环境风速对六旋翼无人机下洗气流和雾滴沉积影响研究

小型多旋翼植保无人机存在农药飘移、雾滴沉积不均等问题,为此本文结合RANS方程、SST k-ω湍流模型和SIMPLE算法,对耦合六旋翼植保无人机下洗气流场和喷雾雾滴的两相流场进行数值模拟计算,探析环境风速对无人机下洗气流和农药雾滴沉积的影响。机身下方空间点风速试验和模拟值相对误差在15%以内,验证了数值模型的准确性。数值模拟结果表明：植保无人机飞行作业时,来流造成无人机下洗风场出现漩涡,来流速度对机身正下方流场的影响大于其对旋翼正下方流场的影响;侧风造成无人机下洗风场出现较大漩涡,下洗风场稳定性降低;两侧旋翼正下方对称布置喷嘴提高了雾滴沉积均匀性,来流造成雾滴卷积,雾滴飘移量随着来流速度提高而增大。综合各因素,无人机喷嘴应在旋翼下方对称布置,在小型六旋翼植保无人机实际作业时,无人机作业方向需要与外界环境风向保持平行,同时在晴朗环境下施药作业,从而降低雾滴飘移,提高农药利用率。     

基于Porous模型的多旋翼植保无人机下洗气流分布研究

植保无人机进行果树施药时,果树冠层周围及内部的下洗气流时空分布对雾滴的附着和分布有重大影响,为明确无人机下洗气流时空分布规律,针对六旋翼植保无人机,结合RANS方程、RNG k-ε湍流模型、Porous模型、滑移网格技术及SIMPLE算法,建立了六旋翼植保无人机悬停施药下洗气流时空分布的三维CFD模型。数值模拟结果表明:无果树时,旋翼下洗气流近似呈"圆柱形"向下发展,到达地面后形成地面铺展,在旋翼正下方0. 6～1. 7 m区域内出现速度范围为3. 0～4. 0 m/s的"Z方向(竖直向下)速度稳定区";有果树时,冠层对旋翼下洗气流有明显的阻挡作用,不再出现"Z方向速度稳定区"。以本文模拟的3棵果树为例,Ⅰ号果树冠层周围气流从冠层上半部区域开始呈"圆锥形"向下发展,以一倾斜角发展到地面形成小范围地面铺展,地面铺展末端出现近地面卷扬,Ⅱ、Ⅲ号果树冠层周围气流卷扬严重,在计算区域内无明显地面铺展;旋翼中心正下方Z方向速度最大接近8 m/s,随着冠层压力损失系数的增大,旋翼中心正下方Z方向速度衰减加快,同时旋翼气流向四周产生扩散;计算冠层内部Z方向最大速度衰减比发现,除Ⅲ号果树冠层下半部,无果树和Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ号果树冠层内部Z方向最大速度衰减比依次增大。试验表明,无果树时旋翼正下方0. 3、0. 8、1. 3、1. 8 m处和近地面2. 3 m处试验值与模拟值的相对误差分别在10%以内和不大于25%,总体拟合优度0. 984 6,数值模拟准确;试验果树与模拟果树冠层内部的气流速度分布规律具有很好的一致性。     

不同飞行参数下八旋翼植保无人机下洗气流场对雾滴沉积分布特性的影响

近年来，应用植保无人机防治农业有害生物已成为中国植保机械发展的一大新亮点。无人机旋翼提供飞行升力的同时具有下洗气流场，低空低量施药作业雾滴沉积分布质量优劣与旋翼下洗气流场的作用密不可分。为探究植保无人机旋翼下洗气流场对喷雾效果的影响，本研究以当前植保无人机主流机型——“X型”布局八旋翼无人机为研究对象，采用实际作业测试方式，利用微气象测量系统测定无人机飞行状态下旋翼下方不同水平位置下洗气流场风速，同时采用诱惑红示踪剂水溶液代替农药喷雾获取喷雾沉积分布情况，重点对下洗气流场分布实测结果进行可视化分析，包括不同飞行高度、不同速度下旋翼下洗气流场分布特性与雾滴沉积分布特性以及二者的相互关系。测试结果显示：八旋翼植保无人机飞行过程中随着飞行速度加快（1.0~6.0 m/s）和飞行高度升高（1~2 m），冠层位置X、Y、Z三向下洗气流场总体表现为气流强度由强到弱、分布状态由集中到分散的变化趋势；X方向气流来源于下洗气流与外界空气相互作用产生的卷扬气流，对喷施雾滴的作用为逆飞行方向；Y方向为下洗卷扬气流以及地面效应共同作用的结果，对雾滴的作用为垂直于航线朝向两侧；Z方向为下洗气流竖直向下方向分量，对雾滴下降沉积具有直接促进作用；飞行速度与下洗气流场范围内风速峰值（P＜0.05，r=-0.836）和有效喷幅内平均沉积量（P＜0.05，r=-0.833）均表现出显著负相关；在飞行速度为1.0 m/s和3.0 m/s时，雾滴沉积量与下洗气流场风速均呈现极显著正相关关系（P＜0.01，r＞0），即垂直地面方向的下洗气流场越强，有效喷幅内沉积的雾滴越多；速度加快至6.0 m/s，风速显著降低，气流场对雾滴沉积的促进作用逐步消失（P＞0.05）。因此，植保无人机作业时飞行速度不应设置超过6.0 m/s，避免因下洗气流场作用减弱而导致雾滴损失。本研究结果可为改善低空低量施药作业质量和无人机田间作业规范的制定提供技术参考和支撑。     

小型植保无人机下洗气流场影响雾滴运动特性规律研究

为了研究小型无人机下洗气流场对雾滴运动特性的影响规律，以小型无人机为基础，采用Navier-Stokes(N-S)方程、realizable k-ε模型和Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations算法，对施药过程中的下洗气流场和雾滴离散运动进行了详细的数值模拟分析。研究分析无人机下洗气流的速度特性、雾滴沉积特性以及作业高度对农药沉积效果的影响。通过试验结果可知，模拟值与试验值的相对误差在20%以内，验证了下洗气流场数值模型的可行性。进一步模拟分析结果表明，在无人机喷药平台的影响下，下洗气流场在距离旋翼1 m处达到速度峰值。随着作业高度的增加，雾滴逐渐分散并扩散。雾滴主要分布在两个“气流引入区”和两个“气流导出区”,该分布特征有助于优化施药效果和提高农药的使用效率。根据分析结果，当无人机飞行作业姿态与地表保持平行，且将作业高度调整至0.8～1.0 m之间时，可显著提高农药沉积量，从而提高植保无人机的施药效果。本研究验证了下洗气流场数值模型的可行性，为小型植保无人机的对靶雾滴漂移及沉积研究提供了参考依据。     

植保无人机旋翼下洗气流对喷幅的影响研究

基于XV-2植保无人机,利用流体仿真,探究了该无人机旋翼下洗气流的速度分布特性。在此基础上,分析了在下洗气流影响下的雾滴运动方式,并进行实地测试。仿真分析说明:旋翼下洗气流从中心向外的流速差使流场从上向下有向外的铺展效应,使得喷幅增大,且喷幅与飞行高度成正比;旋翼外沿的卷扬气流使得喷幅范围内的雾滴沉积数出现2个峰值。试验结果表明:当飞行高度为6 m时,有效喷幅为10 m;飞行高度8 m时,有效喷幅为12 m。2种飞行高度下的雾滴分布均匀性基本一致。试验结果与仿真结果基本一致。研究结果可为无人机喷雾系统设计和航空植保作业参数的选择提供参考依据。     

果园施药机械资源消耗水平评价模型研究

在施药机械满足喷雾质量前提下，为降低果园施药综合成本，需要对果园施药机械资源消耗水平进行评估。本文选择典型地面风送喷雾机、单旋翼和六旋翼植保无人机进行果树施药试验，对比分析冠层雾滴沉积分布、雾滴穿透性、地面雾滴流失等主要喷雾效果指标，结果表明：3种施药机械在树冠纵向各层、横向各层雾滴沉积密度均大于25滴/cm2，能够满足果园植保要求；比较冠层雾滴分布/沉积均匀性，树冠纵向沿送风方向整体呈下降趋势，树冠横向由外到内整体呈下降趋势，变异系数最高分别达63.54%和79.19%；对比雾滴穿透性，风送喷雾机较优，纵向与横向变异系数最大为5.35%，单旋翼植保无人机横向最差，变异系数为35.20%，而六旋翼植保无人机纵向最差，变异系数达40.77%。但单旋翼和六旋翼植保无人机地面雾滴流失量分别是风送喷雾机的2.78%和12.50%，减少了农药浪费。进一步综合施水量、施药量、用工量、作业时长和作业能耗等指标，采用基于变异系数客观赋权法与主观赋权法两种线性加权方法，构建了施药装备资源消耗水平评价模型，验证结果均表明，综合资源消耗由小到大依次为单旋翼植保无人机、六旋翼植保无人机、风送喷雾机；两种评价方法的资源消耗综合评价指标值变异系数分别为110.2%和74.2%，说明基于变异系数客观赋权法的评价模型，综合指标值之间差异更明显、评价效果更符合实际。     

六旋翼植保无人机风场竖直分布特性数值模拟与验证

植保无人机作业过程中,旋翼风场竖直方向分布特性对雾滴的输运效应及作物冠层的扰动作用直接影响施药沉积效果。本文以六旋翼植保无人机风场竖直分布为研究对象,采用基于格子玻尔兹曼方法的数值模拟技术建立了无人机前飞作业时旋翼风场仿真模型,并根据正交试验方法研究了多特征参数融合对风场竖直分布特性的影响。仿真结果表明,竖直分布风场垂直于飞行方向对称分布,当飞行高度和飞行速度增加或作业载荷减小时,风场强度逐渐减弱;竖直分布风场沿侧风方向倾斜,侧风风速大于3m/s时,风场横向倾斜超45°。基于此,采用恒温差热敏芯片研制了微型无线风速采集系统,并开展了植保无人机风场竖直分布特性的多因素田间验证试验,试验结果表明：仿真模拟与田间试验旋翼风场竖直分布规律基本一致,相对误差较小,风场竖直分布特性具有较好的一致性;数值模拟方法可有效模拟植保无人机飞行过程的非定常流动,仿真与田间试验结果为植保无人机雾滴沉积的研究提供了理论基础。     

粳稻多旋翼植保无人机雾滴沉积垂直分布研究

为研究多旋翼植保无人机低空喷施作业过程中,水稻垂直方向雾滴沉积的分布规律,在水稻冠层叶片、中部叶片、底部叶片分别放置了雾滴测试卡,收集植保无人机喷洒过程中的雾滴信息。使用清水代替农药来模拟喷施过程,利用雾滴沉积分析软件i DAS分析雾滴测试卡,得出植保无人机雾滴在水稻垂直方向的分布结果。试验结果表明:植保无人机低空喷雾在水稻垂直方向的雾滴覆盖率存在显著差异,有效喷幅内旋翼下方区域的雾滴覆盖效果最好,而远离旋翼的位置,雾滴覆盖率较差。从水稻垂直方向的不同位置分析,雾滴总体覆盖率为冠层54.86%,中部32.69%,底部24.7%;水稻垂直各位置的粒径分布中,平均粒径范围处于110~140μm之间,粒径大小适合植物病虫的防治。冠层的点密度最大,而水稻中间部位和水稻底部的点密度分布较为相似;水稻中部雾滴扩散比(0.465)优于冠层(0.38)和底部(0.31),整体喷雾的雾滴扩散比与相对粒谱宽度的数值均低于正常值(0.67)。     

无人机喷雾参数对粳稻冠层沉积量的影响及评估

主要研究了植保无人机在水稻灌浆期喷施磷酸二氢钾(KH2PO4)的作业效果及八旋翼无人机喷雾参数对水稻叶片雾滴沉积分布的影响,测试分析了无人机在水稻灌浆期植保作业时雾滴的沉积效果。研究采用雾滴测试卡接收雾滴,通过调节无人机的作业高度进行雾滴沉积量评估试验。根据作业高度不同,共设计3组试验,高度分别是3、4、5m。结果表明:不同作业高度时,雾滴在水稻冠层和下层具有不同的沉积效果,且分布均匀性的变异系数也不同。作业高度5m时,雾滴在水稻叶片上的总沉积量最少,均匀性最差,冠层和下层的变异系数分别为92.11%、150.29%;作业高度3m时,雾滴在水稻叶片上的总沉积量高于4m和5m时的沉积量,均匀性较好,冠层和下层的变异系数分别为32.94%、49.47%。3组作业高度均显示:雾滴在水稻冠层的沉积量高于下层叶片,叶片正面的沉积量高于反面,叶片反面沉积量可达到正面叶片的1/2以上。本研究对八旋翼无人机高效利用、提高农药喷施作业效率、增加水稻产量具有深远的意义。     

地面弥雾机与六旋翼植保无人机在芒果冠层中雾滴沉积性能对比

为解决芒果园传统植保作业中农药用量大、施药不均匀、作业效率低等问题,并构建智慧芒果园,本研究对比了地面弥雾机和六旋翼植保无人机两种果园施药机具在芒果冠层中的药液雾滴沉积性能。将芒果冠层分为上中下层,以柠檬黄为示踪剂,使用高清相纸与滤纸采集药液雾滴,通过图像处理等手段分析雾滴沉积分布均匀性。试验结果表明,植保无人机在芒果树上部冠层叶片表面的雾滴覆盖率显著高于地面弥雾机,在其余冠层部位,两种施药机具在叶片表面药液无显著差异覆盖;植保无人机处理组叶片正反面平均覆盖率均为地面弥雾机的1.5~2倍,对叶片背面的防治优于地面弥雾机。地面弥雾机处理组叶片正面雾滴密度显著高于植保无人机,叶片背面无显著差异,植保无人机处理组正反面均未满足低量喷雾20个/cm2的病虫害防治要求。地面弥雾机药液沉积集中在中下冠层（61.1%）,植保无人机集中在上部冠层（43.0%）,冠层内部沉积比例地面弥雾机（48.6%）＞植保无人机（25.5%）,但地面弥雾机在冠层上部沉积能力不足,沉积占比仅为17%。研究表明,相较于植保无人机,地面弥雾机适用于芒果冠层中下部及内部病虫害防治,同时该机具较高的雾滴覆盖密度在喷洒杀菌剂时也有明显优势,植保无人机适用于针对芒果上部冠层如蓟马、炭疽等易发于外部花絮的病虫害防治。     

多旋翼无人机旋翼下方风场对航空喷施雾滴沉积的影响

风场是影响航空喷施雾滴沉积分布特性的重要因素之一。为了揭示多旋翼无人机旋翼下方风场对雾滴沉积分布的影响机理,通过无人机旋翼风场测量系统测量多旋翼电动无人机旋翼下方的风场分布,同时结合航空喷施雾滴在水稻冠层的沉积情况,分析旋翼下方X、Y、Z 3个方向的风场对雾滴沉积分布的影响,并对试验结果进行了方差分析和回归分析。结果表明:在无人机旋翼下方3向风场中,X和Y向风速对有效喷幅区内雾滴沉积量的影响不显著,Z向风速的影响极显著;X向风速对有效喷幅区内雾滴沉积穿透性的影响不显著,Y和Z向风速的影响分别为显著和极显著;X和Y向风速对雾滴沉积飘移的影响均不显著,Z向风场的影响显著;且当水平方向上X、Y向风速峰值越小、垂直方向上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因素Z向风速之间的回归模型及有效喷幅区内雾滴沉积穿透性与因素Y和Z向风速之间的回归模型的决定系数R~2分别为0.868和0.842,表明模型可以为实际作业提供指导。     

多旋翼无人机不同作业参数对花生冠层雾滴沉积分布特性的影响

为探究无人机航空喷施时花生冠层雾滴沉积分布规律,设计无人机不同喷雾作业参数对花生冠层的雾滴沉积分布影响的试验。该试验以DJ T20型多旋翼电动无人机进行作业,以清水代替农药喷施采集雾滴沉积数据,以图像处理软件Depositscan来分析采集来的水敏纸数据。结果表明：各组试验的雾滴沉积分布趋势均相似,在靶区内雾滴沉积大致呈正态分布,受环境风场的影响,大量雾滴在中心航线左侧沉积,受无人机起飞时速度和高度的影响,各区域内第一条采样带R1的雾滴沉积效果较好;从雾滴沉积量、沉积密度均匀性分析可知,当飞行速度为2.5 m/s、喷雾流量为1.6 L/min,飞行高度为3.5 m时,喷雾效果最佳,为最佳作业组合;飞行高度、飞行速度对靶区内雾滴沉积量、雾滴沉积均匀性影响均显著。该研究对提高无人机喷施效率具有十分重要的指导意义。     

冬小麦田植保无人飞机喷施除草剂雾滴粒径及沉积飘移分布特性评估

随着植保无人飞机作业面积的增加，雾滴飘移风险也日益凸显，尤其以除草剂飘移风险危害最高。为明确除草剂溶液对雾滴粒径的影响及植保无人飞机喷施除草剂雾滴沉积飘移分布特性，本研究通过室内雾化室测定了植保无人飞机安装的离心转盘雾化喷头喷洒清水及常用的15种麦田除草剂溶液的雾滴粒径分布，并通过田间试验在药箱中添加荧光示踪剂（60 g/hm²）测定喷施作业区和飘移区的雾滴沉积量分布。室内测定结果表明，与清水相比，除草剂溶液对雾滴粒径影响显著。除唑草酮水分散粒剂外，其余溶液经离心转盘雾化喷头喷洒后，雾滴体积中径较清水均有所降低，且最大降低22.0%；小雾滴（V<150 μm）比例均有所增加，最大增加50.8%。田间飘移试验表明，植保无人飞机喷洒150 μm雾滴，在环境侧风风速为3.76 m/s时，作业区的雾滴沉积覆盖度和雾滴沉积密度仅为风速0.74 m/s时的41.3%和42.2%，且均匀性显著降低。在飘移区下风向12 m位置，雾滴沉积量为作业区的10%以下；下风向50 m处，雾滴沉积量低于检测限（0.0002 μL/cm²）。飘移比率随风速的增加而增加，当风速达到3.76 m/s时，雾滴飘移比率达到46.4%。不同侧风风速下，90%的累积飘移位置在4.8~22.4 m。对飘移区沉积量与飘移距离、侧风风速拟合，结果表明下风向沉积量与风速呈正比。本研究为植保无人飞机冬麦田不同风速作业下的雾滴飘移距离提供数据支持，为喷雾飘移缓冲带、飘移风险评估提供依据。     

基于无人机技术的水稻精准喷药系统研究

水稻是我国最主要的粮食作物,但每年因病虫害而严重减产。喷洒农药对病虫害防治效果明显,成本也较低。我国适合用无人机进行水稻喷药作业,但采用的是大面积粗放喷洒方式,不利于节约成本和保护环境。精准喷药能够解决上述问题,符合绿色农业的发展趋势。为此,设计了基于无人机的水稻精准喷药系统,由计算机识别作物区域和空缺区域后形成处方图;喷药设备根据处方图控制喷头开启程度,实现精准喷药;单张图片的处理过程耗时50ms,可以满足快速作业的要求。系统能够识别作物区域,在飞行速度为2m/s时的雾滴沉积量与处方图剂量的线性关系较好,具有较高的作业质量和效率。     

植保无人飞机作业参数对田外除草靶标区内外雾滴沉积规律的影响

雾滴大小、气象条件和施药装备的作业参数对雾滴的覆盖范围、靶标的吸附性能有影响。无人飞机(UAV)是目前有助于高效喷雾的现代施药技术装备。然而作业参数对靶标区和脱靶区的影响依然尚待确定。开展了田间试验并运用沉积扫描软件测定了在田外除草中不同飞行高度(2 m和3 m)和飞行速度(2 m/s和3 m/s)下雾滴的沉积量、覆盖密度、覆盖率和雾滴直径。结果表明,当无人飞机在处理T_1中以2 m/s速度、2 m高度飞行时,靶标区域平均沉积量最高,为2.29μL/cm~2,飞行航线中央0点位置的覆盖率达到36.19%。处理T_1、T_2、T_3和T_4在飞行航线中央的雾滴谱相对宽度分别为0.70、1.01、1.03、1.05。处理T_1体积中值直径(VMD,也即D_(v0.5))最大,为448.75μm;而处理T_4的D_(v0.5)最小,为238.95μm。单旋翼无人飞机在脱靶区的沉积量几乎可以忽略不计。本研究为无人飞机运营商、农民和生产企业提供了参考,从而优化航空植保技术在除草上的应用。     

水平棚架式梨树多旋翼无人机液体授粉试验

针对我国梨树授粉用工量大、作业效率低等问题,基于液体授粉技术,以水平棚架式栽培的梨树为研究对象,开展多旋翼无人机液体授粉试验,探究多旋翼无人机单位面积液体喷施量、飞行高度及授粉方式等对雾滴沉积分布及授粉效果的影响。试验结果表明多旋翼无人机液体喷雾授粉作业性能稳定,雾滴沉积分布组内变异系数不超过20%;雾滴覆盖率及雾滴覆盖密度均与喷施量呈正相关,当液体喷施量为6mL/m2时,飞行高度的变化对雾滴沉积分布影响显著,飞行高度为4m时,雾滴覆盖率及覆盖密度分别为7.06%、84.77个/cm2,花朵坐果率为49.70%,花序坐果率为85.83%,较自然授粉分别提高91%及43%。当花粉液体喷施量为4.5、6mL/m2时,无人机液体授粉与自然授粉花序坐果率差异显著,且无人机液体授粉与背负式喷雾器授粉花序坐果率无显著差异,花序坐果率可达80%以上。研究结果表明,无人机液体授粉作业时雾滴覆盖率及覆盖密度越高,对提升花朵坐果率、花序坐果率作用越显著,当无人机飞行高度为4m、花粉液体喷施量为4.5mL/m2时为较优的无人机液体授粉参数组合。     

施药技术参数对旋翼植保无人机喷雾特性的影响

植保无人机的高质量作业是农业航空实现精准作业的前提,因此对喷雾系统作业特性进行研究显得尤为重要。为了探究影响植保无人机喷雾质量的因素,本研究应用喷雾性能综合试验台（吉林省农业机械研究院研制）对无人机在不同旋翼转速、喷雾高度、离心喷头转速情况下的雾滴沉积分布、雾滴粒径进行了试验测试并对12组试验的沉积特性和粒径数据进行了回归分析。结果表明,同组参数的3次重复试验一致性较好,雾滴发生明显飘移且最大有效沉积率为46.31%,最小为31.74%,由此雾滴有效沉积率均低于50%;对比雾滴粒径D_V10、D_V50和D_V90的回归分析结果,喷雾高度P值大于0.5,喷头转速和旋翼转速P值小于0.5,由此可知,喷雾高度对沉积量影响极显著,但对雾滴粒径的影响不显著;喷头转速和旋翼转速对雾滴粒径影响极显著,而对沉积量影响不显著。本研究试验结果可为提高无人机作业质量和喷洒效率提供理论依据及数据支撑。     

基于无线传感网络的无人机喷药沉积效果检测

农业生产过程面临病虫草害的严重威胁,喷洒农药是较为常用的防治方法。随着农业飞行器的推广,以无人机作为载具的航空喷施发展迅速,成为当前最为理想的农药喷洒方式。无人机喷药的雾滴沉积特性对防治效果有很大影响,是当前研究的重点。为此,设计了一种无人机喷药的雾滴沉积效果检测系统,利用无线传感网络进行航线控制,进行采样点定位以及飞行速度、高度和下方风场的数据采集。结果表明:飞行速度和高度对雾滴沉积量有相似的影响,飞行速度对雾滴沉积量的影响大于飞行高度,而雾滴沉积均匀性主要受到无人机飞行速度的影响。该检测方法具有较高的准确性,可为拓宽无线传感网络的应用范围提供依据。