无人机领域航空静电喷雾技术的应用范文

摘要：无人机喷雾虽然安全性高、适用性强、对作物损伤小，但仍存在飘移问题。静电喷雾技术飘移损失小、雾滴尺寸均匀、有较好的分布均匀性，尤其在叶片背面的沉积效果好。基于此，本文分析了无人机静电喷雾的优势，从单旋翼与多旋翼的角度阐述了在无人机静电喷雾技术上开展研究中取得的进展，并对相关研究进行了探讨，指出了目前无人机静电喷雾存在的问题，提出了无人机静电喷雾技术未来可能的发展趋势及建议。

关键词：无人机；静电喷雾；沉积量；飘移

目前我国主要以地面喷洒为主，但由于地面喷洒容易受到地形等条件的制约，且易受到作物长势的影响，因此，近年来我国航空植保技术得到了重视，发展迅猛。无人机喷雾技术适合中、小型地块病虫草害防治，适应于各种地形，操作简单安全，且飞行速度低，多旋翼无人机亦可以在任意高度悬停，从而减少农药的飘移。但无人机载药量少，且受风的影响较大。有人驾驶的固定翼飞机则适用于大地块，快速高效。但由于距离地面较远，容易产生飘移，沉积效果差。我国大多是以小地块为主，因此无人机植保的使用更适合我国国情。静电喷雾技术可以增加分布均匀性，提高沉积效果。无人机喷雾技术与静电喷雾技术相结合能够弥补无人机喷雾的缺点和不足，减少飘移，有效提高带电雾滴沉积效果。

1无人机喷雾技术研究现状

无人机喷雾中通过调整喷头的安装位置、应用航空专用喷头、配合定位系统、应用先进的理论依据与方法等都能在一定程度上增加药液沉积效果，减少飘移损失。但是单纯的无人机喷雾与有人驾驶的固定翼植保飞机配合静电技术相比，还存在飘移、沉积量低等不足之处。以下几位学者都没有对旋翼的个数对雾滴沉积效果、雾化程度及飘移程度的影响进行研究。旋翼个数不同，喷头安装的最佳位置也就不同，形成的喷施效果也会有所不同。

1.1单旋翼无人机喷雾技术研究现状

2009年，Huang等[1]开发了低容量配合全自主的无人机喷雾系统，并应用在特殊的小地块中，取得了较好的成果。2014年，宋坚利等[2]公开了一种可以增强雾化效果，增加沉积量，大大提高药液利用率的喷雾系统。2016年，王森[3]对无人机垂直风场进行了研究，并根据所得结论选取航空专用喷头，随后研究冠层高度不同时沉积变化情况及飞机气流对雾滴在作物间穿透性沉积的影响，并对其进行了室内特性试验研究。结果表明：机翼下方小于机翼直径的范围内气流较为稳定，适合安装喷头。2016年，陈盛德等[4]以无人机配合北斗定位系统绘制作业轨迹，得出了雾滴沉积效果分布与飘移情况。2017年，王潇楠等[5]建立了雾滴飘移收集测试平台，研究在一定的速度和高度时无人机雾滴飘移情况。结果表明：雾滴飘移主要受侧风风速影响，在作业时至少要留出15m的安全区。

1.2多旋翼无人机喷雾技术研究现状

近年来，我国学者针对多旋翼无人机进行了研究，并取得了一定成果。2006年，秦维彩等[6]通过Box-Benhnken发现飞行高度对沉积量的影响最为严重，其次为飞行速度和喷头流量。2016～2017年，王玲等[7]通过改变压力和喷药量设计出了脉宽调制变量喷药系统，试验结果表明：风速对雾滴沉积影响最大，随着风速的增加雾滴沉积量逐渐远离喷头，且飘移量逐渐降低。2018年，刘道奇、余永昌等[8]针对3W16-10型8轴16旋翼植保无人机，建立了喷雾参数与雾滴均匀性关系模型，并通过单因素试验和响应曲面法优化得到了最佳作业参数。同年，杨风波、薛新宇等[9]研究了雾滴受无人机悬停下洗流影响的运动规律，结果表明：雾滴水平方向的分速度、喷幅都与雾滴粒径成反比；竖直方向的分速度与雾滴粒径成正比，且雾滴主要分布在引入区和导出区。

2有人机静电喷雾技术研究现状

2.1国外有人机静电喷雾技术现状

航空静电喷雾技术是一项新兴技术，它将航空喷雾技术与静电喷雾技术结合起来，解决了飞机在航空作业时，飞机速度快带来的雾滴容易飘失的问题，同时还提高了作业效率和药液利用率。目前美国已经在航空静电喷雾技术上具有很高的造诣，也已经具备非常完善的静电喷雾系统。Carlton早在1966年就对航空静电喷雾技术进行了研究，在1999年时发现了雾滴的粒径大小、充电电压和喷雾压力都是影响喷雾性能的最直接因素。2001年，Kirk、Hoffman以及Carlton进行了棉花喷雾对比试验[10]。结果表明，在作物叶片的正面，采用航空静电喷雾法与传统航空喷雾法所得到的覆盖率并没有很大的区别，但是在叶片的反面，航空静电喷雾所得到的效果更明显，在雾滴附着率方面航空静电喷雾法比普通方法的附着时间更长，而且药效持久度也更好。然而航空静电喷雾技术成本也更高，所以航空静电喷雾技术也因此受到了限制[11]。

2.2国内有人机静电喷雾技术现状

20世纪我国通过相关试验，最终证实了农业静电喷雾技术对作物的病虫草害的防治有很大的作用。随后，我国的一些学者也取得了丰硕的成果。2011年，茹煜等[11]人通过自制的喷雾系统进行试验后发现，航空静电喷雾技术与常规的喷雾技术相比，雾滴飘移现象明显变少，防治害虫效果也更显著。可是，推广航空静电喷雾技术的道路上，又因为其感应环电极荷电效果不好，容易产生尖端放电现象，使航空静电喷雾技术不能够推广和应用。2014年，刘鹏[12]基于Y5B常规喷嘴设计了一种网状圆锥感应环的新型航空静电喷头，实现了提高雾滴分布均匀性、提高沉积量、减少飘移的效果。2017年，李宇飞[13]结合人工神经网络的BP模型对荷质比对航空静电喷雾的影响进行了试验研究，发现电压和喷头流量是影响荷质比的关键性因素。2018年，赵明明[14]结合CFD仿真技术和高速摄像技术对雾滴沉积的运动轨迹进行了研究，发现随着电压的增加，雾滴运动轨迹的偏转先增大后减小，且带静电比不带静电时沉积效果好。目前，我国航空静电喷雾技术还存在以下问题：飘移和静电雾化性较差；在静电喷头与药液接触时，电极在绝缘和防水防护方面还很欠缺，容易造成漏电现象；传统的航空静电喷雾技术主要以有人驾驶的固定翼飞机为主，其灵活性较差，而轻便已操作的无人机更适应我国多样化的地理环境。因此，无人机喷雾技术与航空静电喷雾技术的结合，可大大改进传统航空静电喷雾的缺点和不足。

3无人机静电喷雾技术研究现状

3.1单旋翼无人机静电喷雾研究现状

2014年，Giles等[15]针对无人机上喷头与静电释放位置进行了研究，并在California价值较高作物上进行作业试验，取得了较好的效果。为了取得更加有效的航空植保喷药效果，2015～2016年，茹煜、金兰等[16-17]发现静电喷雾可以使沉积量显著提升，同时可相应提高靶标上、中、下层的雾滴覆盖率，无人机喷雾上加载静电技术后更能提升药液的利用率，减少药液的使用量，省药省水。但是该试验并没有从无人机飞行条件、喷头的荷电量及喷头的结构等方面对喷施效果的影响进行研究。2017年，蔡彦伦[18]开发出可以实现静电与非静电喷雾相切换的新型接触式静电喷雾系统，发现荷质比与电压呈正相关，且在25kV后趋于稳定；荷质比与喷雾压力呈负相关，仿真和试验结果基本一致。在静电喷雾条件下，沉积量与高度呈负相关，但随着高度的增加，沉积均匀性却不会受到影响。2018年，王士林、何雄奎等[19]设计了双极性接触式航空机载静电喷雾系统，发现油剂溶液时，电压和极性对其影响较为显著且沉积分布均匀性好。

3.2多旋翼无人机静电喷雾研究现状

2016年，廉琦[20]设计与无人机相配套的可提高沉积密度静电喷雾系统，对不同喷头的性能进行了比对，构建荷电量数学模型，找出影响荷电量的主要因素，并进行室内试验。该系统相比于非静电喷雾，其沉积密度得到了很大程度上的提高。2017年，田源、邹凡等[21]为植保喷雾低量化提供了思路,通过静电离心的雾化装置，减小雾滴粒径。目前，将静电与离心两种方法相结合应用于无人机植保上还很少见，这在未来可能会成为一个热点问题。

4问题及建议

1）问题。基于环境参数、靶标参数和作业参数的荷电雾滴沉积及影响情况尚不明确且研究相对缺乏，已有的研究都集中在试验测试与定性分析阶段；荷电后带电雾滴滞留在叶片上的时间相对较短，电量消失速度很快；系统绝缘性较差，使用接触式充电方式的情况较少。2）建议。研究环境参数、靶标参数和作业参数对雾滴沉积效果的影响，增强无人机静电喷雾的适用性；适当增大荷电量，在不同条件下探索合适的荷电电压；增强系统绝缘性，探索接触式充电方式下药液沉积情况；将静电与离心两种方式相结合，并优化其雾化装置；在药液中添加不同的无毒金属粒子，并研究其沉积效果。

5结语

综上所述，采用航空植保专用静电喷头，可降低飘移损失；将无人机喷雾与静电喷雾技术相结合，既可以在不同条件下进行喷药，又可以提高农药在靶标作物上的沉积效果；采用航空植保专用的药剂（加入抗飘移剂）可增加药液粘度、降低飘移损失；多旋翼无人机虽然成本较单旋翼低，单其抗风能力差，不稳定，作业能力也较差；而多旋翼无人机则与之相反。

作者：孙舒仪 胡军 李宇飞 沙龙 于海洋 单位：黑龙江八一农垦大学工程学院