鄭加強(qiáng) 徐幼林

(南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，南京 210037)

0 引言

植物在復(fù)雜多變的生長過程中經(jīng)常會受多種生物脅迫(病蟲草鼠害等)及非生物脅迫(干旱、鹽堿、洪澇等)因素的影響，因此農(nóng)業(yè)發(fā)展史就是與病蟲草鼠害斗爭的歷史。而全球氣候變暖使害蟲繁殖代數(shù)增加，國際間交流密切也使外來生物入侵頻率增加，跨區(qū)機(jī)收促使病蟲害傳播，秸稈還田和免耕種植改善害蟲棲息和越冬場所，連茬種植加重土傳病害，因此中國農(nóng)林病蟲草鼠害發(fā)生面積總體居高不下。PAUL發(fā)現(xiàn)DDT殺蟲劑活性后，植物保護(hù)從天然藥物、無機(jī)合成農(nóng)藥進(jìn)入人工合成有機(jī)農(nóng)藥時(shí)代，對病蟲草鼠害防治起到重大作用。BORLAUG預(yù)言“我們要優(yōu)先考慮的是吃并保持健康，為此必須要有農(nóng)藥。沒有農(nóng)藥，全世界將挨餓！”化學(xué)農(nóng)藥防治已占有80% 的主導(dǎo)地位，但是過分依賴農(nóng)藥導(dǎo)致了“3R”(農(nóng)藥殘留(Residue)、害物再猖獗(Resurgence)和害物抗藥性(Resistance))現(xiàn)象，影響整個(gè)農(nóng)林生態(tài)系統(tǒng)，研究機(jī)構(gòu)開展農(nóng)藥減量及精確施用技術(shù)研究[1]。中國推出了《農(nóng)藥使用量零增長行動方案》，探索農(nóng)藥減量控害且產(chǎn)出高效、產(chǎn)品安全、資源節(jié)約、環(huán)境友好的農(nóng)業(yè)發(fā)展道路，需要研究更多切實(shí)有效的病蟲草害防治方法和植保裝備實(shí)現(xiàn)減量控害，以保證人類生存和環(huán)保的需求。因此本文擬綜述國內(nèi)外農(nóng)藥施用機(jī)械及其關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展，分析環(huán)境友好型農(nóng)藥噴施機(jī)械研究理念與總體思路，并提出相關(guān)研究建議。

1 農(nóng)藥噴霧關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展

近百年來，國內(nèi)外開展了大量的農(nóng)藥噴霧機(jī)械及其關(guān)鍵技術(shù)研究。隨著科技發(fā)展，農(nóng)藥噴霧技術(shù)不斷創(chuàng)新，新裝備不斷涌現(xiàn)，本文對近年來普遍受關(guān)注的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。

1.1 農(nóng)藥霧化技術(shù)及噴頭

霧化理論：農(nóng)藥霧化按噴霧量分為常量、低容量(LV)、超低容量(ULV)；按霧化動力分為毛細(xì)管霧化、液力霧化(扇型霧噴頭、渦流式噴頭等)[2-4]、轉(zhuǎn)盤(轉(zhuǎn)籠、轉(zhuǎn)杯)離心霧化[5-8]、氣動力霧化[9]、超聲波霧化[10]、靜電霧化[7]等及其組合霧化方式[11]。霧化需要克服氣動阻力、粘滯力、液體表面張力、慣性力等及其各種力的相互作用，需要研究農(nóng)藥及助劑物理化學(xué)性質(zhì)、液體霧化的動力、液體霧化所消耗的能量等[9]以及控滴技術(shù)原理[12]。

噴頭霧化性能：噴霧性能研究包括霧滴尺寸及其均勻性、霧流錐角形狀及沉積特性等，也包括噴霧參數(shù)對霧化性能的影響、霧化模型及噴霧模擬仿真以及噴頭磨損規(guī)律的研究，還需要研究霧化試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、測試技術(shù)及可重復(fù)性保障等[3,5,13-20]。

特殊功能噴頭：為了實(shí)現(xiàn)特定噴霧性能需要研究特殊需求的噴頭，研究設(shè)計(jì)特定結(jié)構(gòu)及其流體運(yùn)動動力特性。如低飄移摻氣(AI)噴頭[21]、可變量噴頭[22]、增加流動范圍的旁路噴頭[23]、可控滴轉(zhuǎn)盤噴頭[8]、采用脈沖調(diào)制的間歇流量控制噴頭[24]等?？刹捎媚K化等設(shè)計(jì)方法開發(fā)滿足特定需求的系列化噴頭產(chǎn)品。

1.2 農(nóng)藥直接注入技術(shù)與在線混藥器

噴霧農(nóng)藥在線混合采用水箱和藥箱分設(shè)，在農(nóng)藥施用過程中按需在線混合，如可通過恒定的用水量和變化的用藥量來實(shí)現(xiàn)設(shè)定的農(nóng)藥使用量，達(dá)到藥、水、人分離，達(dá)到安全、可靠、高效地使用農(nóng)藥，解決傳統(tǒng)農(nóng)藥與水預(yù)先混合后直接噴施所造成的剩余藥液的處理，或配比過程中過量使用農(nóng)藥的問題，以減少和消除殘留農(nóng)藥對環(huán)境的污染[25-28]。

(1)不同農(nóng)藥注入方式

為實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥在線與水或油混合，可采取計(jì)量泵控制、射流(旋動射流)、閥控噴嘴直接注入、帶緩沖罐預(yù)混式在線注入系統(tǒng)等不同注入混合方式[29-36]；為提高農(nóng)藥混合均勻性和混藥響應(yīng)時(shí)間，將高壓注入混藥系統(tǒng)與自動可變量噴頭相結(jié)合[36]。為避免藥液在混藥系統(tǒng)管路中的殘留，保證系統(tǒng)可重復(fù)利用并增強(qiáng)藥水混合均勻性，發(fā)現(xiàn)在噴頭前加入螺旋狀在線混合裝置提高可清潔性，同時(shí)試驗(yàn)表明采用脈沖水-空氣流沖洗比連續(xù)沖洗方法更節(jié)水[37]。

(2)不同劑型農(nóng)藥的混合

農(nóng)藥有水溶性和脂溶性之分，水溶性農(nóng)藥可以與水充分溶解混合，而脂溶性農(nóng)藥和助劑加水稀釋攪拌后，以極小的油珠均勻分散在水中形成相對穩(wěn)定的乳濁液，或以平均粒徑2～3μm分散顆粒與水混合形成有明顯分層現(xiàn)象的懸浮劑[38]。國內(nèi)外開展了大量的水溶性農(nóng)藥在線混合研究[39-41]；鑒于脂溶性農(nóng)藥的特殊性，設(shè)計(jì)旋動射流混藥器，發(fā)揮旋動射流的卷吸能力和摻混作用來提高脂溶性農(nóng)藥的混合均勻性[42]。

(3)混合性能測試

混合均勻性及穩(wěn)定性檢測是在線混藥的關(guān)鍵指標(biāo)，可采用熒光分析和高速攝影技術(shù)檢測混合濃度均勻性和動態(tài)濃度一致性等以及進(jìn)行影響因素分析[43-47]。

1.3 可變量控制技術(shù)

由于農(nóng)田中各小田塊的含水率、有機(jī)物含量等各不相同，需要適時(shí)依據(jù)其變量信息，對每一小田塊進(jìn)行可變量精確施肥施藥等，也就是要采用可變量技術(shù)(VRT)，其核心是實(shí)現(xiàn)對噴霧目標(biāo)按需施藥的可變量噴霧控制系統(tǒng)[48-49]。

可變量控制系統(tǒng)：計(jì)算機(jī)控制器接收來自地理信息系統(tǒng)、田間定位系統(tǒng)、實(shí)時(shí)傳感器等信息，控制可變量施用設(shè)備調(diào)節(jié)施用量，通過流量控制系統(tǒng)控制總流量，流量傳感器檢測實(shí)際流量并將此信息傳送給計(jì)算機(jī)控制噴霧系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)微調(diào)[48-50]。

施藥量調(diào)節(jié)模型：根據(jù)特定需求，可通過施藥量調(diào)節(jié)模型檢驗(yàn)合理施藥量與沉積量關(guān)系等[51-54]；為提高噴霧機(jī)施藥量的精準(zhǔn)性，建立回歸方程預(yù)測和控制脈寬調(diào)制(PWM)電磁閥占空比和工作噴頭總流量，研究變量控制系統(tǒng)響應(yīng)特性和建模仿真等[54-60]。

1.4 仿形噴霧技術(shù)與仿形機(jī)構(gòu)

仿形對靶噴霧技術(shù)是根據(jù)傳感器探測獲得的果樹、行道樹和園林景觀樹以及籬架型植物等靶標(biāo)冠層形貌信息[61]，自動調(diào)節(jié)噴霧機(jī)相關(guān)機(jī)構(gòu)到達(dá)理想噴霧距離進(jìn)行仿形對靶噴霧作業(yè)，以提高霧滴在靶標(biāo)冠層分布的均勻性和農(nóng)藥施用效率[62-65]。

仿形機(jī)構(gòu)及仿形噴霧模型：仿形噴霧機(jī)構(gòu)主要有倒U型、雙搖臂和變噴桿等，為更好地分析仿形噴霧作業(yè)，通過仿形噴霧模擬試驗(yàn)、虛擬仿真及噴霧模型等研究，確定仿形變量噴霧關(guān)鍵參數(shù)與霧化特性及仿形對靶的關(guān)系等[62-63]。

仿形噴霧系統(tǒng)及關(guān)鍵參數(shù)：根據(jù)靶標(biāo)形貌特征，建立仿形控制噴霧系統(tǒng)，優(yōu)化研究冠層梯度、噴頭安裝控制、噴霧方向與輔助風(fēng)速、噴霧壓力與流量調(diào)節(jié)等關(guān)鍵參數(shù)[62-65]。

1.5 霧滴飄移控制技術(shù)與霧滴沉降沉積行為分析

霧滴飄移是農(nóng)藥使用過程中通過空氣向非預(yù)定目標(biāo)運(yùn)動的現(xiàn)象，包括飛行飄移和蒸發(fā)飄移，飄移會造成環(huán)境污染、農(nóng)藥流失、農(nóng)藥有效利用率降低[66-68]，飛行飄移包括非靶標(biāo)(non-target)飄移和田塊外(off-field)飄移，非靶標(biāo)飄移會污染田塊、水源和空氣等，田塊外飄移甚至?xí)＜叭祟惥幼〉?、蜜蜂養(yǎng)殖等，因此需要研究飄移控制與沉積行為。

霧滴運(yùn)動行為研究：霧滴運(yùn)動行為直接影響霧滴飄移性能及沉積分布，要減少霧滴脫靶的可能性[62,65-73]，通?？刹捎肅FD模擬進(jìn)行飄移控制研究[73-75]。AGDISP是基于拉格朗日的霧滴跟蹤算法的噴霧模型，可輸入噴霧機(jī)信息、噴桿噴嘴位置、霧滴尺寸分布、噴霧液體特性、噴霧高度和氣象學(xué)等參數(shù)，更新版包括霧滴蒸發(fā)模型、霧滴沉降時(shí)間步長算法、光學(xué)冠層模型、順風(fēng)20km遠(yuǎn)場高斯模型、跟蹤揮發(fā)性活性噴霧液體的歐拉模型等[76]。

霧滴與靶標(biāo)：噴霧助劑、霧滴大小、靶標(biāo)植物葉片物理特性是影響藥液沉積性能的重要變量，需要關(guān)注農(nóng)藥霧滴在靶標(biāo)植物葉面的撞擊(正向撞擊、斜撞擊)、彈跳、浸潤、持留、蒸發(fā)等行為及調(diào)控技術(shù)[77-93]。

飄移控制方法與測試：噴頭類型、氣流、噴霧方向等噴霧參數(shù)以及氣象條件等對霧滴飄移影響顯著[94-95]，常采用風(fēng)洞和相關(guān)測試平臺對霧滴飄移進(jìn)行測量和評價(jià)[96-98]，也有采用穩(wěn)態(tài)和瞬時(shí)測量技術(shù)測量二維目標(biāo)區(qū)域的霧滴覆蓋[99]，或采用白色塑料板、尼龍網(wǎng)、不銹鋼網(wǎng)作為噴霧沉積采集器通過高速成像系統(tǒng)判斷霧滴穿透率和回收率等[100]。

1.6 靜電噴霧技術(shù)與霧滴充電方法

農(nóng)藥靜電噴霧技術(shù)研究荷電霧滴向植物靶標(biāo)運(yùn)行過程及其電場梯度、空間電荷分布、霧滴尺寸和運(yùn)行速度、噴霧機(jī)動力學(xué)、氣候條件、植物物理特性等對霧滴充電效果及靜電噴霧沉降性能的影響[7,101-103]。

霧滴充電技術(shù)：充電技術(shù)是實(shí)現(xiàn)靜電噴霧性能的重要環(huán)節(jié)，包括電暈充電、感應(yīng)充電和接觸充電及其各種組合充電方式，需要結(jié)合不同的噴頭類型和噴霧形態(tài)，實(shí)現(xiàn)必要的霧滴荷電量和形成良好的誘導(dǎo)電場[101-105]；也可嘗試其他充電技術(shù)，如等離子體脈沖荷電噴霧技術(shù)，即窄脈沖電暈放電產(chǎn)生的高能電子能使氣體電離成正、負(fù)離子，當(dāng)藥液霧化形成的霧滴通過電離區(qū)與離子碰撞時(shí)，電荷便傳給霧滴使其荷電[106]。

靜電噴霧性能測試：靜電噴霧性能包括霧滴尺寸分布、流場狀態(tài)、荷質(zhì)比等，需建立模型和試驗(yàn)設(shè)施研究流場狀態(tài)、電荷衰減規(guī)律等[107-109]；荷質(zhì)比決定荷電霧滴沉積，采用模擬目標(biāo)、網(wǎng)狀目標(biāo)、法拉第筒法測試，瑞利極限可以反映霧滴最大荷電量信息[109]。

1.7 智能對靶噴霧集成技術(shù)與多功能底盤系統(tǒng)

智能對靶噴霧是通過傳感(超聲波、紅外、機(jī)器視覺等)和衛(wèi)星定位技術(shù)獲取靶標(biāo)的分布范圍、危害程度和確切位置等特征信息，實(shí)時(shí)測知工作對象所需工作的質(zhì)、量和時(shí)機(jī)等數(shù)據(jù)，形成處方圖控制可變量噴頭(包括電磁閥和噴頭等)以優(yōu)化的農(nóng)藥劑量，精確噴灑于靶標(biāo)，減少甚至杜絕非靶標(biāo)農(nóng)藥流失與飄移[110-111]。

智能對靶噴霧集成技術(shù)：圍繞智能對靶噴霧技術(shù)建設(shè)農(nóng)藥自動精確施用系統(tǒng)試驗(yàn)臺，分析影響植物生長的環(huán)境存在的時(shí)空差異性、病蟲草害種群數(shù)量隨時(shí)間和空間的演變過程以及病蟲草害種群與自然環(huán)境因子之間的相互作用，集成知識庫(病蟲草害歷史情況和植保專家研究與生產(chǎn)實(shí)踐知識等)、數(shù)據(jù)庫(植保機(jī)械專題數(shù)據(jù)庫及其實(shí)時(shí)使用數(shù)據(jù)、GIS時(shí)空數(shù)據(jù)、農(nóng)藥使用屬性數(shù)據(jù)等)、農(nóng)藥使用技術(shù)專家系統(tǒng)ES、決策支持系統(tǒng)DSS和各類處理算法等，結(jié)合噴霧靶標(biāo)特征和病蟲害防治目標(biāo)閾值，采用知識規(guī)則對事實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行推理，集成建立對靶噴霧智能決策支持系統(tǒng)IDSS，分析智能噴霧系統(tǒng)施藥過程中的霧滴運(yùn)動模擬、靶標(biāo)圖像采集、圖像分割、施藥決策、數(shù)據(jù)交換等，分析控制策略，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，控制可變量噴頭實(shí)現(xiàn)特定區(qū)域的農(nóng)藥精確對靶施用[55,110-113]。

多功能柔性底盤系統(tǒng)：為滿足農(nóng)林作物不同生長環(huán)境地形的復(fù)雜性，以及適應(yīng)不同作物不同生長階段植保作業(yè)時(shí)作物狀態(tài)的多變性，要求智能對靶噴霧機(jī)的底盤具備良好的越野通過性、操縱性、乘坐舒適性和行駛平順性，對底盤高度調(diào)節(jié)，輪距調(diào)整，不同規(guī)格的藥箱、泵、噴桿的安裝要求等都會對底盤的柔性提出更高的要求，因此要開展多功能智能化柔性底盤系統(tǒng)研究，包括底盤動力系統(tǒng)、柔性底盤控制、導(dǎo)航系統(tǒng)、定位與軌跡優(yōu)化等[114-116]。

2 典型地面植保機(jī)械研究進(jìn)展

2.1 防飄移噴霧機(jī)

防飄移噴霧機(jī)包括風(fēng)幕式防飄噴霧機(jī)、罩蓋式防飄噴霧機(jī)、隧道式噴霧機(jī)、循環(huán)噴霧機(jī)、靜電噴霧機(jī)、固定式農(nóng)藥冠層輸運(yùn)系統(tǒng)等典型機(jī)具，也有研究專用防飄移噴頭[21]。

風(fēng)幕式防飄噴霧機(jī)：風(fēng)幕式防飄噴霧機(jī)通常是在噴桿噴霧機(jī)噴桿上增加風(fēng)機(jī)和風(fēng)筒，噴霧作業(yè)時(shí)在噴頭上方沿噴霧方向強(qiáng)制送風(fēng)形成風(fēng)幕，增大霧滴穿透力，減小飄移[117-118]。

罩蓋式防飄噴霧機(jī)：罩蓋式防飄噴霧機(jī)可以通過圓弧結(jié)構(gòu)罩蓋的導(dǎo)流作用改變霧流周圍的空氣流場,使霧滴在短時(shí)間內(nèi)沉積在靶標(biāo)而達(dá)到防飄目的[119]。

隧道式噴霧機(jī)：隧道式噴霧機(jī)采用兩組相對的風(fēng)機(jī)形成隧道式噴霧模式來提高靶標(biāo)上的霧滴沉積[120-121]。

循環(huán)噴霧機(jī)：循環(huán)噴霧機(jī)設(shè)藥液霧滴回收裝置，噴霧時(shí)霧流橫向穿過靶標(biāo)冠層，未被冠層附著的霧滴進(jìn)入回收裝置，過濾后返回藥液箱，提高農(nóng)藥有效利用和減小飄移[121]。

靜電噴霧機(jī)：靜電噴霧機(jī)通過高壓靜電發(fā)生器使從噴頭噴出的霧滴帶電，荷電霧滴在電場力和其他外力作用下向靶標(biāo)運(yùn)行，促進(jìn)霧滴在靶標(biāo)(特別是靶標(biāo)背面)沉積[101-122]。

固定式冠層農(nóng)藥輸運(yùn)系統(tǒng)：固定式冠層農(nóng)藥輸運(yùn)系統(tǒng)(SSCDS)由一系列微噴頭組成并固定分布于整個(gè)高密度果園，圖1顯示微噴頭在果園的不同安裝位置(冠頂、樹間、樹間斜下噴、樹間斜上噴)[123]。圖2為工作框圖[124]，混合藥液從藥箱1在公共泵站2產(chǎn)生的小于240 kPa壓力作用下，經(jīng)過閥3而充滿整個(gè)輸運(yùn)管路4，多余藥液經(jīng)管路5通過回流閥7與管路6返回藥箱10；當(dāng)關(guān)閉回流閥7時(shí)，泵壓增至415 kPa，微噴頭8間隔10 s進(jìn)行噴灑；打開回流閥7，在氣泵9作用下，輸運(yùn)管路剩余藥液由管路5經(jīng)過管路6回到藥箱10，從而實(shí)現(xiàn)自動化而快速精確施用農(nóng)藥，最大限度減少農(nóng)藥飄移，避免操作人員接觸農(nóng)藥以及解決作業(yè)機(jī)械造成果樹損壞和土壤壓實(shí)等問題。

2.2 仿形噴霧機(jī)

仿形噴霧機(jī)通過紅外線、超聲波、圖像和LiDar等仿形目標(biāo)探測方法與技術(shù)獲取靶標(biāo)植物冠層特征信息，自動調(diào)節(jié)仿形機(jī)構(gòu)到達(dá)實(shí)時(shí)處理得到的噴霧距離時(shí)，對靶標(biāo)冠層按需變量噴施農(nóng)藥，提高霧滴在靶標(biāo)植物冠層分布的均勻性和農(nóng)藥施用效率，國內(nèi)主要開展了果園和茶園等仿形噴霧機(jī)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究[62,125]。

2.3 噴桿噴霧機(jī)

噴桿噴霧機(jī)包括牽引式、自走式和懸掛式，其中自走式噴桿噴霧機(jī)是一種將噴頭裝在橫向噴桿或豎立噴桿上，自身可以提供驅(qū)動動力與行走動力，不需要其它動力提供就能完成自身工作的一種植保機(jī)械，如中小型自走式噴桿噴霧機(jī)、大型自走式噴桿噴霧機(jī)及遙控自走式噴桿噴霧機(jī)等，以及滑板攪索式水田寬幅噴桿噴霧機(jī)、可調(diào)地隙與輪距的高地隙自走式噴桿噴霧機(jī)等,需要研究減振控制、輔助駕駛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)[126-128]。

2.4 雜草防除機(jī)械

除了雜草在種子萌發(fā)及萌芽期采用土壤處理劑及土表施藥外，雜草營養(yǎng)生長后期主要采用葉面噴施除草劑?；瘜W(xué)除草劑選擇性強(qiáng)，要求除去雜草而不傷害作物。為了提高雜草防除效率和減小環(huán)境污染，通過雜草靶標(biāo)識別信息和其他信息，采用雜草定點(diǎn)防除機(jī)械，分別對各單個(gè)噴頭的噴量通過噴霧閥進(jìn)行控制[129]。精確側(cè)向噴霧系統(tǒng)應(yīng)用機(jī)器視覺系統(tǒng)和快速響應(yīng)間歇噴霧系統(tǒng)，在離噴霧機(jī)外側(cè)一定位置，通過圖像采集處理和位移觸發(fā)控制，控制噴桿上每一噴頭噴出霧滴的運(yùn)行，向有雜草危害區(qū)域噴霧[130]。有研究采用切割雜草涂抹技術(shù)[131]。

2.5 果園噴霧機(jī)

對于較大面積果園，通常采用風(fēng)送噴霧機(jī)，高速氣流有助于霧滴翻動葉片并穿透果樹冠層而輸送至果樹各部位。果園噴霧機(jī)通常有懸掛式、牽引式和自走式。當(dāng)前開展了大量自走式定向精確對靶果園噴霧機(jī)研究以及關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)試驗(yàn)研究等[132-133]。

2.6 智能噴霧機(jī)及噴霧機(jī)器人

智能噴霧機(jī)通過傳感器識別靶標(biāo)特征，制定噴霧決策，進(jìn)行對靶施藥、變量或按需施藥，避免無效噴霧，實(shí)現(xiàn)減少農(nóng)藥用量、最佳病蟲草害防治效果和降低環(huán)境污染的目的，如基于視覺傳感器對靶標(biāo)植物實(shí)施精量噴霧系統(tǒng)等[134-139]，和基于噴霧距離和葉面積密度的果園智能農(nóng)藥精確噴霧模型，調(diào)整最佳噴霧距離和劑量提高施藥效率[137-139]。為了使智能噴霧機(jī)能通過軟/硬件模塊的重構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)適應(yīng)不同作業(yè)環(huán)境與對象的精準(zhǔn)變量施藥作業(yè)，形成適于智能噴霧機(jī)可重構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)的P-BfP設(shè)計(jì)方法[140]。隨著傳感器、機(jī)器人和人工智能等技術(shù)的發(fā)展，噴霧機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生[131,141-142]，根據(jù)車輛速度和施藥量要求計(jì)算壓力設(shè)定值，獲取植物生長狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)壓力魯棒控制，反饋調(diào)節(jié)控制噴霧壓力[142]。

3 典型航空植保機(jī)械研究進(jìn)展

農(nóng)業(yè)航空施藥應(yīng)對突發(fā)性病蟲害能力強(qiáng)、作業(yè)效率高、單位面積施藥量少、不留車轍印、作業(yè)成本低，1911年德國研究用飛機(jī)噴灑農(nóng)藥控制森林蟲害，1949年美國研制農(nóng)用固定翼飛機(jī)，1987年日本研制農(nóng)用無人直升機(jī)。中國于20世紀(jì)中葉開展航空噴霧研究，開展了直升機(jī)、航空靜電噴霧技術(shù)等研究，至21世紀(jì)開發(fā)植保無人機(jī)，截至到2018年底，中國300多家植保無人機(jī)生產(chǎn)企業(yè)，已生產(chǎn)253種3.15萬架各類植保無人機(jī)。同時(shí)研究精確和安全施藥的航空噴頭及飄移控制、可變量控制、優(yōu)化噴霧模型以及配合各種應(yīng)用技術(shù)[143-145]，本文重點(diǎn)綜述植保無人機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r。

3.1 植保無人機(jī)分類及特點(diǎn)

無人機(jī)UAV是利用無線遙控設(shè)備和程序控制裝置的不載人飛機(jī)。按照結(jié)構(gòu)不同，無人機(jī)可以分為固定翼無人機(jī)、無人直升機(jī)和多旋翼無人機(jī)等。目前植保無人機(jī)發(fā)展了包括油動單旋翼和電動單旋翼、四旋翼、六旋翼、八旋翼植保無人機(jī)等。

植保無人機(jī)在一定程度上具有較多的優(yōu)點(diǎn)[146-169]，總體歸納包括：①機(jī)動靈活性好，平臺構(gòu)建容易，速度調(diào)節(jié)快速方便，無需專用起降機(jī)場，可遠(yuǎn)程操控，安全便捷，機(jī)動性好，如常規(guī)固定翼無人機(jī)系統(tǒng)為穩(wěn)定系統(tǒng)，同時(shí)具有完整的驅(qū)動系統(tǒng)，飛行速度快。②復(fù)雜地形適應(yīng)性好，不受泥濘田地等限制，適應(yīng)性強(qiáng)，如常規(guī)無人直升機(jī)具有完整的驅(qū)動系統(tǒng)，可原地垂直起升、懸停。③作業(yè)效率高，低空低量噴霧的旋翼植保無人機(jī)作業(yè)效率高，場地要求低，飛行高度低，如單旋翼無人機(jī)的風(fēng)場穩(wěn)定，無翼間氣流干擾且霧滴下壓效果好，同時(shí)翻葉可部分提高霧滴冠層穿透性。④對非防治目標(biāo)損傷小，可避免對非防治目標(biāo)的物理損傷和減少農(nóng)田土壤破壞，可空中懸停，一定程度上可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)噴灑，作業(yè)質(zhì)量高。⑤應(yīng)變能力好，體積小，質(zhì)量輕，應(yīng)付突發(fā)災(zāi)害能力強(qiáng)，如多旋翼無人機(jī)的動力學(xué)模型和結(jié)構(gòu)相對簡單，對起降場地要求不高，轉(zhuǎn)場防治容易，操縱簡單。

但不可忽視的是植保無人機(jī)及其性能仍存在不足和不確定性[146-169]，需要進(jìn)一步完善，如：①綜合噴霧性能不足，對大型或枝繁葉茂植物的冠層，霧滴穿透性差、施藥霧滴分布不均勻等，飛行高度較大時(shí)采用低容量細(xì)小霧滴噴霧，對靶性不足，飄移風(fēng)險(xiǎn)極高，農(nóng)藥飄移產(chǎn)生次生災(zāi)害，過量使用致環(huán)境污染、施藥糾紛頻發(fā)。②續(xù)航時(shí)間短，多旋翼控制系統(tǒng)難設(shè)計(jì)，氣動效率低，飛行時(shí)間短，電池續(xù)航時(shí)間短。③有效載重量小，攜藥量較低。④需要專業(yè)操作人員，雖然單旋翼無人機(jī)操縱簡單易學(xué)習(xí)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜維護(hù)不方便，而多旋翼無人機(jī)的操作系統(tǒng)需要較高的操作技巧，噴霧準(zhǔn)確性不高，還有飛行安全事故隱患。⑤飛行穩(wěn)定性不足，低空低速飛行時(shí)作業(yè)不夠穩(wěn)定，無法適應(yīng)田間高溫、頻繁起降要求，不容易穩(wěn)定操控而影響防治效果。⑥產(chǎn)業(yè)鏈不夠完善，航空作業(yè)法律法規(guī)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的完善性、霧化部件性能低等自身產(chǎn)品質(zhì)量、農(nóng)藥有效利用率、飛行安全監(jiān)管等方面仍存在諸多問題，無人機(jī)制造、租賃、培訓(xùn)等配套尚處起步階段，制約著植保無人機(jī)的推廣。

3.2 植保無人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)

3.3 植保無人機(jī)性能和防治效果測試

植保無人機(jī)噴霧參數(shù)是影響霧滴飄移和沉積效果的重要指標(biāo)，主要包括最佳作業(yè)高度和作業(yè)速度范圍。為克服田間試驗(yàn)的隨機(jī)性、不可重復(fù)性、片面性，可建立噴霧綜合實(shí)驗(yàn)臺，測試無人機(jī)在不同旋翼轉(zhuǎn)速、飛行高度、噴頭參數(shù)情況下的霧滴粒徑及沉積分布等[157-158]，利用風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)施分析懸停無人機(jī)變量噴藥的霧滴沉積規(guī)律[159]，采用手持式三維激光掃描儀和CFD模擬研究確定最佳作業(yè)參數(shù)以減少霧滴飄移[160]，以及進(jìn)行實(shí)際田間飄移測試[161]等；國內(nèi)外開展了大量的靶標(biāo)形狀[162]、飛行參數(shù)(飛行高度、飛行速度)[163-164]與噴霧參數(shù)[165-166]、旋翼機(jī)下洗流場對霧滴飄移與冠層沉積分布的影響[154,167]測試研究。融合CHARM和AGDISP的算法研究跟蹤旋翼無人機(jī)噴霧飄移和沉積預(yù)測[168]；研究植保無人機(jī)施藥霧滴空間質(zhì)量平衡測試方法，采用霧滴質(zhì)量平衡收集裝置、北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)和多通道微氣象測量系統(tǒng)聯(lián)用，對國內(nèi)典型植保無人機(jī)沉積和飄移特性進(jìn)行評估[169]。

4 創(chuàng)新研究思路與展望

4.1 環(huán)境友好型植保機(jī)械研究理念與總體思路

本文結(jié)合國內(nèi)外植保機(jī)械發(fā)展?fàn)顩r及問題分析，提出未來植保機(jī)械應(yīng)創(chuàng)新融合人、藥、械、技，秉承“綠色環(huán)保、精確高效”的研究思路。

綠色環(huán)保理念：植保作業(yè)的綠色環(huán)保包括環(huán)境最友好、操作最安全、產(chǎn)品最優(yōu)質(zhì)等植物保護(hù)系統(tǒng)發(fā)展思想。①持續(xù)開展融合物理防治、農(nóng)藝措施、低毒無毒及生物農(nóng)藥、飄移控制、農(nóng)藥殘留檢測與降解、農(nóng)藥全壽命周期管理等環(huán)境最友好植保技術(shù)研究，監(jiān)測評估有害生物及潛在危害，將IPM(Integrated pest management)各種策略組合成最適合特定需求的行動計(jì)劃。②進(jìn)一步研究在線混藥、遙控自動、植保無人車平臺、無線物聯(lián)智能植保系統(tǒng)等操作最安全的植保技術(shù)，在農(nóng)藥施用前、中、后期用最少人工介入準(zhǔn)確操控農(nóng)藥施用全過程。③采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法以及智能制造技術(shù)等研發(fā)產(chǎn)品最優(yōu)質(zhì)的植保機(jī)械。

精確高效理念：精確高效理念包括防治理性化、使用精確化、浪費(fèi)最小化、效率最大化等。①防治理性化要考慮生態(tài)平衡的主動干預(yù)和防治閾期的被動防治，根據(jù)生物鏈逐步開發(fā)不同的生物調(diào)節(jié)劑來影響、調(diào)節(jié)和改變有害生物體的生長，提高利于植物生長發(fā)育的機(jī)能，如提高對病害免疫能力等的農(nóng)作物自主滅蟲法。②使用精確化的核心是綜合運(yùn)用傳感、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，真正做到按需處方對靶施藥噴霧作業(yè)；進(jìn)一步改進(jìn)如靜電噴霧、對靶噴霧、涂抹、注射、藥包定向投射等有助于農(nóng)藥高效使用的技術(shù)；研究對生物或非生物脅迫敏感的智能納米生物材料對靶標(biāo)進(jìn)行修飾，然后根據(jù)生物信息變化精確控制靶標(biāo)施藥的技術(shù)。③浪費(fèi)最小化包括設(shè)計(jì)農(nóng)藥閉環(huán)使用系統(tǒng)和開發(fā)霧滴回收系統(tǒng)等。④效率最大化的主要措施有航空施藥、大型專用植保機(jī)械和多功能集成技術(shù)等。

4.2 環(huán)境友好型農(nóng)藥噴霧機(jī)械發(fā)展建議

4.2.1植保機(jī)器人與專用植保機(jī)械研發(fā)

探索開發(fā)能替代人類不愿干、不能干、干不好的植保機(jī)器人和專用植保機(jī)械。

氣溶膠是由固體或液體小質(zhì)點(diǎn)分散并懸浮在氣體介質(zhì)中形成的膠體分散體系。氣溶膠通過吸收和散射太陽輻射以及地球的長波輻射影響著地球—大氣系統(tǒng)的輻射收支，它作為凝結(jié)核參與云的形成，從而對局地、區(qū)域乃至全球的氣候有重要的影響[1]。盡管其在大氣中的含量很低，但氣溶膠和云對氣候變化的影響還是很大的。對大氣氣溶膠進(jìn)行探測使用的技術(shù)為Mie散射相關(guān)探測技術(shù)，應(yīng)用該技術(shù)的激光探測雷達(dá)稱為Mie散射激光雷達(dá)[4]。

(1)植保機(jī)器人及其陣列研究

集成傳感器和高速物聯(lián)網(wǎng)、云存儲等，開發(fā)地面無人駕駛噴霧機(jī)器人，使之成為互聯(lián)網(wǎng)的終端和結(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對外部相關(guān)信息(如靶標(biāo)信息、環(huán)境信息等)的實(shí)時(shí)反饋；配備類似人眼、耳、鼻、觸覺的靶標(biāo)及環(huán)境因子傳感設(shè)備，研究手腳并控型多足多臂專用植保機(jī)器人；采用AI幫助基于語言理解的植保機(jī)器人處理非規(guī)則、非連續(xù)性信息，使會學(xué)習(xí)、可交互的植保機(jī)器人能處理復(fù)雜繁瑣的植保作業(yè)；研究面向植保機(jī)械多機(jī)協(xié)同作業(yè)的植保機(jī)器人陣列，即由一系列小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)化機(jī)器人陣列組成更大的田間植物保護(hù)系統(tǒng)，分別檢測、控制田塊中各類病蟲草害。

(2)專用植保機(jī)械研究

研制符合國情的專用植保機(jī)械，如高性能防飄移噴霧機(jī)械及輔助裝備、智能化自走式噴桿噴霧機(jī)、密閉空間煙霧機(jī)、遠(yuǎn)程遙控或在駕駛室可控制所有作業(yè)操作程序的全自動無人介入植保系統(tǒng)等；融合植物表型進(jìn)行植物定制，實(shí)現(xiàn)半自主(需人工干預(yù))智能植保機(jī)械、全自主(無人干預(yù))智能植保機(jī)械。

4.2.2航空施藥機(jī)具與植保無人機(jī)研究

基于農(nóng)林航空噴霧在高效和應(yīng)對爆發(fā)性農(nóng)林病蟲害的必要性，發(fā)展適合中國國情的航空噴霧裝備，同時(shí)針對植保無人機(jī)在農(nóng)林應(yīng)用的優(yōu)勢以及存在的問題，在推廣應(yīng)用精準(zhǔn)導(dǎo)航、主動避障、定量施藥基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展專用無人機(jī)及機(jī)群系統(tǒng)、關(guān)鍵施藥裝備及專用藥劑等研究。

(1)無人機(jī)作業(yè)環(huán)境與靶標(biāo)研究

針對無人機(jī)在高度、對靶、飄移、反應(yīng)時(shí)間存在的問題，研究包括光學(xué)吊艙、遙感平臺、遙感影像處理、病蟲害識別模型的內(nèi)置靶標(biāo)識別裝置；分析施藥時(shí)細(xì)霧滴運(yùn)動規(guī)律與作物冠層內(nèi)外氣象因子的相關(guān)性，研究霧滴飄移模型及高效防飄噴霧技術(shù)；研究包含超聲波、雙目立體視覺系統(tǒng)、TOF技術(shù)、三維地形圖導(dǎo)航等及其組合的智能避障系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)自主飛行與避障仿形精確噴霧。

(2)植保無人機(jī)關(guān)鍵部件研究

通過多傳感器靶標(biāo)感知與定位融合冠層相對高度測量、路徑規(guī)劃導(dǎo)航、綜合作業(yè)處方圖、飛行控制、多參量(相對高度、飛行速度、姿態(tài)信息)驅(qū)動，研究旋翼下洗風(fēng)場下霧滴運(yùn)動規(guī)律，實(shí)施航空精準(zhǔn)施藥處方變量噴霧控制、有效沉積控制等；研究植保無人機(jī)靶標(biāo)偵測、姿態(tài)控制、隨速變量和噴頭定向等，實(shí)現(xiàn)超低空穩(wěn)定仿形飛行以縮小噴頭與靶標(biāo)的距離，開展高速植保作業(yè)試驗(yàn)，研究航空靜電施藥技術(shù)，減小霧滴飄移。

(3)專用植保無人機(jī)及其相關(guān)技術(shù)研究

研究適于不同地區(qū)和滿足不同植物病蟲草害防治要求的無人機(jī)航空植保專用制劑、無人機(jī)專用噴頭、低空低量航空施藥裝備、各種專用輕型飛行器系列與其相結(jié)合的高效航空施藥系統(tǒng)。

(4)自主植保無人機(jī)群系統(tǒng)設(shè)計(jì)

研究實(shí)施具備自主靶標(biāo)識別、跟蹤定位與對靶噴霧作業(yè)、斷點(diǎn)續(xù)噴、自動返航能力的無人機(jī)，集成設(shè)備、飛行數(shù)據(jù)、植保等信息，設(shè)計(jì)零人工干預(yù)和長續(xù)航時(shí)間的植保無人機(jī)系統(tǒng)，并研究無人機(jī)多機(jī)協(xié)同自主作業(yè)集群系統(tǒng)。

4.2.3智能物聯(lián)農(nóng)藥噴霧系統(tǒng)研究

依托物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，通過傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[61]實(shí)現(xiàn)靶標(biāo)傳感、植保機(jī)械及其環(huán)境信息形成智能驅(qū)動物聯(lián)無人植保系統(tǒng)，準(zhǔn)確預(yù)測植物冠層大小、形狀和密度、脅迫因子及病蟲草害發(fā)生遷移情況等，確定精確的噴霧時(shí)機(jī)以控制病蟲草害。圖3所示為智能物聯(lián)農(nóng)藥噴霧系統(tǒng)框圖。

(1)病蟲草害靶標(biāo)智能監(jiān)測識別與防治預(yù)警系統(tǒng)

通過衛(wèi)星遙感、無人機(jī)、地面生物與非生物傳感器等立體化感知獲取各類信息，融合監(jiān)測數(shù)據(jù)和氣候條件、植物品種特性、植物生長過程信息、土壤信息及病蟲害防治歷史數(shù)據(jù)等，大數(shù)據(jù)分析確定精確植保作業(yè)處方圖；架構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)病蟲草害預(yù)警網(wǎng)絡(luò)直報(bào)系統(tǒng)平臺，預(yù)測與預(yù)警入侵生物、遷飛害蟲，增強(qiáng)病蟲草害檢測預(yù)警時(shí)效性及早期監(jiān)測預(yù)警能力；通過即時(shí)分析計(jì)算，超出天敵防治范圍或危害閾值，開啟病蟲草害適時(shí)防治作業(yè)，落實(shí)應(yīng)急反應(yīng)，聯(lián)防聯(lián)控。

(2)無線物聯(lián)智能植保信息傳輸系統(tǒng)

值5G商用、6G(峰值速率、時(shí)延、連接數(shù)密度、移動性、定位能力等遠(yuǎn)優(yōu)于5G)研發(fā)之機(jī)，研制無線物聯(lián)智能移動終端，實(shí)現(xiàn)智能植保機(jī)械海量數(shù)據(jù)傳輸和互聯(lián)網(wǎng)共享控制；為實(shí)現(xiàn)植物病蟲草害智能診斷、預(yù)警以及智能化無人植保作業(yè)等功能，運(yùn)用5G/6G技術(shù)，通過傳感網(wǎng)絡(luò)形成防治區(qū)域、自然環(huán)境、靶標(biāo)生長、病蟲害防治等大數(shù)據(jù)群，將各種植保機(jī)械組成作業(yè)機(jī)具網(wǎng)以及中國北斗衛(wèi)星“天網(wǎng)”(也可結(jié)合“星鏈計(jì)劃”)，引入空天海地一體化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過天網(wǎng)與地網(wǎng)融合形成智能植保信息傳輸系統(tǒng)，無死角地實(shí)現(xiàn)智能植保信息采集傳輸。

(3)立體智能協(xié)同農(nóng)藥噴霧系統(tǒng)

集成大數(shù)據(jù)智能、移動互聯(lián)、云計(jì)算等技術(shù)充實(shí)智能植保機(jī)械的智慧大腦，研究基于云/霧/邊緣計(jì)算和感知計(jì)算、群體智能、邊緣智能和人機(jī)混合智能的地面與航空植保裝備多機(jī)協(xié)同決策控制，研制適應(yīng)復(fù)雜地形和不同植物冠層特征的柔性底盤系統(tǒng)，完成作業(yè)路徑分時(shí)或跟隨施藥，實(shí)現(xiàn)對靶標(biāo)冠層中下部與中上部施藥互補(bǔ)，利用專家群體智能接受事故教訓(xùn)的負(fù)學(xué)習(xí)能力，解決作業(yè)精度要求高、作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、安全風(fēng)險(xiǎn)防控難的問題，形成立體智能協(xié)同農(nóng)藥噴霧系統(tǒng)，更進(jìn)一步可與綜合防治系統(tǒng)深度融合形成泛系智能植保機(jī)械系統(tǒng)。

4.2.4植保機(jī)械關(guān)鍵技術(shù)研究

綜上，為滿足越來越高的環(huán)保要求，分析農(nóng)藥噴施機(jī)械的技術(shù)特性、適用性和推廣應(yīng)用程度，提出農(nóng)藥噴霧關(guān)鍵技術(shù)的研究方向?yàn)槲⒘?、精?zhǔn)、精確、智能，見表1。其中，噴頭及農(nóng)藥輸運(yùn)系統(tǒng)和噴霧機(jī)載運(yùn)平臺是決定農(nóng)藥噴霧系統(tǒng)性能的關(guān)鍵部件。

表1 農(nóng)藥噴霧關(guān)鍵技術(shù)研究及其發(fā)展Tab.1 Research and development of key technologies for pesticide spraying

(1)新型噴頭及在線混藥研究

按照生物最佳粒徑理論的不同生物靶標(biāo)對霧滴粒徑的選擇捕獲能力，研究可控滴技術(shù)提高霧滴的對靶沉積能力；根據(jù)植物病蟲草害類型，開展基于PWM等技術(shù)的可變量控制，開展包括低飄移噴頭的新型專業(yè)化噴頭及其霧化理論研究；按照不同農(nóng)藥劑型開展液液、液固在線混藥技術(shù)及其混藥器研究。

(2)智能化載運(yùn)平臺研究

植保機(jī)械作業(yè)效率很大程度上取決于其載運(yùn)工具能力及智能化水平。①智能化柔性底盤：采用全液壓系統(tǒng)的液壓驅(qū)動轉(zhuǎn)向、制動、行走及藥泵等，使整機(jī)結(jié)構(gòu)簡化和傳動系統(tǒng)可靠，研制適應(yīng)復(fù)雜地形及地況的多功能智能化柔性動力底盤。②植保無人車平臺：無人化植保作業(yè)需要自動導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)，具備全方位感知探測和偵測避障能力、遠(yuǎn)程監(jiān)測及操控功能等，研究具備自主爬坡自動巡視的強(qiáng)大地形及其土壤條件的適應(yīng)能力、足夠動力配備及收集運(yùn)動過程中可能轉(zhuǎn)化的能量自給(如各類可燃物投入外燃機(jī)轉(zhuǎn)化能量、風(fēng)能及各類振動能量等)、自動運(yùn)輸能力(如長續(xù)航時(shí)間與智能往返能力)、靈活的操控方式(航線模式、往返模式、跟隨模式、遙控模式)等的植保作業(yè)無人車平臺；開展陸空聯(lián)合載重型植保無人機(jī)(無人飛行車)研制，除收起輪子進(jìn)行空中噴灑農(nóng)藥外，還可兼顧地面運(yùn)輸及作業(yè)。③外骨骼植保機(jī)器人平臺：外骨骼植保機(jī)器人平臺屬于仿生學(xué)領(lǐng)域的可穿戴機(jī)器人，分析不同動物腳部和骨骼的生理結(jié)構(gòu)，可將人體機(jī)能與外部機(jī)械動力裝置的機(jī)械能結(jié)合，如按照人的智能或檢測到運(yùn)動意圖控制指令，采用碳纖維和航空級鋁合金材料，通過足式或輪式行走機(jī)構(gòu)以及手控或腳控骨骼及其關(guān)節(jié)，通過液壓、氣動或電機(jī)驅(qū)動，發(fā)揮外骨骼強(qiáng)勁的承載能力，給人提供額外的動力或能力，然后根據(jù)不同作業(yè)需求安裝相應(yīng)植保執(zhí)行機(jī)構(gòu)，即實(shí)現(xiàn)小型植保機(jī)械從“人背機(jī)械”向“機(jī)械背人”轉(zhuǎn)化。

在農(nóng)藥仍為解決全球饑荒問題重要保障的時(shí)代，精確使用農(nóng)藥成為必然選擇，這就要求開發(fā)出具有先進(jìn)理念和創(chuàng)新性思維的環(huán)境友好型農(nóng)藥噴霧系統(tǒng)及其機(jī)械產(chǎn)品，因此需要培養(yǎng)具備顛覆式創(chuàng)新能力的科技人才，以綠色防控、融合創(chuàng)新、智能互聯(lián)為重點(diǎn)，開展多學(xué)科深度合作，進(jìn)行植保作業(yè)信息挖掘及其大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)，構(gòu)建智能化植保信息傳輸系統(tǒng)，突破和掌握靶標(biāo)識別與植物生長模型建設(shè)、噴頭設(shè)計(jì)制造、在線混藥器設(shè)計(jì)、植保機(jī)器人設(shè)計(jì)、無人機(jī)控制系統(tǒng)研究、智能植保機(jī)械柔性底盤研發(fā)、植保作業(yè)無人化技術(shù)研究等，促進(jìn)中國農(nóng)藥噴施機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化、系列化、高質(zhì)量發(fā)展的格局。