无人机作业参数对苹果树雾滴沉积分布的影响

张亚莉,白禄超,陈鹏超,兰玉彬,于保宏

(1.华南农业大学 a.工程学院;b.华南农业大学 电子工程学院/人工智能学院,广州 510642;广州 510642;2.国家精准农业航空施药技术国际联合研究中心,广州 510642;3.北京韦加无人机科技股份有限公司,北京 100176)

0 引言

近年来,使用植保无人飞机进行航空施药已成为新型的植保作业方式。相比较于传统的地面施药方式,植保无人飞机能够将施药人员和药箱分离,降低操作人员的职业暴露风险。植保无人飞机机动灵活,不受地形和作物长势结构的限制,尤其适合于高秆、果树以及丘陵、水田等复杂作业场景[1-3]。目前,植保无人飞机已经在包括小麦、玉米、棉花、水稻等大田粮食作物的病虫害防控中得到认可和广泛应用[4-5]。以上的研究结论多是基于低矮的大田作物,由于冠层的高度介于0.6～1.2 m之间[6-8](以水稻和棉花为例),无人机的旋翼风场能够传送雾滴至作物冠层的中下部,从而保证较好的整体喷雾质量;但对于果树等高大立体作物,由于冠层茂密,目前植保无人飞机的喷洒应用仍然有限[9]。

现有的无人机施药技术研究中包括飞行高度、飞行速度、作业模式、喷嘴类型以及喷雾量等飞行参数对喷雾质量的影响。相关的研究已经表明:降低飞行高度和飞行速度及增大喷雾量可以改善雾滴在冠层的雾滴分布[4, 7, 9]。选用雾化粒径小的喷嘴能够获得更多的雾滴覆盖率,提高病虫害的防控效果,但有较大的飘移风险;而粗雾滴的喷嘴能够有效降低环境飘移,但在冠层的雾滴沉积分布较差[10-11]。除了上述飞行参数外,作物冠层的郁闭程度也是影响雾滴沉积分布的重要因素[12]。果树等密植型作物在生长前期稀疏枝叶并不稠密,但生长后期形成高密度的冠层,雾滴在通过作物冠层时容易被浓密的枝叶截获,仅有少部分的雾滴能够穿过冠层抵达中下部[13]。目前,提高雾滴沉积分布的辅助手段包括辅助气流、静电喷雾和仿形喷雾等。植保无人机具备特有的旋翼风场,可以扰动冠层枝叶,改变冠层的郁闭程度,对于改善雾滴在高密度冠层的沉积分布具有积极作用。文晟等人的研究认为:随着飞行速度的增加,翼尖涡流在机身后方形成的螺旋型尾涡的高度增大,而尾涡是影响雾滴沉积分布的重要因素[14]。因此,通过调节无人机的飞行速度影响旋翼风场,或许可以改善雾滴在果树等密植型作物的分布情况。

喷雾助剂目前广泛应用于农业病虫草害的化学喷洒防治,能够改善药液的理化性质,降低雾滴在叶片的接触角和表面张力,提高药液在作物表面的润湿、粘附和沉积,从而提高农药的利用率[15]。植保无人飞机受限于有效载荷多采用超低容量喷洒,且雾化的液滴尺寸为较小粒径。因此,在无人机在喷雾作业过程中容易受到外界环境的影响产生飘移和蒸发,降低了药液在冠层的沉积分布。因此,植保无人飞机作业过程中添加助剂对于改善雾滴的分布情况或许有积极的作用。

在此,以苹果树为研究对象,通过设定旋翼无人机的飞行速度和添加植物油类助剂,研究飞行速度和助剂对于苹果树冠层雾滴沉积分布的影响,旨在为植保无人飞机在苹果果树喷洒方面的应用提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 试验条件

试验地点位于陕西省洛川县(35°46′53.7″N 109°26′23.1″E)。品种为红富士,为15年生乔砧栽植果树,株距为3m。韦加JF01-20电动八旋翼四轴植保无人机(北京韦加无人机科技股份有限公司)用作试验测试平台。该电动八旋翼植保无人飞机有效载荷20kg,最大起飞质量44kg,机身尺寸为3.5m×3.5m×0.7m,飞行速度为0.1～10m/s,喷幅宽度为6m。

1.2 试验设计

将飞行速度和是否添加助剂设置为作业参数变量,速度参数的试验处理为0.5、1.0、2.0m/s,结合助剂添加与否共计6组试验处理。助剂类型为植物油类,有效成分为改性柠檬烯(极透,西安展鹏生物科技有限公司),使用量为0.3%。试验时,添加叶面肥(美亮彩海藻磷钾精粉,西安展鹏生物科技有限公司)模拟正常施药。

表1 试验因素与水平

旋翼无人机沿作物种植行重复飞行,每试验组选择2棵果树进行采样。为便于量化研究,将苹果树冠层划分为上、中、下3层。每层以靠近施药机具一侧最左端的采样点作为起始采样点,以逆时针方向在苹果树冠层布置6个采样点。在树冠中心位置自上至下布置4个采样点,合计每层7个采样点,共22个采样点,将水敏纸用做雾滴分布测试工具,每个采样点用回形针卡住水敏纸,用于测定叶片雾滴分布情况。水敏纸在喷雾后经自然干燥收集储存,在实验室内经扫描转换为灰度图像。利用DepositScan 软件进行雾滴的沉积分布数据提取。

2 结果与分析

2.1 冠层水平面和垂直面分布情况

使用变异系数指标分别对冠层水平面不同采样点的沉积分布进行评价。变异系数的数值越大,表明采样点之间的离散程度越大。对果树冠层水平面的整体雾滴分布分析可知:相同冠层水平面的雾滴分布差异性较大,雾滴分布的变异系数值范围在49.1%～227.6%之间变化。其中,最小的变异系数为速度2 m/s 和添加助剂试验处理的果树下层,最大的变异系数值为速度1m/s 和未添加助剂处理的果树中层。由上述结果可知:雾滴分布在相同冠层水平分布存在差异性,且该差异性不随飞行速度、助剂或雾滴分布指标而发生改变。从果树冠层的不同分层来看,上层的雾滴分布变异系数高于中下层,如基于雾滴的沉积量指标,除了速度1m/s处理在果树中层的极大值结果外,上层的雾滴分布系数值范围为128.3%～189.3%,高于中下层的雾滴分布系数值,如图1所示。出现变异系数数值大于100%的原因在于相同冠层水平面中有采样点的数据值低于1,且有采样点的数值远大于1。以上结果表明:植保无人飞机在果树冠层水平面的分布均匀性较差,该结果不随无人机的作业参数(飞行速度、助剂)的改变而有所改善。与现有文献对比,该结果与Chen的研究结果相同[7]。研究认为:对于分布均匀性指标的优化,还要从喷雾系统的结构设计以及无人机旋翼风场和果树冠层耦合等多个方面入手。

图1 冠层水平面采样点间的变异系数Fig.1 Coefficient of variation between sampling points on the same canopy level

图2～图5为不同飞行速度和添加助剂试验处理条件下雾滴在果树上中下冠层的分布情况。对于果树冠层的垂直面间的雾滴分布分析可知,雾滴的分布数值结果从上至下逐步降低。雾滴的覆盖率结果中,果树冠层上层的数值结果分别为17.9%(0.5m/s)、5.95%(1m/s) 和4%(2m/s),而中下层的覆盖率范围分别是3.88%～7.3%(0.5m/s)、4.35%～5.48%(1m/s)以及1%～2.2%(2m/s)。上层的覆盖率结果是下层的1.37～4倍。沉积量的结果变化与覆盖率的结果相同。由图4可知:速度为2m/s时,冠层间的结果与覆盖率的结果变化保持一致;而0.5m/s的试验处理在冠层中层出现雾滴密度极大值78.6个/cm2;1m/s 时在果树的下层出现极大值66.9个/cm2。这可能是由于雾滴在水敏纸上重叠,导致测试软件出现统计误差。以上结果表明:雾滴在果树的垂直面分布结果呈现自上至下递减,该规律在不同的速度处理中保持一致。

图2 添加助剂后冠层水平面采样点间的变异系数

图3 各冠层和飞行速度的覆盖率分布结果Fig.3 Coverage results for each canopy and flight speed

图4 各冠层和飞行速度的雾滴密度分布结果Fig.4 Deposit results for each canopy and flight speed

图5 各冠层和飞行速度的沉积量分布结果Fig.5 Deposition results for each canopy and flight speed

2.2 飞行速度

雾滴分布的数值结果随着飞行速度的增加而降低,各雾滴测试指标的变化趋势相同。速度为0.5m/s时,雾滴的沉积密度范围在61～78.6个/cm2,高于1m/s处理的32.3～66.9个/cm2和2m/s处理的21.9～56.3个/cm2;沉积量的数值变化与雾滴密度相同。此外,沉积量的数值结果在0.5m/s 速度处理的树冠上层取得极大值3.25μg/cm2,2m/s 试验处理中树冠下层取得极小值0.04μg/cm2,雾滴沉积量的分布随飞行速度的增加和树冠的垂直面自上至下依次递减。从冠层间的沉积分布的一致性来看,速度1 m/s处理时,各个冠层间的覆盖率和沉积量差异性较小。以上结果表明,较低的飞行速度可以在果树冠层间获得较高的雾滴分布效果,速度越高雾滴的分布效果越差。

2.3 喷雾助剂

添加助剂后,各个试验处理以及冠层间的雾滴分布结果具有显著的提升,结果如表2所示。由表2可知:当飞行速度为2 m/s时,添加助剂处理没有提高中层的覆盖率和雾滴密度,其他各处理的覆盖率、雾滴密度和沉积量指标均有不同程度的提升。在冠层上层,速度为1m/s时雾滴分布受助剂的影响最显著,覆盖率数值提升了134%;在中层有相似的结果,覆盖率在1m/s处理中提高了197%;而在树冠下层,雾滴分布的改善在0.5m/s 飞行速度处理中取得极大值,覆盖率提升达到244 %。以上研究结果表明,添加植物油类助剂对于改善苹果果树冠层雾滴分布是积极的,这与王明等[16]研究结果相同。添加助剂后,溶液的性质发生显著变化,可有效减少雾滴的飘移,增加雾滴在苹果果树叶片上的沉积。本研究同时观察到,在不同的飞行速度处理中,添加助剂对于沉积分布的影响存在一定的差异。助剂和飞行速度两个因素之间对于冠层间的雾滴分布是否存在交互作用还需要进一步的研究。

表2 添加助剂后各冠层位置的雾滴沉积效果

3 结论

1)植保无人飞机在果树冠层水平面的分布均匀性较差,相同冠层水平面的雾滴分布差异性较大,雾滴分布的变异系数值范围在49.1%～227.6%之间变化,该结果不随无人机的作业参数(飞行速度、助剂)的改变而有所改善。雾滴在果树的垂直面分布结果呈现自上至下递减,该规律在不同的速度处理中保持一致。

2)雾滴分布的数值结果随着飞行速度的增加而降低。较低的飞行速度可以在果树冠层间获得较高的雾滴分布效果,而速度越高雾滴的分布效果越差。