，发现计算流体力学能够定性地模拟实际飘移情况。王玲[28]采用CFD数值模拟技术建立了长8 m、宽2 m、高2 m的三维模拟仿真区域，并在该环境下沿水平方向－1.5～4.0 m范围内分析了气流速度、雾滴粒径、喷雾高度和喷头喷施角度对雾滴沉积规律的影响，发现气流速度、喷雾高度和喷头喷施角度均是影响雾滴沉积规律的主要因素，而雾滴粒径相对于其他因素对沉积规律影响不明显。

旋翼风场是影响雾滴沉积效果的重要因素。在研究试验中，无人机的旋翼风场往往难以准确测得，对其影响机制的研究较为困难；然而，应用计算流体动力学则有效地解决了这一问题，它能够直观地模拟出风场的动态变化过程，有助于分析雾滴运动沉积趋势。YANG等[29]应用CFD研究了SLK-5六旋翼农用无人机的下旋气流的动态变化规律和分布特点，并基于RANS方程和RNG k-ε湍流模型和动态网格技术，分析了无人机飞行时下方流场的分布特性，以及机翼间的流场相互作用关系；结果表明，在无人机的下旋风场中，竖直方向的风速是流场的主体，且模拟值与实际测量值的相对误差小于12%。总之，对纵向和横向截面流场特性的详细分析，为多旋翼无人机喷雾作业中雾滴飘移和沉降研究提供了参考。

通过CFD进行模拟仿真已成为提高药液喷施效率的重要手段，其结果直观可靠，模拟雾滴沉积及风场连续变化情况是其他试验方法所不具备的，也是雾滴运动状态及防飘等相关研究中重要的分析工具。

3.3 大田试验

大田试验在研究雾滴沉积效果和雾滴的雾化状况中具有更重要的实际意义。通过软件虽可以对雾滴沉积状况、空间分布状况和飘移情况等进行模拟仿真，但所建模型的模拟值还应与大田试验获得的实际测量值进行对比，以验证模型的可靠性。由于大田试验的环境更为复杂，因此需要考虑到的因素相较风洞试验和模拟仿真试验更多，其中最重要的就是无人机在实际作业中飞行参数对喷雾效果的影响。

邱白晶等[30]研究了CD-10型无人直升机的飞行高度、飞行速度因素对小麦植株的喷雾沉积密度、沉积均匀性的影响及2因素间交互作用的关系，并建立了相应的关系模型，发现飞行速度和飞行高度是影响雾滴沉积均匀性和沉积密度的重要因素。陈盛德等[31]则采用3因素（飞行高度、飞行速度、喷施流量）的正交试验，应用小型六旋翼植保无人机进行喷雾试验，发现影响雾滴沉积密度和沉积均匀性的主次顺序依次为飞行速度、飞行高度、喷施流量，而影响雾滴沉积穿透性的主次顺序为飞行高度、飞行速度、喷施流量。ZHANG等[32]发现，柑橘树的形状和无人机飞行高度是影响雾滴沉积效果的重要因素；且试验表明，当飞行高度为1 m时，开心形树冠的沉积效果更好。这为无人机应用与农艺技术结合提供了参考。

现阶段也有相当数量的关于液压式和离心式喷头对比的大田试验。高圆圆等[33]在小麦吸浆虫防治试验中，应用离心式喷嘴和液力式喷嘴进行喷洒的结果显示，利用离心式喷嘴进行喷雾时，雾滴在小麦穗部的平均沉积密度是液压式喷嘴的1.5倍。可见，离心式喷嘴在雾滴的沉积密度方面优于液压式喷嘴，说明其防治效果也较好。张盼等[34]在对柑橘园喷雾效果的研究中发现：1）旋转离心式喷头的雾化性能优于液压式喷头；2）旋转离心式喷头的雾滴粒径较小，雾滴沉积总数和沉积密度显著高于液压式喷头，且在树冠各层上分布更均匀，喷雾效果更好。

3.4 讨论

气流速度是影响喷雾系统在靶标区域的沉积量、造成雾滴飘移的主要因素。气流速度过大，会使药液飘移到其他作物区域，不仅导致靶区作物喷雾效果不佳，还会对作物造成影响，对环境造成污染。此外，其他环境因素也会对喷雾效果产生影响，例如温度过高会加速药液的蒸发，因此在高温下不适宜进行作业。

在飞行参数方面，无人机作业速度越慢，飞行高度越低，雾滴的沉积量和沉积密度就越大。飞行高度和飞行速度对雾滴分布的均匀性影响也较为显著，但对于不同的无人机类型和不同的作业环境，其实际影响效果也不相同。对于雾滴穿透性而言，无人机飞行速度和高度都相对较小时，穿透性更好。这主要是因为在此条件下，无人机旋翼风场的下旋气流对雾滴的作用明显，使雾滴能够到达作物的中、底层。而当飞行速度较快时，雾滴主要受水平方向气流影响，会飘到冠层上方。但是在实际作业中也要注意，若风场过大，会造成作物向周围倒伏，从而影响雾滴的沉积分布效果。

旋翼风场是影响喷雾沉积效果的重要因素之一，但目前关于风场和雾滴沉积分布规律的研究并不多。针对不同的机型，多旋翼和单旋翼无人机在作业过程中，风场分布情况及风场对雾滴沉积分布效果的影响有所不同，其中风场对喷施区域内雾滴的穿透性和分布均匀性、雾滴飘移情况均有影响。

雾滴的初始状态受喷头类型、喷雾压力及流量等因素的影响。雾滴沉积分布评价参数都是围绕着雾滴粒径展开的，因此，实现雾滴粒径的精确控制是提高喷雾效果的关键[13]。在单位面积上喷施流量固定的条件下，雾滴粒径减小，雾滴数量增加，击中靶标的概率则增大，可以提高药液在靶标上的沉积量、沉积密度和覆盖均匀性，在下旋风场的作用下具有更好的穿透性，防治效果更好。但是，雾滴粒径过小容易发生蒸发和飘移，使靶标沉积量减少，对相邻农作物造成危害且对环境造成污染[35]；而雾滴粒径过大则易沉降，不易发生飘移，且分布不均匀、附着性能差、易发生弹跳和滚落流失等问题会造成药液流失，喷雾效果不佳，还会污染环境。因此，需要寻找到一个平衡点，即寻找最佳粒径。通常，离心式喷头较液压式喷头雾化性能更好，便于控制粒径的大小，雾滴沉积密度更好。

综上所述，环境因素、飞行参数、旋翼风场及喷头类型都会对沉积效果和雾滴飘移产生影响。为了降低雾滴飘移带来的危害，可以采取设立喷雾缓冲区、应用防风林、开发防飘移技术[7]等措施。其中，开发防飘移技术是目前的研究重点。

此外，为了让雾滴沉积效果更好，还可采用一些独特的技术，如静电喷雾技术[36-37]。茹煜等[36]将静电喷雾系统应用于植保无人机作业上，发现静电作用有助于增加雾滴的沉积，即静电喷雾技术使雾滴具有较强的穿透能力，从而提高了靶标命中率，减少了雾滴飘移，同时能够有效减少用药量，降低药液对环境的污染。但目前针对静电喷雾技术中药液的雾化机制及雾滴运动轨迹的研究仍不够深入，没有标准的数学模型对其进行描述，因而静电喷雾技术还需进一步完善以实现推广应用。

4 小结和展望

无人机喷雾技术在农业方面的广泛应用对其喷雾沉积效果提出了更高的要求。目前，无人机喷雾仍存在雾滴飘移及喷药不均匀等问题，为了保证药液雾滴在作物上有良好的沉积效果，作业时应根据作物的种类和环境因素，选择最优的作业参数，包括飞行参数、喷头类型和喷洒流量等，以提高喷雾的效率。可以通过室内风洞试验和田间试验，并结合模拟仿真，对影响沉积分布的因素进行综合分析，且在不同喷雾情况下，优化作业参数。

设计无人机喷雾系统时应充分考虑其旋翼风场对雾滴沉积分布的影响，合理选择喷头的类型和位置，利用好下旋风场。

喷嘴的类型和结构直接影响到雾滴的初始参数。现有的喷嘴多存在雾滴谱宽、飘移量大、雾化效果不可控等不足，下一步需从喷嘴结构设计上加大研究力度，以提高药液的利用率。对喷嘴结构进行设计并模拟药液在喷头内的运动情况，开发精准可控粒径的喷嘴是研究重点。同时，在气流影响下，喷头的喷洒角度也会影响雾滴沉积效果，因此，开发喷洒角度可变动的喷头也有一定的意义。

在对雾滴沉积效果进行评价的同时，也要提升雾滴沉积参数的检测技术。目前的研究大多是利用水敏纸对雾滴粒径和分布等参数进行测量，但这类间接测量的方法往往会因为许多不可控因素而产生较大误差且测量费时；而且，目前有关田间雾滴沉积传感器的研究相对较少，多数雾滴沉积传感器都只能检测单一要素，如沉积量或分布密度等。因此，开发多传感器融合技术，实现同时测量雾滴沉积分布的多个参数是未来研究的重点，可为航空施药效果的提高提供保障。