設(shè)施園藝植保裝備及其精準(zhǔn)施藥技術(shù)研究進(jìn)展 郭 娜1a 3 田素博2 須 暉1a 2 關(guān)旭生1b 李天來(lái)1a 2 1 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)a 園藝學(xué)院 b 工程學(xué)院 沈陽(yáng) 110866 2 設(shè)施園藝省部共建教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室 沈陽(yáng) 110866 3 黃淮學(xué)院智能制造學(xué)院 河南駐馬店 463000 摘 要 由于設(shè)施園藝生產(chǎn)中化學(xué)農(nóng)藥過(guò)量施用問(wèn)題嚴(yán)重 因此精準(zhǔn)施藥技術(shù)和裝備成為設(shè)施園藝高效生產(chǎn)的 迫切需求 為此 對(duì)國(guó)內(nèi)外設(shè)施施藥裝備進(jìn)行了分類(lèi)介紹 從導(dǎo)航技術(shù) 變量施藥技術(shù) 對(duì)靶施藥技術(shù) 風(fēng)送施藥 技術(shù) 靜電噴霧技術(shù)和可控霧滴粒徑技術(shù)等幾個(gè)方面對(duì)精準(zhǔn)施藥技術(shù)在設(shè)施生產(chǎn)中的研究進(jìn)行了綜述 總結(jié)分 析了各種設(shè)施精準(zhǔn)施藥技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式以及面臨的問(wèn)題和挑戰(zhàn) 同時(shí) 對(duì)精準(zhǔn)施藥技術(shù)在設(shè)施園藝中的發(fā)展進(jìn) 行了展望 指出適合我國(guó)溫室作業(yè)環(huán)境的高效 低量 智能的設(shè)施施藥技術(shù)和裝備是設(shè)施高效生產(chǎn)的必然發(fā)展方 向 關(guān)鍵詞 設(shè)施溫室 施藥裝備 精準(zhǔn)施藥 導(dǎo)航技術(shù) 對(duì)靶施藥 風(fēng)送施藥 中圖分類(lèi)號(hào) S233 74 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1003 188X 2022 11 0001 10 0 引言 設(shè)施園藝?yán)锰囟ㄔO(shè)施創(chuàng)造適應(yīng)作物生長(zhǎng)的環(huán) 境 是作物優(yōu)質(zhì) 高產(chǎn) 高效生產(chǎn)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)模式 目 前 荷蘭 美國(guó) 日本等設(shè)施園藝發(fā)達(dá)國(guó)家已完成機(jī)械 化和自動(dòng)化 正處在信息化向智能化發(fā)展的進(jìn)程 中 1 我國(guó)設(shè)施溫室種植面積位居世界第一 但設(shè)施 生產(chǎn)仍主要依靠人工作業(yè) 機(jī)械化水平低 施藥裝備 是其中薄弱環(huán)節(jié)之一 化學(xué)農(nóng)藥仍是當(dāng)前設(shè)施溫室病蟲(chóng)害防治的主要方 法 農(nóng)藥用量為大田作物的幾倍甚至十幾倍 我國(guó)設(shè) 施溫室施藥裝備仍以背負(fù)式手動(dòng)或電動(dòng)噴霧器為主 其霧滴粒徑大 沉降快 易從作物靶標(biāo)上流失 無(wú)法滿 足生物最佳粒徑理論 2 3 霧滴沉積分布均勻性差 嚴(yán) 重影響農(nóng)藥防治效果 機(jī)具作業(yè)效率低 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化 程度不高 技術(shù)含量較低 農(nóng)戶為保障施藥效果盲目 增加農(nóng)藥用量 導(dǎo)致農(nóng)藥利用率低 蔬菜產(chǎn)品農(nóng)藥殘 留超標(biāo) 生態(tài)環(huán)境污染等問(wèn)題 且密閉環(huán)境對(duì)施藥人 員健康傷害大 因此 開(kāi)展精準(zhǔn) 高效 智能施藥技術(shù) 與裝備研究是現(xiàn)代設(shè)施園藝高效生產(chǎn)的迫切需求 也 是目前國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn) 筆者對(duì)國(guó)內(nèi)外設(shè)施園藝生產(chǎn)中常用的施藥裝備 收稿日期 2020 11 26 基金項(xiàng)目 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目 2016YFD0200708 作者簡(jiǎn)介 郭 娜 1983 女 河北保定人 講師 博士 E mail guona stacy 163 com 通訊作者 李天來(lái) 1955 男 遼寧綏中人 院士 博士生導(dǎo)師 E mail ltl syau edu cn 進(jìn)行了分類(lèi)介紹 綜述了導(dǎo)航技術(shù) 變量施藥技術(shù) 對(duì) 靶施藥技術(shù) 風(fēng)送施藥技術(shù) 靜電噴霧技術(shù) 可控霧滴 粒徑技術(shù)等在設(shè)施精準(zhǔn)施藥技術(shù)的研究進(jìn)展 并對(duì)精 準(zhǔn)施藥技術(shù)未來(lái)的發(fā)展進(jìn)行了展望 1 設(shè)施園藝施藥技術(shù)及裝備 目前 設(shè)施園藝生產(chǎn)中常用的施藥技術(shù)和裝備根 據(jù)其霧化原理可分為壓力式和氣力式兩種 1 1 壓力式施藥技術(shù)與裝備 壓力式噴霧利用手動(dòng)或噴藥泵加壓使混合液體經(jīng) 過(guò)噴嘴噴孔破裂霧化噴出 改變噴霧壓力與噴孔直徑 可改變霧滴粒徑和噴霧量 我國(guó)設(shè)施園藝生產(chǎn)中應(yīng) 用廣泛的背負(fù)式手動(dòng) 電動(dòng)噴霧器 推車(chē)式機(jī)動(dòng)噴霧 機(jī) 懸掛式噴灌機(jī)等多采用該霧化原理 如圖1所示 國(guó)外大型溫室在黃瓜 西紅柿等吊蔓栽培作物的施藥 時(shí)多采用豎直噴桿噴藥機(jī) 圖1 d 為荷蘭Metazet公 司的噴藥機(jī) 但是 壓力式施藥技術(shù)所產(chǎn)生的霧滴粒 徑多大于100 m 在作物冠層中穿透性較強(qiáng) 霧滴在 靶標(biāo)上不易附著 造成農(nóng)藥流失嚴(yán)重 同時(shí)用水量大 會(huì)使溫室內(nèi)濕度增加 誘發(fā)作物其它病害 a 背負(fù)式電動(dòng)噴霧機(jī) b 推車(chē)式機(jī)動(dòng)噴霧機(jī) 1 2022年11月 農(nóng)機(jī)化研究 第11期 c 懸掛式噴灌機(jī) d 豎直噴桿式噴藥機(jī) 圖1 設(shè)施園藝常用壓力式施藥裝備 Fig 1 Pressure spray equipment in protected horticulture 1 2 氣力式施藥技術(shù)與裝備 氣力式霧化又稱為氣液二相流霧化 其利用高壓 空氣產(chǎn)生高速氣流實(shí)現(xiàn)空氣與藥液混合霧化成均勻 細(xì)小的煙霧后噴出 4 其霧滴粒徑小 附著性好 在 空氣中長(zhǎng)時(shí)間彌漫擴(kuò)散沉降到靶標(biāo) 施藥用量較少 稱為超低容量噴霧 且對(duì)溫室濕度影響較小 是設(shè)施 園藝中普遍使用的新型高效施藥技術(shù) 已成為國(guó)內(nèi)外 學(xué)者的研究熱點(diǎn) 氣力式施藥裝備根據(jù)其氣流產(chǎn)生方式分為常溫?zé)?霧機(jī)和熱煙霧機(jī)兩種 其移動(dòng)方式主要為背負(fù)式 固 定式和移動(dòng)式 如圖2所示 a 固定式常溫?zé)熿F機(jī) b 背負(fù)式脈沖式熱彌霧機(jī) 圖2 設(shè)施溫室常用氣力式施藥裝備 Fig 2 Pneumatic spraying machine in protected horticulture 常溫?zé)熿F機(jī)利用常溫高壓高速氣體把藥液破碎成 細(xì)小霧滴 并輔助風(fēng)機(jī)將霧滴送達(dá)遠(yuǎn)處作物 常溫?zé)?霧機(jī)在塑料大棚中一般固定在大棚中軸線上 日光溫 室多為移動(dòng)式 可在溫室北側(cè)或上部軌道上行駛 并 改變噴頭高度或角度來(lái)提高施藥均勻性 5 6 國(guó)內(nèi) 外學(xué)者對(duì)其性能參數(shù) 沉積分布特性等進(jìn)行了大量試 驗(yàn)分析 發(fā)現(xiàn)霧滴覆蓋率沿送風(fēng)方向隨距離增加 在 一定距離到達(dá)峰值后再逐漸減小 垂直送風(fēng)方向上呈 兩側(cè)多中間小的趨勢(shì) 7 10 且提出了各種提高霧滴沉 積均勻性的方法 11 12 熱煙霧機(jī)利用高溫高壓氣流將藥液霧化成細(xì)小霧 滴 空氣加熱方式不盡相同 13 其中 脈沖式煙霧機(jī) 利用脈沖式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的脈動(dòng)燃燒在噴管內(nèi)形成高 溫紊流氣流 廣泛應(yīng)用于溫室 果園 林木及大田等作 物病蟲(chóng)害防治 防治效果較好 14 但存在噪音大 高溫 氣流易灼傷作物 部分農(nóng)藥劑型不適用及霧滴沉積分 布差異性大 15 的缺點(diǎn) 綜上所述 壓力式和氣力式施藥技術(shù)已比較成 熟 尤其是氣力式施藥裝備的防治效果有明顯提 升 15 16 但其霧滴沉積分布差異性較大 無(wú)法實(shí)現(xiàn)精 準(zhǔn)施藥 另外 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)離心式霧化 17 超聲霧 化 18 19 等新型霧化原理進(jìn)行了初步探索 但仍需進(jìn) 一步研究其霧化原理和施藥效果 2 設(shè)施精準(zhǔn)施藥技術(shù)研究現(xiàn)狀 精準(zhǔn)施藥技術(shù)將自動(dòng)控制技術(shù) 傳感器技術(shù) 信 息技術(shù) 電子技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用到施藥裝備上 可 實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥的低量 精準(zhǔn) 少污染 高工效 高防效噴灑 提高了裝備的可靠性 安全性及便捷性 2 國(guó)外已研 發(fā)出一系列精準(zhǔn)施藥裝備 如圖3所示 荷蘭Berg Hortimotive公司的智能?chē)娝帣C(jī)器人配合運(yùn)輸車(chē)可實(shí)現(xiàn) 噴藥機(jī)器人在過(guò)道的自動(dòng)移動(dòng) 實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)無(wú)人噴 藥 荷蘭Holland Green Machine公司的S55系列噴藥 機(jī)器人在鋪設(shè)的軌道上進(jìn)入作物行間進(jìn)行噴藥 并可 配備雙流體噴頭提供更細(xì)小的霧滴和覆蓋面積 也可 配備混藥裝置實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥的在線配比 24 a 荷蘭噴藥機(jī)與運(yùn)輸車(chē) b S55噴藥機(jī)器人 圖3 荷蘭溫室精準(zhǔn)施藥裝備 Fig 3 Precision spraying equipment in Netherlands greenhouse 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于設(shè)施精準(zhǔn)施藥技術(shù)的研究主要集 中在以下幾個(gè)方面 2 1 設(shè)施施藥裝備的導(dǎo)航控制 導(dǎo)航控制能夠?qū)崿F(xiàn)作業(yè)機(jī)械在溫室狹窄環(huán)境的自 主行駛 是實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)自動(dòng)化施藥 采摘 運(yùn)輸?shù)茸鳂I(yè) 的基礎(chǔ)技術(shù) 能夠大幅減輕勞動(dòng)強(qiáng)度 目前 溫室設(shè) 備的導(dǎo)航策略大致可以劃分為軌道導(dǎo)航 引導(dǎo)導(dǎo)航和 自動(dòng)導(dǎo)航3種 2 1 1 軌道導(dǎo)航控制 軌道導(dǎo)航控制是指在溫室鋪設(shè)軌道或吊裝的軌 道 施藥裝備只需沿軌道進(jìn)行施藥作業(yè)即可 對(duì)控制 算法要求較低 可靠性高且穩(wěn)定性好 但該方法需要 前期投入大量建造成本 且只能沿軌道移動(dòng) 靈活性 較差 國(guó)外設(shè)施農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)的溫室結(jié)構(gòu)高 空間大 多 2 2022年11月 農(nóng)機(jī)化研究 第11期 采用此種方法 利用作物行間鋪設(shè)軌道或利用加溫的 熱水管路用于施藥設(shè)備的自主行駛 20 22 如圖4 a 所示 我國(guó)設(shè)施溫室以塑料大棚 日光溫室為主 作業(yè) 空間小 地面平整度較差 作物種植模式差異性大 環(huán) 境復(fù)雜 施藥裝備多溫室通道或上方鋪裝軌道 利用 光電傳感器 接近開(kāi)關(guān)等判斷作物行進(jìn)行噴藥 23 26 如圖4 b 所示 a 澳大利亞噴藥機(jī) b 3M 50型溫室彌霧機(jī) 圖4 國(guó)外溫室軌道式自動(dòng)噴藥機(jī) Fig 4 Track type automatic spraying machine for greenhouse in abroad 2 1 2 引導(dǎo)導(dǎo)航控制 引導(dǎo)導(dǎo)航控制是指移動(dòng)設(shè)備沿預(yù)先布置好的磁 條 色帶等引導(dǎo)標(biāo)志構(gòu)成的路徑行駛 技術(shù)比較成熟 且其導(dǎo)航路徑與引導(dǎo)標(biāo)志的布置 可根據(jù)溫室環(huán)境調(diào) 整引導(dǎo)標(biāo)志位置 具有一定的靈活性 電磁導(dǎo)航在溫室預(yù)鋪設(shè)電磁誘導(dǎo)線 車(chē)身布置的 電磁傳感器檢測(cè)誘導(dǎo)線獲得路徑信息 控制噴藥設(shè)備 沿誘導(dǎo)線移動(dòng)和自動(dòng)噴霧 27 28 王鵬等利用視覺(jué)獲 取直線路徑的導(dǎo)航線實(shí)現(xiàn)直線導(dǎo)航 識(shí)別QR碼進(jìn)行 轉(zhuǎn)彎控制 29 胡焉為提出一種基于信標(biāo)識(shí)別和雙目 視覺(jué)的定位與建圖算法用于溫室AGV車(chē)的定位和地 圖構(gòu)建 30 Juli n等利用激光發(fā)射器發(fā)射的激光在 作物行間和通道形成激光引導(dǎo)網(wǎng)絡(luò) 利用攝像機(jī)識(shí)別 激光點(diǎn) 引導(dǎo)作業(yè)車(chē)在溫室內(nèi)行駛 31 2 1 3 測(cè)距導(dǎo)航 測(cè)距導(dǎo)航采用超聲波傳感器 紅外傳感器 激光 雷達(dá)等測(cè)量移動(dòng)設(shè)備與周?chē)矬w的距離 控制車(chē)體始 終與路沿等處于相對(duì)穩(wěn)定的位姿范圍內(nèi)行駛 也可用 于檢測(cè)障礙物 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)避障 提高安全性能 測(cè)距導(dǎo)航適用于具有墻體 栽培槽等固定標(biāo)志物 的環(huán)境 易于實(shí)現(xiàn) 陳小波等以大棚墻體為基準(zhǔn) 通 過(guò)超聲傳感器分析得到橫向?qū)Ш叫畔?使車(chē)輛保持正 確的位姿 32 居錦等將7個(gè)光電開(kāi)關(guān)沿特定半徑圓 弧分布以檢測(cè)移動(dòng)平臺(tái)的位姿 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)沿邊導(dǎo) 航 33 Tomohiko等利用滾輪直接與水培槽接觸來(lái)檢 測(cè)車(chē)體與水培槽的距離 判斷車(chē)體位置 引導(dǎo)車(chē)沿水 培槽行走 34 賈衛(wèi)東等在機(jī)體兩側(cè)布置超聲波傳感器 實(shí)時(shí)檢 測(cè)車(chē)體到作物行兩邊的距離 對(duì)噴霧機(jī)前進(jìn)方向進(jìn)行 調(diào)整 35 Gonz lez等利用聲納傳感器測(cè)量車(chē)體與兩 側(cè)作物的距離 設(shè)計(jì)了特定的濾波算法以減少葉片間 隙造成的異常值影響 使噴藥機(jī)始終沿作物中心線行 駛 36 2 1 4 自主導(dǎo)航控制 自主導(dǎo)航控制是移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn) 能 夠?qū)崿F(xiàn)自主行駛 環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng) 靈活性好 但控制算 法復(fù)雜 系統(tǒng)成本較高 還處于應(yīng)用探測(cè)研究階段 設(shè)施溫室中常用的自主導(dǎo)航控制技術(shù)主要包括視覺(jué) 導(dǎo)航 激光導(dǎo)航 慣性導(dǎo)航及組合導(dǎo)航等 適合溫室環(huán) 境的導(dǎo)航信息獲取與路徑規(guī)劃 導(dǎo)航路徑跟蹤是設(shè)施 施藥機(jī)械自主行駛的核心問(wèn)題 1 導(dǎo)航信息獲取與路徑規(guī)劃 導(dǎo)航信息獲取與 路徑規(guī)劃是施藥機(jī)械利用各種傳感器實(shí)時(shí)獲取作業(yè) 環(huán)境和機(jī)具位姿信息 自行規(guī)劃出一條安全無(wú)碰撞路 徑用于完成作業(yè)任務(wù) 36 是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備自主導(dǎo)航的 首要技術(shù)之一 視覺(jué)導(dǎo)航利用攝像機(jī)采集周?chē)h(huán)境圖像 處理后 實(shí)時(shí)規(guī)劃出導(dǎo)航路徑 識(shí)別出設(shè)備與導(dǎo)航線的相對(duì)位 置 魯棒性強(qiáng) 實(shí)時(shí)性好的圖像處理算法是該技術(shù)的 核心問(wèn)題 基于計(jì)算量 實(shí)時(shí)性等問(wèn)題的考慮 溫室 導(dǎo)航控制多采用單目視覺(jué) 利用閾值分割 37 42 聚類(lèi) 分割 43 44 等算法從圖像中分離出道路和作物區(qū)域 根據(jù)道路邊界 作物行中心線等利用最小二乘法 37 Hough變換 39 46 等擬合出導(dǎo)航路徑 基于激光雷達(dá)的導(dǎo)航技術(shù)是目前移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域 主流的定位導(dǎo)航方法之一 廣泛應(yīng)用于無(wú)人駕駛 移 動(dòng)機(jī)器人的定位與地圖構(gòu)建和導(dǎo)航中 48 49 賈士偉 等以特定俯角將激光測(cè)距儀安裝在機(jī)器人正前方 獲 取當(dāng)前視場(chǎng)內(nèi)路面 作物及障礙物信息 根據(jù)溫室路 面平整度較高的特點(diǎn)檢測(cè)道路邊緣 使移動(dòng)機(jī)器人保 持沿道路行走 49 侯加林等在車(chē)底盤(pán)頭部和尾部分 別搭載二維激光雷達(dá) 實(shí)現(xiàn)草莓育苗溫室環(huán)境下的地 圖構(gòu)建 路徑規(guī)劃和定位導(dǎo)航 51 慣性導(dǎo)航是指利用陀螺儀 加速度計(jì) 電子羅盤(pán) 編碼器等傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量移動(dòng)設(shè)備的三維航向和加 速度 經(jīng)過(guò)積分運(yùn)算得到其相對(duì)位置 不需要外在絕 對(duì)參照物進(jìn)行定位 但該方法易受傳感器誤差影響 且誤差隨時(shí)間的積累而逐漸增加 因此 慣性導(dǎo)航多 與視覺(jué) 磁導(dǎo)航等方法組合使用 52 53 實(shí)現(xiàn)不同導(dǎo)航 方式優(yōu)勢(shì)互補(bǔ) 提高導(dǎo)航系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性 Grims tad利用2D激光雷達(dá)和慣性測(cè)量單元用于地圖構(gòu)建 3 2022年11月 農(nóng)機(jī)化研究 第11期 和定位 雙目視覺(jué)用于在通道識(shí)別作物行間軌道 以 實(shí)現(xiàn)機(jī)器人從通道到軌道的精準(zhǔn)過(guò)渡 54 Cantelli等 構(gòu)建了基于ROS Robot Operating System 的溫室和果 園噴藥機(jī) 將視覺(jué) 慣性 激光雷達(dá) 導(dǎo)航等結(jié)合 實(shí)現(xiàn) 崎嶇地面環(huán)境的噴藥作業(yè) 55 另外 基于超寬帶 ZigBee等無(wú)線定位技術(shù)在溫室 自主導(dǎo)航控制的應(yīng)用也進(jìn)行了探索研究 無(wú)線定位 系統(tǒng)由若干固定基站和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)通過(guò)一定的通信方 式組成 多是基于距離測(cè)量的定位算法 通過(guò)二 三個(gè) 位置信息已知的固定基站與放置在移動(dòng)設(shè)備上的移 動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的距離 計(jì)算其在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的位 置 56 59 但是 無(wú)線定位方法只能提供移動(dòng)機(jī)具在溫 室的位置 需與慣性導(dǎo)航等相結(jié)合應(yīng)用以實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo) 航控制 56 58 59 2 導(dǎo)航路徑跟蹤 導(dǎo)航路徑跟蹤是指移動(dòng)設(shè)備 能夠根據(jù)當(dāng)前位姿做出車(chē)輛轉(zhuǎn)向控制策略 以實(shí)現(xiàn)移 動(dòng)設(shè)備準(zhǔn)確 快速地沿規(guī)劃后的作業(yè)期望路徑行 駛 60 61 是溫室施藥機(jī)器人實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施藥的關(guān)鍵 溫室施藥設(shè)備的導(dǎo)航控制策略多采用PID控 制 31 41 模糊控制 39 51 59 62 模糊PID控制 28 最優(yōu) 控制 32 及滑?？刂?63 等 其控制算法簡(jiǎn)單 易于實(shí) 現(xiàn) 但控制精度和魯棒性仍有待提高 2 2 變量施藥技術(shù) 變量施藥技術(shù)源自于精確農(nóng)業(yè)思想 是一種施藥 量控制技術(shù) 可根據(jù)作物病蟲(chóng)害程度調(diào)整施藥量 64 并可根據(jù)機(jī)具前進(jìn)速度調(diào)整施藥量 保證在機(jī)具前進(jìn) 方向上單位面積施藥量均勻 65 66 在大田 果園 無(wú) 人機(jī)施藥中有著廣泛研究和應(yīng)用 67 流量調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)手段主要包括壓力式 脈寬調(diào)制 式 Pulse Width Modulation PWM 及注入式3種 69 壓力式變量施藥通過(guò)直接或間接的方式調(diào)整噴頭工 作壓力來(lái)控制噴頭的流量 實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單 但噴頭壓力的 變化會(huì)對(duì)噴頭霧化性能造成很大的影響 且流量調(diào)節(jié) 范圍比較小 39 70 72 PWM式變量施藥通過(guò)控制與噴 頭相連的高速開(kāi)關(guān)型電磁閥的脈沖信號(hào)占空比來(lái)實(shí) 現(xiàn) 73 76 注入式變量施藥又稱為在線混藥式 農(nóng)藥與 水溶劑分別存放在不同的容器中 藥液與水在管路中 實(shí)時(shí)混合 68 69 該技術(shù)在溫室噴藥中尚未見(jiàn)應(yīng)用 但 能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)藥的在線配比 避免人員與農(nóng)藥直接接 觸 安全性更高 具有一定的研究?jī)r(jià)值 2 3 對(duì)靶施藥技術(shù) 對(duì)靶施藥技術(shù) 是指施藥機(jī)具根據(jù)作物靶標(biāo)的位 置 高度 冠層體積及病蟲(chóng)害情況 實(shí)時(shí)精確控制噴灑 位置和施藥量 避免了藥液的浪費(fèi) 提高了施藥精準(zhǔn) 性 與基于實(shí)時(shí)傳感器的變量噴藥技術(shù)相似 69 77 2 3 1 基于靶標(biāo)信息的對(duì)靶施藥技術(shù) 由于部分作物冠層不連續(xù)的特點(diǎn) 基于靶標(biāo)信息 的對(duì)靶施藥技術(shù)以光電傳感器 超聲波傳感器 視覺(jué) 激光雷達(dá)等方法探測(cè)作物位置 高度 冠層體積等靶 標(biāo)特征 調(diào)整噴頭噴灑位置 噴頭的開(kāi)閉和施藥量 67 超聲波傳感器 光電傳感器是檢測(cè)不連續(xù)冠 層 71 作物高度 78 79 等靶標(biāo)信息的最經(jīng)濟(jì)方式 另 外 多個(gè)超聲傳感器可組成探測(cè)陣列 利用超聲波反 射信號(hào)的時(shí)間間隔 車(chē)輛的行駛速度 冠層高度等信 息 來(lái)獲取作物冠層體積 作為施藥的決策信 息 76 80 81 視覺(jué)傳感器能夠獲取除作物高度外更多的靶標(biāo)信 息 Chen等利用Kinect視覺(jué)傳感器獲取作物高度信 息 利用電磁閥控制豎直噴桿不同高度的噴頭開(kāi) 閉 82 趙棟杰等利用安裝在噴藥機(jī)器人前上方的場(chǎng) 景相機(jī)用于作物靶標(biāo)的預(yù)定位 利用噴霧機(jī)械臂末端 的相機(jī)用于目標(biāo)的跟蹤對(duì)靶噴藥 83 激光雷達(dá)除可用于自主導(dǎo)航控制外 也可用于實(shí) 時(shí)測(cè)量靶標(biāo)作物的外形和體積 甚至冠層枝葉稠密程 度 67 根據(jù)作物體積和葉面積的變量施藥測(cè)量 能夠 有效減少農(nóng)藥施用量 84 85 2 3 2 基于病蟲(chóng)害程度的對(duì)靶施藥技術(shù) 基于病蟲(chóng)害程度對(duì)靶噴霧技術(shù)可識(shí)別病蟲(chóng)害位置 和程度來(lái)調(diào)整施藥量 是更高效的精準(zhǔn)施藥技術(shù) 其 技術(shù)核心是病蟲(chóng)害信息快速獲取 吳亞壘等利用攝 像頭獲取粘蟲(chóng)板上害蟲(chóng)覆蓋率 與超聲波探測(cè)茄子冠 層高度作為模糊控制輸入 以噴頭流量和施藥時(shí)間為 輸出 實(shí)現(xiàn)了溫室彌霧機(jī)的自動(dòng)按需施藥 76 張俊雄 等以黃瓜霜霉病為目標(biāo) 利用雙目視覺(jué)采集圖像 處 理得到每個(gè)單元中感染面積與單元面積之比作為感 染程度 以調(diào)整噴藥量 86 87 另外 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)病蟲(chóng)害檢測(cè)技術(shù)展開(kāi)了大量 研究 除上述機(jī)器視覺(jué)獲得可見(jiàn)光圖像 88 89 外 高光 譜 熒光等光譜分析方法 90 92 和電子鼻 93 等也逐漸 用來(lái)檢測(cè)病蟲(chóng)害程度 取得了一定的研究成果 但算 法復(fù)雜 難以滿足對(duì)靶施藥中在線快速檢測(cè)的需求 2 4 風(fēng)送施藥技術(shù) 風(fēng)送施藥技術(shù)利用輔助氣流將霧滴進(jìn)一步霧化成 細(xì)小霧滴 氣流一方面可將霧化后的霧滴攜帶送入靶 標(biāo)內(nèi)部或到達(dá)較遠(yuǎn)靶標(biāo)上 另一方面可促進(jìn)葉片翻 動(dòng) 提高霧滴在作物正反面獲得更好的沉積效 果 94 97 該技術(shù)在大田 果園噴藥領(lǐng)域被廣泛研究和 應(yīng)用 67 也逐漸成為溫室高效施藥技術(shù)的研究熱點(diǎn)之 4 2022年11月 農(nóng)機(jī)化研究 第11期 一 風(fēng)速 氣流流量 風(fēng)送角度等風(fēng)機(jī)狀態(tài)參數(shù)對(duì)風(fēng) 送施藥技術(shù)的霧滴沉積效果有顯著的影響 需進(jìn)一步 優(yōu)化 98 100 Jordi等對(duì)番茄行間的風(fēng)送施藥性能試驗(yàn) 表明 增加風(fēng)速并不能增加霧滴沉積量 建立溫室作 物與風(fēng)送參數(shù)之間的關(guān)系是十分必要的 101 Eliza beth等試驗(yàn)研究表明 減少噴藥量能夠減少沉積量但 提高分布均勻性 減少氣流流量能夠增加沉積量但對(duì) 地面霧滴損失影響不大 99 102 Victor等設(shè)計(jì)了具有 豎直噴桿的遙控式風(fēng)送番茄行間噴藥機(jī) 發(fā)現(xiàn)在噴霧 穿透性和葉片背面的霧滴覆蓋方面較好 但風(fēng)送系統(tǒng) 仍需進(jìn)一步優(yōu)化 103 Li等對(duì)溫室風(fēng)送施藥機(jī)進(jìn)行了 優(yōu)化 建立霧滴沉積分布和噴藥姿態(tài)的關(guān)系 并利用 遺傳算法離線對(duì)噴霧控制策略進(jìn)行了離線優(yōu)化 104 計(jì)算流體力學(xué)技術(shù) Computational Fluid Dynam ics CFD 能夠從理論對(duì)風(fēng)送施藥技術(shù)進(jìn)行模擬仿真 分析 有利于進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù) 102 中國(guó)農(nóng)業(yè)大 學(xué)祁力鈞團(tuán)隊(duì)研制了軌道式彌霧機(jī) 并運(yùn)用CFD技術(shù) 分析噴孔氣流速度 105 及噴頭體傾角角度 106 對(duì)氣流 速度場(chǎng)分布特性 氣流場(chǎng)對(duì)霧滴沉積分布的影響 結(jié) 果表明霧滴沉積均勻性受溫室壁面反射 噴頭體角 度 噴霧高度 風(fēng)送速度的影響較大 107 108 同時(shí) 利 用遺傳算法對(duì)噴霧流量 噴霧距離 行走速度等噴霧 參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化 109 并采用CFD分析靶標(biāo)周?chē)鲌?chǎng)對(duì) 霧滴沉積影響 指出氣流速度與霧滴粒徑是霧滴附著 靶標(biāo)的關(guān)鍵因素 110 風(fēng)送施藥技術(shù)的研究取得了一定的成果 但仍需 進(jìn)一步根據(jù)溫室的類(lèi)型 作物類(lèi)型 種植模式等 確定 合理的風(fēng)送施藥方式和氣流參數(shù) 進(jìn)一步提高機(jī)具施 藥效果 2 5 靜電施藥技術(shù) 靜電噴霧技術(shù)是指利用高壓電極在噴嘴與靶標(biāo)之 間建立靜電場(chǎng) 使霧化后的霧滴帶有電荷 在電場(chǎng)力 和其它外力的驅(qū)動(dòng)下 向靶標(biāo)做沉積運(yùn)動(dòng)的施藥方 法 111 與常規(guī)施藥技術(shù)相比 靜電施藥的霧滴粒徑 小 在靜電場(chǎng)的作用下在靶標(biāo)附著率高 可深入靶標(biāo) 作物的內(nèi)部沉積到葉片的背面 且?guī)N電荷的霧滴 由于相斥在靶標(biāo)作物分布更均勻 節(jié)省農(nóng)藥用量 30 50 防治成本降低50 左右 是提高農(nóng)藥利用 率的重要技術(shù)之一 16 112 113 目前 美國(guó) 英國(guó) 德國(guó)和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家已有成 熟的各種型號(hào)的靜電噴霧產(chǎn)品投入使用 我國(guó)從20 世紀(jì)70年代開(kāi)始進(jìn)行靜電噴頭的理論及應(yīng)用研究 起步雖晚 但也取得了一定的成果 并逐漸開(kāi)展航空 果樹(shù) 溫室等靜電施藥機(jī)的研究 114 117 適用于溫室 施藥環(huán)境的靜電噴頭及靜電噴霧裝置的研究還較少 為提高靜電霧滴的穿透性 國(guó)內(nèi)外學(xué)者將靜電噴霧與 風(fēng)送施藥技術(shù)結(jié)合起來(lái) 以提高霧滴在靶標(biāo)的沉積 量 增大了霧滴穿透力 118 119 2 6 可控霧滴技術(shù) 20世紀(jì)70年代中期提出的生物最佳粒徑理論表 明 不同病蟲(chóng)害類(lèi)型的最佳生物粒徑范圍不同 隨著 研究的深入 蘭玉斌等指出不同農(nóng)藥 不同靶標(biāo) 不同 藥液濃度甚至害蟲(chóng)的不同時(shí)期 農(nóng)藥的最佳噴霧粒徑 也大不相同 3 120 可控霧滴技術(shù) Controlled Droplet Application CDA 的概念在20世紀(jì)70年代已經(jīng)提出 可根據(jù)病蟲(chóng) 害的類(lèi)型來(lái)確定最佳粒徑的霧滴粒徑 121 122 能夠有 效改善施藥效果 目前 可控霧滴技術(shù)多采用離心霧 化原理實(shí)現(xiàn) 利用高速旋轉(zhuǎn)的霧化盤(pán)將藥液撕裂成霧 滴 具有霧滴均勻性好 霧滴粒譜范圍窄 能實(shí)現(xiàn)低容 量施藥等優(yōu)點(diǎn) 123 126 且其霧滴粒徑與霧化盤(pán)的旋轉(zhuǎn) 速度有直接關(guān)系 可實(shí)現(xiàn)霧滴粒徑的無(wú)極調(diào)控 17 3 展望 1 適合我國(guó)設(shè)施溫室的精準(zhǔn)施藥技術(shù) 我國(guó)設(shè) 施溫室種類(lèi)多 北方主要為日光溫室 南方則以塑料 大棚為主 溫室結(jié)構(gòu)多樣 空間狹小 作物種類(lèi)多 種 植模式多 缺乏標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)農(nóng)藝流程 導(dǎo)致施藥機(jī)械 工作環(huán)境復(fù)雜 精準(zhǔn)施藥技術(shù)與裝備的研發(fā)應(yīng)結(jié)合我國(guó)設(shè)施溫室 結(jié)構(gòu) 作物種類(lèi) 種植模式 作物的生長(zhǎng)階段 農(nóng)藥的 劑型 病蟲(chóng)害特征等因素開(kāi)展研究 以各地區(qū)溫室植 保生產(chǎn)需求為研發(fā)依據(jù) 分析總結(jié)不同植保作業(yè)的共 同特征 研制適合不同溫室工作環(huán)境 不同作物的專(zhuān) 業(yè)化精準(zhǔn)施藥機(jī)械 推進(jìn)設(shè)施植保機(jī)械專(zhuān)業(yè)化 標(biāo)準(zhǔn) 化 輕簡(jiǎn)化 2 設(shè)施施藥裝備的智能控制技術(shù) 設(shè)施溫室施 藥裝備智能控制技術(shù)應(yīng)圍繞導(dǎo)航控制和噴藥控制逐 步展開(kāi) 以溫室無(wú)人自主精準(zhǔn)施藥為目標(biāo) 從實(shí)際生 產(chǎn)出發(fā)考慮施藥裝備經(jīng)濟(jì)性 針對(duì)我國(guó)溫室的生產(chǎn)環(huán) 境 構(gòu)建靈活以激光發(fā)射器 磁標(biāo)志 色帶等為引導(dǎo)標(biāo) 志的導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò) 結(jié)合測(cè)距導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航 在優(yōu)化直 線導(dǎo)航精度的基礎(chǔ)上 重點(diǎn)開(kāi)展施藥機(jī)械在狹小地頭 換行的轉(zhuǎn)向控制策略研究 確定有效的施藥裝備底 盤(pán)結(jié)構(gòu) 開(kāi)展低成本 高效 穩(wěn)定的全自動(dòng)導(dǎo)航控制系 統(tǒng)研發(fā) 開(kāi)展基于作物高度 體積 冠層稠密程度等靶 標(biāo)信息的對(duì)靶施藥技術(shù) 建立作物稠密程度與施藥量 5 2022年11月 農(nóng)機(jī)化研究 第11期 之間的模型 研制變量噴藥控制系統(tǒng) 以實(shí)現(xiàn)對(duì)靶變 量噴藥 減少農(nóng)藥使用量 提高農(nóng)藥利用率 同時(shí) 開(kāi)展更為智能 高效的導(dǎo)航和噴藥控制研 究 加強(qiáng)視覺(jué) 激光雷達(dá)等自主導(dǎo)航控制針對(duì)設(shè)施溫 室作業(yè)環(huán)境的基礎(chǔ)算法研究 探索其在溫室的應(yīng)用方 式 提高施藥機(jī)械作業(yè)靈活性 結(jié)合溫室作物病蟲(chóng)害 特征 對(duì)基于視覺(jué) 光譜 電子鼻等病蟲(chóng)害在線檢測(cè)技 術(shù)進(jìn)一步深入研究 嘗試其它新的技術(shù)手段開(kāi)展探索 研究 以實(shí)現(xiàn)病蟲(chóng)害程度在線快速探測(cè) 進(jìn)一步提高 農(nóng)藥利用率 3 設(shè)施溫室高效施藥技術(shù)研究 設(shè)施溫室高效 施藥要結(jié)合氣力式霧化 靜電噴霧 風(fēng)送施藥 可控霧 滴等技術(shù)展開(kāi)以實(shí)現(xiàn)低容量 超低容量噴霧 加強(qiáng)其 霧化理論和機(jī)理研究 加強(qiáng)霧滴沉積運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研 究 加強(qiáng)噴頭等低容量噴藥系統(tǒng)關(guān)鍵部件的自主研 發(fā) 考慮作物冠層結(jié)構(gòu)和病蟲(chóng)害類(lèi)型 利用CFD技術(shù) 對(duì)風(fēng)場(chǎng)和霧場(chǎng)進(jìn)行仿真分析 分析風(fēng)量 風(fēng)速 風(fēng)向 噴霧距離與角度等對(duì)霧滴沉積的影響 建立不同作物 的風(fēng)送模式和風(fēng)力需求模型 優(yōu)化風(fēng)送系統(tǒng)參數(shù) 以 提高施藥均勻性和霧滴在冠層內(nèi)部和葉片背面附著 率 參考文獻(xiàn) 1 齊飛 李?lèi)?李邵 等 世界設(shè)施園藝智能化裝備發(fā)展對(duì) 中國(guó)的啟示研究 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2019 35 2 191 203 2 何雄奎 中國(guó)精準(zhǔn)施藥技術(shù)和裝備研究現(xiàn)狀及發(fā)展建議 J 智慧農(nóng)業(yè) 2020 2 1 133 146 3 袁會(huì)珠 王國(guó)賓 霧滴大小和覆蓋密度與農(nóng)藥防治效果 的關(guān)系 J 植物保護(hù) 2015 6 9 16 4 湯伯敏 林光武 高崇義 等 二相流噴霧技術(shù)的研究 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2001 17 5 59 62 5 梅銀成 祁力鈞 冀榮華 等 溫室自走式彌霧機(jī)遠(yuǎn)程控 制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn) J 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2015 20 1 170 175 6 徐瑞峰 張曼 馮青春 等 溫室果蔬高效風(fēng)送施藥車(chē)設(shè) 計(jì) J 農(nóng)機(jī)化研究 2018 40 8 63 69 7 邱白晶 張振磊 湯伯敏 等 煙霧機(jī)霧滴沉積分布的空 間解析 J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2010 41 4 65 68 8 湯伯敏 邱白晶 梁建 等 設(shè)施農(nóng)業(yè)棚室空間煙霧的分 布及沉降 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) 2008 24 5 225 227 9 邱白晶 李成泉 湯伯敏 等 密閉空間藥?kù)F質(zhì)量濃度分 布試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2010 41 2 58 61 10 JUAN J O VAL L USERA G Distribution and effective ness of pesticide application with a cold fogger on pepper plants cultured in a greenhouse J Crop protection 2011 30 8 977 985 11 管春松 胡檜 韓柏和 等 溫室大棚用導(dǎo)風(fēng)管式煙霧機(jī) 研究 J 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) 2016 37 1 55 58 12 李雪 呂曉蘭 張美娜 等 設(shè)施固定管道式二相流常溫 煙霧系統(tǒng)霧滴沉積試驗(yàn) J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2018 49 S1 199 204 13 賈秀發(fā) 電動(dòng)雙重霧化熱力煙霧機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)分析 D 泰安 山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 2019 14 蔣雪松 周杰 許林云 等 脈沖式煙霧水霧機(jī)工作頻率 影響因素研究 J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2019 50 11 85 91 15 李傳友 趙麗霞 熊波 等 四種常用噴霧器在塑料大棚 番茄作物上施藥效果比較 J 北方園藝 2018 21 90 98 16 吳麗媛 張興 周一萬(wàn) 噴霧器械對(duì)藥劑在大棚溫室中 利用率影響初步研究 J 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2018 41 4 62 65 17 張曉 龔艷 陳曉 等 設(shè)施農(nóng)業(yè)可控霧滴智能施藥技術(shù) 研究與應(yīng)用 J 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) 2019 40 11 49 54 18 繆宏 張永京 張燕軍 等 溫室自走式黃瓜超聲噴霧施 藥機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn) J 農(nóng)機(jī)化研究 2021 43 7 126 130 19 LI Y LI Y CHEN R Evaluation of self propelled high energy ultrasonic atomizer on azoxystrobin and tebuconazole application in aunlit greenhouse tomatoes J International journal of environmental research and public health 2018 15 6 1088 20 SHAMSHIRI R R WELTZIEN C HAMEED I A et al Research and development in agricultural robotics a per spective of digital farming J International journal of agri cultural and biological engineering 2018 11 4 1 11 21 PHILIP J S TOMONARI F ANDREW B Autonomous pesticide spraying robot for use in a greenhouse C Aus tralasian conference on robotics b College of Engineering Shenyang Agricultural University Shenyang 110866 China 2 Key Laboratory of Protected Horticulture Ministry of Education Shenyang 110866 China 3 College of Intelligent Manufacturing Huanghuai University Zhumadian 463000 China Abstract Chemical pesticides are still the primary diseases and pest control method in the protected horticulture produc tion and the dosage far more than field crops which lead to a series of problems therefore the precision spraying tech nology and equipment are the urgent demand of efficient production In this paper the pesticide application equipment that widely used around the world nowadays is classified and introduced and the research progress of precision spraying technique in protected horticulture such as navigation control variable rate control toward target pesticide application air assisted spraying electrostatic spraying controlled droplet application were summarized and analyzed Finally the efficient low volume intelligent pesticide application technology that suitable for China s greenhouse operating environ ment is the future research direction Key words greenhouse facilities spray equipment precision applying pesticide navigation technology toward target pesticide application air assisted spraying 01 2022年11月 農(nóng)機(jī)化研究 第11期