Робототехнические средства в растениеводстве

Размещено на http://www.allbest.ru/

Робототехнические средства в растениеводстве

В статье рассмотрены тенденции развития сельскохозяйственного производства на основе интеллектуализации технических средств, разработки и внедрения роботизированных машин в различные технологические операции. Проведена оценка динамики роста мирового рынка сельскохозяйственных роботов. Представлена прогнозная структура применения сельскохозяйственных роботов на период до 2020 года. Проанализированы особенности конструкций и практического применения роботов с системами технического зрения в растениеводстве. Выявлена целесообразность и эффективность внедрения новых физических приемов обработки растений с помощью робототехнических средств, которые позволят автоматизировать технологические процессы обработки растений. Предложена конструкция робота для садоводства с комплексом технологического оборудования для мониторинга урожайности, лазерного облучения растений, магнитно-импульсной обработки насаждений и дифференцированного внесения гербицидов в междурядья садовых культур. Проведен теоретический анализ подвижности корпуса разрабатываемой в ВИМе модели робота на основе имитационного математического моделирования при различных условиях эксплуатации. Для проверки модели проведены расчеты динамического поведения корпуса робота при различных режимах движения. Представлены графики параметров движения, полученные по результатам моделирования динамики разгона. В результате анализа определены преимущества технологического применения робота на примере садоводства и ожидаемый производственный эффект: повышение качества продукции, сокращение количества химических обработок и экономия трудовых затрат до 20%

Ключевые слова: инновации, роботы, эффективность, интеллектуальная система, техническое зрение

Современной тенденцией развития сельскохозяйственного производства является его интеллектуализация, т.е. применение интеллектуальных систем (ИС) для управления технологическими процессами и операциями, принятия оптимальных решений при управлении продукционными процессами в поле и на ферме.

В настоящее время находят практическое применение беспилотные тракторы и сельскохозяйственные агрегаты с интеллектуальными системами управления движением, технического зрения, способные распознавать образы, отличать культурное растение от сорняков и качественно выполнять технологическую операцию. Применение сельскохозяйственных роботов направлено на повышение экологической безопасности продукции, минимизацию вредного воздействия химикатов на человека и увеличение урожайности продукции [1].

Мировой рынок сельскохозяйственных роботов находится в фазе активного роста. Сельскохозяйственные роботы используются в каждом аспекте сельского хозяйства: полевые работы, доения, производство и сбор урожая, контроль состояния растений и животных. Сельскохозяйственный рынок роботов бурно развивается, и в 2013 г. достиг $ 817 млн.

Рис. 1 Прогноз развития рынка робототехнических средств для сельского хозяйства

По экспертным прогнозам, к 2020 г. эта цифра достигнет $ 16,3 млрд. Это значительный рост для зарождающегося рынка, который в ближайшее время обеспечит выход на качественно новый уровень воспроизводственных процессов в сельском хозяйстве.

Производство сельскохозяйственной продукции с применением робототехнических средств обеспечит реализацию национальных инициатив и стратегий развития страны.

К перспективным направлениям развития сельскохозяйственной робототехники относятся:

- оснащение робототехнических средств искусственным интеллектом;

- разработка интеллектуальных систем позиционирования машин на сельскохозяйственной плантации, с учётом рельефа местности, влажности грунта и технологических параметров насаждений.

- использование робототехнических средств для выведения новых сортов или пород с улучшенными характеристиками;

- расширение сферы применения робототехнических средств при производстве продукции растениеводства и животноводства.

Прогнозная структура применения сельскохозяйственных роботов представлена на рисунке 2.

Рис. 2 Прогнозная структура применения сельскохозяйственных роботов

Обзор конструктивных параметров существующих робототехнических средств, получивших широкое распространение в промышленном растениеводстве отражает тенденции развития конструкций современных робототехнических систем для растениеводства (табл. 1).

Таблица 1 - Обзор конструктивных параметров существующих робототехнических средств для растениеводства

Во Всероссийском НИИ механизации сельского хозяйства (ВИМ, г. Москва) разрабатываются фундаментальные основы создания и применения ИС в сельскохозяйственном производстве, специализированное программное обеспечение, средства автоматизации, инновационные машины и оборудование для получения различной информации об объектах обработки, принятия управленческих решений и реализации высокоточных интеллектуальных технологий производства продукции растениеводства и животноводства. Например, активно ведутся работы по обоснованию технологического применения и разработки интеллектуальных машин для садоводства [1,2,4]. Разрабатываемый робот для садоводства оснащается системой технического зрения и различными модулями для обработки садовых растений (рис. 3).

_--

а) б) в) г)

Рис. 3 Робот для садоводства с различными модулями: а) модуль «Лазерный облучатель растений» б) модуль «Мониторинга урожайности» в) модуль «Опрыскиватель-гербицидник» г) модуль «Магнитно-импульсной обработки растений»

Анализ подвижности модели робота на основе имитационного математического моделирования демонстрирует модели динамического поведения корпуса робота при различных режимах движения в условиях агрофона многолетних насаждений. Исходными данными для расчёта выступают: масса , номинальная мощность тягового двигателя , моменты инерции, относительно осей х, y, z, 93,26; ; ; кг · ; радиус колеса r = 0,3 м.

В программном комплексе многотельного проектирования математическая модель робота представлена в виде совокупности тел с различными упругодемпфирующими характеристиками. Данный метод позволяет на этапе проектирования провести оптимизацию конструктивных параметров.

Рис. 4 Динамическая модель корпуса

Уравнение динамики корпуса:

где вектор координат центра масс корпуса в неподвижной системе координат; вектор проекции угловой скорости корпуса на подвижную, связанную с корпусом, систему координат; диагональная матрица масс тела; диагональная матрица главных центральных моментов инерции корпуса; трехмерный вектор внешних сил, действующих на точку, заданный в неподвижной системе координат; радиус-вектор точки приложения силы в подвижной системе координат; трехмерный вектор внешних моментов, действующих на точку, заданный в подвижной системе координат; количество внешних моментов; вектор моментов гироскопических сил; вектор кинетического момента тела; ортогональная матрица поворота (ориентации) - переводит вектор, заданный в подвижной системе координат, в неподвижную систему.

В описании модели используются кинематические уравнения Эйлера:

где ,, - корабельные углы Эйлера - углы последовательных поворотов вокруг осей x,y,z связанной с корпусом системой координат. Матрица поворота определяется через углы:

На рис.4 представлены графики параметров движения, полученные по результатам моделирования динамики разгона.

а б

Рис. 5 Графики параметров движения: а) график изменения скорости б) график изменения ускорения

Робот в автоматическом режиме с помощью системы технического зрения и технологического адаптера с электрическим цилиндром будет подстраивать высоту и угол модулей с навесным оборудованием под высоту растений и, продолжая движение, вести их обработку [3,5].

робот технический зрение растениеводство

Выводы

В современных условиях ведения сельского хозяйства использование роботизированных машин (на примере садоводства) позволит создавать высокоинтеллектуальное, автоматизированное производство, позволяющее полностью заменять ручной труд и сокращать потери рабочего времени, связанные с человеческим фактором [6].

Применение разрабатываемого в ВИМе робота для садоводства с различными модулями позволит повысить качество, функциональную активность растений, сократить количество хим. обработок и сэкономить трудовые затраты на 15-25%.

Литература

1. Измайлов А.Ю., Личман Г.И., Марченко Н.М. Точное земледелие: проблемы и пути решения Сельскохозяйственные машины и технологии. 2010. № 5. С. 9-14.

2. Хорт Д.О., Филиппов Р.А., Кутырёв А.И. Многофункциональное робототехническое средство с системой технического зрения // Инновации в сельском хозяйстве. - 2015. - № 4(14). - С. 115-121.

3. Смирнов И.Г., Хорт Д.О., Филиппов Р.А. Машины для точного земледелия в садоводстве // Инновационное развитие АПК России на базе интеллектуальных машинных технологий: Сб. докл. Междунар. науч.- техн. конф. - М.: ВИМ. 2014. - С.376-379.

4. Измайлов А.Ю., Смирнов И.Г., Хорт Д.О., Филиппов Р.А. Анализ технологического применения многофункционального беспилотного робота // Интеллектуальные машинные технологии и техника для реализации государственной программы развития сельского хозяйства: Cб. Докл. науч. техн. конф.Ч.2 -М.:ВИМ, 2015. - С. 207-209.

5. Измайлов А.Ю., Смирнов И.Г., Лобачевский Я.П., Хорт Д.О., Филиппов Р.А. Роботы для современных машинных технологий в растениеводстве// Интеллектуальные машинные технологии и техника для реализации государственной программы развития сельского хозяйства:Cб. Докл. науч. техн. конф.Ч.2 -М.:ВИМ, 2015. - С. 129-132.

6. Пат. 156677 РФ. Самоходный робот-опрыскиватель для обработки растений земляники и других низкорастущих культур / Измайлов А.Ю., Филиппов Р.А., Хорт Д.О., Смирнов И.Г., Гришин А.А., Гришин А.П., Марченко Л.А. // Бюл, 2015. - №31.

7. Хорт Д.О., Филиппов Р.А., Смирнов И.Г. Технологические адаптеры для современных машинных технологий в садоводстве // Система технологий и машин для инновационного развития АПК России: Сб. докл. Междунар. науч.- техн. конф. Ч.1. - М.: ВИМ. 2013. - С.199-202.

References

1. Izmajlov A.Ju., Lichman G.I., Marchenko N.M. Tochnoe zemledelie: problemy i puti reshenija Sel'skohozjajstvennye mashiny i tehnologii. 2010. № 5. S. 9-14.

2. KHort D.O., Filippov R.A., Kutyrjov A.I. Mnogofunkcional'noe robototehnicheskoe sredstvo s sistemoj tehnicheskogo zrenija // Innovacii v sel'skom hozjajstve. - 2015. - № 4(14). - S. 115-121.

3. Smirnov I.G., Kнort D.O., Filippov R.A. Mashiny dlja tochnogo zemledelija v sadovodstve // Innovacionnoe razvitie APK Rossii na baze intellektual'nyh mashinnyh tehnologij: Sb. dokl. Mezhdunar. nauch.- tehn. konf. - M.: VIM. 2014. - S.376-379.

4. Izmajlov A.Ju., Smirnov I.G., KHort D.O., Filippov R.A. Analiz tehnologicheskogo primenenija mnogofunkcional'nogo bespilotnogo robota // Intellektual'nye mashinnye tehnologii i tehnika dlja realizacii gosudarstvennoj programmy razvitija sel'skogo hozjajstva: Cb. Dokl. nauch. tehn. konf.Ch.2 -M.:VIM, 2015. - S. 207-209.

5. Izmajlov A.Ju., Smirnov I.G., Lobachevskij Ja.P., KHort D.O., Filippov R.A. Roboty dlja sovremennyh mashinnyh tehnologij v rastenievodstve// Intellektual'nye mashinnye tehnologii i tehnika dlja realizacii gosudarstvennoj programmy razvitija sel'skogo hozjajstva:Cb. Dokl. nauch. tehn. konf.Ch.2 -M.:VIM, 2015. - S. 129-132.

6. Pat. 156677 RF. Samohodnyj robot-opryskivatel' dlja obrabotki rastenij zemljaniki i drugih nizkorastushhih kul'tur / Izmajlov A.Ju., Filippov R.A., Hort D.O., Smirnov I.G., Grishin A.A., Grishin A.P., Marchenko L.A. // Bjul, 2015. - №31.

7. KHort D.O., Filippov R.A., Smirnov I.G. Tehnologicheskie adaptery dlja sovremennyh mashinnyh tehnologij v sadovodstve // Sistema tehnologij i mashin dlja innovacionnogo razvitija APK Rossii: Sb. dokl. Mezhdunar. nauch.- tehn. konf. Ch.1. - M.: VIM. 2013. - S.199-202.

Размещено на Allbest.ru