无人直升机施药雾滴在作物冠层的运动规律

Based on the research background of the field crop disease and pest control operations by the agricultural unmanned helicopter, the downwash flow field model of the rotor with crop canopy was built. The motion of the wind and droplets both inside and outside the canopy under different operating conditions has been studied. The research is focused on the rotor down-wash wind structure, the interface of the canopy and the air, and canopy structure on motion of droplet impact. It can provide a mathematical model and theoretical basis for efficient control of field crop diseases and insect pests with unmanned helicopter.

以农用无人直升机大田作物病虫害防治作业为研究背景，构建包含作物冠层的旋翼下洗风场模型。研究不同作业条件下，冠层内外部风场变化及雾滴运动规律。重点研究旋翼下洗风场结构、冠层与上方空气交界面、冠层内部结构对雾滴运动规律的影响，为实现无人直升机对大田作物病虫害的高效防治提供数学模型及理论依据。

本项目以无人直升机作物冠层病虫害防治作业为研究背景，构建包含作物冠层的旋翼下洗风场及雾滴运动模型，研究冠层内外部风场变化及雾滴运动规律。具体包括：1)研究无人直升机悬停及施药作业条件下，旋翼风场在冠层上界面外的变化情况。基于田间及室内风场测量，完成无人直升机瞬态下洗速度场的高精度数值模型构建并验证该模型模拟准确度。结果发现旋翼下洗气流整体分布与田间实验结果误差20%以内，近地面区域误差达50%。旋翼翼尖涡产生及发展过程都能够被该模型较好的捕捉，翼尖涡耗散率相对实验结果误差5%以内，证明该模拟结果可靠。模拟结果还发现施药作业时旋翼两侧下洗流动结构呈现非对称状态，可能是由于旋翼与空气相对运动速度不同造成。2)针对典型大田作物开展冠层模型构建，确定从刚性单植株实物冠层模型向柔性植株实物冠层阵列模型演进的建模方案。基于激光点云扫描数据构建株距0.4 m，行距0.7 m，流向长度12 m，展向长度24 m的玉米三维面片刚体冠层阵列模型。采用激光点云扫描数据体积模型简化和力学特性设定，构建行距0.2 m，株距0.12 m，流向长度12 m，展向长度20 m的小麦柔性变形体阵列模型。上述模型具有贴近真实作物植株形态及种植特性，便于分析风场变化及持留雾滴的优点。3)实现作物冠层模型参与的旋翼下洗风场和雾滴在冠层内外部运动沉积的模拟，建立雾滴在冠层上界面及冠层内部运动规律模型。结果发现下洗风场结构在冠层附近改变形态，且左右涡结构存在对称性差异。垂向速度随冠层深度增加逐渐衰减；流向速度在冠层表面和近地面附近较大，但在冠层中部衰减严重；展向速度受冠层衰减作用的影响最小。小雾滴在冠层上界面及冠层内部的展向扩散范围达大雾滴的2倍以上，拥有更好的冠层穿透效率和冠层沉积均匀性。项目通过建模及系列验证手段获得了旋翼下洗风场结构、冠层与上方空气交界面、冠层内部结构对雾滴运动影响规律，为实现无人直升机对大田作物病虫害的高效防治提供数学模型及理论依据。