СПОСОБ ОДНОВРЕМЕННОГО ДИФФЕРЕНЦИРОВАННОГО ВНЕСЕНИЯ ЖИДКИХ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ И ГЕРБИЦИДОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2022 года по МПК A01C21/00 A01C23/02 

Изобретения относятся к области сельского хозяйства, в частности к автоматизированным системам управления земледельческими технологиями при использовании информации от оптических средств дистанционного зондирования земли.

В технологиях точного земледелия при выполнении технологических операций по внесению минеральных удобрений и гербицидов важно учитывать одновременное влияние их на рост и развитие растений возделываемой культуры и сорных растений, для чего необходимо оценивать биомассу культурных и сорных растений в составе агроценоза.

Известен способ дифференцированного внесения жидких минеральных удобрений, заключающийся в том, что отдельно для каждого элементарного участка поля предварительно формируют локальными дозаторами рабочих органов заданные дозы отдельных компонентов агрохимикатов и вносят их отдельными импульсами расхода удобрений, одновременно смешивая их между собой импульсами расхода сжатого воздуха, распыляющего смесь удобрений на элементарных участках (RU 2321201 С2, 2008). Изобретение позволяет дифференцированно вносить удобрения, обеспечивать заданную дозу смеси компонентов для каждого элементарного участка поля при одновременном снижении сложности устройства.

Однако в способе при определении доз внесения агрохимикатов не оценивается состав агроценоза по биомассе посева растений культуры и сорных растений и не учитывается влияние минеральных удобрений и гербицидов на их рост и развитие.

Известен способ управления состоянием сорных растений, включающий в себя сбор данных о состоянии сорных растений с помощью оптических или оптоэлектронных датчиков, определение степени засоренности посевов по информации датчиков и обработку посева гербицидами с размерами доз, зависящими от степени засоренности посевов («Точное сельское хозяйство (Precision Agriculture)» Под общей редакцией Д. Шпаар, А.В. Захаренко, В.П. Якушева, Изд. ВИЗР, Санкт-Петербург, Пушкин. 2009, С. 159-175).

Недостатки известного способа: при определении размера доз обработок гербицидами не учитывается биомасса сорных растений, кроме того, внесение гербицидов в агроценоз подавляет рост не только сорных, но и культурных растений. Это приводит к существенным потерям урожая возделываемых культур, повышенному расходу гербицидов и повышению степени загрязнения окружающей среды.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению, относящемуся к способу, является способ автоматизированного управления формированием урожая по патенту RU 2264703 С2, 2005 (прототип). Этот способ включает операции по получению информации о состоянии почвы, растений и погодных условий на каждом малом фрагменте сельскохозяйственного поля путем выполнения измерительного прохода сельскохозяйственной машины и сопоставления с сигналами автономной системы определения пространственных координат. На основании этой информации предварительно определяют оптимальную программу изменения средних по полю показателей развития растений, параметров почвенной среды и параметров технологических операций. Затем проводят операции сравнения в реальном времени оптимальных значений с фактически измеренными состояниями растений и почвенной среды, на основании чего формируют параметры технологических операций, выполняемых рабочими проходами сельскохозяйственных машин, где общий размер технологического воздействия складывается из предварительно найденного оптимального среднего и локальной оперативной поправки. Это обеспечивает повышение надежности формирования урожая.

Существенным недостатком способа по прототипу является то, что он не учитывает полное состояние агроценоза, в котором кроме основной культуры присутствуют сорные растения, биомасса которых может равняться биомассе культурных растений, а технологические воздействия, формируемые в соответствии со способом, в равной степени стимулируют рост как культурных, так и сорных растений. Это приводит к существенному снижению урожая культур и перерасходу затрачиваемых ресурсов удобрений и воды.

Известно устройство дифференцированного внесения жидких минеральных удобрений, включающее рабочие органы, равномерно распределенные вдоль широкозахватной штанги и представляющие собой индивидуальные объемные дозаторы компонентов жидких удобрений, выполненные в виде цилиндров со свободно перемещающимися в них поршнями, мерные объемы которых соединены через управляемые запорные клапаны с всасывающими входами инжекционных распылительных форсунок. Каждый из дозаторов оборудован собственным регулятором доз, подключенным к управляющему компьютеру (RU 2321201 С2, 2008).

Это устройство имеет следующие недостатки: высокая сложность и недостаточная надежность в работе, связанная с наличием в нем большого числа электромагнитных клапанов, работающих в агрессивной и абразивной среде агрохимикатов под высоким рабочим давлением. При большом числе переключений шаровые поверхности рабочих органов клапанов быстро изнашиваются, что при высоком рабочем давлении приводит к протечкам рабочих растворов и уменьшению надежности работы всего устройства.

Известно также устройство для управления состоянием сорных растений, содержащее штангу опрыскивателя с установленными на ней через равные промежутки распылителями для внесения гербицидов и оптические камеры для распознавания сорных растений. При этом управление каждым распылителем, установленным на штанге опрыскивателя, осуществляется индивидуально над местом прорастания обнаруженной сорной растительности (https://zen.yandex.ru/media/glavpahar/effektivnye-resheniia dlia-differencirovannogo-vneseniia-pesticidov-5f3534).

Недостаток устройства заключается в том, что при формировании доз обработок гербицидами не учитывается состояние растений основной культуры. Это приводит к подавлению роста и развития посевов культуры и, как следствие, к снижению их урожайности.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению, относящемуся к устройству, является устройство для дифференцированного внесения жидких агрохимикатов по патенту RU 2415545 С1, 2011 (прототип). Это устройство содержит гидрорезервуар для агрохимикатов с числом рабочих отсеков, равным числу смешиваемых компонентов, широкозахватную штангу для распределения удобрений, рабочие органы, закрепленные на штанге, в виде инжекционных форсунок, гидросистему, управляемую от общего прибора управления, позволяющего автоматически обеспечивать заданные технологические режимы внесения удобрений при переходе с одного элементарного участка обрабатываемого поля на другой, индивидуальные дозаторы компонентов на каждой форсунке, выполненные в виде поршневых пар, мерные объемы которых оборудованы датчиками положения и регуляторами доз. При этом поршневые пары индивидуальных дозаторов компонентов оборудованы линейными электрическими сервоприводами с встроенными датчиками положения, управляющие входы которых соединены с выходами регуляторов доз, входы которых связаны с датчиками положения сервоприводов и общим управляющим устройством. Мерные объемы индивидуальных дозаторов соединены с подающими трубопроводами через первые обратные клапаны, обеспечивающие пропуск рабочих растворов от гидрорезервуара, и с всасывающими входами инжекционных форсунок - через вторые обратные клапаны, обеспечивающие выпуск рабочих растворов в форсунки.

При использовании этого изобретения достигается упрощение конструкции и повышение надежности работы устройства, однако оно формирует технологические воздействия, стимулирующие рост не только культурных растений, но и сорняков, что приводит к увеличению степени засоренности посевов и существенному снижению урожая.

Изобретение в части способа решает задачу повышения урожайности основной культуры в составе агроценоза за счет одновременного выполнения технологических операций по внесению минеральных удобрений и гербицидов и учета одновременного влияния их на растения возделываемой культуры и сорные растения.

Для получения такого технического результата в предлагаемом способе одновременного дифференцированного внесения жидких минеральных удобрений и гербицидов, как и в прототипе по патенту RU 2264703, получают информацию о физических свойствах возделываемых растений и химическом составе почвы на основном сельскохозяйственном поле путем периодического отбора проб, используют математические модели влияния почвенных и климатических факторов на конечный урожай, производят расчеты параметров основных технологических воздействий, реализуют технологических воздействий в реальном времени в соответствии с этими расчетами для каждого малого фрагмента поля путем сравнения измеренных значений показателей развития растений с их оптимальными средними значениями и формируют поправки к средним оптимальным значениям параметров технологических воздействий для каждого малого фрагмента поля, определяя размер общего технологического воздействия, складывающийся из оптимального среднего и локальных поправок.

Предлагаемый способ отличается от прототипа тем, что для получения информации о физических свойствах возделываемых растений и химическом составе почвы на основном поле отбирают пробы растений культуры, почвы и сорных растений на тестовых площадках, на которых возделывают одну и ту же культуру; в состав используемых математических моделей вводят динамические модели параметров биомассы агроценоза, учитывающие влияние на эти параметры содержания химических элементов питания в почве, климатических параметров атмосферы и доз обработок гербицидами на интервале времени, предшествующему фазе колошения и на интервале времени от фазы колошения до фазы полного созревания зерна. Кроме того, вводят математические модели оптических измерений, отражающие связи между параметрами отражения и параметрами биомассы агроценоза, уточняют параметры используемых математических моделей по пробам, отбираемым с тестовых площадок. На основе спектральной информации, полученной средствами дистанционного зондирования Земли по всей площади основного поля, посредством математической модели оптических измерений и динамических моделей параметров биомассы агроценоза оценивают параметры состояния агроценоза в среднем по площади основного поля; по полученным оценкам, а также по прогнозам температуры окружающего воздуха, уровня солнечной радиации и интенсивности осадков путем минимизации критерия, учитывающего потери урожая и расход минеральных удобрений и гербицидов, формируют программу средних по полю параметров технологических операций, выполняемых в моменты наступления выбранных фенологических фаз, в которую включают, кроме доз внесения минеральных удобрений, дозы обработок гербицидами, а по сформированной программе средних по полю параметров технологических операций формируют оптимальную среднюю по полю программу изменения параметров состояния агроценоза. В реальном времени при рабочих проходах устройства для одновременного дифференцированного внесения жидких минеральных удобрений и гербицидов одновременно с измерением пространственных координат с заданным шагом пространственной дискретизации оценивают параметры состояния агроценоза на малых фрагментах поля, расположенных вдоль технологического захвата устройства, а полученные оценки на отдельных малых фрагментах поля сравнивают с их оптимальными средними значениями, полученными при формировании оптимальной средней по полю программы изменения параметров состояния агроценоза.

Формирование единой согласованной по состоянию растений основной культуры и сорных растений программы технологических воздействий позволяет избежать дополнительных потерь урожая и перерасхода агрохимикатов. Кроме того, оптимизация доз удобрений, отвечающих биологическим потребностям культуры в питательных элементах, активирует процессы обмена веществ, обеспечивает ускорение инактивации поступающего гербицида и повышает устойчивость к нему защищаемого растения. При этом защищаемая культура вследствие более интенсивного накопления органической массы, получает значительно меньшую дозу гербицида на единицу своего веса, т.е. происходит ростовое уменьшение концентрации гербицида в тканях, а меньшие количества препарата при оптимальном обмене веществ быстрее инактивируются. Оптимальные условия питания повышают и общую биологическую конкурентоспособность культуры по отношению к сорнякам.

Изобретение в части устройства решает задачу повышения величины урожая основной культуры в составе агроценоза за счет формирования и одновременного выполнения устройством технологических операций по внесению жидких минеральных удобрений и гербицидов.

Для достижения названного технического результата предлагается устройство для одновременного дифференцированного внесения жидких минеральных удобрений и гербицидов, которое, как и известное по патенту RU 2415545, содержит емкость для удобрений, распределительный трубопровод, широкозахватную штангу для распределения удобрений, рабочие органы, закрепленные на штанге, в виде распылителей; гидросистему, управляемую от общего управляющего устройства, позволяющего автоматически обеспечивать заданные технологические режимы внесения удобрений при переходе от одних малых фрагментов обрабатываемого поля на другие; управляемые дозаторы удобрений на каждом распылителе, выполненные в виде поршневых пар с мерными объемами, оборудованных линейными сервоприводами, соединенными с общим управляющим устройством, при этом мерные объемы управляемых дозаторов соединены с распределительным трубопроводом через первые обратные клапаны и с распылителями удобрений через вторые обратные клапаны.

В отличие от известного предлагаемое устройство дополнительно содержит емкость, насос и распределительный трубопровод для жидких гербицидов с установленными на нем рабочими органами в виде распылителей с запорными клапанами, оборудованными исполнительными механизмами, причем число рабочих органов для внесения жидких гербицидов равно числу рабочих органов для внесения жидких минеральных удобрений. Кроме того, устройство содержит двухканальный исполнительный регулятор, выходы которого соединены с исполнительными механизмами запорных клапанов гербицидов и линейными сервоприводами управляемых дозаторов удобрений, а вход его соединен с общим управляющим устройством. При этом общее управляющее устройство включает в себя блок адаптации математических моделей оптических измерений, к входу которого посредством радиомодемной связи подключены средства оптического дистанционного зондирования Земли, установленные на беспилотном летательном аппарате; блок адаптации математических моделей параметров состояния агроценоза и почвенной среды, к входу которого подключены датчики метеостанции, причем каждый из блоков адаптации математических моделей оборудован входом для ввода информации о результатах отбора проб с тестовых площадок; блок оценивания в среднем по площади поля параметров состояния агроценоза, входы которого соединены с выходами блоков адаптации математических моделей оптических измерений и математических моделей параметров состояния агроценоза и почвенной среды, а также со средствами оптического дистанционного зондирования Земли. Кроме этого, общее управляющее устройство включает блок формирования программ средних по полю параметров технологических операций, входы которого соединены с выходом блока оценивания в среднем по площади поля параметров состояния агроценоза и с датчиками метеостанции; блок формирования оптимальных средних по полю программ изменения параметров состояния агроценоза, вход которого соединен с выходом блока формирования программ средних по полю параметров технологических операций; блок оценивания параметров состояния агроценоза на каждом малом фрагменте поля, выход которого, а также выходы блока оценивания в среднем по площади поля параметров состояния агроценоза, блока формирования программ средних по полю параметров технологических операций и блока формирования оптимальных средних по полю программ изменения параметров состояния агроценоза соединены с входами блока формирования поправок к средним оптимальным значениям параметров технологических операций для каждого малого фрагмента поля, выход которого соединен с входом двухканального исполнительного регулятора.

Предлагаемая конструкция устройства за счет объединения управляемых рабочих органов для одновременного дифференцированного внесения жидких минеральных удобрений и гербицидов позволяет повысить урожайность выращиваемой культуры. Достижение этого результата обеспечивается также оптимальными условиями питания выращиваемых растений при максимальном подавлении сорных растений, присущими предлагаемому способу. Кроме того, устройство позволяет уменьшить число рабочих проходов технологических машин и повысить производительность обработки агроценоза агрохимикатами.

Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежами, на которых изображены:

на фиг. 1 - функциональная схема реализации способа;

на фиг. 2 - структурная схема реализации способа;

на фиг. 3 - функциональная схема способа;

на фиг. 4 - технологическая схема устройства;

на фиг. 5 - структурная схема общего управляющего устройства.

Способ одновременного дифференцированного внесения жидких минеральных удобрений и гербицидов на примере посева яровой пшеницы поясняется чертежом на фиг.1.

Для реализации способа необходима информация о состоянии агроценоза, включающего основную возделываемую культуру и сорные растения, которую получают, размещая на одном из краев основного поля 1 с посевом сельскохозяйственной культуры 10-15 тестовых площадок 2 с аналогичной культурой и набором известных видов сорных растений.

Площадь каждой тестовой площадки составляет 20-30 м². Тестовые площадки 2 предназначены для сопоставления реальных и моделируемых параметров состояния посевов, а также для учета всех основных влияющих факторов. На основании этого сопоставления уточняют параметры используемых математических моделей без обследования всей площади основного поля 1, на котором, а также на тестовых площадках 2 возделывают одну и ту же культуру, например яровую пшеницу, и осуществляют одни и те же технологические воздействия, но различающиеся по величине. Для получения текущей информации о физических свойствах растений и химическом составе почвы на основном поле 1 производят через каждые трое суток отбор проб растений посева яровой пшеницы, сорных растений и почвы на тестовых площадках 2 вручную с последующей передачей проб в аналитическую лабораторию для определения физических параметров растений и почвы.

С целью получения информации о состоянии агроценоза на всей площади основного поля 1 используют беспилотный малый летательный аппарат 3, который, совершая пролеты над основным полем 1 и тестовыми площадками 2 с заданной периодичностью, осуществляет их оптическую съемку. Для этого беспилотный малый летательный аппарат 3 оборудуют средствами дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), которые посредством радиомодемной связи подключают к базе данных 4, куда также подключают датчики метеостанции 5. База данных 4, где хранится информация о состоянии агроценоза и почвенной среды на тестовых площадках 2, а также спектральная информация с основного поля 1 и тестовых площадок 2, соединена с общим управляющим устройством 6, к выходу которого подключен двухканальный исполнительный регулятор 7, а к входу - измеритель пространственных координат 8, установленный на тракторе 9 устройства. На основании информации о состоянии агроценоза и почвенной среды, хранящейся в базе данных 4, в предлагаемом способе реализуется следующая последовательность операций (фиг. 2).

Операции 0:

Операция 01 - Периодически, с интервалом в трое суток, с тестовых площадок 2 отбирают пробы растений посева яровой пшеницы, сорных растений и почвы.

Операция 02 - Средствами ДЗЗ осуществляют оптическую съемку тестовых площадок.

Операция 03 - Фиксируют метеорологические параметры атмосферы в непосредственной близости от поля, на котором возделывается яровая пшеница.

Операции 1:

Операция 1.1 - На основе полученной информации с тестовых площадок и от средств ДЗЗ уточняют (адаптируют) параметры следующих математических моделей:

- оптических измерений состояния биомассы агроценоза с яровой пшеницей на период до фенофазы колошения в векторно-матричной символьной форме:

где: - вектор параметров отражения для пространственной координаты (у,h) на оптических диапазонах: z₁ - 668 нм, z₂ - 717 нм, z₃ - 840 нм.

- матрица параметров модели,

- вектор-функция,

где аргументами являются параметры состояния агроценоза: x_1m (у,h) - биологическая урожайность яровой пшеницы на каждом малом фрагменте поля с пространственными координатами (у,h), ц⋅га^-1; x_2m (у,h) - плотность биомассы сорных растений, ц⋅га-¹; x_3m (y,h) - плотность сырой массы агроценоза, ц⋅га^-1; - вектор случайных ошибок измерений, имеющих нулевые средние и дисперсии

- оптических измерений состояния биомассы агроценоза с яровой пшеницей на период от начала колошения до созревания урожая в векторно-матричной символьной форме:

где: - вектор параметров отражения для пространственной координаты (у,h) на оптических диапазонах: z₁ - 475 нм, z₂ - 668 нм, z₃ - 717 нм, z₄ - 840 нм.

- матрица параметров модели,

- вектор-функция,

где аргументами являются параметры состояния агроценоза: x_1u (у,h) - биологическая урожайность яровой пшеницы на каждом малом фрагменте поля с пространственными координатами (у,h), ц⋅га^-1; x_2u (у,h) - плотность биомассы сорных растений, ц⋅га^-1; x_3u (у,h) - масса колосьев яровой пшеницы (урожая), ц⋅га^-1; x_4u (у,h) - плотность сырой массы агроценоза, ц⋅га^-1; - вектор случайных ошибок моделирования, представляющие собой случайные процессы с нулевыми средними и дисперсиями

Операция 1.2 - На основе информации, полученной с тестовых площадок и с метеостанции, уточняют (адаптируют) параметры следующих математических моделей:

- динамики параметров биомассы агроценоза с яровой пшеницей в интервале времени, предшествующему фенофазе колошения яровой пшеницы (фенофазы 2-9):

где параметрами состояния биомассы агроценоза являются: x_1m (у,h) - биологическая урожайность яровой пшеницы на каждом малом фрагменте поля с пространственными координатами (у,h), ц⋅га^-1; x_2m (у,h) - плотность биомассы сорных растений, ц⋅га^-1; x_3m (у,h) - плотность сырой массы агроценоза, ц⋅га^-1;

внешними возмущениями являются: ƒ₁ - среднесуточная температура воздушной среды, °С; ƒ₂ - среднесуточный уровень радиации, Вт⋅(м²⋅час.)^-1; ƒ₃ - среднесуточная интенсивность осадков, мм;

параметры химического состояния почвы: v_N - содержание азота в почве, кг⋅га^-1;

v_K - содержание калия в почве, кг⋅га^-1; v_P - содержание фосфора в почве, кг⋅га^-1;

v_Mg - содержание магния в почве, кг⋅га^-1; ν₅ - влагозапас в почве, мм; g - доза обработки агроценоза гербицидом универсального действия, г⋅(м²)^-1;

- ошибки моделирования, представляющие собой случайные процессы с нулевыми средними и дисперсиями - пространственные координаты, м; t ∈ (T_1m,T_2m) - суточное время, интервал вегетации от всходов до фазы колошения.

Каноническая векторно-матричная символьная форма модели (3):

где: A_m, B_m, D_m, C_m - матрицы параметров модели, соотвественно, динамическая, передачи управлений химическими параметрами почвы, передачи управления гербицидами, передачи внешних возмущений; вид матриц соответствует развернутой форме модели (3);

- динамики параметров биомассы агроценоза с яровой пшеницей на интервале времени, от фенофазы колошения до фенофазы полного созревании зерна (фенофазы 9-13)

где параметрами состояния биомассы агроценоза являются: x_1u (у,h) - биологическая урожайность яровой пшеницы на каждом малом фрагменте поля с пространственными координатами (у,h), ц⋅га^-1; x_2u (у,h) - плотность биомассы сорных растений, цта"¹; хъи (у, И) - масса колосьев яровой пшеницы (урожая), цта"¹; X4u (у, И) - плотность сырой массы агроценоза, ц⋅га^-1;

ζ_Χιι (t), ζ_2ιι (t), ζ_3α (t), (t) - ошибки моделирования, представляющие собой случайные процессы с нулевыми средними и дисперсиями

y,h - пространственные координаты, м; t∈ (T_1m,T_2m) - суточное время, интервал вегетации от фазы колошения до фазы созревания.

Каноническая векторно-матричная символьная форма модели:

где: A_u, B_u, D_u, C_u - матрицы параметров модели, соотвественно, динамическая, передачи управлений химическими параметрами почвы, передачи управления гербицидами, передачи внешних возмущени; вид матриц соответствует развернутой форме модели (5);

- динамики параметров состояния почвы на интервале времени, предшествующему фенофазе колошения (фенофазы 2-9):

или в компактной символьной форме:

где: d_N (t), d_K (t), d_P (t), d_Mg(t) - дозы внесения элементов питания, соответственно, азота, калия, фосфора, магния, кг⋅га^-1; d_W (t) - норма полива, мм;

А_2,9, В_2,9, С_2,9, М_2,9 - матрицы параметров модели, соотвественно, динамическая, передачи управлений химическими параметрами почвы, передачи внешних возмущений, связи с параметрами агроценоза; вид матриц соответствует развернутой форме модели (7);

- динамики параметров состояния почвы на интервале времени, между фенофазами колошение - полное созревание зерна (фенофазы 9-13):

или в компактной символьной векторно-матричной форме:

где: А_9,13, В_9,13, C_9,13, М_9,13, Р_9,13 - матрицы параметров модели, соотвественно, динамическая, передачи управлений химическими параметрами почвы, передачи внешних возмущений, связи с параметрами посева культуры, связи с параметрами биомассы доминирующих видов сорняков; вид матриц соответствует развернутой форме модели (9).

Операции 2:

Операция 2.1 - Измеряют параметры ДЗЗ по всей площади поля.

Операция 2.2 - По уточненным параметрам математических моделей и данным ДЗЗ оценивают параметры состояния агроценоза в среднем по площади поля:

- на интервале времени, предшествующему фенофазе колошения (фенофазы 2-9):

- на интервале времени между фенофазами колошение - полное созревание зерна (фенофазы 9-13):

где: R_m(t), R_u(t) - матрицы ошибок оценивания, имеющие размерность, соответствующую векторам параметров биомассы моделей (4) и (6).

Операции 3:

Операция 3.1 - Вводят прогнозы температуры, уровня солнечной радиации и интенсивности осадков.

Операция 3.2 - Принимая оценки состояния (11) и (12) в качестве начальных условий, формируют программы средних по полю параметров технологических операций путем минимизации следующего критерия оптимальности, учитывающего потери урожая и расходы минеральных удобрений и гербицидов:

- на интервале времени, предшествующему фенофазе колошения (фенофазы 2-9):

формируют программу в виде последовательности доз внесения минеральных удобрений по заданным фенофазам D*(T₃,T₉),

формируют программу обработок гербицидами по выбранным фенофазам g*(T₃,T₉)

- на интервале времени между фенофазами колошение - полное созревание зерна (фенофазы 9-13):

формируют программу в виде последовательности доз внесения минеральных удобрений по заданным фенофазам D*(Т₁₀,Т₁₁),

формируют программу обработок гербицидами по выбранным фенофазам g* (Т₁₀,Т₁₁), где в критериях оптимальности (13) и (14): G_1,9, G_9,13 - весовые матрицы;

C_D, C_G - вектор стоимостей единиц управления; Т₃,Т₉,Т₁₀,Т₁₁ - моменты наступления фенофаз яровой пшеницы и выполнения технологических операций.

Операции 4:

Операция 4.1 - Уточняют в реальном времени оптимальные средние по полю программы изменения параметров состояния агроценоза путем подстановки в модели параметров биомассы агроценоза (4), (6), (8), (10) программ средних по полю параметров технологических операций D*(T₃,T₉), D*(T₁₀,T₁₁) и g*(T₃,T₉), g*(T₁₀,T₁₁).

Операции 5:

Операция 5.1 - Измеряют пространственные координаты всех малых фрагментов поля в реальном времени.

Операция 5.2 - Оценивают параметры состояния агроценоза на каждом малом фрагменте поля вдоль ширины захвата устройства для одновременного внесения минеральных удобрений и гербицидов:

- на интервале времени, предшествующему фенофазе колошения (фенофазы 2-9):

- на интервале времени между фенофазами колошение - полное созревание зерна (фенофазы 9-13):

где: (h, у) - пространственные координаты малых фрагментов поля.

Операция 6 - Формируют поправки к средним оптимальным значениям параметров технологических операций для каждого малого фрагмента поля путем сравнения полученных оценок (15) и (16) с оптимальными средними значениями, полученными при формировании оптимальной программы изменения средних по полю показателей развития агроценоза и по результатам сравнения формируют поправки к средним оптимальным значениям параметров технологических операций для каждого малого фрагмента поля:

где: K_3,9, K_9,13, K_gm, K_gu - матрицы пространственной коррекции технологических операций.

Определяют размеры общих технологических операций в виде суммы из оптимальных средних значений и локальных поправок в заданной пространственной координате:

Полученные величины технологических операций являются заданиями для двухканального исполнительного регулятора 7.

Устройство для одновременного дифференцированного внесения жидких минеральных удобрений и гербицидов монтируется на тракторе 9 (далее по тексту -устройство). Оно содержит (фиг. 3 и фиг. 4) широкозахватную складывающуюся штангу 10 для распределения удобрений, емкости для жидких минеральных удобрений 11 и жидких гербицидов 12, распределительные трубопроводы для удобрений 13 и гербицидов 14, установленные на штанге 10. Распределительный трубопровод для удобрений 13 оборудован управляемыми дозаторами удобрений 15, которые выполнены в виде поршневых пар 16, штоки которых 17 скреплены с линейными сервоприводами 18. Мерные объемы 19 управляемых дозаторов 15 соединены с распределительным трубопроводом для удобрений 13 через первые обратные клапаны 20, обеспечивающие выпуск удобрений из емкости 11, и с рабочими органами в виде распылителей минеральных удобрений 21 - через вторые обратные клапаны 22.

Распределительный трубопровод для гербицидов 14 оборудован рабочими органами - распылителями гербицидов 23 с запорными клапанами 24. Давление в распределительном трубопроводе 14 поддерживается насосом 25, вход которого соединен всасывающим трубопроводом 26 с емкостью для жидких гербицидов 12. Запорные клапаны 24 оборудованы исполнительными механизмами 27, которые, как и линейные сервоприводы 18 управляемых дозаторов 15, подключены к выходам двухканального исполнительного регулятора 7, к входам которого подключен выход общего управляющего устройства 6. Двухканальный исполнительный регулятор 7 выполнен в виде сети управляющих контроллеров (на фиг. не показаны), размещенных непосредственно на широкозахватной штанге 10, число которых равно числу управляемых дозаторов 15 и запорных клапанов 24 распылителей гербицидов 23. Управляемые дозаторы 15 и распылители гербицидов 23 размещены на трубопроводах 13 и 14 через равные промежутки, что обеспечивает обработку малых фрагментов поля площадью 2-3 м² вдоль штанги 10.

Общее управляющее устройство 6, формирующее задания на дозы внесения жидких минеральных удобрений и гербицидов при переходе от одной линии малых фрагментов обрабатываемого поля к другой, представляет собой бортовой управляющий компьютер, на котором также реализована и база данных 4. Вход общего управляющего устройства 6 соединен с выходом базы данных 4, соединенной посредством радиомодемной связи со средствами ДЗЗ, установленными на беспилотном летательном аппарате 3, а также - с датчиками метеостанции 5.

Общее управляющее устройство 6 включает в себя (фиг. 5) блок адаптации 28 математических моделей оптических измерений, к входу которого посредством радиомодемной связи подключены средства оптического дистанционного зондирования Земли, установленные на беспилотном летательном аппарате 3, блок адаптации 29 математических моделей параметров состояния агроценоза и почвенной среды, к входу которого посредством радиомодемной связи подключены датчики метеостанции 5. Причем блоки адаптации математических моделей 28 и 29 оборудованы дополнительными входами для ввода информации о результатах отбора проб с тестовых площадок 2. Выходы блоков адаптации математических моделей 28 и 29 соединены с входами блока оценивания 30 в среднем по площади поля параметров состояния агроценоза, к входу которого также подключены средства оптического дистанционного зондирования Земли. Выход блока оценивания 30 соединен с входом блока формирования 31 программ средних по полю параметров технологических операций, куда также подается прогнозная информация о метеопараметрах с датчиков метеостанции 5. Выход блока формирования 31 соединен с входом блока формирования 32 оптимальных средних по полю программ изменения параметров состояния агроценоза, куда также подается прогнозная информация о метеопараметрах с датчиков метеостанции 5. Кроме блока оценивания 30 в среднем по площади поля параметров состояния агроценоза, общее управляющее устройство 6 содержит блок оценивания 33 параметров состояния агроценоза на каждом малом фрагменте поля, к входу которого подключены средства оптического дистанционного зондирования Земли, а к выходу подключен блок формирования 34 поправок к средним оптимальным значениям параметров технологических операций для каждого малого фрагмента поля, к входам которого подключены выходы: блока оценивания 30 в среднем по площади поля параметров состояния агроценоза, блока формирования 31 программ средних по полю параметров технологических операций и блока формирования 32 оптимальных средних по полю программ изменения параметров состояния агроценоза, а выход блока формирования 34 соединен с входами двухканального исполнительного регулятора 7.

Устройство для одновременного дифференцированного внесения жидких минеральных удобрений и гербицидов работает следующим образом. Перед началом работы на общее управляющее устройство 6, а именно на вход блока адаптации 28 математических моделей оптических измерений, поступает информация из базы данных 4, на вход которой периодически, через каждые трое суток, поступает информация оптических средств ДЗЗ, установленных на беспилотном летательном аппарате 3. Кроме того, на вход блока адаптации 28 подается информация о текущем состоянии агроценоза и почвенной среды, получаемая путем отбора проб с тестовых площадок 2. Информация об отборах проб подается также на вход блока адаптации 29 математических моделей параметров состояния агроценоза и почвенной среды, куда также посредством радиомодемной связи поступает информация от датчиков метеостанции 5. Информация о параметрах математических моделей с выходов блоков адаптации 28 и 29, как и данные ДЗЗ из базы данных 4, поступает на вход блока оценивания 30 в среднем по площади поля параметров состояния агроценоза. Оценки параметров состояния агроценоза, формируемые блоком оценивания 30, служат начальными условиями для формирования программ средних по полю параметров технологических операций в блоке формирования 31, на вход которого также подается прогнозная информация от метеостанции 5, а с выхода блока формирования 31 информация о программах средних по полю параметров технологических операций поступает на вход блока формирования 32 оптимальных средних по полю программ изменения параметров состояния агроценоза, куда также подается прогнозная информация о метеопараметрах 5. Сформированные программы средних по полю параметров технологических операций и оптимальные средние по полю программы изменения параметров состояния агроценоза уточняются через каждые трое суток и хранятся в блоках 31 и 32 до наступления реального времени.

В реальном времени с наступлением фенологической фазы, на которой предусмотрено выполнение технологических операций, устройство устанавливают в начальное положение на краю поля. В момент установки измерителем пространственных координат 8 измеряют пространственные координаты (h,у) всех малых фрагментов поля, попадающих в зону захвата штанги 10 устройства. Информация об измеренных пространственных координатах поступает на вход блока оценивания 33, в котором по данным ДЗЗ, поступающим посредством радиомодемной связи с беспилотного летательного аппарата 3, оцениваются параметры состояния агроценоза на каждом малом фрагменте поля в зоне захвата штанги 10. Информация об этих оценках поступает на блок формирования 34 поправок к средним оптимальным значениям параметров технологических операций для каждого малого фрагмента поля, куда также поступает информация с выходов блока оценивания 30 в среднем по площади поля параметров состояния агроценоза, блока формирования 31 программ средних по полю параметров технологических операций и блока формирования 32 оптимальных средних по полю программ изменения параметров состояния агроценоза. С выхода блока формирования 34 информация о скорректированных параметрах технологических операций для каждого малого фрагмента поля поступает на вход двухканального исполнительного регулятора 7, с выхода которого подаются сигналы одновременно на все управляемые дозаторы удобрений 15 и исполнительные механизмы 27 запорных клапанов гербицидов 24.

При подаче сигналов на линейные сервоприводы 18 управляемых дозаторов 15 происходит перемещение поршней 16 и штока 17 до тех пор, пока обратная связь с линейных сервоприводов 18 не уравновесит входные сигналы с соответствующего канала двухканального исполнительного регулятора 7. При этом за счет образующегося вакуума в мерных объемах 19 управляемых дозаторов 15 открываются первые обратные клапаны 20 и происходит наполнение мерных объемов 19 жидким минеральным удобрением из емкости 11. При обнулении управляющего сигнала двухканального исполнительного регулятора 7 происходит перемещение поршня 16 и штока 17, закрытие первых обратных клапанов 20 и открытие вторых обратных клапанов 22 до тех пор, пока дозы жидких минеральных удобрений через распылители 21 не будут внесены на соответствующие малые фрагменты поля. Одновременно при подаче управляющих сигналов на исполнительные механизмы 27 запорных клапанов 24 осуществляется внесение доз гербицидов за счет давления в распределительном трубопроводе 14, развиваемого насосом 25, посредством которого осуществляется отбор жидкого гербицида из емкости 12 через всасывающий трубопровод 26. При этом размеры доз формируются за счет времени открытия запорных клапанов 24, отмеряемого таймерами двухканального исполнительного регулятора 7. При перемещении устройства по полю по сигналам измерителя пространственных координат 8 фиксируется новое положение штанги 10 относительно линии новых малых фрагментов поля, и все процедуры формирования локальных доз внесения минеральных удобрений и гербицидов повторяются до прохождения всей площади поля для данной фенологической фазы яровой пшеницы. До наступления новой фенологической фазы, с которой связано выполнение технологических операций, в устройстве вне поля уточняют программы средних по полю параметров технологических операций и оптимальные средние по полю программы изменения параметров состояния агроценоза.

Группа изобретений относятся к сельскому хозяйству и может быть использована в автоматизированных системах одновременного дифференцированного внесения жидких минеральных удобрений и гербицидов. Способ заключается в том, что получают информацию о физических свойствах растений и химическом составе почвы на сельскохозяйственном поле путем периодического отбора проб почвы, растений культуры и сорняков на расположенных рядом с полем тестовых площадках с одной и той же возделываемой культурой. Оценивают состояние параметров биомассы агроценоза на тестовых площадках, по всей площади поля и на каждом малом фрагменте поля вдоль рабочего захвата устройства по данным дистанционного зондирования земли и математическим моделям, которые расширены за счет включения в них параметров состояния сорных растений. Формируют оптимальные программы одновременного внесения жидких минеральных удобрений и гербицидов, которые корректируют в реальном времени с учетом оценок параметров состояния агроценоза в среднем по площади поля и на каждом малом фрагменте поля в моменты наступления выбранных фенологических фаз возделываемой культуры. Устройство включает емкость для жидких минеральных удобрений, распределительный трубопровод с установленными на нем рабочими органами в виде управляемых дозаторов удобрений, а также гидросистему, управляемую от общего управляющего устройства. Устройство дополнительно оборудовано емкостью, насосом и распределительным трубопроводом для жидких гербицидов с установленными на нем распылителями с запорными клапанами, число которых равно числу рабочих органов для внесения жидких удобрений, а также двухканальным исполнительным регулятором. Общее управляющее устройство содержит блок оценивания в среднем по площади поля параметров состояния агроценоза, блок оценивания этих параметров на каждом малом фрагменте поля, блок формирования программ средних по полю параметров технологических операций, блок формирования оптимальных средних по полю программ изменения параметров состояния агроценоза и блок формирования поправок к средним оптимальным значениям параметров технологических операций для каждого малого фрагмента поля. Техническим результатом является повышение урожайности возделываемой культуры в составе агроценоза за счет формирования и одновременного выполнения технологических операций по внесению минеральных удобрений и гербицидов, а также учета одновременного влияния их на растения возделываемой культуры и сорные растения. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ одновременного дифференцированного внесения жидких минеральных удобрений и гербицидов, включающий получение информации о физических свойствах возделываемых растений и химическом составе почвы на сельскохозяйственном поле, использование математических моделей влияния почвенных и климатических факторов на конечный урожай, производство расчетов параметров основных технологических операций, выполнение технологических операций в реальном времени в соответствии с этими расчетами для каждого малого фрагмента поля путем сравнения измеренных значений показателей развития растений с их оптимальными средними значениями и формирование поправок к средним оптимальным значениям параметров технологических операций для каждого малого фрагмента поля, определяя размер общего технологического воздействия, складывающийся из оптимального среднего и локальной поправки, отличающийся тем, что для получения информации о физических свойствах возделываемых растений и химическом составе почвы производят периодический отбор проб растений культуры, почвы и сорных растений на расположенных рядом с полем тестовых площадках с одной и той же возделываемой культурой, в состав математических моделей вводят динамические модели параметров биомассы агроценоза, учитывающие влияние на эти параметры содержания химических элементов питания в почве, климатических параметров атмосферы и доз обработок гербицидами на интервале времени, предшествующем фазе колошения, и на интервале времени от фазы колошения до фазы полного созревания зерна, кроме того, вводят математические модели оптических измерений, отражающие связи между параметрами отражения и параметрами биомассы агроценоза, уточняют параметры используемых математических моделей по пробам, отбираемым с тестовых площадок, оценивают параметры состояния агроценоза в среднем по площади поля на основе спектральной информации, полученной средствами дистанционного зондирования земли по всей площади поля, посредством математической модели оптических измерений и динамических моделей параметров биомассы агроценоза и по полученным оценкам, а также по прогнозам температуры окружающего воздуха, уровня солнечной радиации и интенсивности осадков путем минимизации критерия, учитывающего потери урожая и расход минеральных удобрений и гербицидов, формируют программу средних по полю параметров технологических операций, выполняемых в моменты наступления выбранных фенологических фаз, в которую включают, кроме доз внесения минеральных удобрений, дозы обработок гербицидами, и по сформированной программе средних по полю параметров технологических операций формируют оптимальную среднюю по полю программу изменения параметров состояния агроценоза, в реальном времени при рабочих проходах устройства для одновременного дифференцированного внесения жидких минеральных удобрений и гербицидов одновременно с измерением пространственных координат с заданным шагом пространственной дискретизации оценивают параметры состояния агроценоза на малых фрагментах поля, расположенных вдоль технологического захвата устройства, а полученные оценки на отдельных малых фрагментах поля сравнивают с их оптимальными средними значениями, полученными при формировании оптимальной средней по полю программы изменения параметров состояния агроценоза.

2. Устройство для одновременного дифференцированного внесения жидких минеральных удобрений и гербицидов, предназначенное для осуществления способа по п. 1, содержащее емкость для удобрений, широкозахватную ферму, оборудованную распределительным трубопроводом, на котором установлены рабочие органы в виде распылителей, управляемые дозаторы удобрений на каждом распылителе, выполненные в виде поршневых пар с мерными объемами, снабженных линейными сервоприводами, при этом мерные объемы управляемых дозаторов соединены с распределительным трубопроводом через первые обратные клапаны и с распылителями удобрений через вторые обратные клапаны, а также гидросистему, управляемую от общего управляющего устройства, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит емкость, насос и распределительный трубопровод для жидких гербицидов с установленными на нем рабочими органами в виде распылителей с запорными клапанами, оборудованными исполнительными механизмами, причем число рабочих органов для внесения жидких гербицидов равно числу рабочих органов для внесения жидких минеральных удобрений, двухканальный исполнительный регулятор, выходы которого соединены с исполнительными механизмами запорных клапанов гербицидов и линейными сервоприводами управляемых дозаторов удобрений, а вход его соединен с общим управляющим устройством, которое включает в себя блок адаптации математических моделей оптических измерений, к входу которого посредством радиомодемной связи подключены средства оптического дистанционного зондирования земли, установленные на беспилотном летательном аппарате, и блок адаптации математических моделей параметров состояния агроценоза и почвенной среды, к входу которого подключены датчики метеостанции, причем каждый из блоков адаптации математических моделей оборудован входом для ввода информации о результатах отбора проб с тестовых площадок, блок оценивания в среднем по площади поля параметров состояния агроценоза, входы которого соединены с выходами блоков адаптации математических моделей оптических измерений и математических моделей параметров состояния агроценоза и почвенной среды, а также со средствами оптического дистанционного зондирования земли, блок формирования программ средних по полю параметров технологических операций, входы которого соединены с выходом блока оценивания в среднем по площади поля параметров состояния агроценоза и с датчиками метеостанции, блок формирования оптимальных средних по полю программ изменения параметров состояния агроценоза, вход которого соединен с выходом блока формирования программ средних по полю параметров технологических операций, блок оценивания параметров состояния агроценоза на каждом малом фрагменте поля, выход которого, а также выходы блока оценивания в среднем по площади поля параметров состояния агроценоза, блока формирования программ средних по полю параметров технологических операций и блока формирования оптимальных средних по полю программ изменения параметров состояния агроценоза соединены с входами блока формирования поправок к средним оптимальным значениям параметров технологических операций для каждого малого фрагмента поля, выход которого соединен с входом двухканального исполнительного регулятора.