飞行参数对六旋翼植保无人机雾滴在荔枝树冠层沉积分布的影响

潘波 姜蕾 王冰洁 梁敬崎 朱宏宇 白先权 林勇

摘  要：为实现植保无人机施药技术在荔枝病虫害防控中的高效应用，研究了油动六旋翼植保无人机的飞行高度（5、6、8 m）和飞行速度（2.8、3.4 m/s）对雾滴在荔枝冠层的沉积分布及穿透性的影响。结果表明：不同飞行高度对雾滴在荔枝冠层的沉积分布及穿透性影响显著，飞行高度为5 m和6 m时雾滴在荔枝冠层分布及穿透性较好，飞行高度为8 m效果较差。飞行高度为5 m时：飞行速度的变化对雾滴在荔枝冠层分布影响不显著，而对穿透性影响显著，飞行速度2.8 m/s的穿透性显著好于3.4 m/s;飞行高度为6 m时：飞行速度2.8 m/s雾滴在荔枝冠层分布和穿透性均显著好于3.4 m/s;飞行速度为2.8 m/s时：飞行高度6 m雾滴在荔枝冠层分布和穿透性均显著好于5 m。油动六旋翼植保无人机飞行高度和飞行速度均对雾滴在荔枝冠层沉积分布和穿透性有显著影响，此种机型对荔枝树进行植保作业最佳施药参数为飞行高度6 m、飞行速度2.8 m/s。

关键词：油动六旋翼植保无人机;飞行高度;飞行速度;沉积分布;穿透性

中图分类号：S494      文献标识码：A

Abstract： To realize the efficient application of unmanned aerial vehicle （UAV） pesticide application technology in  litchi disease and pest control， the effects of different flight heights （5， 6 and 8 m） and speeds （2.8 and 3.4 m/s） of diesel six-rotor plant protection UAV on the deposition distribution and penetration of fogdropsin litchi canopy were investigated in this study. The results showed that flight height had a significant effect on the deposition distribution and penetration of fogdrops in litchi canopy. When the flight height was 5 m and 6 m， the distribution and penetration of fog droplets in the litchi canopy was better， while that for the flight height 8 m was poor. When the flight height was 5 m， the change of flight speed had no significant effect on the distribution of fog droplets in the litchi canopy， but had a significant effect on the penetrability， the penetration at 2.8 m/s was significantly better than that at 3.4 m/s. At the flight height of 6 m， the distribution and penetration of fog droplets in the litchi canopy were significantly better than that at the flight speed of 2.8 m/s than 3.4 m/s. When the flight speed was 2.8 m/s， the distribution and penetration of fog drops in the litchi canopy at the flight height of 6 m were significantly better than that of 5 m. The flight height and flight speed of diesel six-rotor UAV had significant effects on the deposition distribution and penetration of fog droplets in litchi canopy. Our data suggested that the optimal application parameters of the adopted type of UAV for litchi planting protection are 6 m in flight height and 2.8 m/s in flight speed.

Keywords： diesel six-rotor UAV; fight height; flight speed; deposition distribution; penetration

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2021.01.029

随着我国城镇化的推进，大量年轻劳动力涌进城市，導致农村劳动力短缺，农业用工成本上升。目前我国农业生产仍以手工及半机械化操作为主[1]，尤其是植保作业仍以手动喷雾和电动喷雾器为主，劳动强度大，作业效率低，已不符合我国农业发展的需要。近年来，航空植保以其作业效率高、作业成本低、农药利用率高等特点[2-3]在我国取得了飞速发展。据调查，植保无人机保有量2014年为695架，2016年增至4262架，2019年高达5万余架。植保无人机从动力部件类型上可分为油动植保无人机、电动植保无人机、油电混动植保无人机等。据统计，我国植保无人机电池动力机型占80.3%，油动力机型约占19.7%[4]。油动植保无人机大多为单旋翼，电动植保无人机大多为多旋翼，而油动多旋翼机型相对较少，但其既具有油动无人机载荷量大、续航时间较长、下压风场强等特点，又具有多旋翼无人机飞行稳定性好、易操控等特点[5-6]，应用前景广阔。然而，迄今缺乏油动多旋翼无人机施药方面的研究数据。

热带水果的生产状况对我国农业经济发展有着重要的意义和深远的影响。热带水果产业的发展对帮助热区农民脱贫致富起到了重要的作用。采用自动化高效的现代施药技术和方法，不仅可以解决果园劳动力短缺的要求，还可以提高农药的使用效率，达到农药减施增效的目的。而植保无人机在这方面无疑具备了很大的潜力，其喷药效率比常规植保药械要高出10倍以上，可以成为果树病虫害大面积快速统防统治的突破点，实现节本增效。无人机也可以在丘陵、山区和坡地等复杂地形进行作业，目前已在禾本科大田作物上广泛应用。国内外学者针对无人机在小麦[7-10]、水稻[11-14]、玉米[15]等大田作物的施药技术进行了大量研究。相比禾本科大田作物，果树冠层和生长环境更为复杂，而目前对植保无人机在果树上的雾滴分布情况研究较少[16]，我国相关的作业标准和技术规范相对较匮乏，大部分的飞防作业者全凭经验或参考常规施药器械进行田间作业。我国现阶段无人机发展迅速，生产厂家、机型较多，加上我国农作物种类较多，作物冠层复杂，作业环境复杂多样，为确保防治效果，保证雾滴最大限度的沉积在作物冠层，根据植保无人机的机型、作物冠层、作业环境等因素来选择合适的作业参数势在必行。

作为热带地区典型果树，荔枝树的冠层复杂，环境高温高湿，用药次数多，加上劳动力短缺的问题，对无人机施药的需求大，然而小型无人机喷施效果并不不理想。根据前人研究结果，植保无人机的飞行参数对雾滴在作物冠层的沉积分布影响显著，飞行速度和高度是其中最主要的2个飞行参数[3， 10， 17-18]。但目前关于无人机雾滴在果树冠层分布和穿透性的研究鲜有报道，特别是大载量油动无人机。油动无人机载荷量可达30 L以上，目前有企业研发出了载荷70 L的机型，但尚未进入规模应用[4]。本研究通过分析载荷达60 L的油动植保六旋翼无人机的雾滴分布，以期得到此型号无人机对荔枝树冠层的雾滴沉积情况，进而优化飞行参数，得到最佳施药参数，为田间无人机施药提供参考依据，并为制订荔枝树无人机施药作业规范提供基础数据。

1  材料与方法

1.1  材料

1.1.1  仪器与设备  本研究采用北京天和智航信息科技有限公司生产的TH-X60型油动六旋翼植保无人机，飞控系统为全自动方式，可以定高定速飞行作业，主要技术参数见表1。喷洒系统为压力喷雾系统，喷头为扇形喷头。雾滴测试卡，重庆六六山下植保科技有限公司;AVM-01型风速仪，台湾泰仪电子股份有限公司;HTC-1型温湿度计，江苏常州鑫旺仪表有限公司;回形针，深圳齐心集团股份有限公司;ES-60W扫描仪，日本精工爱普生公司。

1.1.2  试验地点与供试作物  试验于2019年11月30日在海南省海口市三门坡镇中国热带农业科学院环境与植物保护研究所荔枝试验基地进行，荔枝树龄16 a，树高为3.23～3.76 m，种植行距为5 m，株距为4 m。

1.2  方法

1.2.1  不同飞行高度对荔枝树冠层雾滴沉积分布和穿透性的影响  植保无人机按平行种植行进行飞行作业，试验每个小区面积为24 m×30 m，每小区至少设置6条航线，在中间两条航线之间随机选一棵树进行采样，采样点的布置见图1。试验共设置3个飞行高度（飞行高度指植保无人机作业时距作物顶部的高度）参数分别为5、6、8 m，速度3.40 m/s，喷头流量为3.60 L/min，每个飞行高度作业3次，共进行9次作业。

1.2.2  同一飞行高度下不同飞行速度对荔枝树冠层雾滴沉积分布和穿透性的影响  植保无人机按平行种植行进行飞行作业，试验每个小区面积为24 m×30 m，每小区至少设置6条航线，在中间两条航线之间随机选一棵树进行采样，采样点的布置见图1。设置2个飞行高度参数分别为5、6 m，2个飞行速度参数为2.8、3.4 m/s，喷头流量为3.60 L/min，比较飞行高度分别为5 m和6 m时，改变飞行速度对荔枝树冠层雾滴沉积分布的影响，每个参数作业3次，共进行12次作业。

1.2.3  每株荔枝树采样点的设置  果树表面冠层沉积分布采样点设置：根据果树的冠层特点，树龄较大、树体1 m以上才有冠层，冠层厚度在1 m左右，所以采样点分为上、下2层，下层距地面1.5 m，上层距地面3 m，每层按4个采样点，每个采样点在叶片的正、反两面用曲别针放置2张雾滴测试卡，如图1，每层以最靠近无人机飞行方向的一侧设为第1个采样点，逆时针方向转90°放为第2个采样点，同理放置其他2个采样点。

雾滴穿透性采样点设置：由于荔枝树冠层厚度在1 m左右，采样点设置如图1，在冠层顶部设置1个采样点，垂直往下0.5 m处设置第2个采样点，第2个采样点垂直往下0.5 m处设置第3个采样点，每个采样点在叶片的正反面用曲别针放置2张雾滴测试卡。

1.3  数据处理

每次作业前布置好雾滴测试卡，完成作业后，将雾滴测试卡包好，密封保存后带回实验室扫描后用图像处理软件Deposit Scan进行数据处理，得出雾滴沉积密度、雾滴覆盖率和单位面积上的沉积量，使用SPSS 20.0软件对数据进行统计分析。

2  結果与分析

2.1  不同飞行高度对荔枝树冠层雾滴沉积分布的影响

不同飞行高度荔枝树冠层上层和下层雾滴沉积分布情况见表2、表3。冠层上层叶片正面与反面的雾滴密度、覆盖率和沉积量在飞行高度为5 m和6 m时无显著性差异，均显著高于飞行高度8 m时对应的数值。表明飞行高度5 m和6 m时，冠层上层雾滴分布好于飞行高度8 m。表3数据显示，飞行高度为5 m时冠层下层叶片正面反面雾滴密度、覆盖率和沉积量均显著高于飞行高度为6 m和8 m时，而飞行高度为6 m时冠层下层叶片正面反面雾滴密度、覆盖率和沉积量与飞行高度8 m时差异不显著。3个飞行高度叶片反面雾滴密度也明显低于叶片正面。表明TH-X60型油动六旋翼植保无人机飞行高度为5 m和6 m时冠层雾滴分布较好，8 m时雾滴分布较少，不应选择在飞行高度为8 m时进行植保作业。

2.2  不同飞行高度对雾滴穿透荔枝树冠层的影响

结果表明，3个飞行高度下3个采样点叶片背面均基本没有雾滴，下层叶片正面也基本没有雾滴。不同飞行高度穿透上层和穿透中层叶片正面的雾滴分布情况见表4，飞行高度为5 m时顶层叶片正面雾滴数为32.140个/cm2，覆盖率为3.581%、沉积量为0.083 μL/cm2，显著高于其他2个飞行高度。飞行高度为6 m时中层叶片正面雾滴数为12.570个/cm2、覆盖率为0.952%、沉积量为0.027 μL/cm2，显著高于其他2个飞行高度。表明TH-X60型油动六旋翼植保无人机飞行高度为5 m时顶层雾滴分布最好，飞行高度6 m时雾滴的穿透性更好。

2.3  同一高度下不同飞行速度对雾滴在荔枝树冠层分布的影响

经飞行高度试验筛选得出的较理想飞行高度为5 m和6 m，在此条件下，不同飞行速度时雾滴分布情况如表5和表6所示。飞行高度为5 m，不同飞行速度时雾滴在荔枝树冠层分布（雾滴密度、覆盖率和沉积量）均无显著性差异;飞行高度为6 m时，飞行速度为2.8 m/s荔枝树冠层的上层下层叶片正面的雾滴密度、覆盖率和沉积量显著高于飞行速度为3.4 m/s;飞行速度為2.8 m/s荔枝树冠层的上层叶片反面的雾滴密度、覆盖率和沉积量显著低于飞行速度为3.4 m/s，下层叶片反面在2个飞行速度之间无显著性差异。4种飞行参数冠层叶片反面雾滴密度只有正面雾滴密度的7.299%～34.727%之间。结果表明，试验飞机飞行高度为6 m、速度为2.8 m/s时，荔枝树冠层叶片正面雾滴分布效果较好;飞行高度为5 m或6 m，速度为3.4 m/s时叶片反面雾滴分布效果较好，此飞行参数防治叶片反面的害虫相对好一些。

2.4  同一飞行高度下不同飞行速度对雾滴穿透荔枝树冠层的影响

研究了飞行高度为5 m和6 m时不同飞行速度雾滴穿透荔枝树冠层情况，试验发现穿透上层、中层、下层叶片反面基本没有雾滴。穿透上层、中层、下层叶片正面雾滴分布情况见表7，植保无人机飞行高度为5 m时，速度为2.8 m/s时穿透上层、中层和下层正面的雾滴密度、覆盖率和沉积量均显著高于速度为3.4 m/s;植保无人机飞行高度为6 m时，速度为2.8 m/s时穿透上层、中层和下层正面的雾滴密度、覆盖率和沉积量也均显著高于速度为3.4 m/s;速度为2.8时，飞行高度为6 m时冠层穿透上层、中层正面雾滴密度、覆盖率和沉积量也均显著高于飞行高度为5 m，冠层穿透下层由于雾滴较少，飞行高度为6 m雾滴密度显著高于飞行高度5 m，而覆盖率和沉积量二者无显著性差异。结果表明，试验用植保无人机在飞行高度为6 m、速度为2.8 m/s时雾滴穿透性最好。

3  讨论

据统计，我国现有植保机型约230多种，其中多旋翼约占78%[4]。多旋翼植保无人机大多为电动驱动，具有易操控、造价低等优点，然而其载药量较小，一般为5～20 L，航时短，单架次作业面积小，且需配制发电机和多块电池，大大影响了其作业效率。油动植保无人机因采用燃油驱动，大大增加了续航时间和载药量。但是目前油动无人机多为单旋翼，技术门槛高，造价高，操控难度大。TH-X60型油动植保六旋翼无人机兼具了多旋翼的易操控、油动机的大载荷量（最大载药量达60 L）和长续航（满载续航40 min）等性能，具有广阔的市场前景。本研究首次将其应用于热区典型果树——荔枝树的飞防作业，研究其飞行参数对雾滴在荔枝树冠层分布及穿透性的影响，以实现植保无人机施药技术在荔枝病虫害防控中的高效应用，提高荔枝病虫害防控水平。

飞行高度和速度是影响无人机施药效果的2个主要影响因素[17-18]，本研究结果表明飞行高度对TH-X60型油动植保六旋翼无人机雾滴在荔枝冠层的沉积分布及穿透性影响显著。相同飞行速度下，飞行高度为5 m和6 m时冠层雾滴分布较好，8 m时冠层雾滴分布最不好，飞行高度为6 m时雾滴穿透性最好。由于多旋翼无人机下方风场是影响航空施药雾滴沉积的重要因素[12]，飞行高度越高，旋翼下方紊流风场和外界风场影响越大，使风场极不稳定，气流运动由垂直运动变为水平运动[19]，漂移越严重，导致雾滴不能有效沉积在冠层[20-22]，且冠层上方风场减弱，导致雾滴无法穿透冠层。飞行高度过低时，无人机风场太强，会导致果树冠层向四周倒伏，同样不利于雾滴附着和穿透。杜文等[23]发现，无人直升机飞行高度太高使水稻的雾滴沉积明显减少，且使雾滴沉积较大区域偏离飞行中线，不易被目标捕获。Zhang等[24]研究载药量6 L的多旋翼植保无人机飞行高度在0.5～1.5 m时柑橘冠层的雾滴分布，发现飞行高度对雾滴分布有较大影响，最佳施药高度为1 m。可见一般多旋翼无人机飞行高度在作物冠层上1～3 m，TH-X60型油动植保六旋翼无人机周围风场比一般的多旋翼无人机更强，较强的风场有利于雾滴的分布和穿透[11]。

同一飞行高度下，飞行速度为2.8 m/s时雾滴穿透性显著高于速度为3.4 m/s，飞行高度为6 m时，较慢的飞行速度雾滴在冠层的分布也较好，雾滴的穿透性也较好。飞行速度过快，无人机下方风场对冠层的作用时间过短，风场未对作物冠层产生有效作用力;飞行速度过慢，又会降低作用效率增加作业成本。有研究表明飞行速度对旋翼无人机所形成的风场峰值影响较大，飞行速度越低峰值风速越大[25]。王昌陵等[26]研究表明，植保无人机采用超低量喷雾技术，雾滴粒径较小，过高的飞行速度使雾滴在旋翼下旋风场和环境风场的影响下更容易蒸发和飘失，适当降低飞行速度可以提高雾滴沉积量并提升作业效果。本研究结果显示，无人机施药叶片反面的着药量远远不及叶片正面，虽然在飞行参数为高度6 m、速度2.8 m/s时雾滴的分布和穿透性都最好，但是在冠层下层和雾滴穿透性试验中叶片反面基本没有雾滴，可见无人机施药对叶片冠层下层和内部叶片反面的害虫防治有一定的难度。

综上所述，本文研究了不同飞行高度和速度对雾滴在荔枝树冠层的分布和穿透性的影响，发现飞行高度和速度对油动六旋翼植保无人机在荔枝冠层的雾滴分布均有显著影响，因此在喷头流量一定的情况下，TH-X60型油动植保六旋翼无人机在飞行高度为6 m、飞行速度为2.8 m/s时，雾滴在冠层叶片正面的分布和穿透性都最佳。

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责任编辑：崔丽虹