CC BY
13
Научная статья УДК 621.331
Беспилотная ловушка на основе фототаксиса для защиты растений от насекомых-вредителей
Андрей Владимирович Линенко, Айнур Иршатович Азнагулов,
Валерий Владимирович Лукьянов, Валинур Галинурович Байназаров,
Булат Радикович Халилов
Башкирский государственный аграрный университет, Уфа, Россия
Аннотация. Предложена беспилотная светоловушка для защиты растений от насекомых-вредителей на основе фототаксиса. Беспилотная светоловушка на электротяге позволяет автономно отлавливать насекомых-вредителей посредством аппаратно-программно комплекса с интеллектуальной системой управления. Рассмотрена схема системы управления беспилотной светоловушки. В качестве приманки для насекомых-вредителей светоловушка оснащена светодиодами типа COB, длина волны которых 300 - 500 нм - наиболее привлекательный спектр для насекомых. Поражение насекомых-вредителей осуществляется высоким напряжением от 2кВ. Для получения высокого напряжения применяется высоковольтный генератор постоянного тока, получающий питание от аккумуляторной батареи. В качестве DC-AC-преобразователя применяется инвертор типа push-pull. Энергосберегающая беспилотная светоловушка позволит сократить численность популяции насекомых-вредителей на сельскохозяйственных и лесных угодьях; может использоваться для мониторинга форм, видов и развития насекомых-вредителей. Привод на электротяге позволяет исключить затраты, связанные с обслуживанием ДВС, а отсутствие выхлопных газов и исключение риска разлива и подтёков ГСМ повышает качество обрабатываемой продукции и экологичность процесса в целом.
Ключевые слова: беспилотная светоловушка, защита растений, насекомые-вредители, фототаксис, система управления, электропривод.
Для цитирования: Беспилотная ловушка на основе фототаксиса для защиты растений от насекомых-вредителей / А.В. Линенко, А.И. Азнагулов, В.В. Лукьянов и др. // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2023. № 1 (99). С. 164 - 169.
Original article
Unmanned trap based on phototaxis to protect plants from insect pests
Andrey V. Linenko, Aynur I. Aznagulov, Valerii V. Lukianov,
Valinur G. Baynazarov, Bulat R. Khalilov
Bashkir State Agrarian University, Ufa, Russia
Abstract. An unmanned light trap for protecting plants from pests based on phototaxis is proposed. An unmanned electric light trap allows you to autonomously catch insect pests using a hardware-software complex with an intelligent control system. The scheme of the control system of an unmanned light trap is considered. As a bait for insect pests, the light trap is equipped with COB LEDs, the wavelength of which is 300 - 500 nm - the most attractive spectrum for insects. The defeat of pests is carried out by high voltage from 2 kV. To obtain high voltage, a high-voltage DC generator is used, which is powered by a battery. A push-pull inverter is used as a DC-AC converter. An energy-saving unmanned light trap will reduce the population of insect pests in agricultural and forest lands; can be used to monitor the forms, species and development of insect pests. The electric drive eliminates the costs associated with the maintenance of the internal combustion engine, and the absence of exhaust gases and the elimination of the risk of spills and smudges of fuel and lubricants increase the quality of the processed products and the environmental friendliness of the process as a whole.
Keywords: unmanned light trap, plant protection, insect pests, phototaxis, control system, electric drive.
For cication: Unmanned trap based on phototaxis to protect plants from insect pests / A.V. Linenko, A.I. Aznagulov, V.V. Lukianov et al. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2023; 99(1): 164-169. (In Russ.)
Переход к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, роботизированным системам является приоритетным направлением развития науки, технологий и техники агропромышленного комплекса Российской Федерации. По данным Аналитического центра Минсельхоза России внедрение сложных технологий точного земледелия обеспечит положительный экономический эффект и позволит снизить затраты на производство сельскохозяйственной продукции не менее чем на 23 % при комплексном подходе [1]. Данные технологии включают в себя управление продуктивностью посевов, обработкой почвы, уборкой, внесением
удобрений и защитой растений с использованием специализированных компьютерных технологий и роботизированных систем.
Одной из основных проблем защиты растений является снижение потерь урожая, которые связаны с жизнедеятельностью насекомых-вредителей.
По данным продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (ФАО), потери урожая достигают 40 % от воздействия сорняков, болезней и вредителей [2]. Ежегодно в Российской Федерации более 10 % посевных площадей подвергается заражению насекомыми-вредителями, что ведёт к значительным потерям урожая.
Материал и методы. Выделяют четыре основных способа защиты растений от насекомых-вредителей: биологический, механический, агротехнический и химический [3]. В последние годы активно разрабатывается пятый метод - электрофизический, основанный на использовании различных видов излучений (рис. 1). Защита растений проводится на основании экономических порогов вредности (плотность популяции вредителя, возбудителя болезни, вызывающие повреждения растений, при которых целесообразно производить мероприятия по их защите).
Одним из наиболее распространённых способов защиты растений является внесение жидких ядохимикатов - полнообъёмное опрыскивание [4]. Основные его недостатки: низкая производительность агрегатов, высокие эксплуатационные затраты и загрязнение окружающей среды, так как ядохимикаты стекают с растений на почву в результате излишнего смачивания, что в свою очередь влияет на экологичность продукции растениеводства [5].
Применение светоловушек, ориентированных на уничтожение насекомых-вредителей, на основе электрофизического метода защиты растений является актуальным направлением (рис. 2) [6, 7]. Принцип их действия заключается в движении насекомых к свету (фототаксис).
Рис. 1 - Основные методы защиты растений
Приманкой для насекомых-вредителей является световое излучение на основе светодиодов, к основным преимуществам которых относятся низкая потребляемая мощность, высокая световая отдача, большой срок службы, высокая механическая прочность, надёжность и безопасность. Светодиоды могут обеспечить наиболее привлекательный спектр для насекомых, длина волны которых составляет от 300 до 500 нм (рис. 3).
Высокая чувствительность фасеточных глаз к ультрафиолетовому свету проявляется у всех насекомых. Цветовое зрение насекомых основано на использовании двух или трёх светоприёмников, различающихся по спектральной характеристике [8, 9].
Переход к цифровизации и автоматизации сельскохозяйственного производства обуславливает разработку и внедрение мехатронных систем, которые в свою очередь позволят уменьшить трудозатраты и увеличить урожайность продукции.
Цель исследования: создание энергосберегающих «зелёных» мобильных мехатронных устройств для защиты растений от насекомых-вредителей.
Задачи исследования: разработать энергосберегающую «зелёную» беспилотную ловушку насекомых-вредителей, основанную на фототаксисе, для защиты растений.
Результаты и обсуждение. Для снижения популяции насекомых-вредителей на сельскохозяйственных и лесных угодьях предлагается применение беспилотной светоловушки (БПС), которая позволяет автономно отлавливать насекомых-вредителей посредством аппаратно-программно комплекса с интеллектуальной системой управления (рис. 4).
V
X
>
> <
Рис. 2 - Светоловушки для защиты растений от насекомых-вредителей
*
4?
V w У W
300 ♦ i400l
4Р
ЧЯГ
V У
W
t
I
■Vй'"v-
ультрафиолетовый свет
видимый спектр (для человека 380...700 нм)
инфракрасное излучение
Рис. 3 - Чувствительность глаз к различным цветам у различных биологических видов
из которых оснащено отдельным электроприводом с бесколлекторным двигателем постоянного тока. Световое излучение светодиодной ленты 6 является приманкой для насекомых-вредителей. Контактная поверхность 5 отражает испускаемое лентой 6 излучение и позволяет поразить насекомое-вредителя высоким напряжением, после чего отловленное насекомое попадает в ёмкость для хранения 4. Контактная поверхность подключается к источнику высокого напряжения от автономного источника питания. Маневрирование БПС осуществляется бортовым поворотом [10, 11].
Система управления БПС включает в себя два основных модуля: силовую цепь и информационный блок (рис. 5). Силовая цепь состоит из зарядного устройства, аккумуляторной батареи контроллера и электродвигателя (мотор-колесо). Информационный блок состоит из системы навигации и управления приводом.
Контактная поверхность, представляющая собой воронку, является электродом, на который подводится высокое напряжение (от U = 2 кВ). Для получения высокого напряжения используется высоковольтный генератор постоянного тока (ВГПТ), получающий питание от аккумуляторной батареи (АКБ). Управление работой ВГПТ и светового LED излучателя, а также электрических моторов (ЭМ) осуществляет устройство управления (УУ), собранное из современных электронных компонентов. Структурная схема светоловушки представлена на рисунке 6.
Рис. 4 - БПС для отлова насекомых-вредителей:
1 - блок системы управления; 2 - мотор-колесо; 3 - рама; 4 - ёмкость для сбора насекомых-вредителей; 5 - контактная поверхность; 6 - светодиодная лента
Конструктивно БПС представляет собой универсальное модульное электрошасси с устройством для отлова насекомых-вредителей на сельскохозяйственных угодьях. Система управления БПС1 позволяет автоматически осуществлять движение по заданному курсу без участия оператора посредством технического зрения и радионавигационных сигналов. Движитель БПС представлен цельной прямоугольной рамой 3 с независимо управляемыми колёсами 2, каждое
5
8
Рис. 5 - Функциональная схема системы управления БПС
Рис. 6 - Электрическая структурная схема светоловушки защиты растений от насекомых-вредителей
В БПС для питания силовой электроники используется литий-ионная аккумуляторная батарея постоянного тока, поэтому для преобразования постоянного тока в переменный ток и получения высокого напряжения используется инвертор AC-DC типа push-pull [12]. Принципиальная электрическая схема ВГПТ представлена на рисунке 7.
Схема включает в себя два ключевых транзистора VT2 и VT3. Первичная обмотка трансформатора Tri состоит из двух одинаковых полуобмоток с идентичным числом витков. К ключевым транзисторам VT2 и VT3 подключены противофазные выходы обмоток, а средняя точка обмотки - к источнику питания.
Ключевые транзисторы объединены с общей шиной питания, и их управление осуществляется относительно уровня земли.
При работе к полуобмоткам прикладываются импульсы напряжения амплитудой, равной напряжению источника питания. За счёт противофазного включения полуобмоток осуществляется симметричное перемагничивание магнитопровода повышающего трансформатора Tri. В инверторе AC-DC типа push-pull есть необходимость применения двухполупериодной схемы выпрямления VD2 и VD3 в выходной части.
В качестве приманки для насекомых-вредителей БПС оснащена светодиодами типа COB. Преимуществами данного типа светодиодов являются равномерная световая полоса, эффективный теплоотвод, угол рассеивания света 170 град., гибкость и долговечность [13].
Выводы. Разработанная конструкция энергосберегающей «зелёной» беспилотной светоловушки для защиты растений от насекомых-вредителей на основе фототаксиса позволит сократить численность популяции насекомых-вредителей на сельскохозяйственных и лесных угодьях, может использоваться для мониторинга форм, видов и развития насекомых-вредителей. Отловленные насекомые-вредители могут являться дополнительным прикормом в птицеводческих и рыболовных хозяйствах.
Рис. 7 -
Схема высоковольтного генератора постоянного тока БПС
167
Приманкой для насекомых-вредителей является световое излучение на основе COB све-тодиодов, длина волны которых 300 - 500 нм. Контактная поверхность находится под высоким напряжением от 2 кВ. Такое решение позволит повысить эффективность интегрированной селективной защиты растений за счёт непосредственного снижения численности популяции насекомых-вредителей на единицу площади. Привод на электротяге позволяет исключить затраты, связанные с обслуживанием ДВС, а отсутствие выхлопных газов и исключение риска разлива и подтёков ГСМ повышает качество обрабатываемой продукции и экологичность процесса в целом.
Список источников
1. Труфляк Е.В., Курченко Н.Ю., Креймер А.С. Точное земледелие: состояние и перспективы. Краснодар: КубГАУ, 2018. 27 с.
2. Оценка продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (ФАО) [Электронный ресурс]. URL: https://www.fao.org/publications/en/ (дата обращения 20.06.2022).
3. Газалов В.С., Беленов В.Н., Евдокимов А.Ю. Компоновка светодиодных излучателей установок защиты растений с учётом аддитивности компонентов цвета // Вестник АПК Ставрополья. 2013. № 2 (10). С. 101 - 105.
4. Азнагулов А.И., Лукьянов В.В., Сираев Ш.Ф. Беспилотный электроагрегат для опрыскивания сельскохозяйственных культур // Передовые достижения в применении автоматизации, роботизации и электротехнологий в АПК: сб. ст. науч.-практич. конф. М., 2019. С. 266 - 273
5. Повышение эффективности опрыскивания сельскохозяйственных культур / А.В. Линенко, В.В. Лукьянов, А.И. Азнагулов и др. // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2022. № 3 (95). С. 151 - 155.
6. Мониторинг фаз развития насекомых-сельхозвредителей посредством экспериментальных светоловушек для совершенствования электрофизических методов борьбы / Б.А. Сулаймонов, А.С. Овчинников, Б. Сапаев и др. // Известия Нижневолжского агроунивер-ситетского комплекса: Наука и высшее профессиональное образование. 2019. № 3 (55). С. 307 - 313. https://doi. org/10.32786/2071 -9485-2019-03-39.
7. Kim K., Huang Q., Lei C. Advances in insect phototaxis and application to pest management: A review. Pest Management Science. 2019; 75(12). https://doi. org/10.1002/ps.5536.
8. Шванвич Б.Н. Курс общей энтомологии. Введение в изучение строения и функций тела насекомых: учеб. М.; Л.: Советская наука, 1949. 899 с.
9. Тыщенко В.П. Физиология насекомых: учеб. по-соб. М.: Высш. шк., 1986. 303с.: ил.
10. Electrostatic treatment of agricultural crops with an unmanned electric device / A. Linenko, V. Lukyanov, A. Aznagulov et al. Journal of Applied Engineering Science. 2022; 20(3).
11. Кафиев И.Р., Романов П.С., Романова И.П. Нечёткое управление робокаром на основе программного управления мощностью его электродвигателя // Вестник
Башкирского государственного аграрного университета. 2021. № 3 (59). С. 89 - 99. https://doi.org/10.31563/1684-7628-2021-59-3-89-99.
12. Larico H.R.E., Barbi I. Double-coupled currentfed push-pull DC-DC converter: analysis and experimentation // Conference: Power Electronics Conference, 2009. COBEP '09. Brazilian.
13. Raul D., Ghosh, K. Performance of chip-onboard and surface-mounted high-power LED luminaires at different relative humidities and temperatures. Lighting Research and Technology. 2018; 51(1): 1249-1262. https:// doi.org/10.1177/1477153518819040.
References
1. Truflyak E.V., Kurchenko N.Yu., Kreimer A.S. Precision farming: state and prospects. Krasnodar: KubGAU, 2018. 27 p.
2. Evaluation of the Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO) [Electronic resource]. URL: https://https://www.fao.org/publications/en/ (Accessed 20.06.2022).
3. Gazalov V.S., Belenov V.N., Evdokimov A.Yu. Layout of LED emitters of plant protection installations, taking into account the additivity of color components. Agricultural Bulletin of Stavropol Region. 2013; 10(2): 101-105.
4. Aznagulov A.I., Lukyanov V.V., Siraev Sh.F. Unmanned electric unit for spraying agricultural crops. Art. scientific-practical. conf. M., 2019. Р. 266-273.
5. Improving the efficiency of spraying agricultural crops / A.V. Linenko, V.V. Lukyanov, A.I. Aznagulov et al. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2022; 95(3): 151-155.
6. Monitoring of the phases of development of agricultural pests by means of experimental light traps to improve electrophysical methods of control / B.A. Sulai-monov, A.S. Ovchinnikov, B. Sapaev et al. Proceedings of Nizhnevolzhskiy agrouniversity complex: science and higher vocational education. 2019; 55(3): 307-313. https:// doi.org/10.32786/2071-9485-2019-03-39.
7. Kim K., Huang Q., Lei C. Advances in insect phototaxis and application to pest management: A review. Pest ManagementScience. 2019; 75(12). https://doi.org/10.1002/ ps. 5536.
8. Shvanvich B.N. General entomology course. Introduction to the study of the structure and functions of the body of insects: textbook. M.; L.: Soviet Science, 1949. 899 s.
9. Tyshchenko V.P. Physiology of insects: textbook. M., 1986. 303 p.
10. Electrostatic treatment of agricultural crops with an unmanned electric device / A. Linenko, V. Lukyanov, A. Aznagulov et al. Journal of Applied Engineering Science. 2022; 20(3).
11. Kafiev I.R., Romanov P.S., Romanova I.P. Fuzzy control of a robocar based on program control of the power of its electric motor. Bulletin of the Bashkir State Agrarian University. 2021; 59(3): 89-99. https://doi.org/10.31563/1684-7628-2021-59-3-89-99.
12. Larico H.R.E., Barbi I. Double-coupled currentfed push-pull DC-DC converter: analysis and experimentation // Conference: Power Electronics Conference, 2009. COBEP '09. Brazilian.
13. Raul D., Ghosh, K. Performance of chip-onboard and surface-mounted high-power LED luminaires at different relative humidities and temperatures. Lighting Research and Technology. 2018; 51(1): 1249-1262. https:// doi.org/10.1177/1477153518819040.
Андрей ВладимировичЛиненко, доктор технических наук, профессор, linenko-bsau@yandex.ru, https://orcid.org/0000-0002-6483-2442
Айнур Иршатович Азнагулов, ассистент, az370@inbox.ru
Валерий Владимирович Лукьянов, старший преподаватель, smtnv@yandex.ru
Валинур Галинурович Байназаров, младший научный сотрудник, baynazv@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-8980-5301
Булат Радикович Халилов, кандидат технических наук, 79373565758@mail.ru
Andrey V. Linenko, Doctor of Technical Sciences, Professor, linenko-bsau@yandex.ru, https://orcid.org/0000-0002-6483-2442
Aynur I. Aznagulov, assistant, az370@inbox.ru
Valerii V. Lukianov, Senior Lecturer, smtnv@yandex.ru
Valinur G. Baynazarov, Junior researcher, baynazv@mail.ru, https://orcid.org/0000-0002-8980-5301
Bulat R. Khalilov, Candidate of Technical Sciences, 79373565758@mail.ru
Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article. The authors declare no conflicts of interests.
Статья поступила в редакцию 07.12.2022; одобрена после рецензирования 20.12.2022; принята к публикации 10.01.2023.
The article was submitted 07.12.2022; approved after reviewing 20.12.2022; accepted for publication 10.01.2023.
-Ф-
Научная статья
УДК 629.621
Зависимость толщины масляного слоя в подшипниках скольжения от разных условий работы двигателей внутреннего сгорания
Станислав Николаевич Шуханов
Иркутский государственный университет, Иркутск, Россия
Аннотация. Цель исследования - установить зависимость толщины масляного слоя в подшипниках скольжения от разных условий работы двигателей внутреннего сгорания. Двигатели внутреннего сгорания используются в качестве источника энергии в современной автотракторной технике, которая широко применяется в сельском хозяйстве. Его стабильная и корректная работа зависит от многих факторов, особенно от состояния шатунно-поршневой группы, нормальное функционирование которой связано со смазочными жидкостями. Выполненные обзор и анализ литературных источников, аналитические исследования с элементами расчётных способов позволили установить зависимость толщины масляного слоя в подшипниках скольжения от разных условий работы двигателей внутреннего сгорания. Построены графические зависимости толщины масляного слоя в подшипниках скольжения от различных факторов функционирования двигателей внутреннего сгорания.
Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, масляный слой, подшипники скольжения, сельскохозяйственное производство.
Для цитирования: Шуханов С.Н. Зависимость толщины масляного слоя в подшипниках скольжения от разных условий работы двигателей внутреннего сгорания // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2023. № 1 (99). С. 169 - 173.
Original article
Dependence of the thickness of the oil layer in plain bearings on different operation conditions of internal combustion engines
Stanislav N. Shukhanov
Irkutsk State University, Irkutsk, Russia
Abstract. The purpose of the study is to establish the dependence of the thickness of the oil layer in plain bearings on different operating conditions of internal combustion engines. Internal combustion engines are used as an energy source in modern automotive and tractor equipment, which is widely used in agriculture. Its stable and correct operation depends on many factors, especially on the condition of the connecting rod and piston group, the normal functioning of which is associated with lubricating fluids. The review and analysis of literature sources, analytical studies with elements of calculation methods made it possible to establish the dependence of the thickness of the oil layer in plain bearings on different operating conditions of internal combustion engines. Graphical dependences of the thickness of the oil layer in plain bearings on various factors of the functioning of internal combustion engines are constructed.
