曹中華 ，崔晉波 ，湛小梅 ，馮 偉 ，李亞麗

（重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，重慶 401329）

1 研究意義

重慶是全國柑橘的主產(chǎn)區(qū)和優(yōu)產(chǎn)區(qū)，柑橘產(chǎn)業(yè)位居重慶七大特色產(chǎn)業(yè)之首，種植面積超過350萬畝（1畝≈667m2），產(chǎn)量超過330萬噸，種植業(yè)產(chǎn)值近200 億元，幫助農(nóng)民脫貧致富效果顯著。然而，在重慶市柑橘產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)，柑橘生產(chǎn)機(jī)械化卻令人堪憂，其中以植保機(jī)械最為突出。目前，重慶市柑橘果園的農(nóng)藥噴灑方式大多采用背負(fù)式噴霧器，這種噴霧器需要農(nóng)民自身攜帶藥箱，并通過手動施壓來噴灑農(nóng)藥，存在工作效率低、勞動強(qiáng)度大、農(nóng)藥利用率低以及環(huán)境污染嚴(yán)重等突出問題[1-3]。

農(nóng)業(yè)機(jī)械是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)，農(nóng)業(yè)機(jī)械化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。政府高度重視農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展，頒布了《農(nóng)業(yè)機(jī)械化促進(jìn)法》《農(nóng)業(yè)機(jī)械安全監(jiān)督管理?xiàng)l款》等法規(guī)和規(guī)章，制定印發(fā)了《國務(wù)院關(guān)于促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化和農(nóng)機(jī)工業(yè)又好又快發(fā)展的意見》和《國務(wù)院關(guān)于加快推進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化和農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的指導(dǎo)意見》，將農(nóng)機(jī)裝備發(fā)展列為《中國制造2025》重點(diǎn)領(lǐng)域，出臺了一系列支持促進(jìn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展的政策舉措，調(diào)動了廣大農(nóng)民購機(jī)、用機(jī)的積極性，推動了全國農(nóng)業(yè)機(jī)械化持續(xù)快速發(fā)展，成為中國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展進(jìn)程中的突出亮點(diǎn)。同時(shí)，隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的進(jìn)程不斷加快，農(nóng)業(yè)“用工難”“用工貴”問題日益突出，農(nóng)業(yè)各領(lǐng)域?qū)C(jī)械化的需求越來越迫切，廣大農(nóng)民對農(nóng)機(jī)裝備的依賴越來越明顯，“機(jī)械化換人”成為破解“誰來種地？怎么種地？”問題的必然選擇。適應(yīng)新形勢、新要求，加快推進(jìn)重慶市農(nóng)業(yè)機(jī)械化轉(zhuǎn)型升級，是全面實(shí)施重慶市“鄉(xiāng)村振興”行動計(jì)劃的迫切要求?？梢姡悄苻r(nóng)機(jī)發(fā)展政策優(yōu)越、時(shí)間緊迫。

隨著科技的進(jìn)步和人們環(huán)保意識的提高，人們越來越重視農(nóng)藥對環(huán)境的污染以及農(nóng)藥的利用率問題。同時(shí)，果農(nóng)對柑橘施藥機(jī)械的要求也越來越高，不但要求農(nóng)藥的利用率高，而且還要求勞動強(qiáng)度低、環(huán)境污染小。如何在噴灑農(nóng)藥的同時(shí)，減少農(nóng)藥對柑橘果品與環(huán)境的影響，提高農(nóng)藥利用率、殺蟲效果、霧化效果、藥物的沉淀量，降低成本及病蟲害對果樹的傷害和環(huán)境污染是迫切需要解決的問題。因此，針對我國丘陵山區(qū)宜機(jī)標(biāo)準(zhǔn)柑橘園種植管理需求，兼顧施藥作業(yè)需要，進(jìn)行柑橘無人對靶施藥關(guān)鍵技術(shù)研究，為下一步研制柑橘無人對靶施藥裝備提供理論依據(jù)[4-5]。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外在農(nóng)藥噴施技術(shù)方面的研究發(fā)展得較早，以歐美地區(qū)的發(fā)達(dá)國家為主。Speelman 等人先后研究了不同行駛速度會引起噴桿的不規(guī)則運(yùn)動及激振頻率會影響噴霧分布均勻性，噴桿水平運(yùn)動對噴霧分布均勻性的影響情況。Duga 等人利用3 種不同類型噴霧機(jī)對4 種不同果樹進(jìn)行霧滴沉積試驗(yàn)，得出更高的空氣流速有利于提高目標(biāo)作物的霧滴沉積率。Pérez-Ruiz 等人研究噴霧控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)降低了植保成本、環(huán)境破壞和農(nóng)民的人身風(fēng)險(xiǎn)，并配有先進(jìn)的傳感器，加強(qiáng)探測噴桿末端效應(yīng)并確保噴灑的準(zhǔn)確性。Pascuzzi 等人研究了一種氣動靜電噴霧器來評估靜電荷對葡萄葉面噴霧沉積的影響，以求達(dá)到更好的霧化效果。GilesDK等人先后研究對靶噴藥系統(tǒng)，使用CCD攝像機(jī)實(shí)時(shí)采集目標(biāo)作物，基于機(jī)器視覺的精確對靶噴施系統(tǒng)，有效減少了農(nóng)藥的使用量。綜上所述，國外在對模型的建立、噴桿的動態(tài)特性、噴桿的自動平衡、靶噴施方面應(yīng)用的技術(shù)比較先進(jìn)，性能方面比較可靠，針對病蟲害防治的精確噴施技術(shù)的研究值得國內(nèi)借鑒和參考。但國外一些現(xiàn)有成果難以在國內(nèi)直接應(yīng)用，高精尖的對靶噴施設(shè)備（如激光掃描儀、機(jī)器視覺設(shè)備）使得噴霧機(jī)具在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的使用成本過高、大型機(jī)具難以適應(yīng)我國標(biāo)準(zhǔn)檸檬果園種植模式施藥等，在全株施藥技術(shù)、無人對靶施藥技術(shù)等領(lǐng)域研究不足。

國內(nèi)在農(nóng)藥噴施技術(shù)方面落后于發(fā)達(dá)國家，主要采用粗放式的噴施方法，噴施技術(shù)水平低，主要采用小型噴霧機(jī)具。隨著智能農(nóng)業(yè)裝備研究的深入，國內(nèi)諸多學(xué)者也在精確噴施技術(shù)上做了大量的研究。丁競崗等人先后針對果園噴霧機(jī)研究噴頭的最佳間距、噴頭高度、液體壓力和均勻覆蓋所需重疊量的函數(shù)，壓力損失對XR系列噴頭霧滴粒徑分布的影響，霧滴的實(shí)時(shí)飄移情況及飄移分布規(guī)律，可轉(zhuǎn)換噴桿噴霧機(jī)自動測控系統(tǒng)及噴霧機(jī)的超寬幅噴桿式、折疊機(jī)構(gòu)、仿形機(jī)構(gòu)和回彈機(jī)構(gòu)。何雄奎等人通過研究紅外傳感探測技術(shù)，利用顏色傳感器和單片機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)只對綠色作物靶標(biāo)噴霧的目的。但是，總體來說國內(nèi)目前在對靶技術(shù)方面的大多數(shù)成果還停留在試驗(yàn)階段，實(shí)用性不強(qiáng)，距離投入實(shí)際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還有一段時(shí)間。在全株施藥技術(shù)模式、無人駕駛自動對靶施藥技術(shù)領(lǐng)域等方面出現(xiàn)空白[6-9]。

綜上，國外精準(zhǔn)噴霧機(jī)的發(fā)展趨勢已經(jīng)向大型化、機(jī)電液一體化、智能化等方向發(fā)展。在大功率拖拉機(jī)上前后懸掛機(jī)具進(jìn)行高速、寬幅施藥等作業(yè)，并廣泛結(jié)合虛擬儀器技術(shù)，利用現(xiàn)代傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)對靶施藥，以提高作業(yè)效率和節(jié)約能源。同時(shí)，國內(nèi)噴霧機(jī)研究從通用設(shè)備向?qū)Ｓ迷O(shè)備發(fā)展，從粗放噴霧向精準(zhǔn)噴霧甚至對靶噴霧發(fā)展，針對果園種植管理需求，兼顧施藥作業(yè)需要，進(jìn)行對靶施藥、無人駕駛設(shè)備的研發(fā)，逐步替代背負(fù)式、擔(dān)架式噴霧機(jī)開展作業(yè)，減輕勞動強(qiáng)度，提高作業(yè)效率。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 開展標(biāo)準(zhǔn)化柑橘園機(jī)藝融合技術(shù)研究

針對丘陵山地標(biāo)準(zhǔn)化柑橘園農(nóng)藝種植需求，柑橘樹型大、排水溝設(shè)置不科學(xué)導(dǎo)致的底盤通過性差問題，篩選適宜的柑橘修剪技術(shù)，集成柑橘疏花疏果技術(shù)和果園暗排技術(shù)，從而解決丘陵山地柑橘園動力底盤通過性差、機(jī)械施藥困難等問題。

3.2 柑橘全株機(jī)械施藥技術(shù)研究

針對柑橘機(jī)械施藥時(shí)葉背藥液沉淀量低、霧滴分布不均勻等問題，通過對我國丘陵山區(qū)宜機(jī)標(biāo)準(zhǔn)柑橘園種植模式的研究，依照樹冠大小形態(tài)采用液壓技術(shù)控制，研究變噴桿噴霧機(jī)自動收合變形、自調(diào)整高度機(jī)構(gòu)，采用仿樹形弧形噴桿，研究噴桿上安裝的可調(diào)噴嘴個(gè)數(shù)及分布方式，實(shí)現(xiàn)柑橘頁面葉背全株施藥，利用FLUENT 對噴霧霧化特性進(jìn)行仿真分析，使用室內(nèi)噴霧性能綜合試驗(yàn)臺對影響噴桿噴霧機(jī)噴霧分布均勻性的相關(guān)工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)研究，設(shè)置不同噴霧機(jī)相關(guān)技術(shù)參數(shù)組合，通過數(shù)據(jù)整理分析，尋找到施藥距離、噴霧壓力、對應(yīng)的霧滴沉淀量的最優(yōu)參數(shù)組合，采用數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)，建立柑橘噴霧虛擬樣機(jī)，進(jìn)行噴霧情況的仿真分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，形成輕簡高效的噴霧機(jī)主體結(jié)構(gòu)，對噴霧機(jī)進(jìn)行實(shí)際田間試驗(yàn)，檢驗(yàn)噴霧機(jī)的霧滴覆蓋率和穿透性，分析噴霧機(jī)實(shí)際噴藥霧化效果、柑橘葉背藥液沉淀量等參數(shù)。

3.3 柑橘機(jī)械施藥對靶技術(shù)研究

針對標(biāo)準(zhǔn)果園柑橘種植模式、農(nóng)藥利用率低且易流失造成環(huán)境污染等問題，研究柑橘對靶施藥技術(shù)。采用紅外光電傳感器探測果樹，結(jié)合柑橘生長狀態(tài)，通過紅外光電及雷達(dá)傳感器來實(shí)時(shí)獲取噴施柑橘的輪廓、距離、深度及密度等信息，經(jīng)處理器控制電磁閥的開閉，從而控制噴頭噴停。針對樹冠層枝葉的不連續(xù)，研究紅外光電及雷達(dá)傳感器檢測噴霧單元與樹冠層枝葉的距離，當(dāng)檢測到柑橘果樹時(shí)，由與噴嘴相連的電磁開關(guān)閥控制進(jìn)行施藥工作，并由控制系統(tǒng)分析處理后確定施藥量的多少，形成施藥決策。根據(jù)傳感器信號控制電磁閥狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自動對靶施藥，以降低藥液的用量，提高藥液的使用效率，減少環(huán)境污染。

3.4 無人對靶施藥系統(tǒng)研究

在噴桿上中下三處配置傳感器，用于樹冠感應(yīng)與距離反饋，研究傳感器參數(shù)、流量和壓力系統(tǒng)調(diào)節(jié)方法、多傳感器防干擾技術(shù)、傳感器防電子系統(tǒng)干擾技術(shù)等，研發(fā)噴霧智能控制系統(tǒng)，指揮噴桿根據(jù)樹冠情況自動伸縮、張合及傾角調(diào)整，噴頭根據(jù)樹冠情況自動開閉，實(shí)現(xiàn)對靶施藥。

3.5 新能源無人駕駛智能底盤研究

根據(jù)我國丘陵山區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化柑橘園的特點(diǎn)、柑橘樹型和噴藥動力及精度的要求，搭建鋰電池雙電機(jī)履帶底盤、集成遙控模塊和電動推桿系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)柑橘對靶施藥裝備自動行走，在動力底盤前方和左右兩側(cè)各配置姿態(tài)傳感器、雷達(dá)避障傳感器、角度傳感器等，用于地形、障礙物和車身姿態(tài)感知，實(shí)現(xiàn)底盤行走速度自動調(diào)節(jié)、智能避障和轉(zhuǎn)彎，確保定位信號丟失時(shí)能準(zhǔn)確行止，從而實(shí)現(xiàn)動力底盤作業(yè)的無人操作，最大程度地減少農(nóng)藥對操作人員身體健康的傷害。

4 結(jié)語

基于我國丘陵山區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化宜機(jī)柑橘園種植的農(nóng)藝要求，通過對柑橘全株機(jī)械施藥、柑橘機(jī)械對靶施藥、新能源無人駕駛智能底盤等關(guān)鍵技術(shù)的研究，擬解決柑橘施藥過程中的葉背藥液沉淀量低、分布不均勻、殺蟲效果差、藥液浪費(fèi)量大、附著率低及環(huán)境污染嚴(yán)重等問題，為柑橘無人對靶施藥裝備的研制提供理論依據(jù)。