СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ АВТОМАТИЗАЦИИ И РОБОТИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ АГРАРНОГО ПРОИЗВОДСТВА Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

Научная статья УДК 338.43:004

doi: 10.47576/2949-1916_2023_2_8

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ АВТОМАТИЗАЦИИ И РОБОТИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ АГРАРНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Егоров Илья Андреевич

Кубанский государственный аграрный университет, Краснодар, Россия, egorovlyambda@mail.ru

Шипулин Николай Сергеевич

Кубанский государственный аграрный университет, Краснодар, Россия, shipulin200002@gmail.com

Косников Сергей Николаевич

Кубанский государственный аграрный университет, Краснодар, Россия, kosnikov.s@edu.kubsau.ru

Аннотация. В статье рассматриваются варианты применения робототехники в сельском хозяйстве, практика зарубежных и российских исследователей в эксплуатации различных сельскохозяйственных дронов, возможности современных технологий повышать эффективность производства и применения их на предприятиях. Отмечается, что увеличение производительности и конкурентоспособности товаров является неотъемлемым условием успешной борьбы в глобальной конкуренции в аграрной сфере. Развитие материально-технической базы и использование роботизированных технологий позволяют перейти от увеличения энергоемкости к повышению технического уровня. Дается анализ экономической эффективности использования дронов, а также технологии на основе аналитических компонентов роботизированных устройств. При подготовке статьи был проведен анализ актуальной информации из открытых информационных источников. Результатом исследования является информационная база, необходимая для разработки роботизированного производства.

Ключевые слова: робототехника; сельское хозяйство; информатика; инновационные технологии; автоматизация.

Для цитирования: Егоров И. А., Шипулин Н. С., Косников С. Н. Современные технологии автоматизации и роботизации процессов аграрного производства // Региональная и отраслевая экономика. - 2023 - № 2 - С. 8-17. 10.47576/29491916 2023 2 8.

Original article

MODERN TECHNOLOGIES OF AUTOMATION AND ROBOTIZATION OF AGRICULTURAL PRODUCTION PROCESSES

Egorov Ilya A.

Kuban State Agrarian University, Krasnodar, Russia, egorovlyambda@mail.ru

Shipulin Nikolay S.

Kuban State Agrarian University, Krasnodar, Russia, shipulin200002@gmail.com

Kosnikov Sergey N.

Kuban State Agrarian University, Krasnodar, Russia, kosnikov.s@edu .kubsau.ru

Abstract. The article discusses the options for the use of robotics in agriculture, the practice of foreign and Russian researchers in the operation of various agricultural drones, the possibilities of modern technologies to increase the efficiency of production and their application at enterprises. It is noted that increasing the productivity and competitiveness of goods is an essential condition for a successful struggle in global competition in the agricultural sector. The development of the material and technical base and the use of robotic technologies make it possible to move from an increase in energy intensity to an increase in technical level. The analysis of the economic efficiency of using drones, as well as technology based on analytical components of robotic devices, is given. During the preparation of the article, the analysis of relevant information from open information sources was carried out. The result of the research is the information base necessary for the development of robotic production.

Keywords: robotics; agriculture; computer science; innovative technologies; automation.

For citation: Egorov I. A., Shipulin N. S., Kosnikov S. N. Modern technologies of automation and robotization of agricultural production processes. Regional and branch economy, 2023, no. 2, pp. 8-17. doi: 10.47576/2949-1916_2023_2_8.

Робототехника сегодня является одним из самых перспективных направлений в области информационных технологий [1]. В первую очередь это связано с быстрорастущей конкуренцией на рынке, где так важна эффективность каждого этапа производства, поэтому рынок сегодня готов предложить широкую номенклатуру решений тех или иных задач.

Сельское хозяйство не исключение, наоборот, стремительный рост населения планеты и экологические проблемы стимулировали исследования в области применения роботов, позволяющих выращивать культуры, взаимодействовать со скотом и управлять крупными сельскохозяйственными угодьями. Так, Б. Н. Рамеш утверждает, что сельскохозяйственная робототехника занимает 39 % от всего рынка [2]. Это в свою очередь предоставило фермерам инструмен-

тарий для эффективного масштабирования производства, который способен отвечать вызовам современности.

Интеллектуальное сельское хозяйство является одним из важнейших направлений, ведь оно направлено на решение жизненно важной проблемы, а именно снабжение потребителей соответствующим объемом требуемой продукции без серьезного влияния на окружающую среду. Робототехника является инструментом, способным в уже ближайшем будущем серьезно повлиять на ведение агрокультурной деятельности.

Робот - это программируемая машина, которая может выполнять задачу, в то время как термин «робототехника» описывает область исследований, сосредоточенную на разработке роботов и автоматизации [3]. Каждый робот обладает разным уровнем автономии. Эти уровни варьируются от ботов,

управляемых человеком, которые выполняют задачи, до полностью автономных ботов, которые выполняют задачи без каких-либо внешних воздействий.

Роботизированные устройства получили широкое применение в промышленности, однако уже в 80-х годах XX века началось активное их внедрение в сельское хозяйство. Так, в 1984 г. советский ученый В. И. Васянин упоминал применение роботов на животноводческих фермах и теплицах [4].

В то время как общий мир робототехники расширяется, робот обладает некоторыми постоянными характеристиками:

1. Роботизированные устройства состоят из механической конструкции. Механический аспект робота помогает выполнять задачи в той среде, для которой он предназначен. Например, колеса марсохода Mars 2020 имеют индивидуальный привод и изготовлены из титановых трубок, которые помогают ему прочно держаться на местности Красной планеты.

2. Роботизированным устройствам нужны электрические компоненты, которые управляют оборудованием и приводят его в действие. По сути, электрический ток, например батарея, необходим для питания подавляющего большинства роботов.

3. Автономные механизмы содержат некоторый уровень компьютерного программирования. Без набора кода, указывающего ему, что делать, робот был бы просто еще одной частью простого механизма. Внедрение программы в робота дает ему возможность знать, когда и как выполнять ту или иную задачу.

Рост численности населения требует увеличения сельскохозяйственного производства для удовлетворения растущего спроса. Нехватка рабочей силы угрожает выживанию фермеров, во многих странах эта потребность заставила производителей продуктов питания обратиться к роботам и автономным машинам. В. И. Набоков утверждает, что подобная практика способна значительно нарастить объемы производства [5].

Сельскохозяйственные роботы собирают яблоки, клубнику, листья салата и выпалывают сорняки. Дроны собирают аэрофотоснимки, которые помогают фермерам быстро оце -нить состояние урожая, а роботизированные теплицы вырастают за тысячи миль от тра-

диционных сельскохозяйственных угодий, выращивая овощи на задних дворах городских рынков с высоким потреблением.

Уборка урожая подходит для автоматизации, так как это физически утомительно и тре -бует большого количества повторений. Сбор урожая требует ловкости рук и деликатных действий. Многие фрукты легко повреждаются и мнутся, а листовые овощи легко рвутся. Большинство роботов просто недостаточно развиты, чтобы справиться с таким уровнем точности. Агротехнологические компании работают над устранением этого препятствия и, по мнению Б. А. Рунова [6], уже сегодня существует большое количество решений, которые готовы эффективно выполнять даже самую сложную работу.

Сельскохозяйственная робототехника -это относительно новая область, которая активно развивается и занимается решением задач, связанных с автоматизацией процессов в сельском хозяйстве с помощью роботизированных устройств. На сегодняшний день актуальные проблемы сельскохозяйственной робототехники следующие:

- разработка и создание эффективных ро -бототехнических решений для аграрных задач;

- уменьшение затрат на производство ро-бототехнических устройств, чтобы сельское хозяйство стало доступным для большего числа фермеров;

- создание эффективных программных алгоритмов, которые позволят робототехни-ческим устройствам управляться с растениями, работать в динамических условиях и про -гнозировать поведение объектов;

- развитие технологий дистанционного управления, предоставляющих возможность контроля и управления робототехническими устройствами через смартфоны, планшеты и другие устройства;

- расширение возможностей использования робототехнических устройств в разных климатических условиях и типах почвы.

Сегодня изучением робототехники в сельском хозяйстве занимается большое количество исследовательских и образовательных организаций. Некоторые из них включают в свои программы изучение таких тем, как автоматизация процессов сбора урожая, обработки почвы, контроля за состоянием растений и управления животноводством.

Перечислим примеры организаций и проектов, занимающихся разработкой робототех-нических решений для сельского хозяйства:

1. Blue River Technology - компания, занимающаяся разработкой роботов-агрономов для сбора урожая и обработки почвы, применяющая автоматическую систему, которая использует машинное зрение и глубокое обучение для определения состояния растений и выбора оптимального способа их обработки.

2. John Deere - компания-производитель сельскохозяйственной техники, которая разработала автономные машины для сбора урожая, управления конфигурацией почвы, а также роботов-дозаторов для точного распределения удобрений и семян.

3. iRobot - компания, знаменитая своими роботами-пылесосами, также занимается разработкой роботов для сельского хозяйства, в частности автономными роботами-агрономами, которые сканирую поля и позволяют исправить недостатки в росте растений.

4. Harvard Wyss Institute - научно-технический центр, который разрабатывает ро-бототехнические автономные системы для контроля за растениями, микророботов для сбора опрыскивателей.

5. AgBot Challenge - это конкурс, организуемый с целью поощрения участников, представивших инновационные решения, позволяющие улучшить производительность и эффективность в сельском хозяйстве.

Технологический процесс обработки полей может различаться в зависимости от

типа почвы, климата, культурных растений и других факторов. Однако общие этапы обработки полей включают:

1. Подготовка почвы, целью которой является создание оптимальных условий для роста культурных растений. В зависимости от состояния почвы, происходят различные мероприятия, окучивание, прополка, распашка и т. д.

2. Посадка растений - на этом этапе происходит размещение семян или саженцев на подготовленном участке земли, а также ряд мероприятий по установке систем полива.

3. Обработка растений - включает в себя такие действия, как полив, обработка от вредителей и болезней, подкормка, прополка сорняков.

4. Сбор урожая - начинается после того, как культурные растения достигнут зрелости и готовы к сбору. Сбор может производиться вручную или автоматически при помощи специализированных машин.

Робототехника может использоваться на всех этапах обработки полей. Роботы позволяют прополоть почву или убрать сорняки, позаботиться о поливе и обработке растений от вредителей и болезней, а также собрать урожай и перенести его на транспорт.

Рассмотрим применение роботизированных устройств в зависимости от агротехнических мероприятий.

В настоящее время для подготовки почвы к посеву чаще всего используются роботы La Chevre и Turtle.

Роботизированное устройство Nexus

■ ■ f V? Li — ---- Г^Т -< - J. -v

Т TZ ^;

■ L tr ■ — 4 rv т J Ja- ihs*-ff - .. f ^ с /Г- JS JT

Рисунок 1 - Роботизированное устройство Nexus robotics - La chevre НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ

robotics - la chevre (рис. 1) автономно перемещается и удаляет сорняки, использует камеры и нейронную сеть для различения сорняков и посевных площадей. La chevre специализируется на точной работе без повреждения посевов, постоянно собирает данные об урожае и условиях выращивания. Информация позволяет фермеру принимать более обоснованные решения о плодородии почвы и борьбе с болезнями.

Роботизированное устройство Turtle занимается прополкой домашнего огорода, его основные преимущества - простота в использовании и надежность в эксплуатации (рис. 2). Сорняки, которые прорастают, срезаются с помощью триммера. Turtle робот на солнечных батареях. Он контролирует сорняки в течение всего сезона, использует карту высот, чтобы отличить растения от сорняков.

Компании EC AGCO и Fendt (рис. 3) разработали небольшие мобильные платформы, которые могут работать под управлением облачной системы Xaver (Ксавер). Роботы

предназначены для планирования, мониторинга и документирования посадок кукурузы. Роботы фиксируют точные положения и время посева каждого семени.

Рисунок 3 - Роботизированное устройство Xaver

Terra sentia - робот, который осуществляет анализ посевов в реальном времени (рис. 4). Используя технологии искусственного интеллекта и машинного обучения, способен анализировать большие объемы информации, структурировать их выводить в понятной для пользователя форме.

Множество датчиков и камер позволяют проводить глубокий анализ параметров, таких как состояние почвы и ее насыщенность теми или иными веществами, стадия созревания растений, их здоровье, а также погодные условия и их влияние на посевы.

Рисунок 4 - Роботизированное устройство Terra Sentia

Дуо - робот с автономным энергопотре- ет интеллектуальное и экологичное опрыски-блением и навигацией, который обеспечива- вание (рис. 5).

Рисунок 5 - Роботизированное устройство Avo

Главной особенностью данной машины ший ущерб растениям и затрачивая при этом является умный подход к опрыскиванию, ко- минимальное количество вещества. торый помогает наносить как можно мень- Роботизированное устройство Gus по-

зволяет выращивать больше продуктов питания, используя меньшее количество ресурсов (рис. 6). Он использует сложную комбинацию автомобильных датчиков дрв ПЬаг и фирменного программного обеспечения для передвижения по садам без участия бортового оператора. Технологии данной ма-

шины позволяют обеспечить точность и эффективность, а также снижение затрат на ма -териалы. Select spray определяет желаемое дерево и распыляет определенное количество материала, необходимого для надлежащего покрытия каждого дерева, независимо от высоты или размера кроны.

Рисунок 6 - Роботизированное устройство Gus Ag

Harvest crew оказывает поддержку производителям клубники (рис. 7). Система сбора ягод, установленная на комбайне, обеспечи-

вает 360-градусный обзор полей, что позволяет более точно перемещаться по полям.

Рисунок 7 - Роботизированное устройство Harvest Crew

Все роботизированные устройства име- выбору всегда необходимо осуществлять с ют отличия, которые могут повлиять на вы- вниманием к специфике каждого устройства бор при их приобретении, поэтому подход к (табл. 1).

Таблица 1 - Характеристика роботизированных устройств [7]

Характеристика Наименование роботизированного устройства

LesChevre Turtle Xaver Terra Sentia

Габариты 2500x1200x1500 см 44,5x31,8x25,4 см 150x110x120 см 60x45x100 см

Вес 1500кг 3,5 кг 200 кг 15 кг.

Компания Nexus Robotics Franklin Robotic Fendt (AGCO) Agerris

Область применения Прополка сорняков Прополка сорняка Посев культур Анализ культур, почвы

Автономность До 24 часов в сутки До 8 часов 6 - 12 часов 4-6 часов

Культуры обработки Салат, лук, морковь Картошка, салат, лук, морковь Кукуруза, пшеница Любые, в зависимости от конфигурации

Эффективность Обработка до 4 га в день 250 м2 Зависит от условий. Серьезно зависит от условий работы

Скорость До 7 км/ч 61 м/ч 3,5 км/ч 1,6 км/ч

Страна производства Израиль США Германия США

Расход энергии 3 кВт Нет данных 10-40 кВт 220 Вт

Стоимость Нет данных $499 $10000+ $6000

Характеристика Наименование роботизированного устройства

Avo Gus Ag Harvest Crew

Габариты 200х100х120 см 460x280x240 см 366x320x305 см

Вес 500-1000 кг 6800 кг 2495

Компания Smart Ag Blue River Harvest CROO Robotics

Область применения Опрыскивание Опрыскивание Сбор урожая

Автономность До 12 часов 5-10 часов До 20 часов

Культуры обработки Любые, в зависимости от конфигурации Любые, в зависимости от конфигурации Клубника

Эффективность 10 га в день До 20 гектаров в сутки 400-600 кг клубники в час

Скорость 12 км/ч 12 км/ч 1 м\с

Страна производства США США США

Расход энергии Нет данных Серьезно варьируется в зависимости от использования 3 кВт

Стоимость Нет данных $200000-$300000 Нет данных

Роботизированные устройства в сельском хозяйстве имеют преимуществ перед ручным трудом, включая экономию времени и снижение затрат, увеличение производительности, улучшение качества продукции, увеличение безопасности, увеличение удобства и уменьшение негативного воздействия на окружающую среду.

Роботы могут выполнять однотипные задачи непрерывно 24/7 без перерывов и выходных, что значительно экономит время и снижает затраты на оплату труда. Они также могут работать быстрее и эффективнее, уменьшая время выполнения задач и повышая качество продукции.

Важным применением сельскохозяйственных дронов является использование их для агрохимической обработки. Ранее это делали только при помощи земных средств, пока специализированные авиационные средства не появились. Тестиро-

вание такой технологии было проведено в Кабардино-Балкарском научном центре Российской академии наук, где с помощью октокоптера DJI Дд^ были обработаны различные сельскохозяйственные угодья, включая десикацию подсолнечника и кукурузы. Оказалось, что десикация является эффективным методом, который позволяет ускорить созревание семян, сократить время сушки и освободить от машинной уборки. Планируется также оснастить дрон программно-аппаратным комплексом для интеллектуального мониторинга и анализа состояния полей в разных зонах, чтобы узнать, где есть заболевшие растения и где наблюдается обгорание участков поля.

Результаты оценки эффективности применения октокоптера DJI Дд^, испытания которого проводились в Кабардино-Балкарском научном центре РАН, представлены в табл. 2.

Таблица 2 - Результаты применения октокоптера DJI Agras [8]

Показатель Значение

Стоимость октокоптера, руб. 1000000

Затраты на: 18726,4

- электроэнергию

- услуги автотранспорта 95000

- на содержание октокоптера 113726,4

Оплата труда: 420000

- оператора

- помощника 396000

Годовая экономия рабочей силы, руб. 816000

Амортизация за год 20 %

Срок окупаемости, лет 1,4

Прибыль, руб. 140454,72

Таким образом, в настоящее время развитие технологий автоматизации и роботизации процессов в аграрной отрасли становится все более актуальным. Они позволяют повысить эффективность и качество производства, снизить затраты на трудовые ресурсы и улучшить экологическую обстановку. Современные технологии автоматизации и роботизации процессов аграрного производства включают использование различных датчиков, устройств управления, компьютерных программ и роботов. Они позволяют сократить затраты на труд, проводить точную и бережливую обработку почвы, организовывать удобный и точный уход за культурами, сбор и уборку урожая.

В современном мире уже используются роботизированные тракторы, которые выпол-

няют задачи по посеву, поливу и удобрению полей. Также существуют роботизированные системы, которые обеспечивают мониторинг и управление процессами складирования и транспортировки сельскохозяйственной продукции. Однако внедрение современных технологий в аграрный сектор необходимо проводить с учетом специфики отрасли и особенностей региона. Необходимо обучать персонал и подготавливать инфраструктуру для успешной реализации проектов по роботизации и автоматизации в аграрном секторе. Использование современных технологий в аграрном производстве поможет сделать отрасль более эффективной и экологически чистой, а также даст возможность повысить качество и количество производимой продукции.

Список источников

1. Химиченко А. А. Перспективы робототехники // ЭКО. 2008. № 9(411). С. 77-86.

2. Рамеш Бабу Н., Набоков В. И., Скворцов Е. А. Классификация и особенности робототезники в сельском хозяйстве // Аграрный вестник Урала. 2017. № 3. С. 82-87.

3. Казахбаева Г У., Казахбаева Г У. Роботы и искусственный интеллект // Наука, техника и образование. 2016. № 12(30). С. 31-33.

4. Скворцов Е. А., Водолазский Ф. В., Аскерко В. В. Сущность и функции сельскохозяйственной робототезники // Аграрный вестник Урала. 2017. № 12(166). С. 12.

5. Набоков В. И., Некрасов К. В., Скворцов Е. А. Целесообразность использования робототехники в сельском хозяйстве // Московский экономический журнал. 2018. № 4. С. 30

6. Рунов Б. А. Тенденции развития сельскохозяйственной техники. Итоги выставки в Ганновере // Политематический сетевой электронный научный журнал кубанского государственного аграрного университета. 2011. № 74. С. 747-753.

7. Развитие образовательной робототехники: проблемы и перспективы / С. А. Зайцева, В. В. Иванов, В. С. Киселев, А. Ф. Зубаков // Образование и наука. 2022. Т. 24, № 2. С. 84-115.

8. Хаджиева М. И., Край К. Ф. Экономическая эффективность внедрения инновационных технологий в сельское хозяйство в эпоху сквозной цифровизации // Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН. 2020. № 6 (98). С. 155-164.

References

1. Khimichenko A. A. Prospects of robotics. ECO. 2008. No. 9(411). Pp. 77-86.

2. Ramesh Babu N., Nabokov V. I., Skvortsov E. A. Classification and features of robotics in agriculture. Agrarian Bulletin of the Urals. 2017. No. 3. Pp. 82-87.

3. Kazakhbaeva G. U., Kazakhbaeva G. U. Robots and artificial intelligence. Science, technology and education. 2016. No. 12(30). Pp. 31-33.

4. Skvortsov E. A., Vodolazsky F. V., Askerko V. V. The essence and functions of agricultural robotics. Agrarian Bulletin of the Urals. 2017. No. 12(166). P. 12.

5. Nabokov V. I., Nekrasov K. V., Skvortsov E. A. Expediency of using robotics in agriculture. Moscow Economic Journal. 2018. No. 4. P. 30.

6. Runov B. A. Trends in the development of agricultural machinery. The results of the exhibition in Hanover. Polythematic network electronic scientific journal of the Kuban State Agrarian University. 2011. No. 74. Pp. 747-753.

7. Development of educational robotics: problems and prospects / S. A. Zaitseva, V. V. Ivanov, V. S. Kiselev, A. F. Zubakov. Education and Science. 2022. Vol. 24, No. 2. Pp. 84-115.

8. Khadzhieva M. I., Kraj K. F. Economic efficiency of the introduction of innovative technologies in agriculture in the era of end-to-end digitalization. Izvestiya Kabardino-Balkarian Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. 2020. No. 6 (98). Pp. 155-164.

Сведения об авторах

ЕГОРОВ ИЛЬЯ АНДРЕЕВИЧ - студент 3 курса факультета прикладной информатики, Кубанский государственный аграрный университет, Краснодар, Pоссия, egorovlyambda@mail.ru ШИПУЛИН НИКОЛАЙ СЕРГЕЕВИЧ - студент 3 курса факультета прикладной информатики, Кубанский государственный аграрный университет, Краснодар, Pоссия, shipulin200002@gmail.com КОСНИКОВ СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ - доцент кафедры экономической кибернетики, Кубанский государственный аграрный университет, Краснодар, Pоссия, kosnikov.s@edu.kubsau.ru

Information about the authors

EGOROV ILYA A. - 3rd year student of the Faculty of Applied Informatics, Kuban State Agrarian University, Krasnodar, Russia, egorovlyambda@mail.ru

SHIPULIN NIKOLAY S. - 3rd year student of the Faculty of Applied Informatics, Kuban State Agrarian University, Krasnodar, Russia, shipulin200002@gmail.com

KOSNIKOV SERGEY N. - Associate Professor of the Department of Economic Cybernetics, Kuban State Agrarian University, Krasnodar, Russia, kosnikov.s@edu .kubsau.ru