精准施药技术与装备发展现状分析_张波

了施药量。 CCD 图像传感器成本虽然较高、处理速度较慢，
但结合一定图像处理技术也可对作物病虫害信息进 行探测。饶洪辉［17］等利用 CCD 图像传感器采集靶标 信息，经过图像处理之后控制电机移动对靶标进行喷 雾。Moshou［18］等利用 CCD 及光谱仪作为检测设备， 采用一定图像处理算法有效判别出感染条锈病的小 麦。Yang［19］等采 用 高 光 谱 技 术，利 用 主 成 分 分 析 和 ISODATA 技术 实 现 探 测 棉 花 根 腐 病 的 目 的。Ashish Mishra［20］等研究了一种基于可见光和近 红 外 光 谱 的 光学传感器，可有效识别柑橘冠层病害。 1．3 基于处方图的变量施药技术
2016 年 4 月
农机化研究
第4期
精准施药技术与装备发展现状分析
张 波，翟长远，李瀚哲，杨 硕
（ 西北农林科技大学 机械与电子工程学院，陕西 杨凌 712100）
摘 要： 精 准 施 药 以 提 高 农 药 利 用 率 、降 低 农 药 残 留 对 食 品 和 环 境 污 染 为 目 的 ，是 施 药 发 展 的 方 向 。 为 此 ，首 先
在对果园或大田 进 行 施 药 时 ，往 往 药 量 需 求 不 均 匀，需要根 据 植 株 病 虫 害 程 度 进 行 按 需 施 药。 为 此， 可基于全球定位系统 （ GPS） 、地理信息系统 （ GIS） 生 成作业处方图，控制器以处方决策数据为基准控制喷 头喷药量，实 现 变 量 施 药 作 业。M． Pérez － Ｒuizde［21］ 等基于 GPS 技术研发了一种风送果园喷雾机，如图 3 所示。该喷雾机可根据果园参数控制喷头流量，可节 约 19% 喷雾量，减少 15． 5% 的飘失量。黄 伟 峰［22］ 等 采用嵌入式处理器 S3C44B0X 为主控芯片，完成了一 个基于 GPS 和 GPＲS 的果园喷雾嵌入式远程监测系 统的设计，实 现 了 对 喷 雾 压 力、流 量 和 地 理 位 置 的 实 时监测，并对数据进行处理、显示和保存，为实现精确 喷 雾 提 供 了 依 据 。 马 景 宇［23］ 等 完 成 了 一 种 应 用 于 农 田变量作业 的 农 机 控 制 系 统，系 统 由 GPS 模 块、GIS 控制中心和农机作业模块组成。利用 GPS 卫星空间 定位技术完成喷药农机实时的位置信息采集； 利用 GIS 技术实现了实时动态定位、可视化显示及变量施 药控制，也为 变 量 施 肥 控 制 系 统、变 量 灌 溉 控 制 系 统 等的研制提供了有效的决策手段参考。
率 及 喷 雾 均 匀 性 ； 风 幕 式 喷 杆 喷 雾 机 适 用 于 大 田 喷 雾 ，在 减 小 劳 动 强 度 的 同 时 提 高 了 喷 雾 均 匀 性 ，降 低 了 药 液 漂
失 量 ； 循 环 喷 雾 机 以 回 收 利 用 沉 积 药 液 为 目 的 ，可 提 高 药 液 的 利 用 效 率 ，减 轻 对 环 境 的 污 染 。 最 后 ，通 过 比 较 国
力的 PID 控制和施药量模糊控制模型，实现了施药机 的 恒 压 变 量 控 制 。 张 发 军［10］ 等 结 合 深 圳 隆 瑞 科 技 有 限公司开发的 6WC－30Y－G 型车载喷雾机，针对智能 喷雾决策条件的不确定性和模糊性，提出了一种基于 模糊控制规则的决策方法模型，较好地满足了车载智 能喷雾中实时施药控制要求。
污染等问题，成为制约农药使用的“瓶颈”［4］。
1 所示。
随着精准农业的 发 展 ，精 准 施 药 技 术 及 相 关 装 备
成为解决以上问题的有效手段，是施药装备发展的方 向［5－6］。精准施药的技术核心点在于获取农田小区域
病虫草害信 息，并 根 据 其 差 异 性 采 取 变 量 施 药 技 术，
图 2 幼树靶标探测器总体设计框图 Fig．2 Block diagram of young tree target detector
刘金龙［12］等针对非 连 续 种 植 的 农 作 物 连 续 施 药 造成环境污染的问题，设计了一种基于模拟正弦调制 的红外靶标探测系统，可对一定株距的农作物进行自 动对靶施药，有效减少了农药的浪费。李丽［13］等 设 计了对靶施药控制系统，利用红外传感器判断靶标有 无，并辅佐绿 色 传 感 器 判 断 靶 标 是 否 为 绿 色，达 到 了 只对绿色农作物进行施药的目的，进一步减少了农药 的浪费。
DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2016.04.001
0 引言
1．1 变量施药控制系统及算法 变量施药主要基于控制器对实时信号进行采集，
目前，在我国的农业生产过程中，农药 仍 然 是 防 并利用一 定 控 制 算 法 对 执 行 机 构 进 行 控 制。 王 利
治病虫草害的主要手段。据有关资料显示，农药的使 霞［8］等基于 AＲM7 系列的 S3C44B0X 微处理器，采集
红外传感器探测 面 积 小 ，存 在 因 枝 叶 间 隙 造 成 开 关误动作现象； 而超声波传感器属于面探测，可有效 地 解 决 类 似 的 问 题 。 翟 长 远［14］ 等 基 于 超 声 传 感 器 搭 建了靶标外形轮廓探测试验平台，并针对规则树冠和 樱桃树进行 了 对 靶 探 测 试 验，取 得 了 很 好 的 效 果，证 明 了 超 声 靶 标 探 测 的 可 行 性 。 王 万 章［15］ 等 采 用 超 声 波传感器在拖拉机行驶中检测树冠轮廓，由两个轮廓 边缘确定树冠直径的方法在果树喷雾控制中能较精 确地反映果树树冠的大小，为果树仿行喷雾控制和果 园果树生 长 信 息 采 集 提 供 了 技 术 方 法 。 Solanelles［16］ 等将超声波传感器和比例调节阀应用于风送喷雾机 上，根据测得 的 树 宽 控 制 喷 雾 流 量，从 而 极 大 地 节 约
用可 使 全 世 界 每 年 挽 回 20% ～ 25% 的 农 产 品 产 量［1－3］。但我国植保机械发展落后和传统施药方式不
机具作业位 置 信 息、行 进 速 度、喷 头 入 口 压 力 及 喷 头 喷药量信 息，并 根 据 网 格 位 置 对 电 动 调 节 阀 进 行 控
科学造成农药利用率低、农产品农药残留超标、环境 制，实现按需施药。变量喷药控制系统结构框图如图
针对以上问题 ，相 关 喷 雾 设 备 逐 渐 发 展 起 来 。 其 中，风送式喷 雾 机 能 将 药 液 进 行 二 次 雾 化，并 利 用 风 力送达至靶标，具有穿透力强、作业效率高、药液附着 面积大等优点，得到了大力发展。李超［25］等根据 目 前国内葡萄园的种植条件，设计了一种小型机载立管 式风送喷雾机（ 见图 4） ，并对喷雾效果和防飘特性进 行了测试，证 明 该 喷 雾 机 能 提 高 药 液 附 着 率，同 时 减 少农药漂失量。
介 绍 了 国 内 外 精 准 施 药 技 术 发 展 现 状 ，包 括 变 量 施 药 控 制 系 统 、控 制 算 法 、对 靶 施 药 控 制 技 术 和 基 于 处 方 图 施 药
技术 现 状 分 析 。其 次 ，分 析 了 国 内 外 精 准 施 药 装 备 发 展 现 状 ： 普 遍 应 用 于 果 园 的 风 送 施 药 机 极 大 提 高 了 工 作 效
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1．2 对靶变量喷雾控制技术 传统喷雾方式往 往 是 连 续 喷 雾 ，造 成 农 药 在 地 面
上大量沉积，其甚至多于在靶标上的沉积量。针对果 园植株种植不连续的情况，对靶变量喷雾控制技术可 以达到更好的施药效果。对靶技术主要使用传感器 进行靶标探测，如红外传感器、超声波传感器、图像传 感器（ CCD） 等。翟长远［11］等针对幼树靶标难以探测 的问题，基于 红 外 传 感 器 设 计 了 幼 树 靶 标 探 测 器，其 系统结构如图 2 所示。该探测器能同时探测到喷雾 器两侧果树树干，并根据用户设置的喷雾宽度和延迟 距离等参数，准 确 控 制 电 磁 阀 的 开 闭 进 行 对 靶 喷 药， 有效解决了低矮幼树靶标探测问题。
尽管风送喷雾机具有穿透力强、效 率 高 等 优 点， 但在作业过程中往往存在喷雾参数选择不当、喷头类 型与作物 冠 层 特 性 不 匹 配 等 问 题。为 此，翟 长 远［27］ 等进行了风送喷雾雾滴粒径测量系统设计与影响因 素试验，通过 对 喷 头 位 置、喷 雾 压 力 和 风 速 大 小 的 精 确控制，以不同喷头为研究对象，得出压力、风速与雾 滴粒径大小的关系。随着计算机科学的快速发展，研 究人员也将相关计算机仿真技术应用在对喷雾系统 的分析中。A． Melese Endalew［28－29］等利用计算机流体 动力学（ CFD） 建立了集成分布模型，分析了多种因素 对单轴、双轴、多 轴 流 风 送 喷 雾 机 的 喷 雾 漂 失 量 的 影 响。孙国祥［30］等利用 CFD 离散相模型的粒子跟踪技 术，研究了不 同 喷 雾 条 件 下 的 雾 滴 特 性，建 立 了 雾 滴 沉积量和沉积率的预测模型，为喷雾机的设计提供参 考。
实现按 需 施 药［3，5］。 精 准 施 药 以 显 著 提 高 农 药 利 用
率、极大减轻 环 境 污 染 等 为 优 势，已 经 得 到 了 大 力 发
展与广泛应用。对于施药技术与装备的研究，国外起
步较早，发 展 较 成 熟。 但 近 年 来，随 着 国 内 外 技 术 交
流越来越频繁，我国精准施药技术及相关装备的研究 也取得了可喜的成绩［6－8］。为此，本文就国内外精 准 施药技术与装备的发展进行了分析。
内 外 相 关 领 域 的 研 究 现 状 ，指 出 国 内 精 准 施 药 技 术 研 究 不 足 ，需 要 利 用 电 子 信 息 和 自 动 化 技 术 进 一 步 提 升 精 准
施药装备水平。
关键词： 精准施药； 对靶施药； 处方图； 施药装备
中图分类号： S233．3
文献标识码： A
文章编号： 1003－188X（ 2016） 04－0001－05
图 3 风送喷雾机田间试验 Fig．3 Air－assisted sprayer used in the field test
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2 精准施药装备
植保机械和农药 、防 治 技 术 一 样 被 誉 为 化Leabharlann Baidu学 防 治 的 三 大 支 柱 之 一［24］。 我 国 早 期 主 要 采 用 传 统 的 背 负 式手动喷雾器，不仅劳动强度大、作业效率低、农药分 布不均匀，而且由手动机械进行施药时真正到达靶标 上的药量不到喷洒量的 20%，造成严重的浪费和环境 污染。
图 1 变量喷药控制系统框图 Fig．1 Variable－rate spraying control system
1 精准施药技术发展现状
黄胜［9］等基于 AT89S52 单片机设计了变量施药 机的恒压变量控制系统，并建立了系统总管道药液压
收稿日期： 2015－03－13 基金项目： 国家“863 计划”项目（ 2012AA101904） ； 国家自然科学基金
项目 （ 31201128 ） ； 西 北 农 林 科 技 大 学 科 技 创 新 项 目 （ 2452013QN070） 作者简介： 张 波 （ 1992 － ） ，男，四 川 乐 山 人，硕 士 研 究 生，（ E － mail） zhangbo_609@ 163．com。 通讯作者： 翟长远（ 1982－） ，男，河南驻马店人，副教授，硕士生导师，博 士，（ E－mail） zhaichangyuan@ 163．com。
我国许多地方果园种植以低矮植株为主（ 如猕猴 桃等） ，如果喷雾机体积过大、风力过强，会使得喷雾 机无法进 入 果 园 进 行 作 业，并 且 会 造 成 行 间 喷 雾 干 扰，由此 研 究 人 员 设 计 了 相 应 合 适 的 喷 雾 机。丁 素 明［31］等 针 对 一 些 果 园 行 距 较 小 、树 冠 交 叉 等 问 题 ，设 计了一种自走式风送喷雾机。通过对雾滴覆盖率的 测试证明，该机可满足病害防治的需要。邱威［32－33］等 针对低矮密植果园设计了一种轴向进风、径向出风的 圆环双流道风机，原理如图 6 所示。通过对风速、风 量的测试，证明该风机适用于低矮密植果园。