CC BY
192
УДК 681.5
06.00.00 Сельскохозяйственные науки
РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА В РАСТЕНИЕВОДСТВЕ
Смирнов Игорь Геннадьевич к.с-х.н., учёный секретарь РИНЦ БРШ-код автора: 3667-9385
Артюшин Анатолий Алексеевич член-корр. РАН
РИНЦ БРШ-код автора 2763-2322
Хорт Дмитрий Олегович
к. с-х. н., заведующий лабораторией
РИНЦ БРШ-код автора: 3353-1010
Филиппов Ростислав Александрович к.с-х.н, ст. научн. сотр. РИНЦ БРШ-код: 4742-7353
Кутырёв Алексей Игоревич аспирант
РИНЦ БРШ-код: 9793-5074
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства, Россия
Цымбал Александр Андреевич д.с-х.н., профессор, РИНЦ БРШ-код: 164199 Тимирязевская академия, Москва, Россия
В статье рассмотрены тенденции развития АПК на основе интеллектуализации технических средств, разработки и внедрении роботизированных машин в различные технологические операции. Проанализированы особенности конструкций и практического применения роботов с системами технического зрения в растениеводстве. Выявлена целесообразность и эффективность внедрения новых физических приемов обработки растений с помощью робототехнических средств, которые позволят автоматизировать технологические процессы обработки растений. Проведен анализ подвижности разрабатываемой в ВИМе модели робота на основе имитационного математического моделирования при различных условиях эксплуатации. Для проверки модели проведены расчеты динамического поведения корпуса робота при различных режимах движения. Представлены графики параметров движения, полученные по
UDC 681.5 Agriculture
ROBOTIC MEANS IN PLANT GROWING
Smirnov Igor Gennadevich Cand.Agr.Sci., science secretary RSCI SPIN-code: 3667-9385
Artyushin Anatoliy Alekseevich
Corresponding member of Russian Academy sciences
RSCI SPIN-code: 2763-2322
Khort Dmitry Olegovich Cand.Agr.Sci.
RSCI SPIN-code: 3353-1010
Filippov Rostislav Aleksandrovich Cand.Agr.Sci.
RSCI SPIN-code: 4742-7353
Kutyrev Alexey Igorevich postgraduate student RSCI SPIN-code: 9793-5074
Federal State Budgetary Scientific Institution All-Russian Research Institute of Mechanization for Agriculture of Russian Academy of Science, Russia
Тsimbal Aleksandr Andreevich
Dr.Sci.Agri., professor
RSCI SPIN-code: 164199
Russian State Agrarian University, Timiryazev
Agricultural Academy, Moscow, Russia
The article considers tendencies of development of the agroindustrial complex based on intellectualization of technical means, development and implementation of robotic machines in different manufacturing operations. We have analyzed design features and practical application of robots with vision systems in crop production. We have identified the feasibility and effectiveness of the introduction of new physical methods of processing plants by means of robotic tools that will automate technological processes of processing plants. The article describes the analysis of the mobility of the model of robots developed in the WIM based on mathematical simulation at different operating conditions. To check the model, we present calculations of the dynamic behavior of the robot body at different driving modes. The study shows the graphs of movement parameters obtained from the results of simulation and dynamics of dispersal. The analysis identified the advantages of technological application of
результатам моделирования динамики разгона. В the robot on the example of gardening результате анализа определены преимущества технологического применения робота на примере садоводства
Ключевые слова: ИННОВАЦИИ, РОБОТЫ, Keywords: INNOVATION, ROBOTS, EFFICIENCY,
ЭФФЕКТИВНОСТЬ, ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ INTELLIGENT SYSTEM, COMPUTER VISION СИСТЕМА, ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗРЕНИЕ
Современной тенденцией развития сельскохозяйственного производства является его интеллектуализация, т.е. применение интеллектуальных систем (ИС) для управления технологическими процессами и операциями, принятия оптимальных решений при управлении продукционными процессами в поле и на ферме.
В настоящее время находят практическое применение беспилотные тракторы и сельскохозяйственные агрегаты с интеллектуальными системами управления движением, технического зрения, способные распознавать образы, отличать культурное растение от сорняков и качественно выполнять технологическую операцию. Применение сельскохозяйственных роботов направлено на повышение экологической безопасности продукции, минимизацию вредного воздействия химикатов на человека и увеличение урожайности продукции [1].
Мировой рынок сельскохозяйственных роботов находится в фазе активного роста. Сельскохозяйственные роботы используются в каждом аспекте сельского хозяйства: полевые работы, доения, производство и сбор урожая, контроль состояния растений и животных. Сельскохозяйственный рынок роботов бурно развивается, и в 2013 г. достиг $ 817 млн.
$70,000 $«0.000 $60,000 $40.000 $30 Л 00 £20,000 $10,000 10
'¡ч -ГТо1 Т1ТУ Н
2015 201& 2017 201» 2019 2020 2021 2022 2023 2024
Рис. 1 - Прогноз развития рынка робототехнических средств для
сельского хозяйства
По экспертным прогнозам, к 2020 г. эта цифра достигнет $ 16,3 млрд. Это значительный рост для зарождающегося рынка, который в ближайшее время обеспечит выход на качественно новый уровень воспроизводственных процессов в сельском хозяйстве.
Производство сельскохозяйственной продукции с применением робототехнических средств обеспечит реализацию национальных инициатив и стратегий развития страны.
К перспективным направлениям развития сельскохозяйственной робототехники относятся:
- оснащение робототехнических средств искусственным интеллектом;
- разработка интеллектуальных систем позиционирования машин на сельскохозяйственной плантации с учётом рельефа местности, влажности грунта и технологических параметров насаждений.
- использование робототехнических средств для выведения новых сортов или пород с улучшенными характеристиками;
- расширение сферы применения робототехнических средств при производстве продукции растениеводства и животноводства.
Прогнозная структура применения сельскохозяйственных роботов представлена на рисунке 2.
Ш Уход за посевами I Уборка урожая Обслуживание животноводческих ферм
■ Мониторинг состояния растений и почвы ■ Переработке сельскохозяйственной продукции
15.00%
Рис.2. - Прогнозная структура применения сельскохозяйственных роботов
Обзор конструктивных параметров существующих
робототехнических средств, получивших широкое распространение в промышленном растениеводстве отражает тенденции развития конструкций современных робототехнических систем для растениеводства (табл. 1).
Таблица 1 - Обзор конструктивных параметров существующих робототехнических средств для растениеводства
«ВИМ» - ЭЛЕКОМ 2,0 Двигатель, мощность -Электромоторы 2х1000 Вт Тип движителей -колесный Масса -250 кг Скорость движения -до 5 км/ч Тип управления - ГЛОНАСС Назначение: опрыскиватель-гербицидник
Garre Anatis, Франция Двигатель, мощность - Электромоторы 4x1000 Вт Тип движителей -колесный Масса -800 кг Скорость движения -10км/ч Тип управления - GPS Назначение: уход за молодыми посадками картофеля, земляники и других низкорастущих культур.
Lynex TX1500, Дания
Двигатель, мощность -Дизель, 45 л.с. Тип трансмиссии -гидростатическая трансмиссия
-гусеничный -2200 кг -10 км/ч
- дистанционное 800 метров
Тип движителей Масса
Скорость движения Тип управления
Назначение: кошение с мульчированием
Agrobot SW6010, Испания
Двигатель, мощность -Lombardini Diesel 20,6 кВт Тип трансмиссии - гидростатическая трансмиссия Тип движителей - колесный
Скорость движения - до 10 км/ч Тип управления - система навигации Назначение: сбор, сортировка, упаковка урожая
Двигатель, мощность - Isuzu 3 3000 Вт
RoboGreen, Италия
Тип движителей Масса
Скорость движения Тип управления
- гусеничный -1040 кг -7 км/ч
-дистанционное 150 метров
Назначение: косилка, измельчитель
Wall-Ye, Франция
Двигатель, мощность - Электродвигатель
Тип движителей - колесный
Масса - 20 кг
Скорость движения - 5,4 км/ч
Тип управления - GPS
Назначение: обрезка лоз винограда (до 600 лоз за
день), удаление непродуктивных молодых побегов.
BoniRob, Германия
Двигатель, мощность - Электродвигатель Тип движителей - колесный
Масса -1100 кг
Скорость движения -5,4 км/ч Тип управления -
Назначение: прополка, внесение удобрений, мониторинг насаждений
Naio, Франция
Двигатель, мощность -Электродвигатель Тип движителей - колесный
Масса - 20 кг
Скорость движения -5,4 км/ч Тип управления - GPS
Назначение: обрезка, уборка урожая
Таблица 1 - Робототехнические средства для растениеводства: а) «ВИМ» -Элеком, Россия - 2,0 б) Garre Anatis, Франция в) Agrobot SW6010, Испания г) BoniRob, Германия д) RoboGreen, Италия Во Всероссийском НИИ механизации сельского хозяйства (ВИМ, г. Москва) разрабатываются фундаментальные основы создания и применения ИС в сельскохозяйственном производстве, специализированное программное обеспечение, средства автоматизации, инновационные машины и оборудование для получения различной информации об объектах обработки, принятия управленческих решений и реализации высокоточных интеллектуальных технологий производства продукции растениеводства и животноводства. Например, активно ведутся работы по обоснованию технологического применения и разработки интеллектуальных машин для садоводства [1,2,4]. Разрабатываемый робот для садоводства оснащается системой технического зрения и различными модулями для обработки садовых растений (рис. 3).
а) б) в) г)
Рис.3 - Робот для садоводства с различными модулями: а) модуль «Лазерный облучатель растений» б) модуль «Мониторинга урожайности» в) модуль «Опрыскиватель-гербицидник» г) модуль «Магнитно-
импульсной обработки растений» Анализ подвижности модели робота на основе имитационного математического моделирования демонстрирует модели динамического поведения корпуса робота при различных режимах движения в условиях агрофона многолетних насаждений. Исходными данными для расчёта выступают: масса т = 153 кг номинальная мощность тягового двигателя ,
моменты инерции, относительно осей х, у, 2, 93,26; ; ; кг • ; радиус колеса г = 0,3 м.
В программном комплексе многотельного проектирования математическая модель робота представлена в виде совокупности тел с различными упругодемпфирующими характеристиками. Данный метод позволяет на этапе проектирования провести оптимизацию конструктивных параметров.
Ь«р://е] .kubagro.ru/2016/04/рсШ109.pdf
Рис. 4 - Динамическая модель корпуса Уравнение динамики корпуса:
где *>с = \л,1 .а) - вектор координат центра масс корпуса в
т
неподвижной системе координат; С°с (^ж-^у.^гт) вектор проекции угловой скорости корпуса на подвижную, связанную с корпусом, систему
координат; т - диагональная матрица масс тела; ]
диагональная матрица главных центральных моментов инерции корпуса; г; ~ трехмерный вектор внешних сил, действующих на точку, заданный в неподвижной системе координат; Т\. ~ радиус-вектор точки приложения силы в подвижной системе координат; ^ел. ~ трехмерный вектор внешних моментов, действующих на точку, заданный в подвижной системе координат; - количество внешних моментов; ^ ■ (0с ~ вектор моментов гироскопических сил; ^ - вектор кинетического момента тела;
ортогональная матрица поворота (ориентации) - переводит вектор, заданный в подвижной системе координат, в неподвижную систему.
В описании модели используются кинематические уравнения Эйлера:
Ф
где Ф, , - корабельные углы Эйлера - углы последовательных поворотов вокруг осей х,у,7 связанной с корпусом системой координат. Матрица поворота определяется через углы:
А = {соБв^зтсрБтЭсозф + созфБтхр® -соБфзтвсозф + зтфБтф) 1((—■соБвБапр)^—я
На рис.4 представлены графики параметров движения, полученные по результатам моделирования динамики разгона.
а б
Рис. 5 - Графики параметров движения: а) график изменения скорости
б) график изменения ускорения Робот в автоматическом режиме с помощью системы технического зрения и технологического адаптера с электрическим цилиндром будет подстраивать высоту и угол модулей с навесным оборудованием под высоту растений и, продолжая движение, вести их обработку [3,5].
Выводы
В современных условиях ведения сельского хозяйства использование роботизированных машин (на примере садоводства) позволит создавать высокоинтеллектуальное, автоматизированное производство, позволяющее полностью заменять ручной труд и сокращать потери рабочего времени, связанные с человеческим фактором [6].
Применение разрабатываемого в ВИМе робота для садоводства с различными модулями позволит повысить качество, функциональную активность растений, сократить количество хим. обработок и сэкономить трудовые затраты на 15-25%.
Литература
1. Измайлов А.Ю., Личман Г.И., Марченко Н.М. Точное земледелие: проблемы и пути решения Сельскохозяйственные машины и технологии. 2010. № 5. С. 9-14.
2. Хорт ДО., Филиппов Р.А., Кутырёв А.И. Многофункциональное робототехническое средство с системой технического зрения // Инновации в сельском хозяйстве. - 2015. - № 4(14). - С. 115-121.
3. Смирнов И.Г., Хорт Д.О., Филиппов Р. А. Машины для точного земледелия в садоводстве // Инновационное развитие АПК России на базе интеллектуальных машинных технологий: Сб. докл. Междунар. науч.- техн. конф. - М.: ВИМ. 2014. -С.376-379.
4. Измайлов А.Ю., Смирнов И.Г., Хорт Д.О., Филиппов Р.А. Анализ технологического применения многофункционального беспилотного робота // Интеллектуальные машинные технологии и техника для реализации государственной программы развития сельского хозяйства: Сб. Докл. науч. техн. конф.Ч.2 -М.:ВИМ, 2015. - С. 207-209.
5. Измайлов А.Ю., Смирнов И.Г., Лобачевский ЯП., Хорт Д.О., Филиппов Р.А. Роботы для современных машинных технологий в растениеводстве// Интеллектуальные машинные технологии и техника для реализации государственной программы развития сельского хозяйства:Сб. Докл. науч. техн. конф.Ч.2 -М.:ВИМ, 2015. - С. 129-132.
6. Пат. 156677 РФ. Самоходный робот-опрыскиватель для обработки растений земляники и других низкорастущих культур / Измайлов А.Ю., Филиппов Р.А., Хорт Д.О., Смирнов И.Г., Гришин А.А., Гришин А.П., Марченко Л.А. // Бюл, 2015. - №31.
7. Хорт Д.О., Филиппов Р.А., Смирнов И.Г. Технологические адаптеры для современных машинных технологий в садоводстве // Система технологий и машин для инновационного развития АПК России: Сб. докл. Междунар. науч.- техн. конф. Ч.1. -М.: ВИМ. 2013. - С.199-202.
References
1. Izmajlov A.Ju., Lichman G.I., Marchenko N.M. Tochnoe zemledelie: problemy i puti reshenija Sel'skohozjajstvennye mashiny i tehnologii. 2010. № 5. S. 9-14.
2. KHort D.O., Filippov R.A., Kutyrjov A.I. Mnogofunkcional'noe robototehnicheskoe sredstvo s sistemoj tehnicheskogo zrenija // Innovacii v sel'skom hozjajstve. - 2015. - № 4(14). - S. 115-121.
3. Smirnov I.G., ^ort D.O., Filippov R.A. Mashiny dlja tochnogo zemledelija v sadovodstve // Innovacionnoe razvitie APK Rossii na baze intellektual'nyh mashinnyh tehnologij: Sb. dokl. Mezhdunar. nauch.- tehn. konf. - M.: VIM. 2014. - S.376-379.
4. Izmajlov A.Ju., Smirnov I.G., KHort D.O., Filippov R.A. Analiz tehnologicheskogo primenenija mnogofunkcional'nogo bespilotnogo robota // Intellektual'nye mashinnye
1еИпо^п 1 1еИшка ёЦа геа112асИ gosudarstvennoj programmy га2у111]а sel'skogo Ьо2]а]81уа: СЬ. Dok1. паисЬ. tehn. konf.Ch.2 -М.:У1М, 2015. - Б. 207-209.
5. Izmaj1ov Л.1и., Smirnov 1.О., Lobachevskij 1а.Р., KHort D.O., Fi1ippov Я.Л. Roboty d1ja sovremennyh mashinnyh tehno1ogij v rastenievodstve// Inte11ektua1'nye mashinnye tehno1ogii i tehnika d1ja rea1izacii gosudarstvennoj programmy razvitija se1'skogo hozjajstva:Cb. Dok1. nauch. tehn. Ьп£СЬ.2 -М.:У1М, 2015. - Б. 129-132.
6. Pat. 156677 ЯБ. Samohodnyj robot-opryskivate1' d1ja obrabotki rastenij zem1janiki i drugih nizkorastushhih ku1'tur / Izmaj1ov Л.Ju., Fi1ippov Я.Л., ШГ! D.O., Smirnov !&, Grishin Л.Л., Grishin Л.Р., Marchenko L.Л. // Bju1, 2015. - №31.
7. КШГ! D.O., Fi1ippov Я.Л., Smirnov I.G. Tehno1ogicheskie adaptery d1ja sovremennyh mashinnyh tehno1ogij v sadovodstve // Sistema tehno1ogij i mashin d1ja innovacionnogo razvitija ЛРК Rossii: Sb. dok1. Mezhdunar. nauch.- tehn. СЬ.1. - М.: УIM. 2013. - S.199-202.
