CC BY
29
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
УДК 631
К.М. Ляпишев
директор ООО "Матрица", г. Краснодар, РФ e-mail: lyapishev@thematrixclub.ru Д.В. Василенко ученик 3 класса МАОУ Лицей №64 г. Краснодар, РФ ks1964vs@mail.ru
ПРОЦЕСС АВТОМАТИЗАЦИИ ОБРАБОТКИ ЗЕМЛИ И СЕВА
Аннотация
В статье рассматриваются современные методы автоматизации сельскохозяйственной техники. Актуальность подчеркивается наличием больших площадей неиспользуемых земель и недостатком квалифицированных специалистов и инфраструктуры села. Новизна обусловлена комплексным подходом к процессу автоматизации. В статье предложена концепция автономного сельхозробота, а также его малый прототип.
Ключевые слова:
Сельхозробот, механизация, автономная система, обработка земли
Современные технологии постоянно развиваются и ищут областей применения, и сельское хозяйство очень перспективная сфера для них. Механизация и автоматизация сельского хозяйства повышают производительность труда, способствуют увеличению выпуска сельскохозяйственной продукции, росту её качества [5].
Актуальность темы обусловлена наличием больших площадей неиспользуемых земель и недостатком людей на селе и подтверждается действиями Россельхознадзора [10], благодаря которому внесены изменения в земельное законодательство [9], и позволяет раньше изымать неиспользуемые земли у нерадивых собственников и арендаторов.
По данным доклада "О состоянии сельских территорий в Российской Федерации" Минсельхоза России, площадь неиспользуемых земель сельскохозяйственного назначения составляет 39,4 млн га, или 10,3% от общей площади земель сельскохозяйственного назначения [2, с. 15]. Одной из ключевых причин образования неиспользуемых земель является ухудшение экономического положения территорий, снижение численности населения, обусловленное как экономическими, так и социальными проблемами [3, с. 92].
Причём, даже в Южном федеральном округе общая площадь неиспользуемых земель достигает 3 млн га [9], а в Краснодарском крае 135 тыс. га [3, с. 88]. Ниже представлена карта площадей и долей неиспользуемых земель в регионах степной зоны РФ в 2013 году (рис. 1) [3, с. 95], из которой видно, что даже в степной зоне, где условия для выращивания агрокультур достаточно хорошие, есть много регионов, где до четверти сельскохозяйственных земель не используется (Ростовская область, Республика Крым, Волгоградская область), а иногда до половины (Саратовская область) и более (Чеченская республика и Курганская область).
Таким образом, становится понятно, что проблема заброшенных земель не относится только к регионам со сложными климатическими условиями.
Рисунок 1 - Площадь и доля неиспользуемых земель в площади сельскохозяйственных земель в регионах степной зоны РФ в 2013 году.
1. Вовлечение неиспользуемых земель в оборот
Для использования заброшенных сельскохозяйственных земель мы предлагаем автоматизировать процессы обработки земли и сева. Это позволит решить одну из главных причин: нехватку квалифицированных специалистов. Новизна предложенных решений состоит в комплексном подходе к процессу автоматизации обработки земли и сева, которая обеспечивает практически полную независимость от присутствия людей. При разработке автономной системы управления сельскохозяйственным роботом необходимо определить концепцию позиционирования и навигации. Робототехнический комплекс должен обладать следующими режимами вождения:
1. Дистанционное ручное управление оператором.
2. Автоматическое управление.
В большинстве случаев робот должен выполнять работу автономно, дистанционное управление необходимо только при возникновении проблемы с автономным управлением или нештатных ситуациях.
Для позиционирования и навигации сельхозробота мы предлагаем использовать систему спутникового позиционирования GPS или ГЛОНАСС. Работа таких систем обширно используется в различных областях промышленности и транспорта, и становится всё дешевле и доступней из-за массового использования.
С развитием техники данные системы всё точнее позволяют определять местоположение объекта, доводя свою точность до нескольких метров (это экономичный вариант) [11], а при использовании режима RTK (Real Time Kinematic) точность позиционирования может вырасти до сантиметров (но это потребует удорожания проекта для установки GNSS систем, как базовых станций для трансляции поправок) [12].
Для контроля за действием робота, его местоположение можно будет всегда отследить, а при возникновении нештатной ситуации он подаст сигнал оператору, который может принять решение о продолжении работы робота или его ручной корректировке. Также на роботе должно быть установлено несколько камер для возможности визуального контроля за действием робота.
Для более полной автоматизации помимо автоматического управления сельхозроботом (по средствам систем GNSS), нужна автоматизация процесса обслуживания (заправка топливом, смена рабочего оборудования). Для этого мы предлагаем создать специальные станции, где робот в автоматическом режиме может демонтировать одно оборудование (например, плуг), и установить другое (например, сеялку). Для реализации этого предложения придется несколько усовершенствовать существующую сельхозтехнику, то есть не каждая единица может быть на сколько автоматизирована, но по нашим расчётам при использовании
~ 85 ~
уже существующих машин и их небольшой доработки, это не станет большой помехой с экономической точки зрения.
2. Другие реализации автоматизированных сельскохозяйственных машин
Роботизация и автоматизация в сельском хозяйстве очень перспективна, поэтому многие мировые компании обращают внимание на эту сферу и предлагают свои решения.
Например, уже сейчас некоторые комбайны оснащены GPS-датчиками для их отслеживания или следования по определённому маршруту, но они всё равно требуют наличия оператора внутри машины.
Существуют роботы, помогающие бороться с сорняками: автономная полевая система оснащена самостоятельной системой навигации, умеет составлять карты проведенных работ, вести документацию и статистику. Принцип действия робота заключается в том, что он автоматически находит сорняки, отличая их по форме листьев и программной обработке снимков и вдавливает их глубже в землю (рис. 2) [6].
Рисунок 2 - BoniRob. Стартап дочерней компании Bosch - Deepfield Robotics, а также Amazonen Werke совместно с Техническим институтом Оснабрюка.
Уже разработана система, которая сама собирает яблоки. Робот распознаёт местонахождение плодов и с помощью пылесосообразной системы засасывает яблоки [6].
Для автоматизации сельхозробота Момот и др. предложили использовать отслеживание положения робота относительно четырех маячков с инфракрасными излучателями [1], но проблема данного подхода в том, что эти маячки будет необходимо постоянно выставлять и следить за ними. Авторы построили малый прототип сельскохозяйственного робота (рис. 3) и привели обобщенный алгоритм нахождения углов для маячков для навигации робота [1].
Вращающиеся у^нонлпрлвленнь«" пригмиики ИК сигналоп
Рисунок 3 -. Малый прототип сельскохозяйственного робота
~ 86 ~
Также известны решения, основанные на использовании для навигации систем машинного зрения [13,14], а также комплексные сложные системы управления, включающие в себя технику разного назначения и управляющий комплекс [4].
"Росэлектроника" (структурное подразделение "Ростеха") приступила с созданию комплекса автоматизированного управления сельскохозяйственной техникой. Проект осуществляется в интересах "Ростсельмаша", а разработчиком выступает НИИМА "Прогресс". Этот проект для создания автопилота использует ГЛОНАСС/GPS приёмники [7].
Каждый из упомянутых способов имеет свои достоинства и недостатки, но наш взгляд, на данный момент использование такой проверенной системы, как GPS или ГЛОНАСС, позволит добиться максимальной точности при затрате минимума средств, ведь повсеместное использование систем спутникового позиционирования позволяет постоянно улучшать качество и точность навигации, а также снижает среднюю стоимость оборудования, что в перспективе приведёт к ещё большей экономии средств при реализации проекта.
3. Малый прототип сельскохозяйственного робота
Для более наглядной демонстрации проекта мы сделали модель сельхозробота, который может автономно выполнять поставленные задачи. Для упрощения на нём установлены сразу несколько "насадок", а при реализации будет специальное оборудование, которое позволит демонтировать и устанавливать необходимые насадки. (рис. 4).
Г
Рисунок 4 - Малый прототип сельскохозяйственного робота на основе конструктора Lego Mindstorms EV3.
На нём установлено 3 "насадки". Первая - плуг, которая управляется сервоприводом. Для точного движения мы использовали энкодеры (датчики оборотов мотора) и гироскоп для определения углов поворота робота. При реализации этого проекта для выполнения автономной навигации сельхозробота мы предлагаем использовать спутниковые системы GPS или ГЛОНАСС. В задней части робота расположена вторая насадка - сеялка с ящиком для семян и сошниками. В передней части робота расположен культиватор, где под действием сервопривода и зубчатой механической передачи происходит вращение оси культиватора. Благодаря культивированию происходит борьба с сорняками, влагосбережение и окучивание. Робот оснащён ультразвуковым датчиком для предотвращения столкновения с посторонними предметами. Гироскоп запрограммирован на защиту от дрейфа, ультразвуковой датчик защищает робота от столкновения, инфракрасный датчик позволяет дистанционно управлять роботом оператору, если необходимо (рис. 5).
Сошники
Сервоприводы (Моморы)
Рисунок 5 - Схема расположения элементов на прототипе сельхозробота.
Заключение
Реализация данного проекта позволит без наличия специалистов на селе начать освоение неиспользуемых земель, которое обеспечит очень сильный экономический эффект, ведь получение урожая с такой огромной территории (по разным данным от 40 до 100 млн га, что сравнимо с территорий такой страны, как Франция) позволит увеличить общее количество производимой сельхозпродукции в России. А с учетом, что 1 рабочее место в сельском хозяйстве создаёт до 3-4 в других отраслях [8], то это может дать толчок к созданию нескольких миллионов новых рабочих мест и экономическому рывку. Также процесс выращивания урожая станет более выгодным за счёт экономии на зарплате работникам, ведь при практически полной автоматизации процесса обслуживающий персонал практически не нужен. Именно экономическая выгода является целью данного проекта.
В результате автоматизации сельхозробот может работать практически круглосуточно, в 4 смены, обеспечивая минимум двукратное увеличение производительности в сравнении с людьми. А это позволит в 2 раза уменьшить количество техники, так как с увеличением производительности прежний объём работ можно будет выполнить в срок с меньшим количеством техники, что приведёт с удешевлению первоначальных вложений для реализации проекта в сравнении с традиционным методом.
Реализация данного проекта нуждается в больших инвестициях, но мультипликативный экономический эффект быстро сможет оправдать эти инвестиции, ведь без процесса автоматизации развитие неиспользуемых земель практически невозможно или стоит огромных денег (создание инфраструктуры для обслуживания сельхозпредприятия потребует возведения жилья для людей, проведения коммуникаций, дорог, создания школ, детсадов, больниц, досуговых учреждений и др.) и нереально для реализации в нынешней экономической ситуации. Список использованной литературы:
1. Момот М.В., Проскоков А.В., Натальченко А.С., Биктимиров А.С. Автоматизация обработки почвы роботом // Современные наукоемкие технологии. - 2016. - № 5-3. - С. 468-475.
2. О состоянии сельских территорий в Российской Федерации в 2015 году. Ежегодный доклад по результатам мониторинга (третий выпуск). М.: ФГБНУ "Росинформагротех", 2017, - 352 с.
3. Оптимизация структуры земельного фонда и развитие сети ООПТ в степной зоне России / Под научной ред. академика РАН А.А. Чибилёва. - Оренбург: ИС УрО РАН, 2016, - 212 с.
4. Emmi L. New Trends in Robotics for Agriculture: Integration and Assessment of a Real Fleet of Robots / L. Emmi, M. Gonzalez-de-Soto, G. Pajares, P. Gonzalez-de-Santos // The Scientifi c World Journal - 2014. - Vol.
2014. - P. 21-25.
5. http://enciklopediya-tehniki.ru/promyshlennost-na-a/avtomatizaciya-v-selskom-hozyaystve.html
6. http://robot-on.ru/articles/avtomatizatciia-selskogo-hoziaistva
7. http://rostec.ru/news/4518715/
8. http://sergeeffff.livej ournal.com/79617.html
9. https: //fsvps.ru/fsvps/news/ 19890.html
10.https://rg.ru/2016/07/07/rg-rossiia-24-neispolzuemye-zemli-selhoznaznacheniia-najdut-novyh-hoziaev.html
11. https://ru.wikipedia.org/wiki/GPS
12.https://ru.wikipedia.org/wiki/Real_Time_Kinematic
13. Kummerle R. Autonomous Robot Navigation in Highly Populated Pedestrian Zones/R. Kummerle, M. Ruhnke, B. Steder, C. Stachniss, W. Burgard //. J. Field Robotics - 2015. - Vol. 32. - P. 565-58917.
14. Rumyantsev K.E. Positioning autonomous mobile robot based on measurements onboard digital stereo vision system / K.E. Rumyantsev, S.V. Kravtsov // International Journal of Robotics Applications and Technologies (IJRAT) - 2014. - ol. 2, № 2. - P. 37-77.
© Ляпишев К.М., Василенко Д.В., 2018
