RU2732231C1

RU2732231C1 - Scanning device for controlling laser beam for processing plants during vegetation period

Info

Publication number: RU2732231C1
Application number: RU2020100536A
Authority: RU
Inventors: Михаил Геннадьевич Даниловских; Людмила Ивановна Винник; Олег Викторович Летенков; Наталья Николаевна Севостьянова
Original assignee: Михаил Геннадьевич Даниловских
Priority date: 2020-01-09
Filing date: 2020-01-09
Publication date: 2020-09-14

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: scanning device includes a laser, a horizontal scanning prism, which receives a laser beam and unfolds it into a horizontal line beam plane, and an optomechanical frame scanning unit, which converts a horizontal row-shaped beam plane to a row of vertical-horizontal beam planes. Optomechanical frame scanning unit is made in the form of a roller with a double truncated mirror four-sided pyramid installed above the horizontal radial plane of horizontal scanning to obtain a frame scanning of the beam.

EFFECT: device provides effective treatment of plants per one cycle.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности, к методам обработки больших площадей вегетирующих растений лазерным излучением с квадрокоптера, и может быть использовано в биологии, медицине для исследования влияния доз и интенсивностей, электромагнитных полей оптического диапазона большой площади на биологические объекты.The invention relates to agriculture, in particular, to methods of treating large areas of growing plants with laser radiation from a quadcopter, and can be used in biology, medicine to study the effect of doses and intensities, electromagnetic fields of the optical range of a large area on biological objects.

Известно «Устройство для лазерной обработки семян и растений» (см. RU №2202869, МПК А01С 1/00, A01G 7/04, 21.05.2001), включающее лазерный генератор, размещенный в корпусе, сканирующее устройство, содержащее зеркало, приводимое в движение от электропривода, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено блоком управления, соединенным с лазерным генератором и электродвигателем, и штангой, на которой закреплен корпус лазерного генератора, а сканирующее устройство установлено на корпусе лазерного генератора со стороны излучателя и содержит установленный на корпусе лазерного генератора неподвижный стакан с отверстием, ось которого совпадает с оптической осью излучателя, платформу, установленную с помощью подшипника на стакане с возможностью ее вращения от электродвигателя, стойку, жестко закрепленную на платформе перпендикулярно ее поверхности, снабженную двумя параллельными между собой осями, установленными с помощью подшипников в стойке на расстоянии друг от друга по длине стойки параллельно поверхности платформы, два шкива, закрепленных на этих осях и связанных между собой ременной передачей, элемент для передачи вращения одной из осей стойки, закрепленный на ней и кинематически связанный с поверхностью неподвижного стакана, а зеркало жестко закреплено на второй из осей так, что его поверхность параллельна этой оси и пересекается с оптической осью излучателя.It is known "Device for laser treatment of seeds and plants" (see RU No. 2202869, IPC А01С 1/00, A01G 7/04, 05/21/2001), including a laser generator located in a housing, a scanning device containing a mirror, driven from an electric drive, characterized in that it is additionally equipped with a control unit connected to the laser generator and an electric motor, and a bar on which the laser generator housing is fixed, and the scanning device is mounted on the laser generator housing from the side of the emitter and contains a stationary glass mounted on the laser generator housing with a hole, the axis of which coincides with the optical axis of the emitter, a platform mounted with a bearing on a glass with the possibility of its rotation from an electric motor, a rack rigidly fixed on the platform perpendicular to its surface, equipped with two parallel axes mounted with bearings in a rack on distance from each other along the length of the rack parallel On the surface of the platform, two pulleys fixed on these axes and interconnected by a belt transmission, an element for transmitting rotation of one of the axes of the rack, fixed on it and kinematically connected to the surface of the stationary glass, and the mirror is rigidly fixed on the second of the axes so that it the surface is parallel to this axis and intersects with the optical axis of the emitter.

Основными недостатками устройства является обработка не всей поверхности растений, а отдельных секторов с темновыми паузами после каждого поворота зеркала на 180°, а также сложность в эксплуатации и массивность устройства.The main disadvantages of the device are the processing not of the entire surface of the plants, but of individual sectors with dark pauses after each rotation of the mirror by 180 °, as well as the complexity of operation and the massiveness of the device.

Наиболее близким к заявляемому устройству является, взятое за прототип, «Сканирующее устройство управления лучом лазера для предпосевной обработки семян» (см. RU №2321032, MПК G02B 6/12, А01С 1/06, 10.08.2004). Сканирующее устройство развертки луча лазера, включающее лазер, призму строчной развертки, воспринимающую луч лазера и развертывающую его в горизонтальную лучевую плоскость, и оптомеханический блок кадровой развертки, преобразующий горизонтальную лучевую плоскость в несколько вертикальных лучевых плоскостей, отличающееся тем, что оптомеханический блок кадровой развертки выполнен в виде валика с многогранными призмами, причем призма строчной развертки и валик с многогранными призмами расположены по разные стороны транспортера с семенами и валик с многогранными призмами преобразует горизонтальную лучевую плоскость в ряд (по числу многогранных призм) вертикальных лучевых плоскостей, пересекающих транспортер с семенами таким образом, что семена на движущемся транспортере последовательно облучаются несколькими импульсами с темновыми интервалами времени, соответствующими дискретному поглощению энергии семенам и.Closest to the claimed device is, taken as a prototype, "Scanning device for laser beam control for pre-sowing seed treatment" (see RU No. 2321032, MPK G02B 6/12, А01С 1/06, 10.08.2004). A scanning device for scanning a laser beam, including a laser, a horizontal scanning prism that perceives the laser beam and unfolds it into a horizontal beam plane, and an optomechanical frame scanning unit that converts the horizontal beam plane into several vertical beam planes, characterized in that the optomechanical frame scanning unit is made in in the form of a roller with multifaceted prisms, moreover, a line scan prism and a roller with multifaceted prisms are located on opposite sides of the conveyor with seeds and a roller with multifaceted prisms converts the horizontal radial plane into a row (according to the number of polyhedral prisms) of vertical radial planes crossing the conveyor with seeds in this way, that the seeds on a moving conveyor are successively irradiated with several pulses with dark time intervals corresponding to the discrete absorption of energy by the seeds and.

Основным недостатком устройства является ограниченность ширины кадровой развертки, обусловленной количеством зеркальных призм.The main disadvantage of the device is the limited width of the vertical scan due to the number of mirror prisms.

Задачей изобретения является создание сканирующего устройства управления лучом лазера для обработки больших площадей растений с квадрокоптера в период вегетации за одноцикловую обработку.The objective of the invention is to create a scanning device for controlling a laser beam for processing large areas of plants from a quadcopter during the growing season for a single-cycle treatment.

Изобретение поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг. 1 представлен общий вид двойной усеченной зеркальной четырехгранной пирамиды.FIG. 1 shows a general view of a double truncated mirrored tetrahedral pyramid.

На фиг. 2 представлен пример выполнения двойной усеченной зеркальной четырехгранной пирамиды.FIG. 2 shows an example of a double truncated mirror tetrahedral pyramid.

На фиг. 3 представлен общий вид сканирующего устройства.FIG. 3 shows a general view of the scanning device.

Поставленная задача достигается тем, что в сканирующем устройстве управления лучом лазера для обработки растений в период вегетации, включающем лазер, призму строчной развертки, воспринимающую луч лазера и развертывающую его в горизонтальную лучевую плоскость, и оптомеханический блок кадровой развертки, преобразующий горизонтальную лучевую плоскость в вертикально-горизонтальную лучевую плоскость, оптомеханический блок кадровой развертки выполнен в виде валика с двойной усеченной зеркальной четырехгранной пирамидой, что обеспечивает формирование прямоугольного пятна площадью S=a⋅b, где а и b - длины сторон прямоугольного кадра для обработки больших площадей вегетирующих растений сканирующим кадровым лазерным излучением с высоты полета квадрокоптера.The task is achieved by the fact that in the scanning device for controlling the laser beam for processing plants during the growing season, which includes a laser, a horizontal scanning prism that perceives the laser beam and unfolds it into the horizontal ray plane, and an optomechanical frame scan unit that converts the horizontal ray plane into a vertical horizontal radial plane, the optomechanical frame scanning unit is made in the form of a roller with a double truncated mirror tetrahedral pyramid, which ensures the formation of a rectangular spot with an area S = a⋅b, where a and b are the lengths of the sides of a rectangular frame for processing large areas of vegetating plants with scanning frame laser radiation from the flying height of the quadcopter.

В сканирующем устройстве управления излучением лазера для стимуляции больших площадей вегетирующих растений применяется двойная усеченная зеркальная четырехгранная пирамида (фиг. 1), обеспечивающая отклонения луча лазера по стороне а - до 140°, по стороне b - 54°. Таким образом, двойная усеченная зеркальная четырехгранная пирамида позволяет сформировать прямоугольный кадр площадью S=a⋅b, где а и b - длины сторон прямоугольного кадра (фиг. 3).In a scanning device for controlling laser radiation, a double truncated mirror tetrahedral pyramid (Fig. 1) is used to stimulate large areas of vegetating plants, which provides a deflection of the laser beam on side a - up to 140 °, on side b - 54 °. Thus, a double truncated mirrored tetrahedral pyramid makes it possible to form a rectangular frame with an area S = a⋅b, where a and b are the lengths of the sides of the rectangular frame (Fig. 3).

Двойная усеченная зеркальная четырехгранная пирамида изготовлена из высокопрочного сплава, обеспечивающего минимальную деформацию граней под действием центробежных сил. так как вращение призмы осуществляется со скоростью 3600 об/мин.The double truncated mirrored tetrahedral pyramid is made of a high-strength alloy that provides minimal deformation of the edges under the action of centrifugal forces. since the rotation of the prism is carried out at a speed of 3600 rpm.

Сканирующее устройство управления лазерным лучом для обработки больших площадей растений в период вегетации (фиг. 3) состоит из лазера 1, четырехгранной зеркальной призмы 2, принимающей луч лазера и развертывающей его в горизонтальную строчную лучевую плоскость, вращающегося валика 3 с двойной усеченной зеркальной четырехгранной пирамидой 4, преобразующей строчную лучевую плоскость в строчно-кадровую развертку и позволяющей увеличить угловой сектор отраженного луча по стороне а до 140*. При нахождении устройства развертки на высоте h=10 м до вегетируюших растений появляется возможность сформировать прямоугольный кадр площадью S=а⋅b=50×10 ≈ 500 м². При этом ось вращения валика 3 с двойной усеченной зеркальной четырехгранной пирамидой 4 установлена выше горизонтальной лучевой плоскости строчной развертки (на 1/2 радиуса пирамиды 4) для получения кадровой развертки луча.A scanning device for controlling a laser beam for processing large areas of plants during the growing season (Fig. 3) consists of a laser 1, a four-sided mirror prism 2 that receives the laser beam and spreads it into a horizontal horizontal line plane, a rotating roller 3 with a double truncated mirror tetrahedral pyramid 4 , which converts the horizontal ray plane into a horizontal-frame scan and allows to increase the angular sector of the reflected ray along side a to 140 *. When the scanning device is located at a height of h = 10 m to the vegetating plants, it becomes possible to form a rectangular frame with an area S = a⋅b = 50 × 10 ≈ 500 m ² . In this case, the axis of rotation of the roller 3 with a double truncated mirror tetrahedral pyramid 4 is installed above the horizontal radial plane of the line scan (by 1/2 of the radius of the pyramid 4) to obtain a vertical scan of the beam.

Сканирующее устройство управления лазерным лучом для обработки растений работает следующим образом.A scanning device for controlling a laser beam for processing plants operates as follows.

Луч лазера 1 подается на вращающуюся четырехгранную зеркальную призму 2. отражается и развертывается в горизонтальную лучевую плоскость, которая, падая на вращающуюся двойную усеченную зеркальную четырехгранную пирамиду 4 и, отражаясь от граней которой, разлагается на ряд вертикально-горизонтальных лучевых плоскостей и, пройдя окно 5, обеспечивает формирование прямоугольного кадра 6 площадью S=a⋅b, где а и б длины сторон прямоугольного кадра.The laser beam 1 is fed to a rotating tetrahedral mirror prism 2. is reflected and deployed into a horizontal ray plane, which, falling on a rotating double truncated mirror tetrahedral pyramid 4 and reflected from the edges of which, decomposes into a series of vertical-horizontal ray planes and, passing through window 5 , provides the formation of a rectangular frame 6 with an area S = a⋅b, where a and b are the lengths of the sides of the rectangular frame.

Предложенная конструкция сканирующего устройства позволяет проводить одноцикловую обработку растений в период вегетации, что обеспечивает необходимую эффективную дозу лазерной низкоинтенсивной бестравмирующей обработки при минимуме энерго- и трудозатрат.The proposed design of the scanning device allows one-cycle treatment of plants during the growing season, which provides the necessary effective dose of laser low-intensity non-traumatic treatment with a minimum of energy and labor costs.

Пример. В качестве исходного материала для опыта была взята, морковь сорта «Анастасия F1», как одна из основных овощных культур, районированных в Северо-Западном регионе. Лазерная обработка моркови осуществлялась сканирующим устройством, укрепленным на БПЛА с высоты полета 10 метров, была использована призма с размерами, указанными на фиг. 2.Example. As a starting material for the experiment was taken, carrot variety "Anastasia F1", as one of the main vegetable crops, zoned in the North-West region. Laser processing of carrots was carried out with a scanning device mounted on the UAV from a flight altitude of 10 meters, a prism with the dimensions indicated in Fig. 2.

Сформированным прямоугольным световым пятном размером 50×8 метров в вечернее время в (с 24⁰⁰ до 1⁰⁰ часа) обрабатывали дважды в период вегетации в фазу роста розетки листьев и корней.The formed rectangular light spot measuring 50 × 8 meters in the evening (from ^24:00 to ^1:00 ) was treated twice during the growing season during the growth phase of the rosette of leaves and roots.

Результаты опыта показали существенное превышение по урожайности в опытном варианте по отношению к контролю. Так, урожай корнеплодов в контрольном варианте составил 2,3 кг/м², а в вариантах с лазерной обработкой урожай составил 3,30-5,35 кг/м², что выше контроля на 32-114%.The results of the experiment showed a significant excess in yield in the experimental variant in relation to the control. Thus, the yield of root crops in the control variant was 2.3 kg / m ² , and in the variants with laser processing the yield was 3.30-5.35 kg / m ² , which is 32-114% higher than the control.

Анализ элементов структуры урожайности корнеплодов моркови дает основание судить о том., что урожай был сформирован за счет более высокой густоты стояния растений перед уборкой 43,7 шт./м², что выше контроля на 105%. А также некоторым повышением массы корнеплода относительно контроля на. 4%, длины на 20% и массы листьев (ботвы) на 140%.Analysis of the structure elements of the yield of carrot root crops gives reason to judge that the yield was formed due to the higher plant density before harvesting 43.7 pcs / m ² , which is 105% higher than the control. And also a slight increase in the mass of the root crop relative to the control on. 4%, length by 20% and mass of leaves (tops) by 140%.

Claims

A scanning device for controlling a laser beam for processing plants during the growing season, which includes a laser, a line scan prism that perceives the laser beam and unfolds it into a horizontal beam plane, and an optomechanical frame scan unit that converts the horizontal beam plane into a vertical-horizontal beam plane, which differs in that, that the optomechanical frame scanning unit is made in the form of a roller with a double truncated mirror tetrahedral pyramid, which ensures the formation of a rectangular spot with an area S = a⋅b, where a and b are the lengths of the sides of a rectangular frame for processing large areas of vegetative plants with scanning frame laser radiation from flight altitude quadcopter.