CC BY
21
Научная статья УДК 621.331
Повышение эффективности опрыскивания сельскохозяйственных культур
Андрей Владимирович Линенко, Валерий Владимирович Лукьянов,
Айнур Иршатович Азнагулов, Валинур Газинурович Байназаров,
Тимур Ильдусович Камалов
Башкирский государственный аграрный университет, Уфа, Россия
Аннотация. В статье рассмотрен беспилотный агрегат на электротяге (БПА), способный осуществлять автоматическое движение на сельскохозяйственных угодьях по спутниковым радионавигационным сигналам GPS/ГЛОНАСС и вносить жидкие минеральные удобрения (ЖМУ) и ядохимикаты через электростатическое поле. На основе теоретических исследований разработана конструкция БПА и создан опытный образец с программно-аппаратной частью. Разработано и исследовано устройство для электрического заряда капель вносимой жидкости, которое позволяет повысить равномерность внесения ЖМУ и ядохимикатов на сельскохозяйственные культуры. Эффективность разработанного технического решения доказана лабораторными и полевыми испытаниями.
Ключевые слова: опрыскивание, беспилотный электроагрегат, радионавигационные системы, программно-аппаратный комплекс, электростатическое поле.
Для цитирования: 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.
Original article
Improving the efficiency of spraying crops
Andrey V. Linenko, Vale^ V. Lukianov, Aynur I. Aznagulov,
Valinur G. Baynazarov, Timur I. Kamalov
Bashkir State Agrarian University, Ufa, Russia
Abstract. The article proposes an unmanned electric-powered unit (UAV) capable of carrying out automatic movement on agricultural land using GPS/GLONASS satellite radio navigation signals and introducing liquid mineral fertilizers and pesticides through an electrostatic field. Based on theoretical research, the design of the BPA was developed and a prototype with a hardware and software part was created. A device for the electric charge of droplets of the introduced liquid has been developed and investigated, which makes it possible to increase the uniformity of the application of oilcake and pesticides to agricultural crops. The effectiveness of the developed technical solution has been proven by laboratory and field tests.
Keywords: spraying, unmanned electric unit, radio navigation systems, software and hardware complex, electrostatic field.
For citation: Improving the efficiency of spraying crops / A.V. Linenko, V.V. Lukianov, A.I. Aznagulov et al. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2022; 95(3): 151-155. (In Russ.).
Недостатком существующих технических средств для внесения жидких удобрений и ядохимикатов под сельхозкультуры является то, что в большинстве случаев они являются прицепными к тракторному агрегату, и им свойственны большие эксплуатационные затраты. На основании проведённого анализа и с учётом тенденции развития мобильной техники, заключающейся в переходе от двигателей внутреннего сгорания к электродвигателям, предлагается беспилотный агрегат (БПА), способный выполнять поставленные задачи посредством аппаратно-программного комплекса. Движение БПА по заданному курсу посредством радионавигационных сигналов позволяет обеспечить автономность его работы, а следовательно, исключить ошибки, связанные с физическими и профессиональными возможностями оператора [1, 2].
Эффективность опрыскивания повышается с уменьшением капель вносимой жидкости, однако в то же время растёт и вероятность сноса ветром
и испарения ядохимикатов. Данный недостаток можно устранить путём принудительного осаждения капель вносимой жидкости посредством придания им электрического заряда [2, 3].
Материал и методы. БПА представляет собой универсальное, автономное электрошасси с устройством для внесения жидких удобрений и ядохимикатов в электростатическом поле (рис. 1). Движитель агрегата представлен цельной прямоугольной рамой с независимо управляемыми колёсами 1, каждое из которых оснащено отдельным электроприводом с бесколлекторным двигателем постоянного тока (БДПТ). В ёмкости с рабочим раствором 2 установлен ультразвуковой генератор. Жидкостно-воздушные капли ЖМУ или ядохимикатов по магистрали 7 агрегата через сопла 3 достигают поверхности обрабатываемой культуры. Источником питания БПА являются литий-ионные аккумуляторные батареи 4. При работе в условиях открытого грунта имеется возможность дополнительного
А
В
Рис. 1 - БПА для опрыскивания сельскохозяйственных культур:
А - общий вид; Б - вид снизу; В - вид сбоку; Г - вид спереди
Г
источника энергии за счёт солнечной панели 6. БПА автоматически следует заданным курсом и вносит ЖМУ и ядохимикаты посредством системы управления и навигации 5.
Последовательность работы системы заключается в следующем. Задаются границы обрабатываемого поля, затем БПА начинает движение, при этом система непрерывно принимает радионавигационные сигналы со спутников, на основании которых определяется текущее положение БПА [4 - 6]. Также на основании этих сигналов программа управления вычисляет величину отклонения от задаваемой траектории, далее генерируются сигналы, которые в виде напряжения поступают на БДПТ каждого колеса с рабочим напряжением 48 В. За счёт разности скоростей вращения колёс БПА поворачивается на необходимый угол, т.е. обеспечивается манёвр приближения текущей траектории движения БПА к необходимой, что соответствует принципу параллельной работы агрегата на поле.
Для учёта всех сопротивлений агрегата была составлена кинематическая схема БПА с действующими на него силами. Основными противодействующими силами, действующими на БПА, являются: сила сопротивления качению колеса ^кк, сила сопротивления разгону ^ср, сила сопротивления уклону ^су и сила сопротивления воздуху ^св. Общая сила сопротивления движению БПА будет описана уравнением:
На основании кинематической схемы составлена математическая модель движения БПА, основным элементом которой является мотор колеса, являющийся прямым приводом на базе БДПТ, который в математической модели описан уравнениями:
Ч = гкЧ (еи) + Lkd-kdfL + Уок (0т)а
Мк =У0к (0т ) 4 (0т )
т
м = рХ Мк
^=7 (М - М»)
(2)
Fс =
4М Тmg cos а
С N.. г2
+ mg cos а +
(1)
+^ а + Р СА ^агр2 + Му
—- = ю
Ж т
а = Рат
где Ык, ?к(6т), ^0к(9т), Мк - мгновенные напряжение (В), ток (А), потокосцепление (Вб) и электромагнитный момент к-ой фазы (Н-м); Гк, Ьк - сопротивление (Ом) и индуктивность к-ой фазы (Гн);
ю, ют - угловая частота напряжения (тока) в фазе (рад/с) и угловая скорость вращения вала двигателя (рад/с);
М, Мн - суммарный электромагнитный момент (Н-м) и момент нагрузки на валу двигателя (Н-м);
J, р - момент инерции на валу двигателя (кг-м2) и число пар полюсов двигателя. На сегодняшний день наиболее распространённым методом внесения жидких препаратов яв-
ляется полнообъёмное опрыскивание. Основной его недостаток заключается в стекании препарата с растений в результате излишнего смачивания, что ведёт к увеличению себестоимости продукции и загрязнению почвы. Одним из путей устранения данного недостатка является придание каплям вносимой жидкости электрического заряда [7].
Принцип электростатического опрыскивания заключается в следующем (рис. 2): внутрь ёмкости с рабочей жидкостью нагнетается воздух при помощи вихревого вентилятора; ультразвуковой генератор образует жидкостно-воздушные капли рабочего раствора, которые под воздействием вихревых потоков направляются к соплам, на концах которых установлены электроды; проходя через электроды, вносимая жидкость приобретает заряд и попадает в зону обработки сельскохозяйственных культур.
Рис. 2 - Опрыскивание с электрической зарядкой капель
Высокая эффективность электрозарядки капель достигается путём использовании резонансного трансформатора и периодического прерывания работы генератора резонансного трансформатора (рис. 3).
Рис. 3 - Структурная схема устройства для электрозарядки капель
В состав устройства для электрозарядки жидкостно-воздушных капель входят: источник питания 1; электронный ключ 2, обеспечиваю-
щий обрыв питающей цепи с низкой частотой; мультивибратор 3 с колебательным контуром высокой частоты, причём индуктивность ¿1 является низковольтной обмоткой резонансного трансформатора 4, индуктивность ¿2 является высоковольтной обмоткой резонансного трансформатора 4 и образует с конденсатором С2 второй колебательный контур ¿2^2, к которому присоединяются последовательно диод 5 и электрод 6, который представляет собой цилиндр и устанавливается за распылителем 7.
Результаты и обсуждение. На основе теоретических описаний БПА и устройства для электрозарядки жидкостно-воздушных капель было проведено их всестороннее исследование в среде объектно-визуального моделирования МайаЬ ^тиПпк), по результатам которого были созданы экспериментальная конструкция БПА и устройство для электрозарядки капель вносимой жидкости.
В ходе полевых испытаний, проведённых на полях крестьянского (фермерского) хозяйства Кармаскалинского района Республики Башкортостан, было выявлено, что отклонение агрегата от курса в режиме автоматического управления в среднем составляет 16,6 см (рис. 4). Данная точность является достаточной согласно агротехническим требованиям.
руЧнОи
Рис. 4 - Среднее отклонение БПА от курса при различных режимах движения и полевой влагоёмкости
Одним из параметров, позволяющих произвести оценку эффективности опрыскивания растений в электростатическом поле, является удельная плотность осаждения электрически заряженных капель Ж^, которая определялась инерционным способом при отсутствии ветра. Жидкостно-воздушные капли осаждали на предметные стёкла, покрытые смесью борной мази и трансформаторного масла в соотношении 2,5:1. Стёкла устанавливали на уровне листьев непосредственно на пути прохождения БПА. По полученным значениям Жуд при разных скоростях
движения БПА определяли среднее значение удельной плотности осаждения В ходе
экспериментов менялись скорость РБпа движения БПА (от 5 до 12 км/ч) и напряжение U (от 1 до 4 кВ), прикладываемое на электрод. Одновременно с этим определяли удельный заряд жидкостно-воздушных капель (отношение заряда капель к её массе). По полученным значениям удельного заряда жидкостно-воздушных капель была построена зависимость, представленная на рисунке 5.
тКл/пг
1,5 --.-.-
1 2 3 4 и. хВ
Рис. 5 - Зависимость удельного заряда капель Цуд от напряжения на электроде V при разных скоростях движения БПА
Как видно по полученным результатам, при прикладывании на электрод переменного по амплитуде потенциала (переменное электростатическое напряжение) наиболее эффективное значение средней удельной плотности осаждения электрически заряженных капель наблюдается при напряжении V = 3 кВ. На рисунке 6 представлена зависимость удельной плотности осаждения электрически заряженных капель Ж^. от скорости движения БПА при напряжении на электроде V = 3 кВ.
Я*. шт/см 2
> 6 т I I щ ц и У.нм/ч
Рис. 6 - Зависимость удельной плотности
осаждения капель от скорости движения БПА при напряжении на электроде 3 кВ
Выводы. Разработан и исследован БПА с устройством электрической зарядки капель вносимой жидкости, позволяющий повысить эффективность опрыскивания сельскохозяйственных культур. Отсутствие выхлопных газов и стекания жидких удобрений и пестицидов с растений на почву позволяет получить более экологически
чистый конечный продукт и снизить себестоимость его производства.
В ходе исследований установлено, что наибольшая эффективность внесения ЖМУ и ядохимикатов БПА с устройством электрической зарядки капель вносимой жидкости наблюдается при скорости движения БПА Убпа = 9 км/ч и напряжении на электроде U = 3 кВ. Величина удельной плотности осаждения электрически заряженных капель в данном случае составила Nya = 311 шт/см2.
Список источников
1. Линенко А.В. Беспилотный электроагрегат для обработки сельскохозяйственных культур холодным туманом / А.В. Линенко, А.И. Азнагулов, Т.И. Кама-лов и др. // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2020. № 5 (85). С. 136 - 139.
2. Лукьянов В.В., Азнагулов А.И., Байназаров В.Г. Беспилотный электроагрегат для внесения жидких удобрений // Наука молодых - инновационному развитию АПК: матер. XIII Национал. науч.-практич. конф. молодых учёных. Уфа, 2020. С. 105 - 108.
3. Лекомцев П.Л. Электроаэрозольные технологии в сельском хозяйстве: монография. Ижевск, ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2006. 219 с.
4. Пат. на полезную модель RU 205300 U1. Беспилотный робот для опрыскивания сельскохозяйственных культур / Линенко А.В., Лукьянов В.В., Азнагулов А.И. и др. Заявка № 2020130179 от 14.09.2020. Опубл. 07.07.2021.
5. Kafiev I., Romanov P., Romanova I. The selecting of artificial intelligence technology for control of mobile robots IEEEXplore. 2018. P. 1-4. 10.1109 / FarEastCon. 2018. 8602796
6. Kafiev I., Romanov P., Romanova I. Methodical apparatus of choice in information technology for management of agricultural robots. Bull. Bashkir Univ. 2017; 44(4): 62-68.
7. Пат. на изобретение RU 2503505 C2. Способ листовой подкормки сельскохозяйственных культур / Пахомов В.И., Рыков В.Б., Камбулов С.И., Вялков В.И., Ксёнз А.Я., Шкрабак С.Н., Шкрабак Е.С., Шкрабак Т.В. Заявка № 2012101293/13 от 13.01.2012. Опубл. 10.01.2014.
References
1. Unmanned electric unit for processing agricultural crops with cold fog / A.V. Linenko, A.I. Aznagulov, T.I. Ka-malov et al. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2020; 85(5): 136-139.
2. Lukyanov V.V., Aznagulov A.I., Bainazarov V.G. Unmanned electric unit for applying liquid fertilizers // Science of the young - innovative development of the agro-industrial complex: mater. XIII National. scientific-practical. conf. young scientists. Ufa, 2020. P. 105-108.
3. Lekomtsev P.L. Electroaerosol technologies in agriculture: monograph. Izhevsk, FGOU VPO Izhevsk State Agricultural Academy, 2006. 219 p.
4. Patent for utility model RU 205300 U1, Unmanned robot for spraying agricultural crops / Linenko A.V, Lukyanov V.V., Aznagulov A.I. et al. Application No. 2020130179 dated 09/14/2020. Published 07/07/2021.
5. Kafiev I., Romanov P., Romanova I. The selection of artificial intelligence technology for control of mobile robots IEEEXplore. 2018. P. 1-4. 10.1109/FarEastCon. 2018. 8602796.
6. Kafiev I., Romanov P., Romanova I. Methodical apparatus of choice in information technology for management
of agricultural robots. Bulletin of the Bashkir University. 2017; 44(4): 62-68.
7. Patent for the invention RU 2503505 C2, Method of foliar feeding of agricultural crops / Pakhomov V.I.,
Rykov V.B., Kambulov S.I., Vyalkov V.I., Ksenz A.Ya., Shkrabak S.N., Shkrabak E.S., Shkrabak T.V. Application No. 2012101293/13 dated 01/13/2012. Published 01/10/2014.
Андрей ВладимировичЛиненко, доктор технических наук, профессор, [email protected], https://orcid.org/0000-0002-6483-2442
Валерий Владимирович Лукьянов, старший преподаватель, [email protected], https://orcid.org/0000-0003-4480-7757
Айнур Иршатович Азнагулов, ассистент, [email protected], https://orcid.org/0000-0002-1351-4321 Валинур Газинурович Байназаров, младший научный сотрудник, [email protected], https://orcid.org/0000-
0002-8980-5301
Тимур Ильдусович Камалов, кандидат технических наук, доцент, [email protected], https://orcid.org/0000-
0003-3523-0765
Andrey V. Linenko, Doctor of Technical Sciences, Professor, [email protected], https://orcid.org/0000-0002-6483-2442
Valeгу V. Lukianov, Senior lecturer, [email protected], https://orcid.org/0000-0003-4480-7757 Aynur I. Aznagulov, assistant, [email protected], https://orcid.org/0000-0002-1351-4321 Valinur G. Baynazarov, junior research associate, [email protected], https://orcid.org/0000-0002-8980-5301 Timur I. Kamalov, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, [email protected], https://orcid.org/0000-0003-3523-0765
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 29.03.2022; одобрена после рецензирования 18.04.2022; принята к публикации 11.05.2022.
The article was submitted 29.03.2021; approved after reviewing 18.04.2022; accepted for publication 11.05.2022. -♦-
Обзорная статья
УДК 631.2: 628.1
doi: 10.37670/2073-0853-2022-95-3-155-161
Современные предпосылки актуализации вопроса технического развития защитных культивационных сооружений
Наталья Васильевна Белоусова, Евгений Михайлович Асманкин, Юрий Андреевич Ушаков,
Алексей Анатольевич Петров, Алексей Александрович Гладышев
Оренбургский государственный аграрный университет, Оренбург, Россия
Аннотация. В статье рассмотрены вопросы защитных культивационных сооружений (ресурсная, технологическая и эксплуатационная специфика), необходимости предварительной очистки воды в процессе водоподготовки для тепличных комплексов. Проанализированы различные технические решения для подготовки воды перед подачей её потребителю. Обоснована необходимость решения вопросов снижения энерго- и металлоёмкости с созданием компактных системно-функциональных комплексов. Данная проблема остаётся в настоящее время актуальной и требует решения при разработке и оптимизации параметров систем водоподготовки компактного типа для защитных культивационных сооружений.
Ключевые слова: водные ресурсы, технология закрытого грунта, защитные культивационные сооружения, тепличное хозяйство, водоподготовка, системы водораздачи.
Для цитирования: Современные предпосылки актуализации вопроса технического развития защитных культивационных сооружений / Н.В. Белоусова, Е.М. Асманкин, Ю.А. Ушаков и др. // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2022. № 3 (95). С. 155 - 161. https://doi.org/10.37670/2073-0853-2022-95-3-155-161.
Original article
Modern prerequisites for updating the issue technical development of protective cultivation structures
Nataliya V. Belousova, Evgeny M. Asmankin, Yuriy A. Ushakov, Alexey A. Petrov, Alexey A. Gladyshev
Orenburg State Agrarian University, Orenburg, Russia
Abstract. The article deals with the issues of protected cultivation facilities (resource, technological and operational specifics), as well as the issues of the need for pre-treatment of water in the process of water treatment for greenhouse complexes. Various technical solutions for water treatment before supplying it to the consumer
