朱航 李宏泽 黄钰 于海涛 董云哲 李君兴

摘   要：植保无人机的高质量作业是农业航空实现精准作业的前提，因此对喷雾系统作业特性进行研究显得尤为重要。为了探究影响植保无人机喷雾质量的因素，本研究应用喷霧性能综合试验台（吉林省农业机械研究院研制）对无人机在不同旋翼转速、喷雾高度、离心喷头转速情况下的雾滴沉积分布、雾滴粒径进行了试验测试并对12组试验的沉积特性和粒径数据进行了回归分析。结果表明，同组参数的3次重复试验一致性较好，雾滴发生明显飘移且最大有效沉积率为46.31%，最小为31.74%，由此雾滴有效沉积率均低于50%;对比雾滴粒径DV10、DV50和DV90的回归分析结果，喷雾高度P值大于0.5，喷头转速和旋翼转速P值小于0.5，由此可知，喷雾高度对沉积量影响极显著，但对雾滴粒径的影响不显著;喷头转速和旋翼转速对雾滴粒径影响极显著，而对沉积量影响不显著。本研究试验结果可为提高无人机作业质量和喷洒效率提供理论依据及数据支撑。

关键词：植保无人机;喷雾特性;喷雾测试试验台;离心喷头;激光粒度仪

中图分类号：S252                  文献标志码：A             文章编号：201906-SA001

朱 航， 李宏泽， 黄 钰， 于海涛， 董云哲， 李君兴. 施药技术参数对旋翼植保无人机喷雾特性的影响[J]. 智慧农业， 2019， 1（3）： 113-122.

Zhu H， Li H， Huang Y， Yu H， Dong Y， Li J. Effects of technical operation parameters on spray characteristics of rotor plant protection UAV[J]. Smart Agriculture， 2019， 1（3）： 113-122. （in Chinese with English abstract）

1  引言

使用农药是防治农业有害生物不可缺少的重要措施，化学农药减少了多达45%粮食总产量的损失[1]。中国是农药生产和消耗大国，产量与销量全球排名第一，但农药雾滴飘移损失率为50%～70%[2-5]，因此雾滴飘移行为在植保作业中备受关注。前人研究表明，影响雾滴飘移的因素有内部条件和外部条件两种，内部条件主要为雾滴粒径、喷雾装置和喷雾技术[6，7]，外部条件主要为气象条件[8，9]。目前，研究农药飘移的方法主要有田间试验、试验台试验和仿真模拟等。由于田间试验环境变量较多，而仿真模拟很难完全描述出空气流动对于喷施的影响，因此试验台试验以数据可靠性高、可重复性强等优点广泛被应用于农药雾滴飘移研究。

近年来，航空喷雾过程中的雾滴飘移受到了广泛的研究和关注，许多学者对影响飘移的因素进行了大量的试验研究。张慧春等[10]利用开路式风洞系统和激光粒度仪对扇形雾喷头在不同压力、风速、喷雾高度的雾滴粒径、数量和范围进行了试验，结果表明，压力、风速、喷头与激光粒度仪之间的距离的增大都导致扇形雾喷头的雾滴体积中径变小。Thistle等[11，12]采用有人驾驶固定翼飞机研究了尾流、翼尖涡流、旋翼下旋气流等因素对雾滴沉积的影响。Thomson等[13]通过试验研究了Air-Tractor402B型有人驾驶飞机推进器不同转动方向产生的尾流风场对雾滴沉积分布的影响。沈奥等[14]通过计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics， CFD）仿真软件对多旋翼无人机流场进行模拟仿真，得到了不同速度下多旋翼无人机流场特点。Nuyttens等[15]建立了CFD三维喷雾飘失模型，考虑了雾滴特性、气象条件、药液特性、冠层结构和作物特点等因素，并通过田间试验进行验证，证明CFD模型是辅助减少田间喷雾飘失的有效途径。吕晓兰等[16]设置了四种喷雾压力、风机出口风速和行驶速度，三种采样高度进行喷雾试验和回归分析，结果表明，各喷雾技术参数均对冠层内的雾滴沉积覆盖率有显著性影响，其影响程度由强到弱依次为采样高度、行驶速度、风机出口风速、喷雾压力。茹煜等[17]利用喷头雾化性能测试系统对喷孔直径、喷雾压力、电机转速对喷头雾滴粒径、沉积分布、喷幅和功率消耗的影响进行了试验研究，结果显示，喷头旋转电机电压相比喷孔直径、喷雾压力参数对雾滴粒径影响更显著。由此可见，对喷头本身性能的研究较多，但对喷雾飘移受无人机旋翼风场影响的研究较少。

本研究利用雾滴采集试验台对搭载离心喷头的无人机在不同喷雾高度、喷头转速、旋翼转速情况下的雾滴沉积量、雾滴粒径进行试验，分析施药技术参数对离心式喷头雾滴沉积分布的影响，以期为减少雾滴飘移的施药技术研究提供理论依据和数据支撑。

2  喷雾性能综合试验台结构与工作

原理

本研究所采用的喷雾性能综合试验台由吉林省农业机械研究院研制，其机械结构与工作原理具体如下。

2.1  机械结构

如图1所示，喷雾性能综合试验台包括：试验台主机架、U型集雾槽、超声波液位测试车、龙门车桁架、试管架和翻转系统。试验台总长为5m，宽为2.4m，高为1.2m，U型集雾槽开口为50mm，100个均匀分布，龙门车桁架用来固定无人机，利用电机驱动链调节桁架的高度以控制无人机作业的飞行高度[18]。

由于U型集雾槽具有7°的倾角，每个槽中收集到的液体将流入前端试管中。喷雾结束后，采用超声波液位测试车在独立机架轨道的运动，配合光电定位耦合开关测得每个试管的液位高度。测定结束后，试管架翻转系统将每个试管内的液体倾倒完成试验测试。改变作业参数并进行下一组试验。

2.2  控制系统

通过可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）实现对超声波液位测试车、试管架翻转机构、风机启停的控制，其工作原理如图2所示。PLC通过RS232串口与计算机之间实现通讯，上位机采用LabVIEW 2013（NI，德克萨斯州，美国，253000）编程，其程序前面板如图3所示。超声波液位测试车、无人机固定升降结构、试管架翻转机构均可通过PLC控制器进行控制。

3  喷施装置与试验设计

3.1  喷施装置

如图4所示，本次试验喷施装置由旋翼植保无人机（NJY-1206）搭载药箱、泵和离心式喷头组成。无人机对角旋翼距离为1.2m，驱动方式为电动24V，药箱容量为10L，泵的压力为0.2MPa。旋翼植保无人机可调节旋翼转速以改变周围风场强度，可用来模拟无人机实际飞行过程中的风场，可测得无人机在定点处流量沉积分布特性。喷洒采用离心式喷头PGP-ADG2（吉林省农业机械研究院研制），将两喷头分别固定于旋翼正下方，其间距为120cm。

3.2  试验设计

试验在室内进行，测试过程中室温恒定，温度为13～21℃，湿度为18.2%～26.5%，风速为0，试验介质为清水，每组试验均重复3次。通过表1中三个变量组合来进行一系列试验。

（1）喷雾高度

通过调节已固定无人机与U型集雾槽之间的相对距离来模拟实际喷雾高度，在喷雾高度为1m和2m的情况下进行试验，分析喷雾高度对雾滴沉积特性的影响。

（2）喷头转速

在实际喷施过程中，雾滴粒径大，则动能较大，不易发生飘移和蒸发散失，但覆盖密度低、附着性和喷施均匀性较差，容易造成药液流失和水土污染;雾滴粒径小，则覆盖密度高，附着性与均匀性较好，穿透性强，不易发生药液流失，但容易受到气流与温度影响，造成农药飘移，可能对邻近作物造成药害[19]。因此，农药雾滴粒径过大或过小均不能获得良好的施用效果。已有研究表明，离心喷头转速是直接影响雾滴粒径的因素，且离心喷头转盘在9000～12000r/min时雾滴体积中径处于100～150μm之间，达到最佳施用效果[20]。本次试验通过脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）信号控制器来控制离心喷头转速，在喷头转速为9150r/min、11100r/min和12000r/min的情况下进行试验，分析喷头转速对雾滴沉积特性的影响。

（3）旋翼转速

旋翼无人机的浆距是固定的，它是通过改变旋翼转速平衡重力以达到悬停状态。本次试验选用的旋翼无人机满载时起飞重量为20kg，对应的旋翼转速为5050r/min，空载时起飞重量为10kg，对应的旋翼转速为3850r/min。为模拟无人机两种悬停状态，本次试验在旋翼转速为3850r/min和5050r/min的情况下进行试验，分析旋翼转速对雾滴沉积特性的影响。

在以上三个因素的影响下，具体的试验测试参数确定如表2所示。

3.2.1   雾滴沉积量分布测定

打开喷雾性能综合试验台，调整喷施装置到最佳位置即采集试验台正上方，开始进行5min模拟喷施，待喷施结束后通过超声波液位测试车测定试管沉积量，重复上述步骤直至测得全部12组试验的实际沉积量，每组试验重复3次。由于采用双喷头进行喷洒，理论沉积量的计算公式为

D = 2q·t （2）

其中，D为理论沉积量，L;q为喷头流量，0.31L/min;t为时间，5min。经计算理论沉积量为3.1L。药液有效沉积率的计算公式为：

E = De / D × 100% （3）

其中，E为有效沉积率，%;De为有效沉积量，L;D为理论沉积量，L。变异系数CV是衡量雾滴分布均匀性的重要指标，其计算公式为：

CV = SD / X × 100% （4）

其中，SD为标准差，ml;X为平均值，ml。

3.2.2  雾滴粒径测定

随着电子和光学技术的发展，激光粒度仪可直接测量雾滴粒径，还可借助计算机图像分析系统对雾滴直径、喷雾量分布均匀性等指标进行测定与分析。激光粒度仪在植保喷雾试验中已有大量应用[21，22]，试验结果均表明，激光粒度仪在植保喷雾试验的应用中具有显著的优点和良好的效果。本次试验采用DP-02激光粒度分析仪测量并分析喷雾高度、电机转速、旋翼转速三个喷雾参数对雾滴粒径的影响。将激光粒度分析仪安装于喷头正下方，光学部件正确对焦，以测量无颗粒的分散介质为背景测量样品。确保有足够的测量时间采集到足够的信号，得到的测量结果在统计学上要具有代表性[23]。雾滴粒径大小是指雾滴占据的空间尺寸，通常分析评价雾滴粒径参数为：雾滴累计分布为10%的霧滴直径DV10，即小于此雾滴直径的雾滴粒径体积占全部雾滴粒径体积的10%;雾滴累计分布为50%的雾滴直径DV50，即小于此雾滴直径的雾滴粒径体积占全部雾滴粒径体积的50%，也称为体积中径（Volume Median Diameter，VMD）;雾滴累计分布为90%的雾滴直径DV90，即小于此雾滴直径的雾滴粒径体积占全部雾滴粒径体积的90%[24，25];雾滴谱宽度R.S.是衡量雾滴大小均匀度的指标，可以直观反映出雾滴直径大小的分布状况，其计算公式为：

R.S. = （DV90-DV10）/DV50 （5）

其中，R.S.为雾滴谱宽度， μm;DV90为90%体积中径，μm;DV10为10%体积中径，μm;DV50为50%体积中径，μm。

4  结果与分析

4.1  不同喷雾参数对雾滴沉积的影响

不同组别的理论沉积量、有效沉积量和有效利用率如表3所示，理论沉积量均为3100ml，有效沉积量为三次重复试验的平均值，在983.8～

1435.5ml之间，有效沉积率在31.7%～46.3%之间，由此可见喷雾整体有效沉积率低于50%。

4.1.1  旋翼转速

将喷头转速（12000r/min）和喷雾高度（2m）设置为常数，探究旋翼转速分别为3850r/min和5050r/min时的沉积特性。在旋翼转速影响下的2组B13和B23（每组3次重复试验）雾滴沉积情况如图5所示。

随着旋翼转速的提升，雾滴覆盖均匀性有所改善，但雾滴沉积率更低。雾滴沉积量在0～75ml之间，沉积量折线大致呈现二次抛物线形状[26-28]，两个波峰分别为两喷头正下方，波谷即为两喷头中点正下方。由上表3可知，A13的有效沉积率为36.0%，A23的有效沉积率为39.9%，1m高度下转速提升时沉积率升高，B13的有效沉积率为41.0%，B23的有效沉积率为38.8%，2m高度下转速提升时沉积率下降，可见旋翼转速与有效沉积率不显现相关。

4.1.2  喷头转速

将旋翼转速（5050r/min）和喷雾高度（2m）设置为常数，探究喷头转速分别为9150r/min， 11100r/min和12000r/min时的沉积特性。在旋翼转速影响下的3组B11，B12和B13（每组3次重复试验）雾滴沉积情况如图6所示。

随着喷头转速的提升，雾滴均匀性有所改善，但飘移现象更加明显。雾滴沉积量在0～80ml之间，沉积量折线大致呈现二次抛物线形狀，两个波峰分别为两喷头正下方，波谷即为两喷头中点正下方。由上表3可知，B11的有效沉积率为40.4%，B12的有效沉积率为33.7%，B13的有效沉积率为41.0%，可见喷头转速与有效沉积率不显现相关。

4.1.3  喷雾高度

将旋翼转速（12000r/min）和喷头转速（11100r/min）设置为常数，探究喷雾高度分别为1m和2m时的沉积特性。在旋翼转速影响下的3组A23和B23（每组3次重复试验）雾滴沉积情况如图7所示。

随着喷雾高度的提升，雾滴均匀性有所改善，但飘移现象更加明显。雾滴沉积量在0～85ml之间，沉积量折线大致呈现二次抛物线形状，两个波峰分别为两喷头正下方，波谷即为两喷头中点正下方。由上表3可知，A23的有效沉积率为39.9%，B23的有效沉积率为38.8%，喷雾的提高导致有效沉积率下降，二者呈负相关。

4.2 不同喷雾参数对雾滴粒径的影响

各组别雾滴粒径如表4所示，雾滴的体积中径范围在125.18～155.55μm，雾滴谱宽度范围在0.64～0.91μm。

4.2.1  旋翼转速

将喷头转速（12000r/min）和喷雾高度（2m）设置为常数，探究旋翼转速分别为3580r/min和5050r/min时的粒径大小。如表4所示，B13组DV10为76.15μm，DV50为131.96μm，DV90为187.54μm，B23组DV10为72.82μm，DV50为126.23μm，DV90为180.78μm。比较两组粒径大小可知，B23组相较于B13组粒径明显减小，即随着旋翼转速的增加，雾滴粒径减小，二者呈负相关。

4.2.2  喷头转速

将旋翼转速（5050r/min）和喷雾高度（2m）设置为常数，探究喷头转速分别为9150r/min， 11100r/min和12000r/min时的粒径大小。B11组DV10为81.34μm，DV50为135.49μm，DV90为191.91μm，B12组DV10为78.28μm，DV50为133.23μm，DV90为189.10μm，B13组DV10为76.15μm，DV50为131.96μm，DV90为187.54μm。比较三组粒径大小可知，B11、B12、B13的粒径逐步减小，即随着喷头转速的增加，雾滴粒径减小，二者呈负相关。

4.2.3  喷雾高度

将旋翼转速（12000r/min）和喷头转速（11100r/min）设置为常数，探究喷雾高度分别为1m和2m时的粒径大小。A23组DV10为74.34μm，DV50为125.55μm，DV90为183.59μm，B23组DV10为72.82μm，DV50为126.23μm，DV90为180.78μm。比较两组粒径大小可知，A23组相较于B23组粒径无明显变化，二者不显现相关。

4.3  总体回归分析

为了得到三个变量对沉积量和雾滴粒径的显著性影响，采用了IBM SPSS Statistics 24（IBM，阿蒙克市，纽约州，美国）软件进行回归分析[29，30]，结果如表5和表6所示。

由表中回归分析结果可知，喷雾高度、喷头转速和旋翼转速三个变量与雾滴沉积的相关系数分别为0.455，0.114，0.131。三个因素中喷雾高度P值<0.05，对雾滴沉积影响显著。雾滴喷施过程中，雾滴下落高度的增加给予雾滴更长的自由运动时间，这就给雾滴的飘移创造了机会，因此适当的喷雾高度极为重要。

由表中回归分析结果可知，喷雾高度、喷头转速和旋翼转速三个变量与雾滴粒径的相关系数分别为0.001，0.391，0.106。喷雾高度P值>0.5，对雾滴粒径的影响不显著，而喷头转速和旋翼转速P值<0.5，对雾滴粒径和雾滴谱宽度的影响显著。雾滴形成后粒径大小已经固定，不会受到喷雾高度的影响，而随着喷头转速的增加，切向力使得雾滴进一步破碎，雾滴粒径变小。此外，随着旋翼转速的增加，雾滴运动区域风场强度增加，受风力的作用会进一步破碎，也使得雾滴粒径变小。

5   结论

（1）利用喷雾性能综合试验台和激光粒度仪对在不同喷雾高度、喷头转速、旋翼转速情况下的雾滴沉积量、雾滴粒径进行了试验测试。结果表明，喷雾高度对沉积量影响极显著，但对雾滴粒径的影响可以忽略不计，喷头转速和旋翼转速对雾滴粒径影响极显著，而对沉积量影响不显著。

（2）试验表明，同组参数的三次重复试验一致性较好，雾滴飘移现象发生明显且有效沉积率低于50%。

（3）植保无人机实际喷雾效果还受到自然风速、溫度、湿度等环境因素的影响，下一步研究将建造搭载无人机飞行试验台并加入环境因素进行相关试验。

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Effects of technical operation parameters on spray characteristics of rotor plant protection UAV

Hang Zhu1， Hongze Li1， Yu Huang1， Haitao Yu2， Yunzhe Dong2， Junxing Li2*

（1. School of Mechanical and Aerospace Engineering， Jilin University， Changchun 130022， China;

2. Jilin Academy of Agricultural Machinery， Changchun 130062， China）

Abstract： High-quality operation of plant protection UAV is the premise of precision operation in agricultural aviation， so it is particularly important to study the characteristics of spray system. In order to explore the factors that affect the spray quality， the comprehensive experimental platform of spray performance （developed by Jilin Agricultural Machinery Research Institute） was used to test the droplet deposition distribution and droplet diameter under different UAV rotor speed， spray height and centrifugal nozzle speed in this research， and regression analysis on the deposition characteristics and particle diameter data of 12 groups of tests was conducted. The results showed that the three repeated tests of the same set of parameters had good consistency. Droplets had obvious drift and the maximum effective deposition rate was 46.31% and minimum 31.74%， which shows that the effective deposition rate of droplets was lower than 50%. Compared with the regression analysis results of droplet diameters DV10， DV50 and DV90， the spray height P value is greater than 0.5， and the nozzle speed and rotor speed P value are less than 0.5. So it can be inferred that spray height had a very significant effect on deposition， no significant effect on droplet size. The nozzle speed and rotor speed had very significant effect on droplet size，  no significant effect on deposition. The test results of this research can provide theoretical basis and data support for improving the operation quality and spraying efficiency of UAVs.

Key words： plant protection UAV; spray quality; experimental platform of droplet collection; laser particle size analyzer; centrifugal nozzle