柑橘無(wú)人對(duì)靶施藥關(guān)鍵技術(shù)研究*

曹中華 ，崔晉波 ，湛小梅 ，馮 偉 ，李亞麗

（重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，重慶 401329）

1 研究意義

重慶是全國(guó)柑橘的主產(chǎn)區(qū)和優(yōu)產(chǎn)區(qū)，柑橘產(chǎn)業(yè)位居重慶七大特色產(chǎn)業(yè)之首，種植面積超過(guò)350萬(wàn)畝（1畝≈667m2），產(chǎn)量超過(guò)330萬(wàn)噸，種植業(yè)產(chǎn)值近200 億元，幫助農(nóng)民脫貧致富效果顯著。然而，在重慶市柑橘產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)，柑橘生產(chǎn)機(jī)械化卻令人堪憂，其中以植保機(jī)械最為突出。目前，重慶市柑橘果園的農(nóng)藥噴灑方式大多采用背負(fù)式噴霧器，這種噴霧器需要農(nóng)民自身攜帶藥箱，并通過(guò)手動(dòng)施壓來(lái)噴灑農(nóng)藥，存在工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、農(nóng)藥利用率低以及環(huán)境污染嚴(yán)重等突出問(wèn)題[1-3]。

農(nóng)業(yè)機(jī)械是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)，農(nóng)業(yè)機(jī)械化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。政府高度重視農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展，頒布了《農(nóng)業(yè)機(jī)械化促進(jìn)法》《農(nóng)業(yè)機(jī)械安全監(jiān)督管理?xiàng)l款》等法規(guī)和規(guī)章，制定印發(fā)了《國(guó)務(wù)院關(guān)于促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化和農(nóng)機(jī)工業(yè)又好又快發(fā)展的意見》和《國(guó)務(wù)院關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化和農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的指導(dǎo)意見》，將農(nóng)機(jī)裝備發(fā)展列為《中國(guó)制造2025》重點(diǎn)領(lǐng)域，出臺(tái)了一系列支持促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展的政策舉措，調(diào)動(dòng)了廣大農(nóng)民購(gòu)機(jī)、用機(jī)的積極性，推動(dòng)了全國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化持續(xù)快速發(fā)展，成為中國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程中的突出亮點(diǎn)。同時(shí)，隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的進(jìn)程不斷加快，農(nóng)業(yè)“用工難”“用工貴”問(wèn)題日益突出，農(nóng)業(yè)各領(lǐng)域?qū)C(jī)械化的需求越來(lái)越迫切，廣大農(nóng)民對(duì)農(nóng)機(jī)裝備的依賴越來(lái)越明顯，“機(jī)械化換人”成為破解“誰(shuí)來(lái)種地？怎么種地？”問(wèn)題的必然選擇。適應(yīng)新形勢(shì)、新要求，加快推進(jìn)重慶市農(nóng)業(yè)機(jī)械化轉(zhuǎn)型升級(jí)，是全面實(shí)施重慶市“鄉(xiāng)村振興”行動(dòng)計(jì)劃的迫切要求?？梢?，智能農(nóng)機(jī)發(fā)展政策優(yōu)越、時(shí)間緊迫。

隨著科技的進(jìn)步和人們環(huán)保意識(shí)的提高，人們?cè)絹?lái)越重視農(nóng)藥對(duì)環(huán)境的污染以及農(nóng)藥的利用率問(wèn)題。同時(shí)，果農(nóng)對(duì)柑橘施藥機(jī)械的要求也越來(lái)越高，不但要求農(nóng)藥的利用率高，而且還要求勞動(dòng)強(qiáng)度低、環(huán)境污染小。如何在噴灑農(nóng)藥的同時(shí)，減少農(nóng)藥對(duì)柑橘果品與環(huán)境的影響，提高農(nóng)藥利用率、殺蟲效果、霧化效果、藥物的沉淀量，降低成本及病蟲害對(duì)果樹的傷害和環(huán)境污染是迫切需要解決的問(wèn)題。因此，針對(duì)我國(guó)丘陵山區(qū)宜機(jī)標(biāo)準(zhǔn)柑橘園種植管理需求，兼顧施藥作業(yè)需要，進(jìn)行柑橘無(wú)人對(duì)靶施藥關(guān)鍵技術(shù)研究，為下一步研制柑橘無(wú)人對(duì)靶施藥裝備提供理論依據(jù)[4-5]。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外在農(nóng)藥噴施技術(shù)方面的研究發(fā)展得較早，以歐美地區(qū)的發(fā)達(dá)國(guó)家為主。Speelman 等人先后研究了不同行駛速度會(huì)引起噴桿的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)及激振頻率會(huì)影響噴霧分布均勻性，噴桿水平運(yùn)動(dòng)對(duì)噴霧分布均勻性的影響情況。Duga 等人利用3 種不同類型噴霧機(jī)對(duì)4 種不同果樹進(jìn)行霧滴沉積試驗(yàn)，得出更高的空氣流速有利于提高目標(biāo)作物的霧滴沉積率。Pérez-Ruiz 等人研究噴霧控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)降低了植保成本、環(huán)境破壞和農(nóng)民的人身風(fēng)險(xiǎn)，并配有先進(jìn)的傳感器，加強(qiáng)探測(cè)噴桿末端效應(yīng)并確保噴灑的準(zhǔn)確性。Pascuzzi 等人研究了一種氣動(dòng)靜電噴霧器來(lái)評(píng)估靜電荷對(duì)葡萄葉面噴霧沉積的影響，以求達(dá)到更好的霧化效果。GilesDK等人先后研究對(duì)靶噴藥系統(tǒng)，使用CCD攝像機(jī)實(shí)時(shí)采集目標(biāo)作物，基于機(jī)器視覺的精確對(duì)靶噴施系統(tǒng)，有效減少了農(nóng)藥的使用量。綜上所述，國(guó)外在對(duì)模型的建立、噴桿的動(dòng)態(tài)特性、噴桿的自動(dòng)平衡、靶噴施方面應(yīng)用的技術(shù)比較先進(jìn)，性能方面比較可靠，針對(duì)病蟲害防治的精確噴施技術(shù)的研究值得國(guó)內(nèi)借鑒和參考。但國(guó)外一些現(xiàn)有成果難以在國(guó)內(nèi)直接應(yīng)用，高精尖的對(duì)靶噴施設(shè)備（如激光掃描儀、機(jī)器視覺設(shè)備）使得噴霧機(jī)具在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的使用成本過(guò)高、大型機(jī)具難以適應(yīng)我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)檸檬果園種植模式施藥等，在全株施藥技術(shù)、無(wú)人對(duì)靶施藥技術(shù)等領(lǐng)域研究不足。

國(guó)內(nèi)在農(nóng)藥噴施技術(shù)方面落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，主要采用粗放式的噴施方法，噴施技術(shù)水平低，主要采用小型噴霧機(jī)具。隨著智能農(nóng)業(yè)裝備研究的深入，國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者也在精確噴施技術(shù)上做了大量的研究。丁競(jìng)崗等人先后針對(duì)果園噴霧機(jī)研究噴頭的最佳間距、噴頭高度、液體壓力和均勻覆蓋所需重疊量的函數(shù)，壓力損失對(duì)XR系列噴頭霧滴粒徑分布的影響，霧滴的實(shí)時(shí)飄移情況及飄移分布規(guī)律，可轉(zhuǎn)換噴桿噴霧機(jī)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)及噴霧機(jī)的超寬幅噴桿式、折疊機(jī)構(gòu)、仿形機(jī)構(gòu)和回彈機(jī)構(gòu)。何雄奎等人通過(guò)研究紅外傳感探測(cè)技術(shù)，利用顏色傳感器和單片機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)只對(duì)綠色作物靶標(biāo)噴霧的目的。但是，總體來(lái)說(shuō)國(guó)內(nèi)目前在對(duì)靶技術(shù)方面的大多數(shù)成果還停留在試驗(yàn)階段，實(shí)用性不強(qiáng)，距離投入實(shí)際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還有一段時(shí)間。在全株施藥技術(shù)模式、無(wú)人駕駛自動(dòng)對(duì)靶施藥技術(shù)領(lǐng)域等方面出現(xiàn)空白[6-9]。

綜上，國(guó)外精準(zhǔn)噴霧機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)已經(jīng)向大型化、機(jī)電液一體化、智能化等方向發(fā)展。在大功率拖拉機(jī)上前后懸掛機(jī)具進(jìn)行高速、寬幅施藥等作業(yè)，并廣泛結(jié)合虛擬儀器技術(shù)，利用現(xiàn)代傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對(duì)靶施藥，以提高作業(yè)效率和節(jié)約能源。同時(shí)，國(guó)內(nèi)噴霧機(jī)研究從通用設(shè)備向?qū)Ｓ迷O(shè)備發(fā)展，從粗放噴霧向精準(zhǔn)噴霧甚至對(duì)靶噴霧發(fā)展，針對(duì)果園種植管理需求，兼顧施藥作業(yè)需要，進(jìn)行對(duì)靶施藥、無(wú)人駕駛設(shè)備的研發(fā)，逐步替代背負(fù)式、擔(dān)架式噴霧機(jī)開展作業(yè)，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高作業(yè)效率。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 開展標(biāo)準(zhǔn)化柑橘園機(jī)藝融合技術(shù)研究

針對(duì)丘陵山地標(biāo)準(zhǔn)化柑橘園農(nóng)藝種植需求，柑橘樹型大、排水溝設(shè)置不科學(xué)導(dǎo)致的底盤通過(guò)性差問(wèn)題，篩選適宜的柑橘修剪技術(shù)，集成柑橘疏花疏果技術(shù)和果園暗排技術(shù)，從而解決丘陵山地柑橘園動(dòng)力底盤通過(guò)性差、機(jī)械施藥困難等問(wèn)題。

3.2 柑橘全株機(jī)械施藥技術(shù)研究

針對(duì)柑橘機(jī)械施藥時(shí)葉背藥液沉淀量低、霧滴分布不均勻等問(wèn)題，通過(guò)對(duì)我國(guó)丘陵山區(qū)宜機(jī)標(biāo)準(zhǔn)柑橘園種植模式的研究，依照樹冠大小形態(tài)采用液壓技術(shù)控制，研究變噴桿噴霧機(jī)自動(dòng)收合變形、自調(diào)整高度機(jī)構(gòu)，采用仿樹形弧形噴桿，研究噴桿上安裝的可調(diào)噴嘴個(gè)數(shù)及分布方式，實(shí)現(xiàn)柑橘頁(yè)面葉背全株施藥，利用FLUENT 對(duì)噴霧霧化特性進(jìn)行仿真分析，使用室內(nèi)噴霧性能綜合試驗(yàn)臺(tái)對(duì)影響噴桿噴霧機(jī)噴霧分布均勻性的相關(guān)工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)研究，設(shè)置不同噴霧機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)組合，通過(guò)數(shù)據(jù)整理分析，尋找到施藥距離、噴霧壓力、對(duì)應(yīng)的霧滴沉淀量的最優(yōu)參數(shù)組合，采用數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)，建立柑橘噴霧虛擬樣機(jī)，進(jìn)行噴霧情況的仿真分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，形成輕簡(jiǎn)高效的噴霧機(jī)主體結(jié)構(gòu)，對(duì)噴霧機(jī)進(jìn)行實(shí)際田間試驗(yàn)，檢驗(yàn)噴霧機(jī)的霧滴覆蓋率和穿透性，分析噴霧機(jī)實(shí)際噴藥?kù)F化效果、柑橘葉背藥液沉淀量等參數(shù)。

3.3 柑橘機(jī)械施藥對(duì)靶技術(shù)研究

針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)果園柑橘種植模式、農(nóng)藥利用率低且易流失造成環(huán)境污染等問(wèn)題，研究柑橘對(duì)靶施藥技術(shù)。采用紅外光電傳感器探測(cè)果樹，結(jié)合柑橘生長(zhǎng)狀態(tài)，通過(guò)紅外光電及雷達(dá)傳感器來(lái)實(shí)時(shí)獲取噴施柑橘的輪廓、距離、深度及密度等信息，經(jīng)處理器控制電磁閥的開閉，從而控制噴頭噴停。針對(duì)樹冠層枝葉的不連續(xù)，研究紅外光電及雷達(dá)傳感器檢測(cè)噴霧單元與樹冠層枝葉的距離，當(dāng)檢測(cè)到柑橘果樹時(shí)，由與噴嘴相連的電磁開關(guān)閥控制進(jìn)行施藥工作，并由控制系統(tǒng)分析處理后確定施藥量的多少，形成施藥決策。根據(jù)傳感器信號(hào)控制電磁閥狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)靶施藥，以降低藥液的用量，提高藥液的使用效率，減少環(huán)境污染。

3.4 無(wú)人對(duì)靶施藥系統(tǒng)研究

在噴桿上中下三處配置傳感器，用于樹冠感應(yīng)與距離反饋，研究傳感器參數(shù)、流量和壓力系統(tǒng)調(diào)節(jié)方法、多傳感器防干擾技術(shù)、傳感器防電子系統(tǒng)干擾技術(shù)等，研發(fā)噴霧智能控制系統(tǒng)，指揮噴桿根據(jù)樹冠情況自動(dòng)伸縮、張合及傾角調(diào)整，噴頭根據(jù)樹冠情況自動(dòng)開閉，實(shí)現(xiàn)對(duì)靶施藥。

3.5 新能源無(wú)人駕駛智能底盤研究

根據(jù)我國(guó)丘陵山區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化柑橘園的特點(diǎn)、柑橘樹型和噴藥動(dòng)力及精度的要求，搭建鋰電池雙電機(jī)履帶底盤、集成遙控模塊和電動(dòng)推桿系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)柑橘對(duì)靶施藥裝備自動(dòng)行走，在動(dòng)力底盤前方和左右兩側(cè)各配置姿態(tài)傳感器、雷達(dá)避障傳感器、角度傳感器等，用于地形、障礙物和車身姿態(tài)感知，實(shí)現(xiàn)底盤行走速度自動(dòng)調(diào)節(jié)、智能避障和轉(zhuǎn)彎，確保定位信號(hào)丟失時(shí)能準(zhǔn)確行止，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)力底盤作業(yè)的無(wú)人操作，最大程度地減少農(nóng)藥對(duì)操作人員身體健康的傷害。

4 結(jié)語(yǔ)

基于我國(guó)丘陵山區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化宜機(jī)柑橘園種植的農(nóng)藝要求，通過(guò)對(duì)柑橘全株機(jī)械施藥、柑橘機(jī)械對(duì)靶施藥、新能源無(wú)人駕駛智能底盤等關(guān)鍵技術(shù)的研究，擬解決柑橘施藥過(guò)程中的葉背藥液沉淀量低、分布不均勻、殺蟲效果差、藥液浪費(fèi)量大、附著率低及環(huán)境污染嚴(yán)重等問(wèn)題，為柑橘無(wú)人對(duì)靶施藥裝備的研制提供理論依據(jù)。