植保無人機霧滴飄移測試試驗臺設計及飄移性能分析

陸宗明

（昆山市耕地質量與植物保護站，江蘇 昆山 215300）

隨著農業現代化的發展，植保無人機的應用日益廣泛[1]。相比傳統的人工噴灑，植保無人機可以大幅提高作業效率，降低勞動成本。但是，植保無人機噴灑時產生的藥液霧滴容易受到氣流影響而飄移，可能污染環境或損害非目標植物，因此霧滴飄移控制是植保無人機的關鍵技術難題之一。本研究擬設計和建造一套室內植保無人機霧滴飄移測試試驗臺，在控制變量的條件下開展飄移試驗，記錄和分析不同參數下的霧滴飄移軌跡及飄移距離數據，解析飄移發生的機理，提出針對性的控制對策。

1 試驗臺設計

1.1 霧滴飄移測試試驗臺的需求分析

為了科學系統地開展霧滴飄移行為的測試分析，需要對試驗臺提出明確的技術指標需求[2]。1）試驗臺工作空間需要足夠大，以容納不同型號的植保無人機進行測試，通常要求空間尺寸大于無人機機翼展寬的5 倍以上，同時要考慮噴口到測量裝置的最小水平距離，保證測量精度。2）試驗臺需要具備控制環境條件如溫度、濕度、光照等參數的能力，以排除環境對試驗結果的影響，保證試驗的重復性。3）要能夠模擬無人機不同類型、不同參數的噴霧系統，進行可控、穩定的噴霧產生，噴霧量、粒徑、速度等參數應可調。4）需要配置激光粒度分析儀等專業設備分析噴霧霧滴，動態跟蹤測量其飛行軌跡。

1.2 設計方案的選取與原理說明

考慮到試驗臺的技術指標需求，經技術論證，本研究選取了風洞試驗臺方案。這一方案具有以下優勢：風洞試驗可精確控制氣流參數，通過變頻風機和穩流裝置可產生0～30 m/s速度范圍的氣流，滿足模擬飛行狀態的需要；風洞空間尺寸可自定義，應足以容納不同型號無人機；傳感器布設可實現對整個空間氣流和霧滴分布的監測；噴霧系統設置在上游，采用精密壓電噴霧器頭，可實現對霧滴大小和噴霧流量的精確控制[3]；高速攝像系統可全方位捕捉霧滴運動狀態；與激光粒度分析儀結合，可實現對微小霧滴的動態檢測；風洞內部材料經特殊處理，有利于霧滴的穩定飄移[4]。

1.3 試驗臺的結構設計和主要組成部分

基于風洞試驗方案，本試驗臺主要由風洞主體、環境控制系統、噴霧系統、測量系統四大部分組成。

1）風洞主體采用返風式矩形氣流循環風洞，包含定頻變頻風機、蜂窩穩流器、流順整流裝置、工作段、回流段等。風機為功率100 kW 的變頻潛流風機，最高風速為55 m/s。蜂窩穩流器采用尼達素蜂窩材質，孔隙率92%，厚度150 mm，可將湍流減小至0.5%。工作段尺寸為寬1 500 mm、深1 500 mm、高1 500 mm，壁面采用不銹鋼材料，表面粗糙度小于0.2 μm，以減少邊界層效應對氣流的影響。工作段內布置多組X模向熱線風速傳感器，測量工作段內氣流速度分布，傳感器測量范圍為0.2 m/s～35 m/s，精度±0.5 m/s。

2）環境控制系統包含溫度調節范圍為0 ℃～40 ℃的電加熱器以及濕度調節范圍為30%RH～90%RH 的蒸汽發生裝置，通過PID 控制實現環境參數的準確調節，溫度控制精度±0.5 ℃，濕度控制精度±2%RH。

3）噴霧系統采用精密壓電振膜式噴頭，振動頻率可調范圍為30 kHz～120 kHz，噴霧液體流速可調范圍為50 mL/min～300 mL/min，可控制產生直徑5 μm～50 μm的霧滴，噴頭布置矩陣實現全空間噴灑。

4）測量系統包含632 nm 激光粒度儀、1 000 fps高速攝像系統、多組風速/溫濕度/液滴傳感器，數據輸出到工控機進行同步采集和分析。

2 試驗臺性能分析

2.1 霧滴飄移測試參數的確定

為了全面系統地考察各參數對霧滴飄移的影響，需要確定試驗臺中可控參數的取值范圍。主要測試參數如下：

1）氣流速度：通過調節風洞風機頻率，測試0～30 m/s范圍內的氣流速度影響，間隔2 m/s設置試驗點。

2）氣流方向：通過控制風機角度，測試橫向和縱向氣流對霧滴飄移的差異[5]。

3）噴霧參數：測試不同噴霧量（100 mL/min～500 mL/min）、噴霧粒徑（5 μm～100 μm）以及噴霧高度（0.5 m～3 m）的影響。

4）環境溫濕度：測試溫度為10 ℃～40 ℃、濕度為30%RH～90%RH時的霧滴蒸發情況。

5）無人機參數：測試不同尺寸、不同旋翼葉片設計的無人機，分析機體結構對氣流的影響。

2.2 試驗方法和流程

本研究采用單因素控制的試驗方法[6]，主要試驗流程如下：1）開展無人機空載試驗，確定不同機型、不同轉速下的氣流場，使工作段內平均氣流速度達到設定值，進行氣動環境預調節。2）對工作段環境控制系統進行參數設定，設置溫濕度至需求值，保持穩定后進入下一步驟。3）設置噴霧系統參數，打開噴霧裝置，調節噴霧量、粒徑等參數，產生穩定的霧滴噴霧流。4）打開測量系統，對氣流速度、溫濕度、霧滴參數進行檢測，確保達到預設要求。5）將無人機置于工作段，開啟旋翼，模擬飛行狀態，使氣流吹拂霧滴，進行霧滴飄移試驗。6）激光粒度儀和高速攝像系統全程記錄霧滴在氣流作用下的運動狀態變化，傳感器采集風速、溫濕度等數據。7）改變單一影響因素，重復步驟1～6，獲得該因素梯度下的試驗數據。8）對所有影響因素依次進行單因素測試，記錄完整試驗數據。9）對測試數據進行統計分析，得出不同因素對霧滴飄移的影響規律[7]。

2.3 數據采集與處理

本研究采用多源異構傳感網絡對試驗數據進行采集，主要內容如下。

1）激光粒度儀實時采集通過測量區域的霧滴粒徑ds和速度v數據，精度達到±1 μm及±0.1 m/s。

2）高速攝像系統以1 000 fps 速度采集霧滴運動圖像，傳輸到圖像處理計算機進行邊緣識別，提取霧滴在氣流作用下的運動軌跡。

3）風速傳感器獲取0.01 s 時間分辨率的氣流速度數據，溫濕度傳感器獲取環境參數，液滴傳感器獲取霧滴空間分布與沉積情況。

4）工控機通過高速數據采集卡實現對各傳感器數據的同步采集和存儲。

處理系統對采集的數據進行標定、去噪、同步等預處理，得到準確、連續的霧滴飄移試驗數據集。此外，采用數字圖像處理算法，獲得霧滴隨時間的空間坐標、運動速度數據。最后結合氣象數據，可以定量評估各影響因素對霧滴飄移的作用效應。

2.4 飄移性能指標的評估與分析

本研究通過對采集的數據進行統計分析，得到了不同參數設置下的飄移性能指標結果。研究發現，隨著氣流速度的增加，霧滴的飄移距離和飄移速率明顯增大，在氣流速度為20 m/s 時，飄移距離達到5.2 m，是10 m/s 時的2.3 倍，增加的原因是氣流動能的明顯提升，對霧滴運動的推動作用更為強烈[8]。而飄移角度也隨氣流速度增加而增大，在低速時接近水平飄移，而高速時飄移角度可達50°，這是由于高速氣流形成明顯的上升氣流，影響了霧滴飄移方向。另外，隨著霧滴粒徑的增大，飄移速率降低，在粒徑為5 μm時飄移速率可達2 m/s，而粒徑為50 μm 時飄移速率降至0.8 m/s，這是因為空氣動力學阻力的上升抑制了大粒徑霧滴的運動速度。

3 試驗結果與討論

3.1 田間試驗驗證

為了驗證所設計試驗臺的性能，進行了一系列的田間試驗，以模擬實際農田環境中的情況，這些試驗貼近實際情況，以便更準確地評估植保無人機的霧滴飄移行為[9]。首先，考察了不同氣流速度條件下的影響。結果顯示，當氣流速度從5 m/s 增加到15 m/s時，觀察到50 μm 霧滴的平均飄移距離增加了92%。在20 m/s 的高速氣流下，飄移距離顯著增加，達到了5.2 m，這是10 m/s 條件下的2.3 倍，表明氣流速度的增加顯著增強了霧滴的飄移能力，對目標區域的藥液覆蓋產生了積極影響。其次，在相同的氣流條件下測試了不同霧滴粒徑的飄移速率。結果顯示，10 μm 霧滴的飄移速率達到了2 m/s，而50 μm 霧滴的飄移速率降至0.8 m/s，這是因為大粒徑霧滴受到更大的空氣動力學阻力，導致速率下降，減小了飄移距離，這也表明霧滴的粒徑選擇對于控制霧滴飄移非常關鍵。最后，考察了溫度和濕度對霧滴飄移的影響，發現較低的溫度和較高的濕度條件降低了霧滴的蒸發損耗，有利于維持有效覆蓋率。相反，高溫干燥條件會加重霧滴的蒸發損耗，降低飄移效果。以上田間試驗的結果深刻揭示了霧滴飄移行為在實際環境中的特性，為植保無人機作業參數的優化和決策制定提供了重要的參考依據。

3.2 影響霧滴飄移的因素分析

通過大量的試驗數據分析，確定了影響霧滴飄移的主要因素包括氣流參數、噴霧參數和環境條件。

1）隨著氣流速度的增加，平流區的氣流動能明顯增強，對霧滴產生更大的飄移推力，從而導致飄移距離、飄移高度和飄移速率顯著增加。當氣流速度從5 m/s 提高到15 m/s 時，50 μm 霧滴的平均飄移距離增加了92%。另外，高速氣流形成的上升氣流使得霧滴飄移方向發生上揚，飄移角度增大，降低了對目標地面的有效覆蓋率[10]。

2）噴霧參數也對霧滴飄移產生重要影響。隨著霧滴直徑的增大，受到的氣動阻力也增加，導致飄移速率下降，從而減小了飄移距離。相同氣流條件下，10 μm 霧滴的飄移距離是50 μm 霧滴的2.1 倍。增加噴霧量會提高空氣含水量，強化氣流對霧滴的載運作用，但也會增加霧滴碰撞、合并的可能，對飄移距離的影響需要進一步研究。

3）環境條件通過影響霧滴的蒸發損耗進而影響飄移過程。例如，溫度降低和濕度升高會抑制霧滴蒸發，減少飄移損耗，有利于保持有效覆蓋率。相反，高溫干燥條件會加重霧滴的蒸發損耗，降低飄移效果。

3.3 對無人機植保系統的優化建議

為進一步改進無人機植保系統的作業效果，可以從以下幾個方面提出優化建議：

1）優化無人機機身與旋翼設計，降低對氣流場的擾動，減少旋翼尖端渦的生成，可以有效減緩氣流速度的快速衰減，延長平流區范圍，有利于霧滴向目標區域的有效傳輸。

2）優化噴霧系統參數，采用粒徑較小、密度較大的霧滴，可以減小飄移過程中的速率衰減和蒸發損耗，延長有效飛行時間，增加飄移距離，但需要考慮小粒徑霧滴的飄移可能對非目標區域產生污染。

3）開發快速變徑噴頭技術，實現對霧滴粒徑的智能控制。根據氣象條件和飄移距離的變化，實時優化噴霧粒徑，既可確保覆蓋效果，又可降低非目標污染風險。

4 結束語

本文設計并搭建了一套室內無人機植保模擬試驗臺，采用風洞試驗方案，可以準確控制氣流環境，配合噴霧系統、測量系統，開展了系統的霧滴飄移機理研究。研究結果驗證了試驗臺的功能，為解析霧滴飄移機理奠定了堅實的基礎，可為無人機植保系統的結構優化、工作參數設計提供科學依據。