低量低空小型植保無人機變量噴藥參數優化試驗

王金星， 王 震， 張 菡， 劉雙喜， 荊林龍， 李友永， 王 富

(山東農業大學機械與電子工程學院，山東泰安 271000

我國是農業大國，農業是民生之本、國家強盛的有力保障。病、蟲、草、鼠等有害生物的危害是影響糧食和經濟作物生產的主要因素之一。年均病蟲害發生面積近4.7億hm2，造成糧食損失近2.5×107t，約占總產量的20%，造成經濟作物損失約1.75×107t。農藥防治病蟲害依舊是保證糧食生產的重要手段[1]。隨著現代化農業的發展，省力化、高工效農藥使用技術已經成為農業生產的必然要求。小型植保無人機因具有作業靈活、自動控制能力強、霧滴漂移少、旋翼氣流輔助藥液穿透作物冠層等諸多優點[2]，非常適用于中小田塊的病蟲害防治或大田塊內局部的精準施藥[3]。

本研究自主研制的小型植保無人機變量噴藥控制系統，搭載在小型多旋翼植保無人機上，可根據田間作物病害程度，設置不同噴藥量等級，做到變量噴藥，實現低量、精準施藥，并進一步節約用藥量。在此基礎上，本研究對該系統應用到的離心式霧化噴頭進行性能試驗研究，確定不同噴藥量等級下噴頭的最佳作業參數，并在此基礎上進行水稻田間試驗，確定植保無人機低空低量作業的最佳工作參數[4-6]。

1 離心式霧化噴頭性能試驗

1.1 離心式霧化噴頭結構和工作原理

如圖1所示，離心式霧化噴頭包括直流電機、霧化盤、螺釘、密封蓋、導液管、罩殼等。密封蓋部分采用鋁合金材質，耐酸堿腐蝕，霧化盤采用耐酸堿高強塑質，其內壁上有多個徑向溝槽，可減少藥液的滑移，端面為鋸齒形，有利于霧滴霧化，霧化盤直徑為6 cm，該離心式噴頭采用直流電機供電，電機密封在罩殼里，電機軸與下端的霧化盤連接。離心式霧化噴頭工作原理為直流電機接通電源后驅動霧化盤高速旋轉，液泵將藥液從藥箱通過輸液管、導液管到達霧化盤內，沿霧化盤徑向溝槽由鋸齒端面飛出，形成霧滴。該噴頭比常規的扇形噴頭具有更優良的霧化效果，可以滿足植保無人機低空低量噴灑的霧滴要求[7-12]。

1.2 試驗裝置

本研究提出一種變量噴藥沉積試驗測試系統，進行單噴頭性能測試試驗，其測試系統(圖2)主要由試驗臺、穩壓電源、變量噴藥控制系統、噴霧裝置、轉速表、測試單元、藥箱等組成。試驗臺可調節噴霧高度，穩壓電源用來給霧化噴頭的直流電機供電并調節其供電電壓；變量噴藥控制系統主要用來控制步進電機式蠕動泵的脈沖頻率從而改變噴藥量，實現流量等級變化；轉速表用來測定離心式霧化噴頭霧化盤的轉速；測試單元包括水敏紙、霧滴測試軟件，水敏紙遇水呈藍色，用來檢查霧滴分布情況，試驗結束后將水敏紙晾置10 min收集于干燥裝置中，試驗介質為清水，每組試驗重復3次。此外，該系統在噴頭上方裝設風扇提供向下的氣流，簡單模擬無人機旋翼產生的向下的氣流。

1.3 試驗設計

為滿足水稻田間不同地塊受病害程度差異所需噴藥量的不同，實現植保無人機變量噴藥，本研究變量噴藥沉積試驗測試系統中的變量噴藥控制系統共設置4個噴藥量等級，分別為160、 180、200、220 mL/min，為使離心式霧化噴頭在4個流量等級下均滿足作業要求，本研究通過改變噴頭供電電壓，分別對4個流量等級下霧滴粒徑、噴幅、直流電機損耗進行測試試驗，以獲取噴頭最佳工作電壓。

1.3.1 噴幅及霧滴粒徑測定 收集的水敏紙如圖3所示，將收集的水敏紙用DepositScan軟件進行分析，確定噴霧參數和作業參數對霧滴粒徑的影響。農藥霧滴在向靶標生物體撞擊的過程中，基本上服從流體動力學原理的支配，細霧滴比較容易沉積在纖細的生物靶體上，對于狹窄的植株葉片，對細霧滴的捕獲能力明顯高于寬闊植株葉片，根據生物最佳直徑理論[13]，植株葉片的最佳霧滴粒徑為40～100 μm。由表1可知，當電機電壓為10、12 V時，霧滴粒徑為84～100 μm，滿足最佳霧滴粒徑的要求。由表2可知，不同等級噴藥量下，噴幅隨電機電壓的升高而增大；在同一電壓等級下，噴幅隨噴藥量的增加而增大。為滿足本研究水稻田試驗的要求，單噴頭作業噴幅須大于1.5 m，在160、180 mL/min條件下滿足條件的電壓為10、12 V，在200、220 mL/min條件下要求電壓≥8 V，從控制系統硬件配置上考慮，要求不同噴藥量等級應在相同工作電壓下工作，因此滿足條件要求的電壓為10、12 V。

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

1.3.2 電機電壓對電機損耗的影響 由表3可知，直流電機損耗隨供電電壓的增大而變大。經假設檢驗，不同電壓等級下直流電機損耗有明顯差異，在滿足噴幅和霧滴粒徑的要求下，10 V電壓下電機總體損耗比12 V時電機損耗小。

表3 不同電壓、流量對直流電機損耗的影響

1.4 試驗結果分析

在滿足不同流量等級工作參數要求條件下，同時滿足植保無人機變量噴藥控制系統硬件配置和控制要求，經綜合分析，離心式霧化噴頭最佳工作電壓參數為10 V。

2 不同作業條件對霧滴粒徑和分布參數的影響

2.1 田間試驗設置

本研究在上述霧化噴頭試驗的基礎上，對變量噴藥控制系統配置10 V供電模塊并加裝在植保無人機上為霧化噴頭供電，并在山東省濟寧市任城區農機化創新示范工程項目基地完成水稻大田試驗，測試在不同噴霧飛行高度和飛行速度影響下4個不同流量等級的霧滴沉積效果。試驗田面積為12 m×16 m，四周設3 m緩沖帶，選取18個采集點(圖4)放置水敏紙對霧滴進行測定。水稻品種為山東省濟寧市任城區農機化創新示范工程項目基地培育的臨稻21號，試驗時水稻處于孕穗初期，平均株高約65 cm。試驗當天溫度為31 ℃，相對濕度為52%，噴霧時風速為 0.7～1.8 m/s。

進行多旋翼植保無人機噴霧試驗時， 用全球定位系統對噴灑航線進行精確定位，使多旋翼植保無人機沿預設的路線進行飛行，在采集點上方沿“幾”字形路線飛行。在同一飛行速度(1.0 m/s)下，飛行高度分別設置為1.5、2.0、2.5 m；在進行多組飛行速度噴霧均勻性試驗時，植保無人機在同一作業高度(2.0 m)下，飛行速度分別設置為1.0、1.5、2.0 m/s。

2.2 試驗方法

將面積大小為2 cm×5 cm的水敏紙用回形針卡在采集點水稻葉片上，每個采集點分上、下2層各放置3張水敏紙(放置點分別距離地面50、20 cm)，試驗結束后晾置15 min后將各采集點水敏紙分上層、下層收集并做好標記后干燥密封保存，帶回實驗室對其進行分析，分別獲取各個采集點的霧滴粒徑、沉積密度，取平均值即為該測試點葉片的霧滴粒徑、沉積密度。

由DepositScan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(V)作為霧滴分布均勻性的度量，變異系數計算公式為

2.3 結果與分析

2.3.1 不同飛行高度時各流量等級下霧滴參數 本研究采用SPSS數據統計分析軟件對獲取的樣本數據進行多因素方差分析，選用一般線性模型對數據進行分析。表4為 160 mL/min 流量條件下各因素的方差分析結果，由表4可知，作業高度對霧滴沉積密度影響的主效應F值為28.797，對應的P值為0.034，P<0.05，具有顯著統計學意義，說明不同作業高度對霧滴沉積密度影響顯著；采樣部位對霧滴沉積密度影響的主效應F值為39.700，對應的P值為0.024，P<0.05，說明采樣部位對霧滴沉積密度同樣影響顯著。同樣在180、200、220 mL/min流量等級下分別對各因素進行方差分析，結果顯示不同作業高度下P值均小于0.05，說明作業高度對霧滴沉積密度具有顯著影響。

表4 160 mL/min流量條件下各因素的方差分析結果(因變量為霧滴沉積密度)

為獲取最佳作業效果，確定植保無人機最佳作業高度，本研究采用變異系數對霧滴分布均勻性進行統計，統計結果如表5所示。變異系數越小，霧滴分布均勻性越好。由圖5可知，不同流量等級下2.0 m飛行高度霧滴沉積密度總體趨勢大于飛行高度為1.5、2.5 m時的霧滴沉積密度。飛行高度在1.5 m時總沉積量最少，且霧滴變異系數較大，均勻性較差，說明飛行高度較低時，因旋翼下旋氣流較強導致水稻植株產生大幅度擺動，霧滴不易被俘獲，引起局部沉積變化大，均勻性下降。霧滴分布同樣受采樣部位影響，各個流量等級上層采樣部位霧滴沉積密度總體趨勢大于下層采樣部位，而下層的霧滴沉積密度達到上層的70%以上，說明作業時旋翼產生的下旋氣流使霧滴具有很好的穿透性。

表5 不同飛行高度下不同流量等級的霧滴分布情況

注：表中數據為平均值±標準誤差，表6同。

2.3.2 不同飛行速度時各流量等級下霧滴參數 本研究保持同一作業高度，由地面站規劃飛行路線，依次設定1.0、1.5、2.0 m/s等3個不同飛行速度，進行自動導航作業，測定各采集點霧滴沉積密度(表6)。經方差分析，在P<0.05水平條件下，不同飛行速度對霧滴沉積密度影響顯著。由圖6可知，隨飛行速度增加，霧滴沉積密度總體呈遞減趨勢，當飛行速度為1.0 m/s時，總體霧滴沉積密度最大，1.5 m/s 時次之，2.0 m/s時最小，其原因是在低量噴灑條件下，飛行速度增大，旋翼產生向下的氣流不足以克服漂移現象對霧滴造成的影響，使霧滴不易被靶標俘獲，霧滴沉積密度下降；在不同飛行速度下變異系數無明顯差別(表6)，說明飛行速度對霧滴均勻性分布影響不大，總體噴灑均勻性良好。

3 結論

本研究進行離心式霧化噴頭性能試驗，確定其最佳工作電壓，并在水稻孕穗初期用水作為試驗試劑代替農藥進行多旋翼植保無人機低空低量噴灑，試驗在不同作業高度和不同飛行速度條件下，對霧滴在水稻上層、下層的沉積分布情況進行研究和分析。對植保無人機用的離心式霧化噴頭進行性能試驗，電壓變化影響霧滴粒徑、噴幅、電機損耗，隨著電壓升高，霧滴粒徑減小、噴幅增大、電機損耗增大，在滿足霧滴粒徑、噴幅要求的條件下，減少電機損耗的最佳工作電壓為 10 V。水稻田間試驗的3個飛行高度中，距離地面2.0 m時，霧滴在水稻上層和下層沉積量相對較多，分布均勻性較好；飛行高度較低時受旋翼下旋氣流影響較強導致霧滴不易被俘獲，引起局部沉積變化大，均勻性下降；飛行高度較高時，霧滴出現輕微漂移現象，霧滴沉積相對減少，因此最佳飛行高度為2.0 m。霧滴沉積密度隨著植保無人機飛行速度的增加呈下降趨勢，均勻性無明顯差異，且各個流量在1.0 m/s飛行速度下，霧滴沉積效果最好，因此最佳飛行速度為1.0 m/s。

表6 不同飛行速度下不同流量等級的霧滴分布情況