精準變量施藥關鍵技術及應用現(xiàn)狀

楊光玉，孔 輝，蘭玉彬，2，伊麗麗，2，韓 鑫，2

（1.山東理工大學 農(nóng)業(yè)工程與食品科學學院，山東 淄博 255000；2.山東省農(nóng)業(yè)航空智能裝備工程技術研究中心，山東 淄博 255000）

目前農(nóng)藥防治仍然是病蟲害防治的重要措施，頻繁和過量使用農(nóng)藥在對環(huán)境產(chǎn)生嚴重危害的同時，也使得農(nóng)產(chǎn)品中的農(nóng)藥殘留嚴重，為人類的健康埋下了隱患。低量高效的施藥方式是減少農(nóng)藥使用的有效途徑，精準變量施藥技術就是用最低量的農(nóng)藥來實現(xiàn)最佳的防治效果。不斷提高農(nóng)藥利用率，根據(jù)農(nóng)田病害的特點，按需施藥是精準變量施藥技術的核心[1]。目前精準變量施藥已成為智慧精準農(nóng)業(yè)的重要組成部分，是國內(nèi)外農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的重要方向，文章針對精準變量施藥的發(fā)展現(xiàn)狀進行分析，旨在為精準施藥技術的推進提供參考。

1 精準變量施藥技術控制方式

1.1 注入式變量施藥技術

注入式變量施藥方式根據(jù)混藥方式可分為噴頭注入式和管路注入式兩種。注入式變量施藥方式是通過把藥液和水分開存儲，在施藥時控制水的流量不變，改變藥液的流量來實現(xiàn)變量施藥的目的。這種施藥方式的農(nóng)藥存儲容器較小，減少了清洗容器所帶來的環(huán)境危害。但也存在一個顯著的缺點，藥液濃度的變化很難達到系統(tǒng)要求，系統(tǒng)的時間延遲過高，從而導致誤噴。噴頭注入式和管路注入式的區(qū)別是農(nóng)藥與水的混合位置不同。噴頭注入式可使藥液快速噴出而管路注入式藥液的混合更加均勻。但此種施藥方式也提高了系統(tǒng)復雜度，增加控制系統(tǒng)的施藥誤差。

1.2 壓力調(diào)節(jié)式變量施藥技術

壓力式變量施藥方式是最早被應用于田間實際作業(yè)的變量施藥方式之一，是指通過改變管路壓力來實現(xiàn)變量噴霧的施藥技術。通過改變壓力來實現(xiàn)變量噴霧的噴霧方式，對霧滴的霧化特性影響最大且流量調(diào)節(jié)范圍最小[2]。由于其操作簡單，價格便宜，被廣泛應用于變量噴施領域。但霧滴粒徑的大小與沉積分布又與噴霧壓力密切相關，所以通過改變系統(tǒng)壓力來實現(xiàn)變量施藥的方式對噴頭的霧化沉積效果會有較大影響。霧滴的飄移和粒徑大小是影響霧滴沉積效果的重要因素，通常系統(tǒng)設計會與壓力式變量噴頭相結(jié)合，來改善管道壓力變化對霧滴粒徑的影響。

1.3 基于PWM流量調(diào)節(jié)式變量施藥技術

脈寬調(diào)制（plus width modulation，PWM）變量施藥技術是指通過控制PWM 的占空比和頻率來調(diào)節(jié)施藥量的變量施藥技術。基于PWM 的施藥方式通過高低電平的信號來控制電磁閥的開閉，電磁閥可快速響應系統(tǒng)中的信號來實現(xiàn)對噴頭噴灑流量的精確控制。所以近年來隨著我國精準施藥技術的不斷推進，基于PWM 的實時變量施藥技術成為了變量施藥技術研究的熱點。與壓力式控制相比，它無需改變系統(tǒng)管路壓力，能夠?qū)崿F(xiàn)噴頭流量的實時調(diào)節(jié)，對噴頭的霧化特性影響較小。與速度調(diào)節(jié)式相比，有效改善了由速度變化不連續(xù)帶來的無法滿足實時變量的問題。

1.4 自動對靶噴霧技術

自動對靶噴霧技術主要包括基于地理信息系統(tǒng)的自動對靶噴霧技術和基于實時傳感器的自動對靶噴霧技術?；诘乩硇畔⑾到y(tǒng)的自動對靶噴霧技術主要依靠“3S”技術（GPS 定位系統(tǒng)、RS 遙感系統(tǒng)和GIS 地理信息系統(tǒng)）獲取靶標信息，經(jīng)施藥執(zhí)行機構(gòu)完成作業(yè)。隨著精準變量技術不斷向著低量、高效和智能化發(fā)展的推進，對施藥系統(tǒng)的精確性，穩(wěn)定性和快速響應性也提出了更高的要求。基于實時傳感器的自動對靶噴霧技術是機器視覺探測技術，紅外光電探測技術和超聲波探測技術等與噴霧技術和自動控制技術的結(jié)合，是精準變量施藥技術的重要方向[3]。

2 精準變量施藥技術應用現(xiàn)狀

2.1 精準變量施藥技術在地面機械上的應用

隨著精準變量施藥技術的不斷發(fā)展，變量施藥技術在地面機械設備上的應用也越來越成熟。在精準變量噴桿噴霧機方面，中國農(nóng)業(yè)大學在2016年研制出基于變量施藥的自走式精準變量噴桿噴霧機，可根據(jù)病蟲害程度實時調(diào)節(jié)單位面積施藥量，實現(xiàn)藥液均勻噴灑到靶標作物[4]。在自動對靶噴霧機方面，李井祝[5]等利用激光測距傳感器技術與PLC 技術開發(fā)了一套自動對靶噴霧控制系統(tǒng)，將其應用于自動對靶噴霧機，可以有效提高農(nóng)藥利用率，節(jié)省施藥量。在風送變量噴霧機方面，劉偉[6]等研制了一套背負式噴霧器變量噴霧系統(tǒng)，通過PWM 技術控制隔膜泵的頻率，從而對噴霧流量進行調(diào)節(jié)。

2.2 精準變量施藥技術在植保無人機上的應用

與地面植保機械相比，無人機具有飛行速度快、作業(yè)效率高、不受地形限制等優(yōu)勢，發(fā)展前景廣闊。將變量施藥技術、自動對靶噴霧技術等與植保無人機結(jié)合，可以有效提高農(nóng)藥利用率，減少農(nóng)藥使用，改善環(huán)境污染。

3 發(fā)展建議

（1）加大對精準施藥技術裝備的研究，努力降低裝備成本。不斷提高農(nóng)業(yè)專用傳感器、控制器等精密電子元件的響應速度，改善施藥控制系統(tǒng)的精度。

（2）針對不同作物和同一作物不同生長期的生長狀況深入研究，確定適合的作業(yè)參數(shù)，與精準施藥技術相配合，形成完善的精準施藥技術體系。

（3）優(yōu)化系統(tǒng)方案，將施藥控制技術與人工智能技術結(jié)合，打造更加精準智能的施藥技術裝備。