多旋翼無人機(jī)旋翼下方風(fēng)場(chǎng)對(duì)航空噴施霧滴沉積的影響

陳盛德 蘭玉彬 BRADLEY K F 李繼宇 劉愛民 毛越東

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 廣州 510642； 2.國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國際聯(lián)合研究中心, 廣州 510642；3.美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究服務(wù)局， 大學(xué)城 TX 77845； 4.湖南隆平種業(yè)有限公司， 長沙 410006；5.深圳高科新農(nóng)技術(shù)有限公司， 深圳 518057)

多旋翼無人機(jī)旋翼下方風(fēng)場(chǎng)對(duì)航空噴施霧滴沉積的影響

陳盛德1,2蘭玉彬1,2BRADLEY K F3李繼宇1,2劉愛民4毛越東5

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 廣州 510642； 2.國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國際聯(lián)合研究中心, 廣州 510642；3.美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究服務(wù)局， 大學(xué)城 TX 77845； 4.湖南隆平種業(yè)有限公司， 長沙 410006；5.深圳高科新農(nóng)技術(shù)有限公司， 深圳 518057)

風(fēng)場(chǎng)是影響航空噴施霧滴沉積分布特性的重要因素之一。為了揭示多旋翼無人機(jī)旋翼下方風(fēng)場(chǎng)對(duì)霧滴沉積分布的影響機(jī)理，通過無人機(jī)旋翼風(fēng)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量多旋翼電動(dòng)無人機(jī)旋翼下方的風(fēng)場(chǎng)分布，同時(shí)結(jié)合航空噴施霧滴在水稻冠層的沉積情況，分析旋翼下方X、Y、Z3個(gè)方向的風(fēng)場(chǎng)對(duì)霧滴沉積分布的影響，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了方差分析和回歸分析。結(jié)果表明：在無人機(jī)旋翼下方3向風(fēng)場(chǎng)中，X和Y向風(fēng)速對(duì)有效噴幅區(qū)內(nèi)霧滴沉積量的影響不顯著,Z向風(fēng)速的影響極顯著；X向風(fēng)速對(duì)有效噴幅區(qū)內(nèi)霧滴沉積穿透性的影響不顯著,Y和Z向風(fēng)速的影響分別為顯著和極顯著；X和Y向風(fēng)速對(duì)霧滴沉積飄移的影響均不顯著，Z向風(fēng)場(chǎng)的影響顯著；且當(dāng)水平方向上X、Y向風(fēng)速峰值越小、垂直方向上Z向風(fēng)速峰值越大時(shí)，霧滴沉積均勻性越好，最佳值達(dá)到36.44%。另外，有效噴幅區(qū)內(nèi)霧滴沉積量與因素Z向風(fēng)速之間的回歸模型及有效噴幅區(qū)內(nèi)霧滴沉積穿透性與因素Y和Z向風(fēng)速之間的回歸模型的決定系數(shù)R2分別為0.868和0.842，表明模型可以為實(shí)際作業(yè)提供指導(dǎo)。

多旋翼無人機(jī)； 旋翼下方風(fēng)場(chǎng)； 霧滴沉積

引言

目前，我國農(nóng)用植保方式主要包括人工噴施、地面機(jī)械噴施和航空噴施[1]；其中，傳統(tǒng)的人工噴施方式作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、耗時(shí)長，難以應(yīng)對(duì)突發(fā)性病蟲害[2-3]；地面機(jī)械噴施方式作業(yè)成本高、藥劑有效利用率低，且存在下田作業(yè)困難，易損傷農(nóng)作物及土壤物理結(jié)構(gòu)，影響農(nóng)作物后期生長[4-6]；農(nóng)用無人機(jī)低空低量施藥技術(shù)作為我國新型航空植保作業(yè)方式，改變了中國傳統(tǒng)植保作業(yè)方式的弊端，農(nóng)用無人機(jī)噴施作業(yè)效率高、成本低、噴施效果好，且可解決水稻生長過程中地面機(jī)械難以下田作業(yè)的問題等，正逐漸成為首選的植保作業(yè)方式[7-10]。

低空低量航空施藥技術(shù)已成為研究熱點(diǎn)[11-16]。目前關(guān)于農(nóng)用無人機(jī)噴施技術(shù)的研究重點(diǎn)主要集中在航空噴施作業(yè)參數(shù)對(duì)霧滴沉積分布特性影響的層面上。研究表明，影響航空噴施霧滴沉積分布特性的主要因素是飛機(jī)旋翼下方風(fēng)場(chǎng)，由旋翼風(fēng)場(chǎng)和外界環(huán)境風(fēng)場(chǎng)共同構(gòu)成[17-19]；航空噴施霧滴的沉積規(guī)律研究需要從根本上考慮風(fēng)場(chǎng)的影響。THISTLE等[20-21]將有人駕駛固定翼飛機(jī)尾流、翼尖渦流、旋翼下旋氣流和機(jī)身周邊空氣擾動(dòng)納入為霧滴沉積的影響因素，將航空施藥的噴灑霧滴作為離散對(duì)象進(jìn)行分析，以此來預(yù)測(cè)霧滴的運(yùn)動(dòng)軌跡和地面沉積效果，并發(fā)展成了AGDISP (Agricultural dispersion)模型；THOMSON等[22]通過試驗(yàn)研究了Air-Tractor 402B型有人駕駛飛機(jī)推進(jìn)器不同轉(zhuǎn)動(dòng)方向產(chǎn)生的尾流風(fēng)場(chǎng)對(duì)霧滴沉積分布的影響；張宋超等[23]采用計(jì)算流體力學(xué)CFD方法，在約束條件下對(duì)作業(yè)過程中N-3型單旋翼農(nóng)用無人機(jī)旋翼風(fēng)場(chǎng)和農(nóng)藥噴灑的兩相流進(jìn)行了模擬，并設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證；王昌陵等[24]探究了3WQF80-10型單旋翼油動(dòng)植保無人機(jī)飛行方式、飛行參數(shù)及側(cè)風(fēng)等因素對(duì)無人機(jī)噴霧霧滴空間質(zhì)量平衡分布和旋翼下旋氣流場(chǎng)分布的影響。

與有人駕駛飛機(jī)和單旋翼無人直升機(jī)相比，多旋翼無人機(jī)在作業(yè)過程中所產(chǎn)生的風(fēng)場(chǎng)是多個(gè)旋翼共同作用的結(jié)果，風(fēng)場(chǎng)分布情況及風(fēng)場(chǎng)對(duì)霧滴沉積分布特性的影響機(jī)理均存在差異[25]。目前，對(duì)于多旋翼無人機(jī)在田間實(shí)際作業(yè)時(shí)旋翼下方的風(fēng)場(chǎng)對(duì)航空噴施霧滴沉積分布特性影響的研究還未見相關(guān)報(bào)道。為此，本文以四旋翼農(nóng)用無人機(jī)為例，通過不同參數(shù)下的航空噴施試驗(yàn)及無人機(jī)風(fēng)場(chǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得旋翼下方的風(fēng)場(chǎng)分布情況，來研究不同方向風(fēng)場(chǎng)因素對(duì)航空噴施霧滴沉積分布的影響，以期揭示多旋翼農(nóng)用無人機(jī)航空噴施霧滴沉積機(jī)理，為優(yōu)化噴施作業(yè)參數(shù)和減少航空噴施藥液飄移提供理論指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 儀器設(shè)備

噴霧作業(yè)試驗(yàn)采用深圳高科新農(nóng)技術(shù)有限公司提供的德美特M234-AT型四旋翼電動(dòng)無人機(jī)，已在湖南省、河南省、新疆維吾爾自治區(qū)、海南省、廣東省等進(jìn)行測(cè)試和推廣作業(yè)，如圖1所示，主要性能指標(biāo)如表1所示。

圖1 試驗(yàn)機(jī)型Fig.1 Test model of UAV

參數(shù)數(shù)值機(jī)身尺寸(長×寬×高)/(mm×mm×mm)950×950×530主旋翼直徑/mm768最大載藥量/L10作業(yè)速度/(m·s-1)0～8作業(yè)高度/m0.5～3.0有效噴幅/m4～6

噴霧系統(tǒng)由藥箱、微型水泵、噴桿、管路、噴頭等構(gòu)成，噴頭為扇形噴頭，數(shù)量為4個(gè)，噴頭沿噴桿方向垂直于飛機(jī)中軸線等間距分布，間距為600 mm，噴頭方向朝下，噴灑總流量為2.4 L/min。

微輕型無人機(jī)機(jī)載北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)由北斗UB351板卡和高速調(diào)頻雙向電臺(tái)組成，具有RTK差分定位功能，平面精度達(dá)(10+5×10-7D)mm，高程精度達(dá)(20+1×10-6D)mm，其中，D表示該系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量的距離，單位為km。農(nóng)用無人機(jī)搭載該系統(tǒng)移動(dòng)站給作業(yè)航線繪制軌跡及給各個(gè)風(fēng)場(chǎng)采樣點(diǎn)和霧滴采樣點(diǎn)坐標(biāo)定位，通過北斗系統(tǒng)繪制的作業(yè)軌跡來觀察實(shí)際作業(yè)航線與各采集點(diǎn)之間的關(guān)系，并獲取農(nóng)用無人機(jī)噴施作業(yè)的飛行參數(shù)。

無人機(jī)風(fēng)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)采用無人直升機(jī)風(fēng)場(chǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng)[26]，該系統(tǒng)包括葉輪式風(fēng)速傳感器、風(fēng)速傳感器無線測(cè)量節(jié)點(diǎn)。葉輪式風(fēng)速傳感器測(cè)量每一個(gè)采樣點(diǎn)處無人機(jī)噴施作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的立體三向風(fēng)速，測(cè)量范圍為0～45 m/s，精度為±3%，分辨率為0.1 m/s。風(fēng)速傳感器無線測(cè)量節(jié)點(diǎn)由490 MHz無線數(shù)傳模塊、微控制器以及供電模塊組成，實(shí)現(xiàn)將風(fēng)速數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)的智能總控匯聚節(jié)點(diǎn)。

環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括便攜式風(fēng)速風(fēng)向儀和試驗(yàn)用數(shù)字溫濕度表，風(fēng)速風(fēng)向儀用于監(jiān)測(cè)和記錄試驗(yàn)時(shí)環(huán)境的風(fēng)速和風(fēng)向，溫濕度表用于測(cè)量試驗(yàn)時(shí)環(huán)境的溫度及濕度。

霧滴收集處理設(shè)備包括三腳架、掃描儀、夾子、橡膠手套、密封袋、標(biāo)簽紙等。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)場(chǎng)地

試驗(yàn)在湖南省武岡市隆平種業(yè)公司雜交水稻制種基地進(jìn)行，作物生育期為拔節(jié)孕穗期，平均高度為80 cm，水稻采用機(jī)械插秧，水稻植株之間的行列間距為17 cm×14.5 cm。

1.2.2 無人機(jī)風(fēng)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)布置

風(fēng)速傳感器無線測(cè)量節(jié)點(diǎn)的田間布置參照汪沛等[27]提出的3向線陣風(fēng)場(chǎng)測(cè)量方法。風(fēng)速傳感器無線測(cè)量節(jié)點(diǎn)兩兩間隔1 m沿垂直于無人機(jī)航線排列成一行，依次編號(hào)1～10，節(jié)點(diǎn)10用于同步測(cè)量對(duì)應(yīng)方向的自然風(fēng)風(fēng)速，放置在距離節(jié)點(diǎn)9約15 m處的遠(yuǎn)端，且農(nóng)用無人機(jī)沿節(jié)點(diǎn)5正上方進(jìn)行噴施作業(yè)。如圖2所示,每個(gè)節(jié)點(diǎn)上布置3個(gè)風(fēng)速傳感器，風(fēng)速傳感器軸心的安裝方向分別為：X向，平行于飛行方向；Y向，垂直于飛行方向；Z向，垂直于地面方向。

圖2 風(fēng)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布點(diǎn)圖Fig.2 Wind field measurement system layouts

1.2.3 霧滴采樣點(diǎn)布置

如圖3所示，霧滴采集帶與風(fēng)場(chǎng)測(cè)量帶為同一條采集帶，即在每個(gè)風(fēng)速傳感器無線測(cè)量節(jié)點(diǎn)處設(shè)置1處霧滴采樣點(diǎn)，每層霧滴采樣點(diǎn)數(shù)量與風(fēng)速傳感器無線測(cè)量節(jié)點(diǎn)數(shù)量相同，即每層布置9個(gè)霧滴采樣點(diǎn)，霧滴采樣點(diǎn)兩兩間隔1 m；且在每個(gè)霧滴采樣點(diǎn)處的豎直方向上沿水稻植株冠層分上、中、下3層布置霧滴采樣點(diǎn)，其中，上層與中層、中層與下層均間距25 cm左右，下層與地面間距20 cm左右。

圖3 布點(diǎn)示意圖Fig.3 Sample point layouts

1.2.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

此次試驗(yàn)以清水代替藥液進(jìn)行噴施作業(yè)，每次試驗(yàn)藥箱內(nèi)的液體體積為5 L，試驗(yàn)采用Syngenta牌水敏紙作為霧滴采集卡以收集噴施霧滴，尺寸為26 mm×76 mm。

為保障沉積數(shù)據(jù)的有效性及試驗(yàn)的可對(duì)比性，根據(jù)操控手的經(jīng)驗(yàn)和建議，作業(yè)速度選取在2.5～5.0 m/s范圍內(nèi)，作業(yè)高度選取在1.5 m左右，且試驗(yàn)分成4次進(jìn)行。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 作業(yè)參數(shù)及軌跡處理

由北斗定位系統(tǒng)UB351對(duì)布置的各采集點(diǎn)進(jìn)行定位獲取地理數(shù)據(jù)后繪制結(jié)果如圖4a所示，由飛機(jī)飛行時(shí)搭載北斗定位系統(tǒng)UB351而獲取的無人機(jī)其中一次噴施作業(yè)的飛行軌跡如圖4b所示；其中，北斗定位系統(tǒng)UB351在噴施作業(yè)時(shí)的軌跡定位頻率為1 Hz。

圖4 霧滴采集點(diǎn)與飛行軌跡圖Fig.4 Droplet collection point and flight trajectory

表2為由飛機(jī)搭載北斗定位系統(tǒng)UB351獲取無人機(jī)噴施作業(yè)時(shí)通過采集帶的瞬時(shí)飛行參數(shù)及作業(yè)過程中飛行高度的變化程度。試驗(yàn)時(shí)間為16:00—18:00，環(huán)境溫度為30 ℃左右，環(huán)境濕度為65%左右，環(huán)境風(fēng)向(西南)。

表2 試驗(yàn)參數(shù)Tab.2 Test parameters

1.3.2 數(shù)據(jù)采集與處理

每次試驗(yàn)完成，待采集卡上的霧滴干燥后，按照序號(hào)收集霧滴采集卡，并逐一放入相對(duì)應(yīng)的密封袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

將收集的霧滴采集卡逐一用掃描儀掃描，掃描后的圖像通過圖像處理軟件DepositScan進(jìn)行分析，得出在不同的航空施藥參數(shù)下霧滴的覆蓋率、覆蓋密度及沉積量[28]。

為了表征試驗(yàn)中各采集點(diǎn)之間的霧滴沉積均勻性，采用變異系數(shù)CV來衡量試驗(yàn)中各采集點(diǎn)之間的霧滴沉積均勻性[29]，變異系數(shù)為

(1)

其中

(2)

為進(jìn)一步表明多旋翼農(nóng)用無人機(jī)旋翼下方風(fēng)場(chǎng)對(duì)水稻冠層上方霧滴沉積的影響，揭示霧滴沉積分布與旋翼下方三向風(fēng)場(chǎng)分布之間的關(guān)系，對(duì)所有試驗(yàn)結(jié)果(霧滴沉積結(jié)果及風(fēng)場(chǎng)分布結(jié)果)通過SPSS 16.0軟件采用逐步回歸法進(jìn)行回歸分析，建立霧滴沉積分布與風(fēng)場(chǎng)分布之間的回歸方程，并檢驗(yàn)其顯著性(P<0.05)[30]。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

2.1.1 霧滴沉積數(shù)據(jù)

圖5為農(nóng)用無人機(jī)4次噴施作業(yè)試驗(yàn)霧滴在水稻植株上層、中層、下層的霧滴沉積分布情況。

從圖5中霧滴在水稻植株各層的分布情況可以看出，航空噴施霧滴在植株各層的沉積趨勢(shì)基本相同，沉積量從上層到下層依次減少，上層沉積量略高于中層沉積量，而中層沉積量高于下層沉積量；且霧滴主要沉積在水稻植株上層的采集點(diǎn)4、5、6、7，且根據(jù)霧滴密度評(píng)價(jià)農(nóng)用無人機(jī)有效噴幅的方法，第1次試驗(yàn)和第2次試驗(yàn)中的采集點(diǎn)4、5、6、7，第3次試驗(yàn)中的采集點(diǎn)5、6、7，第4次試驗(yàn)中的采集點(diǎn)4、5、6、7、8，其上層的霧滴沉積密度均滿足評(píng)價(jià)要求[31]，因此，可以將上述霧滴采集點(diǎn)作為本次噴施試驗(yàn)中農(nóng)用無人機(jī)有效噴幅寬度內(nèi)的采集點(diǎn)。

2.1.2 風(fēng)場(chǎng)分布數(shù)據(jù)

圖6為農(nóng)用無人機(jī)4次噴施作業(yè)試驗(yàn)時(shí)風(fēng)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)所測(cè)得水稻冠層上方X、Y、Z方向的風(fēng)場(chǎng)分布情況。

圖5 霧滴沉積分布Fig.5 Distributions of droplets deposition

圖6 風(fēng)場(chǎng)分布Fig.6 Distributions of wind field

從圖6中水稻冠層上方X、Y、Z方向的風(fēng)場(chǎng)分布情況可以看出，由于噴施作業(yè)飛行參數(shù)的不同，每次試驗(yàn)的風(fēng)場(chǎng)分布情況也存在差異，但風(fēng)速由大到小總體表現(xiàn)出Z向、Y向、X向的趨勢(shì)。

2.2 風(fēng)場(chǎng)對(duì)有效噴幅區(qū)內(nèi)霧滴沉積量的影響

表3為霧滴在有效噴幅區(qū)內(nèi)的沉積分布情況。

由以上試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行逐步回歸分析，表4為農(nóng)用無人機(jī)旋翼下方風(fēng)場(chǎng)對(duì)有效噴幅區(qū)內(nèi)霧滴沉積量影響的方差分析及回歸分析結(jié)果。由方差分析結(jié)果可知，因素X和Y向風(fēng)速對(duì)應(yīng)的顯著性水平值分別為0.477和0.114，因素Z向風(fēng)速對(duì)應(yīng)的顯著性水平值P<0.01，表明X和Y向風(fēng)速對(duì)有效噴幅區(qū)內(nèi)霧滴沉積量的影響不顯著，Z向風(fēng)速對(duì)有效噴幅區(qū)內(nèi)霧滴沉積量的影響極顯著；且回歸方程顯著性檢驗(yàn)的概率P<0.01，因此被解釋變量與解釋變量全體的線性關(guān)系是極顯著的，可建立線性方程。

表3 有效噴幅區(qū)內(nèi)霧滴沉積分布Tab.3 Distribution of droplets deposition in effective spray area

表4 沉積量方差分析及回歸分析結(jié)果Tab.4 Results of deposition variance and regression analysis

注：P表示因素對(duì)結(jié)果影響的顯著性水平值，本文取顯著性水平α=0.05，** 表示因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有極顯著影響。

對(duì)于霧滴沉積量而言，由回歸分析結(jié)果可知，回歸方程的回歸系數(shù)依次為-0.036、0.053，但常數(shù)項(xiàng)的顯著性水平P>0.05，應(yīng)予以剔除，因此，指標(biāo)有效噴幅區(qū)霧滴沉積量y1與因素Z向風(fēng)速vZ之間的關(guān)系模型為

y1=0.053vZ(R2=0.868)

(3)

在所建立的關(guān)系模型中，因素Z向風(fēng)速的系數(shù)大于0，為正，表示旋翼下方Z向垂直風(fēng)速與有效噴幅區(qū)內(nèi)的霧滴沉積量是正相關(guān)，Z向風(fēng)速越大，有效噴幅區(qū)內(nèi)霧滴受垂直下旋風(fēng)場(chǎng)的影響沉積的越多。這與霧滴沉積機(jī)理分析和實(shí)際作業(yè)情況是相一致的。

2.3 風(fēng)場(chǎng)對(duì)有效噴幅區(qū)內(nèi)霧滴沉積穿透性的影響

為表示農(nóng)用無人機(jī)旋翼下方風(fēng)場(chǎng)對(duì)有效噴幅區(qū)內(nèi)霧滴沉積穿透性的影響，取霧滴在有效噴幅區(qū)內(nèi)采集點(diǎn)下層的沉積量來表征霧滴穿透性的性能。表5為農(nóng)用無人機(jī)旋翼下方三向風(fēng)場(chǎng)對(duì)有效噴幅區(qū)內(nèi)霧滴在水稻植株冠層沉積穿透性影響的方差分析及回歸分析結(jié)果。由方差分析結(jié)果可知，因素X向風(fēng)速對(duì)應(yīng)的顯著性水平值為0.056，因素Y向風(fēng)速對(duì)應(yīng)的顯著性水平值P<0.05，因素Z向風(fēng)速對(duì)應(yīng)的顯著性水平值P<0.01；表明X向風(fēng)速對(duì)有效噴幅區(qū)內(nèi)霧滴沉積穿透性的影響不顯著，Y向風(fēng)速對(duì)有效噴幅區(qū)內(nèi)霧滴沉積穿透性的影響顯著，Z向風(fēng)速對(duì)有效噴幅區(qū)內(nèi)霧滴沉積穿透性的影響極顯著；且回歸方程顯著性檢驗(yàn)的概率P<0.01，因此被解釋變量與解釋變量全體的線性關(guān)系是極顯著的，可建立線性方程。

表5 沉積穿透性方差分析及回歸分析結(jié)果Tab.5 Results of deposition penetration variance and regression analysis

對(duì)于霧滴沉積穿透性而言，由回歸分析結(jié)果可知，回歸方程的回歸系數(shù)依次為0.045、-0.028、0.031，但常數(shù)項(xiàng)的顯著性水平值P>0.05，應(yīng)予以剔除，因此，指標(biāo)有效噴幅區(qū)霧滴沉積穿透性y2與因素Y向風(fēng)速和Z向風(fēng)速之間的關(guān)系模型為

y2=-0.028vY+0.031vZ(R2=0.842)

(4)

在所建立的模型中，因素Y向風(fēng)速的系數(shù)小于零，為負(fù)，表示有效噴幅區(qū)內(nèi)霧滴沉積穿透性與Y向風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)；因素Z向風(fēng)速的系數(shù)大于零，為正，表示有效噴幅區(qū)內(nèi)霧滴沉積穿透性與Z向風(fēng)速呈正相關(guān)。水平方向上的風(fēng)場(chǎng)會(huì)阻礙霧滴在植株間的穿透，垂直方向上的風(fēng)場(chǎng)會(huì)促進(jìn)霧滴在植株間的穿透，即Y向風(fēng)速越大、Z向風(fēng)速越小，有效噴幅區(qū)內(nèi)霧滴沉積穿透性越差；Y向風(fēng)速越小、Z向風(fēng)速越大，有效噴幅區(qū)內(nèi)霧滴沉積穿透性越好。此模型與霧滴沉積機(jī)理分析互為補(bǔ)充。

2.4 風(fēng)場(chǎng)對(duì)有效噴幅區(qū)內(nèi)霧滴沉積均勻性的影響

為表明農(nóng)用無人機(jī)旋翼下方風(fēng)場(chǎng)對(duì)有效噴幅區(qū)內(nèi)霧滴沉積均勻性的影響，取每次試驗(yàn)中旋翼下方風(fēng)場(chǎng)X向、Y向、Z向的峰值來研究三向風(fēng)場(chǎng)與霧滴沉積均勻性之間的關(guān)系[25,32]。表6為農(nóng)用無人機(jī)旋翼下方有效噴幅區(qū)內(nèi)三向風(fēng)場(chǎng)峰值與霧滴在水稻植株冠層沉積均勻性結(jié)果。由表中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)X、Y、Z向風(fēng)速分別為2.60、2.20、10.50 m/s時(shí)，有效噴幅區(qū)內(nèi)的霧滴沉積均勻性最佳，為36.44%；當(dāng)X、Y、Z向風(fēng)速分別為3.20、4.30、7.20 m/s時(shí)，有效噴幅區(qū)內(nèi)的霧滴沉積均勻性最差，為66.28%；說明旋翼下方水平方向上的X、Y向風(fēng)速和垂直方向上的Z向風(fēng)速共同影響著有效噴幅區(qū)內(nèi)的霧滴沉積均勻性，當(dāng)水平方向上的X、Y向風(fēng)速峰值越大、垂直方向上的Z向風(fēng)速峰值越小，霧滴沉積均勻性越差；當(dāng)X、Y向風(fēng)速峰值越小、Z向風(fēng)速峰值越大，霧滴沉積均勻性越好。這表明當(dāng)水平方向上的風(fēng)場(chǎng)較大時(shí)，會(huì)擾亂垂直方向上的風(fēng)場(chǎng)而造成旋翼下方出現(xiàn)紊流，從而降低霧滴沉積均勻性；而豎直方向上的Z向風(fēng)場(chǎng)較大時(shí)則會(huì)減弱其他方向上風(fēng)場(chǎng)的影響，從而提高霧滴沉積均勻性。此現(xiàn)象與實(shí)際作業(yè)情況相吻合。

表6 有效噴幅區(qū)內(nèi)風(fēng)場(chǎng)最大值及霧滴沉積均勻性Tab.6 Maximum value of wind field and deposition uniformity in effective spray area

2.5 風(fēng)場(chǎng)對(duì)霧滴飄移的影響

表7為左、右飄移區(qū)內(nèi)霧滴的飄移量及風(fēng)場(chǎng)在有效噴幅區(qū)兩側(cè)邊緣采集點(diǎn)處的分布情況。

表7 左、右飄移區(qū)內(nèi)霧滴飄移量及有效噴幅區(qū)兩側(cè)邊緣處風(fēng)場(chǎng)分布Tab.7 Droplets deposition in left and right drift areas and wind field distribution at edge of effective spray area

為清楚地揭示出農(nóng)用無人機(jī)旋翼下方風(fēng)場(chǎng)對(duì)霧滴沉積飄移的影響，取每次試驗(yàn)中有效噴幅兩側(cè)邊緣處的旋翼下方風(fēng)場(chǎng)X向、Y向、Z向的風(fēng)速值來研究風(fēng)場(chǎng)與霧滴沉積飄移之間的關(guān)系。表8為有效噴幅區(qū)內(nèi)左右邊緣處的三向風(fēng)場(chǎng)對(duì)左右飄移區(qū)霧滴飄移影響的方差分析及回歸分析結(jié)果。由方差分析結(jié)果可知，因素X向風(fēng)速對(duì)應(yīng)的顯著性水平值為0.179，因素Y向風(fēng)速對(duì)應(yīng)的顯著性水平值為0.051，因素Z向風(fēng)速對(duì)應(yīng)的顯著性水平值P<0.05；表明有效噴幅內(nèi)邊緣處X和Y向風(fēng)速對(duì)有效噴幅區(qū)內(nèi)霧滴沉積穿透性的影響均不顯著，有效噴幅內(nèi)邊緣處Z向風(fēng)速對(duì)霧滴沉積飄移的影響顯著，即農(nóng)用無人機(jī)旋翼下方Z向風(fēng)場(chǎng)對(duì)霧滴沉積飄移的影響顯著；且回歸方程顯著性檢驗(yàn)的概率P<0.05，因此被解釋變量與解釋變量全體的線性關(guān)系是顯著的，可建立線性方程。

表8 霧滴飄移方差分析及回歸分析結(jié)果Tab.8 Results of droplets drift variance and regression analysis

對(duì)于霧滴沉積飄移而言，由回歸分析結(jié)果可知，回歸方程的回歸系數(shù)依次為0.324、-0.034，因此，霧滴沉積飄移量y3與Z向風(fēng)速之間的關(guān)系模型為

y3=-0.034vZ+0.324 (R2=0.545)

(5)

在霧滴沉積飄移模型中，因素Z向風(fēng)速的系數(shù)小于零，為負(fù)，表示霧滴沉積飄移量與Z向風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)，即說明旋翼下方垂直方向上的風(fēng)場(chǎng)對(duì)霧滴飄移有抑制作用；垂直風(fēng)場(chǎng)越強(qiáng)，霧滴飄移量越少，此現(xiàn)象與霧滴沉積機(jī)理是極其吻合的。

另外值得注意的是，此回歸模型的決定系數(shù)R2為0.545，低于標(biāo)準(zhǔn)值0.7。根據(jù)已有的試驗(yàn)結(jié)果表明，在實(shí)際航空噴施作業(yè)中，垂直于飛行方向的水平Y(jié)向風(fēng)速對(duì)霧滴飄移有一定程度的影響[22,27]。但在此次模型中，因素Y向風(fēng)速并沒有包含在此回歸模型之中，而Y向風(fēng)速對(duì)應(yīng)的顯著性水平值P=0.051，因此，可以認(rèn)為是由于航線中心兩側(cè)采集點(diǎn)的距離不同以及一定試驗(yàn)誤差的影響，從而造成此回歸模型的相關(guān)系數(shù)較低。

3 討論

通過4次航空噴施試驗(yàn)初步證實(shí)了多旋翼無人機(jī)旋翼下方風(fēng)場(chǎng)對(duì)航空噴施霧滴沉積分布的影響作用是真實(shí)存在的，即無人機(jī)旋翼下方風(fēng)場(chǎng)對(duì)霧滴在作物植株上的沉積有著不同程度的影響；因此，航空噴霧霧滴沉積規(guī)律的探尋需要從其根本上研究無人機(jī)旋翼下方風(fēng)場(chǎng)對(duì)航空噴施霧滴沉積的影響機(jī)理，風(fēng)場(chǎng)分布與霧滴沉積分布之間的關(guān)系是未來農(nóng)業(yè)航空噴施基礎(chǔ)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。

本次試驗(yàn)所采用的霧滴沉積采集范圍為9 m。為揭示出農(nóng)用無人機(jī)旋翼下方風(fēng)場(chǎng)對(duì)霧滴沉積飄移的影響，故取有效噴幅區(qū)外左右飄移區(qū)內(nèi)的霧滴沉積量來表征其影響關(guān)系。通過霧滴沉積分布結(jié)果可以看出，離有效噴幅區(qū)越遠(yuǎn)，霧滴的沉積量越少，較遠(yuǎn)處的霧滴飄移量占霧滴飄移總量很少的一部分；本文所采取的研究方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果會(huì)存在一定的誤差，但在一定程度上反映出了農(nóng)用無人機(jī)旋翼下方風(fēng)場(chǎng)對(duì)霧滴沉積飄移的影響關(guān)系。

4 結(jié)論

(1)旋翼下方X向和Y向風(fēng)場(chǎng)對(duì)有效噴幅區(qū)內(nèi)霧滴沉積量的影響不顯著，Z向風(fēng)場(chǎng)的影響極顯著，且有效噴幅區(qū)內(nèi)霧滴沉積量與Z向風(fēng)場(chǎng)之間的回歸模型決定系數(shù)R2為0.868，可以為實(shí)際作業(yè)提供指導(dǎo)。

(2)旋翼下方X向風(fēng)場(chǎng)對(duì)有效噴幅區(qū)內(nèi)霧滴沉積穿透性的影響不顯著，Y向風(fēng)場(chǎng)的影響顯著，Z向風(fēng)場(chǎng)的影響極顯著；且有效噴幅區(qū)內(nèi)霧滴沉積穿透性與Y向和Z向風(fēng)場(chǎng)之間的回歸模型決定系數(shù)R2為0.842，可以為實(shí)際作業(yè)提供指導(dǎo)。

(3)旋翼下方水平方向上的風(fēng)場(chǎng)和垂直方向上的風(fēng)場(chǎng)共同影響著有效噴幅區(qū)內(nèi)的霧滴沉積均勻性，當(dāng)水平方向上的X、Y向風(fēng)速峰值越大、垂直方向上的Z向風(fēng)速峰值越小，霧滴沉積均勻性越差；當(dāng)X、Y向風(fēng)速峰值越小、Z向風(fēng)速峰值越大，霧滴沉積均勻性越好。

(4)旋翼下方Z向風(fēng)場(chǎng)對(duì)霧滴沉積飄移的影響顯著，且對(duì)霧滴飄移有一定的抑制作用，即垂直風(fēng)場(chǎng)越強(qiáng)，霧滴飄移量越小。

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Effect of Wind Field below Rotor on Distribution of Aerial Spraying Droplet Deposition by Using Multi-rotor UAV

CHEN Shengde1,2LAN Yubin1,2BRADLEY K F3LI Jiyu1,2LIU Aimin4MAO Yuedong5

(1.CollegeofEngineering,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China2.NationalCenterforInternationalCollaborationResearchonPrecisionAgriculturalAviationPesticidesSprayingTechnology(NPAAC),Guangzhou510642,China3.AgriculturalResearchService,UnitedStatesDepartmentofAgriculture,CollegeStationTX77845,USA4.HunanLongpingSeedIndustryCo.,Ltd.,Changsha410006,China5.ShenzhenHi-techNewAgricultureTechnologiesCo.,Ltd.,Shenzhen518057,China)

Currently, studies about aerial spraying application of agricultural unmanned aerial vehicle (UAV) in China mainly focus on the effect of aerial spraying operation parameters (flight height and flight velocity) of single-rotor UAV on droplet deposition distribution. In fact, the main factor that affects the droplet deposition distribution of aerial spraying is the wind field below the UAV rotor, which is made up of wind field generated by rotating rotor and wind field of external environment. The effect of wind field below agricultural UAV rotor needs to be taken into account in the study of the distribution regularity of aerial spraying droplet deposition. Moreover, the wind field generated by multi-rotor electric UAV during operation is the result of multiple rotor interaction. The distribution of wind field and the effect of wind field on the distribution regularity of droplet deposition are different with single-rotor UAV. In order to reveal the impact mechanism of droplet deposition distribution by the wind field below the multi-rotor electric UAV rotor, wind field distribution below multi-rotor electric UAV was measured by using a wireless wind speed sensor network measurement system for unmanned helicopter, and the impact on the distribution of droplet deposition was analyzed by the wind field inX,YandZdirections below rotor combined with the condition of aerial spraying droplets deposition in rice canopy, and the regression model was established by making the variance analysis and regression analysis of experiment results. The results showed that the trends of droplet deposition in the plant layers were basically similar, the deposition amount of droplet was decreased from upper layer to lower layer. Because of the different operating parameters, the distribution of wind field below rotor in each experiment were different, but the value of wind speed in different directions showed the decreasing trend inZ,YandXdirections. Among the three directions wind field below multi-rotor electric UAV rotor, the wind field inXandYdirections had no significant impact on droplet deposition in the effective spray area, the wind field inZdirection had an extremely significant impact on droplet deposition in the effective spray area, the Sig. value was less than 0.001. The wind field inXdirection had no significant impact on droplet deposition penetration in the effective spray area, the wind field inYdirection had a significant impact and the wind field inZdirection had an extremely significant impact on droplet deposition penetration in the effective spray area, the corresponding Sig. values were 0.037 and less than 0.001. The wind field inXandYdirections had no significant impact on droplet drift, the wind field inZdirection had a significant impact on droplet drift, the Sig. value was 0.036. Furthermore, the horizontal wind field inXandYdirections and the vertical wind field inZdirection all affected the deposition uniformity in the effective spray area. With the smaller value of horizontal wind field inXandYdirections and the larger value of vertical wind field inZdirection, the uniformity of droplet deposition was better, the best value reached 36.44%. In addition, the corresponding determination coefficientR2of the regression model between droplet deposition in effective spray area and the wind speed inZdirection as well as between droplet deposition penetration in effective spray area and the wind speed inYandZdirections were 0.868 and 0.842, respectively, and these models can provide guidance for the practical application. The result revealed the effect on the distribution of aviation spraying droplet deposition by the wind field below the multi-rotor UAV rotor, and it had an important guiding significance in the practical application such as reducing liquid drift in aerial spraying and improving the utilization rate of pesticide.

multi-rotor UAV; wind field below rotor; droplet deposition

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.08.011

2017-04-19

2017-06-11

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0200700)和廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015A030313420)

陳盛德(1989—)，男，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)航空噴施技術(shù)研究，E-mail: 1163145190@qq.com

蘭玉彬(1961—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空技術(shù)研究，E-mail: ylan@scau.edu.cn

S49

A

1000-1298(2017)08-0105-09