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植保无人机在水稻喷施中的雾滴沉积机理及作业参数研究

陈盛德

  目前,我国植保无人机对水稻航空喷施作业还处于初步阶段,在植保无人机航空喷施应用过程中,各种因素对雾滴沉积分布特性的影响机理不明,理论基础缺乏,导致植保无人机航空喷施实际作业缺乏相应的试验方法指导和规范。针对这一现状,本文提出了植保无人机在水稻喷施中的雾滴沉积机理及作业参数研究,通过理论分析和田间试验相结合,研究了植保无人机作业参数、雾滴粒径以及旋翼下方风场对航空喷施雾滴沉积分布的影响机理,并通过大量试验对植保无人机的飞行参数、飞行质量及有效喷幅进行了比较和分析。主要研究工作和创新成果如下:在研究植保无人机作业参数对航空喷施雾滴沉积分布的影响试验中,以单旋翼植保无人机搭载微轻型机载北斗定位系统来获取作业参数,分析了作业参数对雾滴沉积分布的影响。结果表明:作业高度和作业速度对靶区内雾滴平均沉积率影响均显著。3次试验中,靶区内雾滴沉积率随着高度的增加而减少;在作业高度为1.92 m时雾滴沉积均匀性最佳,且雾滴飘移量最少。另外,第一、二条采集带上靶区内雾滴沉积率均明显多于作业速度较大的第三条采集带上的雾滴沉积率;且由于外界风场的影响,作业航线下风向的雾滴沉积率和飘移距离均大于作业航线上风向的雾滴沉积率和飘移距离;以及由于飞行速度的影响,航线下风向第三条雾滴采集带上的雾滴飘移率均大于第一、二条雾滴采集带上的雾滴飘移率。在研究雾滴粒径参数对航空喷施雾滴沉积分布的影响试验中,通过植保无人机实现了相同喷施流量、体积中值直径(D_(v0.5))分别为95.21、121.43、147.28和185.09μm的4种不同粒径的雾滴对水稻进行喷施试验,并研究了雾滴粒径对航空喷施雾滴沉积分布的影响。结果表明:粒径参数对雾滴在水稻冠层沉积和飘移的影响均为极显著,对雾滴沉积穿透性的影响显著;雾滴在靶区内水稻上层和下层的沉积率随着粒径的增大而增大,飘移率和飘移距离随着雾滴粒径的增大而减小,穿透性随着雾滴粒径的增大而提高;另外,对于植保无人机超低量喷施作业而言,为减少药液飘移和提高沉积效果,应避免使用D_(v0.5)小于150μm的雾滴,且应预留10 m以上的缓冲区以避免药液飘移产生的药害。在研究植保无人机旋翼下方风场对雾滴沉积分布的影响试验中,通过结合植保无人机喷施作业时旋翼下方风场和水稻冠层的雾滴沉积结果,分别分析了单旋翼植保无人机和多旋翼植保无人机旋翼下方X、Y、Z方向的立体风场对雾滴沉积分布的影响。对于单旋翼植保无人机来说,Y向风速和Z向风速对有效喷幅区内雾滴沉积量的影响分别为显著和极显著;Z向风场对有效喷幅区内雾滴沉积穿透性和雾滴沉积均匀性的影响显著;有效喷幅内边缘处的Y向风速对雾滴沉积飘移的影响显著。另外,有效喷幅区内雾滴沉积量与Y向风速和Z向风速之间的关系模型及有效喷幅区内雾滴沉积均匀性与Z向风速之间的关系模型对应的决定系数分别为0.755和0.837,可以为实际应用提供指导。对于多旋翼植保无人机来说,Z向风速对有效喷幅区内雾滴沉积量的影响极显著;Y向风速和Z向风速对有效喷幅区内雾滴沉积穿透性的影响分别为显著和极显著;Z向风速对雾滴沉积飘移的影响显著;且水平方向上X、Y向风速和垂直方向上Z向风速共同影响着有效喷幅区内的雾滴沉积均匀性,当X、Y向风速峰值越小、Z向风速峰值越大时,雾滴沉积均匀性越好,最佳值达到36.44%。另外,有效喷幅区内雾滴沉积量与Z向风速之间的回归模型及雾滴沉积穿透性与Y向风速和Z向风速之间的回归模型的决定系数分别为0.868和0.842,其模型可以为实际作业提供指导。在不同类型和不同控制方式下植保无人机喷施作业参数和飞行质量的测试与分析中,四旋翼植保无人机飞行参数的变化均匀性、航线精度和航线长度均匀性均优于单旋翼植保无人机,且全自主控制方式下四旋翼植保无人机飞行参数的变化均匀性、航线精度和航线长度均匀性均优于半自主控制方式下四旋翼植保无人机;全自主控制方式下四旋翼电动植保无人机在整个作业区域内的平均飞行航线偏差最小,为0.172m。另外,飞行方向对半自主控制方式和全自主控制方式下植保无人机飞行参数的影响分别为显著和不显著;航线长度对半自主控制方式下植保无人机飞行参数的影响不显著,而航线长度对全自主控制方式下四旋翼电动植保无人机飞行速度的影响显著。在植保无人机航空喷施作业有效喷幅的评定与分析中,通过不同飞行参数下的航空喷施试验及不同有效喷幅评定方法来评定单旋翼植保无人机和多旋翼植保无人机的有效喷幅和选择较优的有效喷幅评定方法。结果表明:由于当前图像处理技术的限制,不同雾滴粒径参数的植保无人机,应合适地选择其有效喷幅宽度的评定方法。50%有效沉积量判定法更适于试验中雾滴粒径较大的单旋翼植保无人机的有效喷幅宽度评定,且评定的平均有效喷幅宽度为≥4.44 m;雾滴密度判定法更适于试验中雾滴粒径较小的多旋翼植保无人机的有效喷幅宽度评定,且评定的平均有效喷幅宽度为≥2.58m。……   
[关键词]:植保无人机;水稻;航空喷施;沉积机理;作业参数
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:华南农业大学2018年