何勇，吳劍堅，方慧*，鄭啟帥，肖舒裴，岑海燕1

（1.浙江大學生物系統(tǒng)工程與食品科學學院，杭州310058；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部光譜檢測重點實驗室，杭州310058）

病蟲害是阻礙農(nóng)作物健康生長的主要因素。目前，化學防治因其高效、快速、經(jīng)濟等特點而應用普遍。但在傳統(tǒng)的施藥過程中，經(jīng)常出現(xiàn)農(nóng)藥高效而利用低效的現(xiàn)象，導致藥液流失于非靶標區(qū)域，造成藥劑浪費、人畜中毒、環(huán)境破壞等問題[1-2]。

隨著無人機技術的不斷發(fā)展，植保無人機憑借其成本低、性能優(yōu)越、無需專門起降場地等優(yōu)點得到了越來越廣泛的應用[1-2]。植保無人機相對于其他植保機械更為靈活，便于控制，操作勞動強度低，不損傷作物，且適用于各種復雜的作業(yè)環(huán)境，例如水田、山坡等地面機械難以進入的區(qū)域，能有效減少施藥過程中農(nóng)藥對操作者的危害和操作的危險系數(shù)[3-4]。隨著植保無人機在農(nóng)藥噴施中的推廣運用，農(nóng)藥的利用率大幅提升，但仍存在由霧滴飄移及藥液流失等造成的農(nóng)藥浪費及污染等問題[5]。噴霧霧滴在靶標作物上的沉積效果是評價農(nóng)田作業(yè)效果的重要指標，因而針對無人機的作業(yè)質(zhì)量和霧滴沉積效果的研究也逐漸得以開展，以改善當前農(nóng)藥利用率低下和環(huán)境污染嚴重的噴藥作業(yè)狀況，促成噴藥技術的創(chuàng)新。影響霧滴沉積效果的因素有很多，將它們進行綜合分析，完善噴霧系統(tǒng)，提高農(nóng)藥的噴施效果和效率是當前無人機噴霧系統(tǒng)研究工作的重點。

本文綜述了植保無人機噴霧過程中霧滴沉積分布的特點及影響霧滴沉積效果的因素，并介紹了目前主要的霧滴沉積檢測技術；同時，針對研究發(fā)展中的不足之處進行了總結(jié)和思考。

1 沉積分布特點及評價指標

1.1 沉積分布的一般特點

噴霧系統(tǒng)中霧滴的沉積分布具有較高的不確定性。當噴霧條件發(fā)生改變時，例如采用不同型號的噴頭、改變藥劑劑型和施藥量等，霧滴在同一靶標作物的沉積分布會產(chǎn)生差別。此外，霧滴在同一植株冠層不同位置的沉積分布也有所不同，一般情況下，冠層的上、中、下位置的沉積量依次遞減。飛行航向上的噴霧效果相對航向兩側(cè)更為穩(wěn)定，且航向兩側(cè)的霧滴沉積效果受風場的影響較大[6]。

1.2 噴霧沉積效果評價指標

霧滴的沉積效果直接影響到噴霧作業(yè)的成效。它的主要評價指標包括：霧滴沉積量、霧滴沉積密度、霧滴沉積的均勻性和穿透性、霧滴飄移率等。沉積量是指在單位面積上霧滴沉積的質(zhì)量或體積。霧滴的沉積密度是指沉積在單位面積作物葉面上的霧滴數(shù)目，霧滴沉積密度越大，說明霧滴在作物表面的作用點越多，產(chǎn)生的防治效果也相對較好。在進行沉積密度測試時，通常以同一冠層高度、不同采集位置的霧滴沉積密度的變異系數(shù)來衡量霧滴的沉積均勻性。而評估霧滴的穿透性，則是以植株同一采集位置、不同冠層高度的霧滴沉積密度或其他沉積參數(shù)的變異系數(shù)來衡量。當變異系數(shù)較小時，說明霧滴沉積均勻性和穿透性較好。在噴霧作業(yè)中，部分霧滴會沉積在非靶標區(qū)域或飄浮在空中，造成霧滴飄移。與地面機械噴霧作業(yè)相比，航空施藥中的霧滴飄移現(xiàn)象更為嚴重[7]。霧滴飄移分為空中飄移和地面飄移，降低霧滴飄移率是提高作業(yè)質(zhì)量的關鍵[8-9]。

2 霧滴沉積參數(shù)的檢測方法

霧滴沉積參數(shù)的檢測方法有很多，且各有特點。

通過對水敏紙[10-12]進行圖像分析以檢測霧滴特性的方法在無人機噴霧方面的應用較為廣泛。在部分研究中，也有將熒光染料添加到藥液樣品中，用聚酯卡收集霧滴，利用熒光分光光度計測量沉積量[13]；熒光粒子示蹤法與該方法原理類似，且靈敏度更高，但是由于熒光物質(zhì)的特殊性，采用這種方法時試驗結(jié)果易受環(huán)境因素影響。

光學原理的測量系統(tǒng)能夠精準、方便地實時測量霧滴粒徑與分布規(guī)律，獲取霧滴的粒度分布等相關參數(shù)[14]。其中，激光粒度儀依據(jù)顆粒能使激光產(chǎn)生散射進行測試，在不同噴霧條件下對霧滴粒徑分布的研究中都得到了應用。張慧春等[15]利用激光粒度儀對不同扇形霧化噴頭在不同工作條件下的霧滴粒徑分布情況進行了探究。高圓圓[6]利用以激光粒度分析儀為主建成的霧滴粒徑測試系統(tǒng)對Af-811小型無人機霧化系統(tǒng)的性能參數(shù)進行了初步研究。KIRK[16]則將激光粒度儀用于噴頭的性能測試，幫助建立用于開發(fā)霧化模型的數(shù)據(jù)集。以上研究表明，激光粒度儀能夠輔助霧化系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化，有利于比較不同噴頭的噴霧效果，幫助開發(fā)新型霧化噴頭，但是基于激光的測量成本高，不適合田間大規(guī)模地進行實地快速測量。

此外，更多的測試手段不斷地應用于本領域中。如張京等[17]使用紅外熱像儀與無人機聯(lián)用測試噴霧前、后作物冠層溫度，通過溫度變化率來反映霧滴在水稻冠層的沉積效果，表明該研究與以霧滴沉積量與冠層溫度變化率為評價指標得到的結(jié)果一致，說明紅外熱成像技術可以準確反映霧滴在水稻上的沉積規(guī)律。張瑞瑞等[18]開發(fā)了一種基于變介電常數(shù)電容器原理的霧滴沉積傳感器及檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對航空施藥中霧滴地面沉積量的快速獲取，并參照水敏紙圖像處理方法對系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)進行了分析；結(jié)果表明，基于電容變介電常數(shù)原理和Zigbee技術設計的測量系統(tǒng)，對霧滴沉積分布特性的檢測結(jié)果較好，但對霧滴沉積量的測量結(jié)果不甚理想。吳亞壘等[19]提出的基于駐波率原理的叉指型霧滴采集系統(tǒng)可實現(xiàn)對溫室中霧滴沉積量的實時檢測，具有較高的可靠性。這幾種方法都可以較好地測量單個沉積效果指標，但存在無法獲取其他沉積分布參數(shù)或者測量效果不夠理想等問題。

總之，霧滴沉積參數(shù)的獲取是促進提高噴霧效果的重要環(huán)節(jié)，目前關于田間在線快速檢測技術的研究仍較為缺乏。因此，亟需開發(fā)新型的在線檢測系統(tǒng)，提高檢測精度，為田間試驗檢測霧滴沉積特性提供便捷，同時為噴施決策提供實時的反饋，以達到更好的噴施效果。

3 霧滴沉積效果的影響因素研究

農(nóng)藥從噴嘴噴出后主要有3個去向，分別是蒸發(fā)、飄移和沉積，而沉積后的藥液部分將滴落至土壤里，造成藥液的流失。霧滴的沉積規(guī)律和沉積量受多種因素的影響。對于無人機噴霧系統(tǒng)而言，噴霧霧滴參數(shù)、作業(yè)參數(shù)、設備結(jié)構(gòu)類型和環(huán)境因素等都會對霧滴沉積效果產(chǎn)生影響。此外，旋翼無人機作業(yè)時，其旋翼風場產(chǎn)生的下壓氣流也會影響藥液的沉積分布。

3.1 風洞試驗

由于環(huán)境因素復雜多變且難以把控，在大田試驗中對霧滴沉積影響因素的分析較為困難，且試驗過程難以重復，因此，確定某一因素對霧滴沉積分布的影響和量化變得非常困難。而風洞試驗能夠較好地解決這個問題。

風洞實驗室是以人工方式產(chǎn)生并控制氣流來模擬實體周圍氣流的流動情況，幫助度量氣流對實體的作用效果的一種管道狀實驗設備，主要由洞體、驅(qū)動系統(tǒng)和測量控制系統(tǒng)組成。風洞實驗室中的環(huán)境因素相對可控且穩(wěn)定，例如風速、風向及環(huán)境溫度等能夠方便、準確地控制，也能夠在其中準確地測定實驗參數(shù)，例如噴霧壓力、高度、流量及噴頭移動速度等。通過風洞試驗控制其他變量，可逐一分析上述變量對霧滴沉積分布及飄移特性的影響，為試驗的進行和數(shù)據(jù)的有效性提供了保障。

如在大田試驗中，風速往往波動很大，難以控制，但通過風洞試驗可以準確地獲取風速對霧滴沉積飄移的影響信息。王玲等[20]通過懸停風洞試驗，選擇了脈寬調(diào)制占空比、噴孔直徑、電動離心噴頭轉(zhuǎn)速等變量，對不同距離和風速條件下的霧滴沉積效果進行了試驗研究；結(jié)果表明，風速是影響霧滴沉積效果的最顯著因素，霧滴沉積量以拋物線形式分布在采集區(qū)域，沉積高峰區(qū)隨風速增加不僅遠離噴頭，且對應沉積量也逐漸減少。類似地，對相關影響因素的研究還有很多，如：茹煜等[21]在風洞環(huán)境下研究了霧滴粒徑和氣流速度對沉積規(guī)律的影響，并建立了相應的運動模型；張慧春等[22]分析了不同噴頭類型、不同藥劑及不同風速下，不同位置處的霧滴沉積和飄移情況，并建立了包含采樣距離、風速、噴頭類型和藥劑類型在內(nèi)的多變量非線性霧滴飄移特性模型。此外，風洞試驗也常應用于噴嘴性能的比較試驗中。呂曉蘭等[23]在風洞的可控環(huán)境下測試了不同型號噴頭在不同噴霧技術參數(shù)下的抗飄移能力，發(fā)現(xiàn)噴頭型號變小會增加霧滴飄移的可能性；此外，他們還比較了德國Lechler公司的標準扇形噴頭和防飄射流噴頭，發(fā)現(xiàn)防飄射流噴頭的抗飄性能更強。風洞試驗為量化噴霧參數(shù)對霧滴沉積效果的影響提供了可能，通過綜合噴頭類型、風速、高度、藥劑類型等多因素的影響，可建立霧滴沉積和飄移預測模型，指導實際的噴霧作業(yè)。雖然風洞試驗在沉積影響因素分析方面的優(yōu)勢明顯，但是風洞實驗室的造價昂貴，條件要求較高，研究人員不一定有條件進行風洞試驗；并且風洞試驗難以考慮飛行參數(shù)及無人機飛行作業(yè)時旋翼下壓風場帶來的影響。

3.2 模擬仿真

計算流體動力學（computational fluid dynamics,CFD）是研究藥液噴施效果的一個重要模擬分析工具，在植保領域中發(fā)揮著重要作用；此外，在噴霧沉積分布及風場模擬研究中也有所應用。模擬仿真的結(jié)果對實際作業(yè)中噴施決策及影響因素分析方面有著重要的指導意義。

應用計算流體動力學能夠模擬噴霧環(huán)境，綜合考慮噴霧影響因素，進行霧滴沉積分布和飄移趨勢的預測，且預測精度較高，能有效模擬實際作業(yè)情況，有利于霧滴沉積和飄移模型的建立。孫國祥等[24]基于CFD離散相模型建立了三維模擬環(huán)境，研究了不同風速和噴霧高度下霧滴的沉積分布趨勢并建立了霧滴沉積量的預測模型。苑進等[25]采用多相流計算流體動力學軟件，建立了三維流場幾何模型，并依據(jù)不同工況參數(shù)對霧滴飄移特性的影響進行了分析。NUYTTENS等[26]提出了采用三維CFD噴霧飄失模型，該模型同時考慮到霧滴特性、氣象條件、藥液特性、冠層結(jié)構(gòu)和作物特點等因素，并進行了田間試驗，證明CFD三維仿真模型是輔助田間減飄試驗的有效途徑。張宋超等[27]基于CFD對N-3型無人直升機施藥作業(yè)中藥液的霧滴飄移進行了模擬，并與地面霧滴飄移量進行了比較，發(fā)現(xiàn)計算流體力學能夠定性地模擬實際飄移情況。王玲[28]采用CFD數(shù)值模擬技術建立了長8 m、寬2 m、高2 m的三維模擬仿真區(qū)域，并在該環(huán)境下沿水平方向－1.5～4.0 m范圍內(nèi)分析了氣流速度、霧滴粒徑、噴霧高度和噴頭噴施角度對霧滴沉積規(guī)律的影響，發(fā)現(xiàn)氣流速度、噴霧高度和噴頭噴施角度均是影響霧滴沉積規(guī)律的主要因素，而霧滴粒徑相對于其他因素對沉積規(guī)律影響不明顯。

旋翼風場是影響霧滴沉積效果的重要因素。在研究試驗中，無人機的旋翼風場往往難以準確測得，對其影響機制的研究較為困難；然而，應用計算流體動力學則有效地解決了這一問題，它能夠直觀地模擬出風場的動態(tài)變化過程，有助于分析霧滴運動沉積趨勢。YANG等[29]應用CFD研究了SLK-5六旋翼農(nóng)用無人機的下旋氣流的動態(tài)變化規(guī)律和分布特點，并基于RANS方程和RNG k-ε湍流模型和動態(tài)網(wǎng)格技術，分析了無人機飛行時下方流場的分布特性，以及機翼間的流場相互作用關系；結(jié)果表明，在無人機的下旋風場中，豎直方向的風速是流場的主體，且模擬值與實際測量值的相對誤差小于12%。總之，對縱向和橫向截面流場特性的詳細分析，為多旋翼無人機噴霧作業(yè)中霧滴飄移和沉降研究提供了參考。

通過CFD進行模擬仿真已成為提高藥液噴施效率的重要手段，其結(jié)果直觀可靠，模擬霧滴沉積及風場連續(xù)變化情況是其他試驗方法所不具備的，也是霧滴運動狀態(tài)及防飄等相關研究中重要的分析工具。

3.3 大田試驗

大田試驗在研究霧滴沉積效果和霧滴的霧化狀況中具有更重要的實際意義。通過軟件雖可以對霧滴沉積狀況、空間分布狀況和飄移情況等進行模擬仿真，但所建模型的模擬值還應與大田試驗獲得的實際測量值進行對比，以驗證模型的可靠性。由于大田試驗的環(huán)境更為復雜，因此需要考慮到的因素相較風洞試驗和模擬仿真試驗更多，其中最重要的就是無人機在實際作業(yè)中飛行參數(shù)對噴霧效果的影響。

邱白晶等[30]研究了CD-10型無人直升機的飛行高度、飛行速度因素對小麥植株的噴霧沉積密度、沉積均勻性的影響及2因素間交互作用的關系，并建立了相應的關系模型，發(fā)現(xiàn)飛行速度和飛行高度是影響霧滴沉積均勻性和沉積密度的重要因素。陳盛德等[31]則采用3因素（飛行高度、飛行速度、噴施流量）的正交試驗，應用小型六旋翼植保無人機進行噴霧試驗，發(fā)現(xiàn)影響霧滴沉積密度和沉積均勻性的主次順序依次為飛行速度、飛行高度、噴施流量，而影響霧滴沉積穿透性的主次順序為飛行高度、飛行速度、噴施流量。ZHANG等[32]發(fā)現(xiàn)，柑橘樹的形狀和無人機飛行高度是影響霧滴沉積效果的重要因素；且試驗表明，當飛行高度為1 m時，開心形樹冠的沉積效果更好。這為無人機應用與農(nóng)藝技術結(jié)合提供了參考。

現(xiàn)階段也有相當數(shù)量的關于液壓式和離心式噴頭對比的大田試驗。高圓圓等[33]在小麥吸漿蟲防治試驗中，應用離心式噴嘴和液力式噴嘴進行噴灑的結(jié)果顯示，利用離心式噴嘴進行噴霧時，霧滴在小麥穗部的平均沉積密度是液壓式噴嘴的1.5倍?？梢?，離心式噴嘴在霧滴的沉積密度方面優(yōu)于液壓式噴嘴，說明其防治效果也較好。張盼等[34]在對柑橘園噴霧效果的研究中發(fā)現(xiàn)：1）旋轉(zhuǎn)離心式噴頭的霧化性能優(yōu)于液壓式噴頭；2）旋轉(zhuǎn)離心式噴頭的霧滴粒徑較小，霧滴沉積總數(shù)和沉積密度顯著高于液壓式噴頭，且在樹冠各層上分布更均勻，噴霧效果更好。

3.4 討論

氣流速度是影響噴霧系統(tǒng)在靶標區(qū)域的沉積量、造成霧滴飄移的主要因素。氣流速度過大，會使藥液飄移到其他作物區(qū)域，不僅導致靶區(qū)作物噴霧效果不佳，還會對作物造成影響，對環(huán)境造成污染。此外，其他環(huán)境因素也會對噴霧效果產(chǎn)生影響，例如溫度過高會加速藥液的蒸發(fā)，因此在高溫下不適宜進行作業(yè)。

在飛行參數(shù)方面，無人機作業(yè)速度越慢，飛行高度越低，霧滴的沉積量和沉積密度就越大。飛行高度和飛行速度對霧滴分布的均勻性影響也較為顯著，但對于不同的無人機類型和不同的作業(yè)環(huán)境，其實際影響效果也不相同。對于霧滴穿透性而言，無人機飛行速度和高度都相對較小時，穿透性更好。這主要是因為在此條件下，無人機旋翼風場的下旋氣流對霧滴的作用明顯，使霧滴能夠到達作物的中、底層。而當飛行速度較快時，霧滴主要受水平方向氣流影響，會飄到冠層上方。但是在實際作業(yè)中也要注意，若風場過大，會造成作物向周圍倒伏，從而影響霧滴的沉積分布效果。

旋翼風場是影響噴霧沉積效果的重要因素之一，但目前關于風場和霧滴沉積分布規(guī)律的研究并不多。針對不同的機型，多旋翼和單旋翼無人機在作業(yè)過程中，風場分布情況及風場對霧滴沉積分布效果的影響有所不同，其中風場對噴施區(qū)域內(nèi)霧滴的穿透性和分布均勻性、霧滴飄移情況均有影響。

霧滴的初始狀態(tài)受噴頭類型、噴霧壓力及流量等因素的影響。霧滴沉積分布評價參數(shù)都是圍繞著霧滴粒徑展開的，因此，實現(xiàn)霧滴粒徑的精確控制是提高噴霧效果的關鍵[13]。在單位面積上噴施流量固定的條件下，霧滴粒徑減小，霧滴數(shù)量增加，擊中靶標的概率則增大，可以提高藥液在靶標上的沉積量、沉積密度和覆蓋均勻性，在下旋風場的作用下具有更好的穿透性，防治效果更好。但是，霧滴粒徑過小容易發(fā)生蒸發(fā)和飄移，使靶標沉積量減少，對相鄰農(nóng)作物造成危害且對環(huán)境造成污染[35]；而霧滴粒徑過大則易沉降，不易發(fā)生飄移，且分布不均勻、附著性能差、易發(fā)生彈跳和滾落流失等問題會造成藥液流失，噴霧效果不佳，還會污染環(huán)境。因此，需要尋找到一個平衡點，即尋找最佳粒徑。通常，離心式噴頭較液壓式噴頭霧化性能更好，便于控制粒徑的大小，霧滴沉積密度更好。

綜上所述，環(huán)境因素、飛行參數(shù)、旋翼風場及噴頭類型都會對沉積效果和霧滴飄移產(chǎn)生影響。為了降低霧滴飄移帶來的危害，可以采取設立噴霧緩沖區(qū)、應用防風林、開發(fā)防飄移技術[7]等措施。其中，開發(fā)防飄移技術是目前的研究重點。

此外，為了讓霧滴沉積效果更好，還可采用一些獨特的技術，如靜電噴霧技術[36-37]。茹煜等[36]將靜電噴霧系統(tǒng)應用于植保無人機作業(yè)上，發(fā)現(xiàn)靜電作用有助于增加霧滴的沉積，即靜電噴霧技術使霧滴具有較強的穿透能力，從而提高了靶標命中率，減少了霧滴飄移，同時能夠有效減少用藥量，降低藥液對環(huán)境的污染。但目前針對靜電噴霧技術中藥液的霧化機制及霧滴運動軌跡的研究仍不夠深入，沒有標準的數(shù)學模型對其進行描述，因而靜電噴霧技術還需進一步完善以實現(xiàn)推廣應用。

4 小結(jié)和展望

無人機噴霧技術在農(nóng)業(yè)方面的廣泛應用對其噴霧沉積效果提出了更高的要求。目前，無人機噴霧仍存在霧滴飄移及噴藥不均勻等問題，為了保證藥液霧滴在作物上有良好的沉積效果，作業(yè)時應根據(jù)作物的種類和環(huán)境因素，選擇最優(yōu)的作業(yè)參數(shù)，包括飛行參數(shù)、噴頭類型和噴灑流量等，以提高噴霧的效率?？梢酝ㄟ^室內(nèi)風洞試驗和田間試驗，并結(jié)合模擬仿真，對影響沉積分布的因素進行綜合分析，且在不同噴霧情況下，優(yōu)化作業(yè)參數(shù)。

設計無人機噴霧系統(tǒng)時應充分考慮其旋翼風場對霧滴沉積分布的影響，合理選擇噴頭的類型和位置，利用好下旋風場。

噴嘴的類型和結(jié)構(gòu)直接影響到霧滴的初始參數(shù)?，F(xiàn)有的噴嘴多存在霧滴譜寬、飄移量大、霧化效果不可控等不足，下一步需從噴嘴結(jié)構(gòu)設計上加大研究力度，以提高藥液的利用率。對噴嘴結(jié)構(gòu)進行設計并模擬藥液在噴頭內(nèi)的運動情況，開發(fā)精準可控粒徑的噴嘴是研究重點。同時，在氣流影響下，噴頭的噴灑角度也會影響霧滴沉積效果，因此，開發(fā)噴灑角度可變動的噴頭也有一定的意義。

在對霧滴沉積效果進行評價的同時，也要提升霧滴沉積參數(shù)的檢測技術。目前的研究大多是利用水敏紙對霧滴粒徑和分布等參數(shù)進行測量，但這類間接測量的方法往往會因為許多不可控因素而產(chǎn)生較大誤差且測量費時；而且，目前有關田間霧滴沉積傳感器的研究相對較少，多數(shù)霧滴沉積傳感器都只能檢測單一要素，如沉積量或分布密度等。因此，開發(fā)多傳感器融合技術，實現(xiàn)同時測量霧滴沉積分布的多個參數(shù)是未來研究的重點，可為航空施藥效果的提高提供保障。