許童羽 于豐華 曹英麗 杜 文 馬明洋

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，沈陽 110866; 2.遼寧省農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，沈陽 110866)

粳稻多旋翼植保無人機(jī)霧滴沉積垂直分布研究

許童羽1,2于豐華1曹英麗1,2杜 文1馬明洋1

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，沈陽 110866; 2.遼寧省農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，沈陽 110866)

為研究多旋翼植保無人機(jī)低空噴施作業(yè)過程中，水稻垂直方向霧滴沉積的分布規(guī)律，在水稻冠層葉片、中部葉片、底部葉片分別放置了霧滴測試卡，收集植保無人機(jī)噴灑過程中的霧滴信息。使用清水代替農(nóng)藥來模擬噴施過程，利用霧滴沉積分析軟件iDAS分析霧滴測試卡，得出植保無人機(jī)霧滴在水稻垂直方向的分布結(jié)果。試驗結(jié)果表明：植保無人機(jī)低空噴霧在水稻垂直方向的霧滴覆蓋率存在顯著差異，有效噴幅內(nèi)旋翼下方區(qū)域的霧滴覆蓋效果最好，而遠(yuǎn)離旋翼的位置，霧滴覆蓋率較差。從水稻垂直方向的不同位置分析，霧滴總體覆蓋率為冠層54.86%，中部32.69%，底部24.7%；水稻垂直各位置的粒徑分布中，平均粒徑范圍處于110～140 μm之間，粒徑大小適合植物病蟲的防治。冠層的點密度最大，而水稻中間部位和水稻底部的點密度分布較為相似；水稻中部霧滴擴(kuò)散比(0.465)優(yōu)于冠層(0.38)和底部(0.31)，整體噴霧的霧滴擴(kuò)散比與相對粒譜寬度的數(shù)值均低于正常值(0.67)。

植保無人機(jī)； 霧滴沉積； 粳稻

引言

遼寧省是我國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)，水稻是遼寧省主要栽培的糧食作物之一，近年來隨著農(nóng)藥、化肥等用量的不斷增加，造成了土壤退化、環(huán)境污染和稻米品質(zhì)下降等情況，為此2015年農(nóng)業(yè)部制定了《到2020年化肥使用量零增長行動方案》和《到2020年農(nóng)藥使用量零增長行動方案》?！笆濉逼陂g，對水稻植保進(jìn)行高效作業(yè)和管理，是降低農(nóng)藥化肥使用量、提高效率的關(guān)鍵問題之一[1]。多旋翼植保無人機(jī)由于其體積小、易操控、安全性高、不需要特殊跑道等特點，近年來在區(qū)域級的農(nóng)作物田間植保作業(yè)中得到了快速的發(fā)展。茹煜等[2]設(shè)計了基于無人機(jī)的低量噴霧系統(tǒng)，能夠進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制，并進(jìn)行了離心噴霧效果的性能試驗和理論探索。王昌陵等[3]基于紅外熱像儀通過對植保無人機(jī)作業(yè)前后的冠層溫度進(jìn)行測量，利用溫度的變化率來評估霧滴在水稻冠層的沉積情況。杜文等[4]分析了采用多旋翼無人機(jī)在灌漿期噴施葉面肥的水稻冠層霧滴沉積效果。張宋超等[5]利用單旋翼直升機(jī)，對玉米栽培過程中的無人機(jī)植保作業(yè)的霧滴沉積效果進(jìn)行了研究，為無人機(jī)噴霧系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計，提高噴灑效率等提供了一定的技術(shù)依據(jù)。邱白晶等[6]研究了無人直升機(jī)飛行高度與速度對噴霧沉積分布的影響。袁會珠等[7]論述了霧滴粒徑大小、覆蓋密度與殺蟲劑、殺菌劑和除草劑藥效之間的關(guān)系，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、無人機(jī)精準(zhǔn)化施藥提供參考。蘭玉彬團(tuán)隊[8-10]研究了不同噴霧作業(yè)參數(shù)對水稻冠層霧滴沉積分布的影響，并研究了風(fēng)場因素對植保作業(yè)的影響，對于合理使用無人機(jī)植保作業(yè)，提高噴濕效率具有重要指導(dǎo)意義。

傳統(tǒng)的水稻植保作業(yè)的方式主要包括人工噴施、地面機(jī)械作業(yè)、固定翼飛機(jī)植保作業(yè)3種方式。在傳統(tǒng)的植保作業(yè)方式中，人工作業(yè)勞動強(qiáng)度大、危險性高、工作效率低、作業(yè)時間長。地面機(jī)械田間行進(jìn)困難，容易造成耕地?fù)p壞，還會造成一定的水稻破壞[11]。固定翼飛機(jī)植保作業(yè)受場地條件約束較大，同時霧滴漂移情況比較嚴(yán)重，成本也較高。而植保無人機(jī)技術(shù)作為我國近年來快速發(fā)展起來的新型植保方式，能夠有效地改善傳統(tǒng)植保技術(shù)的不足，正在成為水稻植保作業(yè)的首選方式。目前植保無人機(jī)負(fù)載有限，通常情況下藥箱容量為5～20 kg。因此無人機(jī)在水稻植保作業(yè)中，需采用超低容量噴霧技術(shù)[12-13]。

本文主要針對我國遼寧地區(qū)水稻無人機(jī)植保的發(fā)展現(xiàn)狀，利用多旋翼植保無人機(jī)進(jìn)行水稻田間施藥作業(yè)，研究不同飛行參數(shù)條件對水稻植保作業(yè)中霧滴沉積分布的影響，探討霧滴在水稻上的垂直分布特性，為提高無人機(jī)植保施藥效果、降低農(nóng)藥使用量提供數(shù)據(jù)支撐和理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 儀器設(shè)備

采用深圳大疆創(chuàng)新技術(shù)有限公司生產(chǎn)的MG-1八旋翼電動無人直升機(jī)，如圖1a所示，主要性能指標(biāo)如表1所示。

圖1 試驗無人機(jī)與試驗現(xiàn)場Fig.1 Test UAV and site

表1 MG-1植保無人機(jī)主要性能參數(shù)Tab.1 Main performance index of MG-1

無人機(jī)藥液噴灑系統(tǒng)由防震蕩藥箱、水泵、藥業(yè)管、陶瓷噴頭等構(gòu)成，共有4個離心式噴頭，位于左右4個旋翼下方，噴頭方向朝下垂直于地面，單個噴頭最大流量為 0.43 L/min。通過便攜式風(fēng)速計、手持式溫濕度檢測儀獲取試驗時的環(huán)境信息。本研究采用瑞士先正達(dá)公司的霧滴測試卡收集和檢驗無人機(jī)噴灑的霧滴分布、粒徑大小及覆蓋度等關(guān)鍵信息。

1.2 試驗方法

1.2.1試驗地點與材料

試驗地點位于遼寧省沈陽市“沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水稻育種栽培試驗基地”，試驗時間為2016年9月7日，水稻生育期為灌漿期，試驗區(qū)水稻植株平均高度為117 cm，試驗品種為沈稻529。水稻采用人工插秧，行間距為30 cm。試驗當(dāng)天環(huán)境平均溫度為23.45℃，相對濕度32.89%，風(fēng)速為0.875 m/s。

1.2.2采樣點布置

在試驗田選擇的26 m×54 m矩形田塊中進(jìn)行試驗，無人機(jī)飛行高度為水稻冠層上方1 m，設(shè)置飛行速度為1.5 m/s，試驗共設(shè)置3個重復(fù)。為了減少稻葉上露水等干擾因素對霧滴測試卡采集數(shù)據(jù)的影響，試驗在08:50開始，沿垂直無人機(jī)植保作業(yè)方向，將霧滴測試卡布在水稻垂直空間的冠層葉片、中部葉片(距地面60 cm)、底部。按照水稻種植的行距分布，每行共布17個霧滴采集點。采收帶長度約8 m，大于噴幅范圍，以便收集所有霧滴。霧滴測試卡用曲別針夾于水稻葉片的正、反兩面。試驗中，無人機(jī)采用自主作業(yè)方式，按照預(yù)設(shè)的中軸線飛行，為提高飛行定位精度，本研究分別在無人機(jī)和地面設(shè)置差分模塊和定位基站，采用差分GPS的方法提高定位精度。為避免霧滴飄移現(xiàn)象造成誤差，重復(fù)試驗之間設(shè)置10 m的間隔距離，兩組試驗之間設(shè)置15 m的間隔距離。植保作業(yè)噴灑結(jié)束30 min后，佩戴一次性手套按順序收取霧滴測試卡，以保證霧滴測試卡能夠充分晾干，并對霧滴測試卡進(jìn)行編號、封裝，帶回實驗室進(jìn)行分析。試驗布點位置如圖2所示。

圖2 試驗小區(qū)布置Fig.2 Schematic diagram of test plots layout

1.2.3霧滴測試卡與試劑

本研究所使用的霧滴測試卡底色為黃色，遇水后迅速變?yōu)樗{(lán)色，顏色變化非常明顯，如圖3所示。霧滴測試卡尺寸為26 mm×76 mm，試驗使用純凈水替代農(nóng)藥對水稻進(jìn)行噴施。

圖3 霧滴測試卡Fig.3 Droplet test card

1.2.4無人機(jī)作業(yè)參數(shù)設(shè)計

本次試驗的目的是研究植保無人機(jī)霧滴在水稻垂直方向上的霧滴沉積分布規(guī)律，根據(jù)先前試驗經(jīng)驗和文獻(xiàn)資料，設(shè)置飛行高度為水稻冠層上方1 m，噴頭流量為0.25 L/min。飛行速度設(shè)置為1.5 m/s。

1.3 數(shù)據(jù)處理

待霧滴測試卡充分晾干后，將霧滴測試卡按照編號逐一放入塑封袋中，帶回實驗室進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。通過掃描儀進(jìn)行掃描，將掃描后的數(shù)據(jù)利用圖像處理軟件iDAS進(jìn)行分析處理，得到多旋翼植保無人機(jī)在相同高度不同速度情況下水稻植保作業(yè)的霧滴覆蓋率、覆蓋密度及沉積量等關(guān)鍵信息。本研究對3次重復(fù)試驗的相同位置采用皮爾森相關(guān)性進(jìn)行分析對比，結(jié)果如表2、3所示。

表2 3個重復(fù)試驗覆蓋率相關(guān)性Tab.2 Correlation of coverage rate for three repeated tests

注：** 表示2個變量差異達(dá)到P<0.01極顯著性檢驗水平。

表3 3個重復(fù)試驗霧滴點數(shù)相關(guān)性Tab.3 Droplets correlation of three repeated tests

注：** 表示兩個變量達(dá)到P<0.01極顯著性檢驗水平。

由表2和表3可知3組重復(fù)試驗的相關(guān)性比較理想，均達(dá)到了極顯著性檢驗水平，因此本研究將3次重復(fù)試驗求平均進(jìn)行分析，以降低誤差。

2 結(jié)果與分析

2.1 霧滴覆蓋率與回收率分析

圖4為本研究試驗的水稻垂直方向不同位置的霧滴覆蓋率與回收率的結(jié)果，圖中的橫坐標(biāo)表示每條霧滴采集帶的實際長度。在本研究中覆蓋率為浸染面積與采樣面積之比，回收率為沉積量與采樣面積之比。浸染面積為水敏試紙上被水洇濕后發(fā)生顯色反應(yīng)的總面積。采樣面積為處理的水敏圖像的總面積，為浸染面積和未浸染面積之和。而回收率能夠反映單位面積上的霧滴沉積量。

由霧滴覆蓋率和回收率的分析結(jié)果可以看出，植保無人機(jī)在作業(yè)過程中，霧滴落在水稻葉片上的分布差異比較明顯。從圖4中可知在6 m的有效噴幅內(nèi)，無人機(jī)作業(yè)均勻性較差，在本研究中噴頭所在的位置下方霧滴覆蓋率相比其他位置的霧滴覆蓋率好。而遠(yuǎn)離噴頭位置的地方霧滴覆蓋效果并不理想。

在垂直方向上，霧滴的覆蓋分布程度在水稻冠層、中部、底部分布情況較為相似，在2～4 m之間覆蓋程度較好。從霧滴覆蓋率的數(shù)值上可以看出，冠層覆蓋率優(yōu)于水稻中部和底部的覆蓋率，如表4所示。

2.2 霧滴粒徑分布分析

圖5為本研究試驗的水稻垂直方向不同位置的霧滴粒徑分布情況，圖中縱坐標(biāo)表示霧滴直徑和點密度，橫坐標(biāo)為霧滴采集帶的實際長度。DV1、DV5、DV9分別表示體積累加到10%、50%、90%時的霧滴直徑。霧滴直徑可由沉積面積和擴(kuò)散系數(shù)計算得到，點密度可由點數(shù)比上采樣面積得到。

圖4 水稻垂直方向的霧滴覆蓋率與回收率Fig.4 Droplet coverage rate and recovery rate in vertical direction of rice

圖5 水稻垂直方向的霧滴粒徑分布Fig.5 Droplet size distributions in vertical direction of rice

表4 水稻垂直方向霧滴覆蓋率與回收率分布Tab.4 Droplet coverage rate and recovery rate distributions in vertical direction of rice

由于植保無人機(jī)在作業(yè)過程中，液滴經(jīng)過噴霧器械霧化部件的作用而分散。但從噴頭噴出的霧滴大小并非均勻一致，而是有大有小，呈一定的分布，用μm作為單位。霧滴粒徑是衡量藥液霧化程度和作業(yè)質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。最易被生物體捕獲并能取得最佳防治效果的霧滴粒徑稱為生物最佳粒徑。殺蟲劑、殺菌劑、除草劑的最佳粒徑范圍不同。對于飛行昆蟲而言，生物最佳粒徑為10～50 μm，作物葉面爬行類害蟲幼蟲，生物最佳粒徑為30～150 μm，對植物病害和雜草生物最佳粒徑分別為30～150 μm和100～300 μm。從圖5中可以看出水稻不同位置的粒徑分布與點密度的分布情況存在明顯差異。植保無人機(jī)旋翼下方的點密度較好，而離旋翼較遠(yuǎn)的霧滴測試卡采集的點密度則相對較小，從分布規(guī)律可以看出，粒徑分布和點密度的變化受旋翼風(fēng)場的影響較大。

表5為水稻垂直各位置的粒徑分布情況，冠層的點密度最大，而水稻中間部位和水稻底部的點密度相差不大。從粒徑均值的數(shù)據(jù)來看，平均粒徑范圍處于110～140 μm之間，適合用于植物病蟲的防治。

2.3 擴(kuò)散比與相對粒譜寬度分析

擴(kuò)散比與相對粒譜寬度是國際上用來衡量霧滴噴灑效果的常用指標(biāo)，擴(kuò)散比為體積中值直徑與數(shù)量中值直徑之比。相對粒譜寬度為DV9與DV1差值與DV5之比。

霧滴擴(kuò)散比的理想值為1，即全部霧滴體積相同；通常情況下擴(kuò)散比范圍在0.67～1內(nèi)就被認(rèn)為霧滴分布比較均勻。而相對粒譜寬度數(shù)值越小越好，理想值為零，即占總體積80%的霧滴體積相同。從圖6中可以看出水稻不同位置的擴(kuò)散比和相對粒譜寬度變化差異非常明顯，同時在植保無人機(jī)的有效噴幅內(nèi)，2個數(shù)值的分布情況也變化較大。

表5 水稻垂直方向粒徑分布Tab.5 Droplet size distribution in vertical direction of rice

圖6 水稻垂直方向的霧滴擴(kuò)散比與相對粒譜寬度Fig.6 Diffusion ratio and relative width of droplet size in vertical direction of rice

表6是霧滴擴(kuò)散比與相對粒譜寬度在水稻不同位置上的分布情況，從表中可以看出，水稻中部的擴(kuò)散比和相對粒譜寬度都要優(yōu)于水稻冠層和水稻底部，但其數(shù)值與正常值之間依然存在一定的差距。

表6 水稻垂直方向擴(kuò)散比與相對粒譜寬度分布Tab.6 Distributions of diffusion ratio and relative width of droplet size in vertical direction of rice

3 討論

通過八旋翼植保無人機(jī)對東北粳稻田間管理進(jìn)行噴施作業(yè)，主要通過在水稻植株上不同位置布置霧滴測試卡，來研究分析植保無人機(jī)作業(yè)過程中霧滴在水稻垂直方向上的沉積分布情況。

通過圖4的霧滴覆蓋率與回收率的分析可知，植保無人機(jī)在水稻植保的作業(yè)過程中，霧滴覆蓋分布情況較差，在植保無人機(jī)有效噴幅范圍內(nèi)，覆蓋較好的地方通常位于旋翼下方，而旋翼兩側(cè)覆蓋率較差，造成這樣的原因可能是霧滴過細(xì)，而旋翼的風(fēng)場對于霧滴的沉積起到了關(guān)鍵作用。而旋翼風(fēng)場之外的霧滴其受力情況較為復(fù)雜，包括環(huán)境風(fēng)場、旋翼風(fēng)場的邊界效應(yīng)，環(huán)境溫度等多重因素的影響，一部分在還沒有落到葉片上就已經(jīng)在空氣中消散，另一部分由于復(fù)雜風(fēng)力的作用發(fā)生了飄移[14-16]。通過正反面霧滴分布情況可以看出，水稻正反面霧滴分布情況基本一致，這可能是由于東北粳稻葉片較為直立，在多旋翼風(fēng)場的作用下造成的，本研究未對旋翼風(fēng)場進(jìn)行深入研究。通過表4的數(shù)據(jù)可以看出，水稻冠層覆蓋率為54.86%，中部覆蓋率為32.69%，底部覆蓋率為24.7%，說明植保無人機(jī)的穿透性能還是比較理想的，能夠很好地在水稻的各個位置進(jìn)行附著。通過表5的數(shù)據(jù)可以看出，本次試驗的粒徑均值在110～140 μm之間，粒徑分布情況與霧滴覆蓋情況較為相似，本研究所采用的霧滴測試卡存在霧滴聚集的情況，同時采用圖像分析的手段進(jìn)行，因此本研究所得到的霧滴粒徑結(jié)果可能會包含這樣的誤差情況[17]。圖6和表6的擴(kuò)散比與相對粒譜寬度的數(shù)據(jù)表明，本研究所采用的植保無人機(jī)噴霧效果并不理想，綜合指標(biāo)均低于合理水平，這也是目前植保無人機(jī)都存在的問題，造成這樣結(jié)果是由飛行參數(shù)、噴頭、作物自身特性等多因素共同造成的，本研究未對此進(jìn)行深入的研究。

通過對以上試驗結(jié)果的分析可知：植保無人機(jī)作業(yè)過程中的霧滴沉積分布規(guī)律不僅與無人機(jī)的作業(yè)參數(shù)有關(guān)，還與風(fēng)場(旋翼風(fēng)場和外界風(fēng)場)存在著十分顯著的相關(guān)性[18]。由于植保無人機(jī)的霧滴粒徑較細(xì)，在空中容易飄移，而植保無人機(jī)的霧滴沉積規(guī)律需要從根本上研究其風(fēng)場分布的規(guī)律，同時需要對霧滴的受力情況開展深入研究。本研究采用軟件來識別試驗過程中的霧滴粒徑，但從實際霧滴在測試卡上的沉積效果來看，當(dāng)霧滴沉積量較少時能夠準(zhǔn)確識別出霧滴個數(shù)，但當(dāng)霧滴覆蓋較多時，霧滴容易出現(xiàn)重疊、黏連等情況，利用識別軟件進(jìn)行霧滴分析會造成一定的誤差，但總體趨勢是一致的[19-21]。

4 結(jié)論

(1)植保無人機(jī)低空噴霧，在水稻不同位置的霧滴覆蓋率存在著顯著差異，有效噴幅范圍內(nèi)，旋翼下方區(qū)域的霧滴覆蓋效果最好，而遠(yuǎn)離旋翼的位置，霧滴覆蓋率較差。從水稻不同位置來看，冠層霧滴總體覆蓋率為冠層54.86%，中部32.69%，底部24.7%。

(2)水稻垂直各位置的粒徑分布中，平均粒徑范圍處于110～140 μm之間，粒徑大小適合植物病蟲的防治。冠層的點密度最大，而水稻中間部位和水稻底部的點密度分布較為相似。

(3)水稻中部霧滴擴(kuò)散比(0.465)優(yōu)于冠層(0.38)和底部(0.31)，整體噴霧的霧滴擴(kuò)散比與相對粒譜寬度的數(shù)值均低于正常數(shù)值(0.67)。

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VerticalDistributionofSprayDropletDepositionofPlantProtectionMultiRotorUAVforJaponicaRice

XU Tongyu1,2YU Fenghua1CAO Yingli1,2DU Wen1MA Mingyang1

(1.CollegeofInformationandElectricalEngineering,ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang110866,China2.LiaoningEngineeringResearchCenterforInformationTechnologyinAgriculture,Shenyang110866,China)

In order to study the vertical distribution of spray droplet deposition of plant protection multi rotor UAV in low altitude spraying operation process, droplet test card were placed in rice canopy leaves, middle leaves and bottom leaves to collect protection UAV spray droplet.Water was used instead of pesticide in spraying process simulation, and iDAS analysis software was used to analyze the droplet deposition on the test card and the distribution of spray droplet deposition at different positions.The results showed that the spray droplet coverage rate of low altitude UAV in vertical direction was significantly different, the droplet coverage effect in the effective range and below rotor was the best, and the droplet coverage effect away from the rotor was poor.From different positions of rice canopy, overall droplet coverage rate in canopy was 54.86%, in middle canopy was 32.69%, and in bottom canopy was 24.7%.The particle size distribution in the vertical position of rice was in the range of 110～140 μm, and the particle size was suitable for the prevention and control of plant diseases and insect pests.The density of the canopy was the highest, while the density distribution of the middle part and the bottom of rice was similar.The central rice droplet diffusion ratio (0.465) was better than those of the canopy (0.38) and bottom (0.31), the overall spray width and relative numerical diffusion of particle spectrum were lower than the normal value (0.67).

plant protection UAV； deposition of droplets； japonica rice

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.10.012

S252

A

1000-1298(2017)10-0101-07

2017-01-16

2017-04-01

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFD020060307)和遼寧省教育廳重點項目(LSNZD201605)

許童羽(1967—)，男，教授，主要從事農(nóng)業(yè)航空領(lǐng)域研究，E-mail：yatongmu@163.com