馬嘉昕 ， 丁 羽 ， 張玉湘萌 ， 馬利榮 ， 王 煜 ， 謝 鵬

（1.塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆維吾爾自治區(qū)教育廳普通高等學(xué)?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 阿拉爾 843300）

1 噴霧機(jī)研究現(xiàn)狀

國(guó)外專(zhuān)家學(xué)者在植保噴霧機(jī)械的研究上，結(jié)合機(jī)電一體化、LiDAR、多傳感器、自動(dòng)控制等技術(shù)，以達(dá)到提高植保設(shè)備對(duì)農(nóng)作物精準(zhǔn)高效的施藥要求。Giles等[1]通過(guò)研制果園智能化噴霧機(jī)，在多季節(jié)試驗(yàn)中對(duì)目標(biāo)感應(yīng)噴霧器進(jìn)行了評(píng)估，發(fā)現(xiàn)相對(duì)于傳統(tǒng)的果園機(jī)械噴霧，該噴霧機(jī)可減少農(nóng)藥的使用。Lebeau等[2]設(shè)計(jì)了一種噴霧控制器，用于補(bǔ)償水平動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)對(duì)噴霧沉積物均勻性的影響，該控制器使用微加工電容式加速度計(jì)和脈寬調(diào)制（PWM）噴嘴流量執(zhí)行器及時(shí)衡量動(dòng)臂運(yùn)動(dòng)速率變動(dòng)，根據(jù)測(cè)量到的速度變化，可以提高噴霧機(jī)械施藥的均勻性。Bourodimos等[3]開(kāi)發(fā)了一種拖曳式空氣輔助噴霧器，通過(guò)在風(fēng)速、風(fēng)向、溫度和空氣相對(duì)濕度限制的環(huán)境下，評(píng)估噴霧器在葡萄園的農(nóng)藥噴霧漂移情況，結(jié)果表明，該噴霧器減少了大概20%~30%的噴霧漂移，降低了農(nóng)藥造成的植物污染。為深入研究塑料大棚植保機(jī)械，Wang等[4]設(shè)計(jì)了一種新型的背負(fù)式噴霧機(jī)，用溫室蔬菜作為研究目標(biāo)作物，歸納闡述出此種噴霧機(jī)在番茄冠層的噴霧沉降、噴灑特征、霧滴覆蓋度、農(nóng)藥效度的優(yōu)點(diǎn)。除了對(duì)噴霧機(jī)的開(kāi)發(fā)與研究外，國(guó)外有學(xué)者還對(duì)噴嘴開(kāi)展了大量研究。Patel等[5]設(shè)計(jì)和研制了一款低成本氣動(dòng)輔助靜電噴嘴，該設(shè)計(jì)的噴嘴采用鎳電極材料，以避免嵌入噴嘴的電極腐蝕和氧化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，空氣輔助靜電噴管的性能在電荷質(zhì)量比、沉積效率、傳質(zhì)效率和生物效率等方面得到了顯著提高。Mamidi等[6]研發(fā)了一種可調(diào)節(jié)的流量噴嘴，利用調(diào)節(jié)位于噴嘴中移動(dòng)銷(xiāo)的方式，可以改變噴嘴面積大小，調(diào)整噴嘴流量。Rajaa等[7]研發(fā)了一種專(zhuān)用的機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)，它的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)高密度植物存在的雜草進(jìn)行識(shí)別掃描，該程序魯棒性較高，能夠完成對(duì)雜草的自動(dòng)噴霧與檢測(cè)，相對(duì)于以往的除草模式有一定的優(yōu)點(diǎn)。Pascuzzi等[8]研制了自動(dòng)化噴霧中涉及的方法，包括圖像采集和處理、噴藥決策和控制等，在實(shí)驗(yàn)中開(kāi)發(fā)了一種高效率的智能分割算法，在此算法中使用了相對(duì)色彩因子，控制劃分了四塊區(qū)域，并且設(shè)置了噴頭，有較好的實(shí)時(shí)性，噴霧控制效果良好，實(shí)用性能優(yōu)越。Torii[9]詳細(xì)研究了自動(dòng)噴霧的技術(shù)方法，設(shè)計(jì)出了植株目標(biāo)識(shí)別方法，以此計(jì)算噴霧技術(shù)數(shù)據(jù)，該算法采用了OpenCV開(kāi)源庫(kù)及其有關(guān)開(kāi)發(fā)工具，如果識(shí)別目標(biāo)比控制線(xiàn)的像素?cái)?shù)量高，會(huì)做出噴霧反應(yīng)，使自動(dòng)噴霧裝置完成智能化的操作，也可依靠圖像識(shí)別的結(jié)果進(jìn)行噴霧控制。

中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備科技集團(tuán)在2010年共同研發(fā)出了一種高地隙自動(dòng)導(dǎo)航式噴桿噴霧機(jī)，該高地隙自動(dòng)導(dǎo)航式噴桿噴霧機(jī)采用92 kW的大功率液壓驅(qū)動(dòng)四個(gè)車(chē)輪，底盤(pán)機(jī)架的最小離地間隙為1 100 mm，田間噴霧作業(yè)時(shí)的噴幅為1 150 mm，其憑借穩(wěn)定性強(qiáng)、通過(guò)性好的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用于玉米生長(zhǎng)中后期的高桿噴霧工作。青島農(nóng)業(yè)大學(xué)與華南農(nóng)業(yè)大學(xué)共同設(shè)計(jì)了一款基于GNSS技術(shù)的自動(dòng)導(dǎo)航噴霧機(jī)[10]，讓噴霧機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛時(shí)的噴霧作業(yè)，它以雷沃ZP9500高地隙植保機(jī)作為研究對(duì)象，基于“機(jī)-電-液”改造方式實(shí)現(xiàn)對(duì)高地隙植保機(jī)行走機(jī)構(gòu)的電氣化控制，讓植保機(jī)在田間、水泥路面上都能根據(jù)自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)精準(zhǔn)地完成直線(xiàn)行駛、掉頭轉(zhuǎn)彎和噴霧作業(yè)。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)針對(duì)甘蔗等高莖稈作物的節(jié)約農(nóng)藥量和提高農(nóng)藥利用率的需求，研制了一款高地隙寬幅噴霧機(jī)變量施藥系統(tǒng)[11]。該系統(tǒng)選用LiDAR掃描技術(shù)鑒別甘蔗等高莖稈作物的三維信息，噴霧機(jī)的標(biāo)記被捕獲脈寬調(diào)制控制器捕獲，通過(guò)PWM技術(shù)控制噴頭的開(kāi)閉程度和噴霧時(shí)間，根據(jù)植株高度變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)噴霧量，最終實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)變量施藥。廣州極飛科技有限公司結(jié)合北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、雙目視覺(jué)輔助技術(shù)和動(dòng)態(tài)4D成像雷達(dá)技術(shù)等研發(fā)了一款極飛R150農(nóng)業(yè)無(wú)人車(chē)[12]。該農(nóng)業(yè)無(wú)人車(chē)選用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)供給遠(yuǎn)程無(wú)人駕駛技術(shù)，將雙目視覺(jué)輔助技術(shù)用于自動(dòng)識(shí)別路線(xiàn)、精準(zhǔn)執(zhí)行作業(yè)，將4D成像雷達(dá)技術(shù)用于識(shí)別車(chē)前的障礙物信息，從而讓農(nóng)業(yè)無(wú)人車(chē)全自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)田間精準(zhǔn)噴藥運(yùn)行。在植保無(wú)人機(jī)領(lǐng)域，漆海霞等[13]設(shè)計(jì)了一種基于網(wǎng)絡(luò)RTK的離心式無(wú)人機(jī)變量施藥系統(tǒng)，以提高無(wú)人機(jī)田間作業(yè)精度和作業(yè)效率。系統(tǒng)中的DTU模塊和GPS模塊負(fù)責(zé)供給RTK載波差分技術(shù)，及時(shí)取得周?chē)畔⒓盁o(wú)人機(jī)所在的經(jīng)緯度。變量執(zhí)行器負(fù)責(zé)對(duì)傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺(tái)的實(shí)時(shí)信息進(jìn)行處理并做出相應(yīng)的施藥決策，從而調(diào)節(jié)無(wú)人機(jī)的霧滴粒徑和施藥量，完成正確執(zhí)行變量施藥的任務(wù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該噴霧系統(tǒng)可以提高施藥的準(zhǔn)確性。

2 植保噴霧機(jī)的不足之處

2.1 噴藥效果差

果農(nóng)普遍使用低端噴霧器，低端噴霧器水力噴霧不均勻，穿透效果差，農(nóng)藥附著量低，藥液難以到達(dá)樹(shù)干，需頻繁噴藥，農(nóng)藥使用效率低。傳統(tǒng)氣動(dòng)大流量噴灑量過(guò)大，無(wú)法準(zhǔn)確控制噴灑量，造成風(fēng)速供給不足。風(fēng)量太小，無(wú)法穿透大量樹(shù)冠，噴霧效率降低；風(fēng)量太大，藥液會(huì)偏移，使藥液積聚在枝葉表面，造成藥液大量流失，影響果樹(shù)生長(zhǎng)。

2.2 農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝融合度不高

果園種植果樹(shù)的計(jì)劃與植保機(jī)器的生產(chǎn)和應(yīng)用有著密不可分的關(guān)系。目前，因?yàn)樾吕瞎麍@種植的因素，植保機(jī)械的使用會(huì)受到果樹(shù)種植模式的影響，針對(duì)某些果樹(shù)發(fā)育、打藥、翻地等流程的不同需求，植保機(jī)械很難有效應(yīng)對(duì)。作業(yè)效率高的大中型噴霧機(jī)械不能進(jìn)入果園施藥，中小型噴霧機(jī)不能高質(zhì)量使用。

2.3 噴霧的安全性低

無(wú)論是背負(fù)式、自走式、吊桿式噴灑方式，還是通風(fēng)送風(fēng)式，都需要人工操作。農(nóng)藥噴灑、配藥以及清洗噴藥器具時(shí)，農(nóng)戶(hù)反復(fù)接觸農(nóng)藥，吸入農(nóng)藥容易中毒，對(duì)農(nóng)民的健康可能造成巨大危害，自動(dòng)噴霧機(jī)械的研制勢(shì)在必行。

3 果園噴霧機(jī)優(yōu)化建議

目前，防治病蟲(chóng)害的主要手段是應(yīng)用化學(xué)農(nóng)藥，背負(fù)式、中小型噴霧機(jī)技術(shù)需要進(jìn)一步改進(jìn)，仍需要針對(duì)性開(kāi)發(fā)，提升工作效率。

3.1 開(kāi)展果樹(shù)物理特性研究

對(duì)果樹(shù)的物理特性進(jìn)行研究是植保機(jī)械工作開(kāi)展的重要步驟，通過(guò)對(duì)果樹(shù)葉子、枝干的物理特性展開(kāi)相關(guān)理論研究，為植保噴霧機(jī)械關(guān)鍵部件參數(shù)設(shè)定及開(kāi)發(fā)提供理論參考。

3.2 加強(qiáng)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展過(guò)程中，農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展與農(nóng)學(xué)密切相關(guān)。農(nóng)學(xué)與農(nóng)業(yè)機(jī)械相輔相成，服務(wù)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的共同增效。可通過(guò)建立多學(xué)科交互發(fā)展機(jī)制，培養(yǎng)綜合型人才，加強(qiáng)農(nóng)業(yè)工程、農(nóng)藝、生物技術(shù)與管理多學(xué)科合作，形成農(nóng)機(jī)農(nóng)藝相適應(yīng)的技術(shù)體系，培育適合機(jī)械化噴霧的果樹(shù)品類(lèi)，制定適合機(jī)械化噴霧的果樹(shù)種植模式，研發(fā)與農(nóng)藝相適應(yīng)的果樹(shù)植保噴霧機(jī)械。

3.3 優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，結(jié)合農(nóng)藝要求，可應(yīng)用DADS動(dòng)態(tài)分析及設(shè)計(jì)程序，建立噴霧機(jī)動(dòng)態(tài)模型，用正交設(shè)計(jì)方法選取參數(shù)的試驗(yàn)組合，依據(jù)噴霧機(jī)的幾何模型建立三維仿真模型，讀取建立好的三維仿真模型，根據(jù)實(shí)際需求實(shí)現(xiàn)噴霧機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.4 提高機(jī)械通用性

植保噴霧機(jī)械通用性較差會(huì)增加果品的生產(chǎn)成本，農(nóng)戶(hù)的收入會(huì)減少，限制植保噴霧機(jī)械的發(fā)展。應(yīng)在不同果樹(shù)之間尋找共性，繪制出合理的結(jié)構(gòu)，滿(mǎn)足一個(gè)機(jī)器可以在不同場(chǎng)合使用的要求，從而提高植保噴霧機(jī)械的通用性。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，果園植保機(jī)械發(fā)展要因地制宜，重點(diǎn)發(fā)展中小型智能?chē)姙⒅脖C(jī)。在不斷完善果園種植結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)果樹(shù)生長(zhǎng)特性展開(kāi)研究，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝的有效結(jié)合，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高智能植保噴霧機(jī)械的通用性和智能化技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥的低噴量、精噴灑、高工效，滿(mǎn)足環(huán)保要求，提高果園植保機(jī)械化水平。