基于空間質量平衡法的植保無人機施藥霧滴沉積分布特性測試

王昌陵，何雄奎，王瀟楠，王志翀，王士林，李龍龍，Jane. Bonds，Andreas. Herbst，王志國，梅水發

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基于空間質量平衡法的植保無人機施藥霧滴沉積分布特性測試

王昌陵1，何雄奎1※，王瀟楠1，王志翀1，王士林1，李龍龍1，Jane. Bonds2，Andreas. Herbst3，王志國4，梅水發5

（1. 中國農業大學理學院，北京100193；2. 邦德斯咨詢有限公司，巴拿馬城32408 美國；3. 德國聯邦作物研究中心植保施藥技術研究所，布倫瑞克D-38104 德國；4. 安陽全豐航空植?？萍加邢薰?，安陽455001；5. 中國人民解放軍61833部隊，北京 100094）

為了探究飛行方式、飛行參數及側風等因素對無人機噴霧霧滴空間質量平衡分布和旋翼下旋氣流場分布的影響，該文基于無人機施藥霧滴空間質量平衡測試方法，測定了3WQF80-10型單旋翼油動植保無人機在不同飛行方式（前進、倒退）、飛行高度和側風速條件下的噴霧霧滴空間不同部位的沉積率和下旋氣流風速。結果表明：對于該型無人機，在飛行高度(3.0±0.1) m、速度(5.0±0.2) m/s、1.2 m/s側風速條件下，機頭朝前與機尾朝前2種飛行方式對霧滴分布有顯著影響，機尾朝前的飛行方式底部沉積比例可達60%，作業效果更佳；在2.0~3.5 m高度、(5.0±0.3) m/s速度和0.8 m/s側風速條件下，空間質量平衡收集裝置底部霧滴沉積率變異系數與高度呈現線性負相關，線性回歸方程決定系數為0.9178，即高度越高霧滴分布均勻性越好；在(3.0±0.1) m高度和(5.0±0.3) m/s速度條件下，空間質量平衡收集裝置底部霧滴加權平均沉積率與側風風速呈線性正相關，線性回歸方程決定系數為0.9684，即側風速越大霧滴越集中分布在下風向處；飛行方式、高度和側風3種因素對單旋翼無人機噴霧霧滴產生的影響都是通過改變其旋翼下旋氣流場在垂直于地面向下方向的強度，減弱氣流對霧滴的下壓作用來實現的。研究結果可以為植保無人機設計定型、田間噴霧作業參數確定和作業條件的選擇提供理論參考。

噴霧；農藥；機械化；植保無人機；霧滴；空間質量平衡；飛行參數；沉積

0 引 言

農業病蟲草害是影響中國糧食安全和農產品有效供給的重要制約因素[1]。但是，目前中國的施藥機械、施藥技術水平相對落后于世界發達國家水平，農藥利用率低[2-3]，隨著現代農業規模化的發展，中國施藥技術和裝備落后現狀亟待改進[4]。植保無人機不需要跑道，運行成本低，控制靈活，機動性強；可在全地形條件下作業，噴灑效率高，能大幅降低操作者的勞動強度并提升植保作業效率；人機分離作業，避免了農藥中毒等惡性事件的發生；采用低量或超低量噴霧，可以降低農藥使用量，提高農藥利用率，同時還減少作業過程對環境的污染[5-12]。

近年來，中國農用植保無人機發展迅速，據農業部相關部門統計，截至2016年5月止，全國在用的農用無人機共有178種，全國農業航空技術95%以上用于航空植保作業[13]。一直以來，科研人員從多種角度采用不同方法對無人機田間植保應用中霧滴沉積和飄失特性進行了探索。張瑞瑞等[14]基于變介電常數電容器原理和傳感器網絡技術設計了航空施藥霧滴地面沉積實時監測系統，可應用于對霧滴沉積趨勢和沉積特性的檢測。張宋超等[15]采用計算流體動力學（computational fluid dynamics，CFD）模擬方法對N-3型無人直升機施藥作業中藥液的飄移情況進行分析，可較準確地模擬真實霧滴漂移情況。張盼等[16]研究了QJ-460型4旋翼無人機在柑橘樹體冠層的霧滴沉積效果。董云哲等[17]研究了無人機旋翼對霧滴分布的影響。Qin Weicai等[18]使用HyB-15L型無人機在水稻上噴施毒死蜱乳油防治稻飛虱，對其霧滴沉積分布均勻性和防治效果進行了研究。王玲等[19]設計了微型無人機脈寬調制型變量噴藥系統，并利用風洞懸停無人機變量噴藥的霧滴沉積規律進行了試驗研究。王昌陵等[20]提出了一種植保無人機施藥霧滴空間質量平衡測試方法，構建霧滴空間質量平衡收集裝置并測量無人機下旋氣流風場，首次得到了精準作業參數下霧滴在空間不同方向上的分布。近期，中國農業大學藥械與施藥技術中心聯合湖南省植保無人機聯盟及相關企業進行的水稻田間除草劑噴灑研究取得突破性進展，由于噴霧過程中飄失的除草劑對非靶標區敏感作物極易造成藥害，所以采用植保無人機對水稻噴施除草劑時對于飛行方式、飛行參數及外界條件的要求更高。

在評價植保無人機噴霧質量時，通常采用相同高度平面上霧滴分布均勻性變異系數（coefficient of variation，CV）指標來描述無人機噴霧沉積質量效果，目前國內大部分無人機噴霧沉積分布均勻性變異系數都在30%以上，大大高于噴桿噴霧機國際標準中變異系數≤10%的要求[21]。然而實際應用表明，無人機低空低量施藥仍可以達到有效防治病蟲草害的作用，所以僅通過同一平面上的噴霧均勻性變異系數來判別無人機施藥質量的方法并不完全可靠。霧滴空間質量平衡方法是指無人機植保作業中噴出去的農藥量與沉積在靶標作物上的量、飄失于空中的量以及地面流失量的質量平衡，通常我們將沉積在靶標作物上農藥量所占的比例稱為農藥利用率。因此，利用霧滴空間質量平衡方法分別將無人機噴霧霧滴的空間質量平衡分布、沉積分布趨勢、均勻性與旋翼下旋氣流場分布結合進行研究來從多方面評價其施藥效果就顯得更為重要。

本文基于此前提出的無人機施藥霧滴空間質量平衡方法，對3WQF80-10型單旋翼油動植保無人機進行了進一步田間測試，首次探究并分析不同飛行方式（前進、后退）、不同飛行高度以及不同風速的側風對霧滴空間質量平衡分布和下旋氣流場的影響，以期為植保無人機設計定型、噴霧作業參數確定和作業條件的選擇提供理論依據，減少無人機航空施藥作業中的農藥霧滴飄失，提高農藥利用率，為實現農藥“零增長計劃”的目標做出貢獻。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

試驗采用材料與設備為本研究團隊研發的無人植保機施藥霧滴空間質量平衡測試方法[20]的試驗系統，由霧滴空間質量平衡收集裝置（spatial spray deposition sampling frame，SSDSF）、北斗衛星定位系統、多通道智能微氣象測量系統（multi-channel micro-meteorology measurement system，MMMS）和田間氣象站組成。

霧滴空間質量平衡收集裝置（圖1a）尺寸為5 m× 5 m×2 m，裝置主體由鋁合金型材和不銹鋼管（北京和平鋁型材有限責任公司）搭建而成。在其4個側面共拉起36條2 mm的鋼絲繩，間距50 cm，用于固定霧滴收集器；由于水敏紙易受空氣濕度影響，培養皿布置成本高、時間長，因此霧滴收集器選用規格為2 mm的聚乙烯軟管（深圳東正和塑膠有限公司），可以收集周圍所有方向沉積到軟管表面的霧滴，將其裁剪成每段0.5 m，用夾子將其固定在鋼絲繩上，設置3組重復（圖1b），用以分析霧滴在上風向部、頂部、下風向部和底部不同部位的分布情況。

a. 實物照片

a. Physical photo

b. 布樣示意圖

b. Layout diagram

注：圖1b中標明的數字“1~40”表示霧滴空間質量平衡收集裝置上4個方向布置的霧滴收集器編號。

Note: Numbers ‘1-40’ labeled in Fig. 1b show the serial number of the deposition sampling wire in 4 directions on the spatial spray deposition sampling frame.

圖1 霧滴空間質量平衡收集裝置

Fig.1 Spatial spray deposition sampling frame

為得到精準的無人機飛行參數，使用差分北斗全球導航衛星系統（上海思南衛星導航技術股份有限公司）記錄無人機飛行速度、高度和軌跡。該系統分為基準站和移動站2個部分，基準站含有M300型全球衛星導航系統（global navigation satellite system，GNSS）接收機、AT300測量型天線、高功率電臺，M300 GNSS接收機和AT300測量型天線，用于接收并傳輸衛星差分數據。移動站安裝在待測無人機上（圖2a），由M600姿態定位定向型GNSS接收機、AT300測量型天線以及433 MHz數據傳輸模塊組成，移動站通過數據傳輸模塊將接收到的衛星信號和差分數據傳回433 MHz數據接收模塊，串口轉USB（universal serial bus，通用串行總線）接口數據線連接到筆記本電腦上，無人機飛行速度、高度等數據可在軟件中實時顯示并保存。基準站接收機水平靜態差分精度為±(2.5+1×10-6D) mm，垂直靜態差分精度為±(5+1×10-6D) mm，D指以基準站為中心的方圓直徑；移動站雙頻載波相位差分技術（real-time kinematic，RTK）水平定位精度為±(10+1×10-6) mm，雙頻RTK垂直定位精度為±(20+1×10-6) mm。

采用多通道智能微氣象測量系統（廣東富民測控有限公司）測量無人機下旋氣流風速，該系統由田間無線微氣象傳感器（圖2b）和智能控制系統組成。每個田間無線微氣象傳感器安裝3個方向的葉輪，分別可以測量垂直于飛行方向（）、垂直于地面方向（）、平行于飛行方向（）的風速以及冠層中實時溫度和相對濕度。智能控制系統可以向田間傳感器發送控制指令并接收其傳回的風速等數據，這些數據可以通過軟件在筆記本電腦上實時查看和保存。測試中，該系統每次采樣時間為5 s，采樣頻率為20 Hz。

試驗過程中的風速、風向、溫度和濕度等氣象數據通過Zeno-3200型農業/森林自動氣象站（美國原生態有限公司，圖2c）獲取，該氣象站的采樣頻率為1 Hz；配置質量分數為0.1%的熒光示蹤劑Brillantsulfoflavin（德國Chroma-Gesellschaft Schmid公司）作為噴霧液，測試后將霧滴收集器的熒光示蹤劑洗脫液經Kontron SFM25熒光光譜儀（德國控創儀器公司）檢測其熒光值；參與試驗無人機為安陽全豐航空植?？萍加邢薰旧a的3WQF80-10型油動單旋翼植保無人機，藥箱容量為10 L，飛行控制模式為手動控制，飛行高度為2和3 m時噴灑幅寬分別是2和3 m，均在霧滴空間質量平衡收集裝置的霧滴收集范圍內；該型無人機搭載德國Lechler公司生產的LU 120-02型液力式平面扇形噴頭，壓力范圍在0.15～0.50 MPa，單噴頭噴霧流量為0.56～1.03 L/min，適用于噴灑各種植物保護劑和生長調節劑。表1中為該型無人機的主要技術參數。

a. 安裝在無人機上的北斗系統移動站a. Mobile station of Beidou navigation systemb. 田間無線微氣象傳感器陣列b. Wireless micro-meteorology sensorsc. ZENO-3200型田間氣象站c. ZENO-3200 weather station

表1 3WQF80-10型植保無人機主要技術參數

1.2 試驗方法

2015年6月至7月在河南省安陽市全豐航空植?？萍加邢薰拘←湻N植基地進行田間試驗，測試按照王昌陵等[20]提出的無人植保機施藥空間質量平衡測試方法實施。該區域種植小麥品種為汝麥0319，生育期為成熟期，行距20 cm，株高60 cm，株密度20 株/m2。田間試驗裝置布置情況如圖3所示，霧滴空間質量平衡收集裝置放置在地塊邊緣，田間微氣象傳感器陣列布置在小麥地塊中，2部分裝置的中心都位于無人機航線上。霧滴空間收集裝置上的聚乙烯軟管從上風向側底部開始編號，上風向部編號為1～10，頂部編號為11～20，下風向部編號為21～30，底部編號為31～40，如圖1b所示。田間微氣象傳感器陣列布置方式為三向線陣，布置為2行，行距1.5 m，每行8個點，間距0.7 m，編號為1～16；高度設置在小麥冠層頂部距地面65 cm處，距離霧滴空間質量平衡收集裝置1.5 m。全部試驗裝置根據風向改變位置，以確保無人機航線與下風向垂直。測試過程與步驟同無人植保機施藥空間質量平衡測試方法完全相同，在此不再贅述。

1.3 數據處理

1.3.1 沉積量和沉積率

根據國際標準化組織（International Organization for Standardization，ISO）24253-1標準[22]，計算單位面積沉積量和沉積率公式為

（2）

式中dep為單位面積霧滴沉積量，mL/cm2；dil為加入洗脫液的體積，mL；smpl為洗脫液的熒光儀示數；blk為空白采樣器的熒光儀示數；spray為噴霧液中示蹤劑濃度，g/L；cal為熒光儀示數與示蹤劑濃度的關系系數，（g/L）/單位示數；col為霧滴收集器面積，cm2；dep%為沉積率，%；β為施藥液量，L/m2。

1.3.2 沉積率變異系數

沉積率變異系數用于描述霧滴分布均勻性[23]，其數值越小表明分布均勻性越佳，計算公式為

式中CV為沉積率變異系數，%；為沉積率標準差，%；`為平均沉積率，%；為樣本數目；X為第段收集器上的沉積率，%。

1.3.3 加權平均沉積率

為研究側風速對底部霧滴沉積的影響，需要找到一個合適的評價指標來反映霧滴沉積分布的集中趨勢。在分析霧滴空間質量平衡收集裝置底部的霧滴沉積時，根據偏向下風向的距離遠近，可以將底部的霧滴收集器賦予不同權數以判斷霧滴分布的集中部位：距下風向部近的賦予權數大，距下風向部遠的賦予的權數小，因此對底部霧滴收集器從40號到31號依次賦予權數1～10。這樣計算出的加權平均數越大表明霧滴分布越集中于下風向，這個加權平均數就稱為加權平均沉積率（weighted mean deposition rate），其計算公式為

2 試驗結果與分析

在試驗結果中，根據公式（1）、（2）計算得到的是霧滴空間質量平衡收集裝置上不同位置的沉積率，分析飛行方向、飛行高度和側風速這3個影響因素可知，最能直接說明3種因素對霧滴沉積效果影響的指標分別是沉積率在不同方向上的分布比例、沉積分布均勻性和霧滴沉積分布集中度，而直接反映這3個指標的度量值分別是沉積率、沉積率變異系數和加權平均沉積率，因此為了最直觀、明顯地反映這些因素對霧滴沉積分布的影響，結合不同影響因素選擇了不同分析對象和評價指標。

2.1 飛行方向對霧滴沉積分布的影響

在無人機田間實際作業過程中，軌跡多數為“m”形路線，即機頭朝前從接近操控手的一側飛向遠端，到達地塊邊緣減速至懸停，平移一定間隔后保持機頭朝前、機尾面向操控手的狀態從遠端飛回近端，再平移進入下一個循環的作業。因此，在“去”和“回”兩個直線飛行過程中分別是機頭朝向前進方向和機尾朝向前進方向兩種飛行狀態，對于單旋翼無人機，其構造與結構對稱多旋翼無人機不同，需要分析機頭朝向前進方向（前進）與機尾朝向前進方向飛行（后退）是否會對霧滴空間質量平衡分布產生影響。如表2中所示，在飛行高度(3.0±0.1) m，速度(5.0±0.2) m/s條件下進行了4次測試，其中1-1組與1-2組飛行方向為機頭朝前，1-3組與1-4組為機尾朝前，表2為4次測試中北斗定位系統測得的飛行參數、飛行方向與計算出的霧滴空間質量平衡收集裝置不同部位霧滴沉積量的和占總沉積量的比例，圖4為無人機在2種飛行方向下在霧滴空間質量平衡收集裝置上測得的霧滴空間質量平衡分布情況。

表2 飛行方向對霧滴沉積分布影響試驗中各組測試飛行參數以及空間不同部位質量平衡分布比例

注：測試時環境參數：平均側風速1.2 m·s-1、平均溫度30.5 ℃、平均相對濕度36.9%。

Note: Environmental parameters during the test: Average crosswind speed is 1.2 m·s-1, average temperature is 30.5 ℃, average relative humidity is 36.9%.

從表2以及圖4中可看出，2種飛行方向下霧滴沉積都集中分布在霧滴質量平衡收集裝置的下風向部和底部，在上風向部和頂部沉積少。當機頭朝前飛行時：1～20號收集器即上風向部和頂部幾乎沒有霧滴沉積；沉積率最大值出現在下風向部25～30號范圍內（1-1組最大值為28號：128.3%；1-2組為25號：135.2%），霧滴在下風向部的分布也最多，達60%左右；底部沉積率基本都小于60%，分布比例在30%～40%范圍內。而當機尾朝前飛行時：2次測試中在上風向部1～10號均檢測出一些霧滴沉積，分布比例在10%～20%范圍內；沉積率最大值出現在底部（2-1組最大值為34號：124.1%；2-2組為36號：93.2%），霧滴分布在這一部分也最多，達50%以上。因此，這2種飛行方式帶來的霧滴分布情況差異主要集中于2個方面：霧滴在上風向部沉積的多少和霧滴主要分布部位是下風向部還是底部。在無人機田間植保作業中，噴頭噴灑出的農藥霧滴向下運動直接沉積到靶標作物上是最理想的施藥情況，向下運動的霧滴飄失率最少，利用率最高；向兩側運動的霧滴則有不同的運動軌跡，其中部分粒徑和質量較大的霧滴可以經過漂移仍然沉積到作物葉片上，但其他霧滴則更容易在自然風和下旋氣流的共同作用下飄失到非靶標作物上和環境中造成藥害和污染，甚至直接在空氣中蒸發，這部分霧滴飄失率高，利用率低。所以，盡管機尾朝前的飛行方式造成霧滴在上風向部有部分沉積，但是其最主要的沉積部位仍然是底部，考慮到機頭朝前飛行時霧滴在下風向部分布多達60%，相比之下機尾朝前的作業方式更優，能有效減少霧滴飄失，提高霧滴在靶標上的沉積率和農藥利用率。

如圖5所示為田間智能多通道微氣象測量系統測得的2種飛行方式下無人機下旋氣流風速峰值在垂直于地面方向（方向）的分布?？梢钥闯?，機尾朝前飛行時各測量節點上的方向風速峰值普遍較高，其下旋氣流在方向的影響明顯大于機頭朝前的飛行方式，而垂直于地面方向的氣流對噴灑出的霧滴向下運動沉積到作物上作用最顯著，所以無人機后退飛過空間質量平衡收集裝置時的霧滴更多沉積在底部。此外，上風向部測量節點7、8號的風速值較小，說明下旋氣流在此處下壓霧滴作用較弱，更容易導致霧滴運動向兩側方向運動，這也解釋了1-3組和1-4組中有少量霧滴沉積在上風向部的現象。分析可知：該型單旋翼無人機機頭朝前飛行時，旋翼的下旋氣流方向并不是垂直向下的，受與前進方向相反的外界氣流影響，該氣流的方向應該是介于豎直方向與機尾方向之間向下，而這個方向的氣流正好流經機身，會被機身阻擋并改變方向，所以向下起下壓霧滴作用的氣流會大大減弱；而當機尾朝前飛行時，下旋氣流方向為豎直方向與機頭方向之間向下，被機身阻擋的幾率明顯降低，會形成一股較強的向下氣流，并且流經安裝在機身前部下方的噴桿，幫助噴頭霧化出的霧滴向下運動并沉積到作物表面。綜上所述，在飛行高度(3.0±0.1) m，速度(5.0±0.2) m/s，側風速1.2 m/s條件下，該型無人機機尾朝前的飛行方式作業效果更好，造成2種飛行方式霧滴沉積分布差異的原因是單旋翼無人機不對稱的結構所引起的前進與后退時下旋氣流場對霧滴作用不同。

2.2 飛行高度對霧滴沉積分布的影響

距作物冠層的飛行高度是農用植保無人機作業中一項重要的飛行參數，此前的一些研究[24-26]表明，高度對無人機噴霧霧滴沉積量、冠層穿透性以及分布均勻性都有不同程度的影響。因此，為分析不同高度下的霧滴空間質量平衡分布規律，在距地面2.0～3.5 m高度，以5.0 m/s的速度進行了6組測試，北斗衛星定位系統記錄的飛行參數情況、霧滴空間質量平衡收集裝置底部沉積率變異系數和空間不同部位質量平衡分布比例如表3所示。

表3 飛行高度對霧滴沉積分布影響試驗中各組測試飛行參數、底部沉積率變異系數和空間不同部位質量平衡分布比例

注：測試時環境參數：平均側風速0.80 m·s-1、平均溫度28.4 ℃、平均相對濕度41.6%。

Note: Environmental parameters during the test: Average crosswind speed was 0.80 m·s-1; average temperature was 28.4 ℃; average relative humidity was 41.6%.

按照公式（3）計算霧滴空間沉積收集裝置底部、上風向部、下風向部和頂部的Brillantsulfoflavin示蹤劑沉積率變異系數，將不同試驗組在不同部位的變異系數分別與飛行高度進行線性回歸分析，可得：空間質量平衡收集裝置底部的線性回歸方程為：=?27.327+130.64，決定系數為0.9178；其他部位變異系數與飛行高度無顯著線性關系。因此主要針對底部結果進行分析，將收集框底部沉積率變異系數與飛行高度做出散點圖（圖6），在2.0～3.5 m高度和(5.0±0.3) m/s速度范圍內，飛行高度增加，沉積率變異系數呈線性減小，說明飛行高度的增加可以減小霧滴沉積率的離散程度，提高霧滴分布的均勻性。與此同時，底部霧滴質量平衡分布比例隨著高度的增加而逐漸降低，從78.6%下降到40%以下；下風向部質量平衡分布比例明顯呈現上升趨勢；上風向部的霧滴分布比例有小幅增大；而頂部則無明顯變化，都在5%以內。

結合圖7中3組不同高度條件下旋翼下旋氣流風速峰值在方向上的分布可知，當飛行高度為2.00 m時，無人機旋翼下旋氣流風速快，流場較強；隨著高度的增加，下旋氣流在垂直于地面方向上的流場會明顯減弱，當飛行高度大于3 m時，該方向上下旋氣流的風速已經幾乎測量不到，這個結果與此前研究人員對單旋翼電動無人機的測試情況基本一致[27]。這說明飛行高度的變化在影響底部沉積分布均勻性的同時也與霧滴飄移性質息息相關，旋翼下旋氣流隨著與旋翼距離的增大，氣流運動會逐漸由垂直向下運動轉變為水平運動[28]，所以高度越高，旋翼下旋氣流在冠層頂部位置的流場越弱，噴灑出的霧滴越容易隨側風飄移。以上結果說明，通過飛行高度來調節霧滴分布均勻性的方法是一把雙刃劍，一味提升飛行高度不能一直提升該型單旋翼植保無人機的噴霧效果，高度過高時反而會減弱下旋氣流對霧滴的下壓作用，加重霧滴飄失，將大大降低農藥利用率。因此，植保無人機田間作業時需要綜合考慮作物特點、地塊情況和天氣情況等多種因素來確定合理的作業參數。

2.3 側風速對霧滴沉積分布的影響

航空植保噴霧作業受風力、風向等因素影響較大，容易造成重噴、漏噴和霧滴飄失[29-30]。對于3WQF80-10型植保無人機，搭載2個LU120-02噴頭，產生的霧滴粒徑在120～160m之間，霧滴粒徑較小，非常易受氣流影響，因此探索側風速對霧滴空間質量平衡分布的影響程度十分必要。試驗過程中，在3.0 m/s高度和5.0 m/s速度參數下以及不同強度的側風條件下進行了5組測試，側風速通過Zeno-3200田間氣象站測得，表4中為無人機飛行參數、側風速、加權平均沉積率和空間不同部位質量平衡分布比例。

表4 側風速對霧滴沉積分布影響試驗中各組測試飛行參數、側風速、加權平均沉積率和空間不同部位質量平衡分布比例

注：測試時環境參數：平均溫度27.5 ℃、平均相對濕度50.3%。

Note: Environmental parameters during the test: Average temperature is 27.5 ℃, average relative humidity is 50.3%.

采用公式4對霧滴空間沉積收集框底部10段沉積率進行加權平均計算，將計算出的加權平均沉積率和側向風速進行線性回歸分析，得到線性回歸方程為：=10.785+27.499，決定系數為0.9684。從圖8中可以看出，隨著側向風速的增大，底部沉積率的加權平均數呈線性增大，由于沉積率權數按側風風向依次遞增，表明霧滴分布逐漸偏向下風向部位。此外，從霧滴在空間質量平衡收集裝置不同部位的分布比例來看，在(3.0±0.1) m高度和(5.0±0.3) m/s速度條件下，當側風速逐漸增加時，底部霧滴沉積比例逐漸降低，兩側特別是下風向沉積比例有上升的趨勢，這也是霧滴集中分布于下風向位置所帶來的必然結果。同樣，從3種不同側風速下無人機旋翼在方向的下旋氣流場分布（圖9）可以看出，隨著側風速增大，每個測量節點上測得的風速值基本呈現依次降低的，下旋氣流場逐漸減弱，分析這是由于逐漸增強的側風的影響，使原本應該垂直向下行進的氣流方向發生了改變，分散了方向上的下壓氣流的強度，霧滴更容易隨側向氣流向四周游動而不是向下沉降，如此風場分布更加印證了側風對霧滴沉積有明顯的不利影響。以上結果表明，側風速對霧滴沉積的作用主要在于降低下旋氣流場在垂直于地面方向的強度，讓霧滴沉積集中于下風向一側，減少直接向下運動沉積到作物上霧滴的比例，致使飄失霧滴數目增加。

3 結 論

本文基于植保無人機施藥霧滴空間質量平衡測試方法，使用Brillantsulfoflavin示蹤劑水溶液代替農藥對3WQF80-10型油動單旋翼植保無人機進行了小麥田間噴灑測試，首次對不同飛行方向（前進、倒退）、飛行高度和側風風速條件下的無人機噴霧霧滴空間質量平衡分布進行了研究和分析，得到以下結論：

1）對于3WQF80-10型油動單旋翼無人機，在飛行高度(3.0±0.1) m、速度(5.0±0.2) m/s和側風速1.2 m/s的條件下，機頭朝前與機尾朝前2種飛行方式對空間霧滴質量平衡分布有顯著影響，機尾朝前的飛行方式底部沉積比例可達60%，作業效果更佳；造成這種差異的原因是單旋翼無人機不對稱的結構在不同飛行姿態下產生的下旋氣流場強弱和分布不同。

2）在2.0～3.5 m高度、(5.0±0.3) m/s速度和0.8 m/s側風速的條件下，空間質量平衡收集裝置底部霧滴沉積率變異系數與高度呈現線性負相關，線性回歸方程決定系數為0.9178，即高度越高霧滴分布均勻性越好；飛行高度的變化同時對旋翼下旋氣流場影響明顯，高度越高，霧滴越容易飄移。

3）在(3.0±0.1) m高度和(5.0±0.3 m/s)速度條件下，空間質量平衡收集裝置底部霧滴加權平均沉積率與側風風速呈線性正相關，線性回歸方程決定系數為0.9684，即側風速越大霧滴越集中分布在下風向處，下旋氣流場在垂直于地面方向的強度越弱，霧滴飄移程度越嚴重。

綜上所述，無論是飛行方式、高度還是側風速，對單旋翼無人機噴霧霧滴產生的影響都是通過改變其旋翼下旋氣流場在垂直于地面向下方向的強度，減弱氣流對霧滴的下壓作用來實現的。因此，無人機下旋氣流風場應是影響無人機航空植保作業中霧滴運動的重要因素，在植保無人機設計生產與田間使用過程中，需要充分考慮機身結構、噴桿位置、噴頭類型、飛行參數和氣象條件等因素對無人機下旋氣流風場的影響，將各類因素對霧滴沉積的不利作用降到最低。

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Distribution characteristics of pesticide application droplets deposition of unmanned aerial vehicle based on testing method of deposition quality balance

Wang Changling1, He Xiongkui1※, Wang Xiaonan1, Wang Zhichong1, Wang Shilin1, Li Longlong1, Jane. Bonds2, Andreas. Herbst3, Wang Zhiguo4, Mei Shuifa5

(1.,,100193,; 2.3.,11/12-38104,; 4.455001; 5.61889100094,)

In order to explore the effect of flight parameters and other factors on unmanned aerial vehicle (UAV) spatial pesticide spraying deposition distribution and rotor’s downwash flow field distribution, in this study, we usedthe testing method of spatial pesticide spraying deposition quality balance to test model ‘3WQF80-10’ single-rotor diesel plant-protection UAV. The test included the spatial deposition quality balance distribution, the bottom deposition distribution, and the coefficient of variation of deposition with downwash flow field to evaluate the application effect. The spraying droplets deposition rate of different spatial parts and downwash flow wind speed were measured with different flight directions, heights and crosswind speeds. The spatial spray deposition sampling frame (SSDSF) with triple monofilament wires was applied for collecting the droplets of UAV pesticide application in four directions, and a set of multi-channel micro-meteorology measurement system (MMMS) was used for measuring the downwash wind speed in three directions of,and. The MMMS had 16 wireless micro-meteorology sensors, and all these sensors, separated into two rows at the spacing of 1.5 m, were arranged below the UAV flight path and in line with the SSDSF in wheat field. Besides, Beidou Navigation Satellite System was used for controlling and recording the working height, velocity and track of this model of single-rotor UAV. The sensor of model ‘ZENO-3200’ weather station was set at the height of 6 m to record the environmental parameters at test site. Taking 0.1% mass fraction of brilliantsulfoflavin water solution as spraying liquid and pour the tracer liquid into the tank of the UAV before test. During every test, the operator controlled the UAV remotely to take off, when the UAV reached the required height, then opened the spray system and made the unmanned aircraft fly over the experimental area and went through the SSDSF. After tests, the monofilament wires on the SSDSF were measured for the absorbance of the tracer brillantsulfoflavin by the model ‘SFM25’ fluorescence spectrometer. In tests of flight direction, four flights were implemented in the forward and backward directions and the results showed: at the height of (3.0±0.1) m, the velocity of (5.0±0.2) m/s and the crosswind speed of 1.2 m/s, the flight directions of ahead and back had an impact on droplets deposition distribution and the working effect of flying backwards, with 60% of deposition ratio of the bottom part of the SSDSF, was better than flying forwards. For tests of flight height, six tests of different heights were conducted and results were: at the height from 2.0 to 3.5 m, the velocity of (5.0±0.3) m/s and the crosswind speed of 0.8 m/s, the coefficient of variation (2) of the bottom part was linearly associated with the flight height which was 0.9178, indicating that the deposition distribution became more uniform with the increase of height. Additionally, when it came to the tests of crosswind speed, five treatments were performed and results indicated that at the height of (3.0±0.1) m and the velocity of (5.0±0.3) m/s, there was a linear correlation between weighted mean deposition rate and crosswind speed and the coefficient of variation (2) was 0.9684, which showed the deposition distribution got more concentrated towards the downwind part with the rise of the crosswind speed. Overall, according to the result of tests of downwash flow wind speed, our results showed that regardless of the flight direction and height and the crosswind, all these factors influenced the droplets deposition distribution via weakening the intensity of the downwash wind field in direction.

spraying; pesticides; mechanization; plant-protection unmanned aerial vehicle; droplets; spatial spraying deposition quality balance; flight parameters; deposition

10.11975/j.issn.1002-6819.2016.24.012

S252+.3

A

1002-6819(2016)-24-0089-09

2016-07-23

2016-11-21

國家自然科學基金資助項目（31470099），公益性行業（農業）科研專項資助項目（201503130）

王昌陵，博士生，主要從事無人航空植保施藥技術研究。北京 中國農業大學理學院，100193。Email：wcl1991@cau.edu.cn

何雄奎，教授，博士生導師，主要從事植保機械與施藥技術研究。北京 中國農業大學理學院，100193。Email：xiongkui@cau.edu.cn