單旋翼油動(dòng)無(wú)人機(jī)與圓形果園風(fēng)送噴霧機(jī)作業(yè)性能對(duì)比試驗(yàn)研究

邊永亮 李建平 薛春林 李昕昊 王鵬飛

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071000)

果園病蟲害防治施藥作業(yè)的工作量約占果樹管理總工作量的30%左右，是最費(fèi)工時(shí)又非常重要的作業(yè)項(xiàng)目，施藥作業(yè)質(zhì)量效果直接影響果品質(zhì)量及產(chǎn)量[1-2]。施藥作業(yè)質(zhì)量主要取決于植保機(jī)具的噴霧性能。目前，我國(guó)果園中的植保機(jī)具主要為風(fēng)送噴霧機(jī)[3]，但其施藥作業(yè)參數(shù)不能根據(jù)果樹冠層結(jié)構(gòu)自動(dòng)調(diào)節(jié)，造成沉積在單位葉片面積上的藥液不均勻，導(dǎo)致局部過(guò)量施藥和局部防效不理想并存現(xiàn)象[4-5]。同時(shí)，風(fēng)送噴霧機(jī)的地形適應(yīng)性較差，難以適應(yīng)在丘陵山地果園的植保作業(yè)。植保無(wú)人機(jī)是一種新型的植保機(jī)具，因其安全性高、地形適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用[6]。植保無(wú)人機(jī)應(yīng)用于果園病蟲害防治，可實(shí)現(xiàn)高效輕簡(jiǎn)化施藥作業(yè)，達(dá)到節(jié)水節(jié)藥、節(jié)本增效的目的，使果品質(zhì)量更高、更加綠色安全。

目前植保無(wú)人機(jī)已應(yīng)用在玉米[7]、水稻[8-9]、小麥[10]等作物的植保作業(yè)中[11]。電動(dòng)單旋翼植保無(wú)人機(jī)霧滴覆蓋率上部和下部的平均值分別為1.17%和0.99%，農(nóng)藥有效利用率為42.3%，具有較好的噴霧性能，能滿足水稻、小麥等作物的病蟲害防治[12-13]，但其載藥量不足，續(xù)航能力差。N-3型無(wú)人直升機(jī)在玉米生長(zhǎng)后期霧沉積效果表明，作業(yè)高度和作業(yè)噴幅會(huì)影響霧滴在植株上的沉積量和分布均勻性，橫向噴幅為7 m時(shí)，多噴幅霧滴沉積百分比的極差為26.3%，變異系數(shù)為25%[7]。張盼等[14-15]研究發(fā)現(xiàn)小型四旋翼無(wú)人機(jī)噴霧的霧滴在柑橘樹冠上層的沉積效果較好，距離冠層頂部1 m高度飛行噴灑的霧滴覆蓋率、沉積密度等各項(xiàng)參數(shù)較為理想，然而，在樹冠垂直方向上施藥?kù)F滴沉積分布均勻性相對(duì)較差，旋翼風(fēng)場(chǎng)難以將霧滴送到中下層。綜上，植保無(wú)人機(jī)的載藥量、續(xù)航能力是衡量植保無(wú)人機(jī)適用性的重要指標(biāo)，霧滴沉積覆蓋率和霧滴沉積分布均勻性是衡量植保無(wú)人機(jī)噴霧性能的主要指標(biāo)。單旋翼油動(dòng)無(wú)人機(jī)動(dòng)力強(qiáng)勁，載藥量大，續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)，且旋翼下壓風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)勁，有助于霧滴沉積到果樹上。由于植保無(wú)人機(jī)在果園施藥作業(yè)還沒有相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，故本研究擬采用田間對(duì)比試驗(yàn)的方法，對(duì)比分析單旋翼油動(dòng)無(wú)人機(jī)和圓形果園風(fēng)送噴霧機(jī)在果樹冠層的噴霧效果，進(jìn)而明確單旋翼油動(dòng)無(wú)人機(jī)與圓形果園風(fēng)送噴霧機(jī)在果園病蟲害防治作業(yè)的應(yīng)用范圍，旨在為果農(nóng)和農(nóng)業(yè)社會(huì)化服務(wù)組織的植保機(jī)具選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料及設(shè)備

1.1.1試驗(yàn)材料

采用重慶六六山下植?？萍加邢薰旧a(chǎn)的水敏紙檢測(cè)霧滴；型號(hào)為EPSON PERFECTION 1670激光掃描儀掃描處理水敏紙；精創(chuàng)RC-4濕度測(cè)試儀測(cè)量環(huán)境濕度；希瑪AS856S風(fēng)速測(cè)試儀測(cè)量風(fēng)速等。

1.1.2試驗(yàn)機(jī)型及搭載設(shè)備

試驗(yàn)用植保無(wú)人機(jī)為Z-3 N型單旋翼油動(dòng)無(wú)人機(jī)(簡(jiǎn)稱無(wú)人機(jī))，由廣西農(nóng)博士農(nóng)業(yè)服務(wù)有限公司提供，采用差分GPS全球?qū)Ш较到y(tǒng)記錄無(wú)人機(jī)飛行高度、飛行速度和運(yùn)行軌跡。差分定位精度為 ±0.2 m，航線控制精度±0.2 m，并搭載有高精度的聲吶感知系統(tǒng)，采用先進(jìn)的離心式噴頭，霧化效果較好[16]。試驗(yàn)用噴霧機(jī)為FXS7B-340圓形果園風(fēng)送噴霧機(jī)(簡(jiǎn)稱噴霧機(jī))。機(jī)具型號(hào)參數(shù)見表1。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程及方法

1.2.1試驗(yàn)環(huán)境

供試果園位于河北省保定市曲陽(yáng)縣下河鄉(xiāng)劉家馬村矮砧密植蘋果園(38°68′ N，114°71′ E)。以5年生富士蘋果為試驗(yàn)對(duì)象，果園株距1.0～1.2 m、行距4.0 m，樹高3.5～4.0 m，紡錘形樹冠，矮砧密植，南北走向，果園采用水肥一體化灌溉；環(huán)境溫度15 ℃，環(huán)境濕度45%，環(huán)境風(fēng)速1～2級(jí)。試驗(yàn)時(shí)間為2019年10月22日14: 00—17: 30，此時(shí)蘋果樹正值全葉期。

1.2.2采樣布置

1)靶標(biāo)果樹選取。在果園同一行間的左右兩樹行分別選取3棵樹形規(guī)整、枝繁葉茂的靶標(biāo)果樹，一左一右依次選取且間隔取樣，防止果樹距離太近相互干擾。在試驗(yàn)樹行中按照“留白距離”的方法[17]選擇放置水敏紙的果樹。6棵靶標(biāo)樹編號(hào)為T1～T6，分別距地頭4.0、5.2、6.4、7.6、8.7、10.1 m。沿果樹高度方向分3層放置水敏紙，在果樹冠上部、中部(2/3株高)和下部(1/3株高)分別張貼4張水敏紙進(jìn)行標(biāo)記，果樹樹層劃分示意見圖1。每張取樣卡的尺寸為70 mm×50 mm，與果樹葉片的尺寸幾乎相同。施藥后將著霧滴的水敏紙收集在密封袋中。

表1 無(wú)人機(jī)與噴霧機(jī)技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of UAV and sprayer

圖1 果樹樹層劃分示意圖Fig.1 Schematic diagram of the division of the fruit tree layer

2)水敏紙使用與處理。將水敏紙分別固定在果樹同一葉片的葉面、葉背，利用雙面膠將葉片粘貼在葉片上。同時(shí)在張貼位置處用彩色標(biāo)記條標(biāo)記。噴灑結(jié)束后，應(yīng)立即將水敏紙收集并粘貼在收集硬紙板上；將硬紙板做干燥處理，存放在干燥環(huán)境中。使用激光掃描儀依次對(duì)硬紙板上的水敏紙進(jìn)行掃描，為保證沉積霧滴的清晰顯像，掃描圖像分辨率設(shè)定為600 dpi，背景為A4白紙，灰度掃描成PNG格式。

1.2.3試驗(yàn)過(guò)程

準(zhǔn)備工作就緒后，進(jìn)行無(wú)人機(jī)和噴霧機(jī)的噴霧作業(yè)試驗(yàn)，作業(yè)場(chǎng)景見圖2。用秒表記錄機(jī)具作業(yè)時(shí)間，用皮尺測(cè)量作業(yè)距離。

圖2 無(wú)人機(jī)(a)和噴霧機(jī)(b)果園內(nèi)作業(yè)場(chǎng)景Fig.2 UAV (a) and sprayer (b) scenes in the orchard

1)無(wú)人機(jī)。無(wú)人機(jī)作業(yè)速度為2 m/s，作業(yè)高度為距地面7 m，噴幅為4 m，噴量為67.5 L/hm2，試驗(yàn)時(shí)無(wú)人機(jī)的航線經(jīng)過(guò)試驗(yàn)果樹行間的正上方；在果樹行間上空飛行，將藥液噴灑到果樹上。

2)噴霧機(jī)。噴霧機(jī)作業(yè)速度為2.96 m/s，噴霧壓力為1.0 MPa，噴孔直徑1.5 mm，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速540 r/min，風(fēng)機(jī)出口風(fēng)量16 200 m3/h。

1.2.4數(shù)據(jù)處理

通過(guò)Image-master軟件進(jìn)行霧滴信息采集。將掃描好的文件(圖3(a))導(dǎo)入到軟件，經(jīng)區(qū)域選取、提取分析區(qū)域、調(diào)節(jié)區(qū)域前進(jìn)背景的像素，設(shè)置參數(shù)sigma、weight均為5，經(jīng)“閾值調(diào)節(jié)”將前景背景剝離，再經(jīng)“去除前景”、“降噪處理”等步驟之后(圖3(b))，軟件將自行分析出霧滴直徑參數(shù)、總霧滴數(shù)、霧滴霧滴沉積覆蓋率。采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總分析和圖表繪制。

霧滴大小以體積中值直徑表示，計(jì)算式為：

(1)

式中：VMD為體積中值直徑，μm；Dmax為最大霧滴直徑，μm；F為折合系數(shù)，F(xiàn)=2.2。霧滴分布均勻度以霧滴覆蓋率的變異系數(shù)表示，變異系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差分別采用式(2)和式(3)計(jì)算：

(2)

(3)

圖3 水敏紙掃描圖(a)和“Imagepy-master”處理的霧滴圖(b)Fig.3 Water sensitive paper scan (a) and “Imagepy-master” processed fog drop (b)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 純噴藥小時(shí)生產(chǎn)率

同一地區(qū)果園的物候期相近，病蟲害防治時(shí)間相對(duì)集中，對(duì)植保機(jī)具的作業(yè)效率要求較高。純噴藥小時(shí)生產(chǎn)率Wsi用以衡量機(jī)具作業(yè)效率[18-19]，采用式(4)計(jì)算：

(4)

式中：Wsi為純噴藥小時(shí)生產(chǎn)率，hm2/h，下標(biāo)i=1,2分別表示無(wú)人機(jī)和噴霧機(jī)；U為班次作業(yè)面積，hm2；Tsi為純噴藥時(shí)間，h；生產(chǎn)率之比η采用式(5)計(jì)算：

(5)

無(wú)人機(jī)與噴霧機(jī)的工作參數(shù)見表2。利用式(4)、(5)計(jì)算可知，無(wú)人機(jī)的純工作小時(shí)生產(chǎn)率約是噴霧機(jī)的2倍。

表2 無(wú)人機(jī)和噴霧機(jī)的工作參數(shù)Table 2 Working parameters of UAV and sprayers

2.2 節(jié)水性能

無(wú)人機(jī)和噴霧機(jī)開始作業(yè)時(shí)記錄噴灑時(shí)間，根據(jù)裝液量、噴灑時(shí)間、作業(yè)飛行速度和采用的噴幅寬度來(lái)計(jì)算噴灑量。噴灑量采用式(6)計(jì)算：

(6)

式中：q為噴灑量，L/hm2；Q為裝液量，L；T為噴灑時(shí)間，s；υ為飛行速度，m/s；D為噴幅寬度，m。利用式(6)計(jì)算得出噴霧機(jī)每hm2用水量約是無(wú)人機(jī)的14倍。

2.3 霧滴沉積覆蓋率

植保機(jī)具作業(yè)時(shí)，目標(biāo)物上霧滴所覆蓋的面積與目標(biāo)物總面積的比值稱為覆蓋率，是評(píng)價(jià)噴霧作業(yè)質(zhì)量的重要指標(biāo)[20-21]。無(wú)人機(jī)與噴霧機(jī)作業(yè)后各冠層平均霧滴沉積覆蓋率見表3。

從測(cè)得的數(shù)據(jù)可以看出，無(wú)人機(jī)噴灑作業(yè)后的上層葉面覆蓋率為1.72%～21.98%，均值9.10%；葉背覆蓋率0.66%～1.95%，均值1.34%。中層葉面覆蓋率6.19%～16.17%，均值10.79%；中層葉背覆蓋率1.20%～7.56%，均值3.46%。下層葉面覆蓋率0.85%～3.96%，均值2.47%；葉背覆蓋率 0.38%～1.98%，均值1.58%。中層和上層的覆蓋率較高，下層的沉積覆蓋率也達(dá)到施藥標(biāo)準(zhǔn)要求，可見單旋翼無(wú)人機(jī)的縱向霧滴穿透性較好。

表3 無(wú)人機(jī)與噴霧機(jī)作業(yè)后各冠層平均霧滴沉積覆蓋率Table 3 Average droplet deposition coverage of each canopy after UAV and sprayer operation %

噴霧機(jī)噴灑作業(yè)后上層葉面覆蓋率為9.93%～24.94%，均值16.47%；葉背覆蓋率5.68%～14.05%，均值8.46%。中層葉面覆蓋率2.64%～34.61%，均值10.79%；中層葉背覆蓋率10.51%～18.75%，均值14.72%。下層葉面覆蓋率7.10%～28.40%，均值18.74%；葉背覆蓋率3.15%～21.78%，均值10.06%。上層、中層和下層的覆蓋率接近，霧滴覆蓋情況較好。無(wú)人機(jī)噴灑作業(yè)中上層效果顯著，噴霧機(jī)為中下層效果顯著。無(wú)人機(jī)與噴霧機(jī)中層葉背的著藥效果均屬最佳。

2.4 霧滴分布均勻性

利用式(1)、(2)、(3)計(jì)算無(wú)人機(jī)與噴霧機(jī)作業(yè)后果樹冠層霧滴體積中值直徑及霧滴變異系數(shù)，結(jié)果見表4。無(wú)人機(jī)的上中下層葉面平均體積中值直徑值分別為121.7、107.8、45.3 μm，變異系數(shù)均值分別為32.71%、23.67%、33.51%。無(wú)人機(jī)噴灑在葉面上的霧滴直徑從上、中、下層逐漸減小，中層的霧滴分布最為均勻，其次為上層和下層。無(wú)人機(jī)的上中下層葉背平均體積中值直徑值分別為74.4、84.5、35.2 μm，變異系數(shù)均值分別為12.03%、20.02%、16.93%。無(wú)人機(jī)噴灑的葉背霧滴直徑中層的最大，其次為上層和下層，上層葉背的霧滴分布最為均勻，其次為下層和中層。

噴霧機(jī)的上中下層葉面平均體積中值直徑值分別為177.6、183.1、192.3 μm，變異系數(shù)均值分別為36.77%、26.26%、24.72%。噴霧機(jī)噴灑在葉面上的霧滴直徑從下、中、上層逐漸減小，下層的霧滴分布最為均勻，其次為中層和上層。噴霧機(jī)的上中下層葉背平均體積中值直徑值分別為118.5、152.8、156.6 μm，變異系數(shù)均值分別為49.40%、37.78%、33.93%。噴霧機(jī)噴灑的葉背霧滴直徑下層的最大，其次為中層和上層，下層葉背的霧滴分布最為均勻，其次為中層和上層。

表4 無(wú)人機(jī)與噴霧機(jī)噴灑在果樹各層霧滴分布均勻性指標(biāo)Table 4 Uniformity index of mist droplets sprayed by UAV andsprayer on various layers of fruit trees

3 結(jié) 論

本研究基于果園植保機(jī)具田間對(duì)比試驗(yàn)方法，對(duì)Z-3 N型單旋翼油動(dòng)無(wú)人機(jī)和FXS7B-340圓形果園風(fēng)送噴霧機(jī)進(jìn)行了田間噴霧測(cè)試，對(duì)比分析了純噴藥小時(shí)生產(chǎn)率、節(jié)水性能、霧滴沉積覆蓋率、霧滴分布均勻性等性能指標(biāo)，主要結(jié)論如下：

1) 單旋翼油動(dòng)無(wú)人機(jī)噴霧作業(yè)的果樹上中下層霧滴沉積覆蓋率分別為0.66%～21.98%、1.20%～16.17%、0.38%～3.96%，霧滴平均體積中值直徑大小順序依次為上層>中層>下層。圓形果園風(fēng)送噴霧機(jī)噴霧作業(yè)的果樹上中下層霧滴沉積覆蓋率分別為5.68%～24.94%、2.64%～34.61%、3.15%～21.78%，霧滴平均體積中值直徑大小順序依次為下層>中層>上層。

2) 單旋翼油動(dòng)無(wú)人機(jī)噴灑的果樹中上層霧滴沉積覆蓋效果顯著，圓形果園風(fēng)送噴霧機(jī)為中下層效果顯著，無(wú)人機(jī)與噴霧機(jī)中層葉背的著藥效果均屬最佳。無(wú)人機(jī)噴灑在中層葉面上的霧滴分布均勻度最佳，其次為上層和下層；上層葉背的霧滴分布均勻度最佳，其次為下層和中層。噴霧機(jī)噴灑在下層葉面的霧滴分布均勻度最佳，其次為中層和上層；下層葉背的霧滴分布均勻度最佳，其次為中層和上層。

3) 排除機(jī)具故障等不確定因素影響，單旋翼油動(dòng)無(wú)人機(jī)作業(yè)的工作效能與節(jié)水省藥性能總體優(yōu)于圓形果園風(fēng)送噴霧機(jī)。單旋翼油動(dòng)無(wú)人機(jī)在果園搶農(nóng)時(shí)和病蟲害應(yīng)急處理上表現(xiàn)出較好的實(shí)用性能。