王志翀，Andreas Herbst，Jane Bonds，曾愛(ài)軍，趙 鋮，何雄奎

·農(nóng)業(yè)航空工程·

植保無(wú)人機(jī)低空低量施藥?kù)F滴沉積飄移分布立體測(cè)試方法

王志翀1，Andreas Herbst2，Jane Bonds3，曾愛(ài)軍1，趙 鋮1，何雄奎1※

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，北京 100193；2. Julius-Kühn-Institut, Institute for Application Techniques in Plant Protection，Messeweg 11/12，Braunschweig 38104，Germany；3. Bonds Consulting Group LLC，3900 Wasp Street，Panama City Beach，F(xiàn)lorida 32408，USA）

隨著植保無(wú)人機(jī)在中國(guó)的廣泛使用，植保無(wú)人機(jī)的沉積分布均勻性與霧滴飄移流失也引起各方面的重視。目前，針對(duì)植保無(wú)人機(jī)施藥?kù)F滴沉積飄移的測(cè)試方法較少，且著重于從沉積或飄移中某一方面分析植保無(wú)人機(jī)霧滴沉積飄移規(guī)律，未對(duì)作業(yè)中全方位的霧滴的沉積飄失規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。該文基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO22866和ISO24253建了1套針對(duì)低空低量植保無(wú)人機(jī)的立體測(cè)試方法，分別在地面布置沉積和飄移收集器，在空中架設(shè)立體沉積和空中飄移收集器，結(jié)合航拍影像所獲取的植保無(wú)人機(jī)準(zhǔn)確作業(yè)參數(shù)，對(duì)4個(gè)型號(hào)植保無(wú)人機(jī)分別搭載德國(guó)Lechler公司的IDK120-015和TR80-0067噴頭進(jìn)行了測(cè)試，系統(tǒng)分析了無(wú)人機(jī)周邊的總沉積以驗(yàn)證方法準(zhǔn)確性，計(jì)算了總地面沉降以表征可利用部分和空中耗散以評(píng)估環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)果表明，各植保無(wú)人機(jī)地面沉積率在53.6%～76.6%，地面飄移率最高17.4%，空中飄移率可高達(dá)14.7%；該測(cè)試系統(tǒng)可收集62.4%～101.7%無(wú)人機(jī)噴灑出的霧滴。測(cè)試的4種植保無(wú)人機(jī)在搭載IDK噴頭后均明顯降低了霧滴飄移，但也同時(shí)降低地面沉積率；各植保無(wú)人機(jī)在搭載2種噴頭時(shí)沉積規(guī)律不同，不同植保無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)需要選擇不同噴頭。該測(cè)試方法能夠有效的收集并分析植保無(wú)人機(jī)在作業(yè)區(qū)域的霧滴立體分布狀態(tài)，可為植保無(wú)人機(jī)綜合評(píng)估提供新的參考依據(jù)。

農(nóng)藥，無(wú)人機(jī)，測(cè)試方法，立體分布，沉積，飄移

0 引 言

中國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，糧食生產(chǎn)是國(guó)家持續(xù)發(fā)展的基本保障[1]。然而，在當(dāng)前中國(guó)主要糧食作物的生產(chǎn)過(guò)程中，植物保護(hù)仍以手動(dòng)半機(jī)械化操作為主，投入勞動(dòng)力多、勞動(dòng)強(qiáng)度大，人員中毒事件時(shí)有發(fā)生[2-5]。植保無(wú)人機(jī)不需要飛行員駕駛、人機(jī)分離操作、作風(fēng)險(xiǎn)較?。徊恍枰獧C(jī)場(chǎng)與跑道，轉(zhuǎn)場(chǎng)靈活；機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，可以進(jìn)入水田、丘陵、山地等地面機(jī)械難以進(jìn)入的地塊進(jìn)行作業(yè)[6-10]。近年來(lái)，中國(guó)植保無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，已經(jīng)在水田、高稈作物間進(jìn)行植保和授粉作業(yè)以及應(yīng)對(duì)爆發(fā)性病蟲(chóng)害等方面已經(jīng)表現(xiàn)出突出的優(yōu)勢(shì)[11-12]。據(jù)全國(guó)農(nóng)技推廣中心統(tǒng)計(jì)，2018年植保無(wú)人機(jī)保有量2.6萬(wàn)多架，比上年增加1.2萬(wàn)多架，作業(yè)面積超過(guò)1 700萬(wàn)公頃次，比上年增加近1 200萬(wàn)公頃次[13]。

隨著無(wú)人機(jī)在中國(guó)的發(fā)展，植保無(wú)人機(jī)的低空低量航空施藥技術(shù)研究也逐步成為熱點(diǎn)[14-16]。張京等[17]在2011研究了WPH642型單旋翼電動(dòng)無(wú)人機(jī)噴霧參數(shù)在水稻上對(duì)霧滴沉積分布的影響。高圓圓等[18]使用單旋翼電動(dòng)植保無(wú)人機(jī)防治小麥吸漿蟲(chóng)，防治效果可達(dá)81.6%。王昌陵等[19]在2016年提出了植保無(wú)人機(jī)施藥?kù)F滴空間質(zhì)量平衡測(cè)試方法，該方法著重測(cè)試了無(wú)人機(jī)四周的沉積分布狀態(tài)，探究了不同飛行參數(shù)對(duì)施藥?kù)F滴沉積分布特征的影響。王瀟楠等[20]測(cè)試了油動(dòng)單旋翼植保無(wú)人機(jī)的飄移特性，發(fā)現(xiàn)側(cè)風(fēng)風(fēng)速與下風(fēng)向霧滴飄移率成正相關(guān)，不同風(fēng)速下出現(xiàn)14.3%～75.8%的累計(jì)飄移率。湖南省于2013年首先制定了《超低空遙控飛行植保機(jī)》的地方標(biāo)準(zhǔn)[21]，江西省、河南[22-23]等省份相繼制定了相應(yīng)的地方標(biāo)準(zhǔn)，農(nóng)業(yè)部[24]于2018年制定了《植保無(wú)人機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步對(duì)植保無(wú)人機(jī)的生產(chǎn)制造和使用進(jìn)行了規(guī)范，但標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于噴霧質(zhì)量的要求較為簡(jiǎn)單，局限于噴頭流量、噴幅、沉積均勻性等基本參數(shù)。目前文獻(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)中的測(cè)試方法均僅著重于單方面分析植保無(wú)人機(jī)作業(yè)的沉積或飄移[25-27]，對(duì)于一次作業(yè)中噴灑藥液的去向分布規(guī)律并未進(jìn)行完整的系統(tǒng)測(cè)試，作業(yè)空間內(nèi)的總體藥液分布規(guī)律尚不明確。

因此，本文綜合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于植保機(jī)械地面沉積測(cè)試和飄移測(cè)試的關(guān)鍵點(diǎn)，提出了一套針對(duì)低空低量航空植保無(wú)人機(jī)的農(nóng)藥?kù)F滴沉積飄移立體測(cè)試方法：根據(jù)ISO24253[28]沉積分布測(cè)試要求建立地面沉積測(cè)試帶、根據(jù)ISO22866[29]和GB/T 24681—2009[30]飄移測(cè)試方法要求建立地面飄移測(cè)試區(qū)、空中飄移測(cè)試裝置，并創(chuàng)新地建立垂直沉積測(cè)試框架。利用精靈4A（大疆創(chuàng)新，DJI）航拍得到的植保無(wú)人機(jī)的作業(yè)狀態(tài)跟蹤影像信息，計(jì)算校正飛越測(cè)試區(qū)域的時(shí)間，排除異常樣品。對(duì)4種植保無(wú)人機(jī)分別搭載常規(guī)噴頭TR和防飄噴頭IDK進(jìn)行田間測(cè)試，并驗(yàn)證該方法的有效性，為探究植保無(wú)人機(jī)在作業(yè)空間內(nèi)的霧滴空間立體結(jié)構(gòu)分布提供了方法參考。

1 植保無(wú)人機(jī)施藥?kù)F滴沉積飄移立體測(cè)試方法

1.1 測(cè)試設(shè)備

本方法的試驗(yàn)系統(tǒng)主要由垂直沉積測(cè)試框架、地面沉積測(cè)試帶、空中飄移收集裝置、地面飄移收集器、高空航拍機(jī)和立體氣象站等組成。

為測(cè)試植保無(wú)人機(jī)噴灑霧滴在垂直面內(nèi)的分布狀態(tài)，設(shè)計(jì)了2 m×2 m的垂直沉積測(cè)試框架。框架上自距地面0.3 m處起，立柱寬度為6 cm，自地面起每間隔30 cm布置1根長(zhǎng)2 m直徑2 mm的聚四氟乙烯線(xiàn)，直至框架的1.8 m處，共計(jì)6根。聚四氟乙烯線(xiàn)兩端用夾子固定至框架上并繃直，如圖1a。為收集植保無(wú)人機(jī)在地面的多航線(xiàn)沉積分布，設(shè)計(jì)了地面沉積測(cè)試帶，在2 m的角鋼支撐架上間隔0.5 m布置一張5 cm×10 cm的聚氯乙烯（polyvinyl chloride，PVC）卡，PVC卡分布于支撐架兩側(cè)以平衡支撐架兩側(cè)重量，保證支撐架在無(wú)人機(jī)下洗氣流中的穩(wěn)定，如圖1b。

圖1 垂直沉積測(cè)試框架和地面沉積測(cè)試帶

為收集植保無(wú)人機(jī)在下風(fēng)向地面飄移霧滴分布特征，將10個(gè)直徑為15 cm的塑料培養(yǎng)皿，培養(yǎng)皿按3、4、3個(gè)分為3組放置于40 cm×60 cm的金屬板上，收集地面飄移。為收集植保無(wú)人機(jī)在下風(fēng)向空中飄移霧滴分布特征，在距離地面1.5 m，布置等動(dòng)量霧滴收集器，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為800 ± 20 r/min，收集裝置為2個(gè)對(duì)稱(chēng)放置的直徑3 mm長(zhǎng)度70 mm尼龍?jiān)嚬芩ⅰ?/p>

使用精靈4A航拍機(jī)在80 m處航拍全部測(cè)試區(qū)域，攝像頭位置為正下方，分辨率為4 096×2 160像素，幀率50幀/s，ISO和快門(mén)為自動(dòng)，保持靜止，并于植保無(wú)人機(jī)作業(yè)開(kāi)始前就位。

立體氣象站使用2個(gè)Windmaster三軸超聲波風(fēng)速計(jì)（Gill，美國(guó)），2個(gè)超聲波風(fēng)速計(jì)分別安裝于距地面2和5 m處，并使用CR6型多通道數(shù)據(jù)采集器，采集頻率為10 Hz，電腦端采集使用Logger Net 4.0對(duì)數(shù)據(jù)抓取并解算，解算后文件保存為csv格式。

1.2 試驗(yàn)方法

測(cè)試前，通過(guò)在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)架設(shè)的風(fēng)筒確定大致風(fēng)向后，架設(shè)立體氣象站，并保證氣象站在測(cè)試區(qū)上風(fēng)向方向，使用電子磁羅盤(pán)對(duì)氣象站北方向（N）進(jìn)行校準(zhǔn)，連續(xù)測(cè)試30 min風(fēng)向后，求取風(fēng)向平均值，在風(fēng)向方向垂直方向布置標(biāo)志物，規(guī)劃飛行航線(xiàn)，航線(xiàn)設(shè)置為3航線(xiàn)（去-回-去），在植保無(wú)人機(jī)噴幅下風(fēng)向邊緣（edge of field，EOF）起，在距EOF 1 m處間隔3 m平行于植保無(wú)人機(jī)航線(xiàn)方向放置3組垂直沉積測(cè)試框架，框架使用地釘固定于土壤中，場(chǎng)地布置圖為圖2a。在EOF開(kāi)始向上風(fēng)向方向間隔0.5 m，布置2條地面沉積測(cè)試帶，兩測(cè)試帶之間間隔3 m，并垂直于無(wú)人機(jī)行進(jìn)方向。在距EOF下風(fēng)向1、3、5、10、15、20 m處分別布置地面飄移收集裝置，金屬板布置方向垂直于植保無(wú)人機(jī)航線(xiàn)方向，10個(gè)培養(yǎng)皿處于同一直線(xiàn)上并平行于植保無(wú)人機(jī)航線(xiàn)方向。在距EOF下風(fēng)向出10、20 m處分別布置4個(gè)等動(dòng)量霧滴收集器，收集器分為2組各2個(gè)置于地面飄移收集器的兩側(cè)，收集器之間間距1 m。實(shí)際布置效果圖如圖 2b所示。

測(cè)試時(shí)，待風(fēng)速風(fēng)向到達(dá)要求并且穩(wěn)定后，作起飛前準(zhǔn)備，將配置的2 g/L 酸性黃3（brilliant sulfoflavine, BSF）溶液加入藥液箱。植保無(wú)人機(jī)飛行完成并降落后，開(kāi)啟噴灑功能，使用塑料小瓶收集約30 mL噴頭噴灑出的液體，并收集所有樣品，裝入黑色塑料袋中避光保存。

測(cè)試后，在培養(yǎng)皿中加入40 mL去離子水，于500 r/min震蕩機(jī)上震蕩洗脫10 min；聚四氟乙烯線(xiàn)加入40 mL去離子水，排出氣泡后至于超聲波清洗機(jī)中超聲洗脫5 min；試管刷加入40 mL去離子水，上下?lián)u晃50次洗脫；PVC卡加入160 mL去離子水，于500 r/min震蕩機(jī)上震蕩洗脫5 min。所有樣品使用LS-55熒光光譜儀進(jìn)行測(cè)試，氙燈電壓為750 V，激發(fā)波長(zhǎng)為465 nm，接收波長(zhǎng)為525 nm，光柵為10 nm。使用純凈水作為空白對(duì)照進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試完成后使用10%乙醇溶液和純凈水先后清洗機(jī)器。測(cè)得的數(shù)據(jù)根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（international standardization organization，ISO）22866和24253標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，計(jì)算單位面積沉積量或飄移量及沉積率或飄移率公式如下

式中dep為沉積量或飄移量，L/cm2；dep%為沉積率或飄移率，%。smpl為樣品熒光值；blk為空白熒光值；spray為噴霧液熒光值；cal為母液稀釋倍數(shù)；dil為洗脫液體積，mL；col為收集器面積，cm2。V為施藥液量，L/hm2。

總沉積率或總飄移率的計(jì)算公式如下[24-25]

式中為樣品布置長(zhǎng)度，m；為在下風(fēng)向上的距離，m。

圖2 測(cè)試區(qū)場(chǎng)地布置圖和航拍效果圖

1.3 霧滴沉積飄移立體分布計(jì)算方法

綜合地面沉積、垂直沉積、地面飄移和空中飄移的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，構(gòu)建統(tǒng)一的霧滴立體分布計(jì)算方式，如圖3所示，其中無(wú)人機(jī)周邊總沉積率為垂直沉積率與地面沉積率之和，認(rèn)為該部分是在植保無(wú)人機(jī)附近噴灑出霧滴的主要部分，該部分應(yīng)接近100%以確定此方法的準(zhǔn)確性；總地面沉降率為地面沉積率與地面飄移率之和，認(rèn)為該部分是在該次作業(yè)中能夠有效利用的部分；10和20 m處空中飄移是細(xì)小農(nóng)藥顆粒隨風(fēng)而動(dòng)的部分，這些顆?？赡艹两档降孛娑行Ю?，但也可能造成環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)；空中耗散率為垂直沉積率減去地面飄移率，因?yàn)樗邢嘛L(fēng)向飄移均需要通過(guò)垂直沉積測(cè)試框架，認(rèn)為該部分是向下風(fēng)向運(yùn)動(dòng)而未沉降到地面的部分，該部分是環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)最大的部分。

圖3 霧滴立體分布計(jì)算方法

2 4種植保無(wú)人機(jī)噴霧霧滴分布立體測(cè)試

2.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)于2018年4月26日—4月28日、5月4日—5月9日在北京市昌平區(qū)馬池口鎮(zhèn)埝頭工業(yè)園北方天途飛行試驗(yàn)場(chǎng)（116.1757E，40.1928N）多次重復(fù)進(jìn)行。該區(qū)域?yàn)闊o(wú)作物覆蓋地，表面不均勻覆蓋2 cm高度以下雜草。

2.2 參與試驗(yàn)的植保無(wú)人機(jī)

試驗(yàn)用植保無(wú)人機(jī)有4種，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，旋翼具體參數(shù)測(cè)量方法如圖4。4種無(wú)人機(jī)分別使用IDK120-015（Lechler GmbH，德國(guó)）噴頭和TR80-0067（Lechler GmbH，德國(guó)）噴頭進(jìn)行飛行作業(yè)測(cè)試。在起飛前測(cè)試各無(wú)人機(jī)在使用不同噴頭時(shí)的流量，使用質(zhì)量法測(cè)試在1 min種各噴頭流出的液體質(zhì)量后取平均值，結(jié)果見(jiàn)表1。4種無(wú)人機(jī)中3W-TTA6和3W-TTA8為人工標(biāo)記航線(xiàn)后自動(dòng)飛行（AB點(diǎn)模式），其余2種為手動(dòng)飛行。

注：d為旋翼直徑，cm；D為旋翼覆蓋范圍直徑, cm。

2.3 田間試驗(yàn)

按照上述植保無(wú)人機(jī)霧滴沉積與飄移分布立體測(cè)試方法展開(kāi)試驗(yàn)，樣品所有編號(hào)均從上風(fēng)向方向開(kāi)始，平行樣品編號(hào)從飛機(jī)前進(jìn)方向開(kāi)始。飛行速度設(shè)置為2 m/s，飛行高度為1.5 m。測(cè)試的具體參數(shù)及測(cè)試時(shí)氣象條件如表2所示，每個(gè)測(cè)試組至少重復(fù)3次。

表1 測(cè)試植保無(wú)人機(jī)參數(shù)

注：IDK120-015和TR80-0067為2種不同類(lèi)型噴頭。

Note1: IDK120-015 and TR80-0067 are 2 different types of nozzles.

表2 植保無(wú)人機(jī)測(cè)試參數(shù)設(shè)計(jì)及氣象環(huán)境條件

注：風(fēng)向以北方向?yàn)?°，南方向?yàn)?80°，范圍（－179.9°～180°）。

Note: 0° of wind direction is North. South is 180°. Range of wind direction is－179.9° to 180°.

3 測(cè)試結(jié)果與分析

3.1 航拍影像

通過(guò)精靈4A分析航拍影像獲取植保無(wú)人機(jī)在測(cè)試過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及飛行軌跡，準(zhǔn)確計(jì)算出植保無(wú)人機(jī)在飛越測(cè)試區(qū)域時(shí)的準(zhǔn)確飛行時(shí)長(zhǎng)、速度、作業(yè)幅寬，如表3。并基于飛行時(shí)長(zhǎng)信息結(jié)合噴頭流量準(zhǔn)確地計(jì)算出在測(cè)試區(qū)域內(nèi)噴灑出的液體量，為計(jì)算沉積率、飄移率等評(píng)估指標(biāo)提供了更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。其中MG-1s（UAV4）自帶雷達(dá)避障功能，飛行時(shí)會(huì)自動(dòng)躲避霧滴立體測(cè)試框架，故使用手動(dòng)飛行模式以關(guān)閉避障雷達(dá)，并因此導(dǎo)致飛行速度和工作幅寬大幅偏離設(shè)計(jì)值，速度誤差最大為166.4%，工作幅寬誤差最大為100%。

表3 植保無(wú)人機(jī)實(shí)際作業(yè)參數(shù)與設(shè)計(jì)作業(yè)參數(shù)

本文采用的軌跡是基于航拍影像對(duì)植保無(wú)人機(jī)的飛行狀態(tài)分析得到的，相比于傳統(tǒng)的在飛機(jī)上安裝衛(wèi)星定位系統(tǒng)，操作更為簡(jiǎn)便，無(wú)需安裝其他設(shè)備。傳統(tǒng)的定位系統(tǒng)需要在無(wú)人機(jī)上安裝移動(dòng)端，在地面設(shè)立基準(zhǔn)站，系統(tǒng)龐大且復(fù)雜；同時(shí)移動(dòng)端與基準(zhǔn)站及電腦端通信多采用433 MHz[27]或2.4 GHz[31-33]通信，而這2個(gè)頻段也是無(wú)人機(jī)遙控器常采用的頻段，因此存在信號(hào)干擾、操作失效、墜機(jī)等風(fēng)險(xiǎn)。而航拍機(jī)的影像記錄直接儲(chǔ)存于存儲(chǔ)卡中，無(wú)需傳輸；同時(shí)影像可以以4 096×2 160像素的分辨率進(jìn)行拍攝，測(cè)試中場(chǎng)地長(zhǎng)度50 m，可計(jì)算得出空間分辨率為1.2 cm，即動(dòng)態(tài)定位誤差為1.2 cm，高于機(jī)載RTK定位系統(tǒng)動(dòng)態(tài)定位準(zhǔn)確度[34-35]；且影像是以50幀/s的速度進(jìn)行采集的，即定位間隔是0.02 s，這也高于傳統(tǒng)衛(wèi)星定位系統(tǒng)的0.05 s[36-37]。

3.2 霧滴沉積、飄移立體分布

3.2.1 霧滴地面沉積分布

圖5a為4種植保無(wú)人機(jī)搭載不同噴頭的地面沉積分布結(jié)果，橫坐標(biāo)為距離下風(fēng)向測(cè)試區(qū)邊沿距離位置，可以看到4種無(wú)人機(jī)在下風(fēng)向側(cè)的沉積多于上風(fēng)向側(cè)，均有不同程度的沉積偏移，造成部分測(cè)試在下風(fēng)向部分（0~8 m）沉積率高于100%。將各測(cè)試作業(yè)范圍內(nèi)的沉積率進(jìn)行平均，可得到總沉積率，如圖5b，在作業(yè)區(qū)域范圍內(nèi)MG-1s使用IDK噴頭（UAV4-IDK）沉積率比使用TR噴頭（UAV4-TR）高；3W-TTA8-20則相反，使用TR噴頭（UAV3-TR）沉積率高于使用IDK噴頭（UAV3-IDK）；3WQF120-12（UAV1）和3W-TTA6-10（UAV2）則無(wú)明顯差異。對(duì)于沉積變異系數(shù)（coefficient of variation，CV），3WQF120-12（UAV1）和3W-TTA6-10 （UAV2）使用IDK噴頭的變異系數(shù)高于使用TR噴頭；3W-TTA8-20（UAV3）和MG-1s（UAV4）使用TR噴頭變異系數(shù)高于使用IDK噴頭。沉積變異系數(shù)與沉積率規(guī)律相似，但在此次測(cè)試中的所有植保無(wú)人機(jī)的沉積變異系數(shù)均較高，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的噴桿式噴霧機(jī)[38-39]。

圖5 各測(cè)試的地面的沉積分布、總沉積率和變異系數(shù)

Fig.5 Ground deposition distribution, rate and coefficient of variation of each test

3.2.2 霧滴垂直沉積分布

圖6a為霧滴立體測(cè)試框架上收集到的沉積分布狀態(tài)，呈現(xiàn)沉積率隨著高度的上升逐漸減小的規(guī)律，在接近地面處沉積率最大；4種植保無(wú)人機(jī)在使用IDK噴頭后均降低了下風(fēng)向垂直沉積，這主要是由于IDK的霧滴粒徑大于TR噴頭，具有一定防飄移能力[40-41]，降低了霧滴向下風(fēng)向運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。從圖6b可以看出，3WQF120-12（UAV1）、3W-TTA6-10（UAV2）和3W-TTA8-20（UAV3）在分別使用IDK噴頭時(shí)，總沉積率接近，變化規(guī)律接近，但對(duì)于MG-1s（UAV4）而言，下風(fēng)向垂直沉積明顯高于其余3種飛機(jī)，說(shuō)明該飛機(jī)噴霧向下風(fēng)向移動(dòng)明顯，有較高飄移風(fēng)險(xiǎn)。

圖6植保無(wú)人機(jī)在立體測(cè)試框架上的沉積分布

3.2.3 地面霧滴飄移分布

圖7a是到EOF不同距離上的地面飄移率，各植保無(wú)人機(jī)的飄移率均隨距離的增加而減少，其中MG-1s（UAV4）的飄移在各個(gè)距離均明顯高于其他植保無(wú)人機(jī)，這與垂直沉積結(jié)果呈現(xiàn)的沉積向下風(fēng)向移動(dòng)吻合。圖7b是各植保無(wú)人機(jī)的地面總飄移率，MG-1s（UAV4）在使用2種噴頭時(shí)總飄移率均高于其他3種無(wú)人機(jī)，在使用TR噴頭時(shí)高達(dá)41%的總飄移率，有非常高的飄移風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.4 空中霧滴飄移分布

圖8是各植保無(wú)人機(jī)在10和20 m處的空中飄移。能夠明顯的看出幾乎沒(méi)有檢測(cè)到3W-TTA6-10（UAV2）和3W-TTA8-20（UAV3）的空中飄移，而3WQF120-12（UAV1）和MG-1s（UAV4）收集在10和20 m處均收集到一定量的飄移，其中MG-1s（UAV4）飄移率在接近3WQF120-12（UAV1）空中飄移率的兩倍，有極高的飄移風(fēng)險(xiǎn)，在20 m處最多能收集到6.18%的飄移霧滴。

3.3 噴霧霧滴立體分布分析

對(duì)于測(cè)試的4種植保無(wú)人機(jī)，在無(wú)人機(jī)周邊均收集到了62.4%～101.7%的噴灑霧滴，由于測(cè)試誤差的原因，部分測(cè)試中出現(xiàn)超過(guò)100%的情況。部分無(wú)人機(jī)收集率在100%左右，收集率低于100%的原因可能是霧滴由于卷?yè)P(yáng)作用附著于植保無(wú)人機(jī)的機(jī)身上，也可能是由于地效向上風(fēng)向移動(dòng)。對(duì)于地面總沉降率，4種植保無(wú)人機(jī)搭載2種噴頭規(guī)律不一致，其中3WQF120-12（UAV1）、3W-TTA6-10（UAV2）、3W-TTA8-20（UAV3）使用TR噴頭總沉降率更高，但MG-1s（UAV4）使用IDK噴頭總沉降率更高，如表4。4種植保無(wú)人機(jī)在使用IDK噴頭后空中飄移、地面飄移、空中耗散均大幅減少，3WQF120-12（UAV1）、3W-TTA6-10（UAV2）、3W-TTA8-20（UAV3）產(chǎn)生總飄移均小于5%，這大幅降低了環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。MG-1s（UAV4）植保無(wú)人機(jī)在使用IDK噴頭后噴幅內(nèi)地面沉積由53.6%提高至76.6%，10 m處空中飄移由14.7%降低至2.6%，空中耗散部分由34.4%降低至2.7%，說(shuō)明該飛機(jī)較適合使用IDK噴頭，但其余3種飛機(jī)在使用IDK噴頭時(shí)雖然降低了飄移部分，但也同時(shí)降低了地面沉積部分，其他霧滴可能由于地效作用在上風(fēng)向方向有一定移動(dòng)，超出了測(cè)試區(qū)域。

圖8 下風(fēng)向10和20m處的空中飄移率

表4 霧滴沉積飄移立體分布結(jié)果

4 結(jié) 論

本文提出了一種全方位立體測(cè)試植保無(wú)人機(jī)霧滴沉積飄移的方法，將高空航拍技術(shù)應(yīng)用到測(cè)試中，準(zhǔn)確獲取了飛行速度、飛行軌跡等重要參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)過(guò)程的全程記錄及可溯，提供了更加科學(xué)準(zhǔn)確的植保無(wú)人機(jī)作業(yè)狀態(tài)與技術(shù)參數(shù)特征。該方法綜合了地面沉積、垂直沉積、地面飄移、空中飄移4方面進(jìn)行綜合分析，得到了植保無(wú)人機(jī)噴灑霧滴立體分布。使用該方法對(duì)4種植保無(wú)人機(jī)搭載2種噴頭進(jìn)行了田間測(cè)試，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析得到以下結(jié)論：

1）研究的植保無(wú)人機(jī)施藥全方位立體沉積飄移測(cè)試方法及其系統(tǒng)可用、準(zhǔn)確且可靠，可收集植保無(wú)人機(jī)噴灑出的62.4%～101.7%霧滴，為植保無(wú)人機(jī)霧滴立體分布分析評(píng)估方法給予了一定的參考。

2）通過(guò)綜合地面沉積、垂直沉積、地面飄移、空中飄移等4部分，確定了植保無(wú)人機(jī)在作業(yè)過(guò)程中的霧滴立體分布，各植保無(wú)人機(jī)地面沉積率在53.6%～76.6%，地面飄移率最高為17.4%，空中飄移率可高達(dá)14.7%。植保無(wú)人機(jī)雖作業(yè)過(guò)程中大部分霧滴可沉積到地面上，但仍有一定量的霧滴飄移出噴灑區(qū)，這可能造成嚴(yán)重的環(huán)境影響。

3）測(cè)試的4種植保無(wú)人機(jī)在搭載IDK噴頭后均明顯降低了霧滴飄移，但也降低地面沉積率。因此，IDK噴頭在植保無(wú)人機(jī)的適用性仍需進(jìn)一步研究，但仍應(yīng)在環(huán)境風(fēng)速較大的情況下使用防飄噴頭，以降低飄移。

4）測(cè)試的4種植保無(wú)人機(jī)在搭載TR和IDK噴頭時(shí)，沉積飄移分布規(guī)律不一致，說(shuō)明不同的植保無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)噴頭的選擇造成影響，各植保無(wú)人機(jī)應(yīng)該根據(jù)自身測(cè)試結(jié)果選擇合適的噴頭。

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Stereoscopic test method for low-altitude and low-volume spraying deposition and drift distribution of plant protection UAV

Wang Zhichong1, Andreas Herbst2, Jane Bonds3, Zeng Aijun1, Zhao Cheng1, He Xiongkui1※

(1.,,100193,; 2.,,11/12,38104,; 3.,3900,,32408,)

With the widespread application of plant protection unmanned aircraft vehicle (UAV) in China, the application technology of plant protection UAV has attracted attention, and the environmental risk from the uniformity of deposition distribution and droplet drift loss is also an important question. At present, there are few test methods focusing on the droplet distribution in the environment of plant protection UAV. In this paper, a set of stereoscopic test methods for low-altitude low-volume plant protection UAV was designed mainly based on the international standards ISO 22866 and ISO 24253. The methods concluded two parts of the ground distribution and airborne distribution. The ground distribution was collected by the standard collectors (Petri dishes and Polyvinyl Chloride card) arranged on the ground according to the ISO standard. The airborne distribution mainly used a vertical sedimentation testing framework. The droplets of aerial drift were collected by Polytetrafluoroethylene lines and rotary tube brushes. The accurate flight parameters (fight speed and working width) of each test were captured by a camera UAV (Phantom 4A, produced by DJI) above the ground 80 m. Two three-axis ultrasonic anemometers (Gill, USA) were installed above ground 2 and 5 m respectively, which could obtain real-time meteorological data including the wind speed, wind direction and temperature. There were four types plant protection UAVs for testing, the MG-1s (DJI, 8 rotors), 3WQF-120-12 (Anyang Quanfeng, 1 rotor), 3W-TTA6-10 (Beifang Tiantu, 6 rotors) and 3W-TTA8-20 (Beifang Tiantu, 8 rotors), they were tested respectively with the nozzles of IDK 120-015 and TR 80-0067 produced by Lechler (Germany). A new calculation method was proposed, and total deposition around UAV was calculated for verifing the accuracy of method. Total ground sedimentation and aerial disappearance were calculated to represent all available pesticide, and evaluate the environmental risk respectively. The results showed that the ground deposition rate of all tests was between 53.6% to 76.6%, the highest ground drift rate was rich to 17.4%, and the airborne drift rate could be as high as 14.7%. This test system could collect 62.4%-101.7% droplets around the UAV sprayed by plant protection UAV. The drifts of 4 tested plant protection UAV installed IDK nozzles were obviously less than that with TR nozzles, meanwhile, the nozzle changing also reduced the ground deposition in some tests. Different plant protection UAVs had different distribution regular patterns of deposition when they installed TR or IDK nozzles. It meant the designs of different plant protection UAVs needed to select the right nozzles after finishing the distribution test for different types of nozzles. Thus, the most suitable nozzle type of each UAV should be tested and selected before the UAV working. This test method can effectively and systematically collect and analyze the droplets distribution of plant protection UAV and the drift regularity in the work area, which can provide a new reference for the comprehensive evaluation of the plant protection UAV.

pesticide; UAV; test method; stereoscopic distribution; deposition; drift

王志翀，Andreas Herbst，Jane Bonds，曾愛(ài)軍，趙 鋮，何雄奎. 植保無(wú)人機(jī)低空低量施藥?kù)F滴沉積飄移分布立體測(cè)試方法[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(4)：54－62.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.007 http://www.tcsae.org

Wang Zhichong, Andreas Herbst, Jane Bonds, Zeng Aijun, Zhao Cheng, He Xiongkui. Stereoscopic test method for low-altitude and low-volume spraying deposition and drift distribution of plant protection UAV[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(4): 54－62. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.007 http://www.tcsae.org

2019-09-11

2020-01-20

國(guó)家自然科學(xué)基金（31761133019）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFD0700903，2017YFD 0200300）；國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-28-20）；公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)（201503130）聯(lián)合資助。

王志翀，博士生，主要從事植保機(jī)械與施藥技術(shù)研究。Email：549422839@qq.com

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.1002-6819.2020.04.007

S252.3；S435

A

1002-6819(2020)-04-0054-09