齊 鵬，劉亞佳，宋堅利，王昌陵，曾愛軍，王志翀，何雄奎＊，張 煒

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)無人機(jī)系統(tǒng)研究院，北京 100193；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，北京 100193；3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)藥械與施藥技術(shù)研究中心，北京 100193；4.德國霍恩海姆大學(xué)農(nóng)業(yè)工程研究所，巴登-符騰堡州 斯圖加特 70593；5.安徽中科智能感知產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，安徽 蕪湖 241000）

我國蔬菜種類繁多，高達(dá)1 600種，蔬菜產(chǎn)業(yè)為農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，根據(jù)應(yīng)用場景不同，主要分為露地蔬菜和設(shè)施蔬菜。2019年國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，我國蔬菜播種面積達(dá)2 086.274萬hm2，占全部播種農(nóng)作物面積的12.57%，在種植業(yè)中僅次于糧食作物居第2位；蔬菜總產(chǎn)量為72 102.6萬t，居種植業(yè)中第1位[1]。由于設(shè)施栽培產(chǎn)量和平均效益普遍比露地種植高，平均為露地種植產(chǎn)量的1.41倍[2]，特別是栽培同種作物，設(shè)施蔬菜是露地蔬菜產(chǎn)量的3.5倍[3]，經(jīng)濟(jì)價值十分可觀，設(shè)施栽培成為帶動農(nóng)民就業(yè)和致富的重要渠道，在保供給、促增收、促就業(yè)等方面發(fā)揮著重要的作用。

由于蔬菜特殊的栽培模式，如高種植密度、連茬種植和周年連續(xù)生產(chǎn)等，為病原物的發(fā)育與繁殖提供了有力條件，蔬菜病蟲害問題日益嚴(yán)重。特別是設(shè)施蔬菜處于封閉寡照、通風(fēng)不良、高濕及土壤養(yǎng)分不平衡的條件下，加之棚室內(nèi)天敵數(shù)少，設(shè)施栽培作物較之露天栽培作物更易發(fā)生病蟲害。目前，我國每年由病蟲害所導(dǎo)致的設(shè)施蔬菜產(chǎn)量損失都在20%～30%，受害嚴(yán)重，甚至絕產(chǎn)，威脅著我國蔬菜產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)安全。使用農(nóng)藥是防治病蟲害的主要手段，但菜農(nóng)在具有風(fēng)險感知前提下仍繼續(xù)加大農(nóng)藥使用量，導(dǎo)致蔬菜農(nóng)藥殘留超標(biāo)，不僅影響了消費(fèi)者食用安全，而且對我國農(nóng)產(chǎn)品出口貿(mào)易造成嚴(yán)重阻礙。李中華等[4]對全國多個政府部門、種植園區(qū)、裝備企業(yè)3個方面的相關(guān)專家和設(shè)施農(nóng)業(yè)從業(yè)人員進(jìn)行問卷調(diào)研得出，植保設(shè)備是蔬菜全程生產(chǎn)環(huán)節(jié)中影響產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量較顯著的因素，高達(dá)20%，僅次于灌溉施肥設(shè)備（20.11%）。因此，面對蔬菜產(chǎn)業(yè)植保機(jī)械化、信息化程度低，農(nóng)藥使用過程中對靶性差等問題，因地制宜地開發(fā)適合蔬菜病蟲害防治、作物種植結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的高工效智能裝備，優(yōu)化農(nóng)藥使用結(jié)構(gòu)，應(yīng)用高通量傳感器、人工智能、智能精準(zhǔn)對靶等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)智能精準(zhǔn)作業(yè)成為蔬菜產(chǎn)業(yè)急需突破的關(guān)鍵點(diǎn)。通過研發(fā)和開發(fā)新型蔬菜產(chǎn)業(yè)精準(zhǔn)對靶施藥裝備，提高植保機(jī)械精準(zhǔn)化、自動化、智能化，在顯著減少勞動投入的同時，減少農(nóng)藥使用，提高農(nóng)藥利用率和病蟲害防治效果，對提高現(xiàn)代化蔬菜產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益、生態(tài)環(huán)境以及食品健康安全具有重大意義。

國內(nèi)外蔬菜精準(zhǔn)施藥技術(shù)與裝備發(fā)展

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展離不開農(nóng)業(yè)機(jī)械化，隨著我國農(nóng)業(yè)機(jī)械快速發(fā)展，對農(nóng)業(yè)機(jī)械的需求不再局限于機(jī)械的供給，而是與當(dāng)前農(nóng)機(jī)社會化服務(wù)以及信息大數(shù)據(jù)時代緊密融合，由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械化向智慧、智能農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。植保機(jī)械不僅影響農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化發(fā)展進(jìn)程，而且其噴施農(nóng)藥、化肥對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)影響最為明顯。智能植保機(jī)械是更加復(fù)雜的農(nóng)業(yè)機(jī)械，是集智能感知、決策、控制，大數(shù)據(jù)、云平臺、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)為一體的現(xiàn)代智慧農(nóng)業(yè)裝備，一方面通過各類傳感器等數(shù)字化集成模塊控制農(nóng)業(yè)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)，另一方面通過植保表型等感知信息精準(zhǔn)控制藥肥作業(yè)；因此，智能精準(zhǔn)植保裝備成為蔬菜智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要代表。

國外

由于蔬菜植保機(jī)械化發(fā)展的實(shí)踐差異，國內(nèi)外在蔬菜植保機(jī)械的研究內(nèi)容和發(fā)展重點(diǎn)上均存在明顯差異，發(fā)達(dá)國家的研究主要集中在智能環(huán)保上，涉及精細(xì)化、自動化、節(jié)約化、智能化等技術(shù)，如美國構(gòu)建了發(fā)達(dá)的互聯(lián)網(wǎng)體系，農(nóng)戶能實(shí)時了解土壤、作物、農(nóng)機(jī)等各類信息，且智能農(nóng)業(yè)機(jī)器人已經(jīng)初具規(guī)模，智能農(nóng)機(jī)裝備處于世界前列；德國利用自身技術(shù)優(yōu)勢，突破農(nóng)業(yè)信息化和智能化系列關(guān)鍵技術(shù)，蔬菜等專用植保機(jī)械已經(jīng)配備低量施藥、變量施藥、對靶施藥等技術(shù)，其中變量施藥技術(shù)已普及到普通農(nóng)場，成為企業(yè)產(chǎn)品出廠標(biāo)配；日韓受地塊局限，需研發(fā)適于精細(xì)化作業(yè)的輕便型智能裝備，特別是雅馬哈公司研發(fā)的植保無人機(jī)成為植保領(lǐng)域重要的發(fā)展方向。20世紀(jì)50年代以來，國際上農(nóng)藥使用技術(shù)不斷改進(jìn)、完善，為減少環(huán)境污染，開發(fā)了低量防飄、減飄噴頭以及循環(huán)噴霧等一系列霧滴控制技術(shù)，使發(fā)達(dá)國家蔬菜作物農(nóng)藥利用率普遍在50%以上，比我國高出15～25個百分點(diǎn)。

國內(nèi)

中國蔬菜專用植保機(jī)械開發(fā)和施藥技術(shù)的研究相對落后，可追溯到20世紀(jì)30年代，大部分為手動或者半自動產(chǎn)品，農(nóng)藥利用率僅在20%～30%，傳統(tǒng)施藥方式難以實(shí)現(xiàn)人和農(nóng)藥分離、人和農(nóng)機(jī)分離，特別在相對封閉的溫室環(huán)境中，對作業(yè)人員身體健康存在巨大威脅，無法滿足蔬菜精準(zhǔn)高效植保作業(yè)發(fā)展需求。21世紀(jì)初，農(nóng)業(yè)機(jī)械化、智能化水平的提升為蔬菜植保機(jī)械發(fā)展帶來極大的發(fā)展空間，大型高效植保機(jī)械得到推廣應(yīng)用，同時一些無人駕駛噴霧機(jī)器人和植保無人機(jī)相繼出現(xiàn)[5]。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、精準(zhǔn)化發(fā)展，精準(zhǔn)對靶施藥成為一個重要的發(fā)展方向，目前國內(nèi)精準(zhǔn)對靶施藥發(fā)展處于起步階段，近年來在該領(lǐng)域的研究日漸增多，多集中在定性研究和單一技術(shù)研究方面，精準(zhǔn)智能系統(tǒng)解決方案較少，且大多研究仍處于試制、試驗(yàn)階段，與發(fā)達(dá)的歐美國家相比，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用推廣上仍存在一定的差距。

我國露地蔬菜多借鑒大田糧食作物所使用的植保裝備，結(jié)合蔬菜栽培農(nóng)藝特性，大型噴桿噴霧機(jī)以及空中植保無人機(jī)已經(jīng)在露地蔬菜病蟲害防治中應(yīng)用[6-7]。針對設(shè)施內(nèi)專用植保機(jī)械和施藥技術(shù)相對匱乏，大都直接照搬傳統(tǒng)露地防治病蟲害經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行施藥，又因設(shè)施蔬菜特殊生長時空決定，其植保機(jī)械多以電動或發(fā)動機(jī)驅(qū)動人工背負(fù)式機(jī)械為主，施藥技術(shù)粗放、農(nóng)藥浪費(fèi)嚴(yán)重，作業(yè)噴幅窄，勞動強(qiáng)度大、工效低，極容易造成人員中毒事件發(fā)生。目前，我國長江中下游地區(qū)是設(shè)施蔬菜植保機(jī)械化發(fā)展較好的地區(qū)，以蔬菜植保機(jī)械化最高的江蘇為代表，全省設(shè)施內(nèi)植?；静捎脵C(jī)械作業(yè)，但多為靜電噴霧器、機(jī)動噴霧器，以及殺蟲燈、臭氧發(fā)生器等；而華南地區(qū)和丘陵山區(qū)由于受地形或經(jīng)濟(jì)條件的影響，植保機(jī)械更加落后，特別在丘陵山地植保機(jī)械化水平仍非常低。

國內(nèi)外蔬菜精準(zhǔn)施藥技術(shù)與裝備種類及特征

發(fā)達(dá)國家的農(nóng)業(yè)施藥機(jī)械發(fā)展起步較早，其設(shè)施農(nóng)業(yè)具有科技含量高、投入成本高等特點(diǎn)，在國外發(fā)展較為迅速，其中以色列、美國、法國、日本、荷蘭、英國、意大利、西班牙、葡萄牙、比利時、墨西哥等在農(nóng)業(yè)設(shè)施裝備技術(shù)發(fā)展方面作出了杰出貢獻(xiàn)。這些國家將先進(jìn)的新興技術(shù)應(yīng)用到植保施藥過程中，以實(shí)現(xiàn)植保機(jī)械化、自動化、精準(zhǔn)化，如傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)、導(dǎo)航控制系統(tǒng)等，并已經(jīng)推廣應(yīng)用，基本實(shí)現(xiàn)了精細(xì)控制的植保機(jī)械產(chǎn)品市場化、系列化、國際化。

國內(nèi)針對蔬菜開發(fā)的植保機(jī)械較少，起步較晚，露地蔬菜普遍借助大田糧食作物植保機(jī)械融合蔬菜種植農(nóng)藝特性基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)施植保機(jī)械仍以背負(fù)式電動或油動噴霧設(shè)備為主。在現(xiàn)代化玻璃溫室中，采用固定式噴淋裝備，其施藥技術(shù)和裝備與歐美發(fā)達(dá)國家相比還存在著顯著的差距，特別是用于連棟溫室種植環(huán)境下的自動化和智能化程度低、缺少與種植工況相匹配的智能精準(zhǔn)植保機(jī)械。隨勞動力成本增加和對蔬菜產(chǎn)品品質(zhì)和安全的要求提升，眾多現(xiàn)代精準(zhǔn)智能的裝備已經(jīng)逐步在蔬菜產(chǎn)業(yè)中使用。

空中軌道式施藥技術(shù)及裝備

軌道式噴霧機(jī)主要分為空中軌道和地面軌道噴霧2種類型，這也是設(shè)施農(nóng)業(yè)最為典型的應(yīng)用之一。空中軌道式施藥裝備有龍門架式等，主要由移動軌道、電機(jī)、升降裝置、塔柱、工作臂及其配套的農(nóng)機(jī)具等部分組成。通常有2種結(jié)構(gòu)：搭載施藥配套機(jī)具，通過軌道和施藥機(jī)具在有限半徑范圍內(nèi)移動，植株可在傳送床上移動。該類噴霧機(jī)能在一定程度上提高施藥自動化水平，并由計算機(jī)控制，可有效降低勞動投入、提高工作效率，重要的是能提高施藥控制精細(xì)化程度；具有可實(shí)現(xiàn)人藥分離、避免人員中毒等優(yōu)點(diǎn)，搭載靜電施藥、變量施藥，以及運(yùn)用基于視覺和雷達(dá)的變量等施藥技術(shù)，達(dá)到精準(zhǔn)對靶噴施的效果，提高了農(nóng)藥利用率；同時，由于園區(qū)上部空間充足，該機(jī)械載重能力強(qiáng)，可以進(jìn)行水肥藥管理以及搭載采摘等工作部件。但空中軌道式噴霧系統(tǒng)也存在一定的局限性，對溫室結(jié)構(gòu)荷載要求高、投入成本高、施藥量大，若遇棚室濕度極增，對管路系統(tǒng)耐壓性、噴頭防堵性要求更高（10～15 MPa），故其多用于育苗噴灌，且在玻璃溫室中應(yīng)用較多。

◎ 國外

國外學(xué)者M(jìn)alone等[8]設(shè)計的固定式溫室施藥設(shè)備（圖1-a）可通過傳感器等裝置，實(shí)現(xiàn)施藥系統(tǒng)自動控制，減少人為操作，亦可更好地控制施用農(nóng)藥比例，提高施藥準(zhǔn)確性。Belforte等[9]研發(fā)了一種非自主移動的溫室施藥機(jī)器人（圖1-b），施藥時施藥設(shè)備固定不動，通過機(jī)械臂移動施藥裝置，通過攝像頭獲取臺架作物位置，提高了靶標(biāo)性，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)藥精準(zhǔn)對靶噴施。之后，該團(tuán)隊還設(shè)計了一款密閉施藥裝置（圖1-c），該裝置通過旋臂移動施藥作業(yè)平臺，并且采用柔性涂層將農(nóng)藥與外界環(huán)境隔離，能減少農(nóng)藥損失且最大程度地有效隔離人與農(nóng)藥的接觸，促進(jìn)了農(nóng)藥安全精準(zhǔn)應(yīng)用[10]。

圖1 國外空中軌道式施藥裝備

◎ 國內(nèi)

國內(nèi)學(xué)者陳巧艷[11]利用氣流輔助式噴霧技術(shù)（圖2-a），設(shè)計制造了高壓液力式噴頭，通過孔徑或安裝位置獲得較大霧滴譜，又采用溫濕度控制儀自動控制噴頭開關(guān)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)藝要求施藥量自動控制。張躍順[12]設(shè)計并研發(fā)了行間噴霧機(jī)（圖2-b），其采用雙軌懸掛式噴霧結(jié)構(gòu)、升降噴桿，實(shí)現(xiàn)行間和行上噴霧2種模式，能顯著提高植株葉片正反兩面的霧滴沉積量，使植株冠層中霧滴分布更加均勻，提高病蟲害防控能力。李雪等[13-14]設(shè)計的固定管道式二相流常溫?zé)熿F機(jī)系統(tǒng)（圖2-c）可提高霧滴沉積分布的均勻度，實(shí)現(xiàn)了整個棚內(nèi)無人施藥，極大地提高了人員作業(yè)安全性。

圖2 國內(nèi)空中軌道式施藥裝備

地面軌道式施藥技術(shù)及裝備

地面軌道式噴霧裝備主要由電機(jī)、控制結(jié)構(gòu)、移動平臺、地面有序軌道及配套設(shè)備等組成，一般利用設(shè)施內(nèi)結(jié)構(gòu)鋪設(shè)軌道，融合智能運(yùn)輸平臺，有限提高設(shè)施施藥機(jī)械化程度，搭載施藥裝備沿行間或垂直行行駛，融合風(fēng)送施藥系統(tǒng)、對靶變量噴頭等部件實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)施藥，可顯著降低人員勞動強(qiáng)度，提高作業(yè)效率，但地面鋪設(shè)軌道占用溫室地面資源，不利于溫室地面作業(yè)。

◎ 國外

國外Sammmons[15]等研制設(shè)施軌道式自動施藥機(jī)器人（圖3-a），施藥機(jī)器人可在軌道上以規(guī)劃的路徑進(jìn)行作業(yè)，噴頭排列在直立噴架兩側(cè)，對兩側(cè)籬架作物進(jìn)行藥劑噴灑，以提高霧滴在作物冠層沉積分布的均勻度。Singh等[16]開發(fā)了一款可滿足狹窄道路的自動行駛施藥機(jī)車（圖3-b），在車體上安裝了自動施藥裝備，可實(shí)現(xiàn)按需自動施藥。Xia等[17]研發(fā)的機(jī)器人（圖3-c）可以完成害蟲和作物識別，通過攝像頭獲取作物葉片及病蟲害發(fā)生位置，通過機(jī)械臂將超低容量噴頭運(yùn)動至靶標(biāo)處進(jìn)行精準(zhǔn)噴灑。Rafiq等[18]利用溫室的水管道作為噴霧裝備導(dǎo)航線，實(shí)現(xiàn)對車輛位置精準(zhǔn)控制（圖3-d），提高了施藥過程中作業(yè)精準(zhǔn)性，施藥覆蓋率達(dá)92.4%。

圖3 國外地面軌道式施藥裝備

◎ 國內(nèi)

國內(nèi)靳偉[19]設(shè)計了軌道式多行作業(yè)噴霧機(jī)，研究分析了3種速度、有無軌道和不平整激勵條件下噴桿自由擺動幅度和吊軌偏轉(zhuǎn)角，并選擇適宜頂噴數(shù)量，以滿足不同高度作物的施藥需求。袁雪等[20]基于CFD模擬技術(shù)建立了溫室風(fēng)送式彌霧機(jī)氣流速度場分布模型和霧滴沉積模型，根據(jù)不同風(fēng)送氣流速度和不同噴頭體傾角，得到彌霧機(jī)氣流速度場分布特性和霧滴沉積規(guī)律；根據(jù)相應(yīng)面分析搖擺式變量彌霧機(jī)并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，建立霧滴變異系統(tǒng)與噴霧流量、距離、行走速度和搖擺速度回歸模型，得到最佳作業(yè)參數(shù)[21]。梅銀成等[22]設(shè)計自走式彌霧機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，采用GSM和單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)對彌霧機(jī)速度和流量的控制，尋找最佳作業(yè)參數(shù)，霧滴分布變異系數(shù)控制在3%～5%，實(shí)現(xiàn)對噴霧流量的精確控制。李進(jìn)海等[23]設(shè)計了適于溫室的自動噴霧裝置（圖4-a），其風(fēng)機(jī)和噴頭成30°夾角，以促進(jìn)噴出藥液在出風(fēng)口二次霧化，且有利于氣流將葉片上下翻動，提高藥液的附著率和利用率。喻晨[24]以黃瓜霜霉病為研究對象（圖4-b），通過計算機(jī)視覺獲取黃瓜病害信息，診斷系統(tǒng)分析發(fā)病情況，根據(jù)病情調(diào)控施藥量以及噴霧時間，達(dá)到精準(zhǔn)對靶施藥作業(yè)效果。關(guān)旭生[25]研制了一種日光溫室行間自動噴藥機(jī)（圖4-c），該機(jī)器沿日光溫室靠北墻側(cè)運(yùn)行，底盤裝有傳感器，在其檢測到物體時，其壟間伸縮裝置會移動噴藥設(shè)備，實(shí)現(xiàn)自動噴藥。

張俊雄等[26]、耿長興等[27]、曹崢勇等[28]以溫室黃瓜霜霉病為噴霧防治對象，結(jié)合溫室環(huán)境和黃瓜種植模式，設(shè)計研發(fā)了溫室移動對靶噴霧系統(tǒng)（圖4-d），利用計算機(jī)視覺獲取以1.2 m×1.2 m區(qū)域內(nèi)葉片病害的顏色和紋理特征進(jìn)行判別，機(jī)械臂帶動噴頭移動，以0.2 m×0.2 m為靶標(biāo)單元確定作物病害的感染程度和分布，并進(jìn)行精準(zhǔn)對靶施藥，通過PLC驅(qū)使三自由度的機(jī)械臂移動噴頭，以達(dá)到精準(zhǔn)噴施效果。徐瑞峰等[29]設(shè)計了溫室果蔬高效風(fēng)助施藥系統(tǒng)（圖4-e），在移動平臺搭載噴霧裝備，沿軌道作業(yè)，噴頭能在作物高度方向均勻噴施，可在換行時停止工作并移動至下一行進(jìn)行作業(yè)，提高了噴灑的均勻性。吳亞壘等[30]基于STM32F101、4G、超聲波靶標(biāo)檢測算法，設(shè)計了一款遠(yuǎn)程智能噴霧控制系統(tǒng)（圖4-f），其可對靶標(biāo)進(jìn)行間歇性藥液管控，并以風(fēng)送距離參數(shù)建立冠層體積模型，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)分離和精準(zhǔn)噴施。

白如月[31]設(shè)計了基于機(jī)器視覺的溫室自走式施藥機(jī)器人（圖4-g），其選用模糊PID控制算法，以壓力傳感器為校準(zhǔn)輸入量，以PWM不同占空比調(diào)整液泵壓力，并作為最終輸出量，實(shí)現(xiàn)了恒壓變量施藥。李明[32]、陳寶林[33]研制了自主行走的溫室彌霧機(jī)（圖4-h），提出“自主行走式物流車＋姿態(tài)可調(diào)風(fēng)送噴霧”的模塊化集成方案，可以根據(jù)蔬菜種植模式優(yōu)化噴霧姿態(tài)，利用風(fēng)送將高壓靜電霧滴輸送至作物冠層，提高霧滴沉積，并實(shí)現(xiàn)人藥分離的全自動施藥。

圖4 國內(nèi)地面軌道式施藥裝備

無軌移動式施藥技術(shù)及裝備

無軌移動式主要在園區(qū)地面自由移動，有履帶式、輪式、退式、復(fù)合式等形式，主要由電機(jī)或油機(jī)驅(qū)動、控制結(jié)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、導(dǎo)航裝置、通信裝置、復(fù)合底盤等組成，履帶式、輪式等主要區(qū)別在于和地面的接觸面積不同，導(dǎo)致跨越能力不同，自動行動能力強(qiáng)，搭載自動導(dǎo)航系統(tǒng)和高通量傳感器實(shí)現(xiàn)自主路徑規(guī)劃，但其因無軌道限制，控制系統(tǒng)較復(fù)雜，移動速度較慢，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對地面平整度有一定要求，適合園區(qū)較好環(huán)境地塊作業(yè)。

◎ 國外

國外Wand kar等[34]設(shè)計了一種用于溫室花卉空氣輔助噴灑施藥機(jī)（圖5-a），其能提高霧滴穿透性和覆蓋均勻性。Sonck[35]開發(fā)了一種垂直噴霧系統(tǒng)（圖5-b），其中包括自動霧滴生成器和循環(huán)風(fēng)送系統(tǒng)，安裝到自主行駛的車輛上，通過控制施藥裝置和風(fēng)送裝置實(shí)現(xiàn)對靶噴霧。Bakker等[36]開發(fā)了基于視覺檢測的自動駕駛車輛（圖5-c），提出智能拼圖法，可顯著提高圖像處理能力，為后期精準(zhǔn)施藥提供研究基礎(chǔ)。Francisco等[37]在輪式設(shè)備中安裝2個垂直噴桿（圖5-d），并利用低成本超聲檢測控制施藥系統(tǒng)，可確定系統(tǒng)激活最小距離，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制施藥作業(yè)。

圖5 國外無軌移動式施藥裝備

◎ 國內(nèi)

國內(nèi)徐勇[38]設(shè)計開發(fā)了一種履帶式智能施藥車（圖6-a），其可通過視覺識別判定提供決策模型，智能施藥自動導(dǎo)航進(jìn)行噴施作業(yè)，實(shí)現(xiàn)籬架型黃瓜精準(zhǔn)對靶施藥作業(yè)。李良等[39-40]有針對性地設(shè)計開發(fā)了溫室軌道風(fēng)送施藥機(jī)器人系統(tǒng)（圖6-b）。系統(tǒng)采用三菱PLC作為控制核心，通過驅(qū)動模塊操控移動平臺和風(fēng)送施藥系統(tǒng)，改變PWM噴頭的占空比來精準(zhǔn)調(diào)控施藥流量，并與流量傳感器采集反饋校準(zhǔn)，達(dá)到自動精準(zhǔn)變量施藥的目的。Wang等[41]設(shè)計一款四輪差分控制的移動機(jī)器人（圖6-c），通過2組電磁閥控制噴頭，調(diào)節(jié)噴桿方向，達(dá)到對靶施藥。

賈衛(wèi)東等[42]設(shè)計了一種遙控式溫室自適應(yīng)噴霧機(jī)（圖6-d），配有無線遙控和自適應(yīng)系統(tǒng)，通過超聲傳感器檢測車體位置，可自動適應(yīng)調(diào)節(jié)距離靶標(biāo)位置，施藥過程中可始終與作物保持近似平行，防止出現(xiàn)重噴和漏噴現(xiàn)象，提高了農(nóng)藥噴施的準(zhǔn)確性。王江山[43]設(shè)計開發(fā)了溫室高架環(huán)境下草莓的側(cè)傾微風(fēng)送施藥機(jī)（圖6-e），提出特殊的兩側(cè)四行居中傾微風(fēng)施藥方案，提高了作物冠層內(nèi)以及葉片正反面的沉積均勻性；并建立施藥高度、角度、噴幅霧滴沉積模型，為智能自適應(yīng)施藥控制算法提供了依據(jù)。顏杰[44]將自動控制技術(shù)與對靶施藥技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控作業(yè)（圖6-f），并能根據(jù)靶標(biāo)的有無進(jìn)行自動對靶施藥，可減少農(nóng)藥43.24%～47.06%，大大節(jié)省了農(nóng)藥施藥量。

王作娟[45]根據(jù)自走式施藥機(jī)械結(jié)構(gòu)和溫室大棚結(jié)構(gòu)類型，設(shè)計了一種以PLC為控制器、可適應(yīng)不同施藥場景的施藥架，其可智能調(diào)節(jié)施藥角度（圖6-g），同時應(yīng)用壓力、流量等各類傳感器監(jiān)測反饋機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)藥精準(zhǔn)控制。靳文停等[46]設(shè)計了一款智能施藥機(jī)器人（圖6-h），其通過自主導(dǎo)航攝像頭和傳感器控制車輛自主行駛，到達(dá)作物位置后由滾珠絲杠和直線電動推桿調(diào)整施藥位置，獲取最佳施藥距離并進(jìn)行作業(yè)。徐浩成等[47]設(shè)計了智能施藥車，可在溫室植株行間自主施藥（圖6-i），通過PID算法調(diào)整航線運(yùn)動控制，并采用超聲傳感器等安全報警模塊，保障施藥過程中能自動停止施藥，實(shí)現(xiàn)了對農(nóng)藥量的精準(zhǔn)控制。

圖6 國內(nèi)無軌移動式施藥裝備

小結(jié)

蔬菜生產(chǎn)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的一個重要部分，國外對蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)的研究是一個系統(tǒng)工程，以美國、意大利等國家生產(chǎn)的機(jī)械裝備為代表，其融合了計算機(jī)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)等信息技術(shù)，使大型蔬菜作業(yè)機(jī)械的智能化、自動化程度得到大幅度提高。整合自動導(dǎo)航技術(shù)、精密控制技術(shù)、農(nóng)田信息采集、專家決策系統(tǒng)等，充分應(yīng)用了地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、農(nóng)田遙感監(jiān)測系統(tǒng)（RS）等精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的核心技術(shù)，根據(jù)電腦處方、施藥量精準(zhǔn)在線檢測，實(shí)施精細(xì)化田間作業(yè)。為適宜大型機(jī)械化全程作業(yè)，歐美很多農(nóng)場只生產(chǎn)單一品種蔬菜，生產(chǎn)過程分工精細(xì)，要求蔬菜田間作業(yè)機(jī)具具有大型化、智能化、自動化、通用性、一體化等組合功能[48-49]。設(shè)施蔬菜作業(yè)空間相對狹窄，機(jī)動性能好的智能移動平臺搭載噴霧裝備進(jìn)行施藥（圖7），有利于精準(zhǔn)對靶施藥技術(shù)實(shí)施，能進(jìn)一步提高設(shè)施植保作業(yè)機(jī)械化、智能化、自動化水平。國內(nèi)外開展了大量研究，如基于圖像識別的龍門架式移動平臺[50-52]，融合視覺導(dǎo)航和RFID定位技術(shù)的軌道式自主移動平臺[53-55]，自主規(guī)劃路線的輪式移動平臺[56]，以及人體仿生機(jī)器人[57-58]等，這些為智能精準(zhǔn)對靶施藥提供了必要的作業(yè)平臺。

圖7 智能移動平臺搭載噴霧裝備進(jìn)行施藥

蔬菜智能化裝備主要將通信技術(shù)、智能控制技術(shù)等相結(jié)合，形成具有感知、思考、學(xué)習(xí)的自主施藥的機(jī)器人，隨著世界新的經(jīng)濟(jì)時代的來臨，各個國家均加快了向智能化升級的步伐，并提出一系列政策和研究專項(xiàng)，如歐洲提出“工業(yè)4.0”，中國也將智能化列為“十四五”重點(diǎn)發(fā)展目標(biāo)，針對園藝設(shè)施列出“智能農(nóng)機(jī)專項(xiàng)”“溫室智能化精細(xì)生產(chǎn)技術(shù)與裝備研發(fā)”等項(xiàng)目。縱觀農(nóng)機(jī)發(fā)展歷程，國內(nèi)外均要經(jīng)歷機(jī)械化、自動化、信息化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化等階段，但是絕大多數(shù)的國家沒有全部實(shí)現(xiàn)智能化的轉(zhuǎn)變，均是在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)械化、信息化、智能化改造，距離真正意義的智能化仍較遠(yuǎn)。國外機(jī)械化開展較早，蔬菜產(chǎn)業(yè)應(yīng)用智能化水平較高，中國蔬菜機(jī)械化水平不足40%，遠(yuǎn)低于主要糧食作物，目前在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的植保機(jī)械仍以手動或電動背負(fù)式噴霧器為主，作業(yè)效率低，勞動強(qiáng)度大，傳統(tǒng)的大容量噴霧技術(shù)進(jìn)一步增加了溫室的濕度，更容易誘發(fā)病蟲害的發(fā)生。常規(guī)的施藥機(jī)具和方法已不能滿足無公害和綠色蔬菜的生產(chǎn)要求。為改變目前溫室施藥機(jī)具落后、施藥困難的問題，國內(nèi)出現(xiàn)了一些新型的溫室植保機(jī)具，如電動背負(fù)式風(fēng)送噴霧器、旋轉(zhuǎn)噴槍、熱煙霧機(jī)、常溫?zé)熿F機(jī)、溫室軌道式彌霧機(jī)、背負(fù)式靜電噴霧器等。同時研發(fā)并改進(jìn)了許多先進(jìn)的植保機(jī)械，例如，噴桿式噴霧機(jī)，風(fēng)送式噴霧機(jī)，基于RTK導(dǎo)航、超聲波和機(jī)器視覺的自動對靶噴霧機(jī)等[59-62]，但由于機(jī)具成本和溫室內(nèi)作物行間及地頭窄小的作業(yè)環(huán)境限制，這些先進(jìn)的施藥機(jī)具并沒有得到大面積的推廣應(yīng)用。為了開啟國內(nèi)蔬菜產(chǎn)業(yè)智能化道路，國內(nèi)需提高機(jī)械化和自動化水平，突破智能化實(shí)施過程中所需的關(guān)鍵技術(shù)，開拓全程多學(xué)科融合發(fā)展之路。

蔬菜產(chǎn)業(yè)智能植保農(nóng)機(jī)裝備技術(shù)發(fā)展中的困境與難點(diǎn)

隨著農(nóng)藥污染問題的重視和環(huán)保意識的增強(qiáng)，針對蔬菜產(chǎn)業(yè)施藥問題，越來越多的學(xué)者和企業(yè)開始重視農(nóng)藥的精準(zhǔn)使用，開始了提高蔬菜植保機(jī)械智能化、精準(zhǔn)化水平的研究。風(fēng)送對靶施藥、基于傳感器的精準(zhǔn)施藥等技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到蔬菜產(chǎn)業(yè)中。雖然我國蔬菜機(jī)械化、智能化、精準(zhǔn)化已經(jīng)取得十分顯著的進(jìn)展，但面對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展需求，其蔬菜產(chǎn)業(yè)智能植保農(nóng)機(jī)發(fā)展仍有許多困境。

規(guī)劃引導(dǎo)及推廣效力不足

蔬菜生產(chǎn)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要內(nèi)容，是農(nóng)民發(fā)家致富的重要途徑，蔬菜生產(chǎn)病蟲害管理是實(shí)現(xiàn)蔬菜產(chǎn)業(yè)節(jié)本增效的重要著力點(diǎn)，信息化、智能化雖投入成本高，但面對勞動力短缺、蔬菜農(nóng)藥殘留等問題，精準(zhǔn)植保已經(jīng)成為當(dāng)今發(fā)展的重要方向。有關(guān)主管部門在搞好頂層設(shè)計、明確總方向、統(tǒng)籌設(shè)施和露地蔬菜重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域全局、制定蔬菜智能植保機(jī)械化戰(zhàn)略規(guī)劃上仍存在不足；在蔬菜智能植保機(jī)械化實(shí)際推廣過程中仍存在管轄部門多，辦事部門少；演示機(jī)械多、干活機(jī)械少；機(jī)械種類多，實(shí)際作用?。谎a(bǔ)貼目錄多，支持力度少等不良現(xiàn)象。

蔬菜產(chǎn)業(yè)推廣應(yīng)用進(jìn)展遲緩

智能植保機(jī)械雖可減少勞動力成本、提高施藥效率，但其成本高、應(yīng)用局限性大，仍多集中于投入較高、市場效益較好的園區(qū)企業(yè)、試驗(yàn)站，針對相對偏遠(yuǎn)地區(qū)應(yīng)用極少，絕大多數(shù)的地區(qū)基本使用智能化程度較低的小型植保裝備；并且多數(shù)智能植保裝備為樣機(jī)階段，并未在行業(yè)中進(jìn)行推廣，其適用性低、維護(hù)成本高，且研發(fā)單位多為科研性質(zhì)，推廣規(guī)模小、經(jīng)驗(yàn)不足，導(dǎo)致植保機(jī)具應(yīng)用商業(yè)化水平低。

學(xué)科間協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制欠缺

蔬菜植保智能化是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程，需要農(nóng)藝技術(shù)、農(nóng)機(jī)制造、設(shè)施技術(shù)、智能控制等多學(xué)科和部門協(xié)同攻關(guān)，特別是智能化植保機(jī)械，不只是需要機(jī)械水平和農(nóng)藥應(yīng)用技術(shù)，更需要將電子信息化、農(nóng)藝與農(nóng)機(jī)相融合，但目前缺乏多學(xué)科之間合作，往往在本領(lǐng)域進(jìn)行單項(xiàng)技術(shù)研究，造成綜合集成技術(shù)少，農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝不匹配、產(chǎn)學(xué)研推用脫節(jié)，嚴(yán)重影響智能化植保機(jī)械的推廣，造成單項(xiàng)技術(shù)難以適應(yīng)規(guī)?；滦褪卟松a(chǎn)經(jīng)營主體的局面。

蔬菜智能植保機(jī)械應(yīng)用基礎(chǔ)差

蔬菜生產(chǎn)機(jī)械化是機(jī)械智能化的基礎(chǔ)，而機(jī)械化離不開設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)化和農(nóng)藝的規(guī)范化。設(shè)施結(jié)構(gòu)不規(guī)范、蔬菜農(nóng)藝多樣，導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)規(guī)?；睢⑸a(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)隨意，注重農(nóng)藝措施，輕視機(jī)械措施，且在蔬菜園區(qū)建設(shè)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中忽視機(jī)械作業(yè)的可操作性，導(dǎo)致農(nóng)機(jī)制造企業(yè)開發(fā)機(jī)械設(shè)備難度提高，農(nóng)機(jī)批量化生產(chǎn)制造成本高，難以大規(guī)模推廣應(yīng)用；農(nóng)藝農(nóng)機(jī)脫節(jié)，農(nóng)機(jī)配套難；這些都嚴(yán)重制約著智能植保機(jī)械的應(yīng)用與發(fā)展。

蔬菜智能植保機(jī)械關(guān)鍵技術(shù)被卡脖子

近年來，我國智能農(nóng)機(jī)保有量有所增加，高端研究示范型、低端應(yīng)用型農(nóng)機(jī)居多。高端產(chǎn)品的傳感器等關(guān)鍵部件主要依靠進(jìn)口，導(dǎo)致生產(chǎn)成本高，關(guān)鍵性技術(shù)難以突破；而低端產(chǎn)品出現(xiàn)模仿、低效競爭，開發(fā)企業(yè)利益因得不到法律保障而難以維持。智能農(nóng)機(jī)在我國尚未形成大規(guī)模應(yīng)用，缺乏成套化、標(biāo)準(zhǔn)化；因此，企業(yè)維護(hù)成本高，同時沒有針對智能設(shè)備的額外補(bǔ)貼，企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營難以維持，缺乏技術(shù)和資金研發(fā)適合蔬菜智能植保機(jī)械的關(guān)鍵零部件。

農(nóng)機(jī)經(jīng)營主體對蔬菜智能植保機(jī)械態(tài)度消極

蔬菜智能植保機(jī)械在市場推廣中受國家補(bǔ)貼政策影響較大，因智能農(nóng)機(jī)設(shè)備屬非通用型裝備，針對智能農(nóng)機(jī)沒有特殊補(bǔ)貼，導(dǎo)致經(jīng)銷商興趣不高；且智能農(nóng)機(jī)較傳統(tǒng)機(jī)械維修保養(yǎng)難度大，用戶沒有相應(yīng)的技術(shù)儲備，產(chǎn)品使用體驗(yàn)感差而不能有效推廣使用。

小結(jié)

農(nóng)機(jī)智能化是農(nóng)業(yè)智能化的關(guān)鍵，我國農(nóng)機(jī)尤其是植保農(nóng)機(jī)正在走向數(shù)字化、精準(zhǔn)化、高效化和科學(xué)化軌道，路途上面臨著規(guī)劃引導(dǎo)及推廣力不足、蔬菜植保機(jī)械應(yīng)用率低、農(nóng)機(jī)農(nóng)藝缺乏融合等挑戰(zhàn)，但搭載信息感知技術(shù)、傳感器、互聯(lián)網(wǎng)和智能控制技術(shù)的植保農(nóng)機(jī)裝備潛力較大。

蔬菜施藥農(nóng)機(jī)裝備發(fā)展趨勢

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、5G、人工智能、無人駕駛等技術(shù)的興起，信息產(chǎn)業(yè)革命使新技術(shù)、新裝備與農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的融合不斷加深，未來蔬菜產(chǎn)業(yè)被賦予了豐富的內(nèi)涵，同時也將迎來深刻的發(fā)展變革。由于蔬菜產(chǎn)業(yè)特別是設(shè)施蔬菜工作場景處于非結(jié)構(gòu)化，作業(yè)對象顏色、形態(tài)、背景復(fù)雜性高，作業(yè)空間和機(jī)械運(yùn)動軌跡規(guī)劃多變，給精準(zhǔn)對靶施藥機(jī)器人作業(yè)帶來很大困難，但國內(nèi)外針對蔬菜智能精準(zhǔn)對靶農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究從未停止，從智能感知、控制、決策、作業(yè)、管控技術(shù)應(yīng)用到政府引導(dǎo)推廣、企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)升級等方面繼續(xù)深入推進(jìn)，呈現(xiàn)如下趨勢。

智能化裝備將加快推廣應(yīng)用

蔬菜是日常生活必不可少的食物，隨著人口紅利逐步消退，人口數(shù)量持續(xù)減少，勞動成本增加，間接地促進(jìn)了省時、省力的智能化蔬菜植保裝備的大力發(fā)展。當(dāng)今時代，互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)在全球產(chǎn)業(yè)化布局下發(fā)展加快，智能手機(jī)、無線傳輸設(shè)備等終端設(shè)備被廣泛應(yīng)用，4G、5G網(wǎng)絡(luò)不斷成熟，基于以上先進(jìn)技術(shù)的智能化植保設(shè)備將實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，亦可為菜農(nóng)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益，展現(xiàn)出巨大潛力，這將極大地激發(fā)蔬菜種植者對病蟲害智能管理的熱情，進(jìn)一步加快智慧農(nóng)業(yè)、人工智能等技術(shù)融合，促進(jìn)蔬菜施藥精準(zhǔn)化、智能化，為打造蔬菜智能植保提供重要的技術(shù)支撐。

人工智能等新技術(shù)革命加快應(yīng)用

人工智能以及各類傳感器技術(shù)、高通量植物表型測量技術(shù)快速發(fā)展，并利用基因?qū)W、分子生物學(xué)、農(nóng)藥遙感、建模分析等技術(shù)，對作物基因—表型—環(huán)境進(jìn)行有機(jī)調(diào)控，一系列具有人工智能的裝備和產(chǎn)品逐步應(yīng)用到現(xiàn)代蔬菜產(chǎn)業(yè)中，可通過智能監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程傳輸、智能分析和自動化控制實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程全程監(jiān)控與管理，構(gòu)建蔬菜全產(chǎn)業(yè)鏈自動化應(yīng)用體系，實(shí)現(xiàn)全程智能管理，可極大提高蔬菜生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)。

注重蔬菜產(chǎn)品安全，推動農(nóng)藥精準(zhǔn)使用

蔬菜藥肥用量大、周期長，極易因過量施藥造成農(nóng)藥殘留，而流失到土壤的農(nóng)藥對下茬作物健康生產(chǎn)造成影響，嚴(yán)重影響人類賴以生存的環(huán)境。隨著人們對食品安全的不斷關(guān)注，低殘留、綠色、健康的蔬菜成為人們選購的焦點(diǎn)，迫使菜農(nóng)提高施藥的精量化，而單靠經(jīng)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥精準(zhǔn)控制；因此，智能精準(zhǔn)的蔬菜施藥裝備成為蔬菜綠色發(fā)展的重要趨勢，推動智能低量施藥、對靶施藥技術(shù)在新型蔬菜植保機(jī)械中的應(yīng)用。

蔬菜植保配套機(jī)具專業(yè)化、智能化、成套化

受“重糧食，輕蔬菜；重農(nóng)藝，輕裝備；重設(shè)施，輕機(jī)具”等種植思想的影響，蔬菜生產(chǎn)專用平臺、精準(zhǔn)施藥等關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)投入少，在病蟲害管理等環(huán)節(jié)機(jī)械不配套、效率低、施藥質(zhì)量差等問題突出。隨著農(nóng)藝措施標(biāo)準(zhǔn)化的推進(jìn)，將加快蔬菜園區(qū)的宜機(jī)化改造，開發(fā)適合蔬菜生產(chǎn)的專用多功能平臺，以適應(yīng)蔬菜智能施藥裝備作業(yè)，促進(jìn)農(nóng)機(jī)、農(nóng)藝融合；同時，推進(jìn)系統(tǒng)集成智能化設(shè)備并用于生產(chǎn)，即將施藥、采摘、施肥等集成到通用平臺，實(shí)現(xiàn)配套機(jī)具的成套化、專業(yè)化、智能化。

精準(zhǔn)對靶施藥技術(shù)加快應(yīng)用

設(shè)施中作物冠層高大密集，葉片相互遮蔽，霧滴很難穿透冠層而沉積到行間，蔬菜種植模式和冠層特征導(dǎo)致病蟲害發(fā)病重、繁殖快、“打不透、殺不掉”的現(xiàn)象普遍存在；因此，針對不同蔬菜冠層特征，利用變量風(fēng)送技術(shù)、靜電噴霧技術(shù)、基于傳感器的對靶施藥技術(shù)成為未來蔬菜產(chǎn)業(yè)病蟲害防治標(biāo)準(zhǔn)配置，對減少農(nóng)藥使用量、農(nóng)藥殘留，保證食品安全具有重要意義。

蔬菜智能精準(zhǔn)植保機(jī)器人創(chuàng)新

隨著中國城市化進(jìn)程的加快，勞動力短缺加劇，施藥過程人員安全更加受到重視，造成在蔬菜病蟲害防治高峰期，難以找到作業(yè)工人，促使種植者使用代替人類工作的智能施藥裝備。需求促進(jìn)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級，刺激企業(yè)加大對蔬菜智能植保機(jī)械研究；同時，企業(yè)在尋找新的市場機(jī)遇，加快蔬菜自主智能植保機(jī)器人開發(fā)，以實(shí)現(xiàn)植保作業(yè)人機(jī)分離、人藥分離為目標(biāo)，利用各類傳感器實(shí)現(xiàn)蔬菜施藥機(jī)器人自主規(guī)劃路徑，根據(jù)作物冠層特點(diǎn)和病蟲害發(fā)生特征，有針對性地研發(fā)智能精準(zhǔn)對靶施藥裝備，最終實(shí)現(xiàn)蔬菜施藥無人化、精準(zhǔn)化作業(yè)。