Передвижное устройство для электромагнитной обработки растений

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к средствам стимуляции развития растений путем электромагнитного воздействия.

Известно устройство для облучения засеянных полей ультракороткими электромагнитными волнами, содержащее ультракоротковолновый радиопередатчик, соединенный с направленной антенной и установленный в корзине привязного воздушного шара, перемещаемого над полем при помощи тросов, последовательно облучая отдельные участки поля, осуществляя, таким образом, борьбу с насекомыми-вредителями сельского хозяйства (См. Лебедев В.В. Устройстве для облучения засеянных полей. Авт. Свид-во СССР №32068, М.кл. A01G 7/04; заявлено 03.05.1932 г. (спр. о перв. №108541); опубл. 30.09.1933 г.)

Однако это известное устройство ограничено в перемещениях над полями, использует непрерывное ультракоротковолновое излучение и не может быть использовано на больших плантациях для стимуляции развития и роста растений.

Известно передвижное устройство для стерилизации почвы и стимулирования роста полезных растений, содержащее борону, на которой смонтирован рабочий орган, включающий генератор УКВ, связанный с изолированными по всей наружной поверхности электродами, движимыми попарно в почве, шарнирно смонтированными на общей раме с возможностью регулирования расстояния между ними. (См. Кажинский Б.Б. Передвижное устройство для стерилизации почвы и стимулирования роста полезных растений. Авт. Свид-во СССР №75810, М.кл. A01G 7/04; опубл. 30.06.1949 г.)

Это известное устройство использует облучение ультракороткими волнами почвы между движимыми в ней изолированными электродами, питаемыми токами высокой частоты, стерилизуя при этом почву, создавая благоприятные условия для роста сельскохозяйственных растений. Однако это известное устройство энергоемко и может быть использовано только перед посадкой растений.

Наиболее близким техническим решением из известных устройств, использующих внешнее электромагнитное воздействие на растения, является устройство для обработки почвы, которое представляет собой мобильную установку для обработки почвы, содержащую модулятор, подключенный к генератору высокочастотных колебаний, блок задания режимов работы, соответствующий выход которого связан с входом модулятора и антенный тракт с излучателем, содержащим излучающие элементы, переключатель с одним высокочастотным входом и высокочастотными выходами, блок управления переключателем, выход блока задания режимов соединен с входом блока управления переключателем, а выход блока управления переключателем соединен с управляющим входом переключателя, соответствующие выходы которого соединены с излучающими элементами. (См. Полевик Н.Д., Жданов Б.В. Способ обработки почвы и устройство для его осуществления. Патент РФ №2439868, М. кл. А01В 47/00, А01В 79/00; опубл. 20.01.2012 Бюл. №2)

Данное известное устройство обеспечивает бесконтактный подвод электромагнитной энергии в обрабатываемый слой почвы, однако требует до обработки почвы внесения органических остатков и удобрений. Кроме того устройство сложное по конструкции, работает в СВЧ диапазоне, энергоемко (регулируемый уровень импульсной мощности от 20 до 200 кВт) имеет узкую площадь охвата (3,5 м²) и уплотняет колесами почву. Использование этого известного устройства целесообразно только при обработке почвы перед посадкой растений.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является осуществление широкозахватного направленного А воздействия электромагнитных импульсов сверхнизкой частоты ультракоротковолнового излучения дециметрового диапазона для адресной стимуляции обменных процессов и лучшего усвоения из почвы питательных веществ и микроэлементов в рядах насаждений значительных площадей промышленных плантаций сельскохозяйственных культур при низкой энергоемкости с реализацией цифровых интеллектуальных агротехнологий, без уплотнения почвы, с целью повышения урожайности и экологической безопасности.

Поставленная задача решается тем, что в передвижном устройстве для электромагнитной обработки растений, содержащем транспортное средство передвижения, на котором размещены, сменный аккумулятор, блок питания, навигационная система для перемещения в пространстве, бортовой контроллер управления, связанный радиоканалом с пультом дистанционного управления, рабочий орган электромагнитного облучения растений, включающий радиопередатчик и излучатель, смонтирован на нижней стороне рамы гексакоптера между стойками шасси и выполнен в виде зигзагообразной антенны с рефлектором, подключенной к выходу усилителя мощности радиопередатчика дециметрового Диапазона с амплитудной манипуляцией несущей частоты в сверхнизкочастотном диапазоне, вход усилителя мощности радиопередатчика Соединен с выходом буферного усилителя, первый вход которого соединен с выходом задающего генератора несущей частоты, а второй вход соединен с выходом перестраиваемого генератора прямоугольных импульсов сверхнизкой частоты, цепь питания которых подключена к блоку питания через блокированный тумблером электронный ключ, управляющий вход которого соединен с бортовым контроллером управления, светодиод индикации активации устройства соединен с цепью питания, а светодиод индикации облучения растений подключен через конвертер к усилителю мощности радиопередатчика.

Технический результат устройства выражается в том, что благодаря тому, что рабочий орган электромагнитного облучения растений смонтирован на гексакоптере и выполнен в виде зигзагообразной антенны с рефлектором, подключенной к выходу радиопередатчика дециметрового диапазона с амплитудной манипуляцией в сверхнизкочастотном диапазоне с дистанционным управлением контроллером активацией и ее светодиодной индикацией позволяет проводить направленное облучение растений электромагнитными импульсами сверхнизкой частоты ультракоротковолнового излучения дециметрового диапазона. Такое широкозахватное направленное воздействие на вегетирующие растения и их прикорневую зону в рядах насаждений в производственных условиях дает наибольший биологический эффект - обеспечивает стимуляцию обменных процессов, приводит к повышению проницаемости клеточных мембран, ведет к улучшению усвоения из почвы нужных питательных веществ, микроэлементов и наиболее полно реализует генетический потенциал. Кроме того, в устройстве использован гексакоптер - летательный аппарат с 6-ю несущими, винтами хорошо зарекомендовавший себя с точки зрения надежности, грузоподъемности, минимальных затрат, получения стабильности в полете и отсутствия уплотнения почвы полей.

Новизна предложенного технического решения состоит в введенных в предлагаемое устройство новых элементах их связях и размещении, отраженных в формуле изобретения.

Проведенный нами анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить отсутствие технического решения в источниках, характеризующегося признаками, тождественными признакам предложенного, изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому нами техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».

Результаты проведенного дополнительного поиска известных решений показали, что заявленное изобретение не содержит признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства.

Следовательно, заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, а является результатом творческого труда авторов изобретения и заявленное изобретение соответствует условию «изобретательский уровень».

Передвижное устройство для электромагнитной обработки растений поясняется чертежами, где на фиг. 1 - представлен общий вид устройства; на фиг. 2 - вид устройства при облучении растений в полете; на фиг. 3 - блок-схема радиопередатчика дециметрового диапазона с амплитудной манипуляцией; на фиг. 4 - временные диаграммы модулирующего и манипулированного сигналов.

Передвижное устройство для электромагнитной обработки растений (Фиг. 1) содержит летательный аппарат - гексакоптер 1, на котором размещены сменный аккумулятор 2, блок питания 3, навигационная система для перемещения в пространстве 4, бортовой контроллер управления 5, зигзагообразная антенна 6, рефлектор 7, кабель фидера 8, радиопередатчик дециметрового диапазона с амплитудной манипуляцией 9, пульт дистанционного управления 10. Радиопередатчик дециметрового диапазона с амплитудной манипуляцией 9 (Фиг. 2) содержит генератор прямоугольных импульсов сверхнизкой частоты 11, задающий генератор несущей частоты 12, буферный усилитель 13, усилитель мощности 14, конвертер 15, светодиод индикаций облучения растений 16, светодиод индикации активации устройства 17, электронный ключ 18, тумблер 19, переключатель 20 установки частоты генератора прямоугольных импульсов.

Передвижное устройство для электромагнитной обработки растений работает следующим образом.

Вначале, проводят проверку работоспособности радиопередатчика 9. Для этого, с помощью переключателя 20 устанавливают нужную частоту амплитудной манипуляции передатчика 9 дециметрового излучения зигзагообразной антенной 6 на растения. Тумблер 19 переводят в состояние «Вкл.», регистрируя при этом вспышки светодиода 16 индикации облучения растений, а затем переводят его в состояние «Выкл.» и подают команду «Вкл.» с пульта дистанционного управления 10, отмечая при этом также вспышки светодиода 16. Тумблер 19 используется для автономной проверки работоспособности радиопередатчика 9 с целью повышения надежности эксплуатации устройства.

Выбирают режим полета: автоматический, полуавтоматический или ручной. В автоматическом режиме план полета программируется заранее, с помощью компьютера. В полуавтоматическом режиме гексакоптер совершает полеты по рядам посадок и автоматически перестраивается на соседний ряд (ы), но каждую команду выполняет только по указанию оператора. Этот режим позволяет проще летать над полями неправильной формы. В ручном режиме оператор полностью управляет гексакоптером самостоятельно.

Гексакоптер оборудован лазерным радаром, который отслеживает высоту полета с погрешностью нескольких сантиметров. Благодаря этому возможна обработка на склонах с уклоном до 45 градусов.

Гексакоптер способен поднять до 4,2 кг полезной нагрузки и находиться с ней в воздухе до 20 минут. В экстренных ситуациях, разрядки аккумулятора или отсутствия сигнала от навигационной системы управления, гексакоптер сам возвращается на точку взлета и совершает посадку в автоматическом режиме.

После проведения проверки работоспособности устройства, определения площади и режима обработки сельскохозяйственной культуры, устройство приводится в движение. При достижении заданной высоты полета и точки начала обработки с пульта управления или введенной программы подается команда «Вкл.», активирующая работу радиопередатчика 9 путем получения команды от бортового контроллера управления 5, открывающую электронный ключ 18 (Фиг. 3) подачи напряжения в цепь питания радиопередатчика и индикации активации работы свечением светодиода 17. При этом напряжение сигнала несущей частоты от задающего генератора несущей частоты 12 поступает на первый вход буферного усилителя 13, на второй вход которого поступает управляющий сигнал U(t) прямоугольной формы (Фиг. 4, поз. 21) от перестраиваемого по частоте переключателем 20 генератора прямоугольных импульсов сверхнизкой частоты 11. В результате его периодического запирания и открытия на выходе буферного усилителя 13 формируется радиосигнал U_m(t) с амплитудной манипуляцией (Фиг. 4, поз. 22), который через усилитель мощности 14 поступает через кабель фидера 8 в зигзагообразную антенну 6 и излучается ей с заданной высоты полета на растения (фиг. 2, поз. 23). При этом светодиод 16 индикации облучения растений, подключенный через конвертер 15 к усилителю мощности 14, выдает периодические вспышки света в соответствии с периодом управляющего сигнала U(t) сверхнизкой частоты (Фиг. 4, поз. 21). Благодаря использованию в радиопередатчике амплитудной манипуляции происходит экономия энергии, что особенно важно при питании устройства от аккумулятора. Передатчик с выходной мощностью 1 Вт, собран на основе модулей, настроенных на частоту 433,5 МГц, относящейся к не лицензируемой частоте в полосе 433,075-433,790 МГц, которые можно использовать для любых нужд, с некоторым ограничением по мощности излучаемого сигнала.

Когда частота несущей амплитудно-манипулированного (АМн) сигнала не выше 10⁹ Гц и отсутствуют «размерные эффекты», она является второстепенным фактором в результате воздействия электромагнитного поля (ЭМП) на биосистему, а первичным фактором, отражающимся на результате воздействия, является частота амплитудной манипуляции. Практически одинаковая с низкочастотным импульсным 5 магнитным полем результативность воздействия АМн ЭМП на растения позволяет существенно упростить и удешевить конструкцию излучающих устройств. Это возможно благодаря тому, что характер распространения АМн ЭМП определяется не модулирующей частотой, лежащей в диапазоне сверхнизких частот (СНЧ), а частотой несущей, выбор которой не ограничивается вплоть до частот 10⁹ Гц. При этом для не лицензируемой частоты 433,5 МГц на гексакоптере возможно использование легкой, малогабаритной (габаритные размеры 480×340×11 см), узконаправленной антенны, такой как зигзагообразная антенна 6 (Фиг. 1), содержащей активный вибратор в виде двух разнесенных по горизонтали идентичных металлических ромбических рамок, включенных параллельно. Каждая из двух рамок образует квадрат с общей длиной всех четырех сторон, равной длине волны сигнала излучения. Ее можно рассматривать как синфазную антенну, состоящую из четырех полуволновых вибраторов, дополненную рефлектором 7, состоящим из ряда разнесенных по горизонтали параллельных проводов, который часть высокочастотной энергии, падающей на рефлектор, отражает в сторону полотна антенны. Она не критична к материалам и размерам при изготовлении, имеет хорошее согласование с отводящим кабелем фидера 8 (фиг. 1). При использовании такой зигзагообразной антенны 6 с рефлектором 7 горизонтально поляризованная электромагнитная волна распространяется достаточно узким лучом (Фиг. 2), поэтому возможна обработка строго определенного участка поля, при которой не будут затронуты соседние участки поля. Ширина главного лепестка в Е и Н плоскостях по уровню 3 дБ равна 60°. Учитывая, что главный лепесток диаграммы направленности такой антенны симметричен в поперечной плоскости, можно считать, что пятно излучения на растения круглое. Диаметр пятна облучения растений с заданной высоты полета гексакоптера Н=10 м и угле расходимости диаграммы направленности антенны α=60° на уровне 3 дБ равен D=H⋅Sinα=8,66 м. Тогда при подводимой мощности излучения к антенне от радиопередатчика Р=1 Вт плотность потока мощности облучения растений G равна: G=4P/πD²=1,7⋅10^-6 Вт/см²=1,7 мкВт/см², что исключает нагрев тканей растений, который отмечают при значениях более 10 мВт/см² и находится в оптимальной области чувствительности в смысле информационного взаимодействия восприятия растениями электромагнитного поля (ЭМП). При относительно низком уровне ЭМП принято говорить об информационном воздействии, которое означает формирование биологического эффекта за счет энергии самого организма, внешнее воздействие дает только толчок «информацию» для развития реакции организма. Необходимое число N импульсов воздействия манипулированного сигнала радиопередатчика 9 на растения для получения биологического эффекта, полученное экспериментальным путем, находится в диапазоне 30-60. При заданной частоте амплитудной манипуляции F=16 Гц и числе импульсов воздействия N=48 время воздействия на растения равно t_в=N/F=48/16=3 с, при этом скорость полета гексакоптера V_г=L/t_в=6/3=2 м/с, где L - поперечная длина активной области в пятне излучения. При обработке промышленной плантации насаждений гексакоптером, как правило, используется галсовый облет. Время пролета одного галса на площади в 1 га предлагаемым устройством равно t_г=100/V_г=100/2=50 с. При охвате Z пятном излучения Z=6 рядов (Фиг. 2), например земляники садовой, число галсов М_г, необходимое предлагаемому устройству для облета площади 1 га, равно 100/Z=100\6≈17. Полное время облета предлагаемым устройством площади в 1 га насаждений равно: t_п=t_г⋅M_г=50⋅17=850 с=850/60≈14 мин с возвратом в исходную точку вылета. В производственных условиях при непрерывном технологическом процессе обработки бегущим амплитудно-манипулированным излучением дециметрового диапазона растений земляники производительность определяется скоростью перемещения предлагаемого устройства по плантации и равна 4 га/час.

Анализ схем технологического применения устройства показал, что он имеет большую производительность по сравнению с известными технологиями и регулируемую ширину захвата (определяется высотой полета коптера), что позволит применять его в садоводстве на посадках низкорастущих ягодников с междурядьем 0,8-0,9 м, кустарниковых ягодниках с междурядьями насаждениями 2,5-3,5 м и в садах интенсивного типа с междурядьями 3,0-3,5 м.

Таким образом, при движении предлагаемого устройства в рядах насаждений растений на промышленных плантациях на каждое растение и его прикорневую зону (Фиг. 2, поз. 23) осуществляется направленное воздействие серией низкочастотных импульсов электромагнитного излучения дециметрового диапазона слабой интенсивности, что обеспечивает наиболее полную стимуляцию всех жизненных процессов и адаптацию к изменениям внешней среды. В результате такое воздействие дает наибольший биологический эффект, который выражается в повышении проницаемости клеточных мембран, стимуляции обменных процессов, улучшении усвояемости питательных веществ и микроэлементов - повышении продуктивности сельскохозяйственных культур.

Предлагаемое устройство характеризуется следующими отличиями:

- наиболее эффективно на полях до 100 га, в труднодоступных местах, на сложных ландшафтах, где другая техника недоступна;

- возможность совмещения агротехнических операций, например, электромагнитная обработка и опыление;

- минимальная себестоимость и высокая надежность, не требует технологических проездов для обработки в отличие от самоходного транспорта, не уплотняет почву;

- простота в управлении и обслуживании при высокой производительности.

Современный уровень сельскохозяйственного производства определяется 1 интеллектуальными машинными технологиями и техническими средства нового поколения. Для реализации цифровых интеллектуальных агротехнологий требуется кардинальное изменение парадигмы технического обеспечения, основанное на разработке и применении новых малоэнергоемких, экологически безопасных автоматических и беспилотных машин для программного управления рабочими процессами машин. Предлагаемое устройство технически реализуемо и обеспечивает выполнение экологически безопасного технологического приема стимуляции жизненных и ростовых процессов сельскохозяйственных культур их адаптации к условиям внешней среды и как результат повышения урожайности.