Автоматизированный агрегат для магнитно-импульсной обработки растений в садоводстве

Эффективность цифровых технологий для производства продукции садоводства заключается не только в известных преимуществах автоматизации производства (повышение производи- тельности и интенсивности использования оборудования, исключение ручного труда и т. д.), но и в достижении технологического эффекта путем создания наиболее благоприятных условий для биологических объектов. Как показы-

^

вает анализ научных исследований, с этой целью в настоящее время активно осуществляется поиск эффективных абиотических малоэнергозатратных факторов и экологически безвредных технологий, которые могут повысить устойчивость растений и стимулировать их рост и развитие в полевых условиях.

В настоящее время на обширном экспериментальном материале доказано реагирование биологических объектов на действие искусственного магнитного поля, а также предложены различные способы использования искусственного магнитного поля для повышения урожайности культур [1–3]. По мнению исследователей, наиболее перспективным способом является применение электромагнитного поля, т. к. это предоставляет широкие возможности для изменения частот и позволяет генерировать модулированное по амплитуде и частоте ЭМП с заданной формой сигналов [4–5].

Применение технических средств для выполнения магнитно-импульсной обработки растений в условиях промышленных плантаций позволит продолжить дальнейшие исследования по изучению влияния низкочастотного магнитного поля на растительные объекты в полевых условиях.

Цель исследований – обоснование параметров автоматизированного агрегата и разработка алгоритма работы автоматического поддержания требуемого значения магнитной индукции в рабочей зоне при выполнении МИО растений в садоводстве.

Для обеспечения качественного облучения растений низкочастотным магнитным полем с помощью автоматизированного агрегата необходимо, чтобы в рабочей зоне при его движении со-

Том 28, № 4. 2018

хранялось требуемое значение магнитной индукции.

Обзор литературы

Для воздействия магнитным полем на растения в полевых условиях и выявления эффекта МИО учеными созданы и использованы различные экспериментальные образцы технических средств. Например, механизированная платформа МИО растений разработана ФГБНУ «ВСТИСП», г. Москва (рис. 1).

Р и с. 1. Механизированная платформа для МИО земляники садовой

F i g. 1. Mechanized platform for magnetic pulse processing of strawberry garden

На дополнительной раме велоплатформы в горизонтальной плоскости размещены магнитные индукторы, питание осуществляется от аккумуляторной батареи.

Платформа обладает существенными недостатками, среди которых плохая проходимость, неравномерность хода, невозможность длительной обработки и малая производительность1.

В 2007-2009 гг. на основе активатора магнитно-импульсной обработки растений (АМИ-3) был разработан и изготовлен мобильный агрегат (МА), устанавливаемый на трактор ВТЗ 2048А, с рабочим органом для об- лучения растений земляники садовой (рис. 2).

Р и с. 2. Мобильный агрегат МИО земляники садовой

F i g. 2. Mobile assembly for MPP of garden strawberry

Агрегат включает раму, систему питания и аппарат МИО с двумя плоскими индукторами (с возможностью перемещения в вертикальной плоскости). Применение агрегата на промышленной плантации земляники обеспечило прирост урожайности земляники, выращиваемой промышленным способом, на 30 % за счет стимуляции им- пульсным магнитным полем обменных процессов на определенных фазах развития растений [6].

Анализ зарубежных исследований показал, что существуют отдельные разработки, относящиеся к малоэнергоемким и экологически безопасным технологиям для активизации жизненных процессов растений (рис. 3).

Аграрный робот «Bonirob» различает сорняки и культуры при помощи встроенного алгоритма на базе загруженных изображений. Манипулятор подстраивается под сорняки и срезает их2.

Рассмотренные образцы технических средств для МИО растений обладают рядом значительных недостатков. Они не адаптируются автоматически к высоте растений и междурядьям; предназначены только для обработки низкорастущих культур горизонтально к почве; не имеют возможности изменения угла наклона рабочих органов (магнитных индукторов) для облучения высокорослых растений; обладают малой производительностью; неспособны поддерживать во время работы заданное расстояние между рабочими

Р и с. 3. Платформа Bonirob Amazone (Германия)

F i g. 3. Bonirob Amazone platform (Germany)

и органами и обрабатываемыми культурами, что в конечном итоге влияет на качество проведения технологической операции.

Материалы и методы

С использованием методов математического моделирования, теоретической механики и оптимального проектирования в САПР «КОМПАС-3D» была визуализирована 3D-модель и изготовлен опытный образец автоматизированного агрегата МИО (рис. 4).

В качестве приводов рабочих индукторов агрегата были выбраны электронно-управляемые электроцилиндры, закрепленные на раме3 [7].

Том 28, № 4. 2018

Наиболее важными факторами для оценки и подбора линейных приводов агрегата являются создаваемое усилие, полезная нагрузка и скорость перемещения выходного звена (штока актуатора) (рис. 5).

Анализ диаграмм позволяет установить оптимальные параметры электроцилиндров: мощность - 50 Вт, питание - 12 V, ход штока - 200-600 мм, скорость – 10–45 мм/с, нагрузка – 200– 900 H. С такими параметрами электроцилиндры обеспечивают максимальное изменение ширины захвата агрегата до 3,6 м, подъем-опускание рабочих органов массой 50 Н на 300 мм, изменение

Р и с. 4. Автоматизированный агрегат для МИО растений:

1 – рама; 2 – блок управления; 3 – аппарат МИО; 4 – рабочие органы (магнитные индукторы);

5 – 7 – электроцилиндры поддержания заданного расстояния между индукторами и растениями;

8 - 10 - электроцилиндры изменения угла наклона; 11 - 12 - электроцилиндры изменения ширины захвата; 13 – съемные колеса; 14 – крепления к навеске трактора

F i g. 4. Automated unit for MPP of plants:

1 - frame; 2 - control unit; 3 - MPP apparatus; 4 - working parts (magnetic inductors);

5-7 - electrocylinders for maintaining the given distance between inductors and plants;

8-10 - electrocylinders angle slopes; 11-12 - slat width changing electrocylinders;

13 – removable wheels; 14 – attachments to tractor hitch

максимальная / maximum номинальная / nominal

a)

b)

Р и с. 5. Экспериментальные параметры линейных приводов: а) зависимость величины тока от нагрузки, b) зависимость скорости возвратно-поступательного перемещения штока актуатора от нагрузки

F i g. 5. Experimental parameters of linear drives:

• a) dependence of current value on load, b) dependence of reciprocating speed actuator rod on load

угла наклона индукторов в горизонтальной плоскости до 90° 4 .

Исследование и разработка алгоритма работы системы управления положением рабочих органов перемещения штоков актуаторов проведены в лабораторных условиях с использова- нием программно-аппаратных средств (рис. 6).

Программный код расчета требуемого перемещения штока актуатора разработан в текстовом редакторе Sublime Text. Использован язык программирования C++. Функциональные возмож-

• ⁴    Кутырёв А. И. Расчет привода рабочего органа автоматизированного агрегата магнитно-импульсной обработки садовых растений // Плодоводство и ягодоводство России : сб. науч. раб. 2017. Т 50. С. 184-188. URL: https://elibrary.ru/item.asp ?id=30730810

  
  
  

Р и с. 6. Программно-аппаратные средства системы автоматического изменения ширины захвата агрегата, поддержания расстояния и угла между индукторами и растениями:

1 - актуаторы изменения ширины захвата агрегата; 2 - актуаторы поддержания заданного расстояния; 3 - актуаторы изменения угла наклона рабочих органов; 4 - микроконтроллер;

• 5    - драйверы моторов; 6 - бесконтактный ультразвуковой датчик; 7 - инфракрасный пульт ДУ с IR-приемником; 8 – TFT-экран; 9 – препятствие; 10 – блок питания

F i g. 6. Hardware and software system for automatic change of the width unit, maintaining the distance and angle between the inductors and plants:

• 1    – actuators for changing the working width of the unit; 2 – actuators for maintaining the specified distance; 3 - actuators for changing the angle of inclination working elements; 4 - microcontroller;

• 5    - motor drivers; 6 - non-contact ultrasonic sensor, 7 - infrared remote control with IR receiver;

8 – TFT screen; 9 – obstacle; 10 – power supply ности программы для ЭВМ связаны с возможностями контроллеров STM32, Arduino Mega/Uno/Nano. Для вывода графической информации и взаимодействия с ней использован экран TFT 320x240, Nextion 2.4.

Результаты исследования

При выполнении МИО растений навесной агрегат с тяговой машиной (мобильный агрегат) движется по плантации с неровностями, величина которых не превышает требования агрофо- на для обрабатываемой культуры. При наезде МА на неровность положение магнитного индуктора изменяется, что ведет к изменению положения зоны воздействия с необходимыми параметрами для качественного выполнения технологической операции.

При наезде переднего колеса МА на неровность происходит смещение рабочего органа (магнитного индуктора) вниз. Наиболее сильно свое местоположение изменяет максимально удален- ная от центра поворота точки К задняя часть индуктора – точка D (рис. 7).

Величину смещения точки D можно вычислить по формуле:

t 2 = sin( a ) C 2 D + cos ( a ) t 1 .

Определив t ₂ и зная радиус колеса, можно рассчитать уровень расположения индуктора при наезде переднего колеса трактора на неровность, т. е. расстояние от плоскости индуктора до уровня почвы:

13 = R -12, где R – радиус заднего колеса трактора.

В качестве базового был выбран трактор «Беларус-1221». Радиус заднего колеса трактора R = 460 мм; угол, образованный с учетом неровностей агрофона, а = 7°; расстояние от уровня центра заднего колеса до уровня индуктора t1 = 200 мм; значение t2 = 0,12·1467 + 0,75·200 = 282,5 мм. Тогда расстояние t3 = 460 ‒ 282,5 = 177,5 мм. В данном случае значение параметров облучения в зоне обработки значительно изменится и повлияет на рассеивание магнитного поля и, соответственно, на качество выполнения технологической операции.

Для поддержания постоянного значения магнитной индукции в рабочей зоне и качественной обработки растений актуаторы в автоматическом режиме подстраиваются под неровности агрофона и агротехнологические параметры растений с учетом размеров и строения кустов, а также размерных характеристик междурядий и рядков тех или иных сортов.

На примере земляники садовой аг-ротехнологическая модель рассчитана на ширину куста 0,34-0,64 м при средней величине 0,459 м (рис. 8). Высота кустов находится в пределах 0,21–0,45 м при среднем значении 0,325 м5.

Р и с. 7. Схема изменения уровня расположения магнитного индуктора при наезде переднего колеса мобильного агрегата МИО на неровность

F i g. 7. Scheme of change in level of magnetic inductor when the front wheel mobile unit MPP hits the unevenness

Высота куста, мм Bush height, mm

Ширина куста, мм Bush width, mm

Р и с. 8. Агротехнологическая модель куста земляники садовой

F i g. 8. Agro-technological model of a bush of strawberry

распространения звука на время. Звуковая волна проходит расстояние от датчика до объекта и обратно, поэтому при определении расстояния только до объекта результат делится на 2:

L = V • E /2, (1)

где L ‒ расстояние до растения, м; V ‒ скорость звука в воздухе, м/c; E ‒ время ожидания эха, с.

Скорость звука в воздухе - величина непостоянная и зависит от температуры:

V ² = у R^T , M

где γ ‒ показатель адиабаты воздуха, ед.; R - универсальная газовая постоянная (Дж/моль*К); T - абсолютная температура воздуха, К; M ‒ молекулярная масса воздуха, г/моль.

Подставив в формулу известные значения γ , R , M , получим:

В результате проведенных лабораторных исследований разработана блок-схема, описывающая алгоритм работы приводов рабочих органов навесного агрегата МИО (рис. 9) с ультразвуковыми датчиками при выполнении технологической операции с учетом агротех-нологической модели куста земляники садовой.

Задав требуемое расстояние до объекта облучения, запускаем цикл, включающий в себя определение текущего расстояния до объекта, расчет изменения дистанции и перемещение штока на требуемое расстояние в зависимости от заданных условий.

При выполнении облучения низкочастотным магнитным полем ультразвуковые датчики измеряют расстояние до объекта, генерируют узконаправленный сигнал на частоте 40 кГц и, дойдя до препятствия в виде растения, улавливают отраженный сигнал (рис. 10).

Расстояние до растения и обратно рассчитывается умножением скорости

V » 20, 042 T.           (3)

Подставим формулу (3) в (1), переведя L из м в см, E – из с в мкс, T – из К в °C , и получим:

L - EJ ( t + 273,15 ) /1000 , (4)

где t ‒ температура, °C.

Показания всех датчиков агрегата, значения максимальных и минимальных высот растений под рабочей площадью индуктора передаются в микроконтроллер, где рассчитывается требуемое перемещение штока актуатора.

Для регулировки угла наклона и высоты индукторов датчики закреплены на рабочих органах и раме агрегата.

Датчики поддержания заданной высоты ( В ) магнитных индукторов установлены под углом 30°. Актуаторы в зависимости от показаний датчиков получают сигнал от микроконтроллера

Р и с. 9. Блок-схема алгоритма работы приводов рабочих органов автоматизированного агрегата МИО

Technologies and means of maintenance in agriculture                                         633

F i g. 9. Flowchart of the algorithm operation actuators of the operating elements of the automated assembly unit MPP

а)                 b)

Р и с. 10. Принцип работы ультразвуковых датчиков при облучении растений:

• а)    диаграмма направленности излучения датчика; b) определение дистанции до объекта МИО F i g. 10. Principle of operation ultrasonic sensors in the performance of technological operation irradiation of plants: a) radiation pattern of sensor;

• b)    determination of the distance to MPP object

и перемещают шток на требуемое расстояние, изменяя высоту h.

Задержка времени перемещения штока актуатора изменения высоты h магнитных индукторов зависит от расстояния b и скорости движения V автоматизированного агрегата с выбранным режимом МИО (рис. 11).

V, м/с / V, m/s

a)

b)

Р и с. 11. Схемы изменения уровня расположения магнитных индукторов:

• а)    регулировка высоты магнитных индукторов,

• b)    регулировка угла наклона магнитных индукторов

F i g. 11. Schemes of the level of magnetic inductors:

• a)    adjustment of height of magnetic inductors,

• b)    adjustment of the angle of inclination of magnetic inductors

Расстояние b находится из прямоугольного треугольника ABC:

b = c • cos ( A ) .             (5)

Скорость движения агрегата находится по формуле:

3,6 ( L + d ) F

V =----- n -----м/с, ⁽⁶⁾

где L - длина плоского индуктора рабочего органа в направлении движения агрегата, м; d - диаметр куста растений, м; F - частота следования импульсов магнитной индукции, Гц; N – число воздействующих импульсов магнитной индукции; с - показания ультразвукового датчика, м.

Отсюда можно определить время задержки подстройки рабочих органов под растения:

c • cos ( A )• N

^T = 3,6 ( L + d ) F ’ с

Требуемое расстояние ΔS ₁ и ΔS ₂ выдвижения/втягивания штоков актуаторов в теле цикла находится по формулам:

N S 1 = c • sin ( A ) - M, мм;     (8)

A S 2 = L 3 - M , мм;       (9)

где M – требуемое расстояние между растением и магнитным индуктором, мм; L2, L3 – измеренное ультразвуковым датчиком расстояние от поверхности магнитного индуктора до растения, мм; sin(A) регулируемый угол наклона поворота ультразвукового датчика, град.

Изменение ширины захвата агрегата происходит также с помощью инфракрасного пульта дистанционного управления. Режим работы аппарата МИО (параметры воздействия) выбирается на блоке управления в зависимости от обрабатываемой культуры. Питание блока управления аппарата МИО и системы адаптации осуществляется от инвертора и бортовой сети тяговой машины.

Для управления рабочими органами автоматизированного агрегата разработана программа [8–10]. Фрагмент программного кода расчета требуемого перемещения штока актуатора представлен на рис. 12.

В систему управления агрегатом включены программные модули, обеспечивающие управление рабочими органами как в автоматическом режиме, так и дистанционно. Работа с программой начинается с разблокировки экрана. Далее открывается основная кнопочная форма, на которой выбирается режим работы агрегата:

• 1)    ручная настройка;

• 2)    выбор культуры (автоматическая).

В ручном режиме настраивается требуемое расстояние до объекта облучения, ширина захвата агрегата, угол наклона рабочих органов.

//замер дистанции до объекта // distance measurement distance = sonar.ping_cm();

//рассчёт изменения расстояния // distance calculation distanceDelta = distance - distanceLast;

• //запоминаем текущее расстояние для дальнейших рассчётов //remember the current distance distanceLast = distance;

  //вызываем функцию перемещения штока актуатора //actuator travel function motion(distanceDelta);

Р и с. 12. Программный код расчета расстояния перемещения штока актуатора

F i g. 12. The program code for calculating the displacement distance of the actuator rod

636                    Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

Для работы в автоматическом режиме выбирается объект облучения (низкорослое / высокорослое растение), требуемое расстояние до объекта обучения и технология посадки.

Выбор режима работы осуществляется на сенсорном дисплее Nextion 2.4. (рис. 13).

Р и с. 13. Меню выбора режима работы агрегата

F i g. 13. Unit operation mode selection menu

Разработанный алгоритм работы системы управления позволяет накапливать в базе экспериментальных данных информацию о растительных объектах в полевых условиях.

Обсуждение и заключение

Созданный агрегат позволяет внедрить новый экологически безопасный технологический прием стимуляции жизненных и ростовых процессов плодовых культур, а также повысить точность выполнения операции за счет автоматической подстройки к различным агротехнологическим параметрам насаждений, обеспечивая требуемое значение магнитной индукции в рабочей зоне на растительных объектах в полевых условиях.

По результатам полевых экспериментов можно отметить, что наиболее эффективными для стимуляции жизненных процессов вегетирующих частей садовых культур являются следующие режимы агрегата МИО:

– скорость движения V = 2,5 км/ч;

– частота импульсов магнитного поля – 15,325 Гц;

– скважность – 16,145;

– значение магнитной индукции в зоне облучения – 5,05 мТл;

– форма магнитных импульсов – прямоугольная;

– направление вектора магнитной индукции – вертикально вниз.

Данные параметры обеспечивает разработанный аппарат МИО [15] c плоской спиральной катушкой апертурой из 48 витков кабеля 1 х 2,5 мм, наружным диаметром 400 мм, внутренним диаметром 30 мм и индуктивностью 373 мкГн. Числовое значение величины индукции магнитного поля на расстоянии 100 мм от центра катушки составляет 5 мТл.

Анализ схем технологического применения агрегата и результатов полевых испытания показал, что регулируемая ширина захвата в пределах 1,4–1,8 м и возможность регулировки наклона рабочих индукторов в диапазонах 0–90° позволяют применять автоматизированный агрегат на посадках земляники садовой с междурядьем 0,8–0,9 м, в садах интенсивного типа с междурядьями 3,0–3,5 м и кустарниковых ягодниках с междурядьями 2,5–3,5 м (рис. 14).

Производительность агрегата на различных типах посадки садовых культур зависит от количества используемых рабочих органов:

W _CM = 0,1^ n BV•’Tvt _см , га в смену;

где n ‒ количество используемых магнитных индукторов, шт.; B ‒ ширина катушки индуктивности, м; Т _см продолжительность рабочей смены, ч; V ‒ ра-

Земляника садовая, схема 0,9 м х 0,4 м

Strawberry, scheme 0,9 m х 0,4 m

Плодовый сад, схема 3 м х 1,5 м Fruit garden, scheme 3 m х 1,5 m

Р и с. 14. Конструктивно-технологические схемы работы автоматизированного навесного агрегата МИО в садовых насаждениях

F i g. 14. Structural and technological schemes for MPP operation of automated unit in garden plantations бочая скорость движения агрегата, км/ч; tсм коэффициент использования рабочего времени; 0,1 - переводной коэффициент, дающий размерность производительности в гектарах.

638 Технологии и средства

На землянике садовой с технологией посадки 0,9 х 0,4 м производительность агрегата МИО - 2,8 га в смену; на кустарниковых ягодниках со схемой посадки 3,5 x 1,2 м – 2,24 га в смену; в плодовом технического обслуживания в сельском хозяйстве

Т а б л и ц а T a b l e

Технико-экономические показатели применяемой и предлагаемой технологии возделывания земляники садовой

Technical and economic indicators of the applied and proposed technology cultivation of garden strawberry

Показатели / Indicators Уход за земляникой садовой с применяемой технологией / Carrying out the operation for care of garden strawberry with the technology used Уход за земляникой садовой с предлагаемой технологией / Carrying out the operation for care of garden strawberry with the proposed technology 1 2 3 Основная зарплата, руб. / Salary, rub. 230 893,40 231 919,39 Горюче-смазочные материалы, руб. / Combustive-lubricating materials, rub. 24 535,91 27 446,91 Мульчирующий материал, руб. / Mulching material, rub. 50 000,00 50 000,00 Ядохимикаты (всего), руб. / Pesticides (total), rub. 656,90 656,90 Оросительная смесь, руб. / Irrigation mixture, rub. 32 435,00 32 435,00 Амортизация, техническое обслуживание, текущий ремонт, руб. / Amortization, maintenance, current repairs, rub. 16 381,30 19 821,20 Итого прямых затрат, руб / Total direct costs, rub. 354 902,51 362 279,40 Урожайность, ц/га / Productivity, centner/ha 70,50 84,60 Себестоимость 1 ц. ягод, руб. / Cost price of 1 centner of berries, rub. 5 034,08 4 282,26 Цена реализации, руб./ц. / Sales price, rub./centner 13 000,00 13 000,00 Доход, руб./га / Income, rub./ha 916 500,00 1 099 800,00 Прибыль, руб./га / Profit, rub./ha 314 940,25 485 736,41 Рентабельность, % / Profitability, % 52,35 79,10 Стоимость агрегата МИО, руб. / Cost of the MPP unit, rub. – 223 306,82 Срок окупаемости / Payback period – 0,46 саду со схемой посадки 3 х 1,5 м – 1,12 га в смену.

Расчет экономической эффективности проведен в сравнении с типовыми картами ухода за садовыми насаждениями6–7. Для примера в таблице представлен расчет материальных затрат на уход за земляникой садовой с использованием агрегата МИО и без него.

Том 28, № 4. 2018

Анализ расчетных данных показывает, что срок окупаемости капитальных вложений на приобретение агрегата МИО и его использование на площади 10 га составляет 0,46 года, рентабельность производства увеличивается на 26,75 % за счет повышения до 20 % потенциальной урожайности обработанных низкочастотным магнитным полем садовых культур.

Об авторах:

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.