中国精准施药技术和装备研究现状及发展建议.pdf

2020 年3 月 第2 卷 第1 期 Mar 2020 Vol 2 No 1 智 慧 农 业 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 中 国 精 准 施 药 技 术 和 装 备 研 究 现 状 及 发 展 建 议 何 雄 奎 中 国 农 业 大 学 药 械 与 施 药 技 术 研 究 中 心 北 京 1 0 0 1 9 3 摘 要 植 物 化 学 保 护 即 使 用 植 保 机 械 喷 施 化 学 农 药 是 当 前 最 主 要 的 病 虫 害 防 控 方 法 一 直 以 来 对 保 障 农 业 生 产 安 全 与 粮 食 有 效 供 给 起 至 关 重 要 作 用 能 够 实 现 按 需 精 准 施 药 变 量 施 药 人 机 分 离 与 人 药 分 离 的 高 效 精 准 智 能 的 施 药 技 术 和 装 备 是 提 高 农 药 药 效 与 利 用 率 的 保 证 也 是 保 障 食 品 安 全 降 低 农 民 劳 动 强 度 的 重 要 措 施 是 目 前 国 内 外 研 究 的 热 点 本 研 究 对 精 准 施 药 关 键 技 术 及 研 究 现 状 进 行 了 分 析 对 适 用 于 不 同 作 业 场 景 的 精 准 施 药 装 备 的 研 究 现 状 典 型 代 表 应 用 进 展 等 进 行 了 分 类 总 结 分 析 了 目 前 精 准 施 药 发 展 中 面 临 的 挑 战 并 提 出 了 对 策 和 建 议 本 研 究 可 为 精 准 施 药 技 术 研 究 的 推 进 智 能 施 药 装 备 的 研 发 和 现 代 化 农 业 的 发 展 提 供 参 考 和 思 路 关 键 词 精 准 施 药 变 量 施 药 自 动 对 靶 喷 雾 仿 形 喷 雾 机 喷 杆 喷 雾 机 无 人 机 中 图 分 类 号 S 1 文 献 标 志 码 A 文 章 编 号 2 0 1 9 0 7 S A 0 0 2 引 文 格 式 何 雄 奎 中 国 精 准 施 药 技 术 和 装 备 研 究 现 状 及 发 展 建 议 J 智 慧 农 业 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 农 药 在 保 障 国 家 粮 食 安 全 和 农 产 品 有 效 供 给 中 发 挥 着 不 可 替 代 的 作 用 自1997 年 起 中 国 成 为 世 界 上 最 大 的 农 药 生 产 国 与 使 用 国 1 但 中 国 施 药 技 术 与 植 保 机 械 发 展 水 平 却 和 农 药 高 速 发 展 水 平 极 不 相 称 农 药 有 效 利 用 率 仅 为20 40 2 此 外 现 阶 段 中 国 农 业 还 存 在 农 药 用 量 大 利 用 率 低 植 保 机 械 作 业 效 率 低 农 民 劳 动 强 度 大 农 产 品 农 药 残 留 超 标 等 问 题 传 统 植 保 作 业 通 常 在 作 业 区 域 内 使 用 同 一 施 药 量 进 行 单 一 连 续 喷 雾 作 业 由 于 此 种 作 业 方 式 未 考 虑 作 业 区 域 内 病 虫 草 害 的 分 布 情 况 与 差 异 等 特 点 容 易 造 成 农 药 有 效 成 分 在 病 虫 草 害 严 重 的 区 域 用 量 不 足 而 在 轻 微 或 没 有 发 生 的 区 域 用 量 过 度 进 入21 世 纪 以 来 美 国 日 本 欧 盟 等 陆 续 将 自 动 化 信 息 化 技 术 与 新 型 传 感 器 应 用 于 精 准 施 药 技 术 和 智 能 植 保 机 械 的 研 发 农 药 利 用 率 迅 速 提 高 到50 60 的 高 水 平 3 为 改 变 中 国 精 准 施 药 技 术 落 后 的 局 面 提 高 植 保 机 械 作 业 精 准 与 自 动 化 水 平 科 学 技 术 部 国 家 自 然 基 金 委 农 业 农 村 部 等 资 助 了 一 系 列 精 准 施 药 技 术 和 装 备 的 研 发 项 目 中 国 农 业 大 学 华 南 农 业 大 学 南 京 农 业 大 学 中 国 农 业 机 械 化 科 学 研 究 院 国 家 农 业 信 息 化 工 程 技 术 研 究 中 心 农 业 农 村 部 南 京 农 业 机 械 化 研 究 所 等 单 位 基 doi 10 12133 j smartag 2020 2 1 201907 SA002 收 稿 日 期 2019 07 18 修 订 日 期 2020 01 19 基 金 项 目 国 家 自 然 科 学 基 金 31761133019 国 家 重 点 研 发 计 划 智 能 农 机 重 大 专 项 2017YFD0700903 国 家 现 代 农 业 产 业 技 术 体 系 CARS 28 20 作 者 简 介 何 雄 奎 1966 男 博 士 教 授 研 究 方 向 植 保 机 械 与 施 药 技 术 电 话 010 62731446 Email xiongkui Vol 2 No 1 智 慧 农 业 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 于 中 国 农 业 生 产 实 际 情 况 发 挥 院 校 科 研 院 所 在 农 业 工 程 植 保 机 械 植 物 保 护 农 药 学 和 农 学 等 学 科 交 叉 领 域 的 优 势 融 合 传 感 器 探 测 遥 感 机 电 一 体 化 卫 星 导 航 等 多 种 前 沿 技 术 并 联 合 部 分 装 备 制 造 企 业 研 发 出 一 系 列 精 准 施 药 技 术 创 制 了 一 批 新 型 现 代 化 植 保 装 备 并 在 农 业 生 产 中 大 量 推 广 利 用 精 准 施 药 技 术 与 高 效 施 药 装 备 可 有 效 减 少 农 药 使 用 量 提 高 农 药 利 用 率 减 少 农 药 对 环 境 的 污 染 实 现 对 不 同 种 类 作 物 的 精 准 施 药 本 研 究 系 统 阐 述 了 中 国 精 准 施 药 技 术 的 研 究 现 状 概 述 了 中 国 创 制 的 适 用 于 不 同 作 业 场 景 的 精 准 施 药 装 备 解 析 了 精 准 施 药 技 术 与 装 备 如 何 解 决 植 保 作 业 中 存 在 的 问 题 并 针 对 目 前 中 国 精 准 施 药 发 展 中 面 临 的 挑 战 提 出 了 发 展 对 策 和 建 议 本 研 究 为 精 准 施 药 技 术 研 究 的 推 进 智 能 施 药 装 备 的 研 发 提 供 了 参 考 可 为 中 国 农 药 减 量 计 划 的 推 进 和 农 业 现 代 化 发 展 提 供 新 方 法 和 新 思 路 2 精 准 施 药 关 键 技 术 及 研 究 现 状 精 准 施 药 技 术 是 通 过 传 感 探 测 技 术 获 取 喷 雾 靶 标 即 农 作 物 与 病 虫 草 害 的 信 息 利 用 计 算 决 策 系 统 制 订 精 准 喷 雾 策 略 驱 动 变 量 执 行 系 统 或 机 构 实 现 实 时 非 均 一 非 连 续 的 精 准 喷 雾 作 业 最 终 实 现 按 需 施 药 4 技 术 体 系 包 括 探 测 技 术 施 药 控 制 系 统 及 算 法 喷 雾 控 制 技 术 等 施 药 技 术 与 施 药 装 备 正 向 着 智 能 精 准 低 量 高 效 方 向 发 展 表1 为 国 内 精 准 施 药 关 键 技 术 的 主 要 研 发 团 队 和 研 究 内 容 精 准 施 药 技 术 是 智 慧 农 业 的 重 要 技 术 组 成 部 分 也 是 信 息 时 代 精 准 农 业 发 展 的 重 要 特 征 之 一 16 在 提 高 农 药 利 用 率 减 少 农 药 用 量 与 残 留 和 降 低 环 境 风 险 等 方 面 的 巨 大 潜 力 和 广 阔 前 景 已 获 得 普 遍 的 国 际 认 同 1 符 合 当 前 日 趋 严 格 的 表 1 精 准 施 药 关 键 技 术 Table1Keytechnologiesofprecisionspraying 大 类 技 术 探 测 技 术 施 药 控 制 系 统 及 算 法 喷 雾 控 制 技 术 细 化 技 术 果 树 冠 层 探 测 果 树 三 维 信 息 获 取 果 树 冠 层 体 积 测 量 果 树 病 虫 草 害 探 测 管 道 总 药 量 控 制 方 法 喷 头 药 量 独 立 控 制 方 法 施 药 量 控 制 喷 雾 参 数 监 测 风 机 气 流 场 控 制 风 场 与 雾 场 分 布 建 模 研 发 人 员 李 丽 等 5 蔡 吉 晨 6 蔡 健 荣 等 7 丁 为 民 等 8 曲 峰 9 黄 胜 等 10 王 利 霞 等 11 魏 新 华 等 12 黄 伟 锋 等 13 曲 峰 等 14 孙 诚 达 15 年 份 2003 2011 2012 2016 2017 2011 2010 2013 2007 2017 2019 研 究 内 容 应 用 红 外 传 感 器 探 测 喷 雾 过 程 中 有 无 靶 标 实 现 有 枝 叶 处 喷 雾 没 有 枝 叶 处 不 喷 雾 的 果 树 自 动 对 靶 喷 雾 施 药 提 出 了 果 树 冠 层 网 格 划 分 方 法 及 网 格 化 体 积 模 型 分 析 了 二 维 激 光 雷 达 探 测 角 度 误 差 对 网 格 体 积 计 算 精 度 的 影 响 采 用 归 一 化 互 相 关 法 获 取 立 体 图 像 视 差 图 提 取 果 树 枝 骨 架 并 采 用 多 线 段 逼 近 法 提 取 特 征 点 利 用 双 目 立 体 视 觉 原 理 计 算 树 枝 骨 架 特 征 点 的 空 间 坐 标 再 利 用 距 离 图 像 求 取 树 枝 半 径 信 息 通 过 提 取 树 冠 图 像 面 积 特 征 和 轮 廓 特 征 采 用 最 小 二 乘 法 和 五 点 参 数 标 定 法 获 得 普 适 性 树 冠 面 积 与 体 积 相 关 关 系 模 型 提 出 了 一 种 基 于 奇 异 值 分 解 的 苹 果 叶 部 病 害 图 像 背 景 分 割 方 法 去 除 常 规 分 割 方 法 难 以 分 割 的 杂 草 等 近 色 区 域 获 得 完 整 的 病 害 叶 片 区 域 基 于PID 控 制 和 施 药 量 模 糊 控 制 模 型 设 计 了 变 量 施 药 机 的 恒 压 变 量 控 制 系 统 实 现 喷 雾 机 得 到 恒 压 变 量 控 制 根 据 网 格 位 置 和 采 集 的 机 具 信 息 对 电 动 调 节 阀 进 行 控 制 实 现 变 量 施 药 采 用 直 动 式 高 速 电 磁 阀 圆 锥 雾 喷 头 先 导 式 比 例 溢 流 阀 和 脉 宽 调 制 PulseWidth Modula tion PWM 变 量 喷 施 控 制 器 设 计 了 一 套PWM 间 歇 喷 雾 式 变 量 喷 施 系 统 设 计 了 基 于GPS 和GPRS 的 嵌 入 式 果 园 喷 雾 远 程 监 测 系 统 实 现 了 对 喷 雾 参 数 的 实 时 监 测 在 喷 雾 机 出 风 口 设 置 短 导 流 板 引 导 风 机 气 流 场 通 过CFD ComputationalFluidDynamics 仿 真 与 标 杆 试 验 结 合 探 寻 和 验 证 不 同 因 素 对 喷 雾 机 气 流 场 和 喷 雾 效 果 的 影 响 研 究 了 树 冠 内 雾 滴 穿 透 比 例 分 布 规 律 构 建 了 风 送 喷 雾 雾 滴 冠 层 穿 透 模 型 1 3 4何 雄 奎 中 国 精 准 施 药 技 术 和 装 备 研 究 现 状 及 发 展 建 议 Vol 2 No 1 环 保 要 求 17 经 过 科 研 人 员 多 年 努 力 中 国 精 准 施 药 技 术 已 取 得 长 足 进 步 为 智 能 施 药 装 备 的 发 展 提 供 了 良 好 的 技 术 基 础 但 目 前 精 准 施 药 技 术 仍 存 在 定 位 系 统 精 度 不 足 关 键 技 术 的 协 调 性 差 传 感 器 新 技 术 的 产 业 化 难 度 大 等 问 题 后 续 需 对 这 些 问 题 进 行 针 对 性 研 究 3 精 准 施 药 装 备 研 究 进 展 依 托 精 准 施 药 技 术 的 发 展 中 国 精 准 施 药 装 备 的 发 展 也 非 常 迅 速 果 园 自 动 对 靶 喷 雾 机 基 于 风 量 调 节 的 果 园 变 量 喷 雾 机 玉 米 田 间 自 动 对 靶 除 草 机 可 调 地 隙 与 轮 距 的 高 地 隙 自 走 式 喷 杆 喷 雾 机 自 适 应 均 匀 喷 雾 机 循 环 喷 雾 机 以 及 仿 形 喷 雾 机 等 新 型 施 药 装 备 纷 纷 问 题 实 现 了 农 药 的 精 准 喷 施 大 大 提 高 了 农 药 利 用 率 此 外 还 有 遥 控 自 走 式 作 物 喷 杆 喷 雾 机 和 植 保 无 人 机 它 们 实 现 了 人 机 分 离 和 人 药 分 离 非 常 适 合 中 国 中 小 型 农 场 的 减 量 精 准 施 药 技 术 要 求 发 展 迅 速 深 受 用 户 欢 迎 3 1 果 园 自 动 对 靶 喷 雾 机 为 解 决 传 统 果 园 喷 雾 机 无 法 识 别 靶 标 及 靶 标 间 空 隙 差 异 连 续 喷 雾 而 造 成 农 药 浪 费 和 环 境 污 染 问 题 研 究 人 员 开 展 了 一 系 列 针 对 果 园 自 动 对 靶 喷 雾 装 备 的 研 究 探 索 表2 为 中 国 研 制 成 功 的 果 园 自 动 对 靶 喷 雾 机 典 型 成 果 及 关 键 技 术 点 从 表2 可 以 看 出 目 前 果 园 自 动 对 靶 喷 雾 机 的 关 键 技 术 集 中 于 红 外 传 感 激 光 测 距 和 超 声 波 等 相 比 于 传 统 的 风 送 式 果 园 喷 雾 机 自 动 对 靶 喷 雾 机 能 够 提 高 在 目 标 冠 层 及 叶 片 背 面 的 沉 积 量 且 沉 积 均 匀 使 农 药 沉 积 利 用 率 达 到 52 5 实 现 节 药40 60 减 少 雾 滴 的 飘 失 及 农 药 浪 费 提 高 农 药 利 用 率 及 防 治 效 果 31 但 是 目 前 自 动 对 靶 喷 雾 机 靶 标 识 别 过 程 中 产 生 误 判 概 率 高 尤 其 是 在 复 杂 环 境 中 精 准 识 别 靶 标 的 能 力 不 强 在 识 别 精 度 上 仍 有 提 高 空 间 表 2 果 园 自 动 对 靶 喷 雾 机 典 型 成 果 及 关 键 技 术 点 Table2Typicalachievementsandkeytechnicalpointsoforchardautomatictargetsprayer 作 者 何 雄 奎 等 18 袁 湘 月 等 19 邹 建 军 等 20 邓 巍 等 21 翟 长 远 等 22 刘 金 龙 23 李 龙 龙 何 雄 奎 等 24 许 林 云 等 25 杨 洲 等 26 宋 淑 然 等 27 姜 红 花 等 28 李 井 祝 和 朱 凤 武 29 李 秋 洁 等 30 年 份 2003 2004 2007 2008 2012 2012 2013 2014 2015 2015 2016 2017 2018 研 发 机 构 中 国 农 业 大 学 江 苏 大 学 中 国 农 业 大 学 中 国 农 业 大 学 西 北 农 林 科 技 大 学 南 京 农 业 大 学 中 国 农 业 大 学 南 京 林 业 大 学 等 华 南 农 业 大 学 华 南 农 业 大 学 山 东 农 业 大 学 等 吉 林 农 业 大 学 南 京 林 业 大 学 等 成 果 名 称 果 园 自 动 对 靶 风 送 低 量 喷 雾 机 果 园 自 动 对 靶 喷 雾 机 对 靶 喷 雾 机 红 外 探 测 控 制 系 统 红 外 靶 标 探 测 装 置 果 树 自 动 对 靶 探 测 系 统 对 靶 喷 雾 红 外 探 测 系 统 果 树 三 维 尺 寸 自 动 仿 形 喷 雾 系 统 自 动 对 靶 喷 雾 控 制 系 统 果 园 在 线 混 药 型 静 电 喷 雾 机 果 园 柔 性 对 靶 喷 雾 装 置 履 带 自 走 式 果 园 自 动 对 靶 风 送 喷 雾 机 自 动 对 靶 喷 雾 控 制 系 统 自 动 对 靶 喷 雾 控 制 系 统 关 键 技 术 点 红 外 传 感 器 与 绿 色 传 感 器 融 合 技 术 作 物 冠 层 靶 标 探 测 静 电 喷 雾 技 术 红 外 光 电 探 测 技 术 集 成 电 路 红 外 光 电 技 术 近 红 外 技 术 红 外 传 感 器 技 术 红 外 传 感 器 技 术 LiDAR 雷 达 探 测 果 树 三 维 尺 寸 自 动 仿 形 激 光 测 距 传 感 器 提 前 及 延 后 喷 雾 在 线 混 药 系 统 风 辅 静 电 喷 雾 柔 性 喷 杆 与 喷 头 组 靶 标 检 测 单 元 超 声 波 传 感 器 Wi Fi 无 线 传 输 激 光 测 距 传 感 器 PLC 可 编 程 逻 辑 控 制 器 LiDAR 探 测 MFC 多 线 程 编 程 1 3 5Vol 2 No 1 智 慧 农 业 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e 3 2 果 园 风 送 变 量 喷 雾 机 中 国 各 地 果 园 大 多 密 植 且 布 局 形 态 各 异 果 树 冠 层 在 不 同 生 长 周 期 枝 叶 茂 密 程 度 不 一 叶 面 指 数 LeafAreaIndex LAI 在 生 长 期 内 由0 不 断 增 大 直 至 最 大 值 传 统 的 纯 液 力 喷 雾 机 难 以 穿 透 枝 叶 茂 密 的 果 树 冠 层 在 树 膛 内 沉 积 且 在 早 期 的 稀 疏 冠 层 内 容 易 造 成 雾 滴 飘 失 传 统 果 园 喷 雾 机 因 茂 密 的 枝 叶 雾 滴 难 以 穿 透 冠 层 而 采 用 风 力 辅 助 输 送 雾 滴 可 以 提 高 雾 滴 在 果 树 冠 层 的 穿 透 和 沉 积 分 布 同 时 风 送 喷 雾 机 利 用 气 流 辅 助 技 术 可 胁 迫 雾 滴 定 向 沉 积 至 目 标 冠 层 在 此 过 程 中 气 流 进 一 步 第 二 次 破 碎 雾 滴 同 时 翻 转 扰 动 冠 层 内 部 枝 叶 使 得 雾 滴 沉 积 到 目 标 冠 层 内 部 从 而 增 加 雾 滴 在 目 标 冠 层 内 部 的 穿 透 能 力 叶 片 背 面 的 沉 积 量 沉 积 分 布 均 匀 性 提 高 病 虫 害 防 治 效 果 联 合 国 粮 食 及 农 业 组 织 Food and Agriculture Organization of the United Nations FAO 于20 世 纪60 年 代 在 全 球 推 广 风 送 喷 雾 技 术 中 国 在20 世 纪80 年 代 引 进 该 技 术 并 进 行 了 推 广 应 用 取 得 了 良 好 的 防 治 效 果 32 但 在 实 际 果 园 喷 雾 作 业 过 程 中 同 一 植 株 在 不 同 生 长 周 期 冠 层 枝 叶 茂 密 程 度 不 同 所 需 风 量 不 同 传 统 风 送 喷 雾 机 无 法 根 据 枝 叶 稀 疏 度 调 整 风 量 作 业 导 致 不 同 生 长 周 期 的 目 标 冠 层 风 量 不 足 或 过 量 从 而 造 成 雾 滴 难 以 在 目 标 冠 层 有 效 沉 积 风 送 变 量 喷 雾 机 能 够 依 据 果 树 不 同 生 长 周 期 及 冠 层 枝 叶 稠 密 程 度 实 时 调 节 风 速 与 风 量 以 保 证 目 标 冠 层 有 效 沉 积 提 高 喷 雾 质 量 目 前 国 内 多 个 团 队 已 经 研 制 出 了 多 种 风 送 变 量 喷 雾 机 表3 表 3 风 送 变 量 喷 雾 机 典 型 成 果 及 关 键 技 术 Table3Typicalachievementsandkeytechnologiesofvariableairsprayer 作 者 魏 新 华 等 33 刘 伟 34 何 雄 奎 1 姚 渠 35 许 绩 彤 36 丁 鑫 浩 37 束 义 平 38 年 份 2012 2012 2013 2014 2016 2018 2018 研 发 机 构 江 苏 大 学 等 南 京 农 业 大 学 中 国 农 业 大 学 中 国 农 业 大 学 华 南 农 业 大 学 南 京 林 业 大 学 南 京 林 业 大 学 成 果 名 称 PWM 间 歇 喷 雾 式 变 量 喷 施 控 制 器 背 负 式 喷 雾 器 变 量 喷 雾 控 制 系 统 自 走 履 带 式 风 送 果 园 变 量 喷 雾 机 可 变 风 量 的 履 带 式 风 送 喷 雾 机 果 园 实 时 混 药 风 送 式 变 量 喷 雾 系 统 风 送 式 变 量 喷 雾 机 多 流 道 喷 头 果 园 变 量 喷 雾 控 制 系 统 关 键 技 术 以DSP56F805 数 字 信 号 控 制 器 为 核 心 实 时 检 测 喷 雾 机 组 前 进 速 度 隔 膜 泵 输 入 轴 转 速 喷 杆 压 力 和 喷 施 流 量 并 采 用 预 测 比 例 控 制 方 法 通 过 比 例 溢 流 阀 在 线 调 节 喷 杆 压 力 以 单 片 机 为 控 制 核 心 采 用PWM 技 术 控 制 电 动 隔 膜 泵 的 工 作 频 率 从 而 实 现 对 背 负 式 喷 雾 器 的 喷 雾 流 量 进 行 调 节 变 量 控 制 系 统 采 用 机 电 一 体 化 设 计 指 令 接 收 和 执 行 过 程 实 现 精 确 实 时 管 理 红 外 传 感 器 实 现 自 动 对 靶 喷 雾 组 合 式 喷 头 技 术 控 制 喷 雾 量 基 于 步 进 电 机 驱 动 无 级 变 速 器 实 现 风 机300 1670r min 的 无 级 变 速 产 生 相 应 风 量 80cm 超 低 地 隙 行 走 装 置 500 50000m 3 h 的 风 量 调 节 与 实 施 流 量 调 节 基 于 红 外 探 测 的 果 园 精 准 自 动 对 靶 喷 雾 及 多 喷 头 组 合 技 术 基 于 蠕 动 泵 与 静 态 混 合 器 设 计 的 实 时 混 药 模 块 与 基 于 测 速 单 元 与 冠 形 探 测 单 元 设 计 的 变 量 喷 雾 模 块 分 别 单 独 控 制 构 建 三 种 不 同 类 型 静 态 混 合 器 的 三 维 模 型 设 计 四 指 喷 头 五 指 喷 头 六 指 喷 头 三 种 不 同 结 构 的 多 流 道 喷 头 在 风 速 流 场 和 雾 化 性 能 方 面 进 行 了 仿 真 模 拟 和 试 验 基 于 激 光 雷 达 探 测 技 术 研 究 了 果 园 变 量 对 靶 喷 雾 系 统 信 息 采 集 方 法 变 量 对 靶 喷 雾 系 统 实 时 控 制 方 法 开 发 了 变 量 对 靶 喷 雾 控 制 系 统 软 件 1 3 6何 雄 奎 中 国 精 准 施 药 技 术 和 装 备 研 究 现 状 及 发 展 建 议 Vol 2 No 1 3 3 果 园 自 动 仿 形 变 量 喷 雾 机 精 准 施 药 需 要 依 靠 传 感 器 探 测 技 术 获 取 的 作 物 冠 层 信 息 国 内 外 研 究 者 针 对 传 感 器 探 测 技 术 进 行 了 诸 多 研 究 翟 长 远 等 22 研 究 了 树 型 喷 洒 靶 标 外 形 轮 廓 探 测 方 法 基 于 超 声 传 感 器 研 制 了 靶 标 外 形 轮 廓 探 测 试 验 平 台 Lee 等 39 Tel laeche 等 40 Feyaerts 等 41 利 用 多 光 谱 等 图 像 传 感 探 测 技 术 对 特 征 各 异 的 杂 草 进 行 识 别 近 年 来 激 光 传 感 器 Light Detection and Ranging LiDAR 由 于 探 测 精 度 高 其 在 农 业 领 域 的 应 用 也 越 来 越 广 泛 42 超 声 波 图 像 传 感 器 技 术 也 为 变 量 喷 雾 提 供 了 实 现 手 段 43 为 进 一 步 提 高 农 药 利 用 率 喷 雾 作 业 的 自 动 化 及 精 准 程 度 降 低 农 药 的 使 用 量 国 内 科 研 机 构 开 展 了 技 术 攻 关 2013 年 中 国 农 业 大 学 联 合 无 锡 市 中 波 机 械 制 造 有 限 公 司 在 果 园 自 动 对 靶 喷 雾 机 及 自 走 履 带 式 风 送 果 园 变 量 喷 雾 机 的 基 础 上 成 功 研 制 出 果 园 自 动 仿 形 变 量 喷 雾 机 如 图 1 所 示 该 机 通 过 扫 描 角 度 为270 的LiADR 激 光 传 感 器 实 时 获 取 树 冠 特 征 信 息 并 根 据 冠 层 分 割 模 型 及 变 量 决 策 算 法 实 时 调 节 风 机 风 量 和 喷 头 流 量 图2 进 而 实 现 自 动 仿 形 变 量 喷 雾 具 体 实 现 流 程 如 下 以LiADR 激 光 传 感 器 为 探 测 源 不 间 断 的 扫 描 机 具 两 侧 的 果 树 冠 层 控 制 系 统 将 收 集 到 的 点 云 信 息 进 行 处 理 同 时 根 据 果 树 冠 层 边 界 密 度 及 体 积 特 征 将 果 树 冠 层 分 割 成 若 干 个 冠 层 单 元 29 通 过 冠 层 单 元 体 积 所 需 风 量 及 喷 量 改 变 电 机 及 电 磁 阀 的PWM 占 空 比 44 实 时 调 控 电 动 风 机 出 风 量 及 喷 头 喷 量 该 机 纵 向 沉 积 分 布 呈 仿 形 结 构 各 冠 层 单 元 沉 积 均 匀 与 定 向 风 送 喷 雾 机 相 比 可 降 低 用 药 量45 7 而 雾 滴 飘 移 及 地 面 流 失 分 别 减 少23 2 及67 4 45 46 该 机 在 之 前 成 熟 的 自 动 对 靶 变 风 量 技 术 的 基 础 上 针 对 植 株 冠 层 特 征 创 新 实 现 了 仿 形 变 量 喷 雾 提 高 了 农 药 利 用 率 为 果 园 精 准 喷 雾 机 提 供 了 新 设 计 新 思 路 新 结 构 3 4 大 田 变 量 喷 杆 喷 雾 机 喷 杆 喷 雾 机 是 大 田 管 理 作 业 中 最 为 常 见 的 施 药 机 械 主 要 针 对 种 植 在 大 田 中 的 小 麦 大 豆 及 甜 菜 等 主 粮 作 物 或 经 济 作 物 可 有 针 对 性 地 喷 施 杀 虫 剂 杀 菌 剂 除 草 剂 及 植 物 生 长 调 节 剂 等 然 而 这 种 连 续 均 匀 的 传 统 施 药 方 式 未 考 虑 机 体 参 数 作 物 参 数 及 喷 雾 参 数 的 差 异 极 易 造 成 农 药 浪 费 农 药 利 用 率 低 作 物 农 药 残 留 严 重 等 问 题 由 于 大 田 作 业 的 复 杂 性 和 大 田 作 物 的 特 殊 性 大 田 喷 杆 喷 雾 机 很 少 使 用 精 准 施 药 技 术 为 实 现 中 国 大 田 喷 杆 喷 雾 机 精 准 施 药 并 减 少 作 业 过 程 中 农 药 雾 滴 飘 移 国 内 科 研 机 构 和 企 业 开 展 了 联 合 攻 关 研 发 成 功 了 多 款 大 田 变 量 喷 杆 喷 雾 机 如 表4 所 示 此 外 中 国 农 业 大 学 药 械 与 施 药 技 术 研 究 中 心 和 中 国 农 业 机 械 化 科 学 研 究 院 正 在 开 展 技 术 攻 关 研 发 基 于 多 功 能 高 地 隙 底 盘 的 精 准 变 量 喷 杆 喷 雾 机 该 机 利 用 三 维 激 光 雷 达 探 测 技 术 图 1 果 园 自 动 仿 形 变 量 喷 雾 机 Fig 1Automaticprofilevariablesprayerinorchard 图 2 上 位 机 控 制 界 面 Fig 2Mastercomputercontrolinterface 1 3 7Vol 2 No 1 智 慧 农 业 中 英 文 S m a r t A g r i c u l t u r e PWM 技 术 冠 层 特 征 参 数 建 模 等 技 术 实 现 喷 头 喷 雾 的 实 时 变 量 控 制 激 光 传 感 器 的 作 物 密 度 测 量 误 差 15 变 量 施 药 系 统 的 施 药 液 量 控 制 精 度 在 8 以 内 实 现 精 确 施 药 的 目 标 喷 杆 喷 雾 机 凭 借 作 业 效 率 高 施 药 效 果 佳 等 特 点 成 为 当 前 农 业 发 达 国 家 普 遍 使 用 的 大 田 高 效 精 准 施 药 机 具 但 其 在 中 国 的 推 广 应 用 程 度 一 直 不 高 仍 有 很 大 发 展 空 间 基 于 大 田 喷 杆 喷 雾 机 的 精 准 变 量 施 药 装 备 及 技 术 研 究 将 为 喷 杆 喷 雾 机 在 中 国 的 发 展 与 应 用 提 供 新 动 力 3 5 植 保 无 人 机 相 比 地 面 植 保 设 备 植 保 无 人 机 具 有 地 形 适 应 性 好 56 速 度 调 节 快 速 方 便 雾 滴 覆 盖 率 高 表 4 大 田 变 量 喷 杆 喷 雾 机 Table4Variableboomsprayerinfield 机 构 名 称 中 国 农 业 机 械 化 科 学 研 究 院 现 代 农 装 科 技 股 份 有 限 公 司 47 中 国 农 业 大 学 中 国 农 业 机 械 化 科 学 研 究 院 山 东 华 盛 中 天 集 团 山 东 永 佳 动 力 股 份 有 限 公 司 48 山 东 省 农 业 机 械 科 学 研 究 院 49 中 国 农 业 大 学 山 东 永 佳 动 力 股 份 有 限 公 司 50 中 国 农 业 机 械 化 科 学 研 究 院 新 疆 农 垦 科 学 院 51 南 京 林 业 大 学 52 黑 龙 江 省 萝 北 县 农 机 局 53 泰 州 樱 田 农 机 制 造 有 限 公 司 54 农 业 农 村 部 南 京 农 业 机 械 化 研 究 所 55 年 份 2011 2012 2016 2016 2016 2016 2016 2018 成 果 名 称 轻 便 型 自 走 式 高 地 隙 喷 杆 喷 雾 机 3WSF 200 型 自 走 式 水 旱 两 用 风 送 低 量 防 飘 喷 杆 喷 雾 机 图3 3WSH 500 导 流 式 高 地 隙 自 走 喷 杆 喷 雾 机 图4 3WDFP 500 自 走 式 高 地 隙 低 量 导 流 防 飘 喷 杆 喷 雾 机 3WP 650 型 智 能 变 量 喷 杆 喷 雾 机 可 用 于 水 田 植 保 作 业 的 自 走 式 精 准 变 量 喷 杆 喷 雾 机 图5 自 走 式 大 田 喷 杆 喷 雾 机 变 喷 杆 式 喷 雾 机 可 变 喷 量 施 药 控 制 系 统 3WP 650 型 自 走 式 喷 杆 喷 雾 机 喷 杆 喷 雾 机 变 量 喷 雾 自 动 控 制 系 统 关 键 技 术 喷 杆 折 叠 电 动 控 制 技 术 四 轮 驱 动 技 术 电 动 推 杆 喷 杆 式 低 量 喷 雾 气 力 式 风 送 喷 雾 液 压 控 制 喷 幅 标 识 和 喷 杆 自 动 折 叠 等 可 折 叠 喷 杆 衍 架 高 度 调 节 机 构 PID 智 能 控 制 系 统 现 代 自 动 控 制 电 子 多 传 感 器 数 据 采 集 融 合 传 输 导 航 等 可 调 地 隙 可 变 轮 距 液 压 驱 动 模 糊 控 制 器 喷 杆 变 形 GPS 路 线 规 划 辅 助 系 统 四 轮 驱 动 前 后 独 立 转 向 组 合 式 可 调 喷 头 PLC 触 摸 屏 作 业 效 果 喷 杆 可 折 叠 减 轻 了 喷 杆 质 量 作 业 效 率 高 不 仅 满 足 大 田 蔬 菜 施 药 农 艺 要 求 还 可 应 用 于 水 田 施 药 作 业 实 现 了 水 旱 田 作 物 植 保 作 业 的 机 械 化 喷 雾 分 布 均 匀 性 变 异 系 数 明 显 减 小 作 业 效 率 大 大 提 升 农 药 飘 移 对 环 境 的 污 染 也 得 到 了 有 效 控 制 在 作 业 状 态 下 液 位 测 量 准 确 度 误 差 在6 以 内 药 液 不 足 时 报 警 准 确 率 为100 能 够 防 止 因 药 液 不 足 发 生 漏 喷 同 时 能 够 实 现 根 据 机 组 作 业 速 度 变 化 实 时 调 节 的 变 量 喷 雾 提 高 喷 量 一 致 性 和 农 药 利 用 率 且 变 量 喷 雾 下 定 量 喷 雾 的 一 致 性 最 大 为4 4 作 业 过 程 中 整 个 喷 杆 雾 滴 分 布 均 匀 喷 雾 变 异 系 数 在10 以 下 亩 施 药 液 量 误 差 在8 以 下 定 位 误 差 5 5cm 可 保 障 亩 施 药 液 量 一 致 保 证 大 田 作 物 上 的 药 液 喷 施 均 匀 实 现 了 高 秆 作 物 生 长 期 内 全 程 机 械 化 高 效 均 匀 植 保 作 业 将 大 田 作 物 喷 雾 的 均 匀 度 提 高 至 发 达 国 家 水 平 喷 雾 均 匀 性 达 到 了85 95 以 上 完 成 了 多 功 能 变 喷 杆 喷 雾 机 智 能 控 制 系 统 的 研 发 实 现 了 变 喷 杆 喷 雾 机 的 工 作 形 态 和 高 度 的 控 制 与 调 节 且 设 计 了 精 确 对 靶 施 药 控 制 电 路 结 构 新 颖 工 作 可 靠 是 防 治 玉 米 等 病 虫 害 和 高 杆 作 物 喷 施 叶 面 肥 料 的 理 想 机 具 工 作 效 率 高 机 具 投 资 少 回 报 率 高 实 现 了 对 喷 头 流 量 和 工 作 压 力 的 自 动 控 制 提 高 了 喷 雾 作 业 的 自 动 化 和 精 准 化 水 平 1 3 8何 雄 奎 中 国 精 准 施 药 技 术 和 装 备 研 究 现 状 及 发 展 建 议 Vol 2 No 1 定 点 喷 洒 57 成 本 低 58 安 全 性 好 等 优 势 近 年 来 已 成 为 一 种 重 要 的 新 型 植 保 作 业 机 具 59 根 据 相 关 国