丘陵山区柑橘无人机喷药飞行参数的设计与试验研究
作者: 李华凤 王振宇 杨兆贵 万春文 赵曌 卜凤梅 李有荣 杨琳琳
摘 要:无人机喷药技术作为一种现代化农业技术,有利于推动农业现代化进程,提高农业生产效率。在云南省玉溪市丘陵山区进行柑橘无人机喷药试验,并对其数据进行分析,旨在通过合理调整飞行参数,确定最佳的飞行参数组合,提高喷药效果,减少药物浪费,并保护环境。试验结果表明,飞行高度为4.0 m、速度为2.0 m/s、雾滴粒径为80 µm、喷洒行距为4.0 m,是柑橘无人机喷药的最佳飞行参数。分析认为:在无人机喷药过程中,飞行高度、飞行速度、喷洒雾滴粒径和喷洒行距的选择对雾滴覆盖密度有直接影响。合理的飞行高度可以保证药剂能够均匀地覆盖作物表面,从而提高喷药效果;适当的飞行速度可以保证药剂能够均匀地喷施到作物表面,同时避免因速度过快而导致药剂飘逸、浪费。高度和速度的设置会影响风场的下压穿透力和药液的沉积密度。雾滴粒径大小适宜可以保证药剂能够有效地覆盖作物表面,形成均匀的覆盖层;雾滴过大会导致药剂流失,过小会导致药剂无法达到目标。合理的喷洒行距可以保证药剂的覆盖范围,避免药剂浪费和作物受损,提高喷药的均匀性。此研究可为进一步优化针对山区的无人机喷药技术提供理论依据。
关键词:柑橘植保;无人机喷药;飞行参数;喷药效果
中图分类号:S436.661 文献标志码:B 文章编号:1674-7909(2024)9-121-8
DOI:10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.09.029
0 引言
云南省是全国特色柑橘生产基地、早晚熟柑橘优势生产区域。柑橘作为云南省的第二大种植果品,呈全省性分布[1]。柑橘具有营养丰富、口感好等优点,深受消费者的青睐。作为一种典型的特色产业,柑橘产业的发展对于云南省农业经济和农民生活都有着重要的意义。在农村地区,发展柑橘产业也是一个重要的脱贫致富途径,可为当地农民提供就业机会和稳定收益,从而助力乡村振兴[2]。然而,柑橘在日常栽培管理中会受到多种害虫的威胁,虫害会影响柑橘的生长发育和果实品质,造成经济损失[3-4]。在防治农业病虫害方面,我国的机械化程度相对较低,以人工喷药为主。这种方法存在诸多问题,如喷洒不均匀、农药使用量过大、劳动强度高、效率低等[5]。而且,云南省地貌以丘陵山地为主,柑橘树体庞大,行间间距小,这使得人工和大型喷药机械难以进行作业,导致其病虫害防治的机械化程度较低。现有对柑橘无人机喷药高度、速度和作业行距参数的研究[6],为此试验提供了依据。
随着农业田间管理进入数字化时代,无人机技术在农业植保领域得到了广泛应用。在平原地区,植保无人机已经得到了广泛推广和应用。然而,在丘陵山区,由于特殊的地理环境和气候条件,较少使用无人机进行植保作业。植保无人机在丘陵山区的应用,可以实现农药的精准喷洒,提高农药的利用率,减少农药的使用量,降低农药污染,从而保护环境。同时,无人机喷药具有的特点,有助于实现农业生产的规模化,是我国农业机械化发展的重要方向。研究优化柑橘无人机喷药的飞行参数,可为柑橘无人机飞防作业提供理论支持[7-9]。
1 试验材料与设计
1.1 试验材料和设备
试验在玉溪市新平县者竜乡龙橙果业有限公司进行,种植基地位于新平县者竜乡大春河小组长虫山上,地处哀牢山山脉中部东麓;柑橘树龄为8 a,种植的株行距为2.5 m×3.0 m,植株高为2.5~3.0 m。试验所用植保无人机为大疆T40,最大载药量为40 L,双喷头设计;距作物高度为4.0~5.0 m(选取依据:1.根据参考文献,为此提供科学依据;2.此高度可以更好地覆盖到柑橘树冠层叶片的表面,保证药剂喷洒均匀,从而更好地实现防治效果),飞行速度为1.5~2.5 m/s(选取依据:1.基于厂家提供的技术参数和实际作业需求;2.在此范围内,无人机喷药速度相对较慢,可以降低药剂受风速和风向影响而产生的飘移和浪费),雾滴粒径为60~140 µm,喷洒行距为4.0~6.0 m。雾滴测试卡尺寸为35 mm×55 mm,分析软件选用ImagePy。另外,此试验还需要准备扫描仪(HP-M1136)、回形针、密封袋。
1.2 试验设计
正交试验选取的无人机飞行高度分别为4.0 m、4.5 m、5.0 m,飞行速度分别为1.5 m/s、2.0 m/s、2.5 m/s。通过对正交试验数据的整理分析,可以得出不同飞行高度和速度下的雾滴附着率和喷洒效果,确定最优的飞行高度和速度参数。
在最优高度和速度的参数下,设定不同的雾滴粒径(60 µm、80 µm、100 µm、120 µm、140 µm);处理5个试验数据,分析得出最佳的喷雾粒径参数。基于以上试验得出的最优参数,进行喷洒行距为4.0 m、5.0 m、6.0 m的单因素试验。通过整理分析试验数据,最终获得植保无人机作业高度、速度、雾滴粒径和喷洒行距的最佳参数。试验技术路线如图1所示。
1.3 数据采集
收集雾滴信息应统一设定雾滴信息采集点。为测定雾滴附着率,按照果树冠层生长分布特点,随机选取采样点,并按照采样点用雾滴测试卡进行试验。每组试验共3棵树,将雾滴测试卡分别在每个采样株上、中、下层(如图2所示)依叶正面和叶背面两个方向用回形针随机固定(如图3所示)。喷雾结束后,取回雾滴测试卡,用自封袋封装、标记。经过试验的水敏纸被雾滴润湿后,通过扫描仪处理形成图像光斑[10]。使用六六山下植保科技有限公司提供的统计分析软件来处理和分析数据,得出雾滴附着情况,对每平方厘米上的雾滴进行计数,具体如图4所示。
1.4 试验期间天气情况
2023年5月29日,天气晴,西南风3级,温度为23~25 ℃,相对湿度为64%~67%。
1.5 检测标准
根据《农业航空作业质量技术指标 第1部分:喷洒作业》(MH/T 1002.1—2016)的相关指标要求,雾滴覆盖密度是指处理对象单位面积上的雾滴数,以每平方厘米的雾滴个数表示,雾滴密度在15~20个/cm2为符合国家标准[11-12]。
2 结果与分析
2.1 高度与速度
正交试验选取的无人机飞行高度分别为4.0 m、4.5 m、5.0 m,飞行速度分别为1.5 m/s、2.0 m/s、2.5 m/s。
在此次试验中,针对不同高度和速度进行了9组试验,并在每组试验的每棵树上进行多次测试。具体而言,在每个采样株的上、中、下3层及叶正面和叶背面2个方向,分别使用了雾滴测试卡进行试验。再将每组试验的3棵树的测量结果取平均值,并将这些数据汇总至表1中。基于这些数据,绘制出多因子柱状图,如图5所示。通过这一系列严谨的试验设计和数据处理,各因素之间的关系得以厘清,并为后续研究提供有力的依据。
试验结果表明,柑橘无人机喷药的飞行高度和速度对喷药效果有较大影响。在一定范围内,增加飞行高度和速度有助于提高雾滴覆盖密度,使其达到预期标准。然而,当飞行高度和速度继续升高时,雾滴覆盖密度提升的趋势逐渐减弱,甚至出现下降。这说明在选择飞行高度和速度时,必须综合考虑雾滴覆盖密度达标情况,以实现作业效果的最优化。
图5详细展示了飞行高度和飞行速度对树冠上、中、下层雾滴覆盖密度的影响。横坐标分别标识飞行高度和飞行速度的变化范围,纵坐标标识树冠上、中、下层的雾滴覆盖密度。根据《农业航空作业质量技术指标 第1部分:喷洒作业》(MH/T 1002.1—2016)的相关指标要求,设定合格线为y=15(这一数值代表雾滴覆盖密度的合格标准)。当图中的纵坐标数据大于15时,认定雾滴覆盖密度达到了合格水平。以此方法可直观地了解在不同飞行高度和飞行速度条件下,树冠各层雾滴覆盖密度的达标情况。
通过对图5的分析,发现当飞行高度为4.0 m、速度为2.0 m/s时,以及飞行高度为4.5 m、速度为1.5 m/s时,树冠各层的雾滴覆盖密度满足合格要求。
比较上述2种飞行高度和飞行速度处理下雾滴覆盖密度方面的差异,可以为喷雾作业提供更精确的优化建议,进而提高喷雾效果并降低作业成本。对这2组数据的详细比较有利于从多个角度审视飞行高度和飞行速度对柑橘树冠雾滴覆盖密度的影响。这将为相关工作者提供宝贵的参考依据,以便在实际喷雾作业中更科学地调整飞行参数,从而达到更佳的喷雾效果和更高的作业效率。
对图6、图7进行分析发现,在飞行高度为4.0 m,飞行速度为2.0 m/s时,上层、中层和下层的雾滴覆盖密度均较高;而在飞行高度为4.5 m,飞行速度为1.5 m/s时,树冠上层的雾滴覆盖密度较高,但中层和下层的雾滴覆盖密度较低。这表明,在一定范围内,飞行高度对雾滴覆盖密度有显著影响。其次,在飞行速度为2.0 m/s,飞行高度为4.0 m和4.5 m时,树冠上层的雾滴覆盖密度较高,但中层和下层的雾滴覆盖密度较低。而在飞行速度为2.5 m/s时,树冠各层的雾滴覆盖密度普遍较低。这说明无人机在高度为4.0 m、速度为2.0 m/s时作业,雾滴的均匀性要优于高度为4.5 m、速度为1.5 m/s时作业。因此,应选用飞行高度为4.0 m、飞行速度为2.0 m/s的喷雾作业参数。
这些结果表明,在喷药过程中,高度和速度的设置对于雾滴密度及其在叶背的附着效果具有重要影响。
①喷药的高度会影响雾滴的大小和分布。高度越高雾滴越小,因为重力会减小雾滴到达植物表面之前的影响。然而,过高的喷药高度可能会导致雾滴不能穿透叶片内部,从而减少其在叶背的附着量。
②喷药速度决定了雾滴的数量和大小。喷药的速度加快会产生更小的雾滴,但同时也需要更多的能量。合适的喷雾速度应能确保雾滴在到达植物表面时仍保持足够的动能,以实现有效附着。
在实际应用中,应当根据具体的环境因素(如温度、湿度和风速等也会影响雾滴的分布和在植物表面的停留时间)合理地调整飞行高度和速度,以保证喷药效果的优良。同时,要进一步探究其他可能影响雾滴密度附着效果的因素,以便在实际操作中实现更优化的喷药效果。
2.2 雾滴粒径
在现代农业生产中,无人机喷药技术已被广泛应用,特别是在地形复杂的丘陵山区,无人机喷药技术能够有效地解决人工喷药困难的问题。为了优化喷药效果,针对丘陵山区的特定环境进行多组试验,寻找雾滴粒径的最佳值。
在试验过程中,在保持原有最佳飞行高度和速度的基础上,采用了5种不同大小的雾滴粒径(分别为60 µm、80 µm、100 µm、120 µm和140 µm)进行多组对比试验。试验中,用分析软件测试水敏纸的覆盖范围和附着效果,由数据得出不同雾滴粒径对喷药效果的影响(如表2所示)。
经过多次试验和数据分析,如图8所示,从雾滴粒径的角度来看,不同粒径的雾滴在叶正和叶背位置的喷药量有所不同。在所有粒径中,80 µm的雾滴在叶片正面位置的喷药量最大,达到60.86个/cm2,而在叶背位置的喷药量最低,为35.62个/cm2。在丘陵山区的特定环境下,得出无人机喷药飞行参数中雾滴粒径的最佳值,即在雾滴粒径为80 µm的情况下,药物的覆盖范围适当,附着效果良好。
2.3 喷洒行距
采用3种不同大小的喷洒行距进行对比试验,分别为4.0 m、5.0 m和6.0 m。在试验过程中,在保持无人机飞行高度、飞行速度和雾滴粒径保持不变的前提下进行了3组试验,分别对不同喷洒行距下的药剂覆盖范围、附着效果进行了观察和比较,如图9和表3所示。
对比试验数据发现,喷洒行距对覆盖范围有显著影响。在一定范围内,喷洒行距越大,覆盖范围越广。但是当喷洒行距过大时,覆盖范围增加趋势减缓,甚至出现覆盖不均匀的现象。随着喷洒行距的增大,雾滴在叶片正面的附着效果略有增大,在叶背的附着效果逐渐减弱。当喷洒行距达到6.0 m时,在叶片正面和叶背都出现附着力下降的现象。试验数据显示,在飞行高度、速度和雾滴粒径不变的情况下,喷洒行距为4.0 m时,附着效果最佳。从喷洒位置的角度来看,不同层次的喷药量有所不同。通常情况下,上层喷药量较高,下层喷药量较低。这可能是因为药剂在飞行过程中受到重力作用,较重的药剂粒子会沉积在较低的位置,导致下层喷药量较少。在叶片正面和叶背位置,喷药量也有所差异。叶片正面位置喷药量普遍较高,叶背位置喷药量普遍较低,这可能是因为叶背受到叶片阻挡及无人机的风力没有使叶片翻转所致。