CC BY
8
ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ АПК
ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ УДК 636.084.743
DOI: 10.26897/2687-1149-2021-4-4-8
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ РОБОТИЗИРОВАННЫМ УСТРОЙСТВОМ ДЛЯ ОБСЛУЖИВАНИЯ КОРМОВОГО СТОЛА
НИКИТИН ЕВГЕНИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧаспирант, младший научный сотрудник
[email protected], https://orcid.org/0000-0003-0918-2990.
ПАВКИН ДМИТРИЙ ЮРЬЕВИЧ, канд. техн. наук, заведующий лабораторией
[email protected], https://orcid.org/0000-0001-8769-8365.
ШИЛИН ДЕНИС ВИКТОРОВИЧ, канд. техн. наук, научный сотрудник
[email protected], https://orcid.org/0000-0002-5038-7747
Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ; 109428, Российская Федерация, г Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5
Аннотация. Предлагается разработка роботизированного устройства для обслуживания кормового стола в коровнике, осуществляющего подталкивание кормовой смеси к ограждению кормового стола и делающего его более доступным для животных. Дозатор концентрированных кормовых добавок позволяет улучшить вкусовые качества кормовой смеси, тем самым повысив уровень потребления корма животными и их продуктивность. Моделирование и проектирование узлов разрабатываемого устройства осуществлялись с использованием ПО Компас 3-D; имитационное моделирование системы управления электропривода устройства разрабатывалось в среде Matlab/Simulink; программное обеспечение для контроля параметров работы предлагаемого устройства разрабатывалось инструментами Visual Studio code на языке C-Sharp. Разработанный на основе имитационной модели электропривод позволил создать лабораторный образец роботизированной платформы. Разработанное устройство способно перемещаться в ручном и автоматическом режиме по предварительно заданной траектории. Программное обеспечение, устанавливаемое на ПК, отслеживает процесс работы устройства, его позиционирование в коровнике, количество и вид дозируемых кормовых добавок, уровень заряда АКБ. Отмечено, что внедрение разработанного устройства в технологический процесс кормления крупного рогатого скота снизит трудозатраты на кормление животных.
Ключевые слова: роботизация животноводства, автоматизированное кормление КРС, цифровая ферма, технологии кормления КРС.
Формат цитирования: Никитин Е.А., Павкин Д.Ю., Шилин Д.В. Система управления роботизированным устройством для обслуживания кормового стола // Агроинженерия. 2021. № 4(104). С. 4-8. DOI: 10.26897/2687-1149-2021-4-4-8.
© Никитин Е.А., Павкин Д.Ю., Шилин Д.В., 2021
ORIGINAL PAPER
CONTROL SYSTEM OF A ROBOTIC DEVICE USED FOR SERVICING A FEED TABLE
EVGENIY A. NIKITINpostgraduate student, Junior Research Engineer
[email protected], https://orcid.org/0000-0003-0918-2990
DMITRIY YU. PAVKIN, PhD ^ng^ Head of Laboratory
[email protected], https://orcid.org/0000-0001-8769-8365
DENIS V. SHILIN, PhD ^ng^ Research Engineer
[email protected], https://orcid.org/0000-0002-5038-7747
Federal Scientific Agroengineering Center VIM; 5, 1st Institutskiy Proezd Str., Moscow, 109428, Russian Federation
Abstract. The authors propose to develop a robotic device for servicing a feed table in the cow barn. The device is intended to push the feed mixture to the walls of the feed table and make it more accessible to animals. The dispenser of concentrated feed additives improves the taste of the feed mixture, thereby increasing the level of feed consumption and livestock productivity. The components of the considered device were modeled and designed using the Compass 3-D software; simulation modeling
of the control system of the electric drive was developed in the Matlab/Simulink environment; the software for controlling the device parameters was developed by Visual Studio code tools in the C-Sharp language. The electric drive developed on the basis of a simulation model made it possible to design a laboratory sample of the robotic platform. The developed device is capable of moving along a predetermined trajectory in manual and automatic modes. The software installed on the PC monitors the device operation, its positioning in the barn, the amount and type of feed additives dosed, and the battery charge level. It is noted that the introduction of the developed device into the technological process of feeding cattle will reduce labor costs for livestock feeding.
Key words: robotization of livestock farming, automated cattle feeding, digital farm, technologies of feeding cattle.
For citation: Nikitin E.A., Pavkin D.Yu., Shilin D.V. Control system of a robotic device used for servicing a feed table. Agricultural Engineering, 2021; 4 (104): 4-8. (In Rus.). DOI: 10.26897/2687-1149-2021-4-4-8.
Введение. Молоко - это продукт, имеющий первостепенное значение для обеспечения продовольственной безопасности большинства государств мира. С учетом перечня принятых Правительством Российской Федерации регуляторов, направленных на развитие молочной отрасли, аналитический центр Минсельхоза за период с 2015 по 2019 гг. наблюдает ежегодный рост объемов производства молока на животноводческих комплексах (около 2% от общего объёма). Существенно повысился удельный показатель продуктивности поголовья: с 4,02 т в год на 1 гол. в 2013 г. до 4,5 т соответственно в 2018 г., что составляет 11%. Во многом это обусловлено внедрением различного рода средств автоматизации и роботизации производства, которые существенно повышают производительность труда в коровнике, осуществляют физиологически адаптивное воздействие на животных - в частности, путем изменения рационов и режимов кормления [1-4].
Европейская практика последнего десятилетия свидетельствует о том, что внедрение автоматизированных и роботизированных систем кормления существенно снижает уровень стресс-факторов, влияющих на продуктивность крупного рогатого скота. Во многом это обусловлено тем, что используемые машины в процессе автоматизированного кормления оснащены электроприводом. Это обеспечивает бесшумность работы при выполнении технологических операций. Электропривод также дает возможность роботизировать выполнение различных процессов, обеспечивает автономность запрограммированных в них различных команд [5-7].
Авторами предлагается разработка роботизированного устройства для обслуживания кормового стола в коровнике, осуществляющего подталкивание кормовой смеси к ограждению кормового стола и делающего его более доступным для животных, а посредствам оснащенного дозатора концентрированных кормовых добавок улучшаются вкусовые качества кормовой смеси. Тем самым повышаются уровень потребления корма животными и их продуктивность.
Цель исследований - разработка системы управления роботизированным устройством для обслуживания кормового стола в коровнике.
Материалы и методы. Определение актуальности проводимых исследований было сформировано на основе российских и зарубежных научных публикаций в периодических изданиях (Journal of dairy science, Robotics and autonomous systems и др.), материалов международных отраслевых выставок и рекомендаций 6-го технологического уклада [8-14].
Моделирование и проектирование узлов разрабатываемого устройства осуществлялись с использованием
ПО Компас 3-D. Имитационное моделирование системы управления электропривода устройства разрабатывалось в среде Matlab/Simulink. Программное обеспечение для контроля параметров устройства разрабатывалось инструментами Visual Studio code на языке C-Sharp.
Результаты и обсуждение. Концепт роботизированного устройства для обслуживания кормового стола на животноводческих комплексах представлен 3-D моделью (рис. 1).
Рис. 1. 3-D модель роботизированного устройства для обслуживания кормового стола на животноводческих комплексах
Fig. 1. 3-D model of a robotic device used for servicing a feed table on livestock farms
Кинематическое описание движения роботизированного устройства для обслуживания кормового стола в коровнике характеризует уравнение, представленное формулой 1. Вектор сообщенных скоростей колесного робота -
q = Iх у Т <Pi ф 2 ei e2 \T, (1)
где X и у характеризуют движение по плоскости; Т характеризует угол поворота колесного робота вокруг вертикали платформы; ф1 и ф2 характеризуют, соответственно, угол поворота левого и правого приводных колес, град.; e1 и e2 - соответственно количество подаваемых импульсов на электропривод левого и правого колес; T обозначает дифференцирование по времени.
Обобщенные скорости отвечают трём уравнениям не-голономных связей (формула 2):
- XsinT + у cosT = 0;
• XcosT + у sinT + l Т- гф1 = 0; (2)
XcosT + у sinT -1Т- гф2 = 0, где r - радиус приводных колес, м.
Nikitin E.A., Pavkin D.Yu., Shilin D.V.
Control system of a robotic device used for servicing a feed table
Динамические уравнения движения робота имеют вид системы уравнений (формула 3):
жУ = — (е— + е2)+—(а + Мл ) + жаП2; ЗП = пс!£(-е2)+—(Мг -Мг )-жаП2;
г г\ (3)
Ь^1 + Де1 + — ( У + £ П) = и & г
£ ^ + Де2 +—(У - £П) = и2, & г
где М^ - момент трения качения левого колеса; М ^ - момент трения качения правого колеса; ж - суммарная масса устройства, кг; V - скорость движения, м/с; а - расстояние от центра масс робота до точки опоры приводного колеса, м; п - передаточное число редуктора; с - коэффициент
электромеханического сопротивления; U1 - управляющее напряжение электродвигателя левого колеса В; U2 - управляющее напряжение электродвигателя правого колеса В; R - сопротивление цепи электродвигателя, Ом; L - обобщенная индуктивность цепи электродвигателя; J - момент инерции робота; Q - угловая скорость робота, м/с2.
На основе кинематического и динамического описания процесса движения колесного робота в среде Mat-lab Simulink была разработана имитационная модель электропривода, позволяющая управлять импульсами 5, 10, подаваемыми на электродвигатели, которые вращают приводные колеса 1 и 3 таким образом, что устройство способно повторять различные траектории движения и радиусы разворота (рис. 2).
На основе смоделированного электропривода был разработан лабораторный образец роботизированной платформы (рис. 3).
Рис. 2. Имитационная модель электропривода роботизированного устройства для обслуживания кормового стола:
1 и 3 - приводные колёса, перемещающееся по поверхности; 2 - опорное колесо, имеющее свой угол поворота и траекторию; 5 и 10 - уровень подаваемых импульсов
Fig. 2. Simulation model of an electric drive of a robotic device for servicing a feed table:
1 and 3 - driven wheels moving along the surface; 2 - support wheel, with its own rotation angle and trajectory;
5 and 10 - level of applied pulses
Рис. 3. Лабораторный образец роботизированной платформы для разрабатываемого устройства:
а - платформа с приводными колесами; б - экспериментальный образец роботизированного устройства для обслуживания кормового стола
Fig. 3. Laboratory sample of a robotic platform for the developed device:
a - platform with driven wheels; b - an experimental sample of a robotic device for servicing the feed table
Устройство способно перемещаться в ручном и автома- позиционирование в коровнике, количество
тическом режимах по предварительно заданной траектории. и вид дозируемых добавок, уровень заряда АКБ
Программное обеспечение, устанавливаемое и пр. Окно управления программой представлено
на ПК, отслеживает процесс работы устройства, на рисунке 4.
Рис. 4. Программа управления роботизированным устройством для обслуживания кормового стола Fig. 4. Control program for a robotic device used for servicing the feed table
Выводы
1. Лабораторные исследования устройства для обслуживания кормового стола показали достоверность разработанной математической модели.
2. Разработанная программа управления роботизированным устройством обеспечивает автономность
Библиографический список
1. Лобачевский Я.П., Дорохов А.С. Перспективные научно-технические проекты в сфере механизации и роботизации сельского хозяйства // Формирование единого научно-технологического пространства союзного государства: проблемы, перспективы, инновации: Материалы постоянно действующего семинара при Парламентском Собрании Союза Беларуси и России по вопросам строительства Союзного государства. 2017. С. 333-343.
2. Павкин Д.Ю., Никитин Е.А., Зобов В.А. Система роботизированного обслуживания кормового стола на животноводческих комплексах // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2020. Т. 14. № 3. С. 33-38. DOI: 10.22314/2073-7599-2020-14-3-33-38
3. Кирсанов В.В., Павкин Д.Ю., Никитин Е.А. и др. Структурно-логистическая модель материальных потоков цифровой животноводческой фермы // Агроинженерия. 2020. № 5 (99). С. 26-32. DOI: 10.26897/2687-1149-2020-5-26-32
4. Ерохин М.Н., Катаев Ю.В., Вергазова Ю.Г. Проблемы изготовления и ремонта машин АПК с позиции принципа 5М // Сборник докладов Всероссийской научно-технической конференции «Отечественный и зарубежный
выполнения предусмотренных технологических операций, а также позволяет оценивать эффективность его работы.
3. Реализация предложенной концепции и ее внедрение в технологический процесс кормления крупного рогатого скота снизят трудозатраты обслуживающего персонала на молочных фермах.
References
1. Lobachevskiy Ya.P., Dorokhov A.S. Perspektivnye nauch-no-tekhnicheskie proekty v sfere mekhanizatsii i robotizatsii sel'skogo khozyaystva [Promising scientific and technical projects in the field of mechanization and robotization of agriculture]. In: Formirovanie edinogo nauchno-tekhnologicheskogo prostranstva soyuznogo gosudarstva: problemy, perspektivy, in-novatsii. Materialy postoyanno deystvuyushchego seminara pri Parlamentskom Sobranii Soyuza Belarusi i Rossii po voprosam stroitel'stva Soyuznogo gosudarstva, 2017: 333-343. (In Rus.)
2. Pavkin D.Yu. Nikitin, E.A. Zobov, VA. Sistema ro-botizirovannogo obsluzhivaniya kormovogo stola na zhivot-novodcheskikh kompleksah [System of robotic maintenance of the feed table at livestock farms]. Sel'skohozyaystvennye mashiny i tekhnologii, 2020; 14; 3: 33-38. DOI: 10.22314/2073-7599-2020-14-3-33-38 (In Rus.)
3. Kirsanov V.V. Pavkin, D.Yu. Nikitin E.A. Yurochka, S.S. Strukturno-logisticheskaya model' material'nykh po-tokov tsifrovoy zhivotnovodcheskoy fermy [Structural and logistic model of material flows on a digital livestock farm]. Agricultural Engineering, 2020; 5 (99): 26-32. DOI: 10.26897/2687-1149-2020-5-26-32 (In Rus.)
Nikitin E.A., Pavkin D.Yu., Shilin D.V.
Control system of a robotic device used for servicing a feed table
опыт обеспечения качества в машиностроении». Тула, 23-25 октября 2019 года. С. 158-161.
5. Иванов Ю.Г., Габдуллин Г.Г., Атаманкина Л.Н. Обоснование структурной схемы получения высококачественного молока с индивидуальными особенностями коров на роботизированных фермах // Инновации в сельском хозяйстве. 2018. № 3 (28). С. 561-570.
6. Мишуров Н.П. Информационный менеджмент молочного скотоводства // Вестник ВНИИМЖ. 2014. № 4. С. 41-48.
7. Bargo F., Muller L.D., Delahoy J.E. et al. Milk response to concentrate supplementation of high producing dairy cows grazing at two pasture allowances. Journal of dairy science. 2002; 85 (7): 1777-1792. DOI: 10.3168/jds.S0022-0302(02)74252-5.
8. Chapinal N., Veira D.M., Weary D.M. et al. Technical note: Validation of a system for monitoring individual feeding and drinking behavior and intake in group-housed cattle. Journal of Dairy Science. 2007; 90 (12): 5732-5736. DOI: 10.3168/jds.2007-0331.
9. Rudolfs Rumba, Agris Nikitenko. Development of free-flowing pile pushing algorithm for autonomous mobile feed-pushing robots in cattle farms. Engineering for Rural Development. 2018. Р. 958-963. DOI: 10.22616/ERDev2018.17.N477.
10. Tsai S.H., Kao L.H., Lin H.Y. et al. A sensor fusion based nonholonomic wheeled mobile robot for tracking control. Sensors, 2020; 20(24): 7055. DOI: 10.3390/s20247055.
11. Xin L.J., Wang Q.L., She J.H. et al. Robust adaptive tracking control of wheeled mobile robot. Robotics and Autonomous Systems, 2016; 78(C): 36-48. DOI: 10.1016/j.robot.2016.01.002
12. Boukens M., Boukabou A. Design of an intelligent optimal neural network-based tracking controller for nonholonomic mobile robot systems. Neurocomputing, 2017; 226: 46-57. DOI: 10.1016/j.neucom.2016.11.029.
13. Nikitin E., Pavkin D. Modeling the motion processes of a multifunctional robot for animal units // E3S Web of Conferences. Topical Problems of Green Architecture, Civil and Environmental Engineering, TPACEE2019. 2020. Article number 06023. https://doi.org/10.1051/e3s-conf/202016406023
14. Miller-Cushon E.K., DeVries T.J. Feed sorting in dairy cattle: Causes, consequences, and management. Journal of dairy science, 2017; 100 (5): 4172-4183. DOI: 10.3168/jds.2016-11983.
Критерии авторства
Никитин Е.А., Павкин Д.Ю., Шилин Д.В. выполнили теоретические исследования, на основании полученных результатов провели обобщение и подготовили рукопись. Никитин Е.А., Павкин Д.Ю., Шилин Д.В. имеют на статью авторские права и несут ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Статья поступила в редакцию 08.02.2021 Одобрена после рецензирования 20.04.2021 Принята к публикации 22.06.2021
4. Erokhin M.N., Kataev Yu.V, Vergazova Yu.G. Prob-lemy izgotovleniya i remonta mashin APK s pozitsii printsipa 5 m [Problems of manufacturing and repair of agricultural machinery from the point of view of the 5M principle]. Sb. dokl. Vse-ross. nauch.-tekhn. konf.: Otechestvenniy i zarubezhniy opyt obe-specheniya kachestva v mashinostroenii, 2019: 158-161. (In Rus.)
5. Ivanov Yu.G., Gabdullin G.G., Atamankina L.N. Obos-novanie strukturnoy skhemy polucheniya vysokokachest-vennogo moloka s individual'nymi osobennostyami korov na robotizirovannykh fermah [Determination of a structural scheme for obtaining high-quality milk taking into account individual characteristics of cows on robotic farms]. Innovat-sii v sel'skom khozyaystve, 2018; 3 (28): 561-570. (In Rus.)
6. Mishurov N.P. Informatsionniy menedzhment moloch-nogo skotovodstva [Information management of dairy cattle breeding]. Vestnik VNIIMZH, 2014; 4: 41-48. (In Rus.)
7. Bargo F., Muller L.D., Delahoy J.E. et al. Milk response to concentrate supplementation of high producing dairy cows grazing at two pasture allowances. Journal of Dairy Science, 2002; 85 (7): 1777-1792. DOI: 10.3168/jds.S0022-0302(02)74252-5.
8. Chapinal N., Veira D.M., Weary D.M. et al. Technical note: Validation of a system for monitoring individual feeding and drinking behavior and intake in group-housed cattle. Journal of Dairy Science, 2007; 90 (12): 5732-5736. DOI: 10.3168/jds.2007-0331.
9. Rudolfs Rumba, Agris Nikitenko. Development of free-flowing pile pushing algorithm for autonomous mobile feed-pushing robots in cattle farms. Engineering for Rural Development,, 2018: 958-963. DOI: 10.22616/ERDev2018.17.N477.
10. Tsai S.H., Kao L.H., Lin H.Y. et al. A sensor fusion based nonholonomic wheeled mobile robot for tracking control. Sensors, 2020; 20(24): 7055. DOI: 10.3390/s20247055.
11. Xin L.J., Wang Q.L., She J.H. et al. Robust adaptive tracking control of wheeled mobile robot. Robotics and Autonomous Systems, 2016; 78(C): 36-48. DOI: 10.1016/j.robot.2016.01.002
12. Boukens M., Boukabou A. Design of an intelligent optimal neural network-based tracking controller for non-holonomic mobile robot systems. Neurocomputing, 2017; 226: 46-57. DOI: 10.1016/j.neucom.2016.11.029.
13. Nikitin E., Pavkin D. Modeling the motion processes of a multifunctional robot for animal units. E3S Web of Conferences. Topical Problems of Green Architecture, Civil and Environmental Engineering, TPACEE2019, 2020. Article number 06023. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202016406023
14. Miller-Cushon E.K., DeVries T.J. Feed sorting in dairy cattle: Causes, consequences, and management. Journal of Dairy Science, 2017; 100 (5): 4172-4183. DOI: 10.3168/jds.2016-11983.
Contribution
E.A. Nikitin, D.Yu. Pavkin, D.V Shilin performed theoretical studies, and based on the results obtained, generalized the results and wrote a manuscript. E.A. Nikitin, D.Yu. Pavkin, D.V. Shilin have equal author's rights and bear equal responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare no conflict of interests regarding the publication of this paper.
The paper was received 08.02.2021 Approved after reviewing 20.04.2021 Accepted for publication 22.06.2021
