精准施药技术现状分析

翟长远,朱瑞祥,张佐经,马亮亮,张启遇(西北农林科技大学机电学院,陕西杨凌712100):在分析精准施药技术重要性的基础上,从信息获取方式、喷雾技术和控制系统3个环节对国内外精准施药技术进行了分析。首先,详细阐述了基于实时传感器和基于地理信息技术的信息获取方式;其次,分析了风送液力式喷雾技术、静电式喷雾技术、超低量和低量喷雾技术和仿形喷雾技术;最后对控制系统进行了阐述和分析,旨在为我国精准施药技术的发展提供借鉴。:精准农业;变量施药;智能控制:S49:A:1003-188X(2010)05-0009-040化学防除是重要的农业生产技术之一,在农业生产中发挥着重要的作用[1]。据联合国粮农组织统计,由于使用化学农药,全世界每年挽回20%~25%的农产品,农药的投入可收回4~5倍价值的农产品。我国每年因各种病虫害损失粮食约4000万t,约占全国粮食总产量的8.8%。而在施药过程中,少施达不到杀虫、除草的效果,多施会造成环境污染。为了实现抗灾、减损、增效,减少对环境的污染,关键所在是提高施药技术水平,也就是解决制约我国化学防除推广应用中的/瓶颈0问题[2-3]。精准施药技术的核心是获取农田小区域内病虫草害的差异性,采取高效喷雾技术和变量施药技术,按需施药[4-5]。目前,世界各国对精准变量施药技术的发展潜力以及应用前景有着广泛共识,并将其作为发展农业高新技术应用的重要内容[6-8]。西欧、美国和日本等发达国家在施药技术和施药机械上都有了较大的突破,基本做到了精喷量、少污染和高功效。我国施药技术也在朝着精准施药方向发展,近些年也取得了可喜的成绩[9-10]。为此,本文从信息获取方式、喷雾技术和控制系统3个环节对国内外精准施药技术进行了分析。1:2009-11-18:国家/十一五0科技支撑计划重大项目(2006BAD09B04):翟长远(1982-),男,河南驻马店人,讲师,(E-mail)[e-mail]。:朱瑞祥(1956-),男,陕西三原人,教授,(E-mail)[e-mail]。信息获取是施药机智能控制的基础。目前信息获取方式有:基于实时传感器的获取方式,基于地理信息技术的信息获取方式。TianLei研制了一种基于机器视觉的精准对靶智能喷雾机[11],工作原理如图1所示。该喷雾机采用实时传感器获取信息,多摄像头机器视觉系统用来实时采集图像信息,速度传感器用来采集速度信息,计算机控制单元对采集到的信息进行分析并通过喷雾控制器控制每一个喷头的开关。图1精准对靶智能喷雾机结构图基于地理信息的信息获取控制技术,是以地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)、遥感技术(RS)、决策支持系统(DSS)为基础,智能植保机械根据田间变异,对生产过程实施一整套精确定位、定量管理集成技术。该技术的一个重要的方面就是能够根据要求动态改变作业参数。其数据流为:田间数据采集(航空成像、杂草检测识别系统)、图像数据处理、数据地图形成、数据文件拷贝,智能喷雾机在全球定位系统的支持下根据数据地图进行防治作业。邱白晶等采用基于地理信息技术的变量喷雾技术[12],如图2所示。其使用AgGPS132接收机实时采集变量喷雾装置的位置信息;使用计算机完成喷雾处方图信息的存储,喷量的读取,喷量的实时发送和显示等功能;使用速度传感器采集速度信息,压力传感器采集系统压力#9#2010年5月农机化研究第5期信息以及流量传感器反馈流量信息实时控制喷雾控制器,以便调整喷头的喷量从而实现根据地块的不同工况而按需施药。图2基于地理信息技术的变量喷雾控制装置2施药过程中喷雾是至关重要的环节,喷雾质量的好坏很大程度上决定了施药的成功与否。精准施药的迅速发展,给喷雾质量提出了更高的要求。为了更大程度上的满足这一要求,目前出现了多种喷雾技术:风送液力式喷雾技术、静电式喷雾技术、超低量和低量喷雾技术和仿形喷雾技术等。2.1风送液力式喷雾技术(air-assistedhydraulicspra2ying)主要是利用气流把农药雾滴强制喷入作物株冠层中,可以大幅度地降低农药飘失量。加拿大农艺科学家Mpiche早在1994年就风送式喷杆喷雾机减少飘移的问题进行了田间试验,发现与普通的液力喷杆喷雾机相比,风送液力式喷雾在外界风速为5m/s的条件下比传统的液力喷雾在外界风速为1m/s的条件下飘移还小得多[13]。随后,在一些大型的喷雾装置上也开始运用风送液力式喷雾技术,它是利用轴流式风机的风量大、效率高、风速均匀、衰减慢和射程远的特点,将液力雾化后的雾滴吹向目标。试验证明风送液力式喷雾技术具有如下优势[14]:¹可以有效地减少农药使用量,降低生产成本,提高防治效果;º有利于促进低量喷雾技术的推广应用;»提高了喷雾机的作业生产率;¼对喷雾环境要求低,时效性好。2.2静电喷雾(electrostaticspraying)是应用高压静电在喷头与目标间建立静电场,而药液流经喷头雾化后通过相应的充电方法(电晕充电、感应充电、接触充电)被充以电荷形成群体荷电雾滴,然后在静电场力和其他外力作用下,雾滴做定向运动而吸附在目标上。它具有雾滴尺寸均匀、沉积性能好、飘移损失小、雾群分布均匀,尤其是在植物叶片背面也能附着雾滴等优点[15-16]。贾卫东等设计了静电喷雾荷电装置,该装置采用充电效果好的环状、针状电极的组合电极[17],如图3所示。6个针状电极均匀布置在环状电极上,并与高压静电发生器连接作为高压端,环状电极接地,在两者之间形成高压电场,充电电压可从0kV调至40kV。为了便于荷电与非荷电情况对比,选择普通旋流雾化喷嘴并布置于装置轴线上,固定在圆周呈均布的3个支撑杆上,孔口直径为1.0mm。运用相位多普勒粒子分析仪,从喷雾宽度、雾滴的粒径和速度分布方面对农用高压静电喷雾场进行了实验和分析。从能量角度来看,当充电电压达到40kV时,雾滴在植株界面上易于粘附;在较高的充电电压下,能在粒径、速度分布、喷雾宽度、与植株标靶界面的相互作用等方面体现静电喷雾的综合性能。1.支撑杆2.高压静电发生器3.针状电极4.环状电极5.储液罐6.雾化喷头图3荷电装置示意图2.3超低量喷雾是近年来植物保护中大力推广的一种新技术,每667m2仅需喷施330mL以下的油剂农药,由于雾滴直径很小,喷洒时省工省时,又不需用水,尤其适用于山地和缺水、少水地区。低量喷雾(即弥雾),雾粒直径小于常量喷雾而大于超低量喷雾。大量研究结果证实:低量喷雾比高容量喷雾可以省工、省药,提高病虫害防治效果,提高生态效益、经济效益和社会效益。超低量和低量喷雾技术中,喷头的设计是一个重要内容。陈艳巧等根据液体雾化原理设计了一款轻型电动弥雾机专用喷头[18],喷头结构如图4所示。其主要由下喷头体、垫片、上喷头体、喷头帽、喷头片等组成。喷头由不锈钢或45号钢加工后镀锌制成。在上喷头体的周围平均分布着4个倾角不同的进液孔,每个进液孔中安有单向进液阀。对于不同的作业要求可以选择不同的进液孔,1个喷头可以满足多项作业的要求。上喷头体与下喷头体用密封管螺纹联接,#10#2010年5月农机化研究第5期通过增加或去掉不同厚度的垫片来控制上喷头体与下喷头体的安装距离,从而调节涡流室的深浅以得到不同的雾滴直径和喷雾射程,以此来满足不同的喷雾要求。1.固定螺栓孔2.下喷头体3.垫片4.上喷头体5.进液孔6.喷头帽7.垫圈8.喷头片图4喷头结构示意图2.4果树仿形喷雾技术就是通过检测果树的实际形状,自动控制喷头(组)在理想的喷雾距离下进行作业的一种方法。张建瓴等将工业机械臂的结构形式引入到果树喷雾中,从实现仿形运动的角度,设计出一种果树仿形喷雾系统[19]。该系统通过单片机控制各关节的步进电动机,使机构能根据果树外形产生仿形运动,并按照靶标的形状调节喷头的位置,当喷头运动到合适的位置时,启动喷雾阀门对果树进行喷药,实现与靶标相仿形状下的精确喷雾。该果树仿形喷雾装置的总体结构示意图如图5所示。该仿形喷雾系统是一个机电一体化的系统,由3部分构成:机械部分、喷雾部分、单片机检测及控制系统。图5仿形机械系统结构示意图仿形喷雾装置的机械部分主要是由两个对称的机械臂构成,机构运动简图如图6所示。在图5和图6中,两个对称的机械臂由转盘电动机带动,可绕中心轴转动。喷雾作业时先将该装置悬挂在小车和其它行走机构上,然后调整机械臂位形可实现对一整排或单个果树的喷药作业。该装置基本上能根据果树外形产生仿形运动。图6仿形机构运动简图3控制系统对采集过程和执行过程的精确、实时管理是精准施药的核心。随着对施药控制系统性能要求的不断提高,控制系统变得越来越复杂。自动混药系统、过滤系统、自清洗系统等也得到了应用[2]。控制方法方面也有了长足的进步,除了经典的控制方法之外,像模糊控制、人工神经网络等现代控制方法也得到了广泛的应用[20-24]。目前,控制系统的不断完善推动了精准施药技术快速发展。YangChun-Chieh等用人工神经网络和模糊控制对除草剂的施用量进行了模拟控制[25],如图7所示。用摄像头采集田间信息,利用人工神经网络区分庄稼和杂草的种类。用图像处理确定杂草的覆盖率和分布,并利用模糊控制决定除草剂的喷量。试验结果表明:作物识别成功率高达90%~100%,杂草识别并施药的成功率高达80%~90%。图7基于神经网络和模糊控制结构图4本文从信息获取方式、喷雾技术和控制系统3个环节对国内外精准施药技术进行了分析。从目前精准施药技术现状可知,国内外尤其是国内已取得了长#11#2010年5月农机化研究第5期足的发展,同时也要看到探索出适合我国国情的精准施药技术之路,仍是一个长期的过程。所以,我国需要在借助于国外的先进技术的同时,加大精准施药关键技术研究。:[1]夏书娥,张锁荣.稻麦连作田菵草化学防除技术研究[J].杂草科学,2008(6):45-47.[2]傅泽田,祁力钧,王俊红.精准施药技术研究进展与对策[J].农业机械学报,2007,38(1):189-192.[3]卢秉福,张祖立,朱明,等.农业机械化发展关键影响因素的辨识与分析[J].农业工程学报,2008,24(11):114-117.[4]BlackmoreS.Precisionfarming:anintroduction[J].OutlookonAgriculture,1994,23(4):275-280.[5]汪懋华./精确农业0发展与工程技术创新[J].农业工程学报,1999,15(1):1-8.[6]耿爱军,李法德,李陆星.国内外植保机械及植保技术研究现状[J].农机化研究,2007(4):189-191.[7]刘建,吕新民,党革荣,等.植保机械的研究现状与发展趋势[J].西北农林科技大学学报,2003,31(10):202-204.[8]杨学军,严荷荣,徐赛章,等.植保机械的研究现状及发展趋势[J].农业机械学报,2002,33(6):129-131.[9]陈勇,郑加强,周宏平等.精确农业管理系统可变量技术研究现状与发展[J].农业机械学报,2003,34(6):156-159.[10]何雄奎.改变我国植保机械和施药技术严重落后的现状[J].农业工程学报,2004,20(1):13-15.[11]LeiTian.Developmentofasensor-basedprecisionherbi2cideapplicationsystem[J].ComputersandElectronicsinAgriculture,2002,36:133-149.[12]邱白晶,李佐鹏,吴昊,等.变量喷雾装置响应性能的试验研究[J].农业工程学报,2007,23(11):148-152.[13]Mpiche,Bpanneton,Rtheriault.Reduceddriftfromair-assistedspraying[J].CanadianAgriculturalEngineering,2000,42(3):117-122.[14]茹煜,郑加强,周宏平.风送式静电喷雾技术防治林木病虫害研究与展望[J]