Роботизированный комплекс для уничтожения борщевика Сосновского микроволновым излучением Российский патент 2024 года по МПК A01M21/04 

Изобретение относится к агропромышленной отрасли и может быть использовано для уничтожения борщевика Сосновского, внесённого в конце 2015 года в Отраслевой классификатор сорных растений Российской Федерации по причинам быстрого распространения в естественных условиях с подавлением местных экосистем и чрезвычайной опасности его побегов, поскольку они способны при непосредственном кожном контакте вызвать у человека буллёзный дерматит и другие заболевания.

Неконтролируемый рост борщевика Сосновского побудил многих аграриев к поиску эффективных методов уничтожения его зеленых порослей с соцветениями и почек возобновления на стеблекорне, находящихся в почве на глубине от 5 до 15 см, в частности, дискованием зарослей или добавлением химических гербицидов, как показано в патентах № 2 614065 «Способ обработки почвы», DE102005014944A1 «Synergistic crop plant compatible herbicidal compositions containing herbicides from the group of benzoylpyrazoles» соответственно. Данные методы обладают существенными недостатками, приводящими при дисковании зарослей борщевика Сосновского к существенной потере влаги, нарушению структуры почвы и, как следствие, ее эрозии, а при применении химических гербицидов - к существенному длительному (более трех лет) поражению почвы и окружающей среды, особенно вблизи источников воды. Кроме, ставших традиционными, указанных методов существуют более экологически безопасные способы, основанные на использовании микроволнового излучения как для борьбы с растениями-вредителями «Design and Fabrication of a Microwave Weed Killer Device for Weed Control Applications», IJE TRANSACTIONS A: Basics Vol. 32, No. 7, (July 2019) 947-953, так и для стимулирующего воздействия «Impact of Microwave Soil Heating on the Yield and Nutritive Value of Rice Crop», Agriculture 2019, 9, 134; doi:10.3390/agriculture9070134, не сопровождаемого негативным воздействием на окружающую среду.

Известен патент США US 4.092.800A «Vegetation control», описывающий установку, в основу работы которой положено использование микроволнового излучения 4 магнетронов и 4 волноводов, монтируемых на колесном транспортном средстве, воздействующего на участки почвы без учета ее температуры и влажности. Используемые в изобретении магнетроны, клистроны или другие источники энергии микроволнового излучения с мощностью порядка 1200 Вт обеспечивали уровень поверхностной плотности энергии в движении от 1500 до 3000 кДж/м², который существенно ниже минимального порога 4902 кДж/м² гибели корневой системы большинства растений, описанного в публикации «Observations on the potential of microwaves for weed control», Weed Research, 2006, с. 1-9. Для перевозки устройств в составе установки требовалось дополнительное буксирующее транспортное средство с соответствующими габаритными размерами, накладывающими ограничения на места использования комплекса по проходимости и доступности.

В патенте США US 5.141.059A «Method and apparatus for controlling agricultural pests in soil» описан сложный агротехнический комплекс, предусматривающий предпосевную подготовку верхнего слоя почвы, с культивацией и одновременным увлажнением почвы перед микроволновым облучением, которое производится с помощью девяти СВЧ излучателей на двух прицепах. К недостаткам агротехнического комплекса можно отнести сложность его конструкции, применение транспорта большой мощности для его буксировки, высокий уровень энергопотребления для электропитания 18 излучателей микроволн от магнетронов, очевидные ограничения по объему резервуаров для воды, необходимой для увлажнения и уплотнения почвы в камере, глубину разрыхленного слоя, подаваемого в камеры для обработки микроволновым излучением, которая может достигать только 3 дюймов, затруднения в обработке при всех изменениях направления движения крупногабаритного (не менее 5 метров по ширине и более 10 метров по длине) агротехнического комплекса и невысокая скорость маневрирования и перемещения.

В качестве прототипа был взят патент RU2579365C1 «Устройство для удаления растительности». Предполагается удаление сорной растительности на садовых участках и взлетных полосах аэродромов транспортируемым устройством, включающим n источников питания, генераторов с вентиляторами и антенными трактами излучения, размещенное в камере с радиопрозрачной заглушкой и окном, заключенное в кожух для защиты обслуживающего персонала.

Недостатками прототипа являются высокое энергопотребления для обеспечения одновременной работы большого количества магнетронов от бытовых микроволновых печей с выходной мощностью для каждого не более 1200 Вт, ограничения на возможности маневрирования при перемещении устройства, особенно при изменениях направления, обусловленное их параллельным включением в виде сцепки, высокая концентрация излучения внутри пирамидального кожуха, что отрицательно воздействует на работоспособность и срок службы используемых электронных устройств, отсутствие активного поглощения микроволнового излучения растительностью в зависимости от ее размеров, что фактически приводит либо к излишней избирательности в удалении, либо к избыточности энергии, вызывающей сплошное выжигание растительного покрова, что недопустимо при уничтожении борщевика Сосновского, произрастающего среди луговых трав и полезных культур.

Техническим результатом в заявляемом изобретении является разработка роботизированного комплекса с высокой проходимостью и маневренностью, служащего для целенаправленного уничтожения борщевика Сосновского в местах его произрастания путем нагрева микроволновым излучением до температур 48°С и выше. Согласно «Microwave technologies as part of an integrated weed management strategy: a review», International Journal of Agronomy, 2012, с. 1-15 вне зоны обработки с температурами ниже указанной отмечается стимуляция роста других растений.

Задачей изобретения является уничтожение борщевика Сосновского в местах его произрастания.

Техническая задача достигается тем, что создается роботизированный комплекс (РК), обладающий повышенной энергоэффективностью и производительностью, с учетом определяемой в реально-временном масштабе влажности верхних слоев почвы с плотностью энергии, поглощенной борщевиком Сосновского свыше 4902 кДж/м², вызывающей гибель его корневой системы и свыше 770 кДж/м² - его зеленых порослей с температурой не менее 48°С.

Уничтожение борщевика Сосновского микроволновым излучением в вегетационный период достигается путем диэлектрического нагрева до температуры не менее 48°С почек возобновления на стеблекорне на глубине их нахождения при долговременном воздействии и зеленых порослей при кратковременном воздействии. Наибольшая эффективность уничтожения борщевика Сосновского микроволновой обработкой достигается в период размораживания грунта с момента проростания семян - с марта по апрель в зависимости от широты местности. Для уничтожения борщевика Сосновского микроволновым излучением в период его активного летнего развития необходимо предварительное удаление цветоносов и его зеленых порослей.

Диэлектрический нагрев микроволновым излучением зависит от электрической проницаемости, имеющей комплексный характер:

ε=ε'-iεʺ, (1)

где ε' - действительная часть, а εʺ - мнимая часть ответственна за поглощение энергии. По опубликованным в 2018 году данным Международного союза электросвязи (МСЭ-R P.368) при нормальных условиях и частоте 2.45 ГГц величина εʺ почв варьируется от 0.4 до 5, а для высоконасыщенных влагой растений, к которым относится борщевик Сосновского - εʺ~9. То есть микроволновая обработка растений характеризуется в 22,5 раза более интенсивным поглощением энергии электромагнитного поля по сравнению с сухими почвами (с влажностью до 7%) и в 1.6 раза для влажных почв (с влажностью до 50%).

Результаты сравнительного термографического анализа участка почвы с зелеными порослями борщевика Сосновского после микроволновой обработки показаны в виде изображений в инфракрасном диапазоне (Фиг.1, с соответствующей шкалой распределения температур на вставке I) и видимом диапазоне Фиг. 2. Видно, что при исходной температуре 9,3°С почва нагрелась до 26,5°С, поросли луговых трав (пырей ползучий) - до 25-30°С, а поверхность стебля борщевика Сосновского - до 48,9°С. Микроволновое излучение нагревало сердцевину стебля борщевика Сосновского значительно интенсивнее, чем его поверхность, что проиллюстрировано увеличенным тепловизионным изображением фрагмента стебля, представленным на вставке II на Фиг.1. Такой нагрев обусловливался бόльшей мнимой частью-εʺ (1), характерной для борщевика Сосновского, что и вызывало его уничтожение. Данная температура поддерживалась на прямоугольном участке поверхности почвы с площадью 6600 мм² (120×55 мм²), на которую воздействует поток микроволнового излучения со средней плотностью ~300 кВт/м². Такие условия обработки достигались в однократном режиме. По данным термографии за пределами этой области почва также прогревалась до температур порядка 30-40°С на расстоянии 150 - 250 мм в радиальных направлениях от оси распространения микроволнового излучения, что по данным «Microwave technologies as part of an integrated weed management strategy: a review», International Journal of Agronomy, 2012, с. 1-15 стимулировало рост других растений, ранее угнетаемых борщевиком Сосновского.

Глубина проникновения электромагнитного излучения δ, при которой величина напряженности поля в грунте падает в e раз (около 2.7), а его энергия в e² раз (около 7.3) от своего первоначального значения рассчитывалась по формуле:

δ=2^1/2(2π)^–1λ[(ε'²+εʺ²)^1/2-ε']^–1/2. (2)

В соответствии с МСЭ-R P.368 расчетные значения глубины проникновения волн c λ = 12.2 см, отвечающих частоте 2,45 ГГц, на характерных для почв величинах влажности 7% и 50% составили 20 и 5 см. Именно в этом интервале глубин отмечено проростание почек возобновления борщевика Сосновского.

Роботизированный комплекс для уничтожения борщевика Сосновского (Фиг. 3) включает магнетрон 1, блок питания 2 с регулируемой мощностью и системой охлаждения магнетрона 3, прямоугольный волновод с пирамидальным рупором 4 высотой равной удвоенной длине волны, самоходное гусеничное шасси 5 с электродвигателями и комплектами редукторов, понижающих передачу, IP-камер 6-1 и 6-2 с разрешением не ниже 1920×1024 px, бензиновый или дизельный электрогенератор 7 с мощностью не менее 5 кВт. Передача микроволнолнового излучения в зону обработки через рупор 4 происходит через слюдяной радиопрозрачный защитный экран 8. Самоходное гусеничное шасси понижающими передачу редукторами 5 обеспечивает высокий уровень манеренности и проходимости. С помощью IP-камер 6-1 и 6-2 и измерителя электромагнитного фона (ИЭМФ) ведется дистанционный контроль воздействия микроволнового излучения, что позволяет через пульт дистанционного управления (ПДУ) перемещать РК и задавать высоту 8 над зоной обработки на уровне λ/2~6 см, включая перемещение комплекса по участкам на местности с перепадами по высоте, характеризующимися углом въезда на них РК не более 30°. Конструкция механизма подъема/опускания волновода (МПОВ) обеспечивала его работу в плавающем режиме, повторяющем рельеф обрабатываемой поверхности почвы за счет изменения положения 1, 4 и 8 по вертикали. Использование средств ПДУ и компьютерного «зрения» по изображениям с IP-камер 6-1 и 6-2 обеспечивают безопасное управление комплексом.

Комплекс оснащается аккумуляторной батареей на 50 В, питающей электромоторы самоходного гусеничного шасси 5. Для автономной работы комплекса используется либо аккумулятор, размещенный в корпусе шасси 5 с подключением блока питания магнетрона 3 через инвертор, либо бензиновый или дизельный электрогенератор 7 номинальной мощностью от 3 до 5.5 кВт.

Максимальное значение температуры почвы в зоне обработки достигается в центре открытого участка под 8. Это подтверждено Фиг. 3 с рассчитанным по программе COMSOL Multiphysics® распределением напряженности электрического поля 10 вдоль центральной оси распространения микроволнового излучения 9. Определение величины Е осуществляется по шкале ее изменений 11. Для анализа температуры по термографическому изображению зоны обработки 13 применяется шкала 12.

Предлагаемый комплекс для уничтожения борщевика Сосновского микроволновым излучением проиллюстрирован следующими графическими материалами:

Фиг. 1. Термографическая фотографии обработанного участка почвы со всходами борщевика Сосновского, полученные камерами в инфракрасном диапазоне. I - шкала температур, II - увеличенный фрагмент стержня с зоной повышенной температуры в центре.

Фиг. 2. Оптическая фотография обработанного участка почвы со всходами борщевика Сосновского.

Фиг. 3. 3D-модель комплекса для уничтожения борщевика Сосновского микроволновым излучением: 1 - магнетрон, 2 - блок питания магнетрона, 3 - система охлаждения, 4 - прямоугольный волновод с пирамидальным рупором, 5 - самоходное гусеничное шасси с редукторами, двумя IP-камерами 6-1 и 6-2 - IP-камера с полукруговым обзором, ИЭМФ - измеритель электромагнитного фона, 7 - электрогенератор, 8 - слюдяной радиопрозрачный защитный экран, ПДУ - пульт дистанционного управления, МПОВ - механизм подъема/опускания волновода.

Фиг. 4. Распределение напряженности электрического поля 10 с частотой 2,45 ГГц в прямоугольном волноводе с пирамидальным рупором 4, полученное в программе COMSOL Multiphysics®, с указанием оси распространения микроволнового излучения 9, шкалы 11 изменений Е, шкалы 12 изменений температур и реально наблюдаемой фотографией 13 зоны обработки, полученной с помощью инфракрасной камеры.

Фиг. 5. Зона нагрева со средней температурой не ниже 48°С сухой почвы при двухминутной обработке борщевика Сосновского со вставками гистограмм распределения температуры по поверхности 14 и слоёв на глубинах 5 см 15 и 10 см 16 вдоль оси распространения микроволнового излучения 9.

Фиг. 6. График управления мощностью магнетрона.

Фиг. 7. Зона нагрева со средней температурой не ниже 48°С влажной почвы при двухминутной обработке борщевика Сосновского с гистограммами распределения температуры: поверхности 17 и в слое на глубине 5 см вдоль оси распространения 9 микроволнового излучения 18.

Предлагаемый роботизированный комплекс эксплуатируется следующим образом. После доставки к месту применения в автономных условиях выбирается режим работы либо от аккумулятора 2, либо от электрогенератора 7. Оператором с помощью ПДУ включаются IP-камеры 6-1 и 6-2 и РК на самоходном гусеничном шасси 5 подъезжает к месту обработки борщевика Сосновского, а с помощью МПОВ рупор 4 со слюдяным радиопрозрачным защитным экраном 8 подводится к месту обработки микроволновым излучением и определяется влажность почвы. Для этого включается блок питания магнетрона 2, задается минимальная мощность 20 % от номинальной и с помощью ИЭМФ рассчитывается величина влажности - w. Далее с учетом ее значения задается время и мощность обработки. После обработки микроволновым излучением выбранного участка с борщевиком Сосновского РК перемещается на новый участок.

Ниже приведены примеры уничтожения борщевика Сосновского микроволновым излучением с использованием заявляемого роботизированного комплекса.

Пример 1

Роботизированный комплекс с помощью ПДУ и данных с IP-камер 6-1 и 6-2 перемещался на участок сухой почвы с борщевиком Сосновского так, чтобы прямоугольный волновод с пирамидальным рупором 4 со слюдяным радиопрозрачным защитным экраном 8 располагался над зоной обработки верхней части стеблекорня со всеми почками возобновления. Положение 8 задавалось либо на уровне λ/2~6 см, либо с учетом высоты зеленых порослей борщевика Сосновского и глубины почек возобновления борщевика Сосновского и могло корректироваться, если высота зеленых порослей борщевика Сосновского незначитиельно ее превышала. Уровень плотности энергии для уничтожения борщевика Сосновского, составляющий по данным «Observations on the potential of microwaves for weed control», Weed Research, 2006, с. 1-9, не менее 4902 кДж/м² достигался через 30 с с момента включения магнетрона с учетом 14 с на его прогрев.

После 2 минут обработки доза микроволнового излучения на поверхности почвы достигала 32 МДж/м², происходил прогрев её с 14,9 С до 68,5°С (Фиг.5, 14), слоев на глубине: 5 см до 73,0°С (Фиг.5, 15) и 10 см до 61,4°С (Фиг.5, 16). Общая площадь обрабатываемых площадей со средней температурой не ниже 48°С составила: на поверхности ~110 см², на глубинах: 5 см ~140 см² и 10 см ~30 см² (Фиг.5, 15 и 16). При испытании РК площадь обработки с температурой выше 48°С составила на поверхности 50,5 см², а на глубинах: 5 см - 60,9 см² и 10 см - 18,9 см². То есть превышала как сечение стебелекорня борщевика Сосновского, так и глубину его верхней части. Для уничтожения верхней части стебелякорня борщевика Сосновского, находящегося на глубинах бόльших, чем 10 см и для сухой почвы достоточно было увеличить максимальное время обработки. Для подтверждения факта уничтожения борщевика Сосновского во всех случаях проводился анализ полученных с помощью IP-камер 6-1 и 6-2 изображений зоны обработки. С помощью ПДУ магнетрон выключался, РК перемещался на следующий участок почвы, содержащий борщевик Сосновского.

Пример 2

В условиях влажной почвы РК применялся с помощью ПДУ и с учетом результатов анализа изображений, полученных с IP-камер с полукруговым обзором IP-камер 6-1 и 6-2. РК перемещался на участок влажной почвы с борщевиком Сосновского так, чтобы прямоугольный волновод с пирамидальным рупором 4 со слюдяным радиопрозрачным защитным экраном 8 располагался над зоной обработки. С помощью ПДУ на блоке питания 2 задавалась мощность магнетрона 1 на уровне 20 % от номинальной (Фиг. 6). Измерялся коэфициент отражения микроволнового излучения S₁₁ и определялась диэлектрическая проницаемость в зоне обработки:

ε=(S₁₁²+exp(2(-8π²/9))/(exp(2(-8π²/9)-S₁₁²)^–1. (3)

Учитывалась зависимость диэлектрической проницаемости ε от влажности почвы w, для расчётов которой взяты диэлектрические проницаемости воды ε_в и сухой почвы и ε_сух:

w=100((ε)^1/3 - (ε_сух)^1/3))/((ε_в)^1/3-(ε_сух)^1/3 )^-1. (4)

На участке почвы с измеренной влажностью РК с помощью ПДУ и данных с IP-камер 6-1 и 6-2 и размещался так, чтобы прямоугольный волновод с пирамидальным рупором 4 со слюдяным радиопрозрачным защитным экраном 8 располагался над зоной обработки верхней части стеблекорня со всеми почками возобновления. Положение 8 устанавливалось на уровне λ/2~6 см и могло корректироваться с учетом высоты зеленых порослей и глубины почек возобновления борщевика Сосновского с помощью МПОУ.

В связи с высоким затуханием микроволнового излучения в верхних слоях почвы с высокой влажностью уничтожение борщевика Сосновского достигалось при уровне плотности энергии не менее 32 МДж/м². Задавалось минимальное время обработки - 120 с. При этом средняя температура в зоне обработки превышала 48°C (Фиг. 7, 17 и 18) как за счёт прямого воздействия микроволнового излучения, так и теплопередачи от соседних участков на площади с поперечными размерами до 11 см. Температура поверхности почвы в зоне обработки изменялась в интервале от 19,4 до 70,6°С (Фиг. 7, 17), а на глубине 5 см достигала 52,7°С (Фиг. 7, 18). Таким образом для уничтожение борщевика Сосновского во влажной почве время обработки устанавливалось как с учетом расчетных значений влажности, так и средней глубины верхней части стебелекореня борщевика Сосновского. По результатам анализа изображений зоны обработки, полученных с помощью IP-камер 6-1 и 6-2 по командам с ПДУ магнетрон выключался, шасси перемещалось на следующий участок почвы, содержащий борщевик Сосновского, где процесс повторялся, начиная с измерения влажности почвы.

Пример 3

В случае густых зарослей борщевика Сосновского применение РК осуществлялось ПДУ и с использованием бензинового или дизельного электрогенератора 7 для движения 5 с максимальной мощностью микроволнового излучения. Высота расположения прямоугольного волновода с пирамидальным рупором 4 со слюдяным радиопрозрачным защитным экраном 8 над зоной обработки контролировалось IP-камерой 6-2 и поддерживалась на высоте не более 6 см, что достигалось за счёт конструкции МПОВ. Работа РК начиналась с подачи напряжения на магнетрон 1. Шасси 5 приводилось в движение после прогрева магнетрона, то есть через 14 с. Максимальная температура почвы зависела от высоты предварительно скошенных зеленых порослей борщевика Сосновского, активно поглощающих микроволновое излучение. Уничтожение зеленых порослей борщевика Сосновского на обрабатываемом участке достигалось при плотности энергии на поверхности почвы не менее 770 кДж/м². Ширина обрабатываетого участка составляла не более 12 см, ее длина определялась оператором с учетом данных с IP-камер 6-1 и 6-2. В режиме одновременного движения шасси 5 на скорости 36 м/ч, задаваемого редуктором с пониженным передаточным отношением, и работы магнетрона с плотностью энергии на поверхности в зоне обработки не менее 1,7 МДж/м² достигалось уничтожение зеленых порослей борщевика Сосновского. Визуальный контроль относительного расположения верхней части борщевика Сосновского и прямоугольного волновода с пирамидальным рупором 4 со слюдяным радиопрозрачным защитным экраном 8 над зоной обработки непрерывно осуществлялся по изображениям, передаваемым между IP-камерами 6-1 и 6-2 и ПДУ на расстояние не менее 10 метров в целях безопасности оператора. Проведенный термографический анализ микроволновой обработки показал (вставка I к Фиг.1), что при исходной одинаковой температуре 9,3°С почва нагрелась до 26,5°С, поросли луговых трав (пырей ползучий) порядка 25 - 30°С, а поверхность стебля борщевика Сосновского - до 48,9°С. Сердцевина стебля борщевика Сосновского прогревалась значительно интенсивнее, чем его поверхностные части, что проиллюстрировано увеличенным тепловизионным изображением фрагмента его стебля, представленным на вставке II на Фиг.1. Согласно проведенным испытаниям данный нагрев приводил к гибели борщевика Сосновского при скорости перемещения РК на скорости до 36 м/ч.

Роботизированный комплекс для уничтожения микроволновым излучением борщевика Сосновского включает блок питания с регулируемой мощностью, магнетрон с мощностью 2 кВт, прямоугольный волновод с пирамидальным рупором высотой, равной удвоенной длине волны, и радиопрозрачным защитным экраном, закрепленные на механизме подъема/опускания волновода, самоходное гусеничное шасси с аккумуляторами и/или бензиновым или дизельным электрогенератором с электродвигателями и понижающими передачу редукторами и IP-камерами. Комплекс передвигается со скоростью до 4 км/ч и обеспечивает диэлектрический нагрев при плотности энергии выше 4902 кДж/м² до температур свыше 48°С как на поверхности зоны обработки, так и на глубинах нахождения почек возобновления до 20 см путем задания времени и мощности с учетом определяемой в реально-временном масштабе влажности почвы и контролируемо поддерживаемой высоты механизма подъема/опускания волновода на уровне половины длины волны - 6 см микроволнового излучения 2,45 ГГц. Работа комплекса осуществляется с помощью пульта дистанционного управления. Техническим результатом является обеспечение возможности уничтожения борщевика Сосновского, а именно почек возобновления на стеблекорне на глубине их нахождения при долговременном воздействии микроволновым излучением и зеленых порослей при кратковременном воздействии в условиях, безопасных для оператора. 7 ил.

Роботизированный комплекс для уничтожения микроволновым излучением борщевика Сосновского, а именно: почек возобновления на стеблекорне на глубине их нахождения при долговременном воздействии и зеленых порослей при кратковременном воздействии, включающий блок питания с регулируемой мощностью, магнетрон с мощностью 2 кВт, прямоугольный волновод с пирамидальным рупором высотой, равной удвоенной длине волны, и радиопрозрачным защитным экраном, закрепленные на механизме подъема/опускания волновода, самоходное гусеничное шасси с аккумуляторами и/или бензиновым или дизельным электрогенератором с электродвигателями и понижающими передачу редукторами и IP-камерами, передвигающийся со скоростью до 4 км/ч и обеспечивающий диэлектрический нагрев при плотности энергии выше 4902 кДж/м² до температур свыше 48°С как на поверхности зоны обработки, так и на глубинах нахождения почек возобновления до 20 см путем задания времени и мощности с учетом определяемой в реально-временном масштабе влажности почвы и контролируемо поддерживаемой высоты механизма подъема/опускания волновода на уровне половины длины волны - 6 см микроволнового излучения 2,45 ГГц, работа которого на всех режимах обработки мест произрастания борщевика Сосновского обеспечивается с помощью пульта дистанционного управления.