Видеороботизация агротехнологических процессов в растениеводстве и животноводстве

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВИДЕОРОБОТИЗАЦИЯ АГРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В РАСТЕНИЕВОДСТВЕ И ЖИВОТНОВОДСТВЕ

Башилов А.М. д.т.н., профессор, заведующий лабораторией автоматизации видеонаблюдения и управления технологическими процессами Всероссийского научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства, Москва.

ВВЕДЕНИЕ

видеороботизация оборудование точность повышение

Агротехнологические процессы в растениеводстве и животноводстве, как правило, решают задачи обслуживания многочисленных популяций биологических объектов (животных, растений), представляющих самостоятельные особи с характерными индивидуальными свойствами. Знания персональных биофизиологических данных и поведенческих алгоритмов «уважаемых биообъектов» определяют качество и производительность агротехнологических процессов. Биологических особей много, а оператор-специалист «одинок». Нужно многое знать о них, но невозможно непрерывно находиться в зоне их содержания. Возникает сложная проблема дальнейшего совершенствования точности и эффективности реализации агротехнологических процессов. Эта проблема носит информационно-коммуникационный характер, и решение её возможно при дополнительном включении в агротехнологические процессы высокоинформативных, высокопроизводительных видеороботизированных средств поиска и наблюдения интересуемых биообъектов при их групповой свободной или регламентированной «дислокации» [1-3].

1. ОБОБЩЁННАЯ СХЕМА ВИДЕОРОБОТИЗИРОВАННОГО НАБЛЮДЕНИЯ РАСТЕНИЙ И ЖИВОТНЫХ В АГРОТЕХНОЦЕНОЗАХ

Задачу группового наблюдения биообъектов в агроценозе (стада животных или растений в посадках) в соответствии с объёмом необходимого информационного обеспечения (предоставления ценной информации и рационального управления), можно разделить на следующие варианты: 1 - с высоким задающим (априорным) и малым текущим (апостериорным) информационным обеспечением, 2 - с высоким апостериорным и малым априорным информационным обеспечением, 3 - с высоким априорным и с высоким апостериорным информационным обеспечением, 4 - с малым априорным и малым апостериорным информационным обеспечением.

Видеороботы, оснащённые цифровыми видеокамерами, в отношении содержательности и разнообразия информационного потока находятся в наиболее выгодном положении и могут соответствовать второму или третьему вариантам как наиболее совершенным, но и более сложным [4-5].

Сложность обусловлена тем, что поставленная задача не может быть решена заранее и должна решаться в процессе функционирования группы видеороботов в масштабе реального времени. Обычно она решается многократно с некоторой периодичностью. Интервал времени определяется многими факторами, такими как: быстродействие и разрешающая способность видеосенсорных устройств, динамические свойства интересующих биообъектов и помех окружающей среды, производительность вычислительных устройств.

Управление биообъектами агроценоза, в первую очередь, зависит от способа их содержания: упорядоченного (детерминированного), регламентированного (частично детерминированного), свободного (недетерминированного). Управление будет тогда эффективным, когда в любой момент по указанию управляющего можно обнаружить и идентифицировать биообъект, определить его место расположения в рабочей зоне, провести целенаправленный осмотр внешнего вида и его частей, записать персональные видеоданные в информационно-аналитическую базу, осуществить анализ и обработку видеоцифровых данных, принять решение о состоянии и поведении биообъекта, выполнить мероприятия по управлению на основе видеоданных от каждого биообъекта [6-7].

Для достижения цели управления биообъектами агроценоза, в случае детерминированной среды в рабочей зоне, каждый видеоробот может выполнять заранее определенную программу наблюдения. В случае недетерминированной, динамической среды - интересующий биообъект вначале должен быть обнаружен в группе, а потом подвергнут наблюдению.

Среди возможных стратегий управления группой видеороботов, размещённых в рабочей зоне агроценоза (фермы, теплицы), можно выделить три: централизованное (единоличное или иерархическое), децентрализованное (взаимосвязанное коллективное или невзаимосвязанное роевое) и комбинированное (централизованное и децентрализованное).

Для детерминированных условий среды в рабочей зоне биообъектов наиболее приемлемым будет централизованное управления, для частично детерминированных и недетерминированных - целесообразно применить комбинированную стратегию управления [8-10].

Рисунок 1. Структурная, интерактивная и итеративная схема комбинированной стратегии группового управления видеороботами в рабочей зоне агроценоза: ЛПР - лицо принимающее решение, БИД - блок исполнения действий, БУ1…БУn - блоки управления видеороботами, БН1…БНn - блоки самонаведения видеороботов на биообъекты наблюдения, ВР1…ВРn - видеороботы.

На рис. 1 приведена структурная схема реализации комбинированной стратегии группового управления видеороботами для наблюдения состояния и поведения группы биообъектов при недетерминированных условиях размещения биообъектов в рабочей зоне агроценоза, включающая принципы единоличного, иерархического, коллективного и роевого управления.

2. ОСНОВНЫЕ ОПЕРАЦИИ ВИДЕОРОБОТИЗИРОВАННОГО НАБЛЮДЕНИЯ РАСТЕНИЙ И ЖИВОТНЫХ В АГРОЦЕНОЗАХ

Целью процесса видеонаблюдения является приобретение дополнительной (полезной и достоверной) информации об интересуемой группе биообъектов для их распознавания и структурирования в общей системе биообъектов с последующим принятием управленческих решений.

Первая задача видеороботизированного наблюдения заключается в совершении поисковым видеороботизированным средством (ВР) ряда поисковых действий в системе биообъектов агроценоза (СО) с целью установления контактного взаимодействия поискового видеороботизированного средства с биообъектами наблюдения (ОН) до момента их полного обнаружения.

Вероятность обнаружения объекта наблюдения ОН поисковым средством ВР, совершающим поисковые действия в системе биообъектов агроценоза СО в самом общем случае, можно определить по формуле:

Р об = Р сб Р ус Р уд, (1)

где Р об - вероятность обнаружения биообъекта наблюдения ОН; Р сб - вероятность сближения ВР с ОН; Р ус - вероятность установления контакта ВР с ОН; Р уд - вероятность удержания контакта ВР с ОН.

Вторая задача роботизированного видеонаблюдения заключается в распознавании приобретённой дополнительной (полезной и достоверной) информации об обнаруженных биообъектах для их структурирования в общей системе биообъектов агроценоза с последующим принятием управленческого решения.

Задача распознавания обнаруженного биообъекта заключается в совершении распознающим видеороботизированным средством ВР ряда распознающих действий в системе распознаваемых образов биообъектов агроценоза ОС для установления принадлежности биообъекта распознавания к заданной классификации. В последующем на основании классификации биообъектов происходит принятие решения по управлению биообъектом.

Вероятность распознавания объекта наблюдения ОН распознающей видеороботизированной системой ВР, совершающей распознающие действия в самом общем случае можно определить по формуле:

Р рас = Р вос Р раз Р кла, (2)

где Р рас - вероятность распознавания; Р вос - вероятность восприятия ОН в ВР; Р раз - вероятность различения ОН в ВР; Р кла - вероятность классификации ОН в ВР.

На рис. 2. приведены информационно-коммуникационные направления взаимодействий основных составляющих процесса видеороботизированного наблюдения ВР интересуемых биообъектов ОН в системе агроценоза ОС.

Тогда вероятность принятия правильного управленческого решения видеороботизированной системой наблюдения, в самом общем случае, можно определить по формуле:

Р упр = Р об Р рас Р стр, (3)

где Р стр - вероятность системологической структуризации биообъектов наблюдения с технологиями аграрного производства.

Рисунок 2. Основные направления взаимодействий в системе трёх составляющих процесса видеороботизированного наблюдения: ВР - видеороботизированная поисково-распознающая система наблюдения; ОН - объект наблюдения; СО - система биообъектов наблюдения.

3. СОВРЕМЕННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ВИДЕОРОБОТИЗИРОВАННОГО НАБЛЮДЕНИЯ РАСТЕНИЙ И ЖИВОТНЫХ В АГРОТЕХНОЦЕНОЗАХ

Выделим из всего многообразия рынка видеоцифровой техники наиболее важное оборудование для решения задачи видеороботизации управления агротехнологическими процессами.

Адаптивные фотоаппараты и видеокамеры

Предназначены для получения высококачественных видеоцифровых изображений наблюдаемых биообъектов и передачи их по интерфейсу связи для обработки, анализа и хранения [11].

Основные адаптивные функции роботизированных видеокамер и фотоаппаратов:

- переключение с цветного на чёрно-белое восприятие;

- изменение пространственной разрешающей способности;

- изменение частоты кадровой съёмки;

- автоматическая фокусировка, настройка времени экспозиции, контраста и баланса белого эталона;

- стабилизация изображения;

- автоматическое включение и выключение процесса съёмки;

- изменение масштаба (зуммирование оптическое и электронное);

- пространственная ориентация камеры;

- адаптация к условиям окружающей среды;

- беспроводный и проводной интерфейс связи;

- детектор движения.

На рис. 3 приведены адаптивные поворотные видеоцифровые камеры.

Рисунок 3. Адаптивные поворотные видеокамеры различного конструктивного исполнения.

Телескопические манипуляторы

Могут быть использованы для автоматического сближения видеокамеры с интересующим биообъектом наблюдения при поиске его в рабочей зоне агроценоза, установления дистанционного контакта с биообъектом наблюдения и удержание необходимого контакта в течение процесса видеосъёмки [12].

Основные функциональные возможности роботизированных телескопических манипуляторов:

- регулируемая траектория движения;

- управляемая скорость движения;

- пространственная ориентация;

- задаваемый ракурс съёмки;

- программируемая степень свободы;

- способ перемещения (операторский кран, тележка, подвес, мобильное средство).

На рис. 4 для иллюстрации технических решений приведен стационарный и мобильный вариант применения телескопического манипулятора для проведения видеонаблюдения интересующих биообъектов биоценоза.

Рисунок 4. Стационарный и мобильный телескопический манипулятор для проведения сложноорганизованной съёмки биообъектов в агроценозах.

Фотокоптеры

Могут найти применение для проведения крупномасштабных сложноорганизованных съёмок рабочих территорий инспектируемых агроценозов, для обнаружения неоднородных групп биообъектов по продуктивности и депрессивности их состояния [13].

Основные технические возможности роботизированного фотокоптера для ведения фотосъёмки биообъектов, рассредоточенных в пространстве агроценоза:

- программируемая и регулируемая траектория и высота фотосъёмки;

- дистанционное управление процессом видеонаблюдения;

- картографирование территории агроценоза;

- обнаружение продукционных и депрессивных участков рабочей зоны агроценоза;

- установка дистанционного видеонаблюдения в заданной точке расположения интересующего биообъекта;

- приземление фотокоптера в заданных координатах для выборочного зондирования биообъекта, биофизического воздействия и взятия проб.

На рис. 5 показан наиболее эффективный в управлении роботизированный квадрокоптер для обследования удалённых территорий агроценоза.

Видеороботизированная система дистанционного наблюдения и оперативного управления агротехнологическими процессами, в перспективе создаст новые возможности совершенствования аграрного производства с точки зрения снижения издержек производства (потерь продуктивности и качества продукции), повышения производственной безопасности, повышения уровня автоматизации производства и обеспечения гибкости управления на многолетних циклах воспроизводства [14].

Рисунок 4. Роботизированный квадрофотокоптер с дистанционно управляемой видеокамерой наблюдения.

ВЫВОДЫ

1. Видеороботизация - наиболее перспективный способ решения проблемы повышения точности и эффективности агротехнологических процессов за счёт всестороннего, более пристального, непрерывного и длительного наблюдения, сбора и анализа визуализированных данных о состоянии биопродукционных процессов в агроценозах.

2. Из возможных стратегий управления группой видеороботов, размещённых на территории агроценоза, наиболее эффективной является стратегия комбинированного управления, включающая принципы единоличного, иерархического, коллективного и роевого управления.

3. Современный рынок видеоцифровой техники позволяет успешно решать задачи видеороботизации управления аграрным производством и делать условия труда более привлекательными и комфортными.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Стребков Д.С., Башилов А.М., Королёв В.А. Стратегия развития точных агротехнологий на основе конвергенции наземных и спутниковых средств дистанционного наблюдения, навигации и управления // Техника и оборудование для села. 2014. - № 3 (201). - С. 2- 5.

2. Башилов А.М. Решение проблемы контроля состояния здоровья животных и управления стадом в режиме реального времени с использованием технических средств компьютерного зрения / Башилов А.М., Легеза В.Н., Соловьева О.И. Международная научно-практической конференция. - Княгинино: НГИЭИ, 2015. - С. 115-118.

3. Башилов А.М., Королёв В.А. Новые системно-интегрированные и локально-дифференцированные технологии электрифицированного аграрного производства // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2015. - № 8. - С. 2-8.

4. Башилов А.М., Легеза В.Н. Система видеонаблюдения поведения животных при стойловом содержании // Сборник докладов 12 международной научно-технической конференции. - Углич, 2012. - Ч. 2. - С. 467-475.

5. Башилов А.М., Легеза В.Н. Круглосуточное всепогодное видеонаблюдение за поведением животных на пастбище // Сборник докладов 12 международной научно-технической конференции. - Углич, 2012. - Ч. 2. - С. 404-411.

6. Башилов А.М. Дистанционное видеонаблюдение за поведение животных в стаде / Башилов А.М., Легеза В.Н. // Техника и оборудование для села. 2011. -№ 12. - С. 24-26.

7. Башилов А.М. Оценка поведения животных на основе аудиовидеонаблюдения / Башилов А.М., Легеза В.Н. // Вестник МГАУ. 2012. - Вып. 1 (52). - С. 26-30.

8. Патент РФ № 2423042. Электронно-оптический способ регулирования технологий производства агропродукции. 2011. - БИ № 19.

9. Патент РФ № 2444177. Способ регулирования территориально распределенного многоотраслевого производства агропродукции. 2012. - БИ № 14.

10. Патент РФ № 2542109. Способ и устройство дистанционной фиксации момента появления сельскохозяйственных животных. 2015. - БИ № 5.

11. Башилов А.М. Проект управления аграрным производством на основе систем видеомониторинга // Техника и оборудование для села. 2010. - № 10. - С. 46-48.

12. Стребков Д.С., Башилов А.М., Королёв В.А. К вопросу управления мобильными агророботами // Международная научно-практическая конференция «Робототехника в сельскохозяйственных технологиях», ФГБОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет», 10-12 ноября 2014 г. - С. 25-29.

13. Королев В.А., Башилов А.М., Можаев К.О. Структура и алгоритмы работы летающего робота для забора и анализа грунта сельскохозяйственных угодий // Альтернативная энергетика и экология. 2015. - № 13-14 (177-178). - С.163-168.

14. Башилов А.М. Видеонаблюдение как эффект присутствия, пристального внимания и постоянного контроля поведения животных / Башилов А.М., Легеза В.Н. // Труды 8-й Международной научно-технической конференции. Ч. 5. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2012. - С. 57-67.

Размещено на Allbest.ru