CC BY
15
УДК 637.112.5
АЛГОРИТМ РАБОТЫ БЛОКА УПРАВЛЕНИЯ РОБОТИЗИРОВАННОЙ УСТАНОВКОЙ ПРЕДДОИЛЬНОЙ
ПОДГОТОВКИ ВЫМЕНИ
Д.В. Барабанов, аспират
А.В. Крупин, аспирант
Н.В. Муханов, кандидат технических наук
А.М. Абалихин, кандидат технических наук
ФГБОУ ВО Ивановская ГСХА
E-mail: anton-abalikhin@yandex.ru
Аннотация. Существование и развитие любой отрасли промышленного производства не возможно без создания кадрового потенциала. Современное сельское хозяйство отличает острый дефицит квалифицированных кадров, который вызван оттоком населения из сельских территорий, а также малой привлекательностью сельскохозяйственных специальностей. Повысить привлекательность работы в аграрной отрасли можно путем повышения культуры труда, что невозможно без внедрения современных технических средств производства. В этом аспекте наиболее перспективными являются робототехни-ческие системы, которые все более активно внедряются в сельскохозяйственное производство. Применение роботов в животноводстве имеет ряд сложностей, основу которых составляет необходимость работы с живыми организмами, действия которых порой трудно предугадать. Эти сложности особенно ярко проявляются на крупных молочных фермах, где необходимо обслуживать большое количество коров. Для этого используют конвейерно-кольцевые доильные установки типа «Карусель», которые наиболее перспективны с точки зрения роботизации. Создание отечественной доильной робототехнической системы целесообразно вести поэтапно. Первый этап - разработка роботизированной установки преддо-ильной подготовки вымени, которая освободит оператора от функций подмыва и массажа вымени. Работа такой установки должна отвечать зоотехническим требованиям к технологии машинного доения коров. Для предложенной конструкции установки разработан алгоритм работы блока управления, который позволит приступить к созданию программного обеспечения. В отдельности рассмотрены все составляющие алгоритма, приведены элементы расчета координат сосков вымени коровы для оптической системы позиционирования манипулятора установки. Обоснована продолжительность рабочего цикла установки и предложены пути увеличения быстродействия отдельных элементов системы. Ключевые слова: роботизированная установка, преддоильная подготовка, манипулятор.
Введение. Развитие любой отрасли про- жителей сельских территорий [3, 4]. В насто-
мышленного производства невозможно без ящее время проходят испытания или уже
развития и совершенствования технических внедрены робототехнические системы как
средств. В этом аспекте в настоящее время для растениеводства, так и для животновод-
все более востребованными становятся робо- ства. При этом следует отметить, что разра-
тотехнические системы, применяемые прак- ботка роботов для сельского хозяйства имеет
тически во всех отраслях промышленного одну существенную проблему. В отличие от
производства и обеспечивающие переход к промышленных роботов, к примеру, в маши-
цифровой экономике [1, 2]. ностроении, в сельском хозяйстве приходит-
Не является исключением и сельское хо- ся иметь дело с биологическими объектами:
зяйство. Применение робототехнических си- растениями и животными. Это предъявляет
стем в сельском хозяйстве обусловлено особые требования к разработке систем по-
необходимостью снижения доли ручного зиционирования, работа которых должна
труда, которая продиктована нехваткой кад- свести к минимуму травмирование биологи-
ров из-за низкой привлекательности труда в ческих объектов при выполнении технологи-
аграрной отрасли и миграционного оттока ческих операций.
Одними из самых распространенных систем являются доильные робототехнические системы, которые не только снижают затраты труда на производство молока, но и способствуют повышению его качества, а также сохранению здоровья животных [5-7]. При этом следует отметить, что все они имеют боксовую структуру и направлены на персональное обслуживание одного животного. Такой подход оправдан при использовании роботов в хозяйствах со сравнительно небольшим поголовьем, где задачу обслуживания животных решит один или несколько доильных боксов.
Использование таких роботов в крупных хозяйствах с большим поголовьем животных связано с рядом сложностей. В первую очередь, это необходимость установки большого количества доильных роботизированных боксов. Как следствие, возникнет проблема с их размещением на территории коровника, поскольку большое количество боксов потребует для размещения больших площадей.
Такую проблему решает сочетание достижений в области роботизированного доения с традиционными доильными системами: в настоящее время уже проводятся испытания роботизированных конвейерно-коль-цевых доильных установок типа «Карусель». Такое сочетание максимально приближает процесс обслуживания молочного стада к поточной линии производства промышленного предприятия.
Однако следует отметить очевидное отставание России в области создания подобного оборудования в силу проблем, вызванных экономическим кризисом 90-х годов. В настоящее время несколько коллективов ведут разработку боксовых доильных роботов, но все разработки находятся на стадии создания прототипа или экспериментальной установки. На наш взгляд, решение этой задачи должно быть поэтапным, от простого к сложному. Кроме того, необходимо придерживаться принципа модульности и универсальности. Так, на первом этапе необходимо разработать установку преддоильной подготовки вымени (рис. 1), основу которой составляют манипулятор с системой машинно-
го зрения и рабочий орган. Эта установка может располагаться на входе в доильный зал с доильной установкой типа «Карусель». Создание данной системы позволит отработать взаимодействие всех систем робота как между собой, так и с живым организмом. Решение всех возникающих в ходе эксплуатации установки преддоильной подготовки вымени проблем позволит перейти к следующему этапу - созданию доильного модуля, работающего практически с тем же манипулятором [8, 9].
Рис. 1. Схема системы преддоильной установки:
1 - станок, 2 - манипулятор, 3 - механическая рука, 4 - рабочий орган манипулятора, 5 - входная дверца, 6 - выходная дверца, 7 - элементы фото- или видео-
фиксации системы позиционирования, 8 - блок управления, 9 - вычислительный модуль.
Цель исследования. Разработать алгоритм работы блока управления роботизированной установкой преддоильной подготовки вымени и выявить в нем резерв к оптимизации работы.
Материалы и методы. Работа установки преддоильной подготовки вымени подразумевает выполнение ряда последовательных действий, контроль над осуществлением которых выполняется блоком управления (рисунок 1). На рисунке 2 представлен алгоритм работы этого блока. В начальный момент рабочего цикла установки открыта входная дверца 5, при этом выходная дверца 6 закрыта. Далее происходит ожидание попадания животного в станок. Контроль входа животного в станок осуществляется при помощи системы датчиков. В этом качестве могут выступать как тензодатчики, отслеживающие вес установки, так и лазерные датчики или ультразвуковые датчики, расположенные на несущих элементах станка установки преддоильной подготовки вымени.
вание двух камер, расположенных на несущих элементах станка. Снимки вымени животного, полученные в двух пересекающихся плоскостях, передаются на ЭВМ, где происходит их обработка и распознавание необходимых для расчета координат элементов изображений.
Обработка изображений подразумевает определение смещения контура сосков вымени животного относительно центра изображения. Это смещение позволяет определить координаты расположения сосков, что необходимо для наведения манипулятором рабочего органа в рабочую область.
Теоретические исследования показали возможность использования такого способа [11]. На основе их результатов при дальнейших исследованиях получены расчетные формулы для определения координат в случае использования такой системы позиционирования:
+ - d - 2А + И сов®,
У об =■
+ tgp
tgP(d + ) - dltgа
(1)
+ \Г2\
Рис. 2. Алгоритм работы блока управления
В момент попадания животного в станок система датчиков подает сигнал блоку управления о нахождении животного в станке, после чего блок управления генерирует команду на закрытие входной дверцы и включает моторы входной дверцы. Затем в действие приводится система позиционирования установки для определения рабочей области и подведения в эту область рабочего органа манипулятора. Поэтому основной задачей этой системы является определение координат сосков вымени животного. В разрабатываемой установке предполагается использо-
tgа + tgP
где хоб и уоб - координаты соска вымени коровы в системе координат связанной со станком установки; а и в - углы разворота камер системы позиционирования относительно вертикальной оси; ё - расстояние между боковыми стенками станка.
Величины ^, |Г2|, ® определяются особенностями построения системы позиционирования. Так две камеры, образующие ее основу, расположены в двух пересекающихся плоскостях. Пересекающиеся плоскости образуют косоугольную систему координат Х О У с началом в некоторой точке О' (рисунок 3). Таким образом, расстояние ^ равно расстоянию между первой камерой К и вершиной угла, образованного пересекающимся плоскостями (точка О'): О'К = dx =д/(Х0 - Х1)2 + ^ + d0 - У1)2 , (2) где К (Х); d + ^ ) и К (х0 ) - координаты камер системы позиционирования в системе координат связанной со станком
Хоб =
■
(рисунок 3); х и у1 - координаты начала косоугольной системы координат х'О' у' в системе координат, связанной со станком.
X =
У1 =
x0 (tga + tgß) - d - 2d0
tga + tgß tgß(d + d0 ) - d0tga
(3)
tga + tgß Модуль вектора
0 = -
ß- arcsin
(4)
1 jj
bi =
b2 =
M2 (h - d ) + N(h2 + d2 )
M Mi + N2
M (h + d2 ) + N (d - h )
M 2M + N2 '
(5)
где M = FK--—, M2 = Fh2 + —
tg9
tg9
Nl
F\
- коэффициенты, введенные для
Рис. 3. Схема определения объекта системой позиционирования
Для расчета начала косоугольной системы координат также получены соотношения:
r2\ определяет расстояние от вершины косоугольной системы координат до объекта, а величина 0 равна углу между вектором r2 и положительным направлением оси X системы координат, привязанной к станку роботизированной установки преддоильной подготовки вымени (рисунок 3). Величина этого угла определяется соотношением:
где - расстояние от объекта съемки до оси X косоугольной системы координат X О у, которое определяется по перпендикуляру.
sin^
упрощения вычислений; h и h - величина смещения контура сосков относительно центра изображения, соответственно, камеры Ki и К2.
В случае, если изображение распознано и определено смещение контура сосков относительно центра, по формулам (1-5) осуществляется расчет координат. В случае, если распознавание изображения закончилось неудачей, то блок управления осуществляет корректировку положения камер системы позиционирования.
После расчета координат блок управления инициирует включение моторов щеток рабочего органа и насоса, подающего моющую жидкость. Одновременно включаются моторы манипулятора, осуществляя тем самым подведение рабочего органа к вымени животного. После осуществления подмыва и массажа вымени моторы щеток и насоса отключаются, и манипулятор возвращается в исходное положение. Сразу после этого блок управления включает мотор выходной дверцы, открытие которой позволяет животному выйти из станка.
В случае, если животное после открывания выходной дверцы остается в станке установки преддоильной подготовки вымени, блок управления подает побуждающие сигналы (например, разбрызгивание воды).
После того, как животное покинуло станок и датчики определили его отсутствие, блок управления закрывает выходную дверцу и одновременно открывает входную дверцу для следующего животного.
Результаты и обсуждение. Построенный алгоритм работы блока управления роботизированной установки преддоильной подготовки вымени обеспечивает выполнение подмыва и массажа вымени коров, а также позволяет определить пути оптимизации ее работы. Время выполнения алгоритма работы установки преддоильной подготовки вымени определяется зоотехническими требованиями к технологии машинного доения коров и физиологией животных. Временной проме-
<
2
жуток от первого касания вымени до активного припуска молока в среднем составляет 45 с. За это время необходимо выполнить преддоильную подготовку вымени и приступить к подключению доильных стаканов.
Временные затраты в процессе работы установки приходятся не только на выполнение основной задачи - подмыв и массаж вымени. Кроме этого, время расходуется на работу моторов входной и выходной дверец станка в процессе их открывания и закрывания, на работу моторов манипулятора в процессе подведения рабочего органа в рабочую область, а также на вход коровы в доильный станок, обтирание вымени и сдаивание первых струек молока. Время рабочего цикла установки было предварительно принято продолжительностью 30 с. Учитывая, что собственно на подмыв и массаж вымени должно приходиться не менее 15 с [8], то на управление и перемещение механических частей установки остается еще 15 с. Чтобы добиться соблюдения установленных временных интервалов, необходимо выбрать оптимальные параметры моторов и механических частей привода манипулятора и дверец.
Важным фактором, определяющим быстродействие системы, является быстрота работы системы позиционирования. Основная сложность в работе системы позиционирования заключается в обработке графического материала. Поэтому необходима разработка программного продукта для ЭВМ, обеспечивающего максимальное быстродействие при распознавании изображений, полученных с камер, расчет координат, генерацию и передачу команд исполнительному устройству. При этом следует отметить, что увеличить скорость обработки графического материала, поступающего с камер, позволит подбор оптимальной схемы распознавания изображений и использование камер в системе позиционирования с оптикой, позволяющей получать изображения должного качества. Также на скорость работы системы позиционирования окажет влияние величина вычислительной мощности ЭВМ. В процессе работы установки очень важно добиться установившегося ритма, когда вышедшую из станка
корову заменяет вновь вошедшая. В этом случае не будет простоев в работе и самой доильной установки.
Несмотря на то, что в алгоритме блока управления установкой преддоильной подготовки вымени учтены контроль выхода животного из станка после подмыва и массажа и подача побуждающих сигналов, возможен отказ выхода животного из станка. Для исключения подобных ситуаций, на наш взгляд, необходимо оснащение доильных установок системой раздачи кормов.
Выводы. Разработан алгоритм работы блока управления установкой преддоильной подготовки вымени с учетом зоотехнических требований к технологии машинного доения коров, представленный в виде схемы (рис. 2).
Предложенный алгоритм работы блока управления является основой для создания программного обеспечения для управления всей установкой.
Определены направления оптимизации работы установки:
- выбор оптимальных параметров моторов;
- использование программного обеспечения с максимальным быстродействием при распознавании изображений;
- применение в системе позиционирования оптики, обеспечивающей получение качественных изображений;
- достаточный уровень вычислительной мощности ЭВМ;
- оснащение доильной установки системой раздачи кормов.
Литература:
1. Карпов В.К. Роботизация и её место в цифровой экономике // Агропродовольственная политика России. 2017. № 8(68). С. 32-39.
2. Рамеш Бабу Н. Классификация и особенности робототехники в сельском хозяйстве // Аграрный вестник Урала. 2017. № 2. С. 14.
3. Переход сельского хозяйства к цифровым, интеллектуальным и роботизированным технологиям / Е.А. Скворцов и др. // Экономика региона. 2018. Т. 14, № 3. С. 1014-1028.
4. Скворцов Е.А. Кадровый аспект внедрения робототехники в с. х. // Аграрный вестник Урала. 2016. № 2.
5. Применение доильной робототехники в регионе / Скворцов Е.А. и др. // Экономика региона. 2017. Т. 13. № 1. С. 249-260.
6. Сравнительная оценка технологических факторов, влияющих на производство и качество молока, при различных технологиях доения / Тяпугин Е.А. и др. // Доклады РАСХН. 2015. № 3. С. 50-53.
7. Особенности роботизированной технологии доения высокопродуктивных коров на современных комплексах / Тяпугин Е.А. и др. // Достижения науки и техники АПК. 2015. Т. 29, № 2. С. 57-58.
8. Роботизированная установка преддоильной подготовки вымени / Муханов Н.В. и др. // Аграрный вестник Верхневолжья. 2016. № 3. С. 100-104.
9. Пат. 2017109989 РФ. Установка преддоильной подготовки вымени / Д.В. Барабанов и др. Заяв. 24.03.17; Опубл. 05.02.18, Бюл. № 4.
10. Доильный зал с роботизированной установкой преддоильной подготовки вымени / Крупин А.В. и др. // Аграрная наука в условиях модернизации и инновационного развития АПК России. М., 2017. С. 100-103.
11. Барабанов Д.В. Оптический способ наведения рабочего органа манипулятора роботизированной установки преддоильной подготовки вымени // Научное обеспечение развития АПК в условиях импортозаме-щения. СПб., 2018. С. 318-322.
Literatura:
1. Karpov V.K. Robotizaciya i eyo mesto v cifrovoj ehko-nomike // Agroprodovol'stvennaya politika Rossii. 2017. № 8(68). S. 32-39.
2. Ramesh Babu N. Klassifikaciya i osobennosti roboto-tekhniki v sel'skom hozyajstve // Agrarnyj vestnik Urala. 2017. № 2. S. 14.
3. Perekhod sel'skogo hozyajstva k cifrovym, intellektu-al'nym i robotizirovannym tekhnologiyam / E.A. Skvor-
cov i dr. // EHkonomika regiona. 2018. T. 14, № 3. S. 1014-1028.
4. Skvorcov E.A. Kadrovyj aspekt vnedreniya robototek-hniki v s. h. //Agrarnyj vestnik Urala. 2016. № 2.
5. Primenenie doil'noj robototekhniki v regione / Skvorcov E.A. i dr. // EHkonomika regiona. 2017. T. 13. № 1.
5. 249-260.
6. Sravnitel'naya ocenka tekhnologicheskih faktorov, vli-yayushchih na proizvodstvo i kachestvo moloka, pri raz-lichnyh tekhnologiyah doeniya / Tyapugin E.A. i dr. // Doklady RASKHN. 2015. № 3. S. 50-53.
7. Osobennosti robotizirovannoj tekhnologii doeniya vy-sokoproduktivnyh korov na sovremennyh kompleksah / Tyapugin E.A. i dr. // Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2015. T. 29, № 2. S. 57-58.
8. Robotizirovannaya ustanovka preddoil'noj podgotovki vymeni / Muhanov N.V. i dr. // Agrarnyj vestnik Verhne-volzh'ya. 2016. № 3. S. 100-104.
9. Pat. 2017109989 RF. Ustanovka preddoil'noj podgoto-vki vymeni / D.V. Barabanov i dr. Zayav. 24.03.17; Opubl. 05.02.18, Byul. № 4.
10. Doil'nyj zal s robotizirovannoj ustanovkoj preddoil'noj podgotovki vymeni / Krupin A.V. i dr. // Agrarnaya nau-ka v usloviyah modernizacii i innovacionnogo razvitiya APK Rossii. M., 2017. S. 100-103.
11. Barabanov D.V. Opticheskij sposob navedeniya rabo-chego organa manipulyatora robotizirovannoj ustanovki preddoil'noj podgotovki vymeni // Nauchnoe obespeche-nie razvitiya APK v usloviyah importozameshcheniya. SPb., 2018. S. 318-322.
THE ALGORITHM OF THE CONTROL BLOCK OF THE FREYIELDING UDDER PREPARATION
ROBOTIC INSTALLATION
D.V. Barabanov, post-graduate student A.V. Krupin, post-graduate student N.V. Muhanov, candidate of technical sciences A.M. Abalihin, candidate of technical sciences FGBNU VO Ivanovo GSHA
Abstract. Any industrial branch existence and development is impossible without personnel resources' creation. Modern agriculture is characterized by an acute shortage of qualified personnel, that is caused by the population outflow from rural areas, as well as the agricultural specialties' low attractiveness. It is possible the agricultural sector work attractiveness increasing by the culture work improving, that is impossible without the of modern technical producing means to introduce. In this aspect, the most promising are robotic systems, these are increasingly being introduced into agricultural production. The robots in animal husbandry using it has a number of difficulties, the basis of which is the need with living organisms to work, the actions of them is sometimes difficult to predict. These difficulties are particularly evident on large dairy farms, where it is necessary a large number of cows to serve. For this purpose, "Carousel" type conveyor-ring milking machines are used, these are the most promising from the point of robotization view. The domestic robotic milking system's establishment it is advisable to make gradually. The first stage is the of udder preyielding preparation robotic installation development, that will free the operator from the washing and udder massage functions. The work of such installation must meet the zootechnical requirements for cows milking machine technology. For the proposed design installation is developed algorithm of the control unit, that allow to create software. Separately, all the algorithm's components are considered, the elements of calculating of the cow udder teats' coordinates for the installation's manipulator optical positioning system a re given. The installation working cycle duration is justified and ways of system's individual elements speed increasing are proposed.
Keywords: robotic installation, pre-yielding preparation, manipulator.
