果园风送式喷雾机智能化发展现状与前景分析

边永亮，李建平，薛春林，王鹏飞，李昕昊

（河北农业大学机电工程学院，河北 保定 071000）

近年，随着农业生产专业化程度提高，果园植保机械逐渐向专业化、自动化、智能化和节能环保方向发展[1]。现代果园植保作业常采用化学、物理、生物防治方法，其中化学防治法以防治及时、效率高、技术成熟等优势应用广泛[2]。果园智能施药技术可提高农药利用率、降低农产品中农药残留、减少农药漂移对环境污染[3]。风送式喷雾机是果园施药最常用装备，将农药按照固定剂量喷施于冠层靶标，但施药作业参数无法根据果树冠层结构（如树冠体积、叶面积、树高等）自动调节，沉积于单位叶片面积上药液极不均匀，导致局部过量施药和局部防效不理想并存现象，严重影响果品品质[4-5]。果园植保施药正由机械化向智能化转变，由粗放施药向精准施药方向转变。气流辅助喷雾技术日趋成熟，风送式喷雾机与变量喷雾技术、仿形技术、静电喷雾技术、在线混药技术等结合的研究较多。果园智能施药装备研发是果园植保精准化必然选择。本文梳理分析当前智能化喷雾技术，部分智能化喷雾技术在风送式喷雾机上应用与试验效果，为我国果园风送式喷雾机智能化发展提供理论参考。

1 智能喷雾技术发展现状

喷雾损失是喷雾应用技术面临最核心的问题，减少喷雾损失受关注[6]。

1.1 仿形喷雾技术

果树仿形喷雾技术通过检测果树实际形状,自动控制喷头组在理想喷雾距离下作业，可实现农药精确喷施并提高农药施用效率[7]。仿形是精量施药手段，精量是仿形喷雾目的。当前果树形状检测技术主要有：超声波位置传感技术[8]、图像处理技术[9]、BP神经网络模型应用[10]、数据融合技术[11]、基于DSP果树形态结构参数检测技术[12]、基于双目视觉采集测距系统[13]等。机器视觉技术发展使果树仿形识别精度逐渐提高。Cai 等研制树冠特性实时激光扫描检测系统，可实时提供不同树冠密度网格体积，为引导变量喷雾机提供良好可靠性[14]。仿形对靶控制系统主要由硬件系统和软件系统构成，仿形喷雾机械仿形机构在该系统控制下执行仿形运动，实现喷头精确定位，改进与优化控制算法，可提高仿形喷雾控制系统鲁棒性[15]。张建瓴等设计仿形喷雾控制系统硬件框架如图1所示[16]。超声波传感器采集果树边缘到喷头距离，经接口电路处理后传输入微处理器，微处理器根据测量距离作出相应仿形决策，驱动仿形架步进电机，实现喷头精确定位，通过电磁阀控制喷头开启或关闭喷雾，实现目标果树仿形对靶喷雾。

Berk等提高控制系统智能化程度，进一步提升系统反应能力[17]。常用仿形机构如图2所示，主要由2个对称机械臂、滑块、转盘电动机组成。

1.2 静电喷雾技术

静电喷雾与非静电喷雾（传统喷雾）区别为存在静电作用，雾滴在运行过程中可定向运动并带电荷。喷嘴处雾滴充电方法主要有电晕充电法、感应充电法和接触充电法三种[18-19]。雾滴在喷嘴处充电原理见图3。

Patel 等设计开发一种新型空气辅助静电喷嘴，液体沉积增加2～3倍，在被遮挡目标和前目标上均具有更好均匀性[20-21]。该喷嘴重量轻，效率高。果园自动对靶静电喷雾机系统体系结构和组成如图4所示[22]。

1.3 在线混药技术

在线混药技术具有药箱和水箱分离特点，相对于预混药，可减少农药浪费，避免农药与施药者接触以减少中毒隐患等优势。混药浓度在线检测技术可更好监测混药浓度，控制用药量和用水量。目前浓度检测方法主要有色谱法、光谱法、生物传感器法、电导率法、光折射法、透光率法等[23]。在线混药技术检测装置与混药器连接如图5所示，农药沿箭头方向流动。本检测装置主要由发光二极管、灯罩、检测流道和CCD 传感器组成。

1.4 循环喷雾技术

果园施药过程中农药流失严重，周围土地污染严重，随农药安全使用要求提高，国内外先后开展果园中未利用农药回收研究，大多以植株较为规整的葡萄园为研究对象。欧美等发达国家果园药液回收利用研究较早，Grzegorz等研究药液回收系统可有效拦截脱靶雾滴，回收为沉积药液，并将其过滤后二次利用，节省农药25%～30%，减少对周围土地污染[24]。药液循环回收原理如图6所示。

2 果园风送式喷雾机智能化机械装备

2.1 气流辅助技术与机电液一体化技术结合型喷雾机

2.1.1 远程遥控地面植保机械

杨鹏设计一款用于郁闭型果园遥控弥雾机[25]。弥雾机系统结构见图7、8。该型号弥雾机采用遥控技术、机电液一体化技术，实现自动化操作，避免身体接触。可实现遥控操作，但未实现精量喷施。翟长远等改进设计果园风送喷雾机，构建喷雾高度调控模型[26]。改进喷雾机导流风箱固定方式、传动方案和通过性能，并通过喷雾沉积分布试验及数学方程拟合，建立沉积分布重心高度、喷雾宽度与风箱角度之间数学模型。与改进前相比，该喷雾机不仅支持风箱角度电动精确调控，其理论功耗减少8%，尺寸减小32.6%。

2.1.2 气流辅助技术与仿形喷雾技术结合型喷雾机

姜宗月研制一款果园定向仿形弥雾机，利用定向仿形风送喷雾解决普通果园弥雾机喷头与树冠距离不一，近处雾滴反弹，远处药液无法喷附问题，提高农药受药量和均布程度，减少药液流失[27]。Salcedo 等设计一款仿形风送式果园喷雾机，提出一种基于激光扫描仪测量调节喷雾机喷臂定位算法[28]。通过定向喷涂更多目标，可减少农药漂移和地面沉积（见图9）。

白鹏研制一款基于Android果园自动对靶风送式喷雾试验台，采用无线通信技术、传感器技术、嵌入式系统技术，综合节药率＞26%，且果树树冠间距越大越省药[29]。试验台结构与样机见图10、11。

Li等设计一款基于激光扫描传感器果园变量喷雾机，通过控制系统发出脉宽调制（PWM）信号，可实时调节各电磁阀和无刷电机，改变喷嘴开度和风扇转速[30]。采用高精度激光扫描传感器（光探测测距激光雷达）为探测器，利用变速率算法原理测量冠层体积，结果表明，与常规施药相比，喷雾液平均减少46%。Hocevar 等研制靶向喷洒自动化喷雾机，该喷雾器可根据目标特性选择性喷雾[31]。通过RGB相机机器视觉系统和适当图像分析检测苹果树冠形状。由RGB摄像机捕获并由特定软件处理信息实时馈送到喷洒臂，喷洒臂具有3个独立控制部分，可使农药喷流适应树冠形状，减少23%药物用量。

2.1.3 气流辅助技术与静电喷雾技术结合型喷雾机

周良富等设计3WQ-400型双气流辅助静电果园喷雾机采用双风机系统，采用轴流风机和离心风机，冠层前部静电喷雾雾滴覆盖密度比非静电喷雾提高20%，冠层后部雾滴覆盖密度提高7.2%[32]。周艳等研制果园气力式静电喷雾机，该机基于静电感应原理，可将农药有效利用率提高60%以上，药液损失减少50%，降低防治成本10%～20%，节省农药25%[33-34]。王志强等研制一种气力雾化风送式果园静电弥雾机，气力雾化、风送和静电结合弥雾技术增强雾化效果，提高雾滴均匀性和吸附性，有效防止雾滴飘移[36]。

Salcedo 等开展静电喷雾机（见图12）与常规多行喷雾器叶片沉积量对比试验，发现特殊静电喷雾器可将体积流量降低多达68%，同时具有更好沉积效果[37]。

Cerqueira 等设计风送式静电喷雾机，可通过雾滴静电充电改善雾滴沉积，增加雾滴对植物吸引力[38]。将空气辅助添加到静电喷雾中可进一步改善喷雾沉积，使喷雾剂溶液渗透到作物冠层。

2.1.4 气流辅助技术与在线混药、静电喷雾结合型喷雾机

杨洲等设计一款果园在线混药型静电喷雾机，该机型在风机系统基础上兼具在线混药系统和静电喷雾系统[39]。其喷杆设计具有果树仿形功能，是多技术集成喷雾机。在线混药系统混药均匀性和稳定性最大变异系数分别为4.46%和3.51%，系统混药性能优良。在静电电压8 kV、出风口风速27.6 m·s-1时，采用风辅静电方式无冠层采样架上采样点（采样距离0.5、0.8和1.1 m），正面雾滴附率相对于无风辅无静电方式分别提高9.3%、46.3%和53.2%，采样点反面雾滴附率分别提高82.9%、164.3%和184.2%。采用风辅静电方式仿真柑橘树冠层内部叶片正面雾滴附率为48个·cm-2，叶片反面为37个·cm-2，相对于无风辅无静电方式分别提高166.7%和428.6%。图13为该机型第一代样机。

2.1.5 气流辅助技术与药液循环技术结合型喷雾机

Baldoin 等研制一款风送式循环喷雾器，可节省约32%用药量[40]。该机型如图14所示。

Molari等使用CFD技术耕作原型机，在无植被情况下，该喷雾器可有效减少损失，将喷雾液体回收率提高至95%[41]。Ade等设计一款带有管道回收系统空气辅助隧道喷雾机，对地面损失少于喷洒液体5%，低于常规喷雾器损失[42]。叶子保留液体量约为两个阶段分配液体87%，Ade 等设计并优化，流向地面液体损失少于喷洒液体2%[43]。在滴水极限以下运行时，冠层密度和流速不会影响损失，损失总计约占喷洒液体8%。在桃园中开展试验，该原型机由4个轴流风扇产生高空气流量，最高可喷射4～5 m。与传统喷雾器相比损失减少50%～60%，具有良好垂直分布均匀性和良好渗透度。该原型可收集和回收约20%～30%喷洒液体[44]。Pergher等设计空气辅助隧道喷雾机，静态条件下最大回收率为95.1%，田间条件下回收率为34%～77%[45]。

2.1.6 气流辅助技术与药液循环、静电喷雾技术结合型喷雾机

Celen 等研究空气辅助对隧道式静电喷雾机影响，以提高隧道式静电喷雾机喷雾成功率为目标[46]。安装空气辅助系统后植物喷雾沉积物增加，减少地面残留量和喷雾沉积物暴露量漂移。为促进喷雾液滴渗透到植物冠层中，使用空气支撑单元。空气支撑系统将空气喷入隧道，由于隧道中增压空气流影响，喷洒液体散布植物叶片表面。

3 果园风送式喷雾机智能化发展前景

3.1 多技术集成化

应用机电液一体化技术提高喷雾机果园地形适应性，可适应山地果园起伏地形，提高安全性能，减少药液附着机会，实现遥控作业，降低生产成本。

气流辅助技术+其他变量喷雾技术/仿形喷雾技术/在线混药技术等应用效果显著提高，多技术集成将是未来风送式喷雾机发展方向。

3.2 农机农艺融合

加强农机农艺有效融合，针对不同生长期果树冠层结构特点和病虫害发生规律，合理采用农药喷洒方式。加强规范化果树栽培，规范化果园种植模式直接影响机械化通过性能和防治作业效果一致性；专业化、系列化密植型果园喷雾机开发，需果树不同生长期冠层结构和雾流场沉积特点，实现精量化、机械化、自动化和安全化施药。

3.3 风量精量可控

目前风送式变量喷雾机已实现根据靶标密度、树冠尺寸及树冠有无变量控制药液喷雾量，但尚未实现风速变量控制。对风速实现变量控制优点：当喷雾机对树叶密度和冠形较大果树喷雾时，可增大喷头出口风速，增强雾滴穿透能力，提高喷雾效果；当喷雾机对树叶密度和冠形较小果树喷雾时，可减少喷头出口风速，提高喷雾效果同时减少雾滴漂移。

3.4 “3S”技术应用

集成遥感、地理信息系统、全球定位系统的3S技术可为智慧喷药提供技术支撑。其中RS技术利用高分辨率传感器，采集地面空间分布地物光谱反射或辐射信息，在不同作物生长期，实施全面监测，根据光谱信息，作空间定性、定位分析，为定位处方农作提供大量田间时空变化信息[47]。“RS技术”与风送式喷雾机结合，可监测作物生长情况，获得不同时间序列图像，结合由物联网监测数据判断作物生理状况，实现自动喷药。

GIS是在计算机硬、软件系统支持下，对全部或部分地球表层空间中有关地理分布数据加以采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统[47]。将GIS技术应用到果园植保中，其制图功能可绘制作病虫灾害覆盖图、地形图、农田信息分布图等，为制定科学植保方案提供依据。

GPS 可提供实时、全天候和全球性导航、定位、定时服务[47]。农业信息空间和时间变化量采集是实现智慧农业关键之一，GPS在智慧农业中具有重要作用，其实时定位和精确定时功能可为智慧农业提供实时、高效、准确点位信息，可为农机作业提供高效导航信息，将农药喷洒到准确位置。

Yu 等设计一款搭载有GPS 导航系统果园风送式喷雾机，运用超声波传感器系统（CIS）识别树冠特征，图像识别系统精准感知果树树叶生长状况，搭载风况监测装置，可精准调节喷头角度和喷雾量[48]。Doruchowski 等开发一种作物适应性应用系统，实现果园精确、高效和安全喷雾[49]。该系统由3 个子系统组成：①作物健康传感器（CHS）识别水果作物健康状况，②作物识别系统（CIS）识别树冠尺寸和密度，③环境应用系统（EDAS），确定喷涂过程中环境条件。为保护果园周围敏感区域，喷雾器位置由GPS确定，喷嘴会根据风向自动调整。

3.5 “5G”技术应用

5G（5th generation），是第五代移动通信技术缩写[50]。5G 技术将使机械作业更加智能化、精准化、公开化、高效化[51]。5G 将助力传感器广泛使用，大量计算机视觉、机器学习技术与设备、设施融入农业，农业自动化、智能化水平取得突破性进展，必将使喷雾机械作业过程更加智能化。

4 结 论

a.提高喷雾精确性、施药装备自动化程度是智能施药发展方向。现阶段，智能施药技术已取得突破性进展，但如何应用于实际生产，依据我国基本国情实现按需施药，将需进一步探索。

b. 多技术集成优势逐步体现。我国未来风送式喷雾机将向智能化方向继续发展，高新技术例如“3S”技术、“5G”技术等将与风送式喷雾机结合，果园风送式喷雾设备将迎来智能化、精准化、高效化发展阶段。

c.各种探测树形结构技术愈发成熟，可精准模拟树形，靶向施药。喷雾机安全性能将大幅提升。在喷雾过程中操作者减少或避免与农药接触，减少中毒风险；智能化精准施药将减少农药浪费，保护环境。