設(shè)施園藝植保裝備及其精準施藥技術(shù)研究進展.pdf

設(shè)施園藝植保裝備及其精準施藥技術(shù)研究進展 郭 娜1a 3 田素博2 須 暉1a 2 關(guān)旭生1b 李天來1a 2 1 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)a 園藝學(xué)院 b 工程學(xué)院 沈陽 110866 2 設(shè)施園藝省部共建教育部重點試驗室 沈陽 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)藥過量施用問題嚴重 因此精準施藥技術(shù)和裝備成為設(shè)施園藝高效生產(chǎn)的 迫切需求 為此 對國內(nèi)外設(shè)施施藥裝備進行了分類介紹 從導(dǎo)航技術(shù) 變量施藥技術(shù) 對靶施藥技術(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)等幾個方面對精準施藥技術(shù)在設(shè)施生產(chǎn)中的研究進行了綜述 總結(jié)分 析了各種設(shè)施精準施藥技術(shù)的實現(xiàn)方式以及面臨的問題和挑戰(zhàn) 同時 對精準施藥技術(shù)在設(shè)施園藝中的發(fā)展進 行了展望 指出適合我國溫室作業(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 精準施藥 導(dǎo)航技術(shù) 對靶施藥 風(fēng)送施藥 中圖分類號 S233 74 文獻標識碼 A文章編號 1003 188X 2022 11 0001 10 0 引言 設(shè)施園藝利用特定設(shè)施創(chuàng)造適應(yīng)作物生長的環(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 日本等設(shè)施園藝發(fā)達國家已完成機械 化和自動化 正處在信息化向智能化發(fā)展的進程 中 1 我國設(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 我國設(shè) 施溫室施藥裝備仍以背負式手動或電動噴霧器為主 其霧滴粒徑大 沉降快 易從作物靶標上流失 無法滿 足生物最佳粒徑理論 2 3 霧滴沉積分布均勻性差 嚴 重影響農(nóng)藥防治效果 機具作業(yè)效率低 產(chǎn)品標準化 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 生態(tài)環(huán)境污染等問題 且密閉環(huán)境對施藥人 員健康傷害大 因此 開展精準 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 是目前國內(nèi)外的研究熱點 筆者對國內(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 基金項目 國家重點研發(fā)計劃項目 2016YFD0200708 作者簡介 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 1955 男 遼寧綏中人 院士 博士生導(dǎo)師 E mail ltl syau edu cn 進行了分類介紹 綜述了導(dǎo)航技術(shù) 變量施藥技術(shù) 對 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)施精準施藥技術(shù)的研究進展 并對精 準施藥技術(shù)未來的發(fā)展進行了展望 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或噴藥泵加壓使混合液體經(jīng) 過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 我國設(shè)施園藝生產(chǎn)中應(yīng) 用廣泛的背負式手動 電動噴霧器 推車式機動噴霧 機 懸掛式噴灌機等多采用該霧化原理 如圖1所示 國外大型溫室在黃瓜 西紅柿等吊蔓栽培作物的施藥 時多采用豎直噴桿噴藥機 圖1 d 為荷蘭Metazet公 司的噴藥機 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 霧滴在 靶標上不易附著 造成農(nóng)藥流失嚴重 同時用水量大 會使溫室內(nèi)濕度增加 誘發(fā)作物其它病害 a 背負式電動噴霧機 b 推車式機動噴霧機 1 2022年11月 農(nóng)機化研究 第11期 c 懸掛式噴灌機 d 豎直噴桿式噴藥機 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)生高速氣流實現(xiàn)空氣與藥液混合霧化成均勻 細小的煙霧后噴出 4 其霧滴粒徑小 附著性好 在 空氣中長時間彌漫擴散沉降到靶標 施藥用量較少 稱為超低容量噴霧 且對溫室濕度影響較小 是設(shè)施 園藝中普遍使用的新型高效施藥技術(shù) 已成為國內(nèi)外 學(xué)者的研究熱點 氣力式施藥裝備根據(jù)其氣流產(chǎn)生方式分為常溫?zé)?霧機和熱煙霧機兩種 其移動方式主要為背負式 固 定式和移動式 如圖2所示 a 固定式常溫?zé)熿F機 b 背負式脈沖式熱彌霧機 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機利用常溫高壓高速氣體把藥液破碎成 細小霧滴 并輔助風(fēng)機將霧滴送達遠處作物 常溫?zé)?霧機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提高施藥均勻性 5 6 國內(nèi) 外學(xué)者對其性能參數(shù) 沉積分布特性等進行了大量試 驗分析 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 7 10 且提出了各種提高霧滴沉 積均勻性的方法 11 12 熱煙霧機利用高溫高壓氣流將藥液霧化成細小霧 滴 空氣加熱方式不盡相同 13 其中 脈沖式煙霧機 利用脈沖式汽油發(fā)動機的脈動燃燒在噴管內(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 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 無法實現(xiàn)精 準施藥 另外 國內(nèi)外學(xué)者對離心式霧化 17 超聲霧 化 18 19 等新型霧化原理進行了初步探索 但仍需進 一步研究其霧化原理和施藥效果 2 設(shè)施精準施藥技術(shù)研究現(xiàn)狀 精準施藥技術(shù)將自動控制技術(shù) 傳感器技術(shù) 信 息技術(shù) 電子技術(shù)等先進技術(shù)應(yīng)用到施藥裝備上 可 實現(xiàn)農(nóng)藥的低量 精準 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 國外已研 發(fā)出一系列精準施藥裝備 如圖3所示 荷蘭Berg Hortimotive公司的智能噴藥機器人配合運輸車可實現(xiàn) 噴藥機器人在過道的自動移動 實現(xiàn)了全自動無人噴 藥 荷蘭Holland Green Machine公司的S55系列噴藥 機器人在鋪設(shè)的軌道上進入作物行間進行噴藥 并可 配備雙流體噴頭提供更細小的霧滴和覆蓋面積 也可 配備混藥裝置實現(xiàn)農(nóng)藥的在線配比 24 a 荷蘭噴藥機與運輸車 b S55噴藥機器人 圖3 荷蘭溫室精準施藥裝備 Fig 3 Precision spraying equipment in Netherlands greenhouse 國內(nèi)外學(xué)者對于設(shè)施精準施藥技術(shù)的研究主要集 中在以下幾個方面 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)機械在溫室狹窄環(huán)境的自 主行駛 是實現(xiàn)溫室內(nèi)自動化施藥 采摘 運輸?shù)茸鳂I(yè) 的基礎(chǔ)技術(shù) 能夠大幅減輕勞動強度 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行施藥作業(yè)即可 對控制 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 靈活性 較差 國外設(shè)施農(nóng)業(yè)強國的溫室結(jié)構(gòu)高 空間大 多 2 2022年11月 農(nóng)機化研究 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 接近開關(guān)等判斷作物行進行噴藥 23 26 如圖4 b 所示 a 澳大利亞噴藥機 b 3M 50型溫室彌霧機 圖4 國外溫室軌道式自動噴藥機 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)航控制是指移動設(shè)備沿預(yù)先布置好的磁 條 色帶等引導(dǎo)標志構(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)標志的布置 可根據(jù)溫室環(huán)境調(diào) 整引導(dǎo)標志位置 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 車身布置的 電磁傳感器檢測誘導(dǎo)線獲得路徑信息 控制噴藥設(shè)備 沿誘導(dǎo)線移動和自動噴霧 27 28 王鵬等利用視覺獲 取直線路徑的導(dǎo)航線實現(xiàn)直線導(dǎo)航 識別QR碼進行 轉(zhuǎn)彎控制 29 胡焉為提出一種基于信標識別和雙目 視覺的定位與建圖算法用于溫室AGV車的定位和地 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) 利用攝像機識別 激光點 引導(dǎo)作業(yè)車在溫室內(nèi)行駛 31 2 1 3 測距導(dǎo)航 測距導(dǎo)航采用超聲波傳感器 紅外傳感器 激光 雷達等測量移動設(shè)備與周圍物體的距離 控制車體始 終與路沿等處于相對穩(wěn)定的位姿范圍內(nèi)行駛 也可用 于檢測障礙物 實現(xiàn)實時避障 提高安全性能 測距導(dǎo)航適用于具有墻體 栽培槽等固定標志物 的環(huán)境 易于實現(xiàn) 陳小波等以大棚墻體為基準 通 過超聲傳感器分析得到橫向?qū)Ш叫畔?使車輛保持正 確的位姿 32 居錦等將7個光電開關(guān)沿特定半徑圓 弧分布以檢測移動平臺的位姿 實現(xiàn)實時沿邊導(dǎo) 航 33 Tomohiko等利用滾輪直接與水培槽接觸來檢 測車體與水培槽的距離 判斷車體位置 引導(dǎo)車沿水 培槽行走 34 賈衛(wèi)東等在機體兩側(cè)布置超聲波傳感器 實時檢 測車體到作物行兩邊的距離 對噴霧機前進方向進行 調(diào)整 35 Gonz lez等利用聲納傳感器測量車體與兩 側(cè)作物的距離 設(shè)計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)航控制是移動機器人領(lǐng)域的研究熱點 能 夠?qū)崿F(xiàn)自主行駛 環(huán)境適應(yīng)性強 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 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 施藥機械自主行駛的核心問題 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)劃是施藥機械利用各種傳感器實時獲取作業(yè) 環(huán)境和機具位姿信息 自行規(guī)劃出一條安全無碰撞路 徑用于完成作業(yè)任務(wù) 36 是實現(xiàn)移動設(shè)備自主導(dǎo)航的 首要技術(shù)之一 視覺導(dǎo)航利用攝像機采集周圍環(huán)境圖像 處理后 實時規(guī)劃出導(dǎo)航路徑 識別出設(shè)備與導(dǎo)航線的相對位 置 魯棒性強 實時性好的圖像處理算法是該技術(shù)的 核心問題 基于計算量 實時性等問題的考慮 溫室 導(dǎo)航控制多采用單目視覺 利用閾值分割 37 42 聚類 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 基于激光雷達的導(dǎo)航技術(shù)是目前移動機器人領(lǐng)域 主流的定位導(dǎo)航方法之一 廣泛應(yīng)用于無人駕駛 移 動機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距儀安裝在機器人正前方 獲 取當(dāng)前視場內(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檢測道路邊緣 使移動機器人保 持沿道路行走 49 侯加林等在車底盤頭部和尾部分 別搭載二維激光雷達 實現(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 電子羅盤 編碼器等傳感器實時測量移動設(shè)備的三維航向和加 速度 經(jīng)過積分運算得到其相對位置 不需要外在絕 對參照物進行定位 但該方法易受傳感器誤差影響 且誤差隨時間的積累而逐漸增加 因此 慣性導(dǎo)航多 與視覺 磁導(dǎo)航等方法組合使用 52 53 實現(xiàn)不同導(dǎo)航 方式優(yōu)勢互補 提高導(dǎo)航系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性 Grims tad利用2D激光雷達和慣性測量單元用于地圖構(gòu)建 3 2022年11月 農(nóng)機化研究 第11期 和定位 雙目視覺用于在通道識別作物行間軌道 以 實現(xiàn)機器人從通道到軌道的精準過渡 54 Cantelli等 構(gòu)建了基于ROS Robot Operating System 的溫室和果 園噴藥機 將視覺 慣性 激光雷達 導(dǎo)航等結(jié)合 實現(xiàn) 崎嶇地面環(huán)境的噴藥作業(yè) 55 另外 基于超寬帶 ZigBee等無線定位技術(shù)在溫室 自主導(dǎo)航控制的應(yīng)用也進行了探索研究 無線定位 系統(tǒng)由若干固定基站和移動節(jié)點通過一定的通信方 式組成 多是基于距離測量的定位算法 通過二 三個 位置信息已知的固定基站與放置在移動設(shè)備上的移 動節(jié)點之間的距離 計算其在無線網(wǎng)絡(luò)中的位 置 56 59 但是 無線定位方法只能提供移動機具在溫 室的位置 需與慣性導(dǎo)航等相結(jié)合應(yīng)用以實現(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設(shè)備 能夠根據(jù)當(dāng)前位姿做出車輛轉(zhuǎn)向控制策略 以實現(xiàn)移 動設(shè)備準確 快速地沿規(guī)劃后的作業(yè)期望路徑行 駛 60 61 是溫室施藥機器人實現(xiàn)精準施藥的關(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 其控制算法簡單 易于實 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)作物病蟲害程度調(diào)整施藥量 64 并可根據(jù)機具前進速度調(diào)整施藥量 保證在機具前進 方向上單位面積施藥量均勻 65 66 在大田 果園 無 人機施藥中有著廣泛研究和應(yīng)用 67 流量調(diào)節(jié)的實現(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直接或間接的方式調(diào)整噴頭工 作壓力來控制噴頭的流量 實現(xiàn)簡單 但噴頭壓力的 變化會對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式變量施藥通過控制與噴 頭相連的高速開關(guān)型電磁閥的脈沖信號占空比來實 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 實時混合 68 69 該技術(shù)在溫室噴藥中尚未見應(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 具有一定的研究價值 2 3 對靶施藥技術(shù) 對靶施藥技術(shù) 是指施藥機具根據(jù)作物靶標的位 置 高度 冠層體積及病蟲害情況 實時精確控制噴灑 位置和施藥量 避免了藥液的浪費 提高了施藥精準 性 與基于實時傳感器的變量噴藥技術(shù)相似 69 77 2 3 1 基于靶標信息的對靶施藥技術(shù) 由于部分作物冠層不連續(xù)的特點 基于靶標信息 的對靶施藥技術(shù)以光電傳感器 超聲波傳感器 視覺 激光雷達等方法探測作物位置 高度 冠層體積等靶 標特征 調(diào)整噴頭噴灑位置 噴頭的開閉和施藥量 67 超聲波傳感器 光電傳感器是檢測不連續(xù)冠 層 71 作物高度 78 79 等靶標信息的最經(jīng)濟方式 另 外 多個超聲傳感器可組成探測陣列 利用超聲波反 射信號的時間間隔 車輛的行駛速度 冠層高度等信 息 來獲取作物冠層體積 作為施藥的決策信 息 76 80 81 視覺傳感器能夠獲取除作物高度外更多的靶標信 息 Chen等利用Kinect視覺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 閉 82 趙棟杰等利用安裝在噴藥機器人前上方的場 景相機用于作物靶標的預(yù)定位 利用噴霧機械臂末端 的相機用于目標的跟蹤對靶噴藥 83 激光雷達除可用于自主導(dǎo)航控制外 也可用于實 時測量靶標作物的外形和體積 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量 能夠 有效減少農(nóng)藥施用量 84 85 2 3 2 基于病蟲害程度的對靶施藥技術(shù) 基于病蟲害程度對靶噴霧技術(shù)可識別病蟲害位置 和程度來調(diào)整施藥量 是更高效的精準施藥技術(shù) 其 技術(shù)核心是病蟲害信息快速獲取 吳亞壘等利用攝 像頭獲取粘蟲板上害蟲覆蓋率 與超聲波探測茄子冠 層高度作為模糊控制輸入 以噴頭流量和施藥時間為 輸出 實現(xiàn)了溫室彌霧機的自動按需施藥 76 張俊雄 等以黃瓜霜霉病為目標 利用雙目視覺采集圖像 處 理得到每個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 國內(nèi)外學(xué)者對病蟲害檢測技術(shù)展開了大量 研究 除上述機器視覺獲得可見光圖像 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 用來檢測病蟲害程度 取得了一定的研究成果 但算 法復(fù)雜 難以滿足對靶施藥中在線快速檢測的需求 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一步霧化成 細小霧滴 氣流一方面可將霧化后的霧滴攜帶送入靶 標內(nèi)部或到達較遠靶標上 另一方面可促進葉片翻 動 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)的研究熱點之 4 2022年11月 農(nóng)機化研究 第11期 一 風(fēng)速 氣流流量 風(fēng)送角度等風(fēng)機狀態(tài)參數(shù)對風(fēng) 送施藥技術(shù)的霧滴沉積效果有顯著的影響 需進一步 優(yōu)化 98 100 Jordi等對番茄行間的風(fēng)送施藥性能試驗 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 地面霧滴損失影響不大 99 102 Victor等設(shè)計了具有 豎直噴桿的遙控式風(fēng)送番茄行間噴藥機 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) 仍需進一步優(yōu)化 103 Li等對溫室風(fēng)送施藥機進行了 優(yōu)化 建立霧滴沉積分布和噴藥姿態(tài)的關(guān)系 并利用 遺傳算法離線對噴霧控制策略進行了離線優(yōu)化 104 計算流體力學(xué)技術(shù) Computational Fluid Dynam ics CFD 能夠從理論對風(fēng)送施藥技術(shù)進行模擬仿真 分析 有利于進一步優(yōu)化設(shè)計參數(shù) 102 中國農(nóng)業(yè)大 學(xué)祁力鈞團隊研制了軌道式彌霧機 并運用CFD技術(shù) 分析噴孔氣流速度 105 及噴頭體傾角角度 106 對氣流 速度場分布特性 氣流場對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 利 用遺傳算法對噴霧流量 噴霧距離 行走速度等噴霧 參數(shù)進行優(yōu)化 109 并采用CFD分析靶標周圍流場對 霧滴沉積影響 指出氣流速度與霧滴粒徑是霧滴附著 靶標的關(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 進一步根據(jù)溫室的類型 作物類型 種植模式等 確定 合理的風(fēng)送施藥方式和氣流參數(shù) 進一步提高機具施 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之 間建立靜電場 使霧化后的霧滴帶有電荷 在電場力 和其它外力的驅(qū)動下 向靶標做沉積運動的施藥方 法 111 與常規(guī)施藥技術(shù)相比 靜電施藥的霧滴粒徑 小 在靜電場的作用下在靶標附著率高 可深入靶標 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 英國 德國和日本等發(fā)達國家已有成 熟的各種型號的靜電噴霧產(chǎn)品投入使用 我國從20 世紀70年代開始進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 并逐漸開展航空 果樹 溫室等靜電施藥機的研究 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 以提高霧滴在靶標的沉積 量 增大了霧滴穿透力 118 119 2 6 可控霧滴技術(shù) 20世紀70年代中期提出的生物最佳粒徑理論表 明 不同病蟲害類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 不同 藥液濃度甚至害蟲的不同時期 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70年代已經(jīng)提出 可根據(jù)病蟲 害的類型來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 化原理實現(xiàn) 利用高速旋轉(zhuǎn)的霧化盤將藥液撕裂成霧 滴 具有霧滴均勻性好 霧滴粒譜范圍窄 能實現(xiàn)低容 量施藥等優(yōu)點 123 126 且其霧滴粒徑與霧化盤的旋轉(zhuǎn) 速度有直接關(guān)系 可實現(xiàn)霧滴粒徑的無極調(diào)控 17 3 展望 1 適合我國設(shè)施溫室的精準施藥技術(shù) 我國設(shè) 施溫室種類多 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 作物種類多 種 植模式多 缺乏標準化生產(chǎn)農(nóng)藝流程 導(dǎo)致施藥機械 工作環(huán)境復(fù)雜 精準施藥技術(shù)與裝備的研發(fā)應(yīng)結(jié)合我國設(shè)施溫室 結(jié)構(gòu) 作物種類 種植模式 作物的生長階段 農(nóng)藥的 劑型 病蟲害特征等因素開展研究 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 業(yè)化精準施藥機械 推進設(shè)施植保機械專業(yè)化 標準 化 輕簡化 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 以溫室無人自主精準施藥為目標 從實際生 產(chǎn)出發(fā)考慮施藥裝備經(jīng)濟性 針對我國溫室的生產(chǎn)環(huán) 境 構(gòu)建靈活以激光發(fā)射器 磁標志 色帶等為引導(dǎo)標 志的導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò) 結(jié)合測距導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航 在優(yōu)化直 線導(dǎo)航精度的基礎(chǔ)上 重點開展施藥機械在狹小地頭 換行的轉(zhuǎn)向控制策略研究 確定有效的施藥裝備底 盤結(jié)構(gòu) 開展低成本 高效 穩(wěn)定的全自動導(dǎo)航控制系 統(tǒng)研發(fā) 開展基于作物高度 體積 冠層稠密程度等靶 標信息的對靶施藥技術(shù) 建立作物稠密程度與施藥量 5 2022年11月 農(nóng)機化研究 第11期 之間的模型 研制變量噴藥控制系統(tǒng) 以實現(xiàn)對靶變 量噴藥 減少農(nóng)藥使用量 提高農(nóng)藥利用率 同時 開展更為智能 高效的導(dǎo)航和噴藥控制研 究 加強視覺 激光雷達等自主導(dǎo)航控制針對設(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 提高施藥機械作業(yè)靈活性 結(jié)合溫室作物病蟲害 特征 對基于視覺 光譜 電子鼻等病蟲害在線檢測技 術(shù)進一步深入研究 嘗試其它新的技術(shù)手段開展探索 研究 以實現(xiàn)病蟲害程度在線快速探測 進一步提高 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)展開以實現(xiàn)低容量 超低容量噴霧 加強其 霧化理論和機理研究 加強霧滴沉積運動規(guī)律的研 究 加強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)和病蟲害類型 利用CFD技術(shù) 對風(fēng)場和霧場進行仿真分析 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 1 齊飛 李愷 李邵 等 世界設(shè)施園藝智能化裝備發(fā)展對 中國的啟示研究 J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報 2019 35 2 191 203 2 何雄奎 中國精準施藥技術(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 袁會珠 王國賓 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 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 2001 17 5 59 62 5 梅銀成 祁力鈞 冀榮華 等 溫室自走式彌霧機遠程控 制系統(tǒng)的設(shè)計與試驗 J 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報 2015 20 1 170 175 6 徐瑞峰 張曼 馮青春 等 溫室果蔬高效風(fēng)送施藥車設(shè) 計 J 農(nóng)機化研究 2018 40 8 63 69 7 邱白晶 張振磊 湯伯敏 等 煙霧機霧滴沉積分布的空 間解析 J 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 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 2008 24 5 225 227 9 邱白晶 李成泉 湯伯敏 等 密閉空間藥霧質(zhì)量濃度分 布試驗 J 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 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 研究 J 中國農(nóng)機化學(xué)報 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 J 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 2018 49 S1 199 204 13 賈秀發(fā) 電動雙重霧化熱力煙霧機的設(shè)計與試驗分析 D 泰安 山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 2019 14 蔣雪松 周杰 許林云 等 脈沖式煙霧水霧機工作頻率 影響因素研究 J 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 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 噴霧器械對藥劑在大棚溫室中 利用率影響初步研究 J 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報 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 中國農(nóng)機化學(xué)報 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 藥機設(shè)計與試驗 J 農(nóng)機化研究 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)機化研究 第11期