CC BY
47
Сведения об авторах
Стребков Сергей Васильевич - кандидат технических наук, профессор кафедры «Технический сервис в АПК», декан инженерного факультета, ФГБОУ ВО «Белгородский государственный аграрный университет им. В.Я. Горина» (Белгородская обл., Белгородский р-н, п. Майский, Российская Федерация). Тел.: +7(4722) 39-12-27. E-mail: strebkov_sv@bsaa.edu.ru.
Слободюк Алексей Петрович - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Техническая механика и конструирование машин», ФГБОУ ВО «Белгородский государственный аграрный университет им. В.Я. Горина» (Белгородская обл., Белгородский р-н, п. Майский, Российская Федерация). Тел.: +7(4722) 39-12-32. E-mail: slobodyuk_ap@bsaa.edu.ru.
Бондарев Андрей Владимирович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Технический сервис в АПК», ФГБОУ ВО «Белгородский государственный аграрный университет им. В.Я. Горина» (Белгородская обл., Белгородский р-н, п. Майский, Российская Федерация). Тел.: 7(4722) 39-28-70. E-mail: bondarev_av@bsaa.edu.ru.
Information about the authors Strebkov Sergey Vasilievich - Candidate of Technical Sciences, professor, dean of the Engineering faculty, FSBEI HE «Belgorod State Agricultural University named after V. Gorin» (Belgorod region, pos. Maiskiy, Russian Federation). Phone: +7(4722) 39-12-27. E-mail: strebkov_sv@bsaa.edu.ru.
Slobodyuk Alexey Petrovich - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Technical Mechanics and Machine Design department, FSBEI HE «Belgorod State Agricultural University named after V. Gorin» (Belgorod region, pos. Maiskiy, Russian Federation). Phone: +7(4722) 39-12-32. E-mail: slobodyuk_ap@bsaa.edu.ru.
Bondarev Andrey Vladimirovich - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Technical Service in Agriculture department, FSBEI HE «Belgorod State Agricultural University named after V. Gorin» (Belgorod region, pos. Maiskiy, Russian Federation). Phone: 7(4722) 39-28-70. E-mail: bondarev_av@bsaa.edu.ru.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Conflict of interests. The authors declare no conflict of interests.
УДК 621.384.3:631.544.4
РОБОТОТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ТЕПЛИЦ © 2021 г. В.А. Королёв, А.М. Башилов, С.А. Воротников
Современные тепличные комплексы - важнейший компонент современного экологически чистого агропромышленного производства. Они имеют достаточно высокие технико-экономические показатели. Тем не менее, доля применения в них ручного труда довольно существенна. В статье рассмотрена робототехническая система для теплиц, использующая группу роботов для выполнения наиболее объёмных и трудоёмких операций. После рассмотрения используемого в настоящее время тепличного технологического оборудования сформулированы технические требования к универсальной многофункциональной робототехнической системе. Разработана и описана структура многофункциональной системы управления группой технологических и транспортных роботов. В составе многофункциональной робо-тотехнической системы использованы структурированные модульные элементы: роботизированные технологические средства обеспечения экологически чистых технологий, трёхуровневая система управления и анализа информации. Функции роботов: выполнение заданных технологических операций по всей площади теплицы либо в её локальных зонах. Отдельные роботы по командам системы управления выполняют технологические операции в определённой области теплицы и, при необходимости, взаимодействуют между собой. Обоснованы архитектура, структурная схема и алгоритм работы системы управления роботами, подобраны средства её аппаратной реализации. Роботы по беспроводному каналу передают на сервер системы управления информацию о ходе процессов (объём собранных плодов, снимки ловушек с насекомыми, отклонения параметров процессов от регламентируемых и другую сопутствующую информацию). Эти данные могут сохраняться в памяти системы управления, могут подвергаться анализу, статистической обработке, применяться при формализации трендов изменения параметров технологического процесса и др. На примере технологических процессов сбора томатов описан алгоритм управления робототехнической системой.
Ключевые слова: робототехническая система, теплица, система управления, технологический робот, транспортный робот, система технического зрения.
Для цитирования: Королёв В.А., Башилов А.М., Воротников С.А. Робототехническая система для теплиц // Вестник аграрной науки Дона. 2021. № 2 (54). С. 57-63.
ROBOTIC SYSTEM FOR GREENHOUSE © 2021 V.A. Korolyov, A.M. Bashilov, S.A. Vorotnikov
Modern greenhouse complexes - the most important component of modern environmentally friendly agro-industrial production, have quite high technical and economic indicators. However, the share of manual labor is quite substantial. The article examines the robotic system for greenhouses, using a group of robots to perform the most voluminous and time-consuming operations. After reviewing the currently used greenhouse technology equipment, the technical requirements for a universal multifunctional robotic system have been formulated. The management structure of the control system of a group of technological and transport robots has been developed and described. Robot functions: performing preset technological operations throughout the greenhouse area or in its local areas. Individual robots on control commands perform technological operations in a certain area of the greenhouse and, if necessary, interact with each other. The architecture, structural scheme and algorithm of the robot management system are justified, and the means of its hardware implementation are selected. wirelessly transmit information about the progress of processes (volume of fruit collected, insect trap images, deviations of process parameters from regulated processes and other related information) to the control system server. Data can be stored in the memory of the control system, be analyzed, statistically processed, applied when formalizing trends of changes in the parameters of the process, etc. The example of the process of collecting tomatoes describes the algorithm of robotic systems control.
Keywords: robotic system, greenhouse, control system, technological robot, transport robot, technical vision system.
For citation: Korolyov V.A., Bashilov A.M., Vorotnikov S.A. Robotic system for greenhouse. Vestnik agrarnoy nauki Dona = Don agrarian science bulletin. 2021; 2 (54): 57-63. (In Russ.)
Введение. Общественные и экономические условия, технологические требования современного агропроизводства (повышение качества и рост объёмов производства агропро-дукции, сокращение использования человеческих ресурсов на вредных, тяжёлых и оперативных работах в реализациях агротехнологий и т.п.) вызывает необходимость широкого использования робототехнических устройств.
В статье рассмотрена робототехническая система обеспечения тепличного производства овощных культур. Существующие овощные тепличные хозяйства характеризует высокий уровень автоматизации технологических операций: обеспечение микроклимата, полив растений, внесение удобрений и т.п. Тем не менее, ряд ответственных и трудоёмких работ (уборка урожая, подкручивание и обвивание стеблей по мере роста растений, борьба с болезнями, вредителями и др.) осуществляют вручную, главным образом, за счёт использования сезонных рабочих [1, 2].
Для борьбы с вредителями используют ловушки, меняющие пространственное расположение в процессе роста растений - голубые
или жёлтые листы с клеевым покрытием поверхностей, требующие регулярного визуального наблюдения для выполнения мероприятий по устранению вредных насекомых (локальный ввод специальных растворов, обработка всей теплицы и т.п.). Также перед уборкой урожая и до неё визуально оценивают зрелость плодов.
Примеры агропромышленных тепличных комплексов с независимым автономным технологическим циклом: Strawberry Picking Robot -робот с блоком определения степени созревания плодов для сбора клубники; FestoWP5 -манипулятор для сбора перцев, SprayRobot -автоматическое устройство для распыления жидких растворов при производстве овощей, технологическое оборудование фирмы Panasonic [3-6].
Материал статьи изложен применительно к топологиям современных тепличных комплексов для производства овощей. Теплицы данного применения снабжены центральным и технологическими (с рельсами стандартных размеров) проходами, по обеим сторонам которых располагают ряды агрокультур (таблица) [6].
Характеристики теплицы по производству помидоров (пример)
Число поперечных рядов 108 Размер ловушек 40x25 см
Число продольных рядов 2 Размер томатов 3,5-7 см
Протяжённость рельсов 42 м Вес томатов 80-150 г
Ширина центрального прохода 3 м Размеры коробки 50x40x13,5 см
Ширина технологического прохода 0,5 м
Методика исследований. Исследование инновационных агротехнологий (точное земледелие) и применение технических устройств для их реализации базируется на использовании системологического подхода, рассматривающего агротехнологическую систему (агротехноце-ноз) как биологически самоорганизующуюся совокупность агрообъектов (биооценоз), целе-адаптивно управляемую робототехническим оборудованием (техноценоз). Исследования робототехнической системы для теплиц выполнялись исходя из следующих положений:
- биоценозы первичны по отношению к техногенным компонентам агротехноценозов [7];
- архитектура техногенных компонентов агротехноценоза, их систем управления и программного обеспечения организуется по принципу модульности и информативной открытости [1, 2].
Анализируя технологические процессы, автоматизация которых обеспечит рост технико-экономических показателей теплицы, снижение затрат ресурсов, сырья при производстве овощей, сформулировали задачи проекта:
• обосновать структуру многофункциональной робототехнической системы для теплиц;
• разработать элементы системы:
- транспортные базы (ТБ) для движения по рельсам и по бетонному полу;
- манипулятор с хватом для сбора урожая;
- систему технического зрения (СТЗ) для контроля состояния растений в ходе их вегетации, в том числе, для проверки наличия вредителей, болезней агрокультур, определения спелости конечного продукта;
- систему позиционирования транспортной базы относительно агрокультуры, манипулятора относительно плода;
- агрегат перемещения коробок (пустых и с урожаем);
- систему управления верхнего уровня;
- устройство обмена информацией с системой управления верхнего уровня.
Для исследований в среде твердотельного моделирования разработаны все компоненты робототехнической системы. Исследования систем управления, позиционирования, СТЗ выполнены в среде SimulinkMATLAB.
Результаты исследований и их обсуждение. Робототехническая система для теплиц объединяет две группы подвижных агрегатов, взаимодействующих друг с другом и системой управления верхнего уровня:
• агрегат с манипулятором технологический (АМТ), движущийся по технологическим проходам теплицы (рельсовые пути). Он реализует следующие технологические операции: анализ состояния растений; поиск, захват и отрыв зрелых плодов; размещение собранных томатов в ящиках; контроль наличия вредителей в ловушках. После замены рабочего органа он выполняет другие, в том числе локальные операции (обработка растений растворами и т.д.);
• агрегат транспортный (АТ), движущийся по центральному проходу теплицы (бетонное покрытие). Он доставляет на АМТ пустые ящики, перемещает ящики с урожаем в хранилище, перебазирует АМТ на рельсы разных технологических проходов.
При реализации агропроцессов получение актуальных (постоянно обновляемых) данных об изменении объекта воздействия осуществляют системы технического зрения (СТЗ), используемые единолично (агророботом) либо коллективно (совместно с другими устройствами).
Агрегат с манипулятором технологический для непрерывного сбора плодов вдоль одного технологического прохода имеет устройства перемещения ящиков, позиционирования робота и манипулятора, укладки собранного урожая в ящики, СТЗ (рисунок 1).
Устройство позиционирования, манипуляторы СТЗ движутся по вертикальной стойке (зубчатая рейка, роликовые направляющие). Устройство позиционирования совместно с СТЗ фиксируют расположение робота в теплице, наличие зрелых плодов, вредных насекомых в «ловушках». При этом выполняется поиск технологических реперов, для оценки спелости плодов используют эталон. Манипулятор робота осуществляет отделение спелого плода с куста поворотом вокруг плодоножки без приложения значительных усилий. Манипуляционный хват (вакуумная присоска с большой площадью поверхности контакта с плодом), кроме захвата и срывания томатов, может применяться при уборке урожая фруктов и других овощей, в том числе, некруглой (овальной) формы. Конструкция устройства перемещения тары предусматривает использование ячеек для ящиков или коробок (два ряда по четыре ячейки). Заполненные ящики или коробки смещают в соседнюю свободную ячейку (вертикально либо горизонтально с помощью «ножничного» механизма), а на её место поступает пустая тара для заполнения.
1 - транспортная база; 2 - отсек систем автономного питания и управления; 3 - устройство перемещения тары; 4 - вертикальная стойка; 5 - система технического зрения; 6 - манипулятор для сбора урожая; 7 - устройство перемещения плодов в тару; 8 - схват манипулятора Рисунок 1 - Модуль технологического манипулятора
В конструкции АТ (рисунок 2) использован сопрягаемый с рельсами 1 технологических проходов теплицы паз 2. При необходимости перемещения АМТ на другой технологический
проход, либо при замене заполненной тары на пустую, АМТ въезжает на АТ. Последний может передавать ящики или коробки 3 другим роботам, а также на разгрузку.
1 - рельсы технологического прохода теплицы; 2 - паз, сопрягаемый с рельсами технологического прохода; 3 - тара
Рисунок 2 - Модуль транспортного агрегата
Для получения актуальной регулярно обновляемой информации о ходе выполнения технологических процессов, кроме сенсорных устройств и СТЗ, установленных на передвижных транспортных базах АМТ и АТ, используются стационарные датчики и СТЗ.
Процессы функционирования компонентов многофункциональной робототехнической системы - повторяющиеся наборы действий групп АМТ и АТ в закреплённых за ними секторах промышленной теплицы (рисунок 3), обес-
печивает трёхуровневая система управления (рисунок 4). Обмен информацией между компонентами системы осуществляется по проводным линиям и Wi-Fi. В системе управления предлагается применять промышленные контроллеры ПЛК-210 с модулями расширения. В крупных тепличных комплексах для управления группами роботов возможны реализации алгоритмов «взаимодействия роя» [8, 9].
Перед началом работы система управления верхнего уровня (оператор) направляет
компонентам многофункциональной системы ции в пространстве теплицы роботы выполняют задания (технологические карты, нештатные технологические операции. задания). После самотестирования, локализа-
1 - агрегат с манипулятором технологический; 2 - агрегат транспортный Рисунок 3 - Схема расположения компонентов робототехнической системы в промышленной теплице
Рисунок 4 - Структура системы управления роботизированным комплексом
При сборе томатов система технического зрения АМТ формирует снимки растений с плодами. После анализа снимков схват манипулятора позиционируется по выбранному объекту. После идентификации спелого томата и нахождения его центра формируют траекторию подведения манипулятора, координаты позиционирования схвата для отрывания плода. Томаты, пригодные для сбора, захватываются вакуумной присоской; поворотное устройство отделяет плод от плодоножки вращением.
Далее томат поступает в пневматическую транспортировочную систему, а затем - в ящики или коробки. При заполнении тары ножничным устройством (поперечное и продольное смещения) её меняют на пустую.
После завершения обработки технологического прохода АТ переводит АМТ на контрольное расположение согласно технологическому регламенту. Замена полной тары на пустую, доставка собранных томатов к погрузчику для перевозки их на склад - функции АТ.
Конкретные АМТ могут выполнять нештатные задания: контроль отдельных ловушек, определение (отслеживание) спелости помидоров без сбора, срывание плодов в конкретной части теплицы и т.п. Для этого формируется специальное задание.
При функционировании по беспроводному каналу АМТ передаёт на сервер системы управления верхнего уровня информацию о ходе процессов (объём собранных плодов, снимки ловушек, отклонение параметров процессов от регламентируемых и другая сопутствующая информация). Эти данные могут сохраняться в памяти системы управления, могут быть подвергнуты анализу, статистической обработке, применены при формализации трендов изменения параметров технологического процесса и др.
При отклонении параметров технологических процессов от заданных технологическими картами осуществляют текущее планирование: оперативно корректируют состав и (или) параметры выполняемых технологических операций, режимов работы оборудования. Наилучшие технико-экономические показатели агро-технологий при малом потреблении материально-технических ресурсов достигаются при осознанно сформированной адаптации параметров процессов под актуальные и прогнозные изменения природных структур агротехноценоза. Эффективное прогнозирование процессов, вы-
бор алгоритмов управлений согласно прогнозу -важный и приоритетный этап в реализациях агротехнологий. Для формализации прогнозных зависимостей, используя ретроспективную информацию о предшествующих реализациях подобных процессов (база данных), рационально применить методы FuzzyLogic, математические зависимости, экстраполирующие на перспективу изменения параметров агропроцессов нормализованными функциями [8, 9].
Источники электроснабжения АМТ и АТ -автономные (аккумулятор). При применении стационарного источника электроснабжения перспективны кабельные системы (кабель-штора», кабель под натяжением), троллейные контактные системы, однопроводниковая резонансная линия [10].
Выводы. Сформирована структура многофункциональной робототехнической системы для теплиц, интегрированной в природно-техногенные системы инновационных технологий растениеводства. В составе многофункциональной робототехнической системы использованы структурированные модульные элементы: роботизированные технологические средства обеспечения экологически чистых технологий, трёхуровневая система управления и анализа информации. Установка различных рабочих органов на манипуляторе АМТ обеспечивает многофункциональное выполнение технологических операций: сбора урожая, защиты растений от болезней, вредных насекомых и др.
Параметры и режимы работы многофункционального тепличного робота способны адаптироваться к реальным и прогнозным условиям выполнения агропроцессов, к характеристикам объекта аграрного производства.
На базе изложенных материалов могут быть произведены проработки конструктивных и технологических реализаций техногенных устройств многофункционального тепличного робота, с учётом действующего типоразмерного ряда оборудования тепличных агрокомплексов.
Литература
1. Переход сельского хозяйства к цифровым, интеллектуальным и роботизированным технологиям / Е.А. Скворцов, Е.Г. Скворцова, И.С. Санду, Г.А. Иовлев // Экономика региона. - Екатеринбург: Изд-во Института экономики Уральского отделения РАН. - 2018. - Т. 14. -№ 3. - С. 1014-1028.
2. A comprehensive review on automation in agriculture using artificial intelligence / Kirtan Jha, Aalap Doshi, Poojan Patel, Manan Shah // Artificial Intelligence in Agricul-
ture. - 2019. - Vol. 2. - Р. 1-12. - URL: https://doi.org/10.1016/j.aiia.2019.05.004.
3. Strawberry Picking Robot Last updated: March 19, 2020 by Mr. Strawberry, https://strawberryplants.org/ straw-berry-picking-robot/ (data obrashcheniya 28.12.2020 g.).
4. Sweet Pepper Harvesting Robot, http://www.sweeper-robot.eu (дата обращения 11.11.2020 г.)
5. Spray robots, https://www.cmwhorticulture.co.uk/ spray-robots (дата обращения 01.10.2020 г.).
6. Агрохолдинг «Московский», https://k26km.narod.ru/t_sity/agrokombinat-Moskovsky. html. (дата обращения 11.11.2021 г.)
7. Королев, В.А. Системно-индивидуализированные принципы управления технологиями аграрного производства / В.А. Королев, А.М. Башилов, З.О. Эшмуродов // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции, посвящённой 60-летию НГМК «Перспективы инновационного развития горно-металлургического комплекса» / г. Навои, Узбекистан, 22-23 ноября 2018 г. -С. 334-337.
8. Башилов, А.М. Агротехнологии на основе группового взаимодействия видеоуправляемых роботов / А.М. Башилов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2016. - № 3. - С. 6-10.
9. Королев, В.А. Унификация управлений в агро-техноогических системах / В.А. Королев // Научные проблемы транспорта Дальнего Востока и Сибири. - 2013. -№ 2. - С. 72-75.
10. Юферев, Л.Ю. Экспериментальные модели резонансных систем передачи электрической энергии / Л.Ю. Юферев, Д.С. Стребков, О.А. Рощин. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2010. - 208 с.
References
1. Skvorcov E.A., Skvorcova E.G., Sandu I.S., Iovlev G.A. Perehod sel'skogo khozyaystva k tsifrovym, intel-lektual'nym I robotizirovannym tekhnologiyam [Agriculture's transition to digital, intelligent and robotic technologies], Jekonomika regiona, Ekaterinburg: Izd-vo Instituta jekonomiki
Ural'skogo otdelenija RAN, 2018, t. 14, No 3, pp. 1014-1028. (In Russian)
2. Kirtan Jha, Aalap Doshi, Poojan Patel, Manan Shah. A comprehensive review on automation in agriculture using artificial intelligence. Artificial Intelligence in Agriculture, 2019. - Vol. 2. - P. 1-12. URL: https://doi.org/10.1016/ j.aiia.2019.05.004.
3. Strawberry Picking Robot Last updated: March 19, 2020 by Mr. Strawberry, https://strawberryplants.org/ straw-berry-picking-robot/ (data obrashcheniya 28.12.2020 g.).
4. Sweet Pepper Harvesting Robot, http://www.sweeper-robot.eu (data obrashcheniya 11.11.2020 g.).
5. Spray robots, https://www.cmwhorticulture.co.uk/ spray-robots (data obrashcheniya 01.10.2020 g.).
6. Agroholding «Moskovskiy» [Agroholding "Moskov-skiy"], https://k26km.narod.ru/t_sity/agrokombinat-Moskovsky. html. (data obrashcheniya 11.11.2021 g.). (In Russian)
7. Korolev V.A., Bashilov A.M., Eshmurodov Z.O. Sis-temno-individualizirovannye printsipy upravleniya tekh-nologiyami agrarnogo proizvodstva [Systemically-individualized principles of agricultural technology management]: tezisy dokladov Mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii, posvjashhjonnoj 60-letiyu NGMK «Perspektivy innovacionnogo razvitija gorno-metallurgiches-kogo kompleksa», g. Navoi, Uzbekistan, 22-23 noyabrya 2018 goda, pp. 334-337. (In Russian)
8. Bashilov A.M. Agrotehnologii na osnove gruppovogo vzaimodeystviya videoupravlyaemykh robotov [Agrotechnology based on the group interaction of video-controlled robots], Mekhanizatsiya i elektrifikatsiya sel'skogo khozyaystva, 2016, No 3, pp. 6-10. (In Russian)
9. Korolev V.A. Unifikatsiya upravleniy v agrotekhnoogicheskikh sistemakh [Unification of offices in agrotechnoogic systems], Nauchnye problemy transporta Dal'nego Vostoka i Sibiri, 2013, No 2, pp. 72-75. (In Russian)
10. Yuferev L.Ju., Strebkov D.S., Roshhin O.A. Ek-sperimental'nye modeli rezonansnykh system peredachi elektricheskoy energi [Experimental models of resonant electrical transmission systems], M.: GNU VIJeSH, 2010, 208 p. (In Russian)
Сведения об авторах
Башилов Алексей Михайлович - доктор технических наук, профессор, профессор Московского авиационного института (Национальный исследовательский университет) МАИ (г. Москва, Российская Федерация). Тел.: +7-926-114-92-84. E-mail: bashilov@inbox.ru.
Королев Владимир Александрович - кандидат технических наук, доцент, доцент Московского авиационного института (Национальный исследовательский университет) МАИ (г. Москва, Российская Федерация). Тел.: +7-903-280-71-38. E-mail: vieshvk@yandex.ru.
Воротников Сергей Анатольевич - кандидат технических наук, доцент, доцент МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва, Российская Федерация). Тел.: +7-905-596-71-84. E-mail: vorotn@bmstu.ru.
Information about the authors
Bashilov Alexey Mihailovich - Doctor of Technical Sciences, professor, Moscow Aviation Institute (National Research University), MAI (Moscow, Russian Federation). Phone: +7-926-114-92-84. E-mail: bashilov@inbox.ru.
Korolev Vladimir Aleksandrovich - Candidate of Technical Sciences, associate professor, Moscow Aviation Institute (National Research University), MAI (Moscow, Russian Federation). Phone: +7-903-280-71-38. E-mail: vieshvk@yandex.ru.
Vorotnikov Sergey Anatolyevich - Candidate of Technical Sciences, associate professor, Moscow State Technical University named after N.E. Bauman (Moscow, Russian Federation). Phone: +7-905-596-71-84. E-mail: vorotn@bmstu.ru.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Conflict of interests. The authors declare no conflict of interests.
