果園植保噴霧機研究現狀與優化建議

馬嘉昕 ， 丁 羽 ， 張玉湘萌 ， 馬利榮 ， 王 煜 ， 謝 鵬

（1.塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300；2.新疆維吾爾自治區教育廳普通高等學校現代農業工程重點實驗室，新疆 阿拉爾 843300）

1 噴霧機研究現狀

國外專家學者在植保噴霧機械的研究上，結合機電一體化、LiDAR、多傳感器、自動控制等技術，以達到提高植保設備對農作物精準高效的施藥要求。Giles等[1]通過研制果園智能化噴霧機，在多季節試驗中對目標感應噴霧器進行了評估，發現相對于傳統的果園機械噴霧，該噴霧機可減少農藥的使用。Lebeau等[2]設計了一種噴霧控制器，用于補償水平動臂運動對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和脈寬調制（PWM）噴嘴流量執行器及時衡量動臂運動速率變動，根據測量到的速度變化，可以提高噴霧機械施藥的均勻性。Bourodimos等[3]開發了一種拖曳式空氣輔助噴霧器，通過在風速、風向、溫度和空氣相對濕度限制的環境下，評估噴霧器在葡萄園的農藥噴霧漂移情況，結果表明，該噴霧器減少了大概20%~30%的噴霧漂移，降低了農藥造成的植物污染。為深入研究塑料大棚植保機械，Wang等[4]設計了一種新型的背負式噴霧機，用溫室蔬菜作為研究目標作物，歸納闡述出此種噴霧機在番茄冠層的噴霧沉降、噴灑特征、霧滴覆蓋度、農藥效度的優點。除了對噴霧機的開發與研究外，國外有學者還對噴嘴開展了大量研究。Patel等[5]設計和研制了一款低成本氣動輔助靜電噴嘴，該設計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，實驗結果表明，空氣輔助靜電噴管的性能在電荷質量比、沉積效率、傳質效率和生物效率等方面得到了顯著提高。Mamidi等[6]研發了一種可調節的流量噴嘴，利用調節位于噴嘴中移動銷的方式，可以改變噴嘴面積大小，調整噴嘴流量。Rajaa等[7]研發了一種專用的機器視覺檢測系統，它的優點是對高密度植物存在的雜草進行識別掃描，該程序魯棒性較高，能夠完成對雜草的自動噴霧與檢測，相對于以往的除草模式有一定的優點。Pascuzzi等[8]研制了自動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，在實驗中開發了一種高效率的智能分割算法，在此算法中使用了相對色彩因子，控制劃分了四塊區域，并且設置了噴頭，有較好的實時性，噴霧控制效果良好，實用性能優越。Torii[9]詳細研究了自動噴霧的技術方法，設計出了植株目標識別方法，以此計算噴霧技術數據，該算法采用了OpenCV開源庫及其有關開發工具，如果識別目標比控制線的像素數量高，會做出噴霧反應，使自動噴霧裝置完成智能化的操作，也可依靠圖像識別的結果進行噴霧控制。

中國農業科學研究院和現代農業裝備科技集團在2010年共同研發出了一種高地隙自動導航式噴桿噴霧機，該高地隙自動導航式噴桿噴霧機采用92 kW的大功率液壓驅動四個車輪，底盤機架的最小離地間隙為1 100 mm，田間噴霧作業時的噴幅為1 150 mm，其憑借穩定性強、通過性好的優勢，應用于玉米生長中后期的高桿噴霧工作。青島農業大學與華南農業大學共同設計了一款基于GNSS技術的自動導航噴霧機[10]，讓噴霧機實現無人駕駛時的噴霧作業，它以雷沃ZP9500高地隙植保機作為研究對象，基于“機-電-液”改造方式實現對高地隙植保機行走機構的電氣化控制，讓植保機在田間、水泥路面上都能根據自動導航技術精準地完成直線行駛、掉頭轉彎和噴霧作業。中國農業大學針對甘蔗等高莖稈作物的節約農藥量和提高農藥利用率的需求，研制了一款高地隙寬幅噴霧機變量施藥系統[11]。該系統選用LiDAR掃描技術鑒別甘蔗等高莖稈作物的三維信息，噴霧機的標記被捕獲脈寬調制控制器捕獲，通過PWM技術控制噴頭的開閉程度和噴霧時間，根據植株高度變化實時調節噴霧量，最終實現精準變量施藥。廣州極飛科技有限公司結合北斗導航系統、雙目視覺輔助技術和動態4D成像雷達技術等研發了一款極飛R150農業無人車[12]。該農業無人車選用北斗導航系統供給遠程無人駕駛技術，將雙目視覺輔助技術用于自動識別路線、精準執行作業，將4D成像雷達技術用于識別車前的障礙物信息，從而讓農業無人車全自動地實現田間精準噴藥運行。在植保無人機領域，漆海霞等[13]設計了一種基于網絡RTK的離心式無人機變量施藥系統，以提高無人機田間作業精度和作業效率。系統中的DTU模塊和GPS模塊負責供給RTK載波差分技術，及時取得周圍信息及無人機所在的經緯度。變量執行器負責對傳輸到監控平臺的實時信息進行處理并做出相應的施藥決策，從而調節無人機的霧滴粒徑和施藥量，完成正確執行變量施藥的任務。試驗結果表明，該噴霧系統可以提高施藥的準確性。

2 植保噴霧機的不足之處

2.1 噴藥效果差

果農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，農藥附著量低，藥液難以到達樹干，需頻繁噴藥，農藥使用效率低。傳統氣動大流量噴灑量過大，無法準確控制噴灑量，造成風速供給不足。風量太小，無法穿透大量樹冠，噴霧效率降低；風量太大，藥液會偏移，使藥液積聚在枝葉表面，造成藥液大量流失，影響果樹生長。

2.2 農機與農藝融合度不高

果園種植果樹的計劃與植保機器的生產和應用有著密不可分的關系。目前，因為新老果園種植的因素，植保機械的使用會受到果樹種植模式的影響，針對某些果樹發育、打藥、翻地等流程的不同需求，植保機械很難有效應對。作業效率高的大中型噴霧機械不能進入果園施藥，中小型噴霧機不能高質量使用。

2.3 噴霧的安全性低

無論是背負式、自走式、吊桿式噴灑方式，還是通風送風式，都需要人工操作。農藥噴灑、配藥以及清洗噴藥器具時，農戶反復接觸農藥，吸入農藥容易中毒，對農民的健康可能造成巨大危害，自動噴霧機械的研制勢在必行。

3 果園噴霧機優化建議

目前，防治病蟲害的主要手段是應用化學農藥，背負式、中小型噴霧機技術需要進一步改進，仍需要針對性開發，提升工作效率。

3.1 開展果樹物理特性研究

對果樹的物理特性進行研究是植保機械工作開展的重要步驟，通過對果樹葉子、枝干的物理特性展開相關理論研究，為植保噴霧機械關鍵部件參數設定及開發提供理論參考。

3.2 加強農機農藝融合

在現代農業發展過程中，農業機械化的發展與農學密切相關。農學與農業機械相輔相成，服務于農業生產的共同增效。可通過建立多學科交互發展機制，培養綜合型人才，加強農業工程、農藝、生物技術與管理多學科合作，形成農機農藝相適應的技術體系，培育適合機械化噴霧的果樹品類，制定適合機械化噴霧的果樹種植模式，研發與農藝相適應的果樹植保噴霧機械。

3.3 優化機械結構

在設計產品時，結合農藝要求，可應用DADS動態分析及設計程序，建立噴霧機動態模型，用正交設計方法選取參數的試驗組合，依據噴霧機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，根據實際需求實現噴霧機的結構優化設計。

3.4 提高機械通用性

植保噴霧機械通用性較差會增加果品的生產成本，農戶的收入會減少，限制植保噴霧機械的發展。應在不同果樹之間尋找共性，繪制出合理的結構，滿足一個機器可以在不同場合使用的要求，從而提高植保噴霧機械的通用性。

4 結語

綜上所述，果園植保機械發展要因地制宜，重點發展中小型智能噴灑植保機。在不斷完善果園種植結構的基礎上，對果樹生長特性展開研究，實現農機與農藝的有效結合，優化產品結構設計，提高智能植保噴霧機械的通用性和智能化技術水平，實現農藥的低噴量、精噴灑、高工效，滿足環保要求，提高果園植保機械化水平。