精准变量施药关键技术及应用现状

杨光玉，孔 辉，兰玉彬，2，伊丽丽，2，韩 鑫，2

（1.山东理工大学 农业工程与食品科学学院，山东 淄博 255000；2.山东省农业航空智能装备工程技术研究中心，山东 淄博 255000）

目前农药防治仍然是病虫害防治的重要措施，频繁和过量使用农药在对环境产生严重危害的同时，也使得农产品中的农药残留严重，为人类的健康埋下了隐患。低量高效的施药方式是减少农药使用的有效途径，精准变量施药技术就是用最低量的农药来实现最佳的防治效果。不断提高农药利用率，根据农田病害的特点，按需施药是精准变量施药技术的核心[1]。目前精准变量施药已成为智慧精准农业的重要组成部分，是国内外农业现代化发展的重要方向，文章针对精准变量施药的发展现状进行分析，旨在为精准施药技术的推进提供参考。

1 精准变量施药技术控制方式

1.1 注入式变量施药技术

注入式变量施药方式根据混药方式可分为喷头注入式和管路注入式两种。注入式变量施药方式是通过把药液和水分开存储，在施药时控制水的流量不变，改变药液的流量来实现变量施药的目的。这种施药方式的农药存储容器较小，减少了清洗容器所带来的环境危害。但也存在一个显著的缺点，药液浓度的变化很难达到系统要求，系统的时间延迟过高，从而导致误喷。喷头注入式和管路注入式的区别是农药与水的混合位置不同。喷头注入式可使药液快速喷出而管路注入式药液的混合更加均匀。但此种施药方式也提高了系统复杂度，增加控制系统的施药误差。

1.2 压力调节式变量施药技术

压力式变量施药方式是最早被应用于田间实际作业的变量施药方式之一，是指通过改变管路压力来实现变量喷雾的施药技术。通过改变压力来实现变量喷雾的喷雾方式，对雾滴的雾化特性影响最大且流量调节范围最小[2]。由于其操作简单，价格便宜，被广泛应用于变量喷施领域。但雾滴粒径的大小与沉积分布又与喷雾压力密切相关，所以通过改变系统压力来实现变量施药的方式对喷头的雾化沉积效果会有较大影响。雾滴的飘移和粒径大小是影响雾滴沉积效果的重要因素，通常系统设计会与压力式变量喷头相结合，来改善管道压力变化对雾滴粒径的影响。

1.3 基于PWM流量调节式变量施药技术

脉宽调制（plus width modulation，PWM）变量施药技术是指通过控制PWM 的占空比和频率来调节施药量的变量施药技术。基于PWM 的施药方式通过高低电平的信号来控制电磁阀的开闭，电磁阀可快速响应系统中的信号来实现对喷头喷洒流量的精确控制。所以近年来随着我国精准施药技术的不断推进，基于PWM 的实时变量施药技术成为了变量施药技术研究的热点。与压力式控制相比，它无需改变系统管路压力，能够实现喷头流量的实时调节，对喷头的雾化特性影响较小。与速度调节式相比，有效改善了由速度变化不连续带来的无法满足实时变量的问题。

1.4 自动对靶喷雾技术

自动对靶喷雾技术主要包括基于地理信息系统的自动对靶喷雾技术和基于实时传感器的自动对靶喷雾技术。基于地理信息系统的自动对靶喷雾技术主要依靠“3S”技术（GPS 定位系统、RS 遥感系统和GIS 地理信息系统）获取靶标信息，经施药执行机构完成作业。随着精准变量技术不断向着低量、高效和智能化发展的推进，对施药系统的精确性，稳定性和快速响应性也提出了更高的要求。基于实时传感器的自动对靶喷雾技术是机器视觉探测技术，红外光电探测技术和超声波探测技术等与喷雾技术和自动控制技术的结合，是精准变量施药技术的重要方向[3]。

2 精准变量施药技术应用现状

2.1 精准变量施药技术在地面机械上的应用

随着精准变量施药技术的不断发展，变量施药技术在地面机械设备上的应用也越来越成熟。在精准变量喷杆喷雾机方面，中国农业大学在2016年研制出基于变量施药的自走式精准变量喷杆喷雾机，可根据病虫害程度实时调节单位面积施药量，实现药液均匀喷洒到靶标作物[4]。在自动对靶喷雾机方面，李井祝[5]等利用激光测距传感器技术与PLC 技术开发了一套自动对靶喷雾控制系统，将其应用于自动对靶喷雾机，可以有效提高农药利用率，节省施药量。在风送变量喷雾机方面，刘伟[6]等研制了一套背负式喷雾器变量喷雾系统，通过PWM 技术控制隔膜泵的频率，从而对喷雾流量进行调节。

2.2 精准变量施药技术在植保无人机上的应用

与地面植保机械相比，无人机具有飞行速度快、作业效率高、不受地形限制等优势，发展前景广阔。将变量施药技术、自动对靶喷雾技术等与植保无人机结合，可以有效提高农药利用率，减少农药使用，改善环境污染。

3 发展建议

（1）加大对精准施药技术装备的研究，努力降低装备成本。不断提高农业专用传感器、控制器等精密电子元件的响应速度，改善施药控制系统的精度。

（2）针对不同作物和同一作物不同生长期的生长状况深入研究，确定适合的作业参数，与精准施药技术相配合，形成完善的精准施药技术体系。

（3）优化系统方案，将施药控制技术与人工智能技术结合，打造更加精准智能的施药技术装备。