多旋翼植保無人機(jī)噴霧均勻性試驗(yàn)

劉道奇， 余永昌， 張開飛， 董慧鋒， 趙彬彬， 秦超彬， 邢金龍， 李 赫

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院長(zhǎng)垣分院，河南長(zhǎng)垣 453400； 2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，河南鄭州 450002)

近年來，我國(guó)農(nóng)用植保無人機(jī)發(fā)展迅速，據(jù)農(nóng)業(yè)部相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，截至2016年5月，全國(guó)在用的農(nóng)用無人機(jī)共有178種，全國(guó)農(nóng)業(yè)航空技術(shù)95%以上用于航空植保作業(yè)[1]。其中，多旋翼植保無人機(jī)受到越來越廣泛的關(guān)注，主要是由于其制造原材料成本的降低，作業(yè)極為高效，并且對(duì)人體造成的污染較少，采用低量或超低量噴霧可以降低農(nóng)藥使用量，提高農(nóng)藥利用率，同時(shí)還能減少作業(yè)過程對(duì)環(huán)境的污染[2-9]。多旋翼植保無人機(jī)在農(nóng)業(yè)植保的應(yīng)用方面愈加頻繁，目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有許多中小型企業(yè)進(jìn)行多旋翼植保無人機(jī)的研發(fā)與生產(chǎn)。多旋翼植保無人機(jī)在我國(guó)發(fā)展年限較短，多數(shù)由企業(yè)拼裝而成，整機(jī)及零部件缺乏相應(yīng)的行業(yè)制造規(guī)范，作業(yè)可靠性不高，飛行控制系統(tǒng)依然具有一定的缺陷，在作業(yè)過程中易發(fā)生各種事故，并且缺乏熟練的飛手進(jìn)行植保作業(yè)，這些問題都造成了多旋翼植保無人機(jī)的作業(yè)效果一直無法得到廣大農(nóng)民的認(rèn)可，其作業(yè)參數(shù)對(duì)作業(yè)效果的影響一直缺乏相應(yīng)的理論和數(shù)據(jù)支持。本研究在現(xiàn)有條件下，對(duì)3W16-10型8軸16旋翼植保無人機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)測(cè)試，主要探究飛行高度、飛行速度、噴霧壓力對(duì)噴霧均勻性的影響，以期為多旋翼植保無人機(jī)噴霧作業(yè)參數(shù)的確定和作業(yè)環(huán)境的選擇提供理論依據(jù)，減少多旋翼植保無人機(jī)施藥過程中的農(nóng)藥損失，提高農(nóng)藥利用率。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

試驗(yàn)采用的材料與設(shè)備由3W16-10型多旋翼植保無人機(jī)及其配套噴霧系統(tǒng)、霧滴收集裝置、環(huán)境參數(shù)檢測(cè)裝置、數(shù)據(jù)采集及配套分析系統(tǒng)組成(表1)。多旋翼植保無人機(jī)及其配套噴霧系統(tǒng)作業(yè)機(jī)械為3W16-10型多旋翼植保無人機(jī)(圖1-a)，采用8軸16旋翼設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，機(jī)身及螺旋槳材料以碳纖維為主，飛行控制采用大疆創(chuàng)新科技有限公司生產(chǎn)的A2飛行控制系統(tǒng)，支持失控保護(hù)和低電壓保護(hù)，具有智能控制及自穩(wěn)功能等；噴霧系統(tǒng)包括氣泵、控制器、輸液管及噴頭等裝置。霧滴收集裝置(圖1-b)尺寸為510 cm×510 cm×210 cm，裝置主體由不銹鋼方鋼(鄭州海綿電動(dòng)門商行)搭建而成。在其2個(gè)側(cè)面(每個(gè)面18個(gè)點(diǎn))和1個(gè)底面(27個(gè)點(diǎn))用鐵絲共分割出63個(gè)點(diǎn)，用于固定霧滴收集裝置，霧滴收集裝置選用定性濾紙(遼寧省撫順市民政濾紙廠)和培養(yǎng)皿(江蘇省揚(yáng)州市光華醫(yī)療器械有有限公司)。將濾紙用燕尾夾固定在各個(gè)點(diǎn)上，設(shè)置3組重復(fù)，用以消除單次試驗(yàn)可能引起的誤差。

表1 3W16-10型多旋翼植保無人機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，在試驗(yàn)過程中對(duì)環(huán)境及試驗(yàn)參數(shù)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，所用儀器如圖2所示，通過溫濕度儀(廣東省深圳市華盛昌機(jī)械科技實(shí)業(yè)股份有限公司)、風(fēng)速儀(浙江省杭州綠博儀器有限公司)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度、風(fēng)速、濕度等。通過無人機(jī)自帶的圖傳設(shè)備實(shí)時(shí)記錄無人機(jī)的飛行速度、高度。數(shù)據(jù)采集及配套分析裝置包括數(shù)據(jù)采集卡、密封袋、移液槍、紫外可見分光光度計(jì)(圖2-c)等，配制質(zhì)量濃度為2 g/L的胭脂紅溶液(天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司)作為噴霧液。測(cè)試后將霧滴收集器的胭脂紅溶液用去離子水洗脫后，經(jīng)EXPEC分光分析儀[聚光科技(杭州)股份有限公司]檢測(cè)其吸光度。

1.2 試驗(yàn)方法

2017年4—5月在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)第三生活區(qū)實(shí)驗(yàn)樓前空白場(chǎng)地進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試按照無人植保機(jī)械施藥空間質(zhì)量平衡測(cè)試方法實(shí)施[1]。試驗(yàn)樁裝置如圖1-b所示，定性濾紙用夾子固定在收集裝置2個(gè)側(cè)面的36個(gè)點(diǎn)上，分為3組；在底面上用夾子將定性濾紙固定在27個(gè)點(diǎn)上，分3組。同時(shí)用培養(yǎng)皿在地面上設(shè)置3組，27個(gè)點(diǎn)作為參照。本試驗(yàn)采用響應(yīng)面分析的試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)試驗(yàn)，選取高度、速度、噴霧壓力3個(gè)自變量設(shè)置試驗(yàn)范圍中低值和中高值為1.2～2.0 m、1.2～4.0 m/s、0.3～0.5 MPa，試驗(yàn)分析目標(biāo)為沉積濃度變異系數(shù)。對(duì)環(huán)境溫度、風(fēng)速進(jìn)行監(jiān)測(cè)，達(dá)到試驗(yàn)所需水平時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，用2 g/L胭脂紅溶液代替藥液噴霧，啟動(dòng)植保無人機(jī)使其進(jìn)入正常飛行運(yùn)行狀態(tài)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。每組試驗(yàn)結(jié)束后待霧滴采集卡自然晾干，編號(hào)并裝入收集盒。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 沉積濃度吸光度標(biāo)定 先使用分析天平稱取0.5 g分析純級(jí)胭脂紅粉末，放入燒杯中用玻璃棒攪拌，待粉末狀物質(zhì)完全消失，加入到500 mL的容量瓶中，配制2 g/L胭脂紅原液，用移液槍分別抽取100、200、300、400、500、600、700、800、900、1 000 μL的胭脂紅原液加入10 mL的容量瓶中，配制10、20、30、40、50、60、70、80、90、100 mg/L 10組胭脂紅溶液，選取超純水作為參照組，在其最大波長(zhǎng)λ=508 nm處測(cè)得其最大吸光度，每份重復(fù)測(cè)試3次并取其平均值，得到胭脂紅溶液濃度吸光度曲線(圖3)。通過線性回歸擬合，其決定系數(shù)r2=0.992。由于沉積量的測(cè)量須要測(cè)試稀釋液濃度，胭脂紅溶液濃度與吸光度的關(guān)系式：

C=0.036 1D-0.160 4。

式中：D為吸光度；C為胭脂紅溶液濃度，mg/L。

1.3.2 霧滴沉積濃度的測(cè)定及統(tǒng)計(jì)方法

1.3.2.1 胭脂紅回收率的檢測(cè) 用移液槍分別吸取10種濃度的胭脂紅溶液200 μL滴至培養(yǎng)皿中，待其自然風(fēng)干后吸取200 μL超純水反復(fù)洗滌培養(yǎng)皿，并再次測(cè)量洗滌液吸光度，經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)，胭脂紅溶液回收率可達(dá)93.5%，且不受濃度高低影響。

1.3.2.2 單點(diǎn)霧滴收集皿沉積濃度的測(cè)量 單點(diǎn)霧滴收集皿沉積濃度的測(cè)量方法：噴霧試驗(yàn)結(jié)束后，待其自然風(fēng)干，加蓋，帶回實(shí)驗(yàn)室用200 μL超純水反復(fù)洗滌，選取超純水作為參照組測(cè)量其吸光度。沉積濃度公式為

式中：βdep是霧滴采集卡上單位面積霧滴沉積量，mg/cm2；βsmpl是可見紫外分光光度計(jì)示數(shù)；βblk為空白采集卡讀數(shù)；Fcal為可見紫外分光光度計(jì)示數(shù)與示蹤劑濃度的關(guān)系系數(shù)，μg/L；Vdil為加入洗滌液的體積，mL；βspray為藥液中示蹤劑濃度；Acol為收集卡面積。

水利施工現(xiàn)場(chǎng)由于具備顯著的復(fù)雜性，因此亟待對(duì)此予以綜合性的施工管理。通過推行現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)管的舉措，應(yīng)當(dāng)能在根源上消除某些潛在隱患或者其他施工風(fēng)險(xiǎn)，確保水利建筑物應(yīng)有的安全性并且杜絕某些額外的水利建設(shè)成本耗費(fèi)。由此可見，施工現(xiàn)場(chǎng)管理舉措應(yīng)當(dāng)能夠滲透在全過程的水利施工中，其中包含了如下的施工現(xiàn)場(chǎng)管理關(guān)鍵技術(shù)：

采用變異系數(shù)CV作為衡量其噴霧均勻性的標(biāo)準(zhǔn)，其公式為

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單因素試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 植保無人機(jī)高度對(duì)霧滴沉積均勻性的影響 從圖4可以看出，當(dāng)高度≤1.5 m時(shí)，隨著高度的增大，植保無人機(jī)噴霧沉積濃度的變異系數(shù)減小；當(dāng)高度>1.5 m時(shí)，多旋翼植保無人機(jī)噴霧沉積濃度的變異系數(shù)隨著高度的增大而增大?？梢?，在噴霧作業(yè)過程中，在一定范圍內(nèi)飛行高度與噴霧均勻性成正比，但是超過一定高度后噴霧高度對(duì)噴霧沉積均勻性又會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響，因此沉積均勻性最好的試驗(yàn)高度為 1.5 m。

2.1.2 植保無人機(jī)相對(duì)速度對(duì)霧滴沉積均勻性的影響 從圖5可以看出，3W16-10型多旋翼植保無人機(jī)霧滴沉積均勻性變異系數(shù)隨速度變化并無明顯改變，說明飛行速度對(duì)其霧滴沉積均勻性影響不明顯。

2.1.3 植保無人機(jī)噴霧壓力對(duì)霧滴沉積均勻性的影響 從圖6可以看出，3W16-10型多旋翼植保無人機(jī)霧滴沉積濃度變異系數(shù)隨噴霧壓力的增加小范圍減少，霧滴均勻性變好。

2.1.4 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果及方差分析 根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選取處理高度(A)、速度(B)、壓力(C)3個(gè)重要因素，并用Design Expert 7.0軟件設(shè)計(jì)3因素3水平試驗(yàn)。以沉積濃度變異系數(shù)為目標(biāo)函數(shù)，響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果見表2。

2.2 試驗(yàn)分析

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)及響應(yīng)值

從表3可知，試驗(yàn)數(shù)據(jù)所得的F值為9.230，P值為0.000 9，表明該模型顯著?；诨貧w模型的因素顯著性分析，在顯著水平0.01條件下，模型中的一次項(xiàng)A、二次項(xiàng)A2表現(xiàn)顯著，其余項(xiàng)表現(xiàn)為不顯著。在顯著水平0.05條件下，模型中的一次項(xiàng)A、C，二次項(xiàng)、A2、B2顯著，其余項(xiàng)表現(xiàn)為不顯著。整個(gè)模型的失擬項(xiàng)P=0.127 9>0.05，表明失擬項(xiàng)不顯著，即該模型是穩(wěn)定的，能較好地預(yù)測(cè)高度、速度、壓力3個(gè)因素對(duì)植保無人機(jī)噴霧均勻性的影響，因此可采用此模型對(duì)高度的變化量進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。由模型中一次項(xiàng)的回歸系數(shù)絕對(duì)值可得對(duì)沉積濃度變異系數(shù)高低影響的順序?yàn)椋猴w行高度>飛行速度。以飛行高度、飛行速度的編碼值為自變量，以沉積濃度變異系數(shù)為y值的二元二次回歸方程為

由此可得最佳的預(yù)作業(yè)條件為：飛行高度1.39 m，飛行速度2.38 m/s，噴霧壓力0.5 MPa，此條件下的沉積濃度變異系數(shù)為0.172。

2.3 試驗(yàn)因素交互影響分析

為了得到兩兩因素之間同時(shí)作用對(duì)沉積均勻性變異系數(shù)的影響，用Design Expert 8.0軟件作出相應(yīng)的響應(yīng)曲面3D圖和相應(yīng)的等高線圖(圖7、圖8、圖9)，并對(duì)兩兩因素間的交互作用進(jìn)行分析。

表3 響應(yīng)曲面方差分析

圖7是噴霧壓力為0.4 MPa時(shí)，3W16-10型多旋翼植保無人機(jī)飛行速度和飛行高度對(duì)霧滴沉積均勻性變異系數(shù)的影響曲面圖。當(dāng)飛行速度一定時(shí)，隨著飛行高度的增加，霧滴沉積均勻性變異系數(shù)先小范圍減小后快速增加，這是由于在飛行高度過低時(shí)，霧滴來不及霧化就直接噴灑到采集卡上，當(dāng)高度過高時(shí)，漂移量增加，霧滴受下旋風(fēng)渦流影響會(huì)出現(xiàn)局部集中的情況；當(dāng)飛行高度一定時(shí)，霧滴沉積均勻性變異系數(shù)隨速度變化不太明顯，這是由于速度對(duì)霧滴沉積均勻性影響效果不顯著；整體來看，飛行速度和飛行高度互作對(duì)3W16-10型多旋翼植保無人機(jī)噴霧沉積的均勻性影響不顯著。

圖8是飛行速度為2.6 m/s時(shí)，3W16-10型多旋翼植保無人機(jī)噴霧壓力和飛行高度對(duì)霧滴沉積均勻性變異系數(shù)的影響曲面圖。當(dāng)噴霧壓力一定時(shí)，隨著飛行高度的增加，霧滴沉積均勻性變異系數(shù)先小范圍降低后快速增加，對(duì)霧滴沉積均勻性變異系數(shù)影響極顯著；當(dāng)飛行高度一定時(shí)，霧滴沉積均勻性變異系數(shù)隨噴霧壓力增加小幅度減少，這是由于當(dāng)噴霧壓力增加時(shí)，霧化效果較好，有利于霧滴更加均勻地到達(dá)靶標(biāo)采集卡上；整體來看，噴霧壓力和飛行高度互作對(duì)3W16-10型多旋翼植保無人機(jī)噴霧沉積的均勻性影響不顯著，在高度為1.39 m、噴霧壓力為0.5 MPa時(shí)，沉積濃度變異系數(shù)最低，均勻性最好。

圖9為飛行高度為1.6 m時(shí)，3W16-10型多旋翼植保無人機(jī)噴霧壓力和飛行速度對(duì)霧滴沉積均勻性變異系數(shù)的影響曲面圖。當(dāng)飛行速度一定時(shí)，隨著噴霧壓力的增加，霧滴沉積均勻性變異系數(shù)小幅增加，對(duì)霧滴沉積均勻性變異系數(shù)影響顯著；當(dāng)噴霧壓力一定時(shí)，霧滴沉積均勻性變異系數(shù)隨飛行速度增加變化較小，響應(yīng)面起伏較小，顏色波動(dòng)小，說明噴霧壓力和飛行速度互作對(duì)霧滴沉積均勻性的交互作用不明顯。

3 結(jié)論

根據(jù)以上分析，通過Design Expert 8.0軟件模擬所得3W16-10型多旋翼植保無人機(jī)最佳作業(yè)參數(shù)為：飛行高度1.39 m，飛行速度2.38 m/s，噴霧壓力0.5 MPa。通過修正，將飛行高度設(shè)置為1.4 m， 飛行速度設(shè)置為2.5 m/s，噴霧壓力設(shè)置為0.5 MP，在此條件下進(jìn)行3W16-10型多旋翼植保無人機(jī)噴霧均勻性測(cè)定試驗(yàn)。在修正條件下所得霧滴沉積均勻性變異系數(shù)為0.184，與預(yù)測(cè)值間相對(duì)誤差為8%。結(jié)果表明，運(yùn)用響應(yīng)曲面法優(yōu)化3W16-10型多旋翼植保無人機(jī)作業(yè)參數(shù)是可行的。

通過單因素試驗(yàn)和響應(yīng)曲面法優(yōu)化3W16-10型多旋翼植保無人機(jī)噴霧均勻性試驗(yàn)得到的最佳作業(yè)參數(shù)為：飛行高度1.39 m，飛行速度2.38 m/s，噴霧壓力0.5 MPa，此時(shí)沉積均勻性變異系數(shù)為0.172，相對(duì)誤差為8%。