专题推荐 | 智能植保机械与施药技术专题

本专题小编共整理了9篇文章，来自中国农业大学、国家农业智能装备工程技术研究中心、山东理工大学、 华南农业大学、江苏省农业科学院、西北农林科技大学、江苏大学等单位。

文章包含施药技术和装备发展综述，植保无人机施药雾滴偏移和沉积分布研究、施药数值建模关键技术综述、研究态势分析，无人机施药技术，喷雾机变量喷雾控制系统开发、送风CFD建模、路径模型预测控制等内容。供大家阅读、参考。

专题–智能植保机械与施药技术

Topic–Intelligent Plant Protection Machinery and Spraying Technology

[1]何雄奎. 中国精准施药技术和装备研究现状及发展建议[J]. 智慧农业(中英文), 2020, 2(1): 133-146.

HE Xiongkui. Research progress anddevelopmental recommendations on precision spraying technology and equipment inChina[J]. Smart Agriculture, 2020, 2(1): 133-146.

摘要：植物化学保护即使用植保机械喷施化学农药是当前最主要的病虫害防控方法，一直以来对保障农业生产安全与粮食有效供给起至关重要作用。能够实现按需精准施药、变量施药、人机分离与人药分离的高效、精准、智能的施药技术和装备是提高农药药效与利用率的保证，也是保障食品安全、降低农民劳动强度的重要措施，是目前国内外研究的热点。本研究对精准施药关键技术及研究现状进行了分析，对适用于不同作业场景的精准施药装备的研究现状、典型代表、应用进展等进行了分类总结，分析了目前精准施药发展中面临的挑战，并提出了对策和建议。本研究可为精准施药技术研究的推进、智能施药装备的研发和现代化农业的发展提供参考和思路。

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[2]王昌陵, 何雄奎, BONDS Jane, 齐鹏, 杨苡, 高万林. 不同飞行参数下八旋翼植保无人机下洗气流场对雾滴沉积分布特性的影响[J]. 智慧农业(中英文), 2020, 2(4): 124-136.

WANG Changling, HE Xiongkui, BONDS Jane, QI Peng, YANG Yi, GAO Wanlin. Effect of downwash airflow field of 8-rotor unmanned aerial vehicle on spray deposition distribution characteristics under different flight parameters[J]. Smart Agriculture, 2020, 2(4): 124-136.

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[3]唐青, 张瑞瑞, 陈立平, 李龙龙, 徐刚. 植保无人机施药数值建模关键技术与验证方法研究进展[J]. 智慧农业(中英文), 2021, 3(3): 1-21.

TANG Qing, ZHANG Ruirui, CHEN Liping, LI Longlong, XU Gang. Research progress of key technologies and verification methods of numerical modeling for plant protection unmanned aerial vehicle application[J]. Smart Agriculture, 2021, 3(3): 1-21.

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[4]陈梅香, 张瑞瑞, 陈立平, 唐青, 夏浪. 无人机农林业应用全球研究态势分析[J]. 智慧农业(中英文), 2021, 3(3): 22-37.

CHEN Meixiang, ZHANG Ruirui, CHEN Liping, TANG Qing, XIA Lang. Investigation on advances of unmanned aerial vehicle application research in agriculture and forestry[J]. Smart Agriculture, 2021, 3(3): 22-37.

摘要：无人机具有作业效率高、地形适应性好等独特优势，近年在农林业中应用范围不断扩大，相关研究成果数量呈快速上升式发展。为掌握无人机农林应用全球研究态势，本研究采集2011—2020年期间Web of Science 核心合集数据库中无人机农林应用全球研究相关文献数据，利用VOSviewer等统计软件对文献进行科学计量分析。分析结果表明，自2017年开始，无人机农林业应用研究发文数量快速增加，全球已有94个国家/地区、1778个机构开展了研究；发文量排名前三位的国家依次是美国、中国和澳大利亚，表明这三个国家从事无人机农林业应用的科研实力强，学术影响力大；共有398种期刊发表了有关无人机农林业应用研究文章，约占全部收录期刊的1.90%，说明更多的期刊开始关注无人机农林业应用研究；发文最多的期刊是由MDPI主办的Remote Sensing；被引次数最多的文章内容主要是关注无人机系统在摄影测量和遥感上的传感、导航、定位和通用数据处理等的研究现状。此外，对无人机农林业应用研究热点进行分析发现，无人机施药、无人机病虫害遥感、植物表型获取是无人机农林业应用的主要研究热点。本研究可为无人机在农林业上的创新研究、科研团队之间的合作提供参考。

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[5]王国宾, 韩鑫, 宋灿灿, 伊丽丽, 鲁文霞, 兰玉彬. 冬小麦田植保无人飞机喷施除草剂雾滴粒径及沉积飘移分布特性评估[J]. 智慧农业(中英文), 2021, 3(3): 38-51.

WANG Guobin, HAN Xin, SONG Cancan, YI Lili, LU Wenxia, LAN Yubin. Evaluation of droplet size and drift distribution of herbicide sprayed by plant protection unmanned aerial vehicle in winter wheat field[J]. Smart Agriculture, 2021, 3(3): 38-51.

摘要：随着植保无人飞机作业面积的增加，雾滴飘移风险也日益凸显，尤其以除草剂飘移风险危害最高。为明确除草剂溶液对雾滴粒径的影响及植保无人飞机喷施除草剂雾滴沉积飘移分布特性，本研究通过室内雾化室测定了植保无人飞机安装的离心转盘雾化喷头喷洒清水及常用的15种麦田除草剂溶液的雾滴粒径分布，并通过田间试验在药箱中添加荧光示踪剂（60 g/hm2）测定喷施作业区和飘移区的雾滴沉积量分布。室内测定结果表明，与清水相比，除草剂溶液对雾滴粒径影响显著。除唑草酮水分散粒剂外，其余溶液经离心转盘雾化喷头喷洒后，雾滴体积中径较清水均有所降低，且最大降低22.0%；小雾滴（V<150 μm）比例均有所增加，最大增加50.8%。田间飘移试验表明，植保无人飞机喷洒150 μm雾滴，在环境侧风风速为3.76 m/s时，作业区的雾滴沉积覆盖度和雾滴沉积密度仅为风速0.74 m/s时的41.3%和42.2%，且均匀性显著降低。在飘移区下风向12 m位置，雾滴沉积量为作业区的10%以下；下风向50 m处，雾滴沉积量低于检测限（0.0002 μL/cm2）。飘移比率随风速的增加而增加，当风速达到3.76 m/s时，雾滴飘移比率达到46.4%。不同侧风风速下，90%的累积飘移位置在4.8~22.4 m。对飘移区沉积量与飘移距离、侧风风速拟合，结果表明下风向沉积量与风速呈正比。本研究为植保无人飞机冬麦田不同风速作业下的雾滴飘移距离提供数据支持，为喷雾飘移缓冲带、飘移风险评估提供依据。

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[6]资乐, 臧禹, 黄俊浩, 包瑞峰, 周志艳, 肖汉祥. 植保无人机飞防助剂与杀虫剂的混配方式对二化螟防治效果影响研究[J]. 智慧农业(中英文), 2021, 3(3): 52-59.

ZI Le, ZANG Yu, HUANG Junhao, BAO Ruifeng, ZHOU Zhiyan, XIAO Hanxiang. Effects on control efficacy of pesticide-adjuvants mixture against rice Chilo Suppressalis(walker) based on plant protection unmanned aerial vehicle[J]. Smart Agriculture, 2021, 3(3): 52-59.

摘要：为探究飞防助剂类型与杀虫剂的混配方式对水稻二化螟防治效果的影响，本研究以杀虫剂（10%甲维?茚虫威SC、5%氯虫苯甲酰胺SC和0.8%鱼藤酮SC）、飞防助剂（有机硅助剂、矿物油助剂和卵磷脂助剂）、施药液量（21、24和27 L/hm2）为因素设计了3因素3水平的L9（34）正交试验，通过方差分析（ANOVA）方法对各因素的显著性水平进行了分析。结果表明，在本研究的试验条件下，施药后第14天，杀虫剂对水稻二化螟防治效果有显著性影响（P<0.05），飞防助剂对水稻二化螟防效有极显著影响（P<0.01）；在设定的施药液量范围内（21~27 L/hm2），施药液量对水稻二化螟防效无显著性影响。混配方式7（0.8%鱼藤酮SC、有机硅助剂和27 L/hm2施药液量）具有较好的速效性与持效性，施药后第14天的防效达81.45%；混配方式4（5%氯虫苯甲酰胺SC、有机硅助剂和24 L/hm2施药液量）持效性显著，施药后第14天的防效为79.30%。本研究成果可为防治水稻二化螟的药液混配方式提供参考。

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[7]范道全, 张美娜, 潘健, 吕晓兰. 基于靶标叶面积密度参数的变量喷雾控制系统开发与性能试验[J]. 智慧农业(中英文), 2021, 3(3): 60-69.

FAN Daoquan, ZHANG Meina, PAN Jian, LYU Xiaolan. Development and performance test of variable spray control system based on target leaf area density parameter[J]. Smart Agriculture, 2021, 3(3): 60-69.

摘要：变量喷雾技术是提高农药利用率、节省农药用量的重要手段之一。为达到果园施药减量增效的效果，本研究开发了一种变量喷雾控制系统，提出了叶面积密度参数与执行机构脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）占空比的计算方法。该系统上位机基于激光LiDAR传感器探测的点云密度表征叶面积密度作为施药参数，并根据喷药处方计算各喷头对应电磁阀的PWM占空比，通过RS485通讯实时发送施药处方到下位机的可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），下位机PLC根据接收的PWM占空比控制对应电磁阀的开关频率实现喷头喷雾流量的调节。通过试验测量了施药单元 格尺寸、系统延时时间以及PWM占空比与喷头流量之间的模型参数三部分关键系统参数。结果表明在0.2、0.3和0.4 MPa压力下PWM占空比与喷头流量之间均为线性关系，线性拟合优度均在0.98以上。最后，通过喷雾试验验证变量喷雾样机的有效性，试验结果表明，采样点水敏纸上单位面积（cm2）最少雾滴个数为35滴，达到了有效喷雾效果；当靶标冠幅与总冠幅比为39.9%时，变量喷雾模式相比于连续恒定式喷雾省药71.96%，相比于对靶开关式喷雾省药29.72%，达到了减量效果。

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[8]翟长远, 张燕妮, 窦汉杰, 王秀, 陈立平. 果园风送喷雾机出风口风场CFD建模与试验[J]. 智慧农业(中英文), 2021, 3(3): 70-81.

ZHAI Changyuan, ZHANG Yanni, DOU Hanjie, WANG Xiu, CHEN Liping. CFD modeling and experiment of airflow at the air outlet of orchard air-assisted sprayer[J]. Smart Agriculture, 2021, 3(3): 70-81.

摘要：塔式果园风送喷雾机是目前普遍使用的果园喷雾机，塔式结构易产生旋转和不规则的垂直气流，导致喷雾机出风口两侧风场分布不对称，且分布规律不易预测。为探究适用塔式果园风送喷雾机出风口风场建模方法，本研究基于喷雾机出风口风场计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）建模方法，提出了用户定义函数（User-Defined Function，UDF）分段式三维风速入口边界条件设置方法，并研究了湍流模型和计算域尺寸对喷雾机CFD风场模拟结果的影响特性。采用Fluent软件，建立了三种CFD模型：模型一以11个区域的平均风速作为边界条件；模型二采用UDF分段式三维风速入口作为边界条件；为进一步研究计算域尺寸对风场模拟的影响，建立了小计算域尺寸的模型三。三种模型均采用基于雷诺时均控制（Reynolds-Averaged Navier-Stokes，RANS）方程的k-ε湍流模型和k-ω湍流模型进行风场计算。为了验证模型的可靠性，设计了空间风场立体测量系统，实现了精确快速空间风速测量。验证结果表明，Standard k-ε、Realizable k-ε、BSL k-ω和SST k-ω湍流模型较适合风场CFD建模，其中Standard?k-ε湍流模型运算结果最优，模型决定系数R2为0.81。基于UDF分段式三维风速入口边界条件设置方法不仅提高了仿真结果的准确性（提高了5%），而且降低了计算的复杂性。在其他参数设置相同的情况下，大尺寸计算域模型的性能略优于小尺寸计算域。实际建模过程中建议根据计算机计算能力、仿真的实际要求设置合适的计算域尺寸。本研究结果可为喷雾机出风口风场CFD建模方法提供参考。

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[9]王子杰, 刘国海, 张多, 沈跃, 姚震, 张贺. 高地隙四轮独立驱动喷雾机路径跟踪模型预测控制[J]. 智慧农业(中英文), 2021, 3(3): 82-93.

WANG Zijie, LIU Guohai, ZHANG Duo, SHEN Yue, YAO Zhen, ZHANG He. Path following model predictive control of four wheel independent drive high ground clearance sprayer[J]. Smart Agriculture, 2021, 3(3): 82-93.

摘要：针对传统燃油驱动、前轮转向的高地隙喷雾机传动效率低、碳排放高、环境污染、智能化水平低、灵活性差等问题，本研究提出了一种适用于无人驾驶的高地隙四轮独立驱动（Four Wheel Independent Drive，4WID）喷雾机。其采用混合动力、前后双转向桥的4WID，转向半径小，前后轮的运行轨迹高度一致，能够减少田间植保作业时的压苗现象。考虑水田极端作业环境下驱动轮的滑移、陷坑等问题，基于喷雾机线性时变的运动学模型（LTV），构建了考虑驱动轮滑移的分层路径跟踪控制。上层模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）器根据预期路径、车辆当前位置，获得喷雾机的转向角和运动速度，实现路径跟踪。下层以模糊控制和积分分离PID控制构建驱动轮滑移控制器，从而实现路径跟踪、运动速度、驱动轮滑移的有效控制，提高了喷雾机在复杂作业环境中的稳定性和路径跟踪精度。采用Adams/Matlab的联合仿真结果表明，在复杂的工况条件下，喷雾机驱动轮的滑移率依然控制在±20%之内，防止驱动轮发生过度滑移对车速和转向角产生不良影响，有利于喷雾机稳定性的提升。本喷雾机能够快速准确地跟踪期望路径，与未考虑驱动轮滑移的控制相比，能够适应更加复杂的工作环境，跟踪精度有明显提升。

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