陳盛德，蘭玉彬※，李繼宇，徐小杰，王志國，彭 斌

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州 510642； 2. 國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國際聯(lián)合研究中心/國際農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642；3. 安陽全豐航空植?？萍加邢薰?，安陽 455001； 4. 廣州極飛科技有限公司，廣州 510663；

植保無人機(jī)航空噴施作業(yè)有效噴幅的評定與試驗(yàn)

陳盛德1,2，蘭玉彬1,2※，李繼宇1,2，徐小杰1,2，王志國3，彭 斌4

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州 510642； 2. 國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)國際聯(lián)合研究中心/國際農(nóng)業(yè)航空施藥技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642；3. 安陽全豐航空植?？萍加邢薰?，安陽 455001； 4. 廣州極飛科技有限公司，廣州 510663；

植保無人機(jī)有效噴幅寬度的準(zhǔn)確評定是農(nóng)業(yè)航空精準(zhǔn)作業(yè)的前提，對其作業(yè)航線的規(guī)劃及噴施作業(yè)質(zhì)量的提升均有著重要意義。該文以不同參數(shù)的單旋翼植保無人機(jī)和多旋翼植保無人機(jī)為例，分別通過12架次不同飛行參數(shù)下的航空噴施試驗(yàn)及目前國內(nèi)常用的霧滴密度判定法和50%有效沉積量判定法來評定植保無人機(jī)的有效噴幅寬度，并根據(jù)霧滴處理軟件DepositScan對水敏紙等采集卡上的圖像處理原理對不同評定方法進(jìn)行了深入分析。結(jié)果表明：50%有效沉積量判定法更適于霧滴粒徑相對較大的 3WQF120-12型植保無人機(jī)有效噴幅寬度的評定，且評定的平均有效噴幅寬度為≥4.44 m；霧滴密度判定法更適于霧滴粒徑相對較小的P-20型植保無人機(jī)有效噴幅寬度的評定，且評定的平均有效噴幅寬度為≥2.58 m；評定的有效噴幅結(jié)果與實(shí)際情況相符合。另外，由分析可知，由于當(dāng)前圖像處理技術(shù)的限制，不同粒徑大小的霧滴斑點(diǎn)圖像，軟件DepositScan所產(chǎn)生的相對誤差不同，因此，應(yīng)根據(jù)植保無人機(jī)噴施霧滴粒徑的范圍選擇合適的有效噴幅寬度評定方法。該結(jié)果為不同參數(shù)的植保無人機(jī)選擇較優(yōu)的有效噴幅評定方法提供了指導(dǎo)，降低了航空噴施作業(yè)的重噴率和漏噴率，提高了植保無人機(jī)航空噴施作業(yè)質(zhì)量，可為植保無人機(jī)精準(zhǔn)噴施作業(yè)的實(shí)施提供參考。

無人機(jī)；噴霧；試驗(yàn)；有效噴幅；評定方法；優(yōu)選；精準(zhǔn)作業(yè)

陳盛德，蘭玉彬，李繼宇，徐小杰，王志國，彭 斌. 植保無人機(jī)航空噴施作業(yè)有效噴幅的評定與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(7)：82－90.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.011 http://www.tcsae.org

Chen Shengde, Lan Yubin, Li Jiyu, Xu Xiaojie, Wang Zhiguo, Peng Bin. Evaluation and test of effective spraying width of aerial spraying on plant protection UAV[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(7): 82－90. (in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.011 http://www.tcsae.org

0 引 言

中國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，保證糧食安全是中國的基本國策。然而，中國受農(nóng)業(yè)自然災(zāi)害嚴(yán)重，特別是生物災(zāi)害發(fā)生頻繁[1-3]。病蟲草害化學(xué)防除是重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，但中國目前普遍存在的農(nóng)藥“粗放式”噴灑，不僅導(dǎo)致農(nóng)藥有效利用率低，而且為保證防效過度施用的農(nóng)藥形成大量殘留，嚴(yán)重污染生態(tài)環(huán)境，威脅食品和生命安全[4-5]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國單位面積農(nóng)藥使用量是世界平均水平的2.5倍，受污染的耕地面積達(dá)1×107hm2，約占可耕種面積的1/10[6]。

而近年來，中國農(nóng)業(yè)航空產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，特別是農(nóng)業(yè)航空產(chǎn)業(yè)的重要組成之一的植保無人機(jī)在近年來的迅猛發(fā)展和應(yīng)用引起了人們廣泛地關(guān)注[7-8]。植保無人機(jī)航空施藥技術(shù)作為中國近年來的新型植保作業(yè)方式，改變了中國傳統(tǒng)植保作業(yè)方式的弊端，植保無人機(jī)噴施作業(yè)效率高、霧化效果好、成本低、采用低容量或超低容量噴霧，且可解決水稻生長過程中地面機(jī)械難以下田作業(yè)的問題等等，正逐漸成為人們首選的植保作業(yè)方式[9-11]。因此，植保無人機(jī)航空噴施是減少農(nóng)藥用量，降低農(nóng)藥殘留，提升農(nóng)藥防效的有力手段。

隨著植保無人機(jī)在中國的廣泛應(yīng)用，其低空低量航空施藥技術(shù)研究逐步成為研究熱點(diǎn)[12-14]。目前，國內(nèi)關(guān)于植保無人機(jī)噴施應(yīng)用研究主要在于航空噴施作業(yè)參數(shù)對霧滴沉積分布特性影響的層面上[15-19]，而忽略了植保無人機(jī)航空噴施作業(yè)的有效噴幅寬度的評定，植保無人機(jī)有效噴幅寬度的準(zhǔn)確評定對其作業(yè)航線的規(guī)劃及噴施作業(yè)質(zhì)量的提升均有著重要意義。茹煜等[20-21]分別通過霧滴分布試驗(yàn)臺在實(shí)驗(yàn)室測試了單個(gè)不同類型的航空霧化噴頭在不同作業(yè)參數(shù)條件下的噴幅寬度等性能參數(shù)；崔瑾等[22]應(yīng)用噴霧性能綜合試驗(yàn)臺對噴桿式果樹苗圃打藥機(jī)在設(shè)置噴頭不同間距條件下的有效噴幅寬度進(jìn)行了研究和試驗(yàn)；張海星等[23]曾通過霧滴沉積密度判定法來對噴桿噴霧機(jī)進(jìn)行了有效噴幅寬度性能測試；Zhang等[24]曾對有人駕駛飛機(jī)M-18B和畫眉鳥510G在不同作業(yè)參數(shù)下進(jìn)行了噴施試驗(yàn)，通過不同的評定方法對其有效噴幅寬度進(jìn)行了評定；而學(xué)者對植保無人機(jī)航空噴施作業(yè)中有效噴幅寬度的評定及研究卻鮮有報(bào)道。

本文以單旋翼植保無人直升機(jī)和多旋翼植保無人直升機(jī)為例，通過不同飛行參數(shù)下的航空噴施試驗(yàn)及目前國內(nèi)常用的不同有效噴幅評定方法來評定不同參數(shù)無人機(jī)的有效噴幅，以期在評定植保無人機(jī)有效噴幅寬度的同時(shí)，為不同參數(shù)和類型的植保無人機(jī)選擇較優(yōu)的有效噴幅評定方法，降低航空噴施作業(yè)的重噴率和漏噴率，提高植保無人機(jī)航空噴施作業(yè)質(zhì)量，為植保無人機(jī)的精準(zhǔn)航空作業(yè)提供參考。

1 材料與方法

1.1 儀器設(shè)備

本次測定試驗(yàn)的植保無人機(jī)分別是安陽全豐航空植?？萍加邢薰咎峁┑?WQF120-12型智能懸浮植保機(jī)（下文簡稱為“3WQF120-12型植保機(jī)”）和廣州極飛科技有限公司提供的P-20型農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)（下文簡稱為“P-20型植保機(jī)”），如圖1所示，主要性能指標(biāo)如表1所示。

圖1 噴霧作業(yè)現(xiàn)場Fig.1 Spray test site

表1 植保無人機(jī)主要性能指標(biāo)Table1 Main performance index of plant protection UAV

北斗定位系統(tǒng)為航空用北斗系統(tǒng)UB351，具有RTK差分定位功能，平面精度達(dá)（10+5×D×10-7）mm，高程精度達(dá)（20+1×D×10-6）mm，其中，D表示該系統(tǒng)實(shí)際測量的距離值，km。農(nóng)用無人機(jī)搭載該系統(tǒng)移動站給作業(yè)航線繪制軌跡及給各個(gè)風(fēng)場采樣點(diǎn)和霧滴采樣點(diǎn)坐標(biāo)定位，通過北斗系統(tǒng)繪制的作業(yè)軌跡來觀察實(shí)際作業(yè)航線與各采集點(diǎn)之間的關(guān)系，并獲取農(nóng)用無人機(jī)噴施作業(yè)的飛行參數(shù)。

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)包括便攜式風(fēng)速風(fēng)向儀和試驗(yàn)用數(shù)字溫濕度表，風(fēng)速風(fēng)向儀用于監(jiān)測和記錄試驗(yàn)時(shí)環(huán)境的風(fēng)速和風(fēng)向，溫濕度表用于測量試驗(yàn)時(shí)環(huán)境的溫度及濕度。霧滴收集處理設(shè)備包括三腳架、掃描儀、夾子、橡膠手套、密封袋、標(biāo)簽紙等。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)場地

3WQF120-12型植保機(jī)測試試驗(yàn)于河南省新鄉(xiāng)市七里營鎮(zhèn)中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行，P-20型植保機(jī)測試試驗(yàn)于河南省周口市西華縣奉母鎮(zhèn)小麥地進(jìn)行進(jìn)行，小麥生長期為冬小麥楊花灌漿期。

1.2.2 采樣點(diǎn)布置

如圖2所示，在足夠大的地塊中設(shè)置一條霧滴采集帶，計(jì)劃設(shè)置采集帶上采集點(diǎn)之間的間距為0.5 m。由于通過觀察3次3WQF120-12型植保機(jī)有效噴幅測試預(yù)試驗(yàn)的結(jié)果可知，離航線中心兩側(cè)0.5 m處的采集點(diǎn)上的霧滴數(shù)量較多；考慮到3WQF120-12型植保機(jī)的有效噴幅較大，P-20型植保機(jī)有效噴幅較小，因此，設(shè)置如圖 2所示的試驗(yàn)方案。圖2a為3WQF120-12型植保機(jī)測試試驗(yàn)方案圖，以中心航線處記為0，左右對稱布置8個(gè)采集點(diǎn)，左右兩邊的采集點(diǎn)分別依次記為?1、?1.5、?2、?2.5、?3、?3.5、?4、?4.5和1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5 m；如圖2b所示為P-20型植保機(jī)測試試驗(yàn)方案圖，以中心航線處記為0 m，左右對稱布置8個(gè)采集點(diǎn)，左右兩邊的采集點(diǎn)分別依次記為?0.5、?1、?1.5、?2、?2.5、?3、?3.5、?4和0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4 m。

圖2 試驗(yàn)方案示意圖Fig.2 Test diagram

1.2.3 作業(yè)參數(shù)設(shè)計(jì)

由于此次試驗(yàn)是為了判定植保無人機(jī)噴施作業(yè)時(shí)的有效噴幅寬度，所以試驗(yàn)作業(yè)參數(shù)應(yīng)在正常作業(yè)范圍內(nèi)。據(jù)飛控手之前的噴施作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，推薦較佳的作業(yè)高度為2 m左右，作業(yè)速度為4 m/s左右；且考慮到飛控手的平時(shí)操作誤差，將作業(yè)參數(shù)設(shè)置為作業(yè)高度 1～3.5 m，作業(yè)速度 2～5 m/s。在此作業(yè)參數(shù)范圍內(nèi)每種機(jī)型選擇了12次不同的飛行參數(shù)進(jìn)行噴施試驗(yàn)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 作業(yè)參數(shù)及軌跡處理

如圖 3a、3b所示，分別取試驗(yàn)時(shí)由北斗定位系統(tǒng)UB351對3WQF120-12型植保機(jī)、P-20型植保機(jī)其中一次測試試驗(yàn)所繪制成的布點(diǎn)圖及飛行軌跡圖作示意圖，其中，北斗定位系統(tǒng)UB351在噴施作業(yè)時(shí)的軌跡定位頻率為 1 Hz。由于無人機(jī)的飛行操作存在誤差，3WQF120-12型植保機(jī)的第5、7次飛行航線在采集位置?1 m處上方，其余架次均通過采集位置0處上方；P-20型植保機(jī)的第5次飛行航線在采集位置0處上方，其余架次均通過采集位置?0.5 m處上方。

圖3 試驗(yàn)飛行軌跡Fig.3 Test trajectory

如表2所示，分別為3WQF120-12型植保機(jī)12次飛行試驗(yàn)的飛行參數(shù)及環(huán)境參數(shù)（試驗(yàn)當(dāng)天上午的溫度為21 ℃左右，濕度為58%左右，環(huán)境風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng)向）及P-20型植保機(jī)12次飛行試驗(yàn)的飛行參數(shù)及環(huán)境參數(shù)（試驗(yàn)當(dāng)天上午的溫度為30 ℃左右，濕度為54%左右，環(huán)境風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)向），風(fēng)速采集高度約為2 m。

1.3.2 數(shù)據(jù)采集與處理

每次試驗(yàn)完成，待采集卡上的霧滴干燥后，按照序號收集霧滴采集卡，并逐一放入相對應(yīng)的密封袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

將收集的霧滴采集卡逐一用掃描儀掃描，掃描后的圖像通過圖像處理軟件DepositScan進(jìn)行分析，得出在不同的航空施藥參數(shù)下霧滴的覆蓋密度、沉積量及霧滴粒徑大小等參數(shù)[25]。

表2 試驗(yàn)參數(shù)Table2 Test parameters

1.4 有效噴幅判定方法

霧滴密度判定法：根據(jù)《中華人民共和國民用航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》中《農(nóng)業(yè)航空噴灑作業(yè)質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)》規(guī)定:在飛機(jī)進(jìn)行超低容量的農(nóng)業(yè)噴灑作業(yè)時(shí)，作業(yè)對象的霧滴覆蓋密度達(dá)到15個(gè)/cm2以上就達(dá)到有效噴幅[26]。

50%有效沉積量判定法：根據(jù)《中華人民共和國民用航空行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》中《航空噴施設(shè)備的噴施率和分布模式測定》規(guī)定：以沉積率為縱坐標(biāo)，以航空設(shè)備飛行路線兩側(cè)的采樣點(diǎn)為橫坐標(biāo)繪制分布曲線，曲線兩側(cè)各有一點(diǎn)的沉積率為最大沉積率的一半，這兩點(diǎn)之間的距離可作為有效噴幅寬度[27]。

2 結(jié)果與分析

2.1 3WQF120-12型植保機(jī)航空噴施霧滴沉積分布與有效噴幅測定

2.1.1 霧滴沉積結(jié)果

如表3、4所示，分別表示3WQF120-12型植保機(jī)在12個(gè)架次噴施試驗(yàn)中霧滴在不同采樣位置的霧滴沉積密度、霧滴沉積率。

根據(jù)表 3的霧滴密度沉積結(jié)果及霧滴密度判定法對3WQF120-12型植保機(jī)的有效噴幅進(jìn)行評定，12個(gè)架次試驗(yàn)的有效噴幅分布范圍分別為 2.0～2.5、?1.0～1.5、?1.5～2.0、0～1.5、?2.5～1.5、?1.5～3.0、?1.5～1.5、1.0～4.0、0～1.5、?1.0～1.5、0、2.0～2.5 m；而根據(jù)表4的霧滴沉積率結(jié)果及 50%有效沉積量判定法對3WQF120-12型植保機(jī)的有效噴幅進(jìn)行評定，12個(gè)架次試驗(yàn)的有效噴幅分布范圍分別為?1.5～3.0、?1.0～3.0、?1.5～2.5、0～1.5、?2.5～1.5、?1.0～2.5、?1.5～1.0、0～4.5、?2.0～3.5、?1.0～1.0、?2.5～2.5、?1.5～3.0 m。根據(jù)有效噴幅寬度的判定結(jié)果可得表5。

表3 霧滴沉積密度Table3 Density of droplet deposition 個(gè)·cm-2

表4 霧滴沉積率Table4 Droplet deposition rateμL·cm-2

表5 3WQF120-12型植保機(jī)有效噴幅判定結(jié)果Table5 Results of effective spraying width of plant protection UAV 3WQF120-12

從表5可以看出，對于3WQF120-12型植保機(jī)來說，隨著不同架次中飛行作業(yè)參數(shù)的改變，其有效噴幅寬度也發(fā)生了變化；但是，在同一架次中，不同評定方法所評定出的有效噴幅寬度結(jié)果不同；霧滴密度判定法評定的有效噴幅寬度的結(jié)果波動范圍從≥0.5 m到≥4.5 m，結(jié)果極不穩(wěn)定。且第11架次飛行試驗(yàn)的有效噴幅寬度結(jié)果為0，難以評定，而這一架次的飛行速度為5.01 m/s，飛行高度為 3.60 m，因此，出現(xiàn)這一情況的原因可能是由于無人機(jī)在這一架次的飛行參數(shù)過大而導(dǎo)致霧滴在農(nóng)作物冠層的沉積量達(dá)不到評定要求。

50%有效沉積量判定法評定的有效噴幅寬度結(jié)果與霧滴密度判定法評定的結(jié)果相比，噴幅寬度范圍更穩(wěn)定，剔除第4、7、10架次出現(xiàn)的異常值，其噴幅寬度結(jié)果均在提供參考的有效噴幅寬度4.0～6.0 m范圍之內(nèi)，平均有效噴幅寬度≥4.44 m。因此，根據(jù)3WQF120-12型植保機(jī)的有效噴幅寬度評定結(jié)果，50%有效沉積量判定法與霧滴密度判定法相比，50%有效沉積量判定法更適合于3WQF120-12型植保機(jī)有效噴幅寬度的評定。而第4、7、10架次中的飛行速度分別為3.84、2.90、4.88 m/s，飛行高度分別為1.05、1.02、1.12 m，飛行高度均明顯低于其他飛行架次的飛行高度，飛行高度是影響植保無人機(jī)噴幅寬度的重要因素，因此，造成噴幅寬度低于正常值的原因可能是由于這3個(gè)架次的飛行高度過低。

另外，從圖3a可以看出，植保機(jī)的飛行航線經(jīng)過采集位置0 m處附近，即表明此處為無人機(jī)的中心航線；根據(jù)表4中的霧滴沉積量結(jié)果來看，航空噴施霧滴的沉積中線均發(fā)生了偏移，除第 5、7架次外，有效噴幅區(qū)內(nèi)中心航線下風(fēng)向的霧滴沉積量都多于上風(fēng)向的霧滴沉積量，且下風(fēng)向的霧滴沉積飄移距離也大于上風(fēng)向的霧滴沉積飄移距離；而造成第 5、7架次霧滴沉積結(jié)果不同其它架次的主要原因是 2個(gè)架次的飛行航線中線經(jīng)過采集位置?1 m處，航線發(fā)生了較大偏差，且2個(gè)架次作業(yè)時(shí)環(huán)境風(fēng)速較小，使霧滴在沉積過程中發(fā)生了較小范圍內(nèi)的飄移。

2.1.2 霧滴粒徑分布

圖4為3WQF120-12型植保機(jī)在12個(gè)架次噴施作業(yè)中霧滴在不同采樣位置處的平均霧滴粒徑分布情況。

圖4 3WQF120-12型植保機(jī)平均霧滴粒徑分布Fig.4 Average droplet size distribution of plant protection UAV 3WQF120-12

由圖4可以看出，3WQF120-12型植保機(jī)噴施作業(yè)的霧滴體積中值直徑（DV.5）主要分布在270～380μm之間；且較大粒徑的霧滴（霧滴體積中值直徑在370μm左右）主要沉積在中心航線附近，較小粒徑的霧滴（霧滴體積中值直徑在300μm左右）主要分布在中心航線遠(yuǎn)處的兩側(cè)，這一現(xiàn)象的主要原因是粒徑較大的霧滴受環(huán)境側(cè)向水平風(fēng)場的影響較小，更容易沉降；粒徑較小的霧滴更容易受到環(huán)境側(cè)向水平風(fēng)場的影響而發(fā)生較大范圍內(nèi)飄移。

2.2 P-20型植保機(jī)航空噴施霧滴沉積分布與有效噴幅測定

2.2.1 霧滴沉積結(jié)果

如表6、7所示，分別表示P-20型植保機(jī)在12個(gè)架次噴施試驗(yàn)中霧滴在不同采樣位置的霧滴沉積密度、霧滴沉積率。

表6 霧滴沉積密度Table 6 Density of droplet deposition 個(gè)·cm-2

表7 霧滴沉積率Table 7 Droplet deposition rateμL·cm-2

根據(jù)表 6的霧滴密度沉積結(jié)果及霧滴密度判定法對P-20型植保機(jī)的有效噴幅進(jìn)行評定，12個(gè)架次試驗(yàn)的有效噴幅分布范圍分別為?1.0～2.0、?1.0～1.5、?1.0～1.5、?0.5～2.0、?1.0～1.5、?0.5～1.5、?0.5～2.0、?1.5～2.0、?0.5～2.0、?0.5～2.0、0～2.0、?0.5～2.5 m；而根據(jù)表7的霧滴沉積率結(jié)果及50%有效沉積量判定法對P-20型植保機(jī)的有效噴幅進(jìn)行評定，12個(gè)架次試驗(yàn)的有效噴幅分布范圍分別為?0.5～1.5、?1.0～1.0、?0.5～1.0、0～1.5、0.5～1.0、0～0.5、0～1.5、?0.5～1.0、0～1.5、0～1.5、0.5～1.5、0～1.5 m。根據(jù)有效噴幅的判定結(jié)果可得表8。

表8 極飛無人機(jī)有效噴幅判定結(jié)果Table 8 Result of effective spraying width of plant protection UAV 3WQF120-12

同樣，從表 8可以看出，隨著不同架次中飛行作業(yè)參數(shù)的改變，其有效噴幅寬度也發(fā)生了變化；但是，在同一架次中，不同評定方法所評定出的有效噴幅寬度結(jié)果并不相同；50%有效沉積量判定法評定的有效噴幅寬度的結(jié)果波動范圍從≥1.0 m到≥2.0 m，平均有效噴幅寬度≥1.46 m。而霧滴密度判定法判定的有效噴幅寬度結(jié)果波動范圍從≥2.0 m到≥3.5 m，平均有效噴幅寬度≥2.58 m。對于P-20型植保機(jī)來說，霧滴密度判定法判定的有效噴幅寬度結(jié)果與 50%有效沉積量判定法相比，其評定的噴幅寬度結(jié)果與提供參考的有效噴幅寬度更接近，且在參考范圍2.5～5.0 m范圍之內(nèi)。因此，根據(jù)P-20型植保機(jī)的有效噴幅寬度評定結(jié)果，霧滴密度判定法與 50%有效沉積量判定法相比更適合于P-20型植保機(jī)有效噴幅寬度的評定。

與 3WQF120-12型植保機(jī)噴施霧滴沉積結(jié)果一樣，P-20型植保機(jī)的霧滴沉積中線也發(fā)生了偏移。從圖3b可以看出，植保機(jī)的飛行航線經(jīng)過采集位置?0.5 m處，即表明此處為無人機(jī)的中心航線；根據(jù)表 6的霧滴沉積密度結(jié)果來看，有效噴幅區(qū)內(nèi)中心航線下風(fēng)向的霧滴沉積數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于上風(fēng)向的霧滴沉積數(shù)量，且下風(fēng)向的霧滴沉積飄移距離也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上風(fēng)向的霧滴沉積飄移距離。

2.2.2 霧滴粒徑分布

如圖5所示，表示P-20型植保機(jī)在12個(gè)架次噴施作業(yè)中霧滴在不同采樣位置的平均霧滴粒徑大小分布情況。由圖5可以看出，P-20型植保機(jī)噴施作業(yè)的霧滴粒徑的體積中值直徑（DV.5）主要分布在130～175μm之間；其次，由于無人機(jī)的中心航線在霧滴采集位置?0.5 m處附近，而較大粒徑的霧滴（霧滴體積中值直徑大于160μm）主要沉積在中心航線下風(fēng)向的0.5～1.0 m附近，較小粒徑的霧滴（霧滴體積中值直徑在130μm左右）主要分布在中心航線遠(yuǎn)處的兩側(cè)，這主要是由于P-20型植保機(jī)的霧滴粒徑的整體值較小，相對較大粒徑的霧滴隨著環(huán)境側(cè)向風(fēng)場的影響而向下風(fēng)向方向發(fā)生了小范圍的飄移，相對較小粒徑的霧滴受到環(huán)境側(cè)向風(fēng)場的影響而發(fā)生了較大范圍的飄移。

圖5 P-20型植保無人機(jī)試驗(yàn)平均霧滴粒徑分布Fig.5 Average droplet size distribution of plant protection UAV P-20

3 討 論

植保無人機(jī)有效噴幅寬度的準(zhǔn)確評定是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空作業(yè)的前提，對其作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量的保證和提升均有著重要作用。本文通過 50%有效沉積量判定法和霧滴密度判定法分別對單旋翼植保無人機(jī)和多旋翼植保無人機(jī)在正常作業(yè)參數(shù)范圍內(nèi)的不同作業(yè)參數(shù)條件下進(jìn)行多次試驗(yàn)重復(fù)測定。基于本文的試驗(yàn)條件下得出的評定結(jié)果表明，不同參數(shù)的植保無人機(jī)適于評定其有效噴幅寬度的方法不一樣，對于3WQF120-12型植保無人機(jī)而言，更適合于 50%有效沉積量判定法；對于 UAV P-20型農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)而言，則更適合于霧滴密度判定法。

從霧滴粒徑分布結(jié)果來看，3WQF120-12型植保無人機(jī)噴施的霧滴粒徑范圍要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于P-20型植保無人機(jī)的霧滴粒徑范圍。因此推斷不同參數(shù)的植保無人機(jī)適于不同的有效噴幅寬度判定方法可能是由于其霧滴粒徑大小范圍的不同而造成的。首先，航空噴施噴量小，但其霧化程度較高，對于較大粒徑的霧滴來說，由于有效噴幅內(nèi)霧滴數(shù)量較多，極易造成沉積在水敏紙表面的霧滴鋪展后而發(fā)生霧滴斑點(diǎn)部分重疊現(xiàn)象[28-29]，而當(dāng)前霧滴圖像處理技術(shù)難以分割和識別重疊霧滴，無法準(zhǔn)確計(jì)數(shù)，導(dǎo)致產(chǎn)生誤差的較大，從而造成霧滴密度判定方法不適于對于霧滴粒徑較大的植保無人機(jī)有效噴幅寬度的評定。進(jìn)一步地，根據(jù)霧滴圖像處理軟件DepositScan對水敏紙上霧滴的沉積量計(jì)算公式為

式中V為單個(gè)霧滴的體積，μm3；d為霧滴的直徑，μm。

由式（1）可知，霧滴沉積量主要是通過霧滴斑點(diǎn)的直徑計(jì)算得到的。根據(jù)Zhu等[25]對標(biāo)準(zhǔn)粒徑大小為50、100、250、500、1000μm 的斑點(diǎn)測量結(jié)果可知，軟件DepositScan測量的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值相比，相對偏差分別為34.1%、16.3%、7.8%、1.4%、1.2%，表明軟件DepositScan對霧滴尺寸的測量誤差會隨著霧滴粒徑的減小而增大。因此，對于霧滴粒徑體積中值為 370?μm 左右的3WQF120-12型植保無人機(jī)來說，霧滴粒徑測量誤差在1.4%～7.8%之間，從而對霧滴沉積量的計(jì)算誤差影響較小，即 50%有效沉積量判定法更適于霧滴粒徑相對較大的 3WQF120-12型植保無人機(jī)有效噴幅寬度的評定。對于霧滴粒徑體積中值為150μm左右的P-20型農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)來說，霧滴粒徑的測量誤差在 10%以上，從而對霧滴沉積量的計(jì)算影響較大；其次，由式（1）可知，當(dāng)霧滴粒徑大小減小 1倍，霧滴沉積量的計(jì)算體積就會相應(yīng)減小8倍，而單位面積內(nèi)霧滴的累積沉積量計(jì)算公式為

式中Vt為單位采樣面積內(nèi)的霧滴累積沉積量，μm3；Vi為第i個(gè)霧滴沉積量，μm3；n為單位采樣面積內(nèi)的霧滴個(gè)數(shù)。

由于計(jì)算結(jié)果中有效數(shù)字位數(shù)的限制，導(dǎo)致會忽略粒徑較小的霧滴沉積量，因此，對于極小的霧滴來說，霧滴沉積量計(jì)算公式也會造成霧滴沉積量的計(jì)算結(jié)果偏小，產(chǎn)生計(jì)算誤差。由圖 5可知，粒徑較大的霧滴基本上沉積在采集位置0.5～1.0 m處附近，極小的霧滴則沉積在兩側(cè)，且從表6、7看出，霧滴的沉積中線也在采集處0.5～1.0 m附近，隨著兩側(cè)霧滴粒徑的減小，兩側(cè)的霧滴沉積量也發(fā)生驟減，導(dǎo)致 50%有效沉積量判定法評定的有效噴幅寬度值較給出的參考值偏小；而較小粒徑的霧滴在水敏紙表面不容易發(fā)生重疊等現(xiàn)象，單位面積內(nèi)的霧滴個(gè)數(shù)的計(jì)算結(jié)果誤差較小。因此，霧滴密度法與 50%有效沉積量判定法相比，更適于霧滴粒徑相對較小的P-20型植保無人機(jī)有效噴幅寬度的評定。

另外，本文需要指出的是，首先，植保無人機(jī)飛行作業(yè)參數(shù)的不同在一定程度上必然會引起其有效噴幅寬度的波動和變化，隨著不同架次中飛行作業(yè)參數(shù)的改變，其有效噴幅寬度也發(fā)生了變化；但是，在同一架次中，不同評定方法所評定出的有效噴幅寬度結(jié)果不同，因此，我們可以認(rèn)為，不同參數(shù)的植保無人機(jī)適于評定其有效噴幅寬度的方法不一樣，這一結(jié)論是有效和可靠的。

其次，本次試驗(yàn)結(jié)果是在正常飛行參數(shù)范圍內(nèi)和一定外界環(huán)境條件內(nèi) 12次不同作業(yè)參數(shù)條件下進(jìn)行測定的，由于外界環(huán)境和結(jié)果處理誤差的影響，不同參數(shù)的植保無人機(jī)有效噴幅的判定結(jié)果會存在一定的誤差。因此，將來的研究工作需要在多種外界環(huán)境影響的情況下增加試驗(yàn)次數(shù)，在采集大樣本量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對不同參數(shù)的植保無人機(jī)的有效噴幅進(jìn)行準(zhǔn)確的判定，以期降低航空噴施作業(yè)的重噴率和漏噴率，提高植保無人機(jī)航空噴施作業(yè)質(zhì)量，為植保無人機(jī)的精準(zhǔn)航空作業(yè)提供理論指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支持。

最后，目前對霧滴沉積效果檢測方法主要有圖像測量法和示蹤劑洗脫測量法，由于圖像測量法對霧滴沉積結(jié)果的檢測具有簡單快速、成本低等特點(diǎn)[30-31]，因此，對霧滴斑點(diǎn)重疊或部分重疊圖像處理技術(shù)[32]的改進(jìn)應(yīng)作為未來農(nóng)業(yè)航空領(lǐng)域的另一研究重點(diǎn)。

4 結(jié) 論

本文以單旋翼植保無人直升機(jī)和多旋翼植保無人直升機(jī)為例，通過不同飛行參數(shù)下的航空噴施試驗(yàn)及目前國內(nèi)常用的有效噴幅評定方法來評定不同參數(shù)植保無人機(jī)的有效噴幅，并對評定的有效噴幅結(jié)果分析可得如下結(jié)論：

1）50%有效沉積量判定法適于3WQF120-12型植保無人機(jī)有效噴幅寬度的評定，且評定的平均有效噴幅寬度為≥4.44 m；

2）霧滴密度判定法適于P-20型農(nóng)業(yè)植保無人機(jī)有效噴幅寬度的評定，且評定的平均有效噴幅寬度為≥2.58 m；

3）對于通過霧滴在水敏紙等采集卡上的圖像來計(jì)算霧滴沉積結(jié)果的方法而言，由于當(dāng)前圖像處理技術(shù)的限制，不同霧滴粒徑參數(shù)的植保無人機(jī)應(yīng)選擇合適的有效噴幅寬度評定方法；50%有效沉積量判定法更適合于霧滴粒徑相對較大的植保無人機(jī)，霧滴密度判定法更適合于霧滴粒徑相對較小的植保無人機(jī)。

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Evaluation and test of effective spraying width of aerial spraying on plant protection UAV

Chen Shengde1,2, Lan Yubin1,2※, Li Jiyu1,2, Xu Xiaojie1,2, Wang Zhiguo3, Peng Bin4
(1.College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou510642,China; 2.National Center for International Collaboration Research on Precision Agricultural Aviation Pesticides Spraying Technology / International Laboratory of Agricultural Aviation Pesticide Spraying Technology, Guangzhou510642,China; 3.Quanfeng Aviation Plant Protection Technology Co.,LTD,Anyang455001,China; 4.XAIRCRAFT Co., LTD,Guangzhou510663,China)

With the extensive application of plant protection UAV (unmanned aerial vehicle) in China, the research of its low-attitude and low-volume spray technology has gradually become a research hotspot. At present, the domestic research on the aerial spraying application of plant protection UAV mainly focuses on the effect of aerial spraying operation parameters on the distribution of droplet deposition, while neglecting the evaluation and test of the effective spraying width of aerial spraying by plant protection UAV. It is a prerequisite for precision spraying operation of agricultural aviation to evaluate the effective spraying width of plant protection UAV accurately, and it has great significance to the planning of operation route and the improvement of spraying quality. Therefore, the effective spraying width of single-rotor and multi-rotor plant protection UAV was evaluated with the evaluation method of droplet density and 50% effective deposition amount method which were commonly used in China by the tests of 12 times with different flight parameters; and different evaluation methods were deeply analyzed with the image processing principle of DepositScan, which is an image processing software used to analyze the results of droplet deposition with the image of water-sensitive paper and other cards. The test results showed that: The evaluation method of 50% effective deposition amount was more suitable than the evaluation method of droplet density for evaluating the effective spraying width of plant protection UAV 3WQF120-12, which had a relatively larger droplets size, and the volume median diameter of droplet was about 270-380μm. The average effective spraying width of plant protection UAV 3WQF120-12 was greater than or equal to 4.44 m with the evaluation method of 50% effective deposition amount. The evaluation method of droplet density was more suitable than the evaluation method of 50% effective deposition amount for evaluating the effective spraying width of plant protection UAV P-20, which had a relatively smaller droplets size, and the volume median diameter of droplet was about 130-175μm. The average effective spraying width was greater than or equal to 2.58 m with the evaluation method of droplet density. The evaluating results of the effective spraying width of plant protection UAV P-20 were in accordance with the actual situation. At the same time, the droplet deposition midline of plant protection UAV 3WQF120-12 had shift with the wind direction, as well as plant protection UAV P-20. In addition, the analysis showed that the relative error produced by the software of DepositScan was different with the spot image produced by the droplets of different size due to the limitation of current image processing techniques. The relative differences of average diameters between the software of DepositScan and the stereoscopic microscope were 34.1%, 16.3%, 7.8%, 1.4% and 1.2% for 50, 100, 250, 500 and 1 000μm spots, respectively, and the relative measurement error of droplet diameter would increase with the droplet size decreasing. Therefore, we should choose the suitable evaluation method for the effective spraying width based on different droplets size of plant protection UAV. The evaluation method of 50% effective deposition amount should be chosen by plant protection UAV with a relatively larger droplets size, and the evaluation method of droplet density should be chosen by plant protection UAV with a relatively smaller droplets size. The results provide a guidance for selecting the more suitable evaluating method of effective spraying width for plant protection UAVs with different parameters, reduce the re-spraying rate and the missing spraying rate of aerial spraying operation, and improve the spraying quality of aerial spraying operation. The results provide the theoretical guidance and data support for precision spraying operation of plant protection UAV.

unmanned aerial vehicles; spraying; experiments; effective spraying width; evaluation method; choose; precision operation

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.011

S49

A

1002-6819(2017)-07-0082-09

2016-12-27

2017-04-05

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2016YFD0200700）

陳盛德，男（漢），湖北，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)航空噴施技術(shù)研究。廣州 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，510642。

Email：1163145190@qq.com

※通信作者：蘭玉彬，男（漢），吉林，國家“千人計(jì)劃”特聘專家，教授，中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會農(nóng)業(yè)航空分會常務(wù)副主任，主要從事精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空方向研究。廣州 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，510642。

Email：ylan@scau.edu.cn。中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會高級會員：蘭玉彬（E041200725S）。