植保無人飛機作業(yè)參數(shù)對田外除草靶標區(qū)內(nèi)外霧滴沉積規(guī)律的影響*

Fiaz Ahmad,邱白晶,董曉婭,馬靖,黃鑫,Shibbir Ahmed,Farman Ali Chandio

(1.江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江，212013；2.巴哈丁拉齊大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院農(nóng)業(yè)工程系，巴基斯坦木爾坦，60800；3.信德省農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程學(xué)院農(nóng)業(yè)動力與機械系，巴基斯坦坦杜阿拉亞，70060)

0 引言

農(nóng)藥的應(yīng)用在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)作物生產(chǎn)中不可或缺，有助于提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量。但由于施藥方法的落后，農(nóng)藥噴灑作業(yè)效率依然明顯較低[1]。植物保護產(chǎn)品用量的不斷增加引發(fā)了越來越多的環(huán)境問題[2]。霧滴大小、氣象條件和施藥裝備作業(yè)參數(shù)影響藥液在靶標上的覆蓋、附著與吸收[3]。

航空施藥技術(shù)有助于減少農(nóng)藥對人類和環(huán)境的危害，因此近年來無人飛機在農(nóng)藥應(yīng)用中的適應(yīng)性成為研究的熱點。在此之前，一些關(guān)于航空施藥霧滴沉積和飄移的研究通過田間試驗[4-8]和數(shù)值模型[9-12]開展。操作者應(yīng)清楚理解計量條件(溫度、風向、風速、濕度等)對噴灑效率的影響[13]。植物冠層和小型無人飛機噴霧高度對霧滴沉積和霧滴大小也有顯著影響[14]。

Wang等[15]研究了植保無人飛機噴霧量對小麥霧滴沉積的影響。He等[16]回顧了植保無人飛機的發(fā)展，認為無人飛機施藥技術(shù)的商業(yè)化需要來自政府、研究機構(gòu)和行業(yè)的利益相關(guān)者合作與建設(shè)性參與。Zhang等[13]采用數(shù)值模擬技術(shù)(計算流體動力學(xué))研究了N-3型單旋翼無人機下洗風場的分布，并研制了測量裝置。Zhang等[17]為提高農(nóng)藥噴灑效率，研制了一種六旋翼植保無人飛機靜電噴霧系統(tǒng)。Zheng等[18]模擬了無人飛機作業(yè)參數(shù)對玉米不同生育階段施藥效果的影響。Zhou等[19]研究了轉(zhuǎn)杯式離心噴頭結(jié)構(gòu)參數(shù)對霧化性能的影響，以實現(xiàn)高霧化質(zhì)量和窄霧滴譜。

航空施藥過程中的農(nóng)藥噴霧飄移會帶來嚴峻的環(huán)境問題。與載人農(nóng)用飛機相比[20-23]，無人飛機的霧滴飄移量隨著飛行高度的降低[3，16，24]和下洗風場[5-6，25]的作用而有效減少。

Qin等[3]研究了無人飛機的霧滴沉積和噴灑殺蟲劑對稻飛虱的防治效果。Xue等[24]通過田間試驗測量了無人飛機在稻田作業(yè)時的霧滴沉積和空中飄移量。無人飛機(UAV)低空作業(yè)時，上層平均沉積量占總噴灑量的28%，下層平均沉積量占總噴灑量的26%。下層約為上層的92.8%。霧滴飄移數(shù)據(jù)顯示，占總噴灑量12.9%的霧滴運動到了非靶標區(qū)域。而其中的90%的霧滴沉積在距離靶標區(qū)域8 m的范圍內(nèi)，在距離靶標區(qū)域50 m處的飄移量幾乎為零。

噴霧測量方法同樣也受到了廣泛關(guān)注。學(xué)者[26-29]設(shè)計并制造了新型噴霧沉積模式測量系統(tǒng)(SDPMS)利用熒光示蹤和光譜分析技術(shù)克服了采樣數(shù)據(jù)離散化的問題，優(yōu)化了無人飛機霧滴沉積的測量方法。然而航空噴霧中的沉積測量方法仍需標準化。

Wang等[30]比較了六旋翼無人飛機與自走式噴桿噴霧機和兩種背負式噴霧器的工作效率和霧滴沉積效果。Wang等[31]提出了一種基于視覺(Lucy-Richardson算法)的新型噴霧系統(tǒng)，可以自動識別裸露區(qū)域從而在靶標區(qū)域上實現(xiàn)農(nóng)藥的精確噴灑。并在決策支持系統(tǒng)中采用模糊控制模型用于遲滯和非線性噴霧。

以往的研究主要針對大田作物的害蟲防治。本文旨在研究除草應(yīng)用中無人飛機作業(yè)參數(shù)對霧滴沉積量、覆蓋密度、覆蓋率和霧滴直徑在靶標區(qū)和脫靶區(qū)的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗地點位于在江蘇省鎮(zhèn)江市京東農(nóng)場(東經(jīng)119.738 58；北緯32.134 49)。氣象條件：現(xiàn)場溫度25.5 ℃～26.9 ℃，風速0.4～1.1 m/s，相對濕度46.1%～47.8%。試驗在麥田旁邊的雜草區(qū)進行。

1.2 材料與裝置

采用單旋翼植保無人飛機(Freeman-200型，飛瑞航空科技(江蘇)有限公司)作為噴霧機具。主要性能指標如表1所示。

表1 無人飛機參數(shù)與雜草特性Tab.1 UAV parameters and weed characteristics

無人飛機噴霧系統(tǒng)由矩形藥箱、液泵、噴桿、軟管、噴頭等部件組成。噴頭選用TeeJet110-015，共9個噴頭朝下沿著垂直于無人飛機軸的噴桿等間距(各50 cm)布置。

1.3 試驗設(shè)計

噴灑藥液為除草劑與熒光示蹤劑(羅丹明-B，上海寰宸經(jīng)貿(mào)有限公司)的混合溶液。表2為試驗四種處理T1、T2、T3、T4的作業(yè)參數(shù)。計算霧滴沉積量、覆蓋密度、覆蓋率、霧滴直徑和霧滴譜相對寬度。

表2 無人飛機作業(yè)參數(shù)Tab.2 UAVSprayeroperational Parameter

1.4 采樣點布置

如圖1所示，采樣點排列成一條直線。假設(shè)靶標區(qū)在無人飛機航線的左右兩側(cè)各3 m范圍內(nèi)。在距離左右兩側(cè)無人飛機航線各3 m開外，根據(jù)無人飛機的有效噴灑幅寬建立脫靶區(qū)。按照每組17個霧滴采樣點布置。水敏紙(26 mm×76 mm)和載玻片(26 mm×76 mm)分別距離航線兩側(cè)0 m、1 m、2 m、3 m、6 m、10 m、15 m、20 m和25 m水平擺放，航線右側(cè)采樣點記為正，左側(cè)采樣點記為負。水敏紙和載玻片的高度等于雜草植株的平均高度(1 m)。田間試驗設(shè)置如圖2所示，無人飛機作業(yè)現(xiàn)場如圖3所示。

圖1 采樣布局示意圖Fig.1 Sampling layout for UAV performance

圖2 田間試驗設(shè)置Fig.2 Test setup in the field

圖3 無人飛機除草作業(yè)Fig.3 UAVin operation under weed conditions

采用自動便攜式氣象站(TYD-ZS，北京宏昌鑫峰科技有限公司)在2.5 m高度上獲取不同噴霧作業(yè)參數(shù)(平均飛行高度和不同航段平均飛行速度)下對應(yīng)的氣象數(shù)據(jù)(表3)。田間雜草情況如圖4所示。

圖4 田間雜草情況Fig.4 Weed conditions in the field

1.5 霧滴數(shù)據(jù)的獲取和處理

每次試驗結(jié)束，待水敏紙干后放入有標簽的自封袋中，隨后將其放入干燥冷卻器中，以便安全地將采樣卡送入實驗室。在收集水敏紙時，必須佩戴橡膠手套。使用高密度激光掃描儀逐個掃描水敏紙以獲得600dpi的圖像，并使用Depositscan軟件對圖像進行處理，該軟件較為先進，能夠用于測定沉積量、覆蓋密度、覆蓋率和霧滴直徑[32]。Depositscan軟件通過下列方程將圖像中的著色點大小轉(zhuǎn)換為霧滴直徑

d=0.95ds0.910

(1)

(2)

式中：A——經(jīng)過圖像軟件Image J處理得到的斑點區(qū)域，μm2。

由于圖像軟件未考慮擴散系數(shù)的影響[33]，在Depositscan軟件中使用下式將著色點直徑轉(zhuǎn)化為Dv0.1、Dv0.5和Dv0.9等霧滴直徑[15]。

D=0.550 7d-0.000 09d2

(3)

式中：D——霧滴直徑，μm；

d——水敏紙上著色點直徑，μm。

1.6 統(tǒng)計分析

使用Satistix 8.1統(tǒng)計軟件進行方差分析(ANOVA)。F檢驗在顯著性水平為0.05時，對各處理均值進行最小顯著性差異檢驗(LSD0.05)。

2 結(jié)果與討論

2.1 作業(yè)參數(shù)對霧滴沉積量和密度的影響

霧滴的沉積量和分布均勻性是評價噴霧效果的最重要指標。水敏紙被廣泛應(yīng)用于快速、方便地評估霧滴沉積分布和靶標覆蓋[32，34]。運用沉積掃描軟件測量了水敏紙上霧滴沉積量、覆蓋密度、覆蓋率以及霧滴直徑之間的變化。圖5顯示了在不同的作業(yè)速度和高度下，霧滴在靶標區(qū)和脫靶區(qū)的沉積情況。發(fā)現(xiàn)當無人飛機在處理T1以2 m/s速度、2 m高度飛行時，靶標區(qū)平均沉積量最高，為2.29 μL/cm2。處理T2、T3和T4在靶標區(qū)域的平均沉積量分別為0.82、2.01、0.42 μL/cm2。表4顯示了不同處理下靶標區(qū)和脫靶區(qū)沉積量占總沉積量的百分比，其中處理T4的脫靶區(qū)最高，為8.47%；處理T1脫靶區(qū)最低，為2.47%。

圖5 采樣點霧滴沉積量分布Fig.5 Spray deposition at different sampling site during various treatments

表4 各處理霧滴沉積量占比Tab.4 Percentage deposition during various treatment

這能夠清楚反映作業(yè)和氣象因素如風速和風向的影響，即隨著前進速度和作業(yè)高度的增加，霧滴沉積量在靶標區(qū)減少。處理T1、T2、T3、T4在中心線0點位置的霧滴沉積量分別為4.63、1.91、3.55、1.06 μL/cm2；在靶標區(qū)的平均霧滴密度分別為56.19、54.37、83.07、41.79粒/cm2(圖6)。飛行速度較慢(2 m/s)時霧滴沉積量較大，但由于飛行速度、飛行高度和風速的共同作用，處理T3的霧滴密度顯著增大。有學(xué)者[35]認為飛行高度較低，水平風和旋翼下洗風之間交互作用的增加導(dǎo)致了霧滴破裂和波動。處理T1、T2、T3和T4在中心線0點處的霧滴密度分別為87.1、116.2、91.9、91.1粒/cm2。Hussain等[5]發(fā)現(xiàn)，隨著無人飛機作業(yè)高度的增加，霧滴數(shù)量減少。

圖6 采樣點霧滴密度分布Fig.6 Spray deposits in the unit area at different sampling site during various treatments

霧滴沉積量、覆蓋密度和覆蓋率在中心線0點位置較高，隨著距離中心線距離的增加逐漸下降，分布更加不規(guī)則。霧滴從噴頭射出時的動能越大，在中心線0點位置沉積量越大。因為無人飛機旋翼在機身下方產(chǎn)生的相對穩(wěn)定的氣流分布[23，36]，促使較粗的霧滴以較快的速度沉積在靶標水敏紙上。Sunada等[37]以一架大型直升機為研究對象，研究了噴桿兩側(cè)的渦流和翼尖氣流在噴霧過程中的變化規(guī)律。旋翼在噴桿兩側(cè)產(chǎn)生的渦流改變了霧滴群的原始運動軌跡和形態(tài)，導(dǎo)致噴桿兩側(cè)形成較多的粗霧滴分布。Teske等[23]總結(jié)了單旋翼無人飛升機和自主導(dǎo)航八旋翼無人飛機的尾流特性，并利用CHARM和AGDISP軟件對霧滴噴施進行了預(yù)測。研究發(fā)現(xiàn)，盡管霧滴從噴桿對稱噴出，但由于側(cè)風的作用，并沒有直接沉積在機身后部中心位置。Shi等[36]在一項對植保無人飛機的數(shù)值模擬研究中得出，無人飛機向前飛行時，旋翼引發(fā)的下洗氣流與地面發(fā)生碰撞產(chǎn)生的地效形成氣旋，使流場向相反方向增強并向周圍環(huán)境擴散。旋翼周期性高速旋轉(zhuǎn)和地面效應(yīng)共同作用使氣流的流動方向和速度不一致。并且通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)沒有下洗風場時霧滴沉積是集中在航線左右1.3 m的范圍；有下洗風場時霧滴沉積發(fā)生在航線左右6.4 m范圍,其中90%的霧滴沉積集中在3 m的范圍內(nèi)，沉積量峰值出現(xiàn)在無人飛機航線位置。而前進方向0～2 m之間的波動趨勢是由無人飛機旋翼形成的下洗風場分布變化造成的。下降趨勢驗證了無人飛機腹部對下洗風場的阻礙作用。進一步總結(jié)了旋翼長度對無人飛機下方不同水平距離下洗風場速度分布的影響。

2.2 霧滴覆蓋率

無人飛機各作業(yè)處理中的靶標區(qū)和脫靶區(qū)霧滴覆蓋率結(jié)果如圖7所示，處理T1、T2、T3和T4的平均霧滴覆蓋率率分別為18.77%、10.37%、19.91%、6.03%，沿直線方向采樣點上的霧滴覆蓋密度差異顯著。一般而言，霧滴沉積量與覆蓋率呈正相關(guān)，通過優(yōu)化無人飛機的作業(yè)參數(shù)提高霧化均勻性是降低霧滴飄移和提高霧滴穿透能力的關(guān)鍵。隨著飛行速度的增加，霧滴覆蓋率降低。T1處理下，航線中心0點位置霧滴覆蓋率最高，達到36.19%。處理T1、T2、T3、T4在中心線0點位置的覆蓋率分別為36.19%、30.2%、23.26%、14.26%。受下洗風場影響，各處理的覆蓋率均隨離中心線距離的增加而減小。圖8為各處理水敏紙掃描圖，清晰地反映了靶標區(qū)和脫靶區(qū)霧滴覆蓋率的真實情況。類似地，Lou等[38]在應(yīng)用無人飛機防治棉蚜和紅蜘蛛時發(fā)現(xiàn)了飛行高度對霧滴沉積量和覆蓋率的影響。圖9為各處理下的無人飛機航線中心處水敏紙閾值圖像。

圖7 采樣點霧滴覆蓋率分布Fig.7 Spraycoverage at different sampling site during various treatments

右側(cè)脫靶區(qū)飄移霧滴的數(shù)量明顯大于左側(cè)脫靶區(qū)飄移霧滴的數(shù)量，航線右側(cè)的沉積和飄移量也明顯大于左側(cè)。這種現(xiàn)象主要是由側(cè)向風場引起的，因為外部風場的方向在61°～101°之間變化，從航線左側(cè)吹向右側(cè)。

(a)處理T1

(a)T10

植物冠層結(jié)構(gòu)是影響霧滴沉積量和覆蓋率的因素[14，39-41]，通常植物冠層外側(cè)的沉積量大于內(nèi)側(cè)。此外，在田間環(huán)境下，霧滴沉積效果主要由施藥技術(shù)決定，如噴頭類型、噴灑方式、作業(yè)參數(shù)。在航空噴灑中，霧滴沉積分布的均勻性和穿透性主要取決于低自然風速下的飛行高度和飛行速度[3]。由于對無人飛機的研究仍在進行中，植保無人飛機在田間高效利用還需要解決路徑規(guī)劃、邊界和障礙物檢測等問題[42]，探明旋翼下洗氣流對農(nóng)藥霧滴的作用機理[36]。

細小的霧滴受風速影響顯著，從而降低了到達靶標(葉片/水敏紙)的概率。飛行速度、高度和高風速是影響整體施藥效率的限制因素。這一發(fā)現(xiàn)與Zhang等[17]和Su等[43]報道的在無人飛機植保作業(yè)過程中的觀察結(jié)果相符。航空噴灑霧滴的Dv0.5也受到噴頭類型的影響，Wang等[15]發(fā)現(xiàn)液力噴頭產(chǎn)生的Dv0.5大于離心噴頭。Guo等[44]得出結(jié)論，合適的渦流更有助于提高作業(yè)質(zhì)量，渦流相對于飛行參數(shù)是更加影響沉積分布的決定性因素，渦流越強，沉積量越大，覆蓋率越高，沉積均勻性越好。沉積分布不僅與無人飛機的作業(yè)參數(shù)有關(guān)，還與風場有關(guān)。旋翼風場和外部風場之間有關(guān)聯(lián)。

霧化機理對沉積特性如沉積覆蓋率、霧滴大小等有顯著影響[15]。此外，施藥量還影響到覆蓋率和覆蓋密度。霧滴密度只有達到一定閾值方可達到較好的防治效果[32]。先正達植保公司(瑞士巴塞爾)對于殺蟲劑、除草劑和殺菌劑，給出的能實現(xiàn)較好防治效果的最小霧滴覆蓋密度分別為20、30～40、50～70粒/cm2。

2.3 航空施藥的霧滴分布

霧滴直徑及其分布均勻性也是施藥過程中的主要參數(shù)[3]，霧滴直徑分布均勻性通過霧滴譜相對寬度表示。圖10為Freeman200無人飛機噴灑的霧滴直徑分布，表5表示了不同處理下各采樣點的霧滴譜相對寬度。處理T1、T2、T3和T4的霧滴譜相對寬度分別為0.70、1.01、1.03、1.05，各處理的Dv0.1、Dv0.5和Dv0.9均從飛行航線中心點向兩側(cè)逐步減小，可能是受到旋翼下洗氣流和側(cè)向自然風的影響，波動趨勢較小。航線中心點的體積中徑Dv0.5最大為448.75 μm出現(xiàn)在處理T1，最小為238.95 μm出現(xiàn)在處理T4(圖10)。在噴灑過程中對霧形沒有較高要求，然而霧滴的大小在噴灑過程中起著很大的作用。較小的霧滴(<50 μm)相對容易飄移；而較大霧滴(>400 μm)的穿透性較差，在水敏紙膠狀硬質(zhì)表面的展開及重疊因素的影響下，霧滴主要集中在表面。

(a)處理T1

表5 各處理采樣點霧滴譜相對寬度Tab.5 Relative span at various sampling point for different treatment

直徑小于50 μm的細霧滴在釋放后立即失去動能，從而在外界風的作用下隨空氣進入懸浮或飄失狀態(tài)，而較粗霧滴的航空飄移則顯著降低[39]。文丘里噴嘴易飄移細霧滴的Dv0.1、Dv0.9與Dv0.5模型預(yù)測的趨勢相似。通常，隨著占空比的降低，Dv0.1和Dv0.9會增加，在額定壓力下文丘里噴嘴噴灑的易飄移細霧滴減少[45]。由于無人飛機旋翼的介入對氣象環(huán)境和風場的影響，過細、過粗的霧滴難以均勻分布在靶標上。當側(cè)向風速大于臨界值時，霧滴飄移可能會加劇[22-25,36,46]。無人飛機尾流會使噴灑的霧滴運動超出預(yù)期的距離[23]。霧滴軌跡是無序的，具有特殊的特性：在出口即受到下壓作用的霧滴會優(yōu)先沉積在目標表面，100 μm的霧滴在尾流的作用下沒有被卷吸到空中而是落在-1.5～1.5 m的范圍內(nèi)，而300～500 μm的霧滴則能有效沉積在噴幅范圍內(nèi)[22]。Qin等[3]也得出了同樣的結(jié)論:粗霧滴(400～450 μm)占比為10%，最高沉積密度集中在無人飛機航線-1～2 m范圍內(nèi)。

處理T1靶標區(qū)(-3～3 m)的Dv0.1、Dv0.5和Dv0.9分別為113.2～267.5、211.11～571.04和328～637.00，Dv0.5隨著飛行高度和速度的增加而減??；處理T4，Dv0.1、Dv0.5和Dv0.9在靶標區(qū)域(-3～3 m)的范圍為94.65～120.37、181.2～249.62和285～517.00(圖10)。表明高度和速度的提高使粗霧滴在旋翼下洗氣流較強作用下分解為過細的霧滴且動能衰減，從而明顯降低靶標區(qū)域霧滴濃度并且增加了航空飄移。

由此可見，低作業(yè)高度(2 m)和低作業(yè)速度(2 m/s)的沉降量和霧滴密度最高，霧滴在靶標區(qū)的覆蓋率最高。Teske等[23]運用CHARM+AGDISP模型證明無人飛機在低速飛行時渦流產(chǎn)生的地效及尾流與固定翼飛機的高速飛行時類似，飛行速度與飛行高度是決定霧滴飄移的重要因素。此外還可以得出結(jié)論，飛行速度不應(yīng)高于臨界速度，否則噴霧效果可能會受到影響。

3 結(jié)論

通過田間試驗在不同飛行高度(2 m和3 m)和飛行速度(2 m/s和3 m/s)下，研究了植保無人飛機在田外雜草防治中的霧滴沉積量、覆蓋密度、覆蓋率和霧滴大小。結(jié)果表明,當無人飛機在處理T1中以2 m/s速度、2 m高度飛行時，發(fā)現(xiàn)靶標區(qū)平均沉積量最高，為2.29 μL/cm2，飛行航線中央0點位置的覆蓋率達到36.19%。處理T1、T2、T3和T4在飛行航線中央的霧滴覆蓋密度分別為87.1、116.2、91.9、91.1粒/cm2。

各處理Dv0.1、Dv0.5和Dv0.9的霧滴直徑均從飛行中心線開始減小。但其波動趨勢較小，可能是由于旋翼下洗氣流和側(cè)向自然氣流的作用。對于單旋翼植保無人飛機來說，脫靶區(qū)沉積量幾乎可以忽略不計。

未來可以開展無人飛機施藥穿透性研究，并建立不同雜草條件下的模型。本研究為無人飛機運營商、農(nóng)民和生產(chǎn)企業(yè)提供了建議，從而優(yōu)化航空植保技術(shù)在除草上的應(yīng)用。

(譯者：蔡晨，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所助理研究員。譯自[英]Computers and Electornics in Agriculture,2020,172,略有刪節(jié)。)