2020 年3 月 第2 卷 第1 期 Mar 2020 Vol 2 No 1 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 中 國 精 準 施 藥 技 術 和 裝 備 研 究 現(xiàn) 狀 及 發(fā) 展 建 議 何 雄 奎 中 國 農(nóng) 業(yè) 大 學 藥 械 與 施 藥 技 術 研 究 中 心 北 京 1 0 0 1 9 3 摘 要 植 物 化 學 保 護 即 使 用 植 保 機 械 噴 施 化 學 農(nóng) 藥 是 當 前 最 主 要 的 病 蟲 害 防 控 方 法 一 直 以 來 對 保 障 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 安 全 與 糧 食 有 效 供 給 起 至 關 重 要 作 用 能 夠 實 現(xiàn) 按 需 精 準 施 藥 變 量 施 藥 人 機 分 離 與 人 藥 分 離 的 高 效 精 準 智 能 的 施 藥 技 術 和 裝 備 是 提 高 農(nóng) 藥 藥 效 與 利 用 率 的 保 證 也 是 保 障 食 品 安 全 降 低 農(nóng) 民 勞 動 強 度 的 重 要 措 施 是 目 前 國 內(nèi) 外 研 究 的 熱 點 本 研 究 對 精 準 施 藥 關 鍵 技 術 及 研 究 現(xiàn) 狀 進 行 了 分 析 對 適 用 于 不 同 作 業(yè) 場 景 的 精 準 施 藥 裝 備 的 研 究 現(xiàn) 狀 典 型 代 表 應 用 進 展 等 進 行 了 分 類 總 結(jié) 分 析 了 目 前 精 準 施 藥 發(fā) 展 中 面 臨 的 挑 戰(zhàn) 并 提 出 了 對 策 和 建 議 本 研 究 可 為 精 準 施 藥 技 術 研 究 的 推 進 智 能 施 藥 裝 備 的 研 發(fā) 和 現(xiàn) 代 化 農(nóng) 業(yè) 的 發(fā) 展 提 供 參 考 和 思 路 關 鍵 詞 精 準 施 藥 變 量 施 藥 自 動 對 靶 噴 霧 仿 形 噴 霧 機 噴 桿 噴 霧 機 無 人 機 中 圖 分 類 號 S 1 文 獻 標 志 碼 A 文 章 編 號 2 0 1 9 0 7 S A 0 0 2 引 文 格 式 何 雄 奎 中 國 精 準 施 藥 技 術 和 裝 備 研 究 現(xiàn) 狀 及 發(fā) 展 建 議 J 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 英 文 2020 2 1 133 146 He Xiongkui Research progress and developmental recommendations on precision spraying technology and equip mentinChina J SmartAgriculture 2020 2 1 133 146 inChinesewithEnglishabstract 1 引 言 農(nóng) 藥 在 保 障 國 家 糧 食 安 全 和 農(nóng) 產(chǎn) 品 有 效 供 給 中 發(fā) 揮 著 不 可 替 代 的 作 用 自1997 年 起 中 國 成 為 世 界 上 最 大 的 農(nóng) 藥 生 產(chǎn) 國 與 使 用 國 1 但 中 國 施 藥 技 術 與 植 保 機 械 發(fā) 展 水 平 卻 和 農(nóng) 藥 高 速 發(fā) 展 水 平 極 不 相 稱 農(nóng) 藥 有 效 利 用 率 僅 為20 40 2 此 外 現(xiàn) 階 段 中 國 農(nóng) 業(yè) 還 存 在 農(nóng) 藥 用 量 大 利 用 率 低 植 保 機 械 作 業(yè) 效 率 低 農(nóng) 民 勞 動 強 度 大 農(nóng) 產(chǎn) 品 農(nóng) 藥 殘 留 超 標 等 問 題 傳 統(tǒng) 植 保 作 業(yè) 通 常 在 作 業(yè) 區(qū) 域 內(nèi) 使 用 同 一 施 藥 量 進 行 單 一 連 續(xù) 噴 霧 作 業(yè) 由 于 此 種 作 業(yè) 方 式 未 考 慮 作 業(yè) 區(qū) 域 內(nèi) 病 蟲 草 害 的 分 布 情 況 與 差 異 等 特 點 容 易 造 成 農(nóng) 藥 有 效 成 分 在 病 蟲 草 害 嚴 重 的 區(qū) 域 用 量 不 足 而 在 輕 微 或 沒 有 發(fā) 生 的 區(qū) 域 用 量 過 度 進 入21 世 紀 以 來 美 國 日 本 歐 盟 等 陸 續(xù) 將 自 動 化 信 息 化 技 術 與 新 型 傳 感 器 應 用 于 精 準 施 藥 技 術 和 智 能 植 保 機 械 的 研 發(fā) 農(nóng) 藥 利 用 率 迅 速 提 高 到50 60 的 高 水 平 3 為 改 變 中 國 精 準 施 藥 技 術 落 后 的 局 面 提 高 植 保 機 械 作 業(yè) 精 準 與 自 動 化 水 平 科 學 技 術 部 國 家 自 然 基 金 委 農(nóng) 業(yè) 農(nóng) 村 部 等 資 助 了 一 系 列 精 準 施 藥 技 術 和 裝 備 的 研 發(fā) 項 目 中 國 農(nóng) 業(yè) 大 學 華 南 農(nóng) 業(yè) 大 學 南 京 農(nóng) 業(yè) 大 學 中 國 農(nóng) 業(yè) 機 械 化 科 學 研 究 院 國 家 農(nóng) 業(yè) 信 息 化 工 程 技 術 研 究 中 心 農(nóng) 業(yè) 農(nóng) 村 部 南 京 農(nóng) 業(yè) 機 械 化 研 究 所 等 單 位 基 doi 10 12133 j smartag 2020 2 1 201907 SA002 收 稿 日 期 2019 07 18 修 訂 日 期 2020 01 19 基 金 項 目 國 家 自 然 科 學 基 金 31761133019 國 家 重 點 研 發(fā) 計 劃 智 能 農(nóng) 機 重 大 專 項 2017YFD0700903 國 家 現(xiàn) 代 農(nóng) 業(yè) 產(chǎn) 業(yè) 技 術 體 系 CARS 28 20 作 者 簡 介 何 雄 奎 1966 男 博 士 教 授 研 究 方 向 植 保 機 械 與 施 藥 技 術 電 話 010 62731446 Email xiongkui Vol 2 No 1 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 于 中 國 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 實 際 情 況 發(fā) 揮 院 校 科 研 院 所 在 農(nóng) 業(yè) 工 程 植 保 機 械 植 物 保 護 農(nóng) 藥 學 和 農(nóng) 學 等 學 科 交 叉 領 域 的 優(yōu) 勢 融 合 傳 感 器 探 測 遙 感 機 電 一 體 化 衛(wèi) 星 導 航 等 多 種 前 沿 技 術 并 聯(lián) 合 部 分 裝 備 制 造 企 業(yè) 研 發(fā) 出 一 系 列 精 準 施 藥 技 術 創(chuàng) 制 了 一 批 新 型 現(xiàn) 代 化 植 保 裝 備 并 在 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 中 大 量 推 廣 利 用 精 準 施 藥 技 術 與 高 效 施 藥 裝 備 可 有 效 減 少 農(nóng) 藥 使 用 量 提 高 農(nóng) 藥 利 用 率 減 少 農(nóng) 藥 對 環(huán) 境 的 污 染 實 現(xiàn) 對 不 同 種 類 作 物 的 精 準 施 藥 本 研 究 系 統(tǒng) 闡 述 了 中 國 精 準 施 藥 技 術 的 研 究 現(xiàn) 狀 概 述 了 中 國 創(chuàng) 制 的 適 用 于 不 同 作 業(yè) 場 景 的 精 準 施 藥 裝 備 解 析 了 精 準 施 藥 技 術 與 裝 備 如 何 解 決 植 保 作 業(yè) 中 存 在 的 問 題 并 針 對 目 前 中 國 精 準 施 藥 發(fā) 展 中 面 臨 的 挑 戰(zhàn) 提 出 了 發(fā) 展 對 策 和 建 議 本 研 究 為 精 準 施 藥 技 術 研 究 的 推 進 智 能 施 藥 裝 備 的 研 發(fā) 提 供 了 參 考 可 為 中 國 農(nóng) 藥 減 量 計 劃 的 推 進 和 農(nóng) 業(yè) 現(xiàn) 代 化 發(fā) 展 提 供 新 方 法 和 新 思 路 2 精 準 施 藥 關 鍵 技 術 及 研 究 現(xiàn) 狀 精 準 施 藥 技 術 是 通 過 傳 感 探 測 技 術 獲 取 噴 霧 靶 標 即 農(nóng) 作 物 與 病 蟲 草 害 的 信 息 利 用 計 算 決 策 系 統(tǒng) 制 訂 精 準 噴 霧 策 略 驅(qū) 動 變 量 執(zhí) 行 系 統(tǒng) 或 機 構(gòu) 實 現(xiàn) 實 時 非 均 一 非 連 續(xù) 的 精 準 噴 霧 作 業(yè) 最 終 實 現(xiàn) 按 需 施 藥 4 技 術 體 系 包 括 探 測 技 術 施 藥 控 制 系 統(tǒng) 及 算 法 噴 霧 控 制 技 術 等 施 藥 技 術 與 施 藥 裝 備 正 向 著 智 能 精 準 低 量 高 效 方 向 發(fā) 展 表1 為 國 內(nèi) 精 準 施 藥 關 鍵 技 術 的 主 要 研 發(fā) 團 隊 和 研 究 內(nèi) 容 精 準 施 藥 技 術 是 智 慧 農(nóng) 業(yè) 的 重 要 技 術 組 成 部 分 也 是 信 息 時 代 精 準 農(nóng) 業(yè) 發(fā) 展 的 重 要 特 征 之 一 16 在 提 高 農(nóng) 藥 利 用 率 減 少 農(nóng) 藥 用 量 與 殘 留 和 降 低 環(huán) 境 風 險 等 方 面 的 巨 大 潛 力 和 廣 闊 前 景 已 獲 得 普 遍 的 國 際 認 同 1 符 合 當 前 日 趨 嚴 格 的 表 1 精 準 施 藥 關 鍵 技 術 Table1Keytechnologiesofprecisionspraying 大 類 技 術 探 測 技 術 施 藥 控 制 系 統(tǒng) 及 算 法 噴 霧 控 制 技 術 細 化 技 術 果 樹 冠 層 探 測 果 樹 三 維 信 息 獲 取 果 樹 冠 層 體 積 測 量 果 樹 病 蟲 草 害 探 測 管 道 總 藥 量 控 制 方 法 噴 頭 藥 量 獨 立 控 制 方 法 施 藥 量 控 制 噴 霧 參 數(shù) 監(jiān) 測 風 機 氣 流 場 控 制 風 場 與 霧 場 分 布 建 模 研 發(fā) 人 員 李 麗 等 5 蔡 吉 晨 6 蔡 健 榮 等 7 丁 為 民 等 8 曲 峰 9 黃 勝 等 10 王 利 霞 等 11 魏 新 華 等 12 黃 偉 鋒 等 13 曲 峰 等 14 孫 誠 達 15 年 份 2003 2011 2012 2016 2017 2011 2010 2013 2007 2017 2019 研 究 內(nèi) 容 應 用 紅 外 傳 感 器 探 測 噴 霧 過 程 中 有 無 靶 標 實 現(xiàn) 有 枝 葉 處 噴 霧 沒 有 枝 葉 處 不 噴 霧 的 果 樹 自 動 對 靶 噴 霧 施 藥 提 出 了 果 樹 冠 層 網(wǎng) 格 劃 分 方 法 及 網(wǎng) 格 化 體 積 模 型 分 析 了 二 維 激 光 雷 達 探 測 角 度 誤 差 對 網(wǎng) 格 體 積 計 算 精 度 的 影 響 采 用 歸 一 化 互 相 關 法 獲 取 立 體 圖 像 視 差 圖 提 取 果 樹 枝 骨 架 并 采 用 多 線 段 逼 近 法 提 取 特 征 點 利 用 雙 目 立 體 視 覺 原 理 計 算 樹 枝 骨 架 特 征 點 的 空 間 坐 標 再 利 用 距 離 圖 像 求 取 樹 枝 半 徑 信 息 通 過 提 取 樹 冠 圖 像 面 積 特 征 和 輪 廓 特 征 采 用 最 小 二 乘 法 和 五 點 參 數(shù) 標 定 法 獲 得 普 適 性 樹 冠 面 積 與 體 積 相 關 關 系 模 型 提 出 了 一 種 基 于 奇 異 值 分 解 的 蘋 果 葉 部 病 害 圖 像 背 景 分 割 方 法 去 除 常 規(guī) 分 割 方 法 難 以 分 割 的 雜 草 等 近 色 區(qū) 域 獲 得 完 整 的 病 害 葉 片 區(qū) 域 基 于PID 控 制 和 施 藥 量 模 糊 控 制 模 型 設 計 了 變 量 施 藥 機 的 恒 壓 變 量 控 制 系 統(tǒng) 實 現(xiàn) 噴 霧 機 得 到 恒 壓 變 量 控 制 根 據(jù) 網(wǎng) 格 位 置 和 采 集 的 機 具 信 息 對 電 動 調(diào) 節(jié) 閥 進 行 控 制 實 現(xiàn) 變 量 施 藥 采 用 直 動 式 高 速 電 磁 閥 圓 錐 霧 噴 頭 先 導 式 比 例 溢 流 閥 和 脈 寬 調(diào) 制 PulseWidth Modula tion PWM 變 量 噴 施 控 制 器 設 計 了 一 套PWM 間 歇 噴 霧 式 變 量 噴 施 系 統(tǒng) 設 計 了 基 于GPS 和GPRS 的 嵌 入 式 果 園 噴 霧 遠 程 監(jiān) 測 系 統(tǒng) 實 現(xiàn) 了 對 噴 霧 參 數(shù) 的 實 時 監(jiān) 測 在 噴 霧 機 出 風 口 設 置 短 導 流 板 引 導 風 機 氣 流 場 通 過CFD ComputationalFluidDynamics 仿 真 與 標 桿 試 驗 結(jié) 合 探 尋 和 驗 證 不 同 因 素 對 噴 霧 機 氣 流 場 和 噴 霧 效 果 的 影 響 研 究 了 樹 冠 內(nèi) 霧 滴 穿 透 比 例 分 布 規(guī) 律 構(gòu) 建 了 風 送 噴 霧 霧 滴 冠 層 穿 透 模 型 1 3 4何 雄 奎 中 國 精 準 施 藥 技 術 和 裝 備 研 究 現(xiàn) 狀 及 發(fā) 展 建 議 Vol 2 No 1 環(huán) 保 要 求 17 經(jīng) 過 科 研 人 員 多 年 努 力 中 國 精 準 施 藥 技 術 已 取 得 長 足 進 步 為 智 能 施 藥 裝 備 的 發(fā) 展 提 供 了 良 好 的 技 術 基 礎 但 目 前 精 準 施 藥 技 術 仍 存 在 定 位 系 統(tǒng) 精 度 不 足 關 鍵 技 術 的 協(xié) 調(diào) 性 差 傳 感 器 新 技 術 的 產(chǎn) 業(yè) 化 難 度 大 等 問 題 后 續(xù) 需 對 這 些 問 題 進 行 針 對 性 研 究 3 精 準 施 藥 裝 備 研 究 進 展 依 托 精 準 施 藥 技 術 的 發(fā) 展 中 國 精 準 施 藥 裝 備 的 發(fā) 展 也 非 常 迅 速 果 園 自 動 對 靶 噴 霧 機 基 于 風 量 調(diào) 節(jié) 的 果 園 變 量 噴 霧 機 玉 米 田 間 自 動 對 靶 除 草 機 可 調(diào) 地 隙 與 輪 距 的 高 地 隙 自 走 式 噴 桿 噴 霧 機 自 適 應 均 勻 噴 霧 機 循 環(huán) 噴 霧 機 以 及 仿 形 噴 霧 機 等 新 型 施 藥 裝 備 紛 紛 問 題 實 現(xiàn) 了 農(nóng) 藥 的 精 準 噴 施 大 大 提 高 了 農(nóng) 藥 利 用 率 此 外 還 有 遙 控 自 走 式 作 物 噴 桿 噴 霧 機 和 植 保 無 人 機 它 們 實 現(xiàn) 了 人 機 分 離 和 人 藥 分 離 非 常 適 合 中 國 中 小 型 農(nóng) 場 的 減 量 精 準 施 藥 技 術 要 求 發(fā) 展 迅 速 深 受 用 戶 歡 迎 3 1 果 園 自 動 對 靶 噴 霧 機 為 解 決 傳 統(tǒng) 果 園 噴 霧 機 無 法 識 別 靶 標 及 靶 標 間 空 隙 差 異 連 續(xù) 噴 霧 而 造 成 農(nóng) 藥 浪 費 和 環(huán) 境 污 染 問 題 研 究 人 員 開 展 了 一 系 列 針 對 果 園 自 動 對 靶 噴 霧 裝 備 的 研 究 探 索 表2 為 中 國 研 制 成 功 的 果 園 自 動 對 靶 噴 霧 機 典 型 成 果 及 關 鍵 技 術 點 從 表2 可 以 看 出 目 前 果 園 自 動 對 靶 噴 霧 機 的 關 鍵 技 術 集 中 于 紅 外 傳 感 激 光 測 距 和 超 聲 波 等 相 比 于 傳 統(tǒng) 的 風 送 式 果 園 噴 霧 機 自 動 對 靶 噴 霧 機 能 夠 提 高 在 目 標 冠 層 及 葉 片 背 面 的 沉 積 量 且 沉 積 均 勻 使 農(nóng) 藥 沉 積 利 用 率 達 到 52 5 實 現(xiàn) 節(jié) 藥40 60 減 少 霧 滴 的 飄 失 及 農(nóng) 藥 浪 費 提 高 農(nóng) 藥 利 用 率 及 防 治 效 果 31 但 是 目 前 自 動 對 靶 噴 霧 機 靶 標 識 別 過 程 中 產(chǎn) 生 誤 判 概 率 高 尤 其 是 在 復 雜 環(huán) 境 中 精 準 識 別 靶 標 的 能 力 不 強 在 識 別 精 度 上 仍 有 提 高 空 間 表 2 果 園 自 動 對 靶 噴 霧 機 典 型 成 果 及 關 鍵 技 術 點 Table2Typicalachievementsandkeytechnicalpointsoforchardautomatictargetsprayer 作 者 何 雄 奎 等 18 袁 湘 月 等 19 鄒 建 軍 等 20 鄧 巍 等 21 翟 長 遠 等 22 劉 金 龍 23 李 龍 龍 何 雄 奎 等 24 許 林 云 等 25 楊 洲 等 26 宋 淑 然 等 27 姜 紅 花 等 28 李 井 祝 和 朱 鳳 武 29 李 秋 潔 等 30 年 份 2003 2004 2007 2008 2012 2012 2013 2014 2015 2015 2016 2017 2018 研 發(fā) 機 構(gòu) 中 國 農(nóng) 業(yè) 大 學 江 蘇 大 學 中 國 農(nóng) 業(yè) 大 學 中 國 農(nóng) 業(yè) 大 學 西 北 農(nóng) 林 科 技 大 學 南 京 農(nóng) 業(yè) 大 學 中 國 農(nóng) 業(yè) 大 學 南 京 林 業(yè) 大 學 等 華 南 農(nóng) 業(yè) 大 學 華 南 農(nóng) 業(yè) 大 學 山 東 農(nóng) 業(yè) 大 學 等 吉 林 農(nóng) 業(yè) 大 學 南 京 林 業(yè) 大 學 等 成 果 名 稱 果 園 自 動 對 靶 風 送 低 量 噴 霧 機 果 園 自 動 對 靶 噴 霧 機 對 靶 噴 霧 機 紅 外 探 測 控 制 系 統(tǒng) 紅 外 靶 標 探 測 裝 置 果 樹 自 動 對 靶 探 測 系 統(tǒng) 對 靶 噴 霧 紅 外 探 測 系 統(tǒng) 果 樹 三 維 尺 寸 自 動 仿 形 噴 霧 系 統(tǒng) 自 動 對 靶 噴 霧 控 制 系 統(tǒng) 果 園 在 線 混 藥 型 靜 電 噴 霧 機 果 園 柔 性 對 靶 噴 霧 裝 置 履 帶 自 走 式 果 園 自 動 對 靶 風 送 噴 霧 機 自 動 對 靶 噴 霧 控 制 系 統(tǒng) 自 動 對 靶 噴 霧 控 制 系 統(tǒng) 關 鍵 技 術 點 紅 外 傳 感 器 與 綠 色 傳 感 器 融 合 技 術 作 物 冠 層 靶 標 探 測 靜 電 噴 霧 技 術 紅 外 光 電 探 測 技 術 集 成 電 路 紅 外 光 電 技 術 近 紅 外 技 術 紅 外 傳 感 器 技 術 紅 外 傳 感 器 技 術 LiDAR 雷 達 探 測 果 樹 三 維 尺 寸 自 動 仿 形 激 光 測 距 傳 感 器 提 前 及 延 后 噴 霧 在 線 混 藥 系 統(tǒng) 風 輔 靜 電 噴 霧 柔 性 噴 桿 與 噴 頭 組 靶 標 檢 測 單 元 超 聲 波 傳 感 器 Wi Fi 無 線 傳 輸 激 光 測 距 傳 感 器 PLC 可 編 程 邏 輯 控 制 器 LiDAR 探 測 MFC 多 線 程 編 程 1 3 5Vol 2 No 1 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 3 2 果 園 風 送 變 量 噴 霧 機 中 國 各 地 果 園 大 多 密 植 且 布 局 形 態(tài) 各 異 果 樹 冠 層 在 不 同 生 長 周 期 枝 葉 茂 密 程 度 不 一 葉 面 指 數(shù) LeafAreaIndex LAI 在 生 長 期 內(nèi) 由0 不 斷 增 大 直 至 最 大 值 傳 統(tǒng) 的 純 液 力 噴 霧 機 難 以 穿 透 枝 葉 茂 密 的 果 樹 冠 層 在 樹 膛 內(nèi) 沉 積 且 在 早 期 的 稀 疏 冠 層 內(nèi) 容 易 造 成 霧 滴 飄 失 傳 統(tǒng) 果 園 噴 霧 機 因 茂 密 的 枝 葉 霧 滴 難 以 穿 透 冠 層 而 采 用 風 力 輔 助 輸 送 霧 滴 可 以 提 高 霧 滴 在 果 樹 冠 層 的 穿 透 和 沉 積 分 布 同 時 風 送 噴 霧 機 利 用 氣 流 輔 助 技 術 可 脅 迫 霧 滴 定 向 沉 積 至 目 標 冠 層 在 此 過 程 中 氣 流 進 一 步 第 二 次 破 碎 霧 滴 同 時 翻 轉(zhuǎn) 擾 動 冠 層 內(nèi) 部 枝 葉 使 得 霧 滴 沉 積 到 目 標 冠 層 內(nèi) 部 從 而 增 加 霧 滴 在 目 標 冠 層 內(nèi) 部 的 穿 透 能 力 葉 片 背 面 的 沉 積 量 沉 積 分 布 均 勻 性 提 高 病 蟲 害 防 治 效 果 聯(lián) 合 國 糧 食 及 農(nóng) 業(yè) 組 織 Food and Agriculture Organization of the United Nations FAO 于20 世 紀60 年 代 在 全 球 推 廣 風 送 噴 霧 技 術 中 國 在20 世 紀80 年 代 引 進 該 技 術 并 進 行 了 推 廣 應 用 取 得 了 良 好 的 防 治 效 果 32 但 在 實 際 果 園 噴 霧 作 業(yè) 過 程 中 同 一 植 株 在 不 同 生 長 周 期 冠 層 枝 葉 茂 密 程 度 不 同 所 需 風 量 不 同 傳 統(tǒng) 風 送 噴 霧 機 無 法 根 據(jù) 枝 葉 稀 疏 度 調(diào) 整 風 量 作 業(yè) 導 致 不 同 生 長 周 期 的 目 標 冠 層 風 量 不 足 或 過 量 從 而 造 成 霧 滴 難 以 在 目 標 冠 層 有 效 沉 積 風 送 變 量 噴 霧 機 能 夠 依 據(jù) 果 樹 不 同 生 長 周 期 及 冠 層 枝 葉 稠 密 程 度 實 時 調(diào) 節(jié) 風 速 與 風 量 以 保 證 目 標 冠 層 有 效 沉 積 提 高 噴 霧 質(zhì) 量 目 前 國 內(nèi) 多 個 團 隊 已 經(jīng) 研 制 出 了 多 種 風 送 變 量 噴 霧 機 表3 表 3 風 送 變 量 噴 霧 機 典 型 成 果 及 關 鍵 技 術 Table3Typicalachievementsandkeytechnologiesofvariableairsprayer 作 者 魏 新 華 等 33 劉 偉 34 何 雄 奎 1 姚 渠 35 許 績 彤 36 丁 鑫 浩 37 束 義 平 38 年 份 2012 2012 2013 2014 2016 2018 2018 研 發(fā) 機 構(gòu) 江 蘇 大 學 等 南 京 農(nóng) 業(yè) 大 學 中 國 農(nóng) 業(yè) 大 學 中 國 農(nóng) 業(yè) 大 學 華 南 農(nóng) 業(yè) 大 學 南 京 林 業(yè) 大 學 南 京 林 業(yè) 大 學 成 果 名 稱 PWM 間 歇 噴 霧 式 變 量 噴 施 控 制 器 背 負 式 噴 霧 器 變 量 噴 霧 控 制 系 統(tǒng) 自 走 履 帶 式 風 送 果 園 變 量 噴 霧 機 可 變 風 量 的 履 帶 式 風 送 噴 霧 機 果 園 實 時 混 藥 風 送 式 變 量 噴 霧 系 統(tǒng) 風 送 式 變 量 噴 霧 機 多 流 道 噴 頭 果 園 變 量 噴 霧 控 制 系 統(tǒng) 關 鍵 技 術 以DSP56F805 數(shù) 字 信 號 控 制 器 為 核 心 實 時 檢 測 噴 霧 機 組 前 進 速 度 隔 膜 泵 輸 入 軸 轉(zhuǎn) 速 噴 桿 壓 力 和 噴 施 流 量 并 采 用 預 測 比 例 控 制 方 法 通 過 比 例 溢 流 閥 在 線 調(diào) 節(jié) 噴 桿 壓 力 以 單 片 機 為 控 制 核 心 采 用PWM 技 術 控 制 電 動 隔 膜 泵 的 工 作 頻 率 從 而 實 現(xiàn) 對 背 負 式 噴 霧 器 的 噴 霧 流 量 進 行 調(diào) 節(jié) 變 量 控 制 系 統(tǒng) 采 用 機 電 一 體 化 設 計 指 令 接 收 和 執(zhí) 行 過 程 實 現(xiàn) 精 確 實 時 管 理 紅 外 傳 感 器 實 現(xiàn) 自 動 對 靶 噴 霧 組 合 式 噴 頭 技 術 控 制 噴 霧 量 基 于 步 進 電 機 驅(qū) 動 無 級 變 速 器 實 現(xiàn) 風 機300 1670r min 的 無 級 變 速 產(chǎn) 生 相 應 風 量 80cm 超 低 地 隙 行 走 裝 置 500 50000m 3 h 的 風 量 調(diào) 節(jié) 與 實 施 流 量 調(diào) 節(jié) 基 于 紅 外 探 測 的 果 園 精 準 自 動 對 靶 噴 霧 及 多 噴 頭 組 合 技 術 基 于 蠕 動 泵 與 靜 態(tài) 混 合 器 設 計 的 實 時 混 藥 模 塊 與 基 于 測 速 單 元 與 冠 形 探 測 單 元 設 計 的 變 量 噴 霧 模 塊 分 別 單 獨 控 制 構(gòu) 建 三 種 不 同 類 型 靜 態(tài) 混 合 器 的 三 維 模 型 設 計 四 指 噴 頭 五 指 噴 頭 六 指 噴 頭 三 種 不 同 結(jié) 構(gòu) 的 多 流 道 噴 頭 在 風 速 流 場 和 霧 化 性 能 方 面 進 行 了 仿 真 模 擬 和 試 驗 基 于 激 光 雷 達 探 測 技 術 研 究 了 果 園 變 量 對 靶 噴 霧 系 統(tǒng) 信 息 采 集 方 法 變 量 對 靶 噴 霧 系 統(tǒng) 實 時 控 制 方 法 開 發(fā) 了 變 量 對 靶 噴 霧 控 制 系 統(tǒng) 軟 件 1 3 6何 雄 奎 中 國 精 準 施 藥 技 術 和 裝 備 研 究 現(xiàn) 狀 及 發(fā) 展 建 議 Vol 2 No 1 3 3 果 園 自 動 仿 形 變 量 噴 霧 機 精 準 施 藥 需 要 依 靠 傳 感 器 探 測 技 術 獲 取 的 作 物 冠 層 信 息 國 內(nèi) 外 研 究 者 針 對 傳 感 器 探 測 技 術 進 行 了 諸 多 研 究 翟 長 遠 等 22 研 究 了 樹 型 噴 灑 靶 標 外 形 輪 廓 探 測 方 法 基 于 超 聲 傳 感 器 研 制 了 靶 標 外 形 輪 廓 探 測 試 驗 平 臺 Lee 等 39 Tel laeche 等 40 Feyaerts 等 41 利 用 多 光 譜 等 圖 像 傳 感 探 測 技 術 對 特 征 各 異 的 雜 草 進 行 識 別 近 年 來 激 光 傳 感 器 Light Detection and Ranging LiDAR 由 于 探 測 精 度 高 其 在 農(nóng) 業(yè) 領 域 的 應 用 也 越 來 越 廣 泛 42 超 聲 波 圖 像 傳 感 器 技 術 也 為 變 量 噴 霧 提 供 了 實 現(xiàn) 手 段 43 為 進 一 步 提 高 農(nóng) 藥 利 用 率 噴 霧 作 業(yè) 的 自 動 化 及 精 準 程 度 降 低 農(nóng) 藥 的 使 用 量 國 內(nèi) 科 研 機 構(gòu) 開 展 了 技 術 攻 關 2013 年 中 國 農(nóng) 業(yè) 大 學 聯(lián) 合 無 錫 市 中 波 機 械 制 造 有 限 公 司 在 果 園 自 動 對 靶 噴 霧 機 及 自 走 履 帶 式 風 送 果 園 變 量 噴 霧 機 的 基 礎 上 成 功 研 制 出 果 園 自 動 仿 形 變 量 噴 霧 機 如 圖 1 所 示 該 機 通 過 掃 描 角 度 為270 的LiADR 激 光 傳 感 器 實 時 獲 取 樹 冠 特 征 信 息 并 根 據(jù) 冠 層 分 割 模 型 及 變 量 決 策 算 法 實 時 調(diào) 節(jié) 風 機 風 量 和 噴 頭 流 量 圖2 進 而 實 現(xiàn) 自 動 仿 形 變 量 噴 霧 具 體 實 現(xiàn) 流 程 如 下 以LiADR 激 光 傳 感 器 為 探 測 源 不 間 斷 的 掃 描 機 具 兩 側(cè) 的 果 樹 冠 層 控 制 系 統(tǒng) 將 收 集 到 的 點 云 信 息 進 行 處 理 同 時 根 據(jù) 果 樹 冠 層 邊 界 密 度 及 體 積 特 征 將 果 樹 冠 層 分 割 成 若 干 個 冠 層 單 元 29 通 過 冠 層 單 元 體 積 所 需 風 量 及 噴 量 改 變 電 機 及 電 磁 閥 的PWM 占 空 比 44 實 時 調(diào) 控 電 動 風 機 出 風 量 及 噴 頭 噴 量 該 機 縱 向 沉 積 分 布 呈 仿 形 結(jié) 構(gòu) 各 冠 層 單 元 沉 積 均 勻 與 定 向 風 送 噴 霧 機 相 比 可 降 低 用 藥 量45 7 而 霧 滴 飄 移 及 地 面 流 失 分 別 減 少23 2 及67 4 45 46 該 機 在 之 前 成 熟 的 自 動 對 靶 變 風 量 技 術 的 基 礎 上 針 對 植 株 冠 層 特 征 創(chuàng) 新 實 現(xiàn) 了 仿 形 變 量 噴 霧 提 高 了 農(nóng) 藥 利 用 率 為 果 園 精 準 噴 霧 機 提 供 了 新 設 計 新 思 路 新 結(jié) 構(gòu) 3 4 大 田 變 量 噴 桿 噴 霧 機 噴 桿 噴 霧 機 是 大 田 管 理 作 業(yè) 中 最 為 常 見 的 施 藥 機 械 主 要 針 對 種 植 在 大 田 中 的 小 麥 大 豆 及 甜 菜 等 主 糧 作 物 或 經(jīng) 濟 作 物 可 有 針 對 性 地 噴 施 殺 蟲 劑 殺 菌 劑 除 草 劑 及 植 物 生 長 調(diào) 節(jié) 劑 等 然 而 這 種 連 續(xù) 均 勻 的 傳 統(tǒng) 施 藥 方 式 未 考 慮 機 體 參 數(shù) 作 物 參 數(shù) 及 噴 霧 參 數(shù) 的 差 異 極 易 造 成 農(nóng) 藥 浪 費 農(nóng) 藥 利 用 率 低 作 物 農(nóng) 藥 殘 留 嚴 重 等 問 題 由 于 大 田 作 業(yè) 的 復 雜 性 和 大 田 作 物 的 特 殊 性 大 田 噴 桿 噴 霧 機 很 少 使 用 精 準 施 藥 技 術 為 實 現(xiàn) 中 國 大 田 噴 桿 噴 霧 機 精 準 施 藥 并 減 少 作 業(yè) 過 程 中 農(nóng) 藥 霧 滴 飄 移 國 內(nèi) 科 研 機 構(gòu) 和 企 業(yè) 開 展 了 聯(lián) 合 攻 關 研 發(fā) 成 功 了 多 款 大 田 變 量 噴 桿 噴 霧 機 如 表4 所 示 此 外 中 國 農(nóng) 業(yè) 大 學 藥 械 與 施 藥 技 術 研 究 中 心 和 中 國 農(nóng) 業(yè) 機 械 化 科 學 研 究 院 正 在 開 展 技 術 攻 關 研 發(fā) 基 于 多 功 能 高 地 隙 底 盤 的 精 準 變 量 噴 桿 噴 霧 機 該 機 利 用 三 維 激 光 雷 達 探 測 技 術 圖 1 果 園 自 動 仿 形 變 量 噴 霧 機 Fig 1Automaticprofilevariablesprayerinorchard 圖 2 上 位 機 控 制 界 面 Fig 2Mastercomputercontrolinterface 1 3 7Vol 2 No 1 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e PWM 技 術 冠 層 特 征 參 數(shù) 建 模 等 技 術 實 現(xiàn) 噴 頭 噴 霧 的 實 時 變 量 控 制 激 光 傳 感 器 的 作 物 密 度 測 量 誤 差 15 變 量 施 藥 系 統(tǒng) 的 施 藥 液 量 控 制 精 度 在 8 以 內(nèi) 實 現(xiàn) 精 確 施 藥 的 目 標 噴 桿 噴 霧 機 憑 借 作 業(yè) 效 率 高 施 藥 效 果 佳 等 特 點 成 為 當 前 農(nóng) 業(yè) 發(fā) 達 國 家 普 遍 使 用 的 大 田 高 效 精 準 施 藥 機 具 但 其 在 中 國 的 推 廣 應 用 程 度 一 直 不 高 仍 有 很 大 發(fā) 展 空 間 基 于 大 田 噴 桿 噴 霧 機 的 精 準 變 量 施 藥 裝 備 及 技 術 研 究 將 為 噴 桿 噴 霧 機 在 中 國 的 發(fā) 展 與 應 用 提 供 新 動 力 3 5 植 保 無 人 機 相 比 地 面 植 保 設 備 植 保 無 人 機 具 有 地 形 適 應 性 好 56 速 度 調(diào) 節(jié) 快 速 方 便 霧 滴 覆 蓋 率 高 表 4 大 田 變 量 噴 桿 噴 霧 機 Table4Variableboomsprayerinfield 機 構(gòu) 名 稱 中 國 農(nóng) 業(yè) 機 械 化 科 學 研 究 院 現(xiàn) 代 農(nóng) 裝 科 技 股 份 有 限 公 司 47 中 國 農(nóng) 業(yè) 大 學 中 國 農(nóng) 業(yè) 機 械 化 科 學 研 究 院 山 東 華 盛 中 天 集 團 山 東 永 佳 動 力 股 份 有 限 公 司 48 山 東 省 農(nóng) 業(yè) 機 械 科 學 研 究 院 49 中 國 農(nóng) 業(yè) 大 學 山 東 永 佳 動 力 股 份 有 限 公 司 50 中 國 農(nóng) 業(yè) 機 械 化 科 學 研 究 院 新 疆 農(nóng) 墾 科 學 院 51 南 京 林 業(yè) 大 學 52 黑 龍 江 省 蘿 北 縣 農(nóng) 機 局 53 泰 州 櫻 田 農(nóng) 機 制 造 有 限 公 司 54 農(nóng) 業(yè) 農(nóng) 村 部 南 京 農(nóng) 業(yè) 機 械 化 研 究 所 55 年 份 2011 2012 2016 2016 2016 2016 2016 2018 成 果 名 稱 輕 便 型 自 走 式 高 地 隙 噴 桿 噴 霧 機 3WSF 200 型 自 走 式 水 旱 兩 用 風 送 低 量 防 飄 噴 桿 噴 霧 機 圖3 3WSH 500 導 流 式 高 地 隙 自 走 噴 桿 噴 霧 機 圖4 3WDFP 500 自 走 式 高 地 隙 低 量 導 流 防 飄 噴 桿 噴 霧 機 3WP 650 型 智 能 變 量 噴 桿 噴 霧 機 可 用 于 水 田 植 保 作 業(yè) 的 自 走 式 精 準 變 量 噴 桿 噴 霧 機 圖5 自 走 式 大 田 噴 桿 噴 霧 機 變 噴 桿 式 噴 霧 機 可 變 噴 量 施 藥 控 制 系 統(tǒng) 3WP 650 型 自 走 式 噴 桿 噴 霧 機 噴 桿 噴 霧 機 變 量 噴 霧 自 動 控 制 系 統(tǒng) 關 鍵 技 術 噴 桿 折 疊 電 動 控 制 技 術 四 輪 驅(qū) 動 技 術 電 動 推 桿 噴 桿 式 低 量 噴 霧 氣 力 式 風 送 噴 霧 液 壓 控 制 噴 幅 標 識 和 噴 桿 自 動 折 疊 等 可 折 疊 噴 桿 衍 架 高 度 調(diào) 節(jié) 機 構(gòu) PID 智 能 控 制 系 統(tǒng) 現(xiàn) 代 自 動 控 制 電 子 多 傳 感 器 數(shù) 據(jù) 采 集 融 合 傳 輸 導 航 等 可 調(diào) 地 隙 可 變 輪 距 液 壓 驅(qū) 動 模 糊 控 制 器 噴 桿 變 形 GPS 路 線 規(guī) 劃 輔 助 系 統(tǒng) 四 輪 驅(qū) 動 前 后 獨 立 轉(zhuǎn) 向 組 合 式 可 調(diào) 噴 頭 PLC 觸 摸 屏 作 業(yè) 效 果 噴 桿 可 折 疊 減 輕 了 噴 桿 質(zhì) 量 作 業(yè) 效 率 高 不 僅 滿 足 大 田 蔬 菜 施 藥 農(nóng) 藝 要 求 還 可 應 用 于 水 田 施 藥 作 業(yè) 實 現(xiàn) 了 水 旱 田 作 物 植 保 作 業(yè) 的 機 械 化 噴 霧 分 布 均 勻 性 變 異 系 數(shù) 明 顯 減 小 作 業(yè) 效 率 大 大 提 升 農(nóng) 藥 飄 移 對 環(huán) 境 的 污 染 也 得 到 了 有 效 控 制 在 作 業(yè) 狀 態(tài) 下 液 位 測 量 準 確 度 誤 差 在6 以 內(nèi) 藥 液 不 足 時 報 警 準 確 率 為100 能 夠 防 止 因 藥 液 不 足 發(fā) 生 漏 噴 同 時 能 夠 實 現(xiàn) 根 據(jù) 機 組 作 業(yè) 速 度 變 化 實 時 調(diào) 節(jié) 的 變 量 噴 霧 提 高 噴 量 一 致 性 和 農(nóng) 藥 利 用 率 且 變 量 噴 霧 下 定 量 噴 霧 的 一 致 性 最 大 為4 4 作 業(yè) 過 程 中 整 個 噴 桿 霧 滴 分 布 均 勻 噴 霧 變 異 系 數(shù) 在10 以 下 畝 施 藥 液 量 誤 差 在8 以 下 定 位 誤 差 5 5cm 可 保 障 畝 施 藥 液 量 一 致 保 證 大 田 作 物 上 的 藥 液 噴 施 均 勻 實 現(xiàn) 了 高 稈 作 物 生 長 期 內(nèi) 全 程 機 械 化 高 效 均 勻 植 保 作 業(yè) 將 大 田 作 物 噴 霧 的 均 勻 度 提 高 至 發(fā) 達 國 家 水 平 噴 霧 均 勻 性 達 到 了85 95 以 上 完 成 了 多 功 能 變 噴 桿 噴 霧 機 智 能 控 制 系 統(tǒng) 的 研 發(fā) 實 現(xiàn) 了 變 噴 桿 噴 霧 機 的 工 作 形 態(tài) 和 高 度 的 控 制 與 調(diào) 節(jié) 且 設 計 了 精 確 對 靶 施 藥 控 制 電 路 結(jié) 構(gòu) 新 穎 工 作 可 靠 是 防 治 玉 米 等 病 蟲 害 和 高 桿 作 物 噴 施 葉 面 肥 料 的 理 想 機 具 工 作 效 率 高 機 具 投 資 少 回 報 率 高 實 現(xiàn) 了 對 噴 頭 流 量 和 工 作 壓 力 的 自 動 控 制 提 高 了 噴 霧 作 業(yè) 的 自 動 化 和 精 準 化 水 平 1 3 8何 雄 奎 中 國 精 準 施 藥 技 術 和 裝 備 研 究 現(xiàn) 狀 及 發(fā) 展 建 議 Vol 2 No 1 定 點 噴 灑 57 成 本 低 58 安 全 性 好 等 優(yōu) 勢 近 年 來 已 成 為 一 種 重 要 的 新 型 植 保 作 業(yè) 機 具 59 根 據(jù) 相 關 國