潘波 姜蕾 王冰潔 梁敬崎 朱宏宇 白先權(quán) 林勇

摘? 要：為實現(xiàn)植保無人機施藥技術(shù)在荔枝病蟲害防控中的高效應(yīng)用，研究了油動六旋翼植保無人機的飛行高度（5、6、8 m）和飛行速度（2.8、3.4 m/s）對霧滴在荔枝冠層的沉積分布及穿透性的影響。結(jié)果表明：不同飛行高度對霧滴在荔枝冠層的沉積分布及穿透性影響顯著，飛行高度為5 m和6 m時霧滴在荔枝冠層分布及穿透性較好，飛行高度為8 m效果較差。飛行高度為5 m時：飛行速度的變化對霧滴在荔枝冠層分布影響不顯著，而對穿透性影響顯著，飛行速度2.8 m/s的穿透性顯著好于3.4 m/s;飛行高度為6 m時：飛行速度2.8 m/s霧滴在荔枝冠層分布和穿透性均顯著好于3.4 m/s;飛行速度為2.8 m/s時：飛行高度6 m霧滴在荔枝冠層分布和穿透性均顯著好于5 m。油動六旋翼植保無人機飛行高度和飛行速度均對霧滴在荔枝冠層沉積分布和穿透性有顯著影響，此種機型對荔枝樹進行植保作業(yè)最佳施藥參數(shù)為飛行高度6 m、飛行速度2.8 m/s。

關(guān)鍵詞：油動六旋翼植保無人機;飛行高度;飛行速度;沉積分布;穿透性

中圖分類號：S494? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： To realize the efficient application of unmanned aerial vehicle （UAV） pesticide application technology in? litchi disease and pest control， the effects of different flight heights （5， 6 and 8 m） and speeds （2.8 and 3.4 m/s） of diesel six-rotor plant protection UAV on the deposition distribution and penetration of fogdropsin litchi canopy were investigated in this study. The results showed that flight height had a significant effect on the deposition distribution and penetration of fogdrops in litchi canopy. When the flight height was 5 m and 6 m， the distribution and penetration of fog droplets in the litchi canopy was better， while that for the flight height 8 m was poor. When the flight height was 5 m， the change of flight speed had no significant effect on the distribution of fog droplets in the litchi canopy， but had a significant effect on the penetrability， the penetration at 2.8 m/s was significantly better than that at 3.4 m/s. At the flight height of 6 m， the distribution and penetration of fog droplets in the litchi canopy were significantly better than that at the flight speed of 2.8 m/s than 3.4 m/s. When the flight speed was 2.8 m/s， the distribution and penetration of fog drops in the litchi canopy at the flight height of 6 m were significantly better than that of 5 m. The flight height and flight speed of diesel six-rotor UAV had significant effects on the deposition distribution and penetration of fog droplets in litchi canopy. Our data suggested that the optimal application parameters of the adopted type of UAV for litchi planting protection are 6 m in flight height and 2.8 m/s in flight speed.

Keywords： diesel six-rotor UAV; fight height; flight speed; deposition distribution; penetration

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2021.01.029

隨著我國城鎮(zhèn)化的推進，大量年輕勞動力涌進城市，導(dǎo)致農(nóng)村勞動力短缺，農(nóng)業(yè)用工成本上升。目前我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)仍以手工及半機械化操作為主[1]，尤其是植保作業(yè)仍以手動噴霧和電動噴霧器為主，勞動強度大，作業(yè)效率低，已不符合我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要。近年來，航空植保以其作業(yè)效率高、作業(yè)成本低、農(nóng)藥利用率高等特點[2-3]在我國取得了飛速發(fā)展。據(jù)調(diào)查，植保無人機保有量2014年為695架，2016年增至4262架，2019年高達5萬余架。植保無人機從動力部件類型上可分為油動植保無人機、電動植保無人機、油電混動植保無人機等。據(jù)統(tǒng)計，我國植保無人機電池動力機型占80.3%，油動力機型約占19.7%[4]。油動植保無人機大多為單旋翼，電動植保無人機大多為多旋翼，而油動多旋翼機型相對較少，但其既具有油動無人機載荷量大、續(xù)航時間較長、下壓風(fēng)場強等特點，又具有多旋翼無人機飛行穩(wěn)定性好、易操控等特點[5-6]，應(yīng)用前景廣闊。然而，迄今缺乏油動多旋翼無人機施藥方面的研究數(shù)據(jù)。

熱帶水果的生產(chǎn)狀況對我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展有著重要的意義和深遠的影響。熱帶水果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對幫助熱區(qū)農(nóng)民脫貧致富起到了重要的作用。采用自動化高效的現(xiàn)代施藥技術(shù)和方法，不僅可以解決果園勞動力短缺的要求，還可以提高農(nóng)藥的使用效率，達到農(nóng)藥減施增效的目的。而植保無人機在這方面無疑具備了很大的潛力，其噴藥效率比常規(guī)植保藥械要高出10倍以上，可以成為果樹病蟲害大面積快速統(tǒng)防統(tǒng)治的突破點，實現(xiàn)節(jié)本增效。無人機也可以在丘陵、山區(qū)和坡地等復(fù)雜地形進行作業(yè)，目前已在禾本科大田作物上廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外學(xué)者針對無人機在小麥[7-10]、水稻[11-14]、玉米[15]等大田作物的施藥技術(shù)進行了大量研究。相比禾本科大田作物，果樹冠層和生長環(huán)境更為復(fù)雜，而目前對植保無人機在果樹上的霧滴分布情況研究較少[16]，我國相關(guān)的作業(yè)標準和技術(shù)規(guī)范相對較匱乏，大部分的飛防作業(yè)者全憑經(jīng)驗或參考常規(guī)施藥器械進行田間作業(yè)。我國現(xiàn)階段無人機發(fā)展迅速，生產(chǎn)廠家、機型較多，加上我國農(nóng)作物種類較多，作物冠層復(fù)雜，作業(yè)環(huán)境復(fù)雜多樣，為確保防治效果，保證霧滴最大限度的沉積在作物冠層，根據(jù)植保無人機的機型、作物冠層、作業(yè)環(huán)境等因素來選擇合適的作業(yè)參數(shù)勢在必行。

作為熱帶地區(qū)典型果樹，荔枝樹的冠層復(fù)雜，環(huán)境高溫高濕，用藥次數(shù)多，加上勞動力短缺的問題，對無人機施藥的需求大，然而小型無人機噴施效果并不不理想。根據(jù)前人研究結(jié)果，植保無人機的飛行參數(shù)對霧滴在作物冠層的沉積分布影響顯著，飛行速度和高度是其中最主要的2個飛行參數(shù)[3， 10， 17-18]。但目前關(guān)于無人機霧滴在果樹冠層分布和穿透性的研究鮮有報道，特別是大載量油動無人機。油動無人機載荷量可達30 L以上，目前有企業(yè)研發(fā)出了載荷70 L的機型，但尚未進入規(guī)模應(yīng)用[4]。本研究通過分析載荷達60 L的油動植保六旋翼無人機的霧滴分布，以期得到此型號無人機對荔枝樹冠層的霧滴沉積情況，進而優(yōu)化飛行參數(shù)，得到最佳施藥參數(shù)，為田間無人機施藥提供參考依據(jù)，并為制訂荔枝樹無人機施藥作業(yè)規(guī)范提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1? 材料與方法

1.1? 材料

1.1.1? 儀器與設(shè)備? 本研究采用北京天和智航信息科技有限公司生產(chǎn)的TH-X60型油動六旋翼植保無人機，飛控系統(tǒng)為全自動方式，可以定高定速飛行作業(yè)，主要技術(shù)參數(shù)見表1。噴灑系統(tǒng)為壓力噴霧系統(tǒng)，噴頭為扇形噴頭。霧滴測試卡，重慶六六山下植?？萍加邢薰?AVM-01型風(fēng)速儀，臺灣泰儀電子股份有限公司;HTC-1型溫濕度計，江蘇常州鑫旺儀表有限公司;回形針，深圳齊心集團股份有限公司;ES-60W掃描儀，日本精工愛普生公司。

1.1.2? 試驗地點與供試作物? 試驗于2019年11月30日在海南省?？谑腥T坡鎮(zhèn)中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)境與植物保護研究所荔枝試驗基地進行，荔枝樹齡16 a，樹高為3.23～3.76 m，種植行距為5 m，株距為4 m。

1.2? 方法

1.2.1? 不同飛行高度對荔枝樹冠層霧滴沉積分布和穿透性的影響? 植保無人機按平行種植行進行飛行作業(yè)，試驗每個小區(qū)面積為24 m×30 m，每小區(qū)至少設(shè)置6條航線，在中間兩條航線之間隨機選一棵樹進行采樣，采樣點的布置見圖1。試驗共設(shè)置3個飛行高度（飛行高度指植保無人機作業(yè)時距作物頂部的高度）參數(shù)分別為5、6、8 m，速度3.40 m/s，噴頭流量為3.60 L/min，每個飛行高度作業(yè)3次，共進行9次作業(yè)。

1.2.2? 同一飛行高度下不同飛行速度對荔枝樹冠層霧滴沉積分布和穿透性的影響? 植保無人機按平行種植行進行飛行作業(yè)，試驗每個小區(qū)面積為24 m×30 m，每小區(qū)至少設(shè)置6條航線，在中間兩條航線之間隨機選一棵樹進行采樣，采樣點的布置見圖1。設(shè)置2個飛行高度參數(shù)分別為5、6 m，2個飛行速度參數(shù)為2.8、3.4 m/s，噴頭流量為3.60 L/min，比較飛行高度分別為5 m和6 m時，改變飛行速度對荔枝樹冠層霧滴沉積分布的影響，每個參數(shù)作業(yè)3次，共進行12次作業(yè)。

1.2.3? 每株荔枝樹采樣點的設(shè)置? 果樹表面冠層沉積分布采樣點設(shè)置：根據(jù)果樹的冠層特點，樹齡較大、樹體1 m以上才有冠層，冠層厚度在1 m左右，所以采樣點分為上、下2層，下層距地面1.5 m，上層距地面3 m，每層按4個采樣點，每個采樣點在葉片的正、反兩面用曲別針放置2張霧滴測試卡，如圖1，每層以最靠近無人機飛行方向的一側(cè)設(shè)為第1個采樣點，逆時針方向轉(zhuǎn)90°放為第2個采樣點，同理放置其他2個采樣點。

霧滴穿透性采樣點設(shè)置：由于荔枝樹冠層厚度在1 m左右，采樣點設(shè)置如圖1，在冠層頂部設(shè)置1個采樣點，垂直往下0.5 m處設(shè)置第2個采樣點，第2個采樣點垂直往下0.5 m處設(shè)置第3個采樣點，每個采樣點在葉片的正反面用曲別針放置2張霧滴測試卡。

1.3? 數(shù)據(jù)處理

每次作業(yè)前布置好霧滴測試卡，完成作業(yè)后，將霧滴測試卡包好，密封保存后帶回實驗室掃描后用圖像處理軟件Deposit Scan進行數(shù)據(jù)處理，得出霧滴沉積密度、霧滴覆蓋率和單位面積上的沉積量，使用SPSS 20.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 不同飛行高度對荔枝樹冠層霧滴沉積分布的影響

不同飛行高度荔枝樹冠層上層和下層霧滴沉積分布情況見表2、表3。冠層上層葉片正面與反面的霧滴密度、覆蓋率和沉積量在飛行高度為5 m和6 m時無顯著性差異，均顯著高于飛行高度8 m時對應(yīng)的數(shù)值。表明飛行高度5 m和6 m時，冠層上層霧滴分布好于飛行高度8 m。表3數(shù)據(jù)顯示，飛行高度為5 m時冠層下層葉片正面反面霧滴密度、覆蓋率和沉積量均顯著高于飛行高度為6 m和8 m時，而飛行高度為6 m時冠層下層葉片正面反面霧滴密度、覆蓋率和沉積量與飛行高度8 m時差異不顯著。3個飛行高度葉片反面霧滴密度也明顯低于葉片正面。表明TH-X60型油動六旋翼植保無人機飛行高度為5 m和6 m時冠層霧滴分布較好，8 m時霧滴分布較少，不應(yīng)選擇在飛行高度為8 m時進行植保作業(yè)。

2.2? 不同飛行高度對霧滴穿透荔枝樹冠層的影響

結(jié)果表明，3個飛行高度下3個采樣點葉片背面均基本沒有霧滴，下層葉片正面也基本沒有霧滴。不同飛行高度穿透上層和穿透中層葉片正面的霧滴分布情況見表4，飛行高度為5 m時頂層葉片正面霧滴數(shù)為32.140個/cm2，覆蓋率為3.581%、沉積量為0.083 μL/cm2，顯著高于其他2個飛行高度。飛行高度為6 m時中層葉片正面霧滴數(shù)為12.570個/cm2、覆蓋率為0.952%、沉積量為0.027 μL/cm2，顯著高于其他2個飛行高度。表明TH-X60型油動六旋翼植保無人機飛行高度為5 m時頂層霧滴分布最好，飛行高度6 m時霧滴的穿透性更好。

2.3? 同一高度下不同飛行速度對霧滴在荔枝樹冠層分布的影響

經(jīng)飛行高度試驗篩選得出的較理想飛行高度為5 m和6 m，在此條件下，不同飛行速度時霧滴分布情況如表5和表6所示。飛行高度為5 m，不同飛行速度時霧滴在荔枝樹冠層分布（霧滴密度、覆蓋率和沉積量）均無顯著性差異;飛行高度為6 m時，飛行速度為2.8 m/s荔枝樹冠層的上層下層葉片正面的霧滴密度、覆蓋率和沉積量顯著高于飛行速度為3.4 m/s;飛行速度為2.8 m/s荔枝樹冠層的上層葉片反面的霧滴密度、覆蓋率和沉積量顯著低于飛行速度為3.4 m/s，下層葉片反面在2個飛行速度之間無顯著性差異。4種飛行參數(shù)冠層葉片反面霧滴密度只有正面霧滴密度的7.299%～34.727%之間。結(jié)果表明，試驗飛機飛行高度為6 m、速度為2.8 m/s時，荔枝樹冠層葉片正面霧滴分布效果較好;飛行高度為5 m或6 m，速度為3.4 m/s時葉片反面霧滴分布效果較好，此飛行參數(shù)防治葉片反面的害蟲相對好一些。

2.4? 同一飛行高度下不同飛行速度對霧滴穿透荔枝樹冠層的影響

研究了飛行高度為5 m和6 m時不同飛行速度霧滴穿透荔枝樹冠層情況，試驗發(fā)現(xiàn)穿透上層、中層、下層葉片反面基本沒有霧滴。穿透上層、中層、下層葉片正面霧滴分布情況見表7，植保無人機飛行高度為5 m時，速度為2.8 m/s時穿透上層、中層和下層正面的霧滴密度、覆蓋率和沉積量均顯著高于速度為3.4 m/s;植保無人機飛行高度為6 m時，速度為2.8 m/s時穿透上層、中層和下層正面的霧滴密度、覆蓋率和沉積量也均顯著高于速度為3.4 m/s;速度為2.8時，飛行高度為6 m時冠層穿透上層、中層正面霧滴密度、覆蓋率和沉積量也均顯著高于飛行高度為5 m，冠層穿透下層由于霧滴較少，飛行高度為6 m霧滴密度顯著高于飛行高度5 m，而覆蓋率和沉積量二者無顯著性差異。結(jié)果表明，試驗用植保無人機在飛行高度為6 m、速度為2.8 m/s時霧滴穿透性最好。

3? 討論

據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)有植保機型約230多種，其中多旋翼約占78%[4]。多旋翼植保無人機大多為電動驅(qū)動，具有易操控、造價低等優(yōu)點，然而其載藥量較小，一般為5～20 L，航時短，單架次作業(yè)面積小，且需配制發(fā)電機和多塊電池，大大影響了其作業(yè)效率。油動植保無人機因采用燃油驅(qū)動，大大增加了續(xù)航時間和載藥量。但是目前油動無人機多為單旋翼，技術(shù)門檻高，造價高，操控難度大。TH-X60型油動植保六旋翼無人機兼具了多旋翼的易操控、油動機的大載荷量（最大載藥量達60 L）和長續(xù)航（滿載續(xù)航40 min）等性能，具有廣闊的市場前景。本研究首次將其應(yīng)用于熱區(qū)典型果樹——荔枝樹的飛防作業(yè)，研究其飛行參數(shù)對霧滴在荔枝樹冠層分布及穿透性的影響，以實現(xiàn)植保無人機施藥技術(shù)在荔枝病蟲害防控中的高效應(yīng)用，提高荔枝病蟲害防控水平。

飛行高度和速度是影響無人機施藥效果的2個主要影響因素[17-18]，本研究結(jié)果表明飛行高度對TH-X60型油動植保六旋翼無人機霧滴在荔枝冠層的沉積分布及穿透性影響顯著。相同飛行速度下，飛行高度為5 m和6 m時冠層霧滴分布較好，8 m時冠層霧滴分布最不好，飛行高度為6 m時霧滴穿透性最好。由于多旋翼無人機下方風(fēng)場是影響航空施藥霧滴沉積的重要因素[12]，飛行高度越高，旋翼下方紊流風(fēng)場和外界風(fēng)場影響越大，使風(fēng)場極不穩(wěn)定，氣流運動由垂直運動變?yōu)樗竭\動[19]，漂移越嚴重，導(dǎo)致霧滴不能有效沉積在冠層[20-22]，且冠層上方風(fēng)場減弱，導(dǎo)致霧滴無法穿透冠層。飛行高度過低時，無人機風(fēng)場太強，會導(dǎo)致果樹冠層向四周倒伏，同樣不利于霧滴附著和穿透。杜文等[23]發(fā)現(xiàn)，無人直升機飛行高度太高使水稻的霧滴沉積明顯減少，且使霧滴沉積較大區(qū)域偏離飛行中線，不易被目標捕獲。Zhang等[24]研究載藥量6 L的多旋翼植保無人機飛行高度在0.5～1.5 m時柑橘冠層的霧滴分布，發(fā)現(xiàn)飛行高度對霧滴分布有較大影響，最佳施藥高度為1 m?？梢娨话愣嘈頍o人機飛行高度在作物冠層上1～3 m，TH-X60型油動植保六旋翼無人機周圍風(fēng)場比一般的多旋翼無人機更強，較強的風(fēng)場有利于霧滴的分布和穿透[11]。

同一飛行高度下，飛行速度為2.8 m/s時霧滴穿透性顯著高于速度為3.4 m/s，飛行高度為6 m時，較慢的飛行速度霧滴在冠層的分布也較好，霧滴的穿透性也較好。飛行速度過快，無人機下方風(fēng)場對冠層的作用時間過短，風(fēng)場未對作物冠層產(chǎn)生有效作用力;飛行速度過慢，又會降低作用效率增加作業(yè)成本。有研究表明飛行速度對旋翼無人機所形成的風(fēng)場峰值影響較大，飛行速度越低峰值風(fēng)速越大[25]。王昌陵等[26]研究表明，植保無人機采用超低量噴霧技術(shù)，霧滴粒徑較小，過高的飛行速度使霧滴在旋翼下旋風(fēng)場和環(huán)境風(fēng)場的影響下更容易蒸發(fā)和飄失，適當降低飛行速度可以提高霧滴沉積量并提升作業(yè)效果。本研究結(jié)果顯示，無人機施藥葉片反面的著藥量遠遠不及葉片正面，雖然在飛行參數(shù)為高度6 m、速度2.8 m/s時霧滴的分布和穿透性都最好，但是在冠層下層和霧滴穿透性試驗中葉片反面基本沒有霧滴，可見無人機施藥對葉片冠層下層和內(nèi)部葉片反面的害蟲防治有一定的難度。

綜上所述，本文研究了不同飛行高度和速度對霧滴在荔枝樹冠層的分布和穿透性的影響，發(fā)現(xiàn)飛行高度和速度對油動六旋翼植保無人機在荔枝冠層的霧滴分布均有顯著影響，因此在噴頭流量一定的情況下，TH-X60型油動植保六旋翼無人機在飛行高度為6 m、飛行速度為2.8 m/s時，霧滴在冠層葉片正面的分布和穿透性都最佳。

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責(zé)任編輯：崔麗虹