柑橘無人對靶施藥關鍵技術研究*

曹中華 ，崔晉波 ，湛小梅 ，馮 偉 ，李亞麗

（重慶市農業科學院，重慶 401329）

1 研究意義

重慶是全國柑橘的主產區和優產區，柑橘產業位居重慶七大特色產業之首，種植面積超過350萬畝（1畝≈667m2），產量超過330萬噸，種植業產值近200 億元，幫助農民脫貧致富效果顯著。然而，在重慶市柑橘產業快速發展的同時，柑橘生產機械化卻令人堪憂，其中以植保機械最為突出。目前，重慶市柑橘果園的農藥噴灑方式大多采用背負式噴霧器，這種噴霧器需要農民自身攜帶藥箱，并通過手動施壓來噴灑農藥，存在工作效率低、勞動強度大、農藥利用率低以及環境污染嚴重等突出問題[1-3]。

農業機械是農業生產的重要物質技術基礎，農業機械化是農業現代化的重要標志。政府高度重視農業機械化發展，頒布了《農業機械化促進法》《農業機械安全監督管理條款》等法規和規章，制定印發了《國務院關于促進農業機械化和農機工業又好又快發展的意見》和《國務院關于加快推進農業機械化和農機裝備產業轉型升級的指導意見》，將農機裝備發展列為《中國制造2025》重點領域，出臺了一系列支持促進農業機械化發展的政策舉措，調動了廣大農民購機、用機的積極性，推動了全國農業機械化持續快速發展，成為中國農業現代化發展進程中的突出亮點。同時，隨著工業化和城鎮化的進程不斷加快，農業“用工難”“用工貴”問題日益突出，農業各領域對機械化的需求越來越迫切，廣大農民對農機裝備的依賴越來越明顯，“機械化換人”成為破解“誰來種地？怎么種地？”問題的必然選擇。適應新形勢、新要求，加快推進重慶市農業機械化轉型升級，是全面實施重慶市“鄉村振興”行動計劃的迫切要求。可見，智能農機發展政策優越、時間緊迫。

隨著科技的進步和人們環保意識的提高，人們越來越重視農藥對環境的污染以及農藥的利用率問題。同時，果農對柑橘施藥機械的要求也越來越高，不但要求農藥的利用率高，而且還要求勞動強度低、環境污染小。如何在噴灑農藥的同時，減少農藥對柑橘果品與環境的影響，提高農藥利用率、殺蟲效果、霧化效果、藥物的沉淀量，降低成本及病蟲害對果樹的傷害和環境污染是迫切需要解決的問題。因此，針對我國丘陵山區宜機標準柑橘園種植管理需求，兼顧施藥作業需要，進行柑橘無人對靶施藥關鍵技術研究，為下一步研制柑橘無人對靶施藥裝備提供理論依據[4-5]。

2 國內外研究現狀

國外在農藥噴施技術方面的研究發展得較早，以歐美地區的發達國家為主。Speelman 等人先后研究了不同行駛速度會引起噴桿的不規則運動及激振頻率會影響噴霧分布均勻性，噴桿水平運動對噴霧分布均勻性的影響情況。Duga 等人利用3 種不同類型噴霧機對4 種不同果樹進行霧滴沉積試驗，得出更高的空氣流速有利于提高目標作物的霧滴沉積率。Pérez-Ruiz 等人研究噴霧控制系統，該系統降低了植保成本、環境破壞和農民的人身風險，并配有先進的傳感器，加強探測噴桿末端效應并確保噴灑的準確性。Pascuzzi 等人研究了一種氣動靜電噴霧器來評估靜電荷對葡萄葉面噴霧沉積的影響，以求達到更好的霧化效果。GilesDK等人先后研究對靶噴藥系統，使用CCD攝像機實時采集目標作物，基于機器視覺的精確對靶噴施系統，有效減少了農藥的使用量。綜上所述，國外在對模型的建立、噴桿的動態特性、噴桿的自動平衡、靶噴施方面應用的技術比較先進，性能方面比較可靠，針對病蟲害防治的精確噴施技術的研究值得國內借鑒和參考。但國外一些現有成果難以在國內直接應用，高精尖的對靶噴施設備（如激光掃描儀、機器視覺設備）使得噴霧機具在農業生產中的使用成本過高、大型機具難以適應我國標準檸檬果園種植模式施藥等，在全株施藥技術、無人對靶施藥技術等領域研究不足。

國內在農藥噴施技術方面落后于發達國家，主要采用粗放式的噴施方法，噴施技術水平低，主要采用小型噴霧機具。隨著智能農業裝備研究的深入，國內諸多學者也在精確噴施技術上做了大量的研究。丁競崗等人先后針對果園噴霧機研究噴頭的最佳間距、噴頭高度、液體壓力和均勻覆蓋所需重疊量的函數，壓力損失對XR系列噴頭霧滴粒徑分布的影響，霧滴的實時飄移情況及飄移分布規律，可轉換噴桿噴霧機自動測控系統及噴霧機的超寬幅噴桿式、折疊機構、仿形機構和回彈機構。何雄奎等人通過研究紅外傳感探測技術，利用顏色傳感器和單片機控制系統，實現只對綠色作物靶標噴霧的目的。但是，總體來說國內目前在對靶技術方面的大多數成果還停留在試驗階段，實用性不強，距離投入實際的農業生產還有一段時間。在全株施藥技術模式、無人駕駛自動對靶施藥技術領域等方面出現空白[6-9]。

綜上，國外精準噴霧機的發展趨勢已經向大型化、機電液一體化、智能化等方向發展。在大功率拖拉機上前后懸掛機具進行高速、寬幅施藥等作業，并廣泛結合虛擬儀器技術，利用現代傳感技術，實現精準對靶施藥，以提高作業效率和節約能源。同時，國內噴霧機研究從通用設備向專用設備發展，從粗放噴霧向精準噴霧甚至對靶噴霧發展，針對果園種植管理需求，兼顧施藥作業需要，進行對靶施藥、無人駕駛設備的研發，逐步替代背負式、擔架式噴霧機開展作業，減輕勞動強度，提高作業效率。

3 關鍵技術研究

3.1 開展標準化柑橘園機藝融合技術研究

針對丘陵山地標準化柑橘園農藝種植需求，柑橘樹型大、排水溝設置不科學導致的底盤通過性差問題，篩選適宜的柑橘修剪技術，集成柑橘疏花疏果技術和果園暗排技術，從而解決丘陵山地柑橘園動力底盤通過性差、機械施藥困難等問題。

3.2 柑橘全株機械施藥技術研究

針對柑橘機械施藥時葉背藥液沉淀量低、霧滴分布不均勻等問題，通過對我國丘陵山區宜機標準柑橘園種植模式的研究，依照樹冠大小形態采用液壓技術控制，研究變噴桿噴霧機自動收合變形、自調整高度機構，采用仿樹形弧形噴桿，研究噴桿上安裝的可調噴嘴個數及分布方式，實現柑橘頁面葉背全株施藥，利用FLUENT 對噴霧霧化特性進行仿真分析，使用室內噴霧性能綜合試驗臺對影響噴桿噴霧機噴霧分布均勻性的相關工作參數進行優化試驗研究，設置不同噴霧機相關技術參數組合，通過數據整理分析，尋找到施藥距離、噴霧壓力、對應的霧滴沉淀量的最優參數組合，采用數字化設計技術，建立柑橘噴霧虛擬樣機，進行噴霧情況的仿真分析，優化結構參數，形成輕簡高效的噴霧機主體結構，對噴霧機進行實際田間試驗，檢驗噴霧機的霧滴覆蓋率和穿透性，分析噴霧機實際噴藥霧化效果、柑橘葉背藥液沉淀量等參數。

3.3 柑橘機械施藥對靶技術研究

針對標準果園柑橘種植模式、農藥利用率低且易流失造成環境污染等問題，研究柑橘對靶施藥技術。采用紅外光電傳感器探測果樹，結合柑橘生長狀態，通過紅外光電及雷達傳感器來實時獲取噴施柑橘的輪廓、距離、深度及密度等信息，經處理器控制電磁閥的開閉，從而控制噴頭噴停。針對樹冠層枝葉的不連續，研究紅外光電及雷達傳感器檢測噴霧單元與樹冠層枝葉的距離，當檢測到柑橘果樹時，由與噴嘴相連的電磁開關閥控制進行施藥工作，并由控制系統分析處理后確定施藥量的多少，形成施藥決策。根據傳感器信號控制電磁閥狀態，實現自動對靶施藥，以降低藥液的用量，提高藥液的使用效率，減少環境污染。

3.4 無人對靶施藥系統研究

在噴桿上中下三處配置傳感器，用于樹冠感應與距離反饋，研究傳感器參數、流量和壓力系統調節方法、多傳感器防干擾技術、傳感器防電子系統干擾技術等，研發噴霧智能控制系統，指揮噴桿根據樹冠情況自動伸縮、張合及傾角調整，噴頭根據樹冠情況自動開閉，實現對靶施藥。

3.5 新能源無人駕駛智能底盤研究

根據我國丘陵山區標準化柑橘園的特點、柑橘樹型和噴藥動力及精度的要求，搭建鋰電池雙電機履帶底盤、集成遙控模塊和電動推桿系統，實現柑橘對靶施藥裝備自動行走，在動力底盤前方和左右兩側各配置姿態傳感器、雷達避障傳感器、角度傳感器等，用于地形、障礙物和車身姿態感知，實現底盤行走速度自動調節、智能避障和轉彎，確保定位信號丟失時能準確行止，從而實現動力底盤作業的無人操作，最大程度地減少農藥對操作人員身體健康的傷害。

4 結語

基于我國丘陵山區標準化宜機柑橘園種植的農藝要求，通過對柑橘全株機械施藥、柑橘機械對靶施藥、新能源無人駕駛智能底盤等關鍵技術的研究，擬解決柑橘施藥過程中的葉背藥液沉淀量低、分布不均勻、殺蟲效果差、藥液浪費量大、附著率低及環境污染嚴重等問題，為柑橘無人對靶施藥裝備的研制提供理論依據。