P-20植保无人机不同作业参数在月季上有效喷幅的比较分析

杨志恒，刘广甫，孙 艳，林 博，李翰书，张 娟

（1.郑州植物园，郑州 450042；2.河南省工人文化宫，郑州 450000）

随着土地流转速度的加快，土地集约化，现代智能农机的发展已经落后于现代农业的需求.无人机喷洒农药对于一个土地面积广但地形复杂的农业大国来说，具有巨大的经济和社会价值［1］.农用植保无人机因喷洒效果好、无人驾驶、喷雾效率高、适用性好、省药、省水、省人工、减少污染及操控人员安全系数高等诸多优点，在农林业病虫害防治上发展迅速［2-5］.

但是，目前我国无人机植保作业开展还不普遍，在南方一些省份主要用于水稻、茶树、甘蔗等农作物病虫害的防治，在中部和北部一些省份主要用于小麦、玉米等作物的病虫害防治，在西部一些省份主要用于棉花、小麦、果树等作物病虫害的防治［6-12］.月季作为一种常见的园林花卉，种植面积大，种植范围广，但黑斑病、蚜虫等病虫害发生严重，常规人工打药车防治易导致药害，影响月季的观赏效果.小型植保无人机雾滴小、安全系数高，故在月季病虫害防治上具有广阔的应用前景.

无人机作业参数包括飞行速度、飞行高度、施药量、喷雾压力、航线规划等［13-14］.在农业病虫害防治中，飞行参数设置是否合理，对无人机的作业效果有很大影响.植保无人机的喷液量仅为地面机械的数十分之一，药剂浓度很高，雾滴数与雾滴在叶片上的覆盖率相对传统喷洒方式较低.在不同施药条件下，无人机的施药量、飞行高度与速度等对雾滴在植物表面的分布和沉积以及有效喷幅有较大影响［15-18］.植保无人机有效喷幅宽度的准确评定是农业航空精准作业的前提，对其作业航线的规划及喷施作业质量的提升均有着重要意义.使用极飞P-20植保无人机，考察施药量、飞行高度和作业速度对月季上部、中部、下部叶片有效喷幅的影响，为植保无人机作业时航线规划提供依据，提高植保无人机航空喷施作业质量，为植保无人机的精准航空作业提供参考.

1 材料与方法

1.1 试验设备

本试验采用广州极飞科技有限公司提供的P-20 2019款四旋翼电动植保无人机（以下简称P-20植保无人机），外形尺寸1852 mm×1828 mm×403 mm，最大载药量10 L，作业速度范围2～12 m/s，高度范围1～30 m，有效喷幅范围2～5 m，喷头雾化粒径90～300μm.

本试验所用环境监测系统包括便携式风速风向仪和试验用数字温湿度表，雾滴收集处理设备包括雾滴测试卡（中国农业科学院植保所提供）、夹子、回形针、双头万向夹、橡胶手套、密封袋、标签纸等.

1.2 试验方法

1.2.1 试验地点及时间 试验地点位于郑州市城市园林科学研究所荥阳月季基地.时间选择在月季生长较快的5月.挑选生长状况一致（平均株高104 cm）的月季进行无人机测试实验.选择平均风速小于1 m/s的天气进行实验.

1.2.2 采样点布置 选择30 m×10 m矩形地块，植保无人机采用清水进行喷洒，在测绘地块沿直线航线飞行，在垂直于航线方向分别布置3条采集带，每条采集带间隔8 m，每个采集带13个采样点，以中心航线处记为0 m，左右对称布置6个采集点，左右两边的采集点分别依次记为-3.5、-2.5、-2.0、-1.5、-1.0、-0.5 m和0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.5 m.每个采样点在竖直方向将月季冠层分为上（距地面100 cm）、中（距地面60 cm）、下（距地面20 cm）3层，雾滴测试卡用双头万向夹固定在对应月季上、中、下冠层高度的竹竿上（图1）.

图1 试验方案示意图Fig.1 Schematic diagram of the test scheme

1.2.3 作业参数设计 采用3因素3水平的正交设计实验，考察施药量、飞行高度和作业速度对雾滴沉积的影响（表1～3）.

表1 试验因素与水平Tab.1 Test factors and levels

表2 正交试验设计方案Tab.2 Orthogonal experimental design scheme

表3 飞行参数设置Tab.3 The setting of test parameters

1.2.4 数据采集与处理 3条采集带每条设置13个采样点，每个采样点上中下冠层各放置一张测试卡，共9个处理，试验共计13×3×3×9=1053张雾滴测试卡.每次试验完成，待采集卡上的雾滴干燥后，按照序号收集雾滴采集卡，并逐一放入相对应的密封袋中，带回实验室进行数据处理.

将收集的雾滴采集卡逐一用扫描仪（灰度扫描、600×600分辨率）扫描，扫描后的图像通过图像处理软件Deposit Scan（V1.2）进行处理分析，分析每一卡纸的雾滴密度.

1.3 有效喷幅判定方法

雾滴密度判定法：根据《中华人民共和国民用航空行业标准》中“农业航空喷洒作业质量技术指标”规定：在飞机进行超低容量的农业喷洒作业时，作业对象的雾滴覆盖密度达到15个/cm2以上就达到有效喷幅［19］.

2 结果与分析

2.1 月季上部叶片雾滴沉积结果

根据表4中的雾滴密度判定法对P-20型植保机的月季上部叶片有效喷幅进行评定，9个处理的有效喷幅范围分别为-0.5～1.0、-1.5～1.0、-1.5～2.5、-2.5～2.5、-2.5～2.5、-1.0～0.5、-2.5～2.0、-1.5～2.0、-1.0～1.0 m.

表4 月季上部叶片雾滴沉积密度Tab.4 Droplet deposition density on upper leaves of Chinese rose单位：个/cm2

2.2 月季中部叶片雾滴沉积结果

根据表5中的雾滴密度判定法对P-20型植保机的月季中部叶片有效喷幅进行评定，9个处理的有效喷幅范围分别为-0.5～1.0、-1.0～1.5、-1.5～2.0、-2.0～2.5、-2.0～2.5、-1.0～1.0、-2.0～2.5、-1.0～2.0、-1.5～1.0 m.

表5 月季中部叶片雾滴沉积密度Tab.5 Droplet deposition density on middle leaves of Chinese rose单位：个/cm2

2.3 月季下部叶片雾滴沉积结果

根据表6中的雾滴密度判定法对P-20型植保机的月季下部叶片有效喷幅进行评定，9个处理的有效喷幅范围分别为-0.5～1.0、-0.5～0、0、-0.5～0、0、-0.5～0.5、-1.0～0、-0.5～0、-0.5～0 m.

表6 月季下部叶片雾滴沉积密度Tab.6 Droplet deposition density on lower leaves of Chinese rose单位：个/cm2

2.4 P-20植保无人机有效喷幅判定结果

如表7所示，随着飞行作业参数的改变，有效喷幅宽度也发生了变化.P-20植保无人机在月季上部叶片有效喷幅波动范围从≥1.5 m到≥5.0 m，在月季中部叶片有效喷幅范围从≥1.5 m到≥4.5 m，在月季下部叶片有效喷幅范围从≥0.0 m到≥1.5 m，有效喷幅范围逐渐缩小.处理4和处理5在月季上部叶片和中部叶片有效喷幅范围均最大，分别为≥5.0 m和≥4.5 m，其次是处理7在月季上部叶片和中部叶片有效喷幅范围均为≥4.5 m，处理3在月季上部叶片和中部叶片有效喷幅范围分别为≥4.0 m和≥3.5 m.9个处理在月季下部叶片的有效喷幅范围均比较小.P-20植保无人机在月季上部叶片、中部叶片和下部叶片有效喷幅范围分别为≥3.28 m、≥3.17 m和≥0.61 m.

表7 P-20植保无人机有效喷幅判定结果Tab.7 Results of effective spraying range of P-20 plant protection UAV

3 结论与讨论

陈胜德等的研究表明，雾滴密度判定法比50%有效沉积量判定法更适于雾滴粒径相对较小的P-20型植保无人机有效喷幅范围的评定［20］，本实验采用雾滴密度法判定P-20植保无人机在月季上的有效喷幅范围，结果显示P-20植保无人机在月季上部叶片和月季中部的有效喷幅范围分别为≥3.28 m和≥3.17 m，而陈盛德等用雾滴密度判定法评定出P-20植保无人机在水稻上作业的平均有效喷幅范围为≥2.58 m［20］，这与植保无人机飞行时设置的飞行高度、飞行速度、施药量等作业参数有关系.

本实验9个处理在月季下部叶片的有效喷幅范围均比较小，不利于月季下部叶片和根部病虫害的防治.在月季病虫害防治过程中，应根据病虫害种类及危害部位设置合适的无人机飞行路线，或者考虑其他更科学便捷的防治途径.

实验中根据有效喷幅范围初步判定P-20植保无人机处理4、5和7在月季上的作业效果更好，未对各处理的雾滴沉积密度、沉积量、总雾滴数、均匀度、覆盖率等做差异显著性分析，后期继续对试验数据进行更加深入的分析，综合考虑各个因素，以期得出更加科学的结论.