Беспилотный летательный аппарат для внесения пестицидов в точном садоводстве
UNMANNED AERIAL VEHICLE FOR PESTICIDE APPLICATION IN PRECISION HORTICULTURE

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности, к беспилотным многороторным летательным аппаратам вертолетного типа для дифференцированной обработки пестицидами плодовых деревьев и ягодных кустарников в точном садоводстве.
Известен беспилотный летающий опрыскиватель вертикального взлета и посадки для внесения жидких средств защиты растений, содержащий раму с пластинами и телескопическими пружинными стойками, лучи трубчатого профиля с закрепленными на консольных участках двигателями с несущими винтами, опрыскивающее оборудование, состоящее из эластичного резервуара для рабочей жидкости, расположенного в верхней части рамы между пластинами, электромагнитного клапана, распылительных форсунок (патент RU №194376 U1, МПК A01M 7/00, 2019).
Недостатком известного устройства является то, что оно обрабатывает рабочей жидкостью плодовые деревья и ягодные кустарники пестицидами только сверху, боковые стороны кроны остаются необработанными или недостаточно обработанными и имеет место снос пестицидов с обрабатываемых участков.
Известен беспилотный летательный аппарат (БЛА) для обработки растений, содержащий корпус, соединенные с корпусом лучи, винтомоторную группу, состоящую из бесколлекторных двигателей, регуляторов хода и винтов, аккумулятор, вычислительный блок, выполненный в виде процессора или микроконтроллера с возможностью обработки данных зоны обработки растений, построения карт маршрута полета и передачи данных модулю управления системой обработки, блок памяти выполнен в виде модуля флэш-памяти, содержащей информацию о координатах маршрута полета летательного аппарата, навигационную систему, средства беспроводного приема-передачи информации; соединенную с корпусом, установленную на корпусе систему обработки растений в виде форсуночного опрыскивателя или генераторов горячего или холодного тумана, установленную на мультироторной системе емкость с химикатами для обработки растений, с датчиком уровня жидкости химикатов, соединенную с системой обработки растений, модуль управления системой обработки растений, выполненный с возможностью активации и управления мощностью опрыскивания растений, модуль узкополосной мультиспектральной фотофиксации, выполненный с возможностью получения спектральных изображений растений, датчик контроля заряда аккумулятора, датчик проверки уровня химикатов, выполненный с возможностью генерирования сигнала для вычислительного блока о необходимости возврата для дозаправки при достижении заданного уровня химикатов, датчиком контроля заряда аккумулятора, выполненный с возможностью генерирования сигнала для вычислительного блока о необходимости замены аккумулятора (патент RU 179386 U1, МПК B64D 1/ 18, B64C 39/02, 2017).
Недостатком известного устройства является неполная обработка крон плодовых деревьев и кустарников, вследствие верхнего распыла пестицидов устройством, дрейф рабочей жидкости из зоны обработки, излишний расход химикатов и загрязнение окружающей среды химикатами.
Технической задачей изобретения является повышение качества обработки крон плодовых деревьев и кустарников, уменьшение расхода пестицидов и снижение загрязнения окружающей среды пестицидами до предельно допустимых концентраций.
Техническая задача достигается тем, что в беспилотном летательном аппарате для внесения пестицидов в точном садоводстве, содержащем корпус, соединенные с корпусом радиальные кронштейны, бесколлекторные двигатели, винты, аккумулятор, посадочное шасси, бортовую систему автоматического управления пилотированием, навигацией, полезной нагрузкой, технологический модуль полезной нагрузки, включающий блок для размещения и подачи рабочих жидкостей, блок регулирования и распределения потоков рабочей жидкости, секционную штангу с распылителями рабочей жидкости, модуль датчиков внешней среды, модуль измерения высоты полета, согласно изобретению, П-образная секционная штанга выполнена в виде взаимосвязанных горизонтальных и вертикальных телескопических секций с нечетным количеством звеньев, установленных с возможностью одновременного равномерного выдвижения всех звеньев, кроме первых неподвижных, на центральных нечетных звеньях секций и на концах вертикальных секций установлены бесконтактные ультразвуковые датчики расстояния с направлением осей ультразвуковых потоков, соответственно, на крону обрабатываемых деревьев, кустарников и на почву, а на четных звеньях секций установлены спектральные датчики распознавания вредителей и болезней, соединенные линиями связи с контроллером, при этом механизмы выдвижения - втягивания звеньев вертикальных секций установлены на концах последних звеньев горизонтальных секций штанги, а у горизонтальных секций - в центральной части корпуса летательного аппарата и соединены линией связи с контроллером, длина звеньев каждой секции штанги, предпочтительно, равна шагу расстановки распылителей, установленных на каждом из звеньев секции штанги и соединены линией связи с контроллером, при этом распылители установлены с шагом, обеспечивающим возможность перекрытия факелов распыла от смежных распылителей не менее чем на три четверти ширины факела одного из них.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 изображен беспилотный летательный аппарат для внесения пестицидов в точном садоводстве, вид прямо; на фиг.2 изображена функциональная блок-схема бортовой системы автоматического управления пилотированием, навигацией и полезной нагрузкой БЛА; на фиг.3 изображена функциональная блок-схема размещения, регулирования, подачи и диспергирования рабочих жидкостей пестицидов БЛА.
Беспилотный летательный аппарат 1 для внесения пестицидов в точном садоводстве содержит корпус 2, соединенные с ним радиальные кронштейны 3, бесколлекторные двигатели 4, винты 5, аккумулятор 6, посадочное шасси 7, бортовую систему автоматического управления 8 пилотированием, навигацией и полезной нагрузкой, технологический модуль 9 полезной нагрузки, включающий блок 10 для размещения и подачи рабочих жидкостей, блок регулирования и распределения 11 потоков рабочей жидкости, модуль обработки растений, включающий секционную штангу 12, распылители рабочей жидкости 13, механизмы выдвижения - втягивания 14, 15 и 16 звеньев секций штанг 12, ультразвуковые датчики расстояния 17, 18 19, 20 и 21 и спектральные датчики для определения наличия вредителей и болезней 22, 23, 24, 25, 26 и 27.
Бортовая система автоматического управления (САУ) 8 содержит полетный контроллер 28 с микропроцессором для накопления, обработки информации, формирования команд управления, преобразования их в управляющие сигналы, в соответствии с программой полета, связанный с модулем 29 программного обеспечения управления полетом БЛА и модулем 30 программного обеспечения управления работой технологического модуля 9 полезной нагрузки, комплексированную с процессором контроллера 28 интегрированную навигационную систему 31, включающую модуль инерциальной навигационной системы 32 в виде цифровых инерциальных датчиков (акселерометров, трехосевых гироскопов), объединенного с модулем спутниковой навигационной системы 33 в виде приемника ГЛОНАСС/GPS 34 с антенной 35. Полетный контроллер 28 комплексирован с блоками автоматического управления исполнительными механизмами 36 двигателей 4 и работой 37 технологического модуля 9 полезной нагрузки, и модулями датчиков внешней среды 38 и измерения высоты полета 39.
Модуль 32 инерциальной навигационной системы определяет и регистрирует с помощью акселерометров линейные ускорения, посредством гироскопов - углы поворотов и наклоны, значения которых передаются в процессор контроллера 28 БЛА 1.
Модуль спутниковой навигационной системы 33 определяет текущие пространственные координаты БЛА 1 в каждый данный момент времени в глобальной системе координат, а также скорость полета, путевые углы, UTC время - всемирное координированное время.
Интегрированная навигационная система 31 выдает истинный курс БЛА 1 в реальном масштабе времени. Полученные данные кодируются в соответствующие сигналы и передаются в контроллер 28 БЛА 1. Интегрирование данных, получаемых от инерциальной 32 и спутниковой 33 навигационных систем, минимизирует погрешность определения пространственных координат БЛА 1.
Блок 36 автоматического управления исполнительными механизмами обеспечивает управление двигателями 4 по сигналам, вырабатываемыми контроллером 28 в режиме реального времени и подачи сигналов двигателям 4.
Блок 37 автоматического управления работой технологического модуля 9 полезной нагрузки обеспечивает регулирование, распределение и подачу потоков рабочих жидкостей к распылителям 13 секционной штанги 12, приведение штанги 12 в рабочее положение в соответствии с высотой и диаметром кроны обрабатываемых деревьев и кустарников.
Модуль 39 измерения высоты полета выполнен в виде ультразвукового или лазерного высотомера.
Комплексирование блока управления 37 технологическим модулем 9 с контроллером 28 является устойчивым к внешним воздействиям и изменению параметров полета при выполнении технологического процесса обработки пестицидами плодовых деревьев и кустарников.
Блок 10 для размещения и подачи рабочих жидкостей содержит бак 40 для рабочей жидкости пестицидов, насос 41 с электроприводом для создания давления и перемещения рабочей жидкости из бака 40 к блоку 11. Бак 40 оснащен уровнемером 42 и заправочной горловиной 43 с дыхательным клапаном. Между баком 40 и насосом 41 установлен электрогидравлический нормально закрытый запорный клапан 44. Блок 10 соединен линией связи 45 с блоком 37 автоматического управления работой технологического модуля 9 полезной нагрузки, который в свою очередь соединен линией связи 46 с контроллером 28, а линией связи 47 - с блоком 11 регулирования и распределения потоков рабочей жидкости.
Блок 11 включает переливной электрогидравлический клапан 48 с пропорциональным управлением, пропорциональный редукционный клапан 49, регулирующий давление и расход рабочего потока в соответствии с опорными сигналами, поступающими от контроллера 28, электромагнитный расходомер 50, датчик давления жидкости 51. Блок 11 соединен гидролинией 52 с гидролинией групповой связи 53 распылителей 13.
Секционная штанга 12 выполнена П-образной и содержит взаимосвязанные горизонтальные 54, 55 и вертикальные 56, 57 телескопические секции с подвижными диаметральными звеньями 58, 59, 60 и 61, входящими одно в другое, с возможностью одновременного равномерного выдвижения всех звеньев в секциях, кроме первых неподвижных звеньев и нечетным количеством звеньев в секциях штанги 12. Длина звеньев каждой секции штанги 12, предпочтительно, равна шагу t расстановки распылителей 13.
Бесконтактные ультразвуковые датчики расстояния 17, 18 и 19, 20 установлены на центральных нечетных звеньях и на концах вертикальных секций 56 и 57 с горизонтальным направлением ультразвуковых потоков на крону обрабатываемых деревьев и кустарников и вертикальным направлением ультразвуковых потоков на почву, соответственно. Датчики 17, 18 и 19, 20 соединены линией связи 62 с контроллером 28.
Ультразвуковой датчик 21 с вертикальным направлением ультразвуковых потоков, определяющий расстояния до верха кроны деревьев и кустарников, установлен в нижней части блока 10 симметрично относительно секций 54, 55, 56 и 57 штанги 12 и соединен линией связи (не показано) с контроллером 28.
Установка ультразвуковых датчиков расстояния 17 и 18 на центральных нечетных звеньях вертикальных секций позволяет точно определять расстояние от распылителей 13 до ближайшей поверхности кроны деревьев.
Спектральные датчики распознавания вредителей и болезней 22, 23 и 24, 25, 26, 27 установлены на четных звеньях горизонтальных и вертикальных телескопических секциях 54, 55, 56 и 57 штанги 12, соответственно, симметрично по обе стороны от ультразвуковых датчиков расстояния 17, 18 и 21 и соединены линиями связи 63 и 64 с контроллером 28.
Установка спектральных датчиков 22, 23 и 24, 25, 26, 27 симметрично относительно ультразвуковых датчиков расстояния 17, 18 и 21 позволяет полностью оценить степень повреждения кроны болезнями и вредителями.
Механизмы выдвижения - втягивания 14 и 15 вертикальных звеньев 56 и 57 штанги 12 установлены на концах последних звеньев горизонтальных секций 54 и 55 штанги 12. Механизмы выдвижения - втягивания 16 горизонтальных секций штанги установлены в центре БЛА 1 под его корпусом 2. Механизмы 14, 15 и 16 соединены линией связи 65 с контроллером 28.
Распылители 13 установлены на концах каждого звена 58, 59, 60, 61 секций 54, 55, 56, 57 штаги 12. Распылители 13 выполнены с пропорциональным электрогидравлическим управлением, блоки которых соединены линией связи 66 с контроллером 28. Длина звеньев 58, 59, 60, 61 каждой секции 54, 55, 56 и 57 штанги 12, предпочтительно, равна шагу t расстановки распылителей 13.
Пропорциональное электрогидравлическое управление обеспечивает управление работой распылителей 13 в соответствии с картой - заданием обработки садовых насаждений.
Шаг t расстановки распылителей 13 выбран таким образом, чтобы при заданном расстоянии H распылителей 13 до кроны деревьев и кустарников, величина перекрытия ΔΒф факелов распыла, например, 67, 68 от смежных распылителей 13 составляла, по крайней мере, не менее, три четверти ширины факела распыла Βф рабочей жидкости одного распылителя 13. Это позволяет обеспечивать равномерное покрытие диспергируемой рабочей жидкостью пестицида всей зоны кроны, даже при отключении смежных распылителей 13 в случае уменьшения нормы внесения.
Беспилотный летательный аппарат для внесения пестицидов работает следующим образом.
В процессор полетного контроллера 28 загружают полетное задание, в котором отображают в электронном виде параметры маршрута полета и электронную карту - задание, являющееся программой дифференцированной обработки пестицидами садовых насаждений в системе точного садоводства. Для обработки устанавливают границы, площадь, длину гона, координаты обрабатываемых элементарных участков, нормы внесения рабочих жидкостей пестицидов, координаты стартовой точки и координаты точки окончания обработки, рабочую скорость и высоту полета, траекторию полета, координаты посадочной площадки для заправки рабочими жидкостями и замены аккумуляторной батареи 6.
В бак 40 через заправочную горловину 43 с контролем уровня по уровнемеру 42 в соответствии с электронной картой - заданием заливают рабочую жидкость пестицида, например, инсектицида или фунгицида.
От котроллера 28 передаются сигнал в блок 36 системы автоматического управления полетом, запускаются двигатели 4, производится раскрутка несущих винтов 5 и двигатели 4 переводятся во взлетный режим. Контроллер 28 передает управляющие сигналы в блок 36, производится вертикальный взлет БЛА 1. Аппарат поднимается в воздух и в соответствии с программой полета, подлетает к точке стартовых координат начала обработки, при этом координаты, определяемые интегрированной навигационной системой 31 сравниваются с заданными координатами, введенными в программу траекторного полета. Модуль 38 датчиков внешней среды передает информацию в микропроцессор контроллера 28 о параметрах внешней среды (скорости и направлении ветра, атмосферном давлении, температуре и влажности воздуха).
Модуль 39 измерения высоты полета передает на процессор контроллера 28 текущее значение высоты полета БЛА 1.
При подлете БЛА 1 к точке начала обработки по линии связи 65 передается сигнал от контроллера 28 к механизмам 14, 15 и 16 выдвижения - втягивания, посредством которых происходит выдвижение звеньев 58, 59, 60 и 61 секций 54, 55, 56 и 57 штаги 12 и перевод их из транспортного в рабочее положение в соответствии с размерами кроны деревьев или кустарников (диаметра и высоты) и заданного расстояния H от распылителей 13 до поверхности кроны.
Бортовой контроллер 28 передает через блок 37 по линиям связи 45 и 47 управляющие сигналы, соответственно, в блоки 10 и 11. Клапан 44 открывается, включаются в работу насос 41 и клапаны 48, 49 и устанавливается заданный перепад давления рабочей жидкости.
Рабочая жидкость подается насосом 41 в клапан 48, который поддерживает заданное давление на входе рабочей жидкости в клапан 49 за счет байпасирования части потока жидкости в бак 40. Клапан 49 поддерживает выходное значение перепада рабочего давления на заданном уровне или меняет перепад давления на выходе в соответствии с электронной картой - заданием дифференцированного внесения. От клапана 49 рабочая жидкость поступает в расходомер 50, который определяет текущее значение расхода и передает его по линии связи 47 в блок 37 и далее в контроллер 28. Датчик давления 51 измеряет текущее значение давления потока жидкости, которое по линии связи 47 передается в блок 37 и затем в контроллер 28. Контроллер 28 сравнивает текущие значения расхода и давления потока жидкости с заданными и, при необходимости, корректирует значение параметров потока подачей управляющих сигналов в блок 11 по линии связи 47 через блок 37. Из блока 11 рабочая жидкость поступает в гидролинию групповой связи 52 и далее к распылителям 13. От контроллера 28 по линии связи 66 передается сигнал к распылителям 13 на их включение. Распылители 13, в соответствии с электронной картой - заданием, автоматически открываются на заданный расход рабочей жидкости, соответствующий заданной норме внесения, и рабочая жидкость пестицида диспергируется на обрабатываемые деревья или кустарники.
В процессе полета БЛА 1 по заданной траектории при обработке пестицидами крон плодовых деревьев и кустарников ультразвуковые датчики расстояния 17 и 18 определяют геометрические размеры, плотность кроны, расстояние между деревьями или кустарниками и расстояние H от ближайшего распылителя 13 до кроны и далее передают информацию по линии связи 62 в контроллер 28, который сравнивает текущие значения расстояния с заданным расстоянием H и при необходимости передает управляющее воздействие на механизм 16, посредством которого горизонтальные секции 54 и 55 сжимаются или раздвигаются, уменьшая или увеличивая горизонтальное расстояние H от кроны до распылителей 13, расположенных на вертикальных секциях 56 и 57. Датчик 21 с вертикальным ультразвуковым потоком определяет расстояние H до верхней части кроны дерева или кустарника и передает текущие значения по линии связи (не показано) в контроллер 28. Вертикальные датчики 19 и 20 определяют расстояние от концов вертикальных секций 56 и 57 штанги 12 до поверхности почвы. Спектральные датчики 22, 23, 24, 25, 26, 27 распознавания вредителей и болезней в режиме реального времени сканируют крону деревьев и передают информацию в контроллер 28 по линии связи 64 о степени и локализации поражения деревьев или кустарников вредителями, или болезнями. Бортовой контроллер 28 анализирует полученную информацию и по линии связи 66 передает команду на включение в работу всех распылителей 13 или их части адекватно зоне и степени поражения вредителями или болезнями кроны деревьев или кустарников. При отсутствии плодовых насаждений в рядах плодовых деревьев или кустарников контроллер 28 подает команду на распылители 13 на их отключения. При появлении в зоне действия ультразвуковых датчиков расстояний 17, 18 и 21 деревьев или кустарников контроллер 28 дает команду на включение распылителей 13 в работу.
При выработке рабочей жидкости в баке 40, контролируемой уровнемером 42, сигнал от блока 37 поступает в бортовой контроллер 28, который посредством приемников 34 фиксирует координаты точки положения БЛА 1 на заданной траектории обработки садовых насаждений. Контроллер 28 передает управляющие сигналы через блок 37 по линиям связи 45 и 47 на отключение насоса 41, закрытие клапана 44, отключение распылителей 13. САУ 8 направляет БЛА1 к месту заправки рабочей жидкостью. Перед посадкой по сигналу от контроллера 28 посредством механизмов 14, 15 осуществляется втягивание вертикальных секций 58, 61 штанги 12 и БЛА1 осуществляет посадку для заправки бака 40 рабочей жидкостью. После заправки БЛА 1 взлетает, контроллер 28 передает сигнал к механизмам 14, 15 на выдвижение вертикальных секций 58, 61 на заданную длину. САУ 8 возвращает БЛА 1 в точку прерванного полета и процесс внесения пестицидов продолжается.
После окончания обработки поля передается сигнал от контроллера 28 к механизмам 14, 15 и 16 выдвижения - втягивания и происходит втягивание звеньев 58, 59, 60, 61 секций 54, 55, 56, 57 штаги 12 и перевод их из рабочего положения в транспортное.
Заявляемое устройство обеспечивает повышение качества обработки крон плодовых деревьев и кустарников, снижение расхода пестицидов на 30-50% и уменьшение загрязнения окружающей среды до предельно допустимых концентраций, повышение урожайности плодовых деревьев и ягодных кустарников за счет дифференцированной обработки пестицидами садовых насаждений, минимизирования дрейфа пестицидов в воздухе и, как следствие, сноса их из зоны обработки.