陸宗明

（昆山市耕地質(zhì)量與植物保護(hù)站，江蘇 昆山 215300）

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，植保無人機(jī)的應(yīng)用日益廣泛[1]。相比傳統(tǒng)的人工噴灑，植保無人機(jī)可以大幅提高作業(yè)效率，降低勞動(dòng)成本。但是，植保無人機(jī)噴灑時(shí)產(chǎn)生的藥液霧滴容易受到氣流影響而飄移，可能污染環(huán)境或損害非目標(biāo)植物，因此霧滴飄移控制是植保無人機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。本研究擬設(shè)計(jì)和建造一套室內(nèi)植保無人機(jī)霧滴飄移測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，在控制變量的條件下開展飄移試驗(yàn)，記錄和分析不同參數(shù)下的霧滴飄移軌跡及飄移距離數(shù)據(jù)，解析飄移發(fā)生的機(jī)理，提出針對(duì)性的控制對(duì)策。

1 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 霧滴飄移測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)的需求分析

為了科學(xué)系統(tǒng)地開展霧滴飄移行為的測(cè)試分析，需要對(duì)試驗(yàn)臺(tái)提出明確的技術(shù)指標(biāo)需求[2]。1）試驗(yàn)臺(tái)工作空間需要足夠大，以容納不同型號(hào)的植保無人機(jī)進(jìn)行測(cè)試，通常要求空間尺寸大于無人機(jī)機(jī)翼展寬的5 倍以上，同時(shí)要考慮噴口到測(cè)量裝置的最小水平距離，保證測(cè)量精度。2）試驗(yàn)臺(tái)需要具備控制環(huán)境條件如溫度、濕度、光照等參數(shù)的能力，以排除環(huán)境對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，保證試驗(yàn)的重復(fù)性。3）要能夠模擬無人機(jī)不同類型、不同參數(shù)的噴霧系統(tǒng)，進(jìn)行可控、穩(wěn)定的噴霧產(chǎn)生，噴霧量、粒徑、速度等參數(shù)應(yīng)可調(diào)。4）需要配置激光粒度分析儀等專業(yè)設(shè)備分析噴霧霧滴，動(dòng)態(tài)跟蹤測(cè)量其飛行軌跡。

1.2 設(shè)計(jì)方案的選取與原理說明

考慮到試驗(yàn)臺(tái)的技術(shù)指標(biāo)需求，經(jīng)技術(shù)論證，本研究選取了風(fēng)洞試驗(yàn)臺(tái)方案。這一方案具有以下優(yōu)勢(shì)：風(fēng)洞試驗(yàn)可精確控制氣流參數(shù)，通過變頻風(fēng)機(jī)和穩(wěn)流裝置可產(chǎn)生0～30 m/s速度范圍的氣流，滿足模擬飛行狀態(tài)的需要；風(fēng)洞空間尺寸可自定義，應(yīng)足以容納不同型號(hào)無人機(jī)；傳感器布設(shè)可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)空間氣流和霧滴分布的監(jiān)測(cè)；噴霧系統(tǒng)設(shè)置在上游，采用精密壓電噴霧器頭，可實(shí)現(xiàn)對(duì)霧滴大小和噴霧流量的精確控制[3]；高速攝像系統(tǒng)可全方位捕捉霧滴運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；與激光粒度分析儀結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)微小霧滴的動(dòng)態(tài)檢測(cè)；風(fēng)洞內(nèi)部材料經(jīng)特殊處理，有利于霧滴的穩(wěn)定飄移[4]。

1.3 試驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和主要組成部分

基于風(fēng)洞試驗(yàn)方案，本試驗(yàn)臺(tái)主要由風(fēng)洞主體、環(huán)境控制系統(tǒng)、噴霧系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)四大部分組成。

1）風(fēng)洞主體采用返風(fēng)式矩形氣流循環(huán)風(fēng)洞，包含定頻變頻風(fēng)機(jī)、蜂窩穩(wěn)流器、流順整流裝置、工作段、回流段等。風(fēng)機(jī)為功率100 kW 的變頻潛流風(fēng)機(jī)，最高風(fēng)速為55 m/s。蜂窩穩(wěn)流器采用尼達(dá)素蜂窩材質(zhì)，孔隙率92%，厚度150 mm，可將湍流減小至0.5%。工作段尺寸為寬1 500 mm、深1 500 mm、高1 500 mm，壁面采用不銹鋼材料，表面粗糙度小于0.2 μm，以減少邊界層效應(yīng)對(duì)氣流的影響。工作段內(nèi)布置多組X模向熱線風(fēng)速傳感器，測(cè)量工作段內(nèi)氣流速度分布，傳感器測(cè)量范圍為0.2 m/s～35 m/s，精度±0.5 m/s。

2）環(huán)境控制系統(tǒng)包含溫度調(diào)節(jié)范圍為0 ℃～40 ℃的電加熱器以及濕度調(diào)節(jié)范圍為30%RH～90%RH 的蒸汽發(fā)生裝置，通過PID 控制實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，溫度控制精度±0.5 ℃，濕度控制精度±2%RH。

3）噴霧系統(tǒng)采用精密壓電振膜式噴頭，振動(dòng)頻率可調(diào)范圍為30 kHz～120 kHz，噴霧液體流速可調(diào)范圍為50 mL/min～300 mL/min，可控制產(chǎn)生直徑5 μm～50 μm的霧滴，噴頭布置矩陣實(shí)現(xiàn)全空間噴灑。

4）測(cè)量系統(tǒng)包含632 nm 激光粒度儀、1 000 fps高速攝像系統(tǒng)、多組風(fēng)速/溫濕度/液滴傳感器，數(shù)據(jù)輸出到工控機(jī)進(jìn)行同步采集和分析。

2 試驗(yàn)臺(tái)性能分析

2.1 霧滴飄移測(cè)試參數(shù)的確定

為了全面系統(tǒng)地考察各參數(shù)對(duì)霧滴飄移的影響，需要確定試驗(yàn)臺(tái)中可控參數(shù)的取值范圍。主要測(cè)試參數(shù)如下：

1）氣流速度：通過調(diào)節(jié)風(fēng)洞風(fēng)機(jī)頻率，測(cè)試0～30 m/s范圍內(nèi)的氣流速度影響，間隔2 m/s設(shè)置試驗(yàn)點(diǎn)。

2）氣流方向：通過控制風(fēng)機(jī)角度，測(cè)試橫向和縱向氣流對(duì)霧滴飄移的差異[5]。

3）噴霧參數(shù)：測(cè)試不同噴霧量（100 mL/min～500 mL/min）、噴霧粒徑（5 μm～100 μm）以及噴霧高度（0.5 m～3 m）的影響。

4）環(huán)境溫濕度：測(cè)試溫度為10 ℃～40 ℃、濕度為30%RH～90%RH時(shí)的霧滴蒸發(fā)情況。

5）無人機(jī)參數(shù)：測(cè)試不同尺寸、不同旋翼葉片設(shè)計(jì)的無人機(jī)，分析機(jī)體結(jié)構(gòu)對(duì)氣流的影響。

2.2 試驗(yàn)方法和流程

本研究采用單因素控制的試驗(yàn)方法[6]，主要試驗(yàn)流程如下：1）開展無人機(jī)空載試驗(yàn)，確定不同機(jī)型、不同轉(zhuǎn)速下的氣流場(chǎng)，使工作段內(nèi)平均氣流速度達(dá)到設(shè)定值，進(jìn)行氣動(dòng)環(huán)境預(yù)調(diào)節(jié)。2）對(duì)工作段環(huán)境控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，設(shè)置溫濕度至需求值，保持穩(wěn)定后進(jìn)入下一步驟。3）設(shè)置噴霧系統(tǒng)參數(shù)，打開噴霧裝置，調(diào)節(jié)噴霧量、粒徑等參數(shù)，產(chǎn)生穩(wěn)定的霧滴噴霧流。4）打開測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)氣流速度、溫濕度、霧滴參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，確保達(dá)到預(yù)設(shè)要求。5）將無人機(jī)置于工作段，開啟旋翼，模擬飛行狀態(tài)，使氣流吹拂霧滴，進(jìn)行霧滴飄移試驗(yàn)。6）激光粒度儀和高速攝像系統(tǒng)全程記錄霧滴在氣流作用下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化，傳感器采集風(fēng)速、溫濕度等數(shù)據(jù)。7）改變單一影響因素，重復(fù)步驟1～6，獲得該因素梯度下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。8）對(duì)所有影響因素依次進(jìn)行單因素測(cè)試，記錄完整試驗(yàn)數(shù)據(jù)。9）對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出不同因素對(duì)霧滴飄移的影響規(guī)律[7]。

2.3 數(shù)據(jù)采集與處理

本研究采用多源異構(gòu)傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，主要內(nèi)容如下。

1）激光粒度儀實(shí)時(shí)采集通過測(cè)量區(qū)域的霧滴粒徑ds和速度v數(shù)據(jù)，精度達(dá)到±1 μm及±0.1 m/s。

2）高速攝像系統(tǒng)以1 000 fps 速度采集霧滴運(yùn)動(dòng)圖像，傳輸?shù)綀D像處理計(jì)算機(jī)進(jìn)行邊緣識(shí)別，提取霧滴在氣流作用下的運(yùn)動(dòng)軌跡。

3）風(fēng)速傳感器獲取0.01 s 時(shí)間分辨率的氣流速度數(shù)據(jù)，溫濕度傳感器獲取環(huán)境參數(shù)，液滴傳感器獲取霧滴空間分布與沉積情況。

4）工控機(jī)通過高速數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)對(duì)各傳感器數(shù)據(jù)的同步采集和存儲(chǔ)。

處理系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定、去噪、同步等預(yù)處理，得到準(zhǔn)確、連續(xù)的霧滴飄移試驗(yàn)數(shù)據(jù)集。此外，采用數(shù)字圖像處理算法，獲得霧滴隨時(shí)間的空間坐標(biāo)、運(yùn)動(dòng)速度數(shù)據(jù)。最后結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，可以定量評(píng)估各影響因素對(duì)霧滴飄移的作用效應(yīng)。

2.4 飄移性能指標(biāo)的評(píng)估與分析

本研究通過對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到了不同參數(shù)設(shè)置下的飄移性能指標(biāo)結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn)，隨著氣流速度的增加，霧滴的飄移距離和飄移速率明顯增大，在氣流速度為20 m/s 時(shí)，飄移距離達(dá)到5.2 m，是10 m/s 時(shí)的2.3 倍，增加的原因是氣流動(dòng)能的明顯提升，對(duì)霧滴運(yùn)動(dòng)的推動(dòng)作用更為強(qiáng)烈[8]。而飄移角度也隨氣流速度增加而增大，在低速時(shí)接近水平飄移，而高速時(shí)飄移角度可達(dá)50°，這是由于高速氣流形成明顯的上升氣流，影響了霧滴飄移方向。另外，隨著霧滴粒徑的增大，飄移速率降低，在粒徑為5 μm時(shí)飄移速率可達(dá)2 m/s，而粒徑為50 μm 時(shí)飄移速率降至0.8 m/s，這是因?yàn)榭諝鈩?dòng)力學(xué)阻力的上升抑制了大粒徑霧滴的運(yùn)動(dòng)速度。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 田間試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)的性能，進(jìn)行了一系列的田間試驗(yàn)，以模擬實(shí)際農(nóng)田環(huán)境中的情況，這些試驗(yàn)貼近實(shí)際情況，以便更準(zhǔn)確地評(píng)估植保無人機(jī)的霧滴飄移行為[9]。首先，考察了不同氣流速度條件下的影響。結(jié)果顯示，當(dāng)氣流速度從5 m/s 增加到15 m/s時(shí)，觀察到50 μm 霧滴的平均飄移距離增加了92%。在20 m/s 的高速氣流下，飄移距離顯著增加，達(dá)到了5.2 m，這是10 m/s 條件下的2.3 倍，表明氣流速度的增加顯著增強(qiáng)了霧滴的飄移能力，對(duì)目標(biāo)區(qū)域的藥液覆蓋產(chǎn)生了積極影響。其次，在相同的氣流條件下測(cè)試了不同霧滴粒徑的飄移速率。結(jié)果顯示，10 μm 霧滴的飄移速率達(dá)到了2 m/s，而50 μm 霧滴的飄移速率降至0.8 m/s，這是因?yàn)榇罅届F滴受到更大的空氣動(dòng)力學(xué)阻力，導(dǎo)致速率下降，減小了飄移距離，這也表明霧滴的粒徑選擇對(duì)于控制霧滴飄移非常關(guān)鍵。最后，考察了溫度和濕度對(duì)霧滴飄移的影響，發(fā)現(xiàn)較低的溫度和較高的濕度條件降低了霧滴的蒸發(fā)損耗，有利于維持有效覆蓋率。相反，高溫干燥條件會(huì)加重霧滴的蒸發(fā)損耗，降低飄移效果。以上田間試驗(yàn)的結(jié)果深刻揭示了霧滴飄移行為在實(shí)際環(huán)境中的特性，為植保無人機(jī)作業(yè)參數(shù)的優(yōu)化和決策制定提供了重要的參考依據(jù)。

3.2 影響霧滴飄移的因素分析

通過大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，確定了影響霧滴飄移的主要因素包括氣流參數(shù)、噴霧參數(shù)和環(huán)境條件。

1）隨著氣流速度的增加，平流區(qū)的氣流動(dòng)能明顯增強(qiáng)，對(duì)霧滴產(chǎn)生更大的飄移推力，從而導(dǎo)致飄移距離、飄移高度和飄移速率顯著增加。當(dāng)氣流速度從5 m/s 提高到15 m/s 時(shí)，50 μm 霧滴的平均飄移距離增加了92%。另外，高速氣流形成的上升氣流使得霧滴飄移方向發(fā)生上揚(yáng)，飄移角度增大，降低了對(duì)目標(biāo)地面的有效覆蓋率[10]。

2）噴霧參數(shù)也對(duì)霧滴飄移產(chǎn)生重要影響。隨著霧滴直徑的增大，受到的氣動(dòng)阻力也增加，導(dǎo)致飄移速率下降，從而減小了飄移距離。相同氣流條件下，10 μm 霧滴的飄移距離是50 μm 霧滴的2.1 倍。增加噴霧量會(huì)提高空氣含水量，強(qiáng)化氣流對(duì)霧滴的載運(yùn)作用，但也會(huì)增加霧滴碰撞、合并的可能，對(duì)飄移距離的影響需要進(jìn)一步研究。

3）環(huán)境條件通過影響霧滴的蒸發(fā)損耗進(jìn)而影響飄移過程。例如，溫度降低和濕度升高會(huì)抑制霧滴蒸發(fā)，減少飄移損耗，有利于保持有效覆蓋率。相反，高溫干燥條件會(huì)加重霧滴的蒸發(fā)損耗，降低飄移效果。

3.3 對(duì)無人機(jī)植保系統(tǒng)的優(yōu)化建議

為進(jìn)一步改進(jìn)無人機(jī)植保系統(tǒng)的作業(yè)效果，可以從以下幾個(gè)方面提出優(yōu)化建議：

1）優(yōu)化無人機(jī)機(jī)身與旋翼設(shè)計(jì)，降低對(duì)氣流場(chǎng)的擾動(dòng)，減少旋翼尖端渦的生成，可以有效減緩氣流速度的快速衰減，延長(zhǎng)平流區(qū)范圍，有利于霧滴向目標(biāo)區(qū)域的有效傳輸。

2）優(yōu)化噴霧系統(tǒng)參數(shù)，采用粒徑較小、密度較大的霧滴，可以減小飄移過程中的速率衰減和蒸發(fā)損耗，延長(zhǎng)有效飛行時(shí)間，增加飄移距離，但需要考慮小粒徑霧滴的飄移可能對(duì)非目標(biāo)區(qū)域產(chǎn)生污染。

3）開發(fā)快速變徑噴頭技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)霧滴粒徑的智能控制。根據(jù)氣象條件和飄移距離的變化，實(shí)時(shí)優(yōu)化噴霧粒徑，既可確保覆蓋效果，又可降低非目標(biāo)污染風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并搭建了一套室內(nèi)無人機(jī)植保模擬試驗(yàn)臺(tái)，采用風(fēng)洞試驗(yàn)方案，可以準(zhǔn)確控制氣流環(huán)境，配合噴霧系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)，開展了系統(tǒng)的霧滴飄移機(jī)理研究。研究結(jié)果驗(yàn)證了試驗(yàn)臺(tái)的功能，為解析霧滴飄移機(jī)理奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，可為無人機(jī)植保系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工作參數(shù)設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。