植保無人機噴施霧滴沉積特性的熒光示蹤分析

張瑞瑞，李龍龍，文 瑤，陳立平，唐 青，伊銅川，宋佳星

（1.北京農業智能裝備技術研究中心，北京100097；2.國家農業智能裝備工程技術研究中心，北京100097；

3.國家農業航空應用技術國際聯合研究中心，北京100097；4.農機北斗導航與智能測控北京市工程實驗室，北京100097）

0 引 言

隨著農業航空技術不斷應用發展，植保無人機因作業效率高、靈活性高的作業模式，在農業植保領域得到廣泛的應用[1-4]。無人機噴施農藥過程中，霧滴飄移會造成藥液浪費及環境污染問題，針對無人機的作業質量和霧滴沉積效果研究逐漸增多[5-7]，目前考慮影響霧滴沉積的主要因素包括噴灑系統參數（噴頭類型、噴霧壓力、噴頭安裝角度）、氣象參數、飛行參數、旋翼風場等[8-15]。將影響霧滴沉積效果的因素進行綜合分析，優化噴霧系統和飛行參數是當前的研究重點。施藥霧滴沉積效果影響方面，主要通過風洞試驗[16-18]、模擬仿真[19-22]和大田試驗等方法進行，其中，大田試驗可通過實際噴霧直接獲得沉積數據，因而具有重要現實意義，諸多學者開展了相關研究，邱白晶等[23]研究了CD-10型無人機飛行高度、速度對小麥沉積均勻性的影響及兩因素交互作用關系，構建了相應的關系模型。秦維彩等[24]探究了N-3型無人機施藥霧滴在生長中后期玉米冠層內的沉積分布，篩選出適宜高稈作物噴霧使用的噴灑參數。Chen等[25]利用無線風速傳感測量系統測定了了無人機旋翼下洗風場三維風速，總結出無人機下洗風場對噴施霧滴在水稻冠層的沉積分布規律。王昌陵等[26]以霧滴沉積變異系數和均方根誤差為指標，對比4種典型國產植保無人機施藥霧滴在小麥冠層的沉積分布。噴霧沉積效果檢測方面，當前主要有示蹤劑法、水敏紙法、傳感器檢測法等。示蹤劑法利用熒光/紫外可見光分光光度計可準確測定沉積量[27]，常用于量化對比不同施藥方式或施藥參數下霧滴沉積或飄移效果；水敏紙法可通過掃描設備和圖像分析軟件實時獲取霧滴沉積密度和覆蓋率，也可用于估測霧滴譜參數[28]；隨著電子信息和傳感技術的發展，基于光電的檢測手段應運而生，Kesterson等[29]研發了一種基于電阻傳感陣列的霧滴采集系統，可準確測定霧滴沉積量和液滴尺寸。上述方法多采用離散布樣方式，相鄰樣點間隔一定距離[30]，而植保無人機飛行中旋翼高速旋轉，下洗氣流渦線與機身作用發生扭曲，霧滴運動軌跡復雜多變，藥液沉積的連續分布難以掌握。

本文采用3WQF-80-10型植保無人機作為試驗機型，搭載了高精度的北斗導航系統開展田間噴霧試驗。利用水敏紙和基于光譜示蹤方式的航空施藥霧滴沉積特性檢測系統[31-32]同步獲取不同飛行參數下無人機施藥噴霧霧滴沉積結果，分析3WQF-80-10型植保無人機施藥霧滴沉積分布特性，通過對比連續和離散采樣方式，評估航空施藥霧滴沉積特性檢測系統對霧滴沉積的檢測效果與適用性，以期為該系統在植保無人機噴霧質量檢測中的應用提供理論基礎。

1 航空施藥霧滴運動沉積規律分析

航空施藥采用空中作業方式，在作業過程中機體與環境風相互作用會產生流場渦結構，其中，固定翼飛機尾渦尺度較大，呈準二維形態，機翼產生的成對平行尾渦能夠保持較長時間，流動結構的復雜性較低，施藥霧滴在地面上可平滑沉積分布；無人機旋翼旋轉速度相對較快，當翼尖渦形成并向下方運動時，其整體形態在半個周期后受另一旋翼破壞，同時翼尖渦結構還受到機身和尾槳氣流的影響，最終形成復雜的非定常流動[33]，施藥霧滴受氣流場作用空間內沉積分布差異較大。

無人機施藥過程中，霧滴在非定常流動中的運動軌跡主要通過CFD仿真模擬進行分析，利用拉格朗日坐標系下顆粒作用力微分方程（BBO方程）求解霧滴在空氣中的受力過程[34]。求解BBO方程為

分析可知，在旋翼下洗復雜流場中，粒子速度在同一時刻下的不同空間位置，以及在同一空間位置上的不同時刻，均在發生隨機脈動，這是湍流的性質決定的，流體速度隨時間和空間發生的變化量稱為時空脈動量。從BBO方程中可以看出，附加質量力項、Basset力項和氣動阻力項均會直接影響離散相顆粒運動速度up，粒子運動速度不僅受質量、密度、直徑等自身特性參數的影響，且氣流脈動也可導致霧滴速度發生變化。

進一步利用霧滴顆粒力平衡方程在離散時間步長上逐步積分求解霧滴運動軌跡，計算分析霧滴在其運動軌跡上各位置的運動速度，求解方程為

上述方程表明，離散相顆粒運動速度up的改變會導致粒子運動軌跡發生變化，粒子運動速度除了受霧滴自身特性的影響外，還受氣流脈動影響，綜合粒子速度和粒子運動軌跡求解方程，進一步推導可知，在復雜流場中，離散相顆粒運動速度up時空脈動量較大，進而影響方程離散相霧滴速度脈動項及其積分獲得的運動軌跡，最終直接決定霧滴的沉降區域和位置。而植保無人機下洗氣流為非定常旋轉流場，氣流脈動復雜多變，導致霧滴沉積區域難以預測，采用傳統的離散采樣的霧滴沉積測量方式（霧滴接收裝置間隔排布），難以準確呈現霧滴地面沉積分布的完整信息，尤其在研究旋翼下洗氣流對霧滴沉積分布影響方面，可能會遺漏特定位置霧滴受氣流作用的關鍵信息，干擾研究結果。為解決上述問題，本研究采用了基于光譜示蹤技術的航空施藥霧滴沉積特性檢測系統[31-32]，捕獲霧滴在施藥區域內連續沉積分布曲線，以獲取無人機噴霧過程更為豐富的沉積分布信息，以期指導植保無人機噴霧系統和氣動力布局優化，提高霧滴沉積質量。

2 材料與方法

2.1 試驗設備與方法

2.1.1 儀器設備

飛行平臺采用3WQF-80-10型懸浮智能植保無人機（安陽全豐航空植保科技有限公司，河南），其主要性能參數如表1所示，試驗作業的飛行速度和高度根據試驗組測試要求調整并記錄。

表1 植保無人機主要性能參數Table 1 Performance parameters of plant protection unmanned aerial vehicle

機載噴霧系統由藥箱、液泵、噴桿、輸液管路和2個離心旋轉噴頭等構成，噴桿寬1.1 m，離心噴頭垂直于飛機中軸線等間距地安裝噴桿兩端，噴頭方向朝下垂直于地面，單個噴頭最大流量為1.5 L/min。為精準控制飛行參數，采用BDST-R300-BG型北斗衛星導航定位系統實時獲取高精度定位數據，飛控手通過定位數據實時調整飛行姿態，保證植保無人機嚴格按照試驗組設計參數進行噴霧作業。定位系統包括基準站和流動站2個部分，基準站用于接收衛星信號確定地理位置信息和接收差分數據，利用高功率電臺將差分信號傳輸至移動站；移動站安裝于待測無人機機身上部，記錄作業航線軌跡、飛行高度和飛行速度工況參數。系統的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（mm）；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+1×10-6D）mm，雙頻RTK垂直定位精度為±（20+1×10-6D）mm。氣象監測系統實時監測和記錄試驗過程中環境風速、風向及溫濕度參數。

2.1.2 試驗設計

試驗于2018年7月12日在北京市昌平區國家精準農業研究示范基地進行。分別采用熒光示蹤法和水敏紙法獲取霧滴沉積分布，其中，熒光示蹤法采用熒光紙帶連續布樣方式，水敏紙法采用離散布樣方式。霧滴收集裝置由鋁制支架、熒光紙帶、水敏紙等構成。試驗區采樣點布置如圖1所示，箭頭指示方向代表植保無人機飛行方向，單次試驗中，垂直航線方向設置3個霧滴采集區域，編號分別為1、2、3（采集區1與采集區2間隔3.0 m，采集區2與采集區3間隔1.0 m），采集區內橫向各布置1組鋁制支架，支架長8 m，距地高度0.5 m。測試前將熒光紙帶（長7 m，寬19.3 mm）橫向鋪展于支架表面，用燕尾夾固定防止測試過程中紙帶翻轉；靠近紙帶一側位置以0.5 m等間距均勻布置水敏紙卡片（76 mm×26 mm，先正達公司，瑞士），每個采集區布置15張，試驗區共計45個水敏紙樣本采集點。為便于樣品的標識，水敏紙和紙帶采用試驗組加采集區的方式標記，如試驗組1中，采集區1中所得的水敏紙和紙帶分別表示為W1-1和P1-1，以此類推。

圖1 試驗采樣點布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of sampling arrangement in the test

質量分數為1.0%的熒光增白劑RQT-C-3（瑞奇特公司，河南）水溶液作為噴霧液，試驗中，布置的水敏紙卡片和熒光紙帶用于獲取施藥霧滴沉積分布、覆蓋率等關鍵信息，單次噴灑試驗結束后，待水敏紙卡和紙帶表面霧滴完全干燥，將其按照序號收集并逐一放入對應的密封袋中，帶回實驗室待測。

2.1.3 飛行作業參數設置

飛行作業參數是影響霧滴沉積分布的重要因素，已有研究表明，不同類型植保無人機機身構造不一，對作業高度、作業速度等參數要求不同，此外，針對不同作物進行病蟲害防治時，作業參數也有特定要求[35]。諸多學者開展了飛行參數對霧滴沉積分布的測試研究[36-38]，飛行高度范圍為1～9 m，飛行速度范圍為1～5 m/s，但由于施藥機型、作業環境、施藥對象等因素差異，最優的作業參數各異。通過調研發現，當前植保無人機常規作業參數為飛行速度＜8 m/s，距作物冠層相對飛行高度為1.5～5 m[39]，相關研究表明，無人機在低空低速條件下作業有較好的霧滴覆蓋，特別是旋翼產生的下旋氣流，使霧滴直接沉積到作物葉片正反面[40]，但飛行速度過低，作業效率難以保障，相對飛行高度在1 m以下時，則可能威脅無人機作業安全。綜上考慮，結合所用無人機生產廠家推薦作業參數，設置噴霧作業參數，將飛行速度設置為3個水平，2 m/s為低速范圍，3 m/s為中速范圍，4 m/s以上為高速范圍，距離地面絕對飛行高度設置為3、6、9 m，其中對于9 m作業高度設置，主要考慮本文設計的熒光示蹤檢測方法為一種新的檢測手段，尚處于試驗階段，常規作業條件下檢測效果比較理想，當噴霧條件惡劣或霧滴沉積較少時，該系統能否有效檢測尚不可知，為此設計9 m作業高度，探索在霧滴沉積較少的情況下該系統的適用性。將飛行高度和飛行速度組合進行6次噴灑試驗（表2），每次試驗分別獲得3條熒光紙帶樣品和3組水敏紙樣品，無人機噴霧系統單噴頭流量設置為1.0 L/min。

2.2 數據獲取與處理

2.2.1 氣象和飛行作業參數

試驗過程中，在空中垂直距離地面2 m處架設一農用氣象站（IWS-M400型，宇佳科技有限公司），通過氣象監測系統實時監測記錄試驗過程中環境風速、風向和溫濕度變化，根據統計數據獲得各試驗組環境風速、溫濕度平均值。表2為機載北斗定位系統獲取的無人機噴施作業參數（平均飛行高度、飛行速度）及其各試驗組對應的氣象參數。

表2 試驗組飛行和環境參數Table 2 Flight and environmental parameters in the test

2.2.2 霧滴沉積檢測-水敏紙法

利用TSN450型手持掃描儀（天彩電子（深圳）有限公司，分辨率像素為1200×1200）對水敏紙樣品逐一進行掃描，通過圖像處理軟件iDAS[41]獲取水敏紙表面霧滴沉積參數，計算分析不同飛行參數下水敏紙樣品霧滴沉積覆蓋率（%）。霧滴覆蓋率為霧滴的浸染面積和水敏試紙采樣面積比值。試驗中各個采集點之間霧滴沉積均勻性通過變異系數CV評估，計算公式如下:

式中S為每組采集樣本覆蓋率的標準差，%；Xˉ為平均覆蓋率，%；Xi為每個采集樣本的霧滴覆蓋率，%；n為采集樣本數。CV值越小，霧滴沉積分布越均勻。

2.2.3 霧滴沉積檢測-熒光示蹤法

紙帶樣品經航空施藥霧滴沉積檢測系統[32]掃描處理，獲得整條紙帶表面熒光介質光譜連續分布特征曲線。該系統由微型光譜儀、步進電機、紫外光源和光電限位器等部件構成。紙帶表面的熒光示蹤劑RQT-C-3在365 nm波長的紫外光源激勵照射下產生分子熒光，熒光光強信息通過微型光譜儀的光線探頭轉化成數字信號，最終通過USB串口傳輸和存儲于計算機。采集過程中，步進電機驅動整條紙帶使其完全被掃描，當單條紙帶采集完畢后，光電限位器響應返回系統發送停止光譜數據采集的指令，步進電機停止動作，系統采集時間間隔設為0.5 s，步進電機轉速為120 r/min。

6組試驗中，共獲得18條紙帶，各紙帶的所獲樣本點數基本一致，紙帶光譜點數為102或103組。利用公式（3）和（4）計算各試驗組霧滴覆蓋率變異系數。

3 結果與分析

圖2為各試驗組在采集區2內熒光示蹤法和水敏紙法測得的霧滴沉積覆蓋率分布，結果表明，霧滴主要沉積在1～5 m的布樣區間內，從圖中觀察可知，作業參數可影響霧滴沉積分布，導致霧滴沉積曲線呈不同的分布態勢，當速度為2 m/s，作業高度為3 m時（圖2a），沉積曲線波形變化明顯，隨著高度的增大（作業高度為6 m和9 m，對應試驗2和試驗3，圖2b和2c），分布曲線呈逐漸平緩的趨勢，主要原因是高度增大，噴頭距離靶標的距離增大，從噴頭釋放的霧滴在下洗氣流場作用下在靶標上部空間分散運動，導致沉降到靶標的霧滴沉積相對均勻，但霧滴覆蓋率較低。

圖2 各試驗組在采集區2測得沉積結果Fig.2 Deposition results of the tests in No.2 collecting area

為進一步分析熒光示蹤法的實際應用性能，選取沉積曲線變化最為明顯的試驗1作為分析對象（圖2a），與水敏紙法測定的霧滴沉積結果進行對比，結果顯示，熒光示蹤法與水敏紙法所得霧滴沉積分布曲線整體趨于一致，但前者覆蓋率曲線波峰高于后者，熒光示蹤法所得覆蓋率最高為31.92%，所處布樣位置為2.25 m；水敏紙法獲得覆蓋率曲線最高點在2.00 m處，為23.85%。同時，相比于水敏紙法的離散布樣方式，采用連續測量方式的熒光示蹤法獲得覆蓋率在不同采集位置出現多個波動峰（圖2實線圓圈標注），說明無人直升機下洗風場作用導致垂直飛行方向各位置霧滴沉積空間差異較大；在試驗6中（圖2f），飛行速度和飛行高度均高于其他5組，霧滴覆蓋率較低，水敏紙法所得分布曲線平穩，而熒光示蹤法檢測得到的霧滴覆蓋率曲線展向出現多個明顯峰段。將2種方法所得數據進一步處理，取熒光紙帶對應水敏紙布樣位置的覆蓋率數據，將其與水敏紙測得結果進行擬合分析和單因素方差檢驗（α=0.05），所得擬合優度（R2）和顯著性水平如表3所示，分析可知，2種檢測方式所得霧滴覆蓋率結果相關性較好，6組試驗平均擬合優度分別為0.95、0.92、0.88、0.92、0.96和0.94，試驗1～試驗5條件下，2種方法所得霧滴覆蓋率均無顯著性差異（P均高于0.05），僅試驗6（飛行速度4 m/s，飛行高度9 m）條件下有顯著性差異（P=0.02)，說明植保無人機常規作業條件下，基于熒光示蹤的檢測方法能夠表征霧滴沉積覆蓋率參數。

表4為2種檢測方法測得的霧滴沉積分布結果，從表中可以看出，熒光示蹤法計算的霧滴覆蓋均值均高于水敏紙法，主要原因是水敏紙法采用離散布樣方式，植保無人機旋翼渦流致使霧滴無序運動，下洗氣流作用下部分霧滴為集中沉降到未布水敏紙位置，出現圖2中所示的峰段。無人機飛行速度和飛行高度分別為3 m/s和3 m時，熒光示蹤法相對水敏紙法變化率最低，為8.71%；飛行速度為2 m/s時，無人機飛行高度為9 m的平均覆蓋率變化為47.58%，明顯高于飛行高度為3和6 m時的變化率；當飛行高度一定時（試驗組2和試驗組5，試驗組3和試驗組6），霧滴覆蓋變化率與飛行速度呈正相關，飛行速度越大，霧滴覆蓋率變化值越高，其中飛行速度為4 m/s，高度為9 m時，熒光示蹤法相對水敏紙法變化率可達97.77%。綜上可知，增大植保無人機飛行速度和飛行高度，水敏紙法離散采樣方式所得沉積結果與熒光示蹤法連續采樣結果偏差越大，可能原因是飛行速度和飛行高度的增大，含能較高的翼尖渦向下運動脅迫細小霧滴非定向沉積，霧滴沉降到非水敏紙采集位置導致偏差增加。當前，植保無人機多采用低容量或超低容量噴霧技術，細小霧滴在旋翼下洗風場的作用下，地面霧滴沉積的空間差異性大，因此，在進行植保無人機下洗風場對霧滴沉積分布影響研究時，應進行連續采樣，以獲取更多的霧滴空間沉積分布細節。取樣區間內變異系數方面，熒光紙帶相對水敏紙平均變化率范圍為1.67%～29.71%；由于熒光示蹤法采用連續取樣方式，覆蓋率分布曲線在非水敏紙布樣位置出現明顯的多個峰段，因此取樣范圍內霧滴覆蓋率極差高于水敏紙法測試結果。

表3 水敏紙法和熒光示蹤法所得霧滴覆蓋率分析Table 3 Analysis of droplet coverage rate obtained by water sensitive paper method and fluorescent tracer method

表4 水敏紙和熒光示蹤法測定的霧滴沉積結果Table 4 Droplet deposition measured by water sensitive paper method and fluorescent tracer method

圖3為不同工況下植保無人機施藥霧滴沉積覆蓋率，結果顯示，在飛行速度2 m/s，飛行高度3 m作業條件下，霧滴沉積覆蓋率最高，熒光示蹤法和水敏紙法所得結果分別為8.34%和7.14%。隨著飛行高度的增大，霧滴沉積覆蓋率逐漸降低，飛行速度為2 m/s時，2種測量方式下，飛行高度6 m較3 m時所得覆蓋率分別降低了52.4%和63.18%。飛行高度為6 m時，飛行速度3 m/s較2 m/s時的霧滴覆蓋率分別降低了47.97%和64.10%，說明增大飛行速度會降低有效沉積到靶標表面的霧滴數量。由于植保無人機下方霧滴受機翼引起的紊流風場及外界風場影響較大，隨著飛機作業速度和飛行高度的增大，旋翼下旋氣流在垂直于地面方向上的流場隨之減弱，同時翼尖渦含能增大，驅使霧滴發生卷揚現象，導致霧滴飄移增大，靶區內的霧滴沉積量相應地減少；另外增大飛行高度相應增加了霧滴在空中的運動距離，容易受到環境風的作用沉降到非靶標施藥區域，對于甘蔗、玉米等高桿作物，應綜合考慮作業安全和霧滴沉積質量，無人機相對作物冠層高度不宜過低。

圖3 不同工況下霧滴沉積覆蓋率Fig.3 Droplet coverage rates under different working conditions

4 結 論

本文通過高精度北斗導航系統獲取植保無人機飛行參數，使用質量分數為1.0%的RQT-C-3熒光增白劑水溶液代替農藥對3WQF-80-10型植保無人機進行不同飛行參數下的噴霧測試，采用長條紙帶連續布樣和水敏紙離散布樣2種霧滴收集方式，利用熒光示蹤法和水敏紙圖像處理方法獲取霧滴沉積覆蓋率，比較分析2種采樣方式下霧滴沉積分布特性，并探討植保無人機飛行參數對霧滴沉積分布的影響規律。得出如下結論：

1）熒光示蹤法與水敏紙法所得霧滴沉積覆蓋率分布曲線整體趨于一致，均方根誤差為0.24%～2.49%，2種檢測方式所得霧滴覆蓋率結果相關性較好，擬合優度（R2）范圍為0.88～0.96，僅試驗組6（飛行速度4 m/s，飛行高度9 m）條件下，2種方法所得霧滴覆蓋率結果有顯著性差異，說明植保無人機常規作業條件下，基于熒光示蹤的檢測方法能夠表征霧滴沉積覆蓋率參數。

2）與水敏紙離散布樣方式相比，基于熒光示蹤的連續布樣所得覆蓋率曲線出現多個峰值，后者的霧滴覆蓋率均值高于前者，當植保無人機飛行速度為4 m/s，相對靶標高度為9 m時，熒光示蹤法所得覆蓋率較水敏紙法增加97.77%，離散布樣方式所得沉積結果難以有效表征施藥噴幅內整體霧滴沉積分布情況，主要原因是植保無人機飛行產生翼尖渦驅使霧滴非定向運動所致。

3）在本文試驗條件下，施藥霧滴沉積受飛行速度和相對靶標高度的影響，飛行速度為2 m/s時，飛行相對高度6 m較3 m時所得覆蓋率降低52.40%；飛行相對高度為6 m時，飛行速度3 m/s較2 m/s時的霧滴覆蓋率降低47.97%。

綜上所述，植保無人機采用空中作業方式，高速旋轉旋翼產生的下洗氣流驅使霧滴非定向沉積，導致霧滴沉積密度小尺度空間波動劇烈，因此，在進行植保無人機地面沉積質量檢測或研究下洗風場對霧滴沉積分布影響規律時，應采用連續布樣方式，以便更具體全面地評估整體霧滴沉積分布。