CC BY
740
,,„ „„„„, Jj Ставрополья
УДК 631.3: 656.052:681.5
Литвин Д. Б., Бондарев В. Г., Сербин Е. М. Litvin D. B., Bondarev V. G., Serbin E. M.
НАВИГАЦИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАШИН СИСТЕМЫ ТОЧНОГО ЗЕМЛЕДЕЛИЯ
NAVIGATION OF AGRICULTURAL MACHINERY PRECISION FARMING
В настоящее время в различных областях народного хозяйства получили широкое распространение спутниковые навигационные системы. Они обеспечивают довольно высокую точность определения координат, но обладают существенными недостатками, которые сдерживают их быстрое внедрение в нашей стране, это: высокая стоимость оборудования, низкая помехоустойчивость и зависимость от воли правительства США. Поэтому разработка альтернативных систем навигации не только актуальна, но и просто необходима. Бурное развитие оптико-электронной и вычислительной техники открывает такую возможность.
Авторами предложена навигационная система, функционирующая посредством применения наземного созвездия лазерных маяков и цифровой фотокамеры. Данная система лишена недостатков спутниковых навигационных систем. Малый вес, низкая стоимость, высокий КПД и всепогодная доступность обуславливают высокие эксплуатационные характеристики всей системы. Это позволяет сделать вывод о том, что предлагаемая система может оказаться вполне конкурентоспособной при решении задач локальной навигации.
Ключевые слова: точное земледелие, навигационная система, цифровая фотокамера, фотоматрица, лазерный излучатель.
Currently, the various areas of the economy are widespread satellite navigation systems. They provide a fairly high positioning accuracy, but have significant drawbacks that hinder their rapid introduction in our country are: high costs, low noise immunity and dependence on the will of the United States Government. Therefore, the development of alternative navigation systems not only relevant, but also a must. The rapid development of opto-electronic and computer technology opens up the possibility.
The authors proposed a navigation system that operates through the use of ground-based laser constellation beacons and a digital camera. This system overcomes the drawbacks of satellite navigation systems. Light weight, low cost, high efficiency and all-weather access to bring a high performance of the whole system. This allows us to conclude that the proposed system can be quite competitive in solving local navigation.
Keywords: precision farming, navigation system, digital camera, photomatrix, laser emitter.
Литвин Дмитрий Борисович -
кандидат технических наук, доцент кафедры математики Ставропольский государственный аграрный университет Тел.: (918)7931486 E-mail: litvin-372@yandex.ru
Бондарев Валерий Георгиевич -
кандидат технических наук, доцент
кафедры информационных систем и электроники
Технологический институт сервиса (филиал)
ФГБОУ ВПО «Донской государственный
технический университет»
г. Ставрополь
Тел.: (928) 323-50-27
E-mail: bondarevstis@mail.ru
Сербин Евгений Михайлович -
аспирант кафедры информационных систем и электроники
Технологический институт сервиса (филиал)
ФГБОУ ВПО «Донской государственный
технический университет»
г. Ставрополь
Тел.: (918) 886-16-30
E-mail: jeka2089@mail.ru
Litvin Dmitry Borisovich -
PhD in Technical Sciences, Associated Professor of the Department of Mathematics
Stavropol State Agrarian University
Ph. (918)793-14-86
E-mail: litvin-372@yandex.ru
Bondarev Valery Georgievich -
PhD in Technical Sciences, Associated Professor of the Department of Information Systems and Electronics Technological Institute of Service (branch) Don State Technical University Stavropol
Ph. (928) 323-50-27 E-mail: bondarevstis@mail.ru
Serbin Evgeny Mihaylovich -
PhD student of the Department of Information Systems and Electronics Technological Institute of Service (branch) Don State
Technical University Stavropol
Ph. (918) 886-16-30 E-mail: jeka2089@mail.ru
В последние 20 лет термин «точное земледелие» находится в центре внимания всех, кто занимается сельским хозяйством. По статистике около 80 % фермеров США применяют технологии точно-
го земледелия. Европейское сельское хозяйство начало осваивать эти технологии несколько позднее, но тоже добилось в этой сфере значительного прогресса. Как же обстоят дела по внедрению «точного земледе-
Рисунок 1 - Расположение лазерных маяков относительно обрабатываемого участка: М1, М2, М3 -лазерные маяки; 1 - граница обрабатываемого участка; 2 - сельхоз машина; 3 - цифровая фотокамера;
4 - область облучения лазерного маяка М1
лия» в нашей стране [1]? Одним из первых эти технологии начал осваивать Центр точного земледелия, созданный в Тимирязевской академии. Главная цель деятельности Центра - обучение студентов технологиям точного земледелия, повышение квалификации профессорско-преподавательского состава, специалистов сельскохозяйственных предприятий, внедрение разработанных учеными Тимирязевки элементов технологий точного земледелия. Однако, сейчас уже можно констатировать, что внедрение происходит очень медленно, а главной причиной этого является высокая стоимость и сложность эксплуатации импортной техники [2].
Основой технологии точного земледелия является спутниковая система глобального позиционирования GPS, позволяющая обеспечить точное выполнение агротехнических приемов и технологий с детальным учетом почвенно-экологических условий агроландшафта.
В настоящее время спутниковые навигационные системы получили во всем мире самое широкое распространение. Это системы GPS, ГЛОНАСС, «Галилео», «Бэйдоу». Принципиальным недостатком указанных систем является то, что малая мощность бортовых передатчиков спутниковых навигационных систем и большое расстояние до спутников (порядка 20000 км) существенно облегчают постановку помех для них. Один сравнительно простой, дешевый, легкий и компактный передатчик помех способен сделать невозможным спутниковую навигацию на площади в десятки тысяч квадратных километров. Более того, в настоящее время достигнут значительный прогресс в создании имитирующих помех, позволяющих вносить ошибку измерения координат, изменяющуюся по заданному закону [3]. В связи с этим постепенно осознается необходимость развития навигационных
систем, более устойчивых к преднамеренным и непреднамеренным помехам. Реальная точность параллельного вождения в условиях России с отключенным режимом бесплатной спутниковой дифференциальной коррекции SBAS составляет 40-50 см, включение режима SBAS для территории где действуют поправки (точность 20-30 см). Отсюда следует, что основным недостатком спутниковой навигационной системы является зависимость работы GPS от прихоти правительства США.
Кроме этого, отмечается также обязательность интегрирования системы GPS с инерци-альной навигационной системой, что позволяет сделать сигнал непрерывным во времени [4, 5]. Поэтому, вопрос о выборе средства навигации является очень непростым, а разработка импортозамещающей системы навигации для сельскохозяйственной техники является весьма актуальной.
Достижение необходимых характеристик системы навигации возможно на основе использования современных оптико-электронных средств. Поэтому рассмотрим систему навигации, работа которой основана на формировании изображений трех разнесенных лазерных наземных маяков на фоточувствительных матрицах (ФМ) бортовых цифровых фотокамер, обработке оцифрованных изображений поля с целью определения координат изображений маяков, вычислении линейных и угловых координат машины относительно маяков. Маяки представляют собой импульсные полупроводниковые лазерные излучатели, работающие в диапазоне 1,55 мкм., обеспечивающие покрытие всего обрабатываемого земельного участка. Малый вес, низкая стоимость и высокий коэффициент полезного действия таких излучателей обуславливает высокие эксплуатационные характеристики всей системы.
42
,,„ „„„„, Jj Ставрополья
Рисунок 2 - Формирование «засвечиваемого» элемента на фотоматрице: М1, М2, М3 - система лазерных маяков; 1 - область распространения лазерного излучения, формирующая изображение маяка; 2 - объектив цифровой фотокамеры; 3 - фокусируемый пучок лазерного излучения; 4 - фотоматрица; 5 - изображение лазерного маяка на фотоматрице
Вывод соотношений, составляющих основу вычислительного алгоритма СТЗ, осуществляется с использованием положений геометрической оптики, при этом координаты маяков относительно земной поверхности считаются известными.
Сельскохозяйственная машина, выполняя свою задачу, попадает в область излучения лазерных маяков (рисунок 1) расположенных на земле.
Область излучения каждого маяка формируется в виде четырехугольной пирамиды, охватывающей обрабатываемое поле по горизонтали и вертикали. Излучение трех лазерных маяков, посредством фотообъектива, формирует изображение весьма малых габаритов на элементах фотоматрицы цифровой фотокамеры. По координатам «засвеченных» элементов на фотоматрице (ук, 2к), определяются пространственное и угловое положение сельскохозяйственной машины относительно системы маяков (рисунок 2).
Для описания взаимного положения системы маяков и сельскохозяйственной машины введем в рассмотрение неподвижную прямоугольную систему координат OXYZ, связанную с системой источников излучения (базис I, ^ к), ось ОХ совпадает с направлением движения сельскохозяйственной машины, ось OY совпадает с вертикалью, а ось ОZ образует правую систему координат. Координаты к-го маяка 1хк, 1ук, 12к в системе ОXYZ.
Система координат о(1)Х(1^(1^(1) - подвижная система, связанная с цифровой фотокамерой, где ось 0(1)Х(1) направлена по оптической оси объектива, ось 0(1^(1) направлена вверх перпендикулярно горизонтальной стороне фотоматрицы, ось 0(1£(1) перпендикулярна осям 0(1)Х(1), О(1^(1), образуя с ними правую систему координат с базисом 1(1), ](1), к(1), представленными на рисунке 3.
Взаимное угловое положение систем координат 0(1)Х(Щ(1Щ1) и OXYZ описывается посредством известного соотношения
(A)
' cos p-cos х sin a - sin p - cos a - cos p-sin %
sin % cos a - cos % (1)
- sin p - cos % sin a - cosp + cos a - sin p - sin %
cos a - sin p- sin a - cosp- sin
- cos % - sin a cos a - cosp - sin a - sin p - sin %
( i mi
j mi
k (1)i ^ k(1). j
i(1)j j(1)j imk jmk k(1)k
где (А) - матрица направляющих косинусов; а, р, % - углы ориентации системы координат O(1)x(1)Y(1)Z(1) относительно системы OXYZ.
Система координат o(2)X(2)Y(2)Z(2) связана с сельскохозяйственной машиной, причем ось O(2) X(2) параллельна продольной оси, а ось o(2)Y(2) параллельна вертикальной оси машины (рисунок 3). Разворот фотокамеры относительно машины вокруг вертикальной оси описывается углом ф. Матрица (С), описывающая преобразование координат между системами o(2)X(2)Y(2)Z(2) и OXYZ может быть определена следующим образом
(С) = (В)(А),
где матрица преобразования координат между системами o(2)X(2)Y(2)Z(2) и o(1)X(1)Y(1)Z(1) (В) =
( cosф 0 sinф^
0 1 0
- sin ф 0 cos фу
Приведем уравнения описывающие связь между введенными параметрами и координатами [5]:
(«21F - а1Л )X + («22F - a2Ук )y. + («23F - апУк )Z, =
= («1 1У1 " «2 1F )lxk + («12У1 " «22F )lyk + («1 3У1 " «23F )lzk
(«31F - a11Zk )X, + («32F " a12Zk )У. + («33F " a13Zk X =
= О11У1 - «21F )lxk + О12У1 - «22F )lyk + («1зУ - «23F )lzk
в
естникАПК л „„„„„,„„„„„„„
Агроинженерия
-№ 1(17), 2015 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
43
Рисунок 3 - Взаимное расположение систем координат ОXYZ и о(1)Х(1^(1£(1): 1 - лазерный маяк; 2 - объектив цифровой фотокамеры; 3 - фотоматрица
где ау - коэффициенты матрицы (А), (/, у = 1___3);
Г - фокусное расстояние фотообъектива.
Полученная система нелинейных уравнений относительно шести неизвестных: дальности хл, высоты ул, бокового отклонения zл и углов а, Р, х, и не может быть решена относительно шести неизвестных, поэтому необходимо использовать три маяка не лежащих на одной прямой. В этом случае, система уравнений (2) применяется трижды с индексами к = 1, 2, 3, для трех маяков в виде системы 6 уравнений. Нелинейность вносят коэффициенты матрицы направляющих косинусов, представляющие собой произведения тригонометрических функций углов а, р, х, а также произведения коэффициентов матрицы направляющих косинусов на дальность, высоту и боковое отклонение. Система уравнений может быть решена одним из численных методов
Важным является вопрос о надежности и всепогодности такой системы навигации. Расчеты [8, 9] показывают, что вероятность безотказной работы открытого оптического канала связи, возникающего между созвездием лазерных маяков и цифровыми фотокамерами, составляет 99,95 %, при этом существуют возможности улучшения этого показателя за счет автоматического регулирования мощности ла-
(Ньютона, Адамса, последовательных приближений) при условии, что координаты маяков известны [7].
Такая навигационная система имеет существенный недостаток, связанный с уходом изображений маяков за пределы фотоматрицы по мере движения сельскохозяйственной машины. Этот недостаток устраняется добавлением следящей системы, обеспечивающей разворот цифровой фотокамеры вокруг вертикальной оси в направлении системы лазерных маяков. Сигналом для работы такой следящей системы может служить одна из координат zk, обнуление которой обеспечит расположение изображения к-го маяка в центре фотоматрицы.
Углы курса, крена и тангажа сельскохозяйственной машины с учетом угла поворота фотокамеры относительно машины вычисляются следующим образом
(10)
(11)
(12)
зерных излучателей в зависимости от прозрачности атмосферы. Исследования [10, 11] точностных характеристик такой измерительной системы показали, что ее погрешности не превышают 5 см, и следовательно превосходят характеристики спутниковой системы навигации в ее самой оптимистичной конфигурации.
Таким образом, предложенная локальная система навигации обеспечивает определение
у - аг^ °°8 а' в - а'008 в' X) + ф(008 а'008 в - а' 81п Р' X)
008 Р ' 008 X ' 008 ф — 8Ш Р'008 Х8Ш ф и - штат 008 ф(8Ш а ' 8Ш Р — 008 а ' 008 Р ' 8Ш х) + 8Ш ф(8Ш а ' 008 Р + 008 а ' 8Ш Р' 8Ш х)
8Ш ф(8Ш а ' 8Ш Р — 008 а ' 008 Р ' 8Ш х) — 008 ф(8Ш а ' 008 Р + 008 а ' 8Ш Р ' 8Ш х)
у — arctg-
008 а'008х
Пеегаш АПК
,,„ „„„„, Jj Ставрополья
линейных хл, ул, z„ и угловых у, у, и, координат положения сельскохозяйственной машины, что от-
Литература:
1. Воронков В. Н., Шишов С. А. Технологии, оборудование и опыт использования навигационных и компьютерных систем в растениеводстве : науч. издание. М. : Ро-синформагротех, 2010. 80 с.
2. Адамчук В. В., Мойсеенко В. К. Точное земледелие: существо и технические проблемы // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 2003. № 8. С. 4-7.
3. Гришин В. А., Маслов И. А. Выбор оптимального спектрального диапазона для наблюдения горизонта земли // Техническое зрение в системах управления -2013 : тез. докл. науч.-техн. конф. (Москва, 12- 14 марта 2013 г) / ИКИ РАН. М., 2012. С. 83-85.
4. Радионавигационный план правительства РФ [Электронный ресурс] : утвержден приказом Минпромторга России от 02 сентября 2008 г. № 118. URL: http://www. bestpravo.ru/rossijskoje/do-akty/n8g.htm
5. Федеральный радионавигационный план 2005 года [Электронный ресурс]. URL: http://www.internavigation.ru/ documents/1-445.html/- Загл. с экр.
6. Пат. 2347240 Российская Федерация, МПК7 G 01s 11/00. Способ определения местоположения и углов ориентации летательного аппарата относительно взлетно-посадочной полосы и устройство для его осуществления / авторы и патентообладатели Конотоп В. И., Гузеев А. Е., Ипполитов С. В., Бондарев В. Г., Лейбич
A. А. ; № 2007115257/09 ; заявл. 23.04.07. ; опубл. 20.02.09, Бюл. № 5. 11 с.
7. Сафрай В. М. Справочник по высшей математике (для студентов вузов) с примерами решения задач. М. : Элит, 2004. 356 с.
8. Литвин Д. Б., Бондарев В. Г, Сербин Е. М. Оптико-электронная система навигации сельскохозяйственной техники // Вестник АПК Ставрополья. 2014. № 14. С. 70-74.
9. Влияние погодных условий на надежность атмосферной оптической связи / Ю. И. Зеленюк, И. В. Огнев, С. Ю. Поляков, С. Е. Широбакин // Вестник связи. 2002. № 4. С. 18-22.
10. Исследование и разработка аппаратных и программных средств системы технического зрения транспортного средства : отчет о НИОКР / ООО НПП "Оптикон" ; рук. Бондарев В. Г ; исполн.: В. И. Конотоп, С.
B. Ипполитов. Ставрополь, 2009. 98 с. Би-блиогр.: с. 74. № ГР 01200957547. Инв. № И090726164858.
11. Субоптимальное оценивание вектора угловой скорости объекта по измерениям распределенной акселерометрической системы / Д. Б. Литвин, А. Н. Хабаров, И. П. Шепеть, В. Г. Бондарев, Е. В. Озеров // Вестник АПК Ставрополья. 2013. № 11. С. 60-63.
крывает возможность прецизионной обработки земельных угодий в автоматическом режиме.
References:
1. Voronkov V. N., Shishoff C. A. Technologies, equipment and experience in the use of navigation and computer systems in crop production : scientific. edition. M. : Rosinformagroteh, 2010. 80 p.
2. Adamchuck V. V., Moyseyenko B. C. Precision agriculture: the essence and technical problems // Tractors and agricultural machinery. 2003. № 8. P. 4-7.
3. Grishin V. A., Maslov I. A. Selection of the optimal spectral range for monitoring the earth's horizon // Machine vision systems management STC - 2013 : тез. докл. науч.-техн. конф. (Москва, 12-14 марта 2013 г) / ИКИ РАН. M., 2012. P. 83-85.
4. Radionavigation plan of the government of the Russian Federation [Electronic resource] : approved by the Industry and Trade of Russia on September 2, 2008 № 118). URL: http:// www.bestpravo.ru/rossijskoje/do-akty/n8g. htm
5. Federal Radionavigation Plan 2005 [Electronic resource]. URL: http://www.internavigation. ru/documents/1-445.html - Caps. with scr.
6. Pat. 2347240 Russian Federation, MPK7 G 01s 11/00. A method for determining the location and orientation angles of the aircraft relative to the runway and device for its implementation / авторы и патентообладатели Bondarev V. G., Guzeev A. E., Ippolitov S. V., Leybich A. A. ; № 2007115257/09 ; appl. 23.04.07 ; publ. 20.02.09, Bull. № 5. 11 p.
7. Safrai V. M. Guide to Higher Mathematics (for students) with examples of solving problems. M. : Elite, 2004. 356 p.
8. Litvin D. B., Bondarev V. G., Serbin E. M. Optoelectronic navigation system of agricultural machinery // Herald APK Stavropol. 2014. №14. P. 70-74.
9. Influence of weather conditions on the reliability of atmospheric optical communication / Y. I. Zelenyuk, I. V. Ognyov, S. Y. Poles, S. E. Shirobakin // Journal of Communication. 2002. № 4. P. 18-22.
10. Research and development of hardware and software for machine vision vehicle : Report on R & D / SPE "Optikon"; hands. Bondarev V. G. ; executed : Konotop V. I., Ippolitov S. V. Stavropol, 2009. 98 p. Refs.: p. 74. № GR 01200957547. Inv. Number I090726164858.
11. Suboptimal estimation of the angular velocity of the object by measuring the distribution of the accelerometer system / D. B. Litvin, A. N. Habarov, I. P. Shepet, V. G. Bondarev, E. V. Ozerov // Herald APK Stavropol. 2013. № 11. P. 60-63.
