植保無人機作業參數對棕櫚樹霧滴沉積的影響*

郭祥雨，薛新宇，秦維彩，王珊, 2，劉小明

(1. 農業農村部南京農業機械化研究所，南京市，210014； 2. 安徽農業大學工學院，合肥市，230036)

0 引言

棕櫚樹主要分布在我國貴州、廣東、海南等地，是棕櫚油的重要原材料，花、果實、根皆可食用和入藥，樹干可以加工成抗腐蝕的木質產品，因此具有重要的經濟價值[1-2]。其常見病蟲害主要有黃化病、葉斑病、炭疽病、紅棕象甲蟲、蚧殼蟲等，主要發生在葉柄基部和樹冠葉片，嚴重時導致樹木死亡。棕櫚樹高度可達 10 m 以上，地面機械采用從下往上的噴施方式，霧滴的穿透性能力有限，且操作困難。植保無人機作為一種新型施藥裝備，具有適應性強、效率高的優點，其旋翼下洗氣流能夠有效促進霧滴穿透性，噴灑效果好，已經被廣泛應用在大田作物的病蟲害防治中[3-6]。

很多學者在無人機作業參數和沉積分布特性方面作了大量研究。邱白晶等[7]通過試驗方法探究了無人機作業高度、速度及二者間交互作用對噴霧沉積濃度、均勻性的影響。秦維彩等[8]采用N-3無人機研究了噴灑參數對玉米冠層霧滴沉積分布的影響。Zhang等[9]研究了在不同柑橘樹形和不同作業高度下無人機在柑橘樹冠層的霧滴沉積效果。在果樹方面的應用還是較少，陳盛得等[10]研究了單旋翼無人機不同作業參數對柑橘樹的霧滴沉積效果，結果表明飛行速度、高度對霧滴沉積效果影響顯著。王昌陵等[11]探究了無人機飛行參數及參數精準度對小麥田間霧滴沉積分布特性的影響。王娟等[12]從霧滴沉積效果、地面流失霧滴沉積分布、飄移方面探究了單旋翼無人植保機不同作業高度對檳榔樹冠層及地面噴施效果的影響。上述研究果樹外形多為紡錘型，葉片之間的遮擋作用較小，可簡化為多孔介質模型，氣流包裹霧滴容易通過間隙進入冠層內部，而棕櫚樹屬性為倒三角型，葉片類似蒲扇，葉片間遮擋作用很大，霧滴難以到達冠層下部，樹形結構不同使得現有的研究成果難以應用在棕櫚樹病害防治。

國內植保無人機開始在棕櫚樹病蟲害防治中使用，但有關棕櫚樹的飛防試驗和綜合分析的相關文章鮮有報道。本文從噴頭流量、作業高度(距離樹冠的高度)、飛行速度三個關鍵因素入手研究單旋翼植保無人機噴霧參數對棕櫚樹冠層霧滴沉積分布的影響，為單旋翼植保無人機在棕櫚樹飛防作業提供借參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗地點

試驗于2019年11月28號在江蘇省宿遷市沭陽縣花卉基地進行，試驗對象為棕櫚樹，屬于喬木，品種為毛棕，冠層平均高度(包括莖干)為1～1.5 m、冠層平均寬度為2 m，平均株高6 m，株距為2 m。

1.2 試驗設備

本次試驗的設備為LJ-110N型單旋翼油動無人直升機，如圖1所示，其外形尺寸(長×寬×高)為3 000 mm×1 000 mm×1 200 mm，最大載藥量為40 L，飛行速度范圍為3～7 m/s，作業高度范圍3～15 m，有效噴幅≤10 m；本次作業采用02型噴頭，噴頭噴霧壓力為0.32 MPa，噴頭最大平均流量為4.2 mL/min。

圖1 作業機具

Watchdog 2000氣象站記錄本次試驗的溫度、濕度、風速等信息，溫度測量范圍-32 ℃～100 ℃，測量精度0.5 ℃；濕度測量范圍10%～100%，測量精度±3%；風向測量范圍0°～360°，測量精度±3°；風速測量范圍0.1～322 km/h，測量精度±5%。本次試驗的平均溫度為7.5 ℃，風速平均值為2.1 m/s，風向東南。

1.3 試驗設計

每組試驗選擇3顆長勢相同的棕櫚樹，無人機沿著作物正上方中心線飛行。參考《植物保護機械 喬木和灌木作物噴霧量分布的田間測定》標準[13]，按著體積采樣、斷面采樣、地面采樣策略，根據棕櫚生長的情況將樹冠冠層分為上、中、下3層，并在地面布置采樣層。按照圖2進行布樣，每層按照順時針方向進行編號，最上層依次為a-1、a-2、a-3、a-4、a-5，并以同樣的方式對中、下層及地面進行編號，依次是b-1、b-2、b-3、b-4、b-5，c-1、c-2、c-3、c-4、c-5，d-1、d-2、d-3、d-4，共計19個采樣點，每組試驗重復3次，a、b、c組布樣點用于計算霧滴沉積量，d組數據布樣點計算地面霧滴流失量。

圖2 棕櫚樹采樣示意圖

通過設計3因素3水平正交試驗，研究單旋翼無人直升機噴頭流量、作業高度和飛行速度對霧滴沉積的影響。試驗因素、水平如表1所示，其中噴頭流量只有兩個水平，故用第一水平代替第二水平，試驗方案如表2所示。

表1 試驗因素與水平Tab. 1 Test factors and levels

表2 正交試驗方案Tab. 2 Orthogonal test scheme

1.4 數據處理與分析

每組試驗結束，待霧滴采集卡上的霧滴晾干后收集到密封袋中，帶回實驗室進行分析。將收集的采集卡用HP Scanjet200掃描儀掃描，然后用圖像處理軟件Deposit Scan(V1.2)進行分析，可得出霧滴覆蓋率、霧滴沉積個數、沉積量等信息。

為表征試驗中各采集點之間的霧滴沉積穿透性，本研究以飛機有效噴幅區內每個采集點上層、中層、下層霧滴沉積量CV來衡量霧滴沉積穿透性[14-15]，其中，變異系數值越小表示霧滴沉積越均勻，穿透性越好[16-17]。

變異系數

(1)

(2)

式中：S——標準差；

Xi——第i次所得到的霧滴沉積量；

2 試驗結果與分析

不同作業參數的霧滴沉積效果見表3。

表3 不同作業參數霧滴沉積效果Tab. 3 Droplet deposition effect of different operating parameters

2.1 作業參數對霧滴沉積量的影響

綜合分析噴頭流量、作業高度、飛行速度對沉積量的影響程度，篩選出該無人機的最佳作業參數。將上、中、下3層霧滴沉積量進行平均值處理如圖3所示，從圖3中可知，噴頭流量為4.2 L/min，作業高度為3 m，飛行速度為3 m/s所對應的霧滴沉積量最大。第1、2、3組均是在噴頭流量為4.2 L/min作業參數下，飛行速度和作業高度不斷增加，霧滴沉積量呈現減小趨勢，原因在于作業速度增加使得單位面積噴灑時間減小，霧滴沉積量減小，作業高度增加使得霧滴在側風影響下更容易飄散，霧滴沉積量減小。第1、4、7組均是在作業高度為3 m作業參數下，霧滴沉積量呈現減小趨勢，原因在于作業速度增加使得單位面積噴灑時間減小，霧滴沉積量減小，雖然噴頭流量有差異，但是影響程度沒有飛行速度明顯，同理第8、2、5組、第6、9、3組也符合此分析。

圖3 不同作業參數下的平均霧滴沉積量

并借助SPSS V25軟件進行正交試驗方差分析，分析結果見表4。根據表4可知，作業高度和飛行速度所對應的P值均小于0.01，說明作業高度和飛行速度對霧滴沉積量有極顯著影響，噴頭流量所對應的P值均小于0.05，說明噴頭流量對霧滴沉積量有顯著影響。并結合表5的極差分析表可知植保無人機作業因素對霧滴沉積量的影響程度為：作業高度>飛行速度>噴頭流量，最佳水平組合為A1B1C1，即噴頭流量為4.2 L/min，作業高度為3 m，飛行速度為3 m/s，該結果與圖3分析結果一致。

表4 霧滴沉積量方差分析及回歸分析Tab. 4 Variance analysis and regression analysis of droplet deposition

表5 極差分析表Tab. 5 Range analysis table

通過回歸分析可知，回歸方程的系數分別為0.727、0.032、-0.081、-0.076，因此霧滴沉積量與噴頭流量、作業高度、飛行速度之間的關系模型見式(3)，其決定系數為R2=0.992，說明模型可靠。從模型中可知隨著噴頭流量的增大，作業高度的降低，飛行速度的減小，霧滴沉積量呈現增大趨勢。

Y1=0.727+0.032X1-0.081X2-0.076X3

(3)

式中：Y1——霧滴沉積量；

X1——噴頭流量；

X2——作業高度；

X3——飛行速度。

2.2 作業參數對霧滴沉積穿透性的影響

為了研究噴頭流量、作業高度、飛行速度對霧滴沉積穿透性的影響程度，將9組霧滴沉積穿透性數據進行方差分析，分析結果見表6。由表6可知作業高度和飛行速度所對應的P值小于0.05，說明作業高度和飛行速度對霧滴沉積穿透性有顯著影響，噴頭流量所對應的P值大于0.05，說明噴頭流量對霧滴穿透性影響不顯著，因為棕櫚樹樹冠呈倒三角形，內部類似多孔介質模型，比較容易穿透。并結合表7的分析結果可知植保無人機作業因素對霧滴穿透性的影響程度為：作業高度>飛行速度>噴頭流量，最佳作業參數為A2B1C1，即噴頭流量為4.2 L/min，作業高度為3 m，飛行速度為3 m/s。霧滴沉積穿透性主要與作業高度與飛行速度有關系，作業高度和飛行速度決定了植保無人機飛機旋翼風場的強度，從而決定霧滴在作物冠層中穿透力，飛行速度影響了風場持續在霧滴上作用的時間。

表6 霧滴穿透性方差分析Tab. 6 Analysis of variance of droplet penetration

表7 霧滴穿透性極差分析表Tab. 7 Analysis table of fog drop penetration range

通過回歸分析可知，回歸方程的系數分別為49.819、-25.314、15.569、4.252。因此霧滴沉積量與噴頭流量、作業高度、飛行速度之間的關系模型見式(4)，其相關系數R2=0.619。從模型中可知隨著噴頭流量的增大，作業高度的降低，飛行速度的減小，霧滴穿透性呈現減小趨勢。

Y2=49.819-25.314X1+15.569X2+4.252X3

(4)

式中：Y2——霧滴穿透性。

2.3 作業參數對地面流失量的影響

為了研究噴頭流量、作業高度、飛行速度對地面流失量的影響程度，將9組地面流失量數據進行方差分析，分析結果見表8。由表8可知噴頭流量和飛行速度所對應的P值大于0.05，說明噴頭流量和飛行速度對地面流失量沒有顯著影響，作業高度所對應的P值小于0.05，說明作業高度對地面流失量有顯著影響，并結合表9的分析結果可知此植保無人機作業因素對霧滴穿透性的影響程度為：作業高度>飛行速度>噴頭流量，最佳作業參數為A2B1C2，即噴頭流量為4.2 L/min，作業高度為3 m，飛行速度為4 m/s。

表8 地面流失量方差分析Tab. 8 Analysis of variance of ground loss

通過回歸分析可知，回歸方程的系數分別為：0.042、-0.008、0.043、-0.008。因此霧滴沉積量與噴頭流量、作業高度、飛行速度之間的關系模型見式(5)，其相關系數R2=0.859。從模型中可知隨著噴頭流量的增大，作業高度的降低，飛行速度的增大，地面流失量呈現減小趨勢。

Y3=0.042-0.008X1+0.043X2-0.008X3

(5)

式中：Y3——地面流失量。

3 討論

根據本文霧滴沉積量、霧滴穿透性和地面流失量分析結果，影響霧滴沉積效果的主次順序依次為：作業高度、飛行速度、噴頭流量；噴頭流量4.2 L/min、作業高度3 m、作業速度3 m/s的作業參數可獲得最佳的霧滴沉積量和霧滴穿透性，噴頭流量4.2 L/min、作業高度3 m、作業速度4 m/s的作業參數可以保證最小的地面流失量，結合棕櫚樹樹形和病蟲害發生位置，在進行飛防作業時首先要保證其霧滴沉積量和霧滴穿透性，其次再保證地面流失量最小，最佳的霧滴沉積量和霧滴穿透性為0.397 μL/cm2和5.01%，雖然最佳地面流失量0.080 μL/cm2低于對應的最佳霧滴沉積量作業參數所對應的地面流失量0.125 μL/cm2，但最佳地面流失量作業參數所對應的霧滴沉積量和霧滴穿透性為0.325 μL/cm2和15.54%均低于最佳霧滴沉積量和最佳霧滴穿透性，所以棕櫚樹飛防最佳作業參數為噴頭流量4.2 L/min、作業高度3 m、作業速度3 m/s。旋翼風場與作業參數、機型、環境等因素密切相關，從上述9組試驗可知不同的作業高度、飛行速度會產生霧滴沉積效果各異，原因在于無人機速度過快會使得噴灑不均勻，藥液只停留在冠層頂端，飛行高度太高使得旋翼下壓風場壓力不足，使霧滴不能穿透到作物底部；速度過慢則會造成重復噴施，作物局部施藥過量，飛行高度太低則風場壓力太大，一方面作物會收到損傷并會使得藥物噴施到作物根部和土壤中，因此選擇適當的作業高度和飛行速度會改善霧滴沉積效果。

4 結論

本次試驗探索了單旋翼無人機作業參數對高大喬木霧滴沉積的效果，得出如下結論。

1) 根據霧滴沉積量、霧滴穿透性和地面流失量分析結果，影響霧滴沉積效果的主次順序依次為：作業高度、飛行速度、噴頭流量。

2) 從回歸模型可知：隨著噴頭流量的增加，作業高度的降低，飛行速度的減小，霧滴沉積量呈現減小趨勢，霧滴穿透性呈現減小趨勢；隨著噴頭流量的減小，作業高度的增加，飛行速度的減小，霧滴穿透性呈現增大趨勢。

3) 不同的作業參數，霧滴沉積效果各異，棕櫚樹霧滴沉積量和霧滴穿透性最佳優化方案為噴頭流量4.2 L/min、作業高度3 m、作業速度3 m/s的作業參數，建議棕櫚樹飛防作業時使用此參數。