精准施药技术现状分析

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) 摘 要: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。 关键词: 精准农业; 变量施药; 智能控制 中图分类号:S49 文献标识码:A文章编号:1003- 188X(2010) 05- 0009- 04 0 引言 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 4 000万 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 信息获取方式 收稿日期:2009- 11- 18 基金项目: 国家/ 十一五0科技支撑计划重大项目 ( 2006BAD09B04) 作者简介: 翟长远 ( 1982- ), 男, 河南驻马店人, 讲师, (E- mail) zha i 2 changyuan 163 . co m。 通讯作者:朱瑞 祥 ( 1956 -), 男, 陕 西三 原人, 教授, ( E -ma il) zrxjdxy2006 sohu. co m。 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 Ag GPS132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 喷雾技术 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 风送液力式喷雾技术 ( air- assisted hydraulic spra2 ying)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 M piche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: 可以有效地减少农 药使用量, 降低生产成本, 提高防治效果; 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; 对喷雾环境要求低, 时效性好。 2 . 2 静电式喷雾技术 静电喷雾 ( electrostatic spraying)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 超低量和低量喷雾技术 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 667m 2 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 仿形喷雾技术 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 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。 Yang Chun- 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 结束语 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。 参考文献: 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 Blackmore S . Precision far m ing: an introduction J. Outlook on Agriculture , 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. Development of a sensor-based precision herbi2 cide application system J. Computers and Electronics in Agriculture , 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 M piche , B panneton , R theriault . Reduced drift from air- assisted spraying J. Canadian Agricultural Engineering , 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. 世界林业研究, 2005, 18( 3): 38- 42. 15 王科元, 陈永成, 李华, 等. 农药静电喷雾技术的发展 J. 农机化研究, 2006( 7): 50- 52. 16 何雄奎, 严苛荣. 果园自动对靶静电喷雾机设计与试验 研究 J. 农业工程学报, 2003, 16( 6): 78- 80. 17 贾卫东, 邱白晶, 施爱平, 等. 农用高压静电喷雾场的实 验 J. 农业机械学报, 2007, 38( 12): 66- 69 . 18 陈艳巧, 张晓辉, 常金丽, 等. 轻型电动弥雾机喷头的设 计 J. 农业机械学报, 2007, 38( 5): 58- 61. 19 张建瓴, 陈树军, 可欣荣, 等. 仿形喷雾装置的设计及分 析 J. 现代制造工程, 2006( 1): 120- 122. 20 邵陆寿, 戴之祥, 崔怀雷, 等. 基于模糊控制的变量施药 控制系统 J. 农业机械学报, 2005, 36( 11): 110- 112 . 21 林惠强, 刘才兴, 洪添胜. 果树施药仿形喷雾的神经网络 统一模型 J. 农机化研究, 2007( 10): 57- 60 . 22 Toru Tori. i Research in autonomous agriculture vehicles in Japan J. Computer and Electronics in Agriculture , 2000, 25: 133- 153 . 23 刘志壮, 洪添胜, 李震, 等. 基于模糊控制的流量控制阀 仿真 J. 农业工程学报, 2009, 25( 2): 83- 86. 24 张发军, 柴苍修. 智能车载喷雾的模糊控制方法 J. 农 业工程学报, 2007, 23( 7): 104- 108. 25 Chun-Chieh Yang ,Shiv O.Prasher ,Jacques- Andre Landry , et a.l Development of a herbicide application map using artificial neural networks and fuzzy logic J. Agricul 2 turalSystems , 2003, 76: 561- 574. StatusAnalysis of Precision Pesticide Application Techniques ZhaiChangyuan, Zhu Ruixiang, Zhang Zuojing, Ma Liangliang, ZhangQiyu (College ofMechanical and Ele