RU2819441C1 - Robotic system for destruction of sosnowsky's hogweed by microwave radiation - Google Patents

Abstract

FIELD: agriculture; machine building.

SUBSTANCE: robotic complex for microwave radiation destruction of Sosnowsky's hogweed includes a power supply unit with adjustable power, a magnetron with power of 2 kW, a rectangular waveguide with a pyramidal horn with a height equal to double the wavelength, and a radiotransparent protective screen, fixed on a mechanism for raising/lowering the waveguide, self-propelled caterpillar chassis with accumulators and/or gasoline or diesel electric generator with electric motors and reduction gearboxes and IP-cameras. Complex moves at a speed of up to 4 km/h and provides dielectric heating at energy density higher than 4,902 kJ/m² to temperatures above 48 °C both on the surface of the treatment zone and at the depth of the regeneration buds of up to 20 cm by setting time and power taking into account soil moisture determined on a real-time scale and controlled supported height of the mechanism of raising/lowering the waveguide at the level of half wavelength of 6 cm of microwave radiation of 2.45 GHz. Operation of the complex is carried out using a remote control panel.

EFFECT: providing the possibility of destruction of Sosnowsky's hogweed, namely regeneration buds on the stem at the depth of their location during long-term exposure to microwave radiation and green shoots with short-term exposure in conditions safe for the operator.

1 cl, 7 dwg

Description

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.The invention relates to the agro-industrial sector and can be used to destroy Sosnovsky's hogweed, which was included at the end of 2015 in the Industrial Classifier of Weeds of the Russian Federation for reasons of rapid spread in natural conditions with the suppression of local ecosystems and the extreme danger of its shoots, since they are capable of direct skin contact cause bullous dermatitis and other diseases in humans.

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.The uncontrolled growth of Sosnovsky's hogweed has prompted many farmers to search for effective methods for destroying its green shoots with inflorescences and renewal buds on the stem roots, located in the soil at a depth of 5 to 15 cm, in particular, by disking the thickets or adding chemical herbicides, as shown in patents No. 2 614065 “Method of soil treatment”, DE102005014944A1 “Synergistic crop plant compatible herbicidal compositions containing herbicides from the group of benzoylpyrazoles”, respectively. These methods have significant drawbacks that, when disking thickets of Sosnovsky's hogweed, lead to a significant loss of moisture, disruption of the soil structure and, as a consequence, its erosion, and when using chemical herbicides - to significant long-term (more than three years) damage to the soil and the environment, especially near water sources. In addition to these methods, which have become traditional, there are more environmentally friendly methods based on the use of microwave radiation to combat plant pests “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, and for the stimulating effect “Impact of Microwave Soil Heating on the Yield and Nutritive Value of Rice Crop,” Agriculture 2019, 9, 134; doi:10.3390/agriculture9070134, without any negative impact on the environment.

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.There is a well-known US patent US 4.092.800A “Vegetation control”, which describes an installation based on the use of microwave radiation from 4 magnetrons and 4 waveguides mounted on a wheeled vehicle, influencing areas of the soil without taking into account its temperature and humidity. The magnetrons, klystrons or other sources of microwave energy used in the invention with a power of about 1200 W provided a level of surface energy density in motion from 1500 to 3000 kJ/m ² , which is significantly lower than the minimum threshold of 4902 kJ/m ² for the death of the root system of most plants, described in the publication “Observations on the potential of microwaves for weed control”, Weed Research, 2006, p. 1-9. To transport devices as part of the installation, an additional towing vehicle with appropriate overall dimensions was required, which imposed restrictions on the places where the complex would be used in terms of cross-country ability and accessibility.

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. US patent US 5.141.059A “Method and apparatus for controlling agricultural pests in soil” describes a complex agrotechnical complex that provides for pre-sowing preparation of the top layer of soil, with cultivation and simultaneous moistening of the soil before microwave irradiation, which is carried out using nine microwave emitters on two trailers . The disadvantages of the agricultural complex include the complexity of its design, the use of high-power vehicles for towing it, a high level of energy consumption to power 18 microwave emitters from magnetrons, obvious limitations on the volume of water tanks necessary to moisten and compact the soil in the chamber, the depth of the loosened layer, supplied to chambers for processing by microwave radiation, which can only reach 3 inches, difficulties in processing with all changes in the direction of movement of a large-sized (at least 5 meters in width and more than 10 meters in length) agricultural complex and low speed of maneuvering and movement.

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. Patent RU2579365C1 “Device for removing vegetation” was taken as a prototype. It is proposed to remove weeds from garden plots and airfield runways using a transportable device, including n power sources, generators with fans and antenna radiation paths, placed in a chamber with a radio-transparent plug and a window, enclosed in a casing to protect operating personnel.

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.The disadvantages of the prototype are high power consumption to ensure simultaneous operation of a large number of magnetrons from household microwave ovens with an output power of no more than 1200 W for each, restrictions on maneuverability when moving the device, especially when changing direction, due to their parallel connection in the form of a coupling, high radiation concentration inside a pyramidal casing, which negatively affects the performance and service life of the electronic devices used, the lack of active absorption of microwave radiation by vegetation depending on its size, which actually leads to either excessive selectivity in removal or excess energy, causing complete burning of the vegetation cover, which is unacceptable when destroying Sosnovsky's hogweed, which grows among meadow grasses and useful crops.

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. The technical result of the claimed invention is development of a robotic complex with high maneuverability and maneuverability, which serves for the targeted destruction of Sosnovsky's hogweed in places where it grows by heating with microwave radiation to temperatures of 48°C and above. According to “Microwave technologies as part of an integrated weed management strategy: a review”, International Journal of Agronomy, 2012, p. 1-15 outside the treatment zone with temperatures below the specified one, stimulation of the growth of other plants is noted.

Задачей изобретения является уничтожение борщевика Сосновского в местах его произрастания.The objective of the invention is to destroy Sosnovsky's hogweed in places where it grows.

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.The technical task is achieved by creating a robotic complex ( RC ) with increased energy efficiency and productivity, taking into account the humidity of the upper layers of soil determined in real-time with an energy density absorbed by Sosnovsky's hogweed over 4902 kJ/m ² , causing the death of its root system and over 770 kJ/m ² - its green shoots with a temperature of at least 48°C.

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.The destruction of Sosnovsky's hogweed by microwave radiation during the growing season is achieved by dielectric heating to a temperature of at least 48°C of renewal buds on the stem root at the depth of their location with long-term exposure and green shoots with short-term exposure. The greatest efficiency in destroying Sosnovsky's hogweed by microwave treatment is achieved during the period of soil thawing from the moment of seed germination - from March to April, depending on the latitude of the area. To destroy Sosnovsky's hogweed by microwave radiation during the period of its active summer development, it is necessary to first remove the peduncles and its green shoots.

Диэлектрический нагрев микроволновым излучением зависит от электрической проницаемости, имеющей комплексный характер:Dielectric heating by microwave radiation depends on the electrical permittivity, which is complex:

ε=ε'-iεʺ, (1)ε=ε'- iε ʺ, (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%).where ε' is the real part, and εʺ is the imaginary part responsible for energy absorption. According to data from the International Telecommunication Union (ITU-R P.368) published in 2018, under normal conditions and a frequency of 2.45 GHz, the value of εʺ of soils varies from 0.4 to 5, and for plants highly saturated with moisture, which includes Sosnovsky's hogweed - εʺ~9. That is, microwave treatment of plants is characterized by 22.5 times more intense absorption of electromagnetic field energy compared to dry soils (with humidity up to 7%) and 1.6 times more intense for wet soils (with humidity up to 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. The results of a comparative thermographic analysis of a plot of soil with green shoots of Sosnowski's hogweed after microwave treatment are shown in the form of images in the infrared range (Fig. 1, with the corresponding temperature distribution scale in insert I) and the visible range of Fig. 2. It can be seen that at an initial temperature of 9.3°C, the soil warmed up to 26.5°C, the shoots of meadow grass (creeping wheatgrass) - to 25-30°C, and the surface of the stem of Sosnovsky's hogweed - to 48.9°C. Microwave radiation heated the core of the Sosnowski's hogweed stem much more intensely than its surface, as illustrated by the enlarged thermal imaging image of the stem fragment shown in Insert II in Figure 1. Such heating was caused by the larger imaginary part-εʺ (1), characteristic of Sosnovsky's hogweed, which caused its destruction. This temperature was maintained on a rectangular area of the soil surface with an area of 6600 ^mm2 (120×55 ^mm2 ), which was exposed to a microwave radiation flux with an average density of ~300 kW/ ^m2 . Such processing conditions were achieved in a single mode. According to thermography data, outside this area, the soil also warmed up to temperatures of the order of 30-40 ° C at a distance of 150 - 250 mm in radial directions from the axis of propagation of microwave radiation, which, according to “Microwave technologies as part of an integrated weed management strategy: a review ", International Journal of Agronomy, 2012, p. 1-15 stimulated the growth of other plants previously suppressed by Sosnovsky's hogweed.

Глубина проникновения электромагнитного излучения δ, при которой величина напряженности поля в грунте падает в e раз (около 2.7), а его энергия в e ² раз (около 7.3) от своего первоначального значения рассчитывалась по формуле: The penetration depth of electromagnetic radiation δ, at which the field strength in the soil drops by e times (about 2.7), and its energy by e ² times (about 7.3) from its initial value, was calculated using the formula:

δ=2^1/2(2π)^–1λ[(ε'²+εʺ²)^1/2-ε']^–1/2. (2)δ=2 ^1/2 (2π) ^–1 λ[(ε' ² +εʺ ² ) ^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. In accordance with ITU-R P.368, the calculated values of the penetration depth of waves with λ = 12.2 cm, corresponding to a frequency of 2.45 GHz, at soil moisture values of 7% and 50% characteristic of soils were 20 and 5 cm. It was in this depth range that the germination of renewal buds of Sosnowski's hogweed.

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.The robotic complex for the destruction of Sosnovsky's hogweed (Fig. 3) includes a magnetron 1, power unit 2with adjustable power and magnetron cooling system 3, rectangular waveguide with pyramidal horn 4 height equal to twice the wavelength, self-propelled tracked chassis 5with electric motors and gear sets, downshift, IP cameras 6-1And 6-2 With resolution not lower 1920×1024 px, gasoline or diesel electric generator 7with a power of at least 5 kW. Transmission of microwave radiation to the treatment area through a horn 4 occurs through a mica radiotransparent protective screen 8. Self-propelled crawler chassis with reduction gearboxes5 provides a high level of maneuverability and cross-country ability. Using IP cameras 6-1And 6-2 and an electromagnetic background meter (IEMF) remote control of exposure to microwave radiation is carried out, which allows through the remote control (Remote control) move RK and set the height 8 above the processing zone at the level of λ/2~6 cm, including moving the complex across areas on the ground with differences in height, characterized by the angle of entry to them RK no more than 30°. Design of the waveguide raising/lowering mechanism (MPOV) ensured its operation in a floating mode, repeating the topography of the cultivated soil surface due to changes in position 1, 4 And 8By verticals. Use of funds Remote control and computer “vision” based on images from IP cameras 6-1And 6-2 ensure safe management of the complex.

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.The complex is equipped with a 50 V battery that powers the electric motors of the self-propelled tracked chassis 5 . For autonomous operation of the complex, either a battery is placed in the chassis housing 5 with the magnetron power supply 3 connected through an inverter, or a gasoline or diesel electric generator 7 with a rated power of 3 to 5.5 kW.

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. The maximum soil temperature in the treatment zone is achieved in the center of the open area under 8. This is confirmed by Fig. 3 with electric field strength distribution calculated using COMSOL Multiphysics® software 10along the central axis of microwave radiation propagation 9. Determination of quantity E carried out according to the scale of its changes eleven.For temperature analysis using thermographic image of the treatment area 13 scale applied 12.

Предлагаемый комплекс для уничтожения борщевика Сосновского микроволновым излучением проиллюстрирован следующими графическими материалами:The proposed complex for the destruction of Sosnovsky's hogweed by microwave radiation is illustrated with the following graphic materials:

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.Fig. 1. Thermographic photographs of a treated area of soil with shoots of Sosnovsky's hogweed, obtained by cameras in the infrared range. I - temperature scale, II - enlarged fragment of the rod with a zone of increased temperature in the center.

Фиг. 2. Оптическая фотография обработанного участка почвы со всходами борщевика Сосновского.Fig. 2. Optical photograph of a treated area of soil with shoots of Sosnovsky's hogweed.

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.Fig. 3. 3D model of a complex for the destruction of Sosnovsky's hogweed by microwave radiation: 1 - magnetron, 2 - magnetron power supply, 3 - cooling system, 4 - rectangular waveguide with a pyramidal horn, 5 - self-propelled tracked chassis with gearboxes, two IP cameras 6- 1 and 6-2 - IP camera with a semi-circular view, PEMF - electromagnetic background meter, 7 - electric generator, 8 - mica radio-transparent protective screen, remote control - remote control, MPOV - waveguide raising/lowering mechanism.

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.Fig. 4. Distribution of electric field strength 10 with a frequency of 2.45 GHz in a rectangular waveguide with a pyramidal horn 4 obtained in the COMSOL Multiphysics® program, indicating the axis of propagation of microwave radiation 9 , scale 11 of changes in E, scale 12 of temperature changes and an actually observed photograph 13 treatment area obtained using an infrared camera.

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.Fig. 5. Heating zone with an average temperature of not lower than 48°C of dry soil during two-minute treatment of Sosnovsky's hogweed with histogram inserts surface temperature distribution 14 and layers at depths of 5 cm 15 and 10 cm 16 along the axis of propagation of microwave radiation 9.

Фиг. 6. График управления мощностью магнетрона.Fig. 6. Magnetron power control graph.

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.Fig. 7. Heating zone with an average temperature of not lower than 48°C of moist soil during two-minute treatment of Sosnovsky's hogweed with histograms of temperature distribution: surface 17 and in a layer at a depth of 5 cm along the axis of propagation 9 of microwave radiation 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.The proposed robotic complex is operated as follows. After delivery to the place of use in autonomous conditions, the operating mode is either from the battery 2 or from the electric generator 7 . The operator, using the remote control, turns on the IP cameras 6-1 and 6-2 and the RK on a self-propelled crawler chassis 5 drives up to the site of processing of Sosnovsky's hogweed, and with the help of MPOV, the horn 4 with a mica radio-transparent protective screen 8 is brought to the site of processing by microwave radiation and the humidity is determined soil. To do this, turn on the power supply of magnetron 2 , set the minimum power to 20% of the rated power, and use the PEMF to calculate the humidity value - w . Next, taking into account its value, the processing time and power are set. After microwave treatment of the selected area with Sosnovsky hogweed, the Republic of Kazakhstan moves to a new area.

Ниже приведены примеры уничтожения борщевика Сосновского микроволновым излучением с использованием заявляемого роботизированного комплекса.Below are examples of the destruction of Sosnovsky's hogweed by microwave radiation using the proposed robotic complex.

Пример 1Example 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. The robotic complex, using a remote control and data from IP cameras 6-1 and 6-2, moved to a section of dry soil with Sosnovsky's hogweed so that a rectangular waveguide with a pyramidal horn 4 with a mica radiotransparent protective screen 8 was located above the processing area of the upper part of the stem root with all renewal buds. Position 8 was set either at the level of λ/2~6 cm, or taking into account the height of the green shoots of Sosnovsky's hogweed and the depth of the Sosnovsky's hogweed renewal buds and could be adjusted if the height of the green shoots of Sosnovsky's hogweed slightly exceeded it. The level of energy density for the destruction of Sosnovsky's hogweed, which is based on data from “Observations on the potential of microwaves for weed control”, Weed Research, 2006, p. 1-9, no less than 4902 kJ/m ² was achieved 30 s from the moment the magnetron was turned on, taking into account 14 s for its warming up.

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.After 2 minutes of treatment, the dose of microwave radiation on the soil surface reached 32 MJ/m², it was heated from 14.9 C to 68.5 ° C (Fig. 5, 14), layers at a depth: 5 cm to 73.0°C (Figure 5, 15) and 10 cm to 61.4°C (Figure 5, 16). The total area of treated areas with an average temperature of at least 48°C was: on the surface ~110 cm², at depths: 5 cm ~140 cm² and 10 cm ~30 cm² (Fig.5, 15 And 16). When tested RK the treatment area with temperatures above 48°C was 50.5 cm on the surface², and at depths: 5 cm - 60.9 cm² and 10 cm - 18.9 cm². That is, it exceeded both the cross-section of the stem root of Sosnovsky's hogweed and the depth of its upper part. To destroy the upper part of the stem root of Sosnovsky's hogweed, located at depths greater than 10 cm and for dry soil, it was sufficient to increase the maximum treatment time. To confirm the fact of destruction of Sosnovsky's hogweed in all cases, an analysis was carried out using IP cameras 6-1And 6-2 images of the treatment area. By using Remote control magnetron turned off RK moved to the next plot of soil containing Sosnowski's hogweed.

Пример 2Example 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 S ₁₁ и определялась диэлектрическая проницаемость в зоне обработки:In wet soil conditions, RK was applied using a remote control and taking into account the results of the analysis of images obtained from IP cameras with a semicircular view of IP cameras 6-1 and 6-2 . The RK was moved to a section of moist soil with Sosnovsky's hogweed so that a rectangular waveguide with a pyramidal horn 4 with a mica radiotransparent protective screen 8 was located above the treatment zone. Using the remote control on power supply 2 , the power of magnetron 1 was set at 20% of the nominal (Fig. 6). The reflection coefficient of microwave radiation S ₁₁ was measured and the dielectric constant in the processing zone was determined:

ε=(S ₁₁ ²+exp(2(-8π²/9))/(exp(2(-8π²/9)-S ₁₁ ²)^–1. (3)ε=( S ₁₁ ² +exp(2(-8π ² /9))/(exp(2(-8π ² /9)- S ₁₁ ² ) ^–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:The dependence of the dielectric constant ε on soil moisture w was taken into account, for the calculations of which the dielectric constants of water ε _in and dry soil and ε _dry were taken:

w=100((ε)^1/3 - (ε_сух)^1/3))/((ε_в)^1/3-(ε_сух)^1/3 )^-1. (4) w =100((ε) ^1/3 - (ε _dry ) ^1/3 ))/((ε _in ) ^1/3 -(ε _dry ) ^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.On a plot of soil with measured moisture content of the RK using the remote control and data from IP cameras 6-1 and 6-2 , it was placed so that a rectangular waveguide with a pyramidal horn 4 with a mica radiotransparent protective screen 8 was located above the processing zone of the upper part of the stem root with all the buds renewal. Position 8 was set at the level of λ/2~6 cm and could be adjusted taking into account the height of green shoots and the depth of Sosnovsky's hogweed renewal buds using MPOU .

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.Due to the high attenuation of microwave radiation in the upper layers of soil with high humidity, the destruction of Sosnowski's hogweed was achieved at an energy density level of at least 32 MJ/ ^m2 . The minimum processing time was set to 120 s. At the same time, the average temperature in the treatment zone exceeded 48°C (Fig. 7, 17 and 18 ) both due to the direct influence of microwave radiation and heat transfer from neighboring areas over an area with transverse dimensions of up to 11 cm. The temperature of the soil surface in the treatment zone changed in the range from 19.4 to 70.6°C (Fig. 7, 17 ), and at a depth of 5 cm it reached 52.7°C (Fig. 7, 18 ). Thus, for the destruction of Sosnovsky's hogweed in moist soil, the treatment time was set taking into account both the calculated moisture content and the average depth of the upper part of the Sosnovsky's hogweed root. Based on the results of the analysis of images of the processing area obtained using IP cameras 6-1 and 6-2 , upon commands from the remote control, the magnetron was turned off, the chassis was moved to the next section of soil containing Sosnovsky's hogweed, where the process was repeated, starting with the measurement of soil moisture.

Пример 3Example 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.In the case of dense thickets of Sosnovsky's hogweed, the use of RC was carried out by remote control and using a gasoline or diesel electric generator 7 for movement 5 with maximum microwave power. The height of the location of a rectangular waveguide with a pyramidal horn 4 with a mica radio-transparent protective screen 8 above the processing area was controlled by an IP camera 6-2 and maintained at a height of no more than 6 cm, which was achieved due to the MPOV design. The work of the RK began with the supply of voltage to the magnetron 1 . Chassis 5 was set in motion after the magnetron had warmed up, that is, after 14 s. The maximum soil temperature depended on the height of pre-mown green shoots of Sosnowski's hogweed, which actively absorbed microwave radiation. The destruction of green shoots of Sosnovsky's hogweed in the cultivated area was achieved at an energy density on the soil surface of at least 770 kJ/ ^m2 . The width of the treated area was no more than 12 cm, its length was determined by the operator taking into account data from IP cameras 6-1 and 6-2 . In the mode of simultaneous movement of the chassis 5 at a speed of 36 m/h, set by a gearbox with a reduced gear ratio, and the operation of a magnetron with an energy density on the surface in the processing zone of at least 1.7 MJ/m ² , the destruction of green shoots of Sosnovsky's hogweed was achieved. Visual control of the relative location of the upper part of the Sosnovsky hogweed and a rectangular waveguide with a pyramidal horn 4 with a mica radio-transparent protective screen 8 above the processing area was continuously carried out using images transmitted between IP cameras 6 - 1 and 6-2 and the remote control at a distance of at least 10 meters in for operator safety reasons. The thermographic analysis of microwave treatment showed (Insert I to Figure 1) that at the same initial temperature of 9.3 ° C, the soil heated to 26.5 ° C, the growth of meadow grasses (creeping wheatgrass) was about 25 - 30 ° C, and the surface stem of Sosnovsky's hogweed - up to 48.9°C. The core of the stem of Sosnowski's hogweed was heated much more intensely than its surface parts, which is illustrated by an enlarged thermal imaging image of a fragment of its stem, presented in insert II in Fig. 1. According to the tests carried out, this heating led to the death of Sosnovsky's hogweed when the RK moved at speeds of up to 36 m/h.

Claims (1)

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.A robotic complex for the destruction of Sosnovsky's hogweed by microwave radiation, namely: renewal buds on the stem root at the depth of their location with long-term exposure and green shoots with short-term exposure, including a power supply with adjustable power, a magnetron with a power of 2 kW, a rectangular waveguide with a pyramidal horn height, equal to double the wavelength, and a radio-transparent protective screen, mounted on a waveguide raising/lowering mechanism, a self-propelled tracked chassis with batteries and/or a gasoline or diesel electric generator with electric motors and reduction gearboxes and IP cameras, moving at speeds up to 4 km/h and providing dielectric heating at an energy density above 4902 kJ/m ² to temperatures above 48 ° C both on the surface of the treatment zone and at depths of renewal buds up to 20 cm by setting time and power, taking into account soil moisture determined in real time and controlled height of the waveguide lifting/lowering mechanism at the level of half the wavelength - 6 cm of microwave radiation 2.45 GHz, the operation of which in all modes of processing Sosnowski's hogweed growing areas is ensured using a remote control.