CC BY
156
УДК 631.171:658.012.011:621.865.8
АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ
В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
Б.А. Рунов, академик РАН
Н.Н. Новиков, кандидат технических наук
Всероссийский научно-исследовательский институт механизации животноводства E-mail: [email protected]
Аннотация. Все большее значение в мире придается энергосберегающим технологиям, когда пахота плугом заменяется минимальной или нулевой обработкой, что также сокращает эрозию почвы. Выделены значимые проблемы дальнейшего развития сельскохозяйственной техники: каким должен быть предел мощностей тракторных агрегатов, комбайнов и сельхозмашин, каковы позитивные и негативные стороны мощной и маломощной техники, каковы должны быть соотношения той и другой техники, в каком направлении будет происходить насыщение техники электроникой и другие вопросы. Широкое распространение получили также робототехнические средства. Перечислены преимущества роботов по сравнению с человеком: возможность осуществления физического труда в разных нагрузках, высокие скорости механического перемещения, а также обработка больших массивов информации, высокая точность, отсутствие утомляемости, достаточно большая продолжительность работы, возможность работы во вредных и опасных условиях, отсутствие социальных затрат. Приводятся примеры применения робототехники в различных отраслях сельхозпроизводства, подтвердившие высокую эффективность: разливочные и упаковочные автоматы, автоматы-птичники, автоматы-теплицы, роботы-культиваторы, сборщики ягод, дроны для наблюдения за посевами, роботы-дояры, раздатчики кормов, уборщики навоза. Ключевые слова: автоматизация, робототехника, сельхозпроизводство, прогнозирование.
Введение. ХХ век - это век многочисленных достижений научно-технического прогресса, среди которых важными вехами являются широкое применение радио, телевидения, открытие лазера, полеты в космос, создание Интернета, мобильной связи. Уже сейчас очевидно, что и XXI век наследует предшествующий по высоким темпам развития во всех областях - в генной инженерии, в применении компьютерной техники в различных сферах деятельности человека, в широком использовании робототехнических средств, в совершенствовании и расширении сферы применения нетрадиционных источников энергии. К.А. Тимирязев, предвидя будущее, отмечал, что каждый луч солнца, потерянный зеленой поверхностью листа, луга или леса - это богатство, потерянное навсегда, за растрату которого более просвещенный потомок осудит своего невежественного предка.
Одной из основных задач, стоящих перед человечеством, остается увеличение производства продовольствия и снижение энерго-
затрат на единицу производимой продукции при одновременном повышении урожайности сельскохозяйственных культур и продуктивности животных. Достигнутый уровень развития техники и технологий позволяет обеспечить такие высокие показатели сельхозпроизводства, когда, например, на больших площадях получают зерновые свыше 100 ц/га и удои свыше 10 тыс. л молока с коровы в год. Технический прогресс продолжается, и то, что вчера казалось несбыточным, сегодня входит в повседневную практику.
Как пример широкого использования в развитых странах мира современных методов ведения хозяйства, рассмотрим технологии точного земледелия (ТТЗ). Они получили особенно бурное развитие за последние 10-15 лет. ТТЗ позволили совершенно по иному, на другом уровне, глубже рассматривать многочисленные факторы, влияющие на рост растений, вести экономно затраты на семена, удобрения, ядохимикаты, воду, снижая себестоимость производимой продукции.
Все большее значение в мире придается энергосберегающим технологиям, когда пахота плугом заменяется минимальной или нулевой обработкой, что также сокращает эрозию почвы. Успешно работают автоматизированные агрегаты, которые за один проход делают три-пять операций. Товаропроизводитель выдвигает все новые требования к производителям техники. Выпускаемая в настоящее время сельскохозяйственная техника широко использует электронику. Большинство производимых сельскохозяйственных машин, включая, например, такую машину, как простейший пресс-подборщик, имеет электронику, а современный трактор или комбайн с десятком и более различных датчиков - и бортовой компьютер.
Электронные записные книжки агронома, навигационные приборы для определения места нахождения в пространстве и во времени сельскохозяйственной техники или животных, получение электронных карт полей - все это появилось на практике. Различные дистанционные датчики могут передавать разнообразную информацию о земле, растениях, животных, об их состоянии. Автоматизация процессов внесения в почву с учетом пространства и времени семян, извести, удобрений, ядохимикатов, воды широко используется при ТТЗ. Производство всевозможных датчиков позволило распознавать различные растения, определять их состояние, влагозарядку в почве и другие параметры. Автоматические метеостанции замеряют и передают дистанционно десятки показателей, в том числе влажность и температуру воздуха и почвы, количество осадков, солнечную радиацию и другие.
Автоматизированные тележки могут по программе или с дистанционным управлением передвигаться по полям, замеряя и передавая с учетом пространства и времени также различную информацию о растениях. Что касается автоматического движения трактора или другого агрегата по полю, то такая технология появилась на практике лет десять тому назад. Затраты на оборудование для такого движения окупаются, как правило, за один год эксплуатации. Технология синхрон-
ного движения нескольких машин без водителей получила первую премию на последней международной выставке сельхозтехники в Гренобле в 2013 г. Замена гидромоторов привода рабочих органов машин на электропривод позволяет совершенно по-иному создавать конструкцию самой машины и значительно упрощает автоматическое управление техникой.
Среди ученых за последние годы обсуждаются проблемы дальнейшего развития сельскохозяйственной техники: как и каков должен быть предел мощностей тракторных агрегатов, комбайнов и сельхозмашин, каковы позитивные и негативные стороны мощной и маломощной техники, каковы должны быть соотношения той и другой техники, в каком направлении будет происходить насыщение техники электроникой и другие вопросы. Безусловно, во всех случаях необходим многофакторный подход для рационального выбора техники по мощности, в т.ч. с учетом размеров полей, специализации и концентрации производства, объемов внутрихозяйственной деятельности и транспортных перевозок, числа часов работы техники, стоимости рабочей силы и других факторов, влияющих на выбор мощности машины. Если взять, для сравнения, например, мощный дорогостоящий комбайн, то он работает ограниченное число часов, простаивая более 11 месяцев в году. Ограниченное время в течение года работает и дорогостоящий, мощный трактор, а если и работает длительное время, то не с полной загрузкой.
Маломощный, автоматически работающий агрегат дешевле, и его легче заменить, он более гибкий для различных видов работ, действует в рациональном режиме с полной загрузкой и с большим числом часов в году, меньше оказывает разрушительных действий на почву, может успешнее работать на влажной почве, что очень важно при посеве, и имеет ряд других преимуществ по сравнению с мощной техникой.
В мире, особенно в Японии, Китае и в некоторых Европейских странах, появляются маломощные агрегаты, насыщенные электроникой и работающие в автоматических
режимах по заданным программам. Это посевная и уборочная техника, опрыскиватели и косилки, особенно в садах. В ряде случаев - это техника, на которой отрабатываются различные информационные технологии и программы автоматизации управления.
Метод исследования. Проведенные аналитические исследования показывают, что индустрия производства роботов стала одной из ведущих в мире [1]. Роботы собирают машины, собирают сами себя, а их размеры сейчас варьируются от пчелы до гигантов. В Японии появились роботы, которые отгадывают состояние человека по анализу образа его лица. Роботизацией охвачены в настоящее время различные производства - от обычных детских игрушек до автозаводов.
Первые роботы были очень простыми. Движения ограничены и с механическим приводом. Преимущества робота перед человеком огромны и не все еще изучены и использованы, если иметь в виду интеллект, который уже начал проявляться в отдельных моделях роботов ряда фирм.
Роботы нашли применение там, где требуются большие физические усилия, высокие скорости механического перемещения. Особенно существенно, что у таких механизмов отсутствует утомляемость. Действия роботов могут выполняться с очень высокой точностью, что позволило разработать на их базе прецизионные технологии в самых разных областях (производство печатных плат, ЭБ-принтеры, общая хирургия и др.).
В настоящее время в развитых станах мира и в России ведутся работы по созданию робота-водителя автотехники. Его прежде всего предполагается использовать на перевозках грузов, а затем и в пассажирских перевозках. Практическое отсутствие санитарно-гигиенических требований к условиям труда и затрат на социальные нужды характерны для автоматизированных производств с робототехническими системами. На таких производствах почти нет освещения, отопления, вентиляции, продукция имеет высокое качество, не зависящее от «человеческого фактора». Австралийский инженер Марк Пи-вак разработал робот-укладчик, способный
построить жилой дом в рекордно короткие сроки. В интернет-издании The Robot Report приводится информация о результатах научных разработок в области роботизации. На практике уже можно встретить робота-охранника и много других роботов, которые заменяют человека. Японский семейный робот запоминает до 7 членов семьи и распознает их по лицам или голосу. Словарный запас - 65 тыс. фраз и 1000 отдельных слов.
Результаты и их обсуждение. Как видно из всех перечисленных преимуществ робото-технических систем, все они могут использоваться в АПК. В первую очередь АПК -энергозатратная отрасль, где еще широко используется ручной труд с тяжелыми монотонными операциями, вредными и опасными условиями. Поэтому применение робототех-нических систем позволит решать основную цель в сельском хозяйстве и в АПК - это увеличение производства продовольствия, снижение энергозатрат на единицу производимой продукции при одновременном повышении урожайности сельхозкультур и продуктивности животных. Переход на высокие показатели производства (продуктивность, урожайность, экологическая чистота продукции, минимальное загрязнение окружающей среды и т.д.) требуют высокой точности выполнения технологических процессов, сведения к минимуму отрицательного влияния «человеческого фактора», создания условий, когда бы труд селянина стал социально привлекательным. Это как раз те задачи, которые, могут успешно решаться на путях применения робототехники.
Поэтому создание и внедрение роботов сельхозназначения уже долгое время находится в сфере интересов исследовательских и конструкторских организаций всего мира. Изобретатель и футуролог Рэй Курцвейл, автор технологических прогнозов, опубликовал предсказания в книге «Эпоха мыслящих машин», вышедшей в 1990 г. Последний раз он озвучил свое видение будущего на международном конгрессе SAE 2015 в Детройте, сформулировав подробный прогноз развития ключевых отраслей до конца XXI века. Постоянные разработки ведут к новым поколе-
ниям роботов - «машин», достаточно умных для того, чтобы изобретать технологии самостоятельно. Черта между творцом и творением становится в будущем все более размытой благодаря компьютерному зрению, машинному обучению. Человечество подходит к точке, где следующим шагом «машин» будет проектирование своих собственных алгоритмов: «лучше, быстрее, умнее».
Вопрос разработки боевых роботов уже обсуждается в ООН. На данный момент международная организация рассматривает варианты запрета выпуска определенных видов автономных боевых систем. Предсказывают, что через 15-20 лет появятся люди, которые добровольно захотят стать киборгами, а из-за обилия имплантатов будет переосмыслен и сам термин «человеческое существо». Машины смогут изготавливать органы. Появятся компьютерные имплантаты, способные наделить человека сверхспособностями: усилить восприятие, улучшить память, увеличить скорость реакции и сократить время обучения. Уже сейчас принтер 3D начал печатать человеческие органы, быстро возводить дома, и это не выглядит фантастикой. В США в институте Ренсселера был проведен эксперимент, который закончился неожиданным результатом. Машины продемонстрировали способность логически мыслить.
Что касается непосредственно АПК, то наиболее роботизирована в настоящее время сфера переработки и упаковки продовольствия. Различные автоматизированные линии производства продовольствия, разливочные и упаковочные автоматы применяют в мире несколько десятков лет. Появились автоматы-теплицы, автоматы-птичники, а операции доения в молочном животноводстве разных стран выполняют несколько десятков тысяч роботов (рис. 1), объемы поставок доильных роботов на фермы ежегодно возрастают в 1520 раз. Применение роботов доения [2, 3] на фермах позволяет не только повысить надои, качество продукции, снизить расход кормов и заболеваемость животных, но и решить социальные проблемы сельского населения, привлечь на село молодежь, предоставив им время для полноценного отдыха.
Рис. 1. Робот-дояр фирмы Lely
Комплексная автоматизация процессов на молочных фермах решается в настоящее время путем применения роботов-раздатчиков кормов (рис. 2), роботов-уборщиков навоза (рис. 3), роботов, пододвигающих корма (рис. 4). Выпускаются самоуправляемые машины для опрыскивания в садах, различные сеялки и культиваторы, комбайны для сбора ягод, роботы-дроны для наблюдения за посевами (рис. 5) и другие робототехнические системы. Представляет интерес недавно опубликованная в Интернете информация на примере работ 25 компаний, которые пытаются создавать и использовать робототехнику для решения проблем сельского хозяйства.
Рис. 3. Робот для очистки проходов от навоза
Рис. 4. Робот для пододвигания кормов
Рис. 5. Робот дрон для наблюдения за посевами
На вебсайтах этих компаний можно найти более подробную характеристику роботов, а также сведения о том, чем эти компании занимаются, какие их продукты будут доступны и сколько они будут стоить.
Выводы.
1. Следует быстрее совершенствовать отечественное производство электронного оборудования и сельскохозяйственное машиностроение, без которых невозможно выпускать и применять робототехнические средства в АПК страны.
2. Тематика научных институтов и вузов должна отражать мировой опыт исследований, включая направления: разработка технологий с применением РТС и «умных» машин; совершенствование технологий точного сельского хозяйства; разработка технологий с применением альтернативных источников энергии в АПК.
3. Необходимо при вузах и НИИ в разных зонах страны создавать научно-производственные центры с набором РТС и технологиями точного земледелия.
4. Темпы роста производства и применения робототехнических средств в военной и гражданских отраслях очень высокие. Автономно работающий робот нуждается в постоянном надежном и длительном электропитании. Только энергоемкие быстрозаряжающи-еся аккумуляторы и солнечные батареи смогут обеспечить это в ближайшем будущем.
Литература:
1. Рунов Б.А. Применение робототехнических средств в АПК // С.-х. машины и технологии. 2016. №2. С. 44.
2. Кормановский Л.П., Иванов Ю.А., Текучее И.К. Тенденции применения доильных роботов // Техника и оборудование для села. 2008. №8. С. 36-38.
3. Кормановский Л.П. Развитие роботизации доения коров // Вестник ВНИИМЖ. 2013. №2(10). С. 78-82.
Literatura:
1. Runov B.A. Primenenie robototekhnicheskih sredstv v APK // S.-h. mashiny i tekhnologii. 2016. №2. S. 44.
2. Kormanovskij L.P., Ivanov YU.A., Tekuchev I.K. Ten-dencii primeneniya doil'nyh robotov // Tekhnika i obo-rudovanie dlya sela. 2008. №8. S. 36-38.
3. Kormanovskij L.P. Razvitie robotizacii doeniya korov // Vestnik VNIIMZH. 2013. №2(10). S. 78-82.
THE ANALYSIS OF ROBOTIC TOOLS IN AGRICULTURE APPLICATION B.A. Runov, RAS academician N.N. Novikov, candidate of technical sciences
All-Russian scientific-and-research institute of livestock mechanization
Abstract. There in the world increasingly important is given the energy-saving technologies, when ploughing is replaced with the minimal or non-treatment, that also reduces the soil erosion. Selected significant issues of further agricultural machinery development: what it should be the tractor, combines and farm machinery's limit capacity, what are the positive and negative aspects of powerful and low-powerful machinery, what it should be their ratio of one and the other machinery, in what direction it will be its electronics saturation and other issues of technology. The robotic was also widespread. The robots advantages in comparison with humans are listed: the possibility physical labor in various loads to perform, high speeds of mechanical to transfer, as well as large amounts of data to process, high accuracy, lack of fatigability, operation's duration is sufficiently long, work ability in harmful and dangerous conditions, lack of social costs. The examples of robotics in various agricultural sectors' application, confirming the automated high efficiency: filling and packaging machines, chicken-making machines, greenhouses-making machines, robots-cultivators, berries-pickers, drones for crops monitoring, robots- milkers, robots-feeder, robots-manure cleaners.
Keywords: automation, robotics, agriculture production, prediction.
