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2020 , Vol. 2 >Issue 4: 124 - 136

DOI: https://doi.org/10.12133/j.smartag.2020.2.4.202003-SA005

Special Issue--Agricultural Robot and Smart Equipment

Effect of Downwash Airflow Field of 8-rotor Unmanned Aerial Vehicle on Spray Deposition Distribution Characteristics under Different Flight Parameters

  • WANG Changling , 1, 2 ,
  • HE Xiongkui , 1, 3 ,
  • BONDS Jane 4 ,
  • QI Peng 1, 3 ,
  • YANG Yi 5 ,
  • GAO Wanlin , 2
Expand
  • 1. Centre for Chemicals Application Technology, China Agricultural University, Beijing 100193, China
  • 2. College of Information and Electrical Engineering, China Agricultural University, Beijing 100094, China
  • 3. College of Science, China Agricultural University, Beijing 100193, China
  • 4. Bonds Consulting Group LLC, Panama City 32408, USA
  • 5. Beijing TT Aviation Technology Co. Ltd. , Beijing 102202, China

Received date: 2020-03-10

  Revised date: 2020-04-20

  Online published: 2020-10-28

Fold

Highlights

Pesticide application using UAV sprayer has become a new highlight in the development of agricultural machinery and plant protection in China. Spray droplets from UAV could reach the crop canopy and deposit on the control target surface under the assistance of rotor's downwash airflow after atomization, including a secondary atomization effect of airflow on the droplets, so the spray performance of aerial pesticide application is inseparable from the effect of the rotor's downwash airflow field. In order to explore the effect of downwash airflow field on UAV's spray deposition characteristics, taking the main model of eight-rotor UAV with "X-type" as the research object and designing the actual measuring test, a multi-channel micro-meteorology measurement system(MMMS) was used to determine the downwash airflow speed at different horizontal positions, and meanwhile the tracer Allura Red solution was applied instead of chemicals to obtain the distribution characteristics of spray deposition. The visual analysis of the measured results of the downwash airflow field distribution was focused, and then the distribution characteristics of both the downwash airflow field and the droplet deposition at a certain flight height and speed, and the correlation relationship between them were analyzed. During the flight operation of the 8-rotor UAV, as the flight speed increased from 1.0 to 6.0 m/s and the flight height increased from 1 to 2 m, the intensity of the downwash airflow field in directions of X, Y, and Z generally changed from strong to weak, and the distribution state changed from concentration to dispersion; the X direction airflow was the vortex generated by the interaction between the downwash airflow and the outside air and its effect on droplets was reversed flight direction; the airflow in Y direction was to the both sides from flight path, caused by the combination of downwash airflow and ground effect; the airflow in Z direction, the vertical downward component of the downwash airflow, had a direct promotion effect on spray deposition. Significant negative correlations were shown between both the flying speed and the peak value in the range of the downwash airflow field (P <0.05, r = -0.836), and the flying speed and the average deposition within the effective spray swath(P <0.05, r = -0.833). When the flight speed was 1.0 and 3.0 m/s, the droplet deposition showed a very significant positive correlation with downwash airflow speed(P <0.01, r> 0), that was, the stronger the downwash airflow field in the vertical ground direction, the more droplets deposited in the effective spray swath. When the flight speed increased to 6.0 m/s, the wind speed was significantly reduced, and the promotion effect of the downwash airflow field on the droplet deposition disappeared(P> 0.05). The operation speed of UAV should not be set faster than 6.0 m/s to avoid the chemicals loss caused by the weakened effect of the downwash airflow field. The findings of this study are expected to provide theoretical basis and data support for improving the quality of low-altitude and low-volume application operations and the formulation of UAV field operations specifications.

Cite this article

WANG Changling , HE Xiongkui , BONDS Jane , QI Peng , YANG Yi , GAO Wanlin . Effect of Downwash Airflow Field of 8-rotor Unmanned Aerial Vehicle on Spray Deposition Distribution Characteristics under Different Flight Parameters[J]. Smart Agriculture, 2020 , 2(4) : 124 -136 . DOI: 10.12133/j.smartag.2020.2.4.202003-SA005

1 引 言

近十多年来，由于农村劳动力短缺，市场对高效植保作业机械需求越来越大，植保无人机技术发展迅速。中国植保无人机保有量和低空低量植保应用面积不断增加［1-4］，截至2019年底，植保无人机保有量超过5.5万架，作业面积达0.3亿多公顷［5］。采用无人机喷施农药进行农作物有害生物化学防治作业已成为中国植保机械发展的一大新特征［6,7］。植保无人机区别于地面机具的显著特征是具有提供飞行升力的旋翼［8,9］，无论单旋翼还是多旋翼无人机，一定程度上可将它们类比为飞行在空中的风送式喷雾机。不同于地面喷雾机具，旋翼在提供飞行动力的同时使无人机具有特殊的旋翼下洗气流场［9,10］，农药喷雾液通过喷头雾化后，在旋翼下洗气流场的裹挟作用下到达作物冠层中并沉积到防治靶标上，其中包括气流对雾滴的二次雾化过程［11,12］。
研究人员针对植保无人机旋翼下洗气流场的早期关注始于无人机水稻辅助授粉技术应用研究，主要手段有实际作业测试、室内模拟测试以及计算机数值模拟等。汪沛等［13］、李继宇等［14-17］先后对单旋翼直升机和多旋翼无人机的旋翼风场在水稻冠层中的授粉作业风速进行了采集，筛选了最佳作业参数并分别建立了风速与时间、空间位置的函数模型。王昌陵等［18-20］利用空间质量平衡测试方法，采用多通道智能微气象测量系统（Multi-channel Micro-meteorology Measurement System，MMMS）获取了植保无人机下洗气流场分布，发现气流场分布规律符合雾滴沉积分布规律。陈盛德等［21,22］研究了单旋翼直升机和四旋翼植保无人机旋翼风场对水稻田间喷施雾滴沉积的影响。除实际作业测试外，Tang等［23］在实验室中利用高速粒子图像测速法探索了旋翼转速、旋翼与喷头之间相对位置对雾滴运动行为的影响，证实了下洗气流对雾滴沉积量和分布均匀性的影响作用。杨知伦等［24］基于单旋翼植保无人机，将流体仿真与实测方法结合探究了旋翼下洗气流的速度分布特性对喷幅的影响。从以上研究可知，无人机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。
当前常用植保无人机包括单旋翼、四旋翼、六旋翼和八旋翼等机型。对于多旋翼无人机，随着旋翼数量增加，无人机平台飞行稳定性也随之增强。“X型”布局八旋翼无人机稳定性好，在保证负载能力的情况下具有较强抗风能力，是优良的低空低量植保作业飞行平台。以单旋翼［25,26］、四旋翼［21,27］、六旋翼［28,29］无人机为研究对象的下洗气流场模拟及实测验证研究在此前的研究中均有所涉及。“X型”八旋翼无人机作为目前植保无人机市场上主流机型之一，缺乏针对其实际作业状态下旋翼下洗气流场和雾滴沉积分布的研究。因此，本研究采用实际作业测试方式，利用MMMS测定八旋翼植保无人机飞行状态下的旋翼下方不同水平位置下洗气流场风速，在各测试点通过同时布置水敏纸和麦拉片雾滴收集卡的方式来判定有效喷幅，并测定雾滴沉积量；将水敏纸图像扫描法与比色示踪分析法结合进行综合分析，以保证试验结果的准确度；用诱惑红示踪剂水溶液代替农药进行喷雾试验，测试不同飞行高度、速度下旋翼下洗气流场分布特性与雾滴沉积分布特性，着重对下洗气流场分布实测结果进行可视化分析，在不同飞行参数下探索下洗气流场与雾滴沉积分布间相互关系，结果以期为改善低空低量施药作业质量的提高和无人机田间作业规范的制定提供技术参考和支撑。

2 材料与方法

2.1　材料与设备

本试验采用MMMS（广州市富民测控科技有限公司制造）采集多旋翼无人机飞行状态下旋翼下洗气流风速，MMMS由田间无线微气象传感器和智能控制系统组成［20］。田间无线微气象传感器（图1（a））可固定在不锈钢支架上放置在试验区域内，每个传感器上最多可安装空间3个方向的叶轮和温湿度探头，获取水平沿无人机航线方向（X）、水平垂直于航线方向（Y）、竖直方向（Z）的气流风速；智能控制系统包括数据传输模块（图1（b））、控制软件和笔记本电脑，数据传输模块连接在笔记本电脑上，测试中操作控制软件经数据传输模块即可向传感器发送指令，自动接收回传的风速数据，所有数据可在控制软件中查看与保存。MMMS风速测量范围在0~45 m/s，精确度为±3%，分辨率可达0.1 m/s，单次采样时间为5~10 s，采样频率为1~20 Hz。
图1 多通道智能微气象测量系统

Fig. 1 Multi-channel micro-meteorology measurement system

喷雾示踪剂选用食用色素诱惑红85（上海染料研究所有限公司生产），将其配置成质量分数0.5%的水溶液作为喷雾液。试验后将示踪剂洗脱液经imark型酶标仪（美国BIO-RED公司生产）在波长505 nm条件下检测吸光值。使用规格为5 cm × 10 cm的聚乙烯卡（东莞雄盛塑胶材料有限公司生产）与26 cm × 38 cm的水敏纸（瑞士先正达公司生产）作为雾滴收集装置，用双头夹固定在不锈钢采样支架上。水敏纸样品保存在活页名片册中，带回实验室经HP 5590型扫描仪（美国惠普公司生产）扫描，使用DepositScan软件（美国农业部USDA制造）进行分析。试验期间通过Testo 350-XL环境测试仪（德国Testo集团制造）获取试验场地气象信息。
如图2所示，参试无人机为北方天途（北京）航空技术发展有限公司生产的3WM8A-PRO型八旋翼植保无人机。无人机喷杆长3180 mm，搭载6个液力式圆锥雾喷头TR80C-0067（德国LECHLER公司生产），两侧喷杆上的3个喷头间距均为550 mm，机身两侧之间的喷头距离为980 mm，喷杆宽度3180 mm；机身装配实时动态载波相位差分技术（Real-time Kinematic，RTK）定位功能飞控系统，可将无人机飞行速度控制在0.1 m/s精度内；翼展结构布局为“X”型布局，正八边形、对称结构，旋翼直径760 mm，机身宽度为2390 mm，旋翼覆盖宽度为3080 mm，喷杆宽度占旋翼覆盖宽度比值为1.03；8个对称布局的无刷电机是固定在电机上相应旋翼的动力来源，飞控系统控制各旋翼的转速和旋转方向，共同给机身提供向上的升力、控制机身的运动方向并保持机身平衡；1、3、5、7号电机旋翼为正桨，逆时针旋转，2、4、6、8号电机旋翼为反桨，顺时针旋转。其主要技术参数如表1所示。
图2 3WM8A-PRO型电动八旋翼无人机

注：图中“1~8”序号为电机编号

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

表1 参试无人机技术参数和喷洒参数

Table 1 Technical parameters and spraying parameters of UAV in test

项目 参数
机型 3WM8A-PRO
旋翼直径/mm 760
机身尺寸（长×宽×高）/(mm×mm×mm) 2390×2390×600
旋翼覆盖宽度/mm 3080
载重/kg 20
净重/kg 18
最大起飞重量/kg 46
喷杆长度/mm 3180
喷头间距/mm 550，980

2.2　试验方法

试验在北京市昌平区马池口镇北方天途航空技术发展有限公司飞行基地进行。场地为开阔空地，选取晴朗无风的天气条件进行试验（2018年9月上旬）。MMMS的传感器被排列成三向线阵置于无人机航线下方，线阵垂直于无人机航线布置。15个风速采集点沿无人机水平飞行航线轴对称分布，按无人机水平前进方向从左至右编为1~15号，中心点为8号，3~13号采集点间距0.5 m，其余4个采集点与相邻点间距为1.0 m，线阵总宽度8.0 m（图3（a））。同时，将Testo 350-XL型号环境分析仪的传感器分别放置于离地面2.0 m处，测量环境风速、温度和相对湿度。每个风速传感器安装3个叶轮用于测定获取水平沿无人机航线方向（X）、水平垂直于航线方向（Y）、竖直方向（Z）的风速，在每个采样支架上用双头夹各布置1张水敏纸和PET聚酯薄膜（麦拉片）作为雾滴收集卡，水敏纸用于测定有效喷洒幅宽，麦拉片用于测定雾滴沉积量，风速传感器和雾滴收集卡均布置在离地面1.0 m高处以模拟作物冠层顶部情况。此外，在采样区域外再设置1个风速传感器以测定试验过程中自然风对风速测量的干扰，进行数据处理时将所有测得的风速值扣除自然风的影响后再进行分析。
飞行速度设为1.0、3.0和6.0 m/s，飞行高度（距风速传感器及雾滴收集卡）设为1和2 m，共6组测试，每组测试至少进行3次有效重复组测试。测试时，操作员遥控无人机从测试区域外20 m处起飞，调整高度，加速至设定速度匀速通过风速传感器线阵（图3（b）），从无人机距离传感器线阵2 m时开始记录风速，采样时间为5 s，采集频率为20 Hz，每次测试可获取100个风速值。每次飞行结束后，收集水敏纸和麦拉片并编号，保存于活页名片册和自封袋中，带回实验室进行分析。
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

2.3　数据处理

2.3.1　雾滴沉积量计算

根据国际标准委员会ISO 24253植保机械田间喷雾沉积测试标准［30］，单位面积雾滴沉积量计算公式如式（1）所示。
β d e p = ( ρ s m p l - ρ b l k ) × F c a l × V d i l ρ s p r a y × A c o l
其中，β dep为单位面积雾滴沉积量，mL/cm2；V dil为加入洗脱液的体积，mL；ρ smpl为洗脱液的吸光值；ρ blk为空白采样器的吸光值；ρ spray为喷雾液中示踪剂浓度，g/L；F cal为吸光值与示踪剂浓度的关系系数，μg/L；A col为雾滴收集器面积，cm2。

2.3.2　沉积量变异系数

沉积量变异系数（Coefficient of Variation，CV）为雾滴沉积量的标准差与平均数的比值，用于描述雾滴沉积分布均匀性，数值越小说明雾滴沉积分布越均匀［31］，其计算公式为：
C V = S X ¯ × 100 %
S = ∑ i = 1 n ( X i - X ¯ ) n - 1
其中，CV为变异系数，%；S为标准差；Xi为第i次测量值； X ¯为测量值的平均值；n为样本数目。

2.4　试验安排与气象参数

为保证室外风场测试的精准度，选择环境风速在1.0 m/s以内的条件进行试验。表2中为各组试验安排以及测试期间无人机飞控系统导出的飞行参数数据和测得的气象参数。试验期间温度为28~30 ℃，相对湿度为30%~34%，环境风速0.3~0.8 m/s，同时也符合ISO 24253标准对于植保机械田间喷雾雾滴沉积测试要求（环境风速0~3 m/s，温度10~35 ℃）［30］。
表2 试验中各组飞行参数与气象参数

Table 2 Flight parameters and environmental parameters in each test

试验编号 飞行高度/m 飞行速度/ （m·s-1） 温度/℃ 湿度/% 风速/ （m·s-1）
1 1.0 1.0 29.4 30.0 0.57
2 1.0 3.0 30.0 28.5 0.39
3 1.0 6.0 28.7 34.3 0.80
4 2.0 1.0 29.4 30.7 0.47
5 2.0 3.0 28.7 34.2 0.34
6 2.0 6.0 29.2 30.9 0.44

3 试验结果与分析

3.1　旋翼下洗气流场分布可视化及分析

将试验中不同时刻每个采样点采集得到的无人机X、Y、Z三个方向下洗气流风速导入OriginPro 9.5软件（美国OriginLab公司），生成网格数据，并绘制成图4所示的不同飞行参数下旋翼气流在距离地面1.0 m处的实时风速分布图，可以直观反映无人机穿过三向田间微气象传感器线阵过程中下洗气流分布情况。
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

无人机飞行高度1 m、速度1.0 m/s时（图4（a）），Z方向在横坐标0.5和1.0 m处各分布着4个气流中心，分别对应8个旋翼，气流场中心区域风速可达25.0 m/s，2组对称的气流场中心间距约1.5 m，与该无人机两侧旋翼间距基本吻合。机身中心正下方位置风速明显低于两侧，显示八旋翼无人机机身下方1 m处旋翼下洗气流在竖直方向上集中分布在旋翼正下方旋翼覆盖范围（横坐标-1.0~2.0 m）内。其它区域几乎无测量到的气流，形成一种两侧强、中心弱的双峰分布状态。X方向和Y方向风速峰值分别为6.6和12.8 m/s，不同于Z向可观察到气流集中分布的中心区域，X和Y向气流分布均比较分散，没有形成大片连续的气流中心区，但覆盖范围更宽，在不同采样时间几乎所有传感器均测到了这两个方向的气流。此外，X向可以发现以横坐标-1.5、-0.5、0.5和1.5 m为中心分别有4股气流集中分布，判断这是无人机不同水平位置旋翼下洗气流与空气相互作用产生的卷扬气流，卷扬气流具有与飞行方向相反的速度；Y向则是在-2.0和1.0~2.0 m范围内可观察到2股气流，气流强度强于X向，据分析，这2股气流是由水平方向卷扬气流和下洗气流产生的地面效应共同作用的结果。在植保作业中这种作用会胁迫雾滴向航线两侧扩散，造成雾滴横向飘移。随着速度增加至3.0 m/s，无人机通过传感器线阵时间缩短，在图4（b）中能够观察到的气流场长度也相应缩短，下洗气流场中心Z向风速峰值降低至15.6 m/s，此时Z向流场两侧强、中心弱的强弱分布已消失，两组强气流连成一片，结合风速值可以发现不同水平位置的4组旋翼在机身下方形成4个中心的气流场区域；同时X向风速上升至11.0 m/s，图中也能观察到4组卷扬气流分布更集中且强度增加，而Y向风速则为9.5 m/s，稍有下降，2股气流集中分布趋势减弱。当飞行速度继续加快到6.0 m/s时（图4（c）），Z向风场分布更加扁平化，风速峰值进一步下降到11.2 m/s；此时X和Y方向风速峰值也分别下降至5.4和4.9 m/s，X和Y方向集中分布的气流则都被分散，呈现出更加宽广的无气流中心分布状态。
当飞行高度升高到2 m时（图4（d）），在1.0 m/s速度下，X、Y、Z三向风速峰值分别为13.0、7.7和15.6 m/s，Z方向旋翼气流场不再出现双峰分布，而是合并到一起形成一个中心区域较宽的气流场；与1 m高度结果类似，X方向还会形成3~4簇不同水平位置的卷扬气流，Y方向则仍是在航线中心两侧形成2股气流，不同的是3个方向气流分布集中度均表现出明显降低。速度3.0 m/s时（图4（e）），X方向气流分布更分散，风速峰值降低至6.7 m/s，而Y方向分布集中度有所上升，Y、Z方向风速峰值无明显改变（7.1 和16.7 m/s）。当速度提升至6.0 m/s时（图4（f）），X方向气流则出现了3簇集中分布的强气流，中心区域峰值最高可达21.6 m/s；这时Y方向和Z方向风速峰值均显著下降，分别为5.7 m/s和4.0 m/s，Y方向气流进一步被分散可覆盖全部采样点区域，Z方向风场在无人机航线正下方区域出现了撕裂，下洗气流并不是在相同时刻被测量到，据分析是外界逆飞行方向的气流对下洗气流产生了影响。
由以上可视化分析可知，无人机飞行过程中X、Y、Z三向下洗气流场在不同飞行高度和速度下分布具有明显差异，随着飞行速度加快（1.0~6.0 m/s）和飞行高度增加（1~2 m），冠层位置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方向气流来源于不同水平位置旋翼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，小地块作业场景下在地块边缘有加重飘移的风险；Y方向则是下洗卷扬气流以及旋翼气流被地面阻挡方向发生改变后的部分气流共同作用的结果，对雾滴的作用为垂直于航线朝向两侧，这种作用在有侧风条件下极易进一步加剧细雾滴的侧向飘移；Z方向为下洗气流竖直向下方向分量，一般认为对喷雾雾滴向靶标沉积具有直接促进作用。因此，植保无人机作用中需要尽量避免X、Y方向产生较强的气流同时充分利用Z方向下洗气流，提高农药雾滴沉积率，降低低空低量施药雾滴飘移风险。下文中不同飞行参数下旋翼气流对雾滴沉积分布的影响研究均采用Z方向风场特性进行分析。

3.2　飞行参数对旋翼下洗气流场和雾滴沉积分布的影响

为确保气流和雾滴能够穿透冠层内部，气流到达作物冠层时，必须仍具有一定的末速度，根据作物冠层特性，这种末速度一般取2~4 m/s［32］，而一般认为雾滴沉积密度达到15 个/cm2以上的范围计作有效喷幅［33,34］。因此，将风速值2.0 m/s以上的气流场宽度作为旋翼下洗气流场宽度，再根据雾滴密度法确定八旋翼植保无人机各试验喷雾过程中有效喷幅，将不同飞行参数下植保无人机下洗气流场宽度、下洗气流场范围内风速峰值、有效喷幅宽度以及有效喷幅内平均雾滴沉积量、沉积量变异系数以及有效喷幅/下洗气流场宽度等指标列在表3中。分析表3可以发现，下洗气流场宽度普遍大于雾滴有效喷幅宽度；相同速度下有效喷幅宽度随飞行高度的提升有一定程度的增大；风速峰值和喷幅内雾滴沉积量随飞行速度加快而下降明显，沉积量CV值在40%~60%范围内；1 m高度下有效喷幅/下洗气流场宽度比随速度加快而有所降低，2 m高度下该比值无明显变化趋势。
表3 不同飞行参数下旋翼下洗气流场与沉积分布评价指标

Table 3 Evaluation indicators of downwash airflow field and spray deposition distribution under different flight parameters

测试编号 气流场宽度/m 风速峰值/（m·s-1） 有效喷幅宽度/m 喷幅内平均沉积量/（μL·cm-2） 喷幅内沉积量变异系数/% 有效喷幅/下洗气流场宽度比
1 2.9±0.3 25.0±0.0 2.5±0.3 0.286±0.048 41.0±8.1 0.86
2 5.6±0.2 15.6±3.1 3.0±0.6 0.070±0.012 45.5±6.9 0.54
3 5.0±0.2 11.2±1.3 2.0±0.3 0.027±0.007 57.1±11.5 0.40
4 5.4±0.4 15.6±1.2 4.0±1.2 0.140±0.026 56.5±13.8 0.74
5 3.7±0.1 16.7±5.4 3.5±0.3 0.096±0.020 57.9±4.8 0.92
6 3.7±0.5 4.0±0.9 2.5±0.3 0.020±0.004 47.3±7.8 0.68

注：表中数据为“平均值±标准误差”

将表3内各组数据使用SPSS 20软件（美国IBM公司）进行方差分析，得到下洗气流场宽度、风速峰值、有效喷幅宽度、喷幅内沉积量及其变异系数的方差分析结果（表4）。方差分析结果显示，在试验设置的飞行参数范围内，飞行速度对下洗气流场范围内的风速峰值（概率P=0.038＜0.05，相关系数r＜0）和有效喷幅内平均沉积量（P=0.040＜0.05，r＜0）有显著影响，均表现出显著负相关关系；虽然有效幅宽表现出随速度和高度的增加而减小的趋势，但包括有效幅宽在内的其他因变量与飞行速度和飞行高度均没有显著相关关系。分析可知，飞行速度与下洗气流场的这种负相关关系与速度越慢、雾滴沉积越多的原因相似，当无人机飞行速度变快，下洗气流能向下运动到达传感器位置的风量减少，而此时空气阻力对其旋翼气流的阻碍作用则会显著上升，到达作物冠层位置的气流就会相应减弱。
表4 飞行参数与旋翼下洗气流场及沉积分布评价指标相关性方差分析结果

Table 4 Correlation variance analysis results between flight parameters and evaluation indicators of rotor’s downwash airflow field and spray deposition distribution

因变量 飞行高度 飞行速度
概率P 相关系数r 概率P 相关系数r
气流场宽度 0.826 -0.116 0.911 0.059
风速峰值 0.420 -0.410 0.038* -0.836
有效喷幅宽度 0.189 0.620 0.168 -0.644
有效喷幅内平均沉积量 0.654 -0.235 0.040* -0.833
喷幅内沉积量变异系数 0.360 0.459 0.700 0.203
有效喷幅/下洗气流场宽度比 0.308 0.504 0.199 -0.609

注：本研究取显著性水平α=0.05，表中“*”代表该因素对试验指标有显著影响

3.3　旋翼下洗气流场与雾滴沉积分布特性相关性分析

下洗气流场和有效喷幅的宽度、分布位置结果如表5所示。从表5中结果可以看出，下洗气流场基本完全覆盖有效喷幅范围。根据表4中的结果，下洗气流场风速也同样与速度的影响密不可分，所以要探究下洗气流风速对雾滴沉积量的影响，必须在相同的飞行速度下进行分析。
表5 各测试组旋翼下洗气流场和雾滴沉积分布情况

Table 5 Distribution of rotor’s downwash airflow field and spray deposition in each test

测试编号 下洗气流场 有效喷幅
宽度/m 距端点坐标/m 宽度/m 距端点坐标/m
左 右 左 右
1 2.9 -1.0 1.9 2.5 -1.0 1.5
2 5.6 -2.2 3.4 3.0 -2.0 1.0
3 5.0 -0.8 4.2 2.0 -1.5 0.5
4 5.4 -2.7 2.7 4.0 -1.0 3.0
5 3.8 -0.8 3.0 3.5 -2.0 1.5
6 3.7 -2.0 1.7 2.5 -2.0 0.5
将有效喷幅范围内的各测试点的雾滴沉积量与该采样点处传感器风速峰值在SPSS 20软件中进行相关性分析，分析结果如表6所示。从表6中结果可以看到，飞行速度为1.0和3.0 m/s时，雾滴沉积量与下洗气流场风速都呈现极显著正相关关系（P＜0.01，r＞0），而飞行速度为6.0 m/s，2个指标并没有显著相关关系（P＞0.05）。这表明飞行速度在1.0~3.0 m/s时，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，符合雾滴沉积机理与植保无人机田间实际作业情况；当飞行速度逐渐加快，下洗气流场风速会明显降低，下洗气流对雾滴沉积的促进作用也逐步消失。如图5所示，进而可根据相关性分析结果对雾滴沉积量与下洗气流风速结果进行线性回归分析得到回归方程，结果显示飞行速度为1.0 m/s时的线性拟合结果优于3.0 m/s的速度。
表6 旋翼下洗气流风速与雾滴沉积量相关性分析结果

Table 6 Correlation analysis results of rotor’s downwash airflow wind speed and droplet deposition

飞行速度/（m·s-1） 概率P 相关系数r
1.0 0.005** 0.887
3.0 0.001** 0.760
6.0 0.356 0.283

注：本研究取显著性水平α=0.05，表中“**”代表该因素对试验指标有极显著的影响

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 downwash airflow speed under different flight speeds for 8-rotor UAV

由此可知，植保无人机在进行田间施药作业时，飞行速度不应超过6.0 m/s，充分利用无人机旋翼下洗气流对雾滴沉积的影响，避免因下洗气流场作用减弱而导致雾滴损失。此外，喷头是雾滴雾化的核心部件，喷头在无人机平台的分布直接影响雾滴向下运动初始位置和重叠程度，植保无人机施药系统喷头的分布位置与施药雾滴沉积量的多少和分布均匀性都息息相关。在施药系统的设计中，应尽量将喷头放置在旋翼下方气流场中心附近和旋翼下洗气流场覆盖范围内，以充分利用旋翼下洗气流场对雾滴的下压作用，降低飘移损失率，提高雾滴沉积利用率。

4 结 论

本研究采用MMMS以及3WM8A-PRO型电动八旋翼植保无人机，测试了不同飞行高度（1和2 m）和飞行速度（1.0、3.0和6.0 m/s）下植保无人机作业过程中旋翼下洗气流场分布情况，着重对下洗气流场分布实测结果进行可视化分析，结合水敏纸和聚乙烯卡测得的喷雾沉积覆盖情况探究不同飞行高度、速度下旋翼下洗气流场特性与雾滴沉积特性的关系。主要结论如下。
（1）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。
（2）在试验参数下，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，飞行高度与下洗气流场和雾滴沉积分布特性各指标相关性不明显（P＞0.05）；在飞行速度为1.0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超过6.0 m/s，避免因下洗气流场作用减弱而导致的雾滴损失。
本研究中多通道智能微气象测量系统采用的三向叶轮传感器只能测量出风速在空间上相互垂直的3个方向的风速分量，无法直接测得矢量风速；此外，无人机在近地飞行时的气流场具有地面效应，试验场地植被覆盖情况会对沉积分布结果产生影响。下一步将采用可直接测得矢量风速的三维超声波风速风向仪作为下洗气流风速测量装置，并探索在不同高度、种植密度和冠层形态的作物地块中进行试验，使试验结果更贴近实际作业状态，进一步丰富并完善研究结论。

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