Беспилотный авиационный робототехнический комплекс для внесения пестицидов
UNMANNED AERIAL ROBOTIC COMPLEX FOR PESTICIDE APPLICATION

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности, к беспилотным авиационным комплексам для внесения пестицидов, удобрений и других агрохимикатов беспилотными летательными аппаратами.
Известен беспилотный авиационный комплекс безаэродромного базирования, содержащий мобильную платформу со средствами для фиксации и расфиксации, например, колесную, на которой смонтирована энергетическая установка с разъемным механизмом передачи вращающего момента на движитель вертикальной тяги беспилотного летательного аппарата, средство для его фиксации и расфиксации, система управления и беспилотный летательный аппарат (БЛА), включающий корпус, шасси, двигатель, движитель горизонтальной тяги, соединенный кинематически с двигателем, руль направления полета, топливные баки, полезную нагрузку и механизмы управления, при этом БЛА выполнен по типу автожира, который транспортируется и осуществляет взлет с мобильной платформы, на которой дополнительно смонтированы системы диагностики систем автожира и запуска двигателя автожира, механизм передачи вращающего момента непосредственно на вал ротора автожира и с прыжковым взлетом (Патент RU № 134150, МПК B62C 27/ 00 2013).
Недостатком известного комплекса является то, что он не обеспечивает внесение пестицидов, удобрений и других агрохимикатов, что сужает его технологические возможности, а также наличие вспомогательных операций по установке БЛА на мобильную платформу и подготовку его к работе, заправка топливом посредством обслуживающего персонала, что снижает производительность технологических операций по мониторингу объектов.
Известен робототехнический комплекс для автоматизированной авиационной химической обработки растений и способ его применения, содержащий, по крайней мере, хотя бы один дрон-опрыскиватель, выполненный в виде малогабаритного автоматического беспилотного летательного аппарата с вертикальным взлетом и посадкой, например, многовинтового летательного аппарата - мультикоптера, и, по крайней мере, хотя бы один сервисный наземный мобильный робот, при этом дрон-опрыскиватель дополнительно оснащен опрыскивающим оборудованием, сенсорами внутренней и внешней среды, вычислительными средствами, средствами навигации, ориентации и связи, энергоустановкой и средствами для хранения носителя энергии и химических материалов, устройством сопряжения с сервисным роботом, а сервисный робот, выполненный в виде подвижной транспортной платформы, оснащенный теми же средствами, дополнительно снабжен средствами для хранения и передачи носителей энергии, приготовления, хранения и передачи химических материалов, площадками для хранения и транспортировки, взлета и посадки дронов-опрыскивателей (Патент RU 2586142, МПК А01М 7/00, 2015).
Недостатком известного устройства является то, что в сервисном наземном роботе средства хранения, приготовления и передачи химических материалов не взаимосвязаны между собой и их системы управления работой не комплексированы с вычислительным средством наземного робота, что снижает эффективность его работы, и как следствие, эффективность выполнения технологического процесса обработки растений пестицидами с помощью БЛА, к тому же имеет место низкая производительность выполнения технологического процесса обработки растений пестицидами вследствие малой полезной нагрузки малогабаритного БЛА и его узкозахватного опрыскивающего оборудования.
Технической задачей изобретения является повышение эффективности и производительности внесения пестицидов, удобрений и других агрохимикатов беспилотными летательными аппаратами.
согласно изобретению
Поставленная техническая задача достигается тем, что у беспилотного авиационного робототехнического комплекса для внесения пестицидов, удобрений и других агрохимикатов, содержащего роботизированную транспортно-технологическую платформу, включающую колесную ходовую часть, корпус в виде платформы, систему автономного электропитания, систему управления и навигации, систему технического зрения, систему размещения и подачи рабочих жидкостей, систему размещения и подачи топлива, взлетно-посадочную платформу, беспилотный летательный аппарат вертолетного типа с бортовой системой автоматического управления и технологическим модулем полезной нагрузки, , взлетно-посадочная платформа выполнена горизонтальной, подвижной по вертикали, самовыравнивающейся и снабжена предпочтительно четырьмя телескопическими подъемными механизмами с электромеханическим приводом, подсоединенными к платформе по углам снизу, установленными сверху электронными датчиками уровня горизонтального положения платформы, лазерными инфракрасными маяками, размещенными по краям платформы по осям ее симметрии, автоматическими заправочными устройствами рабочей жидкостью и топливом, размещенными на продольной оси симметрии взлетно-посадочной платформы, при этом заправочные устройства снабжены вертикальными штангами с механизмами автоматического выпуска - уборки, соединенными с одной стороны с заправочными конусными топливными головками, а с другой стороны - с гибкими трубопроводами для подачи рабочих жидкостей и топлива, причем соединение конусных головок с конусами баков для рабочей жидкости и топлива автоматическое быстроразъемное, а панель солнечной батареи системы автономного электропитания выполнена в виде сферической поверхности, усеченной на одну четвертую часть и обращенную плоским элементом вниз.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 показан вид сбоку беспилотного авиационного комплекса для внесения пестицидов и удобрений; на фиг.2 - то же, вид сверху.
Беспилотный авиационный робототехнический комплекс для внесения пестицидов, удобрений и других агрохимикатов содержит роботизированную транспортно-технологическую платформу 1, включающую колесную ходовую часть 2 с направляющими передними 3 и ведущими задними 4 колесами с приводом от электромоторов 5, корпус 6, в виде несущей платформы, системы автономного электропитания, управления и навигации, технического зрения, размещения и подачи рабочих жидкостей, размещения и подачи топлива, взлетно-посадочную платформу 7, беспилотный летательный аппарат вертолетного типа 8 с бортовой системой автоматического управления и технологическим модулем 9 полезной нагрузки.
Система автономного электропитания содержит блок бортовых аккумуляторных батарей 10 и солнечную батарею 11 с панелью, выполненной в виде сферической поверхности 12 с множеством объединенных фотоэлементов, усеченную на одну четвертую часть и обращенную плоским элементом 13 вниз. Форма панели в виде поверхности шара имеет больший коэффициент преобразования солнечной энергии в период естественного освещения времени суток и большую выходную мощность.
Система управления и навигации содержит бортовой компьютер 14, блок управления электроприводами шасси 15, модуль интегрированной навигационной системы, включающий блок 16 инерциальной навигационной системы в виде инерциальных датчиков (гироскопов и акселерометров), размещенный ближе к центру масс роботизированной платформы 1 и объединенный с блоком спутниковой навигационной системы в виде приемника ГЛОНАС/ GPS 17 c антенной 18, установленной сверху панели солнечной батареи 11 на телескопической подъемной мачте 19 по вертикальной оси n-n с электромеханическим приводом 20. Установка антенны 18 на телескопической подъемной мачте 19 сверху панели солнечной батареи 11 по вертикальной оси n-n обеспечивает максимальный обзор верхней полусферы небосвода.
Система технического зрения для пространственной ориентации роботизированной транспортно-технологической платформы 1 включает трехмерный сканирующий лазерный оптический дальномер 21 в виде лазерного передатчика и электрооптического приемника, комплексированный с модулем интегрированной навигационной системы и подсоединенный посредством интерфейса к бортовому компьютеру 14.
Система размещения и подачи рабочих жидкостей содержит блок 22 автоматического управления приготовлением, дозированием и подачей рабочей жидкости к технологическому модулю полезной нагрузки БЛА, бак 23 для технической воды, миксер 24 для приготовления рабочей жидкости пестицидов, рабочих растворов жидких минеральных удобрений и других агрохимикатов, кассетные емкости 25 для пестицидов, жидких минеральных удобрений и агрохимикатов, бак 26 для рабочих жидкостей, насос 27 с электроприводом, блок 28 запорных, регулирующих, дозирующих цифровых электрогидравлических клапанов, гидролинию 29.
Система размещения и подачи топлива содержит топливозаправочный модуль с блоком 30 дистанционного управления подачей топлива, топливным баком 31, насосом 32 с электроприводом и топливопроводом 33.
Взлетно-посадочная платформа 7 размещена на транспортно-технологической платформе 1 и выполнена в виде горизонтальной плоскости, подвижной по вертикали, автоматически самовыравнивающейся. Она снабжена, предпочтительно, четырьмя телескопическими подъемными механизмами 34 с электромеханическим приводом 35, подсоединенными к ней по углам снизу, электронными датчиками уровня 36 горизонтального положения взлетно-посадочной платформы 7, установленными сверху лазерными инфракрасными маяками 37, размещенными по краям платформы 7 по осям ее симметрии a-a и b-b и соединенными линиями связи с бортовым компьютером 14 роботизированной платформы 7, автоматическими заправочными устройствами 38 и 39, размещенными на продольной оси симметрии b-b платформы 7. Такая конструкция взлетно-посадочной платформы 7 обеспечивает ее горизонтальное позиционирование, независимо от положения транспортно-технологической  платформы 1.
Система заправки БЛА 8 рабочей жидкостью пестицидов и топливом содержит автоматические заправочные устройства 38 и 39, включающие вертикальные штанги 40 и 41 с механизмами автоматического выпуска - уборки 42 и 43 и соединенными с одной стороны с заправочными конусными головками 44 и 45, а с другой стороны с гидролинией подачи рабочей жидкости 29 и топливопроводом 33, соответственно. Соединение конусных топливных головок 44 и 45 с конусами 46 и 47 баков 48 и 49 с датчиками уровня для рабочей жидкости и топлива БЛА 8 автоматическое быстроразъемное.
Беспилотный летательный аппарат 8 выполнен по соосной схеме и содержит два несущих винта 50, смонтированных на валах главного редуктора, силовую установку с двигателем 51, фюзеляж 52, хвостовую балку 53, оперение 54 и шасси 55.
Бортовая система автоматического управления БЛА 8 содержит бортовой компьютер с модулями программного обеспечения управления бортовыми системами и программного обеспечения управления работой полезной нагрузки, интегрированную навигационную систему, блоки управления бортовым оборудованием, исполнительными механизмами, работой технологического модуля 9 полезной нагрузки, модули датчиков состояния органов управления, датчиков внешней среды, измерения высоты полета.
Технологический модуль 9 полезной нагрузки БЛА 8 содержит бортовую видеокамеру 56 на гиростабилизированной платформе, опрыскивающую штангу 57 с распылителями 58, бак для рабочей жидкости 48 с заправочным конусом 46 и датчиком уровня рабочей жидкости, блок регулирования и подачи рабочей жидкости из бака 48 к распылителям 58 штанги 57.
Беспилотный авиационный робототехнический комплекс для внесения пестицидов, удобрений и других агрохимикатов работает следующим образом.
Перед началом работы в бортовой компьютер 14 вводят электронную карту - задание на проведение технологического процесса, в которой указывают маршруты движения робототехнического комплекса к сельскохозяйственному полю, от одного поля к другому, координаты реперных точек установки роботизированной платформы на краю каждого сельскохозяйственного поля, подлежащего обработке пестицидами, удобрениями и другими агрохимикатами.
В центральный процессор бортового компьютера БЛА 8 загружают полетное задание, отображающее в электронном виде координаты центра взлетно-посадочной платформы 7 робототехнического комплекса, координаты начала обработки сельскохозяйственного поля, траекторию полета, координаты точек разворота для захода на другой гон, координаты начала и конца обработки каждого элементарного участка сельскохозяйственного поля, рабочую высоту полета, норму внесения рабочей жидкости пестицидов, растворов жидких минеральных удобрений и других агрохимикатов.
В соответствии с электронной картой - заданием на внесение пестицидов компьютер 14 роботизированной транспортно-технологической платформы 1 рассчитывает общую площадь элементарных участков агроценозов, требующих обработки гербицидами, инсектицидами, фунгицидами и, например, некорневой подкормки азотными удобрениями, с учетом норм внесения пестицидов и доз азотных удобрений, определяет необходимое количество вносимых пестицидов, удобрений или других агрохимикатов. В бортовой компьютер 14 вводят программу и режимы приготовления рабочих растворов пестицидов, агрохимикатов или раствора азотного удобрения с заданной концентрацией действующего вещества каждого вида пестицида, агрохимиката или азотного удобрения.
В бак 23 заливают техническую воду, в соответствии с картой-заданием на обработку сельскохозяйственных полей, кассетные емкости 25 заполняют необходимым количеством гербицидов, инсектицидов, фунгицидов, жидких минеральных удобрений или других агрохимикатов. В топливные баки 31 и 49 заливают топливо.
По сигналам от компьютера 14 включается система автономного электропитания и от солнечной батареи 11 и происходит подзарядка блока аккумуляторных батарей 10. От аккумуляторных батарей 10 электропитание подается к системам управления и навигации, технического зрения, блоку 22 автоматического управления приготовлением, дозированием и подачей рабочей жидкости, блоку 30 дистанционного управления подачей топлива, электромеханическим приводам 20, 35, 42, 43, датчикам 36 и лазерным инфракрасным маякам 37 взлетно-посадочной площадки 7. Включается механизм привода 20, телескопическая подъемная мачта 19 выдвигается и антенна ГЛОНАС/GPS 18 устанавливается на заданную высоту.
В соответствии с электронной картой - заданием, введенной в бортовой компьютер 14 и по сигналу от компьютера 14 через блок управления электроприводами шасси 15 включаются электроприводные электромоторы 5. Роботизированная платформа 1 начинает движение по запрограммированному маршруту к сельскохозяйственному полю.
Интегрированная навигационная система посредством приемника GPS/ГЛОНАСС 17 принимает сигналы от глобальной спутниковой навигационной системы, вычисляет координаты местоположения платформы 1 в каждый момент времени и с помощью блока инерциальной навигационной системы 16 регистрирует, обрабатывает текущие значения линейных и угловых ускорений, передает комплексную информацию в компьютер 14 о позиционировании и динамике движения транспортно-технологической платформе 1.
Функцию управления автономным движением платформы 1 по заданному маршруту выполняет бортовой компьютер 14. Лазерный оптический дальномер 21 осуществляет наблюдение за пространством по пути движения платформы 1, определяет незапрограммированные препятствия и передает информацию в компьютер 14 для изменения траектории движения или остановки платформы 1. По данным координат, получаемых от приемника GPS/ГЛОНАСС 17, транспортно-технологическая платформа 1 устанавливается на исходную точку, отображающую координаты взлета и посадки БЛА 8. По сигналу от компьютера 14 включаются электромеханические приводы 35 подъемных механизмов 34, посредством которых происходит подъем платформы 7 взлетно-посадочной площадки на заданную высоту. Датчики 36 передают информацию в компьютер о горизонтальном позиционировании платформы 7. В случае отклонения платформы 7 от горизонтального положения по сигналу от компьютера 14 посредством подъемных механизмов 34 производится выравнивание ее. Компьютер 14 дает сигнал на механизмы автоматического выпуска - уборки 42 и 43 штанг 40 и 41, которые поднимаются и заправочными конусными топливными головками 44, 45 входят в сопряжение с заправочными конусами 46, 47 баков 48, 49, соответственно. Включаются насосы 27 и 32. В соответствии с картой - заданием на обработку сельскохозяйственного поля из одной из кассетных емкостей 25 пестицид (гербицид, инсектицид или фунгицид) или жидкое минеральное удобрение (азотное) или другой агрохимикат насосом 27 закачивается в миксер 24 через блок 28 в заданном количестве. Насос 27 переключается на подачу технической воды из бака 23 в миксер 24, заполняя его до нужного объема, одновременно перемешивая рабочую жидкость. Далее насос 27 посредством блока 28 переключается на подачу рабочей жидкости в бак 26. Из бака 26 рабочая жидкость подается по гидролинии 29 к заправочной конусной топливной головке 45, заполняя при этом бак 49 рабочей жидкостью.
Одновременно насосом 32 с электроприводом подается топливо из топливного бака 31 по топливопроводу 33 к конусной топливной головке 44 и заполняет топливный бак 48 БЛА 8. После заправки баков 48, 49 от датчиков уровня топлива в баках 48 и 49 подается сигнал на компьютер 14, который дает сигнал на механизмы автоматического выпуска - уборки 42 и 43, штанги 40 и 41 опускаются, и заправочные конусные топливные головки 44, 45 выходят из сопряжения с заправочными конусами 46, 47 баков 48, 49 соответственно.
По сигналу от бортового компьютера системы автоматического управления полетом БЛА 8 запускается двигатель 51 силовой установки, производится раскрутка несущих винтов 50, двигатель 51 переводится во взлетный режим, бортовой компьютер передает управляющие сигналы в блоки системы управления бортовым оборудованием и автоматического управления исполнительными механизмами. Производится вертикальный взлет БЛА 8 и его подлет к точке стартовых координат начала обработки. Координаты, определяемые интегрированной навигационной системой, сравниваются с заданными координатами, введенными в программу траекторного полета. Модуль датчиков внешней среды передает информацию в бортовой компьютер о параметрах внешней среды (скорости и направлении ветра, атмосферном давлении, температуре и влажности воздуха). Модуль измерения высоты полета компьютера передает текущее значение высоты полета БЛА 8. При достижении штангой 57 БЛА 8 координат начала обработки сельскохозяйственного поля пестицидами или внесения раствора жидкого азотного удобрения при внекорневой подкормке сельскохозяйственных культур или внесении других агрохимикатов бортовой компьютер БЛА 8 передает управляющие сигналы на включение в работу технологического модуля 9 полезной нагрузки. Распылители 58 штаги 57 автоматически открываются на заданную норму внесения, рабочая жидкость диспергируется на обрабатываемые растения сельскохозяйственного поля.
При израсходовании запаса рабочей жидкости датчик уровня жидкости в баке 48 передает сигнал в бортовой компьютер, который посредством инерциальной навигационной системы фиксирует координаты прекращения внесения рабочей жидкости и передает сигнал в бортовую систему автоматического управления БЛА 8 для изменения траектории полета и направляет БЛА 8  к транспортно-технологической платформе 1 для заправки бака 49 рабочей жидкостью и при необходимости пополнения бака 48 топливом. При заходе БЛА 8 на автоматическую посадку на взлетно-посадочную платформу 7 бортовой компьютер при помощи алгоритмов технического зрения обрабатывает последовательность информационных параметров, получаемых с видеокамеры 56, содержащих данные оптических инфракрасных маяков 37 платформы 7. Бортовой компьютер обрабатывает полученные данные и в результате получает данные об углах крена, тангажа и высоте БЛА 8 и отправляет управляющие сигналы в бортовую систему автоматического управления для обеспечения заданной точности посадки БЛА 8 на платформу 7. После посадки БЛА 8 на взлетно-посадочную платформу 7 происходит заправка баков 49 и 48 рабочей жидкостью и топливом, после чего БЛА 8 взлетает и направляется к координатам, отображающим прерывание процесса внесения рабочей жидкости и с которых БЛА 8 продолжает обработку полей пестицидами или внесение жидких минеральных удобрений и других агрохимикатов.
Применение беспилотного авиационного робототехнического комплекса для внесения пестицидов, удобрений и других агрохимикатов обеспечит повышение эффективности и увеличение производительности выполнения технологического процесса, ликвидирует потери пестицидов, уменьшает риски загрязнения окружающей среды до предельно допустимых концентраций.