CC BY
142
ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА
УДК 631.171+[621.37/39:631.145]
A.М. Башилов, доктор техн. наук, профессор
B.А. Королёв, канд. техн. наук, доцент
ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина»
ВИДЕОНАБЛЮДЕНИЕ И НАВИГАЦИЯ В СИСТЕМАХ ТОЧНОГО ЗЕМЛЕДЕЛИЯ
Использование систем дифференцированного (точного) земледелия (СТЗ) — это основанный на принципах преемственности и поступательного развития, а также новейших научных достижениях и инновационном развитии техники и технологий новый технологический подход мировых трендов повышения эффективности агропроизводства. Его реализация предусматривает мониторинг сельхозугодий для оценки и прогнозирования развития растений и состояния возделываемого угодья, целенаправленное дозированное применение для депрессивных участков или растений оптимизированных (по качеству, урожайности, энергоресурсозатратам) агротехнологий.
СТЗ являются техногенной частью самоорганизующихся структур агротехноценозов. Как и в других подобных метасистемах, инфраструктура СТЗ охватывает многочисленные технические устройства, связанные информационными потоками и средствами управления.
В число этих устройств входят системы видеонаблюдения и навигации (СВН). Видеонаблюдение в условиях агропроизводства повышает точность позиционирования рабочих органов относительно объекта при снижении стоимости оборудования и эксплуатации системы навигации.
В настоящее время созданы и успешно внедряются в различных сферах индустрии (космическая, авиационная, автомобильная и др.) системы видеонаблюдения (СВН), в том числе с использованием технических средств высококачественного стереоскопического разномасштабного технического зрения. Известные СВН решают задачи локализации (определение собственных координат) и картографирования (составление представления об окружающем пространстве препятствий и свободных путей) с применением дальномеров (лазерные, инфракрасные, ультразвуковые), систем технического зрения. При внедрении известных СВН в сельском хозяйстве требуется их доводка и доработка с учетом специфики агропроизводства: возделываемые угодья неоднородны по рельефу, почвенному покрову, агрохимическому содержанию, росту и развитию растений, степени повреждений; необходима трехмерная привязка мобильного рабочего агрегата к реальному текущему местоположению в полевых условиях (к отдельным растениям, меже, междурядьям поля и т. п.); требуется вычисление траектории движения мобильного средства на основе видеоданных, уточнение координат текущего местоположения рабочего агрегата по ориентирам для увеличения точности и повышения надежности на-
7
вигации, обнаружение препятствий, обочин, межи, человека или животного; при производстве технологических операций выполняется рассмотрение каждого метра земли на площади в тысячи гектаров, определение состояния посевов с подробностью до одного растения (их удельной растительной массы, наличия сорняков, вредителей), сопровождение целевой реализации технологических операций, например, внесение удобрений и обработка химикатами с учетом физиологического состояния растений по данным бортовых датчиков и др.
В общем случае технологический процесс видеонаблюдения за растениями можно представить в виде последовательной реализации вероятных событий — информационно-аналитических процедур регистрации:
Р = Р Р бР б Р Р Р ,
упр нал обз обн рас реш ней’
где Рупр — вероятность реализации управления растениями по результату регистрации биометрического признака растений; Рнал — вероятность наличия биометрического признака в пространстве агроценоза; Робз — вероятность обзора пространства агроценоза системой видеонаблюдения; Робн — вероятность обнаружения местоположения биометрического признака системой видеонаблюдения; Ррас — вероятность распознавания состояния растений по параметрам биометрического признака системой компьютерного зрения; Рреш — вероятность принятия правильного диагностического решения о состоянии растений; Рисп — вероятность исполнения управляющего действия по изменению параметров биометрического признака.
Структуры систем видеонаблюдения и навигации
Наиболее простыми по составу и в эксплуатации являются стационарные СВН, например телескопические посты кругового видеонаблюдения. Посты кругового обзора территории, охраны, а также мониторинга роста и развития агрокультуры устанавливают в центре возделываемого угодья на телескопической вышке. Основные характеристики данной системы: одна или две купольные камеры кругового обзора на телескопической мачте; мобильность, быстрота развертывания, малое время подготовки к работе; высота обзора 6...19 м. «Перекрытие» вышками с телекамерами гарантирует круглосуточное видеонаблюдение за состоянием полей на всем инспектируемом угодье.
При невозможности или нецелесообразности монтажа вышек, а также в случае необходимости обеспечения их мобильности и оперативного перемещения в инспектируемые зоны телескопическую вышку целесообразно разместить на мобильном подвижном средстве, например на грузовике ЗИЛ-130 или др.
Известны варианты смешанной (стационарномобильной) инсталляции СВН. Например, в агромостовой системе средства технического зрения размещают на мачтах и на движущейся ферме мостового агрегата (рис. 1).
При значительных площадях возделываемого угодья монтаж вышек (стационарных или мобильных) может оказаться экономически нецелесообразным и(или) технически сложным. В таких ситуациях функции мониторинга растений в посадках могут быть переданы мобильному рабочему агрегату (роботу, трактору, автомобилю), оснащенному СВН. На рис. 2 показаны мобильные сельскохозяйственные роботы зарубежного производства, снабженные средствами технического зрения [1].
Еще одним вариантом относительно дешевой реализации СВН является использование при видеоинспекции полей в качестве баз для размещения ее технических средств движущегося по заданному маршруту, с заданной скоростью, на заданной высоте беспилотного летательного аппарата. При этом полученные данные с беспилотного летательного
Рис. 1. Структура стационарно-мобильной инсталляции СВН на примере агромостовой системы земледелия:
1 — технологические датчики агрохимического и агрофизического состояний (температуры и влажности воздуха, температуры и влажности почвы, интенсивности солнечного излучения, минерального состава почвы в зоне корневых систем растений); 2, 3, 4 — участки обрабатываемого угодья; 5 — ферма агромостового агрегата; 6 — каретка; 7 — рабочие органы; 8 — ходовые тележки; 9 — средства ближнего (точного) видеосканирования и фотографирования; 10 — средства дальнего (грубого) видеосканирования и фотографирования наблюдения
в
б
Рис. 2. Мобильные сельскохозяйственные роботы зарубежного производства:
а — робот «Лукас» для удаления сорняков с грядок (Швеция); б — робот Буе-Маі/е; в — робот СОК№ске1 для выполнения операций на кукурузном поле
аппарата рабочим исполнительным агрегатам передаются по шине беспроводной связи. В отличие от пилотируемого самолета, использование которого связано с техническими проблемами и финансовыми затратами, управлять комплексом может один человек без специальной подготовки. В результате мы получаем видеоматериал высокого качества, на основе которого составляется электронная карта разнокачественности фитосанитарного состояния поля.
В качестве примера практической реализации видеонаблюдения растений в посадках можно рассмотреть беспилотный авиационный комплекс «Инспектор» на базе микролетательного аппарата массой 0,9 кг и дальностью полета 45 км. Он предназначен для обнаружения неравномерности развития растений в период вегетации и фитосанитарной инспекции сельскохозяйственных угодий.
При обработке больших сельхозугодий в настоящее время начинают применять спутниковые системы навигации. Однако в чистом виде эти системы дают координаты реального объекта обработки (межа, междурядья картофельного поля и т. п.) с существенной ошибкой. Это ухудшает эффек-
тивность применения геоинформационных систем и не позволяет эффективно решать проблемы точной обработки пашни, внесения удобрений и ядохимикатов.
На базе системы технического зрения можно проводить анализ состояния посевов, урожайности, засоренности сорняками и вредителями. Но поскольку необходима привязка полученных данных к участку местности (2D карта) и рельефу (3D карта) поля, необходимо синхронизовать съемку с навигационными данными за счет применения GPS или «ГЛОНАС».
Информационно-управляющие технологии мобилизации агроресурсов
При построении современных систем управления сельскохозяйственными территориями и производствами ключевую роль играют геоинформа-ционные системы (ГИС), позволяющие оценивать обоснованность принимаемых решений на основе моделирования технологических процессов с учетом условий агропроизводственной среды.
Концепция управления распределенными ГИС на основе адаптации структуры их мультисервис-
9
ных сетей связи к структуре агропроизводственных задач заключается в обеспечении возможностей быстрого информационного доступа к накопленным и текущим данным о состоянии (поведении) агрообъектов и их визуализацию по запросу специалистов. Сегодня на современном уровне развития науки и техники мы имеем:
• распределенные геоинформационные модели и макеты местности;
• спутниковые базовые навигационные станции и дистанционное управление пространственно распределенными объектами;
• системы космического, авиационно-воздушного, наземного видеомониторинга сельскохозяйственных объектов и территорий;
• видеоцифровые и мультимедийные способы и средства диспетчеризации;
• инновационные энергоресурсосберегающие проекты агротехнологий и агропроизводств.
В любой технологии электронно-оптического
мониторинга и управления сельскохозяйственным производством одно из основных мест занимает система видеонаблюдения, обеспечивающая исчерпывающую информацию об идентифицируемом объекте и его поведении. На рис. 3 приведена инфра-
структура организации управления территориально распределенным аграрным производством с использованием мобильных и дистанционных систем видеонаблюдения.
Видеокамеры (ПКВН, МКВН, СПВН, ВБ, ВБПУ, БПЛА), направленные на объекты аграрного производства, выдают на выходе видеосигнал (видеокадры, видеоряды, видеопотоки). По коаксиальным кабелям и беспроводным радиоканалам видеоинформация поступает на рабочее место оператора и через коммутаторы КПВ и КСС выводится на монитор. Дополнительно могут быть реализованы различные автоматизированные режимы: организации и архивации видеоинформации с возможностью повторного просмотра; обнаружения траектории движения подвижных объектов; распознавания объектов по морфологическим признакам; концентрирования внимания оператора на видеокамерах, зафиксировавших отклонение поведения объектов и агротехнологических параметров.
Видеонаблюдение может осуществляться как с наземных камер, расположенных на мобильных транспортных средствах, так и с использованием видеокамер, расположенных на беспилотном летательном аппарате [2-4].
Рис. 3. Схема интеграции управления территориально-распределенным аграрным производством с использованием мобильных и дистанционных систем СВН:
МСС — мультисервисная сеть связи; БПЛА — беспилотный летательный аппарат; НКУ — наземный комплекс управления видеоцифровой съемкой; УВК — устройство видеоконтрольное с блоком питания и коммутации; БПК — бортовой передвижной видеокомплекс; ВБ — видеокамера бортовая; ВБПУ — видеокамера бортовая с поворотным устройством; КПВ — коммутатор пакетный высокоскоростной; ККС — контроллер каналов связи; ПКВН — переносной комплекс видеонаблюдения; МКВН — мобильный комплекс видеонаблюдения; СПВН — стационарный пункт видеонаблюдения и управления
На стационарных пунктах видеонаблюдения и управления собирается видеоинформация с нескольких мобильных комплексов. Для ее отображения используют специализированный монитор, программы анализа и обработки потоков видеоцифро-вых изображений. Монитор позволяет отображать информацию от четырех и более направлений видеонаблюдения, принимать управляющую информацию от видеорегистраторов, сопровождая ее звуковыми и световыми сигналами или командами на автоматические исполнительные устройства.
Для реализации предложенного проекта управления территориально распределенным аграрным производством с использованием мобильных и дистанционных систем видеонаблюдения требуются значительные материально-финансовые затраты. Однако если считать неиспользованные возможности, потенциально существующие, но невостребованные, то мы имеем заведомо залоговую эффективность их применения.
Выводы
1. Современное развитие сельскохозяйственного производства характеризует наличие существующих безграничных невостребованных информационно-управляющих ресурсов для развития и совершенствования агротехнологических процессов.
2. Для решения проблем энергоресурсосберегающей оптимизации агротехнологий целесообразным представляется разработка системы управ-
ления роботизированными агротехнологическими комплексами с использованием мобильных дистанционных систем видеонаблюдения и навигации.
3. В условиях перехода на рыночные отношения определяющим критерием эффективности производства является экономический. Использование беспилотного летательного аппарата в качестве базы для размещения технических средств системы видеонаблюдения и навигации позволит сократить перечень и стоимость услуг систем глобальной навигации и пилотируемой авиации при видеоинспекции полей.
4. Рассмотренные технические решения позволят строить системы дистанционного наблюдения за объектами аграрного производства и территориями любой протяженности и размеров.
Список литературы
1. Efficient robots for precision farming [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.fieldrobot.wur.nl, свободный. — Загл. с экрана.
2. Башилов, А.М. Визуализация и наблюдение системной сложности точного земледелия. Машинные технологии производства продукции в системе точного земледелия и животноводства / А.М. Башилов. — М.: ВИМ, 2005. — С. 207-213.
3. Башилов, А.М. Безграничные возможности инновационных технологий видеонаблюдения и видеоадминистрирования / А.М. Башилов // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ Агроинженерия. — М., 2007. — № 2(22). — С. 12-16.
4. Колесников, Ю.П. Концепция создания геопростран-ственных систем видеосвязи на базе новых возможностей мультисервисных сетей обмена информацией / Ю.П. Колесников, М.Ю. Аванесов // Информация и космос. — 2007. — № 4. — С. 56-60.
УДК 629.113-004.17
А.Г. Пастухов, доктор техн. наук, доцент М.И. Романченко, ст. преподаватель
ФГОУ ВПО «Белгородская государственная сельскохозяйственная академия»
оценка топливно-энергетическои эффективности транспортных средств
Для оценки энергетической эффективности и топливной экономичности транспортного средства (ТС), оснащенного ДВС, применяют различные частные и комплексные критерии, такие как максимум производительности ТС, минимум энергоемкости в виде удельного расхода топлива и другие [1].
Эти критерии зачастую являются неоднозначными и противоречащими друг другу. Прямые топливно-энергетические затраты наиболее полно и комплексно характеризуют ТС и режимы его работы [2]. По их минимуму можно находить оптимальные нагрузочные режимы и соответствующие им оптимальные энергетические и технико-
экономические параметры ТС. Минимум прямых удельных энергозатрат E ^ min имеет предпочтение перед другими, не менее важными основными критериями эффективности: максимумом эксплуатационной производительности W ^ max, минимумом часового расхода топлива Gx ^ min, минимумом удельного расхода топлива g, ^ min, максимумом тягового кпд пт ^ max. Критерий EH ^ min является более полным, чем критерий пт ^ max. Поэтому он наиболее предпочтителен в качестве основного критерия оптимальности режимов движения ТС. Критерии Gx ^ min и gx ^ min эквивалентны критерию E ^ min [3].
