航空植保喷施参数对苹果树雾滴沉积特性影响

刘 琪,兰玉彬,3,单常峰,毛越东

(1.山东理工大学 农业工程与食品科学学院,山东 淄博 255000;2. 国家精准农业航空施药技术国际联合研究中心 山东理工大学分中心, 山东 淄博 255000;3. 山东省农业航空智能装备工程技术研究中心,山东 淄博 255000;4.深圳高科新农技术有限公司,广东 深圳 518000)

0 引言

我国水果种植面积和产量均居世界第一,到2026年将是我国水果产业发展的黄金时段[1],我国水果产业生产与管理的现代化水平将得到飞跃的提升,果园机械化管理作业模式必将取代传统人工作业方式。我国果园机械化程度要远低于稻麦类机械化水平,研究表明:平地果园和丘陵山地果园的综合机械化作业水平分别为16%和5.75%[2]。按照果园的作业性质可以分为:土壤耕作、树体管理、病虫害防治、果实收获和灌溉。其中,病虫害防治工作占全年工作总量的30%[3],每年因病虫害产量损失达25%以上,经济损失达数十亿元。目前,我国果园使用的施药器械自动化水平较低,主要类型有手动背负式喷雾机、担架式喷雾机,然而这些施药器械为大容量喷雾,果树沉积率仅为30%左右,大量的农药流失在空气和土壤中,污染环境,危害施药人员的健康,且劳动力成本昂贵、环境保护的迫切性等加快了我国果园产业结构的调整与升级[4]。

近年来,果园施药器械受到国内外很多学者专家的关注,研发了多种果园施药喷雾机,主要有:传统轴流风送式喷雾机、塔式风送式喷雾机、加农炮式喷雾机、隧道式喷雾机,以及用户定制式或改良版风送式喷雾机[5-7],农药有效利用率在80%以上。由于国外农业现代化程度较高,果园在种植时已考虑到了机械化作业的要求,在果园工艺、种植模式与结构上均较为统一;而我国新老果园种植模式参差不齐,单一类型的施药喷雾机只适合在特定种植模式的果园中行走作业,不利于大面积推广作业。植保无人机顺应时代的要求,作为一种新型的农机具发展迅猛,科研人员在大田作物上进行了大量的雾滴沉积分布规律等基础性的试验研究[8-14],对植保飞机在不同作物上进行喷施作业的药效进行评估试验,表明植保飞机在大田作物上的喷施作业能够达到防治效果[15-16]。随后,专家学者和飞防组织开始探索植保飞机在经济作物上的作业模式,并开展了部分的研究工作。陈再励等人[17]设计了一种面向丘陵山地果树植株的植保无人机轨迹跟踪控制器,根据作业任务和场景特点,合理规划作业航迹,实现了高精度。杨玮等人[18]基于变介电常数电容器原理的叶面湿度传感器,开发了无人机低空施药中果树叶片雾滴沉积量自动检测系统,实现了对果树叶片沉积量的实时测量,且验证了系统的实用性。陈盛德等人[19]研究了六旋翼植保无人机喷雾参数对橘树雾滴沉积分布的影响,试验结果表明较佳的作业参数是喷头流量为1.0L/min、作业高度2.5m、作业速度4m/s。然而,现阶段植保无人机针对于果树的施药模式与大田作物的相同,果树树形生长状况及种植模式的特殊性与无人机施药技术的匹配程度研究的报道尚少,且在实际飞防作业中发现,在喷施果树时采用大田的作业模式难以达到防治要求,因此研究针对果树的飞防作业模式和开发适用于果树的喷洒系统尤为重要。

本文以电动单旋翼植保无人机为例, 优化了喷洒系统中喷头的最佳间距参数,以此为基础并根据直升机风场分布的特点,确定了喷洒系统喷头安装位置参数,研究了电动植保无人直升机飞行高度、飞行速度及喷头位置参数对雾滴在苹果树上的沉积分布的影响,开发出适用于果树喷洒的作业模式,增加了农药的有效利用率,提高了植保无人机的作业质量,为植保无人机作业提供了科学的数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验设备

试验采用深圳高科新农技术有限公司生产的电动单旋翼植保无人机S40。该机型具体性能参数如下:外形尺寸(长×宽×高)为2 219mm×569mm×720mm,主旋翼长度为24 000mm,最大载药量为20L,安全作业速度范围为0～6m/s。试验时,飞机喷杆上安装了5个VK-6空心圆锥喷头,经实际测定,喷头喷雾压力为1MPa,VK-6单支喷头的流量为0.185L/min,总流量为0.925L/min。

环境监测仪器为普希科风向风速仪,以实时监测试验环境中的风速风向;采用希玛AR807温湿度计,记录试验时的温湿度数据。选用诱惑红食品添加剂作为液体染色剂,采用铜版纸(30mm×70mm)作为雾滴采集卡收集雾滴;试验用具还包括曲回针、标签纸、密封袋及米尺等。

1.2 试验设计

1.2.1 喷洒系统喷头间距参数优化试验

试验地点为深圳市大鹏新区华大基因试验田,试验时间为2018年1月30日下午13:00-18:00。选择在宽阔的试验田进行试验,试验田面积为30m×50m。如图1所示:设置两条采样带,每条采样带的长度为12m,采样带之间的间距为10m,采样带的延伸方向与飞机飞行方向垂直,且飞机的航线经过采样带的中点;采样带中相邻2个采样点之间的距离为0.5m,采样点距离地面的高度为0.8m。

(a) 飞机喷施试验实物图

石强等[20]的研究提出,喷杆长度不应超过旋翼的直径。文晟等[21]的研究表明:喷头的位置越靠近主旋翼的边缘,雾滴越容易被翼尖涡流卷吸。综合以上研究,本次试验选用的喷杆长度范围为旋翼直径的85%～90%之间,即喷杆长度为2.1m。喷杆上喷头间距过大和过小都会导致重喷漏喷,为了选择合适的喷头间距参数,试验前进行了大量的喷雾初探测试,通过直观观察和数据分析,得出了一个较佳的喷头间距区间。本研究设计了3种不同的喷头间距,相邻喷头之间的距离分别为:设置一,60、45、45、60cm;设置二,55、50、50、55cm;设置三,50、55、55、50cm。陈盛德等人[22]在研究喷雾参数对水稻雾滴沉积分布的影响试验中表明,飞行高度对靶区采集点影响显著。为避免飞行高度影响喷头最佳间距的判定,将飞行高度也作为试验考察的因素,飞行高度设置为1.5、2、2.5m,据调查,飞控手的常规飞行速度为6m/s,故选用此飞行速度作为试验的飞行速度。表1为喷洒系统试验方案设计表。

表1 喷洒系统试验方案表

表2 正交试验试验方案列表

1.2.2 苹果树喷施参数和飞行参数试验

无人机飞行参数和喷洒系统喷头安装位置参数对农药雾滴在苹果树上沉积分布的影响试验选择在山西省临汾市苹果园内进行,试验时间为2018年5月12日下午13:00-16:30,此时苹果树正值花期。苹果树平均行间距为2.8m×3.1m,树冠厚2.2m,冠层宽度4.8m,果树树高2.6m。选择在一棵果树上进行所有的试验组次,以减小试验误差。试验果树的生长状态处于果园内苹果树的平均生长状态。

根据苹果树花期枝叶的生长情况,在苹果树的生长方向上将果树树冠分为上、中、下3层,分别距离地面的高度为2.4、2、1.5m,上层采样点位于果树冠层表面,中层和下层的采样点靠近果树内侧,以便测试其穿透能力。每层布置6个采样点,6个采样点位于一个圆周上,且将圆等分,即相邻2个采样点之间的夹角为60°,其具体布置方式如图2所示,试验时飞机的航线经过试验果树的正上方。

图2 果树采样点布置图

喷洒系统喷头安装位置参数设计:由直升机飞行原理可知,直升机通过旋翼上下的压差提供升力,旋翼由内往外,转速增大,即空气相对流动速度增大,旋翼下方的下压风场越靠近旋翼边缘越大。结合风场分布规律及喷头间距试验结果,设计了3种喷洒系统喷头安装位置参数。喷杆上分布5个喷头,其中一个喷头位于主旋翼的正下方。设计一:以喷洒系统喷头间距参数优化试验中评价的最优结果相对应的喷头安装位置参数为设计一。设计二:为了探索喷头相对于旋翼位置不变而改变其相对于机体的位置对雾滴在苹果树上分布的影响,将两根喷杆交叉固定使其夹角为90°,调整后的喷头相对于机体延伸方向对称分布,喷头的位置相对于主旋翼位置不变。设计三:为充分利用无人机主旋翼风场,将两侧的4个喷头均移动到交叉喷杆的外侧,使其相对旋翼的位置一致,具体布置方式如图3所示。

(a) 设计一 (b) 设计二 (c) 设计三

通过设计3因素3水平的正交试验,来考察飞行高度、飞行速度和喷头安装方式参数对雾滴沉积分布的影响。考虑到直升机在果树上方飞行的安全性,选用飞行高度2m和2.5m作为两个试验因素水平,采用拟水平法来设计试验,将因素A水平2代替水平1来进行试验。

1.3 设计数据分析处理

1.3.1 设计数据采集与处理方法

每次喷施试验结束后等2min待雾滴全部沉降干燥后采集雾滴测试纸卡,将纸卡放入密封袋内密封保存。在短时间内用扫描仪将测试纸卡承接雾滴数据的一面扫描并存储在电脑上,并用Deposits图像处理软件对每张测试纸上的数据进行分析。

在处理不同喷头间距试验数据时采用雾滴密度变异系数CV[23]来衡量有效喷幅内雾滴喷洒的均匀性,变异系数越大,喷洒越不均匀。用数据处理软件SPSS采用方差分析法对喷头间距试验中喷头间距和飞行高度进行显著性分析,来说明变量因素对试验结果的影响程度。

1.3.2 设计喷施喷幅评价方法

采用雾滴密度参数来判定有效喷幅,根据《中华人民共和国民用航空行业标准》中《植保无人机质量评价技术规范》[24]规定:飞机在进行超低容量喷雾时,从采样区两端逐个测点进行检查,两端首个单位面积雾滴数不小于15滴/cm2的测点位置作为作业喷幅2个边界。

1.3.3 设计气象参数采集

在田间进行喷施雾化试验时,用风速风向仪和温湿度气象站实时记录气象条件,表3为两次试验的气象条件数据。

表3 试验气象参数表

2 设计结果与分析

2.1 设计喷洒系统喷头间距试验数据分析

2.1.1 设计喷幅及雾滴密度变异系数分析

采用雾滴密度和雾滴密度变异系数参数分别来评定无人机喷施时的喷幅和雾滴分布均匀性。从表4中可以看出:当喷头间距为55、50、50、55cm时,无人机在飞行高度为1.5、2、2.5m的喷幅均最大,雾滴密度变异系数均最小,说明在此喷头间距参数下进行喷施作业时效率最高,雾滴分布最均匀。造成这一现象的原因可能是喷头间距为55、50、50、55cm时,喷出的雾滴能最大限度地利用旋翼风场,喷杆上距离中央喷头50cm的两个喷头喷射出的雾滴在风场中做铺展运动,雾滴较为均匀地分散在风场中,因此沉积在冠层的雾滴分布较为均匀。在喷头间距为55、50、50、55cm,飞行高度为2m时,喷幅最大,两条采样带的喷幅均为7m,此时雾滴密度变异系数最小,分别为63%和44.5%,雾滴分布最为均匀。因此,在进行苹果树喷洒时以此喷头间隔参数为设计基准进行飞行参数和喷洒参数的试验研究。

表4 喷幅及变异系数列表

2.1.2 设计显著性分析

根据表4中的数据结果,采用方差分析法可得到表5。

表5 方差分析表

从表5中可以看出:飞行高度Sig.=0.811,P>0.01,喷嘴间距Sig.=0.006,P<0.01,表明喷嘴间距对幅宽的影响达到了极显著水平,而飞行高度对幅宽影响不显著;喷嘴间距和飞行高度对雾滴密度变异系数的方差分析中,喷嘴间距Sig.=0.389,P>0.01,飞行高度Sig.=0.577,P>0.01,说明飞行高度和喷嘴间距对雾滴分布均匀性的影响不显著。

2.2 设计果树喷洒试验分析

2.2.1 设计雾滴密度沉积结果

表6为正交试验的试验结果。从雾滴密度参数角度进行分析,对试验中每层6个采样点做均值化处理,可得到表6中的数据。通过对上中下3层雾滴密度平均值进行变异系数计算,可评价每组试验雾滴在果树冠层的穿透力。通过直观观察9组试验数据可以看出:当飞行高度为2m、飞行速度为2m/s、喷头安装方式为一字型时,雾滴在上中下3层沉积的密度较大,平均雾滴密度分别为237.9、169.95、54.4个/cm2,此时雾滴密度变异系数在9组试验中较小,为60.21%,此参数下进行的喷施作业相比与其他作业参数较优。

表6 正交试验雾滴密度数据列表

2.2.2 设计雾滴沉积极差分析

采用极差分析法处理正交试验的结果,极差值R表示该因素在其取值范围内试验指标变化的幅度,R越大,表示该因素的水平变化对试验结果的影响越大,该因素在试验中就越重要。通过观察表6中的R值,可以看出:因素A、B和C在果树上层的R值分别为50.7、74.8和32.6,对应的各因素的R值从大到小排序为RB>RA>RC,说明影响试验结果的主次因素依次为飞行速度>飞行高度>喷洒系统喷头设置。同理,影响果树中层和下层雾滴分布的主次因素分别为:飞行速度>喷洒系统喷头设置>飞行高度,喷洒系统喷头设置>飞行高度>飞行速度。由于位于苹果树上层和中层的采样点靠近树冠的上部,喷洒出的雾滴在穿越树冠时受到阻碍较小,此时影响雾滴在中上层分布的主要因素为飞行速度,飞行速度越小,单位时间内沉积在叶片上的雾滴量就越多;而雾滴穿越整个树冠到达果树下层时,大部分的雾滴被采样点上层的枝叶拦截,若雾滴的初始状态能够有效利用旋翼风场,使其获得较大的动能,就会增加雾滴穿越果树冠层作用于果树下层的几率,因此决定雾滴初始状态的喷头位置参数尤为重要。

3 讨论与结论

1)在探索电动单旋翼直升机喷洒系统喷头间距和飞行高度对喷幅和雾滴分布均匀性的影响时,根据喷洒幅宽和雾滴密度变异系数的结果,得出飞行高度2m、喷头间距55、50、50、55cm时喷洒幅宽最大为7m,雾滴密度变异系数为63%和44.5%,雾滴分布最为均匀。通过方差分析可知:喷头间距对喷幅具有显著性影响。旋翼风场通过旋翼转动生成,不同旋翼位置风场强度不同,当喷头位于合适的位置时,喷洒出的雾滴在风场中即能均匀地分散开来,又能有效利用风场做铺展运动[25],拓宽有效喷幅。在试验中发现:飞行高度过高,容易产生飘移;飞行高度过低时,雾滴在风场中运动的时间较短,未完全铺展就达到了靶标作物,导致作物上的雾滴分布不均匀,且易损伤作物。

2)通过对苹果树进行飞行高度、飞行速度和喷洒系统喷头安装位置正交试验,可以得到以下结果:影响苹果树上、中、下3层的主次因素分别为飞行速度>飞行高度>喷洒系统喷头设置,飞行速度>喷洒系统喷头设置>飞行高度,喷洒系统喷头设置>飞行高度>飞行速度;在喷施作业中对于苹果树上、中、下3层最佳的因素水平均为:飞行高度为2m、飞行速度为1m/s、采用十字交叉型的喷杆布置方式且其中4个喷头距离交叉点(中央喷头)1.05m,选用此参数进行喷施作业的防治效果可以达到最优水平。

3)综合以上分析,植保无人机在进行植保作业时,不仅要考虑飞行参数(飞行高度、飞行速度)的影响,还应合理利用旋翼风场,设计最佳喷头安放位置参数,将风场与雾场有效地结合起来,达到最佳的防治效果。