果園施藥關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展*

牛萌萌，方會(huì)敏，康建明，陳英凱，2，彭強(qiáng)吉，張春艷

(1.山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南市，250100；2.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，濟(jì)南市，250100)

0 引言

農(nóng)藥施用對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的病蟲草害防治具有重要作用，對(duì)作物產(chǎn)量提高具有重要意義。目前，中國(guó)農(nóng)藥的使用量和產(chǎn)量都居全球第一，每年使用農(nóng)藥原液30多萬(wàn)t(折百量)，防治面積達(dá)4億～5億hm2[1]，農(nóng)藥為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也給自然環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重污染。我國(guó)果園面積近10年來(lái)不斷增加，從2010年的10 681.02 khm2增加至2018年的11 874.87 khm2，同時(shí)我國(guó)水果產(chǎn)量由2010年的20 095.37萬(wàn)t增加至2018年的25 688.35萬(wàn)t[2]。林果業(yè)機(jī)械總功率由2012年21.15萬(wàn)臺(tái)的100.33萬(wàn)kW增加至2018年46.32萬(wàn)臺(tái)的163.76萬(wàn)kW，但相對(duì)于2018年農(nóng)業(yè)機(jī)械總動(dòng)力的100 371.74萬(wàn)kW占比還相對(duì)較少[3-4]?！稗r(nóng)藥化肥‘雙減’行動(dòng)”作為促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)綠色高效可持續(xù)發(fā)展的重要手段得到了國(guó)家高度重視，現(xiàn)代果園管理需要高效施藥機(jī)具，高效施藥機(jī)具需要現(xiàn)代施藥技術(shù)。

果園施藥作為水果生產(chǎn)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，其機(jī)械化程度直接影響水果生產(chǎn)機(jī)械化水平。本文在分析果園施藥關(guān)鍵技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，闡述歸納了噴頭技術(shù)、氣力輔助噴霧技術(shù)、靜電噴霧技術(shù)、在線混藥技術(shù)、自動(dòng)對(duì)靶技術(shù)、變量施藥技術(shù)、病蟲害監(jiān)測(cè)技術(shù)等方面的最新研究進(jìn)展，并探討了果園施藥機(jī)械與技術(shù)發(fā)展面臨的主要問題及對(duì)策，為促進(jìn)我國(guó)果園施藥機(jī)械與技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展提供參考。

1 果園施藥關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

1.1 噴頭技術(shù)

植保噴頭是施藥機(jī)械的關(guān)鍵部件，其性能的好壞直接決定噴霧施藥的質(zhì)量和效率。植保噴頭分類方式眾多，也較為復(fù)雜，一種噴頭往往是幾種不同噴頭技術(shù)的綜合(如表1所示)，不同種類噴頭其工作原理、霧滴特性和適用條件也都不盡相同(圖1為植保噴頭典型結(jié)構(gòu)示意圖)。Tembely等[5]運(yùn)用基于最大熵原理(EM)方法對(duì)噴嘴噴射的霧滴譜進(jìn)行了研究，推導(dǎo)出了可以適應(yīng)多種工況環(huán)境的一種模型公式，對(duì)噴頭霧化性能的研究提供了重要參考。Needham等[6]為實(shí)現(xiàn)分別控制藥液噴霧量和霧滴尺寸大小，提出了采用比例電磁閥與噴頭耦合的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了噴頭噴霧量的變量控制。Parafiniuk等[7]研究了三種不同磨損程度(新的、磨損的、損壞的)的噴頭，在噴霧量相同的情況下(通過降低噴霧壓力來(lái)修正噴頭磨損造成的流量增加，而噴霧壓力的降低會(huì)造成霧滴粒徑增大、霧滴均勻性變差)對(duì)作物生長(zhǎng)情況和產(chǎn)量的影響，結(jié)果表明，新噴頭作業(yè)下作物產(chǎn)量高于其他兩種噴頭。

表1 各噴頭技術(shù)工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)

圖1 植保噴頭典型結(jié)構(gòu)示意圖

國(guó)內(nèi)研究方面，茹煜等[8]針對(duì)具有離心霧化和液力霧化優(yōu)點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)液力霧化噴頭進(jìn)行了噴霧特性試驗(yàn)研究，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速、噴霧工作壓力、噴孔直徑因素等對(duì)噴頭噴霧沉積分布、噴幅、霧滴粒徑和作業(yè)功耗的影響進(jìn)行了試驗(yàn)探究，得出噴頭旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速相比噴霧工作壓力和噴孔直徑參數(shù)對(duì)霧滴粒徑的影響更顯著，指出隨著轉(zhuǎn)速加大，霧滴粒徑變小，霧化效果更好，同時(shí)噴霧角度變大，幅寬增加。金蘭等[9]使用法拉第筒法、激光粒度儀和顆粒圖像測(cè)速系統(tǒng)(PIV)探究了靜電噴頭充電電壓、噴霧壓力、噴嘴直徑等參數(shù)對(duì)噴頭荷電霧滴霧化流場(chǎng)、霧滴荷質(zhì)比、霧滴粒徑的影響，得出充電電壓、噴嘴直徑、噴霧壓力3個(gè)參數(shù)對(duì)霧滴粒徑分布的影響程度依次增強(qiáng)。樊榮等[10]為了實(shí)現(xiàn)植保常用扇形霧噴頭的數(shù)字化管理及生成，對(duì)常用扇形噴頭的噴霧質(zhì)量、性能特性、結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行了理論研究，對(duì)不同類型的扇形噴頭進(jìn)行了噴霧分布試驗(yàn)，建立了不同型號(hào)扇形噴頭的型譜模型，制定了扇形噴頭譜系結(jié)構(gòu)，對(duì)噴頭的系列化、規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化具有重要意義。董福龍等[11]基于撞擊流和射流耦合作用原理，設(shè)計(jì)了一種對(duì)沖噴頭，具有霧滴粒徑均勻性較好、霧滴譜較窄、調(diào)壓范圍寬和抗飄性較強(qiáng)的特點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)噴頭的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)和歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家還存在一定差距，這是制約我國(guó)噴霧施藥水平的關(guān)鍵因素之一。目前，國(guó)外噴頭設(shè)計(jì)主要根據(jù)噴頭內(nèi)部的流體力學(xué)設(shè)計(jì)理論，國(guó)內(nèi)噴頭設(shè)計(jì)以參考國(guó)外為主，針對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，以期達(dá)到所需的霧滴粒徑、噴霧角、噴霧流量及噴霧分布等特性。同時(shí)噴頭材料也是影響噴頭霧化特性和作業(yè)穩(wěn)定性的重要因素，其中材料的耐磨特性和耐化學(xué)特性及抗壓特性是衡量噴頭材料優(yōu)劣的主要指標(biāo)。國(guó)內(nèi)外在噴頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化、變形設(shè)計(jì)、新材料、霧化機(jī)理等方面都進(jìn)行了深入研究，并結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計(jì)與分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)噴頭研究過程中的虛擬設(shè)計(jì)和流場(chǎng)特征的數(shù)值模擬，有助于噴頭的設(shè)計(jì)優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。但針對(duì)噴頭在新結(jié)構(gòu)、新噴霧理論方面的創(chuàng)新研究相對(duì)較少，為應(yīng)對(duì)現(xiàn)在噴霧技術(shù)的發(fā)展，具有特定功能和作用的噴頭將會(huì)是噴頭研究的一個(gè)主要方向。

1.2 氣力輔助噴霧技術(shù)

輔助氣流噴霧于20世紀(jì)末在歐洲興起，利用氣流的脅迫作用把藥液霧滴輸送到標(biāo)靶上，提高霧流穿透性優(yōu)化霧滴沉積分布，其中風(fēng)送式噴霧系統(tǒng)工作原理如圖2所示?？的螤柎髮W(xué)的Landers[12]研制了一種果園噴霧機(jī)，通過調(diào)節(jié)出風(fēng)口的風(fēng)柵可實(shí)現(xiàn)送風(fēng)方向的改變，以達(dá)到更理想的霧滴沉積效果，他還分析了影響霧滴沉積和風(fēng)場(chǎng)分布的各種因素，通過改變各種噴霧技術(shù)參數(shù)研究霧滴飄移和噴霧沉積情況。Patel 等[13]設(shè)計(jì)了一種感應(yīng)式靜電噴頭與外部氣流輔助相結(jié)合的遠(yuǎn)射程噴霧系統(tǒng)，通過高壓輔助氣流實(shí)現(xiàn)荷電霧滴的分散運(yùn)動(dòng)和均勻沉積，并指出輔助氣流對(duì)霧滴荷質(zhì)比沒有顯著影響。Kuznetsov等[14]結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)氣力噴頭霧化過程的氣液兩相流場(chǎng)的數(shù)值建模方法進(jìn)行了驗(yàn)證，數(shù)學(xué)模型使用湍流模型k-ωSST和雷諾應(yīng)力模型(RSM)，采用拉格朗日方法對(duì)霧滴流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，比較分析表明，無(wú)論是亞音速流還是超音速流，計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果在定性和定量上具有較好的一致性。

圖2 牽引式果園風(fēng)送式噴霧機(jī)

針對(duì)氣力輔助噴霧技術(shù)國(guó)內(nèi)開展了大量研究，唐青等[15]研究了標(biāo)準(zhǔn)扇形噴頭和空氣誘導(dǎo)噴頭在高速氣流作用下的霧化特性，試驗(yàn)結(jié)果表明兩種噴頭在高速外部氣流作用下，霧滴粒徑都隨著風(fēng)速的增加而減小，在噴霧壓力0.3 MPa下，當(dāng)風(fēng)速由120 km/h逐步增加到305 km/h時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)扇形噴頭和空氣誘導(dǎo)噴頭的霧滴體積中徑變化范圍為210～130 μm、430～150 μm。宋淑然等[16]基于遠(yuǎn)射程風(fēng)送式噴霧機(jī)研究了霧滴由噴嘴噴出后在風(fēng)力的裹挾運(yùn)動(dòng)過程中霧滴粒徑在噴幅內(nèi)和射程內(nèi)的變化分布規(guī)律，指出霧滴傳輸主要經(jīng)歷3個(gè)過程，近出風(fēng)口處高速氣流的破碎作用是霧滴粒徑變小的重要因素，射程末端的低速氣流中霧滴在擴(kuò)散彌漫中因蒸發(fā)作用而使霧滴直徑變小，在射程中部的中速氣流下，霧滴柱中的卷吸作用使霧滴間發(fā)生聚合而形成粒徑大的霧滴。呂曉蘭等[17]基于果園風(fēng)送式噴霧機(jī)研究了噴霧機(jī)導(dǎo)流板角度變化對(duì)外部氣流速度場(chǎng)三維空間分布的影響，采用ICEM建立幾何模型，并進(jìn)行全結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，采用k-ε湍流模型進(jìn)行了氣流場(chǎng)的模擬仿真，探究了導(dǎo)流板角度不同對(duì)氣流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)和氣流分布的影響，給出了不同施藥對(duì)象下導(dǎo)流板的較優(yōu)布置角度?？姾甑萚18]利用超聲霧化技術(shù)設(shè)計(jì)了一臺(tái)超聲霧化氣力噴霧裝置，運(yùn)用氣流場(chǎng)和超聲振動(dòng)共同作用，實(shí)現(xiàn)噴頭噴霧霧滴的進(jìn)一步破碎細(xì)化，在超聲發(fā)生器功率300 W，氣壓值0.05 MPa下，噴頭的霧滴體積中徑為33 μm，滿足超低容量噴霧。李雪等[19]基于文丘里原理設(shè)計(jì)了一種農(nóng)用氣力式噴頭，并采用k-ε湍流模型對(duì)噴頭內(nèi)部氣流場(chǎng)進(jìn)行了CFD仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明: 噴嘴出口處?kù)F流中心區(qū)域的氣流速度可達(dá)到亞音速或超音速，噴嘴出口處的氣流速度隨著兩相壓力的增加而增加，在0.05 MPa 的恒定水壓和0.2～0.4 MPa的氣壓下，距離噴嘴出口1.6 m處，霧滴粒徑65 μm以下的霧滴比例≥85%，噴頭霧化的霧滴體積中徑(D50)<50 μm，設(shè)計(jì)的氣力噴頭可達(dá)到較優(yōu)的霧化性能。

上述研究可知，目前研究的氣力輔助噴霧系統(tǒng)根據(jù)氣流和霧流的混流方式和位置不同分為兩類: 一類為風(fēng)送式噴霧系統(tǒng)，氣流和霧流在噴頭外部混流在一起，霧流被氣流攜帶進(jìn)入果樹冠層內(nèi)部；另一類為氣力式噴頭噴霧系統(tǒng)，氣流和霧流在噴頭的內(nèi)部混流在一起，高速氣流的速度對(duì)霧流霧滴粒徑的影響較大。其中風(fēng)送式噴霧技術(shù)是目前果園施藥中推廣使用最好的噴霧技術(shù)，但目前推廣使用的風(fēng)送式噴霧機(jī)仍存在耗能大、質(zhì)量重的缺點(diǎn)，且風(fēng)機(jī)風(fēng)量的精準(zhǔn)控制也存在技術(shù)短板，不同果樹冠層直徑和冠層密度需要的送風(fēng)風(fēng)量不同，送風(fēng)不足時(shí)霧流無(wú)法穿透整個(gè)冠層，送風(fēng)過大則會(huì)加劇霧滴飄失。因此，研究實(shí)現(xiàn)變量精準(zhǔn)送風(fēng)是風(fēng)送式噴霧機(jī)進(jìn)一步發(fā)展的趨勢(shì)。

1.3 靜電噴霧技術(shù)

20世紀(jì)40年代，法國(guó)首次將高壓靜電技術(shù)應(yīng)用于施藥噴霧作業(yè)，其靜電噴霧工作原理如圖3所示。1999年Carlton[20]申請(qǐng)獲得航空靜電噴霧系統(tǒng)專利，后來(lái)專利權(quán)被美國(guó)SES公司(Spectrum electrostatic sprayers，Inc.)購(gòu)買，并生產(chǎn)形成商業(yè)化產(chǎn)品。Patel等[21]設(shè)計(jì)研制了一種靜電噴霧用的小型直流-直流高壓變換器，利用9 V的直流蓄電池提供靜電噴頭所需的高電壓輸入，設(shè)計(jì)的高壓系統(tǒng)在較高頻率范圍內(nèi)輸出穩(wěn)定，在施加負(fù)載時(shí)具有較佳的紋波和壓降。Salcedo等[22]設(shè)計(jì)了一種“П”型靜電噴霧機(jī)，通過田間試驗(yàn)對(duì)比分析了“П”型靜電噴霧機(jī)和常規(guī)“П”型噴霧機(jī)在針對(duì)葡萄施藥時(shí)的霧滴沉積質(zhì)量，試驗(yàn)得出靜電噴霧對(duì)增加葉面霧滴沉積量和優(yōu)化沉積均勻性都有顯著作用；在實(shí)現(xiàn)藥液等量沉積的條件下，靜電噴霧可以節(jié)省68%的施藥量。

圖3 靜電噴霧工作原理

國(guó)內(nèi)學(xué)者也開展了許多相關(guān)研究，張玲等[23]設(shè)計(jì)了一種空心圓錐霧仿形靜電噴頭，在噴嘴出口處?kù)F滴形成區(qū)域依據(jù)霧流形態(tài)設(shè)計(jì)靜電電極形狀，并在電極外側(cè)加設(shè)高壓絕緣外套，使得霧流在靜電區(qū)域內(nèi)與電極始終保持最佳感應(yīng)距離，獲得最大靜電感應(yīng)電荷。楊洲等[24]采用室內(nèi)模擬側(cè)風(fēng)探究了不同側(cè)風(fēng)和靜電電壓對(duì)靜電噴霧飄移的影響，指出靜電噴霧隨著靜電電壓的增大，霧滴的飄失率和霧流飄移距離增大，并對(duì)霧滴粒徑分布隨靜電電壓的變化進(jìn)行了測(cè)定和分析。崔海蓉等[25]研究了環(huán)形電極直徑及其相對(duì)于噴頭的布置位置對(duì)霧滴荷電效果的影響，結(jié)果表明，環(huán)形電極直徑增大，霧滴荷質(zhì)比減小；電極安裝位置沿霧流運(yùn)動(dòng)方向前移，霧滴荷質(zhì)比增加，并存在著一定的線性關(guān)系。岳德成等[26]基于背負(fù)式靜電噴霧機(jī)通過田間試驗(yàn)研究了靜電噴霧對(duì)2種玉米除草劑(40%乙·莠SE、30%苯唑草酮SC+90%莠去津WG+專用助劑)的減量施用效應(yīng)，試驗(yàn)中施用量較各自推薦量分別減少36.67%和21.43%，仍可保持64%以上的株防效，而鮮重防效在95%以上，并可減輕除草劑對(duì)玉米產(chǎn)量的影響，相比人工除草減產(chǎn)分別只有1.96%和0.29%。

目前，靜電噴霧的主要霧滴充電方法有感應(yīng)充電法、電暈充電法和接觸充電法，其中感應(yīng)充電法相對(duì)于另外兩種方式有相對(duì)較低的實(shí)現(xiàn)工作電壓，在作業(yè)安全性和高壓絕緣性方面存在優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)外對(duì)靜電噴霧技術(shù)研究的深度和廣度都達(dá)到了較高水平。但目前靜電噴霧技術(shù)還存在電能消耗大；絕緣材料性能不達(dá)標(biāo)，容易被高壓靜電擊穿絕緣層造成漏電，嚴(yán)重時(shí)會(huì)危及操作者人身安全；工作性能不穩(wěn)定，受環(huán)境因素影響較大；及供電系統(tǒng)維護(hù)不方便和噴頭使用壽命短等都是制約靜電噴霧技術(shù)使用和推廣的關(guān)鍵因素。因此，在靜電噴霧系統(tǒng)的研究中，高壓供電系統(tǒng)的安全性和高效性、靜電噴頭的穩(wěn)定性和耐久性等的研究，將是目前推動(dòng)靜電噴霧技術(shù)研究發(fā)展的關(guān)鍵。

1.4 在線混藥技術(shù)

在線混藥技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代前后，1970年Amsdem[27]通過研究提出了農(nóng)藥在線混藥技術(shù)，圖4為外加動(dòng)力直接注入式在線混藥工作原理圖。Vondricka等[28]對(duì)Hloben研制的檢測(cè)在線混藥過程中平均濃度變化的光纖光度傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，使傳感器嵌入混藥器結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)了在線檢測(cè)混藥濃度的功能。Hirschberg等[29]通過改進(jìn)SMX靜態(tài)混藥器，使得流體經(jīng)過混藥器時(shí)的壓降減少了50%，并利用CFD方法得到改進(jìn)后混合器的壓力譜、混藥時(shí)間以及混合效果等信息。Sarvanan等[30]基于流體動(dòng)力學(xué)分析了不同噴射位置、噴口直徑等參數(shù)對(duì)射流混藥器工作性能的影響，得出噴口直徑大小對(duì)射流混藥器的混合特性有重要的影響。Koller等[31]使用紅外光譜法對(duì)混藥過程中農(nóng)藥顆粒流與水流的混合過程進(jìn)行了檢測(cè)，但檢測(cè)系統(tǒng)只給出了混合物中藥和水的體積關(guān)聯(lián)趨勢(shì)，不能準(zhǔn)確的給出混藥濃度。Shen等[32]研制了一種采用微處理器控制的預(yù)混式直噴系統(tǒng)，用陶瓷活塞式化學(xué)計(jì)量泵和兩個(gè)小的過渡罐，實(shí)現(xiàn)在線變量施藥，與通常的將農(nóng)藥直接注入施藥管道的系統(tǒng)不同，該系統(tǒng)首先將特定數(shù)量的水和農(nóng)藥注入預(yù)混室中進(jìn)行攪拌混合，然后將混合物轉(zhuǎn)移到過渡室中，最后按設(shè)定藥量注入施藥管。Cai等[33]利用快速反應(yīng)電磁閥(RRV)設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)混藥系統(tǒng)，通過100 Hz的脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)驅(qū)動(dòng)，通過改變脈寬來(lái)調(diào)節(jié)藥液的注入速率。同時(shí)，采用比例積分導(dǎo)數(shù)(PID)控制策略，實(shí)現(xiàn)了藥液注入速率的計(jì)量和穩(wěn)定。為了測(cè)量化學(xué)流量并將其作為實(shí)時(shí)反饋輸入控制器，使用了一種與化學(xué)粘度無(wú)關(guān)的熱力學(xué)流量計(jì)，并通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)試對(duì)DNIS和PID控制策略的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，由于RRV具有非線性的輸入輸出特性，兩相PID控制比單相PID控制取得了更好的控制效果。

圖4 直接注入式在線混藥工作原理圖

通過技術(shù)引進(jìn)與創(chuàng)新，國(guó)內(nèi)開展了許多相關(guān)研究，賈衛(wèi)東等[34]基于農(nóng)藥光透性設(shè)計(jì)了混藥濃度檢測(cè)單元、結(jié)合在線檢測(cè)反饋采用PWM波占空比控制藥液注入量，系統(tǒng)以MSP430F149單片機(jī)為核心的控制混藥濃度，構(gòu)建了混藥比反饋控制的在線混藥裝置，試驗(yàn)表明，基于農(nóng)藥光透性的混藥濃度在線檢測(cè)、反饋控制的混藥方法及裝置可以實(shí)時(shí)獲得混藥濃度反饋信息，自動(dòng)調(diào)節(jié)藥液注入量實(shí)現(xiàn)混藥濃度精準(zhǔn)控制。邱白晶等[35]對(duì)射流混藥裝置射流嘴出口直徑和面積比對(duì)在線混藥噴霧系統(tǒng)混藥性能的影響進(jìn)行了深入研究，探究了24種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的射流混藥裝置應(yīng)用于3種不同流量特性的在線混藥噴霧系統(tǒng)時(shí)的工作特性，結(jié)果表明，射流混藥裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)噴霧系統(tǒng)的工作狀態(tài)具有顯著影響，并指出可通過增大射流嘴進(jìn)口直徑或減小射流嘴出口直徑、降低噴霧系統(tǒng)的阻力系數(shù)來(lái)避免藥液回流。楊洲等[36]基于一種水動(dòng)力比例自吸泵，設(shè)計(jì)構(gòu)建了一種在線混藥噴霧系統(tǒng)，并通過試驗(yàn)測(cè)定了在線混藥系統(tǒng)的混藥穩(wěn)定性和均勻性的最大變異系數(shù)分別為3.51%和4.46%，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單混藥穩(wěn)定性好。李君等[37]采用蠕動(dòng)泵和靜態(tài)混合器相結(jié)合設(shè)計(jì)了一種農(nóng)藥精量控制的實(shí)時(shí)混藥系統(tǒng)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了混藥系統(tǒng)具有較優(yōu)的混藥穩(wěn)定性和均勻性，并運(yùn)用FLUENT軟件進(jìn)行混藥過程仿真，采用SIMPLEC算法對(duì)設(shè)計(jì)的SK、SX和SD型3種靜態(tài)混合器進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了一致性對(duì)比。代祥等[38]基于多孔板穿過流脈動(dòng)衰減原理提出了夾層孔管式新型混藥器，對(duì)射流混藥器進(jìn)行了改進(jìn)，探究夾層孔管式混藥器在線混合瞬時(shí)均勻性與動(dòng)態(tài)濃度一致性的規(guī)律，并對(duì)比普通射流混藥器進(jìn)行了在線混合試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，夾層孔管式混藥器顯著地提高了脈動(dòng)注入條件下的動(dòng)態(tài)濃度一致性，但在瞬時(shí)均勻性上沒有表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。

在線混藥方式將水和藥分開，可避免預(yù)混藥液的過剩浪費(fèi)和藥水混合液對(duì)液泵的腐蝕。以操作者安全和綠色環(huán)保為核心，符合農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求，可實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥的精準(zhǔn)化、專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化施用。目前，在線混藥方式主要分為兩大類: 一類為外加動(dòng)力直接注入式；二類為不需外部動(dòng)力的射流混藥式。外加動(dòng)力直接注入式采用小流量調(diào)節(jié)閥或小流量變量泵通過外部動(dòng)力源將藥液注入到施藥主流路中完成藥水配比，混藥比控制精度高、比例調(diào)節(jié)可控性好，但混藥系統(tǒng)較為復(fù)雜，制作成本高。射流混藥式采用高壓高速流體的卷吸湍流效應(yīng)無(wú)需外加動(dòng)力，但存在混藥比調(diào)節(jié)范圍窄、控制精度低、可控性差等問題。目前，在線混藥系統(tǒng)中，基于混藥系統(tǒng)的控制算法和控制系統(tǒng)已經(jīng)有了廣泛和深入的研究，但混藥關(guān)鍵部件和混藥機(jī)理的基礎(chǔ)研究還需要重視，穩(wěn)定的小流量高精度電磁閥和小流量注藥泵及混藥比例可控穩(wěn)定的混藥器等關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)是打破現(xiàn)有在線混藥技術(shù)瓶頸的關(guān)鍵。

1.5 自動(dòng)對(duì)靶技術(shù)

20世紀(jì)70年代，前蘇聯(lián)和美國(guó)率先開始對(duì)自動(dòng)對(duì)靶施藥技術(shù)進(jìn)行研究和試驗(yàn)。Lee等[39]利用機(jī)器視覺系統(tǒng)和自動(dòng)噴霧系統(tǒng)相結(jié)合，開發(fā)了一種具有對(duì)靶噴施除草劑的實(shí)時(shí)智能雜草控制系統(tǒng)，機(jī)器視覺系統(tǒng)0.34 s處理一張圖像，設(shè)計(jì)的對(duì)靶噴施雜草控制平臺(tái)連續(xù)作業(yè)速度可達(dá)0.33 m/s。為提高除草劑的利用率和使用量，Tellaeche等[40]通過分析雜草和作物之間的光譜特征，形狀和紋理的差異及雜草在作物間的不規(guī)則分布，設(shè)計(jì)了一種計(jì)算機(jī)自動(dòng)視覺系統(tǒng)用于檢測(cè)分布作物中的雜草，并通過自動(dòng)噴霧系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)靶噴施。針對(duì)施藥過程中果樹冠層的差異性造成的施藥分布不均。Gil等[41]運(yùn)用超聲波傳感技術(shù)結(jié)合冠層體積算法，對(duì)目標(biāo)物的幾何形狀和體積參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)定，基于測(cè)定的參數(shù)信息實(shí)時(shí)控制噴藥量，并結(jié)合作物不同生長(zhǎng)期進(jìn)行了田間試驗(yàn)，與傳統(tǒng)施藥方式相比可節(jié)省農(nóng)藥21.9%。Yan等[42]利用激光傳感技術(shù)選用270°徑向激光掃描傳感器結(jié)合設(shè)計(jì)的植物表面映射算法，對(duì)復(fù)雜形狀植物表面和尺寸的檢測(cè)精度進(jìn)行了評(píng)估，試驗(yàn)測(cè)得物體到激光傳感器的水平距離對(duì)精度影響顯著，當(dāng)之間距離越近影響越弱，物體表面的顏色和光潔度對(duì)傳感器的檢測(cè)精度沒有明顯影響，激光掃描傳感器和設(shè)計(jì)的專用算法具有潛在的適應(yīng)性，可以測(cè)量復(fù)雜形狀的目標(biāo)植物。

國(guó)內(nèi)學(xué)者也開展了許多相關(guān)研究，趙茂程等[43]對(duì)樹形識(shí)別系統(tǒng)及其與精確對(duì)靶施藥系統(tǒng)之間的關(guān)系進(jìn)行了理論分析，分析了由于樹冠形狀使得噴頭與目標(biāo)物之間距離的變化對(duì)噴霧分布的影響，指出各工作噴頭噴出的農(nóng)藥?kù)F滴到達(dá)目標(biāo)時(shí)的重疊量的大小，對(duì)施藥質(zhì)量有顯著影響，距離過大或過小都會(huì)造成噴霧量的不均勻分布或漏噴，而果樹冠層之間的差異是帶來(lái)噴霧距離變化的主要原因。王玲等[44]搭建了對(duì)靶變量噴藥控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，側(cè)重研究了目標(biāo)果樹識(shí)別方法，對(duì)靶系統(tǒng)由攝像頭采集圖像，經(jīng)上位機(jī)圖像識(shí)別及處理軟件完成圖像二值化處理、平滑圖像邊緣、提取果樹輪廓，上位機(jī)將果樹輪廓及以代碼的形式發(fā)給下位機(jī)，下位機(jī)結(jié)合車速傳感器及車與果樹之間的距離，運(yùn)算出樹冠高度及噴霧裝置的仰角，并進(jìn)行反饋控制，上位機(jī)生成噴霧信息后與下位機(jī)進(jìn)行通信，下位機(jī)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)靶噴霧。為減少除草劑的使用量、提高有效利用率、降低環(huán)境污染，權(quán)龍哲等[45]研制了一種靶向滅草機(jī)器人，研究認(rèn)為建立準(zhǔn)確的藥液噴灑霧滴群運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型是提高對(duì)靶施藥精度的關(guān)鍵，因此基于空氣動(dòng)力學(xué)原理建立了霧滴群運(yùn)動(dòng)過程的動(dòng)力學(xué)模型，通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬得出了液滴群的沉積分布特性，同時(shí)分析了液滴阻力特性及各工作參數(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)過程的影響。為實(shí)現(xiàn)美國(guó)白蛾幼蟲網(wǎng)幕精準(zhǔn)變量對(duì)靶噴藥，減少漏噴與誤噴，馬長(zhǎng)青等[46]基于機(jī)器視覺技術(shù)識(shí)別出美國(guó)白蛾幼蟲網(wǎng)幕，然后根據(jù)美國(guó)白蛾幼蟲網(wǎng)幕進(jìn)行精準(zhǔn)噴藥，整個(gè)噴藥系統(tǒng)由攝像頭采集圖像，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)進(jìn)行幼蟲網(wǎng)幕的識(shí)別，并將采集分析的信息發(fā)送給控制系統(tǒng)，綜合各種信息后，控制系統(tǒng)根據(jù)網(wǎng)幕的面積、位置和蟲害嚴(yán)重程度，調(diào)整噴頭移動(dòng)到準(zhǔn)確的噴藥位置，確定控制系統(tǒng)的占空比，根據(jù)蟲害的嚴(yán)重程度控制電磁閥的開閉來(lái)進(jìn)行噴藥，此系統(tǒng)還處在試驗(yàn)研究階段。

自動(dòng)對(duì)靶技術(shù)就是將目標(biāo)探測(cè)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合運(yùn)用到施藥作業(yè)中。目前，施藥系統(tǒng)中應(yīng)用研究較多的目標(biāo)探測(cè)技術(shù)主要有超聲波傳感技術(shù)、微波傳感技術(shù)、光電傳感技術(shù)和圖像采集處理技術(shù)等，表2對(duì)各技術(shù)的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。其中超聲波、微波和光電傳感技術(shù)根據(jù)聲波、電磁波和光波遇到障礙物的折射和透射特性，通過測(cè)定折射量或透射量結(jié)合相應(yīng)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的形狀、體積、密度的標(biāo)定。圖像采集處理技術(shù)通過目標(biāo)物的形狀、色差和邊界效應(yīng)，可達(dá)到目標(biāo)物種類、部位和形態(tài)的識(shí)別能力，為精確定位和精確控制提供信息。超聲波和光電傳感技術(shù)在生產(chǎn)成本和復(fù)雜性上低于其他探測(cè)技術(shù)，有較好的農(nóng)業(yè)應(yīng)用推廣前景。微波傳感技術(shù)由于使用經(jīng)濟(jì)性差、實(shí)現(xiàn)控制技術(shù)復(fù)雜及受到通訊等限制，在農(nóng)業(yè)機(jī)械上使用尚不成熟。圖像采集處理技術(shù)由于圖像識(shí)別處理速度還不能滿足施藥機(jī)具移動(dòng)作業(yè)時(shí)所需的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)識(shí)別速度，其技術(shù)還處于試驗(yàn)研究探索階段。

表2 目標(biāo)探測(cè)技術(shù)工作原理及優(yōu)缺點(diǎn)

1.6 變量施藥技術(shù)

20世紀(jì)70年代，歐美等國(guó)開始進(jìn)行農(nóng)業(yè)變量施藥技術(shù)的研究。Schueller等[47]探討了空間變量施藥的概念，描述了使用全球定位系統(tǒng)(GPS)或其他定位技術(shù)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的地圖位置信息進(jìn)行農(nóng)藥的變量噴施。Dammer等[48]為避免農(nóng)藥的過量施用使得田間瓢蟲的數(shù)量銳減，指出使用傳感器技術(shù)實(shí)時(shí)測(cè)定田間作物的疏密情況，來(lái)控制殺蟲劑的施用量，實(shí)現(xiàn)變量噴施，可減少殺蟲劑用量約13.4%。Maghsoudi等[49]設(shè)計(jì)了一種用于樹冠尺寸檢測(cè)與估計(jì)的電子控制系統(tǒng)，運(yùn)用三個(gè)超聲波測(cè)距傳感器來(lái)估計(jì)在三個(gè)不同高度和目標(biāo)物的距離，采用梯度下降反向傳播算法、切線-s形傳遞函數(shù)和3-7-6拓?fù)涞腗LP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行樹截面的體積估計(jì)，實(shí)驗(yàn)表明，采用變量施藥技術(shù)農(nóng)藥使用量減少了約34.5%。Li等[50]設(shè)計(jì)了一種基于超聲傳感器的果樹冠層密度檢測(cè)測(cè)試系統(tǒng)，依據(jù)果樹冠層特征信息來(lái)控制風(fēng)送式噴霧機(jī)的施藥量和氣流速度，采用時(shí)域能量分析法對(duì)超聲信號(hào)進(jìn)行分析，根據(jù)設(shè)計(jì)的已知密度三層和四層葉人工冠層進(jìn)行了正交回歸試驗(yàn)，得到了兩個(gè)模型方程，其中四層冠層模型更為可靠。Campos等[51]指出果樹冠層特征對(duì)精準(zhǔn)、安全的確定農(nóng)藥噴適量至關(guān)重要，運(yùn)用無(wú)人機(jī)上嵌入的多光譜相機(jī)對(duì)選定的試驗(yàn)區(qū)果樹樹冠特征進(jìn)行了詳細(xì)的采樣，生成了處方地圖，施藥作業(yè)時(shí)變量噴霧控制系統(tǒng)基于冠層信息實(shí)現(xiàn)對(duì)施藥系統(tǒng)的變量匹配控制。

國(guó)內(nèi)方面，邱白晶等[52]對(duì)變量施藥研究開展較早，為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施藥對(duì)噴霧時(shí)噴霧裝備的位置確定、噴霧裝備的速度測(cè)量以及系統(tǒng)壓力測(cè)試和系統(tǒng)流量監(jiān)測(cè)等核心技術(shù)進(jìn)行了探討，對(duì)定位精度的提高、處方圖的精度匹配、噴霧滯后以及信息的采集和處理等存在的問題進(jìn)行了相關(guān)討論，指出實(shí)施變量噴霧所存在的主要問題是精度匹配，另外還有信息及時(shí)、快速采集以及軟件開發(fā)等問題。針對(duì)脈寬調(diào)制(PWM)間歇噴霧式變量施藥系統(tǒng)存在間歇作業(yè)，噴霧作業(yè)分布均勻性較難控制，魏新華等[53]采用高速電磁閥、比例溢流閥、TR80-05型空心圓錐霧噴頭、隔膜泵和工控機(jī)測(cè)控系統(tǒng)等構(gòu)建了一套PWM間歇噴霧式變量施藥試驗(yàn)系統(tǒng)，在不同噴霧工作壓力、不同PWM頻率和占空比下，采用矩陣式分布霧量收集裝置對(duì)PWM間歇噴霧作業(yè)時(shí)的靜態(tài)霧量分布進(jìn)行了測(cè)試。為了克服傳統(tǒng)壓力式和PWM控制式變量噴霧的缺點(diǎn)，徐艷蕾等[54]設(shè)計(jì)了一種多噴頭組合變量噴霧系統(tǒng)，運(yùn)用流體網(wǎng)絡(luò)理論建立噴藥網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型，分析了系統(tǒng)的流阻，試驗(yàn)測(cè)定實(shí)際施藥量與理論值誤差均小于10%。在變量噴霧系統(tǒng)的研究中，由于控制對(duì)象及控制算法尚不成熟，使得目前的精確供藥系統(tǒng)很難滿足動(dòng)態(tài)變化的變噴量精確農(nóng)藥流量控制，張敏等[55]基于流量調(diào)節(jié)閥的開度及其兩端壓差決定其通流量大小的原理，對(duì)變量施藥的節(jié)流控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，利用Matlab中的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)函數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果中的非線性關(guān)系進(jìn)行了擬合和測(cè)試。王相友等[56]設(shè)計(jì)了一種多回流式變量噴藥控制系統(tǒng)，由比例控制閥、安全閥、主閥和5路開關(guān)控制閥等構(gòu)成，采用PID閉環(huán)控制算法對(duì)比例調(diào)節(jié)閥的開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，為緩解節(jié)流變量過程造成的液路壓力波動(dòng)，通過多回路流量控制來(lái)改變主路的流量，使測(cè)得的實(shí)際流量與理論流量盡量一致，從而改變噴藥量。

近幾年變量施藥技術(shù)發(fā)展較快，其技術(shù)應(yīng)用主要分為兩個(gè)方向，其一為依據(jù)機(jī)具作業(yè)速度變化的變量施藥控制方式，已實(shí)現(xiàn)單位作業(yè)面積的恒定用藥量和藥液均勻覆蓋。其二為基于目標(biāo)物的有無(wú)和目標(biāo)物的形狀、體積、密度及目標(biāo)物的病蟲害嚴(yán)重情況控制施藥量，實(shí)現(xiàn)變量精準(zhǔn)施藥。前者實(shí)現(xiàn)其功能所需的技術(shù)水平相對(duì)較低，目前已進(jìn)入產(chǎn)品應(yīng)用推廣階段；后者需要先進(jìn)的傳感技術(shù)和圖像監(jiān)測(cè)識(shí)別技術(shù)支撐，且對(duì)于監(jiān)測(cè)識(shí)別系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、反饋、響應(yīng)的快速性要求也高，技術(shù)還處于研究探索試驗(yàn)階段。

1.7 病蟲害監(jiān)測(cè)技術(shù)

20世紀(jì)末，美國(guó)開始開展基于GPS的病蟲害檢測(cè)定點(diǎn)施藥技術(shù)的研究。Gerstl[57]指出將土壤吸附數(shù)據(jù)與土壤有機(jī)質(zhì)含量(SOM)進(jìn)行歸一化處理，可得到農(nóng)藥特有的，與土壤性質(zhì)無(wú)關(guān)的吸附常數(shù)Koc，此常數(shù)可被用于對(duì)評(píng)估農(nóng)藥浸出潛力和吸附特性，綜述了Koc和SOM值的變化及其對(duì)浸出指標(biāo)的影響，并利用地理信息系統(tǒng)(GIS)和全球定位系統(tǒng)(GPS)繪制和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)依據(jù)土壤有機(jī)質(zhì)的變化進(jìn)行特定地點(diǎn)施用農(nóng)藥提供了手段。從作物保護(hù)和環(huán)境安全的角度出發(fā)，為實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施藥，Smith等[58]指出結(jié)合遙感技術(shù)(RS)和傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)田間病蟲害的監(jiān)測(cè)與定位，然后控制噴霧機(jī)實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)施藥。為實(shí)現(xiàn)作物病蟲害潛在發(fā)生和分布的監(jiān)測(cè)，Yuan等[59]提出了一種基于Worldview 2和landsat8衛(wèi)星數(shù)據(jù)的農(nóng)作物病蟲害監(jiān)測(cè)新方法，利用作物生長(zhǎng)指數(shù)(GNDVI、VARIred-edge)和環(huán)境特征(weness、Greenness、LST)這5個(gè)指標(biāo)作為表征作物病蟲害方面的表現(xiàn)，試驗(yàn)測(cè)得，與僅基于植被指數(shù)的模型相比，同時(shí)包含植被指數(shù)和環(huán)境指數(shù)的FLDA模型能更準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)作物病蟲害的發(fā)生。Hunter等[60]運(yùn)用無(wú)人駕駛飛機(jī)(UAV)進(jìn)行作物和害蟲監(jiān)測(cè)完成圖像收集用于施藥決策，將無(wú)人機(jī)病蟲草害測(cè)繪和無(wú)人機(jī)施藥結(jié)合到無(wú)人機(jī)集成系統(tǒng)(UAV-IS)中，提高無(wú)人機(jī)施藥的利用率和效率，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥的定點(diǎn)噴施提供新的選擇。Tewari等[61]開發(fā)了一種基于病蟲害檢測(cè)技術(shù)的可變噴霧系統(tǒng)，采用基于色差的圖像分割法對(duì)作物病害部位進(jìn)行檢測(cè)，并計(jì)算作物的病害嚴(yán)重程度，根據(jù)作物病害嚴(yán)重程度精確噴施化學(xué)農(nóng)藥，系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)圖像采集系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)、微控制器控制運(yùn)行系統(tǒng)、電磁閥輔助噴嘴系統(tǒng)組成，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)節(jié)約藥量33.88%。

國(guó)內(nèi)針對(duì)病蟲害監(jiān)測(cè)也有大量研究，冀榮華等[62]認(rèn)為植物病害識(shí)別屬于實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的小樣本模式識(shí)別，選擇用支持向量機(jī)在解決小樣本學(xué)習(xí)、非線性以及高維模式識(shí)別等問題中表現(xiàn)出許多特有的優(yōu)勢(shì)，在提取圖像色彩特征色度矩的基礎(chǔ)上，利用SVM對(duì)患有病蟲害的植株進(jìn)行病蟲害監(jiān)測(cè)識(shí)別，可獲得較快的識(shí)別速度和較高的識(shí)別率。李小文等[63]依托GIS、RS、GPS、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫(kù)等現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息技術(shù)，研發(fā)一款寧夏枸杞病蟲害網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，使用終端傳感器采集作物病蟲害數(shù)據(jù)，通過GPS進(jìn)行坐標(biāo)定位，再通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂贫诉M(jìn)行數(shù)據(jù)整合分析，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)寧夏枸杞種植的精準(zhǔn)化作業(yè)和可視化管理、可以做到病蟲害實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與早期預(yù)警。郭仲偉等[64]研究了基于遙感數(shù)據(jù)的森林病蟲害監(jiān)測(cè)，探討了森林病蟲害發(fā)生后森林中植被指數(shù)與葉面積指數(shù)之間的相關(guān)性的變化情況，分析了受病蟲害影響后歸一化植被指數(shù)(NDVI)、增強(qiáng)型植被指數(shù)(EVI)與葉面積指數(shù)(LAI)之間的相關(guān)性，得出受病蟲害感染的像元在輕度、中度和重度三個(gè)嚴(yán)重級(jí)別中，NDVI與LAI之間的相關(guān)性由弱變強(qiáng)，又由強(qiáng)變?nèi)?；EVI與LAI之間的相關(guān)性則依次變強(qiáng)，研究為利用遙感數(shù)據(jù)識(shí)別作物病蟲害情況、評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)被影響情況提供基礎(chǔ)，認(rèn)為NDVI與LAI的相互關(guān)系能更好的反應(yīng)森林生長(zhǎng)和健康情況。由于傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)連通性解決方案有限，史東旭等[65]探討了基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的農(nóng)業(yè)病蟲害監(jiān)測(cè)技術(shù)，借助于最新通信技術(shù)通過無(wú)人機(jī)、攝像機(jī)和傳感器收集數(shù)據(jù)，通信系統(tǒng)采用TVWS(TV white space)和Lora(long range)相結(jié)合的技術(shù)來(lái)滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中高寬帶和遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，并利用該系統(tǒng)對(duì)小麥田進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，結(jié)果顯示在氣溫偏低且降水偏高時(shí)，小麥長(zhǎng)勢(shì)偏弱，容易被病蟲害侵入。

目前病蟲害監(jiān)測(cè)主要分為兩個(gè)方向: 一是用于病蟲害監(jiān)測(cè)和防控的大范圍病蟲害在線定位監(jiān)測(cè)；二是應(yīng)用于智能噴霧機(jī)上的實(shí)時(shí)反饋監(jiān)測(cè)。其中基于傳感技術(shù)和遙感技術(shù)的大范圍病蟲害在線定位監(jiān)測(cè)已經(jīng)進(jìn)入推廣使用階段，而用于智能噴霧機(jī)上的實(shí)時(shí)反饋監(jiān)測(cè)由于對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)、反饋、響應(yīng)的快速性要求更高，技術(shù)還處于研究探索試驗(yàn)階段?，F(xiàn)有病蟲害監(jiān)測(cè)技術(shù)是根據(jù)監(jiān)測(cè)植物病蟲害所能表征出來(lái)的不同特征，包括監(jiān)測(cè)光學(xué)、熒光和熱學(xué)等參數(shù)及作物色差等來(lái)實(shí)現(xiàn)。傳感系統(tǒng)分為可見和近紅外光譜傳感器(VIS-NIR)；熒光和熱傳感器；以及合成孔徑雷達(dá)(SAR)和光探測(cè)與測(cè)距(Lidar)系統(tǒng)。并通過統(tǒng)計(jì)判別分析，機(jī)器學(xué)習(xí)算法，回歸模型以及光譜分解算法等將監(jiān)測(cè)到的特征信息和數(shù)據(jù)與植物的病蟲害聯(lián)系起來(lái)。

2 果園施藥技術(shù)研究推廣亟需解決的問題

2.1 農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合不足

農(nóng)機(jī)農(nóng)藝關(guān)系問題由來(lái)已久，最開始是“農(nóng)機(jī)要跟進(jìn)農(nóng)藝”，農(nóng)機(jī)單方面的基于農(nóng)藝來(lái)設(shè)計(jì)；后來(lái)提出“農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝結(jié)合”，以農(nóng)機(jī)適應(yīng)農(nóng)藝為主，農(nóng)藝適應(yīng)農(nóng)機(jī)為輔；現(xiàn)在推行“農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合”，關(guān)鍵原則是農(nóng)機(jī)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式中技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要相互適應(yīng)。

2.2 種植模式不統(tǒng)一

我國(guó)各地區(qū)果園的種植模式存在一定的差異，且大多依舊沿用傳統(tǒng)的種植模式和傳統(tǒng)的修剪、管理方式，使得作業(yè)機(jī)械難以進(jìn)入果園，并且嚴(yán)重影響機(jī)械作業(yè)效果，導(dǎo)致果園植保機(jī)械的研究與推廣難度增大。

2.3 通用技術(shù)和關(guān)鍵部件的創(chuàng)新不足

如先進(jìn)的傳感器技術(shù)、圖像識(shí)別技術(shù)、專用噴頭、高精度控制閥、小流量泵、專用風(fēng)機(jī)等通用技術(shù)和關(guān)鍵部件的創(chuàng)新設(shè)計(jì)相對(duì)落后，基礎(chǔ)理論研究與支撐不足。當(dāng)前研究主要集中在運(yùn)用智能識(shí)別技術(shù)、控制技術(shù)、信息技術(shù)等實(shí)現(xiàn)機(jī)具與施藥技術(shù)的機(jī)電一體化、精準(zhǔn)施藥、智能對(duì)靶與防飄和開發(fā)新型機(jī)具等方面，而在施藥關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)開發(fā)、新噴霧理論研究方面投入較少。

2.4 果園農(nóng)機(jī)制造企業(yè)資金不足、技術(shù)創(chuàng)新能力較弱

目前國(guó)內(nèi)果園農(nóng)機(jī)制造企業(yè)多為中小企業(yè)，技術(shù)創(chuàng)新能力相對(duì)較弱企業(yè)資金不足，使得新技術(shù)、新材料及先進(jìn)施藥技術(shù)和關(guān)鍵部件的研究與推廣應(yīng)用產(chǎn)生脫節(jié)。

3 果園施藥技術(shù)研究與發(fā)展對(duì)策

1)農(nóng)機(jī)農(nóng)藝的融合要結(jié)合實(shí)際，針對(duì)不同果品和不同地區(qū)要認(rèn)清發(fā)展的主次。大宗果品生產(chǎn)作業(yè)中的主要問題是提高效益和降低勞動(dòng)強(qiáng)度，在果園建造、種植模式選擇和果園管理過程中，要盡可能的考慮農(nóng)機(jī)作業(yè)的適應(yīng)性。而針對(duì)特色農(nóng)產(chǎn)品和特殊功能的果園，對(duì)果品品質(zhì)要求嚴(yán)格、果品的附加值較高，可以在盡量滿足農(nóng)機(jī)和農(nóng)藝相互適應(yīng)的前提下研究推廣相應(yīng)的專用機(jī)具。

2)研究探討先進(jìn)的果樹栽培和修剪新技術(shù)，培育和選育適應(yīng)新型果園模式的果樹新品種，將機(jī)械適用性作為品種選育和栽培管理的重要指標(biāo)。還可以借助政府部門的力量推動(dòng)果園新型種植模式和果樹新品種的推廣應(yīng)用，要做好農(nóng)業(yè)技術(shù)的科普工作，不斷提高農(nóng)民對(duì)農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝融合的認(rèn)知度，才能有效解決當(dāng)前果園機(jī)械化發(fā)展與推廣瓶頸。

3)注重基礎(chǔ)理論研究，加強(qiáng)通用技術(shù)和關(guān)鍵部件的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，增加在施藥關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)開發(fā)和新噴霧理論研究方面的投入。要加大果園施藥機(jī)械研究力度，加快果園植保機(jī)械的改良與推廣力度，推動(dòng)我國(guó)果園施藥機(jī)械向?qū)I(yè)化、智能化、信息化的方向發(fā)展，同時(shí)，要注重構(gòu)建田間病蟲害信息監(jiān)測(cè)采集系統(tǒng)。

4)植保機(jī)械關(guān)鍵部件的制造要專業(yè)化、高精化，運(yùn)用現(xiàn)代新設(shè)備、新技術(shù)、新工藝開發(fā)系列產(chǎn)品，提高關(guān)鍵部件的制造質(zhì)量、工藝水平和可靠性，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的專用化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化。此外，還要對(duì)植保機(jī)械的整機(jī)性能、主要工作部件的工作穩(wěn)定性等進(jìn)行研究和嚴(yán)格的試驗(yàn)檢測(cè)，構(gòu)建先進(jìn)的試驗(yàn)場(chǎng)所，引進(jìn)先進(jìn)的試驗(yàn)技術(shù)，以更好地滿足植保機(jī)械的發(fā)展要求。

4 趨勢(shì)展望

目前我國(guó)果園大多依舊沿用傳統(tǒng)的種植、修剪模式，受果園作業(yè)環(huán)境的約束和各地區(qū)果園種植模式差異的影響，使得大型施藥機(jī)具難以入園，大中型果園植保機(jī)械的推廣使用難度較大，小型機(jī)動(dòng)式作業(yè)機(jī)具仍會(huì)是主流。結(jié)合國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)，做好農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合，研究適合我國(guó)果園種植模式和規(guī)模的植保機(jī)械，以提高我國(guó)果園機(jī)械化作業(yè)水平，促進(jìn)果園種植業(yè)的健康、持續(xù)發(fā)展。果園施藥技術(shù)研究和發(fā)展的趨勢(shì)主要表現(xiàn)在以下方面。

1)多技術(shù)融合提高施藥效率。在滿足病蟲害防治需求的基礎(chǔ)上，追求最小的農(nóng)藥施用量，確保最少的農(nóng)藥流失到環(huán)境中依然是未來(lái)果園施藥技術(shù)研究的熱點(diǎn)。為了提高農(nóng)藥利用率、減少施藥污染，施藥技術(shù)已經(jīng)走上多技術(shù)融合的發(fā)展方向，向著低容量、超低容量、變量和智能施藥方向發(fā)展，研發(fā)具有精準(zhǔn)化、智能化、無(wú)人化功能的果園施藥機(jī)械是研究發(fā)展的重點(diǎn)方向。如靜電技術(shù)與氣力輔助技術(shù)的融合，使得霧滴粒徑分布特性、沉積均勻性和抗飄移能力等都得到了有效提升；在線混藥技術(shù)、變量施藥技術(shù)和自動(dòng)對(duì)靶技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)果樹形態(tài)識(shí)別和株間識(shí)別，通過需藥量自動(dòng)調(diào)節(jié)施藥量，實(shí)現(xiàn)智能精準(zhǔn)施藥；病蟲害監(jiān)測(cè)技術(shù)、變量施藥技術(shù)和自動(dòng)對(duì)靶技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)施藥過程中病蟲害的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確定病蟲害的嚴(yán)重等級(jí)，通過在線監(jiān)測(cè)反饋信息控制完成定點(diǎn)變量精準(zhǔn)施藥；氣力輔助技術(shù)與循環(huán)噴霧技術(shù)的融合，使噴霧、沉積過程在一個(gè)半封閉的空間內(nèi)進(jìn)行，提高了藥液利用率，同時(shí)由于增設(shè)氣流輔助進(jìn)一步優(yōu)化了霧滴沉積分布。

2)各關(guān)鍵部件的變量精準(zhǔn)控制。隨著噴霧技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)噴頭在性能、結(jié)構(gòu)、功能方面有了更高的要求，研究具有特定功能、可實(shí)現(xiàn)噴霧量和噴霧角精準(zhǔn)控制的噴頭將會(huì)是噴頭未來(lái)研究的一個(gè)主要方向；噴頭與目標(biāo)物距離是改善施藥效果的重要指標(biāo)之一，為保證每個(gè)噴頭相對(duì)目標(biāo)物的噴霧距離一致，且處在最優(yōu)范圍內(nèi)，開展噴架仿形機(jī)構(gòu)確保噴頭位置與冠層距離相一致，實(shí)現(xiàn)噴頭位置的在線調(diào)整和精準(zhǔn)控制是未來(lái)的研究方向之一；風(fēng)量是關(guān)乎藥液沉積與飄移的重要因素，不同果樹冠層直徑和冠層密度需要的送風(fēng)風(fēng)量不同，研究風(fēng)量在線快速調(diào)節(jié)裝置實(shí)現(xiàn)變量精準(zhǔn)送風(fēng)是果園風(fēng)送式噴霧機(jī)進(jìn)一步發(fā)展的趨勢(shì)；在線混藥技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于注藥量的精準(zhǔn)控制，穩(wěn)定的小流量高精度電磁閥和小流量注藥泵及混藥比例精準(zhǔn)可控的藥液注入系統(tǒng)等的設(shè)計(jì)是打破現(xiàn)有在線混藥技術(shù)瓶頸的關(guān)鍵；要實(shí)現(xiàn)依據(jù)目標(biāo)物的物理特征，及目標(biāo)物的病蟲害嚴(yán)重情況的精準(zhǔn)變量施藥，對(duì)目標(biāo)物的特征進(jìn)行準(zhǔn)確快速識(shí)別是前提，因此，研究具有快速監(jiān)測(cè)、反饋、響應(yīng)性能的監(jiān)測(cè)識(shí)別系統(tǒng)及相應(yīng)的計(jì)算和決策模型，是智能精準(zhǔn)變量施藥的重點(diǎn)研究方向。

5 結(jié)論

果園施藥技術(shù)應(yīng)用日趨成熟廣泛，本文分別從噴頭技術(shù)、氣力輔助噴霧技術(shù)、靜電噴霧技術(shù)、在線混藥技術(shù)、自動(dòng)對(duì)靶技術(shù)、變量施藥技術(shù)、病蟲害監(jiān)測(cè)技術(shù)等角度出發(fā)，分析了國(guó)內(nèi)外果園施藥關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展。從文獻(xiàn)分析可以看出國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)各施藥關(guān)鍵技術(shù)已進(jìn)行的了大量的試驗(yàn)和理論研究，并運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行全因素的數(shù)值模擬和分析，研究主要集中在運(yùn)用控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、圖像處理技術(shù)、信息技術(shù)和智能識(shí)別技術(shù)等實(shí)現(xiàn)施藥機(jī)具的機(jī)電液一體化、變量施藥、智能對(duì)靶精準(zhǔn)施藥、病蟲害監(jiān)測(cè)識(shí)別和新型機(jī)具開發(fā)等，而各關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵部件的新結(jié)構(gòu)開發(fā)等方面研究支撐不足。

受國(guó)內(nèi)果園種植規(guī)模和種植模式的影響，國(guó)內(nèi)果園植保機(jī)械以中小型為主，同時(shí)受果農(nóng)購(gòu)買能力的限制，其制造成本被壓縮的較低，先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用和推廣受到很大約束。其中，農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合不足，種植模式不統(tǒng)一，通用技術(shù)和關(guān)鍵部件的創(chuàng)新不足，基礎(chǔ)理論研究與支撐不足，果園農(nóng)機(jī)制造企業(yè)資金不足、技術(shù)創(chuàng)新能力較弱等因素是目前制約國(guó)內(nèi)果園施藥技術(shù)與機(jī)械發(fā)展的主要問題。

進(jìn)一步做好農(nóng)機(jī)農(nóng)藝的融合，將機(jī)械適用性作為品種選育和栽培管理的重要指標(biāo)；注重施藥相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)理論研究，加強(qiáng)通用技術(shù)和關(guān)鍵部件的創(chuàng)新設(shè)計(jì)；推進(jìn)植保機(jī)械關(guān)鍵部件制造的專業(yè)化、高精化，實(shí)現(xiàn)主要部件的專用化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化。隨著果園施藥機(jī)械的發(fā)展，多技術(shù)融合和關(guān)鍵部件的變量精準(zhǔn)控制將是果園施藥技術(shù)研究和發(fā)展的趨勢(shì)，在實(shí)現(xiàn)果園施藥機(jī)械化和自動(dòng)化的前提下，進(jìn)一步提高精準(zhǔn)化、智能化及信息化水平，從而促進(jìn)水果產(chǎn)業(yè)向綠色、生態(tài)、可持續(xù)方向發(fā)展。