低量低空小型植保无人机变量喷药参数优化试验

王金星， 王 震， 张 菡， 刘双喜， 荆林龙， 李友永， 王 富

(山东农业大学机械与电子工程学院，山东泰安 271000

我国是农业大国，农业是民生之本、国家强盛的有力保障。病、虫、草、鼠等有害生物的危害是影响粮食和经济作物生产的主要因素之一。年均病虫害发生面积近4.7亿hm2，造成粮食损失近2.5×107t，约占总产量的20%，造成经济作物损失约1.75×107t。农药防治病虫害依旧是保证粮食生产的重要手段[1]。随着现代化农业的发展，省力化、高工效农药使用技术已经成为农业生产的必然要求。小型植保无人机因具有作业灵活、自动控制能力强、雾滴漂移少、旋翼气流辅助药液穿透作物冠层等诸多优点[2]，非常适用于中小田块的病虫害防治或大田块内局部的精准施药[3]。

本研究自主研制的小型植保无人机变量喷药控制系统，搭载在小型多旋翼植保无人机上，可根据田间作物病害程度，设置不同喷药量等级，做到变量喷药，实现低量、精准施药，并进一步节约用药量。在此基础上，本研究对该系统应用到的离心式雾化喷头进行性能试验研究，确定不同喷药量等级下喷头的最佳作业参数，并在此基础上进行水稻田间试验，确定植保无人机低空低量作业的最佳工作参数[4-6]。

1 离心式雾化喷头性能试验

1.1 离心式雾化喷头结构和工作原理

如图1所示，离心式雾化喷头包括直流电机、雾化盘、螺钉、密封盖、导液管、罩壳等。密封盖部分采用铝合金材质，耐酸碱腐蚀，雾化盘采用耐酸碱高强塑质，其内壁上有多个径向沟槽，可减少药液的滑移，端面为锯齿形，有利于雾滴雾化，雾化盘直径为6 cm，该离心式喷头采用直流电机供电，电机密封在罩壳里，电机轴与下端的雾化盘连接。离心式雾化喷头工作原理为直流电机接通电源后驱动雾化盘高速旋转，液泵将药液从药箱通过输液管、导液管到达雾化盘内，沿雾化盘径向沟槽由锯齿端面飞出，形成雾滴。该喷头比常规的扇形喷头具有更优良的雾化效果，可以满足植保无人机低空低量喷洒的雾滴要求[7-12]。

1.2 试验装置

本研究提出一种变量喷药沉积试验测试系统，进行单喷头性能测试试验，其测试系统(图2)主要由试验台、稳压电源、变量喷药控制系统、喷雾装置、转速表、测试单元、药箱等组成。试验台可调节喷雾高度，稳压电源用来给雾化喷头的直流电机供电并调节其供电电压；变量喷药控制系统主要用来控制步进电机式蠕动泵的脉冲频率从而改变喷药量，实现流量等级变化；转速表用来测定离心式雾化喷头雾化盘的转速；测试单元包括水敏纸、雾滴测试软件，水敏纸遇水呈蓝色，用来检查雾滴分布情况，试验结束后将水敏纸晾置10 min收集于干燥装置中，试验介质为清水，每组试验重复3次。此外，该系统在喷头上方装设风扇提供向下的气流，简单模拟无人机旋翼产生的向下的气流。

1.3 试验设计

为满足水稻田间不同地块受病害程度差异所需喷药量的不同，实现植保无人机变量喷药，本研究变量喷药沉积试验测试系统中的变量喷药控制系统共设置4个喷药量等级，分别为160、 180、200、220 mL/min，为使离心式雾化喷头在4个流量等级下均满足作业要求，本研究通过改变喷头供电电压，分别对4个流量等级下雾滴粒径、喷幅、直流电机损耗进行测试试验，以获取喷头最佳工作电压。

1.3.1 喷幅及雾滴粒径测定 收集的水敏纸如图3所示，将收集的水敏纸用DepositScan软件进行分析，确定喷雾参数和作业参数对雾滴粒径的影响。农药雾滴在向靶标生物体撞击的过程中，基本上服从流体动力学原理的支配，细雾滴比较容易沉积在纤细的生物靶体上，对于狭窄的植株叶片，对细雾滴的捕获能力明显高于宽阔植株叶片，根据生物最佳直径理论[13]，植株叶片的最佳雾滴粒径为40～100 μm。由表1可知，当电机电压为10、12 V时，雾滴粒径为84～100 μm，满足最佳雾滴粒径的要求。由表2可知，不同等级喷药量下，喷幅随电机电压的升高而增大；在同一电压等级下，喷幅随喷药量的增加而增大。为满足本研究水稻田试验的要求，单喷头作业喷幅须大于1.5 m，在160、180 mL/min条件下满足条件的电压为10、12 V，在200、220 mL/min条件下要求电压≥8 V，从控制系统硬件配置上考虑，要求不同喷药量等级应在相同工作电压下工作，因此满足条件要求的电压为10、12 V。

表1 不同电压、流量对雾滴粒径的影响

表2 不同电压、流量对喷幅的影响

1.3.2 电机电压对电机损耗的影响 由表3可知，直流电机损耗随供电电压的增大而变大。经假设检验，不同电压等级下直流电机损耗有明显差异，在满足喷幅和雾滴粒径的要求下，10 V电压下电机总体损耗比12 V时电机损耗小。

表3 不同电压、流量对直流电机损耗的影响

1.4 试验结果分析

在满足不同流量等级工作参数要求条件下，同时满足植保无人机变量喷药控制系统硬件配置和控制要求，经综合分析，离心式雾化喷头最佳工作电压参数为10 V。

2 不同作业条件对雾滴粒径和分布参数的影响

2.1 田间试验设置

本研究在上述雾化喷头试验的基础上，对变量喷药控制系统配置10 V供电模块并加装在植保无人机上为雾化喷头供电，并在山东省济宁市任城区农机化创新示范工程项目基地完成水稻大田试验，测试在不同喷雾飞行高度和飞行速度影响下4个不同流量等级的雾滴沉积效果。试验田面积为12 m×16 m，四周设3 m缓冲带，选取18个采集点(图4)放置水敏纸对雾滴进行测定。水稻品种为山东省济宁市任城区农机化创新示范工程项目基地培育的临稻21号，试验时水稻处于孕穗初期，平均株高约65 cm。试验当天温度为31 ℃，相对湿度为52%，喷雾时风速为 0.7～1.8 m/s。

进行多旋翼植保无人机喷雾试验时， 用全球定位系统对喷洒航线进行精确定位，使多旋翼植保无人机沿预设的路线进行飞行，在采集点上方沿“几”字形路线飞行。在同一飞行速度(1.0 m/s)下，飞行高度分别设置为1.5、2.0、2.5 m；在进行多组飞行速度喷雾均匀性试验时，植保无人机在同一作业高度(2.0 m)下，飞行速度分别设置为1.0、1.5、2.0 m/s。

2.2 试验方法

将面积大小为2 cm×5 cm的水敏纸用回形针卡在采集点水稻叶片上，每个采集点分上、下2层各放置3张水敏纸(放置点分别距离地面50、20 cm)，试验结束后晾置15 min后将各采集点水敏纸分上层、下层收集并做好标记后干燥密封保存，带回实验室对其进行分析，分别获取各个采集点的雾滴粒径、沉积密度，取平均值即为该测试点叶片的雾滴粒径、沉积密度。

由DepositScan软件分析水敏纸，得到雾滴沉积密度；为获得雾滴分布均匀性，采用变异系数(V)作为雾滴分布均匀性的度量，变异系数计算公式为

2.3 结果与分析

2.3.1 不同飞行高度时各流量等级下雾滴参数 本研究采用SPSS数据统计分析软件对获取的样本数据进行多因素方差分析，选用一般线性模型对数据进行分析。表4为 160 mL/min 流量条件下各因素的方差分析结果，由表4可知，作业高度对雾滴沉积密度影响的主效应F值为28.797，对应的P值为0.034，P<0.05，具有显著统计学意义，说明不同作业高度对雾滴沉积密度影响显著；采样部位对雾滴沉积密度影响的主效应F值为39.700，对应的P值为0.024，P<0.05，说明采样部位对雾滴沉积密度同样影响显著。同样在180、200、220 mL/min流量等级下分别对各因素进行方差分析，结果显示不同作业高度下P值均小于0.05，说明作业高度对雾滴沉积密度具有显著影响。

表4 160 mL/min流量条件下各因素的方差分析结果(因变量为雾滴沉积密度)

为获取最佳作业效果，确定植保无人机最佳作业高度，本研究采用变异系数对雾滴分布均匀性进行统计，统计结果如表5所示。变异系数越小，雾滴分布均匀性越好。由图5可知，不同流量等级下2.0 m飞行高度雾滴沉积密度总体趋势大于飞行高度为1.5、2.5 m时的雾滴沉积密度。飞行高度在1.5 m时总沉积量最少，且雾滴变异系数较大，均匀性较差，说明飞行高度较低时，因旋翼下旋气流较强导致水稻植株产生大幅度摆动，雾滴不易被俘获，引起局部沉积变化大，均匀性下降。雾滴分布同样受采样部位影响，各个流量等级上层采样部位雾滴沉积密度总体趋势大于下层采样部位，而下层的雾滴沉积密度达到上层的70%以上，说明作业时旋翼产生的下旋气流使雾滴具有很好的穿透性。

表5 不同飞行高度下不同流量等级的雾滴分布情况

注：表中数据为平均值±标准误差，表6同。

2.3.2 不同飞行速度时各流量等级下雾滴参数 本研究保持同一作业高度，由地面站规划飞行路线，依次设定1.0、1.5、2.0 m/s等3个不同飞行速度，进行自动导航作业，测定各采集点雾滴沉积密度(表6)。经方差分析，在P<0.05水平条件下，不同飞行速度对雾滴沉积密度影响显著。由图6可知，随飞行速度增加，雾滴沉积密度总体呈递减趋势，当飞行速度为1.0 m/s时，总体雾滴沉积密度最大，1.5 m/s 时次之，2.0 m/s时最小，其原因是在低量喷洒条件下，飞行速度增大，旋翼产生向下的气流不足以克服漂移现象对雾滴造成的影响，使雾滴不易被靶标俘获，雾滴沉积密度下降；在不同飞行速度下变异系数无明显差别(表6)，说明飞行速度对雾滴均匀性分布影响不大，总体喷洒均匀性良好。

3 结论

本研究进行离心式雾化喷头性能试验，确定其最佳工作电压，并在水稻孕穗初期用水作为试验试剂代替农药进行多旋翼植保无人机低空低量喷洒，试验在不同作业高度和不同飞行速度条件下，对雾滴在水稻上层、下层的沉积分布情况进行研究和分析。对植保无人机用的离心式雾化喷头进行性能试验，电压变化影响雾滴粒径、喷幅、电机损耗，随着电压升高，雾滴粒径减小、喷幅增大、电机损耗增大，在满足雾滴粒径、喷幅要求的条件下，减少电机损耗的最佳工作电压为 10 V。水稻田间试验的3个飞行高度中，距离地面2.0 m时，雾滴在水稻上层和下层沉积量相对较多，分布均匀性较好；飞行高度较低时受旋翼下旋气流影响较强导致雾滴不易被俘获，引起局部沉积变化大，均匀性下降；飞行高度较高时，雾滴出现轻微漂移现象，雾滴沉积相对减少，因此最佳飞行高度为2.0 m。雾滴沉积密度随着植保无人机飞行速度的增加呈下降趋势，均匀性无明显差异，且各个流量在1.0 m/s飞行速度下，雾滴沉积效果最好，因此最佳飞行速度为1.0 m/s。

表6 不同飞行速度下不同流量等级的雾滴分布情况