《Agriculture》：Stabilizing Large Spray Booms for Precision Crop Protection: A Review of Hybrid Active–Passive Suspension Technologies, Sensing, and Control
稳定且均匀的农药施用对于精准作物保护、投入品利用效率提升以及大规模农业系统中非靶标损失的降低至关重要。大型喷杆喷雾机是实现高效作物保护的重要农业机械，但其宽幅且柔性的喷杆对地形激励、底盘运动、液体晃荡以及液压非线性高度敏感。这些扰动会引起横滚、偏航、垂向振荡以及喷杆端部高度变化，从而降低喷雾均匀性、增加漂移风险，并威胁作业安全。因此，主动–被动混合喷杆悬架系统已成为现代精准喷雾的关键使能技术。该综述总结了大型农业喷雾机喷杆悬架系统在结构设计、动力学建模、感知与控制方面的研究进展。主流商业机型通常采用双摆式主动–被动悬架构型，其中被动部件用于衰减高频振动，而主动子系统用于提升低频地形跟随性能。近期研究推动了电液驱动、扰动补偿、自适应控制、多传感器融合以及田间评价方法的发展；然而，关于喷杆动力学、喷雾质量、感知精度与整机运行之间耦合关系的统一框架仍不完善。关键挑战包括刚–柔–液压耦合、欠驱动控制、不确定参数、外部扰动，以及由喷杆弹性变形和传感器噪声引起的姿态估计误差。未来研究应重点关注刚–柔–流体耦合建模、具有扰动与共振抑制能力的自适应输出反馈控制、地形预瞄与多源感知，以及底盘–喷杆–喷雾协调控制。这些发展将有助于支撑现代精准农业中更稳定、更高效且更具环境责任的喷雾作业。
1. Introduction
论文首先指出，农业生产正向大规模化与高精度化转型，传统背负式喷雾机和小型喷杆喷雾机已难以满足现代作物生产在田间效率、投入利用效率和环境保护方面的要求。大型喷杆喷雾机，尤其是高地隙式和自走式机型，因具备作业效率高、喷雾均匀性好和田间适应性强等优势，已成为大规模种植体系中病虫草害防治的重要装备。与此同时，宽幅喷杆通常属于大跨柔性、弱阻尼桁架结构，在田间作业时易受到随机地面激励、车速变化和药液晃荡等不确定因素影响，进而产生喷杆倾斜、偏航与水平振荡等不规则运动。这类运动会导致漏喷与重喷，增大沉积分布变异，并可能造成喷杆接触冠层甚至撞地损坏。基于此，文章强调大型喷杆急需配置喷杆悬架系统，而当前对大柔性喷杆动力学机理及主动–被动混合悬架设计与控制理论的认识仍不充分，这是制约大型喷杆喷雾机发展的关键瓶颈之一。文章进一步说明，主动–被动悬架通过结合被动隔振的高频抑振能力与主动控制的低频地形跟随能力，可在复杂地形与底盘扰动下维持喷嘴–目标间距近似恒定，从而改善施药质量与作业安全。
1.1. Review Contribution
该部分阐明了综述的学术贡献。文章旨在系统总结大型喷杆主动悬架系统在喷杆动力学、被动悬架设计、主动–被动悬架控制以及电液伺服控制等方面的研究进展，并分析现有研究的主要局限与未来发展方向。相较于既有综述多从喷雾技术、喷杆动力学、农业机械或单一控制算法切入，本文从集成工程视角聚焦大型喷杆主动–被动混合悬架，强调底盘动力学、悬架机构、喷杆结构柔性、传感系统、电液驱动、控制策略与喷雾质量之间的耦合关系。这种跨子系统的系统性梳理，是本文与以往研究综述的主要差异所在。
1.2. Review Methodology
文章采用叙述性综述方法，从 Web of Science、Scopus、Google Scholar、IEEE Xplore 及中国知网等数据库收集约1990年至2026年的相关文献，检索主题涵盖“spray boom”“boom suspension”“active suspension”“hybrid suspension”“electro-hydraulic control”“spray quality”“terrain following”“precision agriculture”等。文献筛选依据包括技术影响力、被引频次、工程相关性以及对喷杆稳定化技术的贡献，从而保证综述对象兼具学术代表性与工程实用性。
2. Current Research Status and Analysis
本节首先概述了国际主流农机企业在大型喷杆喷雾机方面的发展现状。John Deere、AMAZONE、HARDI、Agrifac、CNH、AGCO 等制造商已推出喷幅超过50 m的机型，呈现大型化、智能化和高效率的发展趋势。商业化稳定方案主要采用双摆式悬架架构，即在摆式被动悬架基础上叠加感知系统与电液伺服控制系统，形成兼具主动与被动功能的二级摆机制。中国相关企业与科研机构虽已逐步关注大型高端喷杆喷雾机，但在双摆式主动–被动混合悬架设计方面，尚未建立完整理论体系。因此，厘清此类悬架下喷杆动态行为机理与控制方法，对提升喷雾品质具有重要意义。
2.1. Dynamic Characteristics of Large Booms and Passive Suspension Research
该部分围绕大幅宽喷杆及被动悬架的动力学特性展开。文章指出，随着喷杆幅宽增大，即便底盘较小的横滚运动或地形扰动，也可能在喷杆端部放大为显著的垂向位移，因此被动悬架最早被引入用于隔离振动、改善喷杆稳定性。已有研究主要包括喷杆动力学对喷雾性能的影响机理、喷杆悬架动力学建模、悬架设计方法以及喷杆振动田间测量方法等。早期工作主要关注被动悬架动态响应建模，例如梯形被动悬架、摆式被动悬架等，通过考虑横滚与偏航激励预测喷杆运动，并利用实验验证固有频率和响应特性。文章总结认为，被动悬架主要由摆杆机构、辅助连杆、弹簧和阻尼器组成，其核心作用是依靠质心变化实现自平衡并隔离高频振动。已有研究在中等幅宽喷杆上已形成较成熟的设计理论，并为双摆式主动–被动悬架研究提供了参考。部分研究还建立了28 m级喷杆与摆式被动悬架动力学模型，分析固有频率、阻尼比和几何参数的影响，构建了额定载荷2000 kg、可测试30 m级喷杆的试验平台，并通过模态试验验证有限元模型后开展尺寸优化。尽管如此，文章明确指出，现有模型多数仍将喷杆简化为刚体，难以适应大幅宽条件下显著的柔性变形；同时，底盘运动、悬架动力学、喷杆柔性与流体载荷之间的集成耦合考虑仍明显不足，主动与被动之间的频域协同问题也尚未充分解决。
2.2. Research Progress in Active-Passive Boom Suspension Control
文章随后转向主动–被动喷杆悬架控制研究。随着喷杆幅宽和作业速度提升，单纯依赖被动悬架已难以在复杂田间条件下保持喷杆姿态稳定，因此主动–被动混合悬架逐渐被引入。该系统通常由液压执行器、传感器、动力源与电子控制单元组成，通过连续调节执行器输出，使喷杆尽量保持与目标表面平行，并维持相对恒定的喷嘴–目标间距。欧洲较早开展了相关研究，例如针对混合梯形悬架建立数学模型，并通过增加主动执行器改善低频跟随性能；也有研究开发了基于电机驱动滑轮的索式主动–被动悬架，通过模型辨识、仿真和频扫试验验证低功率执行器实现低频地形跟随的可行性。国内研究则更多集中于较短和中等幅宽喷杆的高度调节与横向平衡控制，常用超声传感器检测喷杆离地高度，并采用 PID、模糊 PID（FPID）或专家控制策略进行实时调节。文章概括认为，当前喷杆悬架控制方法主要包括 PID 控制、最优控制、状态反馈极点配置等，它们在小幅宽、弱扰动、动态要求较低的系统中具备一定实用性；但对于大型喷杆喷雾机，喷杆柔性、随机地形激励、底盘耦合和液压非线性显著增强，单纯提高反馈增益不仅难以保证性能，反而可能放大测量噪声并激发不良模态。因此，大型喷杆主动悬架控制应被视为一个强耦合、欠驱动且对扰动高度敏感的动态调节问题，而非简单的高度控制问题。
2.3. Research Status of Electro-Hydraulic Servo Control Theory for Active–Passive Suspensions
本部分聚焦电液伺服控制理论。文章指出，电液伺服系统因具有大输出力、快速动态响应和强负载适应性，特别适用于大型喷杆主动悬架，但同时也引入时变参数、外部扰动、未建模动态、摩擦、油液可压缩性、阀口非线性和泄漏等控制难题。为此，研究者提出了自适应控制、鲁棒控制、神经网络控制、滑模控制以及扰动观测器控制等多种非线性方法。对于同时存在参数不确定性与非线性的系统，线性模型通常不足以准确描述实际动力学。文中进一步综述了自适应模糊滑模控制、鲁棒控制与自适应鲁棒控制（ARC）等方法在喷杆悬架中的应用，指出 ARC 能将参数自适应与非线性鲁棒补偿结合，适合处理弹簧刚度、阻尼、库仑摩擦和泄漏等未知参数问题，并已在6自由度（6-DOF）运动平台及大型自走式喷杆喷雾机上实现优于传统 PID 的稳态性能。然而，文章也指出，许多 ARC 方案采用有界饱和补偿，虽然改善了有界跟踪性能，却未必能在随机扰动下实现渐近跟踪。为增强抗扰能力，研究者开始引入有限时间扰动观测器、扩张状态观测器（ESO）和非线性扰动观测器（NDOB）以在线估计匹配扰动与失配扰动，并通过前馈补偿显著提升扰动抑制能力。尽管如此，许多高性能控制器依赖全状态反馈，即需要位置、速度和压力信号，而农业机械在成本、布置空间及环境适应性等约束下往往难以全面配置这类传感器，且测量噪声会进一步削弱状态反馈控制器性能。因此，文章认为未来更有前景的方向是仅依赖有限可测信号的输出反馈控制，并与扰动观测、多传感器融合及数据驱动自适应技术协同发展。
3. Performance Evaluation and Experimental Validation Methods for Active–Passive Boom Suspension Systems
本节围绕性能评价与实验验证展开。文章强调，主动–被动喷杆悬架系统的终极目标并非仅仅降低振动幅值，而是保证喷杆姿态稳定、喷嘴–目标间距恒定以及喷雾沉积分布均匀，因此其评价不应局限于位移误差或角度误差，而应覆盖动态响应、控制精度、液压执行性能、喷雾质量和田间适应性。
3.1. Performance Evaluation Index System
文章将评价指标划分为五类：喷杆姿态稳定性指标、控制性能指标、喷雾质量指标、工程适用性指标，以及喷杆运动与喷雾性能之间的关系指标。姿态稳定性指标包括横滚角、偏航角、端部垂向位移、振动加速度、峰–峰值、均方根响应和调节时间等；控制性能指标包括跟踪误差、响应时间、超调量、相位滞后、低频地形跟随能力、高频隔振能力和抗扰性能；液压主动悬架还应关注油缸位移、阀控输入、压力波动、执行器饱和、能耗与温升。喷雾质量方面，则应关注沉积分布变异系数、覆盖均匀性、漏喷面积、重喷面积、漂移风险及喷嘴–目标间距偏差。文章还引入 ISO 5682-2:2017、ISO 16122-2:2024 及 ANSI/ASABE S572.3 等标准，说明未来评价应从单一机械振动评价转向“姿态稳定–控制性能–喷雾质量–工程适用性”一体化评价。
3.2. Simulation Evaluation and Co-Simulation Methods
在仿真评价方面，文章指出传统低阶刚体模型便于控制器设计和参数灵敏度分析，但难以准确描述大跨柔性喷杆的弹性变形、模态振动及其与车体和液压系统的耦合作用。为此，建议采用多体动力学、有限元模态分析、电液系统建模与控制系统仿真相结合的协同仿真方法。多体模型用于刻画底盘运动、悬架几何和整体姿态，有限元或模态降阶方法用于表征喷杆柔性，液压模型用于描述阀流量、油缸动态、油液可压缩性与泄漏，控制模型则用于验证随机扰动和参数不确定性下不同算法的响应能力。文章还强调地形激励建模的重要性，包括正弦、阶跃、随机路谱、实测地形高程和底盘姿态信号等输入形式，并提出应在时域与频域联合评估主动控制、被动隔振与柔性模态之间是否存在耦合放大或共振风险。
3.3. Laboratory Bench Testing and Hardware-in-the-Loop Validation
该部分指出，室内台架试验能够在可控、可重复条件下评价悬架性能，便于比较不同结构与控制算法。常用平台包括单轴或多轴振动台、6-DOF运动模拟平台、液压执行器试验台和综合喷杆悬架试验平台。对于主动–被动悬架，6-DOF平台尤其重要，可模拟底盘横滚、俯仰、偏航和垂向振动；硬件在环（HIL）试验则可将真实控制器、传感器、液压阀和执行器接入实时仿真环境，用于验证控制算法的稳定性、实时性和鲁棒性。文章特别指出，台架验证不仅应评估喷杆角度误差，还应同步记录油缸位移、双腔压力、比例阀输入、油温及执行器响应延迟，因为过大的控制输入、频繁阀切换和压力波动可能影响系统寿命与长期可靠性。
3.4. Field Tests and Spray Quality Evaluation
文章强调，田间试验是评价主动–被动喷杆悬架实际作业性能的关键环节，因为不规则地形、车速波动、土壤坚实度差异、作物冠层变化、液体晃荡和环境风等因素难以在室内完全复现。田间测试应覆盖不同车速、喷杆高度、坡度与冠层条件，并测量底盘姿态、喷杆横滚角、端部高度、油缸位移、压力波动、传感器输出和控制输入。对于高度检测系统，特别需要评估传感器在冠层、裸地及不同作业速度下的测距稳定性。文章还指出，喷杆振动会直接影响高度传感器读数，因此田间验证必须考虑振动对感知数据的干扰。喷雾质量评价则应与喷杆运动测试同步开展，可采用水敏纸、沉积采集器、荧光示踪剂或图像分析等方法，计算沉积变异系数、覆盖率及漏喷/重喷区域。总体而言，未来田间试验应更重视“喷杆姿态–喷嘴高度–液滴沉积–作业质量”的定量关系，而不是仅验证控制器能否减小姿态误差。
3.5. Limitations of Existing Evaluation Methods and Future Development Directions
文章总结认为，现有评价方法仍存在指标体系不统一、对喷雾质量关注不足、仿真与实际田间条件脱节以及台架试验难以完全复现复杂耦合扰动等局限。未来应建立大型喷杆主动–被动悬架标准化评价框架，统一姿态稳定性、控制性能、液压执行性能及喷雾质量指标，并将仿真、室内台架、HIL 与田间试验有机结合，形成从模型预测到工程验证的多层级评价流程。
4. Key Enabling Technologies and System Integration of Active–Passive Boom Suspension Systems
该节从关键使能技术与系统集成角度分析主动–被动喷杆悬架的发展。文章认为，这类系统并非单一机械隔振装置，而是由传感器、执行器、控制器、液压或电驱系统、通信总线及喷雾作业系统构成的机电液一体化系统。随着喷杆幅宽、作业速度与控制精度要求不断提高，仅靠结构优化或单一控制算法已不足以满足复杂田间条件下的稳定作业需求。
4.1. Boom Motion Perception and Multi-Sensor Fusion Technologies
文章指出，喷杆运动感知是闭环控制的基础。田间作业中喷杆通常同时存在横滚、偏航、垂向振动和弹性变形，单一传感器难以准确反映真实姿态。已有研究尝试融合雷达测速传感器、三轴动态测量单元、超声传感器和加速度传感器，以区分喷杆偏航、冲击运动和结构变形。对于大型喷杆喷雾机，整车姿态估计同样是喷杆控制的重要输入，已有方法结合数字高程模型、RTK-GPS、地形补偿模块和惯性传感器，并通过离散卡尔曼滤波提升自走式喷雾机横滚和俯仰角估计精度。文章据此提出，未来姿态估计不应仅关注端部高度，而应建立融合底盘姿态、地形信息、局部变形与传感器噪声的统一状态估计框架。
4.2. Height Detection and Terrain/Canopy Perception Technologies
在高度检测方面，文章指出喷嘴–目标距离是影响喷雾均匀性与漂移风险的关键因素。当前超声传感器广泛应用于商业与实验系统，但其测量易受冠层密度、地表粗糙度、行驶速度和喷杆振动影响。近年来，LiDAR 也被用于喷杆高度检测，显示出用于地面和麦茬检测的可行性，但其对冠层内部和残茬的识别特性与超声存在差异，需要配套信号处理和分类算法。文章认为，未来高度检测应从单点测距转向多源感知，不仅要测量当前喷杆高度，还应区分地面、冠层、障碍物及喷杆振动影响，并与底盘姿态、喷杆倾角、喷杆变形和地形预瞄信息协同集成。
4.3. Controller Hardware, Bus Communication, and System Real-Time Performance
文章指出，主动–被动悬架通常包含多个感知节点、执行节点和控制节点，系统实时性和通信可靠性直接影响控制效果。大型喷杆传感器分布范围广、执行链较长，每个控制周期内需完成数据采集、滤波、状态估计、控制计算和命令下发，因此控制系统不仅需要较强算法能力，也需要稳定的总线通信与抗干扰能力。ISO11783/ISOBUS 与 CAN 总线已成为拖拉机、喷雾机、控制器和传感器互联的重要技术途径。文章认为，未来喷杆姿态控制、变量施药控制与作业状态监测应集成于统一通信网络中，并逐步从单控制器闭环系统走向分布式控制架构。
4.4. Visual Measurement and Dynamic Reconstruction of Boom Motion
在传统倾角、超声、加速度或位移传感器之外，文章还讨论了基于机器视觉的喷杆运动动态测量。相关研究利用 YOLO 系列神经网络模型跟踪喷杆端部目标，实现田间工况下垂向与横向位移的自动量化，并通过倾角传感器进行了验证。文章认为，视觉测量具有非接触、多点观测优势，可作为传统点式传感器的重要补充，用于识别大幅端部振荡、局部弹性变形和异常振动。未来可将视觉、惯性测量单元（IMU）、LiDAR 和超声传感器进一步融合，建立喷杆空间姿态重建系统。
4.5. Actuator and Drive System Integration
文章总结了主动–被动悬架中常见的执行器，包括液压缸、电动直线执行器、电液伺服阀、比例阀及其配套驱动单元。液压执行器因输出力大、响应快、负载适应性强，更适合大跨重载喷杆；但其阀口非线性、油液可压缩性、泄漏、摩擦与压力波动等问题也更突出。已有研究开发了基于 CAN 总线的双摆式主动喷杆悬架控制系统，并采用粒子群优化（PSO）的模糊 PID 方法改善控制响应。文章强调，执行器设计不能脱离控制系统孤立进行，而应与悬架动力学、传感器布局、通信周期和控制算法协同优化，同时兼顾足够行程、力裕度和响应带宽，并避免过高控制频率激发结构模态。
4.6. Coordination Among Liquid Sloshing, Spraying System, and Suspension Control
本部分进一步指出，在大型喷雾机田间作业过程中，药箱内液体晃荡会通过车体与支撑结构传递至喷杆系统，成为影响稳定性的重要外部激励，尤其在转弯、制动、加速和不平地形上更为显著。相关研究表明，药液晃荡、喷杆关节刚度与喷嘴射流力之间存在耦合，并可能在特定频段诱发振动放大。因此，主动–被动喷杆悬架不应仅视作局部稳定装置，而应与整机动力学及喷雾系统协同设计。未来需建立“底盘–罐内液体–悬架–喷杆–喷雾”耦合模型，并在控制层面实现喷杆姿态稳定、喷雾参数调节与作业速度控制的协调优化。
5. Challenges and Future Research Directions
最后，文章总结了未来研究方向。首先，在动力学建模方面，应构建底盘–双摆悬架–喷杆一体化模型，并进一步发展多体动力学、有限元分析与电液系统仿真相结合的刚–柔–流体耦合建模方法，以更准确描述超过30 m喷杆在自重、地形激励和液体载荷共同作用下的柔性变形与模态振动。其次，在强扰动与参数不确定性控制方面，未来应重点研究具备扰动补偿和共振抑制能力的非线性自适应输出反馈控制，将 ESO、NDOB 与自适应、鲁棒控制有机融合，并审慎引入神经网络和强化学习等机器学习方法，同时确保物理可解释性与稳定性保证。再次，在姿态感知与多源感知方面，应发展融合超声、IMU、LiDAR、毫米波雷达与视觉传感器的感知系统，结合扩展卡尔曼滤波（EKF）等信息融合方法，实现更高频率、更高鲁棒性的喷杆空间姿态重建，并通过地形预瞄将控制从被动反馈拓展至预测性前馈–反馈调节。最后，在系统层面，研究应由部件级优化转向底盘–喷杆–喷雾协调控制，通过多自由度协同调节喷杆横滚、偏航与垂向运动，建立底盘状态、悬架响应、喷杆姿态与喷雾质量之间的耦合模型，以进一步提升喷雾均匀性、作业效率与田间适应性。
