果園自動(dòng)噴藥控制系統(tǒng)現(xiàn)狀與研究分析

丁銳

摘要：我國(guó)是糧油、果菜種植大國(guó)，然而病蟲(chóng)害的發(fā)生會(huì)造成我們極大的損失，而目前有效方式之一就是農(nóng)藥噴灑，本文通過(guò)分析果園農(nóng)藥噴灑技術(shù)、信息檢測(cè)系統(tǒng)及噴藥機(jī)械裝置的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，然后提出結(jié)合我國(guó)國(guó)情的方案和技術(shù)路線。

關(guān)鍵詞：噴藥系統(tǒng)；紅外掃描；精準(zhǔn)定位；非連續(xù)；控制器

雖然農(nóng)藥的噴灑減輕了果品的病蟲(chóng)害災(zāi)害，然而，目前我國(guó)存在問(wèn)題是農(nóng)藥噴灑的機(jī)械化水平不高，精準(zhǔn)率低，藥液裝置簡(jiǎn)陋，利用率僅僅為10%-30%，這與國(guó)際IE標(biāo)準(zhǔn)相差甚遠(yuǎn)，僅是國(guó)際20世紀(jì)80年代初的農(nóng)藥利用率標(biāo)準(zhǔn)，這種農(nóng)藥噴灑模式很大程度上造成了人力的浪費(fèi)和果品的減產(chǎn)。因此，提高農(nóng)藥的利用率和精準(zhǔn)率和機(jī)械化水平是亟待解決的問(wèn)題。

1.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，美國(guó)、丹麥等國(guó)家的農(nóng)藥噴施手段較為先進(jìn)，國(guó)內(nèi)外果園噴藥技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)將日益改善，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化程度高、精準(zhǔn)度高、效率高的噴藥方案。

1.1果園噴藥技術(shù)研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)80年代末，果園風(fēng)幕式噴藥技術(shù)開(kāi)始在歐洲地區(qū)興起，風(fēng)幕式噴藥是通過(guò)鼓風(fēng)。90年代初，該噴藥技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于中外果園中。到了21世紀(jì)，噴藥技術(shù)的研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)槿绾螌?shí)現(xiàn)低量和變量噴藥，噴藥技術(shù)也日益增多。國(guó)內(nèi)外主要的噴藥技術(shù)如下：

1.1.1 紅外掃描果園噴藥技術(shù)的研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)690年代初，紅外技術(shù)因其沒(méi)有破壞性，可實(shí)現(xiàn)無(wú)損探測(cè)，成本較低，探測(cè)結(jié)果精準(zhǔn)，用時(shí)較短，受到了企業(yè)和各專(zhuān)家學(xué)者的青睞，并被迅速應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)作物栽培、醫(yī)療器械上。

美國(guó)應(yīng)用紅外掃描技術(shù)較早。1981年，美國(guó)通過(guò)研制出紅外光電式噴霧機(jī)，該噴霧劑改變了傳統(tǒng)連續(xù)噴霧的缺陷，實(shí)現(xiàn)了間歇式不連續(xù)噴霧，并且減少了農(nóng)藥的使用，將農(nóng)藥利用率提高了24%-51%。1990年，紅外掃描噴藥技術(shù)經(jīng)過(guò)改進(jìn)，被應(yīng)用于除草噴藥。

日本在1994年采用光電探測(cè)技術(shù)，研制出一款用于果園自動(dòng)噴霧的自走式噴霧機(jī)，該機(jī)器識(shí)別果園中果樹(shù)位置進(jìn)行噴藥操作。

我國(guó)國(guó)內(nèi)各學(xué)者在果園噴藥技術(shù)上采用紅外掃描技術(shù)的也很多。如中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的何雄奎進(jìn)行了果園對(duì)靶探測(cè)的研制，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)采用靜電探測(cè)技術(shù)，將紅外光進(jìn)行準(zhǔn)確分段，實(shí)現(xiàn)了對(duì)果樹(shù)形態(tài)的精準(zhǔn)判斷，從而進(jìn)行噴霧動(dòng)作。

1.1.2超聲波果園噴藥技術(shù)的研究現(xiàn)狀

超聲波傳感技術(shù)在果園噴藥系統(tǒng)中的應(yīng)用興起于上世紀(jì)80年代初，通過(guò)超聲波的發(fā)射和接收之間的時(shí)間差進(jìn)行超聲波探測(cè)，實(shí)現(xiàn)果園果樹(shù)的噴藥。國(guó)內(nèi)外采用超聲波技術(shù)在噴霧上取得了一定的進(jìn)展。

美國(guó)采用超聲技術(shù)研制出一款適合果園的智能?chē)娝幭到y(tǒng)，超聲波傳感器通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)探測(cè)，在噴霧探頭處采用IE標(biāo)進(jìn)行大小和形態(tài)的處理。該系統(tǒng)可安裝在行走的噴霧機(jī)上，通過(guò)一定的速度控制探測(cè)樹(shù)木具體位置，保證了藥物的準(zhǔn)確噴灑，減輕了農(nóng)藥的浪費(fèi)，提高利用率，通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，該設(shè)備節(jié)省農(nóng)藥率為50%。

國(guó)內(nèi)，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的學(xué)者王貴恩研制了采用超聲傳感技術(shù)開(kāi)發(fā)的針對(duì)果樹(shù)外形檢測(cè)的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括超聲波傳感器、電磁閥、控制器、電機(jī)等，實(shí)驗(yàn)依據(jù)超聲波探頭檢測(cè)出的設(shè)備距離樹(shù)木的距離，給控制器傳輸一個(gè)信號(hào)，該信號(hào)控制電磁閥的開(kāi)啟或閉合[1]。

1.1.3 圖像傳感果園噴藥技術(shù)的研究現(xiàn)狀

將圖像傳感器安裝在噴藥機(jī)械裝置上，通過(guò)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)分析果園樹(shù)木圖形和顏色，針對(duì)有樹(shù)木的位置和病害部位進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的噴藥操作。

國(guó)外學(xué)者Giles D.K通過(guò)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)作為系統(tǒng)的探測(cè)技術(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)噴頭的位置和方向進(jìn)行識(shí)別，利用該技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)雜草覆蓋率的檢測(cè)，噴藥的效率提升40%[2]。

我國(guó)南京林業(yè)大學(xué)的趙茂程采用圖像傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)了林業(yè)農(nóng)藥的噴灑，試驗(yàn)中，選擇性使用部分噴頭，避免了所有噴頭同時(shí)工作造成的機(jī)械損壞和農(nóng)藥浪費(fèi)。

以上三種方法均被應(yīng)用于果園農(nóng)藥噴灑中，然而，超聲波傳感噴藥系統(tǒng)存在波束發(fā)散、超聲波儀器價(jià)格較為昂貴的缺陷，波束發(fā)散的缺陷會(huì)導(dǎo)致超聲波傳感器檢測(cè)果樹(shù)距離時(shí)，定位精度不高的問(wèn)題，不能做到精準(zhǔn)的農(nóng)藥噴灑過(guò)程；圖像傳感技術(shù)在果園噴藥系統(tǒng)中的應(yīng)用雖然廣泛，但是存在圖像獲取信息量大，處理數(shù)據(jù)量大的問(wèn)題，這些問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致控制器發(fā)出的信號(hào)出現(xiàn)延時(shí)情況，也不能很好地進(jìn)行果園農(nóng)藥的精準(zhǔn)噴灑。

1.2果園噴藥信息檢測(cè)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

果園噴藥信息檢測(cè)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)果樹(shù)有無(wú)，果樹(shù)間距測(cè)量的重要裝置。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)果園噴藥信息檢測(cè)系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)也十分廣泛，該系統(tǒng)的檢測(cè)裝置通常采用不同型號(hào)的傳感器作為核心部件，該系統(tǒng)的優(yōu)良是整個(gè)噴藥控制系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。

目前被廣泛應(yīng)用于果園噴藥信息檢測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)有：GIS、GPS、機(jī)器視覺(jué)技術(shù)等，這些技術(shù)的迅速發(fā)展也為噴藥信息檢測(cè)系統(tǒng)提供了有力的技術(shù)支持。

我國(guó)學(xué)者馬景宇于2006年通過(guò)GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了噴藥控制系統(tǒng)的研制，首先需要對(duì)果樹(shù)的位置、病害類(lèi)別和程度進(jìn)行采樣，然后通過(guò)GPS作業(yè)所獲取的機(jī)器位置，傳入到GIS 系統(tǒng)，進(jìn)而控制是否進(jìn)行噴藥操作或和噴藥量。然而，這些技術(shù)的應(yīng)用對(duì)作物的高度和復(fù)雜程度有一定的限制，且操作復(fù)雜，不是高效的檢測(cè)方式[3]。

總之，在果園自動(dòng)噴藥的檢測(cè)信息系統(tǒng)方面，我國(guó)的機(jī)械化控制水平還有待進(jìn)一步提高，機(jī)械化的更為精準(zhǔn)和實(shí)時(shí)的信息檢測(cè)系統(tǒng)有待開(kāi)發(fā)和提高。

1.3果園噴藥機(jī)械裝置研究現(xiàn)狀

常用的果園噴藥機(jī)械裝置類(lèi)型有：壓縮式噴霧器、背負(fù)式噴霧器、踏板式噴霧器。這三種機(jī)械裝置是目前我國(guó)果園噴藥裝置中覆蓋面積最為廣泛的機(jī)械裝置，使用率達(dá)到80%。另外，動(dòng)力機(jī)器測(cè)曾經(jīng)也被廣泛使用與果園噴藥的機(jī)械裝置中，該機(jī)型適用于面積很大的果園，且設(shè)備價(jià)格較高。

20世紀(jì)末期，歐美國(guó)家通過(guò)各類(lèi)傳感器的使用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)果樹(shù)距離、高度、形態(tài)等的自動(dòng)化檢測(cè)，提高了農(nóng)藥的利用率，減輕了土壤和環(huán)境的污染，自動(dòng)化程度較高。

日本于20世紀(jì)90年代初研制出一款感應(yīng)電纜式果樹(shù)噴藥機(jī)器人。在果園中進(jìn)行感應(yīng)電纜的鋪設(shè)，依靠果樹(shù)噴藥機(jī)器人與電纜間的的電磁感應(yīng)，控制機(jī)器人的行進(jìn)方向。該機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立智能化操作，無(wú)需果農(nóng)深入果園跟隨作業(yè)，在實(shí)現(xiàn)智能化噴藥的基礎(chǔ)上，也避免了人力的浪費(fèi)和農(nóng)藥對(duì)人體的危害。

在我國(guó)，一種車(chē)載式果園噴藥機(jī)逐漸受到果農(nóng)的青睞，其方便在果園中行進(jìn)，節(jié)省人力，同時(shí)勞動(dòng)強(qiáng)度較低，體積適中。使用中，只需將車(chē)停在地頭，發(fā)動(dòng)機(jī)保持工作狀態(tài)，將扭矩經(jīng)由皮帶送至液泵，通過(guò)液泵將藥液抽送至高壓噴槍?zhuān)瑖姌屚ㄟ^(guò)人工操作，進(jìn)行農(nóng)藥噴灑。這種車(chē)載式果園噴藥機(jī)應(yīng)用廣泛，然而人工消耗較大，自動(dòng)化程度低，智能化水平不高。另外，直升機(jī)在大面積的果園中也有應(yīng)用，但該技術(shù)還未普及，一些技術(shù)仍然有待開(kāi)發(fā)和研制。

總之，機(jī)電一體化、自動(dòng)化、智能化是果園噴藥系統(tǒng)機(jī)械裝置的進(jìn)一步發(fā)展趨勢(shì)。

2.結(jié)論

本人建議采用紅外掃描傳感器，精準(zhǔn)定位果樹(shù)位置，解決傳統(tǒng)淋洗式覆蓋連續(xù)噴藥噴灑到果樹(shù)間隙造成藥液的浪費(fèi)和對(duì)果園生態(tài)環(huán)境的污染的問(wèn)題，該方案適用于非連續(xù)種植的果園專(zhuān)門(mén)的噴藥機(jī)械裝置，做到精準(zhǔn)噴灑農(nóng)藥。本人提出如下技術(shù)路線，研究對(duì)紅外掃描檢測(cè)系統(tǒng)、藥液回路系統(tǒng)、控制器硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)和調(diào)試，選用紅外掃描技術(shù)進(jìn)行果園的噴藥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是精準(zhǔn)高效的噴灑方式。

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