果園風(fēng)送式噴霧機(jī)智能化發(fā)展現(xiàn)狀與前景分析

邊永亮，李建平，薛春林，王鵬飛，李昕昊

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071000）

近年，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)專業(yè)化程度提高，果園植保機(jī)械逐漸向?qū)I(yè)化、自動(dòng)化、智能化和節(jié)能環(huán)保方向發(fā)展[1]。現(xiàn)代果園植保作業(yè)常采用化學(xué)、物理、生物防治方法，其中化學(xué)防治法以防治及時(shí)、效率高、技術(shù)成熟等優(yōu)勢(shì)應(yīng)用廣泛[2]。果園智能施藥技術(shù)可提高農(nóng)藥利用率、降低農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留、減少農(nóng)藥漂移對(duì)環(huán)境污染[3]。風(fēng)送式噴霧機(jī)是果園施藥最常用裝備，將農(nóng)藥按照固定劑量噴施于冠層靶標(biāo)，但施藥作業(yè)參數(shù)無法根據(jù)果樹冠層結(jié)構(gòu)（如樹冠體積、葉面積、樹高等）自動(dòng)調(diào)節(jié)，沉積于單位葉片面積上藥液極不均勻，導(dǎo)致局部過量施藥和局部防效不理想并存現(xiàn)象，嚴(yán)重影響果品品質(zhì)[4-5]。果園植保施藥正由機(jī)械化向智能化轉(zhuǎn)變，由粗放施藥向精準(zhǔn)施藥方向轉(zhuǎn)變。氣流輔助噴霧技術(shù)日趨成熟，風(fēng)送式噴霧機(jī)與變量噴霧技術(shù)、仿形技術(shù)、靜電噴霧技術(shù)、在線混藥技術(shù)等結(jié)合的研究較多。果園智能施藥裝備研發(fā)是果園植保精準(zhǔn)化必然選擇。本文梳理分析當(dāng)前智能化噴霧技術(shù)，部分智能化噴霧技術(shù)在風(fēng)送式噴霧機(jī)上應(yīng)用與試驗(yàn)效果，為我國(guó)果園風(fēng)送式噴霧機(jī)智能化發(fā)展提供理論參考。

1 智能噴霧技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

噴霧損失是噴霧應(yīng)用技術(shù)面臨最核心的問題，減少噴霧損失受關(guān)注[6]。

1.1 仿形噴霧技術(shù)

果樹仿形噴霧技術(shù)通過檢測(cè)果樹實(shí)際形狀,自動(dòng)控制噴頭組在理想噴霧距離下作業(yè)，可實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥精確噴施并提高農(nóng)藥施用效率[7]。仿形是精量施藥手段，精量是仿形噴霧目的。當(dāng)前果樹形狀檢測(cè)技術(shù)主要有：超聲波位置傳感技術(shù)[8]、圖像處理技術(shù)[9]、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用[10]、數(shù)據(jù)融合技術(shù)[11]、基于DSP果樹形態(tài)結(jié)構(gòu)參數(shù)檢測(cè)技術(shù)[12]、基于雙目視覺采集測(cè)距系統(tǒng)[13]等。機(jī)器視覺技術(shù)發(fā)展使果樹仿形識(shí)別精度逐漸提高。Cai 等研制樹冠特性實(shí)時(shí)激光掃描檢測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)提供不同樹冠密度網(wǎng)格體積，為引導(dǎo)變量噴霧機(jī)提供良好可靠性[14]。仿形對(duì)靶控制系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成，仿形噴霧機(jī)械仿形機(jī)構(gòu)在該系統(tǒng)控制下執(zhí)行仿形運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)噴頭精確定位，改進(jìn)與優(yōu)化控制算法，可提高仿形噴霧控制系統(tǒng)魯棒性[15]。張建瓴等設(shè)計(jì)仿形噴霧控制系統(tǒng)硬件框架如圖1所示[16]。超聲波傳感器采集果樹邊緣到噴頭距離，經(jīng)接口電路處理后傳輸入微處理器，微處理器根據(jù)測(cè)量距離作出相應(yīng)仿形決策，驅(qū)動(dòng)仿形架步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)噴頭精確定位，通過電磁閥控制噴頭開啟或關(guān)閉噴霧，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)果樹仿形對(duì)靶噴霧。

Berk等提高控制系統(tǒng)智能化程度，進(jìn)一步提升系統(tǒng)反應(yīng)能力[17]。常用仿形機(jī)構(gòu)如圖2所示，主要由2個(gè)對(duì)稱機(jī)械臂、滑塊、轉(zhuǎn)盤電動(dòng)機(jī)組成。

1.2 靜電噴霧技術(shù)

靜電噴霧與非靜電噴霧（傳統(tǒng)噴霧）區(qū)別為存在靜電作用，霧滴在運(yùn)行過程中可定向運(yùn)動(dòng)并帶電荷。噴嘴處?kù)F滴充電方法主要有電暈充電法、感應(yīng)充電法和接觸充電法三種[18-19]。霧滴在噴嘴處充電原理見圖3。

Patel 等設(shè)計(jì)開發(fā)一種新型空氣輔助靜電噴嘴，液體沉積增加2～3倍，在被遮擋目標(biāo)和前目標(biāo)上均具有更好均勻性[20-21]。該噴嘴重量輕，效率高。果園自動(dòng)對(duì)靶靜電噴霧機(jī)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和組成如圖4所示[22]。

1.3 在線混藥技術(shù)

在線混藥技術(shù)具有藥箱和水箱分離特點(diǎn)，相對(duì)于預(yù)混藥，可減少農(nóng)藥浪費(fèi)，避免農(nóng)藥與施藥者接觸以減少中毒隱患等優(yōu)勢(shì)?；焖帩舛仍诰€檢測(cè)技術(shù)可更好監(jiān)測(cè)混藥濃度，控制用藥量和用水量。目前濃度檢測(cè)方法主要有色譜法、光譜法、生物傳感器法、電導(dǎo)率法、光折射法、透光率法等[23]。在線混藥技術(shù)檢測(cè)裝置與混藥器連接如圖5所示，農(nóng)藥沿箭頭方向流動(dòng)。本檢測(cè)裝置主要由發(fā)光二極管、燈罩、檢測(cè)流道和CCD 傳感器組成。

1.4 循環(huán)噴霧技術(shù)

果園施藥過程中農(nóng)藥流失嚴(yán)重，周圍土地污染嚴(yán)重，隨農(nóng)藥安全使用要求提高，國(guó)內(nèi)外先后開展果園中未利用農(nóng)藥回收研究，大多以植株較為規(guī)整的葡萄園為研究對(duì)象。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家果園藥液回收利用研究較早，Grzegorz等研究藥液回收系統(tǒng)可有效攔截脫靶霧滴，回收為沉積藥液，并將其過濾后二次利用，節(jié)省農(nóng)藥25%～30%，減少對(duì)周圍土地污染[24]。藥液循環(huán)回收原理如圖6所示。

2 果園風(fēng)送式噴霧機(jī)智能化機(jī)械裝備

2.1 氣流輔助技術(shù)與機(jī)電液一體化技術(shù)結(jié)合型噴霧機(jī)

2.1.1 遠(yuǎn)程遙控地面植保機(jī)械

楊鵬設(shè)計(jì)一款用于郁閉型果園遙控彌霧機(jī)[25]。彌霧機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖7、8。該型號(hào)彌霧機(jī)采用遙控技術(shù)、機(jī)電液一體化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作，避免身體接觸。可實(shí)現(xiàn)遙控操作，但未實(shí)現(xiàn)精量噴施。翟長(zhǎng)遠(yuǎn)等改進(jìn)設(shè)計(jì)果園風(fēng)送噴霧機(jī)，構(gòu)建噴霧高度調(diào)控模型[26]。改進(jìn)噴霧機(jī)導(dǎo)流風(fēng)箱固定方式、傳動(dòng)方案和通過性能，并通過噴霧沉積分布試驗(yàn)及數(shù)學(xué)方程擬合，建立沉積分布重心高度、噴霧寬度與風(fēng)箱角度之間數(shù)學(xué)模型。與改進(jìn)前相比，該噴霧機(jī)不僅支持風(fēng)箱角度電動(dòng)精確調(diào)控，其理論功耗減少8%，尺寸減小32.6%。

2.1.2 氣流輔助技術(shù)與仿形噴霧技術(shù)結(jié)合型噴霧機(jī)

姜宗月研制一款果園定向仿形彌霧機(jī)，利用定向仿形風(fēng)送噴霧解決普通果園彌霧機(jī)噴頭與樹冠距離不一，近處?kù)F滴反彈，遠(yuǎn)處藥液無法噴附問題，提高農(nóng)藥受藥量和均布程度，減少藥液流失[27]。Salcedo 等設(shè)計(jì)一款仿形風(fēng)送式果園噴霧機(jī)，提出一種基于激光掃描儀測(cè)量調(diào)節(jié)噴霧機(jī)噴臂定位算法[28]。通過定向噴涂更多目標(biāo)，可減少農(nóng)藥漂移和地面沉積（見圖9）。

白鵬研制一款基于Android果園自動(dòng)對(duì)靶風(fēng)送式噴霧試驗(yàn)臺(tái)，采用無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，綜合節(jié)藥率＞26%，且果樹樹冠間距越大越省藥[29]。試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)與樣機(jī)見圖10、11。

Li等設(shè)計(jì)一款基于激光掃描傳感器果園變量噴霧機(jī)，通過控制系統(tǒng)發(fā)出脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)，可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)各電磁閥和無刷電機(jī)，改變噴嘴開度和風(fēng)扇轉(zhuǎn)速[30]。采用高精度激光掃描傳感器（光探測(cè)測(cè)距激光雷達(dá)）為探測(cè)器，利用變速率算法原理測(cè)量冠層體積，結(jié)果表明，與常規(guī)施藥相比，噴霧液平均減少46%。Hocevar 等研制靶向噴灑自動(dòng)化噴霧機(jī)，該噴霧器可根據(jù)目標(biāo)特性選擇性噴霧[31]。通過RGB相機(jī)機(jī)器視覺系統(tǒng)和適當(dāng)圖像分析檢測(cè)蘋果樹冠形狀。由RGB攝像機(jī)捕獲并由特定軟件處理信息實(shí)時(shí)饋送到噴灑臂，噴灑臂具有3個(gè)獨(dú)立控制部分，可使農(nóng)藥噴流適應(yīng)樹冠形狀，減少23%藥物用量。

2.1.3 氣流輔助技術(shù)與靜電噴霧技術(shù)結(jié)合型噴霧機(jī)

周良富等設(shè)計(jì)3WQ-400型雙氣流輔助靜電果園噴霧機(jī)采用雙風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，采用軸流風(fēng)機(jī)和離心風(fēng)機(jī)，冠層前部靜電噴霧霧滴覆蓋密度比非靜電噴霧提高20%，冠層后部霧滴覆蓋密度提高7.2%[32]。周艷等研制果園氣力式靜電噴霧機(jī)，該機(jī)基于靜電感應(yīng)原理，可將農(nóng)藥有效利用率提高60%以上，藥液損失減少50%，降低防治成本10%～20%，節(jié)省農(nóng)藥25%[33-34]。王志強(qiáng)等研制一種氣力霧化風(fēng)送式果園靜電彌霧機(jī)，氣力霧化、風(fēng)送和靜電結(jié)合彌霧技術(shù)增強(qiáng)霧化效果，提高霧滴均勻性和吸附性，有效防止霧滴飄移[36]。

Salcedo 等開展靜電噴霧機(jī)（見圖12）與常規(guī)多行噴霧器葉片沉積量對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)特殊靜電噴霧器可將體積流量降低多達(dá)68%，同時(shí)具有更好沉積效果[37]。

Cerqueira 等設(shè)計(jì)風(fēng)送式靜電噴霧機(jī)，可通過霧滴靜電充電改善霧滴沉積，增加霧滴對(duì)植物吸引力[38]。將空氣輔助添加到靜電噴霧中可進(jìn)一步改善噴霧沉積，使噴霧劑溶液滲透到作物冠層。

2.1.4 氣流輔助技術(shù)與在線混藥、靜電噴霧結(jié)合型噴霧機(jī)

楊洲等設(shè)計(jì)一款果園在線混藥型靜電噴霧機(jī)，該機(jī)型在風(fēng)機(jī)系統(tǒng)基礎(chǔ)上兼具在線混藥系統(tǒng)和靜電噴霧系統(tǒng)[39]。其噴桿設(shè)計(jì)具有果樹仿形功能，是多技術(shù)集成噴霧機(jī)。在線混藥系統(tǒng)混藥均勻性和穩(wěn)定性最大變異系數(shù)分別為4.46%和3.51%，系統(tǒng)混藥性能優(yōu)良。在靜電電壓8 kV、出風(fēng)口風(fēng)速27.6 m·s-1時(shí)，采用風(fēng)輔靜電方式無冠層采樣架上采樣點(diǎn)（采樣距離0.5、0.8和1.1 m），正面霧滴附率相對(duì)于無風(fēng)輔無靜電方式分別提高9.3%、46.3%和53.2%，采樣點(diǎn)反面霧滴附率分別提高82.9%、164.3%和184.2%。采用風(fēng)輔靜電方式仿真柑橘樹冠層內(nèi)部葉片正面霧滴附率為48個(gè)·cm-2，葉片反面為37個(gè)·cm-2，相對(duì)于無風(fēng)輔無靜電方式分別提高166.7%和428.6%。圖13為該機(jī)型第一代樣機(jī)。

2.1.5 氣流輔助技術(shù)與藥液循環(huán)技術(shù)結(jié)合型噴霧機(jī)

Baldoin 等研制一款風(fēng)送式循環(huán)噴霧器，可節(jié)省約32%用藥量[40]。該機(jī)型如圖14所示。

Molari等使用CFD技術(shù)耕作原型機(jī)，在無植被情況下，該噴霧器可有效減少損失，將噴霧液體回收率提高至95%[41]。Ade等設(shè)計(jì)一款帶有管道回收系統(tǒng)空氣輔助隧道噴霧機(jī)，對(duì)地面損失少于噴灑液體5%，低于常規(guī)噴霧器損失[42]。葉子保留液體量約為兩個(gè)階段分配液體87%，Ade 等設(shè)計(jì)并優(yōu)化，流向地面液體損失少于噴灑液體2%[43]。在滴水極限以下運(yùn)行時(shí)，冠層密度和流速不會(huì)影響損失，損失總計(jì)約占噴灑液體8%。在桃園中開展試驗(yàn)，該原型機(jī)由4個(gè)軸流風(fēng)扇產(chǎn)生高空氣流量，最高可噴射4～5 m。與傳統(tǒng)噴霧器相比損失減少50%～60%，具有良好垂直分布均勻性和良好滲透度。該原型可收集和回收約20%～30%噴灑液體[44]。Pergher等設(shè)計(jì)空氣輔助隧道噴霧機(jī)，靜態(tài)條件下最大回收率為95.1%，田間條件下回收率為34%～77%[45]。

2.1.6 氣流輔助技術(shù)與藥液循環(huán)、靜電噴霧技術(shù)結(jié)合型噴霧機(jī)

Celen 等研究空氣輔助對(duì)隧道式靜電噴霧機(jī)影響，以提高隧道式靜電噴霧機(jī)噴霧成功率為目標(biāo)[46]。安裝空氣輔助系統(tǒng)后植物噴霧沉積物增加，減少地面殘留量和噴霧沉積物暴露量漂移。為促進(jìn)噴霧液滴滲透到植物冠層中，使用空氣支撐單元?？諝庵蜗到y(tǒng)將空氣噴入隧道，由于隧道中增壓空氣流影響，噴灑液體散布植物葉片表面。

3 果園風(fēng)送式噴霧機(jī)智能化發(fā)展前景

3.1 多技術(shù)集成化

應(yīng)用機(jī)電液一體化技術(shù)提高噴霧機(jī)果園地形適應(yīng)性，可適應(yīng)山地果園起伏地形，提高安全性能，減少藥液附著機(jī)會(huì)，實(shí)現(xiàn)遙控作業(yè)，降低生產(chǎn)成本。

氣流輔助技術(shù)+其他變量噴霧技術(shù)/仿形噴霧技術(shù)/在線混藥技術(shù)等應(yīng)用效果顯著提高，多技術(shù)集成將是未來風(fēng)送式噴霧機(jī)發(fā)展方向。

3.2 農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合

加強(qiáng)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝有效融合，針對(duì)不同生長(zhǎng)期果樹冠層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和病蟲害發(fā)生規(guī)律，合理采用農(nóng)藥噴灑方式。加強(qiáng)規(guī)范化果樹栽培，規(guī)范化果園種植模式直接影響機(jī)械化通過性能和防治作業(yè)效果一致性；專業(yè)化、系列化密植型果園噴霧機(jī)開發(fā)，需果樹不同生長(zhǎng)期冠層結(jié)構(gòu)和霧流場(chǎng)沉積特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)精量化、機(jī)械化、自動(dòng)化和安全化施藥。

3.3 風(fēng)量精量可控

目前風(fēng)送式變量噴霧機(jī)已實(shí)現(xiàn)根據(jù)靶標(biāo)密度、樹冠尺寸及樹冠有無變量控制藥液噴霧量，但尚未實(shí)現(xiàn)風(fēng)速變量控制。對(duì)風(fēng)速實(shí)現(xiàn)變量控制優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)噴霧機(jī)對(duì)樹葉密度和冠形較大果樹噴霧時(shí)，可增大噴頭出口風(fēng)速，增強(qiáng)霧滴穿透能力，提高噴霧效果；當(dāng)噴霧機(jī)對(duì)樹葉密度和冠形較小果樹噴霧時(shí)，可減少噴頭出口風(fēng)速，提高噴霧效果同時(shí)減少霧滴漂移。

3.4 “3S”技術(shù)應(yīng)用

集成遙感、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)的3S技術(shù)可為智慧噴藥提供技術(shù)支撐。其中RS技術(shù)利用高分辨率傳感器，采集地面空間分布地物光譜反射或輻射信息，在不同作物生長(zhǎng)期，實(shí)施全面監(jiān)測(cè)，根據(jù)光譜信息，作空間定性、定位分析，為定位處方農(nóng)作提供大量田間時(shí)空變化信息[47]。“RS技術(shù)”與風(fēng)送式噴霧機(jī)結(jié)合，可監(jiān)測(cè)作物生長(zhǎng)情況，獲得不同時(shí)間序列圖像，結(jié)合由物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判斷作物生理狀況，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)噴藥。

GIS是在計(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)支持下，對(duì)全部或部分地球表層空間中有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)加以采集、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)[47]。將GIS技術(shù)應(yīng)用到果園植保中，其制圖功能可繪制作病蟲災(zāi)害覆蓋圖、地形圖、農(nóng)田信息分布圖等，為制定科學(xué)植保方案提供依據(jù)。

GPS 可提供實(shí)時(shí)、全天候和全球性導(dǎo)航、定位、定時(shí)服務(wù)[47]。農(nóng)業(yè)信息空間和時(shí)間變化量采集是實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)關(guān)鍵之一，GPS在智慧農(nóng)業(yè)中具有重要作用，其實(shí)時(shí)定位和精確定時(shí)功能可為智慧農(nóng)業(yè)提供實(shí)時(shí)、高效、準(zhǔn)確點(diǎn)位信息，可為農(nóng)機(jī)作業(yè)提供高效導(dǎo)航信息，將農(nóng)藥噴灑到準(zhǔn)確位置。

Yu 等設(shè)計(jì)一款搭載有GPS 導(dǎo)航系統(tǒng)果園風(fēng)送式噴霧機(jī)，運(yùn)用超聲波傳感器系統(tǒng)（CIS）識(shí)別樹冠特征，圖像識(shí)別系統(tǒng)精準(zhǔn)感知果樹樹葉生長(zhǎng)狀況，搭載風(fēng)況監(jiān)測(cè)裝置，可精準(zhǔn)調(diào)節(jié)噴頭角度和噴霧量[48]。Doruchowski 等開發(fā)一種作物適應(yīng)性應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)果園精確、高效和安全噴霧[49]。該系統(tǒng)由3 個(gè)子系統(tǒng)組成：①作物健康傳感器（CHS）識(shí)別水果作物健康狀況，②作物識(shí)別系統(tǒng)（CIS）識(shí)別樹冠尺寸和密度，③環(huán)境應(yīng)用系統(tǒng)（EDAS），確定噴涂過程中環(huán)境條件。為保護(hù)果園周圍敏感區(qū)域，噴霧器位置由GPS確定，噴嘴會(huì)根據(jù)風(fēng)向自動(dòng)調(diào)整。

3.5 “5G”技術(shù)應(yīng)用

5G（5th generation），是第五代移動(dòng)通信技術(shù)縮寫[50]。5G 技術(shù)將使機(jī)械作業(yè)更加智能化、精準(zhǔn)化、公開化、高效化[51]。5G 將助力傳感器廣泛使用，大量計(jì)算機(jī)視覺、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)與設(shè)備、設(shè)施融入農(nóng)業(yè)，農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、智能化水平取得突破性進(jìn)展，必將使噴霧機(jī)械作業(yè)過程更加智能化。

4 結(jié) 論

a.提高噴霧精確性、施藥裝備自動(dòng)化程度是智能施藥發(fā)展方向?，F(xiàn)階段，智能施藥技術(shù)已取得突破性進(jìn)展，但如何應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，依據(jù)我國(guó)基本國(guó)情實(shí)現(xiàn)按需施藥，將需進(jìn)一步探索。

b. 多技術(shù)集成優(yōu)勢(shì)逐步體現(xiàn)。我國(guó)未來風(fēng)送式噴霧機(jī)將向智能化方向繼續(xù)發(fā)展，高新技術(shù)例如“3S”技術(shù)、“5G”技術(shù)等將與風(fēng)送式噴霧機(jī)結(jié)合，果園風(fēng)送式噴霧設(shè)備將迎來智能化、精準(zhǔn)化、高效化發(fā)展階段。

c.各種探測(cè)樹形結(jié)構(gòu)技術(shù)愈發(fā)成熟，可精準(zhǔn)模擬樹形，靶向施藥。噴霧機(jī)安全性能將大幅提升。在噴霧過程中操作者減少或避免與農(nóng)藥接觸，減少中毒風(fēng)險(xiǎn)；智能化精準(zhǔn)施藥將減少農(nóng)藥浪費(fèi)，保護(hù)環(huán)境。