王昌陵，何雄奎，曾愛軍，Andreas Herbst，Supakorn Wongsuk，喬白羽，趙 鋮，袁善奎, 鐘 玲，Verena Overbeck，Jane Bonds，楊 苡，周國強(qiáng)，王 軒，高萬林

·農(nóng)業(yè)航空工程·

基于仿真果園試驗(yàn)臺的植保無人機(jī)施藥霧滴飄移測試方法與試驗(yàn)

王昌陵1,2，何雄奎1,3※，曾愛軍1,3，Andreas Herbst4，Supakorn Wongsuk1,3，喬白羽1,3，趙 鋮1,3，袁善奎5, 鐘 玲6，Verena Overbeck4，Jane Bonds7，楊 苡8，周國強(qiáng)9，王 軒10，高萬林2

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)藥械與施藥技術(shù)研究中心，北京 100193；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京 100193；3. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，北京 100193；4.德國聯(lián)邦作物研究中心植保施藥技術(shù)研究所（JKI-AT），布倫瑞克 D-38104；5. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)藥檢定所，北京 100125；6. 江西省植保植檢局，南昌 330096；7. 邦德斯咨詢有限公司，巴拿馬城 32408；8. 北方天途航空技術(shù)發(fā)展（北京）有限公司，北京 102202；9. 安陽全豐航空植保科技有限公司，安陽 455001；10. 深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司，深圳 518057）

植保無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）果樹飛防植保作業(yè)中飛行高度較高并且采用低容量細(xì)小霧滴噴霧，飄移風(fēng)險(xiǎn)極高。但是，無人機(jī)果園施藥霧滴飄移特性研究尚處于初步開展階段，缺乏全方位綜合測試方法以及對不同無人機(jī)機(jī)型和噴頭類型的評價(jià)。該研究在前期研究基礎(chǔ)上，提出一種基于仿真果園試驗(yàn)臺的植保無人機(jī)果園施藥霧滴飄移測試方法，設(shè)計(jì)并制作仿真葡萄園試驗(yàn)臺和空中飄移收集裝置，結(jié)合地面飄移收集裝置和冠層沉積收集帶，首次通過霧滴空間飄移指數(shù)ADX定量分析評價(jià)不同機(jī)型的噴霧過程中農(nóng)藥霧滴空間飄移特性，并采用田間近地飄移測試平臺進(jìn)行無人機(jī)噴霧飄移試驗(yàn)，使用熒光示蹤法探究4種典型植保無人機(jī)（油動(dòng)單旋翼、電動(dòng)6旋翼及2種電動(dòng)8旋翼無人機(jī)）分別搭載IDK 120-015空氣射流噴頭和TR 80-0067空心圓錐噴頭噴霧作業(yè)的霧滴冠層沉積分布、地面飄移、近地飄移及空中飄移特性，進(jìn)而對不同噴霧飄移測試收集裝置進(jìn)行評估。結(jié)果表明：在側(cè)風(fēng)速2.2～3.6 m/s，溫度29.8～34.3 ℃，相對濕度10.7%～30.6 %的環(huán)境條件下，IDK空氣射流噴頭在作業(yè)高度1.5 m、速度 2.0 m/s參數(shù)下可顯著降低無人機(jī)噴霧下風(fēng)向飄移水平，優(yōu)化沉積分布均勻性，提高農(nóng)藥霧滴利用率；4種機(jī)型飄移特性無顯著差異，旋翼下洗氣流產(chǎn)生的卷揚(yáng)渦流是影響無人機(jī)噴霧飄移的重要因素；葡萄園噴霧作業(yè)緩沖區(qū)至少應(yīng)設(shè)置為15 m；冠層沉積率越小（＜0.05，＜0）、沉積分布變異系數(shù)越高（＜0.01，＞0）、田間飄移平臺平均均值飄移率和90%累積飄移距離越大（＜0.01，＞0）以及ADX值越大（＜0.01，＞0）均表明霧滴飄移風(fēng)險(xiǎn)越高，3種收集裝置及其評價(jià)指標(biāo)均可有效評估下風(fēng)向飄移特性；植保無人機(jī)噴霧飄移率與下風(fēng)向距離滿足指數(shù)函數(shù)關(guān)系。研究結(jié)果以期為新型果樹專用植保無人機(jī)研發(fā)、植保無人機(jī)果園作業(yè)噴霧飄移測試方法的標(biāo)準(zhǔn)制定和田間作業(yè)參數(shù)選擇提供參考和數(shù)據(jù)支持。

無人機(jī)；試驗(yàn)；噴霧；下風(fēng)向；空中飄移；地面飄移；測試方法

0 引 言

近年來應(yīng)用植保無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）的低空低量植保作業(yè)憑借可人機(jī)分離、人藥分離、地形適應(yīng)性好、機(jī)動(dòng)靈活、高效省工、節(jié)水省藥以及智能化程度高等優(yōu)勢[1-2]在中國高速發(fā)展，契合當(dāng)前國內(nèi)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)高效、優(yōu)質(zhì)、節(jié)約、友好的發(fā)展要求[3]。經(jīng)過前期在大田作物（玉米、水稻、小麥、棉花）病蟲害防治中探索，當(dāng)前植保無人機(jī)大田作物應(yīng)用技術(shù)已日趨成熟，越來越多的生產(chǎn)商和服務(wù)組織將目光投向了附加值較高的經(jīng)濟(jì)作物特別是果樹的飛防植保作業(yè)，紛紛研發(fā)果樹植保專用無人機(jī)及其作業(yè)模式，力求解決果樹病蟲害防治中作業(yè)次數(shù)多、農(nóng)藥飄失嚴(yán)重、霧滴穿透性差、復(fù)雜地形環(huán)境下噴霧作業(yè)霧滴分布不均勻等難點(diǎn)。為保證作業(yè)安全，果樹噴霧時(shí)無人機(jī)飛行高度一般設(shè)置在距冠層頂端1.5～2.0 m，距地面高度則至少為3.5～4.0 m，因低容量噴霧的霧滴較細(xì)，在如此飛行高度下產(chǎn)生噴霧飄移的風(fēng)險(xiǎn)極高[4-6]，因此植保無人機(jī)果樹施藥霧滴飄移特性研究尤為必要。

目前，國內(nèi)外有關(guān)植保無人機(jī)的低空低量噴霧飄移特性研究更多集中在大田作物田間試驗(yàn)[7-9]和旋翼下洗氣流模擬[10-12]，相比于大田作物，果樹的葉片冠層體積更大且更茂密，因此當(dāng)前大部分無人機(jī)果樹施藥技術(shù)研究都聚焦于冠層沉積穿透性上[12-16]。陳盛德等[13]采用三因素（飛行高度、速度、流量）正交試驗(yàn)對多旋翼無人機(jī)橘樹施藥作業(yè)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)選。劉德江等[14]比較了植保無人機(jī)和傳統(tǒng)地面施藥機(jī)具在柑橘、柚子、楊梅果樹冠層上的霧滴沉積分布，發(fā)現(xiàn)扇形噴頭橫噴桿結(jié)構(gòu)藥液沉積分布均勻性優(yōu)于離心霧化噴霧系統(tǒng)。張豪等[12]利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法模擬了6旋翼植保無人機(jī)懸停果樹施藥下洗氣流場，明確了自然風(fēng)速是無人機(jī)懸停果樹施藥效果的主要影響因素。Sarri等[15]通過水敏紙收集霧滴，對植保無人機(jī)、背負(fù)式噴霧器和噴槍在小型山地葡萄園施藥作業(yè)效率和霧滴沉積分布和進(jìn)行了評估。劉琪等[16]探究了電動(dòng)無人直升機(jī)噴頭間距和飛行高度對蘋果樹霧滴沉積分布的影響，得出最佳噴頭間距參數(shù)。

而植保無人機(jī)果園施藥霧滴飄移特性研究尚處于初步開展階段。Li等[17]比較了電動(dòng)4旋翼無人機(jī)和風(fēng)送式果園噴霧機(jī)蘋果園噴霧冠層沉積、空中飄移和地面流失情況，指出了高度和噴灑系統(tǒng)設(shè)計(jì)對飄移的影響。Brown等[18]對R-Max II型油動(dòng)單旋翼無人機(jī)葡萄園噴霧沉積和飄移進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)了沉積與飄移結(jié)果間的相關(guān)性。Martinez-Guanter等[19]在橄欖、柑橘園中通過布置在鄰行果樹的水敏紙測定了搭載超低容量變量噴霧系統(tǒng)的無人機(jī)與果園風(fēng)送噴霧機(jī)的飄移情況，結(jié)果表明該無人機(jī)超低量噴霧系統(tǒng)可有效降低飄移風(fēng)險(xiǎn)。目前，針對低空低量果樹施藥的研究大多是無人機(jī)與傳統(tǒng)果園噴霧方式的比較或單一機(jī)型的沉積飄移試驗(yàn)，大多采用水敏紙圖像分析法[13,15-17,19]或比色示蹤法[14,17]，檢出靈敏度不足而無法定量測定遠(yuǎn)距離飄移霧滴量，有的采用化學(xué)分析法[18]，實(shí)際操作復(fù)雜且成本較高。對于低空低量果園噴霧飄移全方位綜合測試方法以及典型無人機(jī)機(jī)型、噴頭類型對無人機(jī)噴霧沉積和飄移特性影響的研究還未見報(bào)道；此外，由于果園內(nèi)噴霧環(huán)境相對密閉，施藥過程對周圍環(huán)境影響更嚴(yán)重的應(yīng)是農(nóng)藥霧滴向園外非靶標(biāo)區(qū)域的飄移，而園外飄移試驗(yàn)實(shí)際操作上的難點(diǎn)往往在于找到貼近果園邊緣的較大面積無遮擋地塊以布置飄移霧滴采樣裝置。

因此，本文基于中國農(nóng)業(yè)大學(xué)藥械與施藥技術(shù)研究中心團(tuán)隊(duì)前期研究基礎(chǔ)[4,12-13,20-21]，提出一種植保無人機(jī)果園施藥霧滴飄移測試方法，設(shè)計(jì)并研制仿真果園（葡萄園）試驗(yàn)臺和空中飄移收集測試裝置，采用田間近地飄移測試平臺收集無人機(jī)下風(fēng)向不同距離飄移霧滴，結(jié)合田間噴霧測試常用的地面飄移收集裝置和冠層沉積收集帶，使用檢出靈敏度較高的熒光示蹤法對4種典型植保無人機(jī)分別搭載IDK空氣射流噴頭和TR空心圓錐噴頭進(jìn)行實(shí)際作業(yè)噴霧飄移測試，比較獲得的冠層沉積分布、地面飄移、近地飄移和空中飄移結(jié)果并分析其相互關(guān)系，對不同噴霧飄移測試收集裝置進(jìn)行評估，研究結(jié)果以期為新型果樹專用植保無人機(jī)研發(fā)、植保無人機(jī)果園作業(yè)噴霧飄移測試方法標(biāo)準(zhǔn)的制定以及田間作業(yè)參數(shù)選擇提供參考和數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

如圖1所示，試驗(yàn)采用的設(shè)備與裝置主要有：仿真果園試驗(yàn)臺、霧滴收集裝置、樣品分析及氣象參數(shù)監(jiān)測裝置、參試植保無人機(jī)。

1.1.1 仿真果園試驗(yàn)臺

由于田間試驗(yàn)很難找到緊貼果園邊緣的大面積無遮擋地塊布置霧滴采樣器，果園噴霧試驗(yàn)中可根據(jù)需要在開闊空地搭建仿真果園試驗(yàn)臺模擬作業(yè)場景，試驗(yàn)臺高度和寬度可依據(jù)果樹形態(tài)和種植方式確定，長度可根據(jù)試驗(yàn)場地大小而定。例如：矮化紡錘形蘋果園仿真試驗(yàn)臺高×寬尺寸可設(shè)置為3.0 m×1.0 m，行距3.5 m；標(biāo)準(zhǔn)化圓柱形梨園可設(shè)為3.5 m×1.5 m，行距4.0 m。本研究中以葡萄園噴霧場景為例進(jìn)行試驗(yàn)，在開闊空地上采用長×寬× 高規(guī)格為2.0 m×0.5 m× 2.0 m特制不銹鋼桁架搭建仿真葡萄園試驗(yàn)臺，如圖1a所示。在不銹鋼桁架距地面0.5m高度以上部分覆蓋黑色抗老化防曬網(wǎng)（孔徑4 mm，江蘇沐陽綠嘉花卉有限公司）模擬葡萄葉片冠層，使用扎帶固定。設(shè)計(jì)的仿真葡萄園試驗(yàn)臺每行由8個(gè)不銹鋼桁架首尾相接組成，行間距2.5 m，共9行，總計(jì)72個(gè)桁架，長16 m，寬20 m。在不銹鋼桁架行間固定橫梁將相鄰兩行互相聯(lián)結(jié)，使全部模擬冠層構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定整體，防止試驗(yàn)期間短時(shí)強(qiáng)風(fēng)導(dǎo)致貨架傾覆。

1.1.2 霧滴收集裝置

1）冠層沉積收集帶

使用尺寸為8.55 cm×5.40 cm的矩形聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride，PVC）卡片（上海紅溯橡膠科技中心有限公司）組成冠層沉積收集帶接收航線下方仿真葡萄園試驗(yàn)臺冠層沉積霧滴，用塑料雙頭夾將霧滴收集卡置于仿真冠層頂部，布置間隔為0.5 m，每條收集帶13張PVC卡片，寬度6.0 m，設(shè)置3行，每次試驗(yàn)共收集39張樣品。

2）地面飄移收集裝置

為測量植保無人機(jī)噴霧霧滴在下風(fēng)向的地面飄移分布情況，根據(jù)ISO 22866噴霧飄移田間測試標(biāo)準(zhǔn)[22]，在下風(fēng)向距離植保無人機(jī)噴幅邊緣3、5、10、15和20 m處各分別布置10個(gè)直徑為15 cm塑料培養(yǎng)皿（南通范思貝生物科技有限公司），放置于地面上的金屬橫板表面以確保培養(yǎng)皿保持在相同平面上，每次飛行收集培養(yǎng)皿數(shù)目為50。

3）空中飄移收集裝置

設(shè)計(jì)并制作3組空中飄移收集裝置測量飄移霧滴在下風(fēng)向同一豎直平面不同高度的沉積分布，搭建高×寬為5.5 m×2.0 m的可翻轉(zhuǎn)霧滴收集框架，由30 mm×30 mm鋁合金型材制成，安裝在40 mm×80 mm鋁型材底座上，收集框架與底座通過安裝在1.8 m高度的轉(zhuǎn)動(dòng)軸相連，便于試驗(yàn)過程中將架翻轉(zhuǎn)放倒以布置和收集樣品。霧滴收集框架自高度0.5 m起直至4.5 m處每隔0.5 m設(shè)置1根長2.0 m的Φ2 mm聚乙烯（PE）軟管（上海紅溯橡膠科技中心有限公司），PE軟管兩端用25 mm長尾票夾（得力集團(tuán)有限公司）固定在框架上，繃直以保證無彎曲，每個(gè)框架上10根，單次測試共計(jì)30根霧滴收集軟管。

4）近地飄移收集裝置

田間近地飄移測試平臺（field drift test bench，比利時(shí)AAMS Salvarani公司）原用于地面植保機(jī)具（噴桿噴霧機(jī)、果園噴霧機(jī)）噴霧飄移潛力測試[23-24]，利用其進(jìn)行植保無人機(jī)田間飄移測試尚未見報(bào)道，本文中采用這種測試平臺垂直于飛行方向放置測定植保無人機(jī)噴霧下風(fēng)向近地面處飄移霧滴量。該平臺由霧滴收集裝置和控制系統(tǒng)組成，飄移收集裝置由5段2.0 m×0.5 m的鋁型材平臺首尾相連組成，可以根據(jù)需求調(diào)整高度，共有20個(gè)間距為0.5m帶有可閉合滑蓋的霧滴收集凹槽，滑蓋開閉由含有氣泵的氣動(dòng)控制系統(tǒng)控制，每個(gè)凹槽內(nèi)可放置1-2個(gè)Φ15 cm培養(yǎng)皿，每次試驗(yàn)共收集20或40個(gè)樣品。

1.1.3 樣品分析、氣象參數(shù)監(jiān)測及其他裝置

測試前，在無人機(jī)起降區(qū)域和近地飄移收集裝置處分別鋪設(shè)長寬為20 m×3 m的聚酯防塵網(wǎng)（濱州凌岳化纖繩網(wǎng)有限公司），減少無人機(jī)飛行過程中旋翼下洗氣流卷揚(yáng)起的塵土對測量結(jié)果的影響。配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的熒光染色劑Pyranine（溶劑綠7，CAS號:6358-69-6，德國Simon&Werner有限公司）水溶液作為噴霧液，避光靜置于20 L帶蓋塑料水箱中待用。測試后，霧滴收集器加入去離子水經(jīng)TS-1000振蕩器（江蘇海門其林貝爾儀器制造有限公司）振蕩洗脫或經(jīng)KM-36C超聲波清洗機(jī)（廣州市科潔盟實(shí)驗(yàn)儀器有限公司）超聲洗脫，示蹤劑洗脫液采用LS-55型熒光分光光度計(jì)（Perkin Elmer股份有限公司，美國）檢測。

試驗(yàn)中風(fēng)速、風(fēng)向等自然風(fēng)信息通過WindMaster型三維超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀（GillInstruments有限公司，英國）獲取，該風(fēng)速儀最高采樣頻率：20 Hz，量程：0～50 m/s & 0～359°，分辨率：0.01 m/s & 1°，測試時(shí)將2個(gè)風(fēng)速傳感器分別安裝在距地面2 m和4 m高度的田間氣象站支架上，數(shù)據(jù)輸出頻率設(shè)為10 Hz，傳感器通過數(shù)據(jù)線與控制單元相連，使用24 V電瓶供電，通過筆記本電腦和LoggerNet 4.4軟件（Campbell Scientific公司，美國）可實(shí)時(shí)監(jiān)測并保存風(fēng)速數(shù)據(jù)。此外，環(huán)境溫度和濕度由350-XL型環(huán)境分析儀（Testo儀器有限公司，德國）獲取。

圖1 試驗(yàn)裝置及場地布置示意圖

1.1.4 參試植保無人機(jī)

中國植保作業(yè)主力機(jī)型為電動(dòng)多旋翼無人機(jī)，主要為電動(dòng)6旋翼和8旋翼無人機(jī)，噴頭布局方式有噴桿式和旋翼下方兩種[25]。因此，選用當(dāng)前中國低空低量植保作業(yè)中常用的具代表性的4種植保無人機(jī)參與本試驗(yàn)，分別為：安陽全豐航空植?？萍加邢薰旧a(chǎn)的3WQF120-12型油動(dòng)單旋翼無人機(jī)、北方天途航空技術(shù)發(fā)展（北京）有限公司生產(chǎn)的3WM6E-10型電動(dòng)6旋翼無人機(jī)和3WM8A-20型電動(dòng)8旋翼無人機(jī)以及深圳市大疆創(chuàng)新科技有限公司生產(chǎn)的3WMG-1P型電動(dòng)8旋翼無人機(jī)，表1為其主要技術(shù)參數(shù)。

表1 參試無人機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

噴霧試驗(yàn)中4種無人機(jī)分別搭載德國Lechler公司生產(chǎn)的TR 80-0067型空心圓錐噴頭和IDK 120-015型空氣射流扇形噴頭。經(jīng)激光粒徑分析儀（Spraytec, 英國Malvern Instruments公司）測量，其在0.3 MPa壓力噴霧時(shí)噴頭下方50 cm處測得的霧滴體積中徑（Volume Median Diameter, VMD）均值分別為114.9和312.6m，粒徑小于75m霧滴比例為16.1%和1.8%?？招膱A錐噴頭霧滴較細(xì)，常用于果園病蟲害防治；空氣射流噴頭霧滴比普通扇形噴頭粒徑大，抗飄移能力較強(qiáng)。

1.2 試驗(yàn)方法

室外噴霧試驗(yàn)于2019年5月至6月在北京市昌平區(qū)馬池口鎮(zhèn)埝頭工業(yè)園北方天途公司飛行基地（40°11'30" N；116°10'10" E）進(jìn)行，試驗(yàn)區(qū)域?yàn)橐粔K平整空地，四周無明顯障礙物遮擋，除少量雜草外基本沒有植被覆蓋，總面積約900 m2。試驗(yàn)場地布置情況如圖1所示，冠層沉積收集帶布置在仿真冠層第4、5、6行，第1張PVC卡位于噴幅邊緣處；3組空中飄移收集裝置分別間隔5.0 m豎立在下風(fēng)向距離無人機(jī)作業(yè)噴幅邊緣2.0 m位置，使霧滴收集框架平行于無人機(jī)飛行航線；承接地面飄移培養(yǎng)皿的橫板垂直于無人機(jī)行進(jìn)方向，與空中飄移收集裝置中心位于同一直線上，在下風(fēng)向相同距離間隔也是5.0 m；收集近地霧滴的飄移測試平臺前端位于下風(fēng)向2.0 m處，垂直于飛行航線方向，平臺高度設(shè)為0.3 m；三維風(fēng)速傳感器支架搭建在試驗(yàn)場地附近不干擾飛行的位置，溫濕度傳感器安裝在場地附近室外避光處，試驗(yàn)全程氣象參數(shù)均通過數(shù)據(jù)線傳輸至筆記本電腦，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測和記錄。為充分利用田間自然風(fēng)，場地朝向選擇需參考當(dāng)?shù)貧v史風(fēng)向數(shù)據(jù)并利用相對頻繁且穩(wěn)定的風(fēng)向進(jìn)行試驗(yàn)，而且需在場地另一側(cè)提前對稱地布置相同的測試裝置，當(dāng)風(fēng)向轉(zhuǎn)到相反方向時(shí)可以迅速布置霧滴收集器開始后續(xù)測試。場地布置完成后，操作大疆PHANTOM 4 PRO型航拍無人機(jī)爬升至場地正上方30 m高度檢視各裝置擺放位置和方向使其準(zhǔn)確無誤。

試驗(yàn)前，先標(biāo)定并記錄待測無人機(jī)噴頭流量。按照ISO 22866標(biāo)準(zhǔn)[22]，本方法中飄移試驗(yàn)可接受自然側(cè)風(fēng)參數(shù)（風(fēng)速、風(fēng)向）范圍為1.0～5.0 m/s（2 m高度），與航線夾角90°±30°。場地布置及流量標(biāo)定工作完畢后，監(jiān)測實(shí)時(shí)風(fēng)速、風(fēng)向信息，當(dāng)風(fēng)速和風(fēng)向達(dá)到要求且可以穩(wěn)定至少1 min時(shí)，將配置好的噴霧液加入藥箱并通知操控手進(jìn)行起飛前準(zhǔn)備，在各部分收集裝置上布置霧滴收集器，啟動(dòng)航拍機(jī)準(zhǔn)備全程拍攝。圖2為噴霧飄移試驗(yàn)現(xiàn)場，操控手操作植保無人機(jī)進(jìn)行共3條航線的噴霧作業(yè)，無人機(jī)起飛后首先調(diào)整至設(shè)定高度開啟噴灑系統(tǒng)，開始作業(yè)的同時(shí)操作近地飄移測試平臺控制系統(tǒng)打開滑蓋并在執(zhí)行完第1條航線作業(yè)后關(guān)閉，全部作業(yè)完成后關(guān)閉噴灑系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向朝上風(fēng)向飛離試驗(yàn)場地返回起落區(qū)域以避免污染樣品，待霧滴收集器上霧滴晾干后收集所有樣品并取噴霧母液。近地飄移測試平臺僅對第1條航線飄移霧滴進(jìn)行采樣，冠層沉積收集帶、地面及空中飄移收集裝置均采集全部3條航線作業(yè)沉積及飄移霧滴。

每次試驗(yàn)結(jié)束后，立即將所有樣品（PVC卡片、PE軟管、地面培養(yǎng)皿、近地培養(yǎng)皿、母液取樣瓶）避光保存，PVC卡、PE軟管分別收集保存在規(guī)格為17 cm×12 cm和34 cm×24 cm塑料自封袋中，培養(yǎng)皿儲存在包裝紙箱內(nèi)，避免樣品之間交叉污染，全天試驗(yàn)結(jié)束后將當(dāng)天獲取的樣品運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室避光、陰涼處儲存，隨后對樣品進(jìn)行處理和測定。處理樣品時(shí)，PVC卡自封袋中加入400 mL去離子水，于振蕩器上在200 r/min的頻率下振蕩洗脫5 min；培養(yǎng)皿中加入60 mL去離子水，振蕩洗脫10 min；PE軟管自封袋中加入100 mL去離子水，排出氣泡后置于超聲波清洗機(jī)中超聲洗脫5 min。最后將各類樣品洗脫液依次使用LS-55型熒光儀測量并記錄熒光值，熒光儀測量參數(shù)設(shè)為：電壓650V，激發(fā)波長400 nm，接收波長505 nm，狹縫寬度15 nm。

試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表2所示，4種植保無人機(jī)分別搭載IDK 120-015空氣射流噴頭和TR 80-0067空心圓錐噴頭進(jìn)行測試，共8個(gè)處理組，每個(gè)處理組至少進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)。為排除試驗(yàn)材料、場地等因素對結(jié)果的干擾，處理組2、4、6中各進(jìn)行1次空白對照試驗(yàn)，即除不噴霧外處理方式與其他測試組完全相同。試驗(yàn)全程無人機(jī)飛行參數(shù)保持不變，飛行速度設(shè)為2.0 m/s，高度設(shè)為3.5 m（距冠層頂端1.5 m）；噴霧壓力均設(shè)定為0.3 MPa，由于不同機(jī)型液泵有所差異，根據(jù)測得流量可估算處理組1噴霧壓力在0.3～0.4 MPa范圍內(nèi)，其他處理組均在0.3 MPa左右。

表2 試驗(yàn)處理組設(shè)置及相關(guān)施藥參數(shù)

1.仿真葡萄園試驗(yàn)臺 2.冠層沉積收集帶 3.地面飄移收集裝置 4.空中飄移收集裝置 5.近地飄移測試平臺 6.待測植保無人機(jī) 7.防塵網(wǎng)

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 沉積/飄移率

按照ISO 24253-1[22]和ISO 22866標(biāo)準(zhǔn)[26]，各種霧滴收集器上噴霧沉積/飄移率計(jì)算公式如式（1）、（2）所示。

式中dep為單位面積霧滴沉積/飄移量，mL/cm2；dil為加入洗脫液的體積，mL；smpl為洗脫液的吸光值；blk為空白霧滴收集器的熒光值；spray為噴霧液示蹤劑濃度，g/L；cal為熒光值與示蹤劑濃度的關(guān)系系數(shù)，g/L；col為霧滴收集器面積，cm2；dep%為沉積/飄移率，%；V為施藥液量，L/m2，其中V=(10·)，為噴霧流量，mL/s；為噴幅，m；為飛行速度，m/s。

1.3.2 平均均值飄移率/平均中值飄移率

平均均值飄移率（Average Average Drift Rate, AADR）是對一個(gè)處理組中不同下風(fēng)向距離（豎直高度）所有平行數(shù)據(jù)結(jié)果的均值求平均值，計(jì)算公式為

式中`dep% i為第組下風(fēng)向距離沉積率均值；為下風(fēng)向不同距離取樣組數(shù)。

此外，本研究提出一種平均中值飄移率（Average Median Drift Rate, AMDR）來分析地面培養(yǎng)皿結(jié)果，即對各重復(fù)組內(nèi)的所有平行數(shù)據(jù)結(jié)果取中位數(shù)后再計(jì)算不同平均值，地面培養(yǎng)皿平行結(jié)果較多，采用中位數(shù)可有效避免極端值的影響，使地面飄移數(shù)據(jù)結(jié)果代表性更強(qiáng)。其計(jì)算公式為：

式中Mdep% i為第組下風(fēng)向距離沉積率中位數(shù)。

1.3.3 沉積/飄移率變異系數(shù)

變異系數(shù)（Coefficient of Variation，CV）可表示一組數(shù)據(jù)的離散程度，對于霧滴沉積率或飄移率，CV值可用于描述霧滴沉積和飄移分布的均勻性[27]，數(shù)值越小說明霧滴分布均勻性越好。依據(jù)ISO24253-1標(biāo)準(zhǔn)其計(jì)算公式為[26]：

式中為標(biāo)準(zhǔn)差；X為沉積/飄移率平均值。

1.3.4 空間飄移指數(shù)

本研究為評價(jià)植保無人機(jī)農(nóng)藥噴霧空中霧滴飄失特征提出一種霧滴空間飄移指數(shù)（Airborne Drift Index，ADX）評價(jià)方法，通過計(jì)算出的ADX值來定量分析比較不同機(jī)型和噴霧參數(shù)下農(nóng)藥霧滴空間飄移特性。類比通過飄移潛力指數(shù)（Drift Potential Index，DIX）評估噴霧飄移風(fēng)洞測試結(jié)果的方法[28-29]，針對無人機(jī)采用霧滴空間飄移指數(shù)評估下風(fēng)向空中飄移收集裝置上的霧滴分布特性。ADX值無量綱，依據(jù)如下公式計(jì)算：

式中r為相對飄移總量，表示飄移量占施藥液量的百分比，%；r為相對特征高度，表示霧滴飄移分布的中心在霧滴收集框架上的相對位置。相對飄移總量和相對特征高度分別使用公式（7）和（8）計(jì)算。

式中為空中飄移收集裝置上相鄰PE軟管間距（0.5 m）；p為每個(gè)框架上收集軟管數(shù)目，p=10；dep%i為第根軟管上的霧滴飄移率；h為第根軟管高度，m；max為框架頂端軟管高度（5.0 m）。

1.3.5 累積飄移比例和90%累積飄移距離

根據(jù)ISO 22866標(biāo)準(zhǔn)[22]，累積飄移比例cum%定義為至下風(fēng)向距離所有霧滴飄移量占全部霧滴飄移量total%的百分比，90%累積飄移距離90%為cum%達(dá)到90%時(shí)的下風(fēng)向距離，計(jì)算方法如式（9）（10）所示。

式中dep%()為下風(fēng)向處的飄移率，%；m為下風(fēng)向最遠(yuǎn)飄移距離或最遠(yuǎn)端霧滴收集器距離，m。

1.4 環(huán)境氣象參數(shù)

試驗(yàn)中各處理組標(biāo)稱側(cè)風(fēng)速、溫度和相對濕度數(shù)據(jù)如表3所示，標(biāo)稱側(cè)風(fēng)速為自然風(fēng)速在垂直于飛行方向的分速度，風(fēng)向偏差以自然風(fēng)向與垂直航線方向夾角表示，均為各氣象數(shù)據(jù)平均值。標(biāo)稱側(cè)風(fēng)速在2.2～3.6 m/s范圍內(nèi)，風(fēng)向偏差在?25.4°～28.7°范圍，溫度均在35.0 ℃以下，符合ISO 22866標(biāo)準(zhǔn)要求[22]。

2 結(jié)果與分析

2.1 冠層霧滴沉積

通過仿真葡萄園試驗(yàn)臺冠層頂部PVC卡片測得的不同處理組霧滴沉積率和沉積率變異系數(shù)如圖3所示。

注：圖中數(shù)據(jù)為重復(fù)組平均值，誤差線表示“±標(biāo)準(zhǔn)誤差”，同一指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)簽后不同字母代表在α=0.05水平差異顯著，有相同字母表示無顯著差異；TR 80-0067和IDK 120-015為不同噴頭類型。下同。

從圖3中可以看出：對于IDK空氣射流噴頭，單旋翼、6旋翼和8旋翼A型無人機(jī)沉積率在59.7%至72.0%范圍內(nèi)，無顯著差異，僅8旋翼B型不足40%；4種機(jī)型沉積率CV值都不超過50%，前3種機(jī)型之間沉積分布均勻性雖略有不同但無顯著性差異，8旋翼B型CV值較高，接近50%；對于TR空心圓錐噴頭，6旋翼和8旋翼A型噴霧沉積率可達(dá)到50%左右，單旋翼次之，8旋翼B型則不足30%；4種機(jī)型沉積率CV值均高于50%，單旋翼CV值高達(dá)87.4%，霧滴分布最不均勻。由結(jié)果可知，無論安裝哪種噴頭，幾種無人機(jī)中8旋翼B型不僅沉積率最低，分布均勻性也最差，分析是由于無人機(jī)噴頭布局差異所導(dǎo)致的，該型無人機(jī)噴頭分布于旋翼下方并且關(guān)于航線對稱的兩噴頭間距為1.46 m，而其他機(jī)型均為噴桿式噴頭布局，相鄰噴頭最大間距不超過1.0 m，故在1.5 m飛行高度下8旋翼B型更容易因相鄰噴頭疊加程度不夠產(chǎn)生漏噴，使冠層頂部霧滴沉積率降低而變異系數(shù)增大，該無人機(jī)作業(yè)中飛行高度應(yīng)適當(dāng)提升至2.0 m左右以保證噴霧均勻性。因此，安裝相同噴頭時(shí)，不同機(jī)型間霧滴沉積率及CV值差異并不明顯。但是對于全部4種機(jī)型，在2.2～3.6 m/s側(cè)風(fēng)作用下，相比于TR空心圓錐噴頭，IDK空氣射流噴頭霧滴沉積率均有顯著提高，同時(shí)CV值大幅降低，表明IDK空氣射流噴頭可以顯著提高無人機(jī)果園作業(yè)航線下方沉積效果，優(yōu)化霧滴分布均勻性。

2.2 地面霧滴飄移

試驗(yàn)中不同處理組中值飄移率隨下風(fēng)向距離變化如圖4所示，使用SPSS 22.0軟件（美國IBM公司）進(jìn)行非線性回歸分析并繪制回歸曲線（圖4），圖5則為計(jì)算得出的平均中值飄移率AMDR值和90%累積飄移距離90%。由圖4可知，無人機(jī)噴霧飄移從噴幅邊緣至下風(fēng)向20 m處逐漸衰減，飄移率下降最快的區(qū)域在5 m以內(nèi)，20 m處飄移率均不足1.0%；獲得的所有回歸方程2值均大于0.95，表明指數(shù)函數(shù)回歸擬合效果良好，無人機(jī)噴霧飄移率與下風(fēng)向距離的關(guān)系基本滿足指數(shù)函數(shù)dep%=·e·x的關(guān)系，其中，為常數(shù)項(xiàng)，＞0，＜0。

注：IDK和TR為不同類型噴頭。下同。

對于不同噴頭，將飄移率變化曲線結(jié)合它們的AMDR值和90%累積飄移距離（圖5）綜合考慮，搭載IDK空氣射流噴頭的無人機(jī)噴霧在下風(fēng)向不同距離霧滴飄移水平均明顯低于TR空心圓錐噴頭處理組，相同機(jī)型作業(yè)中在施藥液量為空心圓錐噴頭2~3倍的情況下，飄移率還不足一半，測得的單位面積霧滴沉積量和歸一化處理后的不同下風(fēng)向距離飄移率都更低，此外空氣射流噴頭還能不同程度上減小90%累積飄移距離（除8旋翼A型，90%可下降2.0 ~5.0 m），體現(xiàn)出其在果園噴霧作業(yè)中特別是飛行高度高，側(cè)風(fēng)強(qiáng)時(shí)優(yōu)秀的抗飄移性能。針對不同機(jī)型，從圖4中不同下風(fēng)向距離的飄移率可以發(fā)現(xiàn)，搭載IDK空氣射流噴頭時(shí)由于霧滴粒徑較大（300m左右），單旋翼、6旋翼及8旋翼A型霧滴沿下風(fēng)向距離飄移率水平均較低，但8旋翼A型90%值反而在各處理組中最大（11.4 m），甚至高于TR空心圓錐噴頭處理組，這是由于該組不僅下風(fēng)向3 m處的最高飄移率在各組中最低，其他下風(fēng)向距離的飄移率水平也均較低，噴霧飄移量由高到低的變化范圍相對其他組更小，造成計(jì)算出的累積飄移比例達(dá)到90%時(shí)的飄移距離較遠(yuǎn)；結(jié)合圖5結(jié)果可知，各組在使用同種噴頭時(shí)平均中值飄移率均沒有顯著性差異，僅8旋翼B型因飛行高度較低導(dǎo)致漏噴引起AMDR值較高，4種機(jī)型90%累積飄移距離90%在4.9～11.4 m范圍內(nèi)，說明植保無人機(jī)葡萄園噴霧作業(yè)緩沖區(qū)距離至少應(yīng)設(shè)到15 m。

圖5 各機(jī)型地面培養(yǎng)皿霧滴平均中值飄移率和90%累積飄移距離

2.3 近地飄移測試平臺

近地飄移測試平臺測得的飄移率為無人機(jī)第1條航線作業(yè)后的單噴幅飄移結(jié)果，圖6與圖7分別展示了近地飄移率隨下風(fēng)向距離變化曲線及其指數(shù)函數(shù)回歸方程以及霧滴平均均值飄移率AADR值、90%累積飄移距離。

圖6 近地飄移測試平臺飄移率隨下風(fēng)向距離變化及其指數(shù)函數(shù)回歸曲線

圖7 各機(jī)型近地飄移測試平臺霧滴平均均值飄移率和90%累積飄移距離

從圖中結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：飄移率在5.0 m以內(nèi)迅速下降，5.0～10 m范圍內(nèi)衰減速率放緩，10 m以外基本維持穩(wěn)定；對于非線性回歸分析結(jié)果，除處理組2和3中2值為0.89左右以外，獲得的其他所有回歸方程2值均大于0.92，該平臺測得的近地飄移率與下風(fēng)向距離的關(guān)系同樣可用指數(shù)函數(shù)關(guān)系來描述；使用IDK空氣射流噴頭可以不同程度降低無人機(jī)噴霧在下風(fēng)向不同距離的飄移率、AADR值和90%累積飄移距離，而搭載同種噴頭不同機(jī)型的這3項(xiàng)指標(biāo)則差異不大。以上結(jié)果表明，飄移測試平臺測得的單噴幅近地霧滴飄移結(jié)果基本符合通過地面培養(yǎng)皿得到的3噴幅飄移結(jié)果。

2.4 空中飄移收集裝置

圖8為不同處理組在下風(fēng)向2.0 m處霧滴空中飄移率在不同高度的豎直方向分布情況。飄移率豎直分布可以顯示，無人機(jī)噴霧下風(fēng)向空中飄移率隨高度從高到底逐漸增大，TR空心圓錐噴頭在接近框架底部位置飄移量幾乎為全部噴灑量?？傮w飄移水平上看，不同機(jī)型分布表現(xiàn)出不同程度差異，對于IDK空氣射流噴頭，8旋翼B型空中飄移率較高，單旋翼次之，其他2種機(jī)型較低；對于TR空心圓錐噴頭，單旋翼空中飄移率均較高，8旋翼B型次之，8旋翼A型和6旋翼飄移相對較少。無論哪種機(jī)型，IDK空氣射流噴頭能有效減少無人機(jī)在各高度的霧滴飄移率，部分處理組特別是TR空心圓錐噴頭在飛行高度3.5 m及以上仍可收集到一定體積霧滴，計(jì)算可得單旋翼和8旋翼B型裝配TR空心圓錐噴頭航線平面以上飄移量甚至分別可以占到豎直裝置總飄移量的14.7%和16.5%（處理組2和8），其他處理組在1.2%到8.9%范圍內(nèi)。此前有關(guān)無人機(jī)旋翼流場模擬研究顯示，飛行速度2.0 m/s時(shí)機(jī)身下方約有30%左右的霧滴因受翼尖渦流的影響在噴桿外側(cè)呈螺旋狀運(yùn)動(dòng)[10]，分析可知飛行高度以上部分飄移霧滴應(yīng)是細(xì)霧滴隨著旋翼下洗氣流與外界空氣共同作用產(chǎn)生的這種卷揚(yáng)渦流飄移到PE軟管上，它們大多不具有豎直向下的速度分量，難以繼續(xù)下降沉積，往往會在空氣中蒸發(fā)，尤其是在高溫環(huán)境下，導(dǎo)致農(nóng)藥有效成分顆粒繼續(xù)隨風(fēng)飄移至非靶標(biāo)環(huán)境帶來危害，表明在側(cè)風(fēng)作用下無人機(jī)果園常規(guī)噴霧作業(yè)的空中飄移風(fēng)險(xiǎn)較大。

圖8 各處理組不同高度下空中飄移收集裝置飄移率

根據(jù)豎直方向飄移率計(jì)算得出的空間飄移指數(shù)ADX值如圖9所示。圖9中可以看出，相同機(jī)型無人機(jī)搭載IDK空氣射流噴頭的處理組空間飄移指數(shù)顯著小于TR空心圓錐噴頭；對于IDK空氣射流噴頭，下風(fēng)向2.0 m處ADX值由大到小分別排序依次為8旋翼B、單旋翼、8旋翼A、6旋翼；對于TR空心圓錐噴頭，ADX值由大到小排序依次為：單旋翼、8旋翼B、8旋翼A、6旋翼。該結(jié)果與豎直收集框架測試結(jié)果相符，說明ADX指數(shù)可以有效反映植保無人機(jī)噴霧霧滴在同一豎直平面的空中飄移情況；與地面培養(yǎng)皿和近地飄移測試平臺的測試結(jié)果相比，也可發(fā)現(xiàn)ADX指數(shù)呈現(xiàn)的各組飄移率相對大小關(guān)系與它們基本一致，只是單旋翼、8旋翼B型裝配TR空心圓錐噴頭處理組的飄移率水平更高，這是因?yàn)閮山M飛行高度以上的空中飄移霧滴較多，這部分霧滴蒸發(fā)后下風(fēng)向地面收集裝置難以測到。

圖9 各機(jī)型空中飄移測試裝置空間飄移指數(shù)

另外，植保無人機(jī)旋翼下洗氣流場是促進(jìn)霧滴沉降沉積到靶標(biāo)作物的最重要因素，也屬于氣流輔助噴霧方式，通常來說，下洗氣流場越強(qiáng)則對霧滴的下壓作用越明顯，農(nóng)藥霧滴沉積率應(yīng)該越高，受側(cè)風(fēng)影響的飄移損失越少。但是，從表1中4種機(jī)型凈質(zhì)量、藥箱容量和最大起飛質(zhì)量可知，正常工作狀態(tài)下旋翼下洗氣流場強(qiáng)弱順序應(yīng)為：單旋翼、8旋翼A型、8旋翼B型、6旋翼，與各機(jī)型搭載TR空心圓錐噴頭時(shí)的ADX值大小排序類似，這意味著旋翼下洗氣流更強(qiáng)時(shí)飛行狀態(tài)下的卷揚(yáng)渦流也更強(qiáng)，在渦流的裹挾作用下會有更多霧滴向航線兩側(cè)方向擴(kuò)散，造成更嚴(yán)重的下風(fēng)向飄移，表明旋翼下洗氣流與外界空氣共同作用產(chǎn)生的卷揚(yáng)渦流是影響無人機(jī)噴霧飄移的重要因素。

試驗(yàn)中不同機(jī)型的旋翼下洗氣流場存在一些差異，一般認(rèn)為外界高速氣流除了對霧滴產(chǎn)生裹挾作用以外還會使霧滴產(chǎn)生二次霧化導(dǎo)致粒徑改變，但根據(jù)對單旋翼及多旋翼植保無人機(jī)下洗氣流場的模擬和實(shí)測[30-32]，無人機(jī)下洗氣流場各位置最大風(fēng)速一般不超過15 m/s，有研究表明扇形和空氣射流噴頭在33.3～84.7 m/s高風(fēng)速下霧滴粒徑及其分布會發(fā)生明顯變化[33]，而在低速氣流下即無人機(jī)的旋翼下洗氣流場是否可以改變霧滴粒徑大小尚不明確，因此下一步需要繼續(xù)探索旋翼風(fēng)場特性對藥液霧化的影響。

2.5 不同收集裝置飄移測試結(jié)果分析與討論

前文結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，無論地面培養(yǎng)皿、冠層沉積PVC卡、近地飄移測試平臺和空中霧滴飄移收集裝置飄移結(jié)果都能不同程度上反映各處理組噴霧飄移特性。一般認(rèn)為，收集地面飄移沉降霧滴是噴霧飄移研究中最常用且最直觀反映下風(fēng)向不同距離地面飄移真實(shí)值的直接測量方法[30-31]，其他方法無論間接測量還是直接測量都需要將結(jié)果與田間地面飄移沉積結(jié)果進(jìn)行對比分析[32-33]。因此，基于前文分析結(jié)果，將各種不同飄移收集裝置測試結(jié)果與地面培養(yǎng)皿飄移結(jié)果使用SPSS 22.0軟件進(jìn)行雙側(cè)相關(guān)性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表3。由表中數(shù)據(jù)可知，在本文試驗(yàn)條件下，無人機(jī)果園噴霧地面培養(yǎng)皿AMDR值與冠層PVC卡測得的沉積率和沉積率CV值、近地飄移測試平臺AADR值以及空間飄移指數(shù)ADX值均表現(xiàn)出顯著相關(guān)關(guān)系（＜0.05），其中與冠層沉積率成顯著負(fù)相關(guān)（＜0），與其他3個(gè)指標(biāo)都成極顯著正相關(guān)（＜0.01，＞0）；地面培養(yǎng)皿90%累積飄移距離與近地飄移測試平臺90%累積飄移距離呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系（＜0.01，＞0）。此結(jié)果表明：對于沉積分布結(jié)果，沉積率越小，分布均勻性越差，噴霧飄移率越高；對于近地飄移平臺結(jié)果，AADR值和90%累積飄移距離越大表示飄移風(fēng)險(xiǎn)越高；對于空中飄移測試裝置，空間飄移指數(shù)ADX值越大說明噴霧飄移水平越高。

根據(jù)各收集裝置獲得測試指標(biāo)之間的相關(guān)性結(jié)果，以與地面培養(yǎng)皿飄移結(jié)果具有顯著相關(guān)關(guān)系的指標(biāo)作為自變量，AMDR值與90%值作為因變量，進(jìn)行回歸分析，回歸分析結(jié)果如表4所示。表中結(jié)果顯示，除冠層沉積率回歸擬合優(yōu)度稍差以外（可決系數(shù)2不足0.6），其他指標(biāo)回歸方程2均大于0.8，AMDR值與飄移測試平臺AADR值、AMDR值與ADX值以及2種90%累積飄移距離之間回歸方程2都可超過0.9，擬合優(yōu)度較高。

表4 試驗(yàn)中不同收集裝置飄移測試結(jié)果相關(guān)性分析結(jié)果

注：本文取顯著性水平=0.05，表中“**”代表極顯著，“*”代表顯著。

Note: Significance level at=0.05is taken in this study. ‘**’ represents very significant and ‘*’represents significant.

表5 地面培養(yǎng)皿平均中值飄移率和90%累積飄移距離與其顯著相關(guān)因素回歸分析結(jié)果

注：回歸方程中90%-P為地面培養(yǎng)皿測得的90%累積飄移距離，90%-B為近地飄移測試平臺測得的90%累積飄移距離。

Note:90%-Prepresents 90% cumulative drift distance measured via ground petri dish and90%-Brepresents that via field drift test bench.

以上結(jié)果表明，冠層PVC卡測得的沉積分布結(jié)果以及近地飄移測試平臺、空中霧滴飄移收集裝置獲取的噴霧飄移結(jié)果均與地面培養(yǎng)皿測得結(jié)果表現(xiàn)出顯著相關(guān)關(guān)系，田間近地飄移平臺和空中飄移裝置測試不僅能獲取豎直方向和下風(fēng)向飄移霧滴分布，還能分別用于推算下風(fēng)向飄移AMDR值和90%累積飄移距離，有效評估植保無人機(jī)噴霧下風(fēng)向地面飄移特性。因此，據(jù)此可對植保無人機(jī)田間噴霧飄移測試方法進(jìn)行優(yōu)化或簡化，在具備完整試驗(yàn)條件時(shí)，除地面飄移收集裝置以外，增加平行于航線的下風(fēng)向空中飄移收集裝置，以獲取豎直方向空中霧滴飄移分布，將航線高度以上霧滴飄移量納入飄移特性評估中，提高測試結(jié)果完整度和可信度；在不具備完整試驗(yàn)條件時(shí)，僅通過布置垂直于航線方向的近地飄移測試平臺和空中飄移收集裝置（或二選一），就能在獲得真實(shí)可信測試結(jié)果的前提下大幅度減少飄移測試工作量、用水量和熒光示蹤劑等耗材用量，充分利用田間不可控的氣象條件，節(jié)約科研成本并提高田間試驗(yàn)效率。

3 結(jié) 論

本文提出了一種基于仿真果園試驗(yàn)臺的植保無人機(jī)施藥霧滴飄移測試方法，采用該方法對4種典型植保無人機(jī)搭載IDK 120-015空氣射流噴頭和TR 80-0067空心圓錐噴頭進(jìn)行了實(shí)際作業(yè)噴霧飄移測試，針對不同飄移測試收集裝置獲得的結(jié)果進(jìn)行分析和比較，主要結(jié)論如下：

1）在側(cè)風(fēng)速2.4～3.6 m/s，溫度29.8～34.3 ℃，相對濕度10.7～30.6%的環(huán)境條件下，在高度1.5 m（距地面3.5 m）、速度2.0 m/s參數(shù)下IDK空氣射流噴頭可顯著降低下風(fēng)向霧滴飄移水平，優(yōu)化沉積分布均勻性，提高農(nóng)藥霧滴利用率；4種機(jī)型飄移特性無顯著差異，旋翼下洗氣流產(chǎn)生的卷揚(yáng)渦流是影響無人機(jī)噴霧飄移的重要因素，葡萄園噴霧作業(yè)緩沖區(qū)至少應(yīng)設(shè)置為15 m。

2）植保無人機(jī)噴霧飄移率與下風(fēng)向距離之間關(guān)系模型可用指數(shù)函數(shù)來描述。

3）冠層沉積率越小、沉積分布變異系數(shù)越大、近地飄移測試平臺AADR值和90%累積飄移距離越大以及空間飄移指數(shù)ADX值越大均能說明霧滴飄移風(fēng)險(xiǎn)越高，3種飄移測試收集裝置及其評價(jià)指標(biāo)均可有效評估植保無人機(jī)噴霧下風(fēng)向飄移特性；霧滴空間飄移指數(shù)ADX計(jì)算方法適合定量計(jì)算及分析比較不同機(jī)型和作業(yè)參數(shù)下噴霧農(nóng)藥霧滴空間飄移特性，可為果園專用植保無人機(jī)設(shè)計(jì)、研發(fā)及應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

后續(xù)將進(jìn)一步通過大量田間試驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)來明確針對不同施藥參數(shù)和環(huán)境參數(shù)的飄移率與下風(fēng)向距離關(guān)系模型常數(shù)項(xiàng)數(shù)值，探索建立植保無人機(jī)噴霧飄移模型，為植保無人機(jī)果園噴霧田間作業(yè)參數(shù)的選擇提供參考。

[1] He X. Rapid development of unmanned aerial vehicles (UAV) for plant protection and application technology in China[J]. Outlooks on Pest Management, 2018, 29(4): 162-167.

[2] Lan Y, Chen S. Current status and trends of plant protection UAV and its spraying technology in China[J]. International Journal of Precision Agricultural Aviation, 2018, 1(1): 1-9.

[3] He X, Bonds J, Herbst A, et al. Recent development of unmanned aerial vehicle for plant protection in East Asia[J]. Int J Agric & Biol Eng, 2017, 10(3): 18-30.

[4] 王昌陵，何雄奎，王瀟楠，等. 基于空間質(zhì)量平衡法的植保無人機(jī)施藥霧滴沉積分布特性測試[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(24)：89-97.

Wang Changling, He Xiongkui, Wang Xiaonan, et al. Distribution characteristics of pesticide application droplets deposition of unmanned aerial vehicle based on testing method of deposition quality balance[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(24): 89-97. (in Chinese with English abstract)

[5] 王獻(xiàn)偉. 何雄奎呼吁：我國植保機(jī)械研發(fā)廠家應(yīng)重視農(nóng)藥飄失問題[J]. 農(nóng)藥市場信息，2019，26(18)：19-20.

[6] Griesang F, Decaro R A, Dos Santos C A M, et al. How much do adjuvant and bozzles models reduce the spraying drift? Drift in agricultural spraying[J]. American Journal of Plant Sciences, 2017, 8(11): 2785-2794.

[7] 王瀟楠，何雄奎，王昌陵，等. 油動(dòng)單旋翼植保無人機(jī)霧滴飄移分布特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(1)：117-123.

Wang Xiaonan, He Xiongkui, Wang Changling, et al. Spray drift characteristics of fuel powered single-rotor UAV for plant protection[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(1): 117-123. (in Chinese with English abstract)

[8] Wang X, He X, Song J, et al. Drift potential of UAV with adjuvants in aerial applications[J]. Int J Agric & Biol Eng, 2018, 11(5): 54-58.

[9] Herbst A, Bonds J, Wang Z, et al. The influence of unmanned agricultural aircraft s ystem design on spray drift[J]. Journal of Cultivated Plants, 2020, 72(1): 1-11.

[10] 文晟，韓杰，蘭玉彬，等. 單旋翼植保無人機(jī)翼尖渦流對霧滴飄移的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2018，49(8)：127-137，160.

Wen Sheng, Han Jie, Lan Yubin, et al. Influence of wing tip vortex on drift of single rotor plant protection unmanned aerial vehicle[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(8): 127-137, 160. (in Chinese with English abstract)

[11] Yang F, Xue X, Cai C, et al. Numerical simulation and analysis on spray drift movement of multirotor plant protection unmanned aerial vehicle[J]. Energies, 2018, 11(9): 2399.

[12] 張豪，祁力鈞，吳亞壘，等. 無人機(jī)果樹施藥旋翼下洗氣流場分布特征研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(18)：44-54.

Zhang Hao, Qi Lijun, Wu Yalei, et al. Distribution characteristics of rotor downwash airflow field under spraying on orchard using unmanned aerial vehicle[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(18): 44-54. (in Chinese with English abstract)

[13] 陳盛德，蘭玉彬，周志艷，等. 小型植保無人機(jī)噴霧參數(shù)對橘樹冠層霧滴沉積分布的影響[J]. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，38(5)：97-102.

Chen Shende, Lan Yubin, Zhou Zhiyan, et al. Effects of spraying parameters of small plant protection UAV on droplets deposition distribution in citrus canopy[J]. Journal of South China Agricultural University, 2017, 38(5): 97-102. (in Chinese with English abstract)

[14] 劉德江，龔艷，王果，等. 果園航空噴霧的農(nóng)藥沉積分布比較[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018，46(6)：207-211.

Liu Dejiang, Gong Yan, Wang Guo, et al. Comparison of pesticide deposition distribution of unmanned aerial vehicle in orchard[J]. Jiangsu Agricultural Sciences, 2018, 46(6): 207-211. (in Chinese with English abstract)

[15] Sarri D, Martelloni L, Rimediotti M, et al. Testing a multi-rotor unmanned aerial vehicle for spray application in high slope terraced vineyard[J]. Journal of Agricultural Engineering, 2019, 50(1): 38-47.

[16] 劉琪，蘭玉彬，單常峰，等. 航空植保噴施參數(shù)對蘋果樹霧滴沉積特性影響[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2020，42(9)：173-180.

Liu Qi, Lan Yubin, Shan Changfeng, et al. The influence of spraying parameters of aerial application on droplet deposition characteristics for apple fields[J] Journal of Agricultural Mechanization Research, 2020, 42(9): 173-180. (in Chinese with English abstract)

[17] Li L, Liu Y, He X, et al. Assessment of spray deposition and losses in the apple orchard from agricultural unmanned aerial vehicle in China[C]//2018 ASABE Annual International Meeting, Detroit, USA, Paper Number:1800504.

[18] Brown C R, Giles D K. American Society of Agricultural and Biological Engineers, 2018. Measurement of pesticide drift from unmanned aerial vehicle application to a vineyard[J]. Transactions of the ASABE, 2018, 61(5): 1539-1546.

[19] Martinez-Guanter J, Agüera P, Agüera J, et al. Spray and economics assessment of a UAV-based ultra-low-volume application in olive and citrus orchards[J]. Precision Agriculture, 2020, 21(1): 226-243.

[20] 王昌陵，何雄奎，王瀟楠，等. 無人植保機(jī)施藥霧滴空間質(zhì)量平衡測試方法[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(11)：54-61.

Wang Changling, He Xiongkui, Wang Xiaonan, et al. Testing method of spatial pesticide spraying deposition quality balance for unmanned aerial vehicle[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(11): 54-61. (in Chinese with English abstract)

[21] Wang C, He X, Wang X, et al. Testing method and distribution characteristics of spatial pesticide spraying deposition quality balance for unmanned aerial vehicle[J]. Int J Agric & Biol Eng, 2018, 11(2): 18-26.

[22] International Organization for Standardization. ISO 22866 Equipment for crop protection - Methods for field measurement of spray drift[S]. Geneva: ISO copyright office, 2005.

[23] International Organization for Standardization. ISO 22401 Equipment for crop protection - Method for measurement of potential spray drift from horizontal boom sprayers by the use of a test bench[S]. Geneva: ISO copyright office, 2015.

[24] Douzals J-P, Tinet C, Goddard R. Use of a flexible drop counter for a better comparability of potential spray drift measurement protocols in wind tunnels[J]. Aspects of Applied Biology International Advances in Pesticide Application, 2018, 137(1): 277-284.

[25] 何雄奎. 我國植保無人機(jī)的研究與發(fā)展應(yīng)用淺析[J]. 農(nóng)藥科學(xué)與管理，2018，39(9)：10-17.

He Xiongkui. Brief analysis on the research, development and application of plant protection UAV in China[J]. Pesticide Science and Administration, 2018, 39(9): 10-17. (in Chinese with English abstract)

[26] International Organization for Standardization. ISO 24253-1 Crop protection equipment - Spray deposition test for field crop[S]. Geneva: ISO copyright office, 2015.

[27] Smith D B. Uniformity and recovery of broadcast sprays using fan nozzles[J]. Transactions of the American Society of Agricultural Engineers, 1992, 35(1): 39-44.

[28] Helck C, Herbst A. Drift potential index-a new parameter for the evaluation of agricultural nozzles concerning their drift potential[J]. Nachrichtenbl. Deut. Pflanzenschutzd, 1998, 50(9): 225-232.

[29] Herbst A. A method to determine spray drift potential from nozzles and its link to buffer zone restrictions[C]//2001 ASAE Annual International Meeting. Sacramento, California, USA: 01-1047.

[30] Zhang S C, Xue X Y, Sun Z, et al. Downwash distribution of single-rotor unmanned agricultural helicopter on hovering state[J]. Int J Agric & Biol Eng, 2017, 10(5): 17-27.

[31] 王軍鋒，徐文彬，聞建龍，等. 大載荷植保無人直升機(jī)噴霧氣液兩相流動(dòng)數(shù)值模擬[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2017，48(9)：62-69.

Wang Junfeng, Xu Wenbin, Wen Jianlong, et al. Numerical simulation on gas-liquid phase flow of large-scale plant protection unmanned aerial vehicle spraying[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery (Transactions of the CSAM), 2017, 48(9): 62-69. (in Chinese with English abstract)

[32] 楊知倫，葛魯振，祁力鈞，等. 植保無人機(jī)旋翼下洗氣流對噴幅的影響研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2018，49(1)：116-122.

Yang Zhilun, Ge Luzhen, Qi Lijun, et al. Influence of UAV rotor down-wash airflow on spray width[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery (Transactions of the CSAM), 2018, 49(1): 116-122. (in Chinese with English abstract)

[33] 唐青，陳立平，張瑞瑞，等. 高速氣流條件下標(biāo)準(zhǔn)扇形噴頭和空氣誘導(dǎo)噴頭霧化特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(22)：121-128.

Tang Qing, Chen Liping, Zhang Ruirui, et al. Atomization characteristics of normal flat fan nozzle and air induction nozzle under high speed airflow conditions[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(22): 121-128. (in Chinese with English abstract)

[34] Nuyttens D, De Schampheleire M, Verboven P, et al. Comparison between indirect and direct spray drift assessment methods[J]. Biosystems Engineering, 2010, 105(1): 2-12.

[35] Torrent X, Gregorio E, Douzals J P, et al. Assessment of spray drift potential reduction for hollow-cone nozzles: Part 1. Classification using indirect methods[J]. Science of the Total Environment, 2019, 692: 1322-1333.

[36] Nuyttens D, Zwertvaegher I K A, Dekeyser D. Spray drift assessment of different application techniques using a drift test bench and comparison with other assessment methods[J]. Biosystems Engineering, 2017, 154: 14-24.

[37] Torrent X, Garcerá C, Moltó E, et al. Comparison between standard and drift reducing nozzles for pesticide application in citrus: Part I. Effects on wind tunnel and field spray drift[J]. Crop Protection, 2017, 96: 130-143.

Measuring method and experiment on spray drift of chemicals applied by UAV sprayer based on an artificial orchard test bench

Wang Changling1,2, He Xiongkui1,3※, Zeng Aijun1,3, Andreas Herbst4, Supakorn Wongsuk1,3, Qiao Baiyu1,3, Zhao Cheng1,3, Yuan Shankui5, Zhong Ling6, Verena Overbeck4, Jane Bonds7, Yang Yi8, Zhou Guoqiang9, Wang Xuan10, Gao Wanlin2

(1.1001932.1001933.1001934.D-381045.1001256.330096,7;81022029.45500110518057)

In recent years, low-altitude and low-volume plant protection operations using unmanned aerial vehicle (UAV) sprayer developed rapidly in China with the advantages of high efficiency, labour saving, high safety, high terrain adaptability, high flexibility, water and chemicals saving, and high intelligence. With the UAV application technology in field crops is becoming more and more mature, aerial spraying operations in orchards are promising and in the ascendant, but a high risk of UAV spray drift is appearing due to high working height and fine droplets sprayed in slope orchards, highlighting the necessity of the study on the spray drift characteristics of UAV chemicals application for fruit trees. Therefore, based on previous research, a novel type of measuring method of spray drift for UAV chemicals application in orchard was proposed in this study and an artificial orchard test stand (vineyard) and 3 airborne drift frame collectors were designed and built, and a set of field drift test bench was firstly used to collect aerial spray drift droplets at different downwind distances, together with ground drift collectors and canopy deposition collectors. An airborne drift index (ADX) of UAV’s spray was initially applied for quantitative analysis to compare spray drift characteristics of different models of unmanned aircrafts and variable operation parameters. Fluorescence tracer Pyranine water solution was prepared at the concentration of 0.1% as the spray liquid. Four typical types of plant protection UAV (a single-rotor oil-powered helicopter, a 6-rotor motor drone and two models of 8-rotor motor drones) equipped with conventional hollow cone nozzle ‘TR 80-0067’ and air-induction anti-drift nozzle ‘IDK 120-015’were tested in the artificial vineyard, and results of canopy deposition distribution, ground sediment drift, near-ground drift, and airborne drift were obtained and analysed, and different sampling collectors for spray drift were evaluated and compared. The results showed that: Under the environmental conditions that the nominal crosswind speed was 2.4-3.6 m/s, the temperature was 29.8-34.3 ℃ and relative humidity was 10.7%-30.6%, at the flight height of 1.5 m (3.5 m from the ground) and the speed of 2.0 m/s the air-induction nozzle IDK can significantly reduce the level of downwind spray drift of UAV, optimize the uniformity of deposition distribution and increase the effective utilization rate of chemicals; There was no significant difference in the drift characteristics of the 4 types of unmanned aircraft, and the vortex generated by the combination of the rotor’s downwash airflow and the external wind was an important factor on spray drift; Buffer zone of UAV aerial spraying operation in vineyards should be set at at least 15 m; The lower the canopy deposition rate (<0.05,<0), the worse the uniformity of deposition distribution (<0.01,>0), the larger the average average drift rate (AADR) and 90% cumulative drift distance90%of the field drift test bench (<0.01,> 0), the greater the ADX value (<0.01,> 0) all indicated the higher spray drift risk, respectively; Both these sampling collectors and their evaluation index could assess the downwind drift characteristics effectively; the relationship between the UAV spray drift ratedep%and the downwind distancewas described by the exponential function. The results of this study are expected to provide references and data supports for the R&D of UAV dedicated for orchard spraying, the formulation of standards on spray drift field measuring method for UAV orchard operations and the selection of aerial application working parameters in orchards.

unmanned aerial vehicle; experiment；spray; downwind; airborne drift; groundsediment drift; measuring method

王昌陵，何雄奎，曾愛軍，等. 基于仿真果園試驗(yàn)臺的植保無人機(jī)施藥霧滴飄移測試方法與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(13)：56-66.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.007 http://www.tcsae.org

Wang Changling, He Xiongkui, Zeng Aijun, et al. Measuring method and experiment on spray drift of chemicals applied by UAV sprayer based on an artificial orchard test bench[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(13): 56-66. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.007 http://www.tcsae.org

2020-02-25

2020-06-01

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助（2017YFD02003）；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（31761133019）；中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2019M650907）

王昌陵，博士后，主要從事低空低量植保施藥技術(shù)研究。Email：WCL1991@cau.edu.cn

何雄奎，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事植保機(jī)械與施藥技術(shù)研究。Email：xiongkui@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.007

S252+.3

A

1002-6819(2020)-13-0056-11