無人機作業(yè)參數(shù)對蘋果樹霧滴沉積分布的影響

張亞莉,白祿超,陳鵬超,蘭玉彬,于保宏

(1.華南農(nóng)業(yè)大學 a.工程學院;b.華南農(nóng)業(yè)大學 電子工程學院/人工智能學院,廣州 510642;廣州 510642;2.國家精準農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國際聯(lián)合研究中心,廣州 510642;3.北京韋加無人機科技股份有限公司,北京 100176)

0 引言

近年來,使用植保無人飛機進行航空施藥已成為新型的植保作業(yè)方式。相比較于傳統(tǒng)的地面施藥方式,植保無人飛機能夠?qū)⑹┧幦藛T和藥箱分離,降低操作人員的職業(yè)暴露風險。植保無人飛機機動靈活,不受地形和作物長勢結(jié)構(gòu)的限制,尤其適合于高稈、果樹以及丘陵、水田等復雜作業(yè)場景[1-3]。目前,植保無人飛機已經(jīng)在包括小麥、玉米、棉花、水稻等大田糧食作物的病蟲害防控中得到認可和廣泛應(yīng)用[4-5]。以上的研究結(jié)論多是基于低矮的大田作物,由于冠層的高度介于0.6～1.2 m之間[6-8](以水稻和棉花為例),無人機的旋翼風場能夠傳送霧滴至作物冠層的中下部,從而保證較好的整體噴霧質(zhì)量;但對于果樹等高大立體作物,由于冠層茂密,目前植保無人飛機的噴灑應(yīng)用仍然有限[9]。

現(xiàn)有的無人機施藥技術(shù)研究中包括飛行高度、飛行速度、作業(yè)模式、噴嘴類型以及噴霧量等飛行參數(shù)對噴霧質(zhì)量的影響。相關(guān)的研究已經(jīng)表明:降低飛行高度和飛行速度及增大噴霧量可以改善霧滴在冠層的霧滴分布[4, 7, 9]。選用霧化粒徑小的噴嘴能夠獲得更多的霧滴覆蓋率,提高病蟲害的防控效果,但有較大的飄移風險;而粗霧滴的噴嘴能夠有效降低環(huán)境飄移,但在冠層的霧滴沉積分布較差[10-11]。除了上述飛行參數(shù)外,作物冠層的郁閉程度也是影響霧滴沉積分布的重要因素[12]。果樹等密植型作物在生長前期稀疏枝葉并不稠密,但生長后期形成高密度的冠層,霧滴在通過作物冠層時容易被濃密的枝葉截獲,僅有少部分的霧滴能夠穿過冠層抵達中下部[13]。目前,提高霧滴沉積分布的輔助手段包括輔助氣流、靜電噴霧和仿形噴霧等。植保無人機具備特有的旋翼風場,可以擾動冠層枝葉,改變冠層的郁閉程度,對于改善霧滴在高密度冠層的沉積分布具有積極作用。文晟等人的研究認為:隨著飛行速度的增加,翼尖渦流在機身后方形成的螺旋型尾渦的高度增大,而尾渦是影響霧滴沉積分布的重要因素[14]。因此,通過調(diào)節(jié)無人機的飛行速度影響旋翼風場,或許可以改善霧滴在果樹等密植型作物的分布情況。

噴霧助劑目前廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)病蟲草害的化學噴灑防治,能夠改善藥液的理化性質(zhì),降低霧滴在葉片的接觸角和表面張力,提高藥液在作物表面的潤濕、粘附和沉積,從而提高農(nóng)藥的利用率[15]。植保無人飛機受限于有效載荷多采用超低容量噴灑,且霧化的液滴尺寸為較小粒徑。因此,在無人機在噴霧作業(yè)過程中容易受到外界環(huán)境的影響產(chǎn)生飄移和蒸發(fā),降低了藥液在冠層的沉積分布。因此,植保無人飛機作業(yè)過程中添加助劑對于改善霧滴的分布情況或許有積極的作用。

在此,以蘋果樹為研究對象,通過設(shè)定旋翼無人機的飛行速度和添加植物油類助劑,研究飛行速度和助劑對于蘋果樹冠層霧滴沉積分布的影響,旨在為植保無人飛機在蘋果果樹噴灑方面的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗條件

試驗地點位于陜西省洛川縣(35°46′53.7″N 109°26′23.1″E)。品種為紅富士,為15年生喬砧栽植果樹,株距為3m。韋加JF01-20電動八旋翼四軸植保無人機(北京韋加無人機科技股份有限公司)用作試驗測試平臺。該電動八旋翼植保無人飛機有效載荷20kg,最大起飛質(zhì)量44kg,機身尺寸為3.5m×3.5m×0.7m,飛行速度為0.1～10m/s,噴幅寬度為6m。

1.2 試驗設(shè)計

將飛行速度和是否添加助劑設(shè)置為作業(yè)參數(shù)變量,速度參數(shù)的試驗處理為0.5、1.0、2.0m/s,結(jié)合助劑添加與否共計6組試驗處理。助劑類型為植物油類,有效成分為改性檸檬烯(極透,西安展鵬生物科技有限公司),使用量為0.3%。試驗時,添加葉面肥(美亮彩海藻磷鉀精粉,西安展鵬生物科技有限公司)模擬正常施藥。

表1 試驗因素與水平

旋翼無人機沿作物種植行重復飛行,每試驗組選擇2棵果樹進行采樣。為便于量化研究,將蘋果樹冠層劃分為上、中、下3層。每層以靠近施藥機具一側(cè)最左端的采樣點作為起始采樣點,以逆時針方向在蘋果樹冠層布置6個采樣點。在樹冠中心位置自上至下布置4個采樣點,合計每層7個采樣點,共22個采樣點,將水敏紙用做霧滴分布測試工具,每個采樣點用回形針卡住水敏紙,用于測定葉片霧滴分布情況。水敏紙在噴霧后經(jīng)自然干燥收集儲存,在實驗室內(nèi)經(jīng)掃描轉(zhuǎn)換為灰度圖像。利用DepositScan 軟件進行霧滴的沉積分布數(shù)據(jù)提取。

2 結(jié)果與分析

2.1 冠層水平面和垂直面分布情況

使用變異系數(shù)指標分別對冠層水平面不同采樣點的沉積分布進行評價。變異系數(shù)的數(shù)值越大,表明采樣點之間的離散程度越大。對果樹冠層水平面的整體霧滴分布分析可知:相同冠層水平面的霧滴分布差異性較大,霧滴分布的變異系數(shù)值范圍在49.1%～227.6%之間變化。其中,最小的變異系數(shù)為速度2 m/s 和添加助劑試驗處理的果樹下層,最大的變異系數(shù)值為速度1m/s 和未添加助劑處理的果樹中層。由上述結(jié)果可知:霧滴分布在相同冠層水平分布存在差異性,且該差異性不隨飛行速度、助劑或霧滴分布指標而發(fā)生改變。從果樹冠層的不同分層來看,上層的霧滴分布變異系數(shù)高于中下層,如基于霧滴的沉積量指標,除了速度1m/s處理在果樹中層的極大值結(jié)果外,上層的霧滴分布系數(shù)值范圍為128.3%～189.3%,高于中下層的霧滴分布系數(shù)值,如圖1所示。出現(xiàn)變異系數(shù)數(shù)值大于100%的原因在于相同冠層水平面中有采樣點的數(shù)據(jù)值低于1,且有采樣點的數(shù)值遠大于1。以上結(jié)果表明:植保無人飛機在果樹冠層水平面的分布均勻性較差,該結(jié)果不隨無人機的作業(yè)參數(shù)(飛行速度、助劑)的改變而有所改善。與現(xiàn)有文獻對比,該結(jié)果與Chen的研究結(jié)果相同[7]。研究認為:對于分布均勻性指標的優(yōu)化,還要從噴霧系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及無人機旋翼風場和果樹冠層耦合等多個方面入手。

圖1 冠層水平面采樣點間的變異系數(shù)Fig.1 Coefficient of variation between sampling points on the same canopy level

圖2～圖5為不同飛行速度和添加助劑試驗處理條件下霧滴在果樹上中下冠層的分布情況。對于果樹冠層的垂直面間的霧滴分布分析可知,霧滴的分布數(shù)值結(jié)果從上至下逐步降低。霧滴的覆蓋率結(jié)果中,果樹冠層上層的數(shù)值結(jié)果分別為17.9%(0.5m/s)、5.95%(1m/s) 和4%(2m/s),而中下層的覆蓋率范圍分別是3.88%～7.3%(0.5m/s)、4.35%～5.48%(1m/s)以及1%～2.2%(2m/s)。上層的覆蓋率結(jié)果是下層的1.37～4倍。沉積量的結(jié)果變化與覆蓋率的結(jié)果相同。由圖4可知:速度為2m/s時,冠層間的結(jié)果與覆蓋率的結(jié)果變化保持一致;而0.5m/s的試驗處理在冠層中層出現(xiàn)霧滴密度極大值78.6個/cm2;1m/s 時在果樹的下層出現(xiàn)極大值66.9個/cm2。這可能是由于霧滴在水敏紙上重疊,導致測試軟件出現(xiàn)統(tǒng)計誤差。以上結(jié)果表明:霧滴在果樹的垂直面分布結(jié)果呈現(xiàn)自上至下遞減,該規(guī)律在不同的速度處理中保持一致。

圖2 添加助劑后冠層水平面采樣點間的變異系數(shù)

圖3 各冠層和飛行速度的覆蓋率分布結(jié)果Fig.3 Coverage results for each canopy and flight speed

圖4 各冠層和飛行速度的霧滴密度分布結(jié)果Fig.4 Deposit results for each canopy and flight speed

圖5 各冠層和飛行速度的沉積量分布結(jié)果Fig.5 Deposition results for each canopy and flight speed

2.2 飛行速度

霧滴分布的數(shù)值結(jié)果隨著飛行速度的增加而降低,各霧滴測試指標的變化趨勢相同。速度為0.5m/s時,霧滴的沉積密度范圍在61～78.6個/cm2,高于1m/s處理的32.3～66.9個/cm2和2m/s處理的21.9～56.3個/cm2;沉積量的數(shù)值變化與霧滴密度相同。此外,沉積量的數(shù)值結(jié)果在0.5m/s 速度處理的樹冠上層取得極大值3.25μg/cm2,2m/s 試驗處理中樹冠下層取得極小值0.04μg/cm2,霧滴沉積量的分布隨飛行速度的增加和樹冠的垂直面自上至下依次遞減。從冠層間的沉積分布的一致性來看,速度1 m/s處理時,各個冠層間的覆蓋率和沉積量差異性較小。以上結(jié)果表明,較低的飛行速度可以在果樹冠層間獲得較高的霧滴分布效果,速度越高霧滴的分布效果越差。

2.3 噴霧助劑

添加助劑后,各個試驗處理以及冠層間的霧滴分布結(jié)果具有顯著的提升,結(jié)果如表2所示。由表2可知:當飛行速度為2 m/s時,添加助劑處理沒有提高中層的覆蓋率和霧滴密度,其他各處理的覆蓋率、霧滴密度和沉積量指標均有不同程度的提升。在冠層上層,速度為1m/s時霧滴分布受助劑的影響最顯著,覆蓋率數(shù)值提升了134%;在中層有相似的結(jié)果,覆蓋率在1m/s處理中提高了197%;而在樹冠下層,霧滴分布的改善在0.5m/s 飛行速度處理中取得極大值,覆蓋率提升達到244 %。以上研究結(jié)果表明,添加植物油類助劑對于改善蘋果果樹冠層霧滴分布是積極的,這與王明等[16]研究結(jié)果相同。添加助劑后,溶液的性質(zhì)發(fā)生顯著變化,可有效減少霧滴的飄移,增加霧滴在蘋果果樹葉片上的沉積。本研究同時觀察到,在不同的飛行速度處理中,添加助劑對于沉積分布的影響存在一定的差異。助劑和飛行速度兩個因素之間對于冠層間的霧滴分布是否存在交互作用還需要進一步的研究。

表2 添加助劑后各冠層位置的霧滴沉積效果

3 結(jié)論

1)植保無人飛機在果樹冠層水平面的分布均勻性較差,相同冠層水平面的霧滴分布差異性較大,霧滴分布的變異系數(shù)值范圍在49.1%～227.6%之間變化,該結(jié)果不隨無人機的作業(yè)參數(shù)(飛行速度、助劑)的改變而有所改善。霧滴在果樹的垂直面分布結(jié)果呈現(xiàn)自上至下遞減,該規(guī)律在不同的速度處理中保持一致。

2)霧滴分布的數(shù)值結(jié)果隨著飛行速度的增加而降低。較低的飛行速度可以在果樹冠層間獲得較高的霧滴分布效果,而速度越高霧滴的分布效果越差。