環境友好型農藥噴施機械研究進展與展望

鄭加強 徐幼林

(南京林業大學機械電子工程學院，南京 210037)

0 引言

植物在復雜多變的生長過程中經常會受多種生物脅迫(病蟲草鼠害等)及非生物脅迫(干旱、鹽堿、洪澇等)因素的影響，因此農業發展史就是與病蟲草鼠害斗爭的歷史。而全球氣候變暖使害蟲繁殖代數增加，國際間交流密切也使外來生物入侵頻率增加，跨區機收促使病蟲害傳播，秸稈還田和免耕種植改善害蟲棲息和越冬場所，連茬種植加重土傳病害，因此中國農林病蟲草鼠害發生面積總體居高不下。PAUL發現DDT殺蟲劑活性后，植物保護從天然藥物、無機合成農藥進入人工合成有機農藥時代，對病蟲草鼠害防治起到重大作用。BORLAUG預言“我們要優先考慮的是吃并保持健康，為此必須要有農藥。沒有農藥，全世界將挨餓！”化學農藥防治已占有80% 的主導地位，但是過分依賴農藥導致了“3R”(農藥殘留(Residue)、害物再猖獗(Resurgence)和害物抗藥性(Resistance))現象，影響整個農林生態系統，研究機構開展農藥減量及精確施用技術研究[1]。中國推出了《農藥使用量零增長行動方案》，探索農藥減量控害且產出高效、產品安全、資源節約、環境友好的農業發展道路，需要研究更多切實有效的病蟲草害防治方法和植保裝備實現減量控害，以保證人類生存和環保的需求。因此本文擬綜述國內外農藥施用機械及其關鍵技術的發展，分析環境友好型農藥噴施機械研究理念與總體思路，并提出相關研究建議。

1 農藥噴霧關鍵技術發展

近百年來，國內外開展了大量的農藥噴霧機械及其關鍵技術研究。隨著科技發展，農藥噴霧技術不斷創新，新裝備不斷涌現，本文對近年來普遍受關注的關鍵技術進行分析。

1.1 農藥霧化技術及噴頭

霧化理論：農藥霧化按噴霧量分為常量、低容量(LV)、超低容量(ULV)；按霧化動力分為毛細管霧化、液力霧化(扇型霧噴頭、渦流式噴頭等)[2-4]、轉盤(轉籠、轉杯)離心霧化[5-8]、氣動力霧化[9]、超聲波霧化[10]、靜電霧化[7]等及其組合霧化方式[11]。霧化需要克服氣動阻力、粘滯力、液體表面張力、慣性力等及其各種力的相互作用，需要研究農藥及助劑物理化學性質、液體霧化的動力、液體霧化所消耗的能量等[9]以及控滴技術原理[12]。

噴頭霧化性能：噴霧性能研究包括霧滴尺寸及其均勻性、霧流錐角形狀及沉積特性等，也包括噴霧參數對霧化性能的影響、霧化模型及噴霧模擬仿真以及噴頭磨損規律的研究，還需要研究霧化試驗標準、測試技術及可重復性保障等[3,5,13-20]。

特殊功能噴頭：為了實現特定噴霧性能需要研究特殊需求的噴頭，研究設計特定結構及其流體運動動力特性。如低飄移摻氣(AI)噴頭[21]、可變量噴頭[22]、增加流動范圍的旁路噴頭[23]、可控滴轉盤噴頭[8]、采用脈沖調制的間歇流量控制噴頭[24]等。可采用模塊化等設計方法開發滿足特定需求的系列化噴頭產品。

1.2 農藥直接注入技術與在線混藥器

噴霧農藥在線混合采用水箱和藥箱分設，在農藥施用過程中按需在線混合，如可通過恒定的用水量和變化的用藥量來實現設定的農藥使用量，達到藥、水、人分離，達到安全、可靠、高效地使用農藥，解決傳統農藥與水預先混合后直接噴施所造成的剩余藥液的處理，或配比過程中過量使用農藥的問題，以減少和消除殘留農藥對環境的污染[25-28]。

(1)不同農藥注入方式

為實現農藥在線與水或油混合，可采取計量泵控制、射流(旋動射流)、閥控噴嘴直接注入、帶緩沖罐預混式在線注入系統等不同注入混合方式[29-36]；為提高農藥混合均勻性和混藥響應時間，將高壓注入混藥系統與自動可變量噴頭相結合[36]。為避免藥液在混藥系統管路中的殘留，保證系統可重復利用并增強藥水混合均勻性，發現在噴頭前加入螺旋狀在線混合裝置提高可清潔性，同時試驗表明采用脈沖水-空氣流沖洗比連續沖洗方法更節水[37]。

(2)不同劑型農藥的混合

農藥有水溶性和脂溶性之分，水溶性農藥可以與水充分溶解混合，而脂溶性農藥和助劑加水稀釋攪拌后，以極小的油珠均勻分散在水中形成相對穩定的乳濁液，或以平均粒徑2～3μm分散顆粒與水混合形成有明顯分層現象的懸浮劑[38]。國內外開展了大量的水溶性農藥在線混合研究[39-41]；鑒于脂溶性農藥的特殊性，設計旋動射流混藥器，發揮旋動射流的卷吸能力和摻混作用來提高脂溶性農藥的混合均勻性[42]。

(3)混合性能測試

混合均勻性及穩定性檢測是在線混藥的關鍵指標，可采用熒光分析和高速攝影技術檢測混合濃度均勻性和動態濃度一致性等以及進行影響因素分析[43-47]。

1.3 可變量控制技術

由于農田中各小田塊的含水率、有機物含量等各不相同，需要適時依據其變量信息，對每一小田塊進行可變量精確施肥施藥等，也就是要采用可變量技術(VRT)，其核心是實現對噴霧目標按需施藥的可變量噴霧控制系統[48-49]。

可變量控制系統：計算機控制器接收來自地理信息系統、田間定位系統、實時傳感器等信息，控制可變量施用設備調節施用量，通過流量控制系統控制總流量，流量傳感器檢測實際流量并將此信息傳送給計算機控制噴霧系統實現微調[48-50]。

施藥量調節模型：根據特定需求，可通過施藥量調節模型檢驗合理施藥量與沉積量關系等[51-54]；為提高噴霧機施藥量的精準性，建立回歸方程預測和控制脈寬調制(PWM)電磁閥占空比和工作噴頭總流量，研究變量控制系統響應特性和建模仿真等[54-60]。

1.4 仿形噴霧技術與仿形機構

仿形對靶噴霧技術是根據傳感器探測獲得的果樹、行道樹和園林景觀樹以及籬架型植物等靶標冠層形貌信息[61]，自動調節噴霧機相關機構到達理想噴霧距離進行仿形對靶噴霧作業，以提高霧滴在靶標冠層分布的均勻性和農藥施用效率[62-65]。

仿形機構及仿形噴霧模型：仿形噴霧機構主要有倒U型、雙搖臂和變噴桿等，為更好地分析仿形噴霧作業，通過仿形噴霧模擬試驗、虛擬仿真及噴霧模型等研究，確定仿形變量噴霧關鍵參數與霧化特性及仿形對靶的關系等[62-63]。

仿形噴霧系統及關鍵參數：根據靶標形貌特征，建立仿形控制噴霧系統，優化研究冠層梯度、噴頭安裝控制、噴霧方向與輔助風速、噴霧壓力與流量調節等關鍵參數[62-65]。

1.5 霧滴飄移控制技術與霧滴沉降沉積行為分析

霧滴飄移是農藥使用過程中通過空氣向非預定目標運動的現象，包括飛行飄移和蒸發飄移，飄移會造成環境污染、農藥流失、農藥有效利用率降低[66-68]，飛行飄移包括非靶標(non-target)飄移和田塊外(off-field)飄移，非靶標飄移會污染田塊、水源和空氣等，田塊外飄移甚至會危及人類居住地、蜜蜂養殖等，因此需要研究飄移控制與沉積行為。

霧滴運動行為研究：霧滴運動行為直接影響霧滴飄移性能及沉積分布，要減少霧滴脫靶的可能性[62,65-73]，通常可采用CFD模擬進行飄移控制研究[73-75]。AGDISP是基于拉格朗日的霧滴跟蹤算法的噴霧模型，可輸入噴霧機信息、噴桿噴嘴位置、霧滴尺寸分布、噴霧液體特性、噴霧高度和氣象學等參數，更新版包括霧滴蒸發模型、霧滴沉降時間步長算法、光學冠層模型、順風20km遠場高斯模型、跟蹤揮發性活性噴霧液體的歐拉模型等[76]。

霧滴與靶標：噴霧助劑、霧滴大小、靶標植物葉片物理特性是影響藥液沉積性能的重要變量，需要關注農藥霧滴在靶標植物葉面的撞擊(正向撞擊、斜撞擊)、彈跳、浸潤、持留、蒸發等行為及調控技術[77-93]。

飄移控制方法與測試：噴頭類型、氣流、噴霧方向等噴霧參數以及氣象條件等對霧滴飄移影響顯著[94-95]，常采用風洞和相關測試平臺對霧滴飄移進行測量和評價[96-98]，也有采用穩態和瞬時測量技術測量二維目標區域的霧滴覆蓋[99]，或采用白色塑料板、尼龍網、不銹鋼網作為噴霧沉積采集器通過高速成像系統判斷霧滴穿透率和回收率等[100]。

1.6 靜電噴霧技術與霧滴充電方法

農藥靜電噴霧技術研究荷電霧滴向植物靶標運行過程及其電場梯度、空間電荷分布、霧滴尺寸和運行速度、噴霧機動力學、氣候條件、植物物理特性等對霧滴充電效果及靜電噴霧沉降性能的影響[7,101-103]。

霧滴充電技術：充電技術是實現靜電噴霧性能的重要環節，包括電暈充電、感應充電和接觸充電及其各種組合充電方式，需要結合不同的噴頭類型和噴霧形態，實現必要的霧滴荷電量和形成良好的誘導電場[101-105]；也可嘗試其他充電技術，如等離子體脈沖荷電噴霧技術，即窄脈沖電暈放電產生的高能電子能使氣體電離成正、負離子，當藥液霧化形成的霧滴通過電離區與離子碰撞時，電荷便傳給霧滴使其荷電[106]。

靜電噴霧性能測試：靜電噴霧性能包括霧滴尺寸分布、流場狀態、荷質比等，需建立模型和試驗設施研究流場狀態、電荷衰減規律等[107-109]；荷質比決定荷電霧滴沉積，采用模擬目標、網狀目標、法拉第筒法測試，瑞利極限可以反映霧滴最大荷電量信息[109]。

1.7 智能對靶噴霧集成技術與多功能底盤系統

智能對靶噴霧是通過傳感(超聲波、紅外、機器視覺等)和衛星定位技術獲取靶標的分布范圍、危害程度和確切位置等特征信息，實時測知工作對象所需工作的質、量和時機等數據，形成處方圖控制可變量噴頭(包括電磁閥和噴頭等)以優化的農藥劑量，精確噴灑于靶標，減少甚至杜絕非靶標農藥流失與飄移[110-111]。

智能對靶噴霧集成技術：圍繞智能對靶噴霧技術建設農藥自動精確施用系統試驗臺，分析影響植物生長的環境存在的時空差異性、病蟲草害種群數量隨時間和空間的演變過程以及病蟲草害種群與自然環境因子之間的相互作用，集成知識庫(病蟲草害歷史情況和植保專家研究與生產實踐知識等)、數據庫(植保機械專題數據庫及其實時使用數據、GIS時空數據、農藥使用屬性數據等)、農藥使用技術專家系統ES、決策支持系統DSS和各類處理算法等，結合噴霧靶標特征和病蟲害防治目標閾值，采用知識規則對事實數據進行推理，集成建立對靶噴霧智能決策支持系統IDSS，分析智能噴霧系統施藥過程中的霧滴運動模擬、靶標圖像采集、圖像分割、施藥決策、數據交換等，分析控制策略，設計控制系統，控制可變量噴頭實現特定區域的農藥精確對靶施用[55,110-113]。

多功能柔性底盤系統：為滿足農林作物不同生長環境地形的復雜性，以及適應不同作物不同生長階段植保作業時作物狀態的多變性，要求智能對靶噴霧機的底盤具備良好的越野通過性、操縱性、乘坐舒適性和行駛平順性，對底盤高度調節，輪距調整，不同規格的藥箱、泵、噴桿的安裝要求等都會對底盤的柔性提出更高的要求，因此要開展多功能智能化柔性底盤系統研究，包括底盤動力系統、柔性底盤控制、導航系統、定位與軌跡優化等[114-116]。

2 典型地面植保機械研究進展

2.1 防飄移噴霧機

防飄移噴霧機包括風幕式防飄噴霧機、罩蓋式防飄噴霧機、隧道式噴霧機、循環噴霧機、靜電噴霧機、固定式農藥冠層輸運系統等典型機具，也有研究專用防飄移噴頭[21]。

風幕式防飄噴霧機：風幕式防飄噴霧機通常是在噴桿噴霧機噴桿上增加風機和風筒，噴霧作業時在噴頭上方沿噴霧方向強制送風形成風幕，增大霧滴穿透力，減小飄移[117-118]。

罩蓋式防飄噴霧機：罩蓋式防飄噴霧機可以通過圓弧結構罩蓋的導流作用改變霧流周圍的空氣流場,使霧滴在短時間內沉積在靶標而達到防飄目的[119]。

隧道式噴霧機：隧道式噴霧機采用兩組相對的風機形成隧道式噴霧模式來提高靶標上的霧滴沉積[120-121]。

循環噴霧機：循環噴霧機設藥液霧滴回收裝置，噴霧時霧流橫向穿過靶標冠層，未被冠層附著的霧滴進入回收裝置，過濾后返回藥液箱，提高農藥有效利用和減小飄移[121]。

靜電噴霧機：靜電噴霧機通過高壓靜電發生器使從噴頭噴出的霧滴帶電，荷電霧滴在電場力和其他外力作用下向靶標運行，促進霧滴在靶標(特別是靶標背面)沉積[101-122]。

固定式冠層農藥輸運系統：固定式冠層農藥輸運系統(SSCDS)由一系列微噴頭組成并固定分布于整個高密度果園，圖1顯示微噴頭在果園的不同安裝位置(冠頂、樹間、樹間斜下噴、樹間斜上噴)[123]。圖2為工作框圖[124]，混合藥液從藥箱1在公共泵站2產生的小于240 kPa壓力作用下，經過閥3而充滿整個輸運管路4，多余藥液經管路5通過回流閥7與管路6返回藥箱10；當關閉回流閥7時，泵壓增至415 kPa，微噴頭8間隔10 s進行噴灑；打開回流閥7，在氣泵9作用下，輸運管路剩余藥液由管路5經過管路6回到藥箱10，從而實現自動化而快速精確施用農藥，最大限度減少農藥飄移，避免操作人員接觸農藥以及解決作業機械造成果樹損壞和土壤壓實等問題。

2.2 仿形噴霧機

仿形噴霧機通過紅外線、超聲波、圖像和LiDar等仿形目標探測方法與技術獲取靶標植物冠層特征信息，自動調節仿形機構到達實時處理得到的噴霧距離時，對靶標冠層按需變量噴施農藥，提高霧滴在靶標植物冠層分布的均勻性和農藥施用效率，國內主要開展了果園和茶園等仿形噴霧機的設計和試驗研究[62,125]。

2.3 噴桿噴霧機

噴桿噴霧機包括牽引式、自走式和懸掛式，其中自走式噴桿噴霧機是一種將噴頭裝在橫向噴桿或豎立噴桿上，自身可以提供驅動動力與行走動力，不需要其它動力提供就能完成自身工作的一種植保機械，如中小型自走式噴桿噴霧機、大型自走式噴桿噴霧機及遙控自走式噴桿噴霧機等，以及滑板攪索式水田寬幅噴桿噴霧機、可調地隙與輪距的高地隙自走式噴桿噴霧機等,需要研究減振控制、輔助駕駛系統、轉向系統等關鍵技術[126-128]。

2.4 雜草防除機械

除了雜草在種子萌發及萌芽期采用土壤處理劑及土表施藥外，雜草營養生長后期主要采用葉面噴施除草劑?；瘜W除草劑選擇性強，要求除去雜草而不傷害作物。為了提高雜草防除效率和減小環境污染，通過雜草靶標識別信息和其他信息，采用雜草定點防除機械，分別對各單個噴頭的噴量通過噴霧閥進行控制[129]。精確側向噴霧系統應用機器視覺系統和快速響應間歇噴霧系統，在離噴霧機外側一定位置，通過圖像采集處理和位移觸發控制，控制噴桿上每一噴頭噴出霧滴的運行，向有雜草危害區域噴霧[130]。有研究采用切割雜草涂抹技術[131]。

2.5 果園噴霧機

對于較大面積果園，通常采用風送噴霧機，高速氣流有助于霧滴翻動葉片并穿透果樹冠層而輸送至果樹各部位。果園噴霧機通常有懸掛式、牽引式和自走式。當前開展了大量自走式定向精確對靶果園噴霧機研究以及關鍵技術參數試驗研究等[132-133]。

2.6 智能噴霧機及噴霧機器人

智能噴霧機通過傳感器識別靶標特征，制定噴霧決策，進行對靶施藥、變量或按需施藥，避免無效噴霧，實現減少農藥用量、最佳病蟲草害防治效果和降低環境污染的目的，如基于視覺傳感器對靶標植物實施精量噴霧系統等[134-139]，和基于噴霧距離和葉面積密度的果園智能農藥精確噴霧模型，調整最佳噴霧距離和劑量提高施藥效率[137-139]。為了使智能噴霧機能通過軟/硬件模塊的重構，來實現適應不同作業環境與對象的精準變量施藥作業，形成適于智能噴霧機可重構模塊化設計的P-BfP設計方法[140]。隨著傳感器、機器人和人工智能等技術的發展，噴霧機器人應運而生[131,141-142]，根據車輛速度和施藥量要求計算壓力設定值，獲取植物生長狀態，實現壓力魯棒控制，反饋調節控制噴霧壓力[142]。

3 典型航空植保機械研究進展

農業航空施藥應對突發性病蟲害能力強、作業效率高、單位面積施藥量少、不留車轍印、作業成本低，1911年德國研究用飛機噴灑農藥控制森林蟲害，1949年美國研制農用固定翼飛機，1987年日本研制農用無人直升機。中國于20世紀中葉開展航空噴霧研究，開展了直升機、航空靜電噴霧技術等研究，至21世紀開發植保無人機，截至到2018年底，中國300多家植保無人機生產企業，已生產253種3.15萬架各類植保無人機。同時研究精確和安全施藥的航空噴頭及飄移控制、可變量控制、優化噴霧模型以及配合各種應用技術[143-145]，本文重點綜述植保無人機的發展狀況。

3.1 植保無人機分類及特點

無人機UAV是利用無線遙控設備和程序控制裝置的不載人飛機。按照結構不同，無人機可以分為固定翼無人機、無人直升機和多旋翼無人機等。目前植保無人機發展了包括油動單旋翼和電動單旋翼、四旋翼、六旋翼、八旋翼植保無人機等。

植保無人機在一定程度上具有較多的優點[146-169]，總體歸納包括：①機動靈活性好，平臺構建容易，速度調節快速方便，無需專用起降機場，可遠程操控，安全便捷，機動性好，如常規固定翼無人機系統為穩定系統，同時具有完整的驅動系統，飛行速度快。②復雜地形適應性好，不受泥濘田地等限制，適應性強，如常規無人直升機具有完整的驅動系統，可原地垂直起升、懸停。③作業效率高，低空低量噴霧的旋翼植保無人機作業效率高，場地要求低，飛行高度低，如單旋翼無人機的風場穩定，無翼間氣流干擾且霧滴下壓效果好，同時翻葉可部分提高霧滴冠層穿透性。④對非防治目標損傷小，可避免對非防治目標的物理損傷和減少農田土壤破壞，可空中懸停，一定程度上可實現定點噴灑，作業質量高。⑤應變能力好，體積小，質量輕，應付突發災害能力強，如多旋翼無人機的動力學模型和結構相對簡單，對起降場地要求不高，轉場防治容易，操縱簡單。

但不可忽視的是植保無人機及其性能仍存在不足和不確定性[146-169]，需要進一步完善，如：①綜合噴霧性能不足，對大型或枝繁葉茂植物的冠層，霧滴穿透性差、施藥霧滴分布不均勻等，飛行高度較大時采用低容量細小霧滴噴霧，對靶性不足，飄移風險極高，農藥飄移產生次生災害，過量使用致環境污染、施藥糾紛頻發。②續航時間短，多旋翼控制系統難設計，氣動效率低，飛行時間短，電池續航時間短。③有效載重量小，攜藥量較低。④需要專業操作人員，雖然單旋翼無人機操縱簡單易學習，但結構復雜維護不方便，而多旋翼無人機的操作系統需要較高的操作技巧，噴霧準確性不高，還有飛行安全事故隱患。⑤飛行穩定性不足，低空低速飛行時作業不夠穩定，無法適應田間高溫、頻繁起降要求，不容易穩定操控而影響防治效果。⑥產業鏈不夠完善，航空作業法律法規和技術標準的完善性、霧化部件性能低等自身產品質量、農藥有效利用率、飛行安全監管等方面仍存在諸多問題，無人機制造、租賃、培訓等配套尚處起步階段，制約著植保無人機的推廣。

3.2 植保無人機關鍵技術

3.3 植保無人機性能和防治效果測試

植保無人機噴霧參數是影響霧滴飄移和沉積效果的重要指標，主要包括最佳作業高度和作業速度范圍。為克服田間試驗的隨機性、不可重復性、片面性，可建立噴霧綜合實驗臺，測試無人機在不同旋翼轉速、飛行高度、噴頭參數情況下的霧滴粒徑及沉積分布等[157-158]，利用風洞試驗設施分析懸停無人機變量噴藥的霧滴沉積規律[159]，采用手持式三維激光掃描儀和CFD模擬研究確定最佳作業參數以減少霧滴飄移[160]，以及進行實際田間飄移測試[161]等；國內外開展了大量的靶標形狀[162]、飛行參數(飛行高度、飛行速度)[163-164]與噴霧參數[165-166]、旋翼機下洗流場對霧滴飄移與冠層沉積分布的影響[154,167]測試研究。融合CHARM和AGDISP的算法研究跟蹤旋翼無人機噴霧飄移和沉積預測[168]；研究植保無人機施藥霧滴空間質量平衡測試方法，采用霧滴質量平衡收集裝置、北斗衛星定位系統和多通道微氣象測量系統聯用，對國內典型植保無人機沉積和飄移特性進行評估[169]。

4 創新研究思路與展望

4.1 環境友好型植保機械研究理念與總體思路

本文結合國內外植保機械發展狀況及問題分析，提出未來植保機械應創新融合人、藥、械、技，秉承“綠色環保、精確高效”的研究思路。

綠色環保理念：植保作業的綠色環保包括環境最友好、操作最安全、產品最優質等植物保護系統發展思想。①持續開展融合物理防治、農藝措施、低毒無毒及生物農藥、飄移控制、農藥殘留檢測與降解、農藥全壽命周期管理等環境最友好植保技術研究，監測評估有害生物及潛在危害，將IPM(Integrated pest management)各種策略組合成最適合特定需求的行動計劃。②進一步研究在線混藥、遙控自動、植保無人車平臺、無線物聯智能植保系統等操作最安全的植保技術，在農藥施用前、中、后期用最少人工介入準確操控農藥施用全過程。③采用現代設計方法以及智能制造技術等研發產品最優質的植保機械。

精確高效理念：精確高效理念包括防治理性化、使用精確化、浪費最小化、效率最大化等。①防治理性化要考慮生態平衡的主動干預和防治閾期的被動防治，根據生物鏈逐步開發不同的生物調節劑來影響、調節和改變有害生物體的生長，提高利于植物生長發育的機能，如提高對病害免疫能力等的農作物自主滅蟲法。②使用精確化的核心是綜合運用傳感、大數據、人工智能等技術，真正做到按需處方對靶施藥噴霧作業；進一步改進如靜電噴霧、對靶噴霧、涂抹、注射、藥包定向投射等有助于農藥高效使用的技術；研究對生物或非生物脅迫敏感的智能納米生物材料對靶標進行修飾，然后根據生物信息變化精確控制靶標施藥的技術。③浪費最小化包括設計農藥閉環使用系統和開發霧滴回收系統等。④效率最大化的主要措施有航空施藥、大型專用植保機械和多功能集成技術等。

4.2 環境友好型農藥噴霧機械發展建議

4.2.1植保機器人與專用植保機械研發

探索開發能替代人類不愿干、不能干、干不好的植保機器人和專用植保機械。

氣溶膠是由固體或液體小質點分散并懸浮在氣體介質中形成的膠體分散體系。氣溶膠通過吸收和散射太陽輻射以及地球的長波輻射影響著地球—大氣系統的輻射收支，它作為凝結核參與云的形成，從而對局地、區域乃至全球的氣候有重要的影響[1]。盡管其在大氣中的含量很低，但氣溶膠和云對氣候變化的影響還是很大的。對大氣氣溶膠進行探測使用的技術為Mie散射相關探測技術，應用該技術的激光探測雷達稱為Mie散射激光雷達[4]。

(1)植保機器人及其陣列研究

集成傳感器和高速物聯網、云存儲等，開發地面無人駕駛噴霧機器人，使之成為互聯網的終端和結點，實現對外部相關信息(如靶標信息、環境信息等)的實時反饋；配備類似人眼、耳、鼻、觸覺的靶標及環境因子傳感設備，研究手腳并控型多足多臂專用植保機器人；采用AI幫助基于語言理解的植保機器人處理非規則、非連續性信息，使會學習、可交互的植保機器人能處理復雜繁瑣的植保作業；研究面向植保機械多機協同作業的植保機器人陣列，即由一系列小規模網絡化機器人陣列組成更大的田間植物保護系統，分別檢測、控制田塊中各類病蟲草害。

(2)專用植保機械研究

研制符合國情的專用植保機械，如高性能防飄移噴霧機械及輔助裝備、智能化自走式噴桿噴霧機、密閉空間煙霧機、遠程遙控或在駕駛室可控制所有作業操作程序的全自動無人介入植保系統等；融合植物表型進行植物定制，實現半自主(需人工干預)智能植保機械、全自主(無人干預)智能植保機械。

4.2.2航空施藥機具與植保無人機研究

基于農林航空噴霧在高效和應對爆發性農林病蟲害的必要性，發展適合中國國情的航空噴霧裝備，同時針對植保無人機在農林應用的優勢以及存在的問題，在推廣應用精準導航、主動避障、定量施藥基礎上，進一步開展專用無人機及機群系統、關鍵施藥裝備及專用藥劑等研究。

(1)無人機作業環境與靶標研究

針對無人機在高度、對靶、飄移、反應時間存在的問題，研究包括光學吊艙、遙感平臺、遙感影像處理、病蟲害識別模型的內置靶標識別裝置；分析施藥時細霧滴運動規律與作物冠層內外氣象因子的相關性，研究霧滴飄移模型及高效防飄噴霧技術；研究包含超聲波、雙目立體視覺系統、TOF技術、三維地形圖導航等及其組合的智能避障系統，實現無人機自主飛行與避障仿形精確噴霧。

(2)植保無人機關鍵部件研究

通過多傳感器靶標感知與定位融合冠層相對高度測量、路徑規劃導航、綜合作業處方圖、飛行控制、多參量(相對高度、飛行速度、姿態信息)驅動，研究旋翼下洗風場下霧滴運動規律，實施航空精準施藥處方變量噴霧控制、有效沉積控制等；研究植保無人機靶標偵測、姿態控制、隨速變量和噴頭定向等，實現超低空穩定仿形飛行以縮小噴頭與靶標的距離，開展高速植保作業試驗，研究航空靜電施藥技術，減小霧滴飄移。

(3)專用植保無人機及其相關技術研究

研究適于不同地區和滿足不同植物病蟲草害防治要求的無人機航空植保專用制劑、無人機專用噴頭、低空低量航空施藥裝備、各種專用輕型飛行器系列與其相結合的高效航空施藥系統。

(4)自主植保無人機群系統設計

研究實施具備自主靶標識別、跟蹤定位與對靶噴霧作業、斷點續噴、自動返航能力的無人機，集成設備、飛行數據、植保等信息，設計零人工干預和長續航時間的植保無人機系統，并研究無人機多機協同自主作業集群系統。

4.2.3智能物聯農藥噴霧系統研究

依托物聯網、大數據、人工智能等技術，通過傳感網絡系統[61]實現靶標傳感、植保機械及其環境信息形成智能驅動物聯無人植保系統，準確預測植物冠層大小、形狀和密度、脅迫因子及病蟲草害發生遷移情況等，確定精確的噴霧時機以控制病蟲草害。圖3所示為智能物聯農藥噴霧系統框圖。

(1)病蟲草害靶標智能監測識別與防治預警系統

通過衛星遙感、無人機、地面生物與非生物傳感器等立體化感知獲取各類信息，融合監測數據和氣候條件、植物品種特性、植物生長過程信息、土壤信息及病蟲害防治歷史數據等，大數據分析確定精確植保作業處方圖；架構物聯網系統建設病蟲草害預警網絡直報系統平臺，預測與預警入侵生物、遷飛害蟲，增強病蟲草害檢測預警時效性及早期監測預警能力；通過即時分析計算，超出天敵防治范圍或危害閾值，開啟病蟲草害適時防治作業，落實應急反應，聯防聯控。

(2)無線物聯智能植保信息傳輸系統

值5G商用、6G(峰值速率、時延、連接數密度、移動性、定位能力等遠優于5G)研發之機，研制無線物聯智能移動終端，實現智能植保機械海量數據傳輸和互聯網共享控制；為實現植物病蟲草害智能診斷、預警以及智能化無人植保作業等功能，運用5G/6G技術，通過傳感網絡形成防治區域、自然環境、靶標生長、病蟲害防治等大數據群，將各種植保機械組成作業機具網以及中國北斗衛星“天網”(也可結合“星鏈計劃”)，引入空天海地一體化網絡技術，通過天網與地網融合形成智能植保信息傳輸系統，無死角地實現智能植保信息采集傳輸。

(3)立體智能協同農藥噴霧系統

集成大數據智能、移動互聯、云計算等技術充實智能植保機械的智慧大腦，研究基于云/霧/邊緣計算和感知計算、群體智能、邊緣智能和人機混合智能的地面與航空植保裝備多機協同決策控制，研制適應復雜地形和不同植物冠層特征的柔性底盤系統，完成作業路徑分時或跟隨施藥，實現對靶標冠層中下部與中上部施藥互補，利用專家群體智能接受事故教訓的負學習能力，解決作業精度要求高、作業環境復雜、安全風險防控難的問題，形成立體智能協同農藥噴霧系統，更進一步可與綜合防治系統深度融合形成泛系智能植保機械系統。

4.2.4植保機械關鍵技術研究

綜上，為滿足越來越高的環保要求，分析農藥噴施機械的技術特性、適用性和推廣應用程度，提出農藥噴霧關鍵技術的研究方向為微量、精準、精確、智能，見表1。其中，噴頭及農藥輸運系統和噴霧機載運平臺是決定農藥噴霧系統性能的關鍵部件。

表1 農藥噴霧關鍵技術研究及其發展Tab.1 Research and development of key technologies for pesticide spraying

(1)新型噴頭及在線混藥研究

按照生物最佳粒徑理論的不同生物靶標對霧滴粒徑的選擇捕獲能力，研究可控滴技術提高霧滴的對靶沉積能力；根據植物病蟲草害類型，開展基于PWM等技術的可變量控制，開展包括低飄移噴頭的新型專業化噴頭及其霧化理論研究；按照不同農藥劑型開展液液、液固在線混藥技術及其混藥器研究。

(2)智能化載運平臺研究

植保機械作業效率很大程度上取決于其載運工具能力及智能化水平。①智能化柔性底盤：采用全液壓系統的液壓驅動轉向、制動、行走及藥泵等，使整機結構簡化和傳動系統可靠，研制適應復雜地形及地況的多功能智能化柔性動力底盤。②植保無人車平臺：無人化植保作業需要自動導航駕駛系統，具備全方位感知探測和偵測避障能力、遠程監測及操控功能等，研究具備自主爬坡自動巡視的強大地形及其土壤條件的適應能力、足夠動力配備及收集運動過程中可能轉化的能量自給(如各類可燃物投入外燃機轉化能量、風能及各類振動能量等)、自動運輸能力(如長續航時間與智能往返能力)、靈活的操控方式(航線模式、往返模式、跟隨模式、遙控模式)等的植保作業無人車平臺；開展陸空聯合載重型植保無人機(無人飛行車)研制，除收起輪子進行空中噴灑農藥外，還可兼顧地面運輸及作業。③外骨骼植保機器人平臺：外骨骼植保機器人平臺屬于仿生學領域的可穿戴機器人，分析不同動物腳部和骨骼的生理結構，可將人體機能與外部機械動力裝置的機械能結合，如按照人的智能或檢測到運動意圖控制指令，采用碳纖維和航空級鋁合金材料，通過足式或輪式行走機構以及手控或腳控骨骼及其關節，通過液壓、氣動或電機驅動，發揮外骨骼強勁的承載能力，給人提供額外的動力或能力，然后根據不同作業需求安裝相應植保執行機構，即實現小型植保機械從“人背機械”向“機械背人”轉化。

在農藥仍為解決全球饑荒問題重要保障的時代，精確使用農藥成為必然選擇，這就要求開發出具有先進理念和創新性思維的環境友好型農藥噴霧系統及其機械產品，因此需要培養具備顛覆式創新能力的科技人才，以綠色防控、融合創新、智能互聯為重點，開展多學科深度合作，進行植保作業信息挖掘及其大數據平臺建設，構建智能化植保信息傳輸系統，突破和掌握靶標識別與植物生長模型建設、噴頭設計制造、在線混藥器設計、植保機器人設計、無人機控制系統研究、智能植保機械柔性底盤研發、植保作業無人化技術研究等，促進中國農藥噴施機械標準化、專業化、系列化、高質量發展的格局。