玉米植保無人機(jī)熱霧噴施系統(tǒng)設(shè)計(jì)與霧滴分布特性試驗(yàn)

劉立超 孫可可 張千偉 陳黎卿 程備久 鄭 泉

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 合肥 230036； 2.合肥綜合性國家科學(xué)中心人工智能研究院， 合肥 230036；3.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院， 合肥 230036)

0 引言

玉米是中國主要糧食作物之一，2021年種植面積達(dá)4.332×107hm2，對保障我國糧食戰(zhàn)略安全具有重大意義[1]。黃淮海平原每年玉米種植面積約占全國的35%，小麥秸稈覆蓋還田負(fù)效應(yīng)使得該區(qū)域玉米中后期病蟲次生害加劇，制約了玉米產(chǎn)量的提升[2]。玉米生長中后期田間郁閉，行距窄且形成封行，傳統(tǒng)人工防控效率低且易中暑中毒，而現(xiàn)有的大型噴桿式噴霧機(jī)入行難，壓苗傷苗率高[3-4]。在當(dāng)下農(nóng)村勞動(dòng)力短缺的背景下，植保無人機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，采用植保無人機(jī)進(jìn)行玉米中后期病蟲害防控是目前較合理的解決方案[5]。但由于現(xiàn)有植保無人機(jī)霧滴粒徑普遍較大，難以穿透玉米冠層，藥液無法直接噴施到病蟲害發(fā)生部位，其防治效果還有待提升[6-7]。脈沖煙霧機(jī)由于藥液霧化粒徑小，具有較強(qiáng)的穿透能力，其在林業(yè)和衛(wèi)生防疫方面應(yīng)用廣泛[8-9]，部分學(xué)者也將其應(yīng)用在大田農(nóng)作物的病蟲害防控中，結(jié)合行間自走式底盤，實(shí)現(xiàn)玉米中后期的病蟲害防治[10-13]。利用植保無人機(jī)的高效作業(yè)性能與煙霧載藥技術(shù)及低量噴霧技術(shù)相融合，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的噴煙作業(yè)，可為高稈、密植作物的有效病蟲害防治提供新的手段[14]。由于該裝備在大田農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用尚處于探索階段，其在玉米植保中的霧滴沉積特性尚需進(jìn)一步研究。

作物冠層內(nèi)霧滴的沉積效果是決定施藥質(zhì)量的關(guān)鍵因素，冠層內(nèi)霧滴沉積均勻性與防治效果具有顯著一致性[7,15]。近年來國內(nèi)外學(xué)者對植保無人機(jī)在不同作物上的霧滴沉積分布規(guī)律進(jìn)行了大量研究，張宋超等[16]利用單旋翼直升機(jī)開展了玉米植保作業(yè)的霧滴沉積效果研究，為無人機(jī)噴霧系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高噴灑效率等提供了一定的技術(shù)依據(jù)。許童羽等[17]以粳稻為試驗(yàn)對象，研究發(fā)現(xiàn)植保無人機(jī)低空噴霧在水稻垂直方向的霧滴覆蓋率存在顯著差異性。王昌陵等[18]、陳盛德等[19]分別研究了多旋翼無人機(jī)下洗氣流三維矢量對有效噴幅內(nèi)霧滴沉積量及沉積穿透性的影響，均發(fā)現(xiàn)Z向風(fēng)速對霧滴沉積量及沉積穿透性影響更加顯著。AHAMD等[20]通過單旋翼無人機(jī)雜草防治試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨飛行高度和速度的降低，下洗氣流對作物冠層影響增強(qiáng)，霧滴沉積量、霧滴密度呈增長趨勢。SHAN等[21]還研究了作物冠層形態(tài)特征對無人機(jī)霧滴穿透沉積的影響情況。

脈沖煙霧機(jī)的熱力霧化方式及低量噴霧技術(shù)若能與高效率的植保無人機(jī)有機(jī)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)植保無人機(jī)的低容量噴霧，提高霧滴穿透能力。因此，本文針對玉米中后期封行后的病蟲害防控難題，提出植保無人機(jī)搭載熱霧噴施系統(tǒng)的植保作業(yè)方案，設(shè)計(jì)熱霧噴施管路與遙控作業(yè)系統(tǒng)，開展熱霧植保無人機(jī)在玉米中后期的霧滴沉積分布特性試驗(yàn)，并研究玉米田間不同采樣點(diǎn)的霧滴粒徑、密度、覆蓋率及沉積率等參數(shù)指標(biāo)，以期為熱霧植保無人機(jī)在玉米中后期植保的有效應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)裝置與方法

1.1 玉米熱霧植保無人機(jī)結(jié)構(gòu)

玉米熱霧植保無人機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中無人機(jī)平臺(tái)采用大疆T20型植保無人機(jī)，熱霧噴施系統(tǒng)由市場上現(xiàn)有的6HYC系列煙霧機(jī)模塊化設(shè)計(jì)改裝后形成獨(dú)立系統(tǒng)安裝在植保無人機(jī)腳架上。熱霧噴施系統(tǒng)主體為脈沖式發(fā)動(dòng)機(jī)，主要結(jié)構(gòu)包括燃燒室、噴管、化油器以及啟動(dòng)點(diǎn)火裝置等，如圖2所示。工作時(shí)脈沖式發(fā)動(dòng)機(jī)體內(nèi)氣流自激自吸形成脈動(dòng)燃燒振蕩過程，并利用振蕩過程中燃燒室內(nèi)氣流的壓力波動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)吸氣、吸油及泵藥[22]。熱霧噴施系統(tǒng)的啟停由自主開發(fā)的遙控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，通過手持遙控器發(fā)送指令給熱霧噴施系統(tǒng)的控制盒，實(shí)現(xiàn)煙霧機(jī)的一鍵啟動(dòng)和熄火功能。其中啟動(dòng)過程由控制盒內(nèi)單片機(jī)控制氣泵運(yùn)行和火花塞點(diǎn)火，煙霧機(jī)啟動(dòng)完成后氣泵和火花塞停止供電；熄火時(shí)控制盒內(nèi)單片機(jī)使電磁閥通電，將化油器進(jìn)氣口彈簧擋片下推至封閉進(jìn)氣口，實(shí)現(xiàn)煙霧機(jī)停機(jī)操作。由于加裝熱霧噴施系統(tǒng)會(huì)降低植保無人機(jī)額定載藥量，為減少熱霧噴施系統(tǒng)對植保無人機(jī)載藥量的影響，除脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)本體外，其余部分均采用輕質(zhì)材料，熱霧噴施系統(tǒng)質(zhì)量為3.5 kg，熱霧植保無人機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 熱霧植保無人機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of thermal fog plant protection UAV1.植保無人機(jī) 2.控制盒 3.脈沖式煙霧機(jī) 4.藥液管路 5.油箱

圖2 熱霧噴施系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of thermal spray system1.油箱 2.油閥 3.氣泵 4.化油器 5.火花塞 6.彈簧擋片 7.電磁閥 8.控制盒 9.燃燒室 10.保護(hù)罩 11.藥液噴嘴 12.噴管

熱霧噴施系統(tǒng)的藥液輸入部分由大疆植保無人機(jī)原有4路噴灑系統(tǒng)匯聚后接入藥液噴嘴，噴施流量由大疆植保無人機(jī)配套遙控器控制調(diào)節(jié)。根據(jù)煙霧機(jī)霧化介質(zhì)不同，藥液噴出時(shí)的霧化效果也有較

表1 玉米熱霧植保無人機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Major performance parameters of thermal fog plant protection UAV

大差異。煙霧機(jī)霧化油溶劑農(nóng)藥或添加0號(hào)柴油等煙霧助劑時(shí)，霧化效果相較于水溶劑農(nóng)藥具有明顯優(yōu)勢，霧化水溶劑農(nóng)藥時(shí)，若噴藥流量較大易出現(xiàn)霧滴過大或滴液、流液等現(xiàn)象，影響藥液均勻噴施，因此在熱霧植保無人機(jī)作業(yè)過程中，噴霧系統(tǒng)流量需控制在合理范圍以達(dá)到良好的霧化效果。

1.2 熱霧噴施管路與遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1管路系統(tǒng)

管路系統(tǒng)是連接無人機(jī)和脈沖式煙霧機(jī)2個(gè)獨(dú)立裝置的關(guān)鍵系統(tǒng)，包括藥液管路、氣路和油路。如圖3所示。藥液管路的流量由植保無人機(jī)流量控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，最大流量為6 L/min。根據(jù)原有植保無人機(jī)4路噴灑系統(tǒng)的控制特點(diǎn)，將第1和第4管路通過三通管進(jìn)行匯聚，再將第2和第3管路匯聚，最后再通過一組三通管將兩組匯聚后的藥液管路連接到熱霧機(jī)噴嘴，以保證植保無人機(jī)不同飛行狀態(tài)下低流量作業(yè)時(shí)藥液供給的均勻性。

圖3 管路系統(tǒng)連接示意圖Fig.3 Schematic of piping system connection

氣體管路主要為熱霧機(jī)啟動(dòng)時(shí)引入高速氣流，熱霧機(jī)點(diǎn)火時(shí)，氣泵將空氣壓入化油器，與汽油在化油器內(nèi)混合后進(jìn)入燃燒室?；旌蠚怏w被火花塞點(diǎn)燃后，隨即進(jìn)入自激自吸脈動(dòng)燃燒過程，此時(shí)無需氣泵和火花塞繼續(xù)參與工作。油液流量由油閥開閉程度控制，為提高整機(jī)安全性，將油箱布置在遠(yuǎn)離熱霧機(jī)噴管等熱源位置。

1.2.2噴霧遙控系統(tǒng)

市場上現(xiàn)有熱霧機(jī)多采用手動(dòng)啟動(dòng)方式，無法適配植保無人機(jī)遙控作業(yè)需求，為此根據(jù)熱霧機(jī)啟動(dòng)條件和啟動(dòng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了熱霧機(jī)噴霧遙控系統(tǒng)。以STM32單片機(jī)為控制核心，集成繼電器、電壓轉(zhuǎn)換、電平轉(zhuǎn)換及遙控接收端等模塊，實(shí)現(xiàn)對氣泵、火花塞及電磁鐵的工作狀態(tài)控制，從而控制熱霧機(jī)遙控啟停。遙控系統(tǒng)控制框圖如圖4所示。

圖4 噴霧遙控系統(tǒng)控制框圖Fig.4 Control block diagram of spray remote control system

熱霧機(jī)啟動(dòng)時(shí)，遙控接收機(jī)接收到遙控器發(fā)送的啟動(dòng)指令，單片機(jī)解析指令后通過I/O口輸出高電平，再經(jīng)MAX3232芯片輸出5.5 V電壓控制繼電器1開關(guān)閉合，此時(shí)氣泵和火花塞同時(shí)通電開始工作，熱霧機(jī)順利啟動(dòng)后即可松開遙控器啟動(dòng)按鈕完成啟動(dòng)過程。遠(yuǎn)程熄火時(shí)遙控器發(fā)出熄火控制信號(hào)，接收端處理信號(hào)后控制繼電器2閉合，此時(shí)電磁鐵通電，將化油器進(jìn)氣口彈簧擋片推下，阻斷化油器進(jìn)氣，完成熱霧機(jī)熄火過程。為防止熱霧機(jī)損壞熱霧機(jī)噴管，熄火前應(yīng)先關(guān)閉噴灑系統(tǒng)藥閥開關(guān)。

圖6 水敏試紙布置示意圖Fig.6 Layout diagram of water sensitive test paper

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1試驗(yàn)場地與材料

試驗(yàn)于2021年10月13日在安徽省合肥市安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)萃園試驗(yàn)基地進(jìn)行。試驗(yàn)當(dāng)天為多云天氣，平均氣溫21℃，東風(fēng)，風(fēng)速0.6～1.2 m/s，相對濕度為48%。試驗(yàn)地種植玉米為晚熟鮮食玉米品種，處于灌漿期，平均株高約為1.75 m，種植行距為60 cm，平均株距為25 cm。霧滴采樣使用規(guī)格為35 mm×110 mm的水敏試紙，底色為黃色，遇水后變?yōu)樗{(lán)色，可用于檢測田間霧滴的分布狀態(tài)。根據(jù)前期預(yù)試驗(yàn)對植保無人機(jī)飛行高度、作業(yè)幅寬及施藥量等參數(shù)的匹配計(jì)算結(jié)果，設(shè)置無人機(jī)飛行高度為4 m，飛行速度為2 m/s，施藥流量設(shè)置為1 L/min，并以清水代替農(nóng)藥進(jìn)行試驗(yàn)。為降低晨晚田間霧水的影響，試驗(yàn)選在下午進(jìn)行，試驗(yàn)現(xiàn)場如圖5所示。

圖5 田間試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.5 Field test site

1.3.2采樣點(diǎn)布置

在試驗(yàn)田塊中選擇30 m×20 m的試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行采樣點(diǎn)布置，包括水平采樣點(diǎn)和垂直采樣點(diǎn)。其中水平采樣點(diǎn)用于測量霧滴分布的幅寬和不同粒徑霧滴沉積分布規(guī)律，垂直采樣點(diǎn)用于采集玉米不同高度層間的霧滴分布情況。水平采樣點(diǎn)設(shè)置3組，每組布置10個(gè)水敏試紙采樣點(diǎn)，每個(gè)水敏試紙采樣點(diǎn)位置間隔為1 m，每組間距為5 m。垂直采樣點(diǎn)設(shè)置為3層，分別在各水平采樣點(diǎn)距離地面為0.25 m(底層)、0.75 m(中層)以及1.50 m(冠層)處設(shè)置，每個(gè)采樣點(diǎn)分別在玉米葉片正面和背面布置水敏試紙，形成立體采樣點(diǎn)。此外，在每個(gè)水平采樣點(diǎn)對應(yīng)地面上也布置一組試紙，測試霧滴在地面的分布情況，田間試驗(yàn)試紙布置示意圖如圖6所示。根據(jù)前期預(yù)試驗(yàn)結(jié)果分析，在外界風(fēng)場干擾較小情況下，霧滴從煙霧機(jī)噴管噴出后主要集中分布在噴管前方(無人機(jī)右側(cè))，小部分霧滴受到旋翼風(fēng)場擾動(dòng)后分布在無人機(jī)左側(cè)位置，因此，在試驗(yàn)時(shí)將煙霧機(jī)噴口位置對應(yīng)于第3個(gè)水敏紙，以達(dá)到合理檢測霧滴分布情況的目標(biāo)。在試驗(yàn)過程中植保無人機(jī)飛行作業(yè)1次，3組試紙結(jié)果取均值代替重復(fù)試驗(yàn)。設(shè)立起飛階段和熄火階段區(qū)域，以消除藥液噴施不均勻產(chǎn)生的影響。

1.4 霧滴沉積測定

水敏試紙上的霧滴粒徑、霧滴數(shù)量及霧滴覆蓋率等參數(shù)由圖像處理軟件DepositScan分析得到。在獲取試驗(yàn)完成的水敏試紙后，首先對試紙進(jìn)行掃描處理，采用分辨率為600 dpi的灰度掃描模式進(jìn)行掃描，并將掃描得到的圖像導(dǎo)入DepositScan中進(jìn)行處理，處理前后的水敏試紙如圖7所示，圖7b中，黑色區(qū)域?yàn)楸尘?，白點(diǎn)為不同大小的霧滴。

圖7 水敏試紙?jiān)瓐D與處理結(jié)果Fig.7 Water-sensitive test paper original drawing and processing diagram

圖8 玉米各層采樣點(diǎn)霧滴粒徑與密度分布圖Fig.8 Distributions of droplet size and density at sampling points of each layer of corn

數(shù)據(jù)分析處理后，軟件可輸出DV10、DV50、DV90和NMD，其中DV10、DV50、DV90分別表示體積累加到10%、50%、90%時(shí)霧滴直徑，NMD為霧滴數(shù)量中值直徑。同時(shí)軟件可計(jì)算出霧滴沉積密度、平均沉積量、霧滴覆蓋率及霧滴譜寬度等指標(biāo)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 霧滴粒徑與霧滴密度分布

圖8為本研究試驗(yàn)獲得的玉米田間不同采樣位置葉片正反面霧滴粒徑和霧滴密度的分布情況，其中，圖6中7 m位置的試紙由于霧滴覆蓋較少，因此不對其進(jìn)行分析。可以看出，玉米各層采樣點(diǎn)處霧滴粒徑分布范圍較廣，冠層正面的霧滴DV90與DV10相差達(dá)400 μm左右。3組垂直采樣層中，葉片正反面的DV10均小于50 μm，NMD也均在50 μm左右，而DV50相較于DV10和NMD波動(dòng)較大，主要集中在距噴管管口0～2 m的位置，該區(qū)域葉片正面的DV50均明顯高于葉片反面。由于霧滴粒徑與農(nóng)藥藥效之間存在生物最佳粒徑的關(guān)系，不同生物靶標(biāo)捕獲的霧滴粒徑范圍不同，只有在最佳粒徑范圍內(nèi)，靶標(biāo)捕獲的霧滴數(shù)量最多，防治效果也最佳。對于飛行昆蟲而言，生物最佳粒徑為10～50 μm；作物葉面爬行類害蟲幼蟲的生物最佳粒徑為30～150 μm；植物病害和雜草生物最佳粒徑分別為30～150 μm和100～300 μm。由此可見，本試驗(yàn)采用的熱霧噴施方式，由于霧滴粒徑跨度較大，有利于不同生物靶標(biāo)捕獲對應(yīng)的最佳粒徑，可同時(shí)對作物的不同種類病蟲害進(jìn)行綜合防治。

由于藥液集中從脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)管口噴出，并在霧滴自重和旋翼風(fēng)場的作用下落入采樣區(qū)域，因此，在管口前端附近位置的霧滴密度明顯高于其他區(qū)域，結(jié)合玉米冠層、中層和底層的霧滴垂直分布情況可以看出，在不同采樣層的霧滴粒徑和密度變化趨勢總體上也保持一致，均是先增大后減小，在距離噴口前方1 m左右位置達(dá)到最大值。從同一采樣點(diǎn)處葉片正反面的霧滴分布情況可以看出，不同采樣層內(nèi)葉片正面霧滴粒徑的DV10、DV50、DV90及NMD多數(shù)大于對應(yīng)位置的葉片反面，其中在霧滴密度最大值附近的DV50和DV90表現(xiàn)最為明顯，其中DV50最大相差5.08倍，DV90最大相差3.15倍。從整體看，霧滴在-2～6 m的水平采樣區(qū)域內(nèi)分布均勻性較差。

由圖8a可以看出，在距噴管管口前方1～2 m的霧滴密集分布區(qū)域，玉米冠層正面的霧滴DV50均高出煙霧機(jī)常規(guī)作業(yè)時(shí)的霧滴體積中徑[22]。煙霧機(jī)常規(guī)作業(yè)時(shí)，霧滴從管口噴出后在燃燒室氣流的作用下逐步擴(kuò)散，均勻性較好，而煙霧機(jī)搭載在植保無人機(jī)上時(shí)，由于旋翼風(fēng)場的作用，霧滴會(huì)迅速下落與玉米冠層接觸，此時(shí)玉米冠層正面存在大粒徑霧滴浸染或霧滴重疊、黏連等情況，導(dǎo)致霧滴粒徑增大。結(jié)合冠層葉片反面霧滴粒徑和密度分布情況可以看出，冠層葉片反面的霧滴粒徑更加細(xì)小均勻，因此對應(yīng)的霧滴密度也高于葉片正面，距噴口前方1 m位置葉片反面霧滴密度為正面的1.58倍，達(dá)到332個(gè)/cm2，距噴口前方2～3 m位置由于正反面霧滴粒徑差異更大，導(dǎo)致葉片反面霧滴密度與正面差異更明顯。

圖8b、8c為玉米中層及底層霧滴粒徑和密度分布情況，實(shí)際作業(yè)過程中，冠層試紙易受到風(fēng)力作用產(chǎn)生搖擺，而中層和底層的試紙位置受風(fēng)力影響較小?？梢钥闯?，中層和底層的霧滴粒徑和密度相較于冠層逐步減小，在水平采樣區(qū)域內(nèi)的霧滴參數(shù)變化趨勢與冠層總體保持一致，中層葉片正反面霧滴密度最大分別達(dá)到232、170個(gè)/cm2，最小密度也均超過20個(gè)/cm2。霧滴在噴管氣流和旋翼風(fēng)場的共同作用下進(jìn)入玉米行間，與植株產(chǎn)生接觸、碰撞并最終沉積在植株不同部位。由于葉片反面霧滴粒徑普遍小于葉片正面，在噴口前方3 m位置之后，葉片反面霧滴密度均大于葉片正面。從玉米中層和底層的霧滴密度分布情況可以看出，植保無人機(jī)搭載熱霧噴施系統(tǒng)，霧滴可有效穿透玉米中后期植株冠層，實(shí)現(xiàn)對玉米果穗部位的病蟲害防控。

2.2 地面霧滴粒徑與密度分布

為研究熱霧噴施系統(tǒng)作業(yè)時(shí)地表霧滴沉積情況，分析了地面布置的一組試紙霧滴分布數(shù)據(jù)，如 圖9所示。從整體上看，霧滴粒徑變化范圍不大，總體與圖8中玉米底層霧滴粒徑分布趨勢相近，地表霧滴的DV10為40 μm左右，DV50為75 μm左右，說明霧滴粒徑較小，其中心區(qū)域的霧滴密度達(dá)176個(gè)/cm2，隨著遠(yuǎn)離噴口位置，霧滴密度緩慢降低，在距管口前方6 m處，霧滴密度降低為40個(gè)/cm2，但仍高出玉米底層采樣點(diǎn)的霧滴密度。由此可見，霧滴在擴(kuò)散漂移過程中，一部分未與玉米植株產(chǎn)生接觸，最終落入地表，該部分霧滴在玉米植株病蟲害防治過程中起到的作用不大。

圖9 地面霧滴粒徑與霧滴密度分布Fig.9 Droplet size and droplet density distribution on ground

2.3 霧滴覆蓋率與霧滴沉積率分布

圖10為霧滴覆蓋率參數(shù)在玉米田間不同水平采樣點(diǎn)和不同垂直采樣層間的變化情況，本研究中霧滴覆蓋率為水敏試紙浸染面積與采樣面積百分比。由圖10可以看出，在距噴口前方1 m位置各垂直采樣層葉片正面的霧滴覆蓋率均取到最大值，從上層到地表的覆蓋率依次遞減，分別為18.02%、13.48%、4.37%和2.11%，此位置冠層反面的霧滴覆蓋率也較大，達(dá)到7.91%。相較而言，玉米中層、底層及地表的霧滴覆蓋率則在噴口位置達(dá)到最大值，分別為2.85%、1.15%和6.25%。結(jié)合圖8可以看出，在距離噴口前方3 m之后的區(qū)域，盡管霧滴密度均超過20個(gè)/cm2，部分區(qū)域甚至超過100個(gè)/cm2，但是由于該區(qū)域霧滴粒徑均比較小，DV50均為50 μm左右，所以該區(qū)域霧滴覆蓋率均小于1%，多數(shù)在0.5%左右。

圖10 田間試驗(yàn)葉片霧滴覆蓋率分布Fig.10 Field test leaf droplet coverage distribution

圖11為各采樣點(diǎn)對應(yīng)的霧滴沉積量分布情況，霧滴沉積量指在單位面積上霧滴沉積的質(zhì)量[5]。從圖11可知，霧滴沉積量和霧滴覆蓋率在整體變化趨勢上保持了高度的一致性。在距噴口前方1 m位置，冠層葉片正面霧滴沉積量達(dá)到最大值，為0.36 μL/cm2，該位置玉米中層正面霧滴沉積量為0.17 μL/cm2，底層為0.04 μL/cm2，同樣呈遞減趨勢，而玉米底層霧滴沉積量最大值位于噴口處，為0.15 μL/cm2。分析葉片反面霧滴沉積量情況可以看出，冠層位置霧滴沉積量同樣達(dá)到最大值，為0.17 μL/cm2，約為正面霧滴沉積量的0.5倍。玉米中層和底層霧滴沉積量的最大值均位于噴口處，分別為0.05、0.08 μL/cm2，此位置地表的霧滴沉積量為0.15 μL/cm2。從設(shè)置的水平采樣長度范圍可以看出，植株中層和底層葉片反面的霧滴沉積量均小于地表，這與霧滴覆蓋率的數(shù)據(jù)趨勢也高度吻合。

圖11 田間試驗(yàn)葉片霧滴沉積量分布Fig.11 Field test leaf droplet deposition distribution

2.4 霧滴譜寬度

霧滴譜寬度指霧滴分布的均勻程度，通常用體積中值直徑與數(shù)量中值直徑的比值(VMD/NMD)，或90%累積體積直徑和10%累積體積直徑的差值與體積中值直徑的比值來表示[23]。表2為不同采樣點(diǎn)處采用VMD/NMD比值計(jì)算得到的霧滴譜寬度。由表2可以看出，除位置1 m處中層正面和位置2 m處冠層正面的霧滴譜寬度大于2 μm以外，其他采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的低容量噴灑條件下霧滴譜寬度小于等于2.0 μm的技術(shù)指標(biāo)[23]。由于噴口前方1～2 m位置霧滴分布較為集中，存在霧滴重疊、黏連等現(xiàn)象，因此其霧滴譜寬度較其他區(qū)域會(huì)偏大，對應(yīng)位置垂直采樣層的霧滴譜寬度數(shù)值波動(dòng)也更加明顯，噴口前方1、2 m處的垂直采樣區(qū)域霧滴譜寬度均值、標(biāo)準(zhǔn)差分別為(1.58±0.25) μm和(1.73±0.63) μm，在距離噴口4～6 m位置，由于霧滴粒徑普遍較小，霧滴譜寬度較為均勻。冠層正面霧滴譜寬度均值和標(biāo)準(zhǔn)差均達(dá)到最大值，為(1.69±0.55) μm，同一采樣層葉片反面霧滴譜寬度的均值和標(biāo)準(zhǔn)差均小于葉片正面，可見葉片反面的霧滴粒徑整體更加均勻。

表2 不同采樣點(diǎn)處霧滴譜寬度分布Tab.2 Droplet spectral width distribution at different sampling points μm

3 討論

通過分析熱霧植保無人機(jī)在玉米灌漿期噴霧作業(yè)的測量數(shù)據(jù)可以看出，霧滴密度、覆蓋率和沉積率等指標(biāo)均存在單一峰值的情況，且在距噴口0～2 m區(qū)域的霧滴參數(shù)指標(biāo)較為突出，由于存在玉米植株遮擋，霧滴在水平和垂直方向的擴(kuò)散過程均受到較大影響，限制了噴霧擴(kuò)散的均勻性。結(jié)合熱霧噴施系統(tǒng)單噴管噴施的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，若想提高霧滴覆蓋的均勻性，可從熱霧噴施系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上加以改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)霧滴在有效作業(yè)幅寬內(nèi)水平方向的覆蓋均勻性。

植保無人機(jī)有效噴幅的準(zhǔn)確評(píng)定對作業(yè)路徑規(guī)劃及噴施作業(yè)質(zhì)量的提升均有重要意義[24]，根據(jù)本研究的試驗(yàn)結(jié)果分析，在所設(shè)置的采樣范圍內(nèi)，霧滴密度均超過20個(gè)/cm2，符合MH/T 1002.1—2016《農(nóng)業(yè)航空作業(yè)質(zhì)量技術(shù)指標(biāo) 第1部分：噴灑作業(yè)》對低容量噴灑作業(yè)霧滴覆蓋密度的規(guī)定，但由于遠(yuǎn)離噴口采樣區(qū)域的霧滴粒徑較小，細(xì)小霧滴能否被生物靶標(biāo)捕獲還需要結(jié)合病蟲害的防治效果進(jìn)一步判斷。熱霧植保無人機(jī)田間作業(yè)時(shí)，可根據(jù)霧滴分布情況適當(dāng)設(shè)置重疊率，在兼顧作業(yè)效率的同時(shí)提高防治效果。

由于植保無人機(jī)搭載煙霧機(jī)進(jìn)行大田農(nóng)作物植保作業(yè)的研究尚處于探索階段，植保無人機(jī)的飛行作業(yè)參數(shù)與煙霧機(jī)作業(yè)參數(shù)之間的匹配關(guān)系還需進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)。煙霧機(jī)的霧化粒徑較小，結(jié)合植保無人機(jī)旋翼風(fēng)場的作用，可順利穿透玉米冠層到達(dá)玉米果穗及以下部位，形成對玉米中后期病蟲害的立體防控，后續(xù)可結(jié)合熱霧植保無人機(jī)的病蟲害防控效果開展進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

(1)提出了植保無人機(jī)搭載熱霧噴施系統(tǒng)的植保作業(yè)方案，設(shè)計(jì)了熱霧噴施管路與遙控作業(yè)系統(tǒng)。田間試驗(yàn)表明，該套熱霧植保無人機(jī)作業(yè)時(shí)霧滴能有效穿透玉米冠層，可為玉米中后期植保提供有效作業(yè)裝備。

(2)熱霧植保無人機(jī)噴霧區(qū)域水平采樣范圍-2～6 m的霧滴粒徑和霧滴密度分布差異明顯，在距噴口0～2 m位置霧滴較為集中；垂直采樣范圍內(nèi)，玉米冠層、中層和底層的霧滴粒徑和密度依次減小，地面上霧滴密度則超出玉米底層的數(shù)值；整個(gè)采樣區(qū)域內(nèi)霧滴密度均超過20個(gè)/cm2，符合低容量噴灑作業(yè)霧滴覆蓋密度的規(guī)定。

(3)霧滴覆蓋率和霧滴沉積量在整體變化趨勢上保持高度的一致性，在距噴口前方1 m位置各垂直采樣層葉片正面的霧滴覆蓋率均取到最大值，從上層到地表的覆蓋率分別為18.02%、13.48%、4.37%和2.11%，表明霧滴可有效穿透冠層到達(dá)玉米中層部位，冠層葉片正面霧滴沉積量在此區(qū)域也達(dá)到最大值，為0.36 μL/cm2，中層至底層的霧滴沉積量也呈遞減趨勢。

(4)除少數(shù)采樣點(diǎn)位置因霧滴重疊、黏連導(dǎo)致霧滴譜寬度大于2 μm以外，其他采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的低容量噴灑條件下霧滴譜寬度小于等于2.0 μm的技術(shù)指標(biāo)。從整體看，同一采樣層葉片反面霧滴譜寬度的均值和標(biāo)準(zhǔn)差均小于葉片正面，可見葉片反面的霧滴粒徑整體更加均勻。