植保无人飞机对主干形桃树和梨树的喷雾效果研究

植保无人飞机对主干形桃树和梨树的喷雾效果研究蒙艳华1，2，王美美1，2，姚伟祥3收稿日期：收稿日期：2020-xx-xx修订日期：202x-xx-xx基金项目：河南省科技攻关项目“基于田间环境的植保无人机喷施参数优化技术”（202102110114）资助。第一作者：蒙艳华，女，博士，讲师，主要从事农用无人机精准喷施特性研究。Email:20200040@通信作者：姚伟祥，男，博士，讲师，主要从事精准农业航空方向研究。E-mail:yaoweixiang@（1.安阳工学院机械工程学院，安阳455000；2.农业农村部航空植保重点实验室，安阳455000；3沈阳农业大学信息与电气工程学院，沈阳110866）摘

要：为了探明植保无人飞机喷雾雾滴在主干形果树冠层中的沉积分布规律，针对2种果树分别设计了4种不同作业速度梯度的喷雾效果试验，研究了3WQFTX-10型电动四旋翼植保无人飞机和3WQF120-12型油动单旋翼植保无人飞机分别对于主干形桃树（超红）和主干形梨树（新世纪梨）冠层各位置的雾滴沉积分布情况。结果表明：在风速小于1.2m/s的微风条件下，当使用植保无人飞机以距离果树冠层顶部2m的高度对主干形果树喷雾时，以果树为中心航线进行作业有助于雾滴更好的沉降。对于主干形桃树，当采用电动四旋翼植保无人飞机进行喷雾作业时，建议飞行速度处在24m/s的范围内，此时雾滴在主干形桃树不同位置的雾滴沉积密度大于25个/cm2。对于主干形梨树，当采用单旋翼油动无人飞机进行喷雾作业时，建议飞行速度处于23m/s的范围内，此时雾滴在主干形梨树不同位置的沉积密度大于39.00个/cm2。此外，飞行速度对于雾滴分布均匀性影响较大，2种主干形果树冠层各采样位置测得的雾滴分布变异系数均值普遍处于20%以上水平，最高值高达63.56%，未来对于果树航空喷雾均匀性方面的研究还需加强。研究结果可以为使用植保无人飞机防控主干形果树果园病虫害提供喷雾技术依据。关键词：主干形桃树；主干形梨树；植保无人飞机；果园；雾滴沉积分布中图分类号：S252Researchonsprayeffectoftrunk-shapepeachandpeartreesusingunmannedaerialvehicles(UAVs)MENGYanhua1,2,WANGMeimei1,2,YAOWeixiang3※(1.CollegeofMechanicalEngineering,AnyangInstituteofTechnology,Anyang,455000,China;2.KeylaboratoryofAviationplantprotection,MinistryofAgricultureandRuralAffairs,Anyang455000,China;3.CollegeofInformationandElectricalEngineering,ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang110866,China)Abstract:Inordertoexplorethedropletdistributioninthecanopyoftrunk-shapefruittreesusingUAVs,thesprayeffectexperimentwithfourflightoperationvelocitiesweredesignedfortwokindsoftrunk-shapefruittrees.Thefour-rotorelectricpowered3WQFTX-10plantprotectionUAVandsingle-rotoroilpowered3WQF120-12plantprotectionUAVwereusedforsprayingontrunk-shapepeachtrees(ChaoHong)andtrunk-shapepeartrees(NewCenturypear),respectively.Dropletdepositionondifferentcanopypositionsofthesetwotrunk-shapefruittreeswerecollectedandanalyzed.Theresultsshowedthatflightrouteonthetopoftrunk-shapetreescouldobtainabetterdropletdepositionwithaflightheightof2mabovetopcanopyandawindspeedoflessthan1.2m/s.Forthetrunk-shapepeachtrees,dropletdensityoffour-rotorUAVwithflightvelocitiesof24m/swasmorethan25deposits/cm2,whichwasrecommendedforthepracticaloperation.Fortrunk-shapepeartrees,dropletdensityofsingle-rotorUAVwithflightvelocitiesof23m/swasmorethan39deposits/cm2,whichwasrecommendedforthepracticaloperation.Inaddition,theflightvelocitieshavesignificantinfluenceontheuniformityofdropletdistribution.Theaveragecoefficientofvariation(CV)ofdropletdepositionmeasuredatthesamplingpositionsofthetwotrunk-shapefruittreesisabove20%andthehighestvalueisupto63.56%.TheresearchresultscanprovidebasisdataforusingplantprotectionUAVstocontrolpestsanddiseasesintrunk-shapefruittreesorchard.Keywords:Trunk-peachtree;Trunk-peartree;UAV;Orchard;Dropletdistribution在我国果树栽培中，苹果、柑橘、梨、桃等的栽培面积和产量均位于前列[1]。桃和梨都属于落叶果树，在分类上均属于蔷薇科(Resaceae）植物[2-3]。我国梨树产量约占世界总产量的三分之二，在全国各省均有栽培[4]。目前梨的丰产树形主要有主干疏层形、开心疏层形、延迟开心形、多主枝自然形等。桃树在我国也广泛种植，目前在生产实践中，桃树的树形主要有主干形、Y字形和三主枝开心行[5-6]。梨树和桃树采用主干形树体，具有结构紧凑、成型快、结果早、果品质量高等特点[7-8]。在桃和梨的生产过程中，均受到各种病虫害的危害，防控好病虫害是保证水果产量和品质的基础。桃树主要病虫害有桃炭疽病、桃蚜、桃小食心虫等[9]，梨主要病虫害有梨黑星病、梨炭疽病、梨小食心虫、梨木虱等[10]。传统上，常用的果园喷雾机械主要有风送式果园喷雾机、喷枪等[11]，这些施药机械一般采用大容量施药，大容量施药容易造成农药过量或过少施用和药剂浪费等问题[12]。此外，轮式喷雾机的工作效率比较低、驾驶舒适性差[13]，在雨后喷雾容易陷入泥中造成行走不便等。近年来，在农村劳动力短缺、植保环节机械化薄弱和植保防灾减灾刚性需求的背景下，植保无人飞机由于作业效率高、适应性强、突击能力强、省工省水省药等优点在我国得以迅猛发展[14-15]。目前植保无人飞机喷施作业在大田作物上已经得到广泛应用[16-17]，在果树上也开始逐步应用[18-20]，并在某些果树上已初步成型了一定的作业技术指导规程。例如有研究表明，使用植保无人飞机对苹果园进行喷雾时，在飞行高度为2m，飞行速度为1m/s且喷头安装位置合适时，雾滴在苹果树冠层具有较好的沉积[21]。在飞行高度1.0m、飞行速度为1.7m/s时，使用植保无人飞机防控柑橘木虱和柑橘潜叶蛾,柑橘木虱药后1天和药后3天的防效分别达96.7%和100%，潜叶蛾药后7天的防效达84.6%[22]。但因果树品种和树形的差异，当前对于果树航空施药的研究还处于较为基础的阶段，尤其是关于果树树形航空喷雾方面的研究更是鲜有报道，尚缺乏可靠的数据支持和理论指导。本文旨在研究使用植保无人飞机对主干形桃树和梨树进行喷雾作业时，不同飞行速度下雾滴在2种果树冠层间的沉积分布规律，筛选出合适的飞行参数，以期为使用植保无人飞机防控主干形果树果园病虫害提供喷雾技术依据与指导。1材料和方法1.1植物材料试验所用两种果树分别为品种名为超红的桃树（图1a）和品种名为新世纪梨的梨树（图1b），两种果树的树形均为主干形，种植间距（株距、行距）及树冠长势基本一致，其中桃树的树龄为8年，梨树的树龄为7年。a.主干形桃树(超红)b.主干形梨树（新世纪梨）图1试验所用两种主干形果树1.2植保无人飞机两种果树所用植保无人飞机分别为安阳全丰航空植保科技有限公司所生产的3WQFTX-10型电动四旋翼植保无人飞机（桃树）和3WQF120-12型油动单旋翼植保无人飞机（梨树），其主要参数及试验中所用参数见表1。表1试验所用两种植保无人飞机的主要参数参数名称数值试验中所用参数3WQFTX-10型电动四旋翼植保无人飞机旋翼直径（mm）700700喷幅（m）343.5（飞行距地高度为2m）喷头个数(个)44飞行高度(m)0.5152（距离果树冠层顶部高度）飞行速度(m/s)07参照试验处理表（表2）喷头流量（L/min）2.03.72.2药箱容量（L）10103WQF120-12型油动单旋翼植保无人飞机喷杆长度（mm）11001100旋翼直径（mm）24002400喷幅（m）464(飞行距地高度为2m）喷头个数(个)32(试验时关闭中间喷头)飞行高度(m)0.5152(距离果树冠层顶部高度)飞行速度(m/s)07参照试验处理表（表3）喷头流量（L/min）药箱容量（L）12121.3试验设计试验于2017年7月27日在泰安果树综合试验站进行。根据主干形桃树和梨树的株距、行距、树冠大小等特点，两种树形均采用从树顶飞行的方式进行喷雾，喷施溶液为30g/L的诱惑红85溶液（上海染料研究所有限公司）。同时针对两种果树，试验均设置了2m/s、3m/s、4m/s和5m/s共4种飞行速度处理，用于精确测试各个速度梯度下，植保无人飞机在2种果树冠层不同位置的沉积分布情况。试验处理如表2和表3所示。表2主干形桃树试验处理表处理施药液量（L/亩）飞行速度（m/s）13.50222.30331.70441.405表3主干形梨树试验处理表处理施药液量（L/亩）飞行速度（m/s）13.00222.00331.50441.255每个处理一共飞行5个喷幅，选取5棵树作为采样点。在第2条航线和第4条航线上分别选取2棵树作为采样点，在第3条航线上选取1棵树作为采样点（图2）。图2采样点分布图本试验所用雾滴卡为20mm60mm的铜版纸，针对两种果树主干形树枝分布特点，雾滴卡的摆放位置分布在四个树枝上（图3）。底部最长的树枝作为第一层采样位置（位置1），布置3张雾滴卡；第二层采样位置（位置2）和第三层采样位置（位置3）树枝布置均分别布置2张雾滴卡；距离树顶最近的树枝采样位置（位置4）布置1张雾滴卡。图3雾滴卡布置位置1.4气象数据进行试验时温度、湿度、风速等气象数据的测量均采用美国NK手持综合气象站Kestrel5500Link（美国Kestrel公司）。试验时平均温度为272.1℃，平均湿度为752.4%，平均风速为0.80.4m/s。1.5数据处理雾滴沉积密度、覆盖率等是评估雾滴在作物冠层沉积的重要指标[23]，本文主要针对雾滴沉积密度进行分析。田间收集标记好的雾滴卡首先使用扫描仪扫描，然后通过雾滴分析软件DepositScan（美国农业部）对雾滴沉积密度进行分析整理。文中试验试验数据的统计分析和作图均采用Origin8.5（美国OriginLab公司）软件。2结果与分析2.1主干形桃树雾滴沉积分布结果通过数据对比可以发现，在电动四旋翼植保无人飞机不同的飞行速度下，雾滴在主干形桃树4个位置的沉积分布特点明显存在不同。尤其是不同速度下雾滴在冠层不同位置的沉积变异系数显著存在差异，主要表现在：当飞行速度为2m/s和4m/s时，4个位置的雾滴沉积变异系数（CV值）分别处于9.4824.61%和11.9421.15%的范围内，平均变异系数分别为17.71%和21.32%，变异系数小于25%；当飞行速度为3m/s时，雾滴在4个位置的沉积变异系数处于23.9733.24%的范围内，平均变异系数为27.18%；当飞行速度为5m/s时，雾滴在4个位置的沉积更加不均匀，变异系数显著增大，处于38.2163.56%的范围内，平均变异系数为46.35%。不同飞行速度对应的主干形桃树4个位置的雾滴密度大小情况也存在着一些差异（图4）。当飞行速度为2m/s时，位置1的雾滴沉积密度最大，为47.43个/cm2，其次为位置2（43.10个/cm2），位置3和位置4的雾滴沉积密度均约为43.00个/cm2；当飞行速度为3m/s时，位置4的雾滴密度最大，达到了48.76个/cm2，位置1的雾滴沉积密度最小，为39.80个/cm2，而位置2和位置3的雾滴沉积密度在42.0044.00个/cm2之间；当飞行速度为4m/s时，雾滴在位置3的沉积密度（37.51个/cm2）最大，位置1的雾滴沉积密度（26.43个/cm2）最小，而位置2和位置3的雾滴沉积密度相差不大，在31.0033.00个/cm2之间；当飞行速度为5m/s时，雾滴在4个位置的沉积密度相差不大，均在12.0014.00个/cm2之间，但均比之前的3个速度下的沉积密度显著降低。从以上分析可以看出，当电动四旋翼植保无人飞机飞行速度在24m/s时，雾滴在主干形桃树不同位置的沉积分布比较均为，雾滴沉积密度大于25个/cm2，以飞行速度为2m/s时的雾滴沉积密度最大；当飞行速度为5m/s时，雾滴在冠层4个位置的沉积分布变异系数最高达到了63.56%，而雾滴沉积密度则降低至13.00个/cm2左右。图4主干形桃树冠层不同位置雾滴沉积分布进一步地，对主干形桃树冠层不同位置雾滴沉积分布进行分析还可以发现，除了位置4，雾滴在位置1、位置2和位置3的沉积密度均随着飞行速度的增加而降低。在位置1，飞行速度为2m/s时的雾滴沉积密度（47.43个/cm2）最高，但与飞行速度为3m/s时的沉积密度（39.80个/cm2）无显著区别；飞行速度为4m/s时的雾滴沉积密度（26.43个/cm2）和飞行速度为5m/s时的雾滴沉积密度（13.85个/cm2）显著低于2m/s的和3m/s的。在位置2，飞行速度为2m/s、3m/s和4m/s时的雾滴沉积密度无显著区别，但均显著高于飞行速度为5m/s时的雾滴沉积密度（12.32个/cm2）。在位置3，飞行速度为2m/s时的雾滴沉积密度显著高于飞行速度为4m/s和5m/s时的雾滴沉积密度，但飞行速度为2m/s和3m/s时的雾滴沉积密度无显著性区别，飞行速度为3m/s和4m/s时的雾滴沉积密度无显著性区别。在位置4，飞行速度为3m/s时的雾滴沉积密度最高，为48.76个/cm2，显著高于飞行速度为4m/s和5m/s时的雾滴沉积密度，但与飞行速度为2m/s的雾滴沉积密度无显著性区别。由此看出，当飞行速度为23m/s时，雾滴在4个位置的沉积密度均大于39个/cm2，当飞行速度为4m/s时，雾滴在4个位置的沉积密度在26.4337.51个/cm2之间，当飞行速度为5m/s时，雾滴在4个位置的沉积密度均小于15个/cm2。植保无人飞机的飞行高度、飞行速度等对雾滴在作物冠层中的沉积分布具有重要影响，一般情况下，飞行速度越低，雾滴的沉积越好。从上述结果分析和主干形桃树的枝条分布特点可以得出，为了使雾滴更多的沉积在桃树冠层上，喷雾时应该使更多的雾滴沉积在位置1、位置2和位置3上。因此，为了达到这个需求，当使用四旋翼植保无人飞机给主干形桃树进行喷雾，当以树为中心航线，无人飞机的飞行速度不宜超过4m/s，且速度越低，雾滴沉积密度越大。另外，植保无人飞机喷雾飞行速度的选择还与病虫害的发生程度相关。一般来说，当病虫害发生越严重，则需要雾滴沉积密度更大，相应所需的飞行速度也越慢。2.2主干形梨树雾滴沉积分布结果当使用油动单旋翼植保无人飞机对主干形梨树进行不同飞行速度的喷雾作业时，主干形梨树冠层各部位的雾滴沉积分布结果见图5。从图5可以看出，除了飞行速度为4m/s和5m/s时在位置4的沉积密度相差不多（约17.50个/cm2），在其余位置的雾滴沉积密度与速度均呈现负相关关系。此外，当飞行速度为2m/s时，雾滴在4个位置的沉积密度在51.5769.16个/cm2之间，平均变异系数为22.92%；当飞行速度为3m/s时，雾滴在4个位置的沉积密度在39.9857.36个/cm2，平均变异系数为24.60%；当飞行速度为4m/s和5m/s时，雾滴在4个位置的沉积密度分别处于14.9619.66个/cm2和12.2417.54个/cm2的范围内，平均变异系数分别为22.73%和27.08%。从上述分析可看出，当油动单旋翼植保无人飞机的飞行速度在23m/s时，雾滴在4个位置的沉积密度大于39.00个/cm2；当飞行速度在45m/s时，雾滴在4个位置沉积密度小于20个/cm2。图5主干形梨树冠层不同位置雾滴沉积分布进一步地，针对雾滴在冠层各个位置的沉积规律分析有利于为使用植保无人飞机喷雾防控果园病虫害的喷雾速度选择提供依据。同样如图5所示，在位置1和位置3，雾滴在不同飞行速度下的沉积密度呈现出速度越大，沉积密度越小的规律；在位置2，飞行速度为2m/s和3m/s，4m/s和5m/s时的雾滴沉积密度均各自无显著差异，仅飞行速度为3m/s时的雾滴沉积密度（52.83个/cm2）略高于飞行速度为2m/s时的雾滴沉积密度（51.57个/cm2）。此外，飞行速度为4m/s和5m/s时的雾滴沉积密度相差也不大（约14.00个/cm2）；在位置4，飞行速度为2m/s时的雾滴沉积密度（61.21个/cm2）显著高于其余位置的雾滴沉积密度，飞行速度为4m/s和5m/s时的雾滴沉积密度则相差不多（均约为17.50个/cm2），均显著低于飞行速度为2m/s和3m/s时的雾滴沉积密度。由此从上述分析也进一步可总结出，当使用单旋翼油动无人飞机对主干形梨树进行喷雾作业时，为了使冠层上沉积更多雾滴，使雾滴的沉积密度符合喷雾要求，无人飞机的飞行速度建议应为23m/s。3结论本文以3WQFTX-10型电动四旋翼植保无人飞机和3WQF120-12型油动单旋翼植保无人飞机为施药平台，分别对主干形桃树（超红）和主干形梨树（新世纪梨）开展了航空喷雾效果研究试验，重点研究对比了2种型号无人飞机以不同飞行速度喷施时雾滴在各主干形果树冠层间的沉积分布情况，得出以下结论：在风速小于1.2m/s的微风条件下，当使用植保无人飞机以距离果树冠层顶部2m的高度对主干形果树喷雾时，应当以果树为中心航线进行作业，这样的飞行方式有助于雾滴更好的沉降。对于主干形桃树，当采用电动四旋翼植保无人飞机进行喷雾作业时，建议飞行速度处在24m/s的范围内，此时雾滴在主干形桃树不同位置的沉积分布比较均为，雾滴沉积密度大于25个/cm2，且飞行速度为2m/s时的雾滴沉积密度最大。对于主干形梨树，当采用单旋翼油动无人飞机进行喷雾作业时，为了使冠层上沉积更多雾滴，使雾滴的沉积密度符合喷雾要求，无人飞机的飞行速度建议应为23m/s，此时雾滴在在主干形梨树不同位置的沉积密度大于39.00个/cm2。对于各主干形果树，本次航空喷雾效果试验在桃树和梨树各采样位置测得的雾滴分布变异系数均值普遍处于20%以上水平，最高值高达63.56%，飞行速度的变化对雾滴分布均匀性的稳定呈现出了较大程度的影响，未来还需加强对于果树航空喷雾均匀性方面的研究。

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