Разработка роботизированного устройства для дифференцированного внесения средств защиты растений

Актуальность работы. Анализ технологий внесения средств защиты растений свидетельствует о том, что в основе существующих методов лежит технология сплошного опрыскивания. При этом за последние 10 лет количество применяемых в России средств защиты растений с 50 тысяч тонн выросло до более 200 тысяч тонн. Применение технологий точного земледелия позволяет повысить эффективность использования химических средств, снизить негативное влияние на выращиваемые сельскохозяйственные культуры и окружающую среду. Согласно данным производителей, экономия от применения средств защиты растений в данных методах может составлять до 65% в зависимости от культуры и типа посадки. С целью обеспечения рационального использования средств защиты растений при опрыскивании предлагается разработать роботизированное устройство для дифференцированного внесения с возможностью адаптации рабочих органов в зависимости от индивидуальных параметров растений, что позволит снизить количество применяемых средств защиты растений и обеспечить необходимую равномерность процесса внесения. Степень разработанности темы. Теоретические и методологические положения, связанные с разработкой технологии дифференцированного внесения, алгоритмов, роботизированных устройств и рабочих органов в агротехнических процессах, рассмотрели в своих работах российские ученые: А.Ю. Измайлов, Н.М. Марченко, В.Ф. Федоренко, Г.И. Личман, И.Г. Смирнов, И.А. Несмиянов, Н.С. Воробьева, Д.О. Хорт, Н.С. Попов, Ю.Ю. Громов, В.И. Балабанов, В.А. Милюткин, С.А. Семизоров, В.П. Якушев, Н.В. Абрамов, С.В. Шерстобитов, В.Э. Буксман и другие. Следует отметить, что применение средств защиты растений в сельскохозяйственном производстве может иметь долгосрочные негативные последствия для окружающей среды. С развитием технологий точного земледелия появляется возможность реализовать метод дифференцированного внесения средств защиты растений на сельскохозяйственных угодьях. Дифференцированное внесение является ключевым принципом устойчивого развития сельского хозяйства, позволяющим снизить расход средств защиты растений и увеличить урожайность при минимальном воздействии на окружающую среду. При этом существующие технологии дифференцированного внесения зачастую используют принцип умного управления форсунками, включая и выключая их над растением. Такой принцип работы не учитывает равномерность внесения по растению. У ведущих производителей, предлагающих оборудование для дифференцированного опрыскивания, отсутствует возможность адаптации положения форсунок, что приводит к перерасходу рабочей жидкости. Решением вышеуказанных проблем является разработка роботизированного устройства с интеллектуальной системой расчета зоны обработки и дозирования, а также возможностью адаптации рабочих органов в режиме реального времени с учетом параметров каждого растения. Цель работы – разработка роботизированного опрыскивающего устройства, обеспечивающего точное позиционирование рабочих органов при дифференцированном внесении средств защиты растений. Основные задачи выполняемой работы: 1. Провести анализ существующих технологий и технических средств внесения средств защиты растений; 2. Обосновать параметры и режимы работы при дифференцированном внесении средств защиты растений; 3. Разработать алгоритм функционирования роботизированного устройства, который включает в себя выделение целевой площади обработки и управление системой позиционирования рабочих органов; 4. Провести лабораторные и полевые исследования роботизированного устройства с системой позиционирования рабочих органов; 5. Провести оценку экономической эффективности роботизированного устройства для дифференцированного внесения средств защиты растений. Объект исследования – технологический процесс дифференцированного внесения средств защиты растений. Предмет исследования – зависимости равномерности процесса опрыскивания при дифференцированном внесении средств защиты растений от конструктивно-технологических параметров и режимов работы роботизированного устройства. Научная новизна исследований: - теоретические зависимости для определения технологических параметров роботизированного устройства для дифференцированного внесения средств защиты растений; - адаптивная система позиционирования рабочих органов для дифференцированного внесения средств защиты растений; - алгоритм выделения целевой области обработки при дифференцированном внесении средств защиты растений. Практическая значимость исследований. Применение технологии дифференцированного внесения средств защиты растений при возделывании сельскохозяйственных культур позволит снизить расход используемых химикатов, уменьшить степень загрязнения окружающей среды и выращиваемых растений, повысить экономическую эффективность агропромышленных предприятий за счет повышения точности внесения средств защиты растений. Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач применялись методы физики, математики, теоретической механики, математического программирования и моделирования. Обработка экспериментальных данных, разработка и обучение алгоритмов, компьютерное моделирование осуществлялись с помощью программных средств Tensorflow, PostreSQL, Siemens NX, Autodesk Netfabb, Meshlab, Autodesk Fusion 360, Microsoft Visual Studio, MathCad 15, Excel, Google Colaboratory, MathCad 15, ImageJ, PlanExp B-D13. Достоверность основных положений работы. Лабораторные и полевые исследования проводились в соответствии с современными действующими ГОСТами. Для обеспечения достоверности и воспроизводимости результатов исследований при постановке опытов использовалось технологичное оборудование и применялась методика многофакторных экспериментов с последующим статистическим анализом в специализированном программном обеспечении. Результаты исследования прошли широкую апробацию в печати, на научно-практических конференциях и выставках. Апробация результатов. Результаты работы подтверждены золотой медалью Российской агропромышленной выставки «Золотая осень» (2021 г.). Основные положения доложены и одобрены на Международной научно-практической конференции «Устойчивое развитие в сельском хозяйстве, экологическая безопасность и энергетическая эффективность» (19 октября 2021 года г., Москва, ФГБОУ ВО Саратовский ГАУ), на XI Международном форуме «Дни сада в Бирюлево: Достижения науки в реализации доктрины продовольственной безопасности» (19–20 августа 2021 года г., Москва, ФГБОУ ФНЦ Садоводства), Международной научно-технической конференции «Цифровые технологии и роботизированная технологические средства для сельского хозяйства» (12–13 декабря 2019 г., Москва, ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) и т.д. Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ, в том числе 11 работ в рецензируемых научных изданиях, из которых 4 статьи - в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 5 статей в изданиях, которые входят в международные реферативные базы данных и системы цитирования Web of Science и Scopus, 1 патент на изобретение, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, а также 5 публикаций в сборниках материалов международных и всероссийских научных конференций.