柑橘无人对靶施药关键技术研究*

2021-12-28曹中华崔晋波湛小梅李亚丽

南方农机 2021年6期

曹中华，崔晋波，湛小梅，冯伟，李亚丽

（重庆市农业科学院，重庆 401329）

1 研究意义

重庆是全国柑橘的主产区和优产区，柑橘产业位居重庆七大特色产业之首，种植面积超过350万亩（1亩≈667m2），产量超过330万吨，种植业产值近200 亿元，帮助农民脱贫致富效果显著。然而，在重庆市柑橘产业快速发展的同时，柑橘生产机械化却令人堪忧，其中以植保机械最为突出。目前，重庆市柑橘果园的农药喷洒方式大多采用背负式喷雾器，这种喷雾器需要农民自身携带药箱，并通过手动施压来喷洒农药，存在工作效率低、劳动强度大、农药利用率低以及环境污染严重等突出问题[1-3]。

农业机械是农业生产的重要物质技术基础，农业机械化是农业现代化的重要标志。政府高度重视农业机械化发展，颁布了《农业机械化促进法》《农业机械安全监督管理条款》等法规和规章，制定印发了《国务院关于促进农业机械化和农机工业又好又快发展的意见》和《国务院关于加快推进农业机械化和农机装备产业转型升级的指导意见》，将农机装备发展列为《中国制造2025》重点领域，出台了一系列支持促进农业机械化发展的政策举措，调动了广大农民购机、用机的积极性，推动了全国农业机械化持续快速发展，成为中国农业现代化发展进程中的突出亮点。同时，随着工业化和城镇化的进程不断加快，农业“用工难”“用工贵”问题日益突出，农业各领域对机械化的需求越来越迫切，广大农民对农机装备的依赖越来越明显，“机械化换人”成为破解“谁来种地？怎么种地？”问题的必然选择。适应新形势、新要求，加快推进重庆市农业机械化转型升级，是全面实施重庆市“乡村振兴”行动计划的迫切要求。可见，智能农机发展政策优越、时间紧迫。

随着科技的进步和人们环保意识的提高，人们越来越重视农药对环境的污染以及农药的利用率问题。同时，果农对柑橘施药机械的要求也越来越高，不但要求农药的利用率高，而且还要求劳动强度低、环境污染小。如何在喷洒农药的同时，减少农药对柑橘果品与环境的影响，提高农药利用率、杀虫效果、雾化效果、药物的沉淀量，降低成本及病虫害对果树的伤害和环境污染是迫切需要解决的问题。因此，针对我国丘陵山区宜机标准柑橘园种植管理需求，兼顾施药作业需要，进行柑橘无人对靶施药关键技术研究，为下一步研制柑橘无人对靶施药装备提供理论依据[4-5]。

2 国内外研究现状

国外在农药喷施技术方面的研究发展得较早，以欧美地区的发达国家为主。Speelman 等人先后研究了不同行驶速度会引起喷杆的不规则运动及激振频率会影响喷雾分布均匀性，喷杆水平运动对喷雾分布均匀性的影响情况。Duga 等人利用3 种不同类型喷雾机对4 种不同果树进行雾滴沉积试验，得出更高的空气流速有利于提高目标作物的雾滴沉积率。Pérez-Ruiz 等人研究喷雾控制系统，该系统降低了植保成本、环境破坏和农民的人身风险，并配有先进的传感器，加强探测喷杆末端效应并确保喷洒的准确性。Pascuzzi 等人研究了一种气动静电喷雾器来评估静电荷对葡萄叶面喷雾沉积的影响，以求达到更好的雾化效果。GilesDK等人先后研究对靶喷药系统，使用CCD摄像机实时采集目标作物，基于机器视觉的精确对靶喷施系统，有效减少了农药的使用量。综上所述，国外在对模型的建立、喷杆的动态特性、喷杆的自动平衡、靶喷施方面应用的技术比较先进，性能方面比较可靠，针对病虫害防治的精确喷施技术的研究值得国内借鉴和参考。但国外一些现有成果难以在国内直接应用，高精尖的对靶喷施设备（如激光扫描仪、机器视觉设备）使得喷雾机具在农业生产中的使用成本过高、大型机具难以适应我国标准柠檬果园种植模式施药等，在全株施药技术、无人对靶施药技术等领域研究不足。

国内在农药喷施技术方面落后于发达国家，主要采用粗放式的喷施方法，喷施技术水平低，主要采用小型喷雾机具。随着智能农业装备研究的深入，国内诸多学者也在精确喷施技术上做了大量的研究。丁竞岗等人先后针对果园喷雾机研究喷头的最佳间距、喷头高度、液体压力和均匀覆盖所需重叠量的函数，压力损失对XR系列喷头雾滴粒径分布的影响，雾滴的实时飘移情况及飘移分布规律，可转换喷杆喷雾机自动测控系统及喷雾机的超宽幅喷杆式、折叠机构、仿形机构和回弹机构。何雄奎等人通过研究红外传感探测技术，利用颜色传感器和单片机控制系统，实现只对绿色作物靶标喷雾的目的。但是，总体来说国内目前在对靶技术方面的大多数成果还停留在试验阶段，实用性不强，距离投入实际的农业生产还有一段时间。在全株施药技术模式、无人驾驶自动对靶施药技术领域等方面出现空白[6-9]。

综上，国外精准喷雾机的发展趋势已经向大型化、机电液一体化、智能化等方向发展。在大功率拖拉机上前后悬挂机具进行高速、宽幅施药等作业，并广泛结合虚拟仪器技术，利用现代传感技术，实现精准对靶施药，以提高作业效率和节约能源。同时，国内喷雾机研究从通用设备向专用设备发展，从粗放喷雾向精准喷雾甚至对靶喷雾发展，针对果园种植管理需求，兼顾施药作业需要，进行对靶施药、无人驾驶设备的研发，逐步替代背负式、担架式喷雾机开展作业，减轻劳动强度，提高作业效率。

3 关键技术研究

3.1 开展标准化柑橘园机艺融合技术研究

针对丘陵山地标准化柑橘园农艺种植需求，柑橘树型大、排水沟设置不科学导致的底盘通过性差问题，筛选适宜的柑橘修剪技术，集成柑橘疏花疏果技术和果园暗排技术，从而解决丘陵山地柑橘园动力底盘通过性差、机械施药困难等问题。

3.2 柑橘全株机械施药技术研究

针对柑橘机械施药时叶背药液沉淀量低、雾滴分布不均匀等问题，通过对我国丘陵山区宜机标准柑橘园种植模式的研究，依照树冠大小形态采用液压技术控制，研究变喷杆喷雾机自动收合变形、自调整高度机构，采用仿树形弧形喷杆，研究喷杆上安装的可调喷嘴个数及分布方式，实现柑橘页面叶背全株施药，利用FLUENT 对喷雾雾化特性进行仿真分析，使用室内喷雾性能综合试验台对影响喷杆喷雾机喷雾分布均匀性的相关工作参数进行优化试验研究，设置不同喷雾机相关技术参数组合，通过数据整理分析，寻找到施药距离、喷雾压力、对应的雾滴沉淀量的最优参数组合，采用数字化设计技术，建立柑橘喷雾虚拟样机，进行喷雾情况的仿真分析，优化结构参数，形成轻简高效的喷雾机主体结构，对喷雾机进行实际田间试验，检验喷雾机的雾滴覆盖率和穿透性，分析喷雾机实际喷药雾化效果、柑橘叶背药液沉淀量等参数。

3.3 柑橘机械施药对靶技术研究

针对标准果园柑橘种植模式、农药利用率低且易流失造成环境污染等问题，研究柑橘对靶施药技术。采用红外光电传感器探测果树，结合柑橘生长状态，通过红外光电及雷达传感器来实时获取喷施柑橘的轮廓、距离、深度及密度等信息，经处理器控制电磁阀的开闭，从而控制喷头喷停。针对树冠层枝叶的不连续，研究红外光电及雷达传感器检测喷雾单元与树冠层枝叶的距离，当检测到柑橘果树时，由与喷嘴相连的电磁开关阀控制进行施药工作，并由控制系统分析处理后确定施药量的多少，形成施药决策。根据传感器信号控制电磁阀状态，实现自动对靶施药，以降低药液的用量，提高药液的使用效率，减少环境污染。

3.4 无人对靶施药系统研究

在喷杆上中下三处配置传感器，用于树冠感应与距离反馈，研究传感器参数、流量和压力系统调节方法、多传感器防干扰技术、传感器防电子系统干扰技术等，研发喷雾智能控制系统，指挥喷杆根据树冠情况自动伸缩、张合及倾角调整，喷头根据树冠情况自动开闭，实现对靶施药。

3.5 新能源无人驾驶智能底盘研究

根据我国丘陵山区标准化柑橘园的特点、柑橘树型和喷药动力及精度的要求，搭建锂电池双电机履带底盘、集成遥控模块和电动推杆系统，实现柑橘对靶施药装备自动行走，在动力底盘前方和左右两侧各配置姿态传感器、雷达避障传感器、角度传感器等，用于地形、障碍物和车身姿态感知，实现底盘行走速度自动调节、智能避障和转弯，确保定位信号丢失时能准确行止，从而实现动力底盘作业的无人操作，最大程度地减少农药对操作人员身体健康的伤害。