基于变量喷施的植保无人机水稻田间除草雾滴沉积分布特性研究

刘益含，金伟达，郭 爽，姚伟祥 ,b，于丰华,b，陈春玲,b

（沈阳农业大学 a.信息与电气工程学院；b.辽宁省农业信息化工程技术研究中心，沈阳 110161）

水稻是我国最主要的粮食作物，田间杂草是影响水稻生长的重要因素之一。据统计，每年由杂草、病虫害引起的水稻产量损失率高达15%以上。因此，有效进行田间除草成为确保水稻高产优质的一项重要植保措施。目前，应用最为高效的是通过植保无人机进行变量喷施化学农药除草作业，较传统除草技术而言，具有作用持久，节省人力，可有效检测杂草位置并设置喷施农药等优点。农药利用率偏低一直是农业生产中急需改进的问题，据2020年统计结果表明，我国农业生产中施用农药利用率约为40%，高达60%的农药被浪费，这将带来环境污染、作物安全性降低等问题。因此，有效提高植保无人机农药喷施利用率是当前要解决的首要问题。

对于农药利用率的提高，关键在于增强雾滴沉积效果，研究发现，提升有效沉积的方法主要集中在如何减少雾滴飘移量以及获得最佳作业粒径这两个方面。喷头作为航空施药系统的关键部件之一，它的设计与正确选取对于获得最佳雾滴沉积效果具有一定的重要性。何勇等从喷嘴压力与流量、喷头喷雾角、防堵塞性以及最佳作业粒径4个方面分析了如何进行喷嘴选型，为减少药液飘移,提升防治效果提供参考；HEWITT于澳大利亚昆士兰大学的风洞设施、美国新墨西哥州立大学的风洞设施以及英国阿斯科特帝国学院的喷雾室，比较了不同喷头的雾滴粒径谱，获得喷头粒径的最佳作业参数，以提高作业效果。此外，添加助剂对抗飘移以及增加雾滴粒径上也有一定程度的影响，兰玉彬等研究了Ultimate、Starguar4A、Starguar4、Atplus Mso-Hs500、迈飞以及倍达通6种喷雾助剂对雾滴沉积特性的影响，结果表明添加倍达通助剂可以使沉积效果更为显著，有助于减小雾滴飘移；LAN等将4种不同助剂对雾滴飘移的影响效果进行验证，结果显示，添加助剂有助于减轻雾滴飘移，同时，不同助剂对于雾滴粒径尺寸的影响也有所不同。

为了更好优化喷施作业质量，获得最佳喷施效果，一些学者将喷头雾化性能测试与田间植保无人机试验相结合，进而分析雾滴沉积效果。王国宾等分析了室内冬麦除草剂溶液对离心雾化喷头喷洒雾滴粒径的影响，同时，在田间试验测定植保无人机喷洒雾滴飘移分布情况，将二者结合，得出不同风速对飘移距离的影响规律；GULER 等在风洞、温室两种环境下测试了空气导流扁平扇形喷头和常规型扁平扇形喷头的雾化性能。结合以上研究发现，目前仍较为缺乏相关的雾滴沉积模型，在未来研究中仍然需要大量积累数据以准确分析雾滴沉积效果。

针对上述问题，本研究以植保无人机变量喷施雾滴沉积分布特性为主要研究目标，基于大疆T30植保无人机（深圳大疆创新科技有限公司）展开田间施药研究。首先测试其选配扇形喷头的雾化性能，分析在不同喷洒流量下的雾化粒径。在此基础上，以田间除草为目的，对田间水稻进行变量施药，进一步研究航空喷施雾滴的沉积特性，并探究了雾滴的飘移特性，以期为提高农药利用率、减少雾滴飘移以及改善变量施药作业质量提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验设置

本研究分为室内和田间试验两个部分，分别为：（1）SX110015VS型航空喷头室内雾化效果测试试验；（2）植保无人机变量喷施水稻田间除草作业沉积效果测试试验。

1.2 喷头雾化性能测试

1.2.1 室内试验设计 试验采用DP-02 激光粒度仪（珠海欧美克仪器有限公司）测定T30 植保无人机配套的SX110015VS 型航空喷头的雾滴粒径分布，激光粒度仪发射器和接收器间距设置为120cm，水平放置在两侧工作平台上，喷头置于激光正上方，喷头距离激光线间距为40cm，激光线垂直穿过喷雾羽流，具体布置方式如图1。

田间作业时，大疆T30 植保无人机是通过喷雾流量设置的方式改变喷雾压力，进而改变雾滴粒径的大小，经植保无人机飞行参数的设定可以推算出本研究田间试验的单喷头流量约为0.405L·min，故在喷头雾化性能测试中设置0.35，0.40，0.45L·min共3 种单喷头喷施流量。如表1 所示，用于室内试验的SX110015VS 型航空喷头数量为5个，依次命名为110015-1，110015-2，110015-3，110015-4，110015-5。通过激光粒度仪依次对3 种流量下的5 个喷头进行雾滴粒径测试，每个喷头测定5 次，并记录每次测试时对应的喷雾压力。测试过程中室温及空气湿度均保持恒定，试验介质为清水。

1.2.2 雾化性能评价方法 试验中得到的

Dv

、

Dv

、

Dv

（分别表示雾滴粒径由小到大累加到占全部雾滴体积的10%、50%、90%时对应的粒径值）以及

V

、

V

（分别表示雾滴直径小于200μm、雾滴直径大于300μm 的雾滴累积体积占总雾滴体积百分比）均为评价喷头雾化性能的参数。

RS

（相对粒径谱宽度），也称雾滴分布跨度，同样是评价雾滴分布均匀性的指标之一，RS越小代表雾滴分布均匀性越好，

RS

计算公式为：

1.3 植保无人机田间试验

1.3.1 试验设备及地点 田间试验采用大疆T30植保无人机（图2）进行航空喷施作业，该植保无人机主要性能以及喷施主要指标如表1。

表1 T30植保无人机主要性能以及喷施参数
Table 1 Main performance of the T30 plant protection drone and spraying parameters

主要技术参数Main technical parameters最大载药量Maximum load/L作业高度Working height/m作业速度Working speed/(m·s-1)喷头数Number of nozzles/个有效喷幅Effective spray width/m喷头型号Nozzle type规格及数值Specifications and values 30 2.6 6 16 6 SX110015VS

图2 T30植保无人机及试验田地Figure 2 T30 plant protection drone and test plots

本研究采用瑞士先正达作物保护有限公司的雾滴采集卡-水敏纸（26mm×76mm）采集雾滴覆盖率、雾滴粒径以及雾滴沉积密度等关键信息，同时使用的设备与材料还有kestrel微型气象站及大疆精灵航拍无人机（深圳大疆创新科技有限公司）。

试验地点位于辽宁省鞍山市沈阳农业大学海城水稻种植基地，试验时间为2021年6月20日，水稻生长期为分蘖期，试验当天环境条件较为稳定，平均温度为26.83℃，相对湿度为48.61%，风速为0.85m·s，风向为北风。作业总面积为1.706hm。其中，区域1，2，3，4 面积分别为 0.133hm，区域 5 和 6 面积分别为 0.267hm，区域 7，8，10 面 积 分 别 为 0.160hm，区 域 9 面 积 为0.080hm，区域 11 和 12 面积分别为 0.040hm。试验农药配比浓度为陶氏益农稻杰（陶氏化学公司）0.90L·hm、灵斯科·杰（科迪华农业科技公司）0.75L·hm、利飞助剂（迈润斯农业科技发展有限公司）稀释200倍，三者混合喷施，喷施量为30L·hm。

1.3.2 试验设计与采样点布置 根据施药处方图，试验田设置了12 个作业区域，每个区域随机选取5 个采样点（图3）。其中，作业区域3，7，8，9，11为喷施农药区域，作业区域1，2，4，10，12为不喷施农药区域，作业区域5和作业区域6 为不作业区域（植保无人机既不喷施也不飞临）。此外，植保无人机变量施药中变量只为喷施和不喷施，所有喷施区域作业参数设定相同。同时，设置3条飘移采集带，每个飘移采集带放置19张水敏纸。其中，在临近喷施区域南侧的两排田块分界树上分别布置2层水敏纸，两排树间距为4m。同时，由北至南方向按照等距1m依次水平布置15张水敏纸。本试验沉积区与飘移采集带共包含117张水敏纸。

图3 采集点布置示意图Figure 3 Schematic layout of collection points

1.3.3 沉积飘移特性评价方法本 研究采用沉积量变异系数（

CV

）来检测田间试验中各作业区域的雾滴沉积均匀性。其中，CV 值越接近0 时，代表沉积均匀性越好，喷施质量也相应越好。沉积量变异系数计算公式为：

式中：

S

为试验区域采集点沉积量标准差；

X

为区域各采集点沉积量（μL·cm）为试验区域各采集点的沉积量均值（μL·cm）；

n

为试验区域采集点个数。

另外，针对雾滴飘移情况采用飘移最远作用距离进行分析，自飘移采集带采集方向进行飘移量的累积，当累积飘移量达到总飘移量的90%时所对应的飘移测定距离，为最远飘移影响距离。各采集点的喷雾飘移量与喷施量占比计算公式为：

式中：

N

为各采集点喷雾飘移量所占喷施量的百分比；

X

为单位面积喷施量（L·hm）。

1.4 数据处理

待田间试验结束后，将布置的水敏纸依次进行编号并带回实验室，使用扫描仪进行扫描，扫描后的数据采用Depositscan软件（美国农业部）进行图像分析处理，得到

Dv

、

Dv

、

Dv

以及雾滴覆盖率、沉积密度、雾滴沉积量等数据。为了更全面的描述试验中雾滴粒径的分布情况，进一步将粒径分为＜100μm，101～200μm，201～300μm，301～400μm，401～500μm，501～600μm，和＞600μm 共7 个粒径谱区间。同时，由飘移采集带数据处理得到的飘移率与激光粒度仪测得的喷头雾滴粒径等数据等相关信息，共同使用Microsoft Excel 2019（微软公司）、SPSS26.0（IBM公司）、Origin2018（OriginLab公司）软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 SX110015VS型航空喷头的雾化性能

由表2 可知，随着喷施流量的增加，喷施压力随之增加，喷头粒径随之减小。

Dv

的均值变化范围为79～93μm，

Dv

的均值变化范围为150～172μm，

Dv

的均值变化范围为251～272μm。根据喷头雾化尺寸分级标准可知，5 个测试喷头均处于细（Fine）的雾化等级，各待测喷头喷施的雾滴粒径尺寸较小，喷施效果表现为稳定。因小雾滴比例逐渐增大，直径小于200μm 的雾滴累积体积占总雾滴粒径体积百分比变大。经测算得，在0.35，0.40，0.45L·min3 种流量下，

V

分别占比65%、72%和76%，

V

仅占6%、4%和5%，表明此种喷头粒径主要分布在200μm 以下，300μm 以上的大雾滴较少。此外，在3 种喷施流量下，

RS

的变化范围为1.04～1.15，接近于1，说明雾滴均匀性较好，由此进一步表明此型号喷头具有良好的雾化性能。

表2 3种喷施流量下各待测喷头雾滴粒径测定结果
Table 2 Results of particle size determination for each spray nozzle to be tested at three application rates

注:数据为均值±标准差，同列不同小写字母表示在0.05水平差异显著。
Note:Data are mean±standard deviation,different lowercase letters in the same column indicate significant differences at the 0.05 level.

喷施流量/(L·min-1)Spray rate喷施压力/MPa Spray pressure 0.350.09 0.400.11 0.450.15喷头编号Nozzle number 110015-1 110015-2 110015-3 110015-4 110015-5均值Mean 110015-1 110015-2 110015-3 110015-4 110015-5均值Mean 110015-1 110015-2 110015-3 110015-4 110015-5均值Mean Dv0.1/μm(94±1.1)a(93±1.15)a(94±2.14)a(93±1.2)a(89±0.6)b 93(84±0.35)bc(83±0.54)c(85±0.47)a(84±0.23)ab(84±0.50)ab 84(79±1.07)a(77±0.64)b(78±0.55)b(81±1.11)a(80±0.50)a 79 Dv0.5/μm(173±0.64)b(170±1.48)c(177±1.53)a(173±0.45)b(168±0.68)c 172(159±0.90)b(156±0.97)c(162±0.31)a(160±0.42)a(159±1.10)b 159(150±1.13)b(148±1.29)c(154±0.74)a(151±0.64)b(150±0.49)b 150 Dv0.9/μm(272±0.91)b(263±1.51)c(284±3.12)a(274±0.92)b(265±0.89)c 272(257±3.69)ab(256±5.50)ab(262±2.16)a(255±5.06)ab(250±1.65)b 256(244±1.58)b(244±9.44)b(259±10.70)a(256±1.92)ab(254±2.07)ab 251 V＜200/%(65±0.26)b(67±0.81)a(62±0.78)c(65±0.22)b(68±0.41)a 65(72±0.25)ab(73±0.66)a(70±0.30)c(72±0.23)b(73±0.65)ab 72(77±0.51)ab(77±1.01)a(74±0.79)d(75±0.35)c(76±0.32)bc 76 V＞300/%(6±0.29)b(4±0.21)d(8±0.33)a(5±0.25)c(5±0.15)c 6(4±0.62)ab(5±1.02)a(5±0.35)ab(4±1.12)ab(4±0.26)b 4(4±0.34)a(4±1.35)a(5±1.68)a(5±0.25)a(5±0.19)a 5 RS(1.03±0.013)b(1.00±0.008)c(1.08±0.013)a(1.05±0.008)b(1.04±0.007)b 1.04(1.09±0.028)ab(1.11±0.034)a(1.09±0.011)ab(1.06±0.033)b(1.05±0.008)b 1.08(1.10±0.02)b(1.13±0.052)ab(1.18±0.064)a(1.16±0.016)ab(1.16±0.011)ab 1.15

2.2 田间试验

2.2.1 雾滴覆盖率、沉积密度与沉积量分析 雾滴覆盖率、沉积密度与沉积量是衡量雾滴沉积特性的重要指标。图4 为植保无人机在沉积采集区的雾滴覆盖率、沉积密度和沉积量，三者在各个区域中变化规律较一致。经统计分析知，喷施农药区域和不喷施农药区域的雾滴覆盖率均值分别为9.410%和5.552%，雾滴沉积密度均值分别为71.540 个·cm和37.334 个·cm，雾滴沉积量均值分别为0.687μL·cm和0.468μL·cm，喷施农药区域的覆盖率、沉积密度以及沉积量均值高于不喷施农药区域。其中，不喷施农药区域2的雾滴覆盖率与沉积量要比喷施农药的区域3 高，分析原因为：植保无人机飞行航线是由区域4 飞至区域1，进行往复式作业，而现在植保无人机变量施药技术普遍存在延迟性问题，在植保无人机飞临区域2时，植保无人机的变量喷施系统未能灵敏的做出响应。同为不喷施区域2 和区域1 的雾滴覆盖率、沉积密度与沉积量极差分别为14.116%、84.42个·cm和1.338 μL·cm，差值较大，这是由于植保无人机飞临区域1 时喷施系统趋于稳定。此外，区域5 和区域6 为植保无人机既不喷洒也不飞临的区域，故雾滴覆盖率、沉积密度以及沉积量均很低，与植保无人机实际飞行情况相符合。

图4 各区域雾滴覆盖率、沉积密度以及沉积量分布情况Figure 4 Distribution of droplet coverage, deposition density and deposition volume by region

2.2.2 沉积均匀性分析 由图5 可知，无论是否喷施农药，各区域的雾滴沉积分布都不均匀。其中，区域2、区域4 以及区域9 变异系数分别高达117.15%、107.55%和118.74%，是所有沉积采集区中最高的3 个区域。造成这种现象的原因分析可能为：（1）采集点是在试验区随机布点，随机采样，同时，植保无人机自动飞行致流量实时变化，雾滴沉积均匀性则会随之较差；（2）植保无人机在从区域4 经区域3 飞临区域2 的过程中，植保无人机作业速度较快，作业区域相隔太近，植保无人机未能立即设置为不喷施，已经飞临到下一个作业区域。同时，在系统设置变量喷施的一瞬间，旋翼风场受到飞行参数变化的影响而发生改变，致使均匀性变差，符合真实飞行真实情况；（3）最后，与当天环境因素密不可分，风速会导致一定程度上的小雾滴发生飘移，不同时段风向也有所改变，进而影响雾滴沉积均匀性。

图5 各区域沉积均匀性分布情况Figure 5 Distribution of deposition uniformity by region

2.2.3 雾滴粒径分析 图6 为喷施农药区域3，7，8，9 以及11 的雾滴粒径谱占比图，图7 为不喷施农药区域1，2，4，10，12 以及不作业区域5，6 的雾滴粒径谱占比图。其中，可以清晰看出各个区域之间粒径谱分布较为规律，大多集中在0～200μm 之间。经统计得到，区域3，7，8，9，11 的雾滴粒径在200μm 以下分别占比67.36 %、69.80 %、66.68 %、65.28%以及75.92 %，区域1，2，4，10，12 的雾滴粒径在200μm 以下分别占比为53.71 %、69.14%、72.30%、66.15%和66.02%，均处于较高的占比。另外，喷施农药区域处于300μm 以上的粒径比例为14.73%、13.40%、13.38%、16.75%和7.69%（区域3，7，8，9，11），不喷施农药区域 300μm 以上的粒径比例为27.29%、14.64%、9.02%、11.93%和14.55%（区域1，2，4，10，12）。结合上文提到的喷头雾化性能测试结果2.1，发现300μm 以上的雾滴粒径谱占比有较大提升，这是由于喷头雾化性能测试介质是水，而在田间试验时喷施的是农药，并且其中添加了利飞助剂。有相关学者研究发现添加助剂有助于增大雾滴粒径，在一定程度上减少飘移。同时，不作业区域5 和6 的粒径在0～100μm 的小雾滴高达71.91%和66.10%，这是因为不作业区域的雾滴主要源于作业区发生飘移，而粒径越小的雾滴越容易发生飘移。

图6 雾滴粒径谱百分比分布情况Figure 6 Percentage distribution of spray droplet size

2.2.4 雾滴飘移情况分析 对各条飘移采集带的喷施飘移情况进行统计，其中，采集点1，3与采集点2，4分别设立在道路两旁的树上与树下，为便于分析，故将采集点1 和采集点2 以及采集点3 和采集点4 分别取飘移量均值，最终飘移情况如图7。图7 中3 条飘移采集带的雾滴飘移量均有明显下降趋势，且变化规律较一致。鉴于有树木阻挡，在第2、第4个采集点，即飘移测定距离4m处的雾滴飘移量已经有较大程度上的降低，飘移测定距离达8m 以上时，水敏纸收集到的雾滴非常少。飘移采集带1，2，3 的飘移量总和分别为0.043，0.058，0.051μL·cm，飘移采集带2 的飘移量比飘移采集带1 和3 多的原因是：飘移采集带2 的采集点位于区域1 和3中间的直线上，喷施沉积量多于其他区域，因此飘移量也随之增多。飘移量累积到总飘移量的90%时，对应其飘移测定距离为6.55，13.2，12.3m，飘移采集带2为3条飘移采集带中最长距离，因此在植保无人机作业前建议预留14m以上的缓冲区。

图7 各飘移采集带飘移特性Figure 7 Drift characteristics of each drift collection zone

同时，为了表明飘移测定距离对于各个飘移采集带飘移量的影响，对飘移测定距离和飘移量进行显著性分析。经检验，在显著性水平

α

= 0.05 条件下，距离对于飘移采集带1，2，3 的飘移量均影响显著(

p

=0.037、

p

=0.013以及

p

=0.006)。

图8为飘移采集带的雾滴粒径分布情况，由于后期检测发现飘移采集带中雾滴粒径在400μm 以上的大雾滴十分少，故将粒径谱分为＜100μm、101～200μm、201～300μm、301～400μm 以及＞400μm 共 5 个区间。由图 8可知，飘移采集带的粒径尺寸越小，粒径所占百分比越大，飘移采集带1，2，3中粒径在200μm以下的占比高达86.84%、85.89%和88.19%，与不作业区5 和6 相同，表明小雾滴易发生飘移。为防止雾滴大量飘移，结合2.1节喷头性能测试结果，建议增大流量使喷头粒径增至200～300μm 之间，但如果粒径过大，则会导致雾滴分布不均匀，造成药剂流失，污染水土等问题；此外，也可通过设计喷施粒径较大的航空喷头以改善雾滴飘移情况。

图8 各飘移采集带雾滴粒径分布情况Figure 8 Particle size distribution of droplets in each drift zone

3 讨论与结论

本研究对植保无人机变量喷施水稻田间除草作业质量展开研究，测试T30植保无人机配套的SX110015VS型航空喷头雾化性能，重点研究植保无人机田间作业的雾滴沉积分布特性。由于植保无人机变量施药时，变量喷施系统不能灵敏做出响应，即植保无人机在作业区域之间喷施与不喷施农药会发生延时，因此未来还需在精准控制方面进行植保无人机变量施药技术的研究。同时，本研究仅是对植保无人机变量喷施的雾滴沉积分布进行测试分析，并未就T30植保无人机自身参数及风场大小等影响因素进行详尽测定评估，存在一定不足之处。因此，在下一步研究中需要考虑机体大小，气流强度等因素对雾滴喷施效果的影响。此外，在田间试验中，对飘移采集带进行飘移距离测定，因有树木遮挡，研究具有一定局限性，未来可以测试下没有障碍物遮挡时的飘移情况。

本研究结果表明，（1）在喷施流量为0.35，0.40，0.45L·min条件下，SX110015VS 型航空喷头具有良好的雾化性能，各个测试喷头雾化等级为细（Fine），Dv、Dv和Dv均值为14～22μm，RS 变化范围为1.04～1.15。（2）田间作业时，喷施农药区域比不喷施农药区域的雾滴覆盖率、沉积密度和沉积量均值大，但部分不喷施农药区域雾滴沉积特性优于喷施农药区域。例如，不喷施农药区域2比喷施农药区域3的雾滴覆盖率与沉积量高，分析受作业区域间隔太近以及无人机的变量施药延时性等因素影响。同时，田间植保无人机喷施的雾滴沉积量CV 值较大，原因主要与采集点随机布置、植保无人机自动飞行、飞行参数从喷施变为不喷施，以及环境中风速和风向的改变有关。此外，田间试验中粒径在300μm 以上的大雾滴占比（不包括区域5，6）高于喷头性能测试中300 μm 以上的粒径，分析其原因为田间作业时介质不同，并加入了利飞助剂。（3）田间试验中对最远飘移影响距离进行测定，3 条飘移采集带因有树木遮挡，飘移量均较小。其中，飘移采集带2 的飘移量最大，最远飘移影响距离为三者最长（13.2m），因此在作业前建议预留至少14m 以上的缓冲区。此外，飘移测定距离对于飘移量影响显著，

p

值分别为0.037（飘移采集带1）、0.013（飘移采集带1）和0.006（飘移采集带3）。同时，研究飘移采集带的粒径谱发现，3 条飘移采集带雾滴粒径在200μm 以下占比86.84%、85.89%以及89.19%，与不作业区域5 和6 一致，均是因为粒径尺寸小的雾滴易飘移，因此在喷头使用上，建议优先使用雾化粒径在200～300μm之间的航空喷头。