CC BY
38УДК 005.519.6:631
Башилов А.М., профессор, д.т.н.,
Московский авиационный институт
АГРОРОБОТЫ И АЭРОКОПТЕРЫ в сельскохозяйственных угодьях
Без мечты, без перспективного мышления не может формироваться инновационный проект. Роботизация, цифровизация и искусственный интеллект - ярко высвеченные в научной литературе ориентиры развития и совершенствования современной техносферы, в том числе и в отрасти сельского хозяйства [1].
Наземные роботизированные средства (агророботы) с разной степенью автономности функционирования все чаще применяются в сельскохозяйственном секторе, в том числе для посева зерновых, внесения удобрений, сбора урожая, распыления пестицидов. Беспилотные летательные аппараты (аэрокопторы) используют в основном для создания электронных карт полей; оценки всхожести сельскохозяйственных культур, контроля текущего состояния агроценозов, экологического мониторинга сельскохозяйственных и лесных угодий [2].
Совместное использование наземных и воздушных средств расширяет функциональные и сенсорные возможности роботизированной обработки сельскохозяйственных угодий. По сравнению с наземной техникой авиационные аппараты дают ряд преимуществ: отсутствие физического контакта с землёй и уплотнения почвы, более широкая площадь мониторинга и обработки, более качественная выборочная обработка культур [3].
Наиболее интересным решением может быть использование наземных и воздушных мобильных роботизированных средств на основе единой платформы видеоцифрового управления, визуализирующего агротехно-логические процессы и устанавливающего удобную форму зрительного контакта для заинтересованного специалиста. Это новое научное направление совершенствования агротехно-логических процессов в растениеводстве и животноводстве,
инновационное и привлекательное, позволяющее осуществлять более глубокую автоматизацию аграрного производства.
Эффективность практической реализации будет заключаться в энергосберегающем совершенствовании агротехнологий, в более бережливом управлении живыми самоорганизующимися сельскохозяйственными системами производства - агротехно-ценозами.
Цель статьи: разработка проекта совместного использования наземных и авиационных роботизированных средств в сельскохозяйственной практике.
МЕТОДОЛОГИЧЕСКАЯ ОСНОВА ИННОВАЦИОННОГО ПРОЕКТА
Предлагается рассмотреть вариант совместного, взаимно дополняющего использования наземных агророботов и воздушных аэрокоптеров. При этом наземные роботы осуществляют последовательно-поточное пространственно-временное (челночное) обслуживание сельскохозяйственных угодий по традиционным, сплошным траекториям движения, а воздушные роботы осуществляют дополнительное, выборочно-дифферен-цированное обслуживание, по воздушным перемежающимся
(высоко маневренным) траекториям. Совместное взаимодействие агророботов и аэроботов должно осуществляться с единой мобильной или передвижной платформы, управляющей видеоцифровым мониторингом и агротехнологическим обслуживанием угодий (например, полей и пастбищ).
На рисунке 1 приведена структурно-функциональная схема агро/аэро-роботизированного комплекса.
Видеоцифровой мониторинг на основе технического зрения обеспечивает наблюдение и отслеживание динамических пространственно-временных изменений объектов сельскохозяйственного угодья [4]. По результатам мониторинга, при реализации информационно-аналитических операций обнаружения и идентификации, осуществляют управлениеагророботами и аэрокоптерами, оснащёнными рабочими исполнительными механизмами и видеоцифровым контролем выполняемых операций. На рис. 2 приведена обобщённая схема формирования алгоритмов мониторинговых (поисково-разведовательных) и агротехнологических (исполнительно-преобразовательных) действий роботизированного комплекса.
№4 июль 2020
МРИРИРУМ
КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ УПРАВЛЕНИЯ ИНТЕГРИРОВАННЫМ РОБОТИЗИРОВАННЫМ КОМПЛЕКСОМ Описание текущего состояния Sy земельного угодья КУ и возделываемой агрокультуры можно концентрированно выразить упорядоченным системноме-трическим набором (кортежем) параметров [5]:
5 = <С V. Е. N. Р >,
У У, У У У У
(1)
где
Су - координаты земельного угодья; V - фаза развития агроценоза; Еу - урожайность агрокультуры; Ыу- число агротехнологических зон; Гу - режим агротехнологического процесса.
Описание текущего состояния Цд наземного агроробота АР можно выразить кортежем аналогичных параметров:
и = <С, V, Е, Т, Р >, (2)
9 в Я Я в в
где
Сд - координаты агроробота; V - скорость агроробота; Ед - запас энергии питания агроро-бота;
Тд - длительность работы агроробота; Гд - режим функционирования агро-робота.
Для описания текущего состояния и. беспилотного аэрокоптера АК можно использовать кортеж параметров, относящихся к его действиям:
и = <С. Vf Е.Т . (3)
где
С. - координаты аэрокоптера; V - скорость аэрокоптера; Е. - объём заряда аккумулятора аэро-коптера;
Т. - длительность полёта аэрокоптера; Г - режим функционирования аэрокоптера.
Описание текущего состояния Р. наземной сервисной платформы СП можно выразить упорядоченным системнометрическим набором следующих параметров:
Р = <С. V, Е, N , Р>,
I ¡,1111
(4)
где
С. - координаты платформы; V - скорость платформы; Е. - энергия платформы; N. - число роботов на платформе; Г - режим функционирования платформы.
Рисунок 2. Схема формирования алгоритмов управления роботизированным комплексом: СП - сервисная платформа, Ар - агроробот, АК - аэрокоптер, ТП - технологический процесс, СМ - система мониторинга.
СП
КУ
Рисунок 1. Структурно-функциональная схема агро/аэро-роботизированного комплекса обслуживания угодья: КУ - карта угодья, АР - агроробот, АК - аэрокоптер, СП - сервисная платформа.
Результатом взаимодействия агророботов ид и аэрокоптеров и. с платформой роботизированного управления Р. является получение задания и приобретение рабочего органа для выполнения агротехнологической операции (предоставление услуги) 0(ип) на территории сельскохозяйственного угодья Sy (пространства возделывания агрокультуры), состоящей в обслуживании еит роботов (обновления источника энергии, электронной карты, программы агротехнологических работ) или обслуживания по замене исполнительного рабочего органа и программы его работы (контейнера, пробоотборника, лазера, видеокамеры, съёмника плодов) с ресурсами гит:
0(Цп) = ив"1", Г", р, ву ). (5)
В результате математического и программного моделирования разработана системы оценивания и поддержки принятия решения о составе и количестве сельскохозяйственных комплексов, необходимых для обработки заданной площади угодья, погодных условий и других аспектов, влияющих на стоимость и скорость выполнения работ. Для практической реализации системы управления роботизированным комплексом разработана схема и принцип построения комбинированных наземных и воздушных беспилотных агро-технологии на единой платформе (рис. 3).
С помощью аэрокоптеров выполняют дополнительные технологические воздействия на
Рисунок 3. Способ возделывания агрокультур роботизированным комплексом по управляемым зонам сельскохозяйственного угодья:
I - сервисная платформа управляющий комплекса, 2 - модуль визуального контроля состояния агрокультур, 3 - сельхозугодье, 4 - аэрокоптер, 5 - рабочий орган для внесения стимулирующих препаратов, 6 - лазер, 7 - средство инфокоммуникационной связи, 8 - машинное зрение агроробота, 9 - зоны депрессивного развития агрокультур, 10 - зоны удовлетворительного развития агрокультур,
II - зоны опережающего развития, 12 - технологические рабочие органы агроробота, 13 - направления стимулирующего физического или химического воздействия, усиливающего кооперативное биофизиологическое действие агрокультур от зон опережающего развития на развитие агрокультур в депрессивных зонах,
14 - направления обратного негативного кооперативного биофизиологического влияния агрокультур депрессивных зон на развитие агрокультур в пограничных зонах.
агрообъект в различных зонах территории экосистемы, ускоряющие его развитие. Эти воздействия выполняют взаимосвязано, параллельно и одновременно путём группового аддитивно-перемежающего воздействия на депрессивные и продуктивные зоны развития агроценоза с учётом изменения характери-
стик агрокультуры весь период её развития. При изменении биофизиологических характеристик культуры выполняют корректировку управления. Например, при ухудшении - усиливают стимулирующее воздействие, при повышении - ослабляют.
Возможны многие другие варианты применения локально-
дифференцированных и сложно-интегрированных систем видеонаблюдения в сельскохозяйственном производстве. Компьютерное зрение может оперативно и наглядно предоставлять информацию: об измененияхздоровья и поведения животных, об уровне и состоянии урожая растений в посадках, о текущих технико-технологических работах, о взаимном пространственном размещении и поведении объектов. Высокий уровень развития техники видеонаблюдения обеспечивает автоматизацию процесса управления видеоданными, предлагая типовые модули видеоаналитики и компьютерные программы интеграции, осуществляющие оперативную обработку, длительное накопление и преобразование видеоданных, сигнализируя о негативных проявлениях, упреж-дающе реагируя и прогнозируя не желательные последствия (патенты РФ № 2423042, № 2265989, № 2377764, № 2444177).
Заключение
Дальнейшее совершенствование аграрного производства целесообразно развивать с использованием мобильных наземных и воздушных роботизированных систем видеонаблюдения, компьютерной видеоаналитики и видеоцифрового управления. Современный рынок видеоцифровой и компьютерной техники позволяет успешно решать задачи видеороботизации управления аграрным производством и делать условия труда более привлекательными и комфортными.
И.И. Костусенко. - СПб.: Проспект Науки,
2014. - 176 с.
2. Липкович Э.И., Серегин А.А. Интеллектуализация технического оснащения АПК. - АПК: Экономика, управление.
2015. № 1. С. 63-75.
3. Башилов А.М. Манёвренные системы видеонаблюдения для применения в аграрном производстве. АгроФорум, 2019, №2, март, С. 44-46.
4. Дамьяновски Владо. CCTV. Библия видеонаблюдения. Издательство: Security Focus, второе издание с дополнением и изменениями, 2018, - 470с.
5. Нго К.Т. Функциональная модель взаимодействия БЛА с наземной роботизированной платформой при решении сельскохозяйственных задач / К.Т. Нго, В.В. Нгуен, И.Ю. Харьков, Е.Е. Усина, О.О. Шумская // Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН. 2018. № 6-3 (86). С. 41-50.
