基于空间质量平衡法的植保无人机施药雾滴沉积分布特性测试

王昌陵，何雄奎，王潇楠，王志翀，王士林，李龙龙，Jane. Bonds，Andreas. Herbst，王志国，梅水发



基于空间质量平衡法的植保无人机施药雾滴沉积分布特性测试

王昌陵1，何雄奎1※，王潇楠1，王志翀1，王士林1，李龙龙1，Jane. Bonds2，Andreas. Herbst3，王志国4，梅水发5

（1. 中国农业大学理学院，北京100193；2. 邦德斯咨询有限公司，巴拿马城32408 美国；3. 德国联邦作物研究中心植保施药技术研究所，布伦瑞克D-38104 德国；4. 安阳全丰航空植保科技有限公司，安阳455001；5. 中国人民解放军61833部队，北京 100094）

为了探究飞行方式、飞行参数及侧风等因素对无人机喷雾雾滴空间质量平衡分布和旋翼下旋气流场分布的影响，该文基于无人机施药雾滴空间质量平衡测试方法，测定了3WQF80-10型单旋翼油动植保无人机在不同飞行方式（前进、倒退）、飞行高度和侧风速条件下的喷雾雾滴空间不同部位的沉积率和下旋气流风速。结果表明：对于该型无人机，在飞行高度(3.0±0.1) m、速度(5.0±0.2) m/s、1.2 m/s侧风速条件下，机头朝前与机尾朝前2种飞行方式对雾滴分布有显著影响，机尾朝前的飞行方式底部沉积比例可达60%，作业效果更佳；在2.0~3.5 m高度、(5.0±0.3) m/s速度和0.8 m/s侧风速条件下，空间质量平衡收集装置底部雾滴沉积率变异系数与高度呈现线性负相关，线性回归方程决定系数为0.9178，即高度越高雾滴分布均匀性越好；在(3.0±0.1) m高度和(5.0±0.3) m/s速度条件下，空间质量平衡收集装置底部雾滴加权平均沉积率与侧风风速呈线性正相关，线性回归方程决定系数为0.9684，即侧风速越大雾滴越集中分布在下风向处；飞行方式、高度和侧风3种因素对单旋翼无人机喷雾雾滴产生的影响都是通过改变其旋翼下旋气流场在垂直于地面向下方向的强度，减弱气流对雾滴的下压作用来实现的。研究结果可以为植保无人机设计定型、田间喷雾作业参数确定和作业条件的选择提供理论参考。

喷雾；农药；机械化；植保无人机；雾滴；空间质量平衡；飞行参数；沉积

0 引 言

农业病虫草害是影响中国粮食安全和农产品有效供给的重要制约因素[1]。但是，目前中国的施药机械、施药技术水平相对落后于世界发达国家水平，农药利用率低[2-3]，随着现代农业规模化的发展，中国施药技术和装备落后现状亟待改进[4]。植保无人机不需要跑道，运行成本低，控制灵活，机动性强；可在全地形条件下作业，喷洒效率高，能大幅降低操作者的劳动强度并提升植保作业效率；人机分离作业，避免了农药中毒等恶性事件的发生；采用低量或超低量喷雾，可以降低农药使用量，提高农药利用率，同时还减少作业过程对环境的污染[5-12]。

近年来，中国农用植保无人机发展迅速，据农业部相关部门统计，截至2016年5月止，全国在用的农用无人机共有178种，全国农业航空技术95%以上用于航空植保作业[13]。一直以来，科研人员从多种角度采用不同方法对无人机田间植保应用中雾滴沉积和飘失特性进行了探索。张瑞瑞等[14]基于变介电常数电容器原理和传感器网络技术设计了航空施药雾滴地面沉积实时监测系统，可应用于对雾滴沉积趋势和沉积特性的检测。张宋超等[15]采用计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）模拟方法对N-3型无人直升机施药作业中药液的飘移情况进行分析，可较准确地模拟真实雾滴漂移情况。张盼等[16]研究了QJ-460型4旋翼无人机在柑橘树体冠层的雾滴沉积效果。董云哲等[17]研究了无人机旋翼对雾滴分布的影响。Qin Weicai等[18]使用HyB-15L型无人机在水稻上喷施毒死蜱乳油防治稻飞虱，对其雾滴沉积分布均匀性和防治效果进行了研究。王玲等[19]设计了微型无人机脉宽调制型变量喷药系统，并利用风洞悬停无人机变量喷药的雾滴沉积规律进行了试验研究。王昌陵等[20]提出了一种植保无人机施药雾滴空间质量平衡测试方法，构建雾滴空间质量平衡收集装置并测量无人机下旋气流风场，首次得到了精准作业参数下雾滴在空间不同方向上的分布。近期，中国农业大学药械与施药技术中心联合湖南省植保无人机联盟及相关企业进行的水稻田间除草剂喷洒研究取得突破性进展，由于喷雾过程中飘失的除草剂对非靶标区敏感作物极易造成药害，所以采用植保无人机对水稻喷施除草剂时对于飞行方式、飞行参数及外界条件的要求更高。

在评价植保无人机喷雾质量时，通常采用相同高度平面上雾滴分布均匀性变异系数（coefficient of variation，CV）指标来描述无人机喷雾沉积质量效果，目前国内大部分无人机喷雾沉积分布均匀性变异系数都在30%以上，大大高于喷杆喷雾机国际标准中变异系数≤10%的要求[21]。然而实际应用表明，无人机低空低量施药仍可以达到有效防治病虫草害的作用，所以仅通过同一平面上的喷雾均匀性变异系数来判别无人机施药质量的方法并不完全可靠。雾滴空间质量平衡方法是指无人机植保作业中喷出去的农药量与沉积在靶标作物上的量、飘失于空中的量以及地面流失量的质量平衡，通常我们将沉积在靶标作物上农药量所占的比例称为农药利用率。因此，利用雾滴空间质量平衡方法分别将无人机喷雾雾滴的空间质量平衡分布、沉积分布趋势、均匀性与旋翼下旋气流场分布结合进行研究来从多方面评价其施药效果就显得更为重要。

本文基于此前提出的无人机施药雾滴空间质量平衡方法，对3WQF80-10型单旋翼油动植保无人机进行了进一步田间测试，首次探究并分析不同飞行方式（前进、后退）、不同飞行高度以及不同风速的侧风对雾滴空间质量平衡分布和下旋气流场的影响，以期为植保无人机设计定型、喷雾作业参数确定和作业条件的选择提供理论依据，减少无人机航空施药作业中的农药雾滴飘失，提高农药利用率，为实现农药“零增长计划”的目标做出贡献。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

试验采用材料与设备为本研究团队研发的无人植保机施药雾滴空间质量平衡测试方法[20]的试验系统，由雾滴空间质量平衡收集装置（spatial spray deposition sampling frame，SSDSF）、北斗卫星定位系统、多通道智能微气象测量系统（multi-channel micro-meteorology measurement system，MMMS）和田间气象站组成。

雾滴空间质量平衡收集装置（图1a）尺寸为5 m× 5 m×2 m，装置主体由铝合金型材和不锈钢管（北京和平铝型材有限责任公司）搭建而成。在其4个侧面共拉起36条2 mm的钢丝绳，间距50 cm，用于固定雾滴收集器；由于水敏纸易受空气湿度影响，培养皿布置成本高、时间长，因此雾滴收集器选用规格为2 mm的聚乙烯软管（深圳东正和塑胶有限公司），可以收集周围所有方向沉积到软管表面的雾滴，将其裁剪成每段0.5 m，用夹子将其固定在钢丝绳上，设置3组重复（图1b），用以分析雾滴在上风向部、顶部、下风向部和底部不同部位的分布情况。

a. 实物照片

a. Physical photo

b. 布样示意图

b. Layout diagram

注：图1b中标明的数字“1~40”表示雾滴空间质量平衡收集装置上4个方向布置的雾滴收集器编号。

Note: Numbers ‘1-40’ labeled in Fig. 1b show the serial number of the deposition sampling wire in 4 directions on the spatial spray deposition sampling frame.

图1 雾滴空间质量平衡收集装置

Fig.1 Spatial spray deposition sampling frame

为得到精准的无人机飞行参数，使用差分北斗全球导航卫星系统（上海思南卫星导航技术股份有限公司）记录无人机飞行速度、高度和轨迹。该系统分为基准站和移动站2个部分，基准站含有M300型全球卫星导航系统（global navigation satellite system，GNSS）接收机、AT300测量型天线、高功率电台，M300 GNSS接收机和AT300测量型天线，用于接收并传输卫星差分数据。移动站安装在待测无人机上（图2a），由M600姿态定位定向型GNSS接收机、AT300测量型天线以及433 MHz数据传输模块组成，移动站通过数据传输模块将接收到的卫星信号和差分数据传回433 MHz数据接收模块，串口转USB（universal serial bus，通用串行总线）接口数据线连接到笔记本电脑上，无人机飞行速度、高度等数据可在软件中实时显示并保存。基准站接收机水平静态差分精度为±(2.5+1×10-6D) mm，垂直静态差分精度为±(5+1×10-6D) mm，D指以基准站为中心的方圆直径；移动站双频载波相位差分技术（real-time kinematic，RTK）水平定位精度为±(10+1×10-6) mm，双频RTK垂直定位精度为±(20+1×10-6) mm。

采用多通道智能微气象测量系统（广东富民测控有限公司）测量无人机下旋气流风速，该系统由田间无线微气象传感器（图2b）和智能控制系统组成。每个田间无线微气象传感器安装3个方向的叶轮，分别可以测量垂直于飞行方向（）、垂直于地面方向（）、平行于飞行方向（）的风速以及冠层中实时温度和相对湿度。智能控制系统可以向田间传感器发送控制指令并接收其传回的风速等数据，这些数据可以通过软件在笔记本电脑上实时查看和保存。测试中，该系统每次采样时间为5 s，采样频率为20 Hz。

试验过程中的风速、风向、温度和湿度等气象数据通过Zeno-3200型农业/森林自动气象站（美国原生态有限公司，图2c）获取，该气象站的采样频率为1 Hz；配置质量分数为0.1%的荧光示踪剂Brillantsulfoflavin（德国Chroma-Gesellschaft Schmid公司）作为喷雾液，测试后将雾滴收集器的荧光示踪剂洗脱液经Kontron SFM25荧光光谱仪（德国控创仪器公司）检测其荧光值；参与试验无人机为安阳全丰航空植保科技有限公司生产的3WQF80-10型油动单旋翼植保无人机，药箱容量为10 L，飞行控制模式为手动控制，飞行高度为2和3 m时喷洒幅宽分别是2和3 m，均在雾滴空间质量平衡收集装置的雾滴收集范围内；该型无人机搭载德国Lechler公司生产的LU 120-02型液力式平面扇形喷头，压力范围在0.15～0.50 MPa，单喷头喷雾流量为0.56～1.03 L/min，适用于喷洒各种植物保护剂和生长调节剂。表1中为该型无人机的主要技术参数。

a. 安装在无人机上的北斗系统移动站a. Mobile station of Beidou navigation systemb. 田间无线微气象传感器阵列b. Wireless micro-meteorology sensorsc. ZENO-3200型田间气象站c. ZENO-3200 weather station

表1 3WQF80-10型植保无人机主要技术参数

1.2 试验方法

2015年6月至7月在河南省安阳市全丰航空植保科技有限公司小麦种植基地进行田间试验，测试按照王昌陵等[20]提出的无人植保机施药空间质量平衡测试方法实施。该区域种植小麦品种为汝麦0319，生育期为成熟期，行距20 cm，株高60 cm，株密度20 株/m2。田间试验装置布置情况如图3所示，雾滴空间质量平衡收集装置放置在地块边缘，田间微气象传感器阵列布置在小麦地块中，2部分装置的中心都位于无人机航线上。雾滴空间收集装置上的聚乙烯软管从上风向侧底部开始编号，上风向部编号为1～10，顶部编号为11～20，下风向部编号为21～30，底部编号为31～40，如图1b所示。田间微气象传感器阵列布置方式为三向线阵，布置为2行，行距1.5 m，每行8个点，间距0.7 m，编号为1～16；高度设置在小麦冠层顶部距地面65 cm处，距离雾滴空间质量平衡收集装置1.5 m。全部试验装置根据风向改变位置，以确保无人机航线与下风向垂直。测试过程与步骤同无人植保机施药空间质量平衡测试方法完全相同，在此不再赘述。

1.3 数据处理

1.3.1 沉积量和沉积率

根据国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）24253-1标准[22]，计算单位面积沉积量和沉积率公式为

（2）

式中dep为单位面积雾滴沉积量，mL/cm2；dil为加入洗脱液的体积，mL；smpl为洗脱液的荧光仪示数；blk为空白采样器的荧光仪示数；spray为喷雾液中示踪剂浓度，g/L；cal为荧光仪示数与示踪剂浓度的关系系数，（g/L）/单位示数；col为雾滴收集器面积，cm2；dep%为沉积率，%；β为施药液量，L/m2。

1.3.2 沉积率变异系数

沉积率变异系数用于描述雾滴分布均匀性[23]，其数值越小表明分布均匀性越佳，计算公式为

式中CV为沉积率变异系数，%；为沉积率标准差，%；`为平均沉积率，%；为样本数目；X为第段收集器上的沉积率，%。

1.3.3 加权平均沉积率

为研究侧风速对底部雾滴沉积的影响，需要找到一个合适的评价指标来反映雾滴沉积分布的集中趋势。在分析雾滴空间质量平衡收集装置底部的雾滴沉积时，根据偏向下风向的距离远近，可以将底部的雾滴收集器赋予不同权数以判断雾滴分布的集中部位：距下风向部近的赋予权数大，距下风向部远的赋予的权数小，因此对底部雾滴收集器从40号到31号依次赋予权数1～10。这样计算出的加权平均数越大表明雾滴分布越集中于下风向，这个加权平均数就称为加权平均沉积率（weighted mean deposition rate），其计算公式为

2 试验结果与分析

在试验结果中，根据公式（1）、（2）计算得到的是雾滴空间质量平衡收集装置上不同位置的沉积率，分析飞行方向、飞行高度和侧风速这3个影响因素可知，最能直接说明3种因素对雾滴沉积效果影响的指标分别是沉积率在不同方向上的分布比例、沉积分布均匀性和雾滴沉积分布集中度，而直接反映这3个指标的度量值分别是沉积率、沉积率变异系数和加权平均沉积率，因此为了最直观、明显地反映这些因素对雾滴沉积分布的影响，结合不同影响因素选择了不同分析对象和评价指标。

2.1 飞行方向对雾滴沉积分布的影响

在无人机田间实际作业过程中，轨迹多数为“m”形路线，即机头朝前从接近操控手的一侧飞向远端，到达地块边缘减速至悬停，平移一定间隔后保持机头朝前、机尾面向操控手的状态从远端飞回近端，再平移进入下一个循环的作业。因此，在“去”和“回”两个直线飞行过程中分别是机头朝向前进方向和机尾朝向前进方向两种飞行状态，对于单旋翼无人机，其构造与结构对称多旋翼无人机不同，需要分析机头朝向前进方向（前进）与机尾朝向前进方向飞行（后退）是否会对雾滴空间质量平衡分布产生影响。如表2中所示，在飞行高度(3.0±0.1) m，速度(5.0±0.2) m/s条件下进行了4次测试，其中1-1组与1-2组飞行方向为机头朝前，1-3组与1-4组为机尾朝前，表2为4次测试中北斗定位系统测得的飞行参数、飞行方向与计算出的雾滴空间质量平衡收集装置不同部位雾滴沉积量的和占总沉积量的比例，图4为无人机在2种飞行方向下在雾滴空间质量平衡收集装置上测得的雾滴空间质量平衡分布情况。

表2 飞行方向对雾滴沉积分布影响试验中各组测试飞行参数以及空间不同部位质量平衡分布比例

注：测试时环境参数：平均侧风速1.2 m·s-1、平均温度30.5 ℃、平均相对湿度36.9%。

Note: Environmental parameters during the test: Average crosswind speed is 1.2 m·s-1, average temperature is 30.5 ℃, average relative humidity is 36.9%.

从表2以及图4中可看出，2种飞行方向下雾滴沉积都集中分布在雾滴质量平衡收集装置的下风向部和底部，在上风向部和顶部沉积少。当机头朝前飞行时：1～20号收集器即上风向部和顶部几乎没有雾滴沉积；沉积率最大值出现在下风向部25～30号范围内（1-1组最大值为28号：128.3%；1-2组为25号：135.2%），雾滴在下风向部的分布也最多，达60%左右；底部沉积率基本都小于60%，分布比例在30%～40%范围内。而当机尾朝前飞行时：2次测试中在上风向部1～10号均检测出一些雾滴沉积，分布比例在10%～20%范围内；沉积率最大值出现在底部（2-1组最大值为34号：124.1%；2-2组为36号：93.2%），雾滴分布在这一部分也最多，达50%以上。因此，这2种飞行方式带来的雾滴分布情况差异主要集中于2个方面：雾滴在上风向部沉积的多少和雾滴主要分布部位是下风向部还是底部。在无人机田间植保作业中，喷头喷洒出的农药雾滴向下运动直接沉积到靶标作物上是最理想的施药情况，向下运动的雾滴飘失率最少，利用率最高；向两侧运动的雾滴则有不同的运动轨迹，其中部分粒径和质量较大的雾滴可以经过漂移仍然沉积到作物叶片上，但其他雾滴则更容易在自然风和下旋气流的共同作用下飘失到非靶标作物上和环境中造成药害和污染，甚至直接在空气中蒸发，这部分雾滴飘失率高，利用率低。所以，尽管机尾朝前的飞行方式造成雾滴在上风向部有部分沉积，但是其最主要的沉积部位仍然是底部，考虑到机头朝前飞行时雾滴在下风向部分布多达60%，相比之下机尾朝前的作业方式更优，能有效减少雾滴飘失，提高雾滴在靶标上的沉积率和农药利用率。

如图5所示为田间智能多通道微气象测量系统测得的2种飞行方式下无人机下旋气流风速峰值在垂直于地面方向（方向）的分布。可以看出，机尾朝前飞行时各测量节点上的方向风速峰值普遍较高，其下旋气流在方向的影响明显大于机头朝前的飞行方式，而垂直于地面方向的气流对喷洒出的雾滴向下运动沉积到作物上作用最显著，所以无人机后退飞过空间质量平衡收集装置时的雾滴更多沉积在底部。此外，上风向部测量节点7、8号的风速值较小，说明下旋气流在此处下压雾滴作用较弱，更容易导致雾滴运动向两侧方向运动，这也解释了1-3组和1-4组中有少量雾滴沉积在上风向部的现象。分析可知：该型单旋翼无人机机头朝前飞行时，旋翼的下旋气流方向并不是垂直向下的，受与前进方向相反的外界气流影响，该气流的方向应该是介于竖直方向与机尾方向之间向下，而这个方向的气流正好流经机身，会被机身阻挡并改变方向，所以向下起下压雾滴作用的气流会大大减弱；而当机尾朝前飞行时，下旋气流方向为竖直方向与机头方向之间向下，被机身阻挡的几率明显降低，会形成一股较强的向下气流，并且流经安装在机身前部下方的喷杆，帮助喷头雾化出的雾滴向下运动并沉积到作物表面。综上所述，在飞行高度(3.0±0.1) m，速度(5.0±0.2) m/s，侧风速1.2 m/s条件下，该型无人机机尾朝前的飞行方式作业效果更好，造成2种飞行方式雾滴沉积分布差异的原因是单旋翼无人机不对称的结构所引起的前进与后退时下旋气流场对雾滴作用不同。

2.2 飞行高度对雾滴沉积分布的影响

距作物冠层的飞行高度是农用植保无人机作业中一项重要的飞行参数，此前的一些研究[24-26]表明，高度对无人机喷雾雾滴沉积量、冠层穿透性以及分布均匀性都有不同程度的影响。因此，为分析不同高度下的雾滴空间质量平衡分布规律，在距地面2.0～3.5 m高度，以5.0 m/s的速度进行了6组测试，北斗卫星定位系统记录的飞行参数情况、雾滴空间质量平衡收集装置底部沉积率变异系数和空间不同部位质量平衡分布比例如表3所示。

表3 飞行高度对雾滴沉积分布影响试验中各组测试飞行参数、底部沉积率变异系数和空间不同部位质量平衡分布比例

注：测试时环境参数：平均侧风速0.80 m·s-1、平均温度28.4 ℃、平均相对湿度41.6%。

Note: Environmental parameters during the test: Average crosswind speed was 0.80 m·s-1; average temperature was 28.4 ℃; average relative humidity was 41.6%.

按照公式（3）计算雾滴空间沉积收集装置底部、上风向部、下风向部和顶部的Brillantsulfoflavin示踪剂沉积率变异系数，将不同试验组在不同部位的变异系数分别与飞行高度进行线性回归分析，可得：空间质量平衡收集装置底部的线性回归方程为：=−27.327+130.64，决定系数为0.9178；其他部位变异系数与飞行高度无显著线性关系。因此主要针对底部结果进行分析，将收集框底部沉积率变异系数与飞行高度做出散点图（图6），在2.0～3.5 m高度和(5.0±0.3) m/s速度范围内，飞行高度增加，沉积率变异系数呈线性减小，说明飞行高度的增加可以减小雾滴沉积率的离散程度，提高雾滴分布的均匀性。与此同时，底部雾滴质量平衡分布比例随着高度的增加而逐渐降低，从78.6%下降到40%以下；下风向部质量平衡分布比例明显呈现上升趋势；上风向部的雾滴分布比例有小幅增大；而顶部则无明显变化，都在5%以内。

结合图7中3组不同高度条件下旋翼下旋气流风速峰值在方向上的分布可知，当飞行高度为2.00 m时，无人机旋翼下旋气流风速快，流场较强；随着高度的增加，下旋气流在垂直于地面方向上的流场会明显减弱，当飞行高度大于3 m时，该方向上下旋气流的风速已经几乎测量不到，这个结果与此前研究人员对单旋翼电动无人机的测试情况基本一致[27]。这说明飞行高度的变化在影响底部沉积分布均匀性的同时也与雾滴飘移性质息息相关，旋翼下旋气流随着与旋翼距离的增大，气流运动会逐渐由垂直向下运动转变为水平运动[28]，所以高度越高，旋翼下旋气流在冠层顶部位置的流场越弱，喷洒出的雾滴越容易随侧风飘移。以上结果说明，通过飞行高度来调节雾滴分布均匀性的方法是一把双刃剑，一味提升飞行高度不能一直提升该型单旋翼植保无人机的喷雾效果，高度过高时反而会减弱下旋气流对雾滴的下压作用，加重雾滴飘失，将大大降低农药利用率。因此，植保无人机田间作业时需要综合考虑作物特点、地块情况和天气情况等多种因素来确定合理的作业参数。

2.3 侧风速对雾滴沉积分布的影响

航空植保喷雾作业受风力、风向等因素影响较大，容易造成重喷、漏喷和雾滴飘失[29-30]。对于3WQF80-10型植保无人机，搭载2个LU120-02喷头，产生的雾滴粒径在120～160m之间，雾滴粒径较小，非常易受气流影响，因此探索侧风速对雾滴空间质量平衡分布的影响程度十分必要。试验过程中，在3.0 m/s高度和5.0 m/s速度参数下以及不同强度的侧风条件下进行了5组测试，侧风速通过Zeno-3200田间气象站测得，表4中为无人机飞行参数、侧风速、加权平均沉积率和空间不同部位质量平衡分布比例。

表4 侧风速对雾滴沉积分布影响试验中各组测试飞行参数、侧风速、加权平均沉积率和空间不同部位质量平衡分布比例

注：测试时环境参数：平均温度27.5 ℃、平均相对湿度50.3%。

Note: Environmental parameters during the test: Average temperature is 27.5 ℃, average relative humidity is 50.3%.

采用公式4对雾滴空间沉积收集框底部10段沉积率进行加权平均计算，将计算出的加权平均沉积率和侧向风速进行线性回归分析，得到线性回归方程为：=10.785+27.499，决定系数为0.9684。从图8中可以看出，随着侧向风速的增大，底部沉积率的加权平均数呈线性增大，由于沉积率权数按侧风风向依次递增，表明雾滴分布逐渐偏向下风向部位。此外，从雾滴在空间质量平衡收集装置不同部位的分布比例来看，在(3.0±0.1) m高度和(5.0±0.3) m/s速度条件下，当侧风速逐渐增加时，底部雾滴沉积比例逐渐降低，两侧特别是下风向沉积比例有上升的趋势，这也是雾滴集中分布于下风向位置所带来的必然结果。同样，从3种不同侧风速下无人机旋翼在方向的下旋气流场分布（图9）可以看出，随着侧风速增大，每个测量节点上测得的风速值基本呈现依次降低的，下旋气流场逐渐减弱，分析这是由于逐渐增强的侧风的影响，使原本应该垂直向下行进的气流方向发生了改变，分散了方向上的下压气流的强度，雾滴更容易随侧向气流向四周游动而不是向下沉降，如此风场分布更加印证了侧风对雾滴沉积有明显的不利影响。以上结果表明，侧风速对雾滴沉积的作用主要在于降低下旋气流场在垂直于地面方向的强度，让雾滴沉积集中于下风向一侧，减少直接向下运动沉积到作物上雾滴的比例，致使飘失雾滴数目增加。

3 结 论

本文基于植保无人机施药雾滴空间质量平衡测试方法，使用Brillantsulfoflavin示踪剂水溶液代替农药对3WQF80-10型油动单旋翼植保无人机进行了小麦田间喷洒测试，首次对不同飞行方向（前进、倒退）、飞行高度和侧风风速条件下的无人机喷雾雾滴空间质量平衡分布进行了研究和分析，得到以下结论：

1）对于3WQF80-10型油动单旋翼无人机，在飞行高度(3.0±0.1) m、速度(5.0±0.2) m/s和侧风速1.2 m/s的条件下，机头朝前与机尾朝前2种飞行方式对空间雾滴质量平衡分布有显著影响，机尾朝前的飞行方式底部沉积比例可达60%，作业效果更佳；造成这种差异的原因是单旋翼无人机不对称的结构在不同飞行姿态下产生的下旋气流场强弱和分布不同。

2）在2.0～3.5 m高度、(5.0±0.3) m/s速度和0.8 m/s侧风速的条件下，空间质量平衡收集装置底部雾滴沉积率变异系数与高度呈现线性负相关，线性回归方程决定系数为0.9178，即高度越高雾滴分布均匀性越好；飞行高度的变化同时对旋翼下旋气流场影响明显，高度越高，雾滴越容易飘移。

3）在(3.0±0.1) m高度和(5.0±0.3 m/s)速度条件下，空间质量平衡收集装置底部雾滴加权平均沉积率与侧风风速呈线性正相关，线性回归方程决定系数为0.9684，即侧风速越大雾滴越集中分布在下风向处，下旋气流场在垂直于地面方向的强度越弱，雾滴飘移程度越严重。

综上所述，无论是飞行方式、高度还是侧风速，对单旋翼无人机喷雾雾滴产生的影响都是通过改变其旋翼下旋气流场在垂直于地面向下方向的强度，减弱气流对雾滴的下压作用来实现的。因此，无人机下旋气流风场应是影响无人机航空植保作业中雾滴运动的重要因素，在植保无人机设计生产与田间使用过程中，需要充分考虑机身结构、喷杆位置、喷头类型、飞行参数和气象条件等因素对无人机下旋气流风场的影响，将各类因素对雾滴沉积的不利作用降到最低。

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Distribution characteristics of pesticide application droplets deposition of unmanned aerial vehicle based on testing method of deposition quality balance

Wang Changling1, He Xiongkui1※, Wang Xiaonan1, Wang Zhichong1, Wang Shilin1, Li Longlong1, Jane. Bonds2, Andreas. Herbst3, Wang Zhiguo4, Mei Shuifa5

(1.,,100193,; 2.3.,11/12-38104,; 4.455001; 5.61889100094,)

In order to explore the effect of flight parameters and other factors on unmanned aerial vehicle (UAV) spatial pesticide spraying deposition distribution and rotor’s downwash flow field distribution, in this study, we usedthe testing method of spatial pesticide spraying deposition quality balance to test model ‘3WQF80-10’ single-rotor diesel plant-protection UAV. The test included the spatial deposition quality balance distribution, the bottom deposition distribution, and the coefficient of variation of deposition with downwash flow field to evaluate the application effect. The spraying droplets deposition rate of different spatial parts and downwash flow wind speed were measured with different flight directions, heights and crosswind speeds. The spatial spray deposition sampling frame (SSDSF) with triple monofilament wires was applied for collecting the droplets of UAV pesticide application in four directions, and a set of multi-channel micro-meteorology measurement system (MMMS) was used for measuring the downwash wind speed in three directions of,and. The MMMS had 16 wireless micro-meteorology sensors, and all these sensors, separated into two rows at the spacing of 1.5 m, were arranged below the UAV flight path and in line with the SSDSF in wheat field. Besides, Beidou Navigation Satellite System was used for controlling and recording the working height, velocity and track of this model of single-rotor UAV. The sensor of model ‘ZENO-3200’ weather station was set at the height of 6 m to record the environmental parameters at test site. Taking 0.1% mass fraction of brilliantsulfoflavin water solution as spraying liquid and pour the tracer liquid into the tank of the UAV before test. During every test, the operator controlled the UAV remotely to take off, when the UAV reached the required height, then opened the spray system and made the unmanned aircraft fly over the experimental area and went through the SSDSF. After tests, the monofilament wires on the SSDSF were measured for the absorbance of the tracer brillantsulfoflavin by the model ‘SFM25’ fluorescence spectrometer. In tests of flight direction, four flights were implemented in the forward and backward directions and the results showed: at the height of (3.0±0.1) m, the velocity of (5.0±0.2) m/s and the crosswind speed of 1.2 m/s, the flight directions of ahead and back had an impact on droplets deposition distribution and the working effect of flying backwards, with 60% of deposition ratio of the bottom part of the SSDSF, was better than flying forwards. For tests of flight height, six tests of different heights were conducted and results were: at the height from 2.0 to 3.5 m, the velocity of (5.0±0.3) m/s and the crosswind speed of 0.8 m/s, the coefficient of variation (2) of the bottom part was linearly associated with the flight height which was 0.9178, indicating that the deposition distribution became more uniform with the increase of height. Additionally, when it came to the tests of crosswind speed, five treatments were performed and results indicated that at the height of (3.0±0.1) m and the velocity of (5.0±0.3) m/s, there was a linear correlation between weighted mean deposition rate and crosswind speed and the coefficient of variation (2) was 0.9684, which showed the deposition distribution got more concentrated towards the downwind part with the rise of the crosswind speed. Overall, according to the result of tests of downwash flow wind speed, our results showed that regardless of the flight direction and height and the crosswind, all these factors influenced the droplets deposition distribution via weakening the intensity of the downwash wind field in direction.

spraying; pesticides; mechanization; plant-protection unmanned aerial vehicle; droplets; spatial spraying deposition quality balance; flight parameters; deposition

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.24.012

S252+.3

A

1002-6819(2016)-24-0089-09

2016-07-23

2016-11-21

国家自然科学基金资助项目（31470099），公益性行业（农业）科研专项资助项目（201503130）

王昌陵，博士生，主要从事无人航空植保施药技术研究。北京 中国农业大学理学院，100193。Email：wcl1991@cau.edu.cn

何雄奎，教授，博士生导师，主要从事植保机械与施药技术研究。北京 中国农业大学理学院，100193。Email：xiongkui@cau.edu.cn