鄒宇航 王俊 鐘秋 董建國 楊軍 陳勇 雷云康 向歡 張華述 李誠然 朱小波

摘要 以雪茄煙葉施藥為例，通過測定2款無人機(jī)在相同條件下的霧滴覆蓋密度、霧滴分布均勻度、霧滴粒徑、霧滴譜寬度、噴霧沉積量、沉積量分布均勻度、有效噴幅寬度等技術(shù)指標(biāo)，評(píng)估了2款無人機(jī)在雪茄煙葉施藥中的作業(yè)質(zhì)量。結(jié)果表明，2款無人機(jī)的作業(yè)質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)符合作業(yè)要求，對(duì)雪茄煙植株均具有較好的穿透性，但在植株反面的沉積效果較差。不同型號(hào)的無人機(jī)具有不同的沉積效果及有效噴幅寬度。該試驗(yàn)結(jié)果為篩選適用于雪茄煙精準(zhǔn)施藥的無人機(jī)型號(hào)提供了參考，同時(shí)也為無人機(jī)作業(yè)性能優(yōu)化、作業(yè)效率提升提供了技術(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞 植保無人機(jī);作業(yè)質(zhì)量;技術(shù)指標(biāo);煙草

中圖分類號(hào) S252? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? 文章編號(hào) 0517-6611（2022）05-0174-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2022.05.044

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Comparison of Operational Quality Technical Indices between Two Types of Unmanned Aerial Vehicle for Plant Protection—Taking the Medication for Cigar Tobacco Leaves as an Example

ZOU Yu-hang， WANG Jun， ZHONG Qiu et al

（Tobacco Leaf Production and Operation Management Center of Deyang Company， Sichuan Tobacco Company， Shifang， Sichuan 618400）

Abstract Taking the medication for cigar tobacco leaves as an example， the droplet’s coverage density， droplet’s? distribution uniformity， droplet’s particle size，droplet spectrum width， spray deposition amount， distribution uniformity of deposition amount， effective spray width and other technical indices of two types of unmanned aerial vehicle（UAV） under the same conditions were determined to evaluate the operational quality of the two types of UAVs in the medication of cigar tobacco leaves. The results showed that the operational qualityand technical indices of the two types of UAVs met the operational requirements.They both had good penetrability on cigar tobacco plants， but the deposition effect on the opposite side of tobacco plants was poor. Different types of UAVs had different deposition effects and effective spray width. The test results provided references for the selection of UAV models for the precise medication of cigar cigarettes， and provided the technical basis for the optimization of the operational performance and the improvement of operational efficiency of UAVs .

Key words Unmanned aerial vehicle for plant protection;Operational quality;Technical indices;Tobacco

基金項(xiàng)目 中國煙草總公司四川省公司計(jì)劃管理類科研項(xiàng)目（DYYC-201901）。

作者簡介 鄒宇航（1984—），男，四川什邡人，助理農(nóng)藝師，從事雪茄栽培和調(diào)制工作。*通信作者，高級(jí)工程師，碩士，從事農(nóng)業(yè)航空及無人機(jī)應(yīng)用技術(shù)研究。

收稿日期 2021-07-16

植保無人機(jī)是近年來快速發(fā)展的一類空中施藥器械，與地面施藥器械相比，具有機(jī)動(dòng)靈活、施藥效率高、作業(yè)質(zhì)量好、施藥量和用水量少、不損傷農(nóng)作物等優(yōu)點(diǎn)。截至2019年底，我國共有農(nóng)用植保無人機(jī)型號(hào)170多個(gè)，保有量5.5萬余架，2019年作業(yè)面積超過0.567億hm2，防治作物包括水稻、小麥、玉米、棉花等[1]，為我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和規(guī)模化發(fā)展發(fā)揮了重要作用。然而，由于無人機(jī)生產(chǎn)廠家多、種類型號(hào)多，作業(yè)性能、作業(yè)質(zhì)量和應(yīng)用環(huán)境等存在較大差異，有必要在針對(duì)某種農(nóng)作物開展作業(yè)飛行前，對(duì)不同無人機(jī)的性能質(zhì)量和適用性進(jìn)行評(píng)估，以篩選出符合性最好的農(nóng)用植保無人機(jī)。

雪茄煙種植的規(guī)?；图s化程度較高，并且由于雪茄煙生長后期煙株較高、密度較大，不太適合地面機(jī)械進(jìn)入或進(jìn)行人工施藥，因此植保無人機(jī)為雪茄煙施藥提供了一種新的解決方案。在無人機(jī)施藥質(zhì)量研究方面，楊知倫等[2]研究了植保無人機(jī)旋翼下洗氣流對(duì)噴幅的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)無人機(jī)產(chǎn)生的下洗氣流，有利于增強(qiáng)霧滴沉降、減少霧滴飄移，同時(shí)可以使植株葉片翻動(dòng)，進(jìn)而使霧滴沉積到葉片背面，增強(qiáng)霧滴在植株中的穿透性;裴洲洋等[3]對(duì)植保無人機(jī)防治煙蚜進(jìn)行了研究，結(jié)果表明無人機(jī)作業(yè)均勻性好，穿透性優(yōu)于人工作業(yè)，噴灑效率是人工施藥的31倍，防治效果比電動(dòng)噴霧器提高了7.0百分點(diǎn);周龍等[4]以平邑縣煙田植保無人機(jī)飛防為例，探討了植保無人機(jī)的選用、組織模式、取得的成效及存在的問題，并對(duì)植保無人機(jī)在煙田的大面積應(yīng)用提出了建議。然而，相關(guān)研究僅對(duì)植保無人機(jī)在煙草上的應(yīng)用進(jìn)行了一般性探討，并未對(duì)無人機(jī)的作業(yè)質(zhì)量進(jìn)行系統(tǒng)性研究，同時(shí)也缺乏對(duì)不同無人機(jī)施藥質(zhì)量的對(duì)比分析。

筆者以雪茄煙葉施藥為例，依據(jù)我國相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[5-6]，將霧滴覆蓋密度、霧滴分布均勻度、霧滴粒徑、霧滴譜寬度、噴霧沉積量、沉積量分布均勻度、有效噴幅寬度作為評(píng)價(jià)植保無人機(jī)在雪茄煙葉施藥中的作業(yè)質(zhì)量指標(biāo)，通過測定2款無人機(jī)在相同條件下的作業(yè)質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)，評(píng)估無人機(jī)在雪茄煙葉施藥中的作業(yè)質(zhì)量，旨在為篩選適用于雪茄煙葉精準(zhǔn)施藥的無人機(jī)型號(hào)提供參考，同時(shí)也為無人機(jī)作業(yè)參數(shù)設(shè)置、作業(yè)性能優(yōu)化提供技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

1號(hào)四旋翼植保無人機(jī)、2號(hào)八旋翼植保無人機(jī)、農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測儀（浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司）、水敏紙（先正達(dá)生物科技有限公司）、航空噴霧質(zhì)量現(xiàn)場檢測系統(tǒng)（中國民用航空局第二研究所）、支撐架、皮尺等。

1.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)地點(diǎn)為四川省什邡市，試驗(yàn)開展時(shí)雪茄煙葉處于旺長期，平均株高80 cm;作業(yè)區(qū)平均氣溫31.4 ℃，相對(duì)濕度48.6%，風(fēng)速1.4 m/s。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)區(qū)設(shè)計(jì)。

選擇凈空條件好、地勢(shì)平坦、無高大障礙物的區(qū)域作為試驗(yàn)區(qū)，共設(shè)置2個(gè)試驗(yàn)區(qū)。每個(gè)試驗(yàn)區(qū)長60 m、寬20 m，試驗(yàn)區(qū)長邊相鄰，間隔距離5 m。試驗(yàn)前，對(duì)各試驗(yàn)區(qū)的長度和寬度進(jìn)行測量，并用旗幟做好標(biāo)記，明確各試驗(yàn)區(qū)的位置和邊界。

1.3.2 采樣線設(shè)置。

如圖1所示，在每個(gè)試驗(yàn)區(qū)的中間設(shè)置3條平行的采樣線，采樣線長度設(shè)為10 m。相鄰采樣線間隔10 m，在同一條采樣線上采用間隔采樣方式，每隔0.5 m設(shè)置一個(gè)采樣點(diǎn)，每條采樣線共設(shè)置21個(gè)采樣點(diǎn)，每個(gè)采樣點(diǎn)安裝一個(gè)支撐架，以放置水敏紙。當(dāng)測定霧滴覆蓋密度、霧滴分布均勻度、霧滴粒徑、霧滴譜寬度、噴霧沉積量、沉積量分布均勻度等指標(biāo)時(shí)，在支撐架與植株頂部等高的位置和支撐架底部的正反面各設(shè)置1張水敏紙（從上往下標(biāo)記為A 1、A 2、B 1、B 2）;當(dāng)測定有效噴幅寬度時(shí)，在支撐架與植株頂部等高的正面位置設(shè)置1張水敏紙。

1.3.3 飛行試驗(yàn)。

2款無人機(jī)均按照全自主方式進(jìn)行飛行試驗(yàn)，飛行區(qū)域分別對(duì)應(yīng)2個(gè)已設(shè)定的試驗(yàn)區(qū)。測定霧滴覆蓋密度、霧滴分布均勻度、霧滴粒徑、霧滴譜寬度、噴霧沉積量、沉積量分布均勻度等指標(biāo)時(shí)，無人機(jī)采用往復(fù)式飛行方式，飛行速度為4.0 m/s，飛行高度（無人機(jī)噴灑系統(tǒng)距離植株頂部平均距離）為2.5 m，噴幅寬度為3.5 m;測定有效噴幅寬度時(shí)，無人機(jī)采用單程飛行方式，飛行速度為4.0 m/s，飛行高度為2.5 m。

1.3.4 技術(shù)指標(biāo)測定。

飛行試驗(yàn)結(jié)束后，利用航空噴霧質(zhì)量檢測裝置現(xiàn)場獲取水敏紙上的霧滴圖像，并利用專業(yè)檢測軟件對(duì)霧滴圖像進(jìn)行分析處理。記錄每一條采樣線上的霧滴覆蓋密度、霧滴分布均勻度、霧滴粒徑、霧滴譜寬度、噴霧沉積量、沉積量分布均勻度等參數(shù)，計(jì)算有效噴幅寬度，并用3條采樣線上的平均值來表示相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 霧滴覆蓋密度及其分布均勻度

2款無人機(jī)的霧滴覆蓋密度及分布均勻度指標(biāo)見表1、圖2～3。從表1、圖2～3可以看出，2款無人機(jī)在A 1、A 2、B 1、B 2 4個(gè)點(diǎn)位均有霧滴沉積，但反面（A 2、B 2）的霧滴覆蓋密度遠(yuǎn)小于正面（A 1、B 1）;從不同部位沉積情況來看，下部正面采樣點(diǎn)（B 1）的霧滴覆蓋密度要小于上部正面（A 1），但反面無明顯差異;從機(jī)型來看，1號(hào)無人機(jī)的霧滴覆蓋密度要大于2號(hào)無人機(jī)，1號(hào)和2號(hào)無人機(jī)在下部正面（B 1）的霧滴覆蓋密度分別為上部正面（A 1）的69%和51%，1號(hào)無人機(jī)的霧滴分布均勻度（用霧滴覆蓋密度的變異系數(shù)來表示，變異系數(shù)越小表示均勻度越好）[7]與2號(hào)無人機(jī)相比無明顯差異。

2.2 霧滴粒徑及霧滴譜寬度

2款無人機(jī)的霧滴粒徑及霧滴譜寬度指標(biāo)見表2。由表2可知，2款無人機(jī)在同一點(diǎn)位采樣點(diǎn)反面（A 2、B 2）的體積中值直徑、數(shù)量中值直徑均小于正面（A 1、B 1），約為正面的50%～70%。從不同部位沉積情況來看，不管是體積中值直徑還是數(shù)量中值直徑，同一機(jī)型上部和下部正面（A 1、B 1）相差不大，反面（A 2、B 2）也相差不大;從機(jī)型來看，1號(hào)無人機(jī)在采樣點(diǎn)正面的體積中值直徑、數(shù)量中值直徑與2號(hào)無人機(jī)相差不大，采樣點(diǎn)反面也相差不大。2號(hào)無人機(jī)霧滴粒徑分布均勻度（用霧滴譜寬度來表示，值越小表示均勻度越好）要稍好于1號(hào)無人機(jī)。

2.3 噴霧沉積量及其分布均勻度

2款無人機(jī)的噴霧沉積量及其分布均勻度見表3。由表3可知，2款無人機(jī)在正面（A 1、B 1）的噴霧沉積量均明顯大于反面（A 2、B 2），反面的沉積量幾乎可以忽略不計(jì)。從不同部位沉積情況來看，正面采樣點(diǎn)上部（A 1）的噴霧沉積量要大于下部（B 1），反面采樣點(diǎn)上部（A 2）的噴霧沉積量與下部（B 2）大致相當(dāng);從機(jī)型來看，1號(hào)無人機(jī)的噴霧沉積量要大于2號(hào)無人機(jī)，1號(hào)和2號(hào)無人機(jī)在下部正面（B 1）的噴霧沉積量分別為上部正面（A 1）的70%和48%。2款無人機(jī)的噴霧沉積量分布均勻度（用噴霧沉積量的變異系數(shù)來表示，變異系數(shù)越小表示均勻度越好）無明顯規(guī)律。

2.4 有效噴幅寬度

2款無人機(jī)的有效噴幅寬度測量數(shù)據(jù)見圖4～5。從圖4～5可以看出，1號(hào)無人機(jī)的霧滴沉積分布曲線呈梯形，中心點(diǎn)位于無人機(jī)飛行路線的正下方，3條采樣線的有效噴幅寬度分別為3.5、3.1 和2.6 m，平均值為3.1 m;2號(hào)無人機(jī)的霧滴沉積分布曲線呈三角形，中心點(diǎn)位于無人機(jī)飛行路線的左側(cè)，3條采樣線的有效噴幅寬度分別為2.8、2.4 和1.9 m，平均值為2.4 m。1號(hào)無人機(jī)的有效噴幅寬度大于2號(hào)無人機(jī)。

3 結(jié)論與討論

2款無人機(jī)的作業(yè)質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)總體上符合作業(yè)要求。該研究中的無人機(jī)屬于低容量噴灑作業(yè)，參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《農(nóng)業(yè)航空作業(yè)質(zhì)量技術(shù)指標(biāo) 第1部分：噴灑作業(yè)》的技術(shù)要求，霧滴覆蓋密度不小于20個(gè)/cm2，霧滴分布均勻度不大于60%，體積中值直徑150～300 μm，霧滴譜寬度不大于2.0。該試驗(yàn)結(jié)果表明，2種型號(hào)的無人機(jī)在采樣點(diǎn)正面的霧滴覆蓋密度、霧滴分布均勻度、霧滴粒徑、霧滴譜寬度等技術(shù)指標(biāo)均在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍以內(nèi)[8]。

不同型號(hào)的無人機(jī)具有不同的沉積效果及有效噴幅寬度。1號(hào)無人機(jī)與2號(hào)無人機(jī)相比具有更大的霧滴覆蓋密度及噴霧沉積量，其中1號(hào)無人機(jī)在上部正面的霧滴覆蓋密度是2號(hào)無人機(jī)的1.5倍，在下部正面的霧滴覆蓋密度是2號(hào)無人機(jī)的2.0倍;1號(hào)無人機(jī)在上部正面的噴霧沉積量是2號(hào)無人機(jī)的1.8倍，在下部正面的噴霧沉積量是2號(hào)無人機(jī)的2.5倍，表明1號(hào)無人機(jī)的霧滴沉積效果更好。1號(hào)無人機(jī)的有效噴幅寬度是2號(hào)無人機(jī)的1.3倍，表明1號(hào)無人機(jī)在作業(yè)過程中具有更高的作業(yè)效率。在無人機(jī)選型的過程中，無人機(jī)的沉積效果和有效噴幅寬度是必須要考慮的重要因素[9-10]，同等條件下應(yīng)選擇沉積效果更好、有效噴幅寬度偏差不大的無人機(jī)。為了優(yōu)化無人機(jī)作業(yè)性能或提高作業(yè)效率，一方面應(yīng)對(duì)噴嘴、液泵等部件進(jìn)行調(diào)試和校準(zhǔn)，另一方面應(yīng)對(duì)飛行高度、噴幅寬度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以確保作業(yè)質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)滿足要求。

無人機(jī)噴霧對(duì)煙草植株具有較好的穿透性，但在植株反面的沉積效果較差。2款無人機(jī)在植株下部正面均獲得了較好的霧滴覆蓋密度及噴霧沉積量，其中1號(hào)和2號(hào)無人機(jī)在下部正面的霧滴覆蓋密度分別為上部正面的69%和51%;1號(hào)和2號(hào)無人機(jī)在下部正面的噴霧沉積量分別達(dá)到上部正面的70%和48%，表明無人機(jī)旋翼產(chǎn)生的下洗氣流能夠使植株葉片翻動(dòng)，提高霧滴在植株中的穿透性。然而，不管是在植株上部還是下部，盡管2款無人機(jī)噴霧霧滴在采樣點(diǎn)反面有少量沉積，但均遠(yuǎn)小于正面，其霧滴覆蓋密度、噴霧沉積量均可以忽略不計(jì)，表明無人機(jī)噴霧霧滴在植株葉背的附著性還需進(jìn)一步研究。

除無人機(jī)本身的作業(yè)性能以外，作業(yè)環(huán)境、氣象條件、作業(yè)人員技能等因素均會(huì)影響無人機(jī)作業(yè)質(zhì)量。在開展飛防作業(yè)前，應(yīng)結(jié)合機(jī)型性能、作物特點(diǎn)、氣象條件等因素進(jìn)行測試和調(diào)整，必要時(shí)應(yīng)結(jié)合無人機(jī)的防治效果，確定最佳作業(yè)技術(shù)參數(shù)，以確保無人機(jī)作業(yè)質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)符合要求。

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