АГРОТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС С БЕСПИЛОТНЫМ ЛЕТАТЕЛЬНЫМ АППАРАТОМ
AGROTECHNICAL COMPLEX WITH UNMANNED AERIAL VEHICLE

Область техники
Изобретение относятся к области сельского хозяйства и может быть использовано для повышения производительности труда агронома.
Уровень техники
Известен (RU 2471338) агротехнический комплекс, включающий как минимум один наземный агрегат, предназначенный для активного и/или пассивного видеомониторинга стеблевой части растений, а также беспилотный летательный аппарат (далее - БПЛА), предназначенный для активного и/или пассивного аэровидеомониторинга поля (на котором находятся упомянутые растения), и связанный с ними посредством радиосвязи или также с использованием внешней сети напрямую с каждым (независимо с агрегатом и с аппаратом) или опосредовано через упомянутые аппарат (с агрегатом) либо агрегат (с аппаратом) компьютер либо монитор.
Такой комплекс выбран в качестве прототипа.
Прототип имеет ряд недостатков, основной из которых заключается в ограниченных возможностях выявления зон депрессивного развития агрокультур, а также зон их заболеваний. Такая ограниченность связана с тем, что соответствующее выявление осуществляют только по результатам аэровидеомониторинга и видоемониторинга стеблевой части растений, тогда как для комплексной оценки состояния последних необходимо также исследование и их корневой системы.
1
1
Известны ( - RU 2592904, https://www.technologyreview.com/s/408225/robotic-farmer/) различные наземные агротехнические роботы.
Известны различные устройства для перемещения роботов по поверхности земли - известны ползающие, шагающие роботы, известны роботы на колесах и гусеницах, а также проч.
Известны различные манипуляторы роботов и соответствующие рабочие органы.
Известны различные технические средства, позволяющие измерять параметры почвы и растений.
2
2
Известны ( - RU 2523420, https://3dnews.ru/632408, http://cyberleninka.ru/article/n/nazemnye-stantsii-podzaryadki-elektricheskih-bespilotnyh-letatelnyh-apparatov-na-osnove-otkrytyh-kontaktnyh-ploschadok, http://wpbi.ru/products/nazemnaya-stantsiya-zaryadki-khraneniya-bpla/) различные робототехнические комплексы, включающие наземные пункты управления, которые обеспечивают зарядку БПЛА как в полете, так и при посадке на такие пункты.
3
3
Известны ( - US 20141124621) посадочные площадки (системы стыковки) для приземления БПЛА на наземные агрегаты.
4
4
Известна ( - RU 2292646) система связи, предполагающая возможность использования коротковолновых трансиверов для выхода во внешнюю сеть сотовой связи.
Технический результат
Основной технический результат, достигаемый при реализации представленного изобретения, заключается в обеспечении возможности дистанционной высокопроизводительной комплексной оценки агрономом состояния растений, расположенных в основном на участках поля, выбранных по результатам аэровидеомониторинга.
Примечание. Способ использования представленного ниже агротехнического комплекса предполагает также случайный выбор участков поля, обследуемых посредством наземного агрегата.
Изобретение позволяет также получить технический результат, связанный с:
- обеспечением корректировки представляемых БПЛА и/или роботом данных за счет их совместного учета;
- минимизацией перемещения робота за счет учета информации, полученной БПЛА;
- увеличением времени полезной работы БПЛА за счет его подзарядки роботом - с уменьшением времени технологических перелетов к месту подзарядки.
Помимо этого при использовании изобретения может быть получен технический результат, связанный со снижением трудозатрат на получение образцов растений и почвы, а также на анализ последней за счет автоматического перемещения робота к выбранным зонам поля.
Изобретение предполагает также использование простой недорогой системы связи, работающей на большие расстояния и имеющей выход во внешние сети.
Сущность изобретений
Для достижения заявленного технического результата в известное устройство агротехнического комплекса, охарактеризованного представленными выше признаками, введен ряд главных отличительных признаков:
- в качестве наземного агрегата комплекс включает как минимум одного способного перемещаться по поверхности земли наземного робота;
- робот предназначен для активного и/или пассивного видеомониторинга корневой системы растений;
- робот включает рабочий орган, выполненный с возможностью вынимания корневой системы растения из земли.
Представленный комплекс характеризуются также рядом частных отличительных признаков:
- видеокамера робота может быть расположена на подвижной платформе или на рабочем органе, которые позволяют при неподвижном роботе изменить точку зрения на объект внимания;
- робот может включать рабочий орган, выполненный с возможностью сбора образцов растений и/или почвы, при этом робот может включать контейнер для хранения образцов;
- контейнер может иметь подразделения для раздельного хранения различных образцов;
- робот может включать рабочий орган с как минимум одним измерительным прибором (мультитестером);
- робот может включать как минимум один источник электромагнитного излучения для обеспечения активного видеомониторинга;
- робот может включать осветительную систему;
- робот может включать зарядное устройство, предназначенное для подзарядки аккумулятора БПЛА;
- зарядное устройство может быть выполнено с возможностью дистанционной подзарядки аккумулятора БПЛА;
- робот может включать посадочную площадку для БПЛА;
- зарядное устройство может быть выполнено беспроводным;
- робот может включать рабочий орган, выполненный с возможностью замены аккумулятора БПЛА;
- робот может включать генератор электрического напряжения, предназначенный для подзарядки аккумулятора робота и/или БПЛА;
- комплекс может включать предназначенное для подзарядки аккумулятора робота зарядное устройство, которое построено на базе генератора и/или солнечной батареи и расположено на поле;
- зарядное устройство для подзарядки аккумулятора робота может включать трансивер, способный принимать и передавать сигналы, поступающие от трансивера, соединенного с точкой доступа во внешнюю сеть;
- робот и/или БПЛА могут включать трансивер, способный принимать и передавать сигналы, поступающие от трансивера соединенного с точкой доступа во внешнюю сеть;
- в качестве трансивера может использоваться коротковолновый трансивер, работающий в любительском радиочастотном диапазоне.
Сведения, подтверждающие возможность реализации изобретения
Соответствующий представленному изобретению агротехнический комплекс должен включать как минимум один наземный агрегат.
При этом такой агрегат должен обеспечивать возможность активного (с подсветкой, например, лазерной, инициирующей люминесценцию) и/или пассивного видеомониторинга стеблевой части растений (той части растений, которая расположена над землей).
В состав комплекса должен входить БПЛА, предназначенный для активного и/или пассивного аэровидеомониторинга поля с целью выявления возможных аномальных зон вегетации (депрессивных зон, зон заболеваний и т.п.).
Использование БПЛА в сельском хозяйстве хорошо известно из уровня техники (RU 2558225, RU 2617340).
Видеоинформация, полученная агрегатом и БПЛА должна передаваться на компьютер или монитор центра управления агрегатом и БПЛА с тем, чтобы с ней мог ознакомиться агроном.
Оператор комплекса в соответствии с указаниями агронома может корректировать полетное задание БПЛА и рабочую программу агрегата.
Передача информации может осуществляться посредством радиосвязи или также с использованием внешней сети (например, сотовой или Интернет).
Компьютер или монитор могут быть независимо связаны с агрегатом и с БПЛА, а могут - через агрегат с БПЛА или наоборот.
Протокол связи может соответствовать стандарту ISO 11783.
В качестве наземного агрегата комплекс должен включать как минимум одного способного перемещаться по поверхности земли наземного самоходного робота, управляемого автоматически в соответствии с заданной программой или при непосредственном участии оператора.
Предпочтительно, чтобы практически для каждой культуры (или, по крайней мере, для каждого вида культур) имелся свой робот.
И при этом на каждые 100-200 га приходилось не менее одного робота.
Робот должен иметь практически все оснащение аналогичное начинке современного БПЛА (например, мультикоптера).
Он должен включать аккумуляторы, электродвигатели, движители (это могут быть, например, 4 моторколеса, два из которых могут быть управляемы), микропроцессорную систему, контроллер перемещений, компас, систему радиоуправления с усилителем мощности радиосигнала, систему направленных антенн, блок передачи информации, запоминающее устройство, гироскопы, акселерометры, сонар, систему позиционирования (например, GPS и/или ГЛОНАСС и/или beidou и/или Galileo-приемник), радиомаяк, сервоприводы, зеркальную видеокамеру с переменным увеличением (у робота может быть несколько таких камер для передачи стерео изображения), систему технического зрения и т.д.
Робот должен обеспечивать возможность активного и/или пассивного видеомониторинга не только стеблевой части растения, но и его корневой системы.
Для этого он должен включать рабочий орган, выполненный с возможностью выкапывания корневой системы растения из земли.
Так например, робот может быть оснащен манипулятором с одной или несколькими степенями подвижности, обеспечивающим по отношению к рабочему органу ориентирующие и транспортные функции. Сам же рабочий орган может представлять собой нож, бур, крюк, скребок, совок, миникультиватор, корнеудалитель, захватное устройство (схват с механическими пальцами) и проч. Возможно использование их совокупности.
Для обеспечения работы манипулятора и рабочего органа могут использоваться пневматические, электрические (предпочтительно), гидравлические приводы.
Управление манипулятором и рабочим органом может осуществляться автоматически, а может с участием оператора.
Видеокамера робота может быть расположена на подвижной платформе или на рабочем органе (в частности она сама может являться рабочим органом).
Здесь речь идет о видеокамере, с помощью которой осуществляется видеомониторинг растения - его листьев, стебля, корневой системы и проч. (вообще, у робота может быть несколько видеокамер).
Манипулятор с камерой может управляться программно или дистанционно оператором.
Робот может включать рабочий орган, выполненный с возможностью сбора образцов растений и/или почвы.
Это может быть нож, пилка, ножницы и проч. Образец растения (лист, часть стебля, часть корневой системы) могут захватываться схватом.
Управляемый программно или дистанционно манипулятор с таким органом управления может перенести образец в специальный контейнер с различными отсеками (отделами, карманами) для раздельного хранения различных образцов.
Для сбора образцов почвы может использоваться пробоотборник почвы.
Робот может включать рабочий орган с как минимум одним измерительным прибором (впрочем, и сам такой прибор может выполнять функцию рабочего органа), выбранным из перечня - измеритель: уровней азота, фосфора и калия; уровня рН (в почве и клеточном соке); освещенности; влажности, содержания подвижных форм элементов питания; электропроводности; соотношения почвенных фракций; плотности почвы; глубины залегания плужной подошвы; содержания натрия; уровня азотного питания растений; качества продукции и иммунного статуса растений и проч.
Для проведения ряда измерений робот может иметь автоматизированную лабораторию, емкости для растворов и воды, тестовые полоски и т.п.
Робот может включать как минимум один источник электромагнитного излучения для обеспечения активного видеомониторинга. Это может быть лазер или инфракрасный излучатель. Это может быть линейка светодиодов, работающих в разных спектральных диапазонах.
Робот может включать осветительную систему - прожектор, фары.
Предполагается, что робот может работать при любой погоде в любое время суток.
Робот может включать зарядное устройство, предназначенное для подзарядки аккумулятора БПЛА.
При этом такое устройство может быть выполнено с возможностью дистанционной подзарядки аккумулятора БПЛА, например, посредством излучения лазера.
В последнем случае зарядное устройство должно включать систему наведения, а БПЛА соответствующий фотоприемник.
Дистанционная зарядка БПЛА хорошо известна из уровня техники.
Робот может включать посадочную площадку для БПЛА. Такая площадка может включать направляющие, предназначенные для сопряжения с соответствующими рабочими поверхностями БПЛА, захваты, предназначенные для удержания БПЛА и проч.
Площадка может включать манипулятор, рабочий орган которого является разъемом зарядного устройства, подключаемым к БПЛА.
Предпочтительно, чтобы зарядное устройство было выполнено беспроводным. Для этого у БПЛА и робота должны иметься L-C контуры с одинаковыми резонансными частотами.
А при размещении БПЛА на площадке должно обеспечиваться его точное позиционирование, например, посредством конуса Морзе, внутри которого и размещен упомянутый контур робота.
Робот может включать рабочий орган, выполненный с возможностью замены аккумулятора БПЛА.
Соответствующий манипулятор может управляться автоматически или дистанционно.
Робот может включать генератор электрического напряжения, предназначенный для подзарядки аккумулятора робота и/или БПЛА. Это может быть, например, бензиновый/дизельный генератор или солнечная батарея.
Такой генератор может подзаряжать и аккумулятор робота.
Комплекс может включать предназначенное для подзарядки аккумулятора робота зарядное устройство, которое построено на базе генератора (например, ветряного) и/или солнечной батареи и расположено в полевых условиях в зоне обслуживания роботом.
Перемещение робота к такому устройству и подключение к нему могут осуществляться автоматически.
Зарядное устройство для подзарядки аккумулятора робота может включать трансивер, способный принимать и передавать сигналы, поступающие от трансивера соединенного с точкой доступа во внешнюю сеть. При этом посредством радиосвязи зарядное устройство может быть связано с роботом и БПЛА.
Робот и/или БПЛА могут включать трансивер, способный принимать и передавать сигналы, поступающие от трансивера соединенного с точкой доступа во внешнюю сеть.
Благодаря тому и другому информация от БПЛА и робота (результаты видеомониторинга, результаты измерений и проч.) окажутся во внешней сети.
В качестве трансивера может использоваться коротковолновый трансивер, работающий в любительском радиочастотном диапазоне.
Такой трансивер должен быть выполнен с возможностью подключения к сетям, работающим на существенно более высоких частотах.
Использование КВ диапазона позволит использовать комплекс на любых площадках, на любом удалении от точек доступа, благодаря чему появится возможность для практически исключительно полезной работы БПЛА (с учетом подзарядки или замены аккумулятора роботом).
Принцип работы комплекса
Наземный агрегат располагается на поле, культурные растения которого подлежат исследованию.
Его назначение - видеомониторинг всех частей растения, анализ почвы, забор образцов почвы, а также растений или их частей.
На разных полях могут располагаться различные наземные агрегаты, особенно, если на них возделываются разные культуры.
Над полем периодически появляется БПЛА, траектория полета которого задана программно или управляется оператором.
БПЛА осуществляет аэровидеомониторинг.
БПЛА может передавать радиосигнал наземному агрегату, а тот в свое время - добавляя свои данные к тем, что были получены от БПЛА, может передавать радиосигнал на базу или посредством трансивера на трансивер точки доступа.
Последний может быть установлен на ней специально для связи с наземным агрегатом. При этом такой трансивер может обеспечивать возможность связи с различными наземными агрегатами.
Задача установления указанной связи - обмен данными между компьютером, установленным на базе, и устройствами, упомянутыми здесь выше, а также между самими такими устройствами.
Информация, полученная от БПЛА, позволяет уточнять «задание» наземного агрегата (траекторию его движения по полю, необходимые манипуляции с растениями и почвой, а также необходимые измерения), а та, что получена от наземного агрегата - полетное «задание» БПЛА.
Корректировка заданий осуществляется агрономом, который одновременно может выполнять функции оператора комплекса.
Примечание. Предпочтительно выделение для последних самостоятельной штатной единицы.
Например. БПЛА обнаружил на поле депрессивный участок, которого ранее не было. Автоматический анализ видеоинформации и результатов активного лазерного видеомониторинга указали на наличие грибкового заболевания растений такого участка. Агроном принимает решение направить на данный участок наземного робота, который должен провести комплексное обследование растений. Автоматически прибыв на соответствующий участок по заданным координатам, полученным от БПЛА, робот обнаруживает развитие в корневой системе гнили, следствием которой и явилось заплесневение листовой части растений. При этом благодаря случайной выборке мест на поле, в отношении растений которых проводятся комплексные исследования, выясняется, что такая гниль имеет гораздо более широкое распространение по полю, нежели предполагалось по результатам аэровидеомониторинга. Полученная информация позволит агроному принять правильное решение в отношении подбора средств для обработки поля.
Для исследования корневой системы растений робот может подкапывать растение, может сметать за счет подачи струи воздуха землю с корневой системы, может вырывать растение из земли и т.п.
Если растение остается в земле, то посредством, например, манипулятора, рабочий орган которого удерживает видеокамеру, предназначенную для видеомониторинга растения, робот может обеспечить агроному возможность рассмотрения всех частей растения с различных ракурсов.
Разные операции по исследованию растений и почвы робот может производить в автоматической режиме. При этом в определенных случаях он может подавать сигнал тревоги (например, при обнаружении симптомов карантинных заболеваний).
Робот может иметь несколько видеокамер.
Так например, он может иметь камеру, обеспечивающую контроль за посадкой на робот БПЛА.
Также он может иметь систему технического зрения, обеспечивающую его безопасное для культурных растений автоматическое перемещение по полю.
Для проведения работ ночью робот включает осветительную систему.
Самая большая проблема, связанная с использованием БПЛА в сельском хозяйстве, заключается в относительно малом времени полезной работы БПЛА.
Так, при выполнении полетного задания после взлета примерно 50% времени полета уходит на технологический возврат на подзарядку. При том, что сама подзарядка займет примерно в 2 раза большее время по сравнению со временем полета. В результате на каждый час работы с БПЛА будет приходиться 10 мин. его полезной работы.
Это неприемлемо.
Но соответствующая задача может быть решена, если известные технические решения по автоматической наземной подзарядке БПЛА (или смене аккумулятора БПЛА) будет решать робот.
Естественно, наилучший результат будет получен, если робот сможет заменять аккумулятор БПЛА. В этом случае все потери на подзарядку составят не более 10 мин./час.
Причем робот сможет занимать на поле наиболее выгодные с точки зрения рабочей (связанной с аэровидеомониторингом) траектории БПЛА.
В этом случае при обслуживании нескольких полей с роботами один БПЛА сможет охватить мониторингом до тыс. га в сутки.
При обслуживании одного поля с роботом или нескольких полей, обслуживаемых одним роботом, последний может являться базой для стоянки БПЛА во внерабочее время.
Аналогичной базой может являться и любой робот на любом поле, хотя при наличии нескольких культур вряд ли возможно образование простоев в работе БПЛА.
Сам робот может подзаряжаться от встроенного генератора, а может от зарядного устройства (от зарядной станции), расположенного на поле или поблизости от него.
Так например, при автоматическом выявлении низкого уровня заряда аккумулятора БПЛА в автоматическом режиме (по аналогии с возвратом в точку взлета при потере радиосвязи) с использованием навигационной системы и, например, навигационных маяков роботов, может приземлиться на ближайший к нему робот.
Тот в свою очередь по факту приземления может обеспечить питание соответствующего зарядного устройства.
Также и робот в соответствующей ситуации может переместится к полевому зарядному устройству и осуществить подзарядку своего аккумулятора, а может для этой цели автоматически включить встроенный генератор.
Очевидно, что БПЛА может облетать площадь, которую обслуживает нескольких роботов, т.е. БПЛА может обслуживать несколько роботов, в т.ч., разного типа.
Также и один робот может обслуживать несколько БПЛА.
Так например, подзаряжаться от робота может не только БПЛА, осуществляющий аэровидеомониторинг, но и БПЛА, производящий обработку поля. Последний может и заправляться от робота «химией», например, тонкораспыляемыми гормональными препаратами.
Очевидно, что на одном поле могут работать несколько роботов, например узкоспециальных. При этом не обязательно у всех роботов должно быть зарядное устройство для БПЛА.
Очевидно, что комплекс может быть ориентирован на использование спутниковой связи, но это не всегда рационально.
Связь главных отличительных признаков с заявленным техническим результатом
Расширение функциональных возможностей робота в части обеспечения возможности видеомониторинга корневой системы растений, позволяет проводить комплексную оценку агрономом состояния последних, расположенных в основном на участках поля, выбранных по результатам аэровидеомониторинга без пребывания на поле.
Агроном сидит в кабинете, в котором располагается упомянутый монитор.
При этом он имеет возможность просматривать как оперативную информацию, получаемую по результатам мониторингов, проводимых БПЛА и роботом, так и накопленную ими ранее.
Задания агронома на проведение дальнейших исследований передаются оператору комплекса, который с помощью компьютера корректирует задания соответствующих устройств.
При этом такая корректировка осуществляется благодаря совместной оценке полученной информации.
Важно, что невозможность исследования корневой системы растений исключает возможность принятия однозначно правильного решения в отношении состояния последнего.
В целом БПЛА существенно сокращает перемещения робота, поскольку последнему нет необходимости тотально исследовать все поле.
Практика применения БПЛА указывает на то, что при наличии возможности комплексной оценки растений требуется проведение таковой - примерно 1 растения на 30 га в день (помимо исследования участков, выявленных БПЛА).
Робот - зарядное устройство в несколько раз увеличивает время полезной работы БПЛА.