何勇，吳劍堅(jiān)，方慧*，鄭啟帥，肖舒裴，岑海燕1

（1.浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院，杭州310058；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部光譜檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州310058）

病蟲(chóng)害是阻礙農(nóng)作物健康生長(zhǎng)的主要因素。目前，化學(xué)防治因其高效、快速、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)而應(yīng)用普遍。但在傳統(tǒng)的施藥過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)農(nóng)藥高效而利用低效的現(xiàn)象，導(dǎo)致藥液流失于非靶標(biāo)區(qū)域，造成藥劑浪費(fèi)、人畜中毒、環(huán)境破壞等問(wèn)題[1-2]。

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，植保無(wú)人機(jī)憑借其成本低、性能優(yōu)越、無(wú)需專(zhuān)門(mén)起降場(chǎng)地等優(yōu)點(diǎn)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1-2]。植保無(wú)人機(jī)相對(duì)于其他植保機(jī)械更為靈活，便于控制，操作勞動(dòng)強(qiáng)度低，不損傷作物，且適用于各種復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，例如水田、山坡等地面機(jī)械難以進(jìn)入的區(qū)域，能有效減少施藥過(guò)程中農(nóng)藥對(duì)操作者的危害和操作的危險(xiǎn)系數(shù)[3-4]。隨著植保無(wú)人機(jī)在農(nóng)藥噴施中的推廣運(yùn)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(fèi)及污染等問(wèn)題[5]。噴霧霧滴在靶標(biāo)作物上的沉積效果是評(píng)價(jià)農(nóng)田作業(yè)效果的重要指標(biāo)，因而針對(duì)無(wú)人機(jī)的作業(yè)質(zhì)量和霧滴沉積效果的研究也逐漸得以開(kāi)展，以改善當(dāng)前農(nóng)藥利用率低下和環(huán)境污染嚴(yán)重的噴藥作業(yè)狀況，促成噴藥技術(shù)的創(chuàng)新。影響霧滴沉積效果的因素有很多，將它們進(jìn)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(dāng)前無(wú)人機(jī)噴霧系統(tǒng)研究工作的重點(diǎn)。

本文綜述了植保無(wú)人機(jī)噴霧過(guò)程中霧滴沉積分布的特點(diǎn)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(cè)技術(shù)；同時(shí)，針對(duì)研究發(fā)展中的不足之處進(jìn)行了總結(jié)和思考。

1 沉積分布特點(diǎn)及評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 沉積分布的一般特點(diǎn)

噴霧系統(tǒng)中霧滴的沉積分布具有較高的不確定性。當(dāng)噴霧條件發(fā)生改變時(shí)，例如采用不同型號(hào)的噴頭、改變藥劑劑型和施藥量等，霧滴在同一靶標(biāo)作物的沉積分布會(huì)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(duì)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(fēng)場(chǎng)的影響較大[6]。

1.2 噴霧沉積效果評(píng)價(jià)指標(biāo)

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(píng)價(jià)指標(biāo)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(shuō)明霧滴在作物表面的作用點(diǎn)越多，產(chǎn)生的防治效果也相對(duì)較好。在進(jìn)行沉積密度測(cè)試時(shí)，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(lái)衡量霧滴的沉積均勻性。而評(píng)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(lái)衡量。當(dāng)變異系數(shù)較小時(shí)，說(shuō)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(huì)沉積在非靶標(biāo)區(qū)域或飄浮在空中，造成霧滴飄移。與地面機(jī)械噴霧作業(yè)相比，航空施藥中的霧滴飄移現(xiàn)象更為嚴(yán)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(guān)鍵[8-9]。

2 霧滴沉積參數(shù)的檢測(cè)方法

霧滴沉積參數(shù)的檢測(cè)方法有很多，且各有特點(diǎn)。

通過(guò)對(duì)水敏紙[10-12]進(jìn)行圖像分析以檢測(cè)霧滴特性的方法在無(wú)人機(jī)噴霧方面的應(yīng)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(jì)測(cè)量沉積量[13]；熒光粒子示蹤法與該方法原理類(lèi)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(shí)試驗(yàn)結(jié)果易受環(huán)境因素影響。

光學(xué)原理的測(cè)量系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)、方便地實(shí)時(shí)測(cè)量霧滴粒徑與分布規(guī)律，獲取霧滴的粒度分布等相關(guān)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(jìn)行測(cè)試，在不同噴霧條件下對(duì)霧滴粒徑分布的研究中都得到了應(yīng)用。張慧春等[15]利用激光粒度儀對(duì)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(jìn)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(cè)試系統(tǒng)對(duì)Af-811小型無(wú)人機(jī)霧化系統(tǒng)的性能參數(shù)進(jìn)行了初步研究。KIRK[16]則將激光粒度儀用于噴頭的性能測(cè)試，幫助建立用于開(kāi)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(kāi)發(fā)新型霧化噴頭，但是基于激光的測(cè)量成本高，不適合田間大規(guī)模地進(jìn)行實(shí)地快速測(cè)量。

此外，更多的測(cè)試手段不斷地應(yīng)用于本領(lǐng)域中。如張京等[17]使用紅外熱像儀與無(wú)人機(jī)聯(lián)用測(cè)試噴霧前、后作物冠層溫度，通過(guò)溫度變化率來(lái)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(píng)價(jià)指標(biāo)得到的結(jié)果一致，說(shuō)明紅外熱成像技術(shù)可以準(zhǔn)確反映霧滴在水稻上的沉積規(guī)律。張瑞瑞等[18]開(kāi)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(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(duì)系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)霧滴沉積分布特性的檢測(cè)結(jié)果較好，但對(duì)霧滴沉積量的測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)溫室中霧滴沉積量的實(shí)時(shí)檢測(cè)，具有較高的可靠性。這幾種方法都可以較好地測(cè)量單個(gè)沉積效果指標(biāo)，但存在無(wú)法獲取其他沉積分布參數(shù)或者測(cè)量效果不夠理想等問(wèn)題。

總之，霧滴沉積參數(shù)的獲取是促進(jìn)提高噴霧效果的重要環(huán)節(jié)，目前關(guān)于田間在線快速檢測(cè)技術(shù)的研究仍較為缺乏。因此，亟需開(kāi)發(fā)新型的在線檢測(cè)系統(tǒng)，提高檢測(cè)精度，為田間試驗(yàn)檢測(cè)霧滴沉積特性提供便捷，同時(shí)為噴施決策提供實(shí)時(shí)的反饋，以達(dá)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(gè)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(duì)于無(wú)人機(jī)噴霧系統(tǒng)而言，噴霧霧滴參數(shù)、作業(yè)參數(shù)、設(shè)備結(jié)構(gòu)類(lèi)型和環(huán)境因素等都會(huì)對(duì)霧滴沉積效果產(chǎn)生影響。此外，旋翼無(wú)人機(jī)作業(yè)時(shí)，其旋翼風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)生的下壓氣流也會(huì)影響藥液的沉積分布。

3.1 風(fēng)洞試驗(yàn)

由于環(huán)境因素復(fù)雜多變且難以把控，在大田試驗(yàn)中對(duì)霧滴沉積影響因素的分析較為困難，且試驗(yàn)過(guò)程難以重復(fù)，因此，確定某一因素對(duì)霧滴沉積分布的影響和量化變得非常困難。而風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)軌蜉^好地解決這個(gè)問(wèn)題。

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室是以人工方式產(chǎn)生并控制氣流來(lái)模擬實(shí)體周?chē)鷼饬鞯牧鲃?dòng)情況，幫助度量氣流對(duì)實(shí)體的作用效果的一種管道狀實(shí)驗(yàn)設(shè)備，主要由洞體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和測(cè)量控制系統(tǒng)組成。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室中的環(huán)境因素相對(duì)可控且穩(wěn)定，例如風(fēng)速、風(fēng)向及環(huán)境溫度等能夠方便、準(zhǔn)確地控制，也能夠在其中準(zhǔn)確地測(cè)定實(shí)驗(yàn)參數(shù)，例如噴霧壓力、高度、流量及噴頭移動(dòng)速度等。通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)控制其他變量，可逐一分析上述變量對(duì)霧滴沉積分布及飄移特性的影響，為試驗(yàn)的進(jìn)行和數(shù)據(jù)的有效性提供了保障。

如在大田試驗(yàn)中，風(fēng)速往往波動(dòng)很大，難以控制，但通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)可以準(zhǔn)確地獲取風(fēng)速對(duì)霧滴沉積飄移的影響信息。王玲等[20]通過(guò)懸停風(fēng)洞試驗(yàn)，選擇了脈寬調(diào)制占空比、噴孔直徑、電動(dòng)離心噴頭轉(zhuǎn)速等變量，對(duì)不同距離和風(fēng)速條件下的霧滴沉積效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究；結(jié)果表明，風(fēng)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(fēng)速增加不僅遠(yuǎn)離噴頭，且對(duì)應(yīng)沉積量也逐漸減少。類(lèi)似地，對(duì)相關(guān)影響因素的研究還有很多，如：茹煜等[21]在風(fēng)洞環(huán)境下研究了霧滴粒徑和氣流速度對(duì)沉積規(guī)律的影響，并建立了相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)模型；張慧春等[22]分析了不同噴頭類(lèi)型、不同藥劑及不同風(fēng)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(fēng)速、噴頭類(lèi)型和藥劑類(lèi)型在內(nèi)的多變量非線性霧滴飄移特性模型。此外，風(fēng)洞試驗(yàn)也常應(yīng)用于噴嘴性能的比較試驗(yàn)中。呂曉蘭等[23]在風(fēng)洞的可控環(huán)境下測(cè)試了不同型號(hào)噴頭在不同噴霧技術(shù)參數(shù)下的抗飄移能力，發(fā)現(xiàn)噴頭型號(hào)變小會(huì)增加霧滴飄移的可能性；此外，他們還比較了德國(guó)Lechler公司的標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)。風(fēng)洞試驗(yàn)為量化噴霧參數(shù)對(duì)霧滴沉積效果的影響提供了可能，通過(guò)綜合噴頭類(lèi)型、風(fēng)速、高度、藥劑類(lèi)型等多因素的影響，可建立霧滴沉積和飄移預(yù)測(cè)模型，指導(dǎo)實(shí)際的噴霧作業(yè)。雖然風(fēng)洞試驗(yàn)在沉積影響因素分析方面的優(yōu)勢(shì)明顯，但是風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室的造價(jià)昂貴，條件要求較高，研究人員不一定有條件進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)；并且風(fēng)洞試驗(yàn)難以考慮飛行參數(shù)及無(wú)人機(jī)飛行作業(yè)時(shí)旋翼下壓風(fēng)場(chǎng)帶來(lái)的影響。

3.2 模擬仿真

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics,CFD）是研究藥液噴施效果的一個(gè)重要模擬分析工具，在植保領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用；此外，在噴霧沉積分布及風(fēng)場(chǎng)模擬研究中也有所應(yīng)用。模擬仿真的結(jié)果對(duì)實(shí)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(dǎo)意義。

應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)能夠模擬噴霧環(huán)境，綜合考慮噴霧影響因素，進(jìn)行霧滴沉積分布和飄移趨勢(shì)的預(yù)測(cè)，且預(yù)測(cè)精度較高，能有效模擬實(shí)際作業(yè)情況，有利于霧滴沉積和飄移模型的建立。孫國(guó)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(fēng)速和噴霧高度下霧滴的沉積分布趨勢(shì)并建立了霧滴沉積量的預(yù)測(cè)模型。苑進(jìn)等[25]采用多相流計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件，建立了三維流場(chǎng)幾何模型，并依據(jù)不同工況參數(shù)對(duì)霧滴飄移特性的影響進(jìn)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(shí)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(diǎn)等因素，并進(jìn)行了田間試驗(yàn)，證明CFD三維仿真模型是輔助田間減飄試驗(yàn)的有效途徑。張宋超等[27]基于CFD對(duì)N-3型無(wú)人直升機(jī)施藥作業(yè)中藥液的霧滴飄移進(jìn)行了模擬，并與地面霧滴飄移量進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)計(jì)算流體力學(xué)能夠定性地模擬實(shí)際飄移情況。王玲[28]采用CFD數(shù)值模擬技術(shù)建立了長(zhǎng)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(duì)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(duì)于其他因素對(duì)沉積規(guī)律影響不明顯。

旋翼風(fēng)場(chǎng)是影響霧滴沉積效果的重要因素。在研究試驗(yàn)中，無(wú)人機(jī)的旋翼風(fēng)場(chǎng)往往難以準(zhǔn)確測(cè)得，對(duì)其影響機(jī)制的研究較為困難；然而，應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)則有效地解決了這一問(wèn)題，它能夠直觀地模擬出風(fēng)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，有助于分析霧滴運(yùn)動(dòng)沉積趨勢(shì)。YANG等[29]應(yīng)用CFD研究了SLK-5六旋翼農(nóng)用無(wú)人機(jī)的下旋氣流的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律和分布特點(diǎn)，并基于RANS方程和RNG k-ε湍流模型和動(dòng)態(tài)網(wǎng)格技術(shù)，分析了無(wú)人機(jī)飛行時(shí)下方流場(chǎng)的分布特性，以及機(jī)翼間的流場(chǎng)相互作用關(guān)系；結(jié)果表明，在無(wú)人機(jī)的下旋風(fēng)場(chǎng)中，豎直方向的風(fēng)速是流場(chǎng)的主體，且模擬值與實(shí)際測(cè)量值的相對(duì)誤差小于12%?？傊瑢?duì)縱向和橫向截面流場(chǎng)特性的詳細(xì)分析，為多旋翼無(wú)人機(jī)噴霧作業(yè)中霧滴飄移和沉降研究提供了參考。

通過(guò)CFD進(jìn)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(fēng)場(chǎng)連續(xù)變化情況是其他試驗(yàn)方法所不具備的，也是霧滴運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及防飄等相關(guān)研究中重要的分析工具。

3.3 大田試驗(yàn)

大田試驗(yàn)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(shí)際意義。通過(guò)軟件雖可以對(duì)霧滴沉積狀況、空間分布狀況和飄移情況等進(jìn)行模擬仿真，但所建模型的模擬值還應(yīng)與大田試驗(yàn)獲得的實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證模型的可靠性。由于大田試驗(yàn)的環(huán)境更為復(fù)雜，因此需要考慮到的因素相較風(fēng)洞試驗(yàn)和模擬仿真試驗(yàn)更多，其中最重要的就是無(wú)人機(jī)在實(shí)際作業(yè)中飛行參數(shù)對(duì)噴霧效果的影響。

邱白晶等[30]研究了CD-10型無(wú)人直升機(jī)的飛行高度、飛行速度因素對(duì)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(guān)系，并建立了相應(yīng)的關(guān)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(yàn)，應(yīng)用小型六旋翼植保無(wú)人機(jī)進(jìn)行噴霧試驗(yàn)，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?yàn)轱w行高度、飛行速度、噴施流量。ZHANG等[32]發(fā)現(xiàn)，柑橘樹(shù)的形狀和無(wú)人機(jī)飛行高度是影響霧滴沉積效果的重要因素；且試驗(yàn)表明，當(dāng)飛行高度為1 m時(shí)，開(kāi)心形樹(shù)冠的沉積效果更好。這為無(wú)人機(jī)應(yīng)用與農(nóng)藝技術(shù)結(jié)合提供了參考。

現(xiàn)階段也有相當(dāng)數(shù)量的關(guān)于液壓式和離心式噴頭對(duì)比的大田試驗(yàn)。高圓圓等[33]在小麥吸漿蟲(chóng)防治試驗(yàn)中，應(yīng)用離心式噴嘴和液力式噴嘴進(jìn)行噴灑的結(jié)果顯示，利用離心式噴嘴進(jìn)行噴霧時(shí)，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?jiàn)，離心式噴嘴在霧滴的沉積密度方面優(yōu)于液壓式噴嘴，說(shuō)明其防治效果也較好。張盼等[34]在對(duì)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(shù)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(biāo)區(qū)域的沉積量、造成霧滴飄移的主要因素。氣流速度過(guò)大，會(huì)使藥液飄移到其他作物區(qū)域，不僅導(dǎo)致靶區(qū)作物噴霧效果不佳，還會(huì)對(duì)作物造成影響，對(duì)環(huán)境造成污染。此外，其他環(huán)境因素也會(huì)對(duì)噴霧效果產(chǎn)生影響，例如溫度過(guò)高會(huì)加速藥液的蒸發(fā)，因此在高溫下不適宜進(jìn)行作業(yè)。

在飛行參數(shù)方面，無(wú)人機(jī)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(duì)霧滴分布的均勻性影響也較為顯著，但對(duì)于不同的無(wú)人機(jī)類(lèi)型和不同的作業(yè)環(huán)境，其實(shí)際影響效果也不相同。對(duì)于霧滴穿透性而言，無(wú)人機(jī)飛行速度和高度都相對(duì)較小時(shí)，穿透性更好。這主要是因?yàn)樵诖藯l件下，無(wú)人機(jī)旋翼風(fēng)場(chǎng)的下旋氣流對(duì)霧滴的作用明顯，使霧滴能夠到達(dá)作物的中、底層。而當(dāng)飛行速度較快時(shí)，霧滴主要受水平方向氣流影響，會(huì)飄到冠層上方。但是在實(shí)際作業(yè)中也要注意，若風(fēng)場(chǎng)過(guò)大，會(huì)造成作物向周?chē)狗?，從而影響霧滴的沉積分布效果。

旋翼風(fēng)場(chǎng)是影響噴霧沉積效果的重要因素之一，但目前關(guān)于風(fēng)場(chǎng)和霧滴沉積分布規(guī)律的研究并不多。針對(duì)不同的機(jī)型，多旋翼和單旋翼無(wú)人機(jī)在作業(yè)過(guò)程中，風(fēng)場(chǎng)分布情況及風(fēng)場(chǎng)對(duì)霧滴沉積分布效果的影響有所不同，其中風(fēng)場(chǎng)對(duì)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?chē)婎^類(lèi)型、噴霧壓力及流量等因素的影響。霧滴沉積分布評(píng)價(jià)參數(shù)都是圍繞著霧滴粒徑展開(kāi)的，因此，實(shí)現(xiàn)霧滴粒徑的精確控制是提高噴霧效果的關(guān)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(biāo)的概率則增大，可以提高藥液在靶標(biāo)上的沉積量、沉積密度和覆蓋均勻性，在下旋風(fēng)場(chǎng)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(guò)小容易發(fā)生蒸發(fā)和飄移，使靶標(biāo)沉積量減少，對(duì)相鄰農(nóng)作物造成危害且對(duì)環(huán)境造成污染[35]；而霧滴粒徑過(guò)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(wèn)題會(huì)造成藥液流失，噴霧效果不佳，還會(huì)污染環(huán)境。因此，需要尋找到一個(gè)平衡點(diǎn)，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(fēng)場(chǎng)及噴頭類(lèi)型都會(huì)對(duì)沉積效果和霧滴飄移產(chǎn)生影響。為了降低霧滴飄移帶來(lái)的危害，可以采取設(shè)立噴霧緩沖區(qū)、應(yīng)用防風(fēng)林、開(kāi)發(fā)防飄移技術(shù)[7]等措施。其中，開(kāi)發(fā)防飄移技術(shù)是目前的研究重點(diǎn)。

此外，為了讓霧滴沉積效果更好，還可采用一些獨(dú)特的技術(shù)，如靜電噴霧技術(shù)[36-37]。茹煜等[36]將靜電噴霧系統(tǒng)應(yīng)用于植保無(wú)人機(jī)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(shù)使霧滴具有較強(qiáng)的穿透能力，從而提高了靶標(biāo)命中率，減少了霧滴飄移，同時(shí)能夠有效減少用藥量，降低藥液對(duì)環(huán)境的污染。但目前針對(duì)靜電噴霧技術(shù)中藥液的霧化機(jī)制及霧滴運(yùn)動(dòng)軌跡的研究仍不夠深入，沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型對(duì)其進(jìn)行描述，因而靜電噴霧技術(shù)還需進(jìn)一步完善以實(shí)現(xiàn)推廣應(yīng)用。

4 小結(jié)和展望

無(wú)人機(jī)噴霧技術(shù)在農(nóng)業(yè)方面的廣泛應(yīng)用對(duì)其噴霧沉積效果提出了更高的要求。目前，無(wú)人機(jī)噴霧仍存在霧滴飄移及噴藥不均勻等問(wèn)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(shí)應(yīng)根據(jù)作物的種類(lèi)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(lèi)型和噴灑流量等，以提高噴霧的效率?？梢酝ㄟ^(guò)室內(nèi)風(fēng)洞試驗(yàn)和田間試驗(yàn)，并結(jié)合模擬仿真，對(duì)影響沉積分布的因素進(jìn)行綜合分析，且在不同噴霧情況下，優(yōu)化作業(yè)參數(shù)。

設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)噴霧系統(tǒng)時(shí)應(yīng)充分考慮其旋翼風(fēng)場(chǎng)對(duì)霧滴沉積分布的影響，合理選擇噴頭的類(lèi)型和位置，利用好下旋風(fēng)場(chǎng)。

噴嘴的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)直接影響到霧滴的初始參數(shù)。現(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(shè)計(jì)上加大研究力度，以提高藥液的利用率。對(duì)噴嘴結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)并模擬藥液在噴頭內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況，開(kāi)發(fā)精準(zhǔn)可控粒徑的噴嘴是研究重點(diǎn)。同時(shí)，在氣流影響下，噴頭的噴灑角度也會(huì)影響霧滴沉積效果，因此，開(kāi)發(fā)噴灑角度可變動(dòng)的噴頭也有一定的意義。

在對(duì)霧滴沉積效果進(jìn)行評(píng)價(jià)的同時(shí)，也要提升霧滴沉積參數(shù)的檢測(cè)技術(shù)。目前的研究大多是利用水敏紙對(duì)霧滴粒徑和分布等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，但這類(lèi)間接測(cè)量的方法往往會(huì)因?yàn)樵S多不可控因素而產(chǎn)生較大誤差且測(cè)量費(fèi)時(shí)；而且，目前有關(guān)田間霧滴沉積傳感器的研究相對(duì)較少，多數(shù)霧滴沉積傳感器都只能檢測(cè)單一要素，如沉積量或分布密度等。因此，開(kāi)發(fā)多傳感器融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)量霧滴沉積分布的多個(gè)參數(shù)是未來(lái)研究的重點(diǎn)，可為航空施藥效果的提高提供保障。