Theoretical Study of a Pneumatic Device for Precise Application of Mineral Fertilizers by an Agro-Robot

Abstract

EN: This article presents the development of a new pneumatic device for the precise application of mineral fertilizers, designed for use in precision agriculture systems involving farming robots. The proposed device is mounted on an autonomous agricultural platform and utilizes a machine vision system to determine plant coordinates. Its operating principle is based on accumulating a single dose of fertilizer in a chamber and delivering it precisely to the plant’s root zone using a directed airflow. The study includes a theoretical investigation of fertilizer movement inside the applicator tube under the influence of airflow and rotational motion of the tube. A mathematical model has been developed to describe both the relative and translational motion of the fertilizer. The equations, which account for frictional forces, inertia, and air pressure, enable the determination of optimal structural and kinematic parameters of the device depending on operating conditions and the properties of the applied material. The use of numerical methods to solve the developed mathematical model allows for synchronization of the device’s operating time parameters with the movement of the agricultural robot along the crop ows. The obtained results and the developed device improve the accuracy and speed of fertilizer application, minimize fertilizer consumption, and reduce soil impact, making the proposed device a promising solution for precision agriculture. UA: У даній статті представлена розробка нового пневматичного пристрою для точного внесення мінеральних добрив, призначеного для використання в системах точного землеробства за участю сільськогосподарських роботів. Запропонований пристрій встановлений на автономній сільськогосподарській платформі та використовує систему машинного зору для визначення координат рослин. Його принцип роботи заснований на накопиченні однієї дози добрива в камері і доставці його точно в кореневу зону рослини за допомогою спрямованого потоку повітря. Дослідження включає теоретичне дослідження руху добрива всередині трубки аплікатора під впливом повітряного потоку та обертального руху трубки. Була розроблена математична модель для опису як відносного, так і поступального руху добрива. Рівняння, в яких враховуються сили тертя, інерція і тиск повітря, дозволяють визначити оптимальні конструктивні і кінематичні параметри пристрою в залежності від умов експлуатації і властивостей застосовуваного матеріалу. Використання чисельних методів для вирішення розробленої математичної моделі дозволяє забезпечити синхронізацію параметрів часу роботи пристрою з переміщенням сільськогосподарського робота по рядах посівів. Отримані результати та розроблений пристрій підвищують точність та швидкість внесення добрив, мінімізують витрату добрив, зменшують вплив на ґрунт, що робить запропонований пристрій перспективним рішенням для точного землеробства.