CC BY
54
МОДУЛЬНЫЙ ПОДХОД К СОЗДАНИЮ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЙ АВТОНОМНОЙ
РОБОТИЗИРОВАННОЙ ПЛАТФОРМЫ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ Черненко А.Б.1, Черников Н.С.2, Багинский Н.А.3, Сысоев М.И.4 Email: Сhernenko694@scientifictext.ru
1Черненко Андрей Борисович - кандидат технических наук, доцент; 2Черников Никита Сергеевич - студент; 3Багинский Никита Андреевич - студент, кафедра автомобилей и транспортно-технологических комплексов, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова,
г. Новочеркасск; 4Сысоев Максим Иванович - магистрант, кафедра колесных машин, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, г. Москва
Аннотация: предложен новый модульный подход к созданию многофункциональных автономных роботизированных платформ сельскохозяйственного назначения, которые позволяют адаптироваться к разнообразию условий эксплуатации и технологий выращивания сельскохозяйственной продукции, а также предназначенных для перевозки любого инструмента и работы на любых сельскохозяйственных угодьях. Представлены разработанные iD-модели различных конфигураций шасси роботов для различных условий эксплуатации, связанные с исследованиями в различных имитируемых средах. Показаны роботизированные платформы, генерируемые создаваемой системой, несколько примеров созданных из модулей iD-моделей.
Ключевые слова: аппаратно-модульные мобильные роботы, универсальные роботизированные платформы для сельского хозяйства, модульный подход.
MODULAR APPROACH TO CREATING A MULTIFUNCTIONAL AUTONOMOUS ROBOTIC PLATFORM FOR AGRICULTURAL
PURPOSES
Chernenko A.B.1, Chernikov N.S.2, Baginsky NA.3, Sysoev M.I.4
1Chernenko Andrei Borisovich - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor; 2Chernikov Nikita Sergeevich - Student; 3Baginsky Nikita Andre^vich - Student, DEPARTMENT OF AUTOMOBILES AND TRANSPORT AND TECHNOLOGICAL COMPLEXES, FEDERAL STATE BUDGETARY EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER EDUCATION SOUTH RUSSIAN STATE POLYTECHNIC UNIVERSITY (NPI) NAMED AFTER M.I. PLATOV,
NOVOCHERKASSK; 4Sysoev Maxim Ivanovich - Undergraduate, DEPARTMENT OF WHEELED VEHICLES, FEDERAL STATE BUDGETARY EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER EDUCATION BAUMAN MOSCOW STATE TECHNICAL UNIVERSITY, MOSCOW
Abstract: а new modular approach to creating multifunctional Autonomous robotic platforms for agricultural purposes, which allow adapting to a variety of operating conditions and technologies for growing agricultural products, as well as intended for transporting any tool and working on any agricultural land, is proposed. Developed 3D
models of various robot chassis configurations for various operating conditions are presented. related to research in various simulated environments. The robotic platforms generated by the system being created are shown, as well as several examples of 3D models createdfrom modules.
Keywords: hardware-modular mobile robots, universal robotic platforms for agriculture, modular approach.
УДК 631.171
На сегодняшний день сельское хозяйство является интересной высокотехнологичной отраслью, привлекающей новых профессионалов, новые компании и новых инвесторов. В основе этого явления лежит потребность в значительном повышении урожайности продукции. По оценкам ООН, мировое население увеличится с 7,3 миллиарда до 9,7 миллиарда в 2050 году. В связи с этим мир будет нуждаться в гораздо большем количестве продовольствия, и сельскохозяйственные предприятия, чтобы не отставать от спроса, столкнутся с необходимостью повышения производительности производства своей продукции [1].
Сельскохозяйственная робототехника - это логическое распространение технологии автоматизации в биосистемы, такие как сельское хозяйство, лесное хозяйство, зеленый дом, садоводство и рыболовство, она заменяет общие методы для выполнения одних и тех же задач с высокой эффективностью. Основная область применения роботов в сельском хозяйстве в настоящее время находится на стадии уборки урожая, а также использование их для борьбы с сорняками.
Идея применения робототехнических технологий в сельском хозяйстве является относительно новой, вместе с этим возможности их применения для повышения производительности труда огромны. Роботы, выполняющие такие сельскохозяйственные операции как опрыскивание, механическая борьба с сорняками, сбор фруктов, позволят фермерам уменьшить отрицательное воздействие на окружающую среду, повысить точность и эффективность. Роботы выполняют сложные задачи, которые вредны для здоровья людей, они могут защитить работников от вредного воздействия химических веществ при обработке растений вручную.
В сельскохозяйственных операциях, с точки зрения подготовки семенного ложа, обработки почвы, посева или пересадки растений, внесения удобрений и химических веществ, межкультурной эксплуатации и уборки урожая, используется человеческий, животный или механический источник энергии. Механическая мощность управляемой сельскохозяйственной техники не позволяет оптимизировать эксплуатационные расходы, время и все другие затраты [1]. На сегодняшний день трактор - это основной источник энергии машины, от которого зависит большая часть механизации хозяйства. Большая часть работы современной фермы выполняется с использованием трактора в качестве основной техники с прикреплением к нему различных агрегатов.
Производство продукции сельского хозяйства весьма разнообразно в различных направлениях. Даже сельскохозяйственные фермы, выращивающие одни и те же культуры, могут отличаться по топологии, инфраструктуре, способу производства и т.д. [2, 3].
На основании всестороннего изучения особенностей применения роботизированных платформ в сельском хозяйстве, а также использования обобщённого опыта различных компаний специализирующихся на создании подобных роботов предлагается новый модульный подход к созданию многофункциональной автономной роботизированной платформы
сельскохозяйственного назначения [4, 5]. Модульные роботизированные платформы позволяют адаптироваться к разнообразию технологий выращивания сельскохозяйственной продукции.
Создаваемые мобильные роботы (рисунок 1) должны быть аппаратно-модульными в том смысле, что они могут быть реконфигурированы для получения необходимых физических свойств для работы в различных производственных системах—таких как туннели, теплицы, открытые поля и сады, - а их механические свойства могут быть адаптированы для регулировки ширины дорожки, требований к мощности, дорожного просвета, грузоподъемности и т.д.
Рис. 1. Примеры расположения модулей на роботизированной платформе: A - корпус аккумулятора; B - модуль привода; C - модуль рулевого управления; D - модуль подвески;
E - прототип модуля сопряжения с датчиками
Программное обеспечение робота должно обобщать работы с большим изменением конструкций роботов, которые могут быть реализованы путем сборки аппаратных модулей в различных конфигурациях. В статье представлен новый подход, используемый при создании сельскохозяйственной робототехники, а также результаты моделирования нескольких различных версий универсальной роботизированной платформы.
Сельскохозяйственные роботы должны работать на фермах с очень разной инфраструктурой и условиями эксплуатации. Одним из способов сделать роботов жизнеспособным вариантом для фермеров, как экономически, так и с практической точки зрения - является разработка роботизированных систем, способных работать во всех этих операционных средах [6]. Преимущества, полученные от внедрения нового модульного подхода к разработке и созданию сельскохозяйственных роботов, налицо. В качестве примера разработчик получает снижение затрат на аппаратное обеспечение, поскольку одни и те же роботы могут работать на многих фермах. Фермы бывают разные по своей природе. Прежде всего, они производят различные виды продукции сельского хозяйства, которые требуют различного оборудования и широкого спектра методов производства. Кроме того, фермы значительно отличаются по размерам. В областях с более высоким уровнем дохода, например, более 30% всех фермерских хозяйств имеют площадь менее 1 га, в то время как более 40% сельскохозяйственных угодий находится на фермах, площадь которых превышает 500 га [7]. Это иллюстрирует огромные различия в размерах. Топография сельскохозяйственных угодий является еще одним фактором, добавляющимся к этим естественным отличиям между различными хозяйствами. Кроме того, имеются значительные различия по выращиваемым культурам в различных регионах страны [8].
Одной из проблем современного земледелия является использование тяжелой техники на фермерских полях. Большой вес современных тракторов вызывает уплотнение почвы, что имеет ряд негативных последствий, среди которых снижение
урожайности [9]. Поэтому в идеале сельскохозяйственные машины должны быть легкими. Это стало возможным благодаря внедрению на фермах легких мобильных роботов. Поскольку роботы могут работать автономно, не требуя водителя для каждой машины, несколько небольших роботов могут быть использованы для замены каждого большого трактора, сохраняя производство на том же уровне. В этом смысле, новое программное обеспечение, которое приводит к полностью автономным роботам, необходимо для того, чтобы сделать эти легкие роботы жизнеспособной альтернативой тяжелой автотракторной технике.
Поэтому, актуальной является разработка конструкции универсальной автономной роботизированной платформы, предназначенной для перевозки любого инструмента и работы на любых сельскохозяйственных угодьях, для создания которой был применён новый, модульный подход.
В процессе создания универсальной роботизированной платформы для сельского хозяйства был использован обобщённый опыт различных компаний специализирующихся на создании подобных роботов. Основной мотивацией для создаваемой нового универсального сельскохозяйственного мобильного робота является разработка полностью модульной платформы как на аппаратной, так и на программной части. Под аппаратной модульностью мы подразумеваем робота, который состоит из стандартных модулей и который с помощью очень простых операций может быть реконфигурирован для работы в самых разнообразных средах. Предлагаемый робот может быть спроектирован для работы как на открытых свободных пространствах, так и в теплицах и туннелях, а также для выполнения как энергозатратных, так и наблюдательных задач в открытом грунте.
Разрабатываемые роботы отличаются по своей механической конструкции, но все они состоят из одних и тех же модулей. Система такова, что на основе разработанных нескольких модулей возможно создавать различные конфигурации широкого спектра сельскохозяйственных роботизированных платформ с различными формами и свойствами. Этот новый модульный подход к созданию сельскохозяйственных роботов помогает экономить как время, так и затраты при их создании, исключая проектно-конструкторские специальные работы при разработке новых конструкций для различных сред обитания. Например, когда разработанный робот, легко перестраивается под новые задачи и технологические процессы.
Были разработаны 3D-модели различных конфигураций шасси роботов для различных условий эксплуатации, связанные с исследованиями в различных имитируемых средах. На рисунках 2 - 4 показаны роботы, генерируемые создаваемой системой, несколько примеров созданных из модулей 3D-моделей.
Рис. 2. 3D-модель разрабатываемого мобильного робота в стандартной конфигурации
Рис. 3. 3D-модель разрабатываемого мобильного робота в узкой конфигурации для теплиц и
помещений
Рис. 4. 3D-модель разрабатываемого мобильного робота в высокой конфигурации для обработки кустарников и виноградных лоз
Это лишь некоторые из бесконечных конфигураций, которые могут быть полностью выполнены в моделях. Модели роботов могут различаться по размеру и типу привода, но все они созданы с использованием одних и тех же модулей.
Дальнейшая работа также предполагает создание программного обеспечения робота модульной конструкции. Под программной модульностью следует понимать операционную систему, которая вместе с аппаратной модульностью позволяет программисту сосредоточиться на общей задаче, которую должен выполнять робот, и не беспокоиться о том, где робот должен работать или в каких условиях. Об этом автоматически должно заботиться модульное программное обеспечение. Таким образом, цель состоит в том, чтобы создать робота, который может управляться независимо от того, будет ли он работать в теплице или в открытом поле, и какой урожай он убирает: пшеницы, клубники или винограда.
Для создания различных конструкций роботов разрабатываемая роботизированная система должна состоять из нескольких модулей, которые могут быть объединены между собой различными унифицированными способами. Модули соединяются через простые механические и электрические интерфейсы, и сборка робота из модулей
может быть выполнена с помощью простых ручных инструментов. Не все модули должны иметь решающее значение для завершения функционирования робота. Некоторые модули существуют только для улучшения таких свойств, как динамичность робота, или для облегчения работы робота, например, путем упрощения интерфейса датчиков. Выводы
Различные роботизированные платформы могут иметь разное количество модулей, контроллеров двигателя и датчиков, которые все нуждаются в энергии и средствах связи. Ключевым приоритетом разработки стало упрощение электрических интерфейсов между модулями. С этой целью необходимо стандартизировать разъемы и кабели для подключения модулей, а также разработать набор печатных плат.
Новый модульный подход к созданию сельскохозяйственных робототехнических систем значительно снижает затраты и сроки разработки. Это будет особенно полезно для тех, кто, как правило, работает в разных условиях эксплуатации и над разными проектами, поскольку модульные роботы могут быстро адаптироваться к существующей инфраструктуре, а также перестраиваться для использования в других условиях.
Работа по дальнейшей разработке и развитию аппаратного и программного обеспечения для модульной системы создания мобильных роботов должна проводиться непрерывным процессом, создавая новые конфигурации роботов по мере их необходимости.
Список литературы /References
1. Недельский В. Мировой и российский рынок робототехники. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://pt.slideshare.net/skrobocenter/ss-63088814/ (дата обращения: 12.08.2020).
2. Latvala T., Pyykkonen P. Profitability of and reasons for adopting automatic milking systems // European Association of Agricultural Economists: proc. of the intern. symp. Copenhagen, 2005.
3. Lowder S.K., Skoet J., Raney T. Количество, размер и распределение ферм, мелких фермерских хозяйств и семейных ферм по всему миру. Мировой Дев., 2016. 87. 16-29.
4. Shamshiri R.R, Weltzien C., Hameed I.A., Yule I.J., Grift T.E., Balasundram S.K. et al. Research and development in agricultural robotics: A perspective of digital farming. // Int J Agric & Biol Eng, 2018. 11 (4): 1 14. DOI: 10.25165/j.ijabe.20181104.4278.
5. Bangert W., Kielhorn А., Dr. Rahe F., Sellmann F., Strothmann W., Prof. Dr. Trautz D., 2010. Field-Robot-Based Agriculture: "RemoteFarming.1" and "BoniRob-Apps". Bosch. University of Applied.
6. Billingsley J., Visala A., Dunn A., 2008. Robotics in Agriculture and Forestry, in "Springer Handbook of Robotics", С. 1065-1078 (Editorssiciliano, B., Khatib, O. Springer).
7. Bisgaard M., Vinther D. and Ostergaard K.Z., 2004. Modelling and Fault-Tolerant Control of an Autonomous Wheeled Robot. Group Report 04gr1030a, Institute of Control Engineering, Aalborg University, Denmark.
8. Blackmore B.S., Fountas S., Vougioukas S., Tang L., Sorensen C.G. and Jorgensen R., 2004. Decomposition of agricultural tasks into robotic behaviors. The CIGR Journal of AEscientific Research and Development in Press.
9. Blackmoresimon Billstout, Wang Maohua, Runov Boris. June, 2005. Robotics Agriculture - The Future.
