CC BY
12Башилов А.М.1
ВИДЕОРОБОТИЗАЦИЯ АГРОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В РАСТЕНИЕВОДСТВЕ И ЖИВОТНОВОДСТВЕ
Ключевые слова: агротехноценоз, биообъекты, роботизация, видеонаблюдение, поиск и распознавание, управление, видеоцифровые технологии, современная видеотехника.
Keywords: agrotehnotsenoz, biological objects, robotics, video surveillance, search and recognition, management, videodigital technologies, modern equipment.
Введение
Агротехнологические процессы в растениеводстве и животноводстве, как правило, решают задачи обслуживания многочисленных популяций биологических объектов (животных, растений), представляющих самостоятельные особи с характерными индивидуальными свойствами. Знания персональных биофизиологических данных и поведенческих алгоритмов «уважаемых биообъектов» определяют качество и производительность агротехнологических процессов. Биологических особей много, а оператор-специалист «одинок». Нужно многое знать о них, но невозможно непрерывно находиться в зоне их содержания. Возникает сложная проблема дальнейшего совершенствования точности и эффективности реализации агротехнологических процессов. Эта проблема носит информационно-коммуникационный характер, и решение её возможно при дополнительном включении в агротехнологические процессы высокоинформативных, высокопроизводительных видеороботизированных средств поиска и наблюдения интересуемых биообъектов при их групповой свободной или регламентированной «дислокации» [1-3].
1. Обобщённая схема видеороботизированного наблюдения растений и животных в агротехноценозах
Задачу группового наблюдения биообъектов в агроценозе (стада животных или растений в посадках) в соответствии с объёмом необходимого информационного обеспечения (предоставления ценной информации и рационального управления), можно разделить на следующие варианты: 1 - с высоким задающим (априорным) и малым текущим (апостериорным) информационным обеспечением, 2 - с высоким апостериорным и малым априорным информационным обеспечением, 3 - с высоким априорным и с высоким апостериорным информационным обеспечением, 4 - с малым априорным и малым апостериорным информационным обеспечением.
Видеороботы, оснащённые цифровыми видеокамерами, в отношении содержательности и разнообразия информационного потока находятся в наиболее выгодном положении и могут соответствовать второму или третьему вариантам как наиболее совершенным, но и более сложным [4-5].
Сложность обусловлена тем, что поставленная задача не может быть решена заранее и должна решаться в процессе функционирования группы видеороботов в масштабе реального времени. Обычно она решается многократно с некоторой периодичностью. Интервал времени определяется многими факторами, такими как: быстродействие и разрешающая способность видеосенсорных устройств, динамические свойства интересующих биообъектов и помех окружающей среды, производительность вычислительных устройств.
Управление биообъектами агроценоза, в первую очередь, зависит от способа их содержания: упорядоченного (детерминированного), регламентированного (частично детерминированного), свободного (недетерминированного). Управление будет тогда эффективным, когда в любой момент по указанию управляющего можно обнаружить и идентифицировать биообъект, определить его место расположения в рабочей зоне, провести целенаправленный осмотр внешнего вида и его частей, записать персональные видеоданные в информационно-аналитическую базу, осуществить анализ и обработку видеоцифровых данных, принять решение о состоянии и поведении биообъекта, выполнить мероприятия по управлению на основе видеоданных от каждого биообъекта [6-7].
Для достижения цели управления биообъектами агроценоза, в случае детерминированной среды в рабочей зоне, каждый видеоробот может выполнять заранее определенную программу наблюдения. В случае недетерминированной, динамической среды - интересующий биообъект вначале должен быть обнаружен в группе, а потом подвергнут наблюдению.
Среди возможных стратегий управления группой видеороботов, размещённых в рабочей зоне агроценоза (фермы, теплицы), можно выделить три: централизованное (единоличное или иерархическое), децентрализованное (взаи-
1 Башилов Алексей Михайлович - д.т.н., профессор, заведующий лабораторией автоматизации видеонаблюдения и управления технологическими процессами Всероссийского научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства, Москва. E-mail: [email protected]
мосвязанное коллективное или невзаимосвязанное роевое) и комбинированное (централизованное и децентрализованное).
Для детерминированных условий среды в рабочей зоне биообъектов наиболее приемлемым будет централизованное управления, для частично детерминированных и недетерминированных - целесообразно применить комбинированную стратегию управления [8-10].
Рисунок 1.
Структурная, интерактивная и итеративная схема комбинированной стратегии группового управления видеороботами в рабочей зоне агроценоза: ЛПР - лицо принимающее решение, БИД -блок исполнения действий, БУ1...БУп - блоки управления видеороботами, БН1...БНп - блоки самонаведения видеороботов на биообъекты наблюдения, ВР1...ВРп - видеороботы
На рис. 1 приведена структурная схема реализации комбинированной стратегии группового управления видеороботами для наблюдения состояния и поведения группы биообъектов при недетерминированных условиях размещения биообъектов в рабочей зоне агроценоза, включающая принципы единоличного, иерархического, коллективного и роевого управления.
2. Основные операции видеороботизированного наблюдения растений и животных в агроценозах
Целью процесса видеонаблюдения является приобретение дополнительной (полезной и достоверной) информации об интересуемой группе биообъектов для их распознавания и структурирования в общей системе биообъектов с последующим принятием управленческих решений.
Первая задача видеороботизированного наблюдения заключается в совершении поисковым видеороботизиро-ванным средством (ВР) ряда поисковых действий в системе биообъектов агроценоза (СО) с целью установления контактного взаимодействия поискового видеороботизированного средства с биообъектами наблюдения (ОН) до момента их полного обнаружения.
Вероятность обнаружения объекта наблюдения ОН поисковым средством ВР, совершающим поисковые действия в системе биообъектов агроценоза СО в самом общем случае, можно определить по формуле:
Р об = Р сб • Р ус • Р уд (1),
где Р об - вероятность обнаружения биообъекта наблюдения ОН; Р сб - вероятность сближения ВР с ОН; Р ус -вероятность установления контакта ВР с ОН; Р уд - вероятность удержания контакта ВР с ОН.
Вторая задача роботизированного видеонаблюдения заключается в распознавании приобретённой дополнительной (полезной и достоверной) информации об обнаруженных биообъектах для их структурирования в общей системе биообъектов агроценоза с последующим принятием управленческого решения.
Задача распознавания обнаруженного биообъекта заключается в совершении распознающим видеороботизиро-ванным средством ВР ряда распознающих действий в системе распознаваемых образов биообъектов агроценоза ОС для установления принадлежности биообъекта распознавания к заданной классификации. В последующем на основании классификации биообъектов происходит принятие решения по управлению биообъектом.
Вероятность распознавания объекта наблюдения ОН распознающей видеороботизированной системой ВР, совершающей распознающие действия в самом общем случае можно определить по формуле:
Р рас = Р вос • Р раз • Р кла (2), где Р рас - вероятность распознавания; Р вос - вероятность восприятия ОН в ВР; Р раз - вероятность различения ОН в ВР; Р кла - вероятность классификации ОН в ВР.
На рис. 2. приведены информационно-коммуникационные направления взаимодействий основных составляющих процесса видеороботизированного наблюдения ВР интересуемых биообъектов ОН в системе агроценоза ОС.
Тогда вероятность принятия правильного управленческого решения видеороботизированной системой наблюдения, в самом общем случае, можно определить по формуле:
Р упр = Р об • Р рас • Р стр (3), где Р стр - вероятность системологической структуризации биообъектов наблюдения с технологиями аграрного производства.
Рисунок 2.
Основные направления взаимодействий в системе трёх составляющих процесса видеороботизированного наблюдения: ВР - видеороботизированная поисково-распознающая система наблюдения; ОН - объект наблюдения; СО - система биообъектов наблюдения
3. Современное оборудование для видеороботизированного наблюдения растений и животных
в агротехноценозах
Выделим из всего многообразия рынка видеоцифровой техники наиболее важное оборудование для решения задачи видеороботизации управления агротехнологическими процессами.
Адаптивные фотоаппараты и видеокамеры
Предназначены для получения высококачественных видеоцифровых изображений наблюдаемых биообъектов и передачи их по интерфейсу связи для обработки, анализа и хранения [11].
Основные адаптивные функции роботизированных видеокамер и фотоаппаратов:
- переключение с цветного на чёрно-белое восприятие;
- изменение пространственной разрешающей способности;
- изменение частоты кадровой съёмки;
- автоматическая фокусировка, настройка времени экспозиции, контраста и баланса белого эталона;
- стабилизация изображения;
- автоматическое включение и выключение процесса съёмки;
- изменение масштаба (зуммирование оптическое и электронное);
- пространственная ориентация камеры;
- адаптация к условиям окружающей среды;
- беспроводный и проводной интерфейс связи;
- детектор движения.
На рис. 3 приведены адаптивные поворотные видеоцифровые камеры.
Рисунок 3.
Адаптивные поворотные видеокамеры различного конструктивного исполнения
Телескопические манипуляторы
Могут быть использованы для автоматического сближения видеокамеры с интересующим биообъектом наблюдения при поиске его в рабочей зоне агроценоза, установления дистанционного контакта с биообъектом наблюдения и удержание необходимого контакта в течение процесса видеосъёмки [12].
Основные функциональные возможности роботизированных телескопических манипуляторов:
- регулируемая траектория движения;
- управляемая скорость движения;
- пространственная ориентация;
- задаваемый ракурс съёмки;
- программируемая степень свободы;
- способ перемещения (операторский кран, тележка, подвес, мобильное средство).
На рис. 4 для иллюстрации технических решений приведен стационарный и мобильный вариант применения телескопического манипулятора для проведения видеонаблюдения интересующих биообъектов биоценоза.
Рисунок 4.
Стационарный и мобильный телескопический манипулятор для проведения сложноорганизованной
съёмки биообъектов в агроценозах
Фотокоптеры
Могут найти применение для проведения крупномасштабных сложноорганизованных съёмок рабочих территорий инспектируемых агроценозов, для обнаружения неоднородных групп биообъектов по продуктивности и депрес-сивности их состояния [13].
Основные технические возможности роботизированного фотокоптера для ведения фотосъёмки биообъектов, рассредоточенных в пространстве агроценоза:
- программируемая и регулируемая траектория и высота фотосъёмки;
- дистанционное управление процессом видеонаблюдения;
- картографирование территории агроценоза;
- обнаружение продукционных и депрессивных участков рабочей зоны агроценоза;
- установка дистанционного видеонаблюдения в заданной точке расположения интересующего биообъекта;
- приземление фотокоптера в заданных координатах для выборочного зондирования биообъекта, биофизического воздействия и взятия проб.
На рис. 5 показан наиболее эффективный в управлении роботизированный квадрокоптер для обследования удалённых территорий агроценоза.
Видеороботизированная система дистанционного наблюдения и оперативного управления агротехнологиче-скими процессами, в перспективе создаст новые возможности совершенствования аграрного производства с точки зрения снижения издержек производства (потерь продуктивности и качества продукции), повышения производственной безопасности, повышения уровня автоматизации производства и обеспечения гибкости управления на многолетних циклах воспроизводства [14] .
Рисунок 4.
Роботизированный квадрофотокоптер с дистанционно управляемой видеокамерой наблюдения
Выводы
1.1. Видеороботизация - наиболее перспективный способ решения проблемы повышения точности и эффективности агротехнологических процессов за счёт всестороннего, более пристального, непрерывного и длительного наблюдения, сбора и анализа визуализированных данных о состоянии биопродукционных процессов в агроценозах.
2.2. Из возможных стратегий управления группой видеороботов, размещённых на территории агроценоза, наиболее эффективной является стратегия комбинированного управления, включающая принципы единоличного, иерархического, коллективного и роевого управления.
3.3. Современный рынок видеоцифровой техники позволяет успешно решать задачи видеороботизации управления аграрным производством и делать условия труда более привлекательными и комфортными.
Список литературы
1. Стребков Д.С., Башилов А.М., Королёв В.А. Стратегия развития точных агротехнологий на основе конвергенции наземных и спутниковых средств дистанционного наблюдения, навигации и управления // Техника и оборудование для села. 2014. - № 3 (201). - С. 2-5.
2. Башилов А.М. Решение проблемы контроля состояния здоровья животных и управления стадом в режиме реального времени с использованием технических средств компьютерного зрения / Башилов А.М., Легеза В.Н., Соловьева О.И. Международная научно-практической конференция. - Княгинино: НГИЭИ, 2015. - С. 115-118.
3. Башилов А.М., Королёв В.А. Новые системно-интегрированные и локально-дифференцированные технологии электрифицированного аграрного производства // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2015. - № 8. - С. 2-8.
4. Башилов А.М., Легеза В.Н. Система видеонаблюдения поведения животных при стойловом содержании // Сборник докладов 12 международной научно-технической конференции. - Углич, 2012. - Ч. 2. - С. 467-475.
5. Башилов А.М., Легеза В.Н. Круглосуточное всепогодное видеонаблюдение за поведением животных на пастбище // Сборник докладов 12 международной научно-технической конференции. - Углич, 2012. - Ч. 2. - С. 404-411.
6. Башилов А.М. Дистанционное видеонаблюдение за поведение животных в стаде / Башилов А.М., Легеза В.Н. // Техника и оборудование для села. 2011. -№ 12. - С. 24-26.
7. Башилов А.М. Оценка поведения животных на основе аудиовидеонаблюдения / Башилов А.М., Легеза В.Н. // Вестник МГАУ. 2012. - Вып. 1 (52). - С. 26-30.
8. Патент РФ № 2423042. Электронно-оптический способ регулирования технологий производства агропродукции. 2011. - БИ № 19.
9. Патент РФ № 2444177. Способ регулирования территориально распределенного многоотраслевого производства агропродукции. 2012. - БИ № 14.
10. Патент РФ № 2542109. Способ и устройство дистанционной фиксации момента появления сельскохозяйственных животных. 2015. - БИ № 5.
11. Башилов А.М. Проект управления аграрным производством на основе систем видеомониторинга // Техника и оборудование для села. 2010. - № 10. - С. 46-48.
12. Стребков Д.С., Башилов А.М., Королёв В.А. К вопросу управления мобильными агророботами // Международная научно-практическая конференция «Робототехника в сельскохозяйственных технологиях», ФГБОУ ВПО «Мичуринский государственный аграрный университет», 10-12 ноября 2014 г. - С. 25-29.
13. Королев В.А., Башилов А.М., Можаев К.О. Структура и алгоритмы работы летающего робота для забора и анализа грунта сельскохозяйственных угодий // Альтернативная энергетика и экология. 2015. - № 13-14 (177-178). - С. 163-168.
14. Башилов А. М. Видеонаблюдение как эффект присутствия, пристального внимания и постоянного контроля поведения животных / Башилов А.М., Легеза В.Н. // Труды 8-й Международной научно-технической конференции. Ч. 5. - М.: ГНУ ВИЭСХ, 2012. - С. 57-67.
