CC BY
17
известия оренбургского государственного аграрного университета
2020 ■ № 5 (85)
tion differ in the possibilities of connecting the tested machines. It is established that a mechanical traction and braking device for technical diagnostics of vehicles, combined in a common base with a spring-loaded means of measuring the traction force, a power link and a treadmill, provides smooth starting of the car with a run-out before loading. In addition, the article provides a description of frame loading devices - loading platform and support, where it is also established that frame structures can be complex and massive. At the final stage of the study, a description of a three-point load bearing with separate structural elements is given, which allows us to consider this structure the most compact and mobile. At the same time, the classification of technical solutions was carried out and it was determined that the stationary use of beam devices is due to the presence of a Foundation. Mobile devices with frame supports are placed when installed without a Foundation and can be used in the field. A mobile device with a point placement of supports does not have a solid structure and therefore it is more compact in the process of transportation.
Key words: tractor, traction force, traction tests, loading device, platform, support.
DOI 10.37670/2073-0853-2020-85-5-130-136
-♦-
УДК 629.3.07
Беспилотный электроагрегат для обработки сельскохозяйственных культур холодным туманом
А.В. Линенко, д-р техн. наук, профессор; Т.И. Камалов, канд. техн. наук;
А.И. Азнагулов, ассистент; В.В. Лукьянов, аспирант
ФГБОУ ВО Башкирский ГАУ
В настоящее время для большинства сельскохозяйственных предприятий повышение эффективности опрыскивания достигается за счёт применения систем точного земледелия, которые подразумевают использование курсоуказателей, подруливающих устройств, гидравлических автопилотов и другого оборудования, предусмотренного для конкретной операции в сельском хозяйстве. Недостатком таковых устройств является то, что они служат прицепными к машинно-тракторному агрегату, что связано с большими эксплуатационными затратами, из которых самыми значительными являются расходы на ГСМ и на обслуживание техники. С учётом выявленных недостатков для решения данной проблемы предлагается применение беспилотного агрегата на электротяге, способного выполнять поставленные задачи посредством аппаратно-программного комплекса с микропроцессорной системой управления. Одним из наиболее распространённых способов внесения жидких препаратов сегодня является полнообъёмное опрыскивание. Основной его недостаток - высокие эксплуатационные затраты и загрязнение почвы препаратами, которые стекают с растений в результате излишнего смачивания. Для эффективной обработки предлагается вносить жидкие удобрения и ядохимикаты электрически заряженным холодным туманом посредством беспилотного электроагрегата с автоматической системой управления движением по сигналам GPS/ГЛОНАСС навигации. Всё это в совокупности позволит повысить энергетические и экологические показатели опрыскивания сельскохозяйственных культур.
Ключевые слова: опрыскивание, беспилотный электроагрегат, навигационные системы, холодный туман.
Своевременное опрыскивание сельскохозяйственных культур является одним из основных показателей урожайности. Должная защита обуславливает необходимость в оборудовании, способном эффективно реализовать данный технологический процесс с наименьшими энергетическими затратами [1].
Опыт ведущих сельскохозяйственных производителей, а также научные работы специалистов в данной области показывают, что автономные агрегаты за счёт интеллектуальных систем позволяют обеспечить более эффективные полевые работы со снижением себестоимости производства [2 - 3]. Использование именно электроагрегатов позволяет исключить расходы на ГСМ и уменьшить затраты, связанные с обслуживанием техники. Аккумулятор в качестве источника питания не имеет риска разлива масла, а его перезарядка может быть осуществлена посредством существующих технологий возобновляемых
источников энергии, к примеру питание через солнечные панели.
Цель исследования заключается в повышении эффективности опрыскивания сельскохозяйственных культур путём обработки растений холодным туманом посредством беспилотного электроагрегата.
Материал и методы исследования. В научно-исследовательской лаборатории «Автопилотируемая сельскохозяйственная техника» Башкирского государственного аграрного университета был разработан беспилотный электроагрегат (БПЭА), позволяющий дифференцированно и автономно обрабатывать сельскохозяйственные культуры холодным туманом по спутниковым навигационным системам (рис. 1).
Способность выполнять поставленные задачи БПЭА с аппаратно-программным комплексом и микропроцессорной системой управления полностью исключает применение машинно-
тракторного агрегата с оператором, что положительно влияет на сокращение эксплуатационных затрат процесса опрыскивания сельскохозяйственных культур, а также повышает его экологичность за счёт рационального расхода химикатов [4 - 7].
1. Технические характеристики БПЭА
Величина Значение
Габариты (длина/ширина/высота) 1740/1500/950 мм
Колея 1050 мм
Колёсная база 900 мм
Дорожный просвет 500 мм
Масса без нагрузки 110 кг
Максимальная разрешённая масса 230 кг
Запас хода до 45 км
Тип привода 4х4
Мощность 4x750 Вт
Скорость движения агрегата 5 - 12 км/ч
Напряжение питания 48 В
Объём бака для рабочего раствора 100 л
Ширина захвата 1,35 - 1,95 м
Максимальная мощность солнечной панели 400 Вт
Рис. 1 - Беспилотный электроагрегат для обработки сельскохозяйственных культур
БПЭА представляет собой универсальное автономное электрошасси, которое автоматически следует заданным курсом посредством системы управления по сигналам навигационных систем GPS/ГЛОНАСС. Поворот электроагрегата осуществляется за счёт разности скорости вращения ротора бесколлекторных двигателей постоянного тока каждого колеса, алгоритм которых заложен в системе управления. Функциональная схема системы управления представлена на рисунке 2.
Простота конструкции позволяет повысить надёжность агрегата и снизить его себестоимость. Технические параметры агрегата подобраны в строгом соответствии с агротехническими требованиями и позволяют регулировать такие параметры, как колея и дорожный просвет, для конкретной культуры. Технические характеристики БПЭА представлены в таблице 1.
Одним из наиболее распространённых способов внесения жидких препаратов сегодня является полнообъёмное опрыскивание, к его недостаткам относятся высокие эксплуатационные затраты и загрязнение почвы препаратами, стекающими с растений в результате излишнего смачивания [8]. С целью устранения недостатков данного способа предлагается обрабатывать растения холодным туманом посредством беспилотного электроагрегата.
Принцип обработки холодным туманом заключается в следующем: воздух нагнетается при помощи двух вихревых вентиляторов внутрь ёмкости с жидкостью для обработки, в которой посредством генератора происходит образование тумана; под воздействием вихревых потоков холодный туман через магистрали попадает в непосредственную зону обработки к растению. Процесс обработки растений холодным туманом посредством беспилотного электроагрегата представлен на рисунке 3.
I________________________1 [_.
Рис. 2 - Функциональная схема системы управления электроагрегатом
известия оренбургского государственного аграрного университета
2020 ■ № 5 (85)
Рис. 3 - Обработка свёклы холодным туманом посредством беспилотного электроагрегата
При составлении раствора рабочей жидкости при такой технологии обработки требуется меньшее количество воды по сравнению с традиционной обработкой, а количество препарата остаётся таким же, как рекомендует изготовитель. Объясняется это тем фактом, что вода исполняет функцию инертного разбавителя, носителя применяемых препаратов независимо от того, в каком виде они наносятся на растения (суспензия, эмульсия, раствор). Выполнив свою роль, вода испаряется. Тем самым на единицу площади вносится требуемое количество химикатов при меньшем количестве воды.
Результаты исследования. Эффективность разработанного технического решения была до-
Полевая влагоёмкость, %
автоматический ручной
I) 5 10 15 20 ¿5 30 33
Отклонение от курса, см
Рис. 4 - Среднее отклонение БПЭА от курса при различных режимах движения и полевой влагоёмкости
казана полевыми испытаниями. Испытания проводились на полях крестьянского (фермерского) хозяйства Кармаскалинского района Республики Башкортостан. На протяжении 15 дней было произведено 10 проходов при различной влажности почвы в различных режимах работы, результаты которых представлены на рисунке 4. В автоматическом режиме электроагрегат следовал посредством системы управления по спутникам GPS/ГЛОНАСС навигации, а ручной режим подразумевал дистанционное управление оператором по курсоуказателю.
Проведённые полевые испытания показали, что отклонения электроагрегата от курса в режиме автоматического управления в среднем составляют 16,6 см. Данная точность является достаточной для внесения жидких удобрений и ядохимикатов.
Полевые испытания по обработке сельскохозяйственных культур холодным туманом проводились в июне 2020 г. С целью подтверждения эффективности разработанной системы на полях ФГБОУ ВО «Башкирский ГАУ» были размечены три делянки свёклы под обработку с различной консистенцией раствора: 1:300 (1 л гербици-да:3000 л воды); 1:150 (1 л гербицида: 150 л воды); 1:100 (1 л гербицида:100 л воды), технические размеры которых представлены на рисунке 5.
Для необходимого внесения препарата согласно регламенту применения гербицида и технических характеристик БПЭА время обработки каждой делянки составляло 28,8 с.
Рис. 5 - Делянки свёклы для внесения пестицида с различной консистенцией обрабатываемого раствора:
1 - 1:300; 2 - 1:150; 3 - 1:100
Биологическая оценка ведущих агрономов университета доказала, что разработанное техническое решение позволяет добиться достаточной равномерности внесения препарата по обрабатываемой площади. Наиболее успешная обработка, эффективность которой заключалась в наибольшем снижении численности сорняков без вреда самой культуре, наблюдалась в делянке с консистенцией раствора 1:150.
Вывод. Разработан и исследован беспилотный электроагрегат, позволяющий автономно обрабатывать сельскохозяйственные культуры холодным туманом, движущийся по спутниковым навигационным системам. Точность движения БПЭА при различной влагоёмкости почвы составляет в среднем 16,6 см. Данная точность является достаточной для внесения жидких удобрений и ядохимикатов.
Экономический эффект от применения БПЭА с генератором холодного тумана до 15 %, достигается за счёт отсутствия расходов на ГСМ и равномерного внесения жидких удобрений и пестицидов. Отсутствие выхлопных газов от БПЭА и стекание жидких удобрений и пестицидов с растений на почву позволяет получить более экологически чистый конечный продукт.
Литература
1. Chaitanya M.P., Kotte M.D., Srinath M.A. & Kalyan M.K.B. Development of smart pesticide spraying robot // International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET). 2020. 8 (5), 2193 - 2202. Retrieved from www.scopus.com
2. Ericson S.; Astrand B. Ego-motion estimation by an agricultural field robot using visual odometry // Submitted to Biosystems engineering, 2016.
3. Farm tractor mechatronic steering module / A.V. Linenko, I.I. Gabitov, S.F. Siraev [and et.] // Journal of Applied Engineering Science. 2019. Т. 17. № 3. С. 354 - 361.
4. Sean Mitchell, Adoption of precision agriculture technologies in Ontario crop production // Canadian Journal of Plant Science. 2018. Vol. 98. No. 6 : pp. 1384 - 1388
5. 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. стат. науч.-практич. конф., посвящ. памяти академика РАСХН, д.т.н., профессора И.Ф. Бородина (90 лет со дня рождения). 2019. С. 266 273.
6. Патент на полезную модель RU 190594 U1, 04.07.2019. Беспилотный робот для локального внесения жидких удобрений / Линенко А.В., Лукьянов В.В., Сираев Ш.Ф., Азнагулов А.И. Заяв. № 2019111821 от 18.04.2019.
7. Rajesh J., Dinesh R., Gowtham S., & Iniyavan K. Autonomous adjustable pesticide spraying device for agricultural application // International Research Journal of Engineering and Technology (IRJET). 2019. 6 (3). 4572 - 4577. Retrieved from www.scopus. com
8. Линенко А.В., Азнагулов А.И., Лукьянов В.В. Повышение эффективности обработки пропашных культур холодным туманом // Наука молодых - инновационному развитию АПК: матер. XII национал. науч.-практич. конф. молодых учёных. Уфа, 2019.
Линенко Андрей Владимирович, доктор технических наук, профессор Азнагулов Айнур Иршатович, ассистент
Камалов Тимур Ильдусович, кандидат технических наук, доцент Лукьянов Валерий Владимирович, аспирант ФГБОУ ВО «Башкирский государственный аграрный университет» Россия, 450000, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. 50-летия Октября, 34 Е-mail: Linenko-bsau@yandex.ru; smtnv@yandex.ru; kamalov-ti@mail.ru
Unmanned electric unit for treating farm crops with cold fog
Linenko Andrey Vladimirovich, Doctor of Technical Sciences, Professor Aznagulov Ainur Irshatovich, assistant
Kamalov Timur Ildusovich, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor Lukianov Valerii Vladimirovich, postgraduate Bashkir State Agrarian University
34, 50-let October St., Ufa, Republic of Bashkortostan, 450001, Russia Е-mail: Linenko-bsau@yandex.ru; smtnv@yandex.ru; kamalov-ti@mail.ru
Nowadays, for most agricultural enterprises, spraying efficiency is achieved through the use of precision farming systems, which involve the use of direction indicators, thrusters, hydraulic autopilots and other equipment provided for a specific operation in agriculture.The disadvantage of such devices is that they serve as trailed to the machine-tractor unit, which is associated with high operating costs, of which the most significant are the costs of fuel and lubricants and the maintenance of equipment. Taking into account the identified shortcomings, to solve this problem, it is proposed to use an unmanned electric unit capable of performing the assigned tasks by means of a hardware and software complex with a microprocessor control system. One of the most common liquid applications today is full-volume spraying. Its main disadvantage is high operating costs and soil contamination with drugs that drain from plants as a result of excessive wetting. For effective processing, it is proposed to apply liquid fertilizers and pesticides with an electrically charged cold fog by means of an unmanned electric unit with an automatic traffic control system using GPS / GLONASS navigation signals. All of this, taken together, will improve the energy and environmental performance of crop spraying.
Key words: spraying, unmanned electric robot, navigation systems, cold fog.
-♦-
