УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЗЕМЕЛЬНЫХ УЧАСТКОВ ПОСРЕДСТВОМ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к мехатронным системам и может найти применение в качестве лазерного стимулятора растений.
Конфигурация устройства дает возможность регулировать углы развала лазеров, что позволяет управлять излучаемой на единицу площади мощностью излучения и площадью пятна засветки.
Известна полезная модель (RU №168240, A01G 7/04, 24.01.2017), используемая для лазерного облучения тепличных растений. Устройство включает полупроводниковые лазерные модули с цилиндрическими линзами, аккумуляторы, электромеханический узел перемещения лазерных модулей вдоль ряда с тепличными растениями по трубам подачи питательного раствора.
Известно сканирующее устройство (RU №2732231, A01C 1/00, 14.09.2020), включающее в себя лазер, призму строчной развертки, воспринимающую луч лазера и развертывающую его в горизонтальную лучевую плоскость, и оптомеханический блок кадровой развертки, преобразующий горизонтальную лучевую плоскость в вертикально-горизонтальную лучевую плоскость, отличающееся тем, что оптомеханический блок кадровой развертки выполнен в виде валика с двойной усеченной зеркальной четырехгранной пирамидой, что обеспечивает формирование прямоугольного пятна площадью S=а⋅b, где а и b - длины сторон прямоугольного кадра для обработки больших площадей вегетирующих растений сканирующим кадровым лазерным излучением с высоты полета квадрокоптера.
Известно устройство для предпосевной обработки семян и растений (RU №2321032, G02B 6/12, 27.03.2008). Устройство содержит блок управления, лазерный генератор в корпусе и сканирующее устройство, содержащее зеркало, приводимое в движение от электропривода. В сканирующее устройство дополнительно введен привод. Последний состоит из неподвижного стакана с отверстием, платформы, стойки с двумя параллельными между собой осями, двух шкивов, элемента для передачи вращения одной из осей стойки. Платформа установлена на стакане с возможностью вращения от электродвигателя. Стойка жестко закреплена на платформе перпендикулярно ее поверхности. Оси стойки установлены на ней с помощью подшипников параллельно поверхности платформы. Шкивы закреплены на осях стойки и связаны между собой ременной передачей. Элемент для передачи вращения одной из осей стойки кинематически связан с поверхностью неподвижного стакана. Зеркало жестко закреплено на одной из осей так, что его поверхность параллельна этой оси и пересекается с оптической осью излучателя. За счет выполнения указанного привода зеркало вращается одновременно в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, и отраженный луч сканирует пространство во всех направлениях.
Известно устройство для лазерной обработки защитных биопрепаратов (RU №198815, A01C 1/00, 29.07.2020), включающее источник лазерного излучения и блок управления. Устройство дополнительно снабжено электромеханическим узлом с двигателем насоса прокачки раствора защитных биопрепаратов через рабочую емкость с плоскопараллельными прозрачными гранями, схемой включения двигателя электромеханического узла и датчиком наличия раствора в рабочей емкости. Датчик наличия раствора в рабочей емкости электрически связан с блоком управления, а блок управления электрически связан с источником лазерного излучения и со схемой включения двигателя электромеханического узла.
Известно устройство для прецизионной лазерной обработки растений в культуре in vitro (RU №165722, A01G 7/04, 10.11.2016). Устройство включает источник лазерного излучения, блок управления, электромеханический узел с двигателем и двумя вращающимися дисковыми платформами на общей вертикальной оси, расположенные друг под другом, схему включения двигателя электромеханического узла и герконовый датчик «сектор». При этом блок управления содержит встроенный таймер, а верхняя платформа разделена на несколько секторов, в которых размещают по одной колбе с растениями in vitro. На внешней стороне диска нижней платформы располагаются съемные магниты, определяющие местоположение центра секторов верхней платформы. Герконовый датчик «сектор» закреплен на некотором расстоянии от нижней платформы на стойке, при этом герконовый датчик электрически связан с таймером устройства управления, а устройство управления электрически связано с источником лазерного излучения и со схемой включения двигателя электромеханического узла.
Известно устройство для лазерной обработки семян и растений (RU №75530, A01C 1/00, 20.08.2008), включающее лазерный генератор, закрепленный в трубчатой штанге, сканирующее устройство, установленное над лазерным генератором со стороны излучателя, включающее жестко закрепленный на штанге переходник, выполненный составным в виде фланца с закрепленным сверху на нем кольцом, платформу, установленную с помощью подшипника на переходнике с возможностью ее вращения посредством фрикционной передачи от электродвигателя, установленного на жестко закрепленной на переходнике несущей пластине и помещенного в корпус, жестко прикрепленный к этой пластине и соединенный пружиной со штангой, стойку, жестко закрепленную на платформе перпендикулярно ее поверхности, оси и, установленные с помощью подшипников на стойке на расстоянии друг от друга по длине стойки параллельно друг другу и поверхности платформы, два шкива и, закрепленные на этих осях и связанные между собой ременной передачей, ролик, закрепленный на одной из осей и фрикционно связанный с верхней торцевой поверхностью неподвижного кольца переходника, зеркало, закрепленное на второй оси так, что его поверхность параллельна этой оси и пересекается с оптической осью излучателя лазерного генератора. На штанге закреплен кронштейн монтажный для закрепления устройства на транспортном средстве при обработке полей, садов. Основание выполнено съемным и крепится к штанге с помощью элемента. Устройство снабжено блоком включения лазерного генератора в работу и блоком управления. Лазерный генератор закреплен внутри штанги с помощью втулки, а фрикционная передача «электродвигатель-платформа» выполнена с помощью фрикционного валика, жестко закрепленного на оси электродвигателя и плотно соприкасающегося боковой поверхностью с боковой поверхностью платформы.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и выбранным в качестве прототипа является устройство для обработки сельскохозяйственных и лесных насаждений лазерным излучением с беспилотного летательного аппарата (RU №2740543, A01G 7/04, 15.01.2021), в качестве беспилотного летательного аппарата используется гексакоптер модели «Gaia 160AG NO FC Combo», время полета которого с одним аккумулятором 60 минут, взлетный вес 23 кг. На гексакоптере установлен оптомеханический блок двухкоординатной сканирующей лазерной кадровой развертки. В память гексакоптера заносят координаты привязки к местности и устанавливают размер окна излучения оптомеханического блока кадровой развертки под заданную площадь обработки. После входа в рабочую точку, расположенную на высоте 10 метров над серединой поля, гексакоптер зависает и в течение 30 секунд выполняет лазерную обработку сканирующим кадровым лазерным излучением в виде прямоугольного светового кадра, размер которого устанавливаются вручную и составляет до 350×350 метров. Местонахождение поля, его конфигурация и площадь определяются заранее. На основании этих данных оператор с клавиатуры блока управления заносит в память гексакоптера траекторию и параметры полета: скорость полета, высота и конечная точка маршрута.
Недостатками устройства являются небольшая площадь обработки, высокий разброс режимов облучения.
Задача полезной модели заключается в необходимости стабилизации процесса облучения и возможности регулировки площади обрабатываемой поверхности.
Технический результат – обеспечение возможности стабилизации процесса облучения обрабатываемой поверхности при регулировке её площади.
2
Поставленная задача достигается тем, что устройство для обработки сельскохозяйственных земельных участков посредством лазерного излучения включает в себя шесть лазерных модулей общей мощностью 6 Ватт с регулируемым углом наклона 6 градусов, закрепленных на кронштейне с демпфирующей площадкой для крепления к БпЛА мультироторного типа, двухосевой электронный стабилизатор и находящуюся на БпЛА систему управления, при этом опорная стойка кронштейнажестко соединена с расположенным перпендикулярно U-образному креплению бесколлекторным двигателем, который вращает заключенный в U-образное крепление лазерный блок устройства по оси крена; по оси тангажа вращение осуществляется вторым бесколлекторным двигателем, находящимся на одном из концов U-образного крепления лазерного блока, состоящего из двух рядов лазеров,  каждый из шести лазеров оборудован радиатором, помещен в прямоугольный корпус с активным охлаждением и имеет одну степень свободы, также для одновременной регулировки трех лазеров ряда используется ременная передача, позволяющая осуществить установку требуемого угла наклона луча лазера для достижения необходимой поверхностной плотности потока излучения мощностью 1 Вт/м при высоте полета 10 метров.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежами, на которых показаны:
фиг.1 – конфигурация устройства для обработки сельскохозяйственных территорий посредством лазерного излучения, где:
а – фронтальный вид;
б – вид справа;
фиг.2 – внешний вид устройства для обработки сельскохозяйственных земельных участков посредством лазерного излучения;
фиг.3 – конфигурация закрепленной на беспилотном летательном аппарате устройства для обработки сельскохозяйственных земельных участков посредством лазерного излучения;
фиг.4 – внешний вид закрепленной на беспилотном летательном аппарате устройства для обработки сельскохозяйственных земельных участков посредством лазерного излучения.
На изображениях и в тексте приняты следующие обозначения:
1 – двухосевой электронный стабилизатор (всё устройство за исключением лазерного блока);
2– блок лазерных модулей;
3 – прямоугольный корпус с активным охлаждением;
4 – радиатор;
5 – ременная передача;
6 – U-образное крепление;
7– бесколлекторный двигатель 1 для осуществления вращения U-образного крепления лазерного блока;
8 – бесколлекторный двигатель 2;
9 – опорная стойка;
10 – кронштейн с демпфирующей площадкой.
Устройство для обработки сельскохозяйственных земельных участков посредством лазерного излучения состоит из двухосевого электронного стабилизатора 1, на котором закреплен блок лазерных модулей 2, включающий в себя модули в прямоугольных корпусах с активным охлаждением 3 и радиаторами 4 в верхней части каждого модуля. Устройство определенного угла наклона модулей осуществляется посредством ременной передачи 5. Лазерный блок заключен в U-образное крепление 6, на котором закреплены два коллекторных двигателя 7, 8. Данная конструкция жестко соединена с опорной стойкой 9 и крепится к БпЛА посредством кронштейна с демпфирующей площадкой 10.
Устройство работает следующим образом:
Соблюдается определенная последовательность действий для реализации процесса лазерной обработки с заданными характеристиками посредством беспилотного летательного аппарата (БпЛА).
2
Характеристики БпЛА: время полета 25-30 мин; максимальный вес, который может поднять 4 кг; вес квадрокоптера 2 кг; максимальная высота 1500 м, дальность полета 1500-2000 м, максимальная скорость полета – 60 км/ч. Данный квадрокоптер имеет полетный контроллер Pixhawk 4 (с прошивкой PX4). В полетном контроллере встроена инерциальная система навигации, включающая: акселерометр, гироскоп и магнитометр, а также барометр. Кроме того, БпЛА оснащен датчиком RTK GPS для высокоточного определения местоположения БпЛА в пространстве. Характеристики лазерного устройства: мощность лазера – 1 Вт, поверхностная плотность энергии – 1 Вт/м, угол излучения – 6°.
Заранее определяются размеры и координаты обрабатываемого участка поля. На основании этих данных оператор с клавиатуры наземного пункта управления задаёт координаты участка для облучения, скорость и высоту полёта. Полётный контроллер, установленный на БпЛА, рассчитывает оптимальную траекторию, которая покрывает весь заданный участок. Оператору нет необходимости выезжать в центр поля для запуска БпЛА. Точка взлёта может находиться на некотором расстоянии от обрабатываемого участка. После занесения всех входных данных и расчета траектории, оператор запускает полётную миссию. Далее всё полетное задание выполняется без участия человека. После набора рабочей высоты БпЛА двигается вдоль запланированной траектории. Благодаря использованию датчика RTK GPS в составе аппаратного обеспечения БпЛА, отклонение от траектории движения не превышает 10 см. После завершения обработки заданного участка лазер отключается, а БпЛА возвращается в точку старта по рассчитанному наикратчайшему пути до неё и совершает автоматическую посадку. Это обусловлено тем, что алгоритм планирования пути учитывает параметры лазерного устройства при построении траектории. За счет наличия блока планировщика траектории, равномерно покрывающей участок облучения, на БпЛА используется устройство для лазерного облучения, включающая в себя шесть лазерных модулей, двухосевой электронный стабилизатор и систему управления. Включение пары бесколлекторных двигателей позволяет регулировать площадь обработки путем изменения положения лазерного блока, ременные передачи позволяют регулировать и фиксировать углы наклона каждого ряда лазеров устройства в отдельности для достижения нужного размера пятна засветки, а также регулировать излучаемую мощность на единицу площади обрабатываемой поверхности. Небольшой вес устройства позволяет легко перемещать ее на БпЛА. Также возможна легкая замена неисправных модулей.
Результаты обработки растений с помощью устройства для лазерного облучения при помощи БпЛА, проведенного на посевных площадях Новгородского научно-исследовательского института сельского хозяйства СПб ФИЦ РАН, и предложенного алгоритма представлены в таблице №1.
Анализ полученных данных показал, что обработка растений лазерным излучением приводит к увеличению массовой доли сухого вещества на 5-8%, сырого протеина в сухом веществе в кормовых культурах на 5-48%, увеличение массовой доли клетчатки в сухом веществе в среднем на 2-10%, увеличению содержания сырого протеина на 8,5-19%. Такой рост показателей увеличивает ценность кормовых культур, а также увеличение высоты травостоя и выхода белка в кормовых смесях.
Использование специального устройства и разработанного алгоритма для обработки растений позволяет добиться равномерного облучения обширных посевных площадей. Преимуществами разработанного устройства являются высокая точность позиционирования за счет RTK GPS, возможность находиться на некотором расстоянии от обрабатываемого участка, чтобы лазерный луч не попадал на оператора и другую аппаратуру. К преимуществам предлагаемого разработанного алгоритма облучения относится его универсальность. Предлагаемый алгоритм построения пути для равномерного лазерного облучения участка учитывает площадь лазерного пятна для обеспечения требуемых характеристик излучения при использовании любого лазерного устройства.
Кроме того, электронный двухосевой стабилизатор позволяет осуществлять стабильное облучение территорий при ветреной погоде.
Кроме того, автоматизированная система управления позволяет осуществлять точечное облучение обрабатываемой поверхности.
Кроме того, ременные передачи позволяют зафиксировать на устройстве два ряда лазеров под требуемым углом, что позволяет регулировать размер пятна засветки и излучаемую мощность на единицу площади.
Кроме того, модульность устройства позволяет легко осуществить замену неисправных блоков на исправные или на лазерные блоки иной мощности.
Таблица 1. Результаты обработки кормовых культур, 2021 г.
Культура, сорт
Урожайность з.м., т/га
В сухом веществе
Масовая доля сухого вещества, %
Сбор с 1 га
Массовая доля сырого протеина, %
Массовая доля сырой клетчатки, %
Количество ОЭ, МДЖ/кг
Количество кормовых единиц, кг/кг
Сухого вещества, т
Сырого протеина, кг
Овсяница луговая с. Бинара
22,4
7,92
29,8
<b>9,64</b>
<b>0,75</b>
28,4
<b></b><b><i>6,4</i></b><b></b>
503,8
Овсяница луговая с. Бинара, облучение
21,9
8,35
30,6
<b>9,49</b>
<b>0,73</b>
29,9
<b></b><b><i>6,5</i></b><b></b>
546,8
Фестулолиум с. Аллегро
13,6
7,44
23,7
<b>10,73</b>
<b>0,93</b>
27,7
<b></b><b><i>3,8</i></b><b></b>
280,3
Фестулолиум с. Аллегро, облучение
16,7
7,33
26,1
<b>10,30</b>
<b>0,86</b>
26,9
<b></b><b><i>4,5</i></b><b></b>
329,3
Овсяница красная с. Диана
11,9
9,22
34,3
<b>8,83</b>
<b>0,63</b>
32,1
<b></b><b><i>3,8</i></b><b></b>
352,2
Овсяница красная с.Диана, облучение
11,1
9,7
35,4
<b>8,63</b>
<b>0,60</b>
34,7
<b></b><b><i>3,9</i></b><b></b>
373,6
Ежа сборная с. Хлыновская
20,4
6,86
35,9
<b>8,54</b>
<b>0,59</b>
29,7
<b></b><b><i>6,1</i></b><b></b>
415,6
Ежа сборная с. Хлыновская, облучение
15,9
10,21
35,9
<b>8,54</b>
<b>0,59</b>
30,7
<b></b><b><i>4,9</i></b><b></b>
498,4