牛萌萌，方會敏，康建明，陳英凱，2，彭強吉，張春艷

(1.山東省農業(yè)機械科學研究院，濟南市，250100；2.山東省農業(yè)科學院，濟南市，250100)

0 引言

農藥施用對農業(yè)生產中的病蟲草害防治具有重要作用，對作物產量提高具有重要意義。目前，中國農藥的使用量和產量都居全球第一，每年使用農藥原液30多萬t(折百量)，防治面積達4億～5億hm2[1]，農藥為農業(yè)生產帶來巨大經濟效益的同時，也給自然環(huán)境帶來嚴重污染。我國果園面積近10年來不斷增加，從2010年的10 681.02 khm2增加至2018年的11 874.87 khm2，同時我國水果產量由2010年的20 095.37萬t增加至2018年的25 688.35萬t[2]。林果業(yè)機械總功率由2012年21.15萬臺的100.33萬kW增加至2018年46.32萬臺的163.76萬kW，但相對于2018年農業(yè)機械總動力的100 371.74萬kW占比還相對較少[3-4]?！稗r藥化肥‘雙減’行動”作為促進現代農業(yè)綠色高效可持續(xù)發(fā)展的重要手段得到了國家高度重視，現代果園管理需要高效施藥機具，高效施藥機具需要現代施藥技術。

果園施藥作為水果生產中的一個重要環(huán)節(jié)，其機械化程度直接影響水果生產機械化水平。本文在分析果園施藥關鍵技術國內外研究的基礎上，闡述歸納了噴頭技術、氣力輔助噴霧技術、靜電噴霧技術、在線混藥技術、自動對靶技術、變量施藥技術、病蟲害監(jiān)測技術等方面的最新研究進展，并探討了果園施藥機械與技術發(fā)展面臨的主要問題及對策，為促進我國果園施藥機械與技術的創(chuàng)新發(fā)展提供參考。

1 果園施藥關鍵技術研究進展

1.1 噴頭技術

植保噴頭是施藥機械的關鍵部件，其性能的好壞直接決定噴霧施藥的質量和效率。植保噴頭分類方式眾多，也較為復雜，一種噴頭往往是幾種不同噴頭技術的綜合(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為植保噴頭典型結構示意圖)。Tembely等[5]運用基于最大熵原理(EM)方法對噴嘴噴射的霧滴譜進行了研究，推導出了可以適應多種工況環(huán)境的一種模型公式，對噴頭霧化性能的研究提供了重要參考。Needham等[6]為實現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計方案，實現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修正噴頭磨損造成的流量增加，而噴霧壓力的降低會造成霧滴粒徑增大、霧滴均勻性變差)對作物生長情況和產量的影響，結果表明，新噴頭作業(yè)下作物產量高于其他兩種噴頭。

表1 各噴頭技術工作原理及優(yōu)缺點

圖1 植保噴頭典型結構示意圖

國內研究方面，茹煜等[8]針對具有離心霧化和液力霧化優(yōu)點的旋轉液力霧化噴頭進行了噴霧特性試驗研究，對驅動電機轉速、噴霧工作壓力、噴孔直徑因素等對噴頭噴霧沉積分布、噴幅、霧滴粒徑和作業(yè)功耗的影響進行了試驗探究，得出噴頭旋轉轉速相比噴霧工作壓力和噴孔直徑參數對霧滴粒徑的影響更顯著，指出隨著轉速加大，霧滴粒徑變小，霧化效果更好，同時噴霧角度變大，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、噴嘴直徑等參數對噴頭荷電霧滴霧化流場、霧滴荷質比、霧滴粒徑的影響，得出充電電壓、噴嘴直徑、噴霧壓力3個參數對霧滴粒徑分布的影響程度依次增強。樊榮等[10]為了實現植保常用扇形霧噴頭的數字化管理及生成，對常用扇形噴頭的噴霧質量、性能特性、結構組成進行了理論研究，對不同類型的扇形噴頭進行了噴霧分布試驗，建立了不同型號扇形噴頭的型譜模型，制定了扇形噴頭譜系結構，對噴頭的系列化、規(guī)范化和標準化具有重要意義。董福龍等[11]基于撞擊流和射流耦合作用原理，設計了一種對沖噴頭，具有霧滴粒徑均勻性較好、霧滴譜較窄、調壓范圍寬和抗飄性較強的特點。

國內噴頭的設計和制造技術和歐美等發(fā)達國家還存在一定差距，這是制約我國噴霧施藥水平的關鍵因素之一。目前，國外噴頭設計主要根據噴頭內部的流體力學設計理論，國內噴頭設計以參考國外為主，針對其結構進行改進，以期達到所需的霧滴粒徑、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特性及抗壓特性是衡量噴頭材料優(yōu)劣的主要指標。國內外在噴頭結構優(yōu)化、變形設計、新材料、霧化機理等方面都進行了深入研究，并結合現代設計與分析技術，實現噴頭研究過程中的虛擬設計和流場特征的數值模擬，有助于噴頭的設計優(yōu)化和實驗驗證。但針對噴頭在新結構、新噴霧理論方面的創(chuàng)新研究相對較少，為應對現在噴霧技術的發(fā)展，具有特定功能和作用的噴頭將會是噴頭研究的一個主要方向。

1.2 氣力輔助噴霧技術

輔助氣流噴霧于20世紀末在歐洲興起，利用氣流的脅迫作用把藥液霧滴輸送到標靶上，提高霧流穿透性優(yōu)化霧滴沉積分布，其中風送式噴霧系統(tǒng)工作原理如圖2所示。康奈爾大學的Landers[12]研制了一種果園噴霧機，通過調節(jié)出風口的風柵可實現送風方向的改變，以達到更理想的霧滴沉積效果，他還分析了影響霧滴沉積和風場分布的各種因素，通過改變各種噴霧技術參數研究霧滴飄移和噴霧沉積情況。Patel 等[13]設計了一種感應式靜電噴頭與外部氣流輔助相結合的遠射程噴霧系統(tǒng)，通過高壓輔助氣流實現荷電霧滴的分散運動和均勻沉積，并指出輔助氣流對霧滴荷質比沒有顯著影響。Kuznetsov等[14]結合試驗數據，對氣力噴頭霧化過程的氣液兩相流場的數值建模方法進行了驗證，數學模型使用湍流模型k-ωSST和雷諾應力模型(RSM)，采用拉格朗日方法對霧滴流動進行數值模擬，比較分析表明，無論是亞音速流還是超音速流，計算結果和實驗結果在定性和定量上具有較好的一致性。

圖2 牽引式果園風送式噴霧機

針對氣力輔助噴霧技術國內開展了大量研究，唐青等[15]研究了標準扇形噴頭和空氣誘導噴頭在高速氣流作用下的霧化特性，試驗結果表明兩種噴頭在高速外部氣流作用下，霧滴粒徑都隨著風速的增加而減小，在噴霧壓力0.3 MPa下，當風速由120 km/h逐步增加到305 km/h時，標準扇形噴頭和空氣誘導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]基于遠射程風送式噴霧機研究了霧滴由噴嘴噴出后在風力的裹挾運動過程中霧滴粒徑在噴幅內和射程內的變化分布規(guī)律，指出霧滴傳輸主要經歷3個過程，近出風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]基于果園風送式噴霧機研究了噴霧機導流板角度變化對外部氣流速度場三維空間分布的影響，采用ICEM建立幾何模型，并進行全結構網格劃分，采用k-ε湍流模型進行了氣流場的模擬仿真，探究了導流板角度不同對氣流場的運動和氣流分布的影響，給出了不同施藥對象下導流板的較優(yōu)布置角度。繆宏等[18]利用超聲霧化技術設計了一臺超聲霧化氣力噴霧裝置，運用氣流場和超聲振動共同作用，實現噴頭噴霧霧滴的進一步破碎細化，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]基于文丘里原理設計了一種農用氣力式噴頭，并采用k-ε湍流模型對噴頭內部氣流場進行了CFD仿真和試驗驗證，結果表明: 噴嘴出口處霧流中心區(qū)域的氣流速度可達到亞音速或超音速，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，設計的氣力噴頭可達到較優(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)根據氣流和霧流的混流方式和位置不同分為兩類: 一類為風送式噴霧系統(tǒng)，氣流和霧流在噴頭外部混流在一起，霧流被氣流攜帶進入果樹冠層內部；另一類為氣力式噴頭噴霧系統(tǒng)，氣流和霧流在噴頭的內部混流在一起，高速氣流的速度對霧流霧滴粒徑的影響較大。其中風送式噴霧技術是目前果園施藥中推廣使用最好的噴霧技術，但目前推廣使用的風送式噴霧機仍存在耗能大、質量重的缺點，且風機風量的精準控制也存在技術短板，不同果樹冠層直徑和冠層密度需要的送風風量不同，送風不足時霧流無法穿透整個冠層，送風過大則會加劇霧滴飄失。因此，研究實現變量精準送風是風送式噴霧機進一步發(fā)展的趨勢。

1.3 靜電噴霧技術

20世紀40年代，法國首次將高壓靜電技術應用于施藥噴霧作業(yè)，其靜電噴霧工作原理如圖3所示。1999年Carlton[20]申請獲得航空靜電噴霧系統(tǒng)專利，后來專利權被美國SES公司(Spectrum electrostatic sprayers，Inc.)購買，并生產形成商業(yè)化產品。Patel等[21]設計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，設計的高壓系統(tǒng)在較高頻率范圍內輸出穩(wěn)定，在施加負載時具有較佳的紋波和壓降。Salcedo等[22]設計了一種“П”型靜電噴霧機，通過田間試驗對比分析了“П”型靜電噴霧機和常規(guī)“П”型噴霧機在針對葡萄施藥時的霧滴沉積質量，試驗得出靜電噴霧對增加葉面霧滴沉積量和優(yōu)化沉積均勻性都有顯著作用；在實現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

國內學者也開展了許多相關研究，張玲等[23]設計了一種空心圓錐霧仿形靜電噴頭，在噴嘴出口處霧滴形成區(qū)域依據霧流形態(tài)設計靜電電極形狀，并在電極外側加設高壓絕緣外套，使得霧流在靜電區(qū)域內與電極始終保持最佳感應距離，獲得最大靜電感應電荷。楊洲等[24]采用室內模擬側風探究了不同側風和靜電電壓對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，并對霧滴粒徑分布隨靜電電壓的變化進行了測定和分析。崔海蓉等[25]研究了環(huán)形電極直徑及其相對于噴頭的布置位置對霧滴荷電效果的影響，結果表明，環(huán)形電極直徑增大，霧滴荷質比減小；電極安裝位置沿霧流運動方向前移，霧滴荷質比增加，并存在著一定的線性關系。岳德成等[26]基于背負式靜電噴霧機通過田間試驗研究了靜電噴霧對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，試驗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，并可減輕除草劑對玉米產量的影響，相比人工除草減產分別只有1.96%和0.29%。

目前，靜電噴霧的主要霧滴充電方法有感應充電法、電暈充電法和接觸充電法，其中感應充電法相對于另外兩種方式有相對較低的實現工作電壓，在作業(yè)安全性和高壓絕緣性方面存在優(yōu)勢。國內外對靜電噴霧技術研究的深度和廣度都達到了較高水平。但目前靜電噴霧技術還存在電能消耗大；絕緣材料性能不達標，容易被高壓靜電擊穿絕緣層造成漏電，嚴重時會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)維護不方便和噴頭使用壽命短等都是制約靜電噴霧技術使用和推廣的關鍵因素。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，將是目前推動靜電噴霧技術研究發(fā)展的關鍵。

1.4 在線混藥技術

在線混藥技術出現于20世紀70年代前后，1970年Amsdem[27]通過研究提出了農藥在線混藥技術，圖4為外加動力直接注入式在線混藥工作原理圖。Vondricka等[28]對Hloben研制的檢測在線混藥過程中平均濃度變化的光纖光度傳感器結構進行改進，使傳感器嵌入混藥器結構中，實現了在線檢測混藥濃度的功能。Hirschberg等[29]通過改進SMX靜態(tài)混藥器，使得流體經過混藥器時的壓降減少了50%，并利用CFD方法得到改進后混合器的壓力譜、混藥時間以及混合效果等信息。Sarvanan等[30]基于流體動力學分析了不同噴射位置、噴口直徑等參數對射流混藥器工作性能的影響，得出噴口直徑大小對射流混藥器的混合特性有重要的影響。Koller等[31]使用紅外光譜法對混藥過程中農藥顆粒流與水流的混合過程進行了檢測，但檢測系統(tǒng)只給出了混合物中藥和水的體積關聯趨勢，不能準確的給出混藥濃度。Shen等[32]研制了一種采用微處理器控制的預混式直噴系統(tǒng)，用陶瓷活塞式化學計量泵和兩個小的過渡罐，實現在線變量施藥，與通常的將農藥直接注入施藥管道的系統(tǒng)不同，該系統(tǒng)首先將特定數量的水和農藥注入預混室中進行攪拌混合，然后將混合物轉移到過渡室中，最后按設定藥量注入施藥管。Cai等[33]利用快速反應電磁閥(RRV)設計了一種實時混藥系統(tǒng)，通過100 Hz的脈寬調制(PWM)信號驅動，通過改變脈寬來調節(jié)藥液的注入速率。同時，采用比例積分導數(PID)控制策略，實現了藥液注入速率的計量和穩(wěn)定。為了測量化學流量并將其作為實時反饋輸入控制器，使用了一種與化學粘度無關的熱力學流量計，并通過實驗室測試對DNIS和PID控制策略的性能進行了評價，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

通過技術引進與創(chuàng)新，國內開展了許多相關研究，賈衛(wèi)東等[34]基于農藥光透性設計了混藥濃度檢測單元、結合在線檢測反饋采用PWM波占空比控制藥液注入量，系統(tǒng)以MSP430F149單片機為核心的控制混藥濃度，構建了混藥比反饋控制的在線混藥裝置，試驗表明，基于農藥光透性的混藥濃度在線檢測、反饋控制的混藥方法及裝置可以實時獲得混藥濃度反饋信息，自動調節(jié)藥液注入量實現混藥濃度精準控制。邱白晶等[35]對射流混藥裝置射流嘴出口直徑和面積比對在線混藥噴霧系統(tǒng)混藥性能的影響進行了深入研究，探究了24種不同結構參數的射流混藥裝置應用于3種不同流量特性的在線混藥噴霧系統(tǒng)時的工作特性，結果表明，射流混藥裝置的結構參數對噴霧系統(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)的阻力系數來避免藥液回流。楊洲等[36]基于一種水動力比例自吸泵，設計構建了一種在線混藥噴霧系統(tǒng)，并通過試驗測定了在線混藥系統(tǒng)的混藥穩(wěn)定性和均勻性的最大變異系數分別為3.51%和4.46%，系統(tǒng)結構簡單混藥穩(wěn)定性好。李君等[37]采用蠕動泵和靜態(tài)混合器相結合設計了一種農藥精量控制的實時混藥系統(tǒng)，通過試驗驗證了混藥系統(tǒng)具有較優(yōu)的混藥穩(wěn)定性和均勻性，并運用FLUENT軟件進行混藥過程仿真，采用SIMPLEC算法對設計的SK、SX和SD型3種靜態(tài)混合器進行仿真模擬計算，模擬結果與試驗數據進行了一致性對比。代祥等[38]基于多孔板穿過流脈動衰減原理提出了夾層孔管式新型混藥器，對射流混藥器進行了改進，探究夾層孔管式混藥器在線混合瞬時均勻性與動態(tài)濃度一致性的規(guī)律，并對比普通射流混藥器進行了在線混合試驗，試驗結果表明，夾層孔管式混藥器顯著地提高了脈動注入條件下的動態(tài)濃度一致性，但在瞬時均勻性上沒有表現出明顯優(yōu)勢。

在線混藥方式將水和藥分開，可避免預混藥液的過剩浪費和藥水混合液對液泵的腐蝕。以操作者安全和綠色環(huán)保為核心，符合農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的要求，可實現農藥的精準化、專業(yè)化、標準化施用。目前，在線混藥方式主要分為兩大類: 一類為外加動力直接注入式；二類為不需外部動力的射流混藥式。外加動力直接注入式采用小流量調節(jié)閥或小流量變量泵通過外部動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、比例調節(jié)可控性好，但混藥系統(tǒng)較為復雜，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無需外加動力，但存在混藥比調節(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)已經有了廣泛和深入的研究，但混藥關鍵部件和混藥機理的基礎研究還需要重視，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)定的混藥器等關鍵部件的設計是打破現有在線混藥技術瓶頸的關鍵。

1.5 自動對靶技術

20世紀70年代，前蘇聯和美國率先開始對自動對靶施藥技術進行研究和試驗。Lee等[39]利用機器視覺系統(tǒng)和自動噴霧系統(tǒng)相結合，開發(fā)了一種具有對靶噴施除草劑的實時智能雜草控制系統(tǒng)，機器視覺系統(tǒng)0.34 s處理一張圖像，設計的對靶噴施雜草控制平臺連續(xù)作業(yè)速度可達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，設計了一種計算機自動視覺系統(tǒng)用于檢測分布作物中的雜草，并通過自動噴霧系統(tǒng)實現對靶噴施。針對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]運用超聲波傳感技術結合冠層體積算法，對目標物的幾何形狀和體積參數進行實時測定，基于測定的參數信息實時控制噴藥量，并結合作物不同生長期進行了田間試驗，與傳統(tǒng)施藥方式相比可節(jié)省農藥21.9%。Yan等[42]利用激光傳感技術選用270°徑向激光掃描傳感器結合設計的植物表面映射算法，對復雜形狀植物表面和尺寸的檢測精度進行了評估，試驗測得物體到激光傳感器的水平距離對精度影響顯著，當之間距離越近影響越弱，物體表面的顏色和光潔度對傳感器的檢測精度沒有明顯影響，激光掃描傳感器和設計的專用算法具有潛在的適應性，可以測量復雜形狀的目標植物。

國內學者也開展了許多相關研究，趙茂程等[43]對樹形識別系統(tǒng)及其與精確對靶施藥系統(tǒng)之間的關系進行了理論分析，分析了由于樹冠形狀使得噴頭與目標物之間距離的變化對噴霧分布的影響，指出各工作噴頭噴出的農藥霧滴到達目標時的重疊量的大小，對施藥質量有顯著影響，距離過大或過小都會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噴霧距離變化的主要原因。王玲等[44]搭建了對靶變量噴藥控制系統(tǒng)實驗平臺，側重研究了目標果樹識別方法，對靶系統(tǒng)由攝像頭采集圖像，經上位機圖像識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，上位機將果樹輪廓及以代碼的形式發(fā)給下位機，下位機結合車速傳感器及車與果樹之間的距離，運算出樹冠高度及噴霧裝置的仰角，并進行反饋控制，上位機生成噴霧信息后與下位機進行通信，下位機控制執(zhí)行機構對靶噴霧。為減少除草劑的使用量、提高有效利用率、降低環(huán)境污染，權龍哲等[45]研制了一種靶向滅草機器人，研究認為建立準確的藥液噴灑霧滴群運動的動力學模型是提高對靶施藥精度的關鍵，因此基于空氣動力學原理建立了霧滴群運動過程的動力學模型，通過計算機數值模擬得出了液滴群的沉積分布特性，同時分析了液滴阻力特性及各工作參數對運動過程的影響。為實現美國白蛾幼蟲網幕精準變量對靶噴藥，減少漏噴與誤噴，馬長青等[46]基于機器視覺技術識別出美國白蛾幼蟲網幕，然后根據美國白蛾幼蟲網幕進行精準噴藥，整個噴藥系統(tǒng)由攝像頭采集圖像，計算機實時進行幼蟲網幕的識別，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)根據網幕的面積、位置和蟲害嚴重程度，調整噴頭移動到準確的噴藥位置，確定控制系統(tǒng)的占空比，根據蟲害的嚴重程度控制電磁閥的開閉來進行噴藥，此系統(tǒng)還處在試驗研究階段。

自動對靶技術就是將目標探測技術和自動控制技術相結合運用到施藥作業(yè)中。目前，施藥系統(tǒng)中應用研究較多的目標探測技術主要有超聲波傳感技術、微波傳感技術、光電傳感技術和圖像采集處理技術等，表2對各技術的工作原理和優(yōu)缺點進行了總結。其中超聲波、微波和光電傳感技術根據聲波、電磁波和光波遇到障礙物的折射和透射特性，通過測定折射量或透射量結合相應算法來實現目標物的形狀、體積、密度的標定。圖像采集處理技術通過目標物的形狀、色差和邊界效應，可達到目標物種類、部位和形態(tài)的識別能力，為精確定位和精確控制提供信息。超聲波和光電傳感技術在生產成本和復雜性上低于其他探測技術，有較好的農業(yè)應用推廣前景。微波傳感技術由于使用經濟性差、實現控制技術復雜及受到通訊等限制，在農業(yè)機械上使用尚不成熟。圖像采集處理技術由于圖像識別處理速度還不能滿足施藥機具移動作業(yè)時所需的在線實時監(jiān)測識別速度，其技術還處于試驗研究探索階段。

表2 目標探測技術工作原理及優(yōu)缺點

1.6 變量施藥技術

20世紀70年代，歐美等國開始進行農業(yè)變量施藥技術的研究。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)或其他定位技術根據預先設定的地圖位置信息進行農藥的變量噴施。Dammer等[48]為避免農藥的過量施用使得田間瓢蟲的數量銳減，指出使用傳感器技術實時測定田間作物的疏密情況，來控制殺蟲劑的施用量，實現變量噴施，可減少殺蟲劑用量約13.4%。Maghsoudi等[49]設計了一種用于樹冠尺寸檢測與估計的電子控制系統(tǒng)，運用三個超聲波測距傳感器來估計在三個不同高度和目標物的距離，采用梯度下降反向傳播算法、切線-s形傳遞函數和3-7-6拓撲的MLP神經網絡進行樹截面的體積估計，實驗表明，采用變量施藥技術農藥使用量減少了約34.5%。Li等[50]設計了一種基于超聲傳感器的果樹冠層密度檢測測試系統(tǒng)，依據果樹冠層特征信息來控制風送式噴霧機的施藥量和氣流速度，采用時域能量分析法對超聲信號進行分析，根據設計的已知密度三層和四層葉人工冠層進行了正交回歸試驗，得到了兩個模型方程，其中四層冠層模型更為可靠。Campos等[51]指出果樹冠層特征對精準、安全的確定農藥噴適量至關重要，運用無人機上嵌入的多光譜相機對選定的試驗區(qū)果樹樹冠特征進行了詳細的采樣，生成了處方地圖，施藥作業(yè)時變量噴霧控制系統(tǒng)基于冠層信息實現對施藥系統(tǒng)的變量匹配控制。

國內方面，邱白晶等[52]對變量施藥研究開展較早，為實現精準施藥對噴霧時噴霧裝備的位置確定、噴霧裝備的速度測量以及系統(tǒng)壓力測試和系統(tǒng)流量監(jiān)測等核心技術進行了探討，對定位精度的提高、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行了相關討論，指出實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、快速采集以及軟件開發(fā)等問題。針對脈寬調制(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、隔膜泵和工控機測控系統(tǒng)等構建了一套PWM間歇噴霧式變量施藥試驗系統(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PWM間歇噴霧作業(yè)時的靜態(tài)霧量分布進行了測試。為了克服傳統(tǒng)壓力式和PWM控制式變量噴霧的缺點，徐艷蕾等[54]設計了一種多噴頭組合變量噴霧系統(tǒng)，運用流體網絡理論建立噴藥網絡的數學模型，分析了系統(tǒng)的流阻，試驗測定實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)很難滿足動態(tài)變化的變噴量精確農藥流量控制，張敏等[55]基于流量調節(jié)閥的開度及其兩端壓差決定其通流量大小的原理，對變量施藥的節(jié)流控制系統(tǒng)進行了研究，利用Matlab中的BP神經網絡函數對試驗結果中的非線性關系進行了擬合和測試。王相友等[56]設計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路開關控制閥等構成，采用PID閉環(huán)控制算法對比例調節(jié)閥的開度進行調節(jié)，為緩解節(jié)流變量過程造成的液路壓力波動，通過多回路流量控制來改變主路的流量，使測得的實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發(fā)展較快，其技術應用主要分為兩個方向，其一為依據機具作業(yè)速度變化的變量施藥控制方式，已實現單位作業(yè)面積的恒定用藥量和藥液均勻覆蓋。其二為基于目標物的有無和目標物的形狀、體積、密度及目標物的病蟲害嚴重情況控制施藥量，實現變量精準施藥。前者實現其功能所需的技術水平相對較低，目前已進入產品應用推廣階段；后者需要先進的傳感技術和圖像監(jiān)測識別技術支撐，且對于監(jiān)測識別系統(tǒng)的監(jiān)測、反饋、響應的快速性要求也高，技術還處于研究探索試驗階段。

1.7 病蟲害監(jiān)測技術

20世紀末，美國開始開展基于GPS的病蟲害檢測定點施藥技術的研究。Gerstl[57]指出將土壤吸附數據與土壤有機質含量(SOM)進行歸一化處理，可得到農藥特有的，與土壤性質無關的吸附常數Koc，此常數可被用于對評估農藥浸出潛力和吸附特性，綜述了Koc和SOM值的變化及其對浸出指標的影響，并利用地理信息系統(tǒng)(GIS)和全球定位系統(tǒng)(GPS)繪制和存儲數據，對依據土壤有機質的變化進行特定地點施用農藥提供了手段。從作物保護和環(huán)境安全的角度出發(fā)，為實現精準施藥，Smith等[58]指出結合遙感技術(RS)和傳感器監(jiān)測技術實現對田間病蟲害的監(jiān)測與定位，然后控制噴霧機實現定點施藥。為實現作物病蟲害潛在發(fā)生和分布的監(jiān)測，Yuan等[59]提出了一種基于Worldview 2和landsat8衛(wèi)星數據的農作物病蟲害監(jiān)測新方法，利用作物生長指數(GNDVI、VARIred-edge)和環(huán)境特征(weness、Greenness、LST)這5個指標作為表征作物病蟲害方面的表現，試驗測得，與僅基于植被指數的模型相比，同時包含植被指數和環(huán)境指數的FLDA模型能更準確地監(jiān)測作物病蟲害的發(fā)生。Hunter等[60]運用無人駕駛飛機(UAV)進行作物和害蟲監(jiān)測完成圖像收集用于施藥決策，將無人機病蟲草害測繪和無人機施藥結合到無人機集成系統(tǒng)(UAV-IS)中，提高無人機施藥的利用率和效率，為實現農藥的定點噴施提供新的選擇。Tewari等[61]開發(fā)了一種基于病蟲害檢測技術的可變噴霧系統(tǒng)，采用基于色差的圖像分割法對作物病害部位進行檢測，并計算作物的病害嚴重程度，根據作物病害嚴重程度精確噴施化學農藥，系統(tǒng)由網絡攝像機圖像采集系統(tǒng)、計算機圖像處理系統(tǒng)、微控制器控制運行系統(tǒng)、電磁閥輔助噴嘴系統(tǒng)組成，系統(tǒng)可實現節(jié)約藥量33.88%。

國內針對病蟲害監(jiān)測也有大量研究，冀榮華等[62]認為植物病害識別屬于實時性較強的小樣本模式識別，選擇用支持向量機在解決小樣本學習、非線性以及高維模式識別等問題中表現出許多特有的優(yōu)勢，在提取圖像色彩特征色度矩的基礎上，利用SVM對患有病蟲害的植株進行病蟲害監(jiān)測識別，可獲得較快的識別速度和較高的識別率。李小文等[63]依托GIS、RS、GPS、物聯網、移動互聯網、數據庫等現代農業(yè)信息技術，研發(fā)一款寧夏枸杞病蟲害網絡化監(jiān)測預警系統(tǒng)，使用終端傳感器采集作物病蟲害數據，通過GPS進行坐標定位，再通過網絡將數據傳輸到控制端進行數據整合分析，系統(tǒng)實現了對寧夏枸杞種植的精準化作業(yè)和可視化管理、可以做到病蟲害實時動態(tài)監(jiān)測與早期預警。郭仲偉等[64]研究了基于遙感數據的森林病蟲害監(jiān)測，探討了森林病蟲害發(fā)生后森林中植被指數與葉面積指數之間的相關性的變化情況，分析了受病蟲害影響后歸一化植被指數(NDVI)、增強型植被指數(EVI)與葉面積指數(LAI)之間的相關性，得出受病蟲害感染的像元在輕度、中度和重度三個嚴重級別中，NDVI與LAI之間的相關性由弱變強，又由強變弱；EVI與LAI之間的相關性則依次變強，研究為利用遙感數據識別作物病蟲害情況、評價生態(tài)系統(tǒng)被影響情況提供基礎，認為NDVI與LAI的相互關系能更好的反應森林生長和健康情況。由于傳統(tǒng)無線網絡數據連通性解決方案有限，史東旭等[65]探討了基于物聯網和大數據驅動的農業(yè)病蟲害監(jiān)測技術，借助于最新通信技術通過無人機、攝像機和傳感器收集數據，通信系統(tǒng)采用TVWS(TV white space)和Lora(long range)相結合的技術來滿足農業(yè)生產中高寬帶和遠距離數據傳輸的需求，并利用該系統(tǒng)對小麥田進行了監(jiān)測，結果顯示在氣溫偏低且降水偏高時，小麥長勢偏弱，容易被病蟲害侵入。

目前病蟲害監(jiān)測主要分為兩個方向: 一是用于病蟲害監(jiān)測和防控的大范圍病蟲害在線定位監(jiān)測；二是應用于智能噴霧機上的實時反饋監(jiān)測。其中基于傳感技術和遙感技術的大范圍病蟲害在線定位監(jiān)測已經進入推廣使用階段，而用于智能噴霧機上的實時反饋監(jiān)測由于對系統(tǒng)的監(jiān)測、反饋、響應的快速性要求更高，技術還處于研究探索試驗階段?，F有病蟲害監(jiān)測技術是根據監(jiān)測植物病蟲害所能表征出來的不同特征，包括監(jiān)測光學、熒光和熱學等參數及作物色差等來實現。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(SAR)和光探測與測距(Lidar)系統(tǒng)。并通過統(tǒng)計判別分析，機器學習算法，回歸模型以及光譜分解算法等將監(jiān)測到的特征信息和數據與植物的病蟲害聯系起來。

2 果園施藥技術研究推廣亟需解決的問題

2.1 農機農藝融合不足

農機農藝關系問題由來已久，最開始是“農機要跟進農藝”，農機單方面的基于農藝來設計；后來提出“農機與農藝結合”，以農機適應農藝為主，農藝適應農機為輔；現在推行“農機農藝融合”，關鍵原則是農機作業(yè)標準和農業(yè)生產模式中技術標準要相互適應。

2.2 種植模式不統(tǒng)一

我國各地區(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)機械難以進入果園，并且嚴重影響機械作業(yè)效果，導致果園植保機械的研究與推廣難度增大。

2.3 通用技術和關鍵部件的創(chuàng)新不足

如先進的傳感器技術、圖像識別技術、專用噴頭、高精度控制閥、小流量泵、專用風機等通用技術和關鍵部件的創(chuàng)新設計相對落后，基礎理論研究與支撐不足。當前研究主要集中在運用智能識別技術、控制技術、信息技術等實現機具與施藥技術的機電一體化、精準施藥、智能對靶與防飄和開發(fā)新型機具等方面，而在施藥關鍵部件的結構開發(fā)、新噴霧理論研究方面投入較少。

2.4 果園農機制造企業(yè)資金不足、技術創(chuàng)新能力較弱

目前國內果園農機制造企業(yè)多為中小企業(yè)，技術創(chuàng)新能力相對較弱企業(yè)資金不足，使得新技術、新材料及先進施藥技術和關鍵部件的研究與推廣應用產生脫節(jié)。

3 果園施藥技術研究與發(fā)展對策

1)農機農藝的融合要結合實際，針對不同果品和不同地區(qū)要認清發(fā)展的主次。大宗果品生產作業(yè)中的主要問題是提高效益和降低勞動強度，在果園建造、種植模式選擇和果園管理過程中，要盡可能的考慮農機作業(yè)的適應性。而針對特色農產品和特殊功能的果園，對果品品質要求嚴格、果品的附加值較高，可以在盡量滿足農機和農藝相互適應的前提下研究推廣相應的專用機具。

2)研究探討先進的果樹栽培和修剪新技術，培育和選育適應新型果園模式的果樹新品種，將機械適用性作為品種選育和栽培管理的重要指標。還可以借助政府部門的力量推動果園新型種植模式和果樹新品種的推廣應用，要做好農業(yè)技術的科普工作，不斷提高農民對農機與農藝融合的認知度，才能有效解決當前果園機械化發(fā)展與推廣瓶頸。

3)注重基礎理論研究，加強通用技術和關鍵部件的創(chuàng)新設計，增加在施藥關鍵部件的結構開發(fā)和新噴霧理論研究方面的投入。要加大果園施藥機械研究力度，加快果園植保機械的改良與推廣力度，推動我國果園施藥機械向專業(yè)化、智能化、信息化的方向發(fā)展，同時，要注重構建田間病蟲害信息監(jiān)測采集系統(tǒng)。

4)植保機械關鍵部件的制造要專業(yè)化、高精化，運用現代新設備、新技術、新工藝開發(fā)系列產品，提高關鍵部件的制造質量、工藝水平和可靠性，實現產品的專用化、系列化、標準化。此外，還要對植保機械的整機性能、主要工作部件的工作穩(wěn)定性等進行研究和嚴格的試驗檢測，構建先進的試驗場所，引進先進的試驗技術，以更好地滿足植保機械的發(fā)展要求。

4 趨勢展望

目前我國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，使得大型施藥機具難以入園，大中型果園植保機械的推廣使用難度較大，小型機動式作業(yè)機具仍會是主流。結合國內外先進技術，做好農機農藝融合，研究適合我國果園種植模式和規(guī)模的植保機械，以提高我國果園機械化作業(yè)水平，促進果園種植業(yè)的健康、持續(xù)發(fā)展。果園施藥技術研究和發(fā)展的趨勢主要表現在以下方面。

1)多技術融合提高施藥效率。在滿足病蟲害防治需求的基礎上，追求最小的農藥施用量，確保最少的農藥流失到環(huán)境中依然是未來果園施藥技術研究的熱點。為了提高農藥利用率、減少施藥污染，施藥技術已經走上多技術融合的發(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)具有精準化、智能化、無人化功能的果園施藥機械是研究發(fā)展的重點方向。如靜電技術與氣力輔助技術的融合，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、變量施藥技術和自動對靶技術的融合，實現果樹形態(tài)識別和株間識別，通過需藥量自動調節(jié)施藥量，實現智能精準施藥；病蟲害監(jiān)測技術、變量施藥技術和自動對靶技術的融合，實現施藥過程中病蟲害的實時監(jiān)測，確定病蟲害的嚴重等級，通過在線監(jiān)測反饋信息控制完成定點變量精準施藥；氣力輔助技術與循環(huán)噴霧技術的融合，使噴霧、沉積過程在一個半封閉的空間內進行，提高了藥液利用率，同時由于增設氣流輔助進一步優(yōu)化了霧滴沉積分布。

2)各關鍵部件的變量精準控制。隨著噴霧技術的不斷發(fā)展，對噴頭在性能、結構、功能方面有了更高的要求，研究具有特定功能、可實現噴霧量和噴霧角精準控制的噴頭將會是噴頭未來研究的一個主要方向；噴頭與目標物距離是改善施藥效果的重要指標之一，為保證每個噴頭相對目標物的噴霧距離一致，且處在最優(yōu)范圍內，開展噴架仿形機構確保噴頭位置與冠層距離相一致，實現噴頭位置的在線調整和精準控制是未來的研究方向之一；風量是關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風量不同，研究風量在線快速調節(jié)裝置實現變量精準送風是果園風送式噴霧機進一步發(fā)展的趨勢；在線混藥技術實現的關鍵在于注藥量的精準控制，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可控的藥液注入系統(tǒng)等的設計是打破現有在線混藥技術瓶頸的關鍵；要實現依據目標物的物理特征，及目標物的病蟲害嚴重情況的精準變量施藥，對目標物的特征進行準確快速識別是前提，因此，研究具有快速監(jiān)測、反饋、響應性能的監(jiān)測識別系統(tǒng)及相應的計算和決策模型，是智能精準變量施藥的重點研究方向。

5 結論

果園施藥技術應用日趨成熟廣泛，本文分別從噴頭技術、氣力輔助噴霧技術、靜電噴霧技術、在線混藥技術、自動對靶技術、變量施藥技術、病蟲害監(jiān)測技術等角度出發(fā)，分析了國內外果園施藥關鍵技術的研究進展。從文獻分析可以看出國內外研究人員對各施藥關鍵技術已進行的了大量的試驗和理論研究，并運用虛擬仿真技術進行全因素的數值模擬和分析，研究主要集中在運用控制技術、傳感器技術、圖像處理技術、信息技術和智能識別技術等實現施藥機具的機電液一體化、變量施藥、智能對靶精準施藥、病蟲害監(jiān)測識別和新型機具開發(fā)等，而各關鍵技術的基礎理論和關鍵部件的新結構開發(fā)等方面研究支撐不足。

受國內果園種植規(guī)模和種植模式的影響，國內果園植保機械以中小型為主，同時受果農購買能力的限制，其制造成本被壓縮的較低，先進技術的應用和推廣受到很大約束。其中，農機農藝融合不足，種植模式不統(tǒng)一，通用技術和關鍵部件的創(chuàng)新不足，基礎理論研究與支撐不足，果園農機制造企業(yè)資金不足、技術創(chuàng)新能力較弱等因素是目前制約國內果園施藥技術與機械發(fā)展的主要問題。

進一步做好農機農藝的融合，將機械適用性作為品種選育和栽培管理的重要指標；注重施藥相關技術的基礎理論研究，加強通用技術和關鍵部件的創(chuàng)新設計；推進植保機械關鍵部件制造的專業(yè)化、高精化，實現主要部件的專用化、系列化、標準化。隨著果園施藥機械的發(fā)展，多技術融合和關鍵部件的變量精準控制將是果園施藥技術研究和發(fā)展的趨勢，在實現果園施藥機械化和自動化的前提下，進一步提高精準化、智能化及信息化水平，從而促進水果產業(yè)向綠色、生態(tài)、可持續(xù)方向發(fā)展。