1 引言
2 精准施药关键技术及研究现状
表1 精准施药关键技术Table 1 Key technologies of precision spraying |
大类技术 | 细化技术 | 研发人员 | 年份 | 研究内容 |
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探测技术 | 果树冠层 探测 | 李丽等[5] | 2003 | 应用红外传感器探测喷雾过程中有无靶标,实现有枝叶处喷雾,没有枝叶处不喷雾的果树自动对靶喷雾施药。 |
蔡吉晨[6] | 2011 | 提出了果树冠层网格划分方法及网格化体积模型,分析了二维激光雷达探测角度误差对网格体积计算精度的影响。 | ||
果树三维信息获取 | 蔡健荣等[7] | 2012 | 采用归一化互相关法获取立体图像视差图,提取果树枝骨架并采用多线段逼近法提取特征点;利用双目立体视觉原理计算树枝骨架特征点的空间坐标,再利用距离图像求取树枝半径信息。 | |
果树冠层体积测量 | 丁为民等[8] | 2016 | 通过提取树冠图像面积特征和轮廓特征,采用最小二乘法和五点参数标定法获得普适性树冠面积与体积相关关系模型。 | |
果树病虫草害探测 | 曲峰[9] | 2017 | 提出了一种基于奇异值分解的苹果叶部病害图像背景分割方法,去除常规分割方法难以分割的杂草等近色区域,获得完整的病害叶片区域。 | |
施药控制系统及算法 | 管道总药量控制方法 | 黄胜等[10] | 2011 | 基于PID控制和施药量模糊控制模型设计了变量施药机的恒压变量控制系统,实现喷雾机得到恒压变量控制。 |
喷头药量独立控制方法 | 王利霞等[11] | 2010 | 根据网格位置和采集的机具信息对电动调节阀进行控制,实现变量施药。 | |
施药量控制 | 魏新华等[12] | 2013 | 采用直动式高速电磁阀、圆锥雾喷头、先导式比例溢流阀和脉宽调制(Pulse Width Modulation, PWM)变量喷施控制器,设计了一套PWM间歇喷雾式变量喷施系统。 | |
喷雾控制技术 | 喷雾参 数监测 | 黄伟锋等[13] | 2007 | 设计了基于GPS和GPRS的嵌入式果园喷雾远程监测系统,实现了对喷雾参数的实时监测。 |
风机气流 场控制 | 曲峰等[14] | 2017 | 在喷雾机出风口设置短导流板,引导风机气流场,通过CFD(Computational Fluid Dynamics)仿真与标杆试验结合探寻和验证不同因素对喷雾机气流场和喷雾效果的影响。 | |
风场与雾场分布建模 | 孙诚达[15] | 2019 | 研究了树冠内雾滴穿透比例分布规律,构建了风送喷雾雾滴冠层穿透模型。 |
3 精准施药装备研究进展
3.1 果园自动对靶喷雾机
表2 果园自动对靶喷雾机典型成果及关键技术点Table 2 Typical achievements and key technical points of orchard automatic target sprayer |
作者 | 年份 | 研发机构 | 成果名称 | 关键技术点 |
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何雄奎等[18] | 2003 | 中国农业大学 | 果园自动对靶风送低量喷雾机 | 红外传感器与绿色传感器融合技术、作物冠层靶标探测、静电喷雾技术 |
袁湘月等[19] | 2004 | 江苏大学 | 果园自动对靶喷雾机 | 红外光电探测技术 |
邹建军等[20] | 2007 | 中国农业大学 | 对靶喷雾机红外探测控制系统 | 集成电路,红外光电技术 |
邓巍等[21] | 2008 | 中国农业大学 | 红外靶标探测装置 | 近红外技术 |
翟长远等[22] | 2012 | 西北农林科技大学 | 果树自动对靶探测系统 | 红外传感器技术 |
刘金龙[23] | 2012 | 南京农业大学 | 对靶喷雾红外探测系统 | 红外传感器技术 |
李龙龙、何雄奎等[24] | 2013 | 中国农业大学 | 果树三维尺寸自动仿形喷雾系统 | LiDAR雷达探测,果树三维尺寸自动仿形 |
许林云等[25] | 2014 | 南京林业大学等 | 自动对靶喷雾控制系统 | 激光测距传感器,提前及延后喷雾 |
杨洲等[26] | 2015 | 华南农业大学 | 果园在线混药型静电喷雾机 | 在线混药系统,风辅静电喷雾 |
宋淑然等[27] | 2015 | 华南农业大学 | 果园柔性对靶喷雾装置 | 柔性喷杆与喷头组,靶标检测单元 |
姜红花等[28] | 2016 | 山东农业大学等 | 履带自走式果园自动对靶风送喷雾机 | 超声波传感器,Wi-Fi无线传输 |
李井祝和朱凤武[29] | 2017 | 吉林农业大学 | 自动对靶喷雾控制系统 | 激光测距传感器,PLC可编程逻辑控制器 |
李秋洁等[30] | 2018 | 南京林业大学等 | 自动对靶喷雾控制系统 | LiDAR探测,MFC多线程编程 |
3.2 果园风送变量喷雾机
表3 风送变量喷雾机典型成果及关键技术Table 3 Typical achievements and key technologies of variable air sprayer |
作者 | 年份 | 研发机构 | 成果名称 | 关键技术 |
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魏新华等[33] | 2012 | 江苏大学等 | PWM间歇喷雾式变量喷施控制器 | 以DSP56F805 数字信号控制器为核心,实时检测喷雾机组前进速度、隔膜泵输入轴转速、喷杆压力和喷施流量,并采用预测比例控制方法,通过比例溢流阀在线调节喷杆压力。 |
刘伟[34] | 2012 | 南京农业大学 | 背负式喷雾器变量喷雾控制系统 | 以单片机为控制核心,采用PWM技术控制电动隔膜泵的工作频率从而实现对背负式喷雾器的喷雾流量进行调节。 |
何雄奎[1] | 2013 | 中国农业大学 | 自走履带式风送果园变量喷雾机 | 变量控制系统采用机电一体化设计,指令接收和执行过程实现精确、实时管理;红外传感器实现自动对靶喷雾,组合式喷头技术控制喷雾量,基于步进电机驱动无级变速器实现风机300-1670r/min的无级变速,产生相应风量。 |
姚渠[35] | 2014 | 中国农业大学 | 可变风量的履带式风送喷雾机 | 80cm超低地隙行走装置;500-50000m3/h的风量调节与实施流量调节;基于红外探测的果园精准自动对靶喷雾及多喷头组合技术。 |
许绩彤[36] | 2016 | 华南农业大学 | 果园实时混药风送式变量喷雾系统 | 基于蠕动泵与静态混合器设计的实时混药模块与基于测速单元与冠形探测单元设计的变量喷雾模块分别单独控制,构建三种不同类型静态混合器的三维模型。 |
丁鑫浩[37] | 2018 | 南京林业大学 | 风送式变量喷雾机多流道喷头 | 设计四指喷头、五指喷头、六指喷头三种不同结构的多流道喷头,在风速流场和雾化性能方面进行了仿真模拟和试验。 |
束义平[38] | 2018 | 南京林业大学 | 果园变量喷雾控制系统 | 基于激光雷达探测技术,研究了果园变量对靶喷雾系统信息采集方法,变量对靶喷雾系统实时控制方法,开发了变量对靶喷雾控制系统软件。 |
3.3 果园自动仿形变量喷雾机
3.4 大田变量喷杆喷雾机
表4 大田变量喷杆喷雾机Table 4 Variable boom sprayer in field |
机构名称 | 年份 | 成果名称 | 关键技术 | 作业效果 |
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中国农业机械化科学研究院,现代农装科技股份有限公司[47] | 2011 | 轻便型自走式高地隙喷杆喷雾机 | 喷杆折叠电动控制技术、四轮驱动技术、电动推杆 | 喷杆可折叠,减轻了喷杆质量,作业效率高,不仅满足大田蔬菜施药农艺要求,还可应用于水田施药作业。 |
中国农业大学,中国农业机械化科学研究院,山东华盛中天集团,山东永佳动力股份有限公司[48] | 2012 | 3WSF-200型自走式水旱两用风送低量防飘喷杆喷雾机( | 喷杆式低量喷雾、气力式风送喷雾、液压控制、喷幅标识和喷杆自动折叠等 | 实现了水、旱田作物植保作业的机械化,喷雾分布均匀性变异系数明显减小,作业效率大大提升,农药飘移对环境的污染也得到了有效控制。 |
山东省农业机械科学研究院[49] | 2016 | 3WP-650型智能变量喷杆喷雾机 | 可折叠喷杆衍架,高度调节机构,PID智能控制系统 | 在作业状态下,液位测量准确度误差在6%以内;药液不足时报警准确率为100%,能够防止因药液不足发生漏喷;同时能够实现根据机组作业速度变化实时调节的变量喷雾,提高喷量一致性和农药利用率,且变量喷雾下定量喷雾的一致性最大为4.4%。 |
中国农业大学,山东永佳动力股份有限公司[50] | 2016 | 可用于水田植保作业的自走式精准变量喷杆喷雾机 ( | 现代自动控制、电子、多传感器数据采集融合传输、导航等 | 作业过程中整个喷杆雾滴分布均匀、喷雾变异系数在10%以下,亩施药液量误差在8%以下,定位误差-5~5cm,可保障亩施药液量一致,保证大田作物上的药液喷施均匀。 |
中国农业机械化科学研究院、新疆农垦科学院[51] | 2016 | 自走式大田喷杆喷雾机 | 可调地隙、可变轮距 | 实现了高秆作物生长期内全程机械化高效均匀植保作业,将大田作物喷雾的均匀度提高至发达国家水平,喷雾均匀性达到了85%-95%以上。 |
南京林业大学[52] | 2016 | 变喷杆式喷雾机可变喷量施药控制系统 | 液压驱动、模糊控制器、喷杆变形 | 完成了多功能变喷杆喷雾机智能控制系统的研发,实现了变喷杆喷雾机的工作形态和高度的控制与调节,且设计了精确对靶施药控制电路。 |
黑龙江省萝北县农机局[53],泰州樱田农机制造有限公司[54] | 2016 | 3WP-650型自走式喷杆喷雾机 | GPS路线规划辅助系统;四轮驱动,前后独立转向;组合式可调喷头 | 结构新颖,工作可靠,是防治玉米等病虫害和高杆作物喷施叶面肥料的理想机具,工作效率高、机具投资少,回报率高。 |
农业农村部南京农业机械化研究所[55] | 2018 | 喷杆喷雾机变量喷雾自动控制系统 | PLC、触摸屏 | 实现了对喷头流量和工作压力的自动控制,提高了喷雾作业的自动化和精准化水平。 |
3.5 植保无人机
图3 3WSF-200型自走式水旱两用风送低量防飘喷杆喷雾机Fig. 3 3WSF-200 self-propelled water and drought dual use wind supply low volume anti-floating spraying rod sprayer |
图4 3WSH-500导流式高地隙自走喷杆喷雾机Fig. 4 3WSH-500 High-clearance guided baffle self-propelled boom sprayer |
表5 中国植保无人机典型机型Table 5 Typical models of plant protection drones |
机型 | 型号 | 研发机构 |
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油动单旋翼 | CAU-3WZN10A( | 中国农业大学 |
Z-3 | 中国人民解放军总参谋部第六十研究所、农业农村部南京农业机械化研究所 | |
CD-15 | 无锡汉和航空技术有限公司 | |
3WQF120-12 | 安阳全丰生物科技有限公司 | |
电动单旋翼 | 水星一号 | 无锡汉和航空技术有限公司 |
A001-DZ16 | 全球鹰(深圳)无人机有限公司 | |
HY-B-15L | 深圳高科集团有限公司 | |
F5A | 北京一键智农有限公司 | |
油动多旋翼 | 天马-1 | 深圳常锋信息技术有限公司 |
电动多旋翼 | 3WSZ-15( | 中国农业大学、山东卫士公司 |
MG-1P、T16、T20 | 深圳市大疆创新科技有限公司 | |
P系列、P30、P20 | 广州极飞科技有限公司 | |
M6E、M8A | 北方天途航空技术发展(北京)有限公司 | |
3WDM8-20 | 珠海羽人农业航空有限公司 | |
3XY8D | 广西田园生化股份有限公司 |