刘立超 孙可可 张千伟 陈黎卿 程备久 郑 泉
(1.安徽农业大学工学院， 合肥 230036；
2.合肥综合性国家科学中心人工智能研究院， 合肥 230036；
3.安徽农业大学生命科学学院， 合肥 230036)
玉米是中国主要粮食作物之一，2021年种植面积达4.332×107hm2，对保障我国粮食战略安全具有重大意义[1]。黄淮海平原每年玉米种植面积约占全国的35%，小麦秸秆覆盖还田负效应使得该区域玉米中后期病虫次生害加剧，制约了玉米产量的提升[2]。玉米生长中后期田间郁闭，行距窄且形成封行，传统人工防控效率低且易中暑中毒，而现有的大型喷杆式喷雾机入行难，压苗伤苗率高[3-4]。在当下农村劳动力短缺的背景下，植保无人机技术发展迅速，采用植保无人机进行玉米中后期病虫害防控是目前较合理的解决方案[5]。但由于现有植保无人机雾滴粒径普遍较大，难以穿透玉米冠层，药液无法直接喷施到病虫害发生部位，其防治效果还有待提升[6-7]。脉冲烟雾机由于药液雾化粒径小，具有较强的穿透能力，其在林业和卫生防疫方面应用广泛[8-9]，部分学者也将其应用在大田农作物的病虫害防控中，结合行间自走式底盘，实现玉米中后期的病虫害防治[10-13]。利用植保无人机的高效作业性能与烟雾载药技术及低量喷雾技术相融合，实现无人机的喷烟作业，可为高秆、密植作物的有效病虫害防治提供新的手段[14]。由于该装备在大田农业中的应用尚处于探索阶段，其在玉米植保中的雾滴沉积特性尚需进一步研究。
作物冠层内雾滴的沉积效果是决定施药质量的关键因素，冠层内雾滴沉积均匀性与防治效果具有显著一致性[7,15]。近年来国内外学者对植保无人机在不同作物上的雾滴沉积分布规律进行了大量研究，张宋超等[16]利用单旋翼直升机开展了玉米植保作业的雾滴沉积效果研究，为无人机喷雾系统的优化设计、提高喷洒效率等提供了一定的技术依据。许童羽等[17]以粳稻为试验对象，研究发现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性。王昌陵等[18]、陈盛德等[19]分别研究了多旋翼无人机下洗气流三维矢量对有效喷幅内雾滴沉积量及沉积穿透性的影响，均发现Z向风速对雾滴沉积量及沉积穿透性影响更加显著。AHAMD等[20]通过单旋翼无人机杂草防治试验，发现随飞行高度和速度的降低，下洗气流对作物冠层影响增强，雾滴沉积量、雾滴密度呈增长趋势。SHAN等[21]还研究了作物冠层形态特征对无人机雾滴穿透沉积的影响情况。
脉冲烟雾机的热力雾化方式及低量喷雾技术若能与高效率的植保无人机有机结合，可实现植保无人机的低容量喷雾，提高雾滴穿透能力。因此，本文针对玉米中后期封行后的病虫害防控难题，提出植保无人机搭载热雾喷施系统的植保作业方案，设计热雾喷施管路与遥控作业系统，开展热雾植保无人机在玉米中后期的雾滴沉积分布特性试验，并研究玉米田间不同采样点的雾滴粒径、密度、覆盖率及沉积率等参数指标，以期为热雾植保无人机在玉米中后期植保的有效应用提供参考。
1.1 玉米热雾植保无人机结构
玉米热雾植保无人机结构如图1所示，其中无人机平台采用大疆T20型植保无人机，热雾喷施系统由市场上现有的6HYC系列烟雾机模块化设计改装后形成独立系统安装在植保无人机脚架上。热雾喷施系统主体为脉冲式发动机，主要结构包括燃烧室、喷管、化油器以及启动点火装置等，如图2所示。工作时脉冲式发动机体内气流自激自吸形成脉动燃烧振荡过程，并利用振荡过程中燃烧室内气流的压力波动实现自动吸气、吸油及泵药[22]。热雾喷施系统的启停由自主开发的遥控系统实现，通过手持遥控器发送指令给热雾喷施系统的控制盒，实现烟雾机的一键启动和熄火功能。其中启动过程由控制盒内单片机控制气泵运行和火花塞点火，烟雾机启动完成后气泵和火花塞停止供电；
熄火时控制盒内单片机使电磁阀通电，将化油器进气口弹簧挡片下推至封闭进气口，实现烟雾机停机操作。由于加装热雾喷施系统会降低植保无人机额定载药量，为减少热雾喷施系统对植保无人机载药量的影响，除脉冲发动机本体外，其余部分均采用轻质材料，热雾喷施系统质量为3.5 kg，热雾植保无人机主要技术参数如表1所示。
图1 热雾植保无人机结构示意图Fig.1 Structure diagram of thermal fog plant protection UAV1.植保无人机 2.控制盒 3.脉冲式烟雾机 4.药液管路 5.油箱
图2 热雾喷施系统结构示意图Fig.2 Structure diagram of thermal spray system1.油箱 2.油阀 3.气泵 4.化油器 5.火花塞 6.弹簧挡片 7.电磁阀 8.控制盒 9.燃烧室 10.保护罩 11.药液喷嘴 12.喷管
热雾喷施系统的药液输入部分由大疆植保无人机原有4路喷洒系统汇聚后接入药液喷嘴，喷施流量由大疆植保无人机配套遥控器控制调节。根据烟雾机雾化介质不同，药液喷出时的雾化效果也有较
表1 玉米热雾植保无人机主要技术参数Tab.1 Major performance parameters of thermal fog plant protection UAV
大差异。烟雾机雾化油溶剂农药或添加0号柴油等烟雾助剂时，雾化效果相较于水溶剂农药具有明显优势，雾化水溶剂农药时，若喷药流量较大易出现雾滴过大或滴液、流液等现象，影响药液均匀喷施，因此在热雾植保无人机作业过程中，喷雾系统流量需控制在合理范围以达到良好的雾化效果。
1.2 热雾喷施管路与遥控系统设计
1.2.1管路系统
管路系统是连接无人机和脉冲式烟雾机2个独立装置的关键系统，包括药液管路、气路和油路。如图3所示。药液管路的流量由植保无人机流量控制系统进行调节，最大流量为6 L/min。根据原有植保无人机4路喷洒系统的控制特点，将第1和第4管路通过三通管进行汇聚，再将第2和第3管路汇聚，最后再通过一组三通管将两组汇聚后的药液管路连接到热雾机喷嘴，以保证植保无人机不同飞行状态下低流量作业时药液供给的均匀性。
图3 管路系统连接示意图Fig.3 Schematic of piping system connection
气体管路主要为热雾机启动时引入高速气流，热雾机点火时，气泵将空气压入化油器，与汽油在化油器内混合后进入燃烧室。混合气体被火花塞点燃后，随即进入自激自吸脉动燃烧过程，此时无需气泵和火花塞继续参与工作。油液流量由油阀开闭程度控制，为提高整机安全性，将油箱布置在远离热雾机喷管等热源位置。
1.2.2喷雾遥控系统
市场上现有热雾机多采用手动启动方式，无法适配植保无人机遥控作业需求，为此根据热雾机启动条件和启动特点，设计了热雾机喷雾遥控系统。以STM32单片机为控制核心，集成继电器、电压转换、电平转换及遥控接收端等模块，实现对气泵、火花塞及电磁铁的工作状态控制，从而控制热雾机遥控启停。遥控系统控制框图如图4所示。
图4 喷雾遥控系统控制框图Fig.4 Control block diagram of spray remote control system
热雾机启动时，遥控接收机接收到遥控器发送的启动指令，单片机解析指令后通过I/O口输出高电平，再经MAX3232芯片输出5.5 V电压控制继电器1开关闭合，此时气泵和火花塞同时通电开始工作，热雾机顺利启动后即可松开遥控器启动按钮完成启动过程。远程熄火时遥控器发出熄火控制信号，接收端处理信号后控制继电器2闭合，此时电磁铁通电，将化油器进气口弹簧挡片推下，阻断化油器进气，完成热雾机熄火过程。为防止热雾机损坏热雾机喷管，熄火前应先关闭喷洒系统药阀开关。
图6 水敏试纸布置示意图Fig.6 Layout diagram of water sensitive test paper
1.3 试验方法
1.3.1试验场地与材料
试验于2021年10月13日在安徽省合肥市安徽农业大学农萃园试验基地进行。试验当天为多云天气，平均气温21℃，东风，风速0.6～1.2 m/s，相对湿度为48%。试验地种植玉米为晚熟鲜食玉米品种，处于灌浆期，平均株高约为1.75 m，种植行距为60 cm，平均株距为25 cm。雾滴采样使用规格为35 mm×110 mm的水敏试纸，底色为黄色，遇水后变为蓝色，可用于检测田间雾滴的分布状态。根据前期预试验对植保无人机飞行高度、作业幅宽及施药量等参数的匹配计算结果，设置无人机飞行高度为4 m，飞行速度为2 m/s，施药流量设置为1 L/min，并以清水代替农药进行试验。为降低晨晚田间雾水的影响，试验选在下午进行，试验现场如图5所示。
图5 田间试验现场Fig.5 Field test site
1.3.2采样点布置
在试验田块中选择30 m×20 m的试验区域进行采样点布置，包括水平采样点和垂直采样点。其中水平采样点用于测量雾滴分布的幅宽和不同粒径雾滴沉积分布规律，垂直采样点用于采集玉米不同高度层间的雾滴分布情况。水平采样点设置3组，每组布置10个水敏试纸采样点，每个水敏试纸采样点位置间隔为1 m，每组间距为5 m。垂直采样点设置为3层，分别在各水平采样点距离地面为0.25 m(底层)、0.75 m(中层)以及1.50 m(冠层)处设置，每个采样点分别在玉米叶片正面和背面布置水敏试纸，形成立体采样点。此外，在每个水平采样点对应地面上也布置一组试纸，测试雾滴在地面的分布情况，田间试验试纸布置示意图如图6所示。根据前期预试验结果分析，在外界风场干扰较小情况下，雾滴从烟雾机喷管喷出后主要集中分布在喷管前方(无人机右侧)，小部分雾滴受到旋翼风场扰动后分布在无人机左侧位置，因此，在试验时将烟雾机喷口位置对应于第3个水敏纸，以达到合理检测雾滴分布情况的目标。在试验过程中植保无人机飞行作业1次，3组试纸结果取均值代替重复试验。设立起飞阶段和熄火阶段区域，以消除药液喷施不均匀产生的影响。
1.4 雾滴沉积测定
水敏试纸上的雾滴粒径、雾滴数量及雾滴覆盖率等参数由图像处理软件DepositScan分析得到。在获取试验完成的水敏试纸后，首先对试纸进行扫描处理，采用分辨率为600 dpi的灰度扫描模式进行扫描，并将扫描得到的图像导入DepositScan中进行处理，处理前后的水敏试纸如图7所示，图7b中，黑色区域为背景，白点为不同大小的雾滴。
图7 水敏试纸原图与处理结果Fig.7 Water-sensitive test paper original drawing and processing diagram
图8 玉米各层采样点雾滴粒径与密度分布图Fig.8 Distributions of droplet size and density at sampling points of each layer of corn
数据分析处理后，软件可输出DV10、DV50、DV90和NMD，其中DV10、DV50、DV90分别表示体积累加到10%、50%、90%时雾滴直径，NMD为雾滴数量中值直径。同时软件可计算出雾滴沉积密度、平均沉积量、雾滴覆盖率及雾滴谱宽度等指标。
2.1 雾滴粒径与雾滴密度分布
图8为本研究试验获得的玉米田间不同采样位置叶片正反面雾滴粒径和雾滴密度的分布情况，其中，图6中7 m位置的试纸由于雾滴覆盖较少，因此不对其进行分析。可以看出，玉米各层采样点处雾滴粒径分布范围较广，冠层正面的雾滴DV90与DV10相差达400 μm左右。3组垂直采样层中，叶片正反面的DV10均小于50 μm，NMD也均在50 μm左右，而DV50相较于DV10和NMD波动较大，主要集中在距喷管管口0～2 m的位置，该区域叶片正面的DV50均明显高于叶片反面。由于雾滴粒径与农药药效之间存在生物最佳粒径的关系，不同生物靶标捕获的雾滴粒径范围不同，只有在最佳粒径范围内，靶标捕获的雾滴数量最多，防治效果也最佳。对于飞行昆虫而言，生物最佳粒径为10～50 μm；
作物叶面爬行类害虫幼虫的生物最佳粒径为30～150 μm；
植物病害和杂草生物最佳粒径分别为30～150 μm和100～300 μm。由此可见，本试验采用的热雾喷施方式，由于雾滴粒径跨度较大，有利于不同生物靶标捕获对应的最佳粒径，可同时对作物的不同种类病虫害进行综合防治。
由于药液集中从脉冲发动机管口喷出，并在雾滴自重和旋翼风场的作用下落入采样区域，因此，在管口前端附近位置的雾滴密度明显高于其他区域，结合玉米冠层、中层和底层的雾滴垂直分布情况可以看出，在不同采样层的雾滴粒径和密度变化趋势总体上也保持一致，均是先增大后减小，在距离喷口前方1 m左右位置达到最大值。从同一采样点处叶片正反面的雾滴分布情况可以看出，不同采样层内叶片正面雾滴粒径的DV10、DV50、DV90及NMD多数大于对应位置的叶片反面，其中在雾滴密度最大值附近的DV50和DV90表现最为明显，其中DV50最大相差5.08倍，DV90最大相差3.15倍。从整体看，雾滴在-2～6 m的水平采样区域内分布均匀性较差。
由图8a可以看出，在距喷管管口前方1～2 m的雾滴密集分布区域，玉米冠层正面的雾滴DV50均高出烟雾机常规作业时的雾滴体积中径[22]。烟雾机常规作业时，雾滴从管口喷出后在燃烧室气流的作用下逐步扩散，均匀性较好，而烟雾机搭载在植保无人机上时，由于旋翼风场的作用，雾滴会迅速下落与玉米冠层接触，此时玉米冠层正面存在大粒径雾滴浸染或雾滴重叠、黏连等情况，导致雾滴粒径增大。结合冠层叶片反面雾滴粒径和密度分布情况可以看出，冠层叶片反面的雾滴粒径更加细小均匀，因此对应的雾滴密度也高于叶片正面，距喷口前方1 m位置叶片反面雾滴密度为正面的1.58倍，达到332个/cm2，距喷口前方2～3 m位置由于正反面雾滴粒径差异更大，导致叶片反面雾滴密度与正面差异更明显。
图8b、8c为玉米中层及底层雾滴粒径和密度分布情况，实际作业过程中，冠层试纸易受到风力作用产生摇摆，而中层和底层的试纸位置受风力影响较小。可以看出，中层和底层的雾滴粒径和密度相较于冠层逐步减小，在水平采样区域内的雾滴参数变化趋势与冠层总体保持一致，中层叶片正反面雾滴密度最大分别达到232、170个/cm2，最小密度也均超过20个/cm2。雾滴在喷管气流和旋翼风场的共同作用下进入玉米行间，与植株产生接触、碰撞并最终沉积在植株不同部位。由于叶片反面雾滴粒径普遍小于叶片正面，在喷口前方3 m位置之后，叶片反面雾滴密度均大于叶片正面。从玉米中层和底层的雾滴密度分布情况可以看出，植保无人机搭载热雾喷施系统，雾滴可有效穿透玉米中后期植株冠层，实现对玉米果穗部位的病虫害防控。
2.2 地面雾滴粒径与密度分布
为研究热雾喷施系统作业时地表雾滴沉积情况，分析了地面布置的一组试纸雾滴分布数据，如 图9所示。从整体上看，雾滴粒径变化范围不大，总体与图8中玉米底层雾滴粒径分布趋势相近，地表雾滴的DV10为40 μm左右，DV50为75 μm左右，说明雾滴粒径较小，其中心区域的雾滴密度达176个/cm2，随着远离喷口位置，雾滴密度缓慢降低，在距管口前方6 m处，雾滴密度降低为40个/cm2，但仍高出玉米底层采样点的雾滴密度。由此可见，雾滴在扩散漂移过程中，一部分未与玉米植株产生接触，最终落入地表，该部分雾滴在玉米植株病虫害防治过程中起到的作用不大。
图9 地面雾滴粒径与雾滴密度分布Fig.9 Droplet size and droplet density distribution on ground
2.3 雾滴覆盖率与雾滴沉积率分布
图10为雾滴覆盖率参数在玉米田间不同水平采样点和不同垂直采样层间的变化情况，本研究中雾滴覆盖率为水敏试纸浸染面积与采样面积百分比。由图10可以看出，在距喷口前方1 m位置各垂直采样层叶片正面的雾滴覆盖率均取到最大值，从上层到地表的覆盖率依次递减，分别为18.02%、13.48%、4.37%和2.11%，此位置冠层反面的雾滴覆盖率也较大，达到7.91%。相较而言，玉米中层、底层及地表的雾滴覆盖率则在喷口位置达到最大值，分别为2.85%、1.15%和6.25%。结合图8可以看出，在距离喷口前方3 m之后的区域，尽管雾滴密度均超过20个/cm2，部分区域甚至超过100个/cm2，但是由于该区域雾滴粒径均比较小，DV50均为50 μm左右，所以该区域雾滴覆盖率均小于1%，多数在0.5%左右。
图10 田间试验叶片雾滴覆盖率分布Fig.10 Field test leaf droplet coverage distribution
图11为各采样点对应的雾滴沉积量分布情况，雾滴沉积量指在单位面积上雾滴沉积的质量[5]。从图11可知，雾滴沉积量和雾滴覆盖率在整体变化趋势上保持了高度的一致性。在距喷口前方1 m位置，冠层叶片正面雾滴沉积量达到最大值，为0.36 μL/cm2，该位置玉米中层正面雾滴沉积量为0.17 μL/cm2，底层为0.04 μL/cm2，同样呈递减趋势，而玉米底层雾滴沉积量最大值位于喷口处，为0.15 μL/cm2。分析叶片反面雾滴沉积量情况可以看出，冠层位置雾滴沉积量同样达到最大值，为0.17 μL/cm2，约为正面雾滴沉积量的0.5倍。玉米中层和底层雾滴沉积量的最大值均位于喷口处，分别为0.05、0.08 μL/cm2，此位置地表的雾滴沉积量为0.15 μL/cm2。从设置的水平采样长度范围可以看出，植株中层和底层叶片反面的雾滴沉积量均小于地表，这与雾滴覆盖率的数据趋势也高度吻合。
图11 田间试验叶片雾滴沉积量分布Fig.11 Field test leaf droplet deposition distribution
2.4 雾滴谱宽度
雾滴谱宽度指雾滴分布的均匀程度，通常用体积中值直径与数量中值直径的比值(VMD/NMD)，或90%累积体积直径和10%累积体积直径的差值与体积中值直径的比值来表示[23]。表2为不同采样点处采用VMD/NMD比值计算得到的雾滴谱宽度。由表2可以看出，除位置1 m处中层正面和位置2 m处冠层正面的雾滴谱宽度大于2 μm以外，其他采样点的数据均符合标准规定的低容量喷洒条件下雾滴谱宽度小于等于2.0 μm的技术指标[23]。由于喷口前方1～2 m位置雾滴分布较为集中，存在雾滴重叠、黏连等现象，因此其雾滴谱宽度较其他区域会偏大，对应位置垂直采样层的雾滴谱宽度数值波动也更加明显，喷口前方1、2 m处的垂直采样区域雾滴谱宽度均值、标准差分别为(1.58±0.25) μm和(1.73±0.63) μm，在距离喷口4～6 m位置，由于雾滴粒径普遍较小，雾滴谱宽度较为均匀。冠层正面雾滴谱宽度均值和标准差均达到最大值，为(1.69±0.55) μm，同一采样层叶片反面雾滴谱宽度的均值和标准差均小于叶片正面，可见叶片反面的雾滴粒径整体更加均匀。
表2 不同采样点处雾滴谱宽度分布Tab.2 Droplet spectral width distribution at different sampling points μm
通过分析热雾植保无人机在玉米灌浆期喷雾作业的测量数据可以看出，雾滴密度、覆盖率和沉积率等指标均存在单一峰值的情况，且在距喷口0～2 m区域的雾滴参数指标较为突出，由于存在玉米植株遮挡，雾滴在水平和垂直方向的扩散过程均受到较大影响，限制了喷雾扩散的均匀性。结合热雾喷施系统单喷管喷施的结构特点，若想提高雾滴覆盖的均匀性，可从热雾喷施系统结构上加以改进，以实现雾滴在有效作业幅宽内水平方向的覆盖均匀性。
植保无人机有效喷幅的准确评定对作业路径规划及喷施作业质量的提升均有重要意义[24]，根据本研究的试验结果分析，在所设置的采样范围内，雾滴密度均超过20个/cm2，符合MH/T 1002.1—2016《农业航空作业质量技术指标 第1部分：喷洒作业》对低容量喷洒作业雾滴覆盖密度的规定，但由于远离喷口采样区域的雾滴粒径较小，细小雾滴能否被生物靶标捕获还需要结合病虫害的防治效果进一步判断。热雾植保无人机田间作业时，可根据雾滴分布情况适当设置重叠率，在兼顾作业效率的同时提高防治效果。
由于植保无人机搭载烟雾机进行大田农作物植保作业的研究尚处于探索阶段，植保无人机的飞行作业参数与烟雾机作业参数之间的匹配关系还需进一步优化改进。烟雾机的雾化粒径较小，结合植保无人机旋翼风场的作用，可顺利穿透玉米冠层到达玉米果穗及以下部位，形成对玉米中后期病虫害的立体防控，后续可结合热雾植保无人机的病虫害防控效果开展进一步研究。
(1)提出了植保无人机搭载热雾喷施系统的植保作业方案，设计了热雾喷施管路与遥控作业系统。田间试验表明，该套热雾植保无人机作业时雾滴能有效穿透玉米冠层，可为玉米中后期植保提供有效作业装备。
(2)热雾植保无人机喷雾区域水平采样范围-2～6 m的雾滴粒径和雾滴密度分布差异明显，在距喷口0～2 m位置雾滴较为集中；
垂直采样范围内，玉米冠层、中层和底层的雾滴粒径和密度依次减小，地面上雾滴密度则超出玉米底层的数值；
整个采样区域内雾滴密度均超过20个/cm2，符合低容量喷洒作业雾滴覆盖密度的规定。
(3)雾滴覆盖率和雾滴沉积量在整体变化趋势上保持高度的一致性，在距喷口前方1 m位置各垂直采样层叶片正面的雾滴覆盖率均取到最大值，从上层到地表的覆盖率分别为18.02%、13.48%、4.37%和2.11%，表明雾滴可有效穿透冠层到达玉米中层部位，冠层叶片正面雾滴沉积量在此区域也达到最大值，为0.36 μL/cm2，中层至底层的雾滴沉积量也呈递减趋势。
(4)除少数采样点位置因雾滴重叠、黏连导致雾滴谱宽度大于2 μm以外，其他采样点的数据均符合标准规定的低容量喷洒条件下雾滴谱宽度小于等于2.0 μm的技术指标。从整体看，同一采样层叶片反面雾滴谱宽度的均值和标准差均小于叶片正面，可见叶片反面的雾滴粒径整体更加均匀。
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