低量低空小型植保無人機(jī)變量噴藥參數(shù)優(yōu)化研究

王孝民

（保山學(xué)院，云南 保山 678000）

省力化、高效化、智能化農(nóng)藥施用技術(shù)是現(xiàn)在高科技發(fā)展背景下農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的新要求，同時，也是一種必然趨勢。本文通過實(shí)際的田間農(nóng)作物實(shí)驗(yàn)研究，得到了無人機(jī)裝載變量噴藥系統(tǒng)下作業(yè)的相關(guān)參數(shù)，統(tǒng)計(jì)分析出了最佳參數(shù)。

1 離心式霧化噴頭性能試驗(yàn)

1.1 離心式霧化噴頭結(jié)構(gòu)和工作原理

離心式霧化噴頭主要由直流電機(jī)、霧化盤、密封蓋、導(dǎo)液管等構(gòu)成。電機(jī)密封在罩殼里，通過電機(jī)軸連接下面的霧化盤。接通電源后，霧化盤高速旋轉(zhuǎn)，藥液在液泵的作用下經(jīng)過輸液管、導(dǎo)液管進(jìn)入霧化盤，之后，經(jīng)霧化盤內(nèi)壁中的徑向溝槽從鋸齒端面噴出霧滴。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

農(nóng)作物不同，其地塊受病害的程度不一樣，因此，所需要的的噴藥量也不同，為了滿足這一需求，本人將變量噴藥控制系統(tǒng)劃分了160、180、200、220mL/min 四個等級。為了能讓離心式霧化噴頭在這幾個等級下都能完成作業(yè)需求，本文對這四個流量等級下的霧滴粒徑、噴幅、直流電機(jī)損耗進(jìn)行測試，通過對噴頭供電電壓的改變，得到了離心式霧化噴頭噴頭在這幾個流量等級下的工作時最合適的電壓。

（1）噴幅及霧滴粒徑測定。通過收集的水敏紙可知，不同的噴霧和作業(yè)參數(shù)，對霧滴粒徑的影響不同。農(nóng)藥霧滴屬于流動液體，遵守流體動力學(xué)原理，相比寬闊的植株葉片，狹窄的植株葉片更容易捕獲到細(xì)霧滴。通過生物最佳直徑理論可知，直徑為40 ～100μm 的霧滴，是植株葉片的最佳霧滴粒徑。由表1 可知，電機(jī)電壓為10、12V 時，最佳的霧滴粒徑是80 ～100μm；由表2 可知，電機(jī)電壓和噴幅成正比，無論是處于哪個等級的噴藥量，電壓升高，噴幅增大，反之減小；而在電壓相同的條件下，噴幅與噴藥量成正比，噴藥量大，噴幅增大，反之減小。通過實(shí)驗(yàn)可知，單噴頭作業(yè)的噴幅必須在1.5m 以上，因此在160、180mL/min 噴藥量等級下電壓為10、12V，在200、220mL/min 噴藥量等級下電壓≥8。

表1 不同電壓、流量對霧滴粒徑的影響

表2 不同電壓、流量對噴幅的影響

2 不同作業(yè)條件對霧滴粒徑和分布參數(shù)的影響

2.1 田間試驗(yàn)設(shè)置

綜上，以霧化噴頭試驗(yàn)結(jié)果作為數(shù)據(jù)依靠，若想使噴頭通電，需尋找穩(wěn)定有效的供電源頭，為達(dá)到此目的，將10V的供電模塊配置到變量噴藥的控制系統(tǒng)上，并將配置完成的系統(tǒng)裝置到植保無人機(jī)上。其中，測試霧滴沉積效果，采取了以不同噴霧飛行高度和飛行速度為影響條件，來觀察4 個不同流量級別的效果區(qū)別。

此霧滴測試采用上述某省份項(xiàng)目基地培育的農(nóng)作物品種為例，試驗(yàn)田面積設(shè)為12m×16m，并存條件有四周3m 的緩沖帶和18 個放置水敏紙的采集點(diǎn)。試驗(yàn)時的農(nóng)作物處于初期，平均株高65m，當(dāng)天相對濕度52%，氣溫31℃，風(fēng)速0.7 ～1.8m/s。

噴灑航線精確定位，控制無人機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)路線“幾”字形飛行。在多組無人機(jī)同時噴霧時，飛行速度（1.0m/s）為不變時，飛行高度分別設(shè)為1.5m、2.0m、2.5m；飛行高度（2.0m）不變時，飛行速度分別設(shè)為1.0m/s、1.5m/s、2.0m/s。

2.2 試驗(yàn)方法

將 2cm ×5cm 的水敏紙用回形針固定在各采集點(diǎn)的農(nóng)作物葉片上，每采集點(diǎn)的上下兩層均放置3 張水敏紙，要注意放置點(diǎn)距離地面分別為50cm 和20cm。試驗(yàn)結(jié)束15 分鐘后，再將水敏紙按上下兩層分別收集并標(biāo)記，切記要干燥密封保存。在分析時，著重研究每采集點(diǎn)的霧滴沉積密度和粒徑，統(tǒng)計(jì)這些數(shù)據(jù)后取平均值，結(jié)果即為此測試點(diǎn)農(nóng)作物葉片的霧滴沉積密度和粒徑的最佳參數(shù)。由 DepositSca n軟件分析水敏紙，得到霧滴沉積密度；為獲得霧滴分布均勻性，采用變異系數(shù)(V)作為霧滴分布均勻性的度量，公式如下：

式中，s、qi、q、n 分為：標(biāo)準(zhǔn)差，各水敏紙單位面積的霧滴數(shù)值，水敏紙單位面積平均霧滴數(shù)值，每層采集點(diǎn)總數(shù)。

2.3 結(jié)果與分析

（1）對不同飛行高度時各流量等級下霧滴參數(shù)，采用一般線性模型，進(jìn)行多向方差分析研究。當(dāng)固定流量為160 mL/min 時進(jìn)行多因素方差分析的分析結(jié)果見表3。由此可知，無人機(jī)作業(yè)高度和霧滴沉積密度有聯(lián)系，主效應(yīng)F 和對應(yīng)的P 分別為28.797 和0.034。P ＜0.05，這表明了霧滴沉積密度受作業(yè)高度的影響很大。采樣部位，對于霧滴沉積密度的影響，其主效應(yīng)F和對應(yīng)的P 分別為 39.70 0 和 0.02 4， P＜0.05，這表明采樣部位不同，同樣顯著影響著霧滴沉積密度。之后，進(jìn)行多因素方差分析時，將流量條件分別確定為180、200、220mL/min，分析結(jié)果，P 值都小于0.05。因此，霧滴沉積密度受作業(yè)高度的影響很明顯。

表3 霧滴沉積密度參數(shù)表

本次研究，使用的是變異系數(shù)對霧滴分布的均勻性進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)。變異系數(shù)越小，霧滴分布的均勻性就越好。由表5可知，當(dāng)無人機(jī)飛行高度為2.0 米時，霧滴沉積密度與2.0 米、2.5 米時的相比最大。

當(dāng)飛行高度為1.5 米時，總的沉積量最少，霧滴的變異系數(shù)較大，即霧滴均勻性較差。這表明，當(dāng)無人機(jī)的飛行高度比較低時，產(chǎn)生的旋翼下旋氣流使得作物擺動劇烈，不容易接收霧滴，引起局部沉積，霧滴分布不均勻。采樣部位同樣影響著霧滴的分布：當(dāng)流量等級不同時，霧滴沉積密度上層要比下層大。這體現(xiàn)了無人機(jī)作業(yè)時，其旋翼下旋氣流，使霧滴具有良好的穿透性。

（2）不同飛行速度時各流量等級下霧滴參數(shù)。保持同一高度自動作業(yè)，依次設(shè)定飛行速度為2.0、1.5、1.0m/s，在P ＜0.05 時，測定各飛行速度對霧滴沉積密度的影響最明顯。飛行速度為2.0m/s 時密度最小，飛行速度為1.5m/s時密度居中，飛行速度為1.0m/s 時密度最大，由此可見飛行速度在減小的同時，霧滴沉積密度將會變大，反之，密度越來越小。這表明，大量噴灑的條件下飛行速度變小，漂移現(xiàn)象不會因?yàn)樾淼臍饬鲗F滴產(chǎn)生影響，霧滴密度上升；在相同的飛行速度下，變異系數(shù)會產(chǎn)生變化，這表明，噴灑性能良好分布均勻，飛行速度對霧滴均勻分布有一定影響。本研究為無人機(jī)在不同飛行速度及不同飛行高度情況下試驗(yàn)，在水稻上、下層對霧滴的沉積分布情況進(jìn)行觀察及解析。當(dāng)電壓下降，噴幅及電機(jī)損耗變小、霧滴粒徑增大時，導(dǎo)致噴幅、電機(jī)損耗、霧滴粒徑會受電壓變化而受影響，電壓為10V，可以減少電機(jī)損耗，又能滿足噴幅要求和霧滴粒徑的要求，該電壓為其最佳電壓。

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3 結(jié)語

綜合而言，不同高度中，飛行高度變低均勻性下降局部沉積變化大；飛行高度較高時，沉積相對減少距地面2.0m 時，霧滴在水稻上分布均勻沉積量較好較多，因此，沉積量最佳高度為2.0m。霧滴沉積密度會因植保無人機(jī)飛行速度的減小而上升，均勻性無明顯差異，在1.0m/s 飛行速度下，霧滴沉積效果最好，故最佳速度為1.0m/s。