CC BY
470
,,„ „„„„, 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.
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА НАВИГАЦИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ
OPTICAL-ELECTRONIC NAVIGATION SYSTEM OF AGRICULTURAL MACHINERY
Предложена структура и алгоритм работы оптико-электронной системы локальной навигации сельскохозяйственной техники, являющейся элементом системы точного земледелия. Система обеспечивает высокую потенциальную точность навигации путем сканирования пространства узким лучом полупроводникового лазера. Лазерный луч модулирован в функции углов сканирования по азимуту и высоте. Линейные и угловые координаты подвижного объекта вычисляются по измерениям трех разнесенных оптических приемников. Проведена вероятностная оценка надежности функционирования предлагаемой системы в условиях атмосферных воздействий.
Ключевые слова: навигационная система, оптико-электронная система, лазер, оптический канал связи, метеорологическая дальность видимости.
The article presents the structure and algorithm of the optical-electronic navigation system on the local agricultural machinery, which is an element of precision farming. The system provides high potential accuracy of navigation by scanning space with a narrow beam of semiconductor laser. The laser beam is modulated in function of azimuth and height scan angle. Linear and angular coordinates of the moving object are calculated from measurements of three spaced-apart optical receivers. The probabilistic assessment of reliability of proposed system operation in terms of the weather was performed.
Key words: navigation system, optical-electronic system, laser, optical communication channel, meteorological sight distance.
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
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
Технологический институт сервиса (филиал)
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,
Associate Professor of Department of Mathematics Stavropol State Agrarian University Stavropol
Tel.: (8918)7931486 E-mail: litvin-372@yandex.ru
Bondarev Valery Georgievich -
Ph.D. in Technical Sciences, Associate Professor
Technological Institute
of Service (branch)
Don State Technical University
Stavropol
Tel.: (8928) 323-50-27 E-mail: bondarevstis@mail.ru
Serbin Evgeny Mihaylovich -
Ph.D. student Technological Institute of Service (branch) Don State Technical University Stavropol
Tel.: (8918) 886-16-30 E-mail: jeka2089@mail.ru
Важнейшим элементом точного земледелия является навигационная система. В настоящее время в различных областях широкое распространение получили спутниковые навигационные системы (СНС), которые обеспечивают высокую точность измерения координат, достаточную для решения различных задач, таких как параллельное вождение, картирование сельхозугодий, мониторинг техники и урожайности полей [1-4].
Однако СНС обладают вполне существенными недостатками, которые сдерживают их быстрое внедрение в нашей стране. Это - высокая стоимость оборудования, низкая помехоустойчивость [5]. Поэтому разработка альтернативных систем навигации не только актуальна, но и просто необходима. Бурное развитие оптико-электронной и вычислительной техники открывает такую возможность.
Известны системы навигации, обеспечивающие решение аналогичной задачи по определе-
в
естник АПК
Ставрополья
:№ 2(14), 2014
Агроинженерия
71
нию координат в ограниченной области земной поверхности, широко применяющиеся в авиации [6, 7] (системы посадки, системы ближней навигации), в дорожном строительстве и сельском хозяйстве [8]. Все эти системы объединяют высокие требования к точности системы. В настоящее время требуемая точность (~1 см) может быть достигнута только с помо-
щью оптико-электронных средств. Поэтому идея предлагаемой системы состоит в создании дискретного электромагнитного поля в инфракрасном диапазоне (1,55 мкм), которое обеспечит всепогодную и круглосуточную навигацию сельхозмашин в радиусе нескольких километров.
Рассмотрим устройство предлагаемой системы (рис. 1).
Рисунок 1 - Оптико-электронная система навигации
В начале горизонтальной системы координат ОXYZ расположен лазерный маяк, обеспечивающий сканирование околоземного пространства узким лучом полупроводникового лазера. Лазерный луч модулирован в зависимости от угла поворота а от оси ОХ по азимуту и по высоте - р.
Развертка лазерного луча может выполняться построчно-кадровым способом, который десятки лет применяется в телевидении (рис. 2).
Рисунок 2 - Устройство развертки лазерного луча:
1 - лазерный излучатель; 2 - зеркало для развертки по вертикали; 3 - зеркало для развертки по горизонтали; 4 - электродвигатель; 5 - луч лазера.
Устройство развертки лазерного луча, изображенное на рисунке 2, обеспечивает развертку по горизонтали на 360о при необходимости, для сужения горизонтальной развертки зеркало 3 необходимо выполнить в виде равносторонней пирамиды. Наиболее перспективным устройством развертки в ближайшем будущем станет, по-видимому, квантоскоп [9], который представляет собой твердотельное электронное устройство.
На сельскохозяйственной машине установлена группа разнесенных фотоприемников Р1,
Р2, Р3, которые принимают лазерное излучение, и после демодуляции полученных сигналов формируется три сигнала а1, а2, а3, об угловом положении фотоприемников по азимуту и по высоте Р1, Р2, Рз в системе координат ОXYZ. Считаем, что координаты фотоприемников Р1(В,0,0), Р2(0,В,0), Р3(0,0,В) в системе координат о^'Х'11^1^11 известны. Задача состоит в определении линейного и углового положения сельскохозяйственной машины в системе ОXYZ, заданное координатами х, у, г положения начала координат О(1) и углами ф, Y, и - определяющими угловое положение системы о'^Х'11^11 Z(11 в системе ОXYZ.
Используя методы аналитической геометрии, получим уравнения связывающие координаты сельскохозяйственной машины с измеряемыми параметрами.
(Мсое у сое и + х9'е1п а1 =
= (Мет и + у0'сое а1
(Ме1п ^ + у01э1п р., =
= (г9 - Ме1п у сое и'е1п а1 сое Р1
(Ме1п у е1п у-Мсое у сое уе1п и + х9) х
х е1п а2 = (Мсое и сое у + у0'сое а2
(Мсое и сое у + у0'е1п р2 =
(Ме1п у сое у + Мсое ует^ет и+г9'х
х е1п а2 сое Р2
(Мсое у е1п ^ + Ме1п уе1п и сое у + х9) х х е1п а3 = (у0 - Ме1п у сое и'сое а3 (у0 - Ме1п у сое и'е1пр3 = = (Мсое ^ сое у- Ме1п у е1п и е1п у + г9) х х е1п а3 сое Р3
(1)
Ежеквартальный
научно-практический
журнал
В
естник АПК
Ставрополья
Полученная нелинейная система уравнений относительно неизвестных Х9,у0^,у,¥,^ может быть решена одним из численных методов, например Ньютона, Адамса, последовательных приближений. Возможно также преобразование этой системы путем исключения переменных Х9,у0,г0 в систему трех нелинейных уравнений относительно неизвестных После решения которой численным методом остальные неизвестные могут быть найдены путем решения системы трех линейных уравнений.
Поскольку рассматриваемый способ измерения относится к навигации, то чрезвычайно важным является вопрос о потенциальной надежности и точности системы в случае ее реализации.
Надежность такой системы измерения положения может оказаться недостаточной из-за влияния атмосферных условий на информационный канал связи, возникающий между маяком при передаче сигналов а1, а2, а3, 01, 02, Р3 и фоточувствительными приемниками. Поэтому без оценки надежности такого информационного канала рассмотрение предложенного способа измерения положения является некорректным.
При правильной установке и настройке атмосферного оптического канала связи определяющим фактором надежности этого канала являются погодные условия в месте его расположения [10]. Влияние атмосферы проявляется в ослаблении луча метеорологическими факторами: дождем, снегом, туманом, песчаной бурей, а также техногенными аэрозолями. Также дополнительными факторами уменьшения мощности излучения в плоскости приема являются турбулентные образования в атмосфере и их взаимодействие с излучением лазера, что приводит к так называемым «дрожанию» луча и его «пятнистости» в плоскости приема.
Оценку вероятности сбоя оптического канала связи проведем по методике, представленной в статье Ю. И. Зеленюка, И. В. Огнева, С. Ю. Полякова и С. Е. Широбакина [10]. Основным параметром, описывающим процесс взаимодействия оптического излучения с атмосферой, является метеорологическая дальность видимости (МДВ). Погодные условия различаются не только для различных географических районов, но и от года к году. Статистическим параметром погоды для конкретного географического места, определяющим надежность канала связи, является доля времени за год, в течение которого МДВ меньше заданной величины.
Используя закон Бугера, а также фактор геометрического ослабления сигнала, получим соотношение для определения надежности канала связи в зависимости от дальности и погодных условий для конкретной местности [10].
Коэффициент 1,2 при V введен для учёта длины волны инфракрасного излучения лазеров (0,8-1,6 мкм) [10].
Полученное выражение (2) используем при вычислении вероятности сбоя оптического ка-
нала связи для различных географических регионов, таких как Ижевск, Ярославль, Киров. При этом в качестве исходных данных для вычисления использовались значения константы а,, Ь, для конкретной географической точки [10], угол расхождения излучения 10-5 рад., диаметр апертуры оптической системы приемника 0,01 м., МДВ - 30 м., N=1.
W (Ц =
а,
-1 Ь
1.42 * 10-3 L
|д
2 Л
Р Рг
V Рг е^
2.5*10"^
-31,(
©L
3
> 4
V DгJ
(2)
где р - импульсная мощность передатчиков, Вт;
Рг - чувствительность приемника при соотношении сигнал / шум 10/1, Вт;
V - метеорологическая дальность видимости, м.;
N - количество передающих лазеров;
I - фактор возможного ослабления сигнала на расстоянии дБ;
L - расстояние от передатчика до приемника, м;
0 - полный угол расходимости излучения передатчика, рад.;
Рг - диаметр апертуры оптической системы приемника, м;
W(L) - вероятность наступления погодных условий, при которых МДВ меньше расстояния оптического канала связи L, м, а, Ь, - константы для конкретной географической точки.
Результат вычислений приведен на рисунке 3. Он иллюстрирует вероятность сбоя оптического канала связи в зависимости от дистанции, выбранной в разных географических точках. Использование подобных оценок дает возможность с высокой достоверностью определить надежность канала связи для заданной дистанции или допустимую дистанцию при заданной надежности канала связи.
Ижевск.
Ярославль -
^^^ Киров
Рисунок 3 - Вероятность сбоя оптического канала связи
в
естник АПК
Ставрополья
:№ 2(14), 2014
Д = ©• L
10"5-103
10"2 м.
Агроинженерия
73
Максимальная вероятность сбоя на расстоянии 2 км для г. Ижевска (худший район для функционирования системы) равна 1,4х10-3, а вероятность безотказной работы - 99,86 %. Несложно подсчитать, что канал связи будет недоступен в течение одного года чуть более 12 часов.
Рассмотрим вопрос о потенциальной точности предлагаемой системы, для этого оценим величину сечения лазерного луча на рабочей дистанции 0,2-2 км. При расходимости луча 0 и дальности L сечение луча определяется величиной
На удалении 1 км сечение лазерного луча будет иметь величину 1 см, что и определяет порядок погрешностей измерения системы. Для
сравнения системы позиционирования GPS (ГЛОНАСС) в дифференциальном режиме имеют погрешности десятки сантиметров, что позволяет сделать вывод о том, что предлагаемая система может оказаться вполне конкурентоспособной при решении задач локальной навигации.
Таким образом, предлагаемая система обеспечивает полное решение задачи навигации, поскольку определяется не только местоположение сельскохозяйственной машины (координаты x9,y0,z0), но и ее угловое положение
(углы Y,¥,u).
Вычисление неизвестных xg,yo,Zo,в реальном времени обеспечивает знание координат положения машины и открывает возможность автоматизации управления движением в соответствии с решаемой задачей.
Литература
1. Воронков В. Н., Шишов С. А. Технологии, оборудование и опыт использования навигационных и компьютерных систем в растениеводстве. М. : ФГНУ «Росинформ-агротех». 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. Милютин В. А., Канаев М. А. Способ построения карт неоднородности гумусового горизонта // Известия ФГОУ ВПО Самарской ГСХА. 2010. № 3. С. 3-6.
4. Милютин В. А., Канаев М. А. Новый способ дифференцированного внесения удобрений при посеве сельскохозяйственных культур // Известия ФГОУ ВПО Самарской ГСХА. 2010. № 3. С. 16-18.
5. Овчаренко Л. А., Поддубный В. Н. Помехоустойчивость приема фазоманипули-рованных сигналов на фоне наиболее неблагоприятных помех // Радиотехника, 1992. № 7. С. 13-19.
6. Сосновский А. А., Хаймович И. А., Лу-тин Э. А., Максимов И. Б. Авиационная радионавигация : справочник / под ред. А. А. Сосновского. М. : Транспорт, 1990. 264 с.
7. Национальный стандарт РФ ГОСТ Р 528662007 «Глобальная навигационная спутниковая система. Станция контрольно-корректирующая локальная гражданского назначения. Технические требования» (утв. приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 27 декабря 2007 г. N 519-ст).
8. Национальный стандарт РФ ГОСТ Р 53606-2009 «Глобальная навигационная спутниковая система. Методы и технологии выполнения геодезических и землеустроительных работ. Метрологическое обеспечение» (утв. приказом Федерального агентства по техническому регулиро-
References
1. Voronkov V. N., Shishov S. A. Technologies, equipment and experience in the use of navigation and computer systems in crop production: scientific. Moscow : FGNU "Rosin-formagroteh", 2010. 80 p.
2. Adamchuck V. V., Moyseyenko B. S. Precision agriculture: the essence and technical problems // Tractors and agricultural machinery. 2003. № 8. P. 4-7.
3. Milutin V. A., Kanaev M. A. The method of drawing maps of heterogeneity of humus horizon // Proceedings of FSEI HPE Samara SAA. 2010. № 3. P. 3-6 .
4. Milutin V. A., Kanaev M. A. New way of differentiated fertilizing when planting crops // Proceedings of FSEI HPE Samara SAA. 2010. № 3. P. 16-18.
5. Ovcharenko L. A., Poddubnyy V. N. Immunity resistance of PSK signals reception against the most severe interference // Radiotekhni-ka, 1992. № 7. P. 13 -19.
6. Sosnovski A. A., Khaimovich I. A., Lutin E. A., I. B. Maksimov Aeronautical Radio Navigation : Handbook / .Ed. by A. A. Sosnovski. Moscow : Transport, 1990. 264 p.
7. National Standard GOST R 52866-2007 RF "Global Navigation Satellite System. Local control and correcting station of civilian designation. Technical specifications" (approved by the order of the Federal Agency for Technical Regulation and Metrology of December 27th, 2007 N 519- st) .
8. National Standard GOST R 53606-2009 RF "Global Navigation Satellite System. Methods and techniques of performance of geodetic and land surveying work. Metrologi-cal assurance" (approved by the order of the Federal Agency for Technical Regulation and Metrology of December 15th, 2009 N 5931st).
9. Kreopalov V. I. Device for pulsed laser illumination in night vision devices // Special vehicle. 2006. P. 3-7.
74
,,„ „„„„, Jj Ставрополья
научно-практическии журнал
ванию и метрологии от 15 декабря 2009 г. № 5931-ст). 9. Креопалов В. И. Устройства лазерного подсвета для импульсных приборов ночного видения // Специальная техника. 2006. С. 3-7. 10. Зеленюк Ю. И., Огнев И. В., Поляков С. Ю., Широбакин С. Е. Влияние погодных условий на надежность атмосферной оптической связи // Вестник связи. 2002. № 4. С.18-22.
10. Zelenyuk Yu. I., Ognyov I. V., Polyakov S. Yu., Shirobakin S. E. Influence of weather conditions on the reliability of atmospheric optical communication // Journal of Communication. 2002. № 4. P. 18-22.
