CC BY
1122
,,„ „„„,„,„,„„,„„. Jj Ставрополья
научно-практическии журнал
УДК 633/635:681.5
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
Анализ сельскохозяйственной техники, используемой в точном земледелии, показал, что в нашей стране отсутствует производство таких машин, а главное, работа оборудования к ним зависит от сигналов американской спутниковой навигационной системы. Показано, что возможно создание отечественной системы навигации с превосходящими точностными характеристиками и низкой стоимостью. Предложена структура и алгоритм работы локальной системы навигации, основанной на применении наземного созвездия лазерных маяков и цифровой фотокамеры, установленной на борту сельскохозяйственной машины.
Ключевые слова: точное земледелие, навигационная система, цифровая фотокамера, фотоматрица, лазерный излучатель.
Analysis of agricultural machinery used in precision farming has shown that in our country there is no production of such machines, and most importantly, the work equipment to them depends on the signals of the American satellite navigation system. It is shown that it is possible to create domestic navigation system with superior accuracy characteristics and low cost. Proposed structure and algorithm of the local navigation system based on the use of terrestrial laser beacon constellation and a digital camera installed on board of the agricultural machine.
Key words: precision farming, navigation system, digital camera, photomatrix, laser emitter.
Литвин Дмитрий Борисович -
кандидат технических наук, доцент кафедры математики
Ставропольский государственный аграрный университет г. Ставрополь Тел.: 8-918-793-14-86 E-mail: litvin-372@yandex.ru
Бондарев Валерий Георгиевич -
кандидат технических наук, доцент кафедры
информационных систем и электроники
Технологический институт сервиса (филиал)
«Донского государственного технического университета»
г. Ставрополь
Тел.: 8-928-323-50-27
E-mail: bondarevstis@mail.ru
Сербин Евгений Михайлович -
аспирант кафедры информационных систем и электроники
Технологический институт сервиса (филиал) ФГБОУ ВПО
«Донского государственного технического университета»
г. Ставрополь
Тел.: 8-918-886-16-30
E-mail: jeka2089@mail.ru
Litvin Dmitry Borisovich -
Ph.D. in Technical Sciences,
Associated Professor of the Department of Mathematics
Stavropol State Agrarian University
Stavropol
Tel.: 8-918-793-14-86 E-mail: litvin-372@yandex.ru
Bondarev Valery Georgievich -
Ph.D. in Technical Sciences,
Associated Professor of the Department of Information Systems and Electronics Technological Institute of Service (branch) Don State Technical University Stavropol
Tel.: 8-928-323-50-27 E-mail: bondarevstis@mail.ru
Serbin Evgeny Mihaylovich -
Ph.D. student of the Department of Information Systems and Electronics
Technological Institute of Service (branch) Don State
Technical University
Stavropol
Tel.: 8-918-886-16-30 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 точного 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 земледелия» 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 квалифи-
кации 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
естник АПК
Ставрополья
№ 4(16), 2014
Агроинженерия
23
В настоящее время спутниковые навигационные системы получили во всем мире самое широкое распространение. Это системы GPS, ГЛО-НАСС, «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 инерциальной 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 сцелью определения координат изображений маяков, вычислении линейных и угловых координат машины относительно мая-
ков. 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 обусловливает высокие эксплуатационные характеристики всей системы.
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 (рис. 1) расположенных на земле.
Рисунок 1 - Расположение лазерных маяков относительно обрабатываемого участка: М1, М2, М3 - лазерные маяки; 1 - граница обрабатываемого участка; 2 - сельхозмашина;
3 - цифровая фотокамера; 4 - область облучения лазерного маяка М1
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, гк), определяются пространственное и угловое положение сельскохозяйственной машины относительно системы маяков (рис. 2).
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
Ежеквартальный
научно-практический
журнал
В
естник ЛПК
Ставрополья
Для описания взаимного положения системы маяков и сельскохозяйственной машины введем в рассмотрение неподвижную прямоугольную систему координат 0ХУ2, связанную с системой источников излучения (базис /, /, к), ось ОХ совпадает с направлением движения сельскохозяйственной машины, ось 0У совпадает с вертикалью, а ось 02 образует правую систему координат. Координаты к-го маяка 1хк, 1ук, 1к в системе 0ХУ2.
Система координат 0(1)Х1)У1)21) - подвижная система, связанная с цифровой фотокамерой, где ось 0(1)Х(1) направлена по оптической оси объектива, ось 0(1)У(1) направлена вверх перпендикулярно горизонтальной стороне фотоматрицы, ось 0(1)2(1) перпендикулярна осям 0(1)Х(1), 0(1)У(1), образуя с ними правую систему координат с базисом /(1), /(1), к(1), представленными на рисунке 3.
Рисунок 3 - Взаимное расположение систем координат OXYZ и o(1)X(1)Y-1)Z(1): 1 - лазерный маяк; 2 - объектив цифровой фотокамеры; 3 - фотоматрица
Взаимное угловое положение систем координат o(1)X(1)Y(1)Z(1) и OXYZ описывается посредством известного соотношения
( cos^-cos^ sin a -sin p~ cosa -cos^-sin x cosa -sin f3- sin a -cos^-sin Xх
sin x cosa • cos^ -cos^ • sin a
-sin /З-cosx sin a • cos^ + cosa • sin ^-sin x cosa • cos^- sin a • sin ^-sin x
Г i(1)/ jmi к(1)iл , (1)
i (1)j j(1)j к(1)
i(1) к j(1) к к(1) к
\
/
где - (А) матрица направляющих косинусов, а, в, X - углы ориентации системы координат 0(')Х")У<')7(') относительно системы 0ХУ2.
Система координат o(2)X-2)Y2)Z2) связана с сельскохозяйственной машиной, причем ось O(2) X*2) параллельна продольной оси, а ось O(2¥2) параллельна вертикальной оси машины (рис. 3). Разворот фотокамеры относительно машины вокруг вертикальной оси описывается углом ф . Матрица (C), описывающая преобразование координат между системами o(2)X-2)Y-2)Z2) и OXYZ, может быть определена следующим образом (с)=(в) (а),
где - матрица преобразования координат между системами O(2)X(2¥2)Z(2) и O(1)X(1¥1)Z(1)
(™«ф 0 sinф ^ 1
Приведем уравнения, описывающие связь между введенными параметрами и координатами [5]:
(2)
(B )=
008ф 0 sin ф 0 1 0 - sinф 0 cosф
—л)* + (а22р —2 Ул)У +(%Р —3 УлЪ =
= ЦЛ - а21р)хк + (а12У1 - а22р)к + (а13У1 - а23р)к
(аз/ -а11Ь) + М" + -кл)1 =
= ЦЛ - а21р)хк + (а12У1 - а22р)к + (а13У1 - азр)к
где - а.. - коэффициенты матрицы (А), (/,/=1...3), Г - фокусное расстояние фотообъектива.
Полученная система нелинейных уравнений относительно шести неизвестных: дальности хл, высоты ул, бокового отклонения и углов а,
в
естник АПК
Ставрополья
№ 4(16), 2014
Агроинженерия
25
в , X , 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 k = 1, 2, 3 для трех маяков в виде системы 6 уравнений. Нелинейность вносят коэффициенты матрицы направляющих косинусов, представляющие собой произведения тригонометрических функций углов а, в , X , а также произведения коэффициентов матрицы направляющих косинусов на дальность, высоту и боковое отклонение. Система уравнений может быть решена одним из численных методов (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 2к, обнуление которой обеспечит расположение изображения ^го маяка в центре фотоматрицы.
Углы курса, крена и тангажа сельскохозяйственной машины с учетом угла поворота фотокамеры относительно машины вычисляются следующим образом:
у = -arctg
cos ф(cosa • sin ß - sin a • cosß • sin x) + sin ф(cosa • cosß - sin a • sin ß • sin %), (io) cosß • cosx • cos ф - sin ß • cosxsin ф
v = arcsin cos ^(sin a • sin ß - cos a • cos ß • sin x) + sin ^(sin a • cos ß + cos a • sin ß • sin %), (11)
у = arctg
sin ^(sin a • sin ß - cosa • cosß • sin %) - cos ^(sin a • cosß + cosa • sin ß • sin %)
cosa•cos%
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 лазерных излучателей в зависимости от прозрачности атмосферы. Исследования [10, 11] точ-
, (12)
ностных 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 линейных xл, ул, zл и угловых у, у, и координат положения сельскохозяйственной машины, что открывает возможность прецизионной обработки земельных угодий в автоматическом режиме.
Литература
1. Воронков В. Н., Шишов С. А. Технологии, оборудование и опыт использования навигационных и компьютерных систем в растениеводстве : науч. изд. М. : Росин-формагротех, 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. (12-14 марта 2013). Труды ТУС8-2013. М. : Изд. ИКИ РАН, 2012.
4. Радионавигационный план Правительства РФ. (Утвержден приказом Минпромторга России от 2 сентября 2008 г. № 118).
5. Федеральный радионавигационный план 2005 года [Электронный ресурс]. Ши http://www.internavigation.ru/ Ьосите^э/1-445.Мт!. Загл. с экр.
6. Пат. 2347240 Российская Федерация, МПК7 в 01в 11/00. Способ определения местоположения и углов ориента-
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. : FGNU «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 abstracts. Proceedings TVCS-2013. M. : Univ. IKI, 2012.
4. Radionavigation Plan of the Government of the Russian Federation. (Approved by the Industry and Trade of Russia on September 2, 2008 № 118).
5. Federal Radionavigation Plan 2005. [Electronic resource]. URL: http://www.internav-igation.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
26
,,„ „„„,„,„,„„,„„. Jj Ставрополья
научно-практическии журнал
ции летательного аппарата относительно взлетно-посадочной полосы и устройство для его осуществления / В. Г. Бондарев,
A. Е. Гузеев, С. В. Ипполитов, А. А. Лей-бич ; 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.
B. Г. Бондарев ; исполн.: В. И. Конотоп,
C. В. Ипполитов. Ставрополь, 2009. 98 с. Библиогр.: 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.
relative to the runway and device for its implementation / V. G. Bondarev, A. E. Guzeev, S. V. Ippolitov, A. A. Leybich ; 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 / V. M. Safrai. M. : Elite, 2004. 356 p.
8. Litvin D. B., Bondarev V. G., Serbin E. M., Opto-electronic 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. 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. V. G. Bondarev ; executed : V. I. Konotop, S. V. Ippolitov. Stavropol, 2009. 98 p. Refs. : with. 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.
