Размещено на http://www.allbest.ru/

Новосибирский государственный аграрный университет

Высокоточный индукционный метод сельскохозяйственной навигации

Калюжный А.Т.

Аннотация

сельскохозяйственный машинный местоопределение навигационный

В статье описан новый - двухуровневый - индукционный метод определения местоположения роботизированных сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов в переменных магнитных полях навигационного индуктора с некоммутируемыми проводами. Показано, что достигаемая точность на порядок превышает точность известных методов за счет компенсации влияния магнитных полей, создаваемых внешними источниками, в том числе токами нерабочих проводов индуктора. Метод реализуется с помощью двух устройств местоопределения, измеряющих напряженность магнитного поля на разных уровнях, и схемы сравнения выходных сигналов указанных устройств.

Показано преимущество индукционных средств местоопределения МТА по сравнению со спутниковыми GPS-ГЛОНАСС агронавигаторами, утверждается о возможности создания роботизированных МТА и перехода к безлюдным технологиям возделывания растений уже в настоящее время.

Ключевые слова: индукционная навигация, трактор-робот, сельскохозяйственная навигация, местоопределение МТА, плановая траектория МТА, двухуровневый метод местоопределения

Введение

Роботизация самоходных сельскохозяйственных машин и машинно-тракторных агрегатов (МТА) на уровне, обеспечивающем выполнение мобильных процессов растениеводства без непосредственного участия человека, невозможна без автоматизации вождения МТА. Это требует автоматизации управления траекторией движения МТА на рабочем гоне и поворотной полосе, в том числе - автоматизации процесса определения фактического местоположения относительно требуемого и формирования сигнала траекторного рассогласования. Возможны различные решения этой задачи; одним из наиболее перспективных является использование явления магнитной индукции, известного давно, но не нашедшего применения до настоящего времени вследствие присущих ему недостатков. Ниже излагается один из наиболее перспективных вариантов устранения этих недостатков, реализация которого позволит реально приступить к роботизации самоходной сельскохозяйственной техники.

Обоснование рационального индукционного метода

В настоящее время известны различные индукционные методы местоопределения МТА: амплитудно-компенсационный, разностно-амплитудный, амплитудный двухчастотный, импульсно-фазовый, амплитудно-фазный и др. Важнейшей составляющей этих методов является создание навигационного магнитного поля, программирующего плановые и позволяющего определять фактические траектории МТА. Такие поля создаются при помощи навигационных индукторов в виде системы подземных параллельных гоновых проводов, питаемых переменными токами.

Токи каждого из проводов создают магнитное поле, которое присутствует не только вблизи данного провода, но распространяется далеко от него. Поскольку ширина сельскохозяйственного (с/х) поля составляет сотни метров, а расстояние между гоновыми проводами около десяти метров, то общее количество проводов может быть значительным. При одновременном питании всех проводов напряженность магнитного поля в любой точке равна векторной сумме напряженностей, создаваемых током каждого провода.

В электропроводящей почве под действием первичного магнитного поля, создаваемого токами проводов индуктора, протекают вихревые токи индукции, создающие вторичные магнитные поля. В результате наложения напряженность суммарного, или «нормального», магнитного поля и плановая траектория МТА оказываются непредсказуемыми.

Плановую траекторию можно сделать стабильной, создавая навигационные магнитные поля при помощи коммутируемых индукторов, в которых все провода, в данный момент не участвующие в создании «рабочего» магнитного поля, отключены. Однако эксплуатация таких индукторов более сложная, так как переключение проводов необходимо синхронизировать с выходом МТА на поворотную полосу, что требует применения не только коммутаторов, но и канала связи коммутатора с МТА и др. Кроме того, возникает проблема электромагнитной совместимости МТА, работающих на этом же или на смежных с/х полях. Поэтому применение некоммутируемых индукторов предпочтительней.

Создание навигационного магнитного поля является необходимым, но не достаточным условием для реализации индукционных методов местоопределения МТА. Вторая составляющая индукционных методов - измерение напряженности магнитного поля на МТА, формирование первичных навигационных параметров, вычисление сигнала траекторного рассогласования.

Напряженность магнитного поля измеряется с помощью индукционных преобразователей (ИП) в виде многовитковых катушек, выходное напряжение которых пропорционально магнитному потоку, пересекающему витки. Конструкция, состоящая из одного или нескольких ИП, образует «магнитоприемник»; индукционные методы программируют траекторию перемещения не МТА, а магнитоприемника вдоль токоведущих проводов.

Алгоритмы местоопределения позволяют программировать траекторию магнитоприемника непосредственно над проводом и на удалении от него. В первом случае напряженность «сигнального» магнитного поля максимальная, так как расстояние между проводом и ИП минимальное, что обеспечивает высокую точность и стабильность плановой траектории. Во втором случае - при перемещении магнитоприемника на расстояниях до десяти и более метров от провода - полезный сигнал значительно ослабленный не только вследствие удаления от провода, но также вследствие затухания в электропроводящей земле. Поэтому без дополнительных исследований он не может быть рекомендован в настоящее время к практическому применению.

В настоящее время высокое качество местоопределения МТА гарантируют методы, основанные на перемещении магнитоприемника над проводом. Но так как расстояние между смежными проводами может достигать десяти и более метров, в то время как ширина захвата МТА может быть порядка одного метра, то каждый провод может использоваться в качестве ориентира для нескольких проходов. При этом для обеспечения слитности смежных проходов магнитоприемник каждый раз необходимо перемещать относительно продольной оси трактора на ширину захвата МТА. Это предъявляет к магнитоприемнику определенные требования: он должен быть достаточно легким и обладать минимальными размерами, не увеличивать габариты МТА.

Перемещение магнитоприемника над проводом обеспечивается «дифференциальным», т.е. «разностным», алгоритмом, реализуемым разностно-амплитудными методами местоопределения. В зависимости от количества точек измерения напряженности, такие методы могут быть «одноточечными» и «многоточечными».

Одноточечные методы основаны на измерении и сравнении проекций вектора напряженности магнитного поля в одной точке на 2 направления, задаваемые осями ИП. Такие методы ориентируют магнитоприемник относительно магнитной силовой линии, которая проходит через ИП. Устойчивым является положение магнитоприемника, при котором вектор напряженности магнитного поля образует с осями двух ИП равные углы, для чего магнитоприемник должен быть Х-образным.

Анализ одноточечного метода

Для описания магнитного поля выберем прямоугольную систему координат OXYZ. Совместим ось ОХ с рабочим проводом индуктора, расположив начало системы координат в середине длины провода. Ось OZ направим вертикально вверх, ось OY - горизонтально вправо. При этом углы будем отсчитывать от вертикальной оси OZ к концу вектора напряженности: положительные - по направлению движения часовой стрелки и отрицательные - против часовой стрелки.

На рис. 1 показано устойчивое положение Х-образного магнитоприемника одноточечного разностно-амплитудного устройства местоопределения МТА, соответствующее нулевому сигналу траекторного рассогласования. Здесь начала катушек индукционных преобразователей ИП1 и ИП2 расположены слева и обозначены «звездочками».

Рис. 1. Положение Х-образного магнитоприемника относительно токоведущего провода в т. О

При направлении тока в точке О от читателя в плоскость чертежа магнитный поток течет по направлению движения часовой стрелки: слева-вверх-направо, вдоль силовой линии, показанной тонкой линией. Вектор напряженности магнитного поля направлен по касательной к силовой линии. В месте нахождения магнитоприемника, на оси OZ, вектор напряженности направлен горизонтально слева направо. Магнитный поток, втекая в начала катушек ИП1 и ИП2, создает в них синфазные напряжения, разность которых определяет величину сигнала д траекторного рассогласования. Проекции вектора напряженности, создаваемой током I, на оси OZ и OY системы координат в точке N [1]:

Проекция вектора напряженности на направление, образующее с осью OZ угол г:

где ш - угол между вектором напряженности и вертикалью OZ.

Сигнал траекторного рассогласования, формируемый одноточечным разностно-амплитудным устройством местоопределения (УМО), пропорционален разности проекций вектора напряженности на направления осей ИП1 и ИП2 [2]:

Если оба ИП одинаковые, то сигнал траекторного рассогласования в точках плоскости ХOZ будет отсутствовать при условии г2 = 180 - г1. Так как при этом sinг2 = sinг, cosг2 = -cosг1, то уравнение (3) принимает вид:

Ниже при рассмотрении числовых примеров, если не оговорено иное, принимается значение координаты z = 2 м, расстояние между гоновыми проводами навигационного индуктора В = 7 м. В точке с координатами z = 2 м, y = 0 напряженность принимается равной 100%; все другие значения приводятся в процентах к напряженности в указанной точке, поэтому не зависят от тока I.

Пусть некоммутируемый индуктор состоит из 10 гоновых проводов, включенных последовательно зигзагом, так что токи в смежных проводах протекают встречно. Совместим плоскость XOZ системы координат с крайним слева проводом индуктора. Тогда проекция Hz вектора напряженности, создаваемого в плоскости XOZ током i-того провода, опишется уравнением:

Или:

Проекция вектора суммарного поля всех проводов на вертикаль равна сумме проекций, создаваемых током каждого провода:

В таблице 1 приведены значения: проекций Hz векторов напряженности, создаваемых токами всех проводов вблизи каждого провода; суммарное значение проекций всех векторов HzУ; чувствительность местоопределения над проводом; смещение линии HzУ = 0 относительно провода, удаленного от крайнего на расстояние у. Значения приведены без учета конечной длины проводов индуктора.

Таблица 1. Параметры магнитного поля индуктора из 10 проводов

Анализ данных таблицы 1 показывает, что смещение линии HzУ = 0 наблюдается влево относительно нечетных проводов (1, 3, 5, 7, 9) и вправо - относительно четных. Величина смещения значительная: даже в середине индуктора она превышает ± 10 см, поэтому переход магнитоприемника от 5-го провода к 6-му увеличит расстояние между смежными траекториями МТА на расстояние более 20 см, а от 1-го к 2-му - на 37,41+18,59 = 56 см. Переход от второго провода к третьему уменьшает расстояние между смежными проходами МТА на 18,59+13,6 = 32,2 см.

Зависимость расстояний между линиями HzУ = 0 от номера смежных проводов является главным недостатком некоммутируемых индукторов, не позволившим в прошлом веке автоматизировать вождение МТА индукционными методами. Увеличение количества проводов индуктора несколько уменьшает этот недостаток, однако он всё же остается недопустимо большим. Для практического применения одноточечных УМО МТА в магнитных полях некоммутируемых индукторов необходимо компенсировать влияние магнитных полей нерабочих проводов на боковое смещение плановой траектории рабочего провода.

Анализ показывает, что решить эту задачу изменением расстояний между гоновыми проводами или созданием компенсационного магнитного поля нереально. Поэтому решение следует искать на МТА, аппаратно, с помощью тех или иных конструктивных или схемных решений. Так, удовлетворительные результаты можно получить, используя двухточечные разностно-амплитудные устройства местоопределения по проекции Hy суммарного магнитного поля на ось OY, рассмотрение которых выходит за рамки настоящей работы.

Данные таблицы 1 показывают, что для совмещения плановой траектории магнитоприемника с вертикальной плоскостью XOZ системы координат можно уменьшить сигнал траекторного рассогласования на величину сигнала помех, наблюдаемого при y = 0 и определяемого номером провода (табл. 2, строка 2).

Таблица 2. Зависимость компенсационного сигнала от номера провода

Описание двухуровневого метода

Значение компенсационного сигнала можно определять расчетным путем по известной конфигурации индуктора, значениям координат z и х, току индуктора [3]. Можно предварительно занести в запоминающее устройство системы траекторного управления значения компенсационных сигналов, получаемых посредством измерений при перемещении измерительного магнитоприемника над проводом. Но более простым и универсальным способом является использование «двухуровневых» устройств местоопределения, формирующих сигнал траекторного рассогласования как разность двух значений, соответствующих разным значениям координаты z. Алгоритм двухуровневого метода поясняет функциональная схема УМО (рис. 2).

Рис. 2. Функциональная схема двухуровневого устройства местоопределения тракторных агрегатов (1 и 2 - одноуровневые устройства местоопределения; 3 - схема сравнения)

Сигнал помехи незначительно зависит от координаты z (табл. 2, строки 2 и 3). В то же время полезный сигнал, создаваемый током рабочего провода, согласно (1), при у ? 0 обратно пропорционален квадрату координаты z. Увеличение координаты z на 25%, с 2 до 2,5 метров, уменьшает полезный сигнал примерно в 1,5 раза, не оказывая заметного влияния на сигнал помех. Это позволяет, вычитая сигналы траекторного рассогласования, сформированные на разной высоте, практически полностью избавиться от вредного влияния магнитных полей помех вне зависимости от их источника. При этом снижение чувствительности УМО, наблюдаемое вследствие потери части полезного сигнала, компенсируется увеличением усиления разностного сигнала в ?1,5 раза.

Выше числовой пример рассматривается при г = 0 в уравнении (4). Все сказанное справедливо и при г ? 0. В качестве примера на рис. 3 приведены графики сигналов траекторного рассогласования двухуровневых УМО относительно первого провода. Графики показывают, что боковое смещение плановой траектории относительно первого провода сократилось с 37,4 см для одноуровневых устройств до 5 см для двухуровневых, вне зависимости от величины угла г. Графики также показывают, что максимальная чувствительность устройств наблюдается при г = 0, то-есть у амплитудно-фазных устройств. При этом чувствительность амплитудно-фазного устройства, содержащего по одному ИП каждого уровня, такая же, как и разностно-амплитудного, содержащего по два ИП при угле г = 60о.

Рис. 3. Выходные характеристики двухуровневых устройств местоопределения МТА относительно первого провода

Параметры двухуровневых УМО МТА при г = 0, z = 2 и 2,5 м приведены в таблице 3.

Сравнение данных таблиц 1 и 3 показывает, что чувствительность 2-хуровневых УМО по сравнению с одноуровневыми снизилась в ? 54,4/36,6 ?1,5 раз, а боковое смещение сократилось от 37,4/5,326 =7 до 10,5/0,057 =184 раз.

Таблица 3. Параметры двухуровневых устройств местоопределения

Сравнение данных таблиц 1 и 3 показывает, что чувствительность 2-хуровневых УМО по сравнению с одноуровневыми снизилась в ? 54,4/36,6 ?1,5 раз, а боковое смещение сократилось от 37,4/5,326 =7 до 10,5/0,057 =184 раз.

Величина бокового смещения при прочих равных условиях зависит от расстояния В между проводами. Выше принималось В = 7 м; ниже в таблице 4 приведены параметры этих же УМО при уменьшении расстояния В между проводами в два раза, до 3,5 м.

Таблица 4. Параметры УМО при расстоянии между проводами В = 3,5м

Сравнение данных таблиц 3 и 4 показывает, что при количестве гоновых проводов более 10 разность расстояний между смежными плановыми траекториями вдали от края индуктора - менее 1 см, однако первый и последний провода практически непригодны для местоопределения МТА без дополнительной коррекции плановой траектории. Поэтому при необходимости прокладки гоновых проводов с шагом менее 7 м целесообразно применять двух-трехчастотные индукторы (рис. 4), что позволяет в 2-3 раза увеличивать расчетное расстояние между проводами и снижать их взаимное влияние. При этом для перехода от одной частоты к другой достаточно производить автоматическую переналадку амплитудно-частотных характеристик индукционных преобразователей и полосовых усилителей переключением конденсаторов.

Рис. 4. Схема трехчастотного индуктора

Реализация двухуровневого метода

Одноточечный двухуровневый метод местоопределения можно реализовать по проекции и по модулю проекции вектора напряженности при различных значениях угла г наклона оси проекций к вертикали (рис. 5).

Рис. 5. Магнитоприемник двухуровневого одноточечного разностно-амплитудного устройства местоопределения МТА

Модуль траекторного рассогласования можно определять по сумме выходных напряжений U1-4 индукционных преобразователей согласно (3):

|д| = U1 - U2 - U3 + U4. (6)

Суммирование и вычитание напряжений можно выполнять последовательным включением катушек индукционных преобразователей магнитоприемника согласно схеме на рис. 6.

Рис. 6. Реализация математической операции сложения/вычитания надлежащим соединением катушек ИП

Выходные напряжения ИП измеряются долями вольта, поэтому напряжение Uд следует усилить до требуемой величины. Для этого целесообразно применять полосовые усилители либо широкополосные усилители и полосовые фильтры с тем, чтобы подавить низкочастотные сигналы помех, создаваемых постоянным магнитным полем Земли при наличии вибраций магнитоприемника и катушек ИП.

Направление траекторного рассогласования можно определить по фазе напряжения Uд относительно фазы опорного напряжения Uоп, пропорционального проекции вектора напряженности на ось OY. Опорное напряжение снимается с выводов «опорной» катушки, ось которой параллельна поперечной оси трактора. Один из возможных вариантов определения фазы сигнального напряжения Uд показан на рис. 7, где 1 и 2 - компараторы (преобразователи синусоидального напряжения в прямоугольное), 3 - «исключающее ИЛИ» (например, К561ЛП2).

Рис. 7. Формирователь полярности сигнала траекторного рассогласования

Достоинством рассматриваемого «одноканального» двухуровневого устройства местоопределения по проекции вектора напряженности является высокая стабильность плановой траектории, поскольку определяется только пространственной ориентацией ИП и не зависит от изменения электрических параметров электронных элементов устройства.

Необходимость измерения фазы отсутствует при местоопределении по модулю проекции вектора напряженности, которое возможно только при формировании сигнала траекторного рассогласования разностно-амплитудным методом. В этом случае устройство содержит по 2 индукционных преобразователя верхнего и нижнего уровней и 4 канала обработки выходных напряжений ИП. Все каналы одинаковые и состоят из предварительного и полосового усилителей и прецизионных выпрямителей, преобразующих переменные напряжения в постоянные. При этом полярность выпрямленных напряжений каналов 1 и 4 противоположна полярности напряжений каналов 2 и 3 согласно (6) и рис. 5. Аналоговый сигнал траекторного рассогласования формируется суммирующим усилителем выпрямленных напряжений (рис. 8).

Рис. 8. Сумматор-усилитель выпрямленных напряжений

Питание индуктора переменным напряжением можно осуществлять от генератора стабильной частоты, схема которого приведена на рис. 9.

Рис. 9. Электрическая схема генератора переменного напряжения стабильной частоты на микросхемах серии К561

При современном уровне развития микроэлектроники стоимость индукционных устройств местоопределения МТА копеечная, а их разработка и изготовление вполне доступны сельским школьникам, интересующимся электроникой либо занимающимся в кружках юных техников.

Энергопотребление навигационных индукторов

Опыт показывает, что для создания навигационного магнитного поля достаточен ток 10 мА, создающий на расстоянии 2,5 м напряженность около 0,6 мА/м, что эквивалентно напряженности электрического поля 230 мВ/м.

Минимальное значение тока ограничивается не чувствительностью устройств местоопределения, а уровнем внешних помех, в том числе обусловленных постоянным магнитным полем Земли, напряженность которого (?40 А/м) на 5 порядков превышает напряженность полезного сигнала. Поле Земли не создает напряжения на выходе неподвижных индукционных преобразователей, но создает его в процессе движения МТА, когда магнитоприемники испытывают удары и вибрации, в результате которых изменяется магнитный поток Земли через витки индукционных преобразователей. Поэтому возможность снижения энергопотребления индукторами напрямую связана с демпфированием индукционных преобразователей, а также применением электрических фильтров для частотного разделения полезного сигнала и сигналов помех.

В настоящее время для строительства навигационных индукторов можно использовать электротехнический провод, например - марки АПВ-2,5 по цене ? 2,0 тыс. руб./ км. Погонное сопротивление провода ?12 Ом/км. Для строительства некоммутируемого индуктора площадью 100 га может потребоваться до 150 км провода; для улучшения отношения сигнал/шум ток проводов можно принять 50 мА. Тогда для одновременного питания током всех проводов потребуется электрическая мощность P = I2R =4,5 Вт. При питании индуктора от аккумулятора 12 В потребляемый ток ?0,4 А. Свежезаряженный автомобильный аккумулятор емкостью 40 А-ч обеспечит питание такого индуктора на протяжении нескольких суток, достаточных для выполнения наиболее энергоемких операций.

Практика показывает, что автоматизация траекторного управления МТА с трактористом, осуществляемая с помощью автопилотов на базе спутниковых GPS-ГЛОНАСС агронавигаторов, экономически выгодна; выгода многократно возрастет при работе МТА без тракториста. Дополнительная выгода может создаваться:

---круглосуточной работой МТА, сокращением сроков и повышением качества полевых работ, снижением потерь продукции;

---оптимизацией технико-эксплуатационных параметров тракторов с целью снижения машинной деградации почвы, повышения топливной экономичности МТА, повышения качества полевых работ;

---упрощением конструкции тракторов и снижением их стоимости;

---ликвидацией вредного труда трактористов в его современном виде, повышением привлекательности жизни на селе.

Заключение

Двухуровневые индукционные методы местоопределения тракторных агрегатов создают прочную основу для широкого использования явления магнитной индукции в сельскохозяйственной навигации по следующим причинам.

1. Обеспечивают высокую точность местоопределения в магнитных полях некоммутируемых индукторов, эксплуатация которых практически не требует затрат. Питание индуктора может осуществляться с места хранения техники по подземной линии, одновременно программирующей траекторию автономного подъезда роботизированной техники к сельхозполям и обратно.

2. Решают проблему электромагнитной совместимости и позволяют одновременно работать на одной частоте всем МТА на одном или на смежных сельхозполях. Это сокращает ассортимент требуемого оборудования, упрощает эксплуатацию роботизированных МТА.

3. Обладают высокой помехоустойчивостью к магнитным полям любых источников, удаленных от МТА на расстояние более нескольких десятков метров.

Преимуществом индукционных средств местоопределения МТА, работающих без человека, по сравнению со средствами спутниковой радионавигации являются:

- полная автономность и независимость от третьих лиц;

- гарантированная точность и долговременная стабильность плановых траекторий МТА, что позволяет автоматизировать возделывание пропашных культур;

- высокая помехоустойчивость;

- отсутствие необходимости в использовании радиоканала связи;

- простота, низкая стоимость, надежность и ремонтопригодность, доступная сельскому электрику без специальной подготовки.

Индукционные двухуровневые устройства местоопределения позволяют оборудовать тракторы системами автовождения, ни в чем не уступающими спутниковым «автопилотам», и по мере решения сопутствующих технических и организационных вопросов постепенно освобождать трактористов от управления работой МТА, сохраняя за ними только функции технического обслуживания и непосредственного либо дистанционного контроля. Но вначале необходимо выполнить большой объем опытно-конструкторских работ и экспериментальных исследований, освоить промышленное производство, что требует соответствующего финансирования. Найдется ли такой источник и когда - неизвестно.

Список использованных источников

1. Калюжный А.Т. Магнитные поля сельскохозяйственной навигации // АгроЭкоИнфо. - 2017, №4. - http://agroecoinfo.narod.ru/journal/STATYI/2017/4/st_404.doc.

2. Калюжный А.Т. Методы и средства индукционной сельхознавигации // АгроЭкоИнфо. - 2017, №4. - http://agroecoinfo.narod.ru/journal/STATYI/2017/4/st_419.doc.

3. Способ местоопределения тракторного агрегата и устройство для осуществления. Пат.2607337 РФ, МПК А 01 В 69/04 /Калюжный А.Т., Каторгин Н.А., Зайцев А.А. Заявитель и патентообладатель Новосибирский государственный аграрный университет. 2015128034/11. Заявл.10.07.2015; опубл.10.01.2016. Бюл. №1. - 5 с.

Цитирование

Калюжный А.Т. Высокоточный индукционный метод сельскохозяйственной навигации // //АгроЭкоИнфо. - 2018, №1. - http://agroecoinfo.narod.ru/journal/STATYI/2018/1/st_103.doc.

Размещено на Allbest.ru