李欣璐，殷敏琪

（惠州工程職業(yè)學(xué)院，廣東 惠州 516500）

0 引言

施藥效率、精準(zhǔn)度比人工作業(yè)或其他機(jī)械作業(yè)方式高是植保無(wú)人機(jī)作業(yè)的優(yōu)勢(shì)之一。中國(guó)擁有18億畝（1 畝=0.067 hm2）的耕地[1-2]，需要高效率的作業(yè)方式實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而飛行作業(yè)這種特有的高效率作業(yè)方式是其他傳統(tǒng)作業(yè)方式不能比擬的。在世界各國(guó)奉行“綠色地球”的大背景下，植保無(wú)人機(jī)噴灑技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，同時(shí)減小對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的污染。因此，植保無(wú)人機(jī)這些優(yōu)勢(shì)使其受到廣大農(nóng)業(yè)者的歡迎。例如美國(guó)，早已展開(kāi)了對(duì)植保無(wú)人機(jī)低毒、低殘留高效精準(zhǔn)作業(yè)的研究。為實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物安全，精確控制農(nóng)作物藥劑、農(nóng)藥的投放，我國(guó)應(yīng)重視植保無(wú)人機(jī)噴灑技術(shù)的研究與應(yīng)用，提高植保無(wú)人機(jī)噴灑技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用，加快智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

1 植保無(wú)人機(jī)的概述

用于農(nóng)林植物保護(hù)作業(yè)的無(wú)人駕駛飛行器稱(chēng)為植保無(wú)人機(jī)，具有精確定位、節(jié)能減耗、高效率作業(yè)、智能化作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)。植保無(wú)人機(jī)主要由機(jī)臂（主軸）、機(jī)身（機(jī)體）、機(jī)架、藥箱、噴桿、控制系統(tǒng)、電池7 大部分組成，基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。植保無(wú)人機(jī)在進(jìn)行噴灑作業(yè)、農(nóng)田監(jiān)測(cè)作業(yè)等作業(yè)活動(dòng)時(shí)，可以通過(guò)控制地面遙控器或者GPS 飛控來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)作業(yè)。植保無(wú)人機(jī)作為一個(gè)載體可以搭載不同的設(shè)備進(jìn)行不同的生產(chǎn)作業(yè)，如植保無(wú)人機(jī)搭載影像采集設(shè)備，可以及時(shí)了解農(nóng)田信息，彌補(bǔ)衛(wèi)星因天氣原因?qū)е掠跋瘾@取不清晰或無(wú)法獲取影像的缺點(diǎn)。垂直起降的植保無(wú)人機(jī)不需要專(zhuān)業(yè)的跑道輔助起降，可以大大提高植保無(wú)人機(jī)在農(nóng)田間作業(yè)的便捷性，以及低空作業(yè)的效率和精準(zhǔn)度。

1990 年，日本山葉公司率先推出世界上第一架農(nóng)用植保無(wú)人機(jī)用于農(nóng)藥噴灑[3]。相比于其他發(fā)達(dá)國(guó)家，中國(guó)植保無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)起步較晚。2008 年中國(guó)植保無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)開(kāi)始得到發(fā)展，由于研發(fā)成本高、性能不穩(wěn)定、無(wú)法量產(chǎn)，加之用戶(hù)作業(yè)利潤(rùn)少、無(wú)人機(jī)飛手少、技術(shù)不成熟，因此作業(yè)面積占比很少，導(dǎo)致植保無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)在一段時(shí)間內(nèi)發(fā)展緩慢。2016年開(kāi)始，我國(guó)植保無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期，植保無(wú)人機(jī)產(chǎn)品性能提升、設(shè)備產(chǎn)量提高、產(chǎn)品銷(xiāo)量上升，作業(yè)面積增長(zhǎng)。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，截止到2021 年9 月份，植保無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用數(shù)量為16 萬(wàn)余部，作業(yè)面積高達(dá) 14 億余畝次[4]。圖2 為我國(guó)植保無(wú)人機(jī)2014—2021 年的應(yīng)用趨勢(shì)。

2 噴霧技術(shù)

精準(zhǔn)噴灑技術(shù)離不開(kāi)噴灑機(jī)械，我國(guó)農(nóng)業(yè)植保最主要的作業(yè)方式是人工噴藥和地面植保噴霧機(jī)械噴藥。植保無(wú)人機(jī)施藥作業(yè)效率高，不受地形影響的限制，噴灑均勻且穿透性好，是噴灑作業(yè)的重要農(nóng)機(jī)具，噴霧技術(shù)是精準(zhǔn)噴灑的第一要素，霧化技術(shù)是重要的噴灑技術(shù)之一。

植保無(wú)人機(jī)在執(zhí)行噴灑任務(wù)時(shí)，藥劑通過(guò)植保無(wú)人機(jī)霧滴霧化裝置的噴頭進(jìn)行霧化，分散形成存在大小差異的霧滴，形成具有一定寬度的霧滴譜。由于不同類(lèi)型的噴頭霧化后，霧滴的粒徑大小會(huì)影響霧滴的沉積，所以，質(zhì)量良好的噴頭是農(nóng)藥?kù)F化的核心部件。粒徑大的霧滴重力較大，易沉降，不易隨風(fēng)飄移或蒸發(fā)散失，但是也存在分布不均勻、附著力差的情況，導(dǎo)致霧滴滾落，造成浪費(fèi)，降低防治效果，污染環(huán)境。粒徑小的霧滴重力較小，不易沉降，但容易受風(fēng)的影響而飄離作物，粒徑小的霧滴覆蓋率和覆蓋均勻度比粒徑大的霧滴好，具有較好穿透力的細(xì)小霧滴可隨風(fēng)深入作物冠層內(nèi)部，沉積在作物深處的葉面，附著能力好則可減少農(nóng)藥的浪費(fèi)，達(dá)到良好的防治效果。

3 植保無(wú)人機(jī)霧滴噴施試驗(yàn)過(guò)程

3.1 環(huán)境參數(shù)

霧滴沉積和飄移運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)受環(huán)境參數(shù)的影響。環(huán)境參數(shù)有風(fēng)速、溫度、濕度、大氣穩(wěn)定性等，其中，最重要的因素是風(fēng)速。研究風(fēng)速對(duì)植保無(wú)人機(jī)噴施霧滴沉積與飄移的影響，對(duì)實(shí)施噴灑作業(yè)時(shí)，調(diào)整噴灑參數(shù)、減少霧滴飄移和提高噴施藥劑的治療效果具有重要意義。進(jìn)行航空噴施作業(yè)時(shí)，研究表明，風(fēng)速越大，霧滴飄移越嚴(yán)重，霧滴不易附著在農(nóng)作物表面。KIRK 等[21]研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)速過(guò)小不利于霧滴沉積，反而會(huì)使霧滴懸浮于半空中，所以適當(dāng)?shù)娘L(fēng)速可使霧滴更容易附著在農(nóng)作物上。為了測(cè)試不同風(fēng)速下霧滴漂移的情況，試驗(yàn)所用的植保無(wú)人機(jī)為大疆T30 植保無(wú)人機(jī)，機(jī)型外觀如圖3 所示，機(jī)型主要參數(shù)如表1 所示。植保機(jī)的飛行速度和高度根據(jù)測(cè)量要求調(diào)整。

表1 大疆T30植保無(wú)人機(jī)技術(shù)參數(shù)

3.2 霧滴沉積試驗(yàn)與結(jié)果分析

為了規(guī)避試驗(yàn)過(guò)程的危險(xiǎn)性，在試驗(yàn)過(guò)程中，嚴(yán)格按照植保無(wú)人機(jī)的作業(yè)規(guī)范。2021 年11 月4 日，本次試驗(yàn)于廣東省惠州市惠州工程職業(yè)學(xué)院實(shí)驗(yàn)菜地上進(jìn)行，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖4 所示。

在試驗(yàn)地上圍出15 m×15 m 的正方形試驗(yàn)地點(diǎn)，為了更好地收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在沉積區(qū)內(nèi)均勻布置15 張銅版紙（印刷涂布紙）。銅版紙是在原紙表面涂一層白色涂料，經(jīng)超級(jí)壓光加工而成，分單面和雙面2 種，紙面又分光面和布紋2 種。試驗(yàn)選取的光面紙表面光滑、潔白度高、吸墨著墨性能很好，基本樣式如圖5所示，用于采集霧滴覆蓋的情況。為了避免機(jī)身帶來(lái)的氣流影響采樣點(diǎn)。在離地1.5 m 的高度設(shè)置采樣點(diǎn)，在離地3.5 m 的高度設(shè)置飛行高度，距離采樣只為2 m，在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)高度基本符合計(jì)劃高度。11 月4日當(dāng)天平均氣溫為24.5 ℃，風(fēng)速為0～3.3 m/s，東南風(fēng)2 級(jí)。表2 是6 架次無(wú)人機(jī)作業(yè)時(shí)的氣象情況。

表2 6架次植保無(wú)人機(jī)作業(yè)氣象表

為了減少農(nóng)藥對(duì)土壤的危害，本次試驗(yàn)所用藥劑為莧菜紅色素溶液。莧菜紅為紫紅色均勻粉末，無(wú)臭、耐光、耐熱性強(qiáng)（105 ℃），易溶于水，其粉末如圖6 所示。將莧菜紅色素以1 :1 000 的濃度溶于水中，可呈玫瑰紅色溶液。圖7 為本次試驗(yàn)的部分樣品溶劑，將其倒入植保無(wú)人機(jī)藥箱，噴施在事先布置好的銅版紙上，以此來(lái)更好地觀察霧滴噴施情況。

為了分析霧滴在不同風(fēng)速條件下分布的均勻性，利用公式計(jì)算得出數(shù)據(jù)，計(jì)算公式為

式中：

C.V——變異系數(shù)；

S——該樣本的標(biāo)準(zhǔn)差，%；

xi——各采集點(diǎn)霧滴的覆蓋度，%；

——霧滴覆蓋度平均值，%；

n——采集點(diǎn)個(gè)數(shù)。

利用公式（2）可以計(jì)算沉積區(qū)域內(nèi)霧滴覆蓋率和霧滴密度的分布數(shù)值，由表3 可知，沉積區(qū)霧滴覆蓋率和霧滴密度變化分布情況的方差值。由此可知，風(fēng)速對(duì)沉積區(qū)內(nèi)的霧滴覆蓋度有較大影響。

試驗(yàn)分析可知，表3 中的 Sig 表示風(fēng)速對(duì)結(jié)果影響的顯著性水平值，“*”表示風(fēng)速對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有顯著性影響，“-”表示風(fēng)速對(duì)試驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有顯著的影響。由表3 可知風(fēng)速對(duì)沉積區(qū)采集點(diǎn)上的霧滴覆蓋率影響顯著，而對(duì)霧滴密度的影響不顯著。

表3 霧滴覆蓋度分布結(jié)果方差分析表

表4 是不同風(fēng)速下的霧滴沉積的分布信息，由試驗(yàn)結(jié)果可知，采集點(diǎn)的平均覆蓋率和霧滴分布受不同風(fēng)速的影響，如果風(fēng)速為0.2～4.1 m/s，霧滴平均覆蓋率的有效值為1.5%～2.5%。除了架次1 外，風(fēng)速越大，霧滴在沉積區(qū)的分布越不均勻，風(fēng)速值處于0.2 m/s 時(shí)，各個(gè)收集點(diǎn)之間的霧滴覆蓋變異系數(shù)為80.2%，比架次2～5 的霧滴覆蓋度變異系數(shù)高。

表4 各架次試驗(yàn)沉積區(qū)平均霧滴覆蓋度

表5 為沉積區(qū)內(nèi)不同風(fēng)速下的平均霧滴密度和變異系數(shù)據(jù)。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，如果風(fēng)速≤3.2 m/s 時(shí)，平均霧滴密度處于10.5～15.8 個(gè)/cm2；風(fēng)速＞3.2 m/s 時(shí)，平均霧滴密度處于9.1～12.5 個(gè)/cm2。其中風(fēng)速分別為2.6、3.2 m/s 時(shí)，霧滴沉積量最多，平均霧滴密度都超過(guò)15 個(gè)/cm2，霧滴沉積數(shù)量最多；當(dāng)風(fēng)速超過(guò)3.2 m/s 時(shí)，平均霧滴密度下降到9.1 個(gè)/cm2。由此可知，如果風(fēng)速超過(guò)3.2 m/s 時(shí)，不利于植保無(wú)人機(jī)作業(yè)，噴灑藥劑均勻性變差。

表5 各架次試驗(yàn)沉積區(qū)平均霧滴密度

不同風(fēng)速下的霧滴飄移距離和總覆蓋率如表6所示。分析表中數(shù)據(jù)可知，風(fēng)速≤3.2 m/s 時(shí)，霧滴處于較為穩(wěn)定的飄移距離，平均總覆蓋率為2.35%，覆蓋率較大；風(fēng)速＞3.2 m/s 時(shí)，平均總覆蓋率為1.6%，覆蓋率較小，霧滴飄移距離大幅度增加。

表6 不同風(fēng)速下的飄移距離和總覆蓋率

針對(duì)在不同風(fēng)速下，以大疆T30 植保無(wú)人機(jī)為主展開(kāi)了霧滴對(duì)不同風(fēng)速產(chǎn)生的位移現(xiàn)象的試驗(yàn)，得出以下結(jié)論。

1）當(dāng)風(fēng)速處于0.2～3.2 m/s 時(shí)，霧滴沉積量穩(wěn)定，沒(méi)有大幅度飄移。

2）當(dāng)風(fēng)速超過(guò)3.2 m/s 后，風(fēng)速越大，沉積區(qū)霧滴沉積量越少。

3）隨著風(fēng)速的增大到3.2 m/s 之后，霧滴在沉積區(qū)的初始位置將產(chǎn)生位移，并且風(fēng)速越大，沉積區(qū)的霧滴分布均勻性越差。

綜上所述，在進(jìn)行植保無(wú)人機(jī)噴灑作業(yè)時(shí)，風(fēng)速不超過(guò)3.2 m/s 的時(shí)候作業(yè)效果最優(yōu)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)以變異系數(shù)和樣本標(biāo)準(zhǔn)公式為基礎(chǔ)，通過(guò)單因素試驗(yàn)分析了大疆植保無(wú)人機(jī)作業(yè)時(shí)，風(fēng)速對(duì)霧滴飄移的影響，在測(cè)試風(fēng)速大小對(duì)霧滴飄移的影響時(shí)，由觀測(cè)可知，風(fēng)速不同，霧滴覆蓋率不同，飄移情況不同，由試驗(yàn)結(jié)果可知，風(fēng)速處于2.6～3.2 m/s 時(shí)，霧滴處于較為穩(wěn)定的飄移距離，由表4 數(shù)據(jù)可知，平均覆蓋率為2.5%。未來(lái)，我國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展將以精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)為主，可以預(yù)見(jiàn)“植保無(wú)人機(jī)+精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”的行業(yè)應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。