特种作物生产用传感器控制喷雾器。喷雾器101雷竞技注册推荐码

今天在特种作物生产中使用的许多应用技术都是基于轴流风机吹气喷雾器(图1)。吹气喷雾器最初是在20世纪50年代开发的，当时果园的树高6米或更高;今天，2-4米高的树木是典型的。空气喷雾器用途广泛，可靠，并且可以修改以适应多种类型的作物，所有这些都是它们持续受欢迎的原因。尽管它们很受欢迎，但空气喷雾器长期以来一直以低效率的应用特点而闻名。传感器控制的喷雾系统首次设计于20世纪80年代作为一种减少劳动力成本和农药浪费的方法。随着传感器控制喷雾系统可靠性的提高和更多选择的出现，人们对其重新产生了兴趣。

传感器喷雾器类型

传感器喷雾器主要有两种类型:

A.开/关传感器喷雾器是利用传感器信息，在感应到植物时，自动开启喷臂上的单个喷嘴或部分喷嘴。同样，当喷雾器的感应范围内没有物体时，喷雾将被关闭。(图2)。

B.作物适应性喷雾器与此类似，当喷雾器经过植物时，传感器用于打开和关闭喷雾器，但它们会进一步根据植物特性改变施用量、风量、气流方向或两者的组合。(图2 b)。

开/关和自适应传感器喷雾器通常都有一个覆盖，如果喷雾器的传感器组件出现故障，用户可以绕过传感器系统，像使用标准喷雾器一样喷洒。

传感器

作物感知系统是喷雾器的眼睛，通过发射和/或接收信号来确定作物形状。传感器喷雾器有4种基本传感器类型:红外、超声波、植物荧光和激光雷达。这些传感器中的每一个都向植物发射特定波段的波，然后这些波从植物上反弹回来，返回到传感器。在波返回到传感器后，计算波从发射到返回所花费的时间。从传感器发送波到波反弹回传感器的这段计算时间称为飞行时间(TOF)。TOF用于计算距离和/或植物特征，用于将喷雾定向到该区域。对于某些传感器类型，需要多个传感器来解析植物结构特征，而其他传感器类型只需要一个。

红外传感器探测植物发出的红外辐射。湿度和温度等大气条件对红外传感精度影响不大。然而，光照强度、植物和叶片外观以及驾驶速度都会影响这些传感器的精度。在低光条件下，例如在黎明和黄昏，红光波长更丰富，已知会干扰红外传感器的功能约30分钟。在黎明和黄昏，红外喷雾器可以通过喷涂控制器上的覆盖在标准模式下操作。红外传感器无法解析植物结构的特征，因此适用于不太复杂的应用，如在植物中触发喷雾器的开启和关闭。尽管红外传感器有其局限性，但其低成本使其在商业喷雾器上具有经济可行性。红外系统可用于空气喷雾器叶片农药应用触发释放时，植物冠层被检测到的喷雾。此外，这些系统可用于除草剂喷雾器，其中传感器瞄准树木/藤蔓的树干，并在它们通过树干时关闭喷雾器，以避免直接应用到树干上。相反，传感器只能直接向特定的吸盘喷射树干。

与此列表中的其他传感器都发射电磁波不同，超声波传感器发射高频声波来测量物体。声波发射器产生超声波，传感器检测返回的声波，计时器测量声波的TOF以测量距离。这个过程就像蝙蝠或海豚利用回声定位来导航和寻找食物。当排列成阵列时，超声波传感器可以探测到分辨率约为10厘米的物体，从而可以计算出与人工测量相似的雨棚体积。粗糙驾驶条件下的颠簸和摇摆会改变超声波传感器的精度，因为运动会影响信号检测的角度。超声波传感器的最初专利在几十年前就过期了，所以持续的专利外开发提高了它们的质量和能力，同时降低了成本。相比之下，超声波传感器比红外传感器昂贵，但比激光传感器便宜。

根据应用的不同，激光传感器有各种各样的配置，但那些通常用于描述植物特征的传感器要么是二维(2D)，要么是三维(3D)，它们可以感知的空间。这些传感器被称为激光雷达传感器，这是一个首字母缩写，意思是“光探测和测距”。“2D传感器使用机械扫描仪在传感器周围的2D平面上发射光束。画一个围绕中心原点的弧(见图2B)。3D传感器在传感器周围的3D区域发射激光束，就像一个球体的形状。在2D和3D激光传感器中，传感器内部都有一个自旋镜，将激光反射到传感器视场内的每个可能方向，然后测量从传感器到植物和其他物体的TOF。与其他传感器相比，激光雷达最准确地测量作物结构。许多激光雷达传感器可用于工业应用，如农业。

传感器类型	测量方法	优点	缺点
红外	红外线探测植物发射或反射的红外线波	温度和湿度对传感精度影响较小。低成本。	红灯强度和车速对感应能力的影响。视场窄，感知距离短。无法确定植物结构特征。
超声波	声波测量:用声波测量到物体的距离使用飞行时间的概念。	能够确定植物结构特征。相对容易实现。	植物结构分辨率有限。需要多个传感器来检测植物结构。
植物荧光	绿色植物表面近红外荧光的检测。	能够确定植物结构特征。快速数据采集。	需要多个传感器来检测植物结构。受背景照明影响的传感器，需要经常校准。
激光雷达	用激光束测量物体的距离。使用飞行时间的概念。	丰富的数据采集能力。精细的植物结构分辨率。测量速度快。	数据采集受牵引车弹跳影响，需要校正。传感器内部精密的活动部件。

表1:传感器喷涂系统中使用的传感器的优缺点。修改自Warneke等人2019年。

植物荧光传感器是传感器控制喷雾器应用的另一种传感器类型。这些传感器在可见光谱中发射波长的光，并检测从植物反射回传感器的荧光。具体来说，这些传感器探测植物容易反射的近红外波长的光。这些传感器的空间分辨率约为10cm2，可以检测到小至10mm2的植物区域(Genna, Gourlie， & Barroso, 2021)。植物荧光传感器可以收集植物结构数据，这些数据可以存储并用于进一步的农业规划。这些传感器最广泛地用于“杂草观察”除草剂喷雾器，以检测与土壤表面形成对比的绿色杂草组织，但它们也集成到冠层喷雾器上，当感知到绿色冠层时触发喷雾。

传感器控制雨棚喷雾器还需要另一个传感器。地面速度传感器与作物传感器结合使用，在喷雾器穿过田地时同步向植物释放喷雾。目前，传感器喷洒系统没有直接连接到拖拉机上的速度表，因此需要一个单独的速度传感器来将喷雾器地面速度传递给传感器系统。保持准确的速度传感是确保喷雾释放在目标上的关键。一些喷雾系统通过拖拉机车轮螺栓传感器或使用多普勒技术的雷达传感器来获得速度。传感器控制的喷雾释放最简单的调整是通过机械调整传感器的水平位置和延迟调整设置，当喷雾器打开和关闭后，物体被感知到。

使用传感器喷雾器喷洒

传感器喷雾器的功效和效率

传感器控制喷雾器的害虫和疾病控制已被广泛证明与标准喷雾器类似。例如，在俄亥俄州的一个多样化的水果农场使用基于激光雷达的可变率喷雾器，与使用标准的空气喷雾器相比，可以等效地控制疾病和害虫，如苹果上的褐飞蛾、白粉病和结疤病，桃子上的东方果蛾和褐腐病，蓝莓上的斑翅果蝇和干果，以及黑树莓上的炭疽病(L. Chen, Wallhead, Reding, Horst， & Zhu, 2020)。当施用于桃子、蓝莓、黑覆盆子和苹果时，喷雾量分别减少了29%、48%、52%和59%，对这些作物进行了控制(L. Chen et al.， 2020)。在1年、3年和7年树龄的苹果园中，超声波传感器被用来启动喷雾器，苹果锈病螨(Aculus schlechtendali)和梨木虱(Cacopsylla pyri)都得到了与标准喷雾器相似的控制效果(Koch & Weisser, 2000)。此外，苹果赤霉病(文丘菌)和苹果白粉病(Podosphaera leucotricha)使用传感器喷雾器与使用标准喷雾器可以得到类似程度的控制(Koch & Weisser, 2000;Sedlar等人，2013)。一般来说，在具有统一冠层的作物中，如葡萄园或种植密集的果园，与冠层变化更大的作物相比，传感器喷雾器将导致更低的体积节省。

运营效率的提高

传感器喷雾器的经济节省来自各个方面。最直接的节省是减少了处理区域所需的喷涂材料的成本。当传感器喷雾器在树叶稀疏或作物形状不规则的地区使用时，农药材料的节省将是最显著的。在一些特殊的作物操作中，田地中植物大小的可变性是很常见的。变异可能是由于种植了多种植物品种、植物或枝干死亡以及重新种植。例如，在杏树和柑橘园，生病的树木被移除和替换，造成不同年龄的树木和树冠大小的马赛克。传感器喷雾器可以节省时间和金钱的另一个方面是自动调整喷嘴随着植物在季节中的生长进展。在这个季节的早期，当没有太多的树叶时，一个传感器系统会自动调整哪些喷嘴是打开的，以将产品应用到需要的地方。这可以节省操作人员手动调整喷嘴的时间。

当使用传感器控制喷雾器时，在给定的喷雾事件上花费的时间更少而节省的人力是另一个重要的节省来源。例如，一个100英亩的果园以每小时2英亩的目标速度进行空气喷射。在60%的效率下(由于填充)，喷雾器每小时可以覆盖1.2英亩，整个农田在83小时内完成。通过安装传感器喷雾器，效率可以提高到80%，覆盖面积将增加到1.6英亩/小时。在这种情况下，农田可以在62小时内喷洒，大约少了20小时。如果操作人员的时薪为20美元，那么每英亩效率为60%的喷雾器的人工成本为16.60美元，效率为80%的喷雾器的人工成本为12.40美元。因此，使用有效率80%的喷雾器，每次喷洒可为农场节省420美元。拥有多个传感器喷雾器的大型果园可以更快地积累储蓄，因为每个喷雾器的添加会增加整体操作效率(Tona, Calcante， & Oberti, 2018)。

除了节省金钱外，随着拖拉机运行小时数的减少，驾驶员疲劳也会减少。此外，减少所需的喷雾器加油次数，除了降低拖拉机的磨损量外，还可以降低劳动力和燃料成本。当喷雾操作可以更快地完成时，也可以更容易地将喷雾安装在天气良好的窗口或关键的应用窗口，例如当植物病原体或害虫繁殖时。

使用传感器喷雾器的环境效益

使用传感器系统的环境效益包括减少对非目标作物环境、有益生物和工人的化学负荷。喷雾漂移可以被广泛地定义为没有沉积在预定目标上的任何喷雾。漂移物可以沉积在预定目标附近的地面上，也可以携带到更远的地方，最终落在地面或非目标植物上。地面沉积漂移在树木之间的间隙中尤其常见，这可能导致对环境的重大农药负荷。在加州杏树果园，与标准轴流风机风吹系统相比，超声波传感器喷剂减少了72%的地面沉积(Giles et al.， 2011)。过量施药引起的空气漂移是空气喷雾器非目标农药负荷的另一个重要来源。在苹果园，有23-45%的农药施用量被观察到偏离目标(Pergher, Gubiani， & Tonetto, 1997)。林冠适应喷雾器可以特别有效地减少喷雾漂移。一项研究观察了苹果园从早到晚的三个不同冠层阶段，发现使用冠层适应喷雾器可以减少70-100%的喷雾漂移(Y. Chen, Zhu, Ozkan, Derksen， & Krause, 2013)。较低的非目标化学负荷也有助于降低农药抗性的发展速度，因为在非目标位置存在较少的农药残留(Verweij, Snelders, Kema, Mellado， & Melchers, 2009)。 Other considerations include less pesticide contamination of surface and groundwater and lower chances of exposure on non-target organisms such as beneficial insect populations and livestock (Pimentel, 1995). These benefits incrementally improve the vitality of the agricultural landscape, and should not be overlooked when thinking of implementing a sensor sprayer.

更进一步:自动传感器控制空气喷雾器

传感器控制的喷雾器有助于提高喷雾应用效率，但仍然需要一个受过教育的施药者驾驶拖拉机和操作喷雾器。农业劳动力的可用性变得越来越不可靠和昂贵，因此一些喷雾器制造商正在生产可以在喷雾过程中远程监控的自动喷雾器。GUSS喷雾器(全球无人喷雾器系统)是完全自主的自行喷雾器。GUSS喷雾器有专为成熟果园树木设计的大尺寸喷雾器和专为葡萄和小水果设计的迷你GUSS。GUSS系统可以使用或不使用超声波传感器。最多可以同时运行8台GUSS机器，同时由一个人监视。另一个自主系统是Hol喷涂系统(HSS)和Agxeed合作的结果，称为Agxeed HSS(图3)。这是一个多用途的农业机器人，具有标准的3点连接。可与本机集成2000L水箱，为喷雾器供水。机器人上使用的喷雾器可以与HSS的智能喷雾应用系统集成，以调节喷雾输出，因为植物被感知。该系统使用植物荧光传感器和测绘软件，以不同的速率施用农药，同时还可以获取可用于其他目的的植物结构数据。 In addition to the sprayer, standard agricultural implements such as mowers or grinders can be hooked up to the robot for autonomous operation. Another high tech autonomous sprayer is the Jacto Arbus 4000 JAV. This is a self-propelled sprayer that is equipped with sensors to modulate spray volume in real time in addition to a separate electronic driveline to actively modulate air volume in real time to match the target canopy. All three of these autonomous sprayers offer lower labor requirements and more efficiency than manned-sprayer applications.