设施园艺植保装备及其精准施药技术研究进展

　　设施园艺利用特定设施创造适应作物生长的环境,是作物优质、高产、高效生产的现代农业模式。目前,荷兰、美国、日本等设施园艺发达国家已完成机械化和自动化, 正处在信息化向智能化发展的进程中[1] 。我国设施温室种植面积位居世界第一,但设施生产仍主要依靠人工作业,机械化水平低,施药装备是其中薄弱环节之一。

　　化学农药仍是当前设施温室病虫害防治的主要方法,农药用量为大田作物的几倍甚至十几倍。我国设施温室施药装备仍以背负式手动或电动喷雾器为主, 其雾滴粒径大、沉降快,易从作物靶标上流失,无法满足生物最佳粒径理论[2 - 3] ;雾滴沉积分布均匀性差,严重影响农药防治效果;机具作业效率低,产品标准化程度不高,技术含量较低,农户为保障施药效果盲目增加农药用量,导致农药利用率低、蔬菜产品农药残留超标、生态环境污染等问题,且密闭环境对施药人员健康伤害大。因此,开展精准、高效、智能施药技术与装备研究是现代设施园艺高效生产的迫切需求,也是目前国内外的研究热点。

　　笔者对国内外设施园艺生产中常用的施药装备收稿日期: 2020-11-26 基金项目: 国家重点研发计划项目(2016YFD0200708) 作者简介: 郭娜( 1983 -) ,女,河北保定人,讲师,博士,( E - mail) guona_stacy@ 163. com。通讯作者: 李天来(1955-) ,男,辽宁绥中人,院士,博士生导师,( Email) ltl@ syau. edu. cn。进行了分类介绍,综述了导航技术、变量施药技术、对靶施药技术、风送施药技术、静电喷雾技术、可控雾滴粒径技术等在设施精准施药技术的研究进展,并对精准施药技术未来的发展进行了展望。

　　1 设施园艺施药技术及装备

　　目前,设施园艺生产中常用的施药技术和装备根据其雾化原理可分为压力式和气力式两种。

　　1. 1 压力式施药技术与装备压力式喷雾利用手动或喷药泵加压使混合液体经过喷嘴喷孔破裂雾化喷出,改变喷雾压力与喷孔直径可改变雾滴粒径和喷雾量。我国设施园艺生产中应用广泛的背负式手动/ 电动喷雾器、推车式机动喷雾机、悬挂式喷灌机等多采用该雾化原理,如图 1 所示。国外大型温室在黄瓜、西红柿等吊蔓栽培作物的施药时多采用竖直喷杆喷药机,图 1( d) 为荷兰 Metazet 公司的喷药机。但是,压力式施药技术所产生的雾滴粒径多大于 100μm,在作物冠层中穿透性较强,雾滴在靶标上不易附着,造成农药流失严重,同时用水量大, 会使温室内湿度增加,诱发作物其它病害。

　　1. 2 气力式施药技术与装备气力式雾化又称为气液二相流雾化,其利用高压空气产生高速气流实现空气与药液混合雾化成均匀细小的烟雾后喷出[ 4] 。其雾滴粒径小,附着性好,在空气中长时间弥漫扩散沉降到靶标,施药用量较少, 称为超低容量喷雾,且对温室湿度影响较小,是设施园艺中普遍使用的新型高效施药技术,已成为国内外学者的研究热点。气力式施药装备根据其气流产生方式分为常温烟雾机和热烟雾机两种,其移动方式主要为背负式、固定式和移动式,如图 2 所示。

　　常温烟雾机利用常温高压高速气体把药液破碎成细小雾滴,并辅助风机将雾滴送达远处作物。常温烟雾机在塑料大棚中一般固定在大棚中轴线上,日光温室多为移动式,可在温室北侧或上部轨道上行驶,并改变喷头高度或角度来提高施药均匀性[ 5 - 6 ] 。国内外学者对其性能参数、沉积分布特性等进行了大量试验分析,发现雾滴覆盖率沿送风方向随距离增加,在一定距离到达峰值后再逐渐减小,垂直送风方向上呈两侧多中间小的趋势[ 7 - 10 ] ,且提出了各种提高雾滴沉积均匀性的方法[ 11-12 ] 。

　　2 设施精准施药技术研究现状

　　精准施药技术将自动控制技术、传感器技术、信息技术、电子技术等先进技术应用到施药装备上,可实现农药的低量、精准、少污染、高工效、高防效喷洒, 提高了装备的可靠性、安全性及便捷性[ 2] 。国外已研发出一系列精准施药装备,如图 3 所示。荷兰 Berg Hortimotive 公司的智能喷药机器人配合运输车可实现喷药机器人在过道的自动移动,实现了全自动无人喷药;荷兰 Holland Green Machine 公司的 S55 系列喷药机器人在铺设的轨道上进入作物行间进行喷药,并可配备双流体喷头提供更细小的雾滴和覆盖面积,也可配备混药装置实现农药的在线配比[ 24] 。

　　国内外学者对于设施精准施药技术的研究主要集中在以下几个方面。

　　2. 1 设施施药装备的导航控制导航控制能够实现作业机械在温室狭窄环境的自主行驶,是实现温室内自动化施药、采摘、运输等作业的基础技术,能够大幅减轻劳动强度。目前,温室设备的导航策略大致可以划分为轨道导航、引导导航和自动导航 3 种。

　　2. 1. 1 轨道导航控制轨道导航控制是指在温室铺设轨道或吊装的轨道,施药装备只需沿轨道进行施药作业即可,对控制算法要求较低,可靠性高且稳定性好,但该方法需要前期投入大量建造成本,且只能沿轨道移动,灵活性较差。国外设施农业强国的温室结构高、空间大,多采用此种方法,利用作物行间铺设轨道或利用加温的热水管路用于施药设备的自主行驶[ 20-22] ,如图 4( a) 所示。

　　2. 1. 2 引导导航控制引导导航控制是指移动设备沿预先布置好的磁条、色带等引导标志构成的路径行驶,技术比较成熟, 且其导航路径与引导标志的布置,可根据温室环境调整引导标志位置,具有一定的灵活性。电磁导航在温室预铺设电磁诱导线,车身布置的电磁传感器检测诱导线获得路径信息,控制喷药设备沿诱导线移动和自动喷雾[ 27 - 2 8] 。王鹏等利用视觉获取直线路径的导航线实现直线导航,识别 QR 码进行转弯控制[ 29] 。胡焉为提出一种基于信标识别和双目视觉的定位与建图算法用于温室 AGV 车的定位和地图构建[ 30] 。 Julián 等利用激光发射器发射的激光在作物行间和通道形成激光引导网络,利用摄像机识别激光点,引导作业车在温室内行驶[3 1] 。

　　2. 1. 3 测距导航测距导航采用超声波传感器、红外传感器、激光雷达等测量移动设备与周围物体的距离,控制车体始终与路沿等处于相对稳定的位姿范围内行驶,也可用于检测障碍物,实现实时避障,提高安全性能。

　　2. 2 变量施药技术变量施药技术源自于精确农业思想,是一种施药量控制技术,可根据作物病虫害程度调整施药量[ 64] , 并可根据机具前进速度调整施药量,保证在机具前进方向上单位面积施药量均匀[ 65 - 66] ,在大田、果园、无人机施药中有着广泛研究和应用[6 7 ] 。流量调节的实现手段主要包括压力式、脉宽调制式(Pulse Width Modulation,PWM) 及注入式 3 种[ 69] 。压力式变量施药通过直接或间接的方式调整喷头工作压力来控制喷头的流量,实现简单,但喷头压力的变化会对喷头雾化性能造成很大的影响,且流量调节范围比较小[ 39 , 70-72] 。 PWM 式变量施药通过控制与喷头相连的高速开关型电磁阀的脉冲信号占空比来实现[ 73-76] ,注入式变量施药又称为在线混药式,农药与水溶剂分别存放在不同的容器中,药液与水在管路中实时混合[ 68 - 69] ,该技术在温室喷药中尚未见应用,但能够实现农药的在线配比,避免人员与农药直接接触,安全性更高,具有一定的研究价值。

　　2. 3 对靶施药技术对靶施药技术,是指施药机具根据作物靶标的位置、高度、冠层体积及病虫害情况,实时精确控制喷洒位置和施药量,避免了药液的浪费,提高了施药精准性,与基于实时传感器的变量喷药技术相似[ 69 , 77] 。

　　2. 4 风送施药技术风送施药技术利用辅助气流将雾滴进一步雾化成细小雾滴,气流一方面可将雾化后的雾滴携带送入靶标内部或到达较远靶标上,另一方面可促进叶片翻动,提高雾滴在作物正反面获得更好的沉积效果[94 - 97] 。该技术在大田、果园喷药领域被广泛研究和应用[ 67] ,也逐渐成为温室高效施药技术的研究热点之一。

　　2. 5 静电施药技术静电喷雾技术是指利用高压电极在喷嘴与靶标之间建立静电场,使雾化后的雾滴带有电荷,在电场力和其它外力的驱动下,向靶标做沉积运动的施药方法[ 111] 。与常规施药技术相比,静电施药的雾滴粒径小,在静电场的作用下在靶标附着率高,可深入靶标作物的内部沉积到叶片的背面,且带同种电荷的雾滴由于相斥在靶标作物分布更均匀, 节省农药用量 30% ~ 50%,防治成本降低 50%左右,是提高农药利用率的重要技术之一[ 16 , 112-113] 。

　　3 展望

　　1)适合我国设施温室的精准施药技术。我国设施温室种类多,北方主要为日光温室,南方则以塑料大棚为主,温室结构多样,空间狭小,作物种类多,种植模式多,缺乏标准化生产农艺流程,导致施药机械工作环境复杂。精准施药技术与装备的研发应结合我国设施温室结构、作物种类、种植模式、作物的生长阶段、农药的剂型、病虫害特征等因素开展研究,以各地区温室植保生产需求为研发依据,分析总结不同植保作业的共同特征,研制适合不同温室工作环境、不同作物的专业化精准施药机械,推进设施植保机械专业化、标准化、轻简化。

　　2)设施施药装备的智能控制技术。设施温室施药装备智能控制技术应围绕导航控制和喷药控制逐步展开,以温室无人自主精准施药为目标,从实际生产出发考虑施药装备经济性,针对我国温室的生产环境,构建灵活以激光发射器、磁标志、色带等为引导标志的导航网络,结合测距导航和惯性导航,在优化直线导航精度的基础上,重点开展施药机械在狭小地头换行的转向控制策略研究。确定有效的施药装备底盘结构,开展低成本、高效、稳定的全自动导航控制系统研发;开展基于作物高度、体积、冠层稠密程度等靶标信息的对靶施药技术,建立作物稠密程度与施药量之间的模型,研制变量喷药控制系统,以实现对靶变量喷药,减少农药使用量,提高农药利用率。

　　3)设施温室高效施药技术研究。设施温室高效施药要结合气力式雾化、静电喷雾、风送施药、可控雾滴等技术展开以实现低容量/ 超低容量喷雾,加强其雾化理论和机理研究,加强雾滴沉积运动规律的研究,加强喷头等低容量喷药系统关键部件的自主研发,考虑作物冠层结构和病虫害类型,利用 CFD 技术对风场和雾场进行仿真分析,分析风量、风速、风向、喷雾距离与角度等对雾滴沉积的影响,建立不同作物的风送模式和风力需求模型,优化风送系统参数,以提高施药均匀性和雾滴在冠层内部和叶片背面附着率。

　　参考文献:

　　[1] 齐飞,李恺,李邵,等. 世界设施园艺智能化装备发展对中国的启示研究[ J] . 农业工程学报,2019,35( 2) :191- 203.

　　[2] 何雄奎. 中国精准施药技术和装备研究现状及发展建议 [ J] . 智慧农业,2020,2(1) :133-146.

　　《设施园艺植保装备及其精准施药技术研究进展》来源：《农机化研究》，作者：郭娜1a,3 , 田素博2 , 须晖1a,2 , 关旭生1b , 李天来1a,2