26.01.2022
Полевой мехатронный профилограф — конструкция, состоящая из основания с установочными стержнями и стойки, на которой размещены угловой датчик и корпус с расположенными в нем блоком питания и блоком управления.
Профилограф — прибор, предназначенный для точного наземного сканирования поверхности сельскохозяйственных земель. Для оценки качества вспашки его устанавливают в борозду, образованную после прохода трактора, и цилиндрическим сканированием определяют профиль поверхности необработанной земли, борозды и обработанного участка, после чего показатели сравнивают. Для определения глубины обработанной почвы выполняется сравнение уровней борозды и необработанной поверхности, а для определения коэффициента вспушенности — уровней обработанной и необработанной поверхностей.
Из-за нарушения агротехнических требований к обработке почвы ухудшаются условия роста и развития культурных растений, снижается урожайность, появляется риск развития эрозии почвы на склоновых землях, снижения плодородия, возникают и другие негативные последствия.
Прибор поможет управлять продуктивностью посевов, количественно учитывая изменчивость условий произрастания растений. По сути, таким образом исследователи Чувашского государственного университета (ЧГУ) реализуют современное «умное» точное земледелие. Профилограф также повышает производительность комплексного анализа земли, и это одно из его ключевых преимуществ. Прибор помогает проводить оценку в течение нескольких минут, тогда как сейчас на предприятиях на это уходит около получаса.
Основной разработчик профилографа, заведующий кафедрой прикладной механики и графики машиностроительного факультета ЧГУ, доктор технических наук Сергей Васильев на полевых испытаниях прибора.
ОЦЕНИТЬ ВСПАШКУ ПО ВСЕМ ПАРАМЕТРАМ
В основу проекта легли многолетние исследования эрозионных процессов на склоновых землях, а также агротехнических и противоэрозионных технологий для их предупреждения. О том, почему ученые ЧГУ решили создать новый профилограф, «Стимулу» рассказал автор идеи и основной разработчик этого устройства, заведующий кафедрой прикладной механики и графики машиностроительного факультета ЧГУ доктор технических наук Сергей Васильев.
Как поясняет исследователь, современные приборы, которые уже используются для оценки вспашки, имеют возможность сканировать обработанную почву только в продольном или поперечном направлении — например, это профилограф для измерения микрорельефа поверхности поля ИП-284-01, разработанный учеными КубНИТИМ. Однако применение таких приборов на склоновых землях, где вспашка ограничена для небольших уклонов агроландшафтов по агротехническим требованиям, проблематично и трудоемко, поскольку замерить истинный склон с их помощью фактически невозможно.
Созданный специалистами ЧГУ полевой мехатронный профилограф представляет собой оригинальную конструкцию, состоящую из основания с установочными стержнями и стойки, на которой размещены угловой датчик и корпус с расположенными в нем блоком питания и блоком управления. Корпус установлен на стойке с помощью подшипников качения, для его привода вращения используется неподвижное опорное колесо, сателлит и двигатель, расположенный на подвижном корпусе. Прибор также включает в себя направляющую, каретку, лазерный датчик положения, винт, электродвигатели, приемник GPS, акселерометр, гироскоп, компас, термогигрометр окружающего воздуха и влагомер почвы.
В комплекте находится полевой ноутбук, оснащенный информационной системой измерения и компьютерным управлением для согласованной работы электродвигателей в процессе измерения. На ноутбуке установлена программа приема и обработки показателей датчиков и приборов.
Связь полевого ноутбука с блоком управления, датчиками, электродвигателями, приемником GPS и измерительными приборами обеспечивается через Bluetooth-соединение при помощи Bluetooth-радиомодулей, встроенных в лазерный датчик, блок управления и ноутбук.
«Возможности нашего профилографа позволяют реализовать сканирование поверхности по окружности или по заданной спиралевидной или иной траектории перемещения датчика, например по спирали Ферма, — рассказывает Сергей Васильев. — Преимущества спиралевидного движения рабочих органов и инструмента в различных машинах подтверждены целым рядом российских научных работ, а также за рубежом: это польские исследования в 2001 году и китайские разработки в 2018-м».
Таким образом, по словам Сергея Васильева, в результате сканирования по окружности можно провести экспресс-оценку и определить сразу порядка шести основных агротехнических показателей вспашки. Речь идет о глубине обработки, гребнистости, коэффициенте вспушенности, микрорельефе, прямолинейности вспашки и уклоне, в том числе продольном и поперечном, относительно направления вспашки.
«А при сканировании по спирали с заданным шагом удается получить 3D-поверхность обработанной почвы и смоделировать мелиоративные, эрозионные и другие процессы, происходящие на поверхности почвы, — говорит ученый. — Например, один из наших патентов направлен на определение эвентуальной смытости почвы, то есть виртуально возможной при определенных обстоятельствах. Необходимые условия мы можем проверить нашим прибором и определить коэффициент эвентуальной смытости почвы».
Каждый участник соревнований получает по участку, на котором он должен продемонстрировать свое мастерство обработки земли.
ПРИНЦИПИАЛЬНО НОВЫЙ УРОВЕНЬ
Разработанный прибор — это интеллектуальная информационно-измерительная система, она имеет целый набор функций для точного определения основных и вспомогательных параметров, включая свою геопозицию, влажность и температуру почвы, азимут и так далее. Это своеобразный эталон, который позволит далее разрабатывать новые измерительные средства, более дешевые и технологичные.
Благодаря профилографу ученые планируют создать научную концепцию применения новых интеллектуальных методов и мехатронных систем сканирования поверхности почвенного покрова. Разработка поможет предупредить деградацию почвы и водную эрозию на ранних стадиях.
«Сегодня в АПК, в этой трудоемкой и многогранной отрасли, развивается роботизация, — рассказывает Сергей Васильев. — Параллельно мы ведем разработки, связанные с дифференцированной обработкой почвы роботизированными орудиями. Однако оценить качество выполнения сложных операций роботом, который работает постоянно в режиме “беседы” в плане передачи информации для его управления и контроля, получится только с помощью интеллектуальных методов и мехатронных систем сканирования поверхности вариабельного почвенного покрова. То есть можно утверждать, что применение нового профилографа выведет обработку почв сельскохозяйственных земель на принципиально новый уровень».
Опытный образец профилографа, а также метод контроля агротехнических показателей обработки почвы на склоновых землях уже используются в СХПК «Оринино» Моргаушского района Чувашии и в ООО «Агроформула» в Казани. Разработчики планируют представить свое изобретение и новый способ контроля качества обработки почвы научному сообществу на 67-м чемпионате мира по пахоте.
Алексей Андреев. «Стимул» – журнал об инновациях в России. 2022. 26 января.
