基于环境与冠层参数的电动风送喷雾系统自动气流控制模型开发

《Smart Agricultural Technology》：Development of an Automatic Air Assistance Control Model for an Electric Air-Assisted Spraying System

　　

摘要专业翻译 针对特种作物病虫害管理中农药施用效率低、空中飘移严重等问题，本研究开发了一种用于电动风送喷雾系统（Electric Air-Assisted Spraying System, EAAS）的自动气流控制模型。在风洞实验中，研究人员系统评估了风扇出口风速（1.86–10.96 m·s-1）、环境风速（0–4.3 m·s-1）、风向（90°–312°）及叶面积指数（Leaf Area Index, LAI，0.00–2.77）对人工树冠层沉积的影响。结果表明，风向与风扇风速共同解释了冠层沉积变异的79%。当环境风向与喷雾方向一致时，较低的风扇风速即可最大化沉积量；而在逆风条件下，需提高风扇风速以补偿气流损失。基于最小二乘回归，研究人员建立了五种抗飘移最优风扇转速预测模型，决定系数R2范围为0.844至0.898。在超过92%的逆风工况下，模型能够正确选择最优风扇转速。该控制模型可集成至电动风送喷雾系统的车载控制器，实现基于实时环境条件与冠层特征的气流自适应调节，从而在保障冠层有效沉积的同时最大限度减少农药空中飘移。

论文解读文章

一、研究背景与目的

在美国农业中，果树、坚果及藤本植物等高价值特种作物的病虫害防治高度依赖风送喷雾机。然而，传统喷雾技术导致大量农药流失，据估计美国每年因农药空中飘移造成的损失高达3175万公斤，这不仅降低了施药效率，还引发了严重的健康与环境问题。已有研究表明，37%至68%的美国农业工人农药相关疾病与飘移有关，约31%的校园急性农药中毒事件亦涉及空中飘移。此外，飘移还会危害非靶标作物与野生动物、污染水源并破坏土壤生态。

为解决上述问题，传感器控制系统已被整合至农业喷雾机中，利用超声波、激光雷达（LiDAR）及实时立体视觉等技术，根据冠层特征调节喷头流量。其中，立体视觉因其低成本优势成为实时冠层表征的有力工具，采用该技术的变量喷雾机相比传统恒量喷雾机可减少72.6%至80.5%的药液用量。然而，现有技术在喷嘴控制与冠层探测方面虽有突破，作为输送雾滴进入冠层的载体机制——气流的调控却长期未得到改进。传统果园喷雾机依赖轴流风机产生恒定高容积气流，对于稀疏冠层易造成过量脱靶损失，而对密集冠层则穿透不足、覆盖不佳。机械式导流板或百叶窗虽可调节气流，但其响应缓慢、控制精度粗放、能耗高，且无法适应变化的田间风况，甚至可能损伤作物。

因此，有必要开发一种能够根据冠层特征与环境风况实时、精确调节风机气流输出的智能控制系统。本研究旨在：（1）量化风扇风速、环境风速、风向及叶面积指数（LAI）对冠层沉积的交互影响；（2）建立经验模型，识别在给定环境条件下最大化冠层沉积并最小化空中飘移的最优风扇风速，以便集成至电动风送喷雾系统的车载控制器。

二、关键技术方法

1. 1.
   电动风送喷雾系统（EAAS）：采用电动轴流风扇（直径397 mm，最大风量3430 m3·h?1），配合定制风道与喷嘴，通过微控制器（Arduino Leonardo）及功率MOSFET生成脉宽调制（PWM）信号驱动固态继电器，以5%占空比（DC）步进调节风扇转速，实现0至11.3 m·s?1范围内的快速气流调整。风扇出口风速与DC的关系经实验拟合为非线性方程。
2. 2.
   风洞实验平台：在低湍流度（<5%）低速风洞中进行测试，模拟不同环境条件。将EAAS喷嘴置于距地面0.90 m处，以276 kPa压力喷雾0.2 s，喷射方向对准位于下风向2.05 m处的1.21 m高人工榕树。实验过程中系统变化冠层密度、风扇风速、环境风速及风向。
3. 3.
   冠层密度与采样方法：使用三种人工树（无叶、半叶、全叶）代表不同LAI值（0.00、1.39、2.77）。在不锈钢圆盘筛网与水敏纸上收集冠层沉积与覆盖率样本，采样点位于冠层顶部、中部和底部中心位置。空中飘移则在树冠下风向约1.38 m处同步采集。沉积量通过荧光分光光度法测定，覆盖率由DepositScan软件分析。
4. 4.
   数据建模方法：采用逐步普通最小二乘回归，以log(1+风扇风速)为响应变量，候选预测因子包括环境风速、风向（含三角函数项）、LAI及其多项式与交互项，以及基于物理定义的复合特征（如垂直于喷雾方向的有效风速分量等），最终筛选出五个抗飘移最优风速预测模型。

三、研究结果

1. 交互效应分析

单因素方差分析显示，LAI、风速、风向及风扇风速均对冠层沉积有显著主效应。双因素方差分析进一步揭示，风向与风扇风速的交互作用最为突出，二者共同解释了沉积变异性的79%。这表明环境风向是决定最优气流强度的关键因素。

2. 最优风扇风速范围

在所有测试条件下，使冠层沉积达到最大值的最优风扇出口风速范围为1.86至10.96 m·s?1，对应PWM占空比5%至100%。当环境风向与喷雾方向一致（270°）时，较低风速即可获得最佳沉积；而当风向转为逆风（90°）或斜向时，需显著提高风扇风速以补偿气流损失。

3. 模型性能评价

建立的五个漂移容忍模型的决定系数R2介于0.844至0.898之间，表明模型能够较好地解释最优风速的变化。在逆风工况下，模型在超过92%的案例中成功选择了与实际最优一致的风扇转速，验证了其在实际应用中的可靠性。

4. 沉积与覆盖率一致性

归一化后的冠层沉积曲线与覆盖率曲线在各处理组合下的平均绝对差异较小，证实了荧光测量与水敏纸结果的高度一致性，增强了沉积数据的可信度。

四、讨论与结论

研究讨论指出，传统的固定气流设定无法在冠层密度与环境条件剧烈变化的果园中持续平衡沉积与飘移。本研究所开发的模型首次将环境风速、风向及冠层密度同时纳入考量，实现了对EAAS风扇转速的自适应调控。模型在逆风条件下的高选优率（>92%）尤其具有实用价值，因为逆风正是实际田间作业中最易导致飘移损失的场景。

研究结论如下：本研究成功开发了一套用于电动风送喷雾系统的自动气流控制模型。该模型基于风洞实验数据，利用逐步回归方法建立了最优风扇风速与LAI、环境风速、风向之间的定量关系。模型能够在各种冠层密度与风况条件下推荐合适的风扇转速，在最大化冠层沉积的同时有效抑制空中飘移。未来工作应将该控制算法集成至田间喷雾机的实时控制器中，并在真实果园环境下进行验证与校准。