果园风送喷雾精准控制方法研究进展

翟长远，赵春江，Ning Wang , John Long , 王 秀，Paul Weckler , 张海辉

（1. 西北农林科技大学机械与电子工程学院，杨凌 712100；2. 国家农业信息化工程技术研究中心，北京 100097；3. Department of Biosystems and Agricultural Engineering, Oklahoma State University, Stillwater, OK 74078, USA；4. 农业部农业物联网重点实验室，杨凌 712100；5. 陕西省农业信息感知与智能服务重点实验室，杨凌 712100）

0 引 言

果园病虫害的有效防治可以挽回经济损失近 10%，目前病虫害防治主要靠化学农药，果树 1 a内喷施农药8～15次，其工作量约占果树管理总工作量的30%左右[1-3]。果园喷雾靶标具有不连续种植和冠层较大、枝叶稠密的特点，为了提高药液穿透能力，国内外推广使用风送喷雾技术。该技术是联合国粮农组织推荐的一种高效施药技术，高速气流将喷头雾化的雾滴进一步撞击雾化成细小均匀的雾滴、增强了附着性能，同时强大气流翻滚枝叶裹挟着雾滴穿入靶标内膛，大大增加了雾滴贯穿能力[1]。

果园喷雾装备尚未达到精准探测按需喷施的要求，是目前世界范围内面临的普遍问题。为了达到防治病虫害的效果，实际作业过程中大多采用过量喷施，导致了化学农药大量残留，严重污染生态环境和威胁果品安全生产。果园喷雾在技术层面上存在2大难题：1）难以在线计算靶标药量需求分布并实施对靶变量喷雾控制，一方面因药量不足无法及时消除病虫害，另一方面过量施用，威胁农产品安全；2）难以在线计算风力需求并进行按需调控，风力过小会导致冠层堂内沉积不足，过大又会将药液吹出冠层，造成农药飘移，严重污染农田生态环境。为了解决上述难题实现果园精准喷雾，需要研究果园靶标识别方法以获取靶标位置、体积、稠密程度和病虫害程度等特征信息，研究喷药量智能控制技术以实现对靶变量喷雾，研究风力变量调控方法以实现按需送风供给。本文通过综述国内外果园靶标在线探测、喷药量调控和风力调控方法研究现状，分析存在的问题，并指出果园风送喷雾精准控制方法未来的研究方向。

1 果园靶标探测方法

果园靶标在线探测是果园对靶精准喷雾的基础和前提，其目的是为了在果园喷雾过程中实时获取靶标的特征信息，以确定靶标位置并计算靶标药量和风力供给需求。靶标探测所用技术很多，比如光电感知、超声波传感、激光雷达、图像、光谱和电子鼻技术，探测的特征信息有果树位置、冠层外形轮廓、冠层体积、冠层内部结构、枝叶稠密程度、病虫害程度等等[4-6]，果园靶标特征信息探测方法及其发展水平如表1所示。

表1 果园靶标特征信息探测方法及发展水平Table 1 Orchard target detection methods and their development levels

1.1 果树位置探测与对靶控制

果树位置是对靶喷雾控制中最基本的特征信息，该信息可用于基于靶标有无进行开关喷雾控制，将药液喷施到果树靶标上，而非果树株间空隙内。

靶标位置探测可以根据果树的不同特点，设计或者选用不同类型传感器探测不同高度树冠的位置，常用的传感器有光学传感器和超声波传感器。基于光学感知原理，研究者设计了多款果树靶标探测系统和对靶喷雾控制系统应用于果园喷雾中。邹建军等[7]采用不易受太阳光干扰的红外光作为光源，运用集成电路和光学编码技术设计了果树靶标探测器；邓巍等[8]选用了反射率很强的特征波长850 nm并对果树靶标红外探测系统进行了优化。李丽等[9]针对果园喷雾主要对绿色靶标进行喷雾的需求，设计了具有绿色识别功能的果树冠层探测系统。刘金龙等[10]基于模拟正弦调制技术，设计了果园靶标红外探测器，并对探测距离和反射面积进行了试验研究。基于光学探测系统的设计为果园对靶喷雾提供了 1种靶标在线探测手段，推动了对靶喷雾控制的发展。

非接触靶标超声探测技术的发展，带动了果树树冠位置探测技术的进步。早在1989年，Giles等[11]研究指出基于超声感知靶标位置进行对靶喷雾的可能性。根据探测目的和精度需求，可以在喷雾左右侧分别布置 1个传感器[12]或者多个传感器[13-14]，以感知果树靶标的位置。Miranda-Fuentes等[14]基于超声波传感器阵列设计了风送对靶喷雾机对冠层稠密的橄榄树喷雾，在风机前方不同高度布置超声波传感器，每个传感器对应 1组喷头，控制器根据超声波传感器探测到的不同高度冠层存在与否，控制对应高度的喷头组进行对靶喷雾以提高冠层内部喷雾沉积率，如图1所示。

图1 使用超声波传感器阵列探测树冠的果园对靶喷雾机Fig.1 Orchard target-oriented sprayer with ultrasonic sensors detecting tree canopies

如果果园中果树树冠形状和尺寸比较类似，其位置可以根据树干位置进行估计，也可以采用探测树干的方法进行靶标探测。翟长远等[15]采用探测树干估算树冠位置的方法，使用红外光电传感器设计了幼树果园靶标探测器，并在实验室和果园进行了试验研究，发现该方法能够准确探测出树干位置，并进一步推算出树冠位置，适用于冠层比较类似的果园靶标探测。Shalal等[16-17]采用激光和图像技术相结合的方法研究并获得果园靶标树干位置探测方法，该方法还能成功区分树桩和果树支撑架等非树干物体。Zou等[18]采用红外光电传感器实时探测果园靶标位置，并根据探测结果实施对靶喷雾控制。宋淑然等[13]采用激光测距传感器探测拖拉机与靶标树干之间的距离，并根据该距离实时调整喷头臂长度进行仿型喷雾。

无论是直接探测树冠还是探测树干估测树冠，传感器都需要布置在喷头前一定距离处，为控制喷头启闭位置计算留出时间。靶标和喷头的相对位置需根据实时车速计算得出，如果传感器和喷头之间的距离大于最小株距，还要对探测到的靶标位置进行暂存。实现这种提前探测延迟对靶喷雾控制，可以采用“数组游标”式编程算法，详见参考文献[15]。

基于靶标位置探测结果，根据对应位置冠层有无进行对靶喷雾控制，大大降低了药液浪费和环境污染，其药液节省率与果树间隙比例密切相关，空隙比例越大可节省的药液比例越高[19-20]。

1.2 果树外形轮廓探测与体积计算

超声波测距传感器可以非接触式测量远处物体的距离，理论上该传感器可以用于测量果园果树靶标到喷雾机之间的距离，进而估算果树的外形轮廓和体积[21-23]。超声传感器发出波束的角度对靶标的感知范围有直接影响，为了测量某一点的距离，希望波束角度越小越好，在果园靶标探测应用中超声波束角一般小于15°。

为了验证超声传感器探测果园靶标的可行性，Escolà等[24]使用单个超声传感器或者多个固定在不同高度的传感器，在苹果园开展果树冠层探测试验，发现单个超声传感器果园测距误差比在实验室内有所提高，平行布置的传感器阵列如果距离较小会产生互相干扰误差，布置距离为60 cm时干扰较小。Jeon等[25]在高寒、室外温度、侧风、温度变化、灰尘、不同行驶速度、药液雾滴云和多传感器互扰等多种条件下，对传感器性能进行了测试，测试结果说明超声传感器用于果园对靶变量喷雾是可行的。

用多个超声传感器组成探测阵列，通过实时读取记录各个传感器到靶标的距离值，可以获得靶标的外形轮廓，也可以进一步采用“积分法”计算出冠层体积，探测示意图如图2所示[26]。

图2 基于超声传感果树冠层外形探测和体积计算示意图Fig.2 Schematic diagram of orchard tree canopy profile detection and volume calculation based on ultrasonic sensors

Zhai等[26-27]在低速条件对自制规则树、山楂树和花期樱桃树分别进行了靶标外形轮廓和体积探测试验，其结果显示体积探测精度分别为92.8%、87%和90.0%，外形轮廓探测清晰准确；靶标外形轮廓探测速度影响试验表明，不同速度对靶标形状探测影响不大，但速度越高滞后越明显，滞后量与速度成正比[28]。Maghsoudi等[29]运用超声波传感器实时获取果树靶标冠层距离和体积，并基于冠层体积变化进行变量喷雾，在喷雾效果类似的情况下，平均节省了34.5%的药量。

激光雷达高频率发射出脉冲激光束，根据反射回来的激光回波点云，测量周围物体各点的距离，也可用于测量果园靶标的外形和体积信息[30-33]。Liu等[34]评估获知激光传感器可以成功探测出复杂靶标外形轮廓；李秋洁等[35]采用车载二维激光扫描仪成功探测计算出树冠中心距离和树冠体积；Osterman等[36]基于激光雷达设计了果园靶标外形探测系统，喷雾过程中实时感知不同高度果树冠层的形状，并在线控制上中下 3个喷雾臂角度和位置以实现仿型喷雾。Miranda-Fuentes等[37]对比了树冠垂直投影面积法（VCPA）、椭圆体积法（VE）和树冠轮廓体积法（VTS）3种基于激光点云数据估算树冠冠层体积方法，3种方法都具有较高精度，其中树冠垂直投影面积法更适合常规树冠体积测量。

基于机器视觉获取果树树冠图像后，通过图像处理也可以计算果树冠层的面积，在获得树冠体积和冠层面积之间的统计关系后，可以进一步根据冠层面积推算出树冠体积。丁为民等[38]构建了树冠面积与树冠体积对数之间的线性关系模型，进一步提出了基于机器视觉的果树树冠体积单点和多点测量方法。

1.3 果树冠层内部结构探测和枝叶稠密程度估算

果树冠层枝叶稠密程度是影响果园药量喷施和风送风力供给的另外一个重要指标。在冠层体积和病虫害程度等其他因素不变的情况下，枝叶越稠密，药量喷施和风力供给需求会越大。枝叶稠密程度的评估量化指标有多种，常见的有叶面积指数（leaf area index）、叶面积密度（leaf area density）、点样方评估值（point quadrat analysis）和生物量密度（biomass density）。其中，叶面积指数是指单位土地面积上叶片总面积占土地面积的倍数；叶面积密度指单位冠层体积内叶片总面积；点样方评估值是从树冠冠层中选取采样区块，在每个采样区块中，朝着某一个方向移动某个点，记录枝叶与该点的交叠次数，次数越多说明枝叶越稠密；生物量密度是指单位冠层体积内叶片鲜重生物量。

果树冠层枝叶稠密程度可以通过探测冠层内部结构获得，Sanz-Cortiella等[39]使用SICK LMS200二维激光雷达传感器双边扫描果树冠层，获得了冠层三维结构图（图3），并使用统计方法，获得了落在冠层枝叶上的激光点云数量与叶面积之间的线性关系方程。Sanz等[40]进一步根据果园试验数据统计结果发现果树冠层叶面积密度与冠层体积的对数存在线性关系，并建立了叶面积密度和冠层体积之间的数学方程。Llop等[41]将激光雷达用于藤式作物西红柿冠层稠密度探测，获得了叶面积指数与冠层体积之间的线性方程。

图3 通过激光雷达双边探测获得果树冠层内部结构Fig.3 Orchard tree canopy internal structure detection from both sides using LIDAR

超声波传感器发出超声发射波后碰到障碍物会有超声回波产生并返回，障碍物形状大小等特性会影响超声回波的强度。基于此特点，Palleja等[42]做一假设：超声回波和冠层密度存在正相关关系，果树冠层越稠密，产生的超声回波越强，如图 4所示，并通过针对葡萄园和苹果园 1个完整生长季节的观测试验，发现超声回波强度的确和枝叶稠密程度存在正相关关系，并进一步发现点样方分析值与超声波回波强度成正比[43]。该结果虽然没有建立冠层生物量密度和超声波强度直接的数学关系，但仍能说明基于超声波回波强度指导喷雾控制是可行的。Li等[44]进一步采用中心组合正交回归试验方法，建立了平面果园靶标超声回波能量与探测距离和冠层生物量密度之间的数学方程，该方程可为基于生物量分布的施药量和风送风力实时调控提供数学模型支持。

图4 基于超声波传感器冠层稠密程度探测Fig.4 Canopy density detection based on ultrasonic sensor

微波雷达利用电磁辐射原理，可以测量发射器与靶标之间的距离，其具有受大气环境影响低的优势，可以用于大尺度冠层结构测量[6]。丁为民等采用微波雷达技术，设计了微波装置用于探测果树冠层稠密程度，并用于果树仿形精量喷雾机上[45]。

1.4 果树病虫害程度探测

基于果树病虫害程度进行对靶变量喷雾是高等级的果园精准施药技术。该技术主要实施方式有：1）基于病虫害分布地理信息进行按需变量喷雾，2）基于病虫害在线探测进行按需对靶喷雾。第 1种方式需要提前调研绘制出果园病虫害程度分布地图，喷雾过程中控制系统读取该信息，并根据药液需求分布进行变量喷雾。第 2种方式要求果园喷雾控制系统能在线探测果园不同位置病虫害分布信息，并实时计算出药液需求分布进行对靶变量喷雾。

基于病虫害程度精准喷雾技术核心是病虫害获取方法。病虫害获取分为直接法和间接法，其中直接法主要基于血清学（serological methods）或者分子技术（molecular methods）在实验室内检测病虫害程度[46-47]，该方法准确性高，但是检测流程相对复杂，费用较高，且难以用于果园在线自动化快速探测[48]。

间接法主要有基于果树外部形态变化和病虫害挥发性有机化合物变化 2种方式。光谱和图像技术可以用于探测果树外部形态特征变化[49]，目前研究者针对不同的对象和病害，采用的方法主要有：可见光图像[50-53]，荧光图像[54]，高光谱图像[55-56]，近红外光谱[57]，荧光光谱[58]，核磁共振和太赫兹[59]等。李震等[60]面向柑橘果园虫害监测应用，基于可见光图像，开发一种适用于机器自动识别的实蝇分类算法，用于识别橘小实蝇、南瓜实蝇和瓜实蝇等成虫。Singh等[61]研究了图像识别分段算法，并针对多种作物和病害进行了验证试验，证实其具有病害快速识别和分类的能力，其中针对柠檬的太阳烧伤疾病的识别结果如图5所示。

图5 柠檬叶片输入图像和太阳烧伤疾病识别结果Fig.5 Input image of lemon leaf and identification result of sun burn disease

树木和作物释放的挥发性有机化合物（volatile organic compounds）占地球大气层中该气体的三分之二[48]。果树枝叶挥发性有机化合物有时会受到病虫害的影响，基于该原理，可以通过探测该挥发性有机化合物获得果树病虫害信息。电子鼻由一系列气体传感器组成，可以用于探测挥发性气体的变化，进而探测病虫害程度。典型的电子鼻主要由测试箱、计算机、蒸汽发生器、清洁气体容器等组成，其中测试箱中包括温控腔、电子鼻传感器阵列、气体流控制通道等，被测对象气体进入温控腔后，传感器阵列分别读取数据后传送给计算机进行分析处理以得出最终探测结果[62]。Li等[63]使用Cyranose®320电子鼻通过一个可控的环境监测出了蓝莓健康和病害时释放的气体变化，表明该技术可以用于植物病虫害程度非接触性测量。Laothawornkitkul等[64]也使用电子鼻验证了通过探测该挥发性有机化合物获得作物病虫害信息的可行性。

病虫害程度探测方面，国内外学者开展了大量的研究，也取得了一定的成果，部分研究结果也预示了病虫害程度快速探测的可能性。但该成果离果园在线探测指导对靶喷雾需求相差较远，还需要有针对性地开展深入研究。

1.5 小 结

果园精准对靶喷雾控制需要获取果树冠层的位置、体积、枝叶稠密程度和病虫害程度等特征信息，从技术层面上看，这些特征信息在线探测难度依次变大。目前看来，果树冠层位置和体积特征信息获取方法取得了较大的突破，对应的装备也趋于成熟，正朝着产品化方向深入发展；枝叶稠密程度和病虫害程度方面成果主要处于实验室内技术攻关阶段，有待进一步朝着果园应用方向深入研究实现技术突破。

2 果园喷施药量调控方法

变量喷雾技术早在大田喷杆式喷雾机研发中就得到了巨大的发展和广泛运用[65]。由于大田施药基本需求是大田地面药液均匀沉积，喷雾系统主要通过速度传感器获得喷雾机行驶速度，采用管道药液总药量控制方法实时调控喷药量，以实现按照设定施药量均匀喷施农药。与大田变量喷雾控制需求相比，果园喷雾药量调控不仅需要对管道总药液进行控制，而且需要对不同高度位置喷头药量进行独立调控[66]。

2.1 管道总药量控制方法

果园喷雾机大都采用喷药前将农药按照某种比例在药箱中配比完成，喷药过程中通过实时调节管道流量调控施药量。该控制系统相对简单，可以采用流量传感器实时监测喷药量，根据喷药需求使用电动调节阀改变管道喷雾压力，进而调控喷药量。由于系统的压力差与流量的平方成正比，也可以使用较便宜的压力传感器代替流量传感器，通过监测管道压力计算出实时喷药量，以进行变量喷雾控制。控制系统的控制策略有很多种选择，可以采用滞环开关控制[67]、经典 PID控制[68-69]、模糊控制[70-72]和人工神经网络[73]等控制策略。郭娜等[74]构建了旁路节流式喷雾管道，如图6所示，并采用模糊PID 控制与 Smith 预估控制相结合的方法，设计了一套具有较好适应能力和鲁棒性的变量喷雾控制系统。基于管道总药液控制方法的调控系统也进行了很好的产品化和市场化，比如Raven公司的SCS 4000/5000 Series™ 系列[75]和Micro-Trak systems公司的SprayMate™ II系列[76]。

图6 旁路节流式变量喷药管路图Fig.6 Bypass pipeline diagram of variable rate spraying system

喷药前药箱内配比农药的方法使喷雾系统结构简单，但也存在剩余药液难以回收再利用、喷药机药箱和管道难以清洗等问题[77]。采用大水箱和小药箱组合方式将水和药分开存放，喷雾过程中通过药泵将药液注入或者吸入到喷雾管道或者喷头混合腔中进行在线混合，可以通过改变药泵流量进行实时调控喷药量以解决上述问题[78-79]。杨洲等[80]设计了一款果园喷雾机在线混药系统，其通过自吸药泵将药液吸入到管道中进行药液混合，原理示意图如图 7所示。蔡祥等[81]在喷头前安装了药液混合腔体，直接将药液注入到每一个喷头的混药腔内进行药液在线混合，使用电磁阀控制喷头的药液供给，该方法系统结构相对复杂，但其不仅能进行管道内药量控制，也能实现单个喷头药量的独立控制。Raven公司也开发了商业化直接注入系统 Sidekick Pro™[82]，该系统在 John Deere公司多款商业化喷雾机R4030，R4038和R4045上得到了应用。

图7 在线混药喷雾系统原理示意图Fig.7 Schematic diagram of online mixing and spraying system

2.2 喷头药量独立控制方法

果园喷雾不同高度的药量需求通常不尽相同，有时采用在不同高度布置不同流量的喷头来实现，如果果树形状较为一致，该方法可以在一定程度上改善药液在冠层上沉积分布。然而果园喷雾中，同一高度处不同位置药量需求通常也是不同的，不同高度处的药量比例也时刻发生着变化，仅通过在不同高度布置不同流量喷头无法满足精准喷雾的需求。基于该需求，喷头流量的独立控制方法近些年成了科研院所和跨国公司研究的热点。

为了控制喷头流量，可在喷头前段增加一个比例阀，通过实时调节比例阀的开度调控喷头流量。Deng等[83]使用法国Burkert公司6023型号电控比例调节阀和喷头进行组合，采用PWM（pulse-width modulation）技术调节比例阀孔径，进行变量喷雾试验，发现该方法流量调节范围大，但药液的分布和喷雾角受流量影响很大。更多的研究者使用电磁阀和喷头组合进行喷头流量独立控制，不仅可以根据靶标有无实时开启和关闭喷头，还可以采用PWM技术控制喷头流量，该方法使用PWM波快速通断电磁阀进行快速间歇式喷雾，其喷头流量主要受喷雾压力和 PWM 占空比影响，动态喷雾均匀性主要受PWM频率影响。蒋焕煜等[84]采用分段直线拟合的方法建立了特定喷雾压力下喷头流量与占空比的函数关系；Zhai等[85]采用中心组合正交回归试验方法，建立了喷头流量与喷雾压力、PWM频率和占空比之间的函数关系，这些方程的建立可为变量喷雾控制提供必需的数学方程支持。李龙龙等[86]研究发现 PWM 变量喷雾频率越高，流量调节倍数越大，在30 Hz、0.5 Mpa工况下，流量调节倍数可达10倍；蒋焕煜等[87]试验结果表明，PWM频率越高，喷雾前进方向上的雾量分布均匀性越好。但是，PWM频率越高，电磁阀的使用寿命会越短，由于受市场上电磁阀质量和使用寿命的影响，研究者多采用 10 Hz[85,88]甚至更低的PWM频率[84,87]。美国John Deere 公司针对PWM喷雾电磁阀使用寿命和喷雾均匀性问题，研发了 ExactApply™喷头流量独立控制系统，该系统中所用喷头的PWM频率可达30 Hz，高频率使喷雾更连续，喷雾压力也更稳定[89]。针对单喷头流量调节范围有限的问题，徐艳蕾等[90]设计了多喷头组合变量喷雾控制系统，其流量调节范围得到了很大的提高，可为果园对靶变量喷雾系统设计提供参考。

2.3 小 结

果园喷雾药量调控技术与方法在基础研究和产品开发方面均取得了较多成果。其中管道总药量控制方法在管道设计、混药方式、药液流量控制策略方面都得到了巨大的突破，也研发出了多款市场化喷雾控制系统和喷雾机产品。喷头药量独立控制方法也开展了深入的研究，并取得了技术上的突破，产品化方面也取得了进展，正在朝着耐用实用化方向发展。

3 果园风送喷雾风力调控方法

果园风送喷雾果树冠层内外沉积分布很大程度上取决于风送系统风力供给[91-92]。风力调控的重要性不亚于药量调控，只有风力和药量都得到精确控制，才能实现果园对靶精准喷雾。风送喷雾风力 3要素为风向、风速和风量，果园风送喷雾风力控制需要准确的方向、恰当的风速和适当的风量。风送方向需要和设定的喷雾方向一致，风速和风量需求方面不同果树具有不同组合特点，比如枝叶稠密但体积较小的树冠一般需要高风速低风量，而枝叶稀疏但体积较大的树冠则需要低风速高风量。风力按需调控需要对风速和风量分别按需调控，需要在线探测计算果树风速风量需求，实时控制风送执行机构供给合适的风力，使其经过输送空间损失以后，以恰当的风力大小贯入果树冠层中。目前风送喷雾风力调控方法相关研究主要集中于风速风量需求理论、风场与雾场分布建立方法和风力调节技术与装置等[93-94]。

3.1 风速风量需求理论原则

要实现风速和风量调控，首先需要探测计算出风速风量需求量。早在2008年戴奋奋阐述了果树风量需求“置换原则”和风速需求“末速度原则”，如图8所示[95]。

图8 风送喷雾风量置换原则和末速度原则Fig.8 Principle of air volume displacement and air final velocity for orchard air-assisted spraying

根据“置换原则”，喷雾机风机吹出带有雾滴的气流，应能驱除并完全置换果树冠层喷雾作业空间所包容的全部空气，风机的风量需求可用公式（1）计算获得。

式中Q为风送喷雾风量需求，m3/s；V为喷雾机作业速度，m/s；H为树高，m；L为喷雾机离树的距离，m； K为考虑到气流沿途损失而确定的系数，K值的选取与气温、自然风速和风向、果园冠层枝叶稠密程度等有关。

“末速度原则”是指喷雾机气流贯穿喷雾冠层时的末速度不能低于某一数值，也不能过高。末速度过低会导致冠层树叶难以翻转，药液沉积率尤其是在叶片背面的沉降率会大大降低。末速度过高时气流会带着大量药液雾滴沉降到喷雾冠层外面和果园地面上，造成环境污染和农药浪费。应选择气流末速度使喷雾冠层出口处的气流能够持续翻转树叶以使药液在叶片正反面均匀沉积且沉积量近似。

风量需求“置换原则”和风速需求“末速度原则”可以指导风送喷雾机研制，为其提供参数估算方法。邱威等在果园自走式风送喷雾机研制中，基于“置换原则”和“末速度原则”算出了风机风量需求，确定了风机功率、转速或者叶片数量等参数，进而设计出了合理的风送系统[96-98]，但该原则还不足以用于风送喷雾过程中风速风量需求分布实时计算以进行风力精准控制。“置换原则”风量需求计算中用系数 K调节气温、自然风速和风向、果园冠层枝叶稠密程度等因素对结果的影响，而该系数的影响因素太多，需要进一步深入研究，探寻主要影响因素及影响规律。“末速度原则”指出了末速度的基本要求，但用其指导计算喷雾机气流速度控制还不够，还需要研究末速度与果树种类、枝叶特点和枝叶稠密程度的关系，研究气流在空中和果树冠层内损失特性和计算方法，进而为风送系统气流速度需求计算和在线控制提供数学方程支持。

3.2 风场与雾场分布建模方法

风送喷雾风场建模研究主要包括计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）风场模拟和实验室或者田间风场测量试验建模研究。Dekeyser等[99]使用CFD仿真技术对风送喷雾机外部空间进行了风场模拟，并在实验室条件下进行了测试和验证，显示CFD结果和测试结果吻合；Duga等[100]在模拟风场时还考虑了外部风力的影响；Garcia-Ramos等[101]进一步将风箱出口风速和总体风量输出综合考虑建模，如图 9所示，并用三维风速传感器进行了测量验证，进一步说明了CFD方法的有效性。

丁天航等[102]对喷雾机风箱内部风场进行模拟，对外部风场测量验证和分布规律开展研究；王景旭等[103]还进一步研究了喷雾靶标对风场和雾滴沉积的交互影响特性；陈建泽等[104]自制了风速测量定位网架，使用风速计测绘了远射程风送式喷雾机气流场分布，并测量研究了喷雾机的喷雾沉积特性；针对风场验证测量费时费力的问题，李继宇等[105]还使用风速传感器阵列设计了风速快速测量系统。由风场建模研究现状可知，CFD仿真技术结合专用风速测量系统实验室或果园试验，可为空间风场动态建模提供支持。

图9 基于CFD进行喷雾机后端风速模拟Fig.9 Air velocity simulated with CFD in rear section of sprayer

3.3 风力调控方法与装备

风送喷雾风力调控方法与装备受到国内外研究者的广泛关注。风力三要素中，风向的调控主要采用风箱的旋转和导流板角度调节来实现[96,106-107]，风送系统风速风量的控制主要通过改变风箱出风口面积、进风口面积和风机转速等方法实现，通过调节风箱喷头到喷雾靶标的距离也可以实现风力供给调控。邱威等[96]在风箱内部设置导风板和调风板以根据需求调节风箱内部和出口处气流方向。Khot等[108]报道了一种降低果园风送喷雾飘移技术，该技术通过在普通风送喷雾机出风口增加遮挡板改变出风口面积以调节风送风力，如图10所示，其为提高雾滴靶标内部沉积、降低飘移提供了一种新的方法和思路。Miranda-Fuentes等[109]通过改变风送系统风机转速实现了风力的调节；Qiu等[110-111]采用改变风机转速的方法改变风力供给，以研究风力对雾滴沉积和漂移的影响特性；翟长远等[112]采用改变出风口面积、进风口面积[113]和风机转速[114]方式设计了风力调控装置和喷雾机；李龙龙等针对果园喷雾风量调节需求，设计了可以根据经验参数公式调节风量的风送喷雾机[115]；Osterman等[36]和周良富等[98]设计的果园风送喷雾机，虽然不改变风箱出口风力大小，但能够移动风箱出口位置以调节喷雾靶标处风速风量大小。

图10 基于出风口面积变化调控风送气流风速风量Fig.10 Air speed and volume control by adjusting air outlet area

目前研究者设计的风速风量调节装置，大都为单一的调节结构，其优点是机械结构和调控系统均相对简单，但存在的问题是风速和风量调节是相互耦合的，无法实现风速和风量的独立控制。常见的 3种调节结构对风速和风量调节关系如表 2所示。从表中可以看出，单一的出风口面积调控方法，风速和风量变化方向相反；进风口面积调控方法和风机转速调控方法，风速和风量成正比例关系。上述任一种单一的调控方法，风速和风量调节都存在耦合关系，该耦合关系不利于风力调控。比如在对靶喷雾过程中，探测出果树树冠特征发生了变化，冠层体积变小而枝叶变得更稠密，风送喷雾需要高风速低风量，需对风速和风量进行独立控制。为了实现风速和风量独立调控，未来需要研究单一方法的调控规律，并进一步研究2种或者多种方法组合的新的调控技术。

表2 风速风量调控方法及相互关系Table 2 Control methods of air speed, air volume and their relationships

3.4 小 结

国内外学者针对风送喷雾风力调控需要，开展了风速风量需求理论原则、风场雾场建模方法和风力调控技术等相关研究，取得了大量的成果，为研发具有智能风力调控的果园喷雾机提供了强有力的理论支持。但与药量调控方法相比，该方面的研究还不够深入，离实用化和产品化要求还有较大距离。风速风量需求理论原则还需要考虑靶标特征在内的多因素影响规律，风场雾场快速建模方法有待在果园实际应用中进一步优化完善，风速风量调控技术尚需研究风速风量去耦化方法，进而研发实用的风力调控装备。

4 面临的困难

果园靶标探测方法面临的困难主要集中在靶标冠层枝叶稠密程度和病虫害程度在线探测上。目前研究者虽然验证了超声波回波强度和枝叶稠密程度存在正相关关系，也在实验室内建立了平面果园靶标超声回波能量与冠层生物量密度之间的数学方程，但其能否用于果园在线探测还需要深入研究，模型普适性和稳定性也有待验证。病虫害程度在线探测面临的困难更大，一直处于实验室静态测量阶段其根本难题在于尚未成功探索出果园病虫害的关键特征信息和与其对应的非接触式快速感知方法。

果园喷施药量调控面临的困难主要集中于面向产品化的技术集成和优化，比如，管道总流量和喷头流量集成控制，多喷头组合控制方法优化，面向小规模果园变量控制方法低成本研究等。

果园风送喷雾风力调控方法面临的困难主要集中于3个方面。首先，风速风量需求理论原则研究还有待深入，风量需求公式考虑的因子不够全面，缺少冠层枝叶稠密度、自然风速风向等重要影响因子，风速需求原则中也缺少气流在空中和果树冠层内损失特性和计算方法描述，很难实际指导果园风力在线调节控制；其次，风场雾场建模方法还需要进一步研究其与果树冠层枝叶动态交互影响特性，有待在果园实际应用中进一步优化完善；最后，风速风量调控之间存在耦合关系使一般的调控系统难以实现风速和风量的独立调控，该耦合关系的解耦方法和对应的调控设备研发也是目前面临的困难。

5 结 论

针对果园风送喷雾难以实现精准探测按需施药，造成农药浪费、果品安全生产和生态环境受到严重威胁这一世界性难题，各国根据各自的果园果树特性，有针对性的开展了果园风送喷雾精准控制方法研究，主要成果如下：

1）果树位置和冠层外形体积探测研究中，基于光学传感器、超声传感器和激光雷达的多种探测方法都得到了田间应用试验，样机产品和商业化产品也得以开发。基于超声传感器、激光和微波雷达的冠层稠密程度探测方法在实验室和果园试验中得到了初步验证。采用不同原理基于光谱、机器视觉和电子鼻等不同传感器的病虫害程度感知技术尚处于实验室试验阶段。

2）管道总药量控制方法研究中，喷药管道设计及压力、流量等关键参数实时监测技术设备已成熟；喷药管道内和喷头混合腔内两种混药方式都得到了应用；经典和现代控制策略的应用使药液流量控制系统研发日趋成熟，多款喷雾控制系统和喷雾机产品相继问世。基于PWM 技术的喷头药量独立控制方法实现了技术突破和产品化研发，正朝着实用和耐用方向发展。

3）风送喷雾风速风量需求理论原则已经提出，在风量需求估算、喷雾机风箱研发等方面提供了初步理论参考；基于CFD的风场模拟方法的有效性在实验室和田间试验中得到了验证，其有望助力风场雾场快速建模和风力损失规律研究；多种风力调控方法相继出现，风力调控装备样机也得到研制，但调控手段相对单一尚难以实现风速和风量的独立控制。

6 展 望

虽然已经取得了大量研究成果，但是目前果园喷雾技术和装备与精准探测按需喷施的要求尚有较大差距，在果园靶标特征信息快速准确感知、喷雾药量实时变量控制、风力供给之风向风速风量精确调控、以及上述 3者的同步协调集成等方面还亟待深入开展研究，关键研究点阐述如下：

1）冠层枝叶稠密程度和病虫害程度在线探测

随着果园靶标位置和外形轮廓等外部特征信息探测难题的突破，靶标内部枝叶稠密程度分布等研究将是未来的研究方向。首先需要继续采用具有较多技术积累的已有方法，开展更深入的研究以实现技术突破。采用超声回波能量分析方法，参考实验室内建立的枝叶稠密程度探测模型，针对不同类型果园开展稠密程度模型普适性研究，通过果园应用试验对探测模型和探测方法进行修正和优化，并进行探测系统产品化研发。基于激光雷达靶标内部结构感知和枝叶稠密度估算方法，开展海量点云数据的快速处理方法研究和田间作业系统快速性和稳定性验证，进一步通过低成本设计实现探测系统产品化。此外，还需要结合超声传感器、激光雷达、微波雷达和机器视觉各自优点，采用多传感器组合方式研究靶标冠层枝叶稠密程度探测方法，或者通过探寻靶标冠层稠密程度可感知物理新特征，创新性地开展新的非接触式快速探测方法研究。

针对难以在线快速感知果园病虫害特征信息以探测病虫害发病程度这一根本难题，一方面需要从不同果树类型和不同病虫害特性出发，有针对性地探寻病虫害关键特征信息，尝试新的技术手段开展更深入研究，以探索病虫害程度在线快速探测方法，另一方面需要将已有的静态测量技术与基于处方的变量喷雾技术相结合，开展基于病虫害分布地理信息按需变量喷雾技术应用研究。基于光谱和图像技术的离线和在线探测方法研究与应用将是未来重要发展方向，果园病虫害的关键特征信息探寻、探测手段的有效性、计算模型的高效性、系统的稳定性和普适性将是研究重点。离线病虫害探测还需要基于电子鼻技术研究各种病害感知方法和快速估算模型，进一步针对特定病害特征研发简易电子鼻系统以降低成本，提高监测密度和探测效率。

2）果园喷雾药量调控方法与系统

喷雾管道总药量控制方法和喷头药量独立控制方法未来研究方向主要为技术集成和优化，包括管道总流量和喷头流量集成控制，多喷头组合控制方法优化，低成本变量控制系统集成，控制系统和控制执行机构的稳定性和耐用性优化提升。产品开发方面，国内企业和科研院所一方面需要通过研究国内果园的特点和国际跨国公司目前产品存在的问题，有针对性地开展关键系统开发，比如变量喷雾控制器、药液直接注入系统、PWM喷头流量独立控制系统等，另一方面针对国内外市场需求，集成先进控制方法研发具有市场竞争力的药量综合调控系统和果园喷雾装备。

3）果园风力需求理论与风力调控方法

果园风力需求理论原则作为风力调控方法研究的基础，未来必须尽快实现突破，包括风量和风速需求理论原则2个方面。风量需求理论原则需要考虑果树冠层枝叶稠密度等特征信息、自然风速和风向等更多影响因素，并通过多类型田间试验进行验证修正和完善。风速需求理论原则需要采用理论推导和试验验证相结合的方式构建，并通过各种果园田间应用进一步细化、总结和完善。

风送喷雾风力调控离不开风场与雾场分布建模，基于CFD的三维动态模型的准确、快速和高效构建有待进一步深入研究。基于风场和雾场模型，需要进一步开展风场雾场与喷雾距离、自然风力、喷雾机行进速度之间的数学关系，进而获得风力动态损失模型，为计算风筒出口风力供给需求提供支持。针对风送喷雾风速、风量存在耦合关系的问题，深入研究风速和风量去耦化调控方法，通过研究不同调控机构的特性，研发支持风速风量去耦化控制的风力调控装置，并通过果园试验进一步进行优化设计和产品化开发，为风送喷雾风力按需调控提供控制设备支持，将是果园风送喷雾未来的研究发展趋势。

4）精准喷雾系统集成研究与产品化开发

针对靶标探测、药液变量控制和风力变量控制等子系统研究深度产品化水平不同的问题，分档次分步骤开展系统集成和产品研发亟待开展。系统集成需要针对喷雾作业需求，由易到难逐步开展，比如可以首先集成靶标位置体积探测系统、药量自动控制系统和风力手动调控系统，随着研究的深入再对系统进行升级和优化，以逐步实现果园风送喷雾精准控制的目的。面向市场不同需求层次，根据科研单位和企业各自优势，通过多层次合作，有针对性的集成开发出一系列商业化产品迫在眉睫。

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