果園植保仿形噴霧技術研究現狀與展望

張 惠，姜春淼，張 景*，陳金成，潘 峰

(1.新疆農墾科學院機械裝備研究所，新疆石河子 832000；2.石河子大學機械電氣工程學院，新疆石河子 832000)

我國果園種植面積和水果產量常年穩(wěn)居世界首位，水果已成為我國繼糧食和蔬菜之后的第三大農業(yè)種植產業(yè)[1]。果園田間生產作業(yè)主要包括整地、中耕除草、開溝施肥、灌溉、植保、修剪、采收等多個環(huán)節(jié)，過程煩瑣、用工需求大[2-3]。其中，植保作業(yè)作為防治病蟲害、調節(jié)長勢的重要環(huán)節(jié)，不僅勞動強度大，操作者還要面臨有毒作業(yè)環(huán)境，其解放人力、實現機械化的需求更顯迫切。尤其，隨著我國城市化進程的加快，農村勞動力愈發(fā)緊缺，推進植保作業(yè)機械化、自動化已成為實現果園生產節(jié)本增效的必然要求[2，4-9]。

噴霧裝備是實現果園植保機械化的重要載體，一般由機架、噴桿、噴頭、藥箱、動力系統(tǒng)等部分組成。近年來，隨著精準噴霧技術的發(fā)展，噴霧裝備逐步向自動化、智能化迭代升級[10-11]。尤其，為提升霧滴分布質量，越來越多的噴霧機械配置了仿形機構及其控制系統(tǒng)，即通過人工觀測或傳感器探測樹冠形狀尺寸，手動或自動調整噴桿折疊位姿實現對樹冠均勻包絡，從而均勻、穩(wěn)定噴霧距離及藥液分布，改善噴霧效果[12-14]。發(fā)展仿形噴霧技術對于實現精準施藥，提高農藥利用率、降低果園生產成本與環(huán)境污染具有重要意義。

該研究對國內外目前存在的果樹冠層仿形機構進行綜述，分別描述以倒U型、雙搖臂式、變噴桿式為主的仿形機構特點，介紹具有上述仿形機構的植保作業(yè)整機，同時進一步分析樹冠仿形機械當前存在的問題，并對樹冠仿形技術的發(fā)展予以展望。

1 樹冠仿形機構及分析

1.1 倒U型仿形機構倒U型仿形機構由多個連桿鉸接而成，其形狀與倒“U”相似，該仿形機構在同一平面內有多個旋轉自由度，各連桿之間角度變化范圍相對較小、仿形精度較高[15]。

張建瓴等[16]首次提出果樹仿形噴霧技術，設計出的對稱仿形機械臂如圖1，各機械臂前后鉸接，相鄰兩機械臂之間通過直流電動機驅動螺旋機構改變仿形機構形狀，滑塊調節(jié)機械臂寬幅，轉盤電動機驅動機械臂繞果樹180°旋轉。通過建立運動方程，計算了在平面內各噴頭的工作可達空間，作業(yè)空間的數值仿真結果表明基本能完成樹冠仿形運動，但上述結論只建立在仿真分析基礎上，未得到試驗驗證。

圖1 仿形機械臂Fig.1 Profile robot arm

遇寶俊[17]基于以上研究，在支架與仿形機構上做了較大改進(圖2)。改進后的噴霧機可同時對兩行果樹作業(yè)，仿形機構平面自由度較高，水平間距與豎直高度可調，可滿足不同形狀、行距、高度的果園作業(yè)要求。采用ADAMS對其設計的倒“U”型仿形機構進行了動力學及力學參數分析，校驗了其仿形機構的作業(yè)空間以及各鉸鏈點在運動過程中的受力情況，仿真分析結果與樣機試驗結果基本吻合，滿足其作業(yè)空間及強度的設計要求，實際噴霧作業(yè)效果未得到驗證，且該仿形機構體積較為龐大，沒有收縮機構，不方便運輸。

注：1.仿形機構；2.機械臂高度調節(jié)液壓缸； 3.支架折疊液壓缸；4.支架橫向伸縮液壓缸；5.支架。Note:1.Profile mechanism;2.Hydraulic cylinder for working height adjustment;3.Hydraulic cylinder for folding;4.Horizontal telescopic hydraulic cylinder for folding;5.Bracket.圖2 倒“U”型仿形機構Fig.2 Inverted U-shaped profiling mechanism

尹翔宇[18]針對此機構設計出了一套基于LabVIEW與單片機的控制系統(tǒng)，以完成對仿形機構的運動控制。但該控制系統(tǒng)只以臺架試驗驗證了其可行性，樹冠信號采集問題與在真實作業(yè)環(huán)境中傳感器的干擾問題仍有待解決。

霍鵬[19]設計了一種多段式可折疊仿形噴桿施藥裝置，該裝置各段噴桿前后鉸接，可實現折疊、展開和伸縮動作，該裝置特點為便于運輸存放，質量較輕。并且建立了多段式折疊仿形噴桿動力學模型，分析其動力學特性，求得該裝置的關鍵部件的力學特性曲線及關鍵幾何參數，將參數代入ADAMS與ANSYS分別進行動力學、靜力學分析，校驗了結構設計的合理性與可行性，通過試驗對該裝置的運動過程進行驗證，結果表明該機構能平穩(wěn)完成仿形運動。

1.2 變噴桿式仿形機構變噴桿式仿形機構變形范圍較大，該機構可以在“一”字型、“U”型、倒“U”型3種狀態(tài)之間任意轉換，“一”字型狀態(tài)可適用于大田作物，“U”型與倒“U”型可適用于果園、景觀樹等多種場景，具有一機多用的特點[20]。

張慧春等[21]發(fā)明了一種仿形機械臂(圖3)，該機械臂由3部分組成，包括1個主臂和2個側臂，均為中空管結構。主臂與兩側臂鉸接，通過液壓缸調節(jié)其夾角在0～90°變化，使得機構在“一”字型與倒“U”型之間進行轉換，主臂兩側與側臂下端均可通過內置電動推桿伸長，實現對不同樹冠形狀、不同作物的仿形。

注：1.滑塊板與主移動臂焊接點；2.第一連桿；3.第一直角連桿； 4,9,11.液壓缸； 5.滑塊板；6.第二連桿；7.導向滑桿；8.第二直角連桿；10.主臂；12.右移動臂；13，16.側臂；14.側移動臂； 15.左移動臂。Note:1.Welding point between slider plate and main moving rod;2.First connecting rod;3.First right angle connecting rod;4,9,11.Hydraulic cylinder;5.Slide block;6.Second connecting rod;7.Guide sliding rod;8.Second right angle connecting rod;10.Main boom;12.Right rod;13,16.Side rod;14.Side moving rod;15.Left moving rod.圖3 林木噴霧機仿形機械臂Fig.3 Profiling arm of forest spray machine

李振生[22]基于虛擬樣機技術設計了一種可以在噴桿式與隧道式之間相互轉換的機構，如圖4(a)所示，在中噴桿上設置銜架并安裝氣缸，側桿通過氣缸伸縮完成變角動作，將左右噴桿錯位設計，不僅運輸方便，還可使噴桿在非工作狀態(tài)可沿軸向縮小而減小占用空間。徐幼林等[20]對設計噴桿轉換機構的起降運動與變角運動進行了分析，通過建立機構起降、變角運動的運動方程，得到了原動件的角速度與其他構件間的位置、速度、加速度關系，建立機構在靜力平衡狀態(tài)下與原動件關于時間的函數關系，得到該裝置的動力學方程并求解，用ADAMS動力學仿真求得機構特征位置的位移、速度、力與力矩特性曲線，其結果與動力學方程求解結果基本吻合，驗證了動力學模型的正確性。

隨學仕[23]在此機械結構做出改進，如圖4(b)所示，將原來用于調節(jié)噴桿高度的升降機構換成了由單個液壓缸驅動的平行四邊形機構，這一改進不僅使噴桿在升降過程中保持豎直狀態(tài)，還避免了噴桿的前后擺動。此外，側桿變角部分改為了由液壓驅動的曲柄搖桿機構，使得側桿由原來0～90°角度變化擴大到0～180°，實現噴桿3種狀態(tài)(噴桿式、隧道式、正U型)之間的切換。原噴桿左右伸縮機構改為了由液壓缸驅動的折疊機構，使得運輸狀態(tài)與工作狀態(tài)之間的切換更加穩(wěn)定快速。

圖4 變換噴桿的研究Fig.4 Study on changing spray bar

張?zhí)踇24]設計了一種集噴桿式、隧道式、仿形式于一體的多功能噴桿機構(圖5)，該裝置具有結構輕便、便于運輸、一機多用的特點。水平移動液壓缸通過右端伸縮改變兩門架的水平距離；電動推桿Ⅱ調節(jié)噴桿上下旋轉完成隧道式與仿形式的切換；電動推桿Ⅰ調節(jié)門架兩端的推桿實現隧道式與噴桿式的切換；電動推桿Ⅲ調節(jié)門架繞豎直軸向的轉動以實現噴霧機運輸狀態(tài)與工作狀態(tài)的變換。該樣機的田間試驗結果表明，仿形式、隧道式、噴桿式葉面與葉背的藥液附著率分別為 60.5%與38.9%、52.2%與37.8%、63.6%與43.6%。在開啟氣流輔助系統(tǒng)時，霧滴沉積量分別提高了32.1%、26.5%、13.7%。

注：1.噴頭； 2.噴桿； 3.水平移動液壓油缸； 4.機架固定裝置 ；5.固定六方管 ；6.滑動六方管； 7.電動推桿Ⅰ； 8.噴桿機架連接件； 9.電動推桿固定裝置 ；10.電動推桿Ⅱ ；11.電動推桿Ⅲ。Note:1.Spray head;2.Spray bar;3.Horizontally moving hydraulic cylinder;4.Frame fixing device;5.Fixed hexagonal tube;6.Sliding hexagonal tube;7.Electric push rod I;8.Spray bar frame connector;9.Electric push rod fixing device;10.Electric push rod Ⅱ;11.Electric push rod Ⅲ. 圖5 三位一體多功能噴霧機Fig.5 Trinity multifunctional spray machine

1.3 雙搖臂式仿形機構雙搖臂式仿形機構則是一種對果樹單側進行仿形的機構，工作時，該機構位于兩行果樹之間，左右兩側的機械臂分別對行道兩側的果樹進行仿形。

李明等[25]設計了一種電動遙控仿形機構(圖6)。其上、下導向塊與4根支撐桿組成四邊活動搖桿機構。下導向塊固定在機架上，上導向塊與齒條焊接，通過控制電機正反轉，帶動齒條上下運動，從而帶動上導向塊上下運動，實現四邊活動搖桿機構的開合控制，從而實現仿形功能。該仿形機構噴桿形狀變化較為單一，無法完成不同樹冠的準確仿形。

注：1.電機；2,3,4.齒輪；5.下導向塊；6.支撐桿；7.噴桿；8.齒條；9.上導向塊。Note:1.Motor;2,3,4.Gear;5.Lower guide block;6.Support rod;7.Spray bar;8.Rack;9.Upper guide block.圖6 電動遙控仿形機構Fig.6 Electric remote control profiling mechanism

李杰[26]設計的風送式仿形噴霧機(圖7)，通過調節(jié)噴桿角度與風機送風角度聯合實現仿形噴霧，該裝置將噴桿置于風機之前，噴桿上的液壓缸用于調節(jié)噴桿狀態(tài)可實現果樹頂部的仿形，進一步通過控制電缸的伸縮改變風機的送風角度以改變噴霧方向，并通過正交試驗得到了風機的最佳送風參數為送風風速11.78 m/s、送風角度30°、送風距離25 mm，樣機試驗表明增加送風系統(tǒng)使得霧滴穿透性最大提升了55.8%，葉片正面沉積量最大提升60.2%，試制樣機后的試驗結果與仿真結果基本吻合。

注：1,2,4.軸流風機；3.風機機架；5.風機調角；6.噴桿支架；7.噴桿調角液壓缸；8.噴頭；9.頂部仿形支架。Note:1,2,4.Axial flow fan;3.Fan frame;5.Angle adjustment of fan;6.Spray bar support;7.Spray rod angle adjusting hydraulic cylinder;8.Nozzle;9.Top profiling support.圖7 風送式仿形噴霧機Fig.7 Pneumatic profiling spray machine

房開拓[27]設計了圖8(a)所示的仿形噴霧機構，該機構左右兩側完全對稱，單側自由度為3，以右側機構為例，其主要包括水平調節(jié)機構和垂直調節(jié)機構。水平調節(jié)機構由電機驅動，調節(jié)仿形架整體左右移動，以適應不同行距的果樹，豎直方向的調節(jié)機構由電機驅動，用于調節(jié)仿形架整體上下移動，以適應不同高度的果樹。水平仿形推桿的伸縮改變連桿的運動狀態(tài)，實現不同樹冠的仿形；通過建立機構的數學模型，采用D-H法得到仿形機構各噴霧點的運動學方程，并利用ADAMS的運動學和動力學分析對機構參數進行優(yōu)化，綜合考慮噴霧點運動空間與受力狀況，求得原動件最佳安裝位置，使得鉸鏈點最大受力減小了1 282.05 N，噴霧沉積特性試驗結果表明，仿形噴霧霧滴覆蓋率平均值達43.85%，變異系數平均值26.63%，優(yōu)于固定噴霧整體霧滴覆蓋率平均值29.97%，變異系數平均值39.05%。

注：a中1.仿形架;2.垂直調節(jié)機構;3.垂直調節(jié)電機;4.水平調節(jié)電機;5.水平調節(jié)機構;6.仿形推桿;7、8.連桿;9.仿形推桿；b中1.仿形機構模塊A;2.仿形機構模塊B;3.升降滑動模塊;4.仿形支架;5.供液系統(tǒng);6.電氣箱。Note:In a1.Profiling frame;2.Vertical adjustment mechanism;3.Vertical adjustment motor;4.Horizontal adjustment motor;5.Horizontal adjustment mechanism;6.Profiling push rod;7,8.Connecting rod;9.Profiling push rod;In b1.Profiling mechanism module A2.Profiling mechanism module B;3.Lifting sliding module;4.Profiling support;5.Liquid supply system;6.Electric box.圖8 雙搖臂式仿形機構Fig.8 Double rocker arm profiling mechanism

張慧春等[28]發(fā)明了一種樹冠表型特征仿形作業(yè)臂及其控制方法(圖8b)，仿形機構模塊由液壓缸驅動來改變其形狀，仿形機構上裝有超聲波傳感器，自動采集超聲回波信號并處理獲得樹木冠層表型特征信息，以此調節(jié)噴霧量，以超聲波傳感器測得的距離信息求得仿形控制量，驅動仿形機構仿形實現對樹冠輪廓的自動仿形，升降滑動模塊控制仿形機構整體上下移動，適應不同高度的果樹。

3種類型仿形機構由于結構及作業(yè)原理不同，作業(yè)性能差異明顯，呈現的優(yōu)缺點如表1所示。

表1 各類型仿形機構優(yōu)缺點

2 樹冠仿形作業(yè)機具

隨著傳感器技術與電子信息技術應用于林業(yè)領域，國內外研制出了一些典型的自動仿形作業(yè)機具。

房開拓等[29-30]設計了一種針對籬笆型果樹的組合圓盤式果樹風送噴霧機，采用電動絲桿調節(jié)霧化器的上下左右運動，試驗結果表明，組合噴霧執(zhí)行裝置完成升降、伸縮和旋轉的時間分別為51.3、50.5、26.5 s。劉學串等[31]設計了一種果園寬幅聯合仿形修剪機，可根據果樹高度、果樹形狀進行調節(jié)，最大切割直徑為60 mm，修剪合格率為90.9%。

圖9 果園自動仿形噴霧機Fig.9 Orchard automatic profiling spray machine

李龍龍等[34]研制出了一種基于變量噴霧的果樹仿形噴霧機(圖10)，該設備由ZM10000YCE汽油發(fā)電機供電，采用激光傳感器采集果樹冠層信息，基于測得的距離、體積等信息，采用PWM間歇式噴霧技術完成對噴頭運動、噴霧流量和風量的調節(jié)，實現不同果樹的仿形噴霧。在行株距為5 m×2 m 的蘋果樹試驗得到果樹左右兩側平均沉積量分別為1.92 和1.37 μL/cm2，霧滴沉積個數大于46.2 個/cm2。

圖10 果園自動仿形變量噴霧機Fig.10 Orchard automatic profiling variable spray machine

塔里木大學張德智[35]研制了紅棗園噴霧機，該噴霧機最大作業(yè)幅寬4 m，最大噴霧高度3 m。仿形噴桿采用PVC管與鋼筋，使其具備柔性變形功能與支撐功能，田間試驗結果表明，風送式仿形噴霧方式能夠有效對矮化密植棗樹進行噴霧作業(yè)，且較人工噴霧有效節(jié)省用藥量。

3 存在的問題及建議

發(fā)展和應用精準智能施藥裝備技術是果園植保領域的重要趨勢，其中仿形噴霧技術尤為典型，通過綜述國內外研究現狀，結合當前生產實踐情況，歸納制約植保機械智能化提升的主要因素。

(1)農藝無統(tǒng)一標準，果樹種植模式分散。果樹的建園模式是推廣先進植保機械大面積作業(yè)的基礎，大多數農戶在建園初期未考慮到機械化作業(yè)方式，使得果樹種植模式與植保機械不能有機融合，只能采用傳統(tǒng)的植保方式，導致很多先進植保機械無法得到實際應用與推廣，從而限制了果園經濟的發(fā)展[36]。

(2)植保裝備智能化技術亟待走出實驗室，開展產業(yè)化應用。隨著計算機技術、傳感技術、控制技術及機器視覺技術等的發(fā)展，植保作業(yè)與上述技術的結合，使得果園植保取得較大的研究進展，但目前大部分相關研究仍處于試驗階段，還無法得到實際應用與推廣。

(3)精準施藥技術到位率低，未彰顯作業(yè)優(yōu)勢。由于農戶對精準施藥信任度不高，認為只有加大農藥的噴灑量才能有效防治病蟲害，在實際果園作業(yè)中，即使應用了精準施藥機具，但仍然以“雨淋式”大霧量施藥方式為主，減藥增效的作業(yè)優(yōu)勢無法體現。

基于以上問題，為發(fā)展以果樹冠層仿形噴藥為代表的精準施藥技術，進一步推廣應用先進智能化施藥裝備，提出以下幾點建議：

(1)政府積極引導，推進標準化果園建設，加速農機與農藝融合。推廣應用主干結果型標準化果園種植模式，統(tǒng)一果樹的行距、株距以及果樹冠層形狀等，為先進智能施藥裝備提供更為結構化的作業(yè)環(huán)境，使農機與農藝有機融合，提高機具識別、定位、作業(yè)精度。

(2)加大人才資金投入力度，不斷提升植保機械智能化技術水平。加大果園智能植保機械的科學研發(fā)力度，鼓勵科技人才投身農業(yè)研究，加強高新技術的應用與推廣，如靜電噴霧、對靶噴霧、變量噴霧技術等。通過人工智能、機器學習等先進算法，提高標靶識別精度，進一步夯實、提升智能植保技術水平。

(3)大力推廣以冠層仿形技術為代表的智能施藥技術裝備，廣泛應用于實踐生產。為先進植保技術及裝備走出實驗室提供政策、基層保障，大力宣傳仿形噴霧等精準植保技術的作業(yè)優(yōu)勢，提高先進植保機具成果轉化以及農戶購置補貼標準，建立智能植保技術裝備示范應用基地，推進產、學、研、用深度融合。