植保无人机飞行作业参数对玉米施药作业效果影响研究

高振刚，王 宁，郝一军，杭 盖，王万勇

（1.鄂尔多斯应用技术学院，内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.内蒙古工业大学机械工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051；3.鄂尔多斯市凯图科技有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017004）

0 引言

玉米是我国第一大粮食作物，内蒙古自治区是我国玉米的主产区之一，玉米产量位居全国第三，2022 年内蒙古自治区玉米种植面积约5600 万hm2，玉米产量占全区粮食总产量的74%。内蒙古自治区属温带大陆性气候和温带季风性气候，玉米病虫害常有发生，主要的病虫害有玉米螟、地下害虫、蚜虫、玉米大小斑病、叶螨（红蜘蛛）、瘤黑粉等，会不同程度地影响玉米产量；同时玉米在生长期缺少肥料及一些微量元素也会影响玉米产量，因此进行病虫害施药防治及叶面施肥是保证玉米产量的重要手段。目前，主要的病虫害防治施药方式有背负式喷雾器、小型农机喷药器以及植保无人机喷药。背负式喷雾器需要作业人员背负，不仅重量大、农药利用率低，还容易造成农药残留污染，使作业人员中毒；小型农机喷药器只适用于玉米秸秆低矮时使用，容易造成压苗现象。植保无人机作为近几年新兴的农用机械在水田和果园已经得到广泛的应用，在旱田的应用也在快速发展。植保无人机体积小，携带便捷，将人与农药分离，避免了作业人员直接接触农药；而且植保无人机施药方便，无论是成片的大面积地块还是零散的小面积地块，无人机都可有效施药，提高了农药的利用率[1-2]。同时，植保无人机还可用于玉米中后期叶面肥的喷洒，以帮助玉米补充微量元素，助其更好地生长[3]。

植保无人机喷施作业过程中，雾滴漂移会造成药液浪费、引发环境污染等问题，雾滴沉积是评价无人机作业质量的重要指标。无人机的作业参数（飞行高度、飞行速度等）、喷头类型及喷头间距均对雾滴沉积量有着很大的影响[4-6]。高圆圆等[7]研究了AF-811 型植保无人机在不同的飞行高度下对玉米不同层高的雾滴沉积密度的影响。研究表明：飞行高度为2.5 m 时，雾滴沉积密度最大，并从上层向下层逐层降低。秦维彩等[8]研究了单旋翼N-3 型植保无人机在3 个飞行高度和喷头条件下对玉米冠层的雾滴沉积分布的影响。李建伟等[9]研究了无人机飞行高度、飞行速度、旋翼转速对紫花苜蓿病虫害治理效果的影响，无人机对紫花苜蓿植保喷施的雾滴沉积密度的影响主次因素为：飞行速度>飞行高度>旋翼转速；对雾滴乘积均匀度的影响主次因素为：飞行高度>飞行速度>旋翼转速。谢英杰等[10]研究了植保无人机喷施除草剂喷头选择对雾滴覆盖率的影响。刘琪等[11]在研究航空植保参数对苹果树雾滴沉积特性影响时发现，喷头间距对喷幅影响极其显著。

考虑到飞行作业参数是影响雾滴沉积指标的重要因素，同时，因不同类型植保无人机的机身构造不一，对作业高度、作业速度等的参数要求也不同，本文选取玉米大田为实验对象，通过正交试验对比不同飞行参数下的雾滴沉积量，以期为植保无人机在玉米病虫害防治以及叶面肥喷施作业的飞行参数选择提供参考。

1 试验材料

试验用无人机为大疆T30 植保无人机（大疆创新科技有限公司，深圳市），型号为3WWDZ-30A，施药喷头为压力型015 喷头，雾滴采集试纸为水敏试纸（重庆六六山下植保科技有限公司，重庆），试验药剂为芸苔素内酯和淝尔神叶面肥，迈飞飞防助剂。

2 试验方法

2.1 试验因素设置

选择无人机的飞行高度、飞行速度为试验因素，在设定农田位置后自动巡航作业模式下进行。飞行高度、飞行速度通过遥控器直接设定，喷洒用量设定为1.3 L/hm2，喷幅设定为6 m。

根据植保无人机作业的工作经验，选定植保无人机作业较好的参数范围为飞行高度2～3 m，飞行速度为5～7 m/s。采用混合正交水平试验法，即L9（32），试验因素水平设置见表1[12]。

表1 试验因素水平设置

2.2 试验环境条件

在内蒙古自治区鄂尔多斯市某高标准农田玉米试验用地开展试验，玉米地块为生长良好、密度较大的正常种植田地。玉米高度为190～200 cm，采集点处玉米行距为25～30 cm，风速为2～3 级，温度为20～25 ℃。

2.3 试验设计

2.3.1 采样点设置

使用无人机进行GPS 定位，选取30×30 m 的试验区，在此区域内设置无人机飞行航线，在航线的中央区域布置采样点，避免无人机因起飞、降落、转向等导致漏喷、多喷，每个采样点间隔50～60 cm，采样点设置在玉米植株的上、中、下3 层，距地面高度分别为180、140、100 cm。

2.3.2 喷洒药剂调配

为不影响玉米生长，选用叶面肥药剂进行试验。每次试验向无人机中添加6 L 左右的水，然后加入定量的叶面肥和飞防助剂。

2.3.3 试纸采集与数据处理

采用无人机施药后，等待5 分钟使雾滴完全沉降，收集试纸并待试纸上的雾滴干燥之后按上、中、下的顺序依次收集试纸并将其放入收集袋，标上试验序号。将收集的水敏纸扫描成灰度图片，然后使用python-3.6.1-amd64 软件对图片中的信息进行处理，得到试验纸上雾滴沉积密度、雾滴沉积均匀度等数据。

2.3.4 试验指标

雾滴沉积密度采用玉米同一采样层上所有采集点的雾滴沉积密度的平均值表示，计算公式为

式中：

X——雾滴沉积密度，个/cm2；

N——水敏纸上的雾滴数目，个；

s——水敏纸有效处理面积，cm2；

n——同一采样层上采样点的数目，个。

雾滴沉积均匀度采用雾滴沉积密度的变异系数CV 表示，计算公式为

式中：

xi——每个采样点的雾滴沉积密度，个/cm2。

3 结果与分析

3.1 试验结果

表2 为在各类作业参数下，玉米上、中、下层的雾滴沉积密度和均匀度统计结果[13-14]。由表2 数据可知，在同一作业条件下，雾滴沉积密度在上、中、下3 层呈现下降的趋势，这与作业过程中药液首先接触上层叶面的实际情况是相符的，而雾滴沉积均匀度在上、中、下层呈现上升趋势，这与雾滴最后接触下层叶面、具有更长的漂浮时间从而形成较为均匀分布的实际情况也是相符的，在一定程度上验证了本试验的有效性。上、中、下层雾滴沉积密度的变化范围分别为4.13～10.89、1.80～4.18、1.65～2.65 个/cm2。雾滴沉积均匀度的变化范围分别为12.66%～38.75%、27.40%～45.21%、32.92%～48.56%。

3.2 试验因素对试验指标影响主次顺序分析

表3 为各作业参数下，玉米上、中、下3 层的雾滴沉积量极差分析结果。由表3 数据可知，植保无人机作业时，无人机飞行高度和速度影响玉米上、中、下层雾滴沉积密度的主次顺序分别为：A＜B、A＞B、A＞B，其中最优组合分别为：A2B1、A2B1、A2B1；影响雾滴沉积均匀度的主次顺序分别为：A＞B、A＜B、A＜B，其中最优组合分别为：A2B3、A1B3、A2B1。

3.3 试验因素对试验指标的影响显著性分析

表4 为作业过程中的雾滴沉积量方差分析结果，由表4 数据可知：植保无人机的飞行高度对玉米上层的雾滴沉积密度的影响不显著，对玉米中层的雾滴沉积密度的影响显著，对玉米下层的雾滴沉积密度影响极显著，分析原因可能为玉米上层无遮挡且最先接触雾滴，因此无人机飞行高度对玉米上层的影响最小；而中、下层由于有玉米叶子遮挡，且飞行高度对雾滴漂移率和无人机机翼产生的向下气流的大小影响较大，影响雾滴向中、下层输送的数量，进而影响雾滴沉积密度。飞行速度对玉米上层的雾滴沉积密度的影响显著，对玉米中、下层的雾滴沉积密度均影响不显著，分析原因可能为在无人机喷头流量一定的情况下，飞行速度越快，单位面积内的雾滴数量越少，对落在玉米上层的雾滴数量影响最大，而由于遮挡、雾滴飘移等因素影响，落在中、下层的雾滴数量不会有明显差异，因此飞行速度对玉米中、下层的影响不显著。

表4 雾滴沉积量方差分析结果

飞行高度对玉米上、下层的雾滴沉积均匀度均影响显著，对玉米中层的雾滴沉积均匀度影响不显著，分析原因可能为不同高度会影响漂移率的大小，漂移率越小，单位面积内雾滴数量越多，进而导致多雾滴融合使雾滴重量和粒径变大，雾滴粒径变大会导致雾滴沉积不均匀，而雾滴越重向下层飘落的概率越大，因此飞行高度对上、下层的雾滴沉积均匀度影响较大[15]。飞行速度对玉米上、中层的雾滴沉积均匀度影响不显著，对玉米下层的雾滴沉积均匀度影响显著，分析原因可能为同一高度下，飞行速度越快，单位面积内雾滴数量越少，雾滴向下飘落过程中雾滴融合概率变小，飘移概率变大，因而飞行速度对玉米下层的雾滴沉积均匀度影响最大。

3.4 作业因素水平的综合分析

根据本次试验数据，结合对数据的极差和方差的分析结果，可以得出以下结论：试验中，飞行高度A 为2.5 m，飞行速度B 为5 m/s 时（第4 组试验），植保无人机整体喷施效果最优。

根据植保无人机实际作业中的经验，喷施作业过程中，由于工作现场的复杂性及其他因素的影响，3 个飞行高度都会使用，为了对玉米植保作业有更好的帮助，对无人机在3 个飞行高度的最优作业参数进行总结梳理，即飞行高度为2 m 时最优作业速度为5 m/s；飞行高度为2.5 m 时最优作业速度为5 m/s；飞行高度为3 m 时最优作业速度为5 m/s。

4 结论

植保无人机作业效果受到多种因素的影响，如农作物种类、作业参数、喷头数量和位置、喷杆的分布和尺寸、环境因素等，在现有的无人机作业参数与施药效果的影响研究中，大多集中在果树、低矮植物如紫花苜蓿、水稻等方面，对高杆植物研究较少。本文研究了无人机对玉米作物施药时，飞行速度和高度对玉米上、中、下层雾滴沉积密度和雾滴沉积均匀度的影响，旨在为无人机在高杆作物的施药工作中提供作业参数参考。经过试验研究，无人机的飞行高度对玉米上、中、下3 个高度层级的雾滴沉积量影响较大，飞行速度的影响则较弱于飞行高度。