智能农药喷施系统的研究进展.pdf

2023年第8 期农机使用与维修107智能农药喷施系统的研究进展牟雪雷（黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨1 5 0 0 8 1）摘要：随着人工智能技术的发展及其在精准喷药设备上的应用，精准施药技术已成为提高农药喷施效率的重要技术支撑。系统论述了人工智能技术在目前农药喷施系统中的应用现状及未来发展方向与趋势，并对人工智能技术在农药喷施技术中的发展前景进行展望。研究结果以期为全面提升农药喷施智能化发展提供技术参考，对于保证我国粮食安全具有重要意义。关键词：智能；变量喷药；物联网；喷施系统；发展趋势中图分类号：S49(Heilongjiang Academy of Agricultural Machinery Sciences,Harbin 150081,China)Abstract:With the gradual development of artificial intelligence technology,and application in precisio spraying equip-ment,precise pesticide application technology has become an important technical support for improving pesticide spra-ying efficiency.This study systematically discusses the current application status,future development direction and trendof artificial intlligence technology in pesticide spraying systems,and prospects the development prospects of artificial in-telligence technology in pesticide spraying technology.The research results are expected to provide technical referencesfor comprehensively improving the intelligent development of pesticide spraying,which is of great significance for ensu-ring food security in China.Keywords:intligent;variable spraying;internet of things;spraying system;development trend0引言研究表明，由于病虫害造成的粮食损失占我国粮食总产量的1 1.2%左右 1-3 ，农业经济产值下滑，直接影响我国农业生产水平的提高和农药经济效益的提升。因此，病虫害是影响农业生产的决定性因素，我国每年约消耗2 0 万 3 0 万t的农药 4 。高效的病虫害防治技术是我国农业生产的重要作业环节，是保证我国农业安全、绿色、可持续发展的重要技术支撑。但是传统农药喷施技术的应用较为粗扩，在农药喷施过程中带来了一定的环境污染和安全隐患，不仅造成了农药利用率降低，而且带来了一定的环境污染与粮食安全隐患，另一方面，农户在进行农药混配时直接与农药接触，操作不当会对农户造成一定安全隐患，因此，提高农药使用的安全性、精准性和智能化，可以降低环境污染，是保证农业、生态和社会发展的重要技术 5-6 。基金项目：黑龙江省专利发展资金项目（2 0 2 1 0 9）；黑龙江省农业科学院院级科研项目（2 0 2 0 FJZX043）作者简介：牟雪雷（1 9 8 4 一），女，辽宁大连人，本科，高级工程师,研究方向为农业机械及相关知识产权。文献标识码：AResearch Progress of Intelligent Pesticide Spraying SystemMUXuelei1农药喷施系统农药喷施系统主要包括地面喷施系统和农业植保无人机。目前，人工智能技术在农药喷施中的应用主要包括是喷药机械智能化发展和施药智能化技术（图1），主要包括信息获取技术、精准施药技术和自动配药技术等。本研究对人工智能技术在不同农药喷施系统中的应用进行阐述。1.1人工智能技术在地面施药系统中的应用随着农药的快速发展，目前地面农药喷施系统应用较少。人工智能技术在地面农药喷施系统中的应用主要包括可以在农田中自动探测目标位置的超声波传感器技术，靶向喷药，后期又逐渐研发三维模拟的设施农业自动喷雾机，这些技术都对农药喷施机的快速发展提供了技术基础 7 。1.2人工智能技术在植保无人机中的应用人工智能技术在植保无人机中的应用可以显著提高植保效率，如植保无人机路径规划、合理避障和参数智能调控技术等。路径规划主要是基于相关智能算法对植保无人机路径计算与合理规划，减少植保无人机空飞时间，节省电量，目前相关智doi:10.14031/ki.njwx.2023.08.032108能算法进行路径规划主要包括蚁群算法、遗传算法等 8 。智能控制技术包括视觉识别技术、雷达定位技术和超声波感知障碍物技术等，实现植保无人机人工智能在农药精准施药应用中的研究进展2智能施药技术研究智能施药技术主要包括信息获取技术、精准施药技术和自动配药技术等，实现农药的自动混配，并且利用靶向识别技术,对目标作物和病虫害区域进行精准识别，在提高农药利用率的同时，保护生态环境，减少农药喷施过程中对相关人员的危害。2.1信息获取技术病虫害信息获取技术包括作物表型信息的获取、作物冠层信息的获取、病虫害智能分析技术和靶向识别技术等。作物表型信息获取技术是对作物病虫害进行识别，如支持向量机和前馈神经网络、随机森林、K-近邻等方法,可以通过对不同病虫害信息进行采集后，对关键特征进行提取，智能监控病虫害发生情况与信息，对于病虫害预警具有重要意义。作物冠层信息获取主要是针对果树等信息进行采集，包括激光雷达和光谱信息等，通过获取作物冠层信息，可以为后续农药浓度和农药量进行合理规划与配置。病虫害严重程度分析是决定农药浓度和用量的关键指标，传统病虫害严重程度和用药量主要依农机使用与维修空中避障，可以保证植保无人机在复杂的作业环境合理飞行，提高对障碍物的识别精度，保证植保无人机的飞行稳定性。地面施药器械施药器械植保无人机作物信息获取精准配药技术施药技术喷头控制技术雾滴漂移控制雾滴沉积控制图1 智能农药喷施核心技术据技术人员的经验进行判断，但是技术人员难以根据不同病虫害程度进行用药量变化，相关技术人员通过建立作物病虫害评估模型,结合相关智能算法,计算出不同作物在不同生育时期、不同病虫害严重程度进行农药喷施量的计算。靶向识别技术主要是基于作物表型信息、作物冠层信息和病虫害严重程度分析，生成智能喷施农药处方图，相关农药喷施系统根据生成处方图进行精准施药与靶向识别。2.2自动配药技术农药在线混配技术是指采用自动控制技术，在施药装置外部完成农药和水分混配。在施药过程中操作人员根据实际情况进行农药浓度的控制。目前，大部分地区仍然采用手动混药装置，农户按照经验将水和农药混合均匀后倒人药箱，工作强度大，农药利用率低且对农户身体健康造成负面影响,采用人工背负药箱的方式进行农业植保，在农药施用过程中存在使用效率低和安全性较低等问题。随着智能控制技术的发展,利用在线智能监测系统实现农药在线检测技术，显著提升了农药混配效率。目前,国内外学者对此开展了大量的研究。早在1 9 7 0 年，Amsden首次提出了农药在线混合技2023 年第8 期表型信息获取冠层信息获取严重程度分析靶标识别技术2023 年第8 期术,以此揭开了在线混药技术的研究。后期,逐渐发展相关透光率法、光折射法、数学模型法、CCD传感器和机器视觉技术等提高混药精度、管道阀门调农机使用与维修节稳定性和响应速度。国内外在线混药智能控制技术如图2 所示。1092134水箱O6781空气罐932895E10106药箱1.调节阀；2.压力表；3.流量阀；4.压力开关；5.压缩机；6.流量阀；7.电磁阀；8.过滤器；9.压力阀；1 0.涡轮流；1 1.水源开关a压缩空气式农药混配技术1.水箱；2.止回阀；3.药箱；4.蠕动泵；5.止回阀；6.回流主管路；7.喷雾主管路；8.注人主管路;9.蝶形控制阀;1 0.主泵b直接注人式在线混药技术9103456283AC47561.发动机；2.磁电机3.电压转换；4.随频变频控制系统；5.电磁d正压式混药技术图1 在线农药混配智能控制技术1.吸人室；2.分流孔；3.突缩管；4.吸孔；5.混合室；6.挤压室泵；6.药液箱；7.水箱；8.高压药泵；9.喷嘴；1 0.压力表c电磁泵注人式在线换药技术目前，在线混药控制技术主要包括直接对PWM（脉冲宽度调制技术）占空比进行控制和通过PID控制技术调节PWM的占空比实现对在线混药技术的药液和水分的控制。实现在线混药装置工作过3智能农药喷施系统发展趋势随着人工智能技术和传感器技术的逐渐发展程中的流量、压力等参数的实时监测，在超过农药浓度要求范围时进行报警。以PID控制系统下在线混配系统为例进行分析,其工作原理与结构组成如图3 所示。与应用，实现农药喷施系统的自动化和智能化发展，但是由于在实际研发过程中,无法模拟现实生产中的地形、风速、光线和温湿度等因素,因此在实110农机使用与维修2023年第8 期基于PID控制在线混药模糊PID系统建模仿真射流器柱塞泵蠕动泵压力传感器流量传感器液位传感器脉冲捕获ADC采集串口通讯模糊PID算法上位机验室研发的相关技术无法实现在现实农业生产中的实际应用，未来智能农药喷施系统应该向以下几个方向进行深入研究与发展。随着人工智能技术的逐渐发展,未来应该进一步提升计算机视觉技术、多传感器融合技术、雾滴漂移技术和雾滴沉积技术的研究，并结合超声波技术和GIS技术,为精准施药和靶向识别提供技术支撑。再进行植保作业时，应充分考虑环境因素、气流因素等，实现植保无人机根据不同外界环境自动调节，实现环境适应性较高的植保无人机装备，应借助人工智能技术的发展，促进我国病虫害防治技术的发展与提升。4结论农药是保证农业安全生产和作物高产稳产的重要保证,在农业生产中大量使用的同时带来了一定的安全隐患。为了保障农药施用安全及农业生产的可持续发展，随着人工智能技术的逐渐发展，农业物联网技术、传感器技术和3 S技术逐渐应用到各类农机装备中，为智能农药喷施系统的发展提供了机遇。未来应进一步加强视觉识别技术、高集成农药喷雾技术和远距离传感器技术等，为智能农药系统研究在线混药系统控制系统控制部件选型算法研究在线混药系统设计在线混药系统在线混药系统软件设计硬件设计图3 基于PID控制下在线混药系统基本组成喷施系统提供技术支撑与发展条件，对于进一步推动我国农业智能化发展具有重要意义。参考文献：1方弄玉,莫梓柔，黄军辉，等.基于机器视觉技术的大棚农作物喷药机器人设计与实现 J.广东水利电力职业技术学院学报,2 0 2 2,2 0(3）：2 8-3 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