航空植保噴施參數(shù)對蘋果樹霧滴沉積特性影響

劉 琪,蘭玉彬,3,單常峰,毛越東

(1.山東理工大學 農(nóng)業(yè)工程與食品科學學院,山東 淄博 255000;2. 國家精準農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國際聯(lián)合研究中心 山東理工大學分中心, 山東 淄博 255000;3. 山東省農(nóng)業(yè)航空智能裝備工程技術(shù)研究中心,山東 淄博 255000;4.深圳高科新農(nóng)技術(shù)有限公司,廣東 深圳 518000)

0 引言

我國水果種植面積和產(chǎn)量均居世界第一,到2026年將是我國水果產(chǎn)業(yè)發(fā)展的黃金時段[1],我國水果產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)與管理的現(xiàn)代化水平將得到飛躍的提升,果園機械化管理作業(yè)模式必將取代傳統(tǒng)人工作業(yè)方式。我國果園機械化程度要遠低于稻麥類機械化水平,研究表明:平地果園和丘陵山地果園的綜合機械化作業(yè)水平分別為16%和5.75%[2]。按照果園的作業(yè)性質(zhì)可以分為:土壤耕作、樹體管理、病蟲害防治、果實收獲和灌溉。其中,病蟲害防治工作占全年工作總量的30%[3],每年因病蟲害產(chǎn)量損失達25%以上,經(jīng)濟損失達數(shù)十億元。目前,我國果園使用的施藥器械自動化水平較低,主要類型有手動背負式噴霧機、擔架式噴霧機,然而這些施藥器械為大容量噴霧,果樹沉積率僅為30%左右,大量的農(nóng)藥流失在空氣和土壤中,污染環(huán)境,危害施藥人員的健康,且勞動力成本昂貴、環(huán)境保護的迫切性等加快了我國果園產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整與升級[4]。

近年來,果園施藥器械受到國內(nèi)外很多學者專家的關注,研發(fā)了多種果園施藥噴霧機,主要有:傳統(tǒng)軸流風送式噴霧機、塔式風送式噴霧機、加農(nóng)炮式噴霧機、隧道式噴霧機,以及用戶定制式或改良版風送式噴霧機[5-7],農(nóng)藥有效利用率在80%以上。由于國外農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度較高,果園在種植時已考慮到了機械化作業(yè)的要求,在果園工藝、種植模式與結(jié)構(gòu)上均較為統(tǒng)一;而我國新老果園種植模式參差不齊,單一類型的施藥噴霧機只適合在特定種植模式的果園中行走作業(yè),不利于大面積推廣作業(yè)。植保無人機順應時代的要求,作為一種新型的農(nóng)機具發(fā)展迅猛,科研人員在大田作物上進行了大量的霧滴沉積分布規(guī)律等基礎性的試驗研究[8-14],對植保飛機在不同作物上進行噴施作業(yè)的藥效進行評估試驗,表明植保飛機在大田作物上的噴施作業(yè)能夠達到防治效果[15-16]。隨后,專家學者和飛防組織開始探索植保飛機在經(jīng)濟作物上的作業(yè)模式,并開展了部分的研究工作。陳再勵等人[17]設計了一種面向丘陵山地果樹植株的植保無人機軌跡跟蹤控制器,根據(jù)作業(yè)任務和場景特點,合理規(guī)劃作業(yè)航跡,實現(xiàn)了高精度。楊瑋等人[18]基于變介電常數(shù)電容器原理的葉面濕度傳感器,開發(fā)了無人機低空施藥中果樹葉片霧滴沉積量自動檢測系統(tǒng),實現(xiàn)了對果樹葉片沉積量的實時測量,且驗證了系統(tǒng)的實用性。陳盛德等人[19]研究了六旋翼植保無人機噴霧參數(shù)對橘樹霧滴沉積分布的影響,試驗結(jié)果表明較佳的作業(yè)參數(shù)是噴頭流量為1.0L/min、作業(yè)高度2.5m、作業(yè)速度4m/s。然而,現(xiàn)階段植保無人機針對于果樹的施藥模式與大田作物的相同,果樹樹形生長狀況及種植模式的特殊性與無人機施藥技術(shù)的匹配程度研究的報道尚少,且在實際飛防作業(yè)中發(fā)現(xiàn),在噴施果樹時采用大田的作業(yè)模式難以達到防治要求,因此研究針對果樹的飛防作業(yè)模式和開發(fā)適用于果樹的噴灑系統(tǒng)尤為重要。

本文以電動單旋翼植保無人機為例, 優(yōu)化了噴灑系統(tǒng)中噴頭的最佳間距參數(shù),以此為基礎并根據(jù)直升機風場分布的特點,確定了噴灑系統(tǒng)噴頭安裝位置參數(shù),研究了電動植保無人直升機飛行高度、飛行速度及噴頭位置參數(shù)對霧滴在蘋果樹上的沉積分布的影響,開發(fā)出適用于果樹噴灑的作業(yè)模式,增加了農(nóng)藥的有效利用率,提高了植保無人機的作業(yè)質(zhì)量,為植保無人機作業(yè)提供了科學的數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗設備

試驗采用深圳高科新農(nóng)技術(shù)有限公司生產(chǎn)的電動單旋翼植保無人機S40。該機型具體性能參數(shù)如下:外形尺寸(長×寬×高)為2 219mm×569mm×720mm,主旋翼長度為24 000mm,最大載藥量為20L,安全作業(yè)速度范圍為0～6m/s。試驗時,飛機噴桿上安裝了5個VK-6空心圓錐噴頭,經(jīng)實際測定,噴頭噴霧壓力為1MPa,VK-6單支噴頭的流量為0.185L/min,總流量為0.925L/min。

環(huán)境監(jiān)測儀器為普?？骑L向風速儀,以實時監(jiān)測試驗環(huán)境中的風速風向;采用?，擜R807溫濕度計,記錄試驗時的溫濕度數(shù)據(jù)。選用誘惑紅食品添加劑作為液體染色劑,采用銅版紙(30mm×70mm)作為霧滴采集卡收集霧滴;試驗用具還包括曲回針、標簽紙、密封袋及米尺等。

1.2 試驗設計

1.2.1 噴灑系統(tǒng)噴頭間距參數(shù)優(yōu)化試驗

試驗地點為深圳市大鵬新區(qū)華大基因試驗田,試驗時間為2018年1月30日下午13:00-18:00。選擇在寬闊的試驗田進行試驗,試驗田面積為30m×50m。如圖1所示:設置兩條采樣帶,每條采樣帶的長度為12m,采樣帶之間的間距為10m,采樣帶的延伸方向與飛機飛行方向垂直,且飛機的航線經(jīng)過采樣帶的中點;采樣帶中相鄰2個采樣點之間的距離為0.5m,采樣點距離地面的高度為0.8m。

(a) 飛機噴施試驗實物圖

石強等[20]的研究提出,噴桿長度不應超過旋翼的直徑。文晟等[21]的研究表明:噴頭的位置越靠近主旋翼的邊緣,霧滴越容易被翼尖渦流卷吸。綜合以上研究,本次試驗選用的噴桿長度范圍為旋翼直徑的85%～90%之間,即噴桿長度為2.1m。噴桿上噴頭間距過大和過小都會導致重噴漏噴,為了選擇合適的噴頭間距參數(shù),試驗前進行了大量的噴霧初探測試,通過直觀觀察和數(shù)據(jù)分析,得出了一個較佳的噴頭間距區(qū)間。本研究設計了3種不同的噴頭間距,相鄰噴頭之間的距離分別為:設置一,60、45、45、60cm;設置二,55、50、50、55cm;設置三,50、55、55、50cm。陳盛德等人[22]在研究噴霧參數(shù)對水稻霧滴沉積分布的影響試驗中表明,飛行高度對靶區(qū)采集點影響顯著。為避免飛行高度影響噴頭最佳間距的判定,將飛行高度也作為試驗考察的因素,飛行高度設置為1.5、2、2.5m,據(jù)調(diào)查,飛控手的常規(guī)飛行速度為6m/s,故選用此飛行速度作為試驗的飛行速度。表1為噴灑系統(tǒng)試驗方案設計表。

表1 噴灑系統(tǒng)試驗方案表

表2 正交試驗試驗方案列表

1.2.2 蘋果樹噴施參數(shù)和飛行參數(shù)試驗

無人機飛行參數(shù)和噴灑系統(tǒng)噴頭安裝位置參數(shù)對農(nóng)藥霧滴在蘋果樹上沉積分布的影響試驗選擇在山西省臨汾市蘋果園內(nèi)進行,試驗時間為2018年5月12日下午13:00-16:30,此時蘋果樹正值花期。蘋果樹平均行間距為2.8m×3.1m,樹冠厚2.2m,冠層寬度4.8m,果樹樹高2.6m。選擇在一棵果樹上進行所有的試驗組次,以減小試驗誤差。試驗果樹的生長狀態(tài)處于果園內(nèi)蘋果樹的平均生長狀態(tài)。

根據(jù)蘋果樹花期枝葉的生長情況,在蘋果樹的生長方向上將果樹樹冠分為上、中、下3層,分別距離地面的高度為2.4、2、1.5m,上層采樣點位于果樹冠層表面,中層和下層的采樣點靠近果樹內(nèi)側(cè),以便測試其穿透能力。每層布置6個采樣點,6個采樣點位于一個圓周上,且將圓等分,即相鄰2個采樣點之間的夾角為60°,其具體布置方式如圖2所示,試驗時飛機的航線經(jīng)過試驗果樹的正上方。

圖2 果樹采樣點布置圖

噴灑系統(tǒng)噴頭安裝位置參數(shù)設計:由直升機飛行原理可知,直升機通過旋翼上下的壓差提供升力,旋翼由內(nèi)往外,轉(zhuǎn)速增大,即空氣相對流動速度增大,旋翼下方的下壓風場越靠近旋翼邊緣越大。結(jié)合風場分布規(guī)律及噴頭間距試驗結(jié)果,設計了3種噴灑系統(tǒng)噴頭安裝位置參數(shù)。噴桿上分布5個噴頭,其中一個噴頭位于主旋翼的正下方。設計一:以噴灑系統(tǒng)噴頭間距參數(shù)優(yōu)化試驗中評價的最優(yōu)結(jié)果相對應的噴頭安裝位置參數(shù)為設計一。設計二:為了探索噴頭相對于旋翼位置不變而改變其相對于機體的位置對霧滴在蘋果樹上分布的影響,將兩根噴桿交叉固定使其夾角為90°,調(diào)整后的噴頭相對于機體延伸方向?qū)ΨQ分布,噴頭的位置相對于主旋翼位置不變。設計三:為充分利用無人機主旋翼風場,將兩側(cè)的4個噴頭均移動到交叉噴桿的外側(cè),使其相對旋翼的位置一致,具體布置方式如圖3所示。

(a) 設計一 (b) 設計二 (c) 設計三

通過設計3因素3水平的正交試驗,來考察飛行高度、飛行速度和噴頭安裝方式參數(shù)對霧滴沉積分布的影響?？紤]到直升機在果樹上方飛行的安全性,選用飛行高度2m和2.5m作為兩個試驗因素水平,采用擬水平法來設計試驗,將因素A水平2代替水平1來進行試驗。

1.3 設計數(shù)據(jù)分析處理

1.3.1 設計數(shù)據(jù)采集與處理方法

每次噴施試驗結(jié)束后等2min待霧滴全部沉降干燥后采集霧滴測試紙卡,將紙卡放入密封袋內(nèi)密封保存。在短時間內(nèi)用掃描儀將測試紙卡承接霧滴數(shù)據(jù)的一面掃描并存儲在電腦上,并用Deposits圖像處理軟件對每張測試紙上的數(shù)據(jù)進行分析。

在處理不同噴頭間距試驗數(shù)據(jù)時采用霧滴密度變異系數(shù)CV[23]來衡量有效噴幅內(nèi)霧滴噴灑的均勻性,變異系數(shù)越大,噴灑越不均勻。用數(shù)據(jù)處理軟件SPSS采用方差分析法對噴頭間距試驗中噴頭間距和飛行高度進行顯著性分析,來說明變量因素對試驗結(jié)果的影響程度。

1.3.2 設計噴施噴幅評價方法

采用霧滴密度參數(shù)來判定有效噴幅,根據(jù)《中華人民共和國民用航空行業(yè)標準》中《植保無人機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》[24]規(guī)定:飛機在進行超低容量噴霧時,從采樣區(qū)兩端逐個測點進行檢查,兩端首個單位面積霧滴數(shù)不小于15滴/cm2的測點位置作為作業(yè)噴幅2個邊界。

1.3.3 設計氣象參數(shù)采集

在田間進行噴施霧化試驗時,用風速風向儀和溫濕度氣象站實時記錄氣象條件,表3為兩次試驗的氣象條件數(shù)據(jù)。

表3 試驗氣象參數(shù)表

2 設計結(jié)果與分析

2.1 設計噴灑系統(tǒng)噴頭間距試驗數(shù)據(jù)分析

2.1.1 設計噴幅及霧滴密度變異系數(shù)分析

采用霧滴密度和霧滴密度變異系數(shù)參數(shù)分別來評定無人機噴施時的噴幅和霧滴分布均勻性。從表4中可以看出:當噴頭間距為55、50、50、55cm時,無人機在飛行高度為1.5、2、2.5m的噴幅均最大,霧滴密度變異系數(shù)均最小,說明在此噴頭間距參數(shù)下進行噴施作業(yè)時效率最高,霧滴分布最均勻。造成這一現(xiàn)象的原因可能是噴頭間距為55、50、50、55cm時,噴出的霧滴能最大限度地利用旋翼風場,噴桿上距離中央噴頭50cm的兩個噴頭噴射出的霧滴在風場中做鋪展運動,霧滴較為均勻地分散在風場中,因此沉積在冠層的霧滴分布較為均勻。在噴頭間距為55、50、50、55cm,飛行高度為2m時,噴幅最大,兩條采樣帶的噴幅均為7m,此時霧滴密度變異系數(shù)最小,分別為63%和44.5%,霧滴分布最為均勻。因此,在進行蘋果樹噴灑時以此噴頭間隔參數(shù)為設計基準進行飛行參數(shù)和噴灑參數(shù)的試驗研究。

表4 噴幅及變異系數(shù)列表

2.1.2 設計顯著性分析

根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)結(jié)果,采用方差分析法可得到表5。

表5 方差分析表

從表5中可以看出:飛行高度Sig.=0.811,P>0.01,噴嘴間距Sig.=0.006,P<0.01,表明噴嘴間距對幅寬的影響達到了極顯著水平,而飛行高度對幅寬影響不顯著;噴嘴間距和飛行高度對霧滴密度變異系數(shù)的方差分析中,噴嘴間距Sig.=0.389,P>0.01,飛行高度Sig.=0.577,P>0.01,說明飛行高度和噴嘴間距對霧滴分布均勻性的影響不顯著。

2.2 設計果樹噴灑試驗分析

2.2.1 設計霧滴密度沉積結(jié)果

表6為正交試驗的試驗結(jié)果。從霧滴密度參數(shù)角度進行分析,對試驗中每層6個采樣點做均值化處理,可得到表6中的數(shù)據(jù)。通過對上中下3層霧滴密度平均值進行變異系數(shù)計算,可評價每組試驗霧滴在果樹冠層的穿透力。通過直觀觀察9組試驗數(shù)據(jù)可以看出:當飛行高度為2m、飛行速度為2m/s、噴頭安裝方式為一字型時,霧滴在上中下3層沉積的密度較大,平均霧滴密度分別為237.9、169.95、54.4個/cm2,此時霧滴密度變異系數(shù)在9組試驗中較小,為60.21%,此參數(shù)下進行的噴施作業(yè)相比與其他作業(yè)參數(shù)較優(yōu)。

表6 正交試驗霧滴密度數(shù)據(jù)列表

2.2.2 設計霧滴沉積極差分析

采用極差分析法處理正交試驗的結(jié)果,極差值R表示該因素在其取值范圍內(nèi)試驗指標變化的幅度,R越大,表示該因素的水平變化對試驗結(jié)果的影響越大,該因素在試驗中就越重要。通過觀察表6中的R值,可以看出:因素A、B和C在果樹上層的R值分別為50.7、74.8和32.6,對應的各因素的R值從大到小排序為RB>RA>RC,說明影響試驗結(jié)果的主次因素依次為飛行速度>飛行高度>噴灑系統(tǒng)噴頭設置。同理,影響果樹中層和下層霧滴分布的主次因素分別為:飛行速度>噴灑系統(tǒng)噴頭設置>飛行高度,噴灑系統(tǒng)噴頭設置>飛行高度>飛行速度。由于位于蘋果樹上層和中層的采樣點靠近樹冠的上部,噴灑出的霧滴在穿越樹冠時受到阻礙較小,此時影響霧滴在中上層分布的主要因素為飛行速度,飛行速度越小,單位時間內(nèi)沉積在葉片上的霧滴量就越多;而霧滴穿越整個樹冠到達果樹下層時,大部分的霧滴被采樣點上層的枝葉攔截,若霧滴的初始狀態(tài)能夠有效利用旋翼風場,使其獲得較大的動能,就會增加霧滴穿越果樹冠層作用于果樹下層的幾率,因此決定霧滴初始狀態(tài)的噴頭位置參數(shù)尤為重要。

3 討論與結(jié)論

1)在探索電動單旋翼直升機噴灑系統(tǒng)噴頭間距和飛行高度對噴幅和霧滴分布均勻性的影響時,根據(jù)噴灑幅寬和霧滴密度變異系數(shù)的結(jié)果,得出飛行高度2m、噴頭間距55、50、50、55cm時噴灑幅寬最大為7m,霧滴密度變異系數(shù)為63%和44.5%,霧滴分布最為均勻。通過方差分析可知:噴頭間距對噴幅具有顯著性影響。旋翼風場通過旋翼轉(zhuǎn)動生成,不同旋翼位置風場強度不同,當噴頭位于合適的位置時,噴灑出的霧滴在風場中即能均勻地分散開來,又能有效利用風場做鋪展運動[25],拓寬有效噴幅。在試驗中發(fā)現(xiàn):飛行高度過高,容易產(chǎn)生飄移;飛行高度過低時,霧滴在風場中運動的時間較短,未完全鋪展就達到了靶標作物,導致作物上的霧滴分布不均勻,且易損傷作物。

2)通過對蘋果樹進行飛行高度、飛行速度和噴灑系統(tǒng)噴頭安裝位置正交試驗,可以得到以下結(jié)果:影響蘋果樹上、中、下3層的主次因素分別為飛行速度>飛行高度>噴灑系統(tǒng)噴頭設置,飛行速度>噴灑系統(tǒng)噴頭設置>飛行高度,噴灑系統(tǒng)噴頭設置>飛行高度>飛行速度;在噴施作業(yè)中對于蘋果樹上、中、下3層最佳的因素水平均為:飛行高度為2m、飛行速度為1m/s、采用十字交叉型的噴桿布置方式且其中4個噴頭距離交叉點(中央噴頭)1.05m,選用此參數(shù)進行噴施作業(yè)的防治效果可以達到最優(yōu)水平。

3)綜合以上分析,植保無人機在進行植保作業(yè)時,不僅要考慮飛行參數(shù)(飛行高度、飛行速度)的影響,還應合理利用旋翼風場,設計最佳噴頭安放位置參數(shù),將風場與霧場有效地結(jié)合起來,達到最佳的防治效果。