大載荷油動植保無人機噴霧參數對棕櫚樹冠層霧滴沉積分布的影響

秦維彩 陳盼陽 閆曉靜

摘要

對使用大載荷油動植保無人機對棕櫚樹進行噴施作業的效果進行了評價，探討了植保無人機噴灑參數對棕櫚樹上霧滴沉積的影響。以大載荷油動植保無人機為研究對象，進行了正交試驗，考察了3個因素：飛行高度、飛行速度和噴頭流量。經過試驗比較，當噴頭流量為3.4?L/min、作業高度為3?m、作業速度為3?m/s時，霧滴沉積密度和均勻性最佳。其中，噴頭流量對霧滴沉積密度的影響最大，其次是作業高度和作業速度;在穿透性方面，噴頭流量為3.4?L/min、作業高度為4?m、作業速度為4?m/s和噴頭流量為4.2?L/min、作業高度為4?m、作業速度為3?m/s，其霧滴的穿透性較強，分別為15.83%和30.01%。影響霧滴沉積穿透性的因素依次為

噴頭流量、作業高度和作業速度。本試驗對大載荷油動植保無人機在棕櫚樹合理噴施和提高噴施效果方面具有參考價值。

關鍵詞

油動植保無人機;?棕櫚樹;?航空噴施;?霧滴沉積;?噴霧參數;?正交試驗

中圖分類號：

S?49

文獻標識碼：?A

DOI：?10.16688/j.zwbh.2023138

Effect?of?spray?parameters?of?a?largeload?oiloperated?plant?protection?UAV?on?the?distribution?of?droplet?deposition?in?the?palm?canopy

QIN?Weicai1，?CHEN?Panyang2，?YAN?Xiaojing3*

（1.?Suzhou?Polytechnic?Institute?of?Agriculture，?Facility?Agriculture?Intelligent?Equipment?Engineering?Technology?Research

and?Development?Centre，?Suzhou?215008，?China;?2.?Nanjing?Institute?of?Technology，?Nanjing?211167，?China;

3.?Institute?of?Plant?Protection，?Chinese?Academy?of?Agricultural?Sciences，?Beijing?100193，?China）

Abstract

This?study?aimed?to?investigate?the?effectiveness?of?spraying?operations?on?palm?trees?using?a?largeload?oiloperated?plant?protection?unmanned?aircraft?vehicle?（UAV），?with?a?particular?focus?on?exploring?the?effect?of?plant?protection?UAV?spraying?parameters?on?droplet?deposition?on?palm?trees.?Using?a?largeload?oiloperated?plant?protection?UAV?as?the?research?object，?orthogonal?tests?were?conducted?to?examine?three?factors，including?flight?height，?flight?speed?and?nozzle?flow?rate.?After?experimental?comparison，?the?best?droplet?deposition?density?and?uniformity?was?achieved?when?the?nozzle?flow?rate?was?3.4?L/min，?the?working?height?was?3?m?and?the?working?speed?was?3?m/s.?The??nozzle?flow?rate?had?the?highest?effect?on?droplet?deposition?density，?followed?by?working?height?and?working?speed.?In?terms?of?penetration，?the?nozzle?flow?rate?of?3.4?L/min，?working?height?of?4?m?and?working?speed?of?4?m/s?and?the?nozzle?flow?rate?of?4.2?L/min，?working?height?of?4?m?and?working?speed?of?3?m/s?had?a?higher?droplet?penetration?rate?of?15.83%?and?30.01%，?respectively.?The?factors?influencing?the?penetration?of?droplet?deposition?were，?in?order，?the?nozzle?flow?rate，?working?height，?working?speed.?The?above?results?are?of?reference?value?for?the?rational?spraying?and?improvement?of?the?spraying?effect?of?largeload?oiloperated?UAV?on?palm?trees.

Key?words

oiloperated?plant?protection?unmanned?aircraft?vehicle;?palm?tree;?aerial?spraying;?droplet?deposition;?spray?parameter;?orthogonal?test

棕櫚Trachycarpus?fortunei（Hook.）H.Wendl.為棕櫚科常綠植物，以其優雅的形態和獨特的葉片結構，常被用于園林綠化和室內裝飾。在我國，海南島棕櫚植物資源非常豐富，目前擁有超過20萬hm2，涵蓋大約32個屬68種以上的棕櫚植物［12］。隨著我國棕櫚樹種植規模的擴大，各種病蟲害給棕櫚樹的健康帶來了一定威脅。例如黑粉病、青霉病和紅棕象甲Rhynchophorus?ferrugineus等會使葉片組織腐爛死亡，極端情況下，整個樹冠會受到影響。這些問題嚴重影響了園林環境的美化和棕櫚油的產量［34］。因此，加強有效的化學控制措施，對于棕櫚樹的產量、質量和觀賞價值的保護都有著重要的意義。

目前棕櫚樹病蟲害化學控制方式包括人工噴施、地面機械噴施和航空噴施［57］。傳統的手工噴藥方法需要大量人力，效率低且耗時長，很難滿足防治需求。地面機械噴灑成本高，藥劑利用率低。此外，國內棕櫚種植區多為山區，使用地面式噴灑機械難以有效施藥［8］。加之棕櫚樹枝繁葉茂，成年棕櫚樹高度可達10?m以上，給病蟲害的防治工作帶來了一定難度。近年來，農用飛機噴灑作為新的農藥噴施方式在我國興起［911］。相較于傳統方法，農用飛機噴灑克服了傳統施藥方法存在的不足，提高了噴施效率，降低了成本，同時解決了山區果園地面機械作業困難等問題，成為生產上的首選噴施方式［1214］。

無人機噴灑是農業航天領域的一項重要技術，在近年來得到廣泛應用和發展［1516］。國內已有很多研究探討了農用無人機噴藥在不同作物上的霧滴分布效果和作業質量，例如陳盛德等［17］研究了HYB10L單旋翼電動無人直升機施藥霧滴在雜交水稻上的沉積和分布效應;邱白晶等［18］通過2因素3水平試驗方法分析了CD10無人機噴霧對霧滴在小麥植株的沉積密度和均勻性的影響，以及飛行高度、速度和這兩個因素之間的相關性，并提出了相應的數學模型；秦維彩等［19］研究了N3型無人機不同噴灑參數對霧滴在玉米冠層上沉積分布的影響。盡管無人機噴霧技術在水稻、小麥和玉米等作物上已相對成熟，但在大型樹木的噴灑作業方面仍較少見。因此，本文采用大載荷油動單旋翼植保無人機在不同作業條件下對棕櫚樹進行了噴霧試驗，并對其霧滴沉積效果進行了研究，為今后在果樹生產中推廣農業航空技術提供參考。

1?材料與方法

1.1?試驗設備

使用南京利劍無人機科技有限公司提供的Z3N型油動單旋翼植保無人機，機身尺寸為2?700?mm×720?mm×1?110?mm，最大裝藥量30?L，工作速度范圍為2～7?m/s，工作高度范圍為2～15?m，噴桿長度為2.0?m，有效噴幅為8?m。該無人機配備TeeJet?F11002噴頭，壓力為0.32?MPa，共6個噴頭，噴灑流量在3.5～4.6?L/min之間。具體參數詳見表1。

采用Watchdog?2000氣象站記錄溫度、濕度、風速等氣象參數。該氣象站測量溫度范圍－32～100℃，精度為0.5℃;濕度測量范圍10%～100%，準確度為±3%;風向測量范圍0?°～360?°，準確度為±3?°;風速范圍為0.1～322?km/h，準確度為±5%。霧滴收集處理設備包括水敏紙（26?mm×76?mm）、鑷子、回形針、橡膠手套、塑封袋、扎帶、標簽紙等。

1.2?試驗設計

1.2.1?采樣點布置

2022年4月7日在江蘇省沭陽縣的中穎園林棕櫚種植基地進行試驗，試驗所用棕櫚樹株高4.5～5.3?m，直徑0.10～0.15?m，葉柄長0.75～0.80?m，冠層高度（包括莖干）為1.0～1.5?m、冠層寬度為2.0?m左右。每處理組選取3株具有相似生長形態的棕櫚樹作為樣本，飛機在作物行的正上方飛行。按照棕櫚樹的樹冠形態和枝干密度，將其按垂直方向分成上、中、下三層。以靠近飛機前進方向的最左側的取樣點為起點，在樹冠上順時針布置8個采樣點，最上層8個采樣點為a層，b、c層8個采樣點也采用同樣方式。在樹冠中間再布置最頂端、上、中、下4個采樣點。每株樹共采集9列，28個采樣點。在每個采樣點，用回形針將水敏紙貼在葉片上，將收集的水敏紙逐一用HP?Scanjet?200掃描儀（惠普公司）掃描，掃描后的圖像通過圖像處理軟件Deposit?Scan（V1.2）進行分析。采樣點的布置方式如圖1所示。

采集卡編號規則簡述如下：以編號“1A”開始，表示第1棵樹的樹冠頂層外葉。隨后是“1B1”“1B2”“1B3”，依次表示第1棵樹中列上層、中層、下層采樣點。接著是“1a1”到“1a8”，順時針表示第1棵樹上層的8個采樣點;“1b1”到“1b8”，表示第1棵樹中層的8個采樣點;“1c1”到“1c8”，表示第1棵樹下層的8個采樣點。之后的樹依次類推，編號方式保持一致。

1.2.2?作業方式

設置噴頭流量（A）、作業高度（B）和作業速度（C）三因素正交試驗，其中噴頭流量設置3.4?L/min和4.2?L/min?2個水平，因為A因素只有2個水平，為滿足正交試驗的要求，本文采用擬水平試驗方法，以因素A第2水平代替第3個水平。對于噴頭流量（A），水平1對應流量為3.4?L/min，水平2對應流量為4.2?L/min，水平3對應流量為4.2?L/min。作業高度（B）設置3個水平，分別為3、4?m和5?m。作業速度（C）設置3個水平，分別為3、4?m/s和5?m/s。試驗方案如表2所示。

1.3?數據采集與處理

每次試驗后，待水敏紙晾干后摘下，按照號碼進行收集，裝入相應的塑料袋中帶回實驗室，利用HP?Scanjet?200掃描儀（惠普公司）掃描，掃描后的圖像用Deposit?Scan（V1.2）圖像處理軟件對其進行分析。按照文獻［20］的方法，計算在不同的飛行作業參數下棕櫚樹樹冠上霧滴覆蓋率、覆蓋密度及單位面積上的沉積量。為表征試驗中各采集點之間的霧滴沉積均勻性和沉積穿透性，本研究以無人機有效噴幅區內每層不同采集點上霧滴沉積密度的變異系數（CV）來衡量3組試驗中霧滴的沉積均勻性，以無人機有效噴幅區內每個采集點上層、中層、下層霧滴沉積量的CV來衡量霧滴沉積穿透性;其中，變異系數的數值越低，則霧滴的沉積越均勻，穿透性越高［19，21］。變異系數CV為：

CV=S，S=∑ni=1（Xi-）2n-1。

式中，S為標準差;Xi為各采樣卡單位面積的霧滴數;為采樣卡單位面積平均霧滴數;n為每層采樣卡總數。

2?結果與分析

2.1?霧滴沉積密度

表3是植保無人機噴灑后霧滴在棕櫚樹上的沉積密度測試結果，從霧滴沉積密度可以看出，霧滴平均密度在上層最大值為71.1個/cm2。在中層最大值為112.8個/cm2，分析發現是因為在收集水敏紙時沒有密封好導致污染而造成數據誤差過大，其次最大值為37.1?個/cm2。綜合選擇，當噴頭的流量為3.4?L/min、作業高度為3?m和作業速度為3?m/s時，在棕櫚樹上、中和下層的霧滴平均密度分別為71.1、37.1、23.9個/cm2，綜合指標優于其他測試組，所以，噴頭的流量為3.4?L/min、作業高度為3?m和作業速度為3?m/s是最好的作業模式。

從霧滴沉積分布結果來看，在3?m的作業高度和4?m/s的作業速度下，各層的霧滴沉積密度值較小。表明在噴灑過程中無人機的飛行速度和高度會對噴霧的沉積分布產生一定的影響。當高速、低空飛行時，在無人機底部，由于旋翼風力比較大，枝條和葉片會沿風場中心傾斜，無法很好地接收沉積的霧滴。

霧滴沉積密度的極差分析結果（表4）顯示，影響霧滴在樹木冠層沉積密度的較優水平的結果是一致的，即噴頭流量為3.4?L/min、作業高度為3?m和作業速度為3?m/s作業中，霧滴沉積密度最佳。從極差值上可以看出，在樹冠上層和中層噴頭流量對霧滴沉積密度的影響最大，其次是作業高度和速度。而在樹冠下層，作業高度對霧滴沉積密度影響最大，其次是噴頭流量和作業速度。

2.2?霧滴沉積均勻性

不同試驗條件下的霧滴沉積密度變異系數范圍的分析結果（表5），反映了霧滴沉積密度的均勻性。由表3可以看出，較優的作業水平為：噴頭流量3.4?L/min，作業高度3?m，作業速度3?m時，該組合的霧滴在棕櫚樹不同層次上的沉積均勻性分別為67.3%、80.8%和96.1%。根據表5可知在不同冠層，這3個因素對霧滴均勻性的影響順序不同，其中在上層，噴頭流量是排名第一的影響因素，其次是作業速度和高度;而在中層和下層，作業速度是排名第一的影響因素，其次是作業高度和噴頭流量。

可能由于試驗誤差的影響，3種因素對棕櫚樹不同位置冠層上霧滴均勻性的影響順序不同。分析和實際作業表明，作業速度是對霧滴均勻性影響最大的因素，其次是噴頭流量和作業高度;并且在4?m/s作業速度和3.0?m作業高度下，棕櫚樹冠層霧滴沉積的均勻性都很差。這從霧滴沉積的均勻性角度證明了大載荷植保無人機的作業速度和高度都會對霧滴的沉積分布產生一定的影響。大載荷植保無人機因旋翼較大，飛機下方的旋翼氣流較強，使其霧滴沉積在果樹冠層的均勻性較差，因此作業速度對樹冠下層霧滴沉積分布的影響最大;當作業速度較大時，向下的風場沒有足夠時間穿透樹冠層，導致霧滴難以達到下層，使得棕櫚樹冠層的霧滴沉積均勻性較差。

2.3?霧滴沉積穿透性

表6為霧滴沉積穿透性極差的分析結果，綜合霧滴沉積密度數值大小及變異系數可以看出，當噴頭流量為3.4?L/min，作業高度為4?m，作業速度為4?m/s和噴頭流量為4.2?L/min，作業高度為4?m，作業速度為3?m/s時，霧滴沉積穿透性分別為15.83%和30.01%，其霧滴覆蓋密度大且穿透性較好。從極差的角度可以看出，噴頭流量是影響霧滴穿透性大小的主要因素，其次是作業高度和速度。

當噴頭流量為3.4?L/min，作業速度為4?m/s和噴頭流量為4.2?L/min，作業速度為3?m/s時，其分別在4?m的作業高度，霧滴的穿透能力更好;從分析可知，在較低的飛行高度下，由于植保無人機旋翼下方的風力太大，會使棕櫚樹上部的枝條發生偏轉，從而影響到上部的霧滴沉積;在較高的飛行高度時，由于植保無人機旋翼下方的氣流會變弱，使得霧滴很難抵達棕櫚樹的下層;這與霧滴的沉積情況是一致的。

3?結論與討論

本研究通過分析霧滴沉積密度和均勻性，找到了最佳的作業參數組合：噴頭流量為3.4?L/min，作業高度為3?m，作業速度為3?m/s。研究結果表明，噴頭流量是影響霧滴沉積密度和均勻性的主要因素，其次是作業高度和速度。根據霧滴沉積穿透性結果，當噴頭流量為3.4?L/min，作業高度為4?m，作業速度為4?m/s和噴頭流量為4.2?L/min，作業高度為4?m，作業速度為3?m/s時，霧滴沉積穿透性分別為15.83%和30.01%，其霧滴沉積密度大且穿透性較好。噴頭流量對霧滴沉積穿透性的影響最大，其次是作業高度和速度。

本研究利用植保無人機對傘狀樹冠棕櫚樹進行噴灑，在其冠層上霧滴的沉積趨勢是：上層的霧滴沉積密度高于中、下層，即，植保無人機的噴灑效果由上向下逐步降低，這與樹型結構狀況密切相關。但是，在上述9個試驗中，部分試驗的霧滴沉積量并沒有從上往下逐漸減小，相反，在樹冠下層和中層的霧滴沉積密度比上層的要大;此外，霧滴在樹冠各層間的沉積均勻性和穿透性都很低。分析其原因主要是因為在植保無人飛機的旋翼下方氣流較大，造成棕櫚樹的上部樹枝向外傾斜，而大多數的霧滴都會隨氣流進入樹冠中、下層，因此，樹冠上層周圍的霧滴數量相對較小，而傾斜的枝條則會在一定程度上影響葉片表面的霧滴沉積，降低倒伏方向葉片上的霧滴沉積量。

綜上所述，為了提高在棕櫚樹上植保無人飛機應用效果和霧滴沉積質量，需要從兩方面入手。首先選擇最佳作業參數，作業參數和作物會影響旋翼的風場強度和作物的傾斜度，從而影響作業條件如作業高度和速度等。其次，需要將農業機械和農業技術有機地結合起來。

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（責任編輯：田?喆）