Беспилотный летательный аппарат для отбора почвенных образцов Российский патент 2024 года по МПК B64U10/10 B64U101/40 G01N33/24 G01N1/04 

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к сельскохозяйственным беспилотным летательным аппаратам для отбора проб почвы при проведения агрохимического и эколого-токсикологического обследования сельскохозяйственных угодий.

Известен способ отбора пробы грунта с использованием пробоотборника грунта для беспилотного летательного аппарата вертолетного типа и устройство, имеющее цилиндрический корпус, в котором располагается шнек-винт, контейнер для транспортировки проб грунта, электромотор шнек-винта, каретка электромотора, линейный привод, верхняя крышка, фиксатор пробоотборника к корпусу летательного аппарата, который запускается и после перемещения в зону отбора проб опускается на поверхность грунта, и по команде оператора включается электромотор шнек-винта, включается линейный привод, который погружает электромотор и вращающийся шнек-винт в грунт на заданную глубину при помощи каретки электромотора, тем самым проводя бурение, при этом в полость для размещения грунта пробоотборника осуществляется первый проход шнек-винта с забросом части грунта в контейнер возвратно-поступательным способом; окончательный проход шнек-винта забрасывает остатки грунта в контейнер, линейный привод поднимает каретку и происходит выключение системы. Отобрав пробу, летательный транспортируется к месту нахождения оператора, причем, возможность потери пробы при данном способе возвращения в исходную позицию исключается за счет ограничителя в контейнере для транспортировки проб грунта, а по возвращению, контейнер отделяется от корпуса пробоотборника посредством крепления, переворачивается дном вверх и проба грунта пересыпается в банку (патент RU № 2790164, МПК G01N 1/04, B64C 39/02, 2023).

Недостатком известного устройства является низкая производительность отбора проб грунта, вследствие однократности пробы грунта, транспортируемой к месту ее выгрузки, а также неточность заданного объема пробы с увеличением глубины отбора, увеличение габаритов за счет дополнительного линейного актуатора.

Известен беспилотный летательный аппарат (БЛА) для отбора проб почвы, содержащий корпус, двигатели с винтами, прикрепленный к корпусу пробоотборник, включающий линейный серводвигатель со штоком, на конце которого установлен двигатель, обеспечивающий вращательное движение полого бура конусного типа с одновременным сбором почвы посредством ножей и отверстий, выполненных на конусной части бура (патент KR 10-184539581, 29.03.2018).

Недостатком известного устройства является низкая производительность технологического процесса отбора проб почвы вследствие необходимости транспортировки каждой пробы к месту сбора, невозможность дифференцированного отбора проб почвы на разных глубинах залегания, что сказывается при анализе количественных и качественных характеристиках почвы, ее химического и физического состава.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображен беспилотный летательный аппарат для отбора почвенных образцов, вид спереди; на фиг. 2 представлен почвенный бур с электроприводом, на фиг. 3 - поперечный разрез А-А; на фиг.4 поперечный разрез Б-Б; на фиг. 5 - поперечный разрез С-С.

Технической задачей изобретения, является повышение производительности и качества выполнения технологического процесса отбора проб почвы за счет обеспечение дифференцированного отбора проб почвы с заданной глубины с предварительным накоплением отобранных проб в БЛА.

Поставленная техническая задача достигается тем, что в беспилотном летательном аппарате для отбора почвенных образцов, содержащем корпус, радиальные кронштейны, двигатели, винты, аккумулятор, посадочное шасси, бортовую систему автоматического управления пилотированием, навигацией с полетным контроллером, технологический модуль отбора почвенных проб, включающий блок управления, линейный сервопривод с вертикальным штоком и реверсивным электроприводом, почвенный бур с почвозаборной емкостью, шаговый реверсивный электродвигатель с приводным валом, согласно изобретению, вертикальный шток реверсивного электропривода в его рабочем положении соединен с почвенным буром посредством электромагнитного устройства, при этом ответная пластина электромагнита снабжена крестообразной торцевой шпонкой входящей в крестообразный шпоночный паз сердечника электромагнита, допуски на продольные и поперечные размеры крестообразной шпонки, по крайней мере, в 1,5-2 раза меньше допусков на продольные и поперечные размеры шпоночного паза сердечника электромагнита, по периметру цилиндрической части почвенного бура выполнены прямоугольные отверстия, закрываемые заслонками с овально отогнутыми концами и возвратными пружинами осей заслонок и с возможностью поворота заслонок на угол не превышающий 30°, приводной вал шагового реверсивного электродвигателя соединен через быстросъемную муфту с накопительным цилиндрическим барабаном с осью совмещенной с осью приводного вала, а внутри барабана размещены цилиндрические камеры с коническими днищами и равномерным расположением их центров по окружности, причем одна камера является полым цилиндром и в рабочем положении соосна с вертикальной осью симметрии линейного сервопривод, контроллеры линейного сервопривода и реверсивного электродвигателя связаны с блоком управления и с полетным контроллером беспилотного летательного аппарата.

Беспилотный летательный аппарат 1 для отбора почвенных образцов содержит корпус 2, соединенные с ним радиальные кронштейны 3, двигатели 4, винты 5, аккумулятор 6, посадочное шасси 7, бортовую систему автоматического управления 8 пилотированием, навигацией и полезной нагрузкой, технологический модуль 9 отбора почвенных проб, подвешенный к корпусу 2 посредством кронштейна 10. Бортовая система автоматического управления 8 содержит полетный контроллер с процессором, связанным с модулем программного обеспечения управления полетом БЛА 1 и модулем программного обеспечения управления работой технологического модуля 9, комплексированную с процессором контроллера интегрированную навигационную систему, включающую модуль инерциальной навигационной системы, объединенный с модулем спутниковой навигационной системы в виде приемника ГЛОНАСС (не показано) с антенной 11. Полетный контроллер комплексирован с блоками автоматического управления исполнительными механизмами двигателей 4, блоком 12 управления работой технологического модуля 9, с контроллерами линейного сервопривода 13 и реверсивного электродвигателя 14, с модулями датчиков внешней среды и измерения высоты полета (не показано).

Технологический модуль 9 БЛА 1 содержит установленный по его вертикальной оси симметрии а-а линейный сервопривод 13 и шаговый реверсивный электродвигатель 14. Сервопривод 13 работает в режиме линейного актуатора с интегрированным датчиком линейного перемещения штока 15. Электродвигатель 14 имеет приводной вал 16. На конце вертикального штока 15 линейного сервопривод 13 закреплен реверсивный электропривод 17, соединенный с электромагнитным устройством крепления 18 через муфту 19 из немагнитного материала. Электромагнитное устройство 18 в рабочем положении связано с почвенным буром 20.

Линейный сервопривод 13 и шаговый реверсивный электродвигатель 14 подключены к блоку 12 управления работой технологического модуля 9.

Бур 20 имеет почвозаборную емкость 21, образованную полой конической частью 22 с косыми наружными режущими пластинами 23 и полой цилиндрической частью 24 закрытую сверху крышкой 25 с ответной пластиной26 для электромагнита 18 и датчиком заполнения емкости почвой (не показано). По периметру цилиндрической части 24 бура 20 выполнены прямоугольные отверстия 27, закрываемые заслонками 28 с овально отогнутыми концами 29 и возвратными пружинами 30 осей 31 заслонок 28, с возможностью поворота заслонок на угол, не превышающий 30°, ограниченный упорами 32.

Ответная пластина 26 электромагнита 18 снабжена крестообразной торцевой шпонкой 33, входящей в крестообразный шпоночный паз 35 сердечника 34 электромагнита 18. При этом допуски на продольные и поперечные размеры крестообразной шпонки 33, по крайней мере, 1,5-2 раза меньше допусков на продольные и поперечные размеры шпоночного паза 35 сердечника 34 электромагнита 18.

Приводной вал 16 электродвигателя 14 соединен через быстросъемную муфту 36 с накопительным цилиндрическим барабаном 37 с осью b-b совмещенной с осью c-c приводного вала 16. Внутри барабана 37, размещены цилиндрические камеры хранения 38 с коническими днищами 39 и равномерным расположением их центров 40 по окружности 41, при этом одна камера 42 является полым цилиндром и в рабочем положении соосна с вертикальной осью симметрии е-е линейного сервопривод 13, работающего в режиме линейного актуатора.

Соединение вертикального штока 15 реверсивного электропривода 13 в его рабочем положении с почвенный буром 20 посредством электромагнита 18 позволяет автоматически отсоединять бур 20 при установке его в цилиндрическую камеру хранения 38 барабана 37 и забирать последующий бур 20 для заполнения его почвой при выполнении технологического процесса отбора проб почвы БЛА1.

Выполнение ответной пластины 26 электромагнита 18 с крестообразной торцевой шпонкой 33, входящей в крестообразный шпоночный паз 35 сердечника 34 электромагнита 18 с допусками на продольные и поперечные размеры крестообразной шпонки 33 , по крайней мере, 1,5-2 раза меньше допусков на продольные и поперечные размеры шпоночного паза 35 сердечника 34 электромагнита 18, является необходимым и достаточным условием точного сопряжением бура 20 и электромагнита 18 и предотвращает поперечный срыв бура 20 в процессе бурения.

Выполнение по периметру цилиндрической части 24 почвенного бура 20 прямоугольных отверстий 27, закрываемых заслонками 28 с овально отогнутыми концами 29 и возвратными пружинами 30 осей 31 заслонок 28, с возможностью поворота заслонок 28 на угол, не превышающий 30°, ограниченный упорами 32, позволяет набирать почву в почвозаборную емкость 21 при реверсивном вращении электропривода 17.

Соединение приводного вала 16 шагового реверсивного электродвигателя 14 через быстросъемную муфту 36 с накопительным цилиндрическим барабаном 37 с осью b-b, совмещенной с осью c-c приводного вала 16 обеспечивает быстрый съем и установку барабана 37 с бурами 20.

Размещение внутри барабана 37 цилиндрических камер 38 с коническими днищами 39 и равномерным расположением их центров 40 по окружности 41 позволяет точно устанавливать в барабан 37 заполненные почвой буры 20, хранение каждого заполненного бура 20 в своей камере хранения 38 и надежность транспортировки буров при полете БЛА 1.

Выполнение одной камеры 42 барабана 37 в виде полого цилиндра и в рабочем положении соосно с вертикальной осью симметрии е-е линейного сервопривод 13 позволяет в процессе бурения проходить буру 20 сквозь барабан 37, что объединяет процесс бурения и процесс сбора проб в единый технологический модуль 9 и уменьшает его габариты.

Объединения блока управления 12 и контроллеров линейного сервопривода 13 и реверсивного электродвигателя 14 с полетным контроллером беспилотного летательного аппарата позволяет управлять процессом отбора проб почвы по заданным координатам отбора проб в соответствии с заданной программой.

Беспилотный летательный аппарат для отбора почвенных образцов работает следующим образом.

В процессор полетного контроллера БЛА 1 загружают полетное задание, в котором отображают в электронном виде параметры маршрута полета и электронную карту-задание, являющуюся программой отбора почвенных образцов, разрабатываемой на основе существующих стандартов (ГОСТ Р58595- 2019. ПОЧВЫ. Отбор проб. М.: Стандартинформ. 2019).

Электронная карта-задание включает границы, площадь, длину гона сельскохозяйственного поля, координаты стартовой точки, координаты точек отбора проб на сельскохозяйственного поле, глубина отбора каждой пробы, координаты точки окончания отбора проб, рабочую скорость и высоту полета, рабочую траекторию полета БЛА 1, координаты посадочной площадки для замены аккумуляторной батареи 6, и координаты выгрузки почвенных проб.

От котроллера сигнал передаётся в блок системы автоматического управления полетом, запускаются двигатели 4, производится раскрутка несущих винтов 5 и двигатели 4 переводятся во взлетный режим. Производится вертикальный взлет БЛА 1. БЛА 1 в соответствии с программой полета, подлетает к точке стартовых координат, при этом координаты, определяемые интегрированной навигационной системой, сравниваются с заданными координатами, введенными в программу траекторного полета.

Модуль датчиков внешней среды передает информацию в процессор контроллера о параметрах внешней среды (скорости и направлении ветра, атмосферном давлении, температуре и влажности воздуха). Модуль измерения высоты полета передает на процессор контроллера текущее значение высоты полета БЛА 1.

При подлете БЛА 1 к заданной точке отбора пробы БЛА 1 зависает и осуществляет посадку на грунт. Блок управления 12 передает управляющие сигналы на контроллер линейного сервопривода 13, который преобразует сигналы управления сервоприводом 13, определяет требуемую длину выдвижения штока 15 с буром 20, скорость вращения бура 20 и обрабатывает сигналы от датчика перемещения штока 15 с буром 20. Шток 15 опускается вертикально вниз, бур 20 вращается по часовой стрелке и входит в почву. Достигнув заданной глубины отбора почвы, шток 15 останавливается, вращение бура 20 посредством реверса вала электропривода 17 меняется на противоположное. За счет взаимодействия отогнутых концов 29 заслонок 28 с почвой, заслонки, преодолевая усилие пружины 30, поворачиваются на угол, не превышающий 30°, ограниченный упорами 32. Окно 27 открывается и почва набирается в почвозаборную емкость 21. Датчик заполнения емкости 21 почвой сигнализирует о полном заполнении почвой емкости 21. Вращение бура 20 меняется на противоположное. Заслонки 28 при взаимодействии с почвой и за счет усилия пружины 30 закрываются, шток 15 поднимается и поднимает, соответственно бур 20, который устанавливается сверху барабана 37. Блок управления 12 передает управляющие сигналы на контроллер шагового реверсивного электродвигателя 14. Вал 16 поворачивается и поворачивает, соответственно, барабан 37, который устанавливается его свободной камерой 38 над буром 20. Включается сервопривод 13. Бур 20, с заполненной почвой емкостью 21, опускается в камеру 38. Электромагнит 18 обесточивается, электропривод 13 по сигналу от своего контроллера поднимает шток 15 с электромагнитом 18 и устанавливает его над барабаном 37. Шаговый электродвигатель 14 посредством вала 16 по сигналу от своего контроллера поворачивает барабан 37 и устанавливает не заполненный почвой бур 20 над электромагнитом 18. Включается сервопривод 13, шток 15 опускается, на электромагнит подается напряжения и шток 15 с электродвигателем 17 соединяется с буром 20. БЛА 1 поднимается в воздух и перелетает к следующей точке отбора проб почвы. После заполнения всех свободных емкостей 21 буров 20 в барабане 37 полетный контроллер посредством навигационной системы с антенной 11 засекает координаты прерванной рабочей траектории полета БЛА1. БЛА 1 перелетает к месту сбора почвенных образцов, где барабан 37 посредством быстросъемной муфты 36 отсоединяется от вала 16 и на его место ставится барабан 37 с бурами 20, с незаполненными почвой емкостями 21.БЛА 1 поднимается и перелетает по заданной траектории к заданной точке отбора проб почвы, находящейся на рабочей траектории полета БЛА1.

Применение беспилотного летательного аппарата для отбора проб почвы обеспечивает дифференцированный отбор проб почвы с заданной глубины с предварительным накоплением отобранных проб в БЛА, снижение затрат труда, повышение производительности и качества выполнения технологического процесса отбора проб почвы на сельскохозяйственных угодьях.

Беспилотный летательный аппарат для отбора почвенных образцов содержит корпус, радиальные кронштейны, двигатели, винты, аккумулятор, посадочное шасси, бортовую систему автоматического управления пилотированием, навигацией с полетным контроллером, технологический модуль отбора почвенных проб. Технологический модуль включает блок управления, линейный сервопривод с вертикальным штоком и реверсивным электроприводом, почвенный бур с почвозаборной емкостью, соединенный через электромагнитное устройство со штоком, шаговый реверсивный электродвигатель с приводным валом, соединенным с накопительным цилиндрическим барабаном с камерами для буров, при этом камера является полым цилиндром, соосным с вертикальной осью симметрии линейного сервопривода. По периметру цилиндрической части бура выполнены прямоугольные отверстия, закрываемые заслонками с овально отогнутыми концами и возвратными пружинами осей заслонок, с возможностью поворота заслонок на угол, не превышающий 30°. Контроллеры сервопривода и реверсивного электродвигателя технологического модуля соединены с полетным контроллером беспилотного летательного аппарата. Обеспечивается повышение производительности и качества выполнения технологического процесса отбора проб почвы на сельскохозяйственных угодьях. 5 ил.

Беспилотный летательный аппарат для отбора почвенных образцов, содержащий корпус, радиальные кронштейны, двигатели, винты, аккумулятор, посадочное шасси, бортовую систему автоматического управления пилотированием, навигацией с полетным контроллером, технологический модуль отбора почвенных проб, включающий блок управления, линейный сервопривод с вертикальным штоком и реверсивным электроприводом, почвенный бур с почвозаборной емкостью, шаговый реверсивный электродвигатель с приводным валом, отличающийся тем, что вертикальный шток реверсивного электропривода в его рабочем положении соединен с почвенным буром посредством электромагнитного устройства, при этом ответная пластина электромагнита снабжена крестообразной торцевой шпонкой, входящей в крестообразный шпоночный паз сердечника электромагнитного устройства, причем допуски на продольные и поперечные размеры крестообразной шпонки по крайней мере в 1,5-2 раза меньше допусков на продольные и поперечные размеры шпоночного паза сердечника электромагнита, по периметру цилиндрической части почвенного бура выполнены прямоугольные отверстия, закрываемые заслонками с овально отогнутыми концами и возвратными пружинами осей заслонок и с возможностью поворота заслонок на угол, не превышающий 30°, при этом приводной вал шагового реверсивного электродвигателя соединен через быстросъемную муфту с накопительным цилиндрическим барабаном с осью, совмещенной с осью приводного вала, внутри барабана размещены цилиндрические камеры с коническими днищами и равномерным расположением их центров по окружности, причем одна камера выполнена в виде полого цилиндра и в рабочем положении соосна с вертикальной осью симметрии линейного сервопривода, а контроллеры линейного сервопривода и реверсивного электродвигателя связаны с блоком управления и с полетным контроллером беспилотного летательного аппарата.