Способ и устройство автоматического управления процессами возделывания сельскохозяйственных культур
METHOD AND DEVICE FOR AUTOMATIC CONTROL OF AGRICULTURAL CROPS CULTIVATING

Предлагаемые способ и устройство относятся к области сельского хозяйства, в частности к реализации управляемых технологий земледелия, и могут быть использованы в отрасли полевого растениеводства.
Известны способы и устройства автоматического управления процессами возделывания сельскохозяйственных культур (авт. свид. СССР №903.767; патенты РФ №№2.156.057, 2.265.989, 2.378.159, 2.444.177, 2.471.338, 2.489.846, 2.492.626, 2.538.997, 2.558.225, 2.586.142; патенты США №№6.199.000, 6.421.010, 6.700.486; патент Германии №4.442.171; патент Франции №2.671.534; Жукова О. Точность на полях. Журнал «Агропрофи», раздел Растениеводство, 2008, №3, с. 12-34; Рунов Б.А., Пильникова Н.В. Основы технологии точного земледелия. СПб, АФИ, 2012, с. 39-40 и другие).
Из известных способов и устройств наиболее близкими к предлагаемым являются «Способ и устройство автоматического управления процессами возделывания сельскохозяйственных культур» (патент РФ №2.538.997, А01G 1/00, 2012), которые и выбраны в качестве прототипов.
Известные способ и устройство предусматривают оценку состава почвы возделываемого угодья и ее продукционного потенциала по пробам почвы, контроль состояния развития сельскохозяйственных культур по видеоизображениям сельскохозяйственных культур, полученным с помощью модуля визуального контроля, и техногенные воздействия на технологические процессы. Взятие и доставку проб почвы и фрагментов сельскохозяйственных культур с депрессивных участков возделываемого угодья выполняют с помощью роботизированных аппаратов, при функционировании которых исключается вредное воздействие на почву и сельскохозяйственные культуры. Причем оценку состава почвы, ее продукционного потенциала и контроль состояния развития производят в два этапа.
При этом на первом этапе оценку состава почвы и ее продукционного потенциала осуществляют сравнением видеоизображений культур, находящихся на возделываемом угодье. По результатам сравнения видеоизображений возделываемое угодье разбивают на участки, однородные по составу почвы и ее продукционному потенциалу.
На втором этапе оценки выявляют депрессивные участки возделываемого угодья, на которых необходимы техногенные воздействия, увеличивающие продукционный потенциал почвы. С этих депрессивных участков осуществляют доставку фрагментов сельскохозяйственных культур и проб почвы.
После этого выполняют лабораторный анализ состава почвы и сельскохозяйственных культур для каждого депрессивного участка возделываемого угодья. Вырабатывают и осуществляют техногенные воздействия на технологические процессы возделывания, сельскохозяйственные культуры и почву для повышения продуктивности сельскохозяйственных культур на депрессивных участках возделываемого угодья. В устройство введен модуль доставки фрагментов сельскохозяйственных культур с возделываемого угодья в лабораторно-управляющий комплекс. При этом в качестве модуля доставки фрагментов растений с возделываемого угодья применен беспилотный летающий аппарат. Модуль визуального контроля состояния сельскохозяйственных культур на возделываемом угодье, лабораторно-управляющий комплекс и модуль доставки фрагментов сельскохозяйственных культур с возделываемого угодья связаны между собой инфокоммуникационной связью, от которой в значительной степени зависит эффективность управления процессами возделывания сельскохозяйственных культур в режиме реального времени без травмирования почвы и сельскохозяйственных культур.
Технической задачей изобретения является повышение эффективности управления процессами возделывания сельскохозяйственных культур путем использования в качестве средств инфокоммуникационной связи модемы дуплексной радиосвязи с применением двух частот и сложных сигналов с фазовой манипуляцией.
с
г1
пр1
с
г1
г1
пp2
пр1
г1
с
г2
г1
г1
1
пр1
г2
2
пр3
г1
пр3
2
1
г1
г2
г2
г1
пр2
1
2
Поставленная задача решается тем, что способ автоматического управления процессами возделывания сельскохозяйственных культур, предусматривающий, в соответствии с ближайшим аналогом, оценку состава почвы возделываемого угодья и ее продукционного потенциала по пробам почвы, контроль состояния развития сельскохозяйственных культур по видеоизображениям сельскохозяйственных культур, полученным с помощью модуля визуального контроля, и техногенные воздействия на технологические процессы, при этом взятие и доставку проб почвы и фрагментов сельскохозяйственных культур с депрессивных участков возделываемого угодья выполняют с помощью роботизированных аппаратов, при функционировании которых исключается вредное воздействие на почву и сельскохозяйственные культуры, оценку состава почвы и ее продукционного потенциала и контроль состояния развития сельскохозяйственных культур производят в два этапа, на первом этапе оценку состава почвы и ее продукционного потенциала осуществляют сравнением видеоизображений сельскохозяйственных культур, находящихся на возделываемом угодье, и по результатам сравнения видеоизображений сельскохозяйственных культур возделываемое угодье разбивают на участки, однородные по составу почвы и ее продукционному потенциалу, а на втором этапе оценки выявляют депрессивные участки возделываемого угодья, на которых необходимы техногенные воздействия, увеличивающие продукционный потенциал почвы, и с этих депрессивных участков осуществляют доставку фрагментов сельскохозяйственных культур и проб почвы, после этого выполняют лабораторный анализ состава почвы и сельскохозяйственных культур для каждого депрессивного участка возделываемого угодья, вырабатывают и осуществляют техногенные воздействия на технологические процессы возделывания, сельскохозяйственные культуры и почву для повышения продуктивности сельскохозяйственных культур на депрессивных участках возделываемого угодья, отличается от ближайшего аналога тем, что устанавливают первый и второй модемы соответственно на лабораторно-управляющем комплексе и модуле доставки фрагментов сельскохозяйственных культур, в каждом из которых формируют гармоническое колебание на частоте ω, манипулируют его по фазе модулирующим кодом, сформированный сложный сигнал с фазовой манипуляцией преобразуют по частоте с использованием частоты ω первого гетеродина, выделяют напряжение первой промежуточной частоты ω=ω+ω, усиливают его по мощности, излучают в эфир, принимают на другом объекте, усиливают по мощности, преобразуют по частоте с использованием частоты ω второго гетеродина, выделяют напряжение второй промежуточной частоты ω=ω-ω=ω, перемножают с напряжением первого гетеродина с частотой ω, выделяют сложный сигнал с фазовой манипуляцией на частоте ω второго гетеродина, осуществляют его синхронное детектирование с использованием напряжения второго гетеродина с частотой ω в качестве опорного напряжения, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное модулирующему коду, и используют его, при этом на лабораторно-управляющем комплексе сложные сигналы с фазовой манипуляцией излучают на частоте ω=ω=ω, а принимают на частоте ω=ω=ω, где ω - третья промежуточная частота, а на модуле доставки фрагментов сельскохозяйственных культур, наоборот, сложные сигналы с фазовой манипуляцией излучают на частоте ω, а принимают - на частоте ω, частоты ω и ω гетеродинов разносят на значение второй промежуточной частоты ω-ω=ω, в модулирующий код M(t) на лабораторно-управляющем комплексе включают команды на управление бортовыми системами модуля доставки фрагментов сельскохозяйственных культур, в моделирующий код M(t) модуля доставки фрагментов сельскохозяйственных культур включают видеоизображения сельскохозяйственных культур.
1
пp1
г2
2
пр3
г1
2
1
г1
г2
Поставленная задача решается тем, что устройство автоматического управления процессами возделывания сельскохозяйственных культур, содержащее, в соответствии с ближайшим аналогом, лабораторно-управляющий комплекс, модуль визуального контроля состояния сельскохозяйственных культур на возделываемом угодье, модуль доставки фрагментов сельскохозяйственных культур с возделываемого угодья в лабораторно-управляющий комплекс, при этом в качестве модуля доставки фрагментов сельскохозяйственных культур с возделываемого угодья применяют беспилотный летающий аппарат, модуль визуального контроля состояния сельскохозяйственных культур на возделываемом угодье, лабораторно-управляющий комплекс и модуль доставки фрагментов сельскохозяйственных культур с возделываемого угодья связаны между собой инфокоммуникационной связью, отличается от ближайшего аналога тем, что средства инфокоммуникационной связи снабжены двумя модемами, первый из которых размещен на лабораторно-управляющем комплексе, а второй - на модуле доставки фрагментов сельскохозяйственных культур с возделываемого угодья, причем каждый модем содержит последовательно включенные задающий генератор, фазовый манипулятор, второй вход которого соединен с выходом источника дискретных сообщений, первый смеситель, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилитель первой промежуточной частоты, первый усилитель мощности, дуплексер, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, второй усилитель мощности, второй смеситель, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, усилитель второй промежуточной частоты, перемножитель, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, полосовой фильтр и фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, а выход является выходом модема, при этом на лабораторно-управляющем комплексе сложные сигналы с фазовой манипуляцией излучаются на частоте ω=ω=ω, а принимаются - на частоте ω=ω=ω, а на модуле доставки фрагментов сельскохозяйственных культур с возделываемого угодья, наоборот, сложные сигналы с фазовой манипуляцией излучаются на частоте ω, а принимаются на частоте ω, частоты ω и ω гетеродинов разнесены на значение второй промежуточной частоты
г2
г1
пр2
ω-ω=ω.
Взаимное расположение блоков, реализующих предлагаемый способ автоматического управления процессами возделывания сельскохозяйственных культур, изображено на фиг. 1. Структурные схемы первого 1.1 и второго 1.2 модемов предоставлены на фиг. 2 и 3. Частотная диаграмма, иллюстрирующая преобразование сигналов, показана на фиг. 4.
Устройство автоматического управления процессами возделывания сельскохозяйственных культур включает лабораторно-управляющий комплекс 1, модуль 2 визуального контроля состояния сельскохозяйственных культур на возделываемом угодье 3, модуль 4 доставки фрагментов сельскохозяйственных культур с возделываемого угодья 3 в лабораторно-управляющий комплекс 1. Модуль 2 визуального контроля состояния сельскохозяйственных культур на возделываемом угодье 3, лабораторно-управляющий комплекс 1 и модуль 4 доставки фрагментов сельскохозяйственных культур с возделываемого угодья 3 связаны между собой средствами 5 инфокоммуникационной связи, с использованием модемов 1.1 и 1.2. На фиг. 1 введены следующие обозначения: 6 - исполнительный рабочий агрегат реализации агропроцессов, 7 - участки возделываемого угодья 3, однородные по составу почвы и ее продукционному потенциалу. В качестве модуля 4 доставки фрагментов сельскохозяйственных культур с возделываемого угодья 3 применен беспилотный летающий аппарат. Модуль 2 визуального контроля установлен на модуле 4 доставки фрагментов сельскохозяйственных культур.
Первый 1.1 и второй 1.2 модемы содержат последовательно включенные задающий генератор 8.1 (8.2), фазовый манипулятор 10.1 (10.2), второй вход которого соединен с выходом источника 9.1 (9.2) дискретных сообщений, первый смеситель 12.1 (12.2), второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина 11.1(11.2), усилитель 13.1 (13.2) первой промежуточный частоты, первый усилитель 14.1 (14.2) мощности, дуплексер 15.1 (15.2), вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 16.1 (16.2), второй усилитель 17.1 (17.2) мощности, второй смеситель 19.1 (19.2), второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 18.1 (18.2), усилитель 20.1 (20.2) второй промежуточной частоты, перемножитель 21.1 (21.2), второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина 11.1(11.2), полосовой фильтр 22.1 (22.2) и фазовый детектор 23.1 (23.2), второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 18.1 (18.2), а выход является выходом первого 1.1 (второго 1.2) модема.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом.
В ходе автоматического управления процессами возделывания сельскохозяйственных культур оценку состава почвы и ее продукционного потенциала, контроль состояния развития сельскохозяйственных культур выполняют в два этапа:
1) на первом этапе в качестве источника информации о составе почвы и ее продукционном потенциале используют видеоизображения сельскохозяйственных культур, находящихся на возделываемом угодье, полученные средствами технического зрения. Видеоизображения различных участков возделываемого угодья сравнивают и по результатам сравнения видеоизображений возделываемое угодье разбивают на участки, однородные по составу почвы и ее продукционному потенциалу;
2) на втором этапе выявляют депрессивные участки возделываемого угодья, на которых необходимы техногенные воздействия для увеличения продукционного потенциала почвы, и с депрессивных участков доставляют фрагменты сельскохозяйственных культур и пробы почвы. Для каждого депрессивного участка возделываемого угодья производят лабораторный анализ фрагментов сельскохозяйственных культур и состава почвы и на основе результатов лабораторного анализа вырабатывают и осуществляют техногенные воздействия на сельскохозяйственные культуры и почву.
Получение видеоизображений сельскохозяйственных культур, доставку фрагментов сельскохозяйственных культур и проб почвы с депрессивных участков возделываемого угодья обеспечивают с помощью роботизированных аппаратов, при функционировании которых исключается вредное воздействие на почву и сельскохозяйственные культуры.
В ходе возделывания сельскохозяйственных культур модуль 4 доставки в заданное технологическим процессом время по команде с лабораторно-управляющего комплекса 1 осуществляет облет возделываемого угодья 3 и с помощью модуля 2 визуального контроля выполняет съемку сельскохозяйственных культур.
Для этого задающим генератором 8.1 формируется гармоническое колебание
c1
c1
ct
c1
c1
u(t)=U⋅cos(ω+ϕ), 0≤t≤T,
1
1
которое поступает на первый вход фазового манипулятора 10.1, на второй вход которого подается модулирующий код M(t) с выхода источника 9.1 дискретных сообщений. В качестве модулирующего кода M(t) могут быть команды по управлению беспилотным летающим аппаратом и включению модуля 2 визуального контроля состояния сельскохозяйственных культур на возделываемом угодье 3.
На выходе фазового манипулятора 10.1 формируется сложный ФМн сигнал
1
1
c
к1
c1
c1
u(t)=U⋅cos[ωt+ϕ(t)+ϕ], 0≤t≤T,
к1
1
к1
э
э
э
где ϕ(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем ϕ(t)- const при Kτ<t<(k+1)τ и может изменяться скачком при t=kτ, т.е. на границах между элементарными посылками (k=1, 2, …, N);
э
c1
c1
э
τ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T (T=τ⋅N);
который поступает на первый вход смесителя 12.1. На второй вход последнего подается напряжение гетеродина 11.1
г1
г1
г1
г1
u(t)=U⋅cos(ωt+ϕ).
На выходе смесителя 12.1 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 13.1 выделяется напряжение первой промежуточной (суммарной) частоты
пр1
пр1
пр1
к1
пр1
c1
u(t)=U⋅cos[ωt+ω(t)+ϕ], 0≤t≤T,
где
пр1
с
г1
ω=ω+ω - первая промежуточная (суммарная) частота (фиг. 4);
пр1
с1
г1
ϕ=ϕ+ϕ.
1
пр1
Это напряжение после усиления в усилителе 14.1 мощности через дуплексер 15.1 поступает в приемопередающую антенну 16.1, излучается ею в эфир на частоте ω=ω, улавливается приемопередающей антенной 16.2 модуля 4 доставки и через дуплексер 15.2 и усилитель 16.2 мощности поступает на первый вход смесителя 19.2, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 18.2:
г1
г1
г1
г1
U(t)=U⋅cos(ωt+ω).
На выходе смесителя 19.2 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 20.2 выделяется напряжение второй промежуточной (разностной) частоты:
пp2
пp2
пp2
к1
пр2
с1
u(t)=U⋅cos[ωt+ϕ(t)+ϕ], 0≤t≤T,
где
пp2
пр1
г1
ω=ω-ω - вторая промежуточная (разностная) частота;
пр1
пр1
г1
ϕ=ϕ-ϕ,
которое поступает на первый вход перемножителя 21.2, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 11.2
г2
г2
г2
г2
u(t)=U⋅cos(ωt+ϕ).
На выходе перемножителя 21.2 образуется напряжение
2
2
г1
к1
г1
c1
u(t)=U⋅cos[ωt-ϕ(t)+ϕ], 0≤t≤T;
где
которое выделяется полосовым фильтром 22.2 и поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 23.2, на второй (опорный) вход которого подается напряжение гетеродина 18.2
г1
г1
г1
г1
u(t)=U⋅cos(ω+ϕ).
В результате синхронного детектирования на выходе фазового детектора 23.2 образуется низкочастотное напряжение
н1
н1
k1
с1
u(t)=U⋅cos ϕ(t), 0≤t≤T,
где
1
пропорциональное модулирующему коду M(t). Это напряжение поступает на исполнительные органы модуля 4 доставки.
Полученные видеоизображения сельскохозяйственных культур с помощью модуля 4 передают по радиоканалу в лабораторно-управляющий комплекс 1.
Для этого задающим генератором 8.2 формируют гармоническое колебание
c2
c2
c
с2
c2
u(t)=U⋅cos(ωt+ϕ), 0≤t≤T,
2
2
которое поступает на первый вход фазового манипулятора 10.2, на второй вход которого подается модулирующий код M(t) с выхода источника 9.2 дискретных сообщений. В качестве модулирующего кода M(t) могут быть оценка состава почвы возделываемого угодья и ее продукционный потенциал, состояние развития сельскохозяйственных культур.
На выходе фазового манипулятора 10.2 формируется сложный ФМн сигнал
3
3
c
к2
с2
c2
u(t)=U⋅cos[ωt+ϕ(t)+ϕ], 0≤t≤T,
к2
2
где ϕ(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), который поступает на первый вход смесителя 12.2. На второй вход последнего подается напряжение гетеродина 11.2
г2
г2
г2
г2
u(t)=U⋅cos(ωt+ϕ).
На выходе смесителя 12.2 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 13.2 выделяется напряжение третьей промежуточной (разностной) частоты
пр3
пp3
пр3
к2
пр3
c2
u(t)=U⋅cos[ωt-ϕ(t)+ϕ], 0≤t≤T,
где
пр3
г2
с
ω=ω-ω - третья промежуточная (разностная) частота;
пр3
г2
с2
ϕ=ϕ-ϕ,
2
пр3
которое после усиления в усилителе 14.2 мощности через дуплексер 15.2 поступает в приемопередающую антенну 16.2, излучаются ею в эфир на частоте ω=ω, улавливается приемопередающей антенной 16.1 и через дуплексер 15.1 и усилитель 17.1 мощности поступает на первый вход смесителя 19.1, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 18.1
г2
г2
г2
г2
u(t)=U⋅cos(ωt+ϕ).
На выходе смесителя 19.1 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 20.1 выделяется напряжение второй промежуточной (разностной) частоты
пp4
пp4
пp2
к2
пр4
c2
u(t)=U⋅cos[ωt+ϕ(t)+ϕ], 0≤t≤T,
где
пр2
г2
пр3
ω=ω-ω - вторая промежуточная (разностная) частота;
пр4
г2
пр3
ϕ=ϕ-ϕ,
г1
которое поступает на первый вход перемножителя 21.1, на второй вход которого подается напряжение u(t) гетеродина 11.1. На выходе перемножителя 21.1 образуется напряжение
4
4
г2
к2
4
c2
u(t)=U⋅cos[ωt+ϕ(t)+ϕ], 0≤t≤T,
где
г2
которое выделяется полосовым фильтром 22.1 и поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 23.1, на второй (опорный) которого подается напряжение U(t) гетеродина 18.1. В результате синхронного детектирования на выходе фазового детектора 23.1 образуется низкочастотное напряжение
н2
н2
k2
c2
u(t)=U⋅cos ϕ(t), 0≤t≤T;
где
2
пропорциональное модулирующему коду M(t). Это напряжение с выхода модема 1.1 поступает в лабораторно-управляющий комплекс 1, где по видеоизображениям сельскохозяйственных культур сравнивают различные участки возделываемого угодья 3 и по результатам сравнения видеоизображений в цифровом виде возделываемое угодье разбивают на участки 7, однородные по составу почвы и ее продукционному потенциалу.
На основе результатов лабораторного анализа развития сельскохозяйственных культур, химического и минерального состава почвы для каждого депрессивного участка 7 вырабатывают и осуществляют техногенные воздействия на сельскохозяйственные культуры и почву для повышения продуктивности сельскохозяйственных культур возделываемого угодья 3 на депрессивных участках 7 с использованием модемов 1.1 и 1.2.
г1
г2
При этом частоты ω и ω гетеродинов разнесены на значение второй промежуточной частоты
г2
г2
пр2
ω-ω=ω.
Аналогичную дуплексную радиосвязь устанавливают между лабораторно-управляющим комплексом 1 и исполнительным рабочим агрегатом 6 реализации агропроцессов, между модулем 4 доставки фрагментов сельскохозяйственных культур и рабочим агрегатом 6 реализации агропроцессов.
Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают повышение эффективности управления процессами возделывания сельскохозяйственных культур. Это достигается за счет использования в качестве средств инфокоммуникационной связи модемов дуплексной радиосвязи с применением двух частот и сложных сигналов с фазовой манипуляцией.
Сложные ФМн сигналы обладают высокой помехоустойчивостью, энергетической и структурной скрытностью.
Энергетическая скрытность данных сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени и по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный ФМн сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного ФМн сигнала отнюдь не мала. Она просто распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.
Структурная скрытность сложных ФМн сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных ФМн сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемников модемов.