低量低空小型植保无人机变量喷药参数优化研究

王孝民

（保山学院，云南 保山 678000）

省力化、高效化、智能化农药施用技术是现在高科技发展背景下农业生产的新要求，同时，也是一种必然趋势。本文通过实际的田间农作物实验研究，得到了无人机装载变量喷药系统下作业的相关参数，统计分析出了最佳参数。

1 离心式雾化喷头性能试验

1.1 离心式雾化喷头结构和工作原理

离心式雾化喷头主要由直流电机、雾化盘、密封盖、导液管等构成。电机密封在罩壳里，通过电机轴连接下面的雾化盘。接通电源后，雾化盘高速旋转，药液在液泵的作用下经过输液管、导液管进入雾化盘，之后，经雾化盘内壁中的径向沟槽从锯齿端面喷出雾滴。

1.2 试验设计

农作物不同，其地块受病害的程度不一样，因此，所需要的的喷药量也不同，为了满足这一需求，本人将变量喷药控制系统划分了160、180、200、220mL/min 四个等级。为了能让离心式雾化喷头在这几个等级下都能完成作业需求，本文对这四个流量等级下的雾滴粒径、喷幅、直流电机损耗进行测试，通过对喷头供电电压的改变，得到了离心式雾化喷头喷头在这几个流量等级下的工作时最合适的电压。

（1）喷幅及雾滴粒径测定。通过收集的水敏纸可知，不同的喷雾和作业参数，对雾滴粒径的影响不同。农药雾滴属于流动液体，遵守流体动力学原理，相比宽阔的植株叶片，狭窄的植株叶片更容易捕获到细雾滴。通过生物最佳直径理论可知，直径为40 ～100μm 的雾滴，是植株叶片的最佳雾滴粒径。由表1 可知，电机电压为10、12V 时，最佳的雾滴粒径是80 ～100μm；由表2 可知，电机电压和喷幅成正比，无论是处于哪个等级的喷药量，电压升高，喷幅增大，反之减小；而在电压相同的条件下，喷幅与喷药量成正比，喷药量大，喷幅增大，反之减小。通过实验可知，单喷头作业的喷幅必须在1.5m 以上，因此在160、180mL/min 喷药量等级下电压为10、12V，在200、220mL/min 喷药量等级下电压≥8。

表1 不同电压、流量对雾滴粒径的影响

表2 不同电压、流量对喷幅的影响

2 不同作业条件对雾滴粒径和分布参数的影响

2.1 田间试验设置

综上，以雾化喷头试验结果作为数据依靠，若想使喷头通电，需寻找稳定有效的供电源头，为达到此目的，将10V的供电模块配置到变量喷药的控制系统上，并将配置完成的系统装置到植保无人机上。其中，测试雾滴沉积效果，采取了以不同喷雾飞行高度和飞行速度为影响条件，来观察4 个不同流量级别的效果区别。

此雾滴测试采用上述某省份项目基地培育的农作物品种为例，试验田面积设为12m×16m，并存条件有四周3m 的缓冲带和18 个放置水敏纸的采集点。试验时的农作物处于初期，平均株高65m，当天相对湿度52%，气温31℃，风速0.7 ～1.8m/s。

喷洒航线精确定位，控制无人机根据预设路线“几”字形飞行。在多组无人机同时喷雾时，飞行速度（1.0m/s）为不变时，飞行高度分别设为1.5m、2.0m、2.5m；飞行高度（2.0m）不变时，飞行速度分别设为1.0m/s、1.5m/s、2.0m/s。

2.2 试验方法

将 2cm ×5cm 的水敏纸用回形针固定在各采集点的农作物叶片上，每采集点的上下两层均放置3 张水敏纸，要注意放置点距离地面分别为50cm 和20cm。试验结束15 分钟后，再将水敏纸按上下两层分别收集并标记，切记要干燥密封保存。在分析时，着重研究每采集点的雾滴沉积密度和粒径，统计这些数据后取平均值，结果即为此测试点农作物叶片的雾滴沉积密度和粒径的最佳参数。由 DepositSca n软件分析水敏纸，得到雾滴沉积密度；为获得雾滴分布均匀性，采用变异系数(V)作为雾滴分布均匀性的度量，公式如下：

式中，s、qi、q、n 分为：标准差，各水敏纸单位面积的雾滴数值，水敏纸单位面积平均雾滴数值，每层采集点总数。

2.3 结果与分析

（1）对不同飞行高度时各流量等级下雾滴参数，采用一般线性模型，进行多向方差分析研究。当固定流量为160 mL/min 时进行多因素方差分析的分析结果见表3。由此可知，无人机作业高度和雾滴沉积密度有联系，主效应F 和对应的P 分别为28.797 和0.034。P ＜0.05，这表明了雾滴沉积密度受作业高度的影响很大。采样部位，对于雾滴沉积密度的影响，其主效应F和对应的P 分别为 39.70 0 和 0.02 4， P＜0.05，这表明采样部位不同，同样显著影响着雾滴沉积密度。之后，进行多因素方差分析时，将流量条件分别确定为180、200、220mL/min，分析结果，P 值都小于0.05。因此，雾滴沉积密度受作业高度的影响很明显。

表3 雾滴沉积密度参数表

本次研究，使用的是变异系数对雾滴分布的均匀性进行的统计。变异系数越小，雾滴分布的均匀性就越好。由表5可知，当无人机飞行高度为2.0 米时，雾滴沉积密度与2.0 米、2.5 米时的相比最大。

当飞行高度为1.5 米时，总的沉积量最少，雾滴的变异系数较大，即雾滴均匀性较差。这表明，当无人机的飞行高度比较低时，产生的旋翼下旋气流使得作物摆动剧烈，不容易接收雾滴，引起局部沉积，雾滴分布不均匀。采样部位同样影响着雾滴的分布：当流量等级不同时，雾滴沉积密度上层要比下层大。这体现了无人机作业时，其旋翼下旋气流，使雾滴具有良好的穿透性。

（2）不同飞行速度时各流量等级下雾滴参数。保持同一高度自动作业，依次设定飞行速度为2.0、1.5、1.0m/s，在P ＜0.05 时，测定各飞行速度对雾滴沉积密度的影响最明显。飞行速度为2.0m/s 时密度最小，飞行速度为1.5m/s时密度居中，飞行速度为1.0m/s 时密度最大，由此可见飞行速度在减小的同时，雾滴沉积密度将会变大，反之，密度越来越小。这表明，大量喷洒的条件下飞行速度变小，漂移现象不会因为旋翼的气流对雾滴产生影响，雾滴密度上升；在相同的飞行速度下，变异系数会产生变化，这表明，喷洒性能良好分布均匀，飞行速度对雾滴均匀分布有一定影响。本研究为无人机在不同飞行速度及不同飞行高度情况下试验，在水稻上、下层对雾滴的沉积分布情况进行观察及解析。当电压下降，喷幅及电机损耗变小、雾滴粒径增大时，导致喷幅、电机损耗、雾滴粒径会受电压变化而受影响，电压为10V，可以减少电机损耗，又能满足喷幅要求和雾滴粒径的要求，该电压为其最佳电压。

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3 结语

综合而言，不同高度中，飞行高度变低均匀性下降局部沉积变化大；飞行高度较高时，沉积相对减少距地面2.0m 时，雾滴在水稻上分布均匀沉积量较好较多，因此，沉积量最佳高度为2.0m。雾滴沉积密度会因植保无人机飞行速度的减小而上升，均匀性无明显差异，在1.0m/s 飞行速度下，雾滴沉积效果最好，故最佳速度为1.0m/s。