CC BY
32
УДК 631.171
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДВИЖЕНИЯ КОЛЕСНОЙ РОБОТИЗИРОВАННОЙ ПЛАТФОРМЫ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ НА ФЕРМЕ
Е.А. Никитин, аспирант
ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» E-mail: [email protected]
Аннотация. На пути создания унифицированной роботизированной платформы для выполнения обслуживающих операций необходимо произвести математическое описание движения колесной роботизированной платформы. В качестве среды искусственного моделирования процесса движения использовалось программное обеспечение Matlab с пакетом опций Simulink Для управления движением колесного робота с использованием расчетно-графических методов определена кинематическая и динамическая модель колесного робота с двумя независимыми приводными колесами, расположенными на одной оси и работающими от электротяги. На основе полученных математических зависимостей в среде Matlab (Simulink) сформирована номенклатура искусственных компонентов, которые позволили имитировать процесс управления электроприводом робота. В качестве проверки достоверности математической модели в искусственной среде Matlab (Simulink) на электропривод независимых колес, расположенных на одной оси, подавалось напряжение, различающееся в два раза. Искусственно имитируемый процесс движения колесного робота предполагал исследование процесса движения с использованием функции «PLOT (X;Y)», в момент движения робота была получена траектория перемещения точки 0 0, которая являлась центром масс робота, за установленную единицу времени, что позволило подтвердить достоверность разработанной математической модели для системы управления многофункциональным роботом для животноводческих комплексов.
Ключевые слова: кормовая смесь, крупный рогатый скот, роботизация животноводства.
Введение. Процесс содержания крупного рогатого скота на животноводческих комплексах предполагает выполнение множества циклических трудоемких операций, формируя при этом различные показатели технологической эффективности производства, определяемые производительностью труда. Это становится определяющим фактором на пути создания технологического оборудования, ввиду чего большинство производителей стремится автоматизировать или роботизировать различные операции, выполняемые человеком.
Одними из самых трудозатратных операций при содержании крупного рогатого скота являются процессы кормления сельскохозяйственных животных, что наиболее сильно оказывает влияние на уровень продуктивности животных и является основным показателем, характеризующим уровень капитало-отдачи производства. Как было выявлено в ранее представленных исследованиях, ос-
новная проблема технико-технологического обеспечения качества кормления на животноводческих комплексах по производству молока от крупного рогатого скота - это точность дозирования и эффективность смешивания концентрированных высокоэнергетических кормовых компонентов [1, 9].
В качестве альтернативного решения данной проблемы нами предлагается создание роботизированной платформы, которая обеспечит повышение производительности труда и эффективности выполнения тяжелых циклических операций на животноводческих комплексах по содержанию крупного рогатого скота. В качестве навесных агрегатов для роботизированной платформы можно будет использовать приставки для автономного обслуживания кормового стола, раздачи кормов, дозирования концентрированных добавок, повышающих вкусовые качества основного корма, очистки технологических поверхностей, частичного навозоудаления.
Parray, Rouf и другими были представлены различные результаты исследования сельхозтехники, показывающие широкий потенциал для роботизации созданных машин на примере рисового комбайна [2].
Создавая многофункциональный колесный робот для автономного выполнения различных технологических операций, как было указано в исследованиях Субхашри С.Н., Игавнав С., необходимо учитывать ряд кинематических и геометрических параметров узлов робота при различных сценариях [3].
Идея создания многофункциональной роботизированной платформы для выполнения различных технологических операций на животноводческих комплексах зародилась благодаря подробному анализу тенденций развития выпускаемой современной робототехники для сельского хозяйства таких производителей, выходящих на мировой рынок, как Lely Group - Нидерланды, DeLaval - Швеция, Wasserbauer - Австрия, Gea Farm Technology - Германия и др. Одним из самых популярных направлений в создании роботизированных машин служат колесные роботизированные платформы, облегчающие технологические процессы приготовления кормовой смеси, ее раздачи, а также процесс наво-зоудаления [4,5].
Актуальность создания роботизированных автономно управляемых систем с электроприводом прослеживается и в других сферах потребления, как было описано в исследованиях Чех К. и др. [6]. Поэтому на пу-
ти создания унифицированной роботизированной платформы для выполнения обслуживающих операций необходимо произвести математическое описание движения колесной роботизированной платформы, что обеспечит наиболее точную цифровую связь системы позиционирования и движения колесного робота по плоскости [7,8,10]. Проведем процесс моделирования движения разрабатываемого робота с симуляцией процесса поворота, формируя при этом график окружности, который опишет траекторию движения центра масс робота при его перемещении.
Цель исследования: математическое моделирование процесса движения колесного робота по заданной траектории с отработкой поворота.
Материалы и методы исследования.
Для проведения данной работы был применен метод математического моделирования и использован программный комплекс Matlab/ Simulink.
Результаты и обсуждения. Для описания кинематики малогабаритного колесного робота был рассмотрен процесс движения по плоскости, по жестко заданной траектории, как показано на рисунке 1. Таким образом, плоское движение робота в плоскости ХвУ (рис. 1) с центром масс робота О0 связано с подвижной системой координат Х0 О0 У0.
Процесс моделирования предполагает, что колеса имеют независимое управление и вращаются без проскальзывания, межосевое расстояние колес О0О1 = О0 02 = а.
Рис. 1. Принципиальная схема движения робота по животноводческому комплексу: 1 - колесный робот, 2 - траектория движения робота, 3 - пост зарядки аккумулятора
Положение каждого колеса характеризуется декартовыми координатами точки (К£), углом курса (ф), углом поворота колеса (0£) и представлено на расчетной схеме (рис. 2).
Рис. 2. Расчетная схема, описывающая кинематику движения робота
Процесс движения колес описывается системами уравнений (1,2): Гх-! = 0,5d х х cosф [у1 = 0^ х х sinф ( )
(2)
(х2 = 0^ х ш2х cosф [у2 = 0^ х Ш2х sinф ' где х1, х2, у1, у2 - координаты точек К1 и К2; ё - диаметр колеса; ш1 = П 1 - угловая скорость колеса 1; = П 2 - угловая скорость колеса 2. У0 = 0,25d х (ш1
0,25йх(ш1- ш2)
И+а '
^ tg<p= j+-a =
(3)
где R = О0О2 - радиус поворота робота; а - конструктивный параметр модели.
Центром масс робота является середина отрезка 0102, она же является центром межколесного расстояния. Геометрические координаты центра определяются системой уравнений (4):
Хо
2 (4)
1Уо =
2
У1+У2
Геометрическая связь описывается системой уравнений (5):
!х2 =2ах cosy + х1
у2 =2 ах sinp + у1 (5)
Совокупность уравнений (1, 2, 3, 4, 5) является кинематической моделью движения робота. В качестве симуляции математической модели колесного робота была смоделирована элементная база с двумя независимыми приводными колесами в среде Mat -lab/Simulink (рис. 3).
Рис. 3. Элементы симуляции привода колесного робота в среде Matlab/Simulink
2
Результатом симуляции математической модели колесного робота с двумя независимыми приводными колесами является построение графика в среде МаШЬ/81ши1тк, который получен путем описания центра масс робота плоскости (х,у), причем показа-
тели Constant = 5, Constant 1 = 10 характеризуют уровень подачи напряжения на привод колеса (рис. 4).
Таким образом, математическую модель движения робота можно считать достоверной, т.к. траектория, полученная путем ис-
пользования функуции PLOT (x;y) в среде Matlab/Simulink, представляет собой окруж-
ность (рис. 5) благодаря разности подаваемого напряжения на приводы колеса.
Рис. 4. Графически-числовая модель колесного робота в среде Matlab/Simulink
регулирует количество подаваемых импульсов на привод колесного робота при цифровом управлении автономным движением.
Литература:
1. Никитин Е.А., Дорохов А.С., Павкин Д.Ю. Совершенствование технологии приготовления кормовой смеси при реконструкции кормовых площадок // Техника и оборудование для села. 2019. № 11. С. 32-34.
2. Пилотное исследование состояния сельскохозяйственной силовой техники и возможностей индивидуального найма в системе возделывания риса-пшеницы / Паррай Р. и др. // Индийский журнал с.-х. наук. 2016.
3. Субхашри С.Н., Игавнав С. Имитация зоны воздействия треков с использованием кинематики и геометрии для различных сценариев работы оборудования и эксплуатации // Инженерия биосистем. 2019.
4. Валецкий Ю.Е. Технологическая модернизация молочных ферм в племзаводе ЗАО «Зеленоградское» // Техника и оборудование для села. 2008. № 5. С. 9-11.
5. Мишуров Н.П. Информационный менеджмент молочного скотоводства // Вестник ВНИИМЖ. 2014. № 4. С. 41-48.
6. Исследование и разработка технологии привода колесных двигателей для электромобилей / Чех К. и др. // Международный журнал электрических и гибридных транспортных средств. 2016.
7. Некоторые научные и технологические обоснования и рекомендации для создания молочных фермерских хозяйств / Кормановский Л.П. и др. // Вестник ВНИИМЖ. 2019. № 1(33). С. 21-26.
8. Иванов Ю.А., Сыроватка В.И., Морозов Н.М. Механизация и автоматизация процессов в животноводстве. М., 2019.
9. Никитин Е.А. Технико-технологический анализ систем приготовления кормовой смеси для КРС // Инновации в сельском хозяйстве. 2019. № 2(31). С. 53-61.
10. Измерение РН и температуры рубца у коров в послеродовой период для диагностики ацидоза // Владимиров Ф.Е. и др. // Инновации в сельском хозяйстве. 2019. № 3(32). С. 225-232.
Рис. 5. Траектория движения центра масс модели колесного робота
Выводы. По результатам математического моделирования движения по плоскости колесного робота, имеющего независимый привод двух колес, расположенных на одной оси, произведена симуляция движения робота в искусственной среде Matlab/Simulink, при этом показатели подаваемого напряжения на привод колеса Constant и Constantl различались в два раза, что позволило получить траекторию перемещения центра масс робота в точке О0 в виде окружности, тем самым подтверждена правильность математического моделирования.
Созданная математическая модель управления движением колесным роботом позволит обеспечить эффективное взаимодействие системы электропривода, позиционирования и центральной платы управления, которая
Literatura:
1. Nikitin E.A., Dorohov A.S., Pavkin D.YU. Sovershen-stvovanie tekhnologii prigotovleniya kormovoj smesi pri rekonstrukcii kormovyh ploshchadok // Tekhnika i oboru-dovanie dlya sela. 2019. № 11. S. 32-34.
2. Pilotnoe issledovanie sostoyaniya sel'skohozyajstven-noj silovoj tekhniki i vozmozhnostej individual'nogo naj-ma v sisteme vozdelyvaniya risapshenicy / Parraj R. i dr. // Indijskij zhurnal s.-h. nauk. 2016.
3. Subhashri S.N., Igavnav S. Imitaciya zony vozdejst-viya trekov s ispol'zovaniem kinematiki i geometrii dlya razlichnyh scenariev raboty oborudovaniya i ekspluatacii // Inzheneriya biosistem. 2019.
4. Valeckij YU.E. Tekhnologicheskaya modernizaciya molochnyh ferm v plemzavode ZAO «Zelenogradskoe» // Tekhnika i oborudovanie dlya sela. 2008. № 5. S. 9-11.
5. Mishurov N.P. Informacionnyj menedzhment moloch-nogo skotovodstva // Vestnik VNIIMZH. 2014. № 4. S. 41-48.
6. Issledovanie i razrabotka tekhnologii privoda kolesnyh dvigatelej dlya elektromobilej / CHekh K. i dr. // Mezhdu-narodnyj zhurnal elektricheskih i gibridnyh transportnyh sredstv. 2016.
7. Nekotorye nauchnye i tekhnologicheskie obosnova-niya i rekomendacii dlya sozdaniya molochnyh fermer-skih hozyajstv / Kormanovskij L.P. i dr. // Vestnik VNIIMZH. 2019. № 1(33). S. 21-26.
8. Ivanov YU.A., Syrovatka V.I., Morozov N.M. Meha-nizaciya i avtomatizaciya processov v zhivotnovodstve. M., 2019.
9. Nikitin E.A. Tekhniko-tekhnologicheskij analiz sistem prigotovleniya kormovoj smesi dlya KRS // Innovacii v sel'skom hozyajstve. 2019. № 2(31). S. 53-61.
10. Izmerenie PH i temperatury rubca u korov v poslero-dovoj period dlya diagnostiki acidoza // Vladimirov F.E. i dr. // Innovacii v sel'skom hozyajstve. 2019. № 3(32). S. 225-232.
MODELING OF THE OF WHEELED ROBOTIC PLATFORM MOVEMENT FOR TECHNOLOGICAL
OPERATIONS' PERFORMING ON FARM
E.A. Nikitin, post-graduate student
FGBNY "Federal research center of agricoengineering VIM"
Abstract. On the way to unified robotic platform for maintenance operations performance creating, it is necessary the wheeled robotic platform movement's a mathematical description making. As movement process's artificial modeling medium the Matlab software with Simulink option package was used. To control wheeled robot movement by count- and- graphical methods using, a kinematic and dynamic model of wheeled robot with two independent driving wheels locating on the same axis and powered by electric traction is determined. Based on the obtained mathematical dependencies, in the Matlab (Simulink) medium was formed an artificial components' nomenclature, which allowed the process of robot's electric drive controlling to imitate. As the mathematical model's reliability testing in Matlab (Simulink) artificial medium, on the electric drive of independent wheels locating on the same axis a voltage differing in two times was supplied. Artificially imitating process of the wheeled robot movement involves movement by the "PLOT (X;Y)"function using study, at the robot's motion time the trajectory of O_0 point moving, that was the robot's mass center, for a set unit time, and it allowed the developed mathematical models' accuracy of multi-functional robot control system for livestock complexes to confirm. Keywords: feed mixture, cattle, livestock robotization.
