荣晓东1 张建桃2 高 荣2 胡 佳1 赵菊鹏1 王 聪2 夏志能3 焦叶红3

关键词 检疫处理无人机；害虫防治；超低容量喷雾；超低容量喷雾系统

Development and Experimental Study of Ultra Low

Volume Spray System for Port Quarantine UAV

RONG Xiao-Dong1 ZHANG Jian-Tao2 GAO Rong2 HU Jia1

ZHAO Ju-Peng1 WANG Cong2 XIA Zhi-Neng3 JIAO Ye-Hong3

Abstract Ultra low volume (ULV) spray system for unmanned aerial vehicles (UAVs) for quarantine treatment at ports

was developed by an agricultural UAVs. The droplet median diameter of the prototype, the spatial deposition and deposition

characteristics of droplets sprayed in the spray system were studied. Field experiments for pest control were taken at ports and wharfs

under customs supervision. The results showed that the ultra low volume spray device of the UAV could control the droplet size

through the speed of the centrifugal nozzle, adjust the size of the droplet according to the characteristics of the pest at the port, and

accurately carry out quarantine treatment. Good results have been achieved in the field test of pest control at ports.

Keywords unmanned aerial vehicle(UAV); pest control; ultra-low-volume spraying(ULV); ULV system

基金项目：海关总署科研项目（2019HK033）

第一作者： 荣晓东（1964—），男，汉族，四川乐山人，博士，研究员，主要从事检疫处理，E-mail: xdrong@126.com

1. 广州海关技术中心 广州 510623

2. 华南农业大学 广州 510642

3. 广州阿佩斯康生物科技有限公司 广州 511455

1. Guangzhou Customs Technology Center, Guangzhou 510623

2. South China Agricultural University, Guangzhou 510642

3. Guangzhou Urban Pest Control Bio-tech. Co.Ltd., Guangzhou 511455

4

中国口岸科学技术

1983 年雅马哈公司成功研发了首架植保施药无 飞 P20-2018 无人机离心喷头，设计喷头新的安装架，

人直升机 RMax [1]。与传统的农用飞机相比，无人机 将离心雾化喷头安装在两旋翼之间且高于旋翼 30 cm

无需专用的起飞、降落场地，可以在非常低的高度飞 位置，以避免旋翼风场对雾滴的干扰。采用铝合金材

行，可以使用声呐、雷达或激光传感器跟踪地形高度 质加工的安装架，既保证了强度又保证了无人机起飞

的变化，通过障碍物检测传感器，防止碰撞，在障碍 重量不超过额定标准。离心喷头的安装角度可以通过

物周围可以自由行动。在碎片化的环境中，无人机具 螺栓调节，以获得雾滴空间滞留效果最好的角度。

有工作效率高、省力等优势，已广泛应用于农业播种、

农林病虫害防治和无线遥感等领域 [2]。

采用空间喷雾施药是出入境口岸对具有飞翔能力

的害虫进行检疫性有害生物处理效果较好的方法，但

目前口岸检疫处理主要还是利用手提式或者背负式机

动（电动）喷雾器进行相关作业，而手提式或背负式

机动（电动）喷雾器作业不但劳动强度大，而且喷洒 1. 旋翼 2. 离心雾化喷头 3. 药箱

雾滴的空间滞留效果也比较差，检疫除害处理不能达 图1 P20 2018无人机

到理想的效果。目前，在口岸检疫处理方法上还未见 Fig.1 Unmanned spraying aircraft, P20 2018

有无人机喷雾处理的报道。针对出入境口岸害虫特点，

表1 P20 2018 无人机主要参数

利用植保施药无人机作为施药操作载体，研发符合出 Table 1 Main parameters of P20 2018

入境口岸害虫检疫处理的超低容量喷雾装置，不但能

够提高检疫处理效果，而且无人机作业人机分离，更 参数 Parameters 数值 Values

加保证了施药人员的安全。 旋翼直径 812 mm

药箱容量 10 L

1 材料与方法 外形尺寸 1831 mm×1831 mm×472 mm

有效喷幅 3 m

1.1 材料 飞行速度 1～6 m/s

1.1.1 无人机 飞行高度 1～12 m

本项目在农业喷雾无人机（极飞 P20-2018 款，

Jifei Electronics Technology Co., Ltd, Guangzhou, B. 设计喷头风送装置。采用高功率的涵道和 3D

China）的基础上研制检疫无人机超低容量喷雾系统。 打印的风筒组成雾滴风送装置：涵道能够产生风力改

无人机原型如图 1 所示。 变原有离心喷头产生的雾滴轨迹，延长雾滴在空中的

该无人机为四旋翼无人机，每个旋翼下方都有 滞留。

一个离心雾化喷头，单个喷头的喷洒量为 200 ～ 800 C. 采用 stm32 单片机作为超低容量喷雾装置的控

mL/min，逐级可调，雾滴粒径可以通过调节雾化盘 制模块。风送装置能够根据 stm32 单片机指令输出对

转速实现，在离心喷头雾化盘的不同转速下可产生雾 应 PWM 信号到电调，从而调节喷头电机转速、风量

滴体积中径 D50 为 80 ～ 130 μm 的雾滴。无人机的作 等参数，同时输出多路 PWM 信号，独立调节两个风

业参数由智能手持终端输入，采用载波相位差分技术 送装置的风力。检疫无人机超低容量喷雾系统如图 2

进行飞行精准定位。详细参数见表 1。 所示，控制模块及电源参数见表 2。

1.1.2 检疫处理无人机超低容量喷雾系统的构建 1.1.3 仪器设备

A. 设计全新的离心雾化喷头安装位置。采用极 欧美克 DP-02 型喷雾粒度分析仪；珠海欧美克仪

5

CHINA PORT SCIENCE AND TECHNOLOGY

器有限公司；HP Scan Jet 200，美国惠普公司。 1.2.2 超低容量喷雾系统不同工况下雾滴空间滞留沉

1.1.4 试剂及其他 积分布测试

5% 高效氯氰菊酯鸦胆子油剂及无药剂的空白鸦 无人机超低容量喷雾系统放置于试验台，喷头距

胆子油剂；0.5% TWEEN 80 水溶液；油敏纸卡（76 离地面 3 m。在试验台正前方设置 3 排采样点，每排

mm×26 mm），先正达农业有限公司。 采样点分别距离喷头 2 m、3.5 m、5 m，每排设置 3

1.1.5 试虫 个采样点相距 1.5 m。每个采样点放置一个竖直采样

白纹伊蚊成虫；家蝇成虫；草地贪夜蛾 3 龄幼虫。 杆，并在距地面 0.5 m（下层）、1 m（中层）、1.5

m（上层）处通过双头夹，水平夹持一片油敏纸卡，

用以捕获雾滴在空间的沉积情况。控制喷头倾斜角

度作为变量进行试验，分别测试了喷头角度与水平

夹 角 为 -45°、-30°、-15°、0°、15°、30° 角 度 的 空

间雾滴分布情况。

试验开始前通过手持遥控器设定喷头转速为

13000 r/min，流量为 500 mL/min。开始喷雾的同时

打开风送装置，30 s 后关闭，完成一次试验。试验结

图2 无人机喷雾系统

Fig.2 Unmanned aerial vehicle spray system 束后将油敏纸卡按序号收集，并逐一放到相应的密封

袋中。用扫描仪将收集的油敏纸卡扫描成分辨率为

表2 控制模块及电源参数 600 dpi 灰度图像，扫描后的图像通过图像处理软件

Table 2 Control module and power supply Deposit Scan 进行分析，获取沉积特征包括雾滴密度

和沉积量 [3]。

相关材料 型号及性能

1.2.3 静风条件下无人机滞空悬停喷洒雾滴在空间滞

控制模块 stm32f103 留沉积的测定

涵道 90 mm-12叶 最大推力3.79 kg 以无人机悬停位置在地面的投影为圆点，在左右

电源 5200 mAh 14.8V 1 m、2 m、3 m、4 m 位置布置采样点，每个采样点

以三脚架在 0.5 m、1.0 m 及 1.5 m 高处夹持 1 片油敏

1.2 方法 纸卡。无人机悬停在距离地面 3 m 的高度，喷头转速

1.2.1 超低容量喷雾系统雾化性能测试 为 13000 r/min，流量为 250 mL/min；在喷雾系统风

将离心喷头，DP-02 型喷雾粒度仪安装在适合位 送装置关闭（0 m/s）、一挡（3 m/s）、二挡（6 m/s）

置并调试好仪器。使离心喷头固定到垂直于水平面的 的风速情况下，分别测试雾滴的空间滞留沉积分布情

长杆上，保证离心喷头甩出的液滴被仪器发出的激光 况。每次试验开启喷雾系统，喷洒鸦胆子油剂空白制

束捕获到。设置转速 9000 r/min、10000 r/min、11000 剂 15 s。每次试验结束后收集油敏纸卡放入密封袋中

r/min，12000 r/min，13000 r/min、14000 r/min、 并标好位置序号，同时换上新的油敏纸卡准备下一次

15000 r/min，测量流量分别设置为 200 mL/min、300 试验。收集后的油敏纸在实验室中结合 Image J 图像

mL/min、400 mL/min 和 500 mL/min，待喷头稳定、 处理软件扫描油敏纸卡，计算雾滴密度和沉积量。

均匀喷出雾滴后，启动激光粒度仪测量雾滴中位直径 1.2.4 检疫处理无人机超低容量喷雾在口岸除害处理

D50 值。测试采用鸦胆子油剂（配制超低容量油剂无 的现场试验

药剂的空白制剂）；0.20% 吐温 80 水溶液。喷头距 在口岸原木堆场（南沙海关所辖广州市南沙区南

离激光高度 0.3 m，水平距离为 0.4 m。 纬码头）进行检疫处理无人机超低容量喷雾害虫防治

6

中国口岸科学技术

的现场试验。试验场地是海关监管区内的进口原木堆 转速可以控制产生雾滴的大小。

场（长 100 m、宽 40 m）。无人机航线设置 4 条采样

带，每条采样带相距 20 m。每条采样带上设置 2 个 表3 不同转速和流量下鸦胆子油剂雾滴中位直径D50（μm）

Table 3 Droplet medium diameter D50 of Java brucea fruit oil in 采样点，每个采样点分别相距航线 2 m、4 m。每个 different nozzle velocity and rate of flow (μm)

采样点放置一个竖直采样杆，在距地面 1 m、1.5 m 处，

分别通过双头夹水平夹持一片油敏纸卡，用以捕获雾

转速 喷液流量 (mL)

滴在空间的沉积情况。同时，每根采样杆上分别在距 (r/min) 150 250 350 500

离地面 0.5 m、1 m、1.5 m 处悬挂 3 个纱笼，每个纱 9000 96.44 99.08 102.08 105.28

笼分别放入 30 头白纹伊蚊成虫、家蝇成虫和草地贪 10000 95.18 92.87 98.74 101.36

夜蛾 3 龄幼虫。 11000 84.74 83.64 93.31 95.87

试验药剂采用项目组研发的 5% 高效氯氰菊酯鸦 12000 81.95 85.79 88.05 92.14

胆子油剂。通过手持遥控器设置无人机的飞行参数为 13000 79.24 83.36 86.97 89.66

高度 3 m、速度 3 m/s，喷雾流量 500 mL/min、离心 14000 69.24 75.56 76.97 80.52

喷头转速 13000 r/min。将无人机在航线起点处悬停 15000 48.25 52.18 57.15 59.68

并开启喷雾系统，沿航线稳定飞行 20 m 后进入第一

条采样带；在无人机飞出最后一条采样带 15 min 后， 表4 不同转速和流量下0.25% TWEEN 80雾滴中位直径D50

待雾滴完全沉积后，收集油敏纸卡、试虫。试虫收集 （μm）

Table 4 Droplet medium diameter D50 of 0.25% TWEEN 80

后使用 5% 的蔗糖水饲喂，24 h 后检查试虫死亡率。 water solution in different nozzle velocity and rate of flow (μm)

试虫防治效果以害虫校正死亡率表示，由公式求

得： 转速 喷液流量 (mL)

]试验组死亡率-对照组死亡率g (r/min) 150 250 350 500

校正死亡率 = ] g # 100%1 -对照组死亡率

9000 104.58 106.87 110.7 123.86

2 结果与分析 10000 98.77 103.24 105.64 115.26

11000 94.40 99.82 102.23 107.66

2.1 超低容量喷雾系统雾化性能测试 12000 91.08 95.65 97.41 101.78

通过激光粒度分析仪对离心式喷头喷洒鸦胆子油 13000 87.81 90.19 92.66 96.24

剂和 0.25% TWEEN 80 水溶液在不同转速和喷液流量 14000 83.54 86.56 90.62 91.47

下雾滴中位直径测试，结果见表 3 和表 4。 15000 70.35 72.54 75.66 78.42

根据雾滴测定结果可以知道，采用离心式喷头在

电机转速达到 15000 r/min 的情况下，能够使专用超 2.2 超低容量喷雾系统不同工况下测试结果

低容量油剂产生的喷洒雾滴中位直径 D50 达到 50 μm 试验统计结果如图 5 所示，可以看出喷头角度对

左右，采用离心式喷头可以满足检疫处理超低容量喷 雾滴在空间的沉积分布产生很大影响。当与水平夹角

雾系统的设计要求。另外，喷洒加有一定量表面活性 为 -30° 时，在 1 m 高度空间产生最大的雾滴沉积；

剂的水溶液采用高速离心式喷头也能获得很好的雾化 喷头向下倾斜时对上层和中层空间的雾滴沉积分布显

效果。从测试结果可以发现，喷液流量对离心式喷头 著增强；喷头向上倾斜时雾滴在中层和上层的沉积分

产生雾化效果有较大作用，不管是油剂还是水剂，离 布减弱。喷头采用不同倾斜角度对雾滴空间沉积分布

心式喷头相同转速下流量越大形成的雾滴也较大。喷 没有显著差异。但实际试验发现，喷头向下倾斜 45°

头转速是形成雾滴大小的最重要因素，通过调节喷头 时，雾滴在空间上层、中层的沉积分布较好。

7

CHINA PORT SCIENCE AND TECHNOLOGY

为了方便讨论喷头倾斜角度对于喷雾范围的影 积量在距离喷头 2 m 位置处、-45° 角时产生。根据

响，我们将上述试验中 9 个采样点以距离喷头位置的 图 4 数据可知，在喷头以 -30° 倾角安装时，可获得

距离分类为 2 m、3.5 m、5 m，并将沉积结果求和， 在空间较好的雾滴沉积分布。出现这样的现象可能是

取平均值，试验结果如图 4 所示。 由于喷头向上倾斜安装时，大部分雾滴高速飞出风送

从图 3 可以发现，在距离喷头不同位置时，雾滴 装置的风力范围，雾滴失去风力而游离在空中不能运

沉积分布差异非常明显。不同倾斜角度安装喷头，雾 送到较远距离沉积分布；而喷头向下倾斜安装时，雾

滴在距离喷头 2 m 位置处产生较大的沉积分布，随着 滴可以受到较长时间风力影响，能够输送到距离喷头

距离的增加，雾滴沉积分布明显降低。试验中最大沉 较远位置分布，并具备良好的沉积表现。

45°

30°

15°

0°

15°

30°

(m)

图3 室内不同工况下雾滴的空间沉积分布测试结果

Fig.3 Result of space droplet deposition at different distances to nozzle with different nozzle angle in room test

(°)

图4 雾滴距离喷头不同距离的空间分布沉积的室内测试结果

Fig.4 Result of space droplet deposition at different distances to nozzle in room test

8

中国口岸科学技术

2.3 静风条件下无人机滞空悬停喷洒雾滴在空间滞留

沉积的测定结果

无人机悬停喷洒雾滴在空间分布的测试结果如图

5 和图 6 所示，从图 5 可以看出，当喷雾系统风送装

置未开启时，雾滴只能在不超过 3 m 距离的空间沉积

注：A、B、C分别代表风送风速为0 m/s、3 m/s、6 m/s 注：A、B、C分别代表风送风速为0 m/s、3 m/s、6 m/s

图5 无人机悬停状态不同喷头风速下在不同距离空间雾滴 图6 无人机悬停状态不同喷头风速下在距离不同空间雾滴

密度（n/cm²） 沉积量（μL/cm²）

Fig.5 Space droplet density at different distance by different Fig.6 Space droplet deposition at different distance by different

wind velocity in nozzle（n/cm²） wind velocity in nozzle (μL/cm²)

9

CHINA PORT SCIENCE AND TECHNOLOGY

分布，且在距离喷头 2 m 处雾滴密度和沉积量都大 表6 无人机超低容量喷雾现场试验测得的雾滴沉积量 (μL/cm²)

幅下降。而当风送装置开启后，雾滴可以分布在距 Table 6 Result of droplet deposisiont (μL/cm²) by UAV ULV

spray in field experiment

离喷头 4 m 的空间。从雾滴密度和沉积量对照来看，

虽然在 4 m 距离空间分布的雾滴密度还比较大，但 高度 (m)

由于雾滴沉积量随雾滴直径减小成立方级衰减，所 距离 (m) 1.5 1 0.5

以沉积量比较低。 2 0.822±0.005A 0.50±0.005A 0.184±0.034A

2.4 超低容量喷雾防治害虫结果 4 0.061±0.010B 0.053±0.0105B 0.017±0.068B

从表 5 和表 6 数据可以看出，现场试验中检疫无 注：表中数据是 4 个采样点平均值 (P ＜ 0.01)，相同字母表示差

人机喷洒雾滴在基本确定的 4 m 有效喷幅能获得较好 异不明显。

的雾滴空间滞留分布，无论从雾滴密度还是药剂沉积

表7 5%氯氰菊酯鸦胆子油剂无人机ULV喷雾防治害虫现场

量的分布上，都表明在有效喷幅的空间能够获得较好

试验

的雾滴滞留效果，这与悬停测试结果非常吻合。由表 Table 7 Result of test insect mortality by UAV ULV spraying

7 可知，从药剂对几种试虫的防治效果看，除草地贪 5% cypermethrin Java brucea fruit oil in field experiment

夜蛾 3 龄幼虫外，在有效喷幅空间内的白纹伊蚊成虫

能够达到 100% 死亡率，家蝇成虫除个别采样点外也 距离 高度

试虫

(m) (m) 家蝇成虫 (%) 白纹伊蚊成虫 (%) 草地贪夜蛾3rd幼虫 (%)

几乎达到 100% 死亡率。草地贪夜蛾 3 龄幼虫可能对

1.5 100 100 100

高效氯氰菊酯的耐药性较强，防治草地贪夜蛾需要筛

1 100 100 100

选针对性药剂品种配制制剂。而家蝇成虫也较白纹伊 2 0.5 100 100 100

蚊成虫有较强耐药力，药剂空间沉积分布较低的空间 1.5 100 100 63

出现少数家蝇成虫没有死亡的情况，证明了无人机超 1 95 100 41

4

低容量喷雾在空间分布不均匀。距离喷头较远的空间 0.5 91.5 100 33.66

雾滴分布较少，而且从雾滴密度和沉积量分布不一致 注：防治效果以24 h后试虫死亡率计算，以上数据是4个采样点平均数。

的情况来看，较远空间分布直径较小的雾滴，而直径

较大的雾滴在距离喷头较近的空间分布较多，导致其 3 讨论

药剂沉积量显著高于远处空间沉积分布的药剂量。空

间高度也是影响药剂沉积分布的重要原因，直径较小 近年来，无人机在农业病虫害防治及无线遥感等

的雾滴在较高的空间沉积分布较多，而较低高度空间 领域广泛应用。与传统飞机相比，无人机体积较小，

沉积分布直径较大的雾滴。 在确定载荷下续航能力有限，只适合在有限的区域施

药处理。而在口岸检疫处理方面，受口岸处理区域的

表5 无人机ULV喷雾现场试验测得的雾滴密度（n/cm²） 限制，无法采用传统航空喷雾方式进行施药处理。虽

Table 5 Result of droplet density (n/cm²) by UAV ULV spray in 然能够灵活应用的小型施药无人机在农业植保上发展

field experiment

十分迅速，但无人机施药防治害虫技术在口岸害虫检

(m) 疫除害处理的应用还未见报道。高度

距离 (m) [4] [5]

1.5 1 0.5 Himel 和 Uk 在 20 世纪 70 年代通过研究总结

2 20.16±2.97A 23.06±4.78A 19.23 5.46A 提出了生物最佳粒径理论，而控滴喷雾（Controlled ±

4 10.83±2.91B 12.76±2.92B 5.26±2.92C Droplet Applied, CDA）是以生物最佳粒径理论为指

导，以精准控制雾滴粒径和药剂用量达到提高药剂效

注：表中数据是 4 个采样点平均值 (P ＜ 0.01)，相同字母表示差

异不明显。 率，减少有害生物防治中药剂用量的重要技术手段。

10

中国口岸科学技术

控滴喷雾是以生物最佳粒径理论为指导，以精准 试验中草地贪夜蛾 3 龄幼虫死亡率较低的情况表明，

控制雾滴粒径和药剂用量达到提高药剂效率，减少有 针对口岸发现的不同害虫必须采用有针对性的药剂品

害生物防治中药剂用量的重要技术手段。检疫无人机 种，因此，使用检疫处理无人机超低容量喷雾处理技

超低容量喷雾平台，可根据口岸发生害虫的实际情况， 术必须有配套的超低容量油剂的开发技术。本研究开

通过调整转碟雾化器转速的方式，有针对性地进行喷 发了与该技术配套的以植物油剂为溶剂的系列杀虫剂

雾参数的选择。雾滴大小是影响空间喷雾防治害虫效 制剂配方，并申报了发明专利。

果的主要因素。张建桃等 [6] 证明了在风洞环境下， 独立开发的超低容量喷雾系统的控制部分还没有

离心喷头雾化盘转速和雾滴粒径的相关性，转速越大 同飞控系统进行整合，将该控制部分与飞控系统整合

雾滴粒径越小。Muhammad Farooq 等 [7] 对车载超低 时，还可以直接与海关监管信息系统相连，在海关口

容量喷雾灭蚊装置喷头角度的研究发现，只要对喷头 岸有害生物除害处理监管中，精确记录使用检疫无人

的雾滴输送角度稍加调整，喷雾性能就有显著的改善。 机超低容量喷雾施药处理相关的场所、作业时间、防

本原型机以喷头角度作为变量，研究了不同喷头角度 治对象、使用药剂种类和数量、操作人员信息、作业

对雾滴空间滞留沉积分布的影响。结果表明，安装在 时的气象信息等内容，实现口岸有害生物检疫除害处

无人机旋翼上部的离心式喷头，以向下倾斜方式安装， 理的信息化监管。

能够显著增强雾滴在空间滞留的沉积分布。

检疫处理无人机超低容量喷雾喷洒药剂防治害虫 4 结论

效果的现场试验结果表明，雾滴在空间滞留分布特性

和试虫的死亡率一致。检疫处理无人机喷洒雾滴在距 以植保施药（极飞 P-20）多旋翼电动无人机为基

离喷头 2 m 采样点后的沉积量快速下降，但距离喷头 础，成功研发了无人机超低容量喷雾装置。该装置通

4 m 采样点处试虫的死亡率依然超过 90%。离心式喷 过各种性能测试和现场试验，获得了很好的检疫除害

头加装风送装置可以使雾滴在较大范围内获得较好的 效果，该原型机经过改进后，在出入境口岸有害生物

空间滞留沉积分布，形成在 4 m 距离的有效喷幅雾滴 处理中可广泛应用，从而进一步加快口岸有害生物除

空间有效沉积分布。同时开启相对的 2 个转碟喷头， 害处理的速度，降低除害处理工作人员的劳动强度，

实际能够在无人机飞行作业中形成的有效喷幅为8 m。 提高施药人员的安全性。

参考文献

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（文章类别：CPST-C）

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第3卷 第12期

2021年12月

CHINA PORT SCIENCE AND TECHNOLOGY

口岸监测 / Frontier Monitoring