于麗娟，張偉，張博，張偉巍，張平，亓立強

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學工程學院，大慶 163319；2.黑龍江八一農(nóng)墾大學電氣與信息學院；3.北大荒通用航空有限公司；4.黑龍江八一農(nóng)墾大學理學院）

無人機植保作業(yè)不受復雜地況限制，具有低量噴灑、效率高等優(yōu)點[1-3]。但由于空中作業(yè)條件與氣流的影響，相對于地面機具航空作業(yè)更容易產(chǎn)生作業(yè)幅寬不穩(wěn)定、重噴、漏噴及飄移等現(xiàn)象[4-7]。無人機作業(yè)幅寬直接影響無人機作業(yè)效率和噴施過程中的霧滴沉積分布均勻性，有效噴幅是確定噴霧作業(yè)參數(shù)的重要參考依據(jù)[8-9]。

目前，國外已有學者[10]對有人駕駛飛機M-18B和畫眉鳥510G 在不同作業(yè)條件下進行了噴施試驗，通過不同的評定方法對兩種有人機的有效噴幅進行了評定；茹煜等[11]分別通過霧滴分布試驗臺在實驗室測試了單個不同類型的航空霧化噴頭在不同作業(yè)參數(shù)條件下的噴幅寬度等性能參數(shù)；范慶妮[12]對小型無人直升機農(nóng)藥霧化系統(tǒng)進行研究，對離心霧化系統(tǒng)進行室內試驗研究，分析霧化轉盤參數(shù)變化對噴幅寬度的影響；姚偉祥，金永奎等[13-14]對AS350B3e 直升機和電動單旋翼無人機進行室外不同參數(shù)下噴施作業(yè)，得到對應的有效噴幅區(qū)域及霧滴飄移分布規(guī)律；楊知倫等[15]研究植保無人機旋翼下洗氣流對噴幅寬度的影響，通過分析植保無人機速度分布特性在下洗氣流影響下的霧滴運動方式，并研究兩種飛行高度對有效噴幅與霧滴分布均勻性的影響；陳盛德等[16]分別對單旋翼及多旋翼植保無人機航空噴施作業(yè)有效噴幅進行評定與試驗，確定適合不同機型的有效噴幅評定方法。宋堅利等[17]針對無人機航空施藥存在噴霧不均、施藥效果差的問題，利用霧滴密度判定法、最小變異系數(shù)判定法和50%有效沉積判定法在靜風條件下對單旋翼無人機航空施藥時的單個噴頭噴霧幅寬和噴霧均勻性進行研究。

目前國內關于植保無人機噴施應用研究主要在于航空噴施作業(yè)參數(shù)對霧滴沉積分布特性的影響[18]，在室內進行的有關無人機有效噴幅的研究主要是單個噴頭及轉盤式霧化系統(tǒng)的噴幅與飛行參數(shù)之間的關系；室外試驗通過有人駕駛直升機研究飛行參數(shù)對有效噴幅的研究，分析室外環(huán)境下單一方向的側風對飛機有效噴幅的影響，有關無人機不同飛行參數(shù)及不同方向側風對有效噴幅及均勻性的影響依然有值得深入探究之處。

研究表明，影響無人機有效噴幅及均勻性的主要因素是飛機旋翼下方風場，由旋翼風場和外界環(huán)境風場共同構成，無人機噴施霧滴的有效噴幅研究需要從根本上考慮風場的影響[19-20]。因此有必要選擇風場較為單一的單旋翼無人機進行試驗，研究無人機施藥時不同作業(yè)條件及外界風對有效噴幅的影響，確定不同方向側風條件對單旋翼無人機航空施藥時的有效噴幅和霧滴沉積均勻性的影響，得到高度和風向的變化對有效噴幅的影響規(guī)律，為多旋翼的研究提供支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設備

試驗采用沈陽市安翯航空科技有限公司的LTH-10 型單旋翼油動植保無人機，如圖1 所示。

圖1 LTH-10 型單旋翼油動植保無人機Fig.1 LTH-10 single rotor oil plant protection UAV

（1）單旋翼無人機

單旋翼植保無人機噴霧系統(tǒng)由防震蕩藥箱、微型水泵、噴桿、管路、噴頭、電控閥等構成。噴頭為（Tee Jet 公司的110-04 型扇形噴頭，噴頭在飛機兩側沿噴桿垂直于飛機中軸線成對稱等間距分布，噴頭方向垂直向下，單個噴頭的流量為600 ml·min-1，噴頭工作壓力設定為1 300 Mpa。無人機主要性能指標如表1 所示。

表1 無人機主要性能指標Table 1 Main performance indexes of two UAVs

（2）調速輸送機

調速輸送機由輸送帶、步進電機和變頻器組成，通過變頻器控制步進電機驅動輸送帶實現(xiàn)變速操作，可以模擬飛機飛行速度在室內進行試驗，此方法可以在室內模擬飛行試驗。調速輸送機尺寸為20*30*300 cm，可調風速范圍為2~6 m·s-1，試驗時將水敏紙粘于長方體支座上方并固定在輸送帶上，通過對電機進行調速實現(xiàn)輸送帶運轉帶動水敏紙移動對霧滴進行收集，水敏紙尺寸為25×15 mm。調速輸送機布置如圖2 所示。

圖2 調速輸送機Fig.2 Speed regulating conveyor

（3）調速風機

使用4 個尺寸為580*580 mm，可調風速為1~4 ms-1的風機同時對無人機施加側風，風速可適當模仿外界環(huán)境風。風機圖片如圖3 所示。

圖3 調速風機Fig.3 Speed regulating fan

（4）試驗場地布置

無人機試驗時整體布置如圖4 所示，無人機固定于可升降試驗臺上，據(jù)計算與飛控手的噴施作業(yè)經(jīng)驗，推薦較佳的作業(yè)高度為2~3 m，因此設置可升降試驗臺升降高度為2~4 m，無人機正下方放置調速輸送機，用于收集霧滴。

圖4 無人機支架Fig.4 UAV support

（5）霧滴分析儀

使用大疆霧滴掃描儀對試驗后的霧滴測試卡進行分析，檢測霧滴在水敏紙上沉積分布的多種參數(shù)分析儀可在極短時間內自動計算出農(nóng)藥霧滴沉積分布均勻性、覆蓋率、單位面積霧滴數(shù)以及霧滴粒徑等數(shù)據(jù)。檢測全程無需聯(lián)網(wǎng)，用戶可在田野中單人完成全部工作。霧滴分析儀如圖5 所示。

圖5 霧滴分析儀Fig.5 Fog drop analyzer

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗地點

試驗于2019 年7 月22~26 日在黑龍江八一農(nóng)墾大學保護性耕作實驗室進行，試驗環(huán)境平均溫度分別為26 ℃、空氣平均相對濕度為43%。

1.2.2 飛行參數(shù)設計

無人機主旋翼轉速設為每分鐘1 350 轉，無人機在距離水敏紙上方分別以2、2.5、3、3.5 m 處進行試驗，每個高度下進行0~90 °不同方向側風試驗。側風方向布置圖如圖6 所示。

圖6 無人機側風方向Fig.6 UAV side wind direction

1.2.3 試驗方案

通過室內試驗得到四個不同高度下單旋翼無人機有效噴幅及均勻性，在此基礎上進行不同高度下正向風、30 °、60 °以及90 °四個方向側風試驗。霧滴收集裝置如圖2 所示，在長度為4 m 的長方體盒子上以15 cm 等間距安裝霧滴測試卡，將長方體盒子安裝在可調速輸送帶上對霧滴進行收集；每個高度下進行0~90 °不同方向側風試驗，風速測試點布控在旋翼的下方，試驗后的霧滴測試卡按照采集帶上的序號逐一取下粘貼在白紙上并進行標注，利用霧滴掃描儀對霧滴測試卡進行掃描，得到不同位置霧滴沉積數(shù)據(jù)，拿回實驗室進行后期數(shù)據(jù)處理，因素水平編碼表如表2 所示。

表2 因素水平表Table 2 Factor level table

2 試驗結果與分析

采用Design Expert 和Origin 軟件對采集到的數(shù)據(jù)進行回歸方程分析，采用變異系數(shù)來衡量霧滴沉積均勻性，并檢驗其顯著性。分析有效噴幅及霧滴沉積均勻性隨著植保無人機高度和側風方向變化的相關關系。

2.1 高度對有效噴幅及沉積均勻性的影響

2.1.1 不用高度下有效噴幅

如圖7 所示，霧滴分布呈現(xiàn)中間多兩側少的狀態(tài)，且在中間多的區(qū)域出現(xiàn)2 個高峰值，整體呈現(xiàn)出M形分布。當飛機高度逐漸增加時，霧滴分布仍然呈現(xiàn)M形，但峰值逐漸下降，中間霧滴分布略微趨于平緩。

圖7 不同高度下霧滴分布圖Fig.7 Droplet distribution at different heights

研究采用霧滴密度判定法來判定有效噴幅，根據(jù)MH/T1002-1995 《農(nóng)業(yè)航空噴灑作業(yè)質量技術指標》的規(guī)定：在飛機進行超低容量的農(nóng)業(yè)人噴灑作業(yè)時，作業(yè)對象的霧滴覆蓋密度達到15 個·cm-2以上的范圍即可視為有效噴幅。

表3 高度對有效噴幅與均勻性的影響Table 3 Effect of height on effective spray amplitude and uniformity

由表3 可知，無人機高度變化對有效噴幅具有較大影響，隨著飛行高度的增加，有效噴幅呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當無人機高度達到3 m 時，有效噴幅最大，約為4 m。

2.1.2 有效噴幅內霧滴沉積均勻性

霧滴沉積分布均勻性采用變異系數(shù)Cv作為度量[21]，

式中Xi—各采樣卡單位面積霧滴數(shù)

n—采樣卡總數(shù)

經(jīng)計算，由表3 可知，在有效噴幅范圍內，隨著高度變化，變異系數(shù)變化范圍不超過10%，因此該無人機在不同高度下霧滴均勻性基本一致。

2.2 側風對有效噴幅及沉積均勻性的影響

2.2.1 同一高度下不同方向側風對有效噴幅及沉積均勻性的影響

同一高度下不同側風角度的有效噴幅如圖8 所示，變異系數(shù)如表4 所示，同一高度下，隨著側風角度的由正向風逐漸變?yōu)?0 °風時，有效噴幅整體呈現(xiàn)逐漸變小趨勢。當無人機高度到達3.5 m 時，由于無人機高度與風速的共同作用有效噴幅變化紊亂。由于無人機作業(yè)噴施作業(yè)時，外界風速需小于3 m·s-1，但無人機在室外作業(yè)時無法保證外界風速為0 m·s-1的狀態(tài)。由試驗結果可知，當外界風速在3 m·s-1以下的天氣進行作業(yè)時，無人機高度為2.5 m 且風向為正向時得到最佳無人機的有效噴幅達到5.7 m，變異系數(shù)為68.2%。如圖8 的3.5 m 高度所示，當無人機高度到達3.5 m 時，有效噴幅的變化規(guī)律與其他三個高度下有效噴幅的變化規(guī)律完全不同，出現(xiàn)這一情況的原因是由于無人機高度與風速的共同作用導致有效噴幅變化紊亂。

圖8 不同側風方向的有效噴幅Fig.8 Effective jet amplitudes in different lateral wind directions

表4 側風對不同高度下霧滴沉積均勻性的影響Table 4 Effect of side wind on deposition uniformity at different heights

2.2.2 同一方向側風不同高度對有效噴幅及沉積均勻性的影響

同一側風方向不同高度下的有效噴幅如圖9 所示，變異系數(shù)如表5 所示，當無人機正前方加以側風時，隨著無人機高度的增加有效噴幅整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，當無人機高度為2.5 m 時有效噴幅達到最寬為5.7 m；當沿無人機前進方向30 °加以側風時，隨著無人機高度的增加有效噴幅整體呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，當無人機高度為2 m 時有效噴幅達到最寬為4.65 m；當沿無人機前進方向60 °加以側風時，隨著無人機高度的增加有效噴幅整體呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，當無人機高度為3.5 m 時有效噴幅達到最寬為5.1 m；當沿垂直無人機前進方向加以側風時，隨著無人機高度的增加有效噴幅整體呈現(xiàn)平穩(wěn)的趨勢，當無人機高度為2.5 m 時有效噴幅達到最寬為4.05 m。綜合以上結果可以得到當側風方向為正向風30 °側風及60 °側風時，有效噴幅寬度范圍更穩(wěn)定。

圖9 不同高度下的有效噴幅Fig.9 effective spray at different heights

表5 同一高度不同方向側風對霧滴沉積均勻性的影響Table 5 Effect of side wind in different directions of the same height on droplet deposition uniformity

2.3 側風與高度共同作用下單旋翼無人機有效噴幅及沉積均勻性

試驗采用二因素四水平正交試驗設計方法進行試驗，以有效噴幅與均勻性作為試驗評價指標，設置高度和側風角度的水平范圍為：高度范圍為2~3.5 m，側風角度范圍0~90 °。通過試驗，對影響試驗評價指標的兩個因素進行顯著性分析，試驗結果如表6 所示。

表6 不同高度有效噴幅與均勻性Table 6 Effective spray width and uniformity at different heights

2.3.1 有效噴幅回歸模型建立與顯著性檢驗

利用Design-expert 8.0.6 軟件對試驗結果進行二次回歸分析，對影響試驗評價指標的2 個因素進行顯著性分析，得到多元回歸擬合，確定有效噴幅與側風角度、無人機高度之間的回歸方程，并檢驗其顯著性[22-23]。

通過殘差的正態(tài)概率分布圖可以發(fā)現(xiàn)（如圖10所示），各點基本呈線性分布，可認定數(shù)據(jù)呈現(xiàn)正態(tài)分布，所以數(shù)據(jù)是可靠的，存在顯著性關系。

通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，有效噴幅方差分析如表7 所示。由表7 可知，A、B、A2 是模型的顯著項，由分析可知各影響因素對有效噴幅的影響順序為側風角度、無人機高度。高度與側風方向顯著性水平值分別為0.085 2 和0.000 5，高度顯著性水平值小于0.1，表現(xiàn)為較顯著，側風方向顯著性水平值小于0.01，表現(xiàn)為極顯著，得到各因素對有效噴幅影響的回歸方程如下：

圖10 正態(tài)概率分布圖Fig.10 Normal probability distribution map

表7 有效噴幅方差分析Table 7 Effective jet amplitude variance analysis

式中：A—各采樣卡單位面積霧滴數(shù)

B—采樣卡單位面積平均霧滴數(shù)

y—有效噴幅

2.3.2 響應曲面分析

無人機高度與側風方向間極顯著和較顯著相互作用對有效噴幅影響的響應曲面如圖11 所示。交互作用響應曲面如圖所示，當側風角度一定時，有效噴幅隨無人機的增大而增大，最佳的無人機噴藥高度在2.2~2.6 m 范圍內，有效噴幅范圍為5.1~5.7 m；當無人機高度一定時，有效噴幅隨側風角度的增大而減小，是當無人機在2.5 m 高度加以正向風時得到最佳的有效噴幅，寬度為5.7 m。

圖11 高度與側風對有效噴幅影響結果分析Fig.11 Analysis of the effect of height and side wind on effective jet amplitude

3 結論

不同高度、不同方向側風條件下進行單旋翼無人機航空施藥時有效噴幅和霧滴沉積均勻性試驗研究。使用霧滴掃描儀分析霧滴測試卡得到試驗數(shù)據(jù)，并對試驗結果進行方差分析和回歸分析。得出如下結論：

（1）無人機高度與側風方向是影響有效噴幅及均勻性的重要因素，對有效噴幅的影響順序為側風角度、無人機高度；高度對霧滴均勻性的影響不顯著，側風角度對霧滴均勻性有顯著影響；

（2）當側風角度一定時，有效噴幅隨無人機高度的增加先增加后減小，最佳的無人機噴藥高度在2.2~2.6 m 范圍內，有效噴幅范圍為5.1~5.7 m；

（3）當無人機高度一定時，有效噴幅隨側風角度的增加而逐漸減小，當無人機在2.5 m 高度加以正向風時得到最佳的有效噴幅，寬度為5.7 m；

（4）試驗中的油動單旋翼無人機在外界風速3 m·s-1以下的天氣進行作業(yè)時，無人機高度為2.5 m且風向為正向時得到最佳無人機的有效噴幅達到5.7 m，變異系數(shù)為68.2 %。