何 勇，肖舒裴，方 慧，董 涛，唐 宇，聂鹏程，吴剑坚，骆少明



植保无人机施药喷嘴的发展现状及其施药决策

何 勇1，肖舒裴1，方 慧1※，董 涛1，唐 宇2，聂鹏程1，吴剑坚1，骆少明2

（1. 浙江大学生物系统工程与食品科学学院，杭州 310058； 2. 仲恺农业工程学院自动化学院，广州 510225）

农药的低利用率是影响农业生态环境和农产品品质安全的重要原因之一，优化农药喷施技术是提高农药利用率的有效手段。无人机植保喷施作业作为航空施药领域的重要组成部分，因其应对突发灾害能力强、不受作业地点限制等优势，具有巨大的发展潜力。喷嘴作为植保无人机喷施系统中的关键部件，主要分为液力雾化喷嘴和离心雾化喷嘴两大类，良好的喷嘴性能能够大大提升航空施药喷洒的均匀性，提高农药的利用效率。该文总结了各类植保无人机常用喷嘴的原理、特点以及应用场合，提出了喷嘴性能评价指标并总结了三大类常用的雾滴粒径、沉积量、分布、速度等指标的测量手段，包括雾滴收集方法，雾滴沉积量测试方法以及仪器测量法。最后，针对目前无人机施药缺乏专业的指导，农药喷施效果有待提升的现状，该文提出合理的施药决策是结合靶标作物、喷药需求以及喷施环境三方面因素共同作用的结果，并从喷嘴喷雾角、防堵塞性、喷嘴压力与流量以及最佳作业粒径4个方面分析了喷嘴选型的思路，从专业喷嘴选型决策系统的建立以及无人机植保专用喷嘴的研发两方面对今后的研究进行展望。

无人机；农药；喷嘴；分类；雾滴测量手段；喷嘴选型；施药决策

0 引 言

目前，中国受农药污染的耕地面积高达1 300～1 600万hm2，每年因病虫害造成的粮食损失约为1 500亿kg[1-3]。传统喷药器具在施药过程中存在较严重的“跑冒滴漏”现象，自走式喷杆喷雾机，虽然能够实现大田环境下的精准施药，但对于丘陵、水田、山地等某些植保机械难以进入的环境，仍需要更加灵活的航空施药技术的支持[4]。因此亟需一种高效、安全、灵活的精准施药技术在有效防治病虫害的同时尽可能地降低农药残留，减少农药污染，提升农产品品质。

中国在1951年首次用航空手段参与防治东亚飞蝗以及播种造林等工作[5]，但长期以来，由于缺乏高新的技术支持以及航空管制严格等原因，航空施药发展速度缓慢，直至近几年植保无人机的出现，航空施药领域开拓了更为广阔的发展前景[6-7]。植保无人机施药技术具有应对突发灾害能力强、不受作物长势以及作业地点限制等优势[8]，克服了农机或劳动力无法进入目标区域作业的困难，适合于各种地形的作物病虫害防治[9]。然而，目前中国喷洒部件技术仍处于相对落后阶段，航空施药存在雾滴分布不均、雾滴飘移以及作业精准度不够导致的重喷漏喷等问题。喷嘴作为喷药系统的核心组件，其性能尤其是雾化性能，很大程度上决定了药液的喷洒质量[10]。

本文介绍了植保无人机常用喷嘴的发展现状，讨论总结了液力雾化喷嘴与旋转离心雾化喷嘴的分类、原理、喷施参数及其应用场合；针对雾滴粒径、分布、速度、沉积量等雾滴评价指标，对常用雾滴测量手段进行了分类讨论；最后，文章针对无人机施药缺乏专业性与规范性的现状，从靶标作物、喷药需求以及环境因素与飞行参数3个方面确定合理的施药决策，并从喷雾角、防堵塞性、喷雾压力与流量以及最佳作业粒径4个方面建立喷嘴选型方案。

1 植保无人机喷嘴的发展现状

喷嘴是无人机施药系统的关键部件之一，良好的喷嘴性能能够提升雾滴沉积的均匀性，增加沉积量，减少药液飘移，提升防治效果。植保无人机喷嘴与地面植保机械喷嘴相比喷施的药液浓度更高，流量更大，喷施高度更高，雾滴飘移的可能性也更大。依据雾化方式，可分为液力雾化喷嘴和旋转离心雾化喷嘴两类，其中液力雾化喷嘴依据喷雾雾流形状又可分为扇形喷嘴和锥形喷嘴两类；旋转离心雾化喷嘴又可分为转笼式离心喷嘴和转盘式离心喷嘴两类。

1.1 液力雾化喷嘴

液力雾化喷嘴采用液力式的雾化方式，常用于液体药剂的喷洒，是目前生产企业中供应最多的一种喷嘴。其基本原理是：药液在一定压力下经过喷嘴腔体雾化并形成液膜，在喷嘴内外压力差的作用下，液膜不断伸长变薄并形成细丝状，在一定距离内，液膜厚度与液膜距喷嘴出口的距离的乘积液厚系数为常数，因此离出口喷孔越远的液流薄膜被拉伸得越薄[11]。最后液膜与相对静止的空气相撞击后分裂成细小的雾滴并在惯性力的作用下喷洒在农作物上[12]。影响液膜产生的因素主要是药液的压力与药液的表面张力，随着施加压力的升高，液体流量不断增大，雾滴粒径和分布也随之发生变化，喷嘴的喷雾角增大，雾滴谱变宽。

以2种基础类型的喷嘴（常规扇形喷嘴与空心锥形喷嘴）为例。如图1a所示，常规扇形喷嘴的结构相对简单，进液口大而广，液体经底部的椭球体后形成不稳定的液丝，然后再分裂成大小不等的雾滴；空心锥形喷嘴的结构如图1b所示，喷芯由4个齿轮状的部件抵住喷嘴体内部的边缘，液体在高压条件下经进液口进入涡流室后，在离心力的作用下以一定的角度从喷孔中喷出形成空心锥形的雾化带。

1.喷嘴体 2.进液口 3.出口喷孔 4.椭球形出口 5.喷芯体 6.涡流室

1.1.1 扇形喷嘴

扇形喷嘴是液力雾化喷嘴中种类最多，在无人机植保领域应用最为广泛的一种，喷雾时能够产生冲击力较大的液柱流或扇面喷雾，横向沉积呈正态分布[13]。如图2所示，常用的扇形喷嘴有常规扇形喷嘴、防飘移扇形喷嘴、气吸型扇形喷嘴、延长范围扇形喷嘴和广角扇形喷嘴等，其中前4种扇形喷嘴在植保无人机上均有广泛应用，广角扇形喷嘴常用在地面植保机械。

常规扇形喷嘴是扇形喷嘴中的基础类型，能产生均匀稳定的扇面状喷雾，喷雾边缘逐渐变细，垂直地面喷射时形成狭长的喷雾带[14]；防飘移扇形喷嘴在进液口处增加了孔片，与常规扇形喷嘴宽大的进液口相比，进液口窄而喷道宽，使药液能够在喷嘴腔体内呈涡流状，因此喷施时雾滴谱变窄且易飘移雾滴的比重在雾滴谱中大大减少，同时雾滴粒径在同等压力、流量和喷雾角的条件下较常规扇形喷嘴相比明显增大，进而雾滴的穿透力与抗飘性能也更好[15-16]；气吸型扇形喷嘴的原理基于文丘里效应，指液体在流过缩小的横截面时流体流速突然增大的现象，一般在喷嘴的侧向增加了2个对称的入风口，使药液与空气充分混合，文式吸气结构能产生充气的大雾滴，喷施过程中雾滴飘移的可能性降低，并且雾滴与空气的混合体到达靶区后还能破裂成更小的雾滴，很大程度上提升药液对靶标叶片的附着率[17-18]；延长范围扇形喷嘴的进液口略窄于常规扇形喷嘴，同等条件下产生的雾滴粒径介于常规扇形喷嘴与气吸型扇形喷嘴之间，因此抗雾滴飘移能力弱于防飘型和气吸型，适合喷施除草剂[19]；广角扇形喷嘴内部采用无阻塞通道设计，靠近喷孔处时喷道变窄并与下方狭长的通道连接，出口喷孔在狭长通道的一端并呈不对称的半月形，因此产生的喷雾形状从侧面观察呈近似三角状，雾滴覆盖面积远大于前几种扇形喷嘴，雾滴均匀性较好[20]。

图2 常用的扇形喷嘴

由于扇形喷嘴种类众多，国内外研究学者针对药液沉积效果、喷嘴性能等参数选择2～3种喷嘴进行了测试比较。杨希娃等[21]研究了Lechler公司3种扇形喷嘴（平面扇形喷嘴LU120－02、防飘移扇形喷嘴AD120－02和气吸型扇形喷嘴IDK120－02）对药液沉积以及麦蚜防治的影响。结果表明药液下部的沉积量最多，而LU喷嘴的药液平均覆盖率最好，地面损失量也最大。Guler等[22]在实验室条件下比较了气吸型喷嘴以及平面扇形喷嘴的喷雾性能，表明在等流量条件下，气吸型喷嘴的出口喷孔面积比平面扇形喷嘴大2.1到2.75倍。谢晨等[23]利用雾滴粒度仪对标准扇形雾化喷嘴（Lechler_ST）和扇形防飘移喷嘴（Lechler_IDK）的雾化性能进行了试验探究以及可视化图形分析，具体研究了两种喷头的液膜区、破裂区、雾滴体积中径VMD（volume median diameter）与喷头孔径和压力之间的关系。结果表明ST喷嘴具有更大面积的液膜区，并且随着喷头孔径的增大，液膜与破裂区面积增大；而随着压力的升高，喷嘴的液膜－破裂区长度、VMD均有所下降。Garcerá等[24]比较了标准扇形喷嘴与防飘移喷嘴喷雾在柑橘树冠、地面和空气中的沉积分布情况。结果显示仅有大约46%的雾滴落在目标作物上，标准扇形喷嘴的雾滴飘移量多于防飘移喷嘴（23%和17%），但地面损失量更小（22%和27%）。以上研究结果表明，不同种类扇形喷嘴在结构上微小的差异对雾滴沉积效果都有极大的影响，因此选择合适的喷嘴是提升喷施效果的关键因素之一。

1.1.2 锥形喷嘴

锥形喷嘴按照喷雾的形状可分为空心锥形喷嘴和实心锥形喷嘴2种，如图3所示。空心锥形喷嘴的特点是内部结构简单易拆卸，通过喷嘴内部的环形齿轮状结构能够使液体沿切向进入喷嘴腔体并且在喷出时产生空心圆环状喷雾[25-26]，喷雾粒径较小，流道通畅不易堵塞，在低压条件下也能产生良好的雾化效果，缺点是喷雾角一般仅有80°，与扇形喷嘴相比喷洒角度较小，一般喷雾角喷幅较窄；实心锥形喷嘴在与空心锥形喷嘴相比能产生实心锥形喷雾形状，雾滴覆盖面积更广，雾滴集中分布在离中心线较近的区域内并沿四周分布[27]，这种较大的雾滴粒径以及覆盖面积广的雾滴谱在植保领域适用于烟草秧苗根出条控制，更多用于废气除尘、湿法脱硫、洗涤漂淋等工业领域。

图3 常用的锥形喷嘴

1.2 旋转离心雾化喷嘴

液力雾化喷嘴依靠喷嘴液膜与空气碰撞形成细小雾滴，而旋转离心雾化喷嘴中的药液依靠重力进入转盘，在离心力的作用下由径向喷出，因此所需喷雾压力小，导致雾滴谱较窄且雾滴穿透力也较弱。但由于雾滴流出喷嘴的过程互不干涉，雾滴沉积分布更加均匀可控[28]，常用于小型无人机植保、喷雾干燥、雾化降尘等领域。旋转离心雾化喷嘴主要分为转盘式离心喷嘴和转笼式离心喷嘴。

转盘式离心喷嘴在转盘内壁上有多个径向沟槽，沟槽端面一般采用正三角形，径向沟槽的存在可以减少药液的滑移，使药液与转盘具有相近的圆周速度。喷嘴中的液体经过导流管进入高速旋转的转盘内，在离心力的作用下雾滴沿着转盘边缘呈螺旋线状切向飞出，形成大小均匀的雾滴[29]。转盘式离心喷嘴的雾滴粒径大小一般可通过调节旋转速度进行控制，而大流量的喷道具有不易堵塞的特点，非常适合可湿性粉剂和悬浮剂等溶解度较低的药剂喷施，符合无人机植保作业时药液浓度高的特点，但存在药液穿透力不如液力雾化喷嘴，易滴漏以及成本较高的问题。在植保作业中应用较广，常用于小型无人机[30]，如图4所示。而转笼式离心喷嘴结构复杂，目前市场占有率低，仅在生物喷药领域有一定的应用，极少应用在无人机植保领域，此处不再详细叙述。

图4 转盘式离心喷嘴

1.3 喷嘴评价指标

喷嘴的类型决定了喷嘴的内部结构，进而决定了喷施特点及其适用场合，不同的喷嘴型号适应不同的植保喷施需求。目前航空施药的喷嘴选择缺乏规范性的指导，制定一份完善的喷嘴评价指标有助于提升航空施药的专业性。喷嘴的性能指标主要有防堵塞性、喷雾角、雾滴体积中径、沉积分布均匀性等。表1总结了无人机植保常用喷嘴的性能参数、特点及其适用场合。

表1 植保无人机常用喷嘴的分类、喷洒参数及其适用场合Table 1 Classification, spraying parameters and applications of common-used nozzle for plant protection UAV

注：表中所列液力雾化喷嘴的雾滴体积中径参数参考Lechler和Teejet公司的产品说明：喷雾高度为50 cm，扇形喷嘴的喷雾角为110°，空心锥形喷嘴的喷雾角为80°，喷雾压力为3 kg，喷孔编号为03，分类标准参考上文所述。

Note: Volume median diameter of the hydraulic atomizing nozzles listed above referred to Lechler and Teejet's product description: the corresponding spray height is 50 cm, the spray angle of fan nozzle is 110° while of hollow cone nozzle is 80°, the spray pressure is 3 kg and the orifice number is 03. The classification criteria refers to the above.

喷嘴的防堵塞性能决定了喷嘴是否能够适用于具有特殊性质的药液以及助剂，尤其是无人机高浓度施药特点下溶解性较差的药剂；另外目前市场上的喷嘴可供选择的扇形喷嘴的喷雾角常有80°/110°以及90°/120° 2种，而空心锥形喷嘴的喷雾角一般为80°；根据英国作物生产委员会BCPC技术要求以及ASAE标准S－572，雾滴粒径可分为非常细、细、中等、粗、非常粗和极粗[31-32]。细雾滴能够增加雾滴表面覆盖量而粗雾滴能够减少飘移。对于引起雾滴飘移的雾滴粒径界限，茹煜等[33]的研究发现小于200m的雾滴在侧风作用下更容易飘移；王潇楠[34]的研究表明VMD小于75m的体积百分比越小，雾滴飘移潜力越小。目前不同的研究成果对雾滴漂移的粒径界限仍有不同的结论，而生物最佳粒径理论[35-36]认为不同的防控对象适合不同的粒径范围，而落在最佳粒径范围内的雾滴数量越多，防治效果则越好。因此，有必要根据实际情况考虑各个因素确定合适的喷嘴。

2 雾滴测量手段

雾滴沉积量、覆盖率以及雾滴粒径及其分布等是评价喷嘴雾化性能以及施药效果的重要指标[37-38]。目前测量农药雾滴粒径的常用手段有氧化镁板法、硅油法和纸卡法；测量雾滴沉积量的常用手段有染色剂法和荧光粒子示踪法；测量雾滴粒径、速度以及实时观测雾滴场的变化可以使用相位多普勒粒子分析法或激光/雾滴图像分析仪；测量雾滴的粒度分布时可使用激光粒度仪[39-42]。表2对比总结了各个测量手段的优缺点及其适用场合。

表2 各测量手段的优缺点及其适用场合Table 2 Advantages and disadvantages of each measurement method and its applications

2.1 雾滴收集方法

2.1.1 斑痕法

斑痕法是测量雾滴粒径大小的传统收集方法，常有的有分别针对油剂雾滴和水剂雾滴的氧化镁板法与硅油法。氧化镁板法是在载玻片上燃烧镁条获取氧化镁涂层的方法，当雾滴遇到覆盖有氧化镁的载玻片时，会形成凹陷圆圈，圆圈尺寸稍大于雾滴实际尺寸，需用校正系数进行修正。硅油法能够将水性雾滴收集在表面覆盖有硅油的介质上进行分析[43]。这2种方法不适合易蒸发的小雾滴收集。

2.1.2 纸卡法

常用的雾滴测量试纸有水敏纸、油敏纸、卡罗米特纸等，以水敏纸应用最广[44]。试纸法测量即将试纸置于目标施药区域内，评估雾滴粒径、分布、覆盖率以及雾滴穿透能力等性能[45]。当水敏纸遇水溶性雾滴时，试纸变蓝；油敏纸遇油性雾滴时试纸变黑；卡罗米特纸常与染色溶液搭配使用。用试纸法获取雾滴粒径与分布时需扫描处理试纸图像[46]，计算雾滴粒径时还需事先测出试纸的扩散系数。该方法操作简便，但测量准确性受试纸大小与扩散系数的影响，不适用于空气湿度较大的环境，且只能放置在特定位置的试纸不能反映全局雾滴分布。

2.2 雾滴沉积量测试方法

2.2.1 染色剂法

染色剂法是将染色剂（胭脂红、柠檬黄等）按一定比例溶于清水，用该混合溶液进行施药后采集作业区域内的叶片样本，洗脱叶片上的沉积量并利用可见光分光光度计对叶片沉积量的洗脱液进行检测，建立染色剂质量浓度与吸光度之间的标准曲线[47]。该方法原理简单，成本低，但操作过程复杂，测量误差较大。

2.2.2 荧光粒子示踪法

荧光粒子示踪法，是以一定配比的荧光溶液作为喷雾液，试验结束后收集待测样品并用去离子水洗脱，使用荧光光谱仪测定洗脱液的荧光值含量。施药后叶面的沉积量与荧光值之间存在一定的线性关系[48-49]，因此将洗脱液的荧光值由初始荧光溶液的标准曲线标定后即可能够计算单位面积内的雾滴沉积量。

2.3 仪器测量方法

2.3.1 相位多普勒粒子分析法

相位多普勒粒子分析仪（phase doppler particle analyzer，PDPA）是利用多普勒效应来测量运动粒子相关特性的仪器，应用于植保领域时能够测量运动雾滴的速度、粒径、喷雾角以及单位时间内的雾滴数[50]。PDPA系统对测量雾滴速度、粒径等衡量喷雾特性的指标具有较大优势，精确测量的同时能对比不同测量条件下喷雾场的变化情况。然而，受多普勒信号相位差的限制，PDPA法更适合于检测粒径较小的雾滴[51]。

2.3.2 激光/雾滴图像分析仪

激光/雾滴图像分析仪（particle/droplet image analyzer，PDIA）是基于粒子图像分析技术，当喷雾区域经激光光束照亮后，照亮区域的阴影图像由图像采集装置快速采集并由雾滴的投影轮廓快速计算出雾滴尺寸，并根据多幅图像之间的关系计算出雾滴谱。PDPA能够获取雾滴的实时运动图像，计算雾滴粒径和运动速度，并且能够直观探究雾滴场的变化过程[52]。然而受图像分析条件的限制，当雾滴谱中雾滴密度较大时，雾滴重叠会导致仪器的精度有所下降[34]。

2.3.3 激光粒度仪

基于光学手段能够获得更精确的雾滴粒径分布规律，喷雾粒度仪能够获取激光线上所有雾滴的粒度分布，可自定义输出D0-D100之间的任意典型粒径值、大于或小于某一粒径的累计百分比、某一粒径区间的累计百分比等结果。目前常用的有英国Malvern公司的Spraytec喷雾粒度仪[53]，德国SYMPATEC公司的HELOS喷雾激光粒度仪[54]，以及国内自主研发的分体式激光粒度仪。激光粒度仪的检测精度极高，但仅能获取激光束上的雾滴分布，获取全局雾滴谱需要移动喷嘴位置多次测量。

2.4 小 结

综上所述，传统的雾滴粒径测量方法如氧化镁板法和硅油法正逐渐被操作更加方便的纸卡法所代替，并且纸卡法能够用于评估雾滴的覆盖率、分布均匀性以及穿透能力；染色剂法与荧光粒子示踪法测量原理相似，在测量雾滴沉积量时均应用较广；仪器测量法一般属于非接触式测量，具有精度非常高、获取信息量大等优势，在室内试验时能够发挥极大的作用。

3 施药决策

在无人机植保作业中，喷嘴的选择与喷施参数的确立缺乏规范的指导，无人机施药存在雾滴飘移与药液流失的问题，农药利用率有待提升。而合理的施药决策为喷嘴选型提供理论依据，是结合靶标作物、喷药需求以及喷施环境三方面因素共同作用的结果[55]。靶标作物涵盖作物长势、作物叶表面性质与叶片倾角等因素；喷施需求主要指根据治病、杀虫或除草的防治目标确定合适的药剂、剂型以及是否需要添加助剂；而环境因素带来的影响主要指由温湿度、风速和风向的变化造成的雾滴蒸发与飘移，通过调节无人机作业参数来适应环境因素的变化以获取最佳的喷施效果。

3.1 靶标作物

靶标作物是药剂施用的直接对象，而叶片表面性质与叶片倾角是影响药液是否浸润叶片表面的关键因素，药液在叶片表面的附着能力则是药液表面张力与叶片表面性质共同作用的结果。

3.1.1 叶片表面性质

在农药喷施过程中，叶片表面的润湿性以及药液在植物叶片表面的铺张与持留行为是影响农药药效发挥的关键因素，润湿性与药液和叶片表面的性质紧密相关[56]。植物叶表面的润湿性反映了叶片的亲水能力，具体是指雾滴在叶片表面替代空气的过程[57-58]。在雾滴与叶片接触面的边界处任取一点，并作雾滴表面及叶片表面的切线，这2条切线通过雾滴内部的夹角称为接触角，接触角是度量叶片润湿性的重要指标[59]。如图5所示，接触角为0时液体完全浸润叶片表面，接触角为180°时叶片表面完全斥水，液体在叶片表面呈球状，并且一般认为当接触角小于90°时认为其浸润，大于90°时表现为不浸润[60]。

注：θ为接触角，(°).

不同种类叶片的浸润性表现不同，叶片表面的浸润性主要受叶面蜡质含量与形态分布[61-62]，叶面绒毛密度，叶片气孔和表皮细胞形态与大小以及叶面本身含水量等内部因素以及外界环境变化的影响[59]。通过研究靶标作物的叶片表面性质，主要是浸润性，有助于选择更加合适的药剂以提高喷洒效率。许多学者的研究发现，叶表面性质是影响药液沉积效果的重要因素。Dorr等[63]对藜、小麦和棉花构建了虚拟叶片模型，结果表明叶片表面性质是影响水平叶片上所保留的喷雾量的因素之一。陈志刚等[64]研究了喷雾角度、荷电电压和叶片表面性质对静电喷雾施药靶标沉积效果的综合影响，表明叶片表面结构对药液沉积效果影响最为显著，高密度的叶片绒毛结构更有利于雾滴的沉积。就植物叶表面自身的性质而言，蜡质层与绒毛结构是影响叶表面润湿性的显著因素。孙艳红等[65]对鲜、老、病、枯4个状态下的荷叶进行了润湿性观察，结果表明乳突与蜡质层的复合结构是影响荷叶表面润湿性的根本原因。Kumar等[66]发现具有高绒毛密度的西南牡蒿具有很强的疏水性而绒毛密度低的叶片润湿性较好。可以看出，叶表面的蜡质和绒毛密度结构是影响润湿性的最主要因素。

3.1.2 叶片表面倾角

叶片表面倾角是影响药液在叶片上的持留量的决定因素，平坦的叶片更利于药液的附着。袁会珠等[67]指出了不同作物的叶片流失点不同，在常规喷雾中研究并控制喷雾量在流失点以下就能够大大降低农药的流失量，而叶片倾角则是影响药液流失量的重要因素之一。杨希娃等[68]探究了雾滴粒径、叶片表面性质与倾角对农药雾滴沉积的影响，结果表明叶片表面性质、叶片倾角对沉积量影响显著。尽管作物叶片倾角是影响农药在叶片上的沉积量的主要原因，但由于叶片倾角不属于人为控制范围内，可以通过探究同一作物叶片各个时间点的倾角差异选择合适的施药时间，尽量减少由于叶片倾角过大造成药液过多的流失。

3.2 喷药需求

3.2.1 常用药剂与剂型

不同的防治目标对应不同的喷施需求，根据生物最佳粒径理论，不同的喷施需求对应的最佳雾滴粒径不同。例如，飞行昆虫的最佳防治粒径为10～50m，叶面爬行类害虫和作物病害的最佳防治粒径为30～150m，杂草的最佳防治粒径为100～300m[36]。最佳粒径范围能够直接对应喷嘴的雾滴粒径范围，而靶标作物与病害的种类也直接决定了合适的药剂与剂型，药剂种类、剂型以及药液浓度都影响药液的防治效果。王波等[69]探究了40种药液液滴在棉花（亲水性）和水稻（疏水性）叶片上的持留及铺展行为。杨帅[70]对不同施药药液剂型进行了测定，试验比较了小麦和棉花在不同药剂不同浓度下的防治效果。薛新宇等[71]探究了毒死蜱、吡蚜酮和二嗪·辛硫磷3种药剂对稻飞虱和稻纵卷叶螟在不同作业高度与施药天数下的防治效果。本文选取5 种作物（水稻、小麦、油菜、玉米、大豆）并列出其常见病害与常用药剂及剂型，如表3[72-74]所示。

表3 5种作物的常见病害与适用药剂

3.2.2 助剂性质

由于某些植物叶表面蜡质层较厚、叶面绒毛多导致叶表面润湿性较差，药液容易从叶表面滚落流失。并且受外界环境温湿度与自然风的影响，无人机施药常存在雾滴的蒸发与飘移等问题影响药效。为了提高农药利用率，降低药液向非靶标区的飘移，达到更理想的沉积效果，常在药液中添加植物油、有机硅等农药助剂以达到增加药液在叶面上的持留量，减少药液流失的目的[75-76]。

根据助剂的功能，可分为能够增强药液润湿、渗透、附着叶片能力的农药助剂以及带有一定活性的生物助剂，其中前者应用在无人机植保领域，后者常用在生物降解、纺织制造等领域。对于农药助剂对药液沉积效果的改善，国内外学者均有研究涉及。Zyl等[77]探究了助剂对叶面喷雾沉积效果的改善，结果表明，针对葡萄树的白粉病与灰霉病，使用不同类型的助剂有些能够增加叶片上下部的沉积量，有些能够改善沉积分布质量，并且助剂浓度与药液施用量相匹配才能达到最佳的雾滴沉积效果。王潇楠等[78]在不同风速、温度和湿度的条件下利用荧光分析仪比较了不同浓度的抗蒸发助剂与防飘助剂对雾滴飘移潜在指数的影响。结果表明，助剂的使用能够显著提升潜在飘移指数，对不同类型的喷嘴效果不同。综上所述，助剂与药液的配合使用能够提升药液在叶表面的附着能力，减少药液流失。

3.3 环境因素及飞行参数

无人机植保作业环境是受温度、湿度、风速和风向等多因素共同影响的环境。1.3节中提出不同学者对雾滴飘移界限的定义不同，但可以肯定的是，如何在不同温湿度条件下平衡雾滴的蒸发与飘移是探究最佳作业粒径范围的切入点。而风速直接决定了无人机的作业高度与作业速度，风向影响着喷雾角度的选择。

由于环境因素的不稳定性与不可控性，使得大田试验过程中难以量化某一因素对喷施效果的影响。邱白晶等[79-80]探究了无人机作业飞行高度和飞行速度对雾滴沉积的影响。Qin等[7]的研究结果表明水稻生长后期的雾滴沉积与分布与无人机植保作业时的高度与飞行速度密切相关。Zhang等[81]研究了四旋翼无人机在不同飞行高度下对柑橘林冠层雾滴沉积的影响。周莉萍等[82-83]探究了不同侧风条件以及无人机飞行参数对施药雾滴沉积分布与覆盖率的影响，表明飞行速度均方根误差、速度变异系数和高度这3个飞行参数能够有效分析和预测雾滴沉积量和分布均匀性。Gil等[84]的研究结果表明平均喷雾损失量随风速增加而增加，并且温度较高时收集到的雾滴量较少。王潇楠等[85]的研究表明侧风风速与雾滴飘移率呈正相关。目前，国内外学者的试验研究主要围绕风速、风向以及无人机飞行高度和飞行速度展开，环境因素直接影响着无人机植保的喷施参数，而喷施参数的变化直接影响雾滴沉积分布的均匀性与覆盖率。

3.4 喷嘴选型思路

与地面植保设备相比，无人机施药具有低容量高浓度飞行速度快的特点，药液浓度是地面植保机械的50倍左右[4]，喷嘴选型时与地面植保机械有很大区别，主要考虑药液的沉积效果最佳，蒸发量与飘移量最小。受施药设备、靶标作物与施药环境等多方面因素的影响，多因素间的相互作用决定了最优的喷嘴选型与喷施参数方案。本文从喷雾角、防堵塞需求、最佳雾滴粒径以及喷嘴压力与流量这4个角度为出发点进行喷嘴选型。

1）喷雾角。根据作物种植的行距、作物长势以及作物密度，首先确定无人机的最大起飞质量，药物载荷一般不超过飞机重量的30%，一般飞机越重下压风场越强，药液到达作物底部的比例越高，对于高大的作物如玉米而言，需要较大的下压风场使药液能到达冠层以下的部位，而对于水稻苗期而言，下压风场过强会影响幼苗生长。其次确定无人机作业高度与喷嘴喷雾角，作业高度越高，喷嘴喷雾角越大，喷幅也越大，而雾滴飘移的可能性也越大。2）防堵塞性。根据目标作物的叶表面性质、叶片倾角以及具体防治需求（治病、杀虫还是除草），确定适合的药剂与剂型。常见的农药剂型有可湿性粉剂、悬浮剂、水分散粒剂、乳油等，不同农药剂型的溶解性存在巨大的差异。有的剂型溶于水形成水溶液，有的溶于水后形成稳定的悬浮液，有的仅溶于某些有机溶剂或者在水中的溶解性较差，极易形成沉淀物。结合表3可以看出，可湿性粉剂在常用药剂中所占比重最大，在无人机高浓度施药的特点下喷施溶解性较差的可湿性粉剂容易发生粉剂堵塞喷嘴的情况，应首先考虑喷道较粗、防堵塞性能较好的喷嘴。3）最佳作业粒径。针对具体病害，结合生物最佳粒径理论以及实际喷施时的气象条件可以确定合适的作业粒径范围，即对应喷嘴的雾滴粒径范围。在得知生物最佳粒径理论所指导的合适粒径范围后，根据实际喷施环境可适当调节并缩小雾滴粒径范围。例如，风速较大时与气温较高时，小雾滴蒸发与飘移严重，应适当选择雾滴粒径稍大的喷嘴。4）喷嘴压力和流量。上文所述的喷雾角与防堵塞性都是喷嘴自身的性质，结合环境因素确定最佳作业粒径后已经能够选出喷嘴的具体类型与型号。最后，依据防治要求的作业量并结合无人机的飞行速度，能够计算出每亩地块所需喷施量，进而确定喷雾流量与喷雾压力。根据以上喷嘴选型思路，本文建立了基于多因素的施药决策流程图，如图6所示。

图6 喷嘴选型流程示意图

可以看出，喷嘴选型受多方面因素的影响，而本文所列的喷雾角、防堵塞需求、压力与流量以及最佳作业粒径基本涵盖了喷嘴的性能指标。然而，仅仅根据这些因素结合复杂的作物、病害与喷施环境难以应对变化多、维度广的农田环境。针对雾滴飘移规律，Teske等[86]建立了AGDISP（agricultural dispersion)和AGDRIFT（agricultural drift）预测模型，对模型输入喷嘴型号、药液种类、飞机类型、气象因素等就能够有效预测雾滴潜在飘移。类似地，针对高效合理的喷嘴选型，有必要设计喷嘴选型决策系统来指导农民实际生产施药。例如，建立软件数据库时能直接获取的信息有：各型号喷嘴的喷雾角、防堵塞能力、压力与流量之间的变化关系以及不同压力流量下的雾滴粒径；常见作物及其病害与适用药剂、助剂以及指导施用药量；生物最佳粒径理论所建议的防治不同病害的最佳雾滴粒径范围。而需要试验获取的信息有不同风速、温湿度条件下雾滴沉积分布的均匀性与覆盖率等检验药液防治效果的直接指标；无人机作业高度、飞行速度以及旋翼下压风场对雾滴沉积的影响等；而需要作业人员实际使用时输入的参数仅有作物种类、病害、作物长势、作物种植间距以及作业时的温湿度、风速、风向等气象因素。

4 结论与展望

综上所述，无人机施药具有作业地点灵活、作业方式高效等优势，在几年发展迅速，已成为农业病害防治的重要手段之一。但与地面植保机械相比发展仍不成熟，并且实验室条件下的研究与实际喷施作业之间仍存在“脱节”现象，过快的发展速度与相关作业人员培训力度不配套，实际作业时缺乏专业的指导与监管。由此可见，专业的喷嘴选型与施药指导是推动植保无人机有序合理发展的关键条件，目前在无人机施药的发展过程中仍存在一些急需解决的问题，具体体现在：1）目前植保无人机施药时的喷嘴选型相对局限，大多根据地面植保机械的要求进行喷嘴选型，缺乏对作物病害、药剂、作业环境等多方面因素的综合分析，而不合理的施药容易引发“药害”等问题。2）目前研究大多围绕现有喷嘴的性能测试与雾滴沉积飘移影响因素展开，基于液力雾化喷嘴的研究较多而针对离心雾化喷嘴的研究较少，并且很少针对无人机高浓度低容量的施药特点研发无人机植保专用喷嘴。

针对现有问题，今后的研究可围绕以下几方面深入展开：1）建立更为完善的多因素喷嘴选型与施药决策流程，将专业性与规范性融入无人机植保作业；整合现有的农业资源信息与研究成果，设立专用数据库并开发一套结合多因素的喷嘴选型决策系统，应对复杂多变的农田施药环境。2）结合旋转离心雾化喷嘴雾化均匀、雾滴大小可控、防堵塞性能好以及液力雾化喷嘴雾滴雾滴谱宽、穿透力强、成本低的优势，研发雾化均匀、飘移少、穿透力强的植保无人机专用喷嘴，将喷嘴的理论研究与专用化生产紧密结合，规范喷施作业。

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Development situation and spraying decision of spray nozzle for plant protection UAV

He Yong1, Xiao Shupei1, Fang Hui1※, Dong Tao1, Tang Yu2, Nie Pengcheng1, Wu Jianjian1, Luo Shaoming2

(1.,,310058,;2.,,510225,)

The low utilization rate of pesticides is one of the important factors that affect the agricultural ecological environment as well as the quality and safety of agricultural products, while optimizing pesticide spraying technology is an effective means to improve the pesticide utilization rate. As one of the most important components in the aerial pesticide application in the field, UAV (unmanned aerial vehicle) spraying has developed rapidly with advantages of strong flexibility, high spraying efficiency and fast operation speed. As a key component of aviation spraying system, nozzle for UAV plant protection is mainly divided into 2 categories, i.e. the hydraulic atomization nozzle and the centrifugal atomization nozzle. The common used hydraulic atomization nozzle mainly contains fan nozzle and cone nozzle, and fan nozzle has various types and has been applied more widely. The centrifugal atomization nozzle has an adjustable droplet size with better anti-blocking performance, but the high price and low droplet penetration have restrained its fast development. Besides, the good performance of nozzle can greatly improve the uniformity of the aerial spraying and reduce droplet drift, enhancing the pesticide utilization efficiency. Thus this paper put forward the nozzle performance evaluation index, which included the nozzle type, spray angle, volume median diameter (VMD), features and applications. Beyond this, the amount of droplet deposition, coverage rate and droplet distribution are important indices to evaluate the spray performance. Therefore, the measuring methods of droplets were summarized from 3 aspects, including droplet collection method, droplet deposition test method and instrument test method. Among them, the droplet collection method included magnesium oxide plate method, silicon oil method and test paper method; the droplet deposition test method included colorant method and fluorescent particle tracing method; the instrument test method included phase Doppler particle analyzer (PDPA), particle/droplet image analyzer (PDIA) and laser diffraction analyzer. The traditional droplet size measurement methods such as magnesium oxide plate method and silicon oil method are gradually replaced by paper card method, which is widely used in the measurement of droplet coverage and distribution. The colorant method and fluorescent particle tracing method are widely used in the measurement of droplet deposition, and the instrument measurement method has the advantages of high precision and large amount of information, which can play a great role in indoor experiment. However, the nozzle selection for UAV plant protection often refers to the ground machinery, which lacks standard and professional guidance. The problems of droplet drift and pesticide loss exist in the application of UAV spray, and the utilization rate of pesticides needs to be improved. On this basis, this paper proposed that the rational spray decision should be based on the comprehensive analysis of target crop, spraying demand and spraying environment condition. The target crops information covers crop growth, leaf surface properties and leaf inclination; the spraying demands mainly refer to the determination of appropriate pesticides, dosage forms and adjuvants according to the control objectives of disease control, pest control or weeding; the influence of environmental factors mainly refers to the evaporation and drift of droplets caused by the changes of temperature, humidity, wind speed and wind direction. As the field environment is an uncontrollable environment, it is necessary to develop a selection scheme for the spraying characteristics of high concentration and low capacity for UAV, aiming at the best deposition effect and least droplet drift. Under the influence of spray equipment, target crops and pesticide application environment, the interaction between those factors determines the selection of optimal nozzle and spraying parameters. In this paper, spray angle, anti-blocking requirement, optimum droplet size, nozzle pressure and flow rate are the crucial points for nozzle selection. Finally, the further research is prospected from 2 aspects: the establishment of the specialized nozzle determination system and the research and development of the specialized nozzle for plant protection of UAV.

unmanned aerial vehicle; pesticide; nozzles; classification; droplet measurement means; nozzle selection; spray decision

何 勇，肖舒裴，方 慧，董 涛，唐 宇，聂鹏程，吴剑坚，骆少明. 植保无人机施药喷嘴的发展现状及其施药决策[J]. 农业工程学报，2018，34(13)：113－124.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.014 http://www.tcsae.org

He Yong, Xiao Shupei, Fang Hui, Dong Tao, Tang Yu, Nie Pengcheng, Wu Jianjian, Luo Shaoming. Development situation and spraying decision of spray nozzle for plant protection UAV[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the Cshiyao SAE), 2018, 34(13): 113－124. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.014 http://www.tcsae.org

2018-01-14

2018-04-04

国家重点研发计划课题（2016YFD0200701）

何 勇，教授，博士生导师，主要从事数字农业、3S技术与农业物联网方面研究。Email：yhe@zju.edu.cn

方 慧，副教授，博士，主要从事精细农业信息采集与处理方面的研究。Email：hfang@zju.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.13.014

S251

A

1002-6819(2018)-13-0113-12