Автоматическое пилотирование и диспетчеризация мобильных агрегатов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА

УДК 631.171 + [621.37 / 39:631.145]

А.Г. Левшин, доктор техн. наук

A.М. Башилов, доктор техн. наук

Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина

B.А. Головко

Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства

АВТОМАТИЧЕСКОЕ ПИЛОТИРОВАНИЕ И ДИСПЕТЧЕРИЗАЦИЯ МОБИЛЬНЫХ АГРЕГАТОВ

Сельскохозяйственное поле, неоднородное по рельефу, почвенному покрову, агрохимическому содержанию, требует на каждом участке применения оптимальных агротехнологий. Использование технологий точного земледелия позволяет:

• сократить расход семян и удобрений. Внедрение элементов точного земледелия позволяет повысить урожайность на 30 % при одновременном снижении затрат на минеральные удобрения на 30 % и на ингибиторы на 50 %;

• оптимизировать использование сельскохозяйственной техники (производительность повышается на 8...12 %);

• сократить расход ГСМ на 10.20 %;

• оптимизировать управление персоналом, распределением трудовых ресурсов;

• социальный эффект внедрения систем точного земледелия заключается в облегчении труда трактористов и диспетчеров.

Мировая практика свидетельствует о том, что затраты на оборудование точного земледелия окупаются за 2—4 года. Применение точного земледе-

лия наиболее эффективно на крупных предприятиях.

Стандартные спутниковые GPS/GLONASS системы навигации определяют координаты приемного устройства с относительно большой ошибкой в несколько метров. Для обеспечения высокой точности GPS позиционирования в целях точного земледелия движущийся объект оснащается дополнительным оборудованием для приема дифференциальных поправок в формате RTCM с наземных базовых станций. Дифференциальные поправки позволяют значительно увеличить точность позиционирования движущегося объекта в поле вплоть до 2,5 см. Следует отметить, что на эффективность применения поправок влияют следующие факторы: скорость движения, привязка объекта к базовой станции поправок, удаленность от базовой станции и т. п. Применение акселерометров (датчиков ускорения) и гироскопов в комплексе с GPS/GLONASS системами способствует увеличению надежности системы позиционирования, повышает точность и позволяет решить ряд других задач, однако при этом возникает задача комплексирования данных.

Технологии точного земледелия кроме высокоточного позиционирования требуют современные средства диспетчеризации — связь мобильного объекта с оператором. При этом должны передаваться данные о положении объекта, расходе топлива, его уровне в баке, данные датчика урожайности и ви-деоцифрового мониторинга [1—2].

Проблема создания мобильной системы автопилотирования, дополненной датчиками для точного земледелия, является актуальной и требует разработки не только аппаратной части, но и комплекса программных решений.

Для робототехнического комплекса (ЯТК) точного земледелия способ задания траектории определяется текущим технологическим процессом: вождение по заданной траектории, параллельное вождение, вождение вдоль междурядий, объезд препятствия, поворот на другую траекторию, парковка и пр.

Структурная схема САУ движением изображена на рис. 1. Контуры управления: внутренний контур рулевого управления состоит из рулевого механизма, гидравлического сервораспределителя, рулевого гидропривода колес; внешний контур состоит из приемника GPS/GLONASS сигналов, приемника дифференциальных поправок в режиме ЯТК и инерциальных датчиков.

Задание системы управления: текущее положение задается траекторией движения, загруженной в контроллер автопилота трактора.

Датчики инерциальной системы (рис. 2): трехосевой акселерометр (ускорение по осям), трехосевой гироскоп (угловое перемещение по осям), одометр (скорость движения), положение руля (энко-дер или потенциометрический датчик).

Исполнительные механизмы (рис. 3): гидравлические приводы рулевого управления (гидроцилиндры).

Траектория движения трактора и перечень выполняемых задач в поле предварительно загружаются в контроллер автопилота трактора с помощью карты памяти SD или Flash-носителя. Посредством GPS/GLONASS приемника контроллер определяет географические координаты трактора. Координаты дополнительно уточняются с помощью дифференциальных поправок, получаемых по радиоканалу от базовой станции, находящейся неподалеку. Одновременно с помощью 3-осевых акселерометров и гироскопов происходит измерение инерциального состояния трактора и дополнительно скорость его движения одометром. Информация о движении трактора со всех датчиков преобразовывается в переменные состояния матрицы состояния фильтра Калмана в со-

Установка

положения

¥

Регулятор

"*1

Положение

руля/колес

V

Ф-

ПД

регулятор

Руль

Трактор

Положение

трактора

Рис. 1. Структурная схема САУ движением трактора

Рис. 3. Гидравлическая система трактора

ответствии с калиброванными весами. На выходе фильтра рассчитывается точное положение трактора с учетом показаний всех датчиков навигационной системы. В случае пропадания сигнала GPS/GLONASS навигационная система продолжит свою работу благодаря автоматической перенастройки фильтра Калмана для работы только с инерциальными датчиками (функция сопровождения Dead Reckoning).

Отклонение от заданной траектории движения рассчитывается исходя из разницы между самой траекторией, заданной в контроллере автопилота, и измеренным текущим положением с помощью навигационной системы. Отклонение или ошибка положения поступает на вход регулятора. На выходе регулятора формируется сигнал, задающий динамику трактора в зависимости от ошибки на его входе. Сформированный сигнал с выхода регулятора (внешнего контура) поступает на внутренний контур управления.

Внутренний контур управления в соответствии с сигналом от внешнего контура управляет положением рулевого механизма.

Положение колес трактора измеряется с помощью потенциометрического датчика положения, поворот и перемещение рулевых колес осуществляется с помощью гидропривода (гидроцилиндров), которые управляются посредством гидравлического сер-

Терминал

оператора

Гидравлический

распределитель

вораспределителя. Сигнал управления с выхода внутреннего контура подается на сервораспределитель. Динамику работы внутреннего контура определяет ПД-регулятор, который является оптимальным законом управления для гидравлической системы управления. Таким образом, перемещение рулевых колес при движении трактора в поле будет задавать его последующее положение.

Как видно на рис. 4, основными узлами АСУ движением (пилотирования) трактора являются: контроллер, радиомодем, GPS-антенна, датчик положения колес, гидравлический сервораспределитель, терминал оператора.

Контроллер осуществляет все функции управления исполнительными органами трактора, измерения текущего и расчета будущего положения в пространстве. Состоит из высококлассного GPS/GLONASS приемника, 3D инерциальной навигационной системы, СА^интерфейса, ЦАП, процессора и других элементов. Высокоточная GPS-антенна устанавливается на крыше или на капоте трактора. Антенна подключается к контроллеру и радиомодему, осуществляет прием сигналов навигационных спутников GPS/GLONASS и поправок от базовых станций по радиоканалу. Датчик положения колес устанавливается на поворотный привод колес (гидроцилиндр) и подключается к контроллеру, к его налоговому входу. Гидравлический распределитель монтируется в гидравлическую систему трактора для управления приводом колес и подключается к аналоговому выходу контроллера. В кабину трактора устанавливается терминал оператора.

Терминал выполняет функцию визуализации технологического процесса. В интерфейсе терминала оператору предоставляется графическая и текстовая информация о поле, его структуре,

GPS-антенна

Контроллер

Датчик положения колес

Рис. 4. Комплектация системы автопилотирования трактора

Приемник

* <,

о ;> О О J

5 3CQCPJ -

Терминал

Датчик

угла

траектории движения, выполняемых задачах и т. п. Терминал также подключается к навигационному контроллеру трактора с помощью шины CAN.

Шина CAN является основным коммуникационным «мостом» между различными узлами трактора, его внутренней электроникой и навесным оборудованием.

На рис. 5 изображена архитектура АСУ движением трактора. Ядро контроллера трактора строится на основе высокопроизводительного микроконтроллера, например dsPIC33 или PIC32.

Контроллер обеспечивает работу двух шин CAN интерфейса: шина CAN1 предназначена для внутренних датчиков и приводов трактора, шина CAN2 — для внешних устройств и навесного оборудования. Терминал оператора базируется на платформе Nano-ITX или Pico-ITX PC с сенсорным экраном 7—1G дюймов и интерфейсным модулем CAN интерфейса. Терминал оператора подключается к шине CAN1 и осуществляет обмен данными с навигационным контроллером.

Полномасштабная система автопилотирования трактора требует от разработчика комплексного подхода к ее разработке. Комплекс программ, необходимый для работы всех узлов системы, включает (рис. 6):

• менеджер ресурсов (устанавливается на ПК агронома или фермера и предназначен для разработки карт поля, маршрутов движения, задач, анализа данных, планирования посевов и работ);

• клиент оператора (устанавливается в терминал оператора, отображает текущий маршрут, положение трактора, карту поля и т. п.);

• микропрограмма навигационного контроллера (обеспечивает функционирование алгоритмов управления, коммуникационных функций, опрос датчиков и прочего оборудования).

Загрузка карт, заданий и маршрутов движения производится с помощью карты памяти (например, SD) или USB Flash-но-

Рулевое колесо

J

Датчик

скорости

колеса

Разъемы

Рис. 5. Общая архитектура системы автопилотирования трактора

сителя. Карта памяти устанавливается в соответствующий разъем терминала оператора, расположенного в тракторе.

Данные маршрута движения трактора по полю хранятся в файле гои1е.С8У в формате G, М кодов (коды, используемые, для управления станков ЧПУ). Следует отметить, что существует аналогия между движением трактора по поверхности земли в географических координатах и движением обрабатывающего инструмента в координатной плоскости станка. Это позволяет принять к использова-

Индикатор отклонения

Контроль

операций

Контроль ГСМ и других материалов

Карта поля

Текущее

положение,

скорость

Корректировка Большой экран

программы вручную Статистические данные

Рис. 6. Клиент и панель оператора

нию G-коды и аналогичную структуру Gerber-файлов в задачах автопилотирования тракторов. Перечень G и М кодов:

% — начало и конец программы маршрута; М00 — приостановить движение трактора до нажатия кнопки старт, технологический останов; М02 — конец программы;

М03 — опустить инструмент;

М04 — опустить инструмент;

М05 — поднять инструмент;

М06 — выбор инструмента Тх (0 = плуг; 1 = сеялка; 2 = полив; 3 = отбор проб грунта; 4 = сбор урожая);

М17 — конец подпрограммы;

М30 — конец файла;

G00 — линейное движение со скоростью F к точке старта с последующей остановкой;

G01 — линейное движение со скоростью F; G02 — круговая интерполяция по часовой стрелке;

G03 — круговая интерполяция против часовой стрелки;

G04 — задержка Е миллисекунд;

G80 — выключить рабочий орган;

G81 — включить рабочий орган G82 — включить рабочий орган с задержкой; G90 — задание абсолютной системы координат; G91 — задание относительной системы координат;

G94 — скорость F, град/ч;

G95 — скорость F, км/ч.

В соответствии с предложенным подходом файл-маршрут гои1е.С8У будет содержать следующую информацию:

• калибровочные данные;

• данные настроек;

• координаты начальной точки;

• координаты конечной точки;

• траектория движения.

• технологические операции (координаты, код операции, действие)

Анализ современного рынка систем автоматического пилотирования сельскохозяйственной техники позволяет сделать вывод, что сегодня существуют несколько классов таких систем:

• универсальные системы доруливания/курсо-указания — не выполняют функцию автоматического пилотирования, не способны воздействовать на исполнительные механизмы техники, требуют участие человека в процессе руления/управления;

• универсальные системы автопилотирования — полноценные системы автопилотирования, не требующие непосредственного участия человека в процессе управления техникой, могут

быть установлены на широкий круг выпускаемой сельскохозяйственной техники;

• специализированные системы автопилотирования — данные системы также полностью автономны, не требуют постоянного участия человека в процессе управления техникой, ориентированы только на сельскохозяйственную технику конкретного производителя. Предлагаемая система относится к классу универсальных систем автопилотирования и предназначается для установки как на отечественные образцы сельскохозяйственной техники, так и на образцы иностранного производства, например китайского.

Среди конкурентов в данном классе можно выделить системы производства Trimble и Outback. Следует отметить, что на данный момент не существует отечественных производителей подобных систем. Для конкурирования с оборудованием иностранных брендов на отечественном рынке необходимо получить систему автопилотирования, которая легко и с наименьшими затратами интегрировалась в сельскохозяйственную технику российского производства и имела функциональность не хуже зарубежных аналогов. Технологии, функции и оборудование, предлагаемые для реализации современной системы автоматического пилотирования сельскохозяйственной техники, позволяют на практике получить конкурентоспособную систему, выполняющую заложенные в нее функции.

В результате проделанной работы были достигнуты следующие результаты.

1. Проведен анализ рынка систем автоматического пилотирования сельскохозяйственной техники.

2. Сформулированы технические требования к разрабатываемой системе автопилотирования.

3. Разработана общая концепция и аппаратная архитектура системы.

4. Подобран математический аппарат для реализации программных кодов и алгоритмов АСУ.

5. Разработана система команд для составления маршрута движения техники.

6. Разработан опытный образец навигационного контроллера системы автопилотирования с использованием GPS позиционирования.

Список литературы

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

2. Башилов, А.М. Безграничные возможности инновационных технологий видеонаблюдения и видеоадминистрирования / А.М. Башилов // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. Агроинженерия. — 2007. — № 2(22). — С. 12-16.