网络首发|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

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

王昌陵1，2，何雄奎1，3*，Jane BONDS4，齐 鹏1，3，杨 苡5，高万林2*

（1. 中国农业大学 药械与施药技术研究中心，北京 100193；2. 中国农业大学 信息与电气工程学院，北京 100094；3. 中国农业大学 理学院，北京 100193；4. 邦德斯咨询有限公司，巴拿马城32408，美国；5. 北方天途航空技术发展（北京）有限公司，北京 102202）

摘 要：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。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。

关键词：植保无人机；雾滴；八旋翼；下洗气流场；沉积分布

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引文格式：

王昌陵,何雄奎,Jane BONDS,齐鹏,杨苡,高万林.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[J/OL].智慧农业(中英文):1-13[2020-10-28].

http://kns.cnki.net/kcms/detail/10.1681.S.20201027.1527.004.html.

文章图片

（a）田间无线微气象传感器

（b）数据传输模块

图1  多通道智能微气象测量系统

Fig. 1  Multi-channel micro-meteorology measurement system

注：图中“1~8”序号为电机编号

图2  3WM8A-PRO型电动八旋翼无人机

Fig. 2  3WM8A-PRO model 8-rotor electric powered UAV

（a）试验装置布置示意图

（b）测试现场

图3  无人机旋翼下洗气流场和喷雾沉积分布试验

Fig. 3  Measurements of rotor’s downwash airflow field and spray deposition distribution of UAV

（a）测试1（高度1 m，速度1.0 m/s）

（b）测试2（高度1 m，速度3.0 m/s）

（c）测试3（高度1 m，速度6.0 m/s）

（d）测试4（高度2 m，速度1.0 m/s）

（e）测试5（高度2 m，速度3.0 m/s）

（f）测试6（高度2 m，速度6.0 m/s）

图4  不同飞行参数下八旋翼无人机下洗气流场分布

Fig 4  Downwash airflow field distribution of 8-rotor UAV under different flight parameters

图5  不同飞行速度下八旋翼无人机喷雾沉积量与下洗气 流风速的关系

Fig.5  Relationships between spray deposition and down‐ wash airflow speed under different flight speeds for 8-rotor UAV

作者简介

王昌陵  博士

王昌陵，男，博士，中国农业大学药械与施药技术研究中心博士后，研究方向为植保无人机高效减量施药技术。从事植保无人机喷施农药高效利用机制、智能施药系统、沉积飘移行为及测试方法研究，作为核心成员参与国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家现代农业产业技术体系、国家外国专家局国际合作项目、北京市科技计划等多项国家级和省部级重大科研项目。目前主持中国博士后科学基金面上项目1项，已在国内外学术期刊公开发表论文20余篇，其中SCI/EI收录9篇。

通讯作者简介

何雄奎    教授

何雄奎，男，博士，毕业于德国霍恩海姆大学，中国农业大学理学院教授，博士生导师，北京市教育创新标兵，入选国家“新世纪优秀人才”，享受政府特殊津贴。现任中国农业大学药械与施药技术研究中心主任、《智慧农业（中英文）》编委。长期从事植保机械与施药技术、农业机械化工程的教学与科研工作，重点研究领域为施药技术基础理论、农药雾滴雾化沉积飘失规律、精准变量施药技术、减量施药技术、植保无人机低空低量航空施药技术、高效施药装备研发与应用等。近年来先后主持20多项国家级研究项目，包括：国家科技合作项目、国家科技攻关与支撑计划项目、国家“863”高新技术研究项目、科技成果转化重大项目、行业科技专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金项目等。多项成果达到了国内领先与国际先进水平，获省部级科技进步一等奖2项（排名均第一）、二等奖1项、三等奖2项；发表学术研究论文150余篇（其中SCI/EI收录80余篇），出版《高效施药技术与机具》《植保无人机与施药技术》等专著9部；获国家专利30余项。

高万林    教授

高万林，男，博士，中国农业大学信息与电气工程学院教授，博士生导师。近年来主要致力于农业信息化技术研发与国际拔尖创新人才培养相关工作，先后主持完成了国家级、省部级以及企事业合作项目等农业农村信息化方面课题60余项；发表学术论文150余篇，其中SCI/EI检索80余篇；出版教材2部、专集7部；授权发明专利40项、实用新型专利30项、软件著作权124项，在基础理论、关键技术、平台设备、标准研制、人才培养与科普推广等方面取得积极成效。现任农业农村部科学与技术委员会委员，农业农村部农业信息化标准化重点实验室主任，中国农业工程学会常务理事，北京农业工程学会副理事长，全国高等院校计算机基础教育研究会农林专委会主任，美国农业生物工程学会会员，中关村同航智能装备技术创新联盟副理事长，《智慧农业（中英文）》编委。