基于仿真果園試驗臺的植保無人機施藥霧滴飄移測試方法與試驗

王昌陵，何雄奎，曾愛軍，Andreas Herbst，Supakorn Wongsuk，喬白羽，趙 鋮，袁善奎, 鐘 玲，Verena Overbeck，Jane Bonds，楊 苡，周國強，王 軒，高萬林

·農業航空工程·

基于仿真果園試驗臺的植保無人機施藥霧滴飄移測試方法與試驗

王昌陵1,2，何雄奎1,3※，曾愛軍1,3，Andreas Herbst4，Supakorn Wongsuk1,3，喬白羽1,3，趙 鋮1,3，袁善奎5, 鐘 玲6，Verena Overbeck4，Jane Bonds7，楊 苡8，周國強9，王 軒10，高萬林2

（1. 中國農業大學藥械與施藥技術研究中心，北京 100193；2.中國農業大學信息與電氣工程學院，北京 100193；3. 中國農業大學理學院，北京 100193；4.德國聯邦作物研究中心植保施藥技術研究所（JKI-AT），布倫瑞克 D-38104；5. 農業農村部農藥檢定所，北京 100125；6. 江西省植保植檢局，南昌 330096；7. 邦德斯咨詢有限公司，巴拿馬城 32408；8. 北方天途航空技術發展（北京）有限公司，北京 102202；9. 安陽全豐航空植?？萍加邢薰?，安陽 455001；10. 深圳市大疆創新科技有限公司，深圳 518057）

植保無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）果樹飛防植保作業中飛行高度較高并且采用低容量細小霧滴噴霧，飄移風險極高。但是，無人機果園施藥霧滴飄移特性研究尚處于初步開展階段，缺乏全方位綜合測試方法以及對不同無人機機型和噴頭類型的評價。該研究在前期研究基礎上，提出一種基于仿真果園試驗臺的植保無人機果園施藥霧滴飄移測試方法，設計并制作仿真葡萄園試驗臺和空中飄移收集裝置，結合地面飄移收集裝置和冠層沉積收集帶，首次通過霧滴空間飄移指數ADX定量分析評價不同機型的噴霧過程中農藥霧滴空間飄移特性，并采用田間近地飄移測試平臺進行無人機噴霧飄移試驗，使用熒光示蹤法探究4種典型植保無人機（油動單旋翼、電動6旋翼及2種電動8旋翼無人機）分別搭載IDK 120-015空氣射流噴頭和TR 80-0067空心圓錐噴頭噴霧作業的霧滴冠層沉積分布、地面飄移、近地飄移及空中飄移特性，進而對不同噴霧飄移測試收集裝置進行評估。結果表明：在側風速2.2～3.6 m/s，溫度29.8～34.3 ℃，相對濕度10.7%～30.6 %的環境條件下，IDK空氣射流噴頭在作業高度1.5 m、速度 2.0 m/s參數下可顯著降低無人機噴霧下風向飄移水平，優化沉積分布均勻性，提高農藥霧滴利用率；4種機型飄移特性無顯著差異，旋翼下洗氣流產生的卷揚渦流是影響無人機噴霧飄移的重要因素；葡萄園噴霧作業緩沖區至少應設置為15 m；冠層沉積率越?。ǎ?.05，＜0）、沉積分布變異系數越高（＜0.01，＞0）、田間飄移平臺平均均值飄移率和90%累積飄移距離越大（＜0.01，＞0）以及ADX值越大（＜0.01，＞0）均表明霧滴飄移風險越高，3種收集裝置及其評價指標均可有效評估下風向飄移特性；植保無人機噴霧飄移率與下風向距離滿足指數函數關系。研究結果以期為新型果樹專用植保無人機研發、植保無人機果園作業噴霧飄移測試方法的標準制定和田間作業參數選擇提供參考和數據支持。

無人機；試驗；噴霧；下風向；空中飄移；地面飄移；測試方法

0 引 言

近年來應用植保無人機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）的低空低量植保作業憑借可人機分離、人藥分離、地形適應性好、機動靈活、高效省工、節水省藥以及智能化程度高等優勢[1-2]在中國高速發展，契合當前國內現代化農業高效、優質、節約、友好的發展要求[3]。經過前期在大田作物（玉米、水稻、小麥、棉花）病蟲害防治中探索，當前植保無人機大田作物應用技術已日趨成熟，越來越多的生產商和服務組織將目光投向了附加值較高的經濟作物特別是果樹的飛防植保作業，紛紛研發果樹植保專用無人機及其作業模式，力求解決果樹病蟲害防治中作業次數多、農藥飄失嚴重、霧滴穿透性差、復雜地形環境下噴霧作業霧滴分布不均勻等難點。為保證作業安全，果樹噴霧時無人機飛行高度一般設置在距冠層頂端1.5～2.0 m，距地面高度則至少為3.5～4.0 m，因低容量噴霧的霧滴較細，在如此飛行高度下產生噴霧飄移的風險極高[4-6]，因此植保無人機果樹施藥霧滴飄移特性研究尤為必要。

目前，國內外有關植保無人機的低空低量噴霧飄移特性研究更多集中在大田作物田間試驗[7-9]和旋翼下洗氣流模擬[10-12]，相比于大田作物，果樹的葉片冠層體積更大且更茂密，因此當前大部分無人機果樹施藥技術研究都聚焦于冠層沉積穿透性上[12-16]。陳盛德等[13]采用三因素（飛行高度、速度、流量）正交試驗對多旋翼無人機橘樹施藥作業參數進行了優選。劉德江等[14]比較了植保無人機和傳統地面施藥機具在柑橘、柚子、楊梅果樹冠層上的霧滴沉積分布，發現扇形噴頭橫噴桿結構藥液沉積分布均勻性優于離心霧化噴霧系統。張豪等[12]利用計算流體動力學（CFD）方法模擬了6旋翼植保無人機懸停果樹施藥下洗氣流場，明確了自然風速是無人機懸停果樹施藥效果的主要影響因素。Sarri等[15]通過水敏紙收集霧滴，對植保無人機、背負式噴霧器和噴槍在小型山地葡萄園施藥作業效率和霧滴沉積分布和進行了評估。劉琪等[16]探究了電動無人直升機噴頭間距和飛行高度對蘋果樹霧滴沉積分布的影響，得出最佳噴頭間距參數。

而植保無人機果園施藥霧滴飄移特性研究尚處于初步開展階段。Li等[17]比較了電動4旋翼無人機和風送式果園噴霧機蘋果園噴霧冠層沉積、空中飄移和地面流失情況，指出了高度和噴灑系統設計對飄移的影響。Brown等[18]對R-Max II型油動單旋翼無人機葡萄園噴霧沉積和飄移進行了測試，發現了沉積與飄移結果間的相關性。Martinez-Guanter等[19]在橄欖、柑橘園中通過布置在鄰行果樹的水敏紙測定了搭載超低容量變量噴霧系統的無人機與果園風送噴霧機的飄移情況，結果表明該無人機超低量噴霧系統可有效降低飄移風險。目前，針對低空低量果樹施藥的研究大多是無人機與傳統果園噴霧方式的比較或單一機型的沉積飄移試驗，大多采用水敏紙圖像分析法[13,15-17,19]或比色示蹤法[14,17]，檢出靈敏度不足而無法定量測定遠距離飄移霧滴量，有的采用化學分析法[18]，實際操作復雜且成本較高。對于低空低量果園噴霧飄移全方位綜合測試方法以及典型無人機機型、噴頭類型對無人機噴霧沉積和飄移特性影響的研究還未見報道；此外，由于果園內噴霧環境相對密閉，施藥過程對周圍環境影響更嚴重的應是農藥霧滴向園外非靶標區域的飄移，而園外飄移試驗實際操作上的難點往往在于找到貼近果園邊緣的較大面積無遮擋地塊以布置飄移霧滴采樣裝置。

因此，本文基于中國農業大學藥械與施藥技術研究中心團隊前期研究基礎[4,12-13,20-21]，提出一種植保無人機果園施藥霧滴飄移測試方法，設計并研制仿真果園（葡萄園）試驗臺和空中飄移收集測試裝置，采用田間近地飄移測試平臺收集無人機下風向不同距離飄移霧滴，結合田間噴霧測試常用的地面飄移收集裝置和冠層沉積收集帶，使用檢出靈敏度較高的熒光示蹤法對4種典型植保無人機分別搭載IDK空氣射流噴頭和TR空心圓錐噴頭進行實際作業噴霧飄移測試，比較獲得的冠層沉積分布、地面飄移、近地飄移和空中飄移結果并分析其相互關系，對不同噴霧飄移測試收集裝置進行評估，研究結果以期為新型果樹專用植保無人機研發、植保無人機果園作業噴霧飄移測試方法標準的制定以及田間作業參數選擇提供參考和數據支持。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

如圖1所示，試驗采用的設備與裝置主要有：仿真果園試驗臺、霧滴收集裝置、樣品分析及氣象參數監測裝置、參試植保無人機。

1.1.1 仿真果園試驗臺

由于田間試驗很難找到緊貼果園邊緣的大面積無遮擋地塊布置霧滴采樣器，果園噴霧試驗中可根據需要在開闊空地搭建仿真果園試驗臺模擬作業場景，試驗臺高度和寬度可依據果樹形態和種植方式確定，長度可根據試驗場地大小而定。例如：矮化紡錘形蘋果園仿真試驗臺高×寬尺寸可設置為3.0 m×1.0 m，行距3.5 m；標準化圓柱形梨園可設為3.5 m×1.5 m，行距4.0 m。本研究中以葡萄園噴霧場景為例進行試驗，在開闊空地上采用長×寬× 高規格為2.0 m×0.5 m× 2.0 m特制不銹鋼桁架搭建仿真葡萄園試驗臺，如圖1a所示。在不銹鋼桁架距地面0.5m高度以上部分覆蓋黑色抗老化防曬網（孔徑4 mm，江蘇沐陽綠嘉花卉有限公司）模擬葡萄葉片冠層，使用扎帶固定。設計的仿真葡萄園試驗臺每行由8個不銹鋼桁架首尾相接組成，行間距2.5 m，共9行，總計72個桁架，長16 m，寬20 m。在不銹鋼桁架行間固定橫梁將相鄰兩行互相聯結，使全部模擬冠層構成一個穩定整體，防止試驗期間短時強風導致貨架傾覆。

1.1.2 霧滴收集裝置

1）冠層沉積收集帶

使用尺寸為8.55 cm×5.40 cm的矩形聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride，PVC）卡片（上海紅溯橡膠科技中心有限公司）組成冠層沉積收集帶接收航線下方仿真葡萄園試驗臺冠層沉積霧滴，用塑料雙頭夾將霧滴收集卡置于仿真冠層頂部，布置間隔為0.5 m，每條收集帶13張PVC卡片，寬度6.0 m，設置3行，每次試驗共收集39張樣品。

2）地面飄移收集裝置

為測量植保無人機噴霧霧滴在下風向的地面飄移分布情況，根據ISO 22866噴霧飄移田間測試標準[22]，在下風向距離植保無人機噴幅邊緣3、5、10、15和20 m處各分別布置10個直徑為15 cm塑料培養皿（南通范思貝生物科技有限公司），放置于地面上的金屬橫板表面以確保培養皿保持在相同平面上，每次飛行收集培養皿數目為50。

3）空中飄移收集裝置

設計并制作3組空中飄移收集裝置測量飄移霧滴在下風向同一豎直平面不同高度的沉積分布，搭建高×寬為5.5 m×2.0 m的可翻轉霧滴收集框架，由30 mm×30 mm鋁合金型材制成，安裝在40 mm×80 mm鋁型材底座上，收集框架與底座通過安裝在1.8 m高度的轉動軸相連，便于試驗過程中將架翻轉放倒以布置和收集樣品。霧滴收集框架自高度0.5 m起直至4.5 m處每隔0.5 m設置1根長2.0 m的Φ2 mm聚乙烯（PE）軟管（上海紅溯橡膠科技中心有限公司），PE軟管兩端用25 mm長尾票夾（得力集團有限公司）固定在框架上，繃直以保證無彎曲，每個框架上10根，單次測試共計30根霧滴收集軟管。

4）近地飄移收集裝置

田間近地飄移測試平臺（field drift test bench，比利時AAMS Salvarani公司）原用于地面植保機具（噴桿噴霧機、果園噴霧機）噴霧飄移潛力測試[23-24]，利用其進行植保無人機田間飄移測試尚未見報道，本文中采用這種測試平臺垂直于飛行方向放置測定植保無人機噴霧下風向近地面處飄移霧滴量。該平臺由霧滴收集裝置和控制系統組成，飄移收集裝置由5段2.0 m×0.5 m的鋁型材平臺首尾相連組成，可以根據需求調整高度，共有20個間距為0.5m帶有可閉合滑蓋的霧滴收集凹槽，滑蓋開閉由含有氣泵的氣動控制系統控制，每個凹槽內可放置1-2個Φ15 cm培養皿，每次試驗共收集20或40個樣品。

1.1.3 樣品分析、氣象參數監測及其他裝置

測試前，在無人機起降區域和近地飄移收集裝置處分別鋪設長寬為20 m×3 m的聚酯防塵網（濱州凌岳化纖繩網有限公司），減少無人機飛行過程中旋翼下洗氣流卷揚起的塵土對測量結果的影響。配置質量分數為0.1%的熒光染色劑Pyranine（溶劑綠7，CAS號:6358-69-6，德國Simon&Werner有限公司）水溶液作為噴霧液，避光靜置于20 L帶蓋塑料水箱中待用。測試后，霧滴收集器加入去離子水經TS-1000振蕩器（江蘇海門其林貝爾儀器制造有限公司）振蕩洗脫或經KM-36C超聲波清洗機（廣州市科潔盟實驗儀器有限公司）超聲洗脫，示蹤劑洗脫液采用LS-55型熒光分光光度計（Perkin Elmer股份有限公司，美國）檢測。

試驗中風速、風向等自然風信息通過WindMaster型三維超聲波風速風向儀（GillInstruments有限公司，英國）獲取，該風速儀最高采樣頻率：20 Hz，量程：0～50 m/s & 0～359°，分辨率：0.01 m/s & 1°，測試時將2個風速傳感器分別安裝在距地面2 m和4 m高度的田間氣象站支架上，數據輸出頻率設為10 Hz，傳感器通過數據線與控制單元相連，使用24 V電瓶供電，通過筆記本電腦和LoggerNet 4.4軟件（Campbell Scientific公司，美國）可實時監測并保存風速數據。此外，環境溫度和濕度由350-XL型環境分析儀（Testo儀器有限公司，德國）獲取。

圖1 試驗裝置及場地布置示意圖

1.1.4 參試植保無人機

中國植保作業主力機型為電動多旋翼無人機，主要為電動6旋翼和8旋翼無人機，噴頭布局方式有噴桿式和旋翼下方兩種[25]。因此，選用當前中國低空低量植保作業中常用的具代表性的4種植保無人機參與本試驗，分別為：安陽全豐航空植?？萍加邢薰旧a的3WQF120-12型油動單旋翼無人機、北方天途航空技術發展（北京）有限公司生產的3WM6E-10型電動6旋翼無人機和3WM8A-20型電動8旋翼無人機以及深圳市大疆創新科技有限公司生產的3WMG-1P型電動8旋翼無人機，表1為其主要技術參數。

表1 參試無人機主要技術參數

噴霧試驗中4種無人機分別搭載德國Lechler公司生產的TR 80-0067型空心圓錐噴頭和IDK 120-015型空氣射流扇形噴頭。經激光粒徑分析儀（Spraytec, 英國Malvern Instruments公司）測量，其在0.3 MPa壓力噴霧時噴頭下方50 cm處測得的霧滴體積中徑（Volume Median Diameter, VMD）均值分別為114.9和312.6m，粒徑小于75m霧滴比例為16.1%和1.8%?？招膱A錐噴頭霧滴較細，常用于果園病蟲害防治；空氣射流噴頭霧滴比普通扇形噴頭粒徑大，抗飄移能力較強。

1.2 試驗方法

室外噴霧試驗于2019年5月至6月在北京市昌平區馬池口鎮埝頭工業園北方天途公司飛行基地（40°11'30" N；116°10'10" E）進行，試驗區域為一塊平整空地，四周無明顯障礙物遮擋，除少量雜草外基本沒有植被覆蓋，總面積約900 m2。試驗場地布置情況如圖1所示，冠層沉積收集帶布置在仿真冠層第4、5、6行，第1張PVC卡位于噴幅邊緣處；3組空中飄移收集裝置分別間隔5.0 m豎立在下風向距離無人機作業噴幅邊緣2.0 m位置，使霧滴收集框架平行于無人機飛行航線；承接地面飄移培養皿的橫板垂直于無人機行進方向，與空中飄移收集裝置中心位于同一直線上，在下風向相同距離間隔也是5.0 m；收集近地霧滴的飄移測試平臺前端位于下風向2.0 m處，垂直于飛行航線方向，平臺高度設為0.3 m；三維風速傳感器支架搭建在試驗場地附近不干擾飛行的位置，溫濕度傳感器安裝在場地附近室外避光處，試驗全程氣象參數均通過數據線傳輸至筆記本電腦，可實現實時監測和記錄。為充分利用田間自然風，場地朝向選擇需參考當地歷史風向數據并利用相對頻繁且穩定的風向進行試驗，而且需在場地另一側提前對稱地布置相同的測試裝置，當風向轉到相反方向時可以迅速布置霧滴收集器開始后續測試。場地布置完成后，操作大疆PHANTOM 4 PRO型航拍無人機爬升至場地正上方30 m高度檢視各裝置擺放位置和方向使其準確無誤。

試驗前，先標定并記錄待測無人機噴頭流量。按照ISO 22866標準[22]，本方法中飄移試驗可接受自然側風參數（風速、風向）范圍為1.0～5.0 m/s（2 m高度），與航線夾角90°±30°。場地布置及流量標定工作完畢后，監測實時風速、風向信息，當風速和風向達到要求且可以穩定至少1 min時，將配置好的噴霧液加入藥箱并通知操控手進行起飛前準備，在各部分收集裝置上布置霧滴收集器，啟動航拍機準備全程拍攝。圖2為噴霧飄移試驗現場，操控手操作植保無人機進行共3條航線的噴霧作業，無人機起飛后首先調整至設定高度開啟噴灑系統，開始作業的同時操作近地飄移測試平臺控制系統打開滑蓋并在執行完第1條航線作業后關閉，全部作業完成后關閉噴灑系統，轉向朝上風向飛離試驗場地返回起落區域以避免污染樣品，待霧滴收集器上霧滴晾干后收集所有樣品并取噴霧母液。近地飄移測試平臺僅對第1條航線飄移霧滴進行采樣，冠層沉積收集帶、地面及空中飄移收集裝置均采集全部3條航線作業沉積及飄移霧滴。

每次試驗結束后，立即將所有樣品（PVC卡片、PE軟管、地面培養皿、近地培養皿、母液取樣瓶）避光保存，PVC卡、PE軟管分別收集保存在規格為17 cm×12 cm和34 cm×24 cm塑料自封袋中，培養皿儲存在包裝紙箱內，避免樣品之間交叉污染，全天試驗結束后將當天獲取的樣品運輸至實驗室避光、陰涼處儲存，隨后對樣品進行處理和測定。處理樣品時，PVC卡自封袋中加入400 mL去離子水，于振蕩器上在200 r/min的頻率下振蕩洗脫5 min；培養皿中加入60 mL去離子水，振蕩洗脫10 min；PE軟管自封袋中加入100 mL去離子水，排出氣泡后置于超聲波清洗機中超聲洗脫5 min。最后將各類樣品洗脫液依次使用LS-55型熒光儀測量并記錄熒光值，熒光儀測量參數設為：電壓650V，激發波長400 nm，接收波長505 nm，狹縫寬度15 nm。

試驗參數設置如表2所示，4種植保無人機分別搭載IDK 120-015空氣射流噴頭和TR 80-0067空心圓錐噴頭進行測試，共8個處理組，每個處理組至少進行5次重復試驗。為排除試驗材料、場地等因素對結果的干擾，處理組2、4、6中各進行1次空白對照試驗，即除不噴霧外處理方式與其他測試組完全相同。試驗全程無人機飛行參數保持不變，飛行速度設為2.0 m/s，高度設為3.5 m（距冠層頂端1.5 m）；噴霧壓力均設定為0.3 MPa，由于不同機型液泵有所差異，根據測得流量可估算處理組1噴霧壓力在0.3～0.4 MPa范圍內，其他處理組均在0.3 MPa左右。

表2 試驗處理組設置及相關施藥參數

1.仿真葡萄園試驗臺 2.冠層沉積收集帶 3.地面飄移收集裝置 4.空中飄移收集裝置 5.近地飄移測試平臺 6.待測植保無人機 7.防塵網

1.3 數據處理

1.3.1 沉積/飄移率

按照ISO 24253-1[22]和ISO 22866標準[26]，各種霧滴收集器上噴霧沉積/飄移率計算公式如式（1）、（2）所示。

式中dep為單位面積霧滴沉積/飄移量，mL/cm2；dil為加入洗脫液的體積，mL；smpl為洗脫液的吸光值；blk為空白霧滴收集器的熒光值；spray為噴霧液示蹤劑濃度，g/L；cal為熒光值與示蹤劑濃度的關系系數，g/L；col為霧滴收集器面積，cm2；dep%為沉積/飄移率，%；V為施藥液量，L/m2，其中V=(10·)，為噴霧流量，mL/s；為噴幅，m；為飛行速度，m/s。

1.3.2 平均均值飄移率/平均中值飄移率

平均均值飄移率（Average Average Drift Rate, AADR）是對一個處理組中不同下風向距離（豎直高度）所有平行數據結果的均值求平均值，計算公式為

式中`dep% i為第組下風向距離沉積率均值；為下風向不同距離取樣組數。

此外，本研究提出一種平均中值飄移率（Average Median Drift Rate, AMDR）來分析地面培養皿結果，即對各重復組內的所有平行數據結果取中位數后再計算不同平均值，地面培養皿平行結果較多，采用中位數可有效避免極端值的影響，使地面飄移數據結果代表性更強。其計算公式為：

式中Mdep% i為第組下風向距離沉積率中位數。

1.3.3 沉積/飄移率變異系數

變異系數（Coefficient of Variation，CV）可表示一組數據的離散程度，對于霧滴沉積率或飄移率，CV值可用于描述霧滴沉積和飄移分布的均勻性[27]，數值越小說明霧滴分布均勻性越好。依據ISO24253-1標準其計算公式為[26]：

式中為標準差；X為沉積/飄移率平均值。

1.3.4 空間飄移指數

本研究為評價植保無人機農藥噴霧空中霧滴飄失特征提出一種霧滴空間飄移指數（Airborne Drift Index，ADX）評價方法，通過計算出的ADX值來定量分析比較不同機型和噴霧參數下農藥霧滴空間飄移特性。類比通過飄移潛力指數（Drift Potential Index，DIX）評估噴霧飄移風洞測試結果的方法[28-29]，針對無人機采用霧滴空間飄移指數評估下風向空中飄移收集裝置上的霧滴分布特性。ADX值無量綱，依據如下公式計算：

式中r為相對飄移總量，表示飄移量占施藥液量的百分比，%；r為相對特征高度，表示霧滴飄移分布的中心在霧滴收集框架上的相對位置。相對飄移總量和相對特征高度分別使用公式（7）和（8）計算。

式中為空中飄移收集裝置上相鄰PE軟管間距（0.5 m）；p為每個框架上收集軟管數目，p=10；dep%i為第根軟管上的霧滴飄移率；h為第根軟管高度，m；max為框架頂端軟管高度（5.0 m）。

1.3.5 累積飄移比例和90%累積飄移距離

根據ISO 22866標準[22]，累積飄移比例cum%定義為至下風向距離所有霧滴飄移量占全部霧滴飄移量total%的百分比，90%累積飄移距離90%為cum%達到90%時的下風向距離，計算方法如式（9）（10）所示。

式中dep%()為下風向處的飄移率，%；m為下風向最遠飄移距離或最遠端霧滴收集器距離，m。

1.4 環境氣象參數

試驗中各處理組標稱側風速、溫度和相對濕度數據如表3所示，標稱側風速為自然風速在垂直于飛行方向的分速度，風向偏差以自然風向與垂直航線方向夾角表示，均為各氣象數據平均值。標稱側風速在2.2～3.6 m/s范圍內，風向偏差在?25.4°～28.7°范圍，溫度均在35.0 ℃以下，符合ISO 22866標準要求[22]。

2 結果與分析

2.1 冠層霧滴沉積

通過仿真葡萄園試驗臺冠層頂部PVC卡片測得的不同處理組霧滴沉積率和沉積率變異系數如圖3所示。

注：圖中數據為重復組平均值，誤差線表示“±標準誤差”，同一指標數據標簽后不同字母代表在α=0.05水平差異顯著，有相同字母表示無顯著差異；TR 80-0067和IDK 120-015為不同噴頭類型。下同。

從圖3中可以看出：對于IDK空氣射流噴頭，單旋翼、6旋翼和8旋翼A型無人機沉積率在59.7%至72.0%范圍內，無顯著差異，僅8旋翼B型不足40%；4種機型沉積率CV值都不超過50%，前3種機型之間沉積分布均勻性雖略有不同但無顯著性差異，8旋翼B型CV值較高，接近50%；對于TR空心圓錐噴頭，6旋翼和8旋翼A型噴霧沉積率可達到50%左右，單旋翼次之，8旋翼B型則不足30%；4種機型沉積率CV值均高于50%，單旋翼CV值高達87.4%，霧滴分布最不均勻。由結果可知，無論安裝哪種噴頭，幾種無人機中8旋翼B型不僅沉積率最低，分布均勻性也最差，分析是由于無人機噴頭布局差異所導致的，該型無人機噴頭分布于旋翼下方并且關于航線對稱的兩噴頭間距為1.46 m，而其他機型均為噴桿式噴頭布局，相鄰噴頭最大間距不超過1.0 m，故在1.5 m飛行高度下8旋翼B型更容易因相鄰噴頭疊加程度不夠產生漏噴，使冠層頂部霧滴沉積率降低而變異系數增大，該無人機作業中飛行高度應適當提升至2.0 m左右以保證噴霧均勻性。因此，安裝相同噴頭時，不同機型間霧滴沉積率及CV值差異并不明顯。但是對于全部4種機型，在2.2～3.6 m/s側風作用下，相比于TR空心圓錐噴頭，IDK空氣射流噴頭霧滴沉積率均有顯著提高，同時CV值大幅降低，表明IDK空氣射流噴頭可以顯著提高無人機果園作業航線下方沉積效果，優化霧滴分布均勻性。

2.2 地面霧滴飄移

試驗中不同處理組中值飄移率隨下風向距離變化如圖4所示，使用SPSS 22.0軟件（美國IBM公司）進行非線性回歸分析并繪制回歸曲線（圖4），圖5則為計算得出的平均中值飄移率AMDR值和90%累積飄移距離90%。由圖4可知，無人機噴霧飄移從噴幅邊緣至下風向20 m處逐漸衰減，飄移率下降最快的區域在5 m以內，20 m處飄移率均不足1.0%；獲得的所有回歸方程2值均大于0.95，表明指數函數回歸擬合效果良好，無人機噴霧飄移率與下風向距離的關系基本滿足指數函數dep%=·e·x的關系，其中，為常數項，＞0，＜0。

注：IDK和TR為不同類型噴頭。下同。

對于不同噴頭，將飄移率變化曲線結合它們的AMDR值和90%累積飄移距離（圖5）綜合考慮，搭載IDK空氣射流噴頭的無人機噴霧在下風向不同距離霧滴飄移水平均明顯低于TR空心圓錐噴頭處理組，相同機型作業中在施藥液量為空心圓錐噴頭2~3倍的情況下，飄移率還不足一半，測得的單位面積霧滴沉積量和歸一化處理后的不同下風向距離飄移率都更低，此外空氣射流噴頭還能不同程度上減小90%累積飄移距離（除8旋翼A型，90%可下降2.0 ~5.0 m），體現出其在果園噴霧作業中特別是飛行高度高，側風強時優秀的抗飄移性能。針對不同機型，從圖4中不同下風向距離的飄移率可以發現，搭載IDK空氣射流噴頭時由于霧滴粒徑較大（300m左右），單旋翼、6旋翼及8旋翼A型霧滴沿下風向距離飄移率水平均較低，但8旋翼A型90%值反而在各處理組中最大（11.4 m），甚至高于TR空心圓錐噴頭處理組，這是由于該組不僅下風向3 m處的最高飄移率在各組中最低，其他下風向距離的飄移率水平也均較低，噴霧飄移量由高到低的變化范圍相對其他組更小，造成計算出的累積飄移比例達到90%時的飄移距離較遠；結合圖5結果可知，各組在使用同種噴頭時平均中值飄移率均沒有顯著性差異，僅8旋翼B型因飛行高度較低導致漏噴引起AMDR值較高，4種機型90%累積飄移距離90%在4.9～11.4 m范圍內，說明植保無人機葡萄園噴霧作業緩沖區距離至少應設到15 m。

圖5 各機型地面培養皿霧滴平均中值飄移率和90%累積飄移距離

2.3 近地飄移測試平臺

近地飄移測試平臺測得的飄移率為無人機第1條航線作業后的單噴幅飄移結果，圖6與圖7分別展示了近地飄移率隨下風向距離變化曲線及其指數函數回歸方程以及霧滴平均均值飄移率AADR值、90%累積飄移距離。

圖6 近地飄移測試平臺飄移率隨下風向距離變化及其指數函數回歸曲線

圖7 各機型近地飄移測試平臺霧滴平均均值飄移率和90%累積飄移距離

從圖中結果可以發現：飄移率在5.0 m以內迅速下降，5.0～10 m范圍內衰減速率放緩，10 m以外基本維持穩定；對于非線性回歸分析結果，除處理組2和3中2值為0.89左右以外，獲得的其他所有回歸方程2值均大于0.92，該平臺測得的近地飄移率與下風向距離的關系同樣可用指數函數關系來描述；使用IDK空氣射流噴頭可以不同程度降低無人機噴霧在下風向不同距離的飄移率、AADR值和90%累積飄移距離，而搭載同種噴頭不同機型的這3項指標則差異不大。以上結果表明，飄移測試平臺測得的單噴幅近地霧滴飄移結果基本符合通過地面培養皿得到的3噴幅飄移結果。

2.4 空中飄移收集裝置

圖8為不同處理組在下風向2.0 m處霧滴空中飄移率在不同高度的豎直方向分布情況。飄移率豎直分布可以顯示，無人機噴霧下風向空中飄移率隨高度從高到底逐漸增大，TR空心圓錐噴頭在接近框架底部位置飄移量幾乎為全部噴灑量?？傮w飄移水平上看，不同機型分布表現出不同程度差異，對于IDK空氣射流噴頭，8旋翼B型空中飄移率較高，單旋翼次之，其他2種機型較低；對于TR空心圓錐噴頭，單旋翼空中飄移率均較高，8旋翼B型次之，8旋翼A型和6旋翼飄移相對較少。無論哪種機型，IDK空氣射流噴頭能有效減少無人機在各高度的霧滴飄移率，部分處理組特別是TR空心圓錐噴頭在飛行高度3.5 m及以上仍可收集到一定體積霧滴，計算可得單旋翼和8旋翼B型裝配TR空心圓錐噴頭航線平面以上飄移量甚至分別可以占到豎直裝置總飄移量的14.7%和16.5%（處理組2和8），其他處理組在1.2%到8.9%范圍內。此前有關無人機旋翼流場模擬研究顯示，飛行速度2.0 m/s時機身下方約有30%左右的霧滴因受翼尖渦流的影響在噴桿外側呈螺旋狀運動[10]，分析可知飛行高度以上部分飄移霧滴應是細霧滴隨著旋翼下洗氣流與外界空氣共同作用產生的這種卷揚渦流飄移到PE軟管上，它們大多不具有豎直向下的速度分量，難以繼續下降沉積，往往會在空氣中蒸發，尤其是在高溫環境下，導致農藥有效成分顆粒繼續隨風飄移至非靶標環境帶來危害，表明在側風作用下無人機果園常規噴霧作業的空中飄移風險較大。

圖8 各處理組不同高度下空中飄移收集裝置飄移率

根據豎直方向飄移率計算得出的空間飄移指數ADX值如圖9所示。圖9中可以看出，相同機型無人機搭載IDK空氣射流噴頭的處理組空間飄移指數顯著小于TR空心圓錐噴頭；對于IDK空氣射流噴頭，下風向2.0 m處ADX值由大到小分別排序依次為8旋翼B、單旋翼、8旋翼A、6旋翼；對于TR空心圓錐噴頭，ADX值由大到小排序依次為：單旋翼、8旋翼B、8旋翼A、6旋翼。該結果與豎直收集框架測試結果相符，說明ADX指數可以有效反映植保無人機噴霧霧滴在同一豎直平面的空中飄移情況；與地面培養皿和近地飄移測試平臺的測試結果相比，也可發現ADX指數呈現的各組飄移率相對大小關系與它們基本一致，只是單旋翼、8旋翼B型裝配TR空心圓錐噴頭處理組的飄移率水平更高，這是因為兩組飛行高度以上的空中飄移霧滴較多，這部分霧滴蒸發后下風向地面收集裝置難以測到。

圖9 各機型空中飄移測試裝置空間飄移指數

另外，植保無人機旋翼下洗氣流場是促進霧滴沉降沉積到靶標作物的最重要因素，也屬于氣流輔助噴霧方式，通常來說，下洗氣流場越強則對霧滴的下壓作用越明顯，農藥霧滴沉積率應該越高，受側風影響的飄移損失越少。但是，從表1中4種機型凈質量、藥箱容量和最大起飛質量可知，正常工作狀態下旋翼下洗氣流場強弱順序應為：單旋翼、8旋翼A型、8旋翼B型、6旋翼，與各機型搭載TR空心圓錐噴頭時的ADX值大小排序類似，這意味著旋翼下洗氣流更強時飛行狀態下的卷揚渦流也更強，在渦流的裹挾作用下會有更多霧滴向航線兩側方向擴散，造成更嚴重的下風向飄移，表明旋翼下洗氣流與外界空氣共同作用產生的卷揚渦流是影響無人機噴霧飄移的重要因素。

試驗中不同機型的旋翼下洗氣流場存在一些差異，一般認為外界高速氣流除了對霧滴產生裹挾作用以外還會使霧滴產生二次霧化導致粒徑改變，但根據對單旋翼及多旋翼植保無人機下洗氣流場的模擬和實測[30-32]，無人機下洗氣流場各位置最大風速一般不超過15 m/s，有研究表明扇形和空氣射流噴頭在33.3～84.7 m/s高風速下霧滴粒徑及其分布會發生明顯變化[33]，而在低速氣流下即無人機的旋翼下洗氣流場是否可以改變霧滴粒徑大小尚不明確，因此下一步需要繼續探索旋翼風場特性對藥液霧化的影響。

2.5 不同收集裝置飄移測試結果分析與討論

前文結果中發現，無論地面培養皿、冠層沉積PVC卡、近地飄移測試平臺和空中霧滴飄移收集裝置飄移結果都能不同程度上反映各處理組噴霧飄移特性。一般認為，收集地面飄移沉降霧滴是噴霧飄移研究中最常用且最直觀反映下風向不同距離地面飄移真實值的直接測量方法[30-31]，其他方法無論間接測量還是直接測量都需要將結果與田間地面飄移沉積結果進行對比分析[32-33]。因此，基于前文分析結果，將各種不同飄移收集裝置測試結果與地面培養皿飄移結果使用SPSS 22.0軟件進行雙側相關性檢驗，檢驗結果見表3。由表中數據可知，在本文試驗條件下，無人機果園噴霧地面培養皿AMDR值與冠層PVC卡測得的沉積率和沉積率CV值、近地飄移測試平臺AADR值以及空間飄移指數ADX值均表現出顯著相關關系（＜0.05），其中與冠層沉積率成顯著負相關（＜0），與其他3個指標都成極顯著正相關（＜0.01，＞0）；地面培養皿90%累積飄移距離與近地飄移測試平臺90%累積飄移距離呈現極顯著正相關關系（＜0.01，＞0）。此結果表明：對于沉積分布結果，沉積率越小，分布均勻性越差，噴霧飄移率越高；對于近地飄移平臺結果，AADR值和90%累積飄移距離越大表示飄移風險越高；對于空中飄移測試裝置，空間飄移指數ADX值越大說明噴霧飄移水平越高。

根據各收集裝置獲得測試指標之間的相關性結果，以與地面培養皿飄移結果具有顯著相關關系的指標作為自變量，AMDR值與90%值作為因變量，進行回歸分析，回歸分析結果如表4所示。表中結果顯示，除冠層沉積率回歸擬合優度稍差以外（可決系數2不足0.6），其他指標回歸方程2均大于0.8，AMDR值與飄移測試平臺AADR值、AMDR值與ADX值以及2種90%累積飄移距離之間回歸方程2都可超過0.9，擬合優度較高。

表4 試驗中不同收集裝置飄移測試結果相關性分析結果

注：本文取顯著性水平=0.05，表中“**”代表極顯著，“*”代表顯著。

Note: Significance level at=0.05is taken in this study. ‘**’ represents very significant and ‘*’represents significant.

表5 地面培養皿平均中值飄移率和90%累積飄移距離與其顯著相關因素回歸分析結果

注：回歸方程中90%-P為地面培養皿測得的90%累積飄移距離，90%-B為近地飄移測試平臺測得的90%累積飄移距離。

Note:90%-Prepresents 90% cumulative drift distance measured via ground petri dish and90%-Brepresents that via field drift test bench.

以上結果表明，冠層PVC卡測得的沉積分布結果以及近地飄移測試平臺、空中霧滴飄移收集裝置獲取的噴霧飄移結果均與地面培養皿測得結果表現出顯著相關關系，田間近地飄移平臺和空中飄移裝置測試不僅能獲取豎直方向和下風向飄移霧滴分布，還能分別用于推算下風向飄移AMDR值和90%累積飄移距離，有效評估植保無人機噴霧下風向地面飄移特性。因此，據此可對植保無人機田間噴霧飄移測試方法進行優化或簡化，在具備完整試驗條件時，除地面飄移收集裝置以外，增加平行于航線的下風向空中飄移收集裝置，以獲取豎直方向空中霧滴飄移分布，將航線高度以上霧滴飄移量納入飄移特性評估中，提高測試結果完整度和可信度；在不具備完整試驗條件時，僅通過布置垂直于航線方向的近地飄移測試平臺和空中飄移收集裝置（或二選一），就能在獲得真實可信測試結果的前提下大幅度減少飄移測試工作量、用水量和熒光示蹤劑等耗材用量，充分利用田間不可控的氣象條件，節約科研成本并提高田間試驗效率。

3 結 論

本文提出了一種基于仿真果園試驗臺的植保無人機施藥霧滴飄移測試方法，采用該方法對4種典型植保無人機搭載IDK 120-015空氣射流噴頭和TR 80-0067空心圓錐噴頭進行了實際作業噴霧飄移測試，針對不同飄移測試收集裝置獲得的結果進行分析和比較，主要結論如下：

1）在側風速2.4～3.6 m/s，溫度29.8～34.3 ℃，相對濕度10.7～30.6%的環境條件下，在高度1.5 m（距地面3.5 m）、速度2.0 m/s參數下IDK空氣射流噴頭可顯著降低下風向霧滴飄移水平，優化沉積分布均勻性，提高農藥霧滴利用率；4種機型飄移特性無顯著差異，旋翼下洗氣流產生的卷揚渦流是影響無人機噴霧飄移的重要因素，葡萄園噴霧作業緩沖區至少應設置為15 m。

2）植保無人機噴霧飄移率與下風向距離之間關系模型可用指數函數來描述。

3）冠層沉積率越小、沉積分布變異系數越大、近地飄移測試平臺AADR值和90%累積飄移距離越大以及空間飄移指數ADX值越大均能說明霧滴飄移風險越高，3種飄移測試收集裝置及其評價指標均可有效評估植保無人機噴霧下風向飄移特性；霧滴空間飄移指數ADX計算方法適合定量計算及分析比較不同機型和作業參數下噴霧農藥霧滴空間飄移特性，可為果園專用植保無人機設計、研發及應用提供數據支持。

后續將進一步通過大量田間試驗獲取數據來明確針對不同施藥參數和環境參數的飄移率與下風向距離關系模型常數項數值，探索建立植保無人機噴霧飄移模型，為植保無人機果園噴霧田間作業參數的選擇提供參考。

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Measuring method and experiment on spray drift of chemicals applied by UAV sprayer based on an artificial orchard test bench

Wang Changling1,2, He Xiongkui1,3※, Zeng Aijun1,3, Andreas Herbst4, Supakorn Wongsuk1,3, Qiao Baiyu1,3, Zhao Cheng1,3, Yuan Shankui5, Zhong Ling6, Verena Overbeck4, Jane Bonds7, Yang Yi8, Zhou Guoqiang9, Wang Xuan10, Gao Wanlin2

(1.1001932.1001933.1001934.D-381045.1001256.330096,7;81022029.45500110518057)

In recent years, low-altitude and low-volume plant protection operations using unmanned aerial vehicle (UAV) sprayer developed rapidly in China with the advantages of high efficiency, labour saving, high safety, high terrain adaptability, high flexibility, water and chemicals saving, and high intelligence. With the UAV application technology in field crops is becoming more and more mature, aerial spraying operations in orchards are promising and in the ascendant, but a high risk of UAV spray drift is appearing due to high working height and fine droplets sprayed in slope orchards, highlighting the necessity of the study on the spray drift characteristics of UAV chemicals application for fruit trees. Therefore, based on previous research, a novel type of measuring method of spray drift for UAV chemicals application in orchard was proposed in this study and an artificial orchard test stand (vineyard) and 3 airborne drift frame collectors were designed and built, and a set of field drift test bench was firstly used to collect aerial spray drift droplets at different downwind distances, together with ground drift collectors and canopy deposition collectors. An airborne drift index (ADX) of UAV’s spray was initially applied for quantitative analysis to compare spray drift characteristics of different models of unmanned aircrafts and variable operation parameters. Fluorescence tracer Pyranine water solution was prepared at the concentration of 0.1% as the spray liquid. Four typical types of plant protection UAV (a single-rotor oil-powered helicopter, a 6-rotor motor drone and two models of 8-rotor motor drones) equipped with conventional hollow cone nozzle ‘TR 80-0067’ and air-induction anti-drift nozzle ‘IDK 120-015’were tested in the artificial vineyard, and results of canopy deposition distribution, ground sediment drift, near-ground drift, and airborne drift were obtained and analysed, and different sampling collectors for spray drift were evaluated and compared. The results showed that: Under the environmental conditions that the nominal crosswind speed was 2.4-3.6 m/s, the temperature was 29.8-34.3 ℃ and relative humidity was 10.7%-30.6%, at the flight height of 1.5 m (3.5 m from the ground) and the speed of 2.0 m/s the air-induction nozzle IDK can significantly reduce the level of downwind spray drift of UAV, optimize the uniformity of deposition distribution and increase the effective utilization rate of chemicals; There was no significant difference in the drift characteristics of the 4 types of unmanned aircraft, and the vortex generated by the combination of the rotor’s downwash airflow and the external wind was an important factor on spray drift; Buffer zone of UAV aerial spraying operation in vineyards should be set at at least 15 m; The lower the canopy deposition rate (<0.05,<0), the worse the uniformity of deposition distribution (<0.01,>0), the larger the average average drift rate (AADR) and 90% cumulative drift distance90%of the field drift test bench (<0.01,> 0), the greater the ADX value (<0.01,> 0) all indicated the higher spray drift risk, respectively; Both these sampling collectors and their evaluation index could assess the downwind drift characteristics effectively; the relationship between the UAV spray drift ratedep%and the downwind distancewas described by the exponential function. The results of this study are expected to provide references and data supports for the R&D of UAV dedicated for orchard spraying, the formulation of standards on spray drift field measuring method for UAV orchard operations and the selection of aerial application working parameters in orchards.

unmanned aerial vehicle; experiment；spray; downwind; airborne drift; groundsediment drift; measuring method

王昌陵，何雄奎，曾愛軍，等. 基于仿真果園試驗臺的植保無人機施藥霧滴飄移測試方法與試驗[J]. 農業工程學報，2020，36(13)：56-66.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.007 http://www.tcsae.org

Wang Changling, He Xiongkui, Zeng Aijun, et al. Measuring method and experiment on spray drift of chemicals applied by UAV sprayer based on an artificial orchard test bench[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(13): 56-66. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.007 http://www.tcsae.org

2020-02-25

2020-06-01

國家重點研發計劃資助（2017YFD02003）；國家自然科學基金資助項目（31761133019）；中國博士后科學基金資助項目（2019M650907）

王昌陵，博士后，主要從事低空低量植保施藥技術研究。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。Email：xiongkui@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.007

S252+.3

A

1002-6819(2020)-13-0056-11