CC BY
1
УДК 628.7.05
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-10-37-38
ИСКУССТВЕННОЕ НАВИГАЦИОННОЕ ПОЛЕ ДЛЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ
В.В. Щербинин, Г.А. Кветкин, В.В. Феоктистов, А.А. Антонов
Предложен вариант применения технологии создания искусственных навигационных полей для точного земледелия без использования приёмников спутниковых навигационных систем, являющихся достаточно уязвимыми для радиопомех в эфире. Описан принцип действия и приведены отдельные результаты экспериментальных работ.
Ключевые слова: точное земледелие, искусственное навигационное поле.
В современном мире задача позиционирования, определения собственных координат становится актуальной во все более широком спектре отраслей народного хозяйства. Не является исключением и сельское хозяйство, где в последние годы все большее распространение получает термин «точное земледелие». Данное понятие включает требования к точности определения положения с/х техники (тракторов, комбайнов), а также и современных средств, применяемых при выращивании урожая - беспилотных летательных аппаратов (БпЛА) различных типов и беспилотной наземной техники.
При наличии точной информации о положении подвижного объекта (трактора, обрабатывающего землю, или БпЛА, вносящего удобрения или пестициды) возможно снизить издержки на обработку угодья до 30 %. Это происходит за счет снижения перекрытий обрабатываемых техникой участков (полос), требуемого для гарантированного покрытия всей площади поля.
По сложившейся практике в состав навигационного оборудования подвижного объекта входит приемник спутниковой навигационной системы (СНС), бесплатформенная инерциальная навигационная система (БИНС), а также магнитометрический датчик курса (компас). Дополнительно для наземной техники возможна установка одометрического датчика, а на летательный аппарат - высотомера (барометрического или ультразвукового). Несмотря на внушительный набор подсистем, итоговая точность позиционирования определяется именно точностью СНС. Это обусловлено тем, что погрешности БИНС характеризуются ростом с течением времени, который тем больше, чем ниже стоимость и качество инерциаль-ных датчиков. При этом, как правило, точности таких датчиков совместно с магнитометрическим достаточно только для определения углов ориентации за счет применения специальных алгоритмов обработки первичной информации.
Таким образом, успех точного земледелия абсолютно зависим от наличия и качества сигналов СНС в заданном районе. При утере связи со спутниками такая система становится «ослепленной» и не в состоянии выполнить поставленные перед ней задачи. Аналогичная ситуация справедлива и для случая искажения сигналов СНС.
В АО «ЦНИИАГ» разработана технология и создан демонстрационный образец искусственного навигационного поля (ИНП), предназначенного для высокоточного позиционирования подвижных и стационарных объектов в заданном локальном районе. На базе данного образца создана информационно-посадочная система (ИПС) самолетов, вертолетов и БпЛА [1 - 6], автономная радионавигационная система (АРНАС) судов в морских и речных стесненных водах [7].
В ходе решения задачи диверсификации практических применений разработанной технологии предлагается применение таких ИНП и для точного земледелия.
Принцип действия ИНП основан на размещении в заданном районе набора радиомодулей-ответчиков (РМО), их топогеодезической привязки, а также установке на подвижном объекте радиомодуля-запросчика (РМЗ). На рис. 1 представлен внешний вид РМО в мобильном исполнении.
предназначенного для формирования ИНП
В ходе работы измеряются радиодальномерным способом расстояния от РМЗ до каждого из РМО с последующим определением координат первого в локальной системе координат (рис. 2). В качестве локальной системы координат возможно использовать любую плоскую прямоугольную систему координат, связанную, например, с обрабатываемым участком поля.
РМЗ
РМО-1
рмо-г
/ г- МО-4 V
РМО-З
Рис. 2. Схема размещения РМО и РМЗ в заданном районе
Определение координат подвижного объекта осуществляется по методу мультилатерации - по известным координатам РМО и дальностям до них в режиме реального времени. Итоговая точность определения положения oxY зависит от точности определения дальности OD, точности определения координат РМО ормо и так называемого геометрического фактора ухудшения точности (HDOP):
^ХХУ = о2 • НйОР.
При этом допустимо считать, что погрешности определения координат РМО пренебрежимо малы, HDOP не превышает 1 внутри зоны, ограниченной РМО, если их количество не менее четырех. Соответственно основной вклад в итоговую погрешность вносит ошибка измерения дальности (рис. 3).
1
0.8
£ 0.6 □
ь 0.4 0.2
2000
4000 6000 О, м
8000
10000
2000
4000 6000 О, м
аооо
10000
Рис. 3. Среднеквадратическое отклонение оБ и математическое ожидание дБ погрешности экспериментального определения дальности от РМО до РМЗ
В ходе проведенных полевых экспериментов с радиодальномерным оборудованием получено, что в условиях прямой радиовидимости измерение дальности происходит до удаления порядка 10 км, при этом соответствующие ошибки не превышают следующих значений: математическое ожидание - 0,3 м (на дальности не более 2 км), 1,0 м (на дальности не более 4 км), 2,4 м (на дальности не более 10 км), среднеквадратическое отклонение - 0,4 м.
В результате можно констатировать, что предлагаемый подход к организации точного земледелия позволит решить задачу точного позиционирования подвижного объекта (трактор, с/х БпЛА, с/х самолет) в заданном районе площадью до 10х10 км2, что обеспечит решение управления техникой сразу на нескольких угодьях при использовании одного комплекта оборудования ИНП.
Список литературы
1. Щербинин В.В., Кветкин Г.А., Ажгиревич И.Л. Исследование точностных характеристик системы ближней радионавигации // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 11. Ч. 3. С. 67 - 74.
2. Щербинин В.В., Свиязов А.В., Кветкин Г.А. Результаты лётных испытаний макета автономного навигационного комплекса ДПЛА // Известия ЮФУ. Технические науки. 2015. №1 (162). С. 6 - 13.
3. Смирнов С.В., Измайлов-Перкин А.В. Программная реализация алгоритма функционирования автономной системы ближней радионавигации для автоматизированной системы посадки // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 6. С. 45 - 55.
4. Автономный навигационный комплекс для роботизированных наземных и летательных аппаратов / В.В. Щербинин, А.В. Свиязов, С.В. Смирнов, Г.А. Кветкин // Известия ЮФУ. Технические науки. 2014. №3. (152). С. 234 - 243.
5. Дерновой А.М., Шаповалов А.Б., Кудрявцев А.А. Применение системы автоматизированной посадки вертолетов как эффективная мера повышения транспортной доступности арктической зоны Российской Федерации // Оборонно-промышленный потенциал. 2021. Вып. 5. С. 52 -53.
6. Кветкин Г.А. Информационно-посадочная система летательных аппаратов // Системы управления беспилотными космическими и атмосферными летательными аппаратами: тезисы докладов всероссийской научно-технической конференции, 8 - 10 ноября. М., 2022. С. 80 - 81.
7. Создание автономной системы для безопасности и надежного судовождения в критически сложных зонах Обской губы / А.Б. Шаповалов, В.В. Щербинин, А.В. Свиязов, Г.А. Кветкин, А.В. Измайлов-Перкин,
П.Д. Зиновьев, И.В. Тонковидов, А.Н. Ольшевский, Е.А. Старожук, Р.О. Степанов // Оборонно-промышленный потенциал. 2019. Вып. 4. С. 30 - 31.
Щербинин Виктор Викторович, д-р техн. наук, нач. научно-технического отделения, cniiag@cniiag. ru, Россия, Москва, АО «Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»,
Кветкин Георгий Алексеевич, канд. техн. наук, нач. отдела, [email protected], Россия, Москва, АО «Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»,
Феоктистов Владимир Васильевич, д-р техн. наук, гл. науч. сотрудник, [email protected], Россия, Москва, АО «Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»,
Антонов Артемий Александрович, инженер-программист 2-й кат., [email protected], Россия, Москва, АО «Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»
ARTIFICIAL NAVIGATION FIELD FOR AGRICULTURAL MACHINERY V.V. Scherbinin, G.A. Kvetkin, V.V. Feoktistov, A.A. Antonov
This paper presents application case of artificial navigation fields creation technology for precision farming without satellite navigation system, which are quite vulnerable to radio interference on the air. The principle of operation is described and selected results of experimental work are provided.
Key words: precision farming, artificial navigation field.
Scherbinin Vwtor Victorovich, doctor of technical sciences, head of research department, [email protected], Russia, Moscow, JSC «CNIIAG»,
Kvetkin Georgy Alekseevich, candidate of technical sciences, head of department, [email protected], Russia, Moscow, JSC «CNIIAG»,
Feoktistov Vladimir Vasilievich, doctor of technical sciences, chief researcher, [email protected], Russia, Moscow, JSC «CNIIAG»,
Antonov Artemii Alexandrovich, engineer-programmer 2nd cat., [email protected], Russia, Moscow, JSC «CNIIAG»
