摘要：為探究多旋翼植保無人機在不同工況下對施藥效果的影響，明確兩款多旋翼植保無人機結構設計優(yōu)缺點，規(guī)范植保無人機在飛防作業(yè)中的參數(shù)設置。試驗以兩款多旋翼植保無人機為對象，采用CFD仿真模擬植保無人機在不同工況下的流場分布、風場幅寬、飄移情況。結果表明：兩款植保無人機主要風場幅寬可達6～12 m，次要風場幅寬可達12～20 m；增加飛行高度、飛行速度可以獲得較大的噴灑面積，但風場穿透力減弱、霧滴飄移距離增加，順風作業(yè)有利于改善施藥效果；四旋翼植保無人機相較于六旋翼植保無人機平衡性更好，下壓力及抗飄移能力都有一定優(yōu)勢，且風場分布均勻規(guī)整，更有利于噴灑均勻。可為后續(xù)植保無人機機型結構優(yōu)化提供思路和為植保無人機飛防作業(yè)參數(shù)設置提供理論依據(jù)。

關鍵詞：植保無人機；數(shù)值模擬；飛行高度；飛行速度；風速

中圖分類號：S251

文獻標識碼：A

文章編號：20955553 （2024） 070087

10

Influence of plant protection UAV on the effect of pesticide application under various

operating conditions based on CFD simulation

Xu Tianfu1， Zhao Haiyan1， Sang Weijun1， Liu Jianfeng2， Xie Kang1， Sun Guangjun3

（1. College of Tobacco Science， Guizhou Key Laboratory for Tobacco Quality Research， Guizhou University，

Guiyang， 550025， China； 2. Institute of Entomology， Guizhou University， Guiyang， 550025， China;

3. Guizhou Province Company， China National Tobacco Corporation， Guiyang， 550001， China）

Abstract：

In order to explore the impact of multi-rotor plant protection UAV on pesticide application under different working conditions， the advantages and disadvantages of the structural design of two multi-rotor plant protection UAVs were clarified， and the parameter settings of plant protection UAV in flight prevention operations was standardized. In this experiment， two multi-rotor plant protection UAVs were used to simulate the flow field distribution， wind field width and drift of UAVs under different working conditions. The results showed that the main wind field width of the two types of plant protection UAVs could reach 6-12 m， and the secondary wind field width could reach 12-20 m. Increasing flight altitude and speed could achieve a larger spraying area， but the wind field penetration was weakened and the distance of fog droplet drift was increased. Working in the downwind direction was beneficial for improving the spraying effect. Compared with the" six-rotor crop protection drones， the four-rotor" crop protection drones have better balance， advantages in downforce and anti drift ability and a uniform and orderly wind field distribution， which is more conducive to uniform spraying. The research results can provide ideas for the structure optimization of plant protection UAV and theoretical basis for the setting of flight control operation parameters of plant protection UAV.

Keywords：

plant protection UAV; numerical simulation; flight height; flight speed; wind speed

0 引言

隨著無人機技術的發(fā)展，植保無人機在農業(yè)領域的應用越來越廣泛［1］，其靈活性好、效率高、勞動強度低等展現(xiàn)出來的特點解決了傳統(tǒng)植保機械受作物長勢和地理因素限制的問題［2］，緩解了農村勞動力不足的現(xiàn)狀、提高了農藥的利用率、降低了植保作業(yè)過程中對操作人員的危害等問題［3］。目前，我國對于植保無人機田間施藥技術的研究較少，作業(yè)參數(shù)設置隨意，缺少統(tǒng)一的標準施藥技術和作業(yè)規(guī)范。亟需科研工作者通過大量試驗來探索符合植保無人機施藥的通用規(guī)律。

植保無人機防治農作物有害生物的效果取決于噴霧藥液能否合理有效地沉積于靶標［4］，其影響因素有作業(yè)參數(shù)、作業(yè)環(huán)境、噴頭性能、機型以及作物類型等［5］。前人研究結果表明：植保無人機的飛行高度和速度是影響施藥效果的主要制約因素，不同的飛行高度、速度影響靶標區(qū)域內的霧滴沉積量、霧滴密度、霧滴粒徑［6， 7］；除飛行高度和速度外，增加施藥量也可以改善施藥效果［8］。植保無人機在作業(yè)時，風速過大，霧滴飄移嚴重，霧滴不易附著在農作物表面；風速過小不利于霧滴沉積，適當?shù)娘L速可提升施藥效果，風速在3 m/s以下時施藥效果較好［9， 10］。噴頭是植保無人機施藥系統(tǒng)的關鍵部件之一，選用霧化粒徑小的噴頭能夠改善施藥效果，但易發(fā)生飄移；選用霧化粒徑大的噴頭，能有效降低霧滴飄移，但霧滴沉積分布不均勻［11， 12］。除上述原因外，不同作物類型冠層的郁閉程度也影響著植保無人機的施藥效果［13］，作物葉片重疊遮蓋嚴重，霧滴難以沉積到位于下部葉的靶標，植保無人機強勁有力的下壓氣流可以改變冠層的郁閉程度［14， 15］，對于改善施藥效果具有積極作用。

目前，植保無人機旋翼風場分布特性的檢測方法主要有田間試驗、試驗臺試驗和數(shù)值模擬［16］。田間試驗限制多、耗費大，但結果能反映實際噴灑性能和霧滴漂移特性。試驗臺試驗數(shù)據(jù)可靠性高、可重復性強，但無法模擬真實的噴灑環(huán)境。數(shù)值模擬能夠精確模擬影響植保無人機施藥效果的各種因素，現(xiàn)已成為研究植保無人機旋翼風場分布規(guī)律的一種主流研究方法［17］。其中CFD數(shù)值模擬是一種利用計算機求解流體力學方程組的方法，可以有效地模擬旋翼周圍的流體運動，捕捉渦旋流動細節(jié)，揭示旋翼繞流的特性［18］。在植保無人機領域，CFD仿真模擬技術主要用于機型結構優(yōu)化、作業(yè)參數(shù)優(yōu)選等方面［1921］。本試驗采用CFD數(shù)值模擬仿真兩款多旋翼植保無人機在不同工況下的流動分布、風場幅寬、飄移情況及無人機風場和環(huán)境風速間的相互作用；同時結合田間試驗驗證仿真模擬試驗結論。可為后續(xù)多旋翼植保無人機的霧滴運動規(guī)律、機型結構優(yōu)化、作業(yè)參數(shù)優(yōu)選研究提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗設備與材料

CFD仿真模擬供試機型：（1）極目EA-30X植保無人機，四旋翼，裸機約32 kg，最大起飛重量為67 kg，藥箱容積為30 L、作業(yè)載荷為30 kg，噴頭數(shù)量為2個，噴頭型號為CCMS-L20000，霧化粒徑為20～250 μm；（2）大疆T-30植保無人機，六旋翼，裸機約26.3 kg，最大起飛重量為66.5 kg，藥箱容積為30 L、作業(yè)載荷為30 kg，噴頭數(shù)量為16個，噴頭型號為SX11001VS（標配），霧化粒徑為130～250 μm；（3）誘惑紅（指示劑）；（4）風速測量儀，型號為TA8166。

1.2 模型處理

考慮到仿真需求，對兩款植保無人機進行適當簡化，在保留各部件主要外型面的同時，去除了諸如螺釘、按鍵等對整體流場仿真影響可以忽略的局部細節(jié)，簡化后四旋翼植保無人機模型如圖1所示，六旋翼植保無人機如圖2所示。

1.3 網格劃分

采用Cadence Point Wise進行流體域的網格劃分，繪制混合網格?？紤]到后續(xù)使用壓力遠場邊界條件進行仿真，建立100 m×100 m×55 m的結構網格方形計算區(qū)域，飛行器中心位于（0，0，0）處，地面邊界距離飛行器支撐腿3 m/5 m距離，飛行器處網格加密，即空間網格尺度不超過10 cm，如圖3所示。針對旋翼區(qū)域進行局部重點加密，即旋翼表面網格前后緣沿弦向第一層不大于0.5 mm，增長率不大于1.2，沿展向網格尺度不大于5 mm，其他地方網格尺度不超過1 cm。由于需要考慮旋翼的旋轉，旋翼區(qū)域采用滑移網格，繪制了單獨的旋轉區(qū)域，其他區(qū)域采用靜態(tài)網格。為精確捕捉附面層流動，繪制30層附面層網格，第一層網格厚度0.5 mm，旋翼第一層網格厚度0.2 mm，總網格量約1 000萬，如圖4所示。

1.4 計算設置

由于有旋翼存在，在2 800 r/min轉速下，旋翼尖端速度約146 m/s，馬赫數(shù)約0.43，此時空氣的壓縮性不可忽視，因此采用ANSYS CFX密度基求解器，使用可壓縮流體模型進行仿真，空氣使用理想氣體模型，湍流模型使用適合旋翼仿真的k-ω SST模型；N-S方程由連續(xù)性方程、動量方程和能量方程組成。

仿真大氣環(huán)境按靜壓101 325 Pa，靜溫300 K設置，壁面使用絕熱壁面。初始條件采用均勻自由流條件，X軸正向為飛行器飛行方向，Z軸從地面指向天空。有風時，風沿X軸正向向前吹，即飛行器順風飛行。地面采用滑移粗糙壁面，相對飛行器以飛行速度向X軸負向運動。旋翼使用滑移網格，設置其按照指定的轉速、旋轉方向繞軸旋轉，如圖5所示。

1.5 噴灑介質及模擬分析內容

本試驗噴灑介質為水，四旋翼植保無人機每個噴頭噴灑流量設為0.084 kg/s，共計2個噴頭總噴灑流量為0.168 kg/s，六旋翼植保無人機每個噴頭噴灑流量設為0.010 kg/s，共計16個噴頭總噴灑流量為0.160 kg/s。根據(jù)植保無人機在田間作業(yè)時，常設置的飛行高度、飛行速度范圍及探索環(huán)境風速對植保無人機施藥效果的影響，設置如表1所示的工況模擬參數(shù)。對所模擬的工況分析進行中的氣流及風場、植保無人機風場及外部環(huán)境風速的相互影響以及云圖、流場、分布曲線模擬數(shù)據(jù)分析。

1.6 田間施藥效果驗證

田間試驗作業(yè)對象為煙草，于2023年5—8月在貴州省福泉煙草科學研究所基地（E26°74′，N107°50′）進行，供試烤煙品種K326，種植間距為1.0 m×0.6 m。試驗時，選擇氣溫在20 ℃～32 ℃、相對濕度在40%～90%，煙株平均高度為30 cm。作業(yè)參數(shù)設置如表1所示，但風速由于在田間難以精確控制，只驗證在0～1.0 m/s和1.5～2.5 m/s兩個區(qū)間風速的施藥效果區(qū)別，如表2所示。

選擇長×寬為60.0 m×20.0 m的試驗小區(qū)，在試驗小區(qū)內每隔10 m選1行煙株作為取樣煙株，共3行，每行選11株煙作為取樣點，共計3個重復33個取樣點，圖中黑色圓圈為取樣煙株（圖6），植保無人機飛行方向為從左到右往返航行，共4個航次。在取樣點煙株葉基到葉尖1/2處布置一張霧滴測試卡（由相片紙裁剪而成，長×寬：7.0 cm×3.0 cm）。用誘惑紅兌水（5 g/L）作為指示劑加入植保無人機，在每次試驗之前，用手持風速儀測量風速，風速滿足條件則起飛作業(yè)。植保無人機作業(yè)完成后，按序收集霧滴測試卡，逐一放入密封袋，并做好標記，霧滴測試卡按順序擺放在掃描儀上，選擇灰度掃描，在600 dpi下掃描并保存圖片。使用DepositScan得到霧滴密度、霧滴覆蓋率、霧滴粒徑、霧滴沉積量。采用變異系數(shù)對各個采樣點之間霧滴均勻性進行評估，變異系數(shù)越小說明霧滴沉積分布均勻性越好。變異系數(shù)計算如式（1）所示。

CV=σμ

（1）

式中：

CV——變異系數(shù)；

σ——取樣點霧滴密度標準差；

μ——取樣點霧滴密度平均值。

2 結果與分析

2.1 兩款植保無人機在不同工況下下壓氣流分析

由圖7～圖10可知，在絕大多數(shù)工況下，兩款植保無人機均能提供強勁有力的下壓氣流，利于噴灑霧滴穿透植被，提高植保無人機對作物中、下部葉的施藥效果。

由圖7（d）和圖9（d）可知，在飛行高度5 m、飛行速度5 m/s、無風工況下，由于飛行高度和飛行速度均比較大，導致植保無人機正下方的下壓力較小，對于葉片郁閉程度嚴重的作物施藥效果不佳。同時由圖7、圖9可知，兩款植保無人機在無風狀態(tài)下，植保無人機飛行時，環(huán)境風速相對植保無人機向后運動，受植保無人機風場阻擋，在植保無人機前方形成一個弓形的下壓區(qū)域，不過該區(qū)域對噴灑并沒有什么幫助。由圖8、圖10可知，在順風飛行的情況下，植保無人機正下方有很強的下壓力，尤其在較高飛行高度和較快飛行速度飛行時區(qū)別十分明顯。

2.2 兩款植保無人機在不同工況下風場幅寬分析

植保無人機在田間作業(yè)時的有效噴幅跟植保無人機的風場幅寬有直接關系，在一定程度上影響著植保無人機的施藥效果。將下壓強度大于6.9視為主要風場，下壓強度介于3.1～6.9視為次要風場。由圖11、圖12可知，兩款植保無人機主要風場幅寬可達6～12 m，次要風場幅寬可達12～20 m。由圖11（h）、圖12（h）可知，在飛行高度5 m、飛行速度5 m/s、無風條件下風場幅寬最窄，即在無風條件下，設置較高的飛行高度和較快的飛行速度會導致施藥效果不佳。對比圖11、圖12可知，四旋翼植保無人機風場分布比六旋翼植保無人機均勻規(guī)整，更有利于噴灑均勻。同時，兩款植保無人機順風飛行時，增大了風場幅寬；隨著飛行速度的增加，風場幅寬變??；隨著飛行高度的增加，風場幅寬變大，但相同強度下的影響幅寬不如飛行高度為3 m的，即隨著飛行高度增加，能夠噴灑的面積更大，但是穿透力減弱。

2.3 兩款植保無人機在不同工況下噴灑效果分析

由圖13可知，無風狀態(tài)下，由于環(huán)境風速和飛行速度兩者間差值較大，隨著飛行高度和飛行速度的增加，兩款植保無人機風場強度衰減較為明顯；同時四旋翼植保無人機下壓風場的衰減程度比六旋翼植保無人機的弱，這得益于四旋翼植保無人機對稱性更強、平衡性更好、單槳風場更強。由圖14可知，在順風3級時，由于環(huán)境風速和飛行速度兩者間差值較小，兩款植保無人機的下壓風場得到加強，因此在現(xiàn)實的植保作業(yè)過程中，植保無人機應順風作業(yè)以提高施藥效果。

霧滴飄移是影響植保無人機施藥效果的主要因素之一，本試驗從植保無人機流場分布的偏移距離來衡量霧滴飄移情況。由圖15可知，在無風作業(yè)時，環(huán)境風速和飛行速度差值較大，兩款植保無人機除在飛行高度3 m、飛行速度3 m/s時飄移距離不明顯外，在其余工況下，均發(fā)生較為明顯的霧滴飄移，噴灑效果變差；且隨著飛行高度和飛行速度的增加，霧滴飄移距離越加嚴重，六旋翼植保無人機的霧滴飄移距離比四旋翼植保無人機更遠。

由圖16可知，在順風3級作業(yè)時，由于環(huán)境風速和飛行速度差值小，兩款植保無人機在順風作業(yè)時飄移距離無明顯差異，且順風作業(yè)可以有效縮短霧滴飄移距離。

2.4 兩款植保無人機在不同工況下地面壓力曲線和速度曲線對比分析

通過地面壓力曲線的對比，可以知道兩款植保無人機正下方風場對作物的穿透力。由圖17可知，從對沿飛行方向地面壓力來看，在飛行高度為3 m時，順風飛行四旋翼植保無人機更有優(yōu)勢，無風飛行六旋翼植保無人機更有優(yōu)勢；在飛行高度為5 m時，兩款植保無人機無明顯差異。由圖18可知，從對沿側向地面壓力來看，在飛行高度為3 m時，四旋翼植保無人機優(yōu)勢明顯；在飛行高度為5 m時，四旋翼植保無人機在順風3級、飛行速度3 m/s工況下優(yōu)勢明顯，其余工況下，兩款植保無人機無明顯差異。

通過速度曲線的對比，可以知道兩款植保無人機穿透力覆蓋范圍，即速度大且分布均勻意味著對比較寬闊的區(qū)域有較強的穿透力。

由圖19和圖20可知，從沿飛行方向和側向速度分布曲線來看，四旋翼植保無人機的風場相對于六旋翼植保無人機更大更強，穿透力優(yōu)勢十分明顯。此方面的優(yōu)勢可能源于四旋翼植保無人機采用4槳而非6槳構型，結構更加對稱，單槳風場更強，衰減更慢；另一方面，六旋翼植保無人機安裝16個噴頭，單個噴頭噴灑流量小，衰減更快。

2.5 兩款植保無人機田間作業(yè)施藥效果對比

由圖21（a）可知，四旋翼植保無人機的霧滴粒徑在飛行高度3 m、飛行速度3 m時，四旋翼植保無人機霧滴粒徑大，其余飛行參數(shù)下均是六旋翼植保無人機霧滴粒徑大，這可能是兩款植保無人機噴頭類型不同導致，同時霧滴粒徑大可能也是六旋翼植保無人機霧滴均勻性差的原因之一。使用植保無人機進行葉面噴施時，霧滴粒徑在10～300 μm之間有較好的施藥效果，從這方面來看，四旋翼植保無人機的施藥效果更好。由圖21（b）、圖21（c）來看，四旋翼植保無人機的沉積量、霧滴覆蓋度在各個作業(yè)參數(shù)下均大于六旋翼植保無人機，即在同等作業(yè)參數(shù)下四旋翼植保無人機的施藥效果更好，且四旋翼植保無人機在飛行高度3 m、飛行速度3 m/s時的施藥效果最優(yōu)。由圖21（d）可知，四旋翼植保無人機的變異系數(shù)在同等作業(yè)參數(shù)下均小于六旋翼植保無人機，即四旋翼植保無人機的噴灑均勻性更好，防治效果優(yōu)于六旋翼植保無人機。綜上所述，田間驗證結果基本跟CFD仿真結果吻合；但環(huán)境風速的改變帶來的施藥效果變化不明顯，對施藥效果的改變有升有降。這可能是在田間作業(yè)時，環(huán)境風場紊亂，作業(yè)過程中風向變化，并未完全順風作業(yè)導致的。

3 討論

目前，在我國市場上多旋翼植保無人機運用最為廣泛［22， 23］。對于多旋翼植保無人機的田間施藥技術，前人研究多著重于某一機型飛行高度、飛行速度和施藥量對某一作物的施藥效果影響，得到的結果不具備通用性。在本試驗中，仿真結果和田間試驗結果均表明：四旋翼植保無人機霧滴分布更加均勻，更有利于均勻噴灑，施藥效果更好。導致此結果的原因可能是四旋翼植保無人機的結構設計平衡性更好，單槳風場更強，衰減更慢；而六旋翼植保無人機，采用六槳構型設計，植保無人機風場向后嚴重拖曳，高度旋轉的槳葉滑流和外界風場相互作用，導致植保無人機風場向一側偏移，噴施不均勻。故而在后續(xù)的植保無人機機型結構設計中，應考慮安裝旋翼的數(shù)量及安裝位置對植保無人機平衡性的影響。

單從兩款植保無人機的CFD模擬結果來看，在無風條件下，降低飛行高度和飛行速度可以提高霧滴的穿透能力和風場強度，改善施藥效果，此結論跟田間試驗結論吻合；提高飛行高度和飛行速度可以獲得更多的噴灑面積和提高作業(yè)效率，但飄移距離增加，此結論與其他科研工作者的田間試驗結果相吻合［8， 24， 25］。即從理論上來說，植保無人機在無風條件作業(yè)時，選擇較低的飛行高度和飛行速度可以有更強的霧滴穿透力，此規(guī)律適合大多數(shù)作物利用植保無人機進行植保作業(yè)；但過低的飛行高度并不適合葉片易折損且以葉片作為收獲部位的農作物，如煙草等作物。在順風3級作業(yè)時，在較高飛行速度下的施藥效果得到改善，即植保無人機的飛行速度跟環(huán)境風速的差值越小作業(yè)效果越好。由以上規(guī)律可知，在田間作業(yè)時，植保無人機對作業(yè)對象的損害較小且在環(huán)境風速很小的情況下，應盡量選擇較低的飛行高度和飛行速度；同時應順風飛行，且飛行速度跟環(huán)境風速差值越小施藥效果越好。利用植保無人機進行植保作業(yè)會是未來的主流作業(yè)方式，但現(xiàn)今植保無人機種類多樣、作業(yè)作物繁多及作業(yè)情況復雜，未來的研究應針對市場上的主流機型在不同作物、不同環(huán)境條件下霧滴運動規(guī)律，建立相應的植保無人機施藥作業(yè)指南［26］。這可以讓飛手或農戶在利用植保無人機作業(yè)時，能夠根據(jù)植保無人機機型、作物類型、環(huán)境條件設置相應的作業(yè)參數(shù)，以提高作業(yè)效果。

4 結論

1） 兩款植保無人機在順風飛行下，可以增大風場幅寬、改善霧滴均勻性，從而提升施藥效果。

2） 降低飛行高度和飛行速度噴灑效果更好，提升飛行高度、速度可以獲得較大的噴灑面積，但是風場穿透力減弱，飄移距離增加。

3） 四旋翼植保無人機相較于六旋翼植保無人機平衡性更好，下壓力以及抗飄移能力都有一定優(yōu)勢，且風場分布均勻規(guī)整，更有利于噴灑均勻。

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