Манёвренные системы видеонаблюдения для применения в аграрном производстве Текст научной статьи по специальности «Прочие сельскохозяйственные науки»

АГРОШИРЫМ

^ ТОЧНОЕ ЗЕМЛЕДЕЛИЕ

■ УДК 005.519.6:631 Башилов Алексей Михайлович, профессор, д.т.н.

Московский авиационный институт

МАНЁВРЕННЫЕ СИСТЕМЫ ВИДЕОНАБЛЮДЕНИЯ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В АГРАРНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

статье изложены теоретические и технико-технологические основы видеонаблюдения поведения изменяющихся во времени или перемещающихся в пространстве агрообъектов. Приведена классификация основных способов и схем организации процесса видеонаблюдения растений и животных с использованием современного видео-роботизированного оборудования.

1. Технико-технологические проблемы видеонаблюдения рассредоточенных в пространстве, подвижных агрообъектов

На отечественном и зарубежном рынках появились новые системы видеонаблюдения, называемые по разному (мобильные, рельсовые, тросовые, туннельные, подвижные, транспортабельные, поворотные, разворотные, нестационарные), с широким спектром возможностей, которые можно использовать во многих отраслях, в том числе и сельском хозяйстве [1-2].

Это обусловлено тем, что для наблюдения за объектами, размещёнными на протяжённых и распределённых территориях современных производств требуется большое количество стационарных камер, а значит огромные бюджеты на базовое оборудование. При использовании манёвренных камер, предприятие существенно сократит расходы. При этом значительно снижается нагрузка на операторов видеонаблюдения, возрастает качество их работы и эффективность системы наблюдения.

Манёвр - сложное многоходовое целенаправленное действие роботизированной видеокамеры в производственной зоне путём изменения направления движения, скорости, интервала времени, параметров и режимов работы, алгоритмов видеоаналитики - для получения качественно распознаваемых цифровых изображений интересуемых объектов. В зависимости от среды применения могут быть подводные, надводные, сухопутные и воздушные маневрирующие системы видеонаблюдения.

Используя фильтрующее свойство дельта-функций, процесс видеонаблюдения можно представить, как измерение оптического излучения в i-й точке интересуемого объекта и выразить многомерными интегралами свёртки, в ограничивающих пределах наблюдения [3]:

В (х., у., z., t., А. , ...) = ШВ (x, y, z, t, A,...) • 8(x - x) •

• &(y - yt) • d(z - z) • 8(t - t) • 8(A - A.) dx • dy • dz •

• dt • dA • ...., (1)

В (х., у., 2., t¡, А., ...) - интенсивность регистрируемого оптического излучения в 1-й точке интересуемого объекта при фиксированных значениях информативных признаков х, у, 2, ^ А, ...; В (х, у, 2, ^ А, ...) - многомерное поле интенсивности оптического излучения интересуемого объекта; х, у, ъ - пространственные координаты; t - время; А - спектр оптического излучения; д(х-х.), д(у-у.), 8(2-2.), д(М.), д(А-А), ... - дельта-функции, равные нулю всюду, кроме фиксированных точек.

Составление программы манёвра в процессе видеонаблюдения - есть выбор из многомерного поля интенсивности оптического излучения, получаемого от интересуемого объекта наблюдения, фиксированных информативных признаков, формирование из них структурированной совокупности и установление дискретных значений с учётом этологической модели активности интересуемого объекта наблюдения.

Важным моментом в процессе манёвренного видеонаблюдения на агроферме является предварительное формирование виртуальной модели поведения интересуемых объектов.

Рассмотрим обобщённую этологическую модель поведения подвижных объектов, например животных, которую можно отобразить как известные в зооинже-нерной науке стереотипы и шаблоны поведения [4].

ЭМ = ВПР + ВР + ПР = ^КФД1, (2)

ЭМ - этологическая модель поведения животного;

ВПР - видовые поведенческие реакции (коров, свиней, птицы);

ВР - врождённые рефлексы (инстинкты, индивидуальные реакции);

ПР - приобретённые рефлексы (научение, тренировка);

КФД. - I й комплекс функциональных действий (поза, жесты, мимика);

N - число наблюдаемых поведенческих комплексов.

Этологическая модель формируется по иерархической схеме, используя систему достоверных биологических знаний, закономерностей и механизмов поведенческих реакций животных.

№2 март 2019

АГРПФИРУМ

Чтобы иметь объективное представление о динамике характерных функциональных действий животного необходимо выборочное, длительное или непрерывное (с заданной частотой кадров) наблюдение поведенческих актов и их элементов во времени и в пространстве местообитания.

2. Классификация основных средств и способов манёвренного видеонаблюдения

На рис. 1 приведена схема классификации средств видеонаблюдения в зависимости от внешней среды нахождения интересуемого агрообъекта. На рис. 2 рассмотрены способы организации процесса видеонаблюдения, обеспечивающего необходимый обзор интересуемого агрообъекта, достаточный для наиболее полного описания его состояния и поведения.

Рисунок 1 - Технические средства обеспечения фотосъёмки и видеонаблюдения территориально распределённых объектов

Для детерминированных производственных условий поведения агрообъектов в рабочей зоне наиболее приемлемым будет централизованное управления, а для частично детерминированных и недетерминированных - целесообразно применить комбинированную стратегию управления [5].

На рис. 3 приведена структурная схема реализации комбинированной стратегии группового управления видеороботами для наблюдения поведения группы

Рисунок 2 - Способы фотосъёмки и видеонаблюдения интересуемого объекта находящегося в рабочей зоне и перемещающегося в пространстве

3. Обобщённая схема видео-роботизированного наблюдения растений и животных в агроценозах

Среди возможных стратегий управления группой подвижных видеороботов, размещённых в рабочей зоне агроценоза (фермы, теплицы), можно выделить три: централизованное (единоличное или иерархическое), децентрализованное (коллективное невзаимосвязанное) и комбинированное (централизованное и децентрализованное).

Рисунок 3 - Структурная схема комбинированной стратегии группового управления видеороботами в рабочей зоне аграрного производства

ЛПР - лицо принимающее решение, БИД - блок исполнения маневрирующих действий, БУ1... БУп - блоки управления видеороботами, БН1...БНп - блоки самонаведения видеороботов на агрообъекты наблюдения, ВР1...ВРп - видеороботы.

агрообъектов при недетерминированных условиях размещения биообъектов в рабочей зоне агроценоза, включающая принципы единоличного, иерархического, коллективного (роевого) управления.

4. Современное оборудование для видеороботизированного наблюдения растений и животных в агроценозах

Выделим из всего многообразия рынка видеоцифровой техники некоторыеспециализированные группы оборудования для решения задачи видеороботизации управления агротехнологическими процессами.

Адаптивные фотоаппараты и видеокамеры

Предназначены для получения высококачественных видеоцифровых изображений наблюдаемых биообъектов и передачи их по интерфейсу связи для обработки, анализа и хранения [6].

Рисунок 4 - Адаптивные поворотные видеокамеры различного конструктивного исполнения

АГРОФОРУМ

^ ТОЧНОЕ ЗЕМЛЕДЕЛИЕ

Основные адаптивные функции роботизированных видеокамер и фотоаппаратов:

• переключение с цветного на чёрно-белое восприятие;

• изменение пространственной разрешающей способности;

• изменение частоты кадровой съёмки;

• автоматическая фокусировка, настройка времени экспозиции.

• стабилизация изображения;

• автоматическое включение и выключение процесса съёмки;

• изменение масштаба (оптическое или электронное);

• пространственная ориентация камеры;

• адаптация к условиям окружающей среды;

• беспроводный и проводной интерфейс связи;

• детектор движения.

Телескопические манипуляторы

Могут быть использованы для автоматического сближения видеокамеры с интересуемым биообъектом наблюдения при поиске его в рабочей зоне агроценоза, установления дистанционного контакта с биообъектом наблюдения и удержание необходимого контакта в течении процесса видеосъёмки [7].

ЛИ1

Рисунок 5 - Стационарный и мобильный телескопический манипулятор для проведения сложноорганизованной съёмки биообъектов в агроценозах

Основные функциональные возможности роботизированных телескопических манипуляторов:

• регулируемая траектория движения;

• управляемая скорость движения;

• пространственная ориентация;

• задаваемый ракурс съёмки;

• программируемая степень свободы;

• способ перемещения (операторский кран, тележка, подвес, мобильное средство).

На рис. 5 для иллюстрации технических решений приведён стационарный и мобильный вариант применения телескопического манипулятора для проведения видеонаблюдения интересуемых биообъектов биоценоза. Фотокоптеры

Могут найти применение для проведения крупномасштабных сложноорганизованных съёмок рабочих территорий инспектируемых агроценозов для обнаружения неоднородных групп агрообъектов по продуктивности и депрессивности их состояния.

Основные технические возможности роботизированного фотокоптера для ведения фотосъёмки агрообъектов, рассредоточенных в пространстве аг-роценоза:

• программируемая и регулируемая траектория и высота фотосъёмки;

• дистанционное управление процессом видеонаблюдения;

• картографирование территории агроценоза;

• обнаружение продукционных и депрессивных участков рабочей зоны агроценоза;

• установка дистанционного видеонаблюдения в заданной точке расположения интересуемого агрообъекта;

• приземление фотокоптера в заданных координатах для выборочного зондирования агрообъекта, биофизического воздействия и взятия проб. На рис. 6 показан наиболее эффективный в управлении роботизированный квадрокоптер для обследования удалённых или обширных территорий агроценоза [8].

Рисунок 6 - Роботизированный квадрофотокоптер с дистанционно управляемой видеокамерой наблюдения

Видеороботизированная система дистанционного наблюдения и оперативного управления агротехно-логическими процессами, в перспективе создаст новые возможности совершенствования аграрного производства с точки зрения снижения издержек производства (потерь продуктивности и качества продукции), повышения производственной безопасности, повышения уровня автоматизации производства и обеспечения гибкости управления на многолетних циклах воспроизводства [9-10].

Литература

1. Стребков Д.С., Башилов А.М., Королёв В.А. Стратегия развития точных агротехнологий на основе конвергенции наземных и спутниковых средств дистанционного наблюдения, навигации и управления / Техника и оборудование для села 2014, № 3 (201), - С. 2-5.

2. Стребков Д.С., Башилов А.М., Королёв В.А. К вопросу управления мобильными агророботами. Международная научно-практическая конференция «Робототехника в сельскохозяйственных технологиях», ФГБОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет», 10-12 ноября 2014 г. - С. 25-29.

3. Башилов А.М., Королёв В.А. Новые системно-интегрированные и локально-дифференцированные технологии электрифицированного аграрного производства / журнал «Механизация и электрификация сельского хозяйства», № 8, 2015, - С. 2-8.

4. Башилов А.М., Легеза В.Н. Оценка поведения животных на основе средств аудио-видеонаблюдения. Вестник ФГОУ ВПО Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячки-на. 2012. № 1 (52). С. 26-29.

5. Башилов А. М. Агротехнологии на основе группового взаимодействия видеоуправляемых роботов / Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2016. № 3. С. 6-10.

6. Башилов А.М., Легеза В.Н. Система видеонаблюдения поведения животных при стойловом содержании. Сборник докладов 12 международной научно-технической конференции, 2012 г., г. Углич, Часть 2. - С. 467-475.

7. Башилов А.М., Легеза В.Н. Круглосуточное всепогодное видеонаблюдение за поведением животных на пастбище. Сборник докладов 12 международной научно-технической конференции, 2012 г., г. Углич, Часть 2. - С. 404-411.

8. Королев В.А., Башилов А.М., Можаев К.О. Структура и алгоритмы работы летающего робота для забора и анализа грунта сельскохозяйственных угодий. Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология», 2015, № 13-14, - С.163-168.

9. Башилов А.М., Королёв В.А. Аэромобильная агротехнология стимуляции роста и развития растений в агроценозах. АгроСнабФорум, №8 (156), ноябрь 2017, - C.64-67.

10. Башилов А.М. Видеоцифровизация аграрных производств. Агро-Форум, 2019, №1, февраль, С. 22-23.