单旋翼植保无人机喷雾参数优化研究

发布时间：2020-04-23 23:57

【摘要】：植保无人机施药技术的研究不同于地面植保机具,要使喷洒的农药效果发挥到最高,并且均匀地吸附在作物不同冠层结构的叶片上,不仅与植保无人机喷洒平台的稳定性、可靠性有关,还与喷嘴的雾化效果、雾滴粒径、无人机旋翼气流场、喷洒高度、喷洒速度、喷洒流量、作物特性、病虫害特点以及环境条件等有关。因此,本文选择市场上具有代表性的机型N-3型油动单旋翼植保无人机为研究平台,针对影响喷洒效果的参数(雾滴粒径、旋翼下洗气流场、喷洒高度、喷洒速度、喷洒流量等),开展航空专用离心喷嘴设计与雾化效果研究、旋翼下洗气流场风场宽度和风场大小研究、雾滴最佳沉积水平响应面模型研究,并结合作物病虫害特点与旋翼产生的气流效应,探索了旋翼下洗气流对水稻稻飞虱和小麦白粉菌动态分布的影响,初步明确了旋翼产生的气流稻飞虱和白粉菌具有一定的扰动作用;最后进行了喷嘴优化前后无人机田间喷洒农药防治病虫害对比试验研究。主要工作包括以下方面:1.研究了离心喷嘴雾化效果,并对离心喷嘴的结构进行改进,获得最佳入流方式。结果表明,优化后的离心喷嘴雾化效果更均匀平稳,转速和流量对离心喷嘴的雾化性能影响较大,雾滴粒径大小随着转速的增加而减少,随着流量的增加而增大,但流量对雾滴粒径的影响没有转速对雾滴粒径的影响显著。为获得良好的覆盖率,要求雾滴粒径为200 μm,此时对应的转速为6000 r·min-1。离心喷嘴雾滴沉积量在整个雾化区域内近似呈中空的圆锥台分布。雾滴的水平速度直接影响雾化的喷幅,单个喷嘴的喷幅可达2.5 m,因此喷嘴的安装间隔为2.5 m以内,根据不同的作业高度无人机喷幅可在5m以上。2.研究了 N-3型植保无人机低空飞行时旋翼气流场特性,获得了不同飞行高度条件下的旋翼风场数据。试验结果表明,模拟值与试验值基本吻合,在无人机飞行高度5～7m时,此时的风场宽度为6～7m,作物冠层的旋翼风速大于3 m·s-1,能满足末速度原则。3.在单因素试验的基础上,采用Box-Benhnken中心组合试验设计理论对施药机具的喷雾参数进行研究。以飞行高度、飞行速度、喷头流量等工作参数为影响因素,以雾滴在靶标上的沉积水平为目标函数,建立雾滴沉积水平的二次多项式数学模型,并分析模型的有效性与因子间的交互作用。试验结果表明,对雾滴沉积水平影响大小依次为飞行高度、飞行速度、喷头流量;最优喷洒参数组合为飞行高度5.0 m,飞行速度3.7 m·s-1,双喷头流量1600 mL·min-1,此条件下的雾滴在靶标上的最大沉积水平为56.96%,且试验值与模型预测值相比相对误差在±7%以内。4.研究了水稻孕穗期雾滴穿透性情况。通过探索雾滴在作物不同部位的沉积分布规律和无人机不同作业高度时的雾滴飘移规律,明确了 N-3型植保无人机田间作业时实际作业参数。试验结果表明:N-3型植保无人机在水稻生长后期喷洒农药时,作业高度和横向喷洒幅度会影响雾滴在植株上下层的沉积量和分布均匀性。当外界风速小于3m·s-1时,气温25～30℃,相对湿度50.9～56.7%, N-3型植保无人机作业高度3～7m时,雾滴的飘移量主要集中在离喷洒区20m范围内,研究结果可为N-3型植保无人机田间施药过程中隔离带的划分提供参考。5.研究了 N-3型植保无人机作业对冠层稻飞虱和白粉菌孢子的动态分布影响。结果显示,无人机的飞行高度对稻飞虱虫口数量的分布有重要的影响,在旋翼气流的正下方区域无明显影响,但在离旋翼气流的正下方边沿区域2～10 m远的范围内,会使稻飞虱在作物冠层上的水平分布和垂直分布发生变化。在离旋翼气流的正下方边沿区域2～5m的作物冠层,稻飞虱数量减少,但在5～10m的范围内稻飞虱数量明显增多。气流扰动明显地增加了作物冠层上部的稻飞虱虫口数量分布,并且在一定范围内飞行高度越高、旋翼直径越大,影响的范围越广。在稻飞虱的防治中,建议先用无人机进行模拟喷洒飞行,使气流扰动作物冠层,稻飞虱将会从水稻下部逃离到其它地方,在冠层的垂直分布上会使上层增多,在喷洒时有利于提高防治效果。白粉病原菌孢子数量的释放与气流扰动的影响关系密切,在开始阶段孢子释放量较少时,无人机的旋翼气流对孢子的释放影响较小;随着孢子量的增多,小麦经过旋翼气流的扰动与没有经过气流扰动相比,气流扰动明显地增加了孢子的释放量,在小麦白粉病无人机喷洒防治中,为了减轻旋翼气流对孢子释放的影响,在病原菌孢子刚开始出现的2～3天内进行预防性喷施防治。6.研究了植保无人机田间施药对水稻稻飞虱和小麦白粉病防治效果研究。结果表明:单旋翼油动无人机旋翼直径的大小,对稻飞虱防治效果无明显影响;但气流的扰动和喷嘴的选择对防治效果影响明显。在对水稻稻飞虱防治试验中,N-3型植保无人机使用优化后喷嘴的防治效果在施药后3天能提高稻飞虱防效5%左右。有气流扰动情况下施药的防治效果要优于无气流扰动处理的施药效果,能提高防治3%左右。在对小麦白粉病防治试验中,使用优化后喷嘴,无人机每公顷喷洒44%三唑酮SC 450g (每公顷登记药量),施药后第7天的防治效果55.1%,要优于优化前喷嘴的防效和减药20%和40%时的防治效果,并且每公顷减药20%的施药效果(46.6%)与背负式电动喷雾器的施药效果(45.6%)和优化前喷嘴的施药效果(47.9%)无明显差异。
【图文】：

沉积分布,水稻田,无人机

术已成为国内行业发展的重点方向。相关产品广泛适用于我国的农田、丘陵、山地逡逑和滩涂等环境，其作业效率可达机动喷雾机的３０倍，手动喷雾机的１００倍［７］。近逡逑几年来，人们己开始关注植保无人机在农业上的应用研究（如图１－２，邋１－３），作业面逡逑积每年超过１０万亩次。另外，河南、江苏、湖南、浙江和福建等省份纷纷将植保旋逡逑翼无人机纳入农机补贴范畴，植保无人机施药目前已成为我国最有前景的航空喷雾逡逑作业模式［８＿１Ｄ］。逡逑图１－２邋Ｎ－３型植保无人机水稻田作业逦图１－３邋Ｎ－３型植保无人机玉米田喷洒逡逑Ｆｉｇ邋１－２邋Ｓｐｒａｙ邋ｔｅｓｔ邋ｉｎ邋ｒｉｃｅ邋ｆｉｅｌｄ邋ｂｙ邋Ｎ－３邋ＵＡＶ逦Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｓｐｒａｙ邋ｔｅｓｔ邋ｉｎ邋ｃｏｍ邋ｆｉｅｌｄ邋ｂｙ邋Ｎ－３邋ＵＡＶ逡逑１．１．２航空喷雾存在的问题逡逑植保无人机喷洒不同动面机具，对喷洒的设备和效果有其特殊要求。喷嘴要求低逡逑量或超低量喷洒、不易堵塞、雾滴谱窄、沉积分布均匀好；旋翼下洗气流要求能增逡逑加雾滴穿透性和降低雾滴飘移。但目前还存在航空喷嘴基础性研宄薄弱、航空专用逡逑喷嘴缺失，现有的喷嘴存在易堵塞、雾滴粒径谱宽和分布均匀性差，航空喷洒作业逡逑参数不确定，农药利用率低，旋翼下洗气流特性以及对雾滴的沉积分布影响不明确逡逑等一系列问题。针对以上问题，将开展农用航空喷嘴研宄、旋翼下洗气流场研宄、逡逑航空喷洒雾滴沉积和飘移研究、作物病虫害空间动态分布和防治效果研究。逡逑１．１．３研究的目的和意义逡逑探索植保无人机作业方式与雾滴沉积质量以及作物病虫害有效防控之间的关系

示意图,喷头,压力,示意图

从国外进口或者使用扇形液力喷嘴、圆锥液力喷嘴等普通地面喷嘴代替［２（）＿２１］。逡逑液力式喷嘴液体在压力的作用下从小孔喷出形成液膜，液膜在空气中剪切撕裂逡逑形成雾滴，如图１－４所示。液体在雾化区域的中心和两端分布不均，且雾滴之间相逡逑互碰撞，雾滴谱宽。在０．３？０．５ＭＰａ工作压力下，雾滴体积中径（ＶＭＤ）较大（约逡逑２００？５００邋ｐｍ），单位时间内喷洒的药液量较多（约１？２Ｌｍｉｎ＿１），属于常量喷雾范逡逑围，无法实现低容量喷施（约０．５？ｌＬｍｉｒＴ１）。离心喷嘴工作时，在离心转盘的甩动逡逑下，雾滴做离心运动，雾滴在运动下落过程中，通常互不干涉，不会发生碰撞，产逡逑生的雾滴体积中径约为７８？２００ｐｍ，符合民用航空行业标准［２２＿２３］，并且还可以通过逡逑调整电机电压可以控制雾滴的粒径，是比较理想的航空喷嘴［２４＿２５］，，如图１－５。但其结逡逑构较复杂、价格高，主要技术还被国外所掌握。图１－５中的离心喷嘴是由英国Ｍｉｒｃｏｎ逡逑设计公司制造的
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S252.3

【引证文献】