果园植保喷雾机研究现状与优化建议

马嘉昕 ， 丁 羽 ， 张玉湘萌 ， 马利荣 ， 王 煜 ， 谢 鹏

（1.塔里木大学机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300；2.新疆维吾尔自治区教育厅普通高等学校现代农业工程重点实验室，新疆 阿拉尔 843300）

1 喷雾机研究现状

国外专家学者在植保喷雾机械的研究上，结合机电一体化、LiDAR、多传感器、自动控制等技术，以达到提高植保设备对农作物精准高效的施药要求。Giles等[1]通过研制果园智能化喷雾机，在多季节试验中对目标感应喷雾器进行了评估，发现相对于传统的果园机械喷雾，该喷雾机可减少农药的使用。Lebeau等[2]设计了一种喷雾控制器，用于补偿水平动臂运动对喷雾沉积物均匀性的影响，该控制器使用微加工电容式加速度计和脉宽调制（PWM）喷嘴流量执行器及时衡量动臂运动速率变动，根据测量到的速度变化，可以提高喷雾机械施药的均匀性。Bourodimos等[3]开发了一种拖曳式空气辅助喷雾器，通过在风速、风向、温度和空气相对湿度限制的环境下，评估喷雾器在葡萄园的农药喷雾漂移情况，结果表明，该喷雾器减少了大概20%~30%的喷雾漂移，降低了农药造成的植物污染。为深入研究塑料大棚植保机械，Wang等[4]设计了一种新型的背负式喷雾机，用温室蔬菜作为研究目标作物，归纳阐述出此种喷雾机在番茄冠层的喷雾沉降、喷洒特征、雾滴覆盖度、农药效度的优点。除了对喷雾机的开发与研究外，国外有学者还对喷嘴开展了大量研究。Patel等[5]设计和研制了一款低成本气动辅助静电喷嘴，该设计的喷嘴采用镍电极材料，以避免嵌入喷嘴的电极腐蚀和氧化，实验结果表明，空气辅助静电喷管的性能在电荷质量比、沉积效率、传质效率和生物效率等方面得到了显著提高。Mamidi等[6]研发了一种可调节的流量喷嘴，利用调节位于喷嘴中移动销的方式，可以改变喷嘴面积大小，调整喷嘴流量。Rajaa等[7]研发了一种专用的机器视觉检测系统，它的优点是对高密度植物存在的杂草进行识别扫描，该程序鲁棒性较高，能够完成对杂草的自动喷雾与检测，相对于以往的除草模式有一定的优点。Pascuzzi等[8]研制了自动化喷雾中涉及的方法，包括图像采集和处理、喷药决策和控制等，在实验中开发了一种高效率的智能分割算法，在此算法中使用了相对色彩因子，控制划分了四块区域，并且设置了喷头，有较好的实时性，喷雾控制效果良好，实用性能优越。Torii[9]详细研究了自动喷雾的技术方法，设计出了植株目标识别方法，以此计算喷雾技术数据，该算法采用了OpenCV开源库及其有关开发工具，如果识别目标比控制线的像素数量高，会做出喷雾反应，使自动喷雾装置完成智能化的操作，也可依靠图像识别的结果进行喷雾控制。

中国农业科学研究院和现代农业装备科技集团在2010年共同研发出了一种高地隙自动导航式喷杆喷雾机，该高地隙自动导航式喷杆喷雾机采用92 kW的大功率液压驱动四个车轮，底盘机架的最小离地间隙为1 100 mm，田间喷雾作业时的喷幅为1 150 mm，其凭借稳定性强、通过性好的优势，应用于玉米生长中后期的高杆喷雾工作。青岛农业大学与华南农业大学共同设计了一款基于GNSS技术的自动导航喷雾机[10]，让喷雾机实现无人驾驶时的喷雾作业，它以雷沃ZP9500高地隙植保机作为研究对象，基于“机-电-液”改造方式实现对高地隙植保机行走机构的电气化控制，让植保机在田间、水泥路面上都能根据自动导航技术精准地完成直线行驶、掉头转弯和喷雾作业。中国农业大学针对甘蔗等高茎秆作物的节约农药量和提高农药利用率的需求，研制了一款高地隙宽幅喷雾机变量施药系统[11]。该系统选用LiDAR扫描技术鉴别甘蔗等高茎秆作物的三维信息，喷雾机的标记被捕获脉宽调制控制器捕获，通过PWM技术控制喷头的开闭程度和喷雾时间，根据植株高度变化实时调节喷雾量，最终实现精准变量施药。广州极飞科技有限公司结合北斗导航系统、双目视觉辅助技术和动态4D成像雷达技术等研发了一款极飞R150农业无人车[12]。该农业无人车选用北斗导航系统供给远程无人驾驶技术，将双目视觉辅助技术用于自动识别路线、精准执行作业，将4D成像雷达技术用于识别车前的障碍物信息，从而让农业无人车全自动地实现田间精准喷药运行。在植保无人机领域，漆海霞等[13]设计了一种基于网络RTK的离心式无人机变量施药系统，以提高无人机田间作业精度和作业效率。系统中的DTU模块和GPS模块负责供给RTK载波差分技术，及时取得周围信息及无人机所在的经纬度。变量执行器负责对传输到监控平台的实时信息进行处理并做出相应的施药决策，从而调节无人机的雾滴粒径和施药量，完成正确执行变量施药的任务。试验结果表明，该喷雾系统可以提高施药的准确性。

2 植保喷雾机的不足之处

2.1 喷药效果差

果农普遍使用低端喷雾器，低端喷雾器水力喷雾不均匀，穿透效果差，农药附着量低，药液难以到达树干，需频繁喷药，农药使用效率低。传统气动大流量喷洒量过大，无法准确控制喷洒量，造成风速供给不足。风量太小，无法穿透大量树冠，喷雾效率降低；风量太大，药液会偏移，使药液积聚在枝叶表面，造成药液大量流失，影响果树生长。

2.2 农机与农艺融合度不高

果园种植果树的计划与植保机器的生产和应用有着密不可分的关系。目前，因为新老果园种植的因素，植保机械的使用会受到果树种植模式的影响，针对某些果树发育、打药、翻地等流程的不同需求，植保机械很难有效应对。作业效率高的大中型喷雾机械不能进入果园施药，中小型喷雾机不能高质量使用。

2.3 喷雾的安全性低

无论是背负式、自走式、吊杆式喷洒方式，还是通风送风式，都需要人工操作。农药喷洒、配药以及清洗喷药器具时，农户反复接触农药，吸入农药容易中毒，对农民的健康可能造成巨大危害，自动喷雾机械的研制势在必行。

3 果园喷雾机优化建议

目前，防治病虫害的主要手段是应用化学农药，背负式、中小型喷雾机技术需要进一步改进，仍需要针对性开发，提升工作效率。

3.1 开展果树物理特性研究

对果树的物理特性进行研究是植保机械工作开展的重要步骤，通过对果树叶子、枝干的物理特性展开相关理论研究，为植保喷雾机械关键部件参数设定及开发提供理论参考。

3.2 加强农机农艺融合

在现代农业发展过程中，农业机械化的发展与农学密切相关。农学与农业机械相辅相成，服务于农业生产的共同增效。可通过建立多学科交互发展机制，培养综合型人才，加强农业工程、农艺、生物技术与管理多学科合作，形成农机农艺相适应的技术体系，培育适合机械化喷雾的果树品类，制定适合机械化喷雾的果树种植模式，研发与农艺相适应的果树植保喷雾机械。

3.3 优化机械结构

在设计产品时，结合农艺要求，可应用DADS动态分析及设计程序，建立喷雾机动态模型，用正交设计方法选取参数的试验组合，依据喷雾机的几何模型建立三维仿真模型，读取建立好的三维仿真模型，根据实际需求实现喷雾机的结构优化设计。

3.4 提高机械通用性

植保喷雾机械通用性较差会增加果品的生产成本，农户的收入会减少，限制植保喷雾机械的发展。应在不同果树之间寻找共性，绘制出合理的结构，满足一个机器可以在不同场合使用的要求，从而提高植保喷雾机械的通用性。

4 结语

综上所述，果园植保机械发展要因地制宜，重点发展中小型智能喷洒植保机。在不断完善果园种植结构的基础上，对果树生长特性展开研究，实现农机与农艺的有效结合，优化产品结构设计，提高智能植保喷雾机械的通用性和智能化技术水平，实现农药的低喷量、精喷洒、高工效，满足环保要求，提高果园植保机械化水平。