Многофункциональная беспилотная летающая система для опрыскивания растений в труднодоступных местах
MULTIFUNCTIONAL UNMANNED AERIAL SYSTEM FOR SPRAYING PLANTS IN HARD-TO-REACH PLACES

Изобретение относится к области сельскохозяйственного машиностроения, в частности к конструкциям устройств для внесения жидких средств защиты растений беспилотными летательными аппаратами вертикального взлета и посадки.
В настоящее время особую популярность приобрели мелкозернистые сельскохозяйственные культуры, такие как киноа, амарант и чиа за счет своей высокой питательной ценности. Эти культуры произрастают в основном на склонах гор, имеющих сложный рельеф и под них занимают небольшие площади полей, насколько позволяет рельеф местности. Для обработки этих растений наземные опрыскивающие устройства трудно использовать.
Также, следует отметить, что в связи с увеличением использования химических препаратов в растениеводстве актуальными становятся экологически чистые методы стимулирования роста и развития растений, а также уничтожение сорняков. К ним относятся, в том числе, электрофизические методы, в частности использование электроактивированной воды.
Кроме того, из источников интернет ресурсов известно, что при поливе электроактивированной водой уменьшается ее расход по сравнению с поливом обычной водопроводной водой, при прочих равных условиях (file:///C:/Users/Администратор/Downloads/22811-53060-1-PB.pdf).
Известен проточный электроактиватор воды, включающий коаксиально расположенные положительно и отрицательно заряженные электроды, полупроницаемую диафрагму между ними, наружный электрод, выполняющий функцию корпуса, имеет форму полого цилиндра с присоединительными резьбовыми наконечниками, устанавливаемыми в резьбовых выточках подводящего и отводящего трубопроводов, а установленный внутри электрод состоит из стержня с лопастями, установленными по винтовой линии левосторонней направленности, при этом лопасти закреплены к стержню ступенчато, а стержень электрода имеет входную коническую направляющую и сужающийся выходной конус, а установленный внутри электрод и полупроницаемая диафрагма размещены внутри наружного электрода с возможностью монтажа-демонтажа, в резьбовой выточке подводящего трубопровода установлены контактная и пружинная шайбы, имеющие электрический контакт с помощью пружинных амортизаторов с установленным внутри электродом, контактная шайба зафиксирована в резьбовой проточке с помощью стопорного болта и изолирована от наружного электрода диэлектрической прокладкой, а пружинная шайба зафиксирована в проточке контактной шайбы амортизаторами, подвод электрического потенциала к установленному внутри электроду осуществляется с помощью контактной и пружинной шайб через клемму, а к наружному электроду-через клемму, закрепленную на внешней поверхности наружного электрода, потенциал электродов может изменяться с помощью переключателя потенциалов, подводящий и отводящий трубопроводы выполнены из диэлектрического материала, а электроды из нержавеющей стали, стойкой к электрохимической коррозии (патент РФ №2449952, кл. C02F 1/46, 2012 г.).
Известен опрыскиватель для обработки сельскохозяйственных культур электроактивированной водой, представляющий собой мобильный агрегат, включающий базовый трактор, штангу с распылителями, резервуар рабочей жидкости, насос с приводом от вала отбора мощности, генератор постоянного тока, установленный на тракторе и получающий привод вращения от вала отбора мощности через редуктор, установку для электроактивации воды, гидравлически связанную посредством насоса с резервуаром для рабочей жидкости и трубопроводом с распылителями, отличающийся тем, что установка для электроактивации воды выполнена проточной, с возможностью получения положительного и отрицательного потенциала и состоит из двух электродов, наружного, выполненного из нержавеющей стали в виде отрезка трубы, имеющего на одном конце присоединительный фланец, а на другом резьбовой присоединительный наконечник, и внутреннего электрода (патент РФ №2485773, кл. А01М 7/00, 2013 г.).
Недостатком известных технических решений является трудность использования их в предгорной или в горной местности.
Также известен беспилотный летающий опрыскиватель вертикального взлета и посадки, содержащий моторы, несущие винты, раму, опрыскивающее оборудование, состоящее из резервуара для жидкости, расположенного в верхней части рамы, электромагнитного клапана, форсунок, по периметру рамы закреплены лучи трубчатого профиля, на консольных участках которых распложены моторы и несущие винты, отличающийся тем, что рама имеет две пластины, между которыми расположены стойки, выполненные в виде телескопических труб, внутри которых расположены пружины, а резервуар для жидкости выполнен из эластичного материала и размещен между пластинами, при этом лучи трубчатого профиля с одной стороны соединены с резервуаром для жидкости, а с другой стороны - с форсунками (патент №194376, кл. B64D 1/18; 27/08 - прототип).
Достоинством прототипа является увеличение времени при прочих равных условиях, за счет уменьшения лобового сопротивления, что экономит расход электроэнергии аккумулятора, но отсутствует возможность полива разной фракции (католит и анолит) электроактивированной водой в реальном времени.
Кроме того, для заправки беспилотного летающего опрыскивателя электроактивированной водой для обработки растений требуется оборудование для получения этой воды и обслуживающий персонал, также отсутствует возможность одновременной заправки двух фракций воды: католита для стимулирования роста растений и анолита для уничтожения сорняков, а также использование жидких добавок для синергетического усиления действия католита или анолита
Для обработки растений на полях опрыскиватель заправляют католитом, а для уничтожения сорняков, произрастающих на обочинах по периметру полей, опрыскивателю необходимо вернуться на базу и заправиться анолитом, на что затрачивается время и расход электроэнергии аккумулятора.
Техническим результатом изобретения является расширение технологических возможностей, сокращение энергетических и трудовых затрат.
Технический результат достигается тем, что в многофункциональной беспилотной летающей системе для опрыскивания растений в труднодоступных местах, содержащей раму по периметру которой, закреплены лучи трубчатого профиля с моторами и несущими винтами расположенные на их консольных участках, опрыскивающее оборудование включающее резервуар для жидкости из эластичного материала и установленного между двумя пластинами на верхней части рамы, стойки в виде телескопических труб с внутренними пружинами расположенные между двумя пластинами, между которыми также расположен резервуар для жидкости, форсунки на консольных участках лучей трубчатого профиля, электромагнитный клапан на выходном отверстии резервуара для жидкости, блок управления и энергетическую установку установленные на раме, согласно изобретению опрыскивающее оборудование имеет установленный под резервуаром для жидкости соосно оси его центра тяжести и сообщенный с полостью резервуара для жидкости через электромагнитный клапан проточный электроактиватор воды, включающий коаксиально расположенные относительно друг друга внешний отрицательно заряженный электрод, выполняющий функцию корпуса в виде полого цилиндра закрученного по форме логарифмической спирали Архимеда, который с торцов снабжен соосно расположенными относительно друг друга входным и выходным патрубками, полупроницаемую диафрагму и внутренний положительно заряженный электрод в виде изогнутого конгруэнтно форме полого цилиндра стержня с лопастями, установленными по винтовой линии левосторонней направленности, контактную и пружинную шайбы с клеммой, которые использованы для подвода электрического тока к положительно заряженному электроду, а для подвода электрического тока к внешнему отрицательно заряженному электроду использована клемма, закрепленная на внешней поверхности этого электрода, при этом под проточным электроактиватором соосно центру тяжести системы установлен для рабочего раствора дополнительный резервуар с входными и выходным отверстиями, с объемом равным  объема основного резервуара для воды и с площадью поверхности дна равного площади поверхности пластин, которые выполнены полыми и для сообщения с дополнительным резервуаром они снабжены выходными патрубками с дозаторами для жидкостных добавок и электрически соединенные с блоком управления; для распределения жидкости по форсункам выходное отверстие дополнительного резервуара оснащено дополнительным электромагнитным клапаном с многоканальным распределителем жидкости с насосом, в качестве электромагнитных клапанов использованы нормально закрытые для жидкости электромагнитные клапаны автоматического действия, при этом блок управления выполнен в виде дистанционно управляемого контролера, обеспечивающего переключение полярности электродов, подключение энергетической установки к электромагнитным клапанам и функционирование дозаторов.
Новизна заявляемого предложения обусловлена тем, что по сравнению с известными техническими решениями обеспечивается возможность полива в труднодоступных местах разными рабочими растворами как экологически чистыми методами стимулирования роста растений или уничтожения сорняков, используя как разные фракции воды католит или анолит, так и химических препаратов с использованием в смеси с ними.
По данным научно-технической и патентной литературы не обнаружена аналогичная заявляемой совокупность признаков, позволяющая получить технический результат, который ранее не достигался известными средствами, что позволяет судить об изобретательском уровне заявляемого предложения.
Предлагаемое устройство работоспособно и может быть использовано для внесения жидких средств защиты растений беспилотными летательными аппаратами вертикального взлета и посадки, что соответствует критерию «промышленная применимость».
Сущность изобретения поясняется чертежами: на фиг. 1 - приведена функциональная блок-схема многофункциональной беспилотной летающей системы для опрыскивания растений в труднодоступных местах; на фиг. 2 - схематично изображен проточный электроактиватор воды в аксонометрии (в растянутом виде).
На графических материалах для большей ясности представлены только те детали, которые необходимы для понимания сущности технического решения, а сопутствующие элементы, хорошо известные специалистам в данной области, не представлены.
Многофункциональная беспилотная летающая система для опрыскивания растений в труднодоступных местах включает раму 1 по периметру которой, закреплены лучи 2 трубчатого профиля с моторами 3 и несущими винтами 4 расположенные на их консольных участках. На верхней части рамы 1 установлено опрыскивающее оборудование, которое состоит из резервуара 5 для жидкости из эластичного материала и расположенного между двумя пластинами 6 и 7 на верхней части рамы 1, стоек 8 (фиг. 1) в виде телескопических труб с внутренними пружинами (на рисунке не показано) расположенные между двумя пластинами 6 и 7, между которыми также установлен резервуар 5 для жидкости с горловиной 9 и обратным клапаном 10, форсунок 11 на консольных участках лучей трубчатого профиля и электромагнитного клапана 12 на выходном отверстии резервуара 5 для жидкости. Для предотвращения повторного опрыскивания уже обработанной поверхности растений, форсунки 11 расположены не под всеми несущими винтами 4, образуют ряд в виде дуги. Опрыскивающее оборудование имеет установленный под нижней пластиной 7 резервуара 5 для жидкости соосно оси его центра тяжести и сообщенный с его полостью через электромагнитный клапан 12 проточный электроактиватор воды. Он включает коаксиально расположенные относительно друг друга внешний отрицательно заряженный электрод 13 выполняющий функцию корпуса в виде полого цилиндра закрученного по форме логарифмической спирали Архимеда, который с торцов снабжен соосно расположенными друг другу входным патрубком 14 и выходным патрубком 15, полупроницаемую перегородку (на рисунке не показана) и внутренний положительно заряженный электрод 16 в виде изогнутого конгруэнтно форме полого цилиндра с лопастями 17, установленными по винтовой линии левосторонней направленности. Такое выполнение электродов в виде формы логарифмической спирали Архимеда, обеспечивает компактность конструкции в плане поперечного сечения опрыскивающего оборудования, что не значительно влияет на лобовое сопротивление, а также увеличивает площадь контакта молекул воды с электродами, что положительно влияет на качество и производительность электролиза. Соосное расположение друг другу входного патрубка 14 и выходного патрубка 15 предназначено для обеспечения равновесия системы. Внутренний положительно заряженный электрод 16 имеет контактную и пружинную шайбы (на рисунке не показаны) с клеммой 18, которая использована для подвода электрического тока, а для подвода электрического тока к внешнему отрицательно заряженному электроду 13 использована клемма 19, закрепленная на внешней поверхности цилиндра, выполняющего функцию отрицательно заряженного электрода 13. Под проточным электроактиватором соосно центру тяжести системы для обеспечения равновесия установлен для рабочего раствора дополнительный резервуар 20 с входными 21, 22 и 23 и выходным 24 отверстиями, с объемом равным  объема основного резервуара 5 для воды и с площадью дна равного площади поверхности пластины 7. Входное отверстие 21 дополнительного резервуара предназначено для расположения в нем выходного патрубка 15 проточного электроактиватора. Пластины 6 и 7 выполнены полыми и снабжены выходными патрубками 25 и 26 для сообщения с дополнительным резервуаром 20 через его входные отверстия 22 и 23. Выходные патрубки 25 и 26 имеют дозаторы 27 и 28 для жидкостных добавок и электрически соединены с блоком управления 29 закрепленного на раме 1. На раме также установлена энергетическая установка 30, в качестве которой, может быть использован как аккумулятор, так и преимущественно гибридный источник энергии (бензиновый двигатель и аккумулятор). Полости пластин 6 и 7 предназначены для образования малых емкостей, с целью размещения в них жидкостных добавок, которые в малых количествах добавляют к фракциям воды, полученные в результате электролиза, например при использовании биостимулирующей добавки «Мелафен», ее добавляют в количестве 2,5 мл на 100 л воды, а гербицид - 4 мл на литр анолита.
Выполнение дополнительного резервуара 20 с объемом равным  объема основного резервуара 5 для воды и площадью дна равного площади поверхности пластин 6 и 7 исключает повышение веса системы за счет перелива жидкости из одного резервуара в другой, при одном и том же объеме жидкости в системе и выполнение резервуара из пластика. Дополнительный резервуар имеет цилиндрическую форму с высотой равной 1/3 максимальной высоты основного резервуара 5 и вмещает  объема основного резервуара, что мало влияет на лобовое сопротивление системы.
Для распределения жидкости по форсункам 11 выходное отверстие 24 дополнительного резервуара 20 оснащено дополнительным электромагнитным клапаном 31 соединенного с многоканальным распределителем жидкости 32, который имеет насос 33. Для подачи жидкости в форсунки 11 служат трубопроводы 34. В качестве электромагнитных клапанов 12 и 31 использованы нормально закрытые для жидкости электромагнитные клапаны автоматического действия, при этом блок управления 29 выполнен в виде дистанционно управляемого контролера, обеспечивающего переключение полярности электродов, подключение энергетической установки к электромагнитным клапанам и функционирование дозаторов. На фиг. 1 электрическое соединение между элементами системы представлено в виде тонких линий.
Заявляемая многофункциональная беспилотная летающая система для опрыскивания может быть разборной, т.к. все элементы: основной резервуар для жидкости, проточный электроактиватор, дополнительный резервуар для рабочего раствора и многоканальный распределитель жидкости соединены между собой посредством винтового соединения.
Многофункциональная беспилотная летающая система для опрыскивания растений в труднодоступных местах работает следующим образом
Предварительно резервуар 5 заполняют жидкостью - водой, которую подают под давлением через горловину 9 и обратный клапан 10 (фиг. 1). Поскольку резервуар 5 для жидкости выполнен из эластичного материала, то заполняясь водой он увеличивается в объеме и давит на пластины 6 и 7, раздвигая их относительно друг друга. При этом происходит растяжение пружин, размещенных в секциях стоек 8. При заполнении резервуара 5 для жидкости обратный клапан 10 предотвращает вытекание жидкости через горловину 9, а стойки 8 в виде телескопических труб за счет внутренних пружин выдвигаются на наибольшую длину. Далее система с заполненным резервуаром 5, начинает перемещаться по заданной траектории к обрабатываемому полю. В этот момент оператор дистанционно через блок управления 29 открывает электромагнитный клапан 12. Вода из резервуара 5 через входной патрубок 14 и проточный электроактиватор поступает в дополнительный резервуар 20, при этом электромагнитный клапан 31 закрыт.Из резервуара 5 вода поступает во внутрь проточного электроактиватор воды в полость отрицательно заряженного электрода в виде полого цилиндра закрученного по форме логарифмической спирали Архимеда на лопасти 17, где поток воды закручивается. Вода является вязкой и обладает внутренним трением, которое препятствует относительному перемещению ее слоев относительно друг друга, т.е. имеет разную скорость. Первый слой потока воды, который взаимодействует с лопастями 17, имеет меньшую скорость за счет внутреннего трения об эти лопасти, следующий слой потока воды за счет явления переноса импульса движения имеет большую скорость, и так до центра потока скорости слоев потока увеличиваются, а затем скорости слоев потока начинают уменьшаться. Если линейно аппроксимировать на прямолинейные участки периметр спиралеобразного канала (цилиндра), по которому проходит поток воды, то первый слой потока воды ударяется о внешние грани лопастей 17, образуя турбулентное завихрение потока в области внутренних граней этих лопастей. В образованном вращающемся потоке воды под действием центробежных сил он приобретает радиальное движение от центра вращающегося потока к его периферии, стекает по поверхности лопасти и выводится через выходной патрубок 15. Таким образом, за счет выполнения отрицательно заряженного электрода в виде полого цилиндра закрученного по форме логарифмической спирали Архимеда поток воды при взаимодействии с лопастями 17 приобретает вращательное движение, а при сходе с лопастей поток воды завихряется и его турбулентность возрастает, что обеспечивает увеличение точек контакта молекул воды с электродами и повышение коэффициента полезного действия электроактиватора.
В процессе вытекания воды из резервуара 5 пластины 6 и 7 с помощью внутренних пружин стоек 8 сжимают его. Это позволяет обеспечивать силу сжатия пластиной 6 и пластиной 7 резервуара 5 и, как следствие, одинаковое давление на воду, как при заполненном резервуаре 5, так и в последующем по мере уменьшения воды в нем до полного его опорожнения. Во время заполнения дополнительного резервуара 20 за счет дистанционного управления блок управления 29 открывает один из дозаторов и определенное количество жидкостной добавки поступает в дополнительный резервуар 20. Затем оператор подает сигнал на блок управления и электромагнитный клапан 12 закрывается, а электромагнитный клапан 31 открывается и рабочий раствор поступает через многоканальный распределитель жидкости 31 в форсунки 11 с необходимым давлением, создаваемым насосом 32.
После обработки растений беспилотная летающая система возвращается к месту для очередной заправки.
При использовании заявляемого предложения возможны несколько режимов работы:
1. Обработка католитом, для стимулирования роста и развития растений;
2. Обработка анолитом, для уничтожения сорняков и вредителей;
3. Обработка католитом с добавлением ростстимулирующего препарата, для роста и развития растений;
4. Обработка анолитом с добавлением гербицида, для уничтожения сорняков и вредителей;
1-й режим - обработка католитом
Для стимулирования роста растений используют фракцию воды - католит, имеющей отрицательно заряженный потенциал. Для его получения к клемме 19 через блок управления 29 подводится отрицательный потенциал от энергетической установки, а к клемме 18 - положительный потенциал. Дозатор 27 закрыт и к дополнительному резервуару 20 не поступает биостимулирующий препарат. Система может обрабатывать растения только католитом.
В результате катодной обработки вода приобретает щелочную реакцию за счет превращения некоторой части растворенных солей в гидроксиды, при этом католит имеет уровень кислотности в пределах от 8,5 до 10,5 рН. Окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) воды повышается, уменьшается поверхностное натяжение, снижается содержание растворенных кислорода, азота, возрастает концентрация водорода, свободных гидроксильных групп, уменьшается электропроводность, изменяется структура не только гидратных оболочек ионов, но и свободного объема воды.
В результате образования растворимых гидроксидов натрия и калия, повышения вследствие этого водородного показателя рН происходит сдвиг углекислотного равновесия. В электроактивированном растворе образуются суперактивные метастабильные соединения с высокой восстановительной способностью, которые значительно усиливают проявление щелочных и восстановительных свойств католита.
При взаимодействии католита с листостебельной частью растений повышается их биологическая активность и урожайность. При этом повышается окислительно-восстановительный потенциал (ОВП) воды, который может быть доведен до 950 мВ, а водородный показатель до 10,9.
Полив католитом оказывает влияние не только на продуктивность, но и на биохимический состав растений - снижается содержание протеина, клетчатки, Сахаров и влаги, повышается содержание сухого вещества. Более того, в варианте полива растений только католитом экономно осуществляется расход поливной воды - 3,5 г на грамм продукции. Это явление проявляется счет снижения поверхностного натяжения католита, в результате которого связи между молекулами воды ослабевают и растениям легче ее усваивать.
2-й режим - обработка анолитом
Для обработки сорняков используют анолит, имеющий положительно заряженный потенциал. Для его получения к клемме 19 через блок управления подводится положительный потенциал от энергетической установки, а к клемме 18 - отрицательный потенциал. Дозатор 28 закрыт и к дополнительному резервуару 20 не поступает гербицид. Система обрабатывает сорняки только анолитом.
При этом поток воды обтекает лопасти 17 внутреннего электрода 16 и приобретает вращательное и вихревое движение, что приводит к повышению ее биологической активности. В то же время положительный электрический потенциал от внутреннего электрода через стержень 15 и лопасти 17 передается потоку воды, которая приобретает положительный ОВП. При этом уменьшается величина водородного показателя рН.
Вода с положительным окислительно-восстановительным потенциалом и пониженным рН от 2,5 до 3,5, имеет сильные бактерицидные свойства, обеспечивающие уничтожение сорняков и вредителей.
3-й режим - обработка католитом с биостимулирующим препаратом
Дозатор 27 открывают и через патрубок 25 в дополнительный резервуар 20 поступает биостимулирующий препарат. Система обрабатывает растения смесью католита с биостимулирующим препаратом.
4-й режим - обработка анолитом с гербицидом
Дозатор 28 открывают и через патрубок 26 в дополнительный резервуар 20 поступает гербицид. Система обрабатывает растения смесью анолитом с гербицидом.
Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет осуществить эффективную обработку растений в труднодоступных местах в нескольких режимах в реальном времени, подтверждая свою многофункциональность и не возвращаться на перезаправку системы, тем самым сокращая энергетические и трудовые затраты.