Разработка ресурсосберегающих технологий и роботизированных технических средств для дифференцированного внесения минеральных удобрений и средств защиты растений

Титульный лист и исполнители

1. ТЕХНИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ МАШИН И УСТРОЙСТВ ДЛЯ ВНЕСЕНИЯ (в том числе дифференцированного внесения) ЖИДКИХ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ И ЯДОХИМИКАТОВ

1.1 Существующие способы внесения жидких удобрений

Защита растений является одним из дорогостоящих и обязательных мероприятий, связанных с производством продукции растениеводства. Поэтому, для высоких показателей урожайности важно правильно выбрать опрыскиватель и способ дифференцированного внесения или не дифференцированного внесения удобрений.

Не смотря на технический прогресс и большой выбор, в настоящее время, сельскохозяйственной техники, встречаются хозяйства которые вручную опрыскивают свои угодья. В данном случае, преимущественно используются опрыскиватели ранцевого типа, которые представлены на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 Ручное опрыскивание

Ранцевые опрыскиватели делятся на два типа: механические и с источником питания. Дальность радиуса опрыскивания механических опрыскивателей составляет 0,5…2 м, в то время как у моторных до 12 м. Данный вид опрыскивания подходит для обработки небольших территорий до 1 га (садовые участки, теплицы).

Из всех явных недостатков ручного опрыскивания, отметим самые значительные:

— трудоемкость процесса;

— ограниченность возможностями человека;

— непосредственный контакт химикатов и рабочего при опрыскивании.

Следующим типом опрыскивателей, исключающим вышеперечисленные недостатки и рассчитанные на обработку больших территорий являются опрыскиватели сельскохозяйственного назначения, которые подразделяются на навесные далее, прицепные и самоходные [10]. По типу распределительного устройства – на вентиляторные, штанговые и штангово-вентиляторные (комбинированные), а по степени дисперсности распыления и нормам внесения сельхозхимии на единицу обрабатываемой площади – на полнообъемные, малообъемные и ультрамалообъемные опрыскиватели.

Опрыскиватели навесного типа идеально подходят для эксплуатации в маленьких фермерских хозяйствах, где площади сельскохозяйственных полей не превышают 1000 га. Данный тип опрыскивателей представлен на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 Навесной опрыскиватель

Крепление навесного опрыскивателя осуществляется на специальную навеску в тракторе. Он состоит из небольшого по объёму бака, вмещающего в себя от 600 до 800 литров жидкости. Штанги агрегата характеризуются шириной рабочего размаха в пределах 12…18 м.

Главным достоинством опрыскивателей навесного типа является их стоимость. Навесные опрыскиватели характеризуются прекрасной манёвренностью, их можно эксплуатировать в комплекте с тракторами отечественного изготовления. Но есть у такого оборудования и недостаток – его производительность недостаточно высока.

Более крупные земледельцы, имеющие до 4000 га зерновых или пропашных и до 500 га овощных, могут задуматься об агрегатах с объемом бака 3000…4000 л. Как правило, это прицепные опрыскиватели (рисунок 1.3). Прицепной опрыскиватель в сельскохозяйственной отрасли считается самым популярным видом техники для обработки почвы. Размах его навесных штанг составляет около 24…36 м.

Рисунок 1.3 Прицепной опрыскиватель

Отличная производительность в совокупности с возможностями обработки полей большой площади без дозаправки резервуара является главным преимуществом опрыскивателей прицепного типа. Есть у такой техники и свои недостатки. Например, если происходит обработка высокорослой растительности, то есть большой риск их повреждения во время прохода техники по полю. Связано это с маленьким клиренсом трактора. Так же, существенным недостатком прицепных опрыскивателей является низкая маневренность [6].

Крупным производителям продукции растениеводства, располагающим площадями свыше 4000 га посевов, рекомендуется обратить внимание на машины, в бак которых помещается 3600 л и даже 12000 л. С такими параметрами выпускаются уже не только прицепные, но и самоходные опрыскиватели (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 Самоходный опрыскиватель

Самоходные модели опрыскивателей появились на рынке сельхозтехники не так давно, однако уже смогли завоевать популярность. В их основе лежит полностью автономная система, разработанная для опрыскивания культурных растений. Этот вид техники обладает высокой производительностью, клиренсом до 1.5 м. Преимущества — это отсутствие необходимости в установке и демонтаже элементов устройства, а также – высокая степень манёвренности [22].

Важным этапом подготовки опрыскивателей к работе является выбор требуемого типа распылителей, правильная их установка на штанге и проверка качества работы. От этого в решающей степени зависят результаты использования пестицидов.

В состав системы распыла входят и отсечные устройства, предназначенные для предотвращения выливания рабочей жидкости из гидрокоммуникаций опрыскивателя после отключения давления, а также для крепления и пространственной ориентации распылителей.

На штанговых опрыскивателях широко применяются гидравлические распылители различных типов (рисунок 1.5): щелевые, дефлекторные, центробежные (вихревые) и центробежно-струйные. Эти распылители имеют ряд преимуществ, среди которых основными являются простота в устройстве и эксплуатации, надежность в работе.

В процессе распыления за счёт давления поток жидкости дробится на капли. Из-за сужения соплового канала внутри распылителя жидкость ускоряется. При выходе из сопла распылителя давление падает и жидкость распространяется в заданном геометрией сопла направлении. При этом вначале образуется гладкая плёнка, которая под воздействием воздушной среды становится неустойчивой и волнистой. В итоге она распадается на нити. Нити, в свою очередь, распадаются на капли различной величины, которые и формируют факел распыленной жидкости [12].

Щелевые распылители (рисунок 1.5, а) представляют собой насадок со щелевидным соплом (или несколькими соплами). Распределение жидкости в пределах факела распыла близко к треугольному, что обеспечивает высокую равномерность распределения жидкости при перекрытии факелов распылителей, установленных на штанге опрыскивателя.

Размеры капель, образуемых щелевыми распылителями, зависят от размера сопла, угла при вершине факела и давления жидкости в системе нагнетания опрыскивателя.

Распылители изготавливаются из специального химически стойкого пластика, относящегося к классу полиоксиметиленов. Износостойкость этого материала уступает только керамике, превосходя нержавеющую сталь в два раза, а латунь — более чем в 30 раз.

В зависимости от размера выходного отверстия и создаваемого рабочего давления щелевые распылители могут обеспечивать мелко- или крупнокапельный распыл жидкости. Меньший размер отверстия и большее давление позволяют получить повышенную дисперсность дробления жидкости. Щелевые распылители обычно имеют равномерную эпюру распределения жидкости по ширине факела распыла, что в свою очередь способствует получению равномерного распределения пестицидов по всей ширине захвата штанги. Они способны качественно вносить растворы любых типов пестицидов []23.

Борьба с наличием склонных к испарению мелких капель в факеле распыла щелевых распылителей привела к созданию двух их разновидностей, несколько улучшивших качество дробления жидкости.

Раствор

Корпус распылителя

Сердцевина

Сопло

Фильтр

Прокладка

Диск

Сердечник

Байонентная гайка

Дополнительная шайба

Рисунок 1.5 Основные типы распылителей и эпюры распределения

жидкости: а – щелевой; б – с дополнительной шайбой; в –инжекторный;

г – дефлекторный; д, е – вихревой (центробежный) с полым конусом распыла; ж – вихревой (центробежный) со сплошным конусом распыла

Достаточно простым решением (рисунок 1.5, б) является установка в щелевой распылитель дополнительной шайбы с отверстием, ось которого совпадает с осью сопла распылителя. Производительность распылителя определяется диаметром отверстия в шайбе, что позволяет увеличить площадь проходного сечения сопла. Поток жидкости перед выходом из сопла значительно более турбулизирован, чем в обычном распылителе, что предотвращает образование жидкостной пленки на выходе из сопла. В результате, по данным фирм-разработчиков, относительное количество мелких капель в факеле распыла снижается до 4 – 5 %, что значительно меньше, чем при работе обычного распылителя. Распылители этого типа рекомендуется использовать при скорости ветра до 8 м/с.

Более эффективным (и сложным) решением является инжекция воздуха в распылитель (рисунок 1.5, в) с образованием на выходе из сопла низкократной пены. Преимущества данного типа распылителей заключаются в следующем:

— снижается снос рабочей жидкости ветром из-за значительного уменьшения количества мелких капель в факеле распыла;

— увеличивается степень покрытия растений при неизменном расходе жидкости на единицу площади;

— увеличивается производительность опрыскивателя в результате снижения нормы внесения рабочей жидкости (примерно в два раза);

— обеспечивается лучшее проникновение в растительный покров при увеличении скорости падения и размеров капель;

— отсутствуют потери пестицида из-за скатывания крупных капель с поверхности листьев растений, так как их удельный вес значительно ниже, чем у обычных капель;

— существует возможность эксплуатации распылителей в более широком диапазоне давлений: 0,3…2,0 МПа без проблем, связанных с образованием мелких капель.

Недостатком инжекторных распылителей является сложность конструкции.

Для более грубого распыла пестицидов и внесения жидких минеральных удобрений могут использоваться дефлекторные распылители (рисунок 1.5, г). При их работе через подводящее отверстие (диаметром 1,6; 2,0 или 4,0 мм) подается струя жидкости, которая ударяется в отражательную поверхность и сходит с нее в виде тонкой пленки. Пленка жидкости на небольшом расстоянии от распылителя распадается на капли диаметром 250…400 мкм, обеспечивая плоский факел распыла с углом до 135…140⁰. Эпюра распределения жидкости по ширине факела имеет «всплески» по краям, поэтому для достижения равномерного внесения пестицидов необходима тщательная регулировка высоты установки штанги над обрабатываемой поверхностью.

Вихревой (центробежный) тип распылителя с полым конусом распыла имеет два вида конструкции: первый – в корпусе имеет шайбу с калиброванным отверстием и завихритель (рисунок 1.5, д); второй – раздельные диск и сердечник (рисунок 1.5, е). У полевых экономичных распылителей диаметр выходного отверстия 1,25 мм и шаг резьбы завихрителя – 3 мм. Распылители данного типа обеспечивают конусный распыл без капель посредине. Эпюра вихревого распылителя представляет «двухвершинное» распределение жидкости по ширине захвата и повышает общую неравномерность внесения пестицидов.

Варианты центробежных распылителей (центробежно-дисковых, струйных) со сплошным конусом распыла обеспечивают выход жидкости в виде заполненного конуса с равномерным распределением по ширине факела (рисунок 1.5, ж). Однако устройство подобных распылителей более сложно, они склонны к забиванию и находят ограниченное применение [29].

Конструкции современных распылителей постоянно совершенствуются. Одним из перспективных направлений является использование двущелевых распылителей. Совершенствование распылителей часто направлено на получение монодисперсного распыла с регулируемым размером образуемых капель.

Вентиляторный опрыскиватель предназначен для химической обработки полей, садов, промышленных складов, зернохранилищ и других территорий. Отлично подходит для краевых обработок полей: проведения работ по химзащите растений инсектицидами и фунгицидами [12].

Особенность данного вида опрыскивателя заключается в способе внесения химпрепарата на площадь. Мощный вихревой поток, генерируемый воздушным винтом, подхватывает химпрепарат, распыляемый форсунками и переносит на расстояние до 200 метров, пробивая лесополосы, плотные заросли подсолнечника или кукурузы. Аэрозольный способ химобработки с большим успехом показал себя в садах и на полях, позволяя эффективно бороться с вредителями. Вентиляторный опрыскиватель представлен на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6 Вентиляторный опрыскиватель

Для защиты зерновых культур наиболее широко используется авиационное опрыскивание в борьбе с черепашкой (90% химических работ), хлебными жуками, гусеницами зерновой совки, хлебной жужелицей, саранчовыми, злаковыми мухами, тлями, гороховой зерновкой.

Особенно широко применяется авиационное малообъемное опрыскивание посевов концентрированными растворами, эмульсиями и суспензиями с небольшим расходом жидкости, чаще всего 25…50 л на 1 га. При сокращении расхода рабочей жидкости с 50 до 25 л на 1 га часовая производительность самолета повышается на 30%, а себестоимость опрыскивания снижается на 15…30%, Основной объем авиационно-химических работ выполняет самолет Ан-2. В борьбе с вредителями зерновых культур, сахарной свеклы и картофеля он опрыскивает в день 318…649 га, а за сезон 6000…7000 га.

Внутри фюзеляжа самолета Ан-2 устанавливается бак емкостью 1400 л. Трубчатые штанги с 80 распылителями, размещенные под нижним крылом самолета, присоединены к нагнетательным трубам насоса. Восьмилопастный ветряк работает от встречной струи воздуха и приводит в действие насос, в результате жидкость под давлением направляется из бака к распылителям. Перемешивание жидкости в баке осуществляется гидравлической мешалкой.

Самолет загружается жидкостью через заправочную трубу с эжектором или через верхние загрузочные люки бака. Скорость полета Ан-2 при опрыскивании посевов 155…160 км/ч, а вертолетов 20…80 км/ч. Производительность летательных машин зависит от нормы расхода жидкости, ширины захвата, размера участка и его удаленности от аэродрома. Так, при борьбе с черепашкой (расход жидкости 25 л на 1 га, ширина захвата 30 м) производительность самолета Ан-2 достигает 120 га/ч.

Самолет Ан-2М (модернизированный) оснащен новым оборудованием, емкость бака 1960 л. Кабина отделена от грузового помещения, что защищает пилота от контакта с ядохимикатами. Насос опрыскивателя приводится во вращение с помощью коробки отбора мощности от двигателя самолета. Штанга увеличена до 21 м, ширина рабочего захвата при опрыскивании достигает 40 м. Бак заправляется жидкими химикатами при помощи специальной заправочной системы. Авиационное опрыскивание представлено на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7 Авиационное опрыскивание

Кроме самолетов, успешно работают на защите растений вертолеты. Они могут базироваться на малых лётных площадках, набирать высоту, снижаться по крутой траектории и перемещаться в любом направлении. При мощном нисходящем потоке воздуха достигается хорошее покрытие химикатами листьев с верхней и нижней стороны.

Авиаопрыскивание проводится при слабом ветре рано утром, с восходом солнца, и продолжается до 9…10 часов; вечером опрыскивают посевы в течение 2…3 часов до захода солнца. Самолеты летают над посевами на высоте 5 м. Ширину рабочего захвата показывают пилоту сигнальщики с двухцветными рамочными флагами в руках.

Повышение производительности самолетов и вертолетов во многом зависит от организации загрузочных работ на аэродроме. Межхозяйственные аэродромы хорошо оборудованы, имеют твердое покрытие взлетно-посадочных полос, загрузка самолетов механизирована. Для текущего ремонта самолетов и вертолетов выделяется полевая мастерская. Приготовление рабочих растворов и загрузка авиаопрыскивателей проводятся при помощи высокопроизводительного агрегата.

Одним из главных преимуществ авиации является возможность вносить удобрения в ранневесенний период, когда наземная техника не может пройти по полю. Немаловажно и то, что самолет не вредит растениям, тогда как при наземной обработке уничтожается 6-8% посевов. Главным же недостатком воздушного метода считается дороговизна, которая связана с высокой стоимостью топлива, масел и запчастей.

Наряду с авиационным опрыскиванием, в последнее время наблюдается воздушное опрыскивание посредством беспилотных дронов (рисунок 1.8).

Рисунок 1.8 Воздушное опрыскивание посредством дрона

Опрыскивание с дронов может проводиться как минимум в двух форматах: «классическом авиационном», когда химикаты распыляются по всему полю, и «точечном», совмещенным, например, с предварительным осмотром посевов при помощи мультиспектральных камер.

Факторы, стимулирующие внедрение дронов для опрыскивания:

— беспилотники эффективны в районах со сложным рельефом, например, на фермах с крутыми склонами. В таких условиях эффективность ручного труда сокращается, к тому же, многие малые хозяйства не могут оплатить услуги традиционной пилотируемой авиации.

— БЛА отлично подходят для работы в условиях повышенной влажности — там, где использование наземной техники невозможно или затруднено.

— внедрение дронов обеспечивает отказ от ручного опрыскивания — сезонные рабочие не контактируют с опасными химикатами.

— дроны летают ниже, чем пилотируемые самолеты и вертолеты, что обеспечивает высокую точность опрыскивания, экономию химикатов и минимизацию вреда для окружающей среды.

— в развитых странах имеет смысл задействовать дроны, способные заменить пилотируемую авиацию или дорогостоящую наземную технику.

— дроны можно использовать для точечного опрыскивания сорняков гербицидами или полезных культур — пестицидами. Точечный подход, основанный на предварительном анализе цифровых изображений с камер робота, позволяет минимизировать расходы химии, снизить химическую нагрузку на почву, воду, культуру и, в конечном счете, на организм потребителей, добиваясь при этом более высоких результатов выращивания культуры, чем при традиционных подходах.

Факторы, сдерживающие распространение дронов для опрыскивания:

— несмотря на высокую автономность современных беспилотников, большинство из них до сих пор требуют наличия “группы поддержки”, состоящей из операторов, программистов и обслуживающего персонала — что, в свою очередь, негативно отражается на издержках потребителей.

— законодательство развитых стран должно быть приведено в соответствие с реалиями нового времени. Ряд существующих ограничений препятствуют внедрению БЛА, работе дронов за пределами прямой видимости оператора, полетам в автономном режиме и отдельным применениям агродронов.

Перспективы развития

— такие технологии, как удержание высоты и полосы опрыскивания постепенно становятся отраслевым стандартом.

— разработчики оптимизируют геометрию аппаратов — пропеллеры отдельных современных дронов порождают воздушные потоки, искажающие траектории движения капель распыляемых веществ. Управление потоками выпускаемой жидкости станет центральным вопросом, связанным с оптимизацией и разработкой агродронов.

— ожидается появление формализованных отраслевых стандартов.

— ожидается рост конкуренции со стороны наземных роботов с функциональностью химической обработки.

1.2 Робототехнические средства в растениеводстве

Мировой рынок сельскохозяйственных роботов находится в фазе активного роста. Применение сельскохозяйственных роботов направлено в первую очередь на повышение экологической безопасности продукции и увеличение урожайности продукции. Сельскохозяйственные роботы используются в каждом аспекте сельского хозяйства: полевые работы, доение, производство и сбор урожая, контроль состояния растений и животных. Сельскохозяйственный рынок роботов бурно развивается.

По экспертным прогнозам (рисунок 1.9), к 2020 г. рынок сельскохозяйственной робототизированой техники достиг $ 16,3 млрд. Это значительный рост для зарождающегося рынка, который в ближайшее время обеспечит выход на качественно новый уровень воспроизводственных процессов в сельском хозяйстве.

$Описание: C:\Users\Алексей\Desktop\1337.jpg$

Рисунок 1.9 Прогноз развития рынка робототехнических

средств для сельского хозяйства

Рассмотрим наиболее перспективные компании, разрабатывающие роботов, способных осуществить эффективные мероприятия по защите растений.

Разработка Российской инновационной компании «Avrora Robotics» Агробот представлен на рисунке 1.10. Колесный беспилотный роботрактор, состоящий из «комплекта автоматизации» трактора, диспетчерского центра и ряда вспомогательных систем. Решение может применяться для автоматизации работ в сельскохозяйственной или коммунальной сфере.

Рисунок 1.10 Разработка Российской инновационной

компании «Avrora Robotics»

Робот Дэвида Доурхаута «Aquarius» (рисунок 1.11) способен перевозить 114 литров воды и используется для полива тепличных растений. Робот работает в двух режимах: фиксированный и пропорциональный. В первом случае, аграрий сам устанавливает нужную дозу для полива растений и потом уже аппарат работает по заданным настройкам. Второй вариант — робот с помощью сенсоров анализирует сколько воды нужно каждому растению и сам решает вопрос дозировки.

Помимо полива растений Aquarius может также открывать двери и перемещаться между комнатами — это весьма удобно, если растения находятся в разных помещениях.

Рисунок 1.11 Робот для полива тепличных растений «Aquarius»

Компания CNH Industrial NV модель «Case IH Magnum» страна разработки Нидерланды. Прототип колесного роботрактора (концепт — Autonomous Concept Vehicle) для автономной работы на поле. Представлен летом 2016 года. Мощность двигателя составляет 419 л.с., максимальная скорость до 50 км/ч. Нет кабины, есть камеры, радар и GPS. Решение о серийном производстве пока не принято. Может работать в условиях тумана, автоматически прекращает работу, если пошел дождь. Разработчиком системы «автопилота» выступают CNH Industrial и Autonomous Solutions, Inc (ASI).

Рисунок 1.12 Колесный роботрактор «Case IH Magnum»

Автономный полевой робот BoniRob для экспериментов по обработке отдельных растений, самостоятельная система навигации, составление карт проведенных работ, подготовка документации, включая создание базы статистики. Разработчики — стартап Deepfield Robotics компании Bosch, Amazonen Werke совместно с Техническим институтом Оснабрюка и другими.

Прицип действия — устройство автоматически находит сорняки на пути следования, отличая их по форме листьев и вдавливает их глубже в землю, примерно на 3 см. Если растение большое, робот продолжит трамбовку. Для вдавливания используется штырь диаметром 1 см.

Проект создания робота финансировало Федеральное министерство сельского хозяйства и продовольствия Германии. В разработке принимали участие Университет Прикладных Наук в городе Оснабрюк, а также производитель сельскохозяйственной техники Amazone.

Рисунок 1.13 Автономный полевой робот BoniRob

Сельскохозяйственный робот Ecorobotics (Швейцария) предназначен для прореживания и прополки. Оснащен системой компьютерного зрения, предназначенной для идентификации сорняков. Опрыскивает выявленный сорняк небольшой дозой гербецида. Такой подход снижает объем использования гербецидов в разы. Аппарат работает около 12 часов в день. Устройство полностью автономно, программировать его можно посредством смартфона. Испытания нового прототипа начались этой весной, коммерческое производство ожидается в 2020 году.

Рисунок 1.14 Сельскохозяйственный робот Ecorobotics

Во Всероссийском НИИ механизации сельского хозяйства (ВИМ, г. Москва) разрабатываются фундаментальные основы создания и применения роботов в сельскохозяйственном производстве, специализированное программное обеспечение, средства автоматизации, инновационные машины и оборудование для получения различной информации об объектах обработки, принятия управленческих решений и реализации высокоточных интеллектуальных технологий производства продукции растениеводства и животноводства. Например, это колесный сельскохозяйственный агрегат, где за основу взят трактор Владимирского тракторного завода, предусматривающий автономное управление и модуль опрыскиватель [8,9].

Рисунок 1.15 Беспилотный сельскохозяйственный агрегат, разработанный специалистами Всероссийского НИИ механизации сельского хозяйства

1.3 Способы электризации частиц жидкости

Один из эффективных способов достижения равномерности покрытия обрабатываемых поверхностей состоит в передаче распыляемым частицам электрических зарядов. Этот способ основан на принципе электронно-ионной технологии [13].

Суть электронно-ионной технологии – во влиянии электрического поля на частицы материалов, взвешенных в жидкой или газообразной среде и имеющих некий заряд. В электростатических устройствах электроды создают электрическое поле, которое воздействует на частицы вещества. Электризация частиц, которая обусловлена свободными электрическими зарядами, вынуждает частицы передвигаться в электрическом поле.

Устройства на этой технологии имеют широкое применение и в быту – различные фильтры, которые очищают воздух от дыма, пыли, а также ионизаторы воздуха. У первых имеются специальные пластины, на которых оседают заряженные пылинки. Действие вторых устройств заключается в выделении отрицательных ионов, благоприятно влияющих на организм человека, их также устанавливают в животноводческих помещениях.

В естественных условиях, ионизация воздуха происходит в результате космического излучения, грозовых разрядов в атмосфере, а также электризации частиц воды в водопадах и т.д.

Помимо вышеуказанных устройств, известны также следующие примеры применения электротехнологий:

электросепарация (в частности электрообеспыливание, разделение различного минерального сырья, зерна и т.д.);
электроокраска изделий;
электропечать.

На производстве, например, для окрашивания кузовов машин или деталей применяют электроокраску: покрываемое краской изделие заземляют, а частицы краски при этом заряжают, добиваясь тем самым целенаправленного движения этих частиц к изделию под действием электрического поля. Таким образом, можно добиться равномерной покраски даже сложноизогнутых поверхностей.

В конструкциях и схемах электроустановок электронно-ионной технологии применяется как традиционное электрооборудование, так и специальные генерирующие приборы, высоковольтные преобразователи и т.д., наличие которых определяется в зависимости от особенностей эксплуатации и назначения.

Классификация распространенных на практике способов зарядки частиц жидкости представлена на рисунке 1.16.

Рисунок 1.16 Классификация способов зарядки частиц

Передача заряда трибоэлектризацией происходит при трении поверхностей жидкости и тела, между ними появляется двойной электрический слой [11], впоследствии после разрыва двух сред возникают заряды, знаки которых зависят от их диэлектрических проницаемостей.

При ионной зарядке, или зарядке в поле короны, ионы возникают в пространстве между потенциальным и заземленным электродами в поле коронного разряда. Проходя через поток униполярных ионов, поверхности частиц жидкости заряжаются.

Согласно исследованию [21], если напряжение, полярность на электроде, а также промежуток между электродами неизменны, то чем большую относительную диэлектрическую проницаемость имеет распыляемая жидкость, тем больший заряд приобретает частица жидкости. Также, по данному исследованию, справедлива следующая зависимость: с наименьшим радиусом кривизны игольчатого электрода капле рабочей жидкости передается наибольший электрический заряд, при условии постоянного значения напряжения.

Таким образом, зарядка в поле коронного разряда отличается своей эффективностью в плане получения высоких зарядов частиц вне зависимости от их физических свойств [19]. Более подробное исследование распыления с ионной зарядкой описано в [38].

Контактная зарядка – это сообщение зарядов при непосредственном соприкосновении частиц с потенциальным электродом. Частица жидкости при получении одноименного заряда от электрода, будет отталкиваться от него тем сильнее, чем больший по величине заряд она приобретёт.

При индукционной зарядке жидкость контактирует с заземленным электродом, а потенциальный кольцевой электрод находится в отдалении, и в создаваемом электрическом поле индуцируются заряды [19, 9].

Преимущество зарядки в электростатическом поле в том, что применяется относительно низкое напряжение, чем при ионизации в короне. Также не образуются озон и окислы азота, данный способ проще реализовать, совмещая процессы распыления и электризации частиц жидкости [17].

В ходе аналитического обзора выявлено, что наиболее чаще применяемым на практике и исследованным [22] способом является распыление через поле коронного разряда. Подтверждением тому является исследование [16], в котором описываются способ гидравлического распыления с электризацией капель в устройстве внесения консерванта кормоуборочного комбайна, в ходе которого выявлено снижение неравномерности покрытия и потерь при распылении жидких консервантов в поток измельченной растительной массы.

2 РАЗРАБОТКА БЕСПИЛОТНОГО ЭЛЕКТРОАГРЕГАТА С УСТРОЙСТВОМ ДЛЯ ЭЛЕКТРОЗАРЯДКИ КАПЕЛЬ

2.1 Беспилотный электроагрегат

Беспилотный электроагрегат для обработки пропашных культур, представленный на рисунке 2.1, позволяет дифференцированно и автономно вносить жидкие удобрения посредством холодного тумана. Данная разработка обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционными методами обработки растений и последними разработками в этом направлении. Способность выполнять поставленные задачи беспилотным электроагрегатом с аппаратно-программным комплексом и микропроцессорной системой управления полностью исключает из технологического процесса машинно-тракторный агрегат с оператором, что положительно влияет на сокращение эксплуатационных затрат, а также повышает экологичность за счет применения электроприводов и рационального расхода химикатов.

Рисунок 2.1 Беспилотный электроагрегат для обработки пропашных культур

Рама электроагрегата выполнена шарнирно-сочлененной (подвижная двухсекционная рама, части которой соединены шарниром), что позволит увеличить универсальность применения робота на территориях с различным рельефом опорной поверхности. В передней части рамы электроагрегата установлен корпус, внутри которого располагается вся силовая и управляющая (слаботочная) электроника. На задней части двухсекционной рамы установлена емкость с рабочей жидкостью и ультразвуковым генератором внутри нее. Образуемый ультразвуковым генератором аэрозоль посредством магистралей подается в зону обработки.

Беспилотный электроагрегат автоматически следует заданным курсом посредством системы управления по сигналам навигационных систем GPS/ГЛОНАСС. Поворот электроагрегата осуществляется за счет разности скорости вращения ротора бесколлекторных двигателей постоянного тока (БКДПТ) каждого колеса, алгоритм которых заложен в системе управления.

Следуя заданным курсом, электроагрегат дифференцированно вносит жидкие удобрения посредством системы управления, открывая и закрывая поток аэрозоли по магистралям в зону обработки, а так же регулируя производительность генератора, путем снижения/повышения подачи напряжения. Технические характеристики беспилотного электроагрегата представлены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 Технические характеристики беспилотного электроагрегата для обработки пропашных культур

№ п/п	Наименование величины	Значение
	Габариты (длина/ширина/высота)	1040/660/770 мм
	Колея	620 мм
	Колесная база	820 мм
	Дорожный просвет	300 мм
	Масса без нагрузки	70 кг
	Максимальная разрешенная масса	130 кг
	Запас хода	До 45 км
	Тип привода	4х4
	Мощность	4350 Вт*
	Скорость движения агрегата	5-15 км/ч
	Время работы на одном заряде	До 5 ч
	Напряжение питания	48 В
	Объем бака для генератора холодного тумана	30 л
	Расход ультразвукового генератора	6 л/ч
	Ширина захвата	640мм
	Мощность генератора холодного тумана	150 Вт
	Напряжение питания	48 В
	Производительность установки	при V_min– 0,41 Га/ч при V_max-1,21 Га/ч
	Точность GPS/ГЛОНАСС приемника	До 15 см

2.2 Система автоматического управления электроагрегатом

В наше время на дорогах все чаще появляются электрические виды транспорта. Многие крупные производители уже наладили производство серийных электрокаров. Но, как показывает практика, электротранспорт в АПК менее развит по сравнению с другими отраслями. Использование транспорта на электротяге в сельскохозяйственном производстве скажется на экологичности продуктов питания, снижении эксплуатационных расходов, связанных с ГСМ и обслуживанием МТА [2]. Поэтому внедрение сельскохозяйственных агрегатов на электротяге, является актуальной задачой. Одной из важнейших задач при создании электротяговых систем сельскохозяйственного назначения является разработка управления движением электроагрегата по навигационным сигналам.

Подавляющее большинство современных систем управления электроприводами реализуются на базе цифровых микропроцессоров или микроконтроллеров [17]. Это объясняется значительными вычислительными и логическими возможностями, что позволяет реализовывать сложные алгоритмы управления.

Разработка управляющих систем, обеспечивающих высокую эффективность работы электропровода, процесс постоянного совершенствования: оборудования и способов управления. Чтобы система управления удовлетворяла всем имеющимся требования необходимо учитывать уже имеющиеся научные достижения и решения.

Для наиболее эффективного управления необходимо применять устройства управляемые в режиме реального времени. Количество возможных вариантов по исполнению систем управления весьма велико. Однако для стабильной работы потребуется автоматизированная система, способная анализировать текущее состояние движения агрегата.

В настоящее время, в связи с повышением требований к системам управления растет уровень интеграции микропроцессорных элементов в системах управления электроприводом колес электроагрегата. Ведущие производители промышленной электроники, такие как Siemens, АВВ, OMRON уже выпускают подобные устройства, однако их стоимость очень высока. Поэтому рассмотрели возможность создания подобного типа устройства, которое будет использовать микроконтроллеры фирмы Microchip. С их помощью можно задавать оптимальные параметры вращения колеса и полностью контролировать весь процесс работы системы управления электорагрегата. Целью разработки является создание микропроцессорного устройства, позволяющего на основе информации о положении электроагрегата проводить расчет скорости вращения его колес. Для этого необходима разработка программного обеспечения для расчета скорости вращения управляющего колеса и оценка точности этих расчетов.

Разработанная установка представляет собой беспилотный электроагрегат, предназначенный для обработки пропашных культур. Электроагрегат оснащен четырьмя управляемыми электро-колесами. Каждое колесо приводится в движение посредством бесколлекторного электродвигателя постоянного тока (БКДПТ), типа мотор-колесо, тихнические характеристики которого приведены в таблице 2.2. Мотор-колесо (рисунок 2.2) представляет собой мотор-редуктор [5] с колесом с резиновой шиной и валом для возможной установки диска оптического энкодера.

Рисунок 2.2 Мотор-колесо с редуктором

Таблица 2.2. Характеристика мотор-колеса

Передаточное соотношение	1:48
Диапазон напряжения	12В – 48В
Число оборотов холостого хода	240 оборотов/мин
Ток холостого хода	120мА
Скорость вращения колеса	78 об/мин
Крутящий момент	55 Нм

Мотор-колеса многофункциональны, так как они выполняют функции распределительных, преобразующих, ходовых и тормозных устройств. Отдельные контроллеры обеспечивают независимое управление каждым мотор-колесом, что является необходимым по причине большой разницы в числе оборотов колес при повороте на небольшой скорости. Проведя анализ различных драйверов было решено, что рационально взять Pololu Dual VNH5019 Motor Driver Shield (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 Плата драйвера двигателя Pololu dual vnh5019

Таблица 2.3 Характеристика Pololu Dual VNH5019 Motor Driver Shield

Рабочее напряжение силовой части	12-48 В
Число каналов	2
ШИМ	до 20 кГц
Рабочее напряжение логической части	3,3-5В (логический высокий порог 2,1 В)
Выходной ток	12 А (30 А в пике) на канал (при объединении каналов: 24А/60А)

Для поворота используется угловой датчик положения AVM58, фиксирующий изменение осевого угла между двумя частями шарнирно-сочлененной рамы (рисунок 2.4).

Рисунок 2.4 Угловой датчик положения AVM58

Электроагрегат с мотор-колесами универсален и имеет следующие преимущества:

возможность индивидуального управления силовым потоком каждого колеса таким образом, что мотор-колеса находящиеся в лучших условиях по сцеплению развивают максимальное тяговое усилие;
меньшие расходы на обслуживание по сравнению с расходами при механических, и тем более гидромеханических трансмиссиях;
простота и эффективность автоматизации управления движением.

Электроагрегат снабжается автономным источником электроэнергии – аккумуляторной батареей, заряда которой достаточно для прохождения заданного маршрута, после чего возможна ускоренная зарядка аккумуляторов в течение короткого промежутка времени, либо быстрая замена аккумуляторных батарей.

Разработанная система управления мотор-колесами электроагрегата обеспечивает скалярное управление тяговыми двигателями в функции постоянства мощности [27]. Схематично, требуемая характеристика бесколлекторного двигателя постоянного тока приведена на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 Требуемая характеристика бесколлекторного двигателя постоянного тока

Для обеспечения требуемой характеристики электропривод содержит драйвер по одному на каждый тяговый двигатель. Система управления принимает в расчет режим работы электроагрегата (движение вперед, задний ход, нейтраль, динамическое торможение, режим холостого хода системы привода), потребляемую мощность и скорость транспортного средства [16].

Блок управления контролирует и управляет системой тягового привода в целом (скоростю вращения колеса, крутящим моментом двигателей, токами прерывателя, системой защиты от пробуксовки и проскальзывания колес).

Функциональная схема системы управления электроагрегата представлена на рисунке 2.6, которая состоит из двух основных частей: силовой цепи и информационного блока. Силовая цепь включает в себя аккумуляторную батарею, зарядное устройство, драйвер и двигатель (мотор-колесо). Информационный блок соответственно включает в себя навигационную систему и систему управления приводом.

Рисунок 2.6 Функциональная схема системы управления электроагрегатом

В основе системы управления лежит микроконтроллер, позволяющий осуществлять управление контроллером тяговых электродвигателей c использованием обратной связи в функции постоянства мощности, а также реализовывать защиту от перенапряжений и токов, превышающих номинальные значения. Управление осуществляется с помощью широтно-импульсной модуляции напряжения, питающего двигатель. При данном способе управления в отсутствие нагрузки на одном из колес скорость вращения пропорциональна коэффициенту заполнения импульсов. Ядром системы является однокристальный 8-битный RISC микроконтроллер ATmega328 на базе аппаратной платформы Arduino UNO. Arduino — это инструмент для проектирования электронных устройств с возможностью приема сигналов от различных цифровых и аналоговых датчиков и для взаимодействия с окружающей физической средой и управления различными исполнительными устройствами. Эта платформа предназначена для управления процессами с использованием электронно-вычислительных машин с открытым программным кодом, построенная на простой печатной плате с современной средой для написания программного обеспечения. Платы Arduino строятся на основе микроконтроллеров фирмы Microchip, а также элементов обвязки для программирования и интеграции с другими схемами. На платах присутствует линейный стабилизатор напряжения +5 В или +3,3 В. Тактирование осуществляется на частотах 8, 16 или 87 МГц кварцевым резонатором. В микроконтроллер предварительно прошивается загрузчик, поэтому внешний программатор не нужен. На концептуальном уровне все платы программируются через RS-232. Среда разработки основана на языке программирования Processing. Строго говоря, это язык С++, дополненный некоторыми библиотеками.

Arduino Uno — этот программно – аппаратная платформа построенная на микроконтроллере AVR ATmega 328 семейства Mega производства фирмы Microchop. Микроконтроллеры семейства Mega являются 8-разрядными микроконтроллерами, функциональная схема которого приведена на рисунке 2.7. Они изготавливаются по малопотребляющей КМОП — технологии, которая в сочетании с усовершенствованной RISC-архитектурой позволяет достичь наилучшего соотношения быстродействие/энергопотребление. Арифметико-логическое устройство, выполняющее все вычисления, подключено непосредственно к 32-м рабочим регистрам, объединенным в регистровый файл. Благодаря этому арифметико-логическое устройство выполняет одну операцию (чтение содержимого регистров, выполнение операции и запись результата обратно в регистровый файл) за один машинный цикл.

Платформа имеет 14 цифровых вход выходов (6 из которых могут использоваться как выходы ШИМ), 6 аналоговых входов, кварцевый генератор 16 МГц, разъем USB, силовой разъем, разъем ICSP и кнопку перезагрузки. Для работы необходимо подключить платформу к компьютеру посредством кабеля USB, либо подать питание при помощи адаптера AC DC или батареи. На рисунке 2.8 представлен общий вид платы и упрощённая принципиальная схема. В таблице 2.4 приведены технические характеристики [10].

Платформа Arduino по техническому оснащению идеально подходит для проектирования различных мехатронных систем и их комплексной автоматизации, благодаря понятной среде программирования и возможности наблюдения физических процессов в реальном времени.

Также система управления включает акселерометр, датчик угловых скоростей и гироскоп, которые находятся на одной микросхеме MPU6050. Микросхема MPU6050 (рисунок 2.9) содержит на борту как акселерометр (устройство, которое измеряет проекцию кажущегося ускорения, то есть разницы между истинным ускорением объекта и гравитационным ускорением), так и гироскоп (представляет собой устройство, реагирующее на изменение углов ориентации контролируемого тела), а помимо этого еще и температурный сенсор.

Рисунок 2.7 Функциональная схема микроконтроллеров Atmega328

Рисунок 2.8. Общий вид и упрощенная схема

подключения платы Arduino UNO

Таблица 2.4 Технические характеристики платы Arduino UNO

Характеристики	Ед. измерения	Значения
Микроконтроллер	—	ATmega328
Рабочее напряжение	В	5
Входное напряжение (рекомендуемое)	В	7-12
Входное напряжение (предельное)	В	6-20
Цифровые Входы Выходы	шт	14 (6 из которых могут использоваться как выходы ШИМ)
Аналоговые входы	шт	6
Постоянный ток черезвход выход	мА	40
Флеш-память	Кб	32
ОЗУ	Кб	2
EEPROM	Кб	1
Тактовая частота	МГц	16

В таблице 2.5 приведены технические характеристики акселерометра MPU6050. Помимо этой микросхемы на плате модуля расположена необходимая обвязка MPU6050, в том числе подтягивающие резисторы интерфейса I2C.

Рисунок 2.9 Гироскоп/акселерометр MPU6050

Таблица 2.5. Характеристика MPU6050

Напряжения питания	2,375 — 3,46 В
Интерфейс передачи данных / макс. скорость	I2C / 400 кГц
Потребляемый ток	до 4 мА
Внутренний генератор	8 МГц (вне модуля возможность подключить внешний кварцевый резонатор на 32,768 кГц или 19,2 МГц)

Данные измерений датчиков можно считывать как из регистров хранения, так и пользоваться функциями FIFO. Датчики гироскопа и акселерометра изготовлены как MEMS (микроэлектромеханическая система) – внешнее воздействие на датчик сначала изменяет состояние механической части, затем изменение состояния механической части приводит к изменению сигнала электрической части. Одним словом в одном корпусе собрана не только электроника, но и механика.

Микроконтроллер осуществляет опрос датчиков положения ротора мотор-колеса (датчики Холла), датчиков модуля MPU6050 и формирует управляющие импульсы для котроллера мотор-колеса [5], управляемое драйвером Pololu Dual VNH5019 Motor Driver.

Во многих отраслях науки и техники, и в различных системах управления технологическим оборудованием необходимо точное измерение перемещений при большом быстродействии. В промышленности широко распространены фотоэлектрические цифровые оптические энкодеры [28].

В настоящее время во многих БКДПТ используются датчики Холла обратной связи для управления электродвигателем. Несмотря на простоту датчиков Холла, у них имеется существенный недостаток, связанный с жестким положением датчика. Это приводит к нестабильной работе БКДПТ в режиме переходных процессов. В связи с этим, задача оптимального момента включения двигателя электропривода колес электорагрегата в зависимости от отклонения электроагрегата от курса относится к наиболее сложным процессам.

На процесс управления электроагрегатом влияет множество факторов, в том числе, и сложноформализуемые: надежность элементов, узлов (вследствие различных ресурсов наработки); аварийные ситуации; вероятность интенсивности процессов изнашивания элементов и узлов.

Учитывая это, найти точное значение управляемого ШИМ сигнала для контроллера БКДПТ, оказывающее влияние на рациональное функционирование электроагрегата, крайне затруднительно. Задача управления превращается в сложнорешаемую и многокритериальную. В этих случаях, возможно, использовать в системе управления электорагрегатом, энкодерного датчика положения ротора БКДПТ.

Энкодерный датчик – это электромеханическое устройство, которое генерирует выходной импульсный сигнал пропорциональный перемещению. В электроприводах колес можно использовать оптический инкрементальный растровый энкодер. Принцип работы оптического инкрементального растрового энкодера заключается в следующем. Фотодиоды 1 и 2 расположены на расстоянии равным половине штриха растровой ленты так, что излучение от светодиода 3 при перемещении ленты 4 падает с опозданием на полпериода. (рисунок 2.10).

Рисунок 2.10 Схема оптического энкодера

На выходе энкодерного датчика будет сигнал, который представлен на рисунке 2.11.

Рисунок 2.11 Форма сигналов датчиков 1 и 2

На рисунке 11 видно, что при движении ленты жестко связанной с ротором БКДПТ в одном направлении (состояния 0-1-2-3-4…) в момент перехода сигнала датчика 1 из состояния 0 в 1 (передний фронт) сигнал датчика 2 всегда находится в состоянии 0 (состояния 0, 4, 8). Если же лента движется в обратном направлении (состояния 9-8-7-6-5…), сигнал датчика 2 всегда находится в состоянии 1 (состояния 6, 2). Отсюда вытекает простейшая процедура обработки сигналов декодера: по переднему фронту сигнала датчика 1 проверить состояние сигнала датчика 2; если он равен 0, увеличить счетчик координаты на единицу, в противном случае уменьшить его на единицу.

С помощью энкодерного датчика реализуется обратная связь по положению ротора, которая заводится в систему автоматического управления и используется в алгоритме управления электроагрегатом.

В качестве энкодерного датчика использовали датчик AK4-2 Ver.A-11 (рисунок 2.12), подключенный к Arduino UNO плате по схеме внешнего прерывания. В данном устройстве механическое вращение ротора преобразуется в электрические сигналы, дающие информацию о перемещении и направлении вращения [5,6,7]. Цифровой сигнал с энкодера подается на входы Arduino UNO платы.

Рисунок 2.12 Энкодерный датчик AK4-2 Ver.A-11

Разработка и отладка программы управления электроагрегатом производится с помощью среды разработки программного обеспечения Arduino IDE. Основой среды разработки является язык Processing/Wiring, широко используемый в прикладных разработках. Данная среда обеспечивает полный цикл разработки, начиная от ввода алгоритма, отладку, и заканчивая внутрисхемным программированием микроконтроллера. Интегрированные технологии создания программы раскрывают новые возможности для программистов. Они позволяют вводить программы на плоскости в виде алгоритма с древовидной структурой. В результате вся логическая структура программы становится полностью наглядной. Основным предназначением таких технологий является максимальное приведение интерфейса разработки к природе человеческого восприятия. Освоение такой среды намного проще, чем освоение классического ассемблера. Более удобный интерфейс раскрывает новые возможности для разработки. Среда предназначена для работы под операционную систему Windows и Lunix подобные системы.

Программный код реализации системы управления электроагрегатом представлена на листинге 1:

Листинг 1

01: int pin_dvig=7, //Вывод для управления БКДПТ

02: pin_1_encoder=2, //пин для нулевого прерывателя по умолчанию на 2 цифровой вход

03: pin_2_encoder=4; //пин для второго сигнала энкодера на 4 цифровой вход

04: float x; //координаты ротора

05: float x0=0; //начальная координата ротора

06: float v0=0; //начальная скорость ротра

07: float v, //скорость ротора

08: d_time, //дельта t для дифференцирования

09: a, //ускорения ротра

10: k=0.18; //коэффициент коррекции подбирается экспериментально

11: int time1, //текущее время для х,v,a

12: time0, //начальное время для х,v,a

13 t_zapuska, //время запуска БКДПТ

14: t_raboti_LAD=200, //время работы ЮКДПТ

15: t_time, //текущее время для БКДПТ

16: d_t_raboti_LAD; //коррекция времени работы БКДПТ

17: boolean p_razr=true, //разрешение запуска

18: dvig_rab, //флаг запуска БКДПТ

19: flag=true; //флаг направления движения true <— false —>

20: void setup()

{

21: Serial.begin(9600);

22: pinMode(pin_2_encoder,INPUT); //второй вход энкодера

23: pinMode(pin_dvig,OUTPUT);

24: attachInterrupt(0,x_koord, CHANGE); //инициализация нулевого прерывания

25: //x_koord определяет положения ротора

26: //точностью 0.141мм)

27: time0=millis();

}

28: void loop()

{

29: t_time=millis(); //текущее время для БКДПТ

30: time1=millis(); //текущее время для х,v,a

31: if (p_razr==true) //если пуск разрешен

{

32: pusk_LAD(); //запуск БКДПТ

33: p_razr=false; //запрет запуска

34: t_zapuska=millis(); //сохраняем время запуска

}

35: if ((t_zapuska+t_raboti_LAD<t_time) or (x>20)) //если время запуска меньше текущего
36: //времени или координаты ротора больше //15 мм

{

37: stop_LAD(); //остановка БКДПТ

}

38: if (flag==true) // если движения <——

{

39: if (((v==0) and (x>0)) or ((v*v0<0) and (x>0))) //если меняется направление //движения

40: //(текущая скорость =0

41: //или произведение текущей //скорости и
42: //начальной скорости <0 про x>0

{

43: flag=false; //меняется направление движения

44: d_t_raboti_LAD=int(k*(15-x));

45: t_raboti_LAD=t_raboti_LAD-d_t_raboti_LAD; //коррекция времени работы //БКДПТ
46: //коэффициент k находим
47: // экспериментально

48: if (t_raboti_LAD>1000) {t_raboti_LAD=1000;}

49: if (t_raboti_LAD<0) {t_raboti_LAD=0;}

}

50: if (flag==false) // если движения ——>

{

51: if (((v==0) and (x<0)) or ((v*v0<0) and (x<0)) ) //если меняется направление движения
52: //(текущая скорость =0

53: //или произведение текущей скорости и
54: // начальной скорости <0 про x<0

55: //или ротора достиг до отметки -0.015 //метр

{

56: p_razr=true; //разрешаем запуск

57: flag=true;

}

58: d_time=(time1-time0); //дельта t для дифференцирования в мс

59: v=(x-x0)/d_time; //вычисление скорости в м/с

60: a=((v-v0)/d_time)*1000; //вычисление ускорения в м/(с*с)

61: time0=time1;

62: x0=x;

63: v0=v; //текущие параметры становятся начальными

}

64: void x_koord()

{

65: if ((digitalRead(pin_1_encoder)==1) and (digitalRead(pin_2_encoder)==1)) x=x+0.141;

66: if ((digitalRead(pin_1_encoder)==1) and (digitalRead(pin_2_encoder)==0)) x=x-0.141;

}

67: void pusk_LAD() //ф-я запуска БКДПТ

{

68: digitalWrite(pin_dvig,HIGH);

69: dvig_rab=true;

}

70: void stop_LAD() //ф-я остановки БКДПТ

{

71: digitalWrite(pin_dvig,LOW);

72: dvig_rab=false};

В начале программы идет объявление переменных (строка 1-19), с присвоением некоторым переменным начальных значений. В функции setup() (строка 20) реализуется следующие функции:

— происходит инициализация последовательного порта для обмена с персональным компьютером данными на скорости 9600 бод (строка 21);

— настройка цифрового порта 4 как вход для 2-го вывода энкодера (строка 22);

— настройка цифрового порта 7 как выход управления БКДПТ (строка 23);

— функция attachInterrupt(0,x_koord, CHANGE) инициализирует внешние прерывание программы, так называемой нулевое прерывание (первый параметр функции attachInterrupt), которое по умолчанию аппаратно реализуется через цифровой порт 2 (строка 24). Обработчик прерываний выполняется функции x_koord()(строка 64-66).

Каждый раз по сигналу датчика 1 (рисунок 2.9) прерывается выполнение основной программы и управление передается обработчику внешнего прерывания, где проверяется состояние другого датчика 2. В зависимости от состояния датчика 2 увеличивается или уменьшается координаты ротора.

Шаг изменения координаты определили экспериментально, на угол 100 градусов приходится 710 импульсов, т.е. шаг равен 0,141 градусам.

Время t_raboti_LAD (строка 14) работы БКДПТ в момент запуска равно 200 мс и в зависимости от нагрузки время коррекции определяется следующем образом d_t_raboti_LAD=int(k*(15-x)) (строка 44), где x текущие координаты ротора, k коэффициент пропорциональности равный 0,18. Время t_raboti_LAD работы БКДПТ увеличивается или уменьшается на величину d_t_raboti_LAD следующем образом t_raboti_LAD=t_raboti_LAD-d_t_raboti_LAD (строка 45), причем максимальное время работы БКДПТ не превышает 1000 мс, программная реализация которого выглядит следующим образом if (t_raboti_LAD>1000) {t_raboti_LAD=1000;}( строка 48). Коррекция времени работы БКДПТ происходит в момент остановки ротора мотор-колеса (строка 39). Программная реализация момента остановки ротора выглядит следующим образом if (((v==0) and (x>0)) or ((v*v0<0) and (x>0))) (строка 39) , т.е. в момент остановки скорость становиться равным нулю, но вследствие дискретизации координаты возможно, что последовательные значения скорости при изменении направления вращения ротора переходят с положительного значения в отрицательное значение. Поэтому используем универсальный метод представленный выше.

Благодаря высокой вычислительной мощности микроконтроллера Atmega328 программа управления БКДПТ выполняется менее чем за 10 мс, при этом подпрограмма обработки прерывания успевает выполнятся до 400 раз, что соответствует вращению ротора приблизительно на 0,56 градуса, (датчики Холла, расположены через каждый 3.6 электрических градуса) . Поэтому остается достаточно времени на обработку команд и выполнение в фоновом режиме управляющей программы.

Прямое вычисление угловой скорости, как приращение угла за период дискретизации сигнала при разрешении сигнала обратной связи 0,141 град, позволит вычислить за период квантования 10 мс наименьшую скорость 0,141 град / 10 мс = 0,014 град/с и наибольшую скорость 400*0,141 град / 10 мс = 5600 град/с, что явно достаточно для электорагрегата.

Как показано на рисунке 2.13, контроллер содержит силовые мосты для соответствующих фаз мотор-колеса. Каждый силовой каскад работает как широтно-импульсный модулятор с двумя выходными сигналами. Во избежании возникновения короткого замыкания в силовых каскадах поддерживается возможность управления задержкой момента включения с помощью драйвера двигателя для каждой пары силовых ключей.

Рисунок 2.13 Схема подключения котроллера двигателя

Силовой мост, состоящих из 3 полумостов, управляется отдельным драйвером IR2101. Принципиальная схема моста составлена в программе DIP TRACE (рисунок 2.14).

Рисунок 2.14 Принципиальная схема драйвера в программе DIP TRACE

Интерфейс внешнего управления реализован на языке C#, которое базируется на платформе Microsoft .NET Framework. Он обеспечивает лучшую наглядность и простоту моделирования объектно-ориентированных приложений. Программа позволяет эмулировать передачу текстовых команд по com-порту через Bluetooth. Созданное визуальное приложение оператор может использовать для прямого телеуправления, нажимая соответствующие кнопки.

Программа было написана в визуальной среде разработке Visual Studio 2018, которая раскрывает всю мощь платформы Microsoft .NET Framework. Согласно принципу объектно-ориентированного программирования, каждый объект был реализован в виде класса, а именно следующие классы:

— класс для работы с NMEA данными;

— класс Электроагрегат;

— класс Поле;

— класс Кривая;

— класс Связи;

— класс Массивов;

— класс Траектория.

Программа автоматически прокладывает оптимальный маршрут движения по полю, учитывая такие параметры, как габариты электроагрегата. Также, данная программа визуально отображает на дисплее траекторию, текущее положение электроагрегата, обрабатываемое поле с его границами. При определении траектории сначала выбирается наибольшая сторона поля, затем прокладываются параллельные ей линии маршрута с разворотами у противоположных краев поля. Таким образом, организуется рациональный маршрут движения электроагрегата по полю.

2.3 Математическая модель блока управления электроагрегата

Блок управления описывает работу Arduino контроллера, управляющего приводом колес электрагрегата. Данная модель описывает алгоритм управления БКДПТ, а также алгоритмы коррекции по времени работы БКДПТ. Предполагается, что современная электроника, применяемая для управления электроприводами, обладает высоким уровнем быстродействия и точности для решения поставленных задач. В связи с этим, запаздывания, вносимые вычислителем, при моделировании не учитываются. В цифровом электронном блоке осуществляется замыкание позиционной обратной связи привода, обеспечивающее следящий режим его работы и реализуются алгоритмы управления, обеспечивающие регулирование параметров выходного звена. В электронный блок условно перенесены передаточные коэффициенты электрических датчиков. В соответствии с перечисленными функциями модельный блок формирует управляющий сигнал на драйвера в зависимости от положения ротора его выходного звена. Уравнения, описывающие работу электронного блока управления, представлены ниже. Управление драйверами БКДПТ осуществляется исходя из следующего алгоритма:

где U_t — управляющий сигнал на вход драйвера; t_zapuska — время запуска БКДПТ; t_raboti_LAD — время работы БКДПТ; d_t_raboti_LAD — коррекция времени работы БКДПТ. На рисунке 2.15 представлена модель блока управления электроприводом, в котором регулирование момента включения БКДПТ осуществляется в момент остановки ротора в противоположной точке.

Рисунок 2.15 Модель блока управления двигателем

На рисунке 2.16 показан блок коррекции, реализующий коррекцию времени работы БКДПТ с целью улучшения динамических свойств привода при работе под нагрузкой.

Рисунок 2.16 Блок коррекции времени работы БКДПТ

Блок управления двигателем осуществляет стандартную коммутацию обмоток БКДПТ, а также содержит усилитель управляющего сигнала (опторазвязка) и обратную связь по вращению ротора.

2.4 Модель системы управления БКДПТ в среде объектно-визуального моделирования Matlab (Simulink)

Для исследования работы привода колес электроагрегата была составлена его математическая модель, состоящая из функционально законченных блоков:

— БКДПТ в абсолютных единицах;

— модель мотор-колеса;

— блок системы управления.

Математическая модель описывает рабочие процессы БКДПТ на элементном уровне с использованием экспериментальных характеристик отдельных компонентов. Структура математической модели системы управления привода в среде Simulink математического пакета MATLAB [4] показана на рисунке 2.17. Блок БКДПТ имеет два входа (U_Su и U_Sv) — питания обмоток статора (проекция векторов напряжения на действительные и мнимые оси) и три выхода F — электромагнитная сила развиваемое двигателем и проекции токов на действительные и мнимые оси. Блоки Reshetni stan моделируют вращение ротора в зависимости от параметров, представленных на рисунке 2.17.

Рисунок 2.17 Математический модель привода колес электроагрегата

Блок SU (блок управления), учитывает положения ротора, и подбирает время включения и отключения двигателя от питания. На выходе блока SU появляется единичный сигнал в момент включения и нулевой сигнал в момент отключения двигателя, которое записывается в глобальную переменную pusk_LAD.

2.5 Исследование характеристик и рабочих процессов БКДПТ колес электроагрегата

Одной из целей работы является определение взаимосвязей между параметрами настройки блока управления электропривода колес и показателями рабочих процессов, а также улучшение динамических характеристик привода колес, при воздействии переменных нагрузок на ротор БКДПТ. Это является важным фактором при реализации управления привода электорагрегата [24]. Кроме того, при проектировании электроагрегата важна оценка энергетических свойств таких приводов.

В соответствии с параметрами экспериментальной установки электроагрегата на базе БКДПТ (раздел 2.1), проведено моделирование работы электропривода колес электроагрегата и построены следующие зависимости объекта управления:

— координаты ротора (рисунок 2.18);

— интервал времени работы БКДПТ (рисунок 2.19);

— момент включения и выключения БКДПТ (рисунок 2.20);

— фазные токи БКДПТ (рисунок 2.21).

Рисунок 2.18 Зависимость координаты ротора от времени

Рисунок 2.19 Интервал времени работы БКДПТ

Рисунок 2.20 Момент включения и выключения БКДПТ

Рисунок 2.21 Фазные токи БКДПТ

Как видно из рисунка 2.19 длительность работы БКДПТ напрямую зависит от положения ротора в момент его остановки, при этом регулируется время импульсной работы БКДПТ в зависимости от нагрузки на роторе. Включение БКДПТ происходит непосредственно в момент изменения направления вращения ротора, которое невозможно реализовать с датчиками Холла. Следовательно, предложенный метод управления приводом колес на базе БКДПТ является предпочтительным.

Необходимо отметить тот факт, что БКДПТ в приводах практически всегда работают в пусковом режиме, который иллюстрирует график на рисунке 2.21. Это является недостатком в приводах с БКДПТ. Несмотря на этот недостаток, применение энкодерных датчиков в управлении работы БКДПТ позволяет оптимизировать время работы БКДПТ и момент включение обмоток БКДПТ.

2.6 Электростатическое опрыскивание пропашных культур

В последние годы все большее распространение находит электростатический способ опрыскивания сельскохозяйственных культур, при котором повышается прилипаемость заряженных капель к листовой поверхности растений. В физическую сущность прилипания заряженных капель положено явление переноса электрических зарядов между электродами, находящимися под разными потенциалами. Своеобразными электродами являются растения и распыливающий наконечник опрыскивателя. На пути движения частиц от источника формирования аэрозоля к обрабатываемому растению силы внешнего электрического поля оказывают воздействие на заряженные частицы, заставляя их двигаться вдоль линий напряженности поля. Такие криволинейные траектории замыкаются на поверхности растений, вследствие этого заряженные капли проникают вглубь растений и оседают на листовой поверхности со всех сторон, хотя подача жидкости осуществляется с одной стороны. Поэтому сложность конфигурации листовой поверхности не оказывает особенного влияния на проникающую способность аэрозоля.

Известны три способа сообщения электрического заряда частицам:

а) контактный;

б) в коронирующем поле;

в) электродинамический.

Общим для них является наличие высоковольтного генератора постоянного тока, один электрод которого непосредственно (при контактном способе) или через влияние (при коронирующем и электродинамическом способе) сообщается с рабочей жидкостью, другой – с почвой. В процессе электрозарядки распиливаемой жидкости на электрод опрыскивателя подается напряжение от 1 до 100 кВ.

Известно, что в опрыскивающих средствах с контактным и коронирующим зарядом частиц жидкости применяют распылители механического, гидравлического и акустического дробления. В установках электродинамического типа сообщение заряда и формирование частиц рабочей жидкости осуществляется одновременно электрическим полем электродов.

Применение электростатического опрыскивания позволяет обеспечить более высокое качество обработки сельскохозяйственных культур по сравнению с обычным опрыскиванием за счет:

— однородности образуемых капель и равномерности их распределения на поверхности листьев;

— увеличения количества осаждаемых на растении химических препаратов;

— уменьшения расхода рабочей жидкости без снижения эффективности обработок;

— лучшего обволакивания растений, в частности на тыльную сторону листьев.

В зарубежных странах лидирующей компанией в области применения электростатических технологий в сельском хозяйстве является ESS. Компания ESS реализует опрыскиватели в десятках различных модификаций, начиная от ручных и заканчивая промышленными установками, реализованными в виде прицепа к трактору. Также существует ряд других компаний, производящих аналогичные установки: Spectrum (США), RittenHouse (Канада), Jaingsu Zhenda Machinary Co Ltd. (Китай), Pogressive AG (США).

2.7 Устройство для электростатического опрыскивания пропашных культур

Известным способом электрозарядки распыляемых капель является прикладывание к электроду постоянного (неизменного) по амплитуде электростатического напряжения. Однако, основными недостатками этого способа являются низкая плотность зарядов на поверхности электрода, требующее большого статического напряжения и времени для зарядки распыляемых капель, высокое потребление электрической энергии существующим устройством. Поэтому для решения вышеотмеченных недостатков предлагается проводить электрозарядку распыляемых капель при амплитудно-модулированном электростатическом напряжении. При этом снижение потребления электрической энергии достигается за счет периодического прерывания цепи питания предлагаемого устройства. В момент прерывания цепи питания предлагаемого устройства в резонансном колебательном контуре затухающие высокочастотные электрические колебания будут присутствовать еще некоторое время. Кроме этого за счет волнообразно изменяющейся со временем амплитуды электростатического напряжения (модулирующий сигнал) происходит увеличение плотности зарядов на поверхности электрода и, соответственно, повышение интенсивности электрозарядки распыляемых капель.

На рисунке 2.22 представлена функциональная схема предлагаемого устройства для электростатического опрыскивания сельскохозяйственных культур.

Рисунок 2.22 Функциональная схема устройства для электростатического опрыскивания пропашных культур:

1 – источник питания; 2 – электронный ключ; 3 – мультивибратор;
4 – резонансный трансформатор; 5 – высоковольтный диод; 6 – электрод;
7 – распылитель

Устройство для электростатического опрыскивания сельско-хозяйственных культур состоит из источника питания 1, электронного ключа 2, обеспечивающего обрыв питающей цепи с низкой частотой, мультивибратора 3 с колебательным контуром L₁C₁ высокой частоты, причем индуктивность L₁ является низковольтной обмоткой резонансного трансформатора 4, индуктивность L₂ является высоковольтной обмоткой резонансного трансформатора 4 и образует с конденсатором C₂ второй колебательный контур L₂C₂, к которому соединяется последовательно диод 5 и электрод 6. Электрод 6 представляет собой цилиндр и устанавливается за распылителем 7.

Сущность работы предлагаемого устройства для электростатического опрыскивания сельскохозяйственных культур заключается в следующем. Мультивибратор 3 с колебательным контуром L₁C₁ формирует несущий (модулируемый) сигнал ω₁, а электронный ключ 2, обрывающий питающую сеть с низкой частотой, формирует моделирующий сигнал ω₂(рисунок 2.23). Далее полученное амплитудно-модулированное напряжение повышается резонансным трансформатором 4, выпрямляется диодом 5 и подается на электрод 6.

Рисунок 2.23 Временная зависимость электростатического напряжения на поверхности электрода:
ω₁ – несущий (модулируемый) сигнал; ω₂ – моделирующий сигнал

Принцип электростатического опрыскивания сельскохозяйственных культур с применением предлагаемого устройства на беспилотном электроагрегате можно описать следующим образом: внутрь емкости с рабочей жидкостью нагнетается воздух при помощи вихревого вентилятора, ультразвуковой генератор генерирует мелкодисперсный аэрозоль из рабочей жидкости; затем под воздействием вихревых потоков аэрозоль направляется к соплам, на концах которых установлен электрод, приобретает заряд и попадает в зону обработки сельскохозяйственных культур (рисунок 2.24).

Рисунок 2.24 Структурная схема процесса электростатической
обработки пропашных культур

2.7.1 Принципиальная схема устройства для электростатического опрыскивания пропашных культур

В беспилотном электроагрегате для питания силовой электроники используется литий-ионная аккумуляторная батарея, являющаяся источником постоянного тока. Поэтому для преобразования постоянного тока в переменный (синусоидальный) ток и получения высокого напряжения используется преобразователь push-pull. Преобразователь push-pull – классический пример двухтактных схем и является, по сути, мультивибратором. Двухтактные схемы преобразователей имеют меньшие габариты по сравнению с однотактными, меньшие габариты выходного фильтра, большую мощность. Однако они в базовой схеме содержат большее число элементов. Свое название преобразователь получил от сочетания слов «push» — толкать и «pull» — тянуть. То есть «тяни-толкай», что отражает концепцию работы схемы – одна обмотка тянет, а другая толкает. Другие названия преобразователя с топологией push-pull – «тяни-толкай», двухтактный преобразователь с выводом от средней точки.

При работе преобразователя энергия передается в нагрузку в течение обоих полупериодов работы. Преобразователь push-pull используется при низком входном напряжении питания (до 50 В) и выходной мощности 50-1000 Вт.

Принципиальная электрическая схема устройства для электростатического опрыскивания пропашных культур представлена на рисунке (рисунок 2.25). Схема содержит два ключевых транзистора VT₂, VT₃. Первичная обмотка трансформатора Tr₁ содержит две полуобмотки с одинаковым числом витков. Средняя точка обмотки подключена к источнику питания, а противофазные выходы обмоток соединены с ключевыми транзисторами VT₂, VT₃. Оба ключевых транзистора соединены с общей «земляной» шиной питания и управление транзисторами осуществляется относительно уровня «земли». В процессе работы к полуобмоткам прикладываются импульсы напряжения амплитудой равной напряжению источника питания. За счет противофазного включения полуобмоток осуществляется симметричное перемагничивание магнитопровода повышающего трансформатора Tr₁. В преобразователе push-pull как и в любом другом двухтактном преобразователе необходимо в выходной части использовать двухполупериодную схему выпрямления VD₂, VD₃. Используемые компоненты в устройстве представлены в таблице 2.6.

Рисунок 2.24 Схема устройства для электростатической
обработки пропашных культур

Таблица 2.6. Компоненты устройства для электростатической
обработки пропашных культур

Биполярный транзистор: VT₁	2SD1555
Полевой транзистор: VT₂, VT₃	IRFP260
Трансформатор: Tr₁	48/3000 В
Высоковольтный диод: VD₁	MCW422UN 12кВ
Быстрый диод: VD₂, VD₃	UF4007
Стабилитрон: VD₄, VD₅	1N4746A
Дроссель: L₁	120 мкГн
Резистор: R₁, R₃, R₄ R₂ R₅, R₆	10 кОм 330 Ом 470 Ом
Конденсатор: C₁	0,68 мкФ, 1000 В

Собранный преобразователь напряжения (с низкого напряжения постоянного тока в высокое напряжение переменного тока) представлен на рисунке 2.25.

Рисунок 2.25 Преобразователь напряжения

Между аккумулятором и преобразователем напряжения устанавливается, как показано на схеме (рисунок 2.24), транзистор VT₁, работающий ключевом режиме. Транзистором VT₁ управляет микроконтроллер. При подаче импульсов микроконтроллером на вход транзистора (рисунок 2.26), имеющих частоту 50 Гц, на выходе преобразователя напряжения формируется модулированный сигнал в виде рыбок, показанный на рисунке 2.27.

Рисунок 2.26 Импульсный сигнал

Импульсный сигнал характеризуется такими параметрами, как скважность S и коэффициент заполнения D

(2.1)

где T – период импульса, с;

τ – длительность импульса, с.

Установив заполнение 50%, получим скважность импульсов

Рисунок 2.27 Модулированный сигнал U – потенциал (напряжение), В, Т — время, с.

Как мы видим из рисунка 2.27, после подачи импульса на вход транзистора (включение преобразователя напряжения), вначале возникает небольшой потенциал на выходе преобразователя. Затем, в процессе работы преобразователя напряжения происходит резкое повышение переменного потенциала (в 3 раза) и далее этот потенциал продолжает медленно повышаться. После отключения преобразователя напряжения (снижение напряжения на входе транзистора до нуля) потенциал продолжает присутствовать на выходе преобразователя напряжения, медленно снижая свое значение. То есть, даже при отключенном состоянии преобразователя напряжения (потребление электроэнергии отсутствует) резонансном контуре продолжаются колебательные процессы.

При подаче на вход транзистора постоянного сигнала преобразователь напряжения работает в непрерывном режиме (рисунок 2.28).

Рисунок 2.28 Осциллограмма на выходе преобразователя напряжения:
U – потенциал (напряжение), В, Т — время, с.

Для выпрямления переменного высоковольтного сигнала используется диод MCW422UN, показанный на рисунке 2.29.

На рисунке 2.30 представлен электрод, устанавливаемый непосредственно на выходе сопла. Электрод представляет собой медную проволоку, намотанную в катушку (тороид). Один из концов соединяется с проводкой, идущего от источника высокого напряжения (преобразователь напряжения), второй конец выведен по центру тороидального электрода. В

Рисунок 2.29 Высоковольтный диод MCW422UN

Рисунок 2.30 Электрод беспилотного электроагрегата

3 ПРОВЕДЕНИЕ ПОЛЕВЫХ ИСПЫТАНИЙ

3.1 Подготовительный этап

3.1.1 Место проведения полевых испытаний

Испытания проводились в период с июня по август 2020 г.на полях:

— Глава крестьянского (фермерского) хозяйства Исламгулов И.Р., Кармаскалинский район РБ.

— Учебно-научном центре ФГБОУ ВО Башкирский ГАУ, Уфимский район РБ.

Основными видами деятельности данного КФХ Исламгулов И.Р., является выращивание зернобобовых культур (более 90 Га), сахарной свеклы (более 50 Га), разведение молочного крупного рогатого скота (более 40 голов КРС).

Данное хозяйство является передовым по производственно-экономическим показателям, использует прогрессивные технологии, имеет высококвалифицированные кадры и достаточно развитую материально-техническую базу. Причина этого заключается в широком использование современной техники, сельскохозяйственной науки, в прогрессивных ресурсосберегающих, экологически безопасных технологиях и передовом опыте, в высокой культуре производства, отвечающей требованиям современной научной организации труда и управления.

На базе крестьянского (фермерского) хозяйства проводятся научные исследования по совершенствованию систем земледелия, разработке ресурсосберегающих технологий возделывания пропашных культур и другим актуальным вопросам земледелия, агрохимии, растениеводства, защиты растений, экономики, механизации, ресурсосбережения.

Крестьянское (фермерское) хозяйство Исламгулова И. Р. в своей деятельности осуществляют сбалансированные стратегии двух экономических процессов:

создание и развитие эффективного агробизнеса;

создание условий для устойчивого развития сельских территорий.

Учебно-научный центр ФГБОУ ВО Башкирский ГАУ является структурным подразделением, где проводятся учебные практики и научно-исследовательская и научно-производственная деятельности. Имеется 595 га пашни, где ведется селекционно-семеноводческая деятельность по озимым и яровым культурам, в т.ч. озимая рожь и пшеница, яровая пшеница, горох полевой, соя и кормовым травам.

3.1.2 Сборка беспилотного электроагрегата

Беспилотный электроагрегат (БПЭА) для аэрозольной дифференцированной обработки сельскохозяйственных культур в электростатическом поле сконструирован таким образом, чтобы занимать как можно меньше пространства при транспортировке. Габариты беспилотного электроагрегата позволяют перевозить его в легковом автомобиле либо в кузове небольшого пикапа.

Электроагрегат спроектирован по принципу модульной (сборно-разборной) конструкции состоящей из 3 блоков и 6 основных элементов (рисунок 3.1). Сборка/разборка электроагрегата осуществляется за 20 минут (таблица 3.1).

Рисунок 3.1 Быстросъемные блоки беспилотного электроагрегата

Таблица 3.1 Модули беспилотного электроагрегата

№ п/п	Модуль	Элементы БПЭА	Время, затраченное на сборку/разборку, мин
1	Блок А (электромеханический модуль)	6 – мотор-колесо	10
		4 – шарнирно-сочлененная рама
2	Блок В (модуль обработки растений)	1 – бак с аэрозольной системой	5
		2 – сопла с электродами
3	Блок С (модуль ЭБУ)	3 – литий-ионная АКБ (25 А*ч)	5
		5 – ЭБУ
	Итого		20

обслуживанию;
правила техники безопасности при проверке технического состояния БПЭА, приемы устранения неисправностей и выполнения работ по техническому обслуживанию, правила обращения с эксплуатационными материалами.

3.1.3 Ознакомление с аппаратно-программным комплексом

Аппаратно-программный комплекс предназначен для автоматического вождения БПЭА и выполнения технологических сельскохозяйственных операций в автоматическом и ручном режимах. Комплекс способствует точно и без огрехов управлять БПЭА, при любой видимости – днем и ночью, в туман, при сильной запыленности. В результате применения данного комплекса сокращаются сроки и стоимость выполнения сельскохозяйственных работ.

Моноблок представляет собой электронный блок управления с современным сенсорным монитором в прочном компактном моноблочном форм-факторе (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 Внешний вид моноблока

Одним из преимуществ данной разработки является интуитивно понятное программное обеспечение (Рисунок 3.3). Функционал позволяет запись и обработку информации (запись границ поля, передача и сохранение данных, корректировку работы).

Рисунок 3.3 Интерфейс программного обеспечения

Интерфейс отображает набор необходимых данных, таких как:

отклонение от курса $C:\Users\user\Desktop\скальператор\готовое для программы\отклонение от курса.png$
обработанная площадь $C:\Users\user\Desktop\скальператор\готовое для программы\площадь га.png$
производительность $C:\Users\user\Desktop\скальператор\готовое для программы\производительность.png$
скорость движения $C:\Users\user\Desktop\скальператор\готовое для программы\скорость.png$
угол поворота колес $C:\Users\user\Desktop\скальператор\готовое для программы\угол поворота.png$
поворот влево $C:\Users\user\Desktop\скальператор\готовое для программы\стрелка влево черная низ.png$
поворот вправо $C:\Users\user\Desktop\скальператор\готовое для программы\стрелка вправо черная низ.png$
движение вперед
движение назад
СТОП…………………… …

Для расширения базовых функций моноблока возможно подключение следующих опций:

— подключение GSM/GPRS модема для передачи данных c прибора в режиме реального времени;

— активация режима RTK для работы с базовыми станциями.

Многофункциональный програмнный комплекс позволяет:

— параллельное вождение по курсоуказателю вдоль рядов в условиях любой видимости в ручном режиме

— автоматическое движение (беспилотное управление)

— управлять секциями опрыскивателей.

Технический потенциал навигационной системы:

— встроенный GPS-приемник;

— возможность приема поправок RTK (2–3 см);

— порты USB для загрузки обновлений и выгрузки данных;

— разъёмы карт памяти для загрузки обновлений и выгрузки данных;

— встроенная аккумуляторная батарея;

— возможность измерения площади по контуру;

— встроенный фильтр Gl1de.

ВОЗМОЖНОСТИ СИСТЕМЫ

☑Прием различных видов коррекционных сигналов GPS/ГЛОНАСС в том числе Novatelcorrect);

☑Точность 0-20 см (с коррекционным сигналом RTK 0-3 см);

☑Интуитивно понятное ПО;

☑Запись и обработка полученной информации;

☑Гироскопические датчики горизонта обеспечивают работу системы на неровных участках местности (холмы, спуски, подъемы);

☑Мониторинг результатов работы;

ОСНОВНЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА

• Отсутствие перекрытий, пропусков– равномерность обработки полей;

• Точное внесение удобрений и химикатов;

• Возможность работы в дневное и ночное время, а также в условиях плохой видимости;

• Снижение затрат на семена, удобрения, химикаты;

• Контроль качества операций и увеличение урожайности.

Программный комплекс беспилотного электроагрегата позволяет уменьшить расход химикатов и удобрений за счет равномерного внесения по всей площади обработки (дифференцированное внесение), увеличить производительность труда (возможность работы в ночное время, а также в условиях плохой видимости).

3.2 Практическое управление беспилотным электроагрегатом

3.2.1 В ручном режиме управления БПЭА

Ручной режим управления — все технологические операции обработки пропашных культур (посевов) управляются или осуществляются оператором дистанционно без использования заранее введенной программы. Все автоматические последовательности выполняются по команде оператора, которые он задает посредством кнопок, расположенных на дисплее моноблока.

Данный режим необходим при движении БПЭА по дорогам общего пользования, а также когда затруднено движение в автоматическом режиме.

В данном режиме реализованы следующие функции:

– Прокладка линий движения А В в качестве маркеров;

– Режим работы в качестве курсоуказателя;

– Отображение и запись данных;

Прямая AB – самая простая форма линии. Используйся прямая линия AB, когда нет необходимости определять поворотные полосы, и требуется вести БПЭА по параллельным прямым линиям. Для создания прямой линии АВ определяется стартовую точку (A) и конечную точку (B). Затем появляется прямая линия АВ, соединяющая две точки.

Для создания курсовой линии АВ необходимо выбрать способ движения ПО ПРЯМОЙ	$C:\Users\user\Desktop\скальператор\готовое для программы\по прямой.png$
или же ПО КРИВОЙ, для движения по изогнутым контурам.	$C:\Users\user\Desktop\скальператор\готовое для программы\по кривой.png$

Затем проехать по планируемой траектории движения, задав начальную (точка A) и конечную точки (точка B). Когда координаты точек А и В заданы, будет построена прямая линия, проходящая через них (рисунок 3.4). Так же можно наблюдать на дисплее положение БПЭА в поле, курсовую линию и расстояние смещения от нее. На дисплее оператор может узнать, на какую величину необходимо скорректировать свое положение.

Когда система начинает описывать линию, оператор определяет ширину захвата. Эта ширина используется для расчета расстояния между курсовыми линиями. Если требуется, чтобы курсовые линии были расположены в точном соответствии ширине, то можно задать наложение или пропуск.

Остальные линии будут построены параллельно курсовой линии АВ, тем самым можно будет осуществлять параллельное движение в режиме курсоуказателя.

Рисунок 3.4 Пример построения курсовой линии АВ

Курсоуказатель показывает положение БПЭА на поле, линию направления и расстояние смещения от линии направления, так, что оператор может определить расстояние, необходимое для коррекции положения.

Визуализация отклонений показывает местоположение БПЭА относительно заданной линии направления. Если БПЭА меняет положение относительно линии направления, светодиоды смещаются влево или вправо (Таблица 3.2). Курсоуказатель необходим для получения точного направления и корректировки курса БПЭА и для обеспечения точного вождения по прямым линиям.

Возможность запоминать не только конечные и начальные точки ряда, но и любую кривую в качестве опорной линии, позволяет реализовать самые разные варианты обработки, в том числе режим «ПО КРИВОЙ».

Таблица 3.2 Визуализация отклонений БПЭА и его корректировка относительно заданной линии направления движения

Отклонение от курса	$C:\Users\user\Desktop\скальператор\готовое для программы\отклонение от курса.png$
Визуализация отклонений
Поворот влево/вправо	$C:\Users\user\Desktop\скальператор\готовое для программы\стрелка влево черная низ.png$ $C:\Users\user\Desktop\скальператор\готовое для программы\стрелка вправо черная низ.png$
Движение вперед
Движение назад
СТОП

Ниже приведен пример выполнения работ в режиме вождения «по прямой» (рисунок 3.5). Программное обеспечение автоматически выполняет разбивку обрабатываемой площади на параллельные направляющие согласно заданной ширине обработки (ширина заданная пользователем в настройках программы). Система ориентируясь на первую линию между точками «А» и «В» выдает пользователю визуальные подсказки в случае отклонения от правильной траектории движения, тем самым позволяет упростить работу.

Рисунок 3.5 Пример выполнения работ в режиме вождения «ПО ПРЯМОЙ»

3.2.2 В автоматическом режиме управления БПЭА

Автоматический режим — режим работы, при котором оператор БПЭА дает только команду на начало процесса обработки, а все последующие технологические операции выполняются автоматически.

В данном режиме реализованы следующие функции:

– Прокладка линий движения А В в качестве маркеров;

– Режим работы в качестве автопилота;

– Отображение и запись данных.

Для передачи управления системе оператору необходимо вывести БПЭА на прямой курс или	$C:\Users\user\Desktop\скальператор\готовое для программы\по прямой.png$
изогнутый путь (проделать все то же самое, что и в ручном режиме управления) и нажать кнопку, и система
приступит к автоматическому управлению и маневрированию.
Если оператору необходимо взять управление на себя, то достаточно нажать кнопку

Ниже приведен пример выполнения работ в автоматическом режиме вождения (рисунок 3.6). Программное обеспечение автоматически выполняет разбивку обрабатываемой площади на параллельные направляющие согласно заданной ширине обработки (ширина обработки, заданная пользователем в настройках программы). Система, ориентируясь на первую линию между точками «А» и «В», продолжает параллельное им движение, тем самым происходит вождение в автоматическом режиме, БПЭА сам корректирует курс движения.

Для разворота в конце загона нажать кнопку «разворот по часовой стрелке»,
или «против часовой стрелки», и БПЭА сам осуществит разворот по выбронной траектории	$C:\Users\user\Desktop\скальператор\готовое для программы\кнопка разворот зеленая.png$
Так же есть возможность увеличить масштаб либо	$C:\Users\user\Desktop\скальператор\готовое для программы\зум увеличение.png$
уменьшить, для более детального рассмотрения какой-либо области	$C:\Users\user\Desktop\скальператор\готовое для программы\зум уменьшение.png$

Рисунок 3.6 Пример выполнения работ в автоматическом режиме вождения

После нескольких минут использования системы в автоматическом режиме можно будет убедиться, что система адекватно управляет БПЭА и точно ведет его по выбранному маршруту. Таким образом, исключаются ошибки оператора, вызванные усталостью или невнимательностью.

3.3 Экспериментальные исследования БПЭА

3.3.1 Картографический обзор места проведения полевых испытаний

Одним из важных этапов для проведения полевых испытаний является подготовка цифровой картографической основы, что обеспечивает автоматизированное отображение пространственно-координированных данных по отдельным полям, а также реализацию оптимальных агротехнических решений.

При картографическом обеспечении точного земледелия использовалась космическая съемка. Космоснимки или материалы дистанционного зондирования получают с космических спутников. Они могут быть как платные, так и бесплатные. Платные заказываются в специальных организациях (например, в России поставщиком космоснимков является компания Сканекс и другие), указывается место съемки и разрешение. Съемки производятся такими спутниками как Landsat 7, SPOT 5 и т.д. Обрисовывать контура в этом случае можно не используя планы, так как изображение настолько четкое, что можно разглядеть дренажные каналы, элементы растительности, дороги, которые обычно являются границами полей, и точность при этом будет достаточно высокой (рисунок 3.7).

Рисунок 3.7 Космоснимок места проведения полевых испытаний (Яндекс карты)

После анализа местности можно реализовать различные агротехнические решения, в нашем случае определить начало и способ движения БПЭА на заданном участке поля.

3.3.2 Этапы проведения полевых испытаний

Испытания проводились на полях крестьянского (фермерского) хозяйства Исламгулов И. Р. (Кармаскалинский район) и Учебно-научном центре Башкирского ГАУ (Уфимский район).

Лабораторные и полевые опыты закладывались на яровой пшенице, конопле, озимой пшенице и ржи.

Опыты выполнялись в несколько этапов (при различной влажности воздуха и температуры окружающей среды), состоящих из нескольких режимов работы (таблица 3.3).

Таблица 3.3 Режимы работы и этапы проведения полевых испытаний

№ п/п	Режимы работы	Температура воздуха окр.среды, С	Влажность воздуха окр.среды, %
I этап	Без электротехнологии	0-7	>70
	С электротехнологией
II этап	Без электротехнологии	8-15	50-70
	С электротехнологией
III этап	Без электротехнологии	16-22	30-50
	С электротехнологией
IV этап	Без электротехнологии	23-30	<30
	С электротехнологией

Благодаря такому подходу стало возможно объективно оценить работоспособность БПЭА. Сравнить различные способы внесения на разных участках поля, проверить теоретические и лабораторные исследования в полевых условиях, приближенных к естественной среде работы БПЭА на сельскохозяйственных работах (рисунок 3.8). Маршрут движения БПЭА отмечался сигнальной лентой (рисунок 3.9).

Рисунок 3.8 БПЭА на полевых испытаниях

Рисунок 3.9 Маршрут движения БПЭА отмечался сигнальной лентой

В конце пройденного пути были произведены замеры отклонений от идеальной траектории движения БПЭА. Таким образом были произведены все 4 этапа полевых испытаний. Получены зависимости количества капель (густота покрытия, капель/см²) на обрабатываемой поверхности листа от влажности воздуха и температуры окружающей среды при аэрозольной обработке сельскохозяйственных культур с применением электротехнологии и без нее.

3.4 Результаты проведенных испытаний

Одним из наиболее распространенных способов внесения жидких препаратов сегодня является полнообъемное опрыскивание. Основные его недостатоки – низкая производительность агрегатов, высокие эксплуатационные затраты и загрязнение почвы препаратами, которые стекают с растений в результате излишнего смачивания. С целью устранения данных недостатков, предлагается дифференцированная обработка мелкодисперсной аэрозолью (малообъемное опрыскивание) в электростатическом поле. Размер капель зависит от вязкости, плотности раствора, поверхностного натяжения и параметров процесса опрыскивания. Размер формируемых капель определяется по стандарту ISO 25358 (таблица 3.4). К малообъемному опрыскиванию относятся капли-аэрозоли медианным диаметром менее 210 мкм.

Таблица 3.4 Медианные диаметры капли по стандарту ISO 25358

Наименование размера капли	Медианный диаметр, мкм
Очень мелкая/ Very fine / VF90	< 140
Мелкая/ Flne / F	140-210
Средняя/ Medium / М	210-320
Крупная/ Coarse / С	320-380
Очень крупная / Very coarse / VC	380-460
Чрезвычайно крупная/ Extremely coarse / ХС	460-620
Ультракрупная / Ultra coarse / UC	> 620

При таком опрыскивании все капли приземляются преимущественно под действием силы тяжести, одновременно с этим происходит их испарение, интенсивность которого зависит от влажности и температуры окружающей среды, что негативно сказывается на обработке сельскохозяйственных культур.

Данный недостаток исключается посредством придания частицам аэрозоли электрического заряда. В электрически заряженной мелкодисперсной аэрозоли возникают дополнительные силы взаимодействия частиц – электростатическое рассеяние и зеркальное отображение, что способствует выравниванию концентрации по объему при одновременном увеличении скорости осаждения. Данный способ зависит от влажности и температуры окружающей среды.

Физическая сущность осаждения (прилипания) заряженных капель аэрозоля заключается в явлении переноса электрических зарядов между электродами, находящимися под разными потенциалами, которые в свою очередь зависят от температуры и влажности окружающей среды. Своеобразным электродом является обрабатываемое растение, имеющее отрицательный потенциал. Электрод для электрозарядки аэрозоли соответственно имеет положительный потенциал.

Испытания проводились на протяжении 3 дней на яровой пшенице. С целью определения количества капель (густота покрытия, капель/см²) на обрабатываемой поверхности листа от влажности воздуха и температуры окружающей среды при аэрозольной обработке сельскохозяйственных культур с применением электротехнологии и без нее. Было произведено 8 проходов при различной влажности и температуры окружающей среды, так же были произведены замеры точности движения БПЭА (таблица 3.5). Результаты проходов представлены в таблице 3.11

Таблица 3.5 Результаты проходов в различных режимах работы

I — Температура 0-7⁰С, влажность >70%	Без электротехнологии
	Пройденное расстояние, м	20	40	60	80	120	160	180	200	240	260	300
	густота покрытия, капель/см²	340	270	290	360	200	210	400	330	250	360	220
	Отклонение от заданного курса при ручном управлении, см	36	42	28	33	52	12	26	7	11	23	28
	С электротехнологией
	Пройденное расстояние, м	20	40	60	80	120	160	180	200	240	260	300
	густота покрытия, капель/см²	240	310	280	390	400	340	300	360	270	240	290
	Отклонение от заданного курса при автоматическом, см	23	14	18	22	15	19	8	12	17	14	21

II — Температура 8-15⁰С, влажность 50-70%	Без электротехнологии
	Пройденное расстояние, м	20	40	60	80	120	160	180	200	240	260	300
	густота покрытия, капель/см²	290	330	400	410	170	350	260	370	320	370	410
	Отклонение от заданного курса при ручном управлении, см	27	29	14	7	16	29	14	4	39	18	27
	С электротехнологией
	Пройденное расстояние, м	20	40	60	80	120	160	180	200	240	260	300
	густота покрытия, капель/см²	320	350	270	400	410	390	450	410	290	370	400
	Отклонение от заданного курса при автоматическом, см	14	12	41	16	19	9	12	21	14	7	20

III — Температура 16-22⁰С, влажность 30-50%	Без электротехнологии
	Пройденное расстояние, м	20	40	60	80	120	160	180	200	240	260	300
	густота покрытия, капель/см²	210	330	360	380	440	350	290	320	400	360	420
	Отклонение от заданного курса при ручном управлении, см	32	34	18	29	42	27	11	32	8	39	17
	С электротехнологией
	Пройденное расстояние, м	20	40	60	80	120	160	180	200	240	260	300
	густота покрытия, капель/см²	440	410	450	390	490	510	420	500	460	430	400
	Отклонение от заданного курса при автоматическом, см	15	8	12	19	14	7	3	16	23	11	18

IV — Температура 23-30⁰С, влажность <30%	Без электротехнологии
	Пройденное расстояние, м	20	40	60	80	120	160	180	200	240	260	300
	густота покрытия, капель/см²	320	290	170	400	330	270	390	250	290	340	380
	Отклонение от заданного курса при ручном управлении, см	39	44	18	32	15	27	49	38	19	41	29
	С электротехнологией
	Пройденное расстояние, м м	20	40	60	80	120	160	180	200	240	260	300
	густота покрытия, капель/см²	370	330	290	410	370	360	270	350	440	390	320
	Отклонение от заданного курса при автоматическом, см	19	6	14	9	17	21	26	11	31	9	5

Исследования, проведенные на яровой и озимой пшенице с применением жидких удобрений показали положительную динамику внесения их беспилотным электроагрегатом (БПЭА) через электростатическое поле в сравнении с традиционным опрыскиванием (Рис. 3.10).

Площадь делянок – 50 м², повторность трехкратная, размещение систематическое. В качестве удобрения использовали Бионекс-Кеми жидкий (NPK 10:10:10) производства НВП «Башинком», который смешивали в разных дозах с водой и вносили в качестве подкормки. Полевые экспериментальные исследования проводились в 2020 году на опытном поле учебно-научного центра Башкирского государственного аграрного университета. Почва опытного участка – чернозем выщелоченный.

Схема опыта следующая:

1. Контроль (традиционная технология) NPK 5л/га+200 л. воды

2. Электростатическое опрыскивание – NPK 5л/га +200 л. воды

3. Электростатическое опрыскивание – NPK 5л/га +150 л. воды

4. Электростатическое опрыскивание – NPK 5л/га +100 л. воды


Рис. 3.10 Варианты опытов на яровой и озимой пшенице

Проведенные исследования на опытных участках показали высокую эффективность внесения жидких удобрений ультразвуковым генератором через электростатическое поле (Рис. 3.11).

Рис. 3.11 Варианты опытов на яровой и озимой пшенице

Исследуемый агрохимический прием позволил повысить количество продуктивных стеблей, длину колоса, массу 1000 зерен, и соответственно увеличить урожайность пшеницы сорта Ватан. Максимальная урожайность яровая пшеница сформировала на варианте с электростатическим опрыскиванием с дозой NPK 5л/га +200 л. воды, и она составила 2,6 т/га, что больше на 0,2 т/га, чем при внесении удобрений традиционным способом. По всей видимости, результат обеспечен благодаря равномерному распределению распыляемых капель на поверхности и усиленного прилипания рабочего раствора. С уменьшением дозы рабочего раствора эффективность не наблюдалась, решающую роль здесь мог сыграть снос или дрейф капель за счет малого объема рабочей жидкости. Также поведение капель зависит от многих факторов, как размеры, инерция и сила тяжести.

Таблица 3.6 Влияние дозы жидких удобрений на урожайность

яровой пшеницы

Схема опыта	Урожайность, т/га
Вариант 1. Традиционная – NPK 5л/га +200 л. воды (контроль)	2,4
Вариант 2. Электростатическое опрыскивание – NPK 5л/га +200 л. воды	2,6
Вариант 3. Электростатическое опрыскивание – NPK 5л/га +150 л. воды	2,45
Вариант 4. Электростатическое опрыскивание – NPK 5л/га +100 л. воды	2,4

На конопле заложен опыт по изучению эффективности применения изучаемого метода при внесении гербицидов (рисунок 3.12).

$D:\Кафедра почвоведения\Кафедра почвоведения\Кафедра\2019-2020\Госзадание 2020\21-01-2021_16-24-06\IMG-20210120-WA0016.jpg$	$D:\Кафедра почвоведения\Кафедра почвоведения\Кафедра\2019-2020\Госзадание 2020\21-01-2021_16-24-06\IMG-20210120-WA0013.jpg$
Рисунок 3.12. Размещение делянок и опрыскивание гербицидами опытов

Засоренность посевов была выше средней, т.к. предшественником был занятый пар (Таблица 3.7). Опрыскивание проводилось в фазе третьей пары настоящих листьев гербицидом Хилер (1 л/га).

Таблица 3.7. Засоренность конопли посевной до опрыскивания

Вариант опыта	Всего сорняков, шт/м²	В том числе		Воздушно-сухая масса сорняков, г/м²
Вариант опыта	Всего сорняков, шт/м²	малолетних	многолетних	Воздушно-сухая масса сорняков, г/м²
Эталон (опрыскивание водой)	20	12	8	104
Контроль (опрыскивание стандартное)	20	12	8	104
Холодный туман	20	12	8	104
Холодный туман с электростатическим полем	20	12	8	104

Таблица 3.8. Засоренность конопли посевной через 2 недели

после опрыскивания

Вариант опыта	Всего сорняков, шт/м²	В том числе		Воздушно-сухая масса сорняков, г/м²
Вариант опыта	Всего сорняков, шт/м²	малолетних	многолетних	Воздушно-сухая масса сорняков, г/м²
Эталон (опрыскивание водой)	32	19	13	424
Контроль (опрыскивание стандартное)	8	6	2	48,3
Холодный туман	6	5	1	36,5
Холодный туман с электростатическим полем	5	4	1	31,7

Как видно из таблицы 3.8, опрыскивание гербицидом Хилер в целом дало заметное уменьшение количества сорняков через 2 недели после опрыскивания. В варианте Эталон количество сорняков стало в 4 раза больше (в воздушно-сухой массе). Использование холодного тумана и его сочетание с электростатическим полем было эффективнее в сравнении со стандартным опрыскиванием. Наибольшая эффективность была в варианте холодный туман в сочетании с электростатическим полем. Внесение гербицидов электростатическим полем позволило сократить расход воды, уменьшить эксплуатационные затраты работы электроагрегата на поле.

Таким образом, первые результаты полевых исследований показывают высокое качество обработки сельскохозяйственных культур через электростатическое поле посредством беспилотного электроагрегата. Качество обеспечивается за счет однородности образуемых капель и равномерности их распределения на поверхности листьев сельскохозяйственных культур, увеличения количества осаждаемых на растении рабочего раствора и обволакивания листьев.

3.4.1 Анализ полученных результатов

На рисунках показаны зависимости количества капель (густоты покрытия, капель/см²) на обрабатываемой поверхности листа от влажности воздуха и температуры окружающей среды при аэрозольной обработке сельскохозяйственных культур без применения электротехнологии (рисунок 3.13) и с применением электротехнологии (рисунок 3.14).

Из графика видно, что наибольшая густота покрытия листа происходит на 3 этапе (Температура 16-22⁰С, влажность 30-50%). Это обусловлено тем, что такие параметры соответствуют агротехнологическим требованиям [00]. Так же можно заметить снижение густоты покрытия листа на 1 и 4 этапах. Это связано с тем, что медианные диаметры капли менее 210 мкм и они подвержены сносу вихревыми потоками (ветром), и при высоких температурах окружающей среды — испарению. Данный способ обработки сельскохозяйственных культур из-за маленького размера капель имеет недостатки, по сравнению с полнообъемной обработкой (опрыскиванием).

Рисунок 3.13 Зависимости количества капель (густоты покрытия) на обрабатываемой поверхности листа от влажности воздуха и температуры окружающей среды при аэрозольной обработке сельскохозяйственных культур без применения электротехнологии

Рисунок 3.14 Зависимости количества капель (густоты покрытия) на обрабатываемой поверхности листа от влажности воздуха и температуры окружающей среды при аэрозольной обработке сельскохозяйственных культур с применением электротехнологии

Из графика видно, что наибольшая густота покрытия листа происходит на 3 этапе (Температура 16-22⁰С, влажность 30-50%). Это обусловлено тем, что такие параметры соответствуют агротехнологическим требованиям. Так же можно заметить снижение густоты покрытия листа на 1этапе. Это связано с тем, что медианные диаметры капли менее 210 мкм и они подвержены сносу вихревыми потоками (ветром), и при высоких температурах окружающей среды – испарению. Благодаря электротехнологии густота покрытия листа более равномерна и может конкурировать с полнообъемной обработкой (опрыскиванием).

При проведении испытаний было выявлено, что наибольшее количество капель (густота покрытия, капель/см²) было достигнуто с применением электротехнологии при температуре воздуха 16-22⁰ С и влажности 30-50%. Наименьшее количество капель (густота покрытия, капель/см²) при температуре воздуха 0-7⁰С и влажность более 70% без применения электротехнологии. Результаты представлены в таблице 3.9

Таблица 3.9 Средние значения густоты покрытия листа в зависимости от температуры и влажности.

Этап Режим работы	I Температура 0-7⁰С, влажность >70%	II Температура 8-15⁰С, влажность 50-70%	III Температура 16-22⁰С, влажность 30-50%	IV Температура 23-30⁰С, влажность <30%
Без электротехнологии	294	335	351	312
С электротехнологией	311	369	446	355
Количество капель (густота покрытия)	капель/см²

Зависимость густоты покрытия (среднее значение) на обрабатываемой поверхности листа от влажности воздуха и температуры окружающей среды при аэрозольной обработке сельскохозяйственных культур на различных этапах показана на рисунке 3.15.

Рисунок 3.15 Зависимость густоты покрытия (среднее значение) на обрабатываемой поверхности листа от влажности воздуха и температуры окружающей среды при аэрозольной обработке сельскохозяйственных культур

Густота покрытия капель зависит от температуры и влажности окружающей среды. Наименьшее количество капель выявлено на 1 этапе (температура 0-7⁰С, влажность >70%), это связано с тем, что высокая влажность воздуха и низкая температура приводит к замедленному испарению и мелкодисперсную аэрозоль сносит вихревыми потоками за периметр обработки, что в свою очередь сказывается на эффективности обработки. Применение электротехнологии дает прирост количества капель всего на 6%, что является недостаточным как с агротехнической точкой зрения, так и с экономической. На 4 этапе (Температура 23-30⁰С, влажность <30%) видно, что чем выше температура и ниже влажность, тем быстрее капли улетучиваются и могут полностью высыхать, т.е. эффективность препарата, приземлившегося на растение в виде такой «сухой» капли снижается Применение электротехнологии дает прирост в 14%.

Обработка же с применением электротехнологии позволяет увеличить количество капель, осаждаемых на растение при относительной влажности воздуха 30%- 70% и температуре 8-22⁰С до 28%. Такие параметры влажности воздуха и температуры окружающей среды наиболее благоприятны для стекания электрических зарядов. Следовательно осаждение (прилипание) заряженных капель аэрозоля при таком способе обработки является более эффективным способом внесения по сравнению с обычной аэрозольной обработкой (без применения электротехнологии).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработан беспилотный электороагрегат, который позволяет дифференцированно и автономно обрабатывать мелкодисперсной аэрозолью сельскохозяйственные культуры. Способность выполнять поставленные задачи беспилотным электроагрегатом с аппаратно-программным комплексом и микропроцессорной системой управления полностью исключает из технологического процесса машинно-тракторный агрегат с оператором

Проведенные полевые испытания показали, что отклонения беспилотного агрегата от курса в среднем составляют 14 см (Протокол испытаний №5 от 12.09.2020).

Разработано и исследовано устройство для электрозарядки холодного тумана, предназначенное для опрыскивания сельскохозяйственных культур, которое наряду с известными аналогами позволяет снизить потребление электрической энергии за счет периодического прерывания цепи питания устройства.

Полевые исследования показывают высокое качество обработки сельскохозяйственных культур через электростатическое поле посредством беспилотного электроагрегата. Использование холодного тумана и его сочетание с электростатическим полем было эффективным в сравнении со стандартным внесением жидких удобрении и гербицидов. Максимальная урожайность яровая пшеница сформировала на варианте с электростатическим опрыскиванием с дозой NPK 5л/га +200 л. воды, и она составила 2,6 т/га, что больше на 0,2 т/га, чем при внесении удобрений традиционным способом. Опрыскивание гербицидом Хилер дало уменьшение количества сорняков через 2 недели после опрыскивания. В варианте Эталон количество сорняков стало в 4 раза больше (в воздушно-сухой массе).

Качество внесения обеспечивалось за счет однородности образуемых капель и равномерности их распределения на поверхности листьев сельскохозяйственных культур, увеличения количества осаждаемых на растении рабочего раствора и обволакивания листьев.

Система была разработана на кафедре «Электрические машины и электрооборудование» Башкирского государственного аграрного университета, на которую получен патент Российской Федерации (№190594 от 04.06.2019).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Азнагулов А.И. Модель электропривода шагового двигателя в программном комплексе Matlab Simulink. В сборнике: Современное состояние, традиции и инновационные технологии в развитии АПК материалы Международной научно-практической конференции в рамках XXVIII Международной специализированной выставки «Агрокомплекс-2018». Башкирский государственный аграрный университет. — 2017. -С.227-230.

Артюшин А.А., Смирнов И.Г. Научно-техническое обеспечение применения ГЛОНАСС в сельскохозяйственном производстве // Сельскохозяйственные машины и технологии. – 2015. – № 1. – С. 8-11.

Асылбаев И.Г. Урожайность яровой пшеницы при внесении жидких удобрений через электростатическое поле беспилотного электроагрегата / И.Г.Асылбаев, Д.Р.Исламгулов, В.В.Лукьянов // Материалы международной научно-практической конференции: Устойчивое развитие территорий: теория и практика. 2020. С. 81-83.

Березовский, Е. Внедрение технологий точного земледелия: опыт Тимирязевской академии [Текст] / Е. Березовский, А. Захаренко, В. Полин // Аграрное обозрение. — 2009. — № 4. — С. 12- 17.

Валекжанин, А.И. Повышение маневренности движения мобильных машин [Текст] / А.И. Валекжанин, В.И. // Вестник — АГАУ. Технологии и средства механизации сельского хозяйства. – 2009. – №1(51). – С. 52-55.
Гуревич, Л.А., Тракторы и сельскохозяйственные машины / Гуревич, Л.А., Лиханов, В.А., Сычугов, Н.П.. М.: Агропромиздат — Москва, 2014. — 336 c.
Горин, Г.С. Разработка гибридной теории установившегося поворота машинно-тракторного агрегата (МТА). Динамика / Г.С. Горин, В.М. Головач, Я. Ю. Жгут // Агропанорама. – 2011. − № 1. – С. 8−13.

Измайлов А.Ю. Артюшин А.А., Бисенов Г.С. Перспективы использования навигационных систем ГЛОНАСС/GPS при транспортном обеспечении сельскохозяйственных организаций // Сельскохозяйственные машины и технологии. – 2013. – № 2. – С. 16-20.

Измайлов А.Ю., Фалеев А.П., Ксенофонтов Н.П. Автоматизированные системы управления для создания роботизированных технологий в растениеводстве // Модернизация сельскохозяйственного производства на базе инновационных машинных технологий и автоматизированных систем: Сб. докл. XII Междунар. науч.-практ. конф. Ч. 2. – М.: ВИМ, 2012. –С. 602-610.

Иофинов, С.А. Эксплуатация машинно-тракторного парка / С.А. Иофинов. – М.: Колос, 1974. – 480 с.
Коровина, Н.В. Создание аэрозольных сред с помощью автономных распылительных устройств, их эволюция и распространение в замкнутых объемах: дисс. … канд. физ-мат. наук : 01.02.05 / Н.В. Коровина. – Бийск, 2014. – 120 с
Кленин, Н. И. Сельскохозяйственные и мелиоративные машины [Текст] / Н. И. Кленин, В. Г. Егоров. — М.: КолосС, 2004. — 464 с.: ил.
Лекомцев, П.Л. Электроаэрозольные технологии в сельском хозяйстве : монография / П.Л. Лекомцев. – Ижевск: ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2006. – 219 с.

Личман Г.И., Марченко А.Н., Белых С.А. Размещение приемника сигналов ГЛОНАСС/GPS на агрегате // Сельскохозяйственные машины и технологии. – 2014. – № 1. – С. 7-9.

Навигационные технологии в сельском хозяйстве. Координатное земледелие / В.И. Балабанов, С.В. Железова, Е.В. Березовский, А.И. – М.: Изд-во РГАУ – МСХА имени К.А. Тимирязева, 2013. –148 с.

Павлюк, А.С. Моделирование движения шарнирно-соединенной колесной машины в матлаб-Симулинк [Текст] / А.С. Павлюк, В.И. Поддубный, А.И. Валекжанин // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. – 2008. – № 8 (46). – С.66-71.

Павлюк, А.С. Теоретические основы управляемого движения колесных машин [Текст]/А.С. Павлюк, В.И. Поддубный. – Алт. гос. техн. ун-т им. И. И. Ползунова. – Барнаул: 2010. – 239 с.

Патент РФ на полезную модель № 183287 Исполнительное устройство для автоматического управления машинно-тракторным агрегатом./ Линенко А.В., Азнагулов А.И., Ямалетдинов М.М.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО «Башкирский ГАУ №2018114392; заявлен 18.04.2018; опубликован 17.09.2018, Бюл. №26

Поддубный, В.И. Мехатронная модель колесного трактора для исследования устойчивости движения и управляемости [Текст] / В.И. Поддубный, A. Warkentin // Вестник КраГАУ.Техника. – 2008. – С.228 –232.

Подруливающие устройства. [Электронный ресурс]. URL: http://агронавигация.рф/podrulivayushchie-devices/
Попов, С. Я. Основы химической защиты растений: учебное пособие / С. Я. Попов, Л. А. Дорожкина, В. А. Калинин. – Москва: Арт – Лион, 2003. – 208 с.
Ревякин, Е.Л., Машины для химической защиты растений в инновационных технологиях: науч. аналит. обзор / Е.Л. Ревякин, Н.Н.Краховецкий. – Москва: ФГНУ «Росинформагротех», 2010. – 124 с.
Сельскохозяйственные машины (конструкция, теория и расчет) Часть I : учебное пособие / Е.И. Трубилин [и др.] . – 2-е изд., перераб. и доп. – Краснодар : КГАУ, 2008. – 200 с.

Свид. 2018611772 Российская Федерация. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. Программа для системы управления рабочим органом технологических машин с линейным асинхронным двигателем на базе аппаратной платформы Arduino UNO / А.В.Линенко, Ш.Ф.Сираев, М.Ф.Туктаров; заявитель и правообладатель ФГОУ ВО Башкирский ГАУ (RU). – 2017662806; заявл. 08.12.2017; опубл. 06.02.2018, Реестр программ для ЭВМ. – 1 с.

Система параллельного вождения Глонаш пилот [Электрон.] / http://www.labsolut.ru/products/sistema-parallelnogo-vojdeniya-glonash-pilot.html.

Скойбеда А.Т. К исследованиям влияния схемы привода на поворотливость трактора и МТА / А. Т. Скойбеда, А. А. Шавель, В. М. Яцковский // Тракторы и сельхозмашины. – 1983. – № 6. – С. 9–11.

Труфляк, Е.В. Системы параллельного вождения [Текст] / Е.В. Труфляк. – Краснодар: КубГАУ, 2016. – 72 с.

Труханович, А.Л. Аппаратно-программный комплекс навигационного оборудования для точного земледелия [Текст] / А.Л. Труханович, П.В. Кучинский // Приборы и методы измерений. – Минск, 2012. — №2. – С.28-32.
Халанский, В.М. Сельскохозяйственные машины [Текст] / В.М. Халанский, И.В. Горбачёв. — М.: КолосС, 2006. — 624 с.

Щеголихина, Т. А. Современные технологии и оборудование для систем точного земледелия: науч.-аналит. Обзор [Текст] / Т. А. Щеголихина, В. Я. Гольтяпин. – М.: ФГБНУ «Росин- формагротех», 2014. – 80 с.

Leica mojo Mini2. Руководство по эксплуатации [Электрон.] / http://mojomini2.com/wp-content/uploads/Leica_mojoMINI2_UserManual_ru.pdf.

Trimble для сельского хозяйства. Каталог продукции 2017 [Электрон.] / http://buelinginc.com/wp-content/uploads/files/Trimble Portfolio_2017_RUS.pdf.

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

Перечень публикаций в журналах ВАК и Scopus

Aipov R. Research of the work of the sieve mill of a grain-cleaning machine with a linear asynchronous drive / Linenko A., Badretdinov I., Tuktarov M., Akchurin S.// Mathematical Biosciences and Engineering. 2020. Т. 17. № 4. С. 4348-4363.
Asylbaev I. Composition, properties, and use of secondary re-sources as organic soil ferti-lizers / Asylbaev I., Nigmatzyanov A., Khabirov I., Sergeev V., Kurmasheva N. // Periodico Tche Quimica. 2020. Т. 17. № 35. С. 259-268.
Asylbaev I.G. Temporal change of soil chemical properties in the southern forest-steppe of the ufa region of the republic of Bashkortostan, Russia / Khabirov I.K., Khasanov A.N., Gabbasova I.M., Garipov T.T.// Journal of Water and Land Development. 2020. Т. 44. № 1-3.
Исламгулов, Д.Р. Состояние и перспективы развития коноплеводства / Д.Р. Исламгулов, Г.Г. Бикбаева // Вестник БГАУ. – 2020. – № 4. – С.36-39.
Линенко А.В. Беспилотный электроагрегат для обработки сельскохозяйственных культур холодным туманом / А.И. Азнагулов, Т.И. Камалов, В.В. Лукьянов // Известия ОГАУ. – 2020. — №5 (85). С.136-139.

Участие в конференциях, круглых столах, публикации в сборниках

Асылбаев И.Г. Урожайность яровой пшеницы при внесении жидких удобрений через электростатическое поле беспилотного электроагрегата / И.Г.Асылбаев, Д.Р.Исламгулов, В.В.Лукьянов // Материалы международной научно-практической конференции: Устойчивое развитие территорий: теория и практика. Сибай. 2020. – С. 81-83.
Линенко А.В. Аппаратно-программный комплекс в системе точного земледелия /А.В. Линенко // Конференция в рамках всероссийской агропромышленной выставки «Золотая осень 2020», октябрь 2020.
Байназаров В.Г. Устройство для электростатического опрыскивания сельскохозяйственных культур / В.Г.Байназаров, В.В.Лукьянов // Конференция «Актуальные проблемы в электроэнергетике» в рамках Российского энергетического форумы, октябрь 2020.
Линенко А.В. Внесение жидких веществ с помощью электрически заряженного холодного тумана / А.В.Линенко, В.Г.Байназаров, В.В.Лукьянов // Конференция в рамках международной агропромышленной выставки «Агрокомплекс 2020», март 2020.
Лукьянов В.В. Система автоматического управления беспилотным электроагрегатом / В.В.Лукьянов, Ш.Ф. Сираев // Конференция «Актуальные проблемы в электроэнергетике» в рамках Российского энергетического форумы, октябрь 2020.
Линенко А.В. Цифровизация и автоматизация АПК. Круглый стол «Высококвалифицированные инженерные кадры залог энергоэффективности предприятия» в рамках Российского энергетического форумы, 28 октября 2020 г.
Асылбаев И.Г. Оцифровка и создание электронных почвенных карт на основе агрохимических обследований сельскохозяйственных угодий / И.Г.Асылбаев, И.Р.Юлдыбаев // Материалы международной научно-практической конференции: Инновации и технологический прорыв в АПК, Брянский ГАУ, 2020. – С. 123-127.
Исламгулов, Д.Р. История, состояние и перспективы возделывания конопли посевной / Исламгулов Д.Р., Бикбаева Г.Г. // В сборнике: Развитие научной, творческой и инновационной деятельности молодежи. Сборник статей по материалам XII Всероссийской (национальной) научно-практической конференции молодых ученых, посвященной 125-летию Т.С. Мальцева. Под общей редакцией И.Н. Миколайчика. Курская ГСХА, 2020. – С. 120-124.
Исламгулов, Д.Р. Современные методы внесения минеральных удобрений при возделывании конопли посевной /Исламгулов Д.Р., Бикбаева Г.Г., Асылбаев И.Г., Линенко А.В., Лукьянов В.В. // Материалы международной научно-практической конференции: Инновации и технологический прорыв в АПК, Брянский ГАУ, – С. 118-121.
Исламгулов, Д.Р. Конопля посевная – важнейшая техническая культура /Исламгулов Д.Р., Бикбаева Г.Г. // В сборнике: Научно-образовательные и прикладные аспекты производства и переработки сельскохозяйственной продукции. Сборник материалов Международной научно-практической конференции, посвященной 90-летию А.И. Кузнецова. Чувашский ГАУ, 2020. – С. 154-159.

Приложения

Автор НИР

ФГБОУ-ВО-Башкирский-ГАУ

Агрохимия, Защита сельскохозяйственных растений, Механизация и электрификация сельского хозяйства, Растениеводство