翟長遠(yuǎn)，趙春江，Ning Wang , John Long , 王 秀，Paul Weckler , 張海輝

（1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，楊凌 712100；2. 國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，北京 100097；3. Department of Biosystems and Agricultural Engineering, Oklahoma State University, Stillwater, OK 74078, USA；4. 農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100；5. 陜西省農(nóng)業(yè)信息感知與智能服務(wù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100）

0 引 言

果園病蟲害的有效防治可以挽回經(jīng)濟(jì)損失近 10%，目前病蟲害防治主要靠化學(xué)農(nóng)藥，果樹 1 a內(nèi)噴施農(nóng)藥8～15次，其工作量約占果樹管理總工作量的30%左右[1-3]。果園噴霧靶標(biāo)具有不連續(xù)種植和冠層較大、枝葉稠密的特點(diǎn)，為了提高藥液穿透能力，國內(nèi)外推廣使用風(fēng)送噴霧技術(shù)。該技術(shù)是聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的一種高效施藥技術(shù)，高速氣流將噴頭霧化的霧滴進(jìn)一步撞擊霧化成細(xì)小均勻的霧滴、增強(qiáng)了附著性能，同時(shí)強(qiáng)大氣流翻滾枝葉裹挾著霧滴穿入靶標(biāo)內(nèi)膛，大大增加了霧滴貫穿能力[1]。

果園噴霧裝備尚未達(dá)到精準(zhǔn)探測(cè)按需噴施的要求，是目前世界范圍內(nèi)面臨的普遍問題。為了達(dá)到防治病蟲害的效果，實(shí)際作業(yè)過程中大多采用過量噴施，導(dǎo)致了化學(xué)農(nóng)藥大量殘留，嚴(yán)重污染生態(tài)環(huán)境和威脅果品安全生產(chǎn)。果園噴霧在技術(shù)層面上存在2大難題：1）難以在線計(jì)算靶標(biāo)藥量需求分布并實(shí)施對(duì)靶變量噴霧控制，一方面因藥量不足無法及時(shí)消除病蟲害，另一方面過量施用，威脅農(nóng)產(chǎn)品安全；2）難以在線計(jì)算風(fēng)力需求并進(jìn)行按需調(diào)控，風(fēng)力過小會(huì)導(dǎo)致冠層堂內(nèi)沉積不足，過大又會(huì)將藥液吹出冠層，造成農(nóng)藥飄移，嚴(yán)重污染農(nóng)田生態(tài)環(huán)境。為了解決上述難題實(shí)現(xiàn)果園精準(zhǔn)噴霧，需要研究果園靶標(biāo)識(shí)別方法以獲取靶標(biāo)位置、體積、稠密程度和病蟲害程度等特征信息，研究噴藥量智能控制技術(shù)以實(shí)現(xiàn)對(duì)靶變量噴霧，研究風(fēng)力變量調(diào)控方法以實(shí)現(xiàn)按需送風(fēng)供給。本文通過綜述國內(nèi)外果園靶標(biāo)在線探測(cè)、噴藥量調(diào)控和風(fēng)力調(diào)控方法研究現(xiàn)狀，分析存在的問題，并指出果園風(fēng)送噴霧精準(zhǔn)控制方法未來的研究方向。

1 果園靶標(biāo)探測(cè)方法

果園靶標(biāo)在線探測(cè)是果園對(duì)靶精準(zhǔn)噴霧的基礎(chǔ)和前提，其目的是為了在果園噴霧過程中實(shí)時(shí)獲取靶標(biāo)的特征信息，以確定靶標(biāo)位置并計(jì)算靶標(biāo)藥量和風(fēng)力供給需求。靶標(biāo)探測(cè)所用技術(shù)很多，比如光電感知、超聲波傳感、激光雷達(dá)、圖像、光譜和電子鼻技術(shù)，探測(cè)的特征信息有果樹位置、冠層外形輪廓、冠層體積、冠層內(nèi)部結(jié)構(gòu)、枝葉稠密程度、病蟲害程度等等[4-6]，果園靶標(biāo)特征信息探測(cè)方法及其發(fā)展水平如表1所示。

表1 果園靶標(biāo)特征信息探測(cè)方法及發(fā)展水平Table 1 Orchard target detection methods and their development levels

1.1 果樹位置探測(cè)與對(duì)靶控制

果樹位置是對(duì)靶噴霧控制中最基本的特征信息，該信息可用于基于靶標(biāo)有無進(jìn)行開關(guān)噴霧控制，將藥液噴施到果樹靶標(biāo)上，而非果樹株間空隙內(nèi)。

靶標(biāo)位置探測(cè)可以根據(jù)果樹的不同特點(diǎn)，設(shè)計(jì)或者選用不同類型傳感器探測(cè)不同高度樹冠的位置，常用的傳感器有光學(xué)傳感器和超聲波傳感器?；诠鈱W(xué)感知原理，研究者設(shè)計(jì)了多款果樹靶標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)和對(duì)靶噴霧控制系統(tǒng)應(yīng)用于果園噴霧中。鄒建軍等[7]采用不易受太陽光干擾的紅外光作為光源，運(yùn)用集成電路和光學(xué)編碼技術(shù)設(shè)計(jì)了果樹靶標(biāo)探測(cè)器；鄧巍等[8]選用了反射率很強(qiáng)的特征波長850 nm并對(duì)果樹靶標(biāo)紅外探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。李麗等[9]針對(duì)果園噴霧主要對(duì)綠色靶標(biāo)進(jìn)行噴霧的需求，設(shè)計(jì)了具有綠色識(shí)別功能的果樹冠層探測(cè)系統(tǒng)。劉金龍等[10]基于模擬正弦調(diào)制技術(shù)，設(shè)計(jì)了果園靶標(biāo)紅外探測(cè)器，并對(duì)探測(cè)距離和反射面積進(jìn)行了試驗(yàn)研究。基于光學(xué)探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為果園對(duì)靶噴霧提供了 1種靶標(biāo)在線探測(cè)手段，推動(dòng)了對(duì)靶噴霧控制的發(fā)展。

非接觸靶標(biāo)超聲探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，帶動(dòng)了果樹樹冠位置探測(cè)技術(shù)的進(jìn)步。早在1989年，Giles等[11]研究指出基于超聲感知靶標(biāo)位置進(jìn)行對(duì)靶噴霧的可能性。根據(jù)探測(cè)目的和精度需求，可以在噴霧左右側(cè)分別布置 1個(gè)傳感器[12]或者多個(gè)傳感器[13-14]，以感知果樹靶標(biāo)的位置。Miranda-Fuentes等[14]基于超聲波傳感器陣列設(shè)計(jì)了風(fēng)送對(duì)靶噴霧機(jī)對(duì)冠層稠密的橄欖樹噴霧，在風(fēng)機(jī)前方不同高度布置超聲波傳感器，每個(gè)傳感器對(duì)應(yīng) 1組噴頭，控制器根據(jù)超聲波傳感器探測(cè)到的不同高度冠層存在與否，控制對(duì)應(yīng)高度的噴頭組進(jìn)行對(duì)靶噴霧以提高冠層內(nèi)部噴霧沉積率，如圖1所示。

圖1 使用超聲波傳感器陣列探測(cè)樹冠的果園對(duì)靶噴霧機(jī)Fig.1 Orchard target-oriented sprayer with ultrasonic sensors detecting tree canopies

如果果園中果樹樹冠形狀和尺寸比較類似，其位置可以根據(jù)樹干位置進(jìn)行估計(jì)，也可以采用探測(cè)樹干的方法進(jìn)行靶標(biāo)探測(cè)。翟長遠(yuǎn)等[15]采用探測(cè)樹干估算樹冠位置的方法，使用紅外光電傳感器設(shè)計(jì)了幼樹果園靶標(biāo)探測(cè)器，并在實(shí)驗(yàn)室和果園進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)該方法能夠準(zhǔn)確探測(cè)出樹干位置，并進(jìn)一步推算出樹冠位置，適用于冠層比較類似的果園靶標(biāo)探測(cè)。Shalal等[16-17]采用激光和圖像技術(shù)相結(jié)合的方法研究并獲得果園靶標(biāo)樹干位置探測(cè)方法，該方法還能成功區(qū)分樹樁和果樹支撐架等非樹干物體。Zou等[18]采用紅外光電傳感器實(shí)時(shí)探測(cè)果園靶標(biāo)位置，并根據(jù)探測(cè)結(jié)果實(shí)施對(duì)靶噴霧控制。宋淑然等[13]采用激光測(cè)距傳感器探測(cè)拖拉機(jī)與靶標(biāo)樹干之間的距離，并根據(jù)該距離實(shí)時(shí)調(diào)整噴頭臂長度進(jìn)行仿型噴霧。

無論是直接探測(cè)樹冠還是探測(cè)樹干估測(cè)樹冠，傳感器都需要布置在噴頭前一定距離處，為控制噴頭啟閉位置計(jì)算留出時(shí)間。靶標(biāo)和噴頭的相對(duì)位置需根據(jù)實(shí)時(shí)車速計(jì)算得出，如果傳感器和噴頭之間的距離大于最小株距，還要對(duì)探測(cè)到的靶標(biāo)位置進(jìn)行暫存。實(shí)現(xiàn)這種提前探測(cè)延遲對(duì)靶噴霧控制，可以采用“數(shù)組游標(biāo)”式編程算法，詳見參考文獻(xiàn)[15]。

基于靶標(biāo)位置探測(cè)結(jié)果，根據(jù)對(duì)應(yīng)位置冠層有無進(jìn)行對(duì)靶噴霧控制，大大降低了藥液浪費(fèi)和環(huán)境污染，其藥液節(jié)省率與果樹間隙比例密切相關(guān)，空隙比例越大可節(jié)省的藥液比例越高[19-20]。

1.2 果樹外形輪廓探測(cè)與體積計(jì)算

超聲波測(cè)距傳感器可以非接觸式測(cè)量遠(yuǎn)處物體的距離，理論上該傳感器可以用于測(cè)量果園果樹靶標(biāo)到噴霧機(jī)之間的距離，進(jìn)而估算果樹的外形輪廓和體積[21-23]。超聲傳感器發(fā)出波束的角度對(duì)靶標(biāo)的感知范圍有直接影響，為了測(cè)量某一點(diǎn)的距離，希望波束角度越小越好，在果園靶標(biāo)探測(cè)應(yīng)用中超聲波束角一般小于15°。

為了驗(yàn)證超聲傳感器探測(cè)果園靶標(biāo)的可行性，Escolà等[24]使用單個(gè)超聲傳感器或者多個(gè)固定在不同高度的傳感器，在蘋果園開展果樹冠層探測(cè)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)單個(gè)超聲傳感器果園測(cè)距誤差比在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)有所提高，平行布置的傳感器陣列如果距離較小會(huì)產(chǎn)生互相干擾誤差，布置距離為60 cm時(shí)干擾較小。Jeon等[25]在高寒、室外溫度、側(cè)風(fēng)、溫度變化、灰塵、不同行駛速度、藥液霧滴云和多傳感器互擾等多種條件下，對(duì)傳感器性能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果說明超聲傳感器用于果園對(duì)靶變量噴霧是可行的。

用多個(gè)超聲傳感器組成探測(cè)陣列，通過實(shí)時(shí)讀取記錄各個(gè)傳感器到靶標(biāo)的距離值，可以獲得靶標(biāo)的外形輪廓，也可以進(jìn)一步采用“積分法”計(jì)算出冠層體積，探測(cè)示意圖如圖2所示[26]。

圖2 基于超聲傳感果樹冠層外形探測(cè)和體積計(jì)算示意圖Fig.2 Schematic diagram of orchard tree canopy profile detection and volume calculation based on ultrasonic sensors

Zhai等[26-27]在低速條件對(duì)自制規(guī)則樹、山楂樹和花期櫻桃樹分別進(jìn)行了靶標(biāo)外形輪廓和體積探測(cè)試驗(yàn)，其結(jié)果顯示體積探測(cè)精度分別為92.8%、87%和90.0%，外形輪廓探測(cè)清晰準(zhǔn)確；靶標(biāo)外形輪廓探測(cè)速度影響試驗(yàn)表明，不同速度對(duì)靶標(biāo)形狀探測(cè)影響不大，但速度越高滯后越明顯，滯后量與速度成正比[28]。Maghsoudi等[29]運(yùn)用超聲波傳感器實(shí)時(shí)獲取果樹靶標(biāo)冠層距離和體積，并基于冠層體積變化進(jìn)行變量噴霧，在噴霧效果類似的情況下，平均節(jié)省了34.5%的藥量。

激光雷達(dá)高頻率發(fā)射出脈沖激光束，根據(jù)反射回來的激光回波點(diǎn)云，測(cè)量周圍物體各點(diǎn)的距離，也可用于測(cè)量果園靶標(biāo)的外形和體積信息[30-33]。Liu等[34]評(píng)估獲知激光傳感器可以成功探測(cè)出復(fù)雜靶標(biāo)外形輪廓；李秋潔等[35]采用車載二維激光掃描儀成功探測(cè)計(jì)算出樹冠中心距離和樹冠體積；Osterman等[36]基于激光雷達(dá)設(shè)計(jì)了果園靶標(biāo)外形探測(cè)系統(tǒng)，噴霧過程中實(shí)時(shí)感知不同高度果樹冠層的形狀，并在線控制上中下 3個(gè)噴霧臂角度和位置以實(shí)現(xiàn)仿型噴霧。Miranda-Fuentes等[37]對(duì)比了樹冠垂直投影面積法（VCPA）、橢圓體積法（VE）和樹冠輪廓體積法（VTS）3種基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)估算樹冠冠層體積方法，3種方法都具有較高精度，其中樹冠垂直投影面積法更適合常規(guī)樹冠體積測(cè)量。

基于機(jī)器視覺獲取果樹樹冠圖像后，通過圖像處理也可以計(jì)算果樹冠層的面積，在獲得樹冠體積和冠層面積之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系后，可以進(jìn)一步根據(jù)冠層面積推算出樹冠體積。丁為民等[38]構(gòu)建了樹冠面積與樹冠體積對(duì)數(shù)之間的線性關(guān)系模型，進(jìn)一步提出了基于機(jī)器視覺的果樹樹冠體積單點(diǎn)和多點(diǎn)測(cè)量方法。

1.3 果樹冠層內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測(cè)和枝葉稠密程度估算

果樹冠層枝葉稠密程度是影響果園藥量噴施和風(fēng)送風(fēng)力供給的另外一個(gè)重要指標(biāo)。在冠層體積和病蟲害程度等其他因素不變的情況下，枝葉越稠密，藥量噴施和風(fēng)力供給需求會(huì)越大。枝葉稠密程度的評(píng)估量化指標(biāo)有多種，常見的有葉面積指數(shù)（leaf area index）、葉面積密度（leaf area density）、點(diǎn)樣方評(píng)估值（point quadrat analysis）和生物量密度（biomass density）。其中，葉面積指數(shù)是指單位土地面積上葉片總面積占土地面積的倍數(shù)；葉面積密度指單位冠層體積內(nèi)葉片總面積；點(diǎn)樣方評(píng)估值是從樹冠冠層中選取采樣區(qū)塊，在每個(gè)采樣區(qū)塊中，朝著某一個(gè)方向移動(dòng)某個(gè)點(diǎn)，記錄枝葉與該點(diǎn)的交疊次數(shù)，次數(shù)越多說明枝葉越稠密；生物量密度是指單位冠層體積內(nèi)葉片鮮重生物量。

果樹冠層枝葉稠密程度可以通過探測(cè)冠層內(nèi)部結(jié)構(gòu)獲得，Sanz-Cortiella等[39]使用SICK LMS200二維激光雷達(dá)傳感器雙邊掃描果樹冠層，獲得了冠層三維結(jié)構(gòu)圖（圖3），并使用統(tǒng)計(jì)方法，獲得了落在冠層枝葉上的激光點(diǎn)云數(shù)量與葉面積之間的線性關(guān)系方程。Sanz等[40]進(jìn)一步根據(jù)果園試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)果樹冠層葉面積密度與冠層體積的對(duì)數(shù)存在線性關(guān)系，并建立了葉面積密度和冠層體積之間的數(shù)學(xué)方程。Llop等[41]將激光雷達(dá)用于藤式作物西紅柿冠層稠密度探測(cè)，獲得了葉面積指數(shù)與冠層體積之間的線性方程。

圖3 通過激光雷達(dá)雙邊探測(cè)獲得果樹冠層內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.3 Orchard tree canopy internal structure detection from both sides using LIDAR

超聲波傳感器發(fā)出超聲發(fā)射波后碰到障礙物會(huì)有超聲回波產(chǎn)生并返回，障礙物形狀大小等特性會(huì)影響超聲回波的強(qiáng)度。基于此特點(diǎn)，Palleja等[42]做一假設(shè)：超聲回波和冠層密度存在正相關(guān)關(guān)系，果樹冠層越稠密，產(chǎn)生的超聲回波越強(qiáng)，如圖 4所示，并通過針對(duì)葡萄園和蘋果園 1個(gè)完整生長季節(jié)的觀測(cè)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)超聲回波強(qiáng)度的確和枝葉稠密程度存在正相關(guān)關(guān)系，并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)點(diǎn)樣方分析值與超聲波回波強(qiáng)度成正比[43]。該結(jié)果雖然沒有建立冠層生物量密度和超聲波強(qiáng)度直接的數(shù)學(xué)關(guān)系，但仍能說明基于超聲波回波強(qiáng)度指導(dǎo)噴霧控制是可行的。Li等[44]進(jìn)一步采用中心組合正交回歸試驗(yàn)方法，建立了平面果園靶標(biāo)超聲回波能量與探測(cè)距離和冠層生物量密度之間的數(shù)學(xué)方程，該方程可為基于生物量分布的施藥量和風(fēng)送風(fēng)力實(shí)時(shí)調(diào)控提供數(shù)學(xué)模型支持。

圖4 基于超聲波傳感器冠層稠密程度探測(cè)Fig.4 Canopy density detection based on ultrasonic sensor

微波雷達(dá)利用電磁輻射原理，可以測(cè)量發(fā)射器與靶標(biāo)之間的距離，其具有受大氣環(huán)境影響低的優(yōu)勢(shì)，可以用于大尺度冠層結(jié)構(gòu)測(cè)量[6]。丁為民等采用微波雷達(dá)技術(shù)，設(shè)計(jì)了微波裝置用于探測(cè)果樹冠層稠密程度，并用于果樹仿形精量噴霧機(jī)上[45]。

1.4 果樹病蟲害程度探測(cè)

基于果樹病蟲害程度進(jìn)行對(duì)靶變量噴霧是高等級(jí)的果園精準(zhǔn)施藥技術(shù)。該技術(shù)主要實(shí)施方式有：1）基于病蟲害分布地理信息進(jìn)行按需變量噴霧，2）基于病蟲害在線探測(cè)進(jìn)行按需對(duì)靶噴霧。第 1種方式需要提前調(diào)研繪制出果園病蟲害程度分布地圖，噴霧過程中控制系統(tǒng)讀取該信息，并根據(jù)藥液需求分布進(jìn)行變量噴霧。第 2種方式要求果園噴霧控制系統(tǒng)能在線探測(cè)果園不同位置病蟲害分布信息，并實(shí)時(shí)計(jì)算出藥液需求分布進(jìn)行對(duì)靶變量噴霧。

基于病蟲害程度精準(zhǔn)噴霧技術(shù)核心是病蟲害獲取方法。病蟲害獲取分為直接法和間接法，其中直接法主要基于血清學(xué)（serological methods）或者分子技術(shù)（molecular methods）在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)檢測(cè)病蟲害程度[46-47]，該方法準(zhǔn)確性高，但是檢測(cè)流程相對(duì)復(fù)雜，費(fèi)用較高，且難以用于果園在線自動(dòng)化快速探測(cè)[48]。

間接法主要有基于果樹外部形態(tài)變化和病蟲害揮發(fā)性有機(jī)化合物變化 2種方式。光譜和圖像技術(shù)可以用于探測(cè)果樹外部形態(tài)特征變化[49]，目前研究者針對(duì)不同的對(duì)象和病害，采用的方法主要有：可見光圖像[50-53]，熒光圖像[54]，高光譜圖像[55-56]，近紅外光譜[57]，熒光光譜[58]，核磁共振和太赫茲[59]等。李震等[60]面向柑橘果園蟲害監(jiān)測(cè)應(yīng)用，基于可見光圖像，開發(fā)一種適用于機(jī)器自動(dòng)識(shí)別的實(shí)蠅分類算法，用于識(shí)別橘小實(shí)蠅、南瓜實(shí)蠅和瓜實(shí)蠅等成蟲。Singh等[61]研究了圖像識(shí)別分段算法，并針對(duì)多種作物和病害進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，證實(shí)其具有病害快速識(shí)別和分類的能力，其中針對(duì)檸檬的太陽燒傷疾病的識(shí)別結(jié)果如圖5所示。

圖5 檸檬葉片輸入圖像和太陽燒傷疾病識(shí)別結(jié)果Fig.5 Input image of lemon leaf and identification result of sun burn disease

樹木和作物釋放的揮發(fā)性有機(jī)化合物（volatile organic compounds）占地球大氣層中該氣體的三分之二[48]。果樹枝葉揮發(fā)性有機(jī)化合物有時(shí)會(huì)受到病蟲害的影響，基于該原理，可以通過探測(cè)該揮發(fā)性有機(jī)化合物獲得果樹病蟲害信息。電子鼻由一系列氣體傳感器組成，可以用于探測(cè)揮發(fā)性氣體的變化，進(jìn)而探測(cè)病蟲害程度。典型的電子鼻主要由測(cè)試箱、計(jì)算機(jī)、蒸汽發(fā)生器、清潔氣體容器等組成，其中測(cè)試箱中包括溫控腔、電子鼻傳感器陣列、氣體流控制通道等，被測(cè)對(duì)象氣體進(jìn)入溫控腔后，傳感器陣列分別讀取數(shù)據(jù)后傳送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理以得出最終探測(cè)結(jié)果[62]。Li等[63]使用Cyranose?320電子鼻通過一個(gè)可控的環(huán)境監(jiān)測(cè)出了藍(lán)莓健康和病害時(shí)釋放的氣體變化，表明該技術(shù)可以用于植物病蟲害程度非接觸性測(cè)量。Laothawornkitkul等[64]也使用電子鼻驗(yàn)證了通過探測(cè)該揮發(fā)性有機(jī)化合物獲得作物病蟲害信息的可行性。

病蟲害程度探測(cè)方面，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究，也取得了一定的成果，部分研究結(jié)果也預(yù)示了病蟲害程度快速探測(cè)的可能性。但該成果離果園在線探測(cè)指導(dǎo)對(duì)靶噴霧需求相差較遠(yuǎn)，還需要有針對(duì)性地開展深入研究。

1.5 小 結(jié)

果園精準(zhǔn)對(duì)靶噴霧控制需要獲取果樹冠層的位置、體積、枝葉稠密程度和病蟲害程度等特征信息，從技術(shù)層面上看，這些特征信息在線探測(cè)難度依次變大。目前看來，果樹冠層位置和體積特征信息獲取方法取得了較大的突破，對(duì)應(yīng)的裝備也趨于成熟，正朝著產(chǎn)品化方向深入發(fā)展；枝葉稠密程度和病蟲害程度方面成果主要處于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)技術(shù)攻關(guān)階段，有待進(jìn)一步朝著果園應(yīng)用方向深入研究實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。

2 果園噴施藥量調(diào)控方法

變量噴霧技術(shù)早在大田噴桿式噴霧機(jī)研發(fā)中就得到了巨大的發(fā)展和廣泛運(yùn)用[65]。由于大田施藥基本需求是大田地面藥液均勻沉積，噴霧系統(tǒng)主要通過速度傳感器獲得噴霧機(jī)行駛速度，采用管道藥液總藥量控制方法實(shí)時(shí)調(diào)控噴藥量，以實(shí)現(xiàn)按照設(shè)定施藥量均勻噴施農(nóng)藥。與大田變量噴霧控制需求相比，果園噴霧藥量調(diào)控不僅需要對(duì)管道總藥液進(jìn)行控制，而且需要對(duì)不同高度位置噴頭藥量進(jìn)行獨(dú)立調(diào)控[66]。

2.1 管道總藥量控制方法

果園噴霧機(jī)大都采用噴藥前將農(nóng)藥按照某種比例在藥箱中配比完成，噴藥過程中通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)管道流量調(diào)控施藥量。該控制系統(tǒng)相對(duì)簡單，可以采用流量傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)噴藥量，根據(jù)噴藥需求使用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥改變管道噴霧壓力，進(jìn)而調(diào)控噴藥量。由于系統(tǒng)的壓力差與流量的平方成正比，也可以使用較便宜的壓力傳感器代替流量傳感器，通過監(jiān)測(cè)管道壓力計(jì)算出實(shí)時(shí)噴藥量，以進(jìn)行變量噴霧控制?？刂葡到y(tǒng)的控制策略有很多種選擇，可以采用滯環(huán)開關(guān)控制[67]、經(jīng)典 PID控制[68-69]、模糊控制[70-72]和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[73]等控制策略。郭娜等[74]構(gòu)建了旁路節(jié)流式噴霧管道，如圖6所示，并采用模糊PID 控制與 Smith 預(yù)估控制相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了一套具有較好適應(yīng)能力和魯棒性的變量噴霧控制系統(tǒng)?；诠艿揽偹幰嚎刂品椒ǖ恼{(diào)控系統(tǒng)也進(jìn)行了很好的產(chǎn)品化和市場(chǎng)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]。

圖6 旁路節(jié)流式變量噴藥管路圖Fig.6 Bypass pipeline diagram of variable rate spraying system

噴藥前藥箱內(nèi)配比農(nóng)藥的方法使噴霧系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，但也存在剩余藥液難以回收再利用、噴藥機(jī)藥箱和管道難以清洗等問題[77]。采用大水箱和小藥箱組合方式將水和藥分開存放，噴霧過程中通過藥泵將藥液注入或者吸入到噴霧管道或者噴頭混合腔中進(jìn)行在線混合，可以通過改變藥泵流量進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控噴藥量以解決上述問題[78-79]。楊洲等[80]設(shè)計(jì)了一款果園噴霧機(jī)在線混藥系統(tǒng)，其通過自吸藥泵將藥液吸入到管道中進(jìn)行藥液混合，原理示意圖如圖 7所示。蔡祥等[81]在噴頭前安裝了藥液混合腔體，直接將藥液注入到每一個(gè)噴頭的混藥腔內(nèi)進(jìn)行藥液在線混合，使用電磁閥控制噴頭的藥液供給，該方法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，但其不僅能進(jìn)行管道內(nèi)藥量控制，也能實(shí)現(xiàn)單個(gè)噴頭藥量的獨(dú)立控制。Raven公司也開發(fā)了商業(yè)化直接注入系統(tǒng) Sidekick Pro?[82]，該系統(tǒng)在 John Deere公司多款商業(yè)化噴霧機(jī)R4030，R4038和R4045上得到了應(yīng)用。

圖7 在線混藥噴霧系統(tǒng)原理示意圖Fig.7 Schematic diagram of online mixing and spraying system

2.2 噴頭藥量獨(dú)立控制方法

果園噴霧不同高度的藥量需求通常不盡相同，有時(shí)采用在不同高度布置不同流量的噴頭來實(shí)現(xiàn)，如果果樹形狀較為一致，該方法可以在一定程度上改善藥液在冠層上沉積分布。然而果園噴霧中，同一高度處不同位置藥量需求通常也是不同的，不同高度處的藥量比例也時(shí)刻發(fā)生著變化，僅通過在不同高度布置不同流量噴頭無法滿足精準(zhǔn)噴霧的需求?；谠撔枨?，噴頭流量的獨(dú)立控制方法近些年成了科研院所和跨國公司研究的熱點(diǎn)。

為了控制噴頭流量，可在噴頭前段增加一個(gè)比例閥，通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)比例閥的開度調(diào)控噴頭流量。Deng等[83]使用法國Burkert公司6023型號(hào)電控比例調(diào)節(jié)閥和噴頭進(jìn)行組合，采用PWM（pulse-width modulation）技術(shù)調(diào)節(jié)比例閥孔徑，進(jìn)行變量噴霧試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該方法流量調(diào)節(jié)范圍大，但藥液的分布和噴霧角受流量影響很大。更多的研究者使用電磁閥和噴頭組合進(jìn)行噴頭流量獨(dú)立控制，不僅可以根據(jù)靶標(biāo)有無實(shí)時(shí)開啟和關(guān)閉噴頭，還可以采用PWM技術(shù)控制噴頭流量，該方法使用PWM波快速通斷電磁閥進(jìn)行快速間歇式噴霧，其噴頭流量主要受噴霧壓力和 PWM 占空比影響，動(dòng)態(tài)噴霧均勻性主要受PWM頻率影響。蔣煥煜等[84]采用分段直線擬合的方法建立了特定噴霧壓力下噴頭流量與占空比的函數(shù)關(guān)系；Zhai等[85]采用中心組合正交回歸試驗(yàn)方法，建立了噴頭流量與噴霧壓力、PWM頻率和占空比之間的函數(shù)關(guān)系，這些方程的建立可為變量噴霧控制提供必需的數(shù)學(xué)方程支持。李龍龍等[86]研究發(fā)現(xiàn) PWM 變量噴霧頻率越高，流量調(diào)節(jié)倍數(shù)越大，在30 Hz、0.5 Mpa工況下，流量調(diào)節(jié)倍數(shù)可達(dá)10倍；蔣煥煜等[87]試驗(yàn)結(jié)果表明，PWM頻率越高，噴霧前進(jìn)方向上的霧量分布均勻性越好。但是，PWM頻率越高，電磁閥的使用壽命會(huì)越短，由于受市場(chǎng)上電磁閥質(zhì)量和使用壽命的影響，研究者多采用 10 Hz[85,88]甚至更低的PWM頻率[84,87]。美國John Deere 公司針對(duì)PWM噴霧電磁閥使用壽命和噴霧均勻性問題，研發(fā)了 ExactApply?噴頭流量獨(dú)立控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)中所用噴頭的PWM頻率可達(dá)30 Hz，高頻率使噴霧更連續(xù)，噴霧壓力也更穩(wěn)定[89]。針對(duì)單噴頭流量調(diào)節(jié)范圍有限的問題，徐艷蕾等[90]設(shè)計(jì)了多噴頭組合變量噴霧控制系統(tǒng)，其流量調(diào)節(jié)范圍得到了很大的提高，可為果園對(duì)靶變量噴霧系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

2.3 小 結(jié)

果園噴霧藥量調(diào)控技術(shù)與方法在基礎(chǔ)研究和產(chǎn)品開發(fā)方面均取得了較多成果。其中管道總藥量控制方法在管道設(shè)計(jì)、混藥方式、藥液流量控制策略方面都得到了巨大的突破，也研發(fā)出了多款市場(chǎng)化噴霧控制系統(tǒng)和噴霧機(jī)產(chǎn)品。噴頭藥量獨(dú)立控制方法也開展了深入的研究，并取得了技術(shù)上的突破，產(chǎn)品化方面也取得了進(jìn)展，正在朝著耐用實(shí)用化方向發(fā)展。

3 果園風(fēng)送噴霧風(fēng)力調(diào)控方法

果園風(fēng)送噴霧果樹冠層內(nèi)外沉積分布很大程度上取決于風(fēng)送系統(tǒng)風(fēng)力供給[91-92]。風(fēng)力調(diào)控的重要性不亞于藥量調(diào)控，只有風(fēng)力和藥量都得到精確控制，才能實(shí)現(xiàn)果園對(duì)靶精準(zhǔn)噴霧。風(fēng)送噴霧風(fēng)力 3要素為風(fēng)向、風(fēng)速和風(fēng)量，果園風(fēng)送噴霧風(fēng)力控制需要準(zhǔn)確的方向、恰當(dāng)?shù)娘L(fēng)速和適當(dāng)?shù)娘L(fēng)量。風(fēng)送方向需要和設(shè)定的噴霧方向一致，風(fēng)速和風(fēng)量需求方面不同果樹具有不同組合特點(diǎn)，比如枝葉稠密但體積較小的樹冠一般需要高風(fēng)速低風(fēng)量，而枝葉稀疏但體積較大的樹冠則需要低風(fēng)速高風(fēng)量。風(fēng)力按需調(diào)控需要對(duì)風(fēng)速和風(fēng)量分別按需調(diào)控，需要在線探測(cè)計(jì)算果樹風(fēng)速風(fēng)量需求，實(shí)時(shí)控制風(fēng)送執(zhí)行機(jī)構(gòu)供給合適的風(fēng)力，使其經(jīng)過輸送空間損失以后，以恰當(dāng)?shù)娘L(fēng)力大小貫入果樹冠層中。目前風(fēng)送噴霧風(fēng)力調(diào)控方法相關(guān)研究主要集中于風(fēng)速風(fēng)量需求理論、風(fēng)場(chǎng)與霧場(chǎng)分布建立方法和風(fēng)力調(diào)節(jié)技術(shù)與裝置等[93-94]。

3.1 風(fēng)速風(fēng)量需求理論原則

要實(shí)現(xiàn)風(fēng)速和風(fēng)量調(diào)控，首先需要探測(cè)計(jì)算出風(fēng)速風(fēng)量需求量。早在2008年戴奮奮闡述了果樹風(fēng)量需求“置換原則”和風(fēng)速需求“末速度原則”，如圖8所示[95]。

圖8 風(fēng)送噴霧風(fēng)量置換原則和末速度原則Fig.8 Principle of air volume displacement and air final velocity for orchard air-assisted spraying

根據(jù)“置換原則”，噴霧機(jī)風(fēng)機(jī)吹出帶有霧滴的氣流，應(yīng)能驅(qū)除并完全置換果樹冠層噴霧作業(yè)空間所包容的全部空氣，風(fēng)機(jī)的風(fēng)量需求可用公式（1）計(jì)算獲得。

式中Q為風(fēng)送噴霧風(fēng)量需求，m3/s；V為噴霧機(jī)作業(yè)速度，m/s；H為樹高，m；L為噴霧機(jī)離樹的距離，m； K為考慮到氣流沿途損失而確定的系數(shù)，K值的選取與氣溫、自然風(fēng)速和風(fēng)向、果園冠層枝葉稠密程度等有關(guān)。

“末速度原則”是指噴霧機(jī)氣流貫穿噴霧冠層時(shí)的末速度不能低于某一數(shù)值，也不能過高。末速度過低會(huì)導(dǎo)致冠層樹葉難以翻轉(zhuǎn)，藥液沉積率尤其是在葉片背面的沉降率會(huì)大大降低。末速度過高時(shí)氣流會(huì)帶著大量藥液霧滴沉降到噴霧冠層外面和果園地面上，造成環(huán)境污染和農(nóng)藥浪費(fèi)。應(yīng)選擇氣流末速度使噴霧冠層出口處的氣流能夠持續(xù)翻轉(zhuǎn)樹葉以使藥液在葉片正反面均勻沉積且沉積量近似。

風(fēng)量需求“置換原則”和風(fēng)速需求“末速度原則”可以指導(dǎo)風(fēng)送噴霧機(jī)研制，為其提供參數(shù)估算方法。邱威等在果園自走式風(fēng)送噴霧機(jī)研制中，基于“置換原則”和“末速度原則”算出了風(fēng)機(jī)風(fēng)量需求，確定了風(fēng)機(jī)功率、轉(zhuǎn)速或者葉片數(shù)量等參數(shù)，進(jìn)而設(shè)計(jì)出了合理的風(fēng)送系統(tǒng)[96-98]，但該原則還不足以用于風(fēng)送噴霧過程中風(fēng)速風(fēng)量需求分布實(shí)時(shí)計(jì)算以進(jìn)行風(fēng)力精準(zhǔn)控制。“置換原則”風(fēng)量需求計(jì)算中用系數(shù) K調(diào)節(jié)氣溫、自然風(fēng)速和風(fēng)向、果園冠層枝葉稠密程度等因素對(duì)結(jié)果的影響，而該系數(shù)的影響因素太多，需要進(jìn)一步深入研究，探尋主要影響因素及影響規(guī)律?！澳┧俣仍瓌t”指出了末速度的基本要求，但用其指導(dǎo)計(jì)算噴霧機(jī)氣流速度控制還不夠，還需要研究末速度與果樹種類、枝葉特點(diǎn)和枝葉稠密程度的關(guān)系，研究氣流在空中和果樹冠層內(nèi)損失特性和計(jì)算方法，進(jìn)而為風(fēng)送系統(tǒng)氣流速度需求計(jì)算和在線控制提供數(shù)學(xué)方程支持。

3.2 風(fēng)場(chǎng)與霧場(chǎng)分布建模方法

風(fēng)送噴霧風(fēng)場(chǎng)建模研究主要包括計(jì)算流體力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）風(fēng)場(chǎng)模擬和實(shí)驗(yàn)室或者田間風(fēng)場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)建模研究。Dekeyser等[99]使用CFD仿真技術(shù)對(duì)風(fēng)送噴霧機(jī)外部空間進(jìn)行了風(fēng)場(chǎng)模擬，并在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了測(cè)試和驗(yàn)證，顯示CFD結(jié)果和測(cè)試結(jié)果吻合；Duga等[100]在模擬風(fēng)場(chǎng)時(shí)還考慮了外部風(fēng)力的影響；Garcia-Ramos等[101]進(jìn)一步將風(fēng)箱出口風(fēng)速和總體風(fēng)量輸出綜合考慮建模，如圖 9所示，并用三維風(fēng)速傳感器進(jìn)行了測(cè)量驗(yàn)證，進(jìn)一步說明了CFD方法的有效性。

丁天航等[102]對(duì)噴霧機(jī)風(fēng)箱內(nèi)部風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行模擬，對(duì)外部風(fēng)場(chǎng)測(cè)量驗(yàn)證和分布規(guī)律開展研究；王景旭等[103]還進(jìn)一步研究了噴霧靶標(biāo)對(duì)風(fēng)場(chǎng)和霧滴沉積的交互影響特性；陳建澤等[104]自制了風(fēng)速測(cè)量定位網(wǎng)架，使用風(fēng)速計(jì)測(cè)繪了遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)氣流場(chǎng)分布，并測(cè)量研究了噴霧機(jī)的噴霧沉積特性；針對(duì)風(fēng)場(chǎng)驗(yàn)證測(cè)量費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問題，李繼宇等[105]還使用風(fēng)速傳感器陣列設(shè)計(jì)了風(fēng)速快速測(cè)量系統(tǒng)。由風(fēng)場(chǎng)建模研究現(xiàn)狀可知，CFD仿真技術(shù)結(jié)合專用風(fēng)速測(cè)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室或果園試驗(yàn)，可為空間風(fēng)場(chǎng)動(dòng)態(tài)建模提供支持。

圖9 基于CFD進(jìn)行噴霧機(jī)后端風(fēng)速模擬Fig.9 Air velocity simulated with CFD in rear section of sprayer

3.3 風(fēng)力調(diào)控方法與裝備

風(fēng)送噴霧風(fēng)力調(diào)控方法與裝備受到國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。風(fēng)力三要素中，風(fēng)向的調(diào)控主要采用風(fēng)箱的旋轉(zhuǎn)和導(dǎo)流板角度調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)[96,106-107]，風(fēng)送系統(tǒng)風(fēng)速風(fēng)量的控制主要通過改變風(fēng)箱出風(fēng)口面積、進(jìn)風(fēng)口面積和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等方法實(shí)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)風(fēng)箱噴頭到噴霧靶標(biāo)的距離也可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)力供給調(diào)控。邱威等[96]在風(fēng)箱內(nèi)部設(shè)置導(dǎo)風(fēng)板和調(diào)風(fēng)板以根據(jù)需求調(diào)節(jié)風(fēng)箱內(nèi)部和出口處氣流方向。Khot等[108]報(bào)道了一種降低果園風(fēng)送噴霧飄移技術(shù)，該技術(shù)通過在普通風(fēng)送噴霧機(jī)出風(fēng)口增加遮擋板改變出風(fēng)口面積以調(diào)節(jié)風(fēng)送風(fēng)力，如圖10所示，其為提高霧滴靶標(biāo)內(nèi)部沉積、降低飄移提供了一種新的方法和思路。Miranda-Fuentes等[109]通過改變風(fēng)送系統(tǒng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)了風(fēng)力的調(diào)節(jié)；Qiu等[110-111]采用改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方法改變風(fēng)力供給，以研究風(fēng)力對(duì)霧滴沉積和漂移的影響特性；翟長遠(yuǎn)等[112]采用改變出風(fēng)口面積、進(jìn)風(fēng)口面積[113]和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速[114]方式設(shè)計(jì)了風(fēng)力調(diào)控裝置和噴霧機(jī)；李龍龍等針對(duì)果園噴霧風(fēng)量調(diào)節(jié)需求，設(shè)計(jì)了可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)公式調(diào)節(jié)風(fēng)量的風(fēng)送噴霧機(jī)[115]；Osterman等[36]和周良富等[98]設(shè)計(jì)的果園風(fēng)送噴霧機(jī)，雖然不改變風(fēng)箱出口風(fēng)力大小，但能夠移動(dòng)風(fēng)箱出口位置以調(diào)節(jié)噴霧靶標(biāo)處風(fēng)速風(fēng)量大小。

圖10 基于出風(fēng)口面積變化調(diào)控風(fēng)送氣流風(fēng)速風(fēng)量Fig.10 Air speed and volume control by adjusting air outlet area

目前研究者設(shè)計(jì)的風(fēng)速風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置，大都為單一的調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械結(jié)構(gòu)和調(diào)控系統(tǒng)均相對(duì)簡單，但存在的問題是風(fēng)速和風(fēng)量調(diào)節(jié)是相互耦合的，無法實(shí)現(xiàn)風(fēng)速和風(fēng)量的獨(dú)立控制。常見的 3種調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)速和風(fēng)量調(diào)節(jié)關(guān)系如表 2所示。從表中可以看出，單一的出風(fēng)口面積調(diào)控方法，風(fēng)速和風(fēng)量變化方向相反；進(jìn)風(fēng)口面積調(diào)控方法和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)控方法，風(fēng)速和風(fēng)量成正比例關(guān)系。上述任一種單一的調(diào)控方法，風(fēng)速和風(fēng)量調(diào)節(jié)都存在耦合關(guān)系，該耦合關(guān)系不利于風(fēng)力調(diào)控。比如在對(duì)靶噴霧過程中，探測(cè)出果樹樹冠特征發(fā)生了變化，冠層體積變小而枝葉變得更稠密，風(fēng)送噴霧需要高風(fēng)速低風(fēng)量，需對(duì)風(fēng)速和風(fēng)量進(jìn)行獨(dú)立控制。為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)速和風(fēng)量獨(dú)立調(diào)控，未來需要研究單一方法的調(diào)控規(guī)律，并進(jìn)一步研究2種或者多種方法組合的新的調(diào)控技術(shù)。

表2 風(fēng)速風(fēng)量調(diào)控方法及相互關(guān)系Table 2 Control methods of air speed, air volume and their relationships

3.4 小 結(jié)

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)風(fēng)送噴霧風(fēng)力調(diào)控需要，開展了風(fēng)速風(fēng)量需求理論原則、風(fēng)場(chǎng)霧場(chǎng)建模方法和風(fēng)力調(diào)控技術(shù)等相關(guān)研究，取得了大量的成果，為研發(fā)具有智能風(fēng)力調(diào)控的果園噴霧機(jī)提供了強(qiáng)有力的理論支持。但與藥量調(diào)控方法相比，該方面的研究還不夠深入，離實(shí)用化和產(chǎn)品化要求還有較大距離。風(fēng)速風(fēng)量需求理論原則還需要考慮靶標(biāo)特征在內(nèi)的多因素影響規(guī)律，風(fēng)場(chǎng)霧場(chǎng)快速建模方法有待在果園實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)一步優(yōu)化完善，風(fēng)速風(fēng)量調(diào)控技術(shù)尚需研究風(fēng)速風(fēng)量去耦化方法，進(jìn)而研發(fā)實(shí)用的風(fēng)力調(diào)控裝備。

4 面臨的困難

果園靶標(biāo)探測(cè)方法面臨的困難主要集中在靶標(biāo)冠層枝葉稠密程度和病蟲害程度在線探測(cè)上。目前研究者雖然驗(yàn)證了超聲波回波強(qiáng)度和枝葉稠密程度存在正相關(guān)關(guān)系，也在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)建立了平面果園靶標(biāo)超聲回波能量與冠層生物量密度之間的數(shù)學(xué)方程，但其能否用于果園在線探測(cè)還需要深入研究，模型普適性和穩(wěn)定性也有待驗(yàn)證。病蟲害程度在線探測(cè)面臨的困難更大，一直處于實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)測(cè)量階段其根本難題在于尚未成功探索出果園病蟲害的關(guān)鍵特征信息和與其對(duì)應(yīng)的非接觸式快速感知方法。

果園噴施藥量調(diào)控面臨的困難主要集中于面向產(chǎn)品化的技術(shù)集成和優(yōu)化，比如，管道總流量和噴頭流量集成控制，多噴頭組合控制方法優(yōu)化，面向小規(guī)模果園變量控制方法低成本研究等。

果園風(fēng)送噴霧風(fēng)力調(diào)控方法面臨的困難主要集中于3個(gè)方面。首先，風(fēng)速風(fēng)量需求理論原則研究還有待深入，風(fēng)量需求公式考慮的因子不夠全面，缺少冠層枝葉稠密度、自然風(fēng)速風(fēng)向等重要影響因子，風(fēng)速需求原則中也缺少氣流在空中和果樹冠層內(nèi)損失特性和計(jì)算方法描述，很難實(shí)際指導(dǎo)果園風(fēng)力在線調(diào)節(jié)控制；其次，風(fēng)場(chǎng)霧場(chǎng)建模方法還需要進(jìn)一步研究其與果樹冠層枝葉動(dòng)態(tài)交互影響特性，有待在果園實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)一步優(yōu)化完善；最后，風(fēng)速風(fēng)量調(diào)控之間存在耦合關(guān)系使一般的調(diào)控系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)風(fēng)速和風(fēng)量的獨(dú)立調(diào)控，該耦合關(guān)系的解耦方法和對(duì)應(yīng)的調(diào)控設(shè)備研發(fā)也是目前面臨的困難。

5 結(jié) 論

針對(duì)果園風(fēng)送噴霧難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)探測(cè)按需施藥，造成農(nóng)藥浪費(fèi)、果品安全生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重威脅這一世界性難題，各國根據(jù)各自的果園果樹特性，有針對(duì)性的開展了果園風(fēng)送噴霧精準(zhǔn)控制方法研究，主要成果如下：

1）果樹位置和冠層外形體積探測(cè)研究中，基于光學(xué)傳感器、超聲傳感器和激光雷達(dá)的多種探測(cè)方法都得到了田間應(yīng)用試驗(yàn)，樣機(jī)產(chǎn)品和商業(yè)化產(chǎn)品也得以開發(fā)?；诔晜鞲衅?、激光和微波雷達(dá)的冠層稠密程度探測(cè)方法在實(shí)驗(yàn)室和果園試驗(yàn)中得到了初步驗(yàn)證。采用不同原理基于光譜、機(jī)器視覺和電子鼻等不同傳感器的病蟲害程度感知技術(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段。

2）管道總藥量控制方法研究中，噴藥管道設(shè)計(jì)及壓力、流量等關(guān)鍵參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)設(shè)備已成熟；噴藥管道內(nèi)和噴頭混合腔內(nèi)兩種混藥方式都得到了應(yīng)用；經(jīng)典和現(xiàn)代控制策略的應(yīng)用使藥液流量控制系統(tǒng)研發(fā)日趨成熟，多款噴霧控制系統(tǒng)和噴霧機(jī)產(chǎn)品相繼問世?；赑WM 技術(shù)的噴頭藥量獨(dú)立控制方法實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破和產(chǎn)品化研發(fā)，正朝著實(shí)用和耐用方向發(fā)展。

3）風(fēng)送噴霧風(fēng)速風(fēng)量需求理論原則已經(jīng)提出，在風(fēng)量需求估算、噴霧機(jī)風(fēng)箱研發(fā)等方面提供了初步理論參考；基于CFD的風(fēng)場(chǎng)模擬方法的有效性在實(shí)驗(yàn)室和田間試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證，其有望助力風(fēng)場(chǎng)霧場(chǎng)快速建模和風(fēng)力損失規(guī)律研究；多種風(fēng)力調(diào)控方法相繼出現(xiàn)，風(fēng)力調(diào)控裝備樣機(jī)也得到研制，但調(diào)控手段相對(duì)單一尚難以實(shí)現(xiàn)風(fēng)速和風(fēng)量的獨(dú)立控制。

6 展 望

雖然已經(jīng)取得了大量研究成果，但是目前果園噴霧技術(shù)和裝備與精準(zhǔn)探測(cè)按需噴施的要求尚有較大差距，在果園靶標(biāo)特征信息快速準(zhǔn)確感知、噴霧藥量實(shí)時(shí)變量控制、風(fēng)力供給之風(fēng)向風(fēng)速風(fēng)量精確調(diào)控、以及上述 3者的同步協(xié)調(diào)集成等方面還亟待深入開展研究，關(guān)鍵研究點(diǎn)闡述如下：

1）冠層枝葉稠密程度和病蟲害程度在線探測(cè)

隨著果園靶標(biāo)位置和外形輪廓等外部特征信息探測(cè)難題的突破，靶標(biāo)內(nèi)部枝葉稠密程度分布等研究將是未來的研究方向。首先需要繼續(xù)采用具有較多技術(shù)積累的已有方法，開展更深入的研究以實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。采用超聲回波能量分析方法，參考實(shí)驗(yàn)室內(nèi)建立的枝葉稠密程度探測(cè)模型，針對(duì)不同類型果園開展稠密程度模型普適性研究，通過果園應(yīng)用試驗(yàn)對(duì)探測(cè)模型和探測(cè)方法進(jìn)行修正和優(yōu)化，并進(jìn)行探測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)品化研發(fā)?；诩す饫走_(dá)靶標(biāo)內(nèi)部結(jié)構(gòu)感知和枝葉稠密度估算方法，開展海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)的快速處理方法研究和田間作業(yè)系統(tǒng)快速性和穩(wěn)定性驗(yàn)證，進(jìn)一步通過低成本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)探測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)品化。此外，還需要結(jié)合超聲傳感器、激光雷達(dá)、微波雷達(dá)和機(jī)器視覺各自優(yōu)點(diǎn)，采用多傳感器組合方式研究靶標(biāo)冠層枝葉稠密程度探測(cè)方法，或者通過探尋靶標(biāo)冠層稠密程度可感知物理新特征，創(chuàng)新性地開展新的非接觸式快速探測(cè)方法研究。

針對(duì)難以在線快速感知果園病蟲害特征信息以探測(cè)病蟲害發(fā)病程度這一根本難題，一方面需要從不同果樹類型和不同病蟲害特性出發(fā)，有針對(duì)性地探尋病蟲害關(guān)鍵特征信息，嘗試新的技術(shù)手段開展更深入研究，以探索病蟲害程度在線快速探測(cè)方法，另一方面需要將已有的靜態(tài)測(cè)量技術(shù)與基于處方的變量噴霧技術(shù)相結(jié)合，開展基于病蟲害分布地理信息按需變量噴霧技術(shù)應(yīng)用研究?；诠庾V和圖像技術(shù)的離線和在線探測(cè)方法研究與應(yīng)用將是未來重要發(fā)展方向，果園病蟲害的關(guān)鍵特征信息探尋、探測(cè)手段的有效性、計(jì)算模型的高效性、系統(tǒng)的穩(wěn)定性和普適性將是研究重點(diǎn)。離線病蟲害探測(cè)還需要基于電子鼻技術(shù)研究各種病害感知方法和快速估算模型，進(jìn)一步針對(duì)特定病害特征研發(fā)簡易電子鼻系統(tǒng)以降低成本，提高監(jiān)測(cè)密度和探測(cè)效率。

2）果園噴霧藥量調(diào)控方法與系統(tǒng)

噴霧管道總藥量控制方法和噴頭藥量獨(dú)立控制方法未來研究方向主要為技術(shù)集成和優(yōu)化，包括管道總流量和噴頭流量集成控制，多噴頭組合控制方法優(yōu)化，低成本變量控制系統(tǒng)集成，控制系統(tǒng)和控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐用性優(yōu)化提升。產(chǎn)品開發(fā)方面，國內(nèi)企業(yè)和科研院所一方面需要通過研究國內(nèi)果園的特點(diǎn)和國際跨國公司目前產(chǎn)品存在的問題，有針對(duì)性地開展關(guān)鍵系統(tǒng)開發(fā)，比如變量噴霧控制器、藥液直接注入系統(tǒng)、PWM噴頭流量獨(dú)立控制系統(tǒng)等，另一方面針對(duì)國內(nèi)外市場(chǎng)需求，集成先進(jìn)控制方法研發(fā)具有市場(chǎng)競(jìng)爭力的藥量綜合調(diào)控系統(tǒng)和果園噴霧裝備。

3）果園風(fēng)力需求理論與風(fēng)力調(diào)控方法

果園風(fēng)力需求理論原則作為風(fēng)力調(diào)控方法研究的基礎(chǔ)，未來必須盡快實(shí)現(xiàn)突破，包括風(fēng)量和風(fēng)速需求理論原則2個(gè)方面。風(fēng)量需求理論原則需要考慮果樹冠層枝葉稠密度等特征信息、自然風(fēng)速和風(fēng)向等更多影響因素，并通過多類型田間試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證修正和完善。風(fēng)速需求理論原則需要采用理論推導(dǎo)和試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式構(gòu)建，并通過各種果園田間應(yīng)用進(jìn)一步細(xì)化、總結(jié)和完善。

風(fēng)送噴霧風(fēng)力調(diào)控離不開風(fēng)場(chǎng)與霧場(chǎng)分布建模，基于CFD的三維動(dòng)態(tài)模型的準(zhǔn)確、快速和高效構(gòu)建有待進(jìn)一步深入研究。基于風(fēng)場(chǎng)和霧場(chǎng)模型，需要進(jìn)一步開展風(fēng)場(chǎng)霧場(chǎng)與噴霧距離、自然風(fēng)力、噴霧機(jī)行進(jìn)速度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，進(jìn)而獲得風(fēng)力動(dòng)態(tài)損失模型，為計(jì)算風(fēng)筒出口風(fēng)力供給需求提供支持。針對(duì)風(fēng)送噴霧風(fēng)速、風(fēng)量存在耦合關(guān)系的問題，深入研究風(fēng)速和風(fēng)量去耦化調(diào)控方法，通過研究不同調(diào)控機(jī)構(gòu)的特性，研發(fā)支持風(fēng)速風(fēng)量去耦化控制的風(fēng)力調(diào)控裝置，并通過果園試驗(yàn)進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和產(chǎn)品化開發(fā)，為風(fēng)送噴霧風(fēng)力按需調(diào)控提供控制設(shè)備支持，將是果園風(fēng)送噴霧未來的研究發(fā)展趨勢(shì)。

4）精準(zhǔn)噴霧系統(tǒng)集成研究與產(chǎn)品化開發(fā)

針對(duì)靶標(biāo)探測(cè)、藥液變量控制和風(fēng)力變量控制等子系統(tǒng)研究深度產(chǎn)品化水平不同的問題，分檔次分步驟開展系統(tǒng)集成和產(chǎn)品研發(fā)亟待開展。系統(tǒng)集成需要針對(duì)噴霧作業(yè)需求，由易到難逐步開展，比如可以首先集成靶標(biāo)位置體積探測(cè)系統(tǒng)、藥量自動(dòng)控制系統(tǒng)和風(fēng)力手動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)，隨著研究的深入再對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)和優(yōu)化，以逐步實(shí)現(xiàn)果園風(fēng)送噴霧精準(zhǔn)控制的目的。面向市場(chǎng)不同需求層次，根據(jù)科研單位和企業(yè)各自優(yōu)勢(shì)，通過多層次合作，有針對(duì)性的集成開發(fā)出一系列商業(yè)化產(chǎn)品迫在眉睫。

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