CC BY
50
Noskov Vladimir Petrovich, candidate of technical sciences, docent, njskov_mstu@,maij. ru, Russia, Moscow, Moscow State Technical University. N.E. Bauman,
Rubtsov Ivan Vasilievich, candidate of technical sciences, docent, rubt-sovamail. ru, Russia, Moscow, Moscow State Technical University. N.E. Bauman
УДК 62-5
ВНЕДРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ ГРУППОВОГО ПРИМЕНЕНИЯ ВОЕННЫХ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ НУЖД НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА
И.В. Рубцов, О.Г. Русанова
Изложены основные итоги анализа уровня автоматизации сельского хозяйства в России и мире. Полученные в ходе анализа данные позволяют сделать вывод о существенном отставании российских производителей сельхозтехники. Предложен возможный путь ликвидации отставания развития сельского хозяйства РФ путем использования современных достижений в области робототехнических комплексов (РТК) военного и специального назначения. Определяются наиболее важные задачи сельского хозяйства с учетом использования РТК, скорости внедрения технологий и их возможностей.
Ключевые слова: сельское хозяйство, робототехнические комплексы, двойное применение, навесное оборудование, автономное управление, группы роботов.
Российские технологии в области разработки специальных роботов.
В настоящее время разработка и внедрение технологий военной робототехники являются одними из приоритетных направлений, используемых при создании новых и модернизации состоящих на вооружении образцов вооружения и военной техники (ВВТ) [1]. Основные направления ведущихся в России работ в области развития наземных робототехнических систем и комплексов военного назначения в основном совпадают с зарубежными [2, 3]. Как и за рубежом, российские РТК создаются путем:
дооснащения находящихся на вооружении образцов ВВСТ модульным встраиваемым или навесным оборудованием, обеспечивающим их безэкипажное применение в режиме дистанционного, супервизорного и автономного управления;
создания специализированных РТК или систем РТК с заданными уровнями управления.
Создание и применение групп роботов, в том числе работающих в разных по своей природе средах (гетерогенные группы), позволяют существенно расширить области выполняемых задач. Это достигается увеличением рабочей области путем рассредоточения роботов внутри зоны функционирования и расширения круга исполняемых задач с помощью установки разного типа навесного оборудования на отдельные роботы [5].
44
Например, использование привязного беспилотного летательного аппарата (БПЛА) в совокупности с данными, получаемыми со свободного БПЛА, позволяют существенно расширить зону обзора мобильного РТК, что не только повышает его осведомленность об окружающем пространстве, но и может существенно увеличить скорость движения РТК в полуавтономном и автономном режимах (рис. 1).
Для полноценного решения боевых задач в условиях частичного или полного отсутствия исходной информации о среде функционирования требуется создание средств повышенной автономности [4]. Для этого необходимы эффективный сбор и анализ данных об окружающем пространстве, т.е. создание так называемого информационного поля, которое в дальнейшем для эффективного функционирования групп роботов должно трансформироваться путем специализированного анализа согласно поставленным задачам по информационно-управляющему пространству.
Рис. 1. Расширение зоны обзора мобильного РТК путем его использования в группе с БПЛА
С целью разработки и внедрения наземных РТК, использованных для повышения эффективности работы операторов в дистанционном режиме управления и обеспечения режимов автономного управления движением и целевым оборудованием, МГТУ им. Н.Э. Баумана в результате многолетнего опыта [5 - 7] определило следующие направления своей деятельности:
- системы дистанционного управления движением транспортных средств и целевым оборудованием;
- обеспечение оператора супервизорным управлением РТК в режиме дистанционного управления;
- системы автономного управления движением транспортных средств и целевым оборудованием;
- системы навигации и ориентации;
45
- системы технического зрения;
- групповое управление роботами;
- разработку программно-аппаратных средств управления роботами. На практике некоторые образцы РТК дооснащаются встраиваемыми
системами для улучшения их характеристик.
Примером дооснащения образцов ВВСТ встраиваемыми системами может служить система автоматического (программного) управления движением в составе ДУ РТК (рис. 2), разработанная и сконструированная сотрудниками МГТУ им. Баумана.
Рис. 2. Система автоматического (программного) управления
движением
Еще одним примером дооснащения образцов ВВСТ является запатентованный комплект модулей интеллектуального управления для РТК МЧС (СЧ ОКР «Ориентир») (рис. 3).
Рис. 3. Робототехнических комплекс «Ориентир» с комплектом модулей
46
При рассмотрении широкого круга задач, связанных с непосредственным использованием РТК, можно отметить практическое сходство между задачами специального назначения и задачами народного хозяйства (таблица).
Задачи специального назначения и задачи народного хозяйства
Специальное назначение Сельскохозяйственное назначение
1. Видовая и радиоэлектронная разведка, целеуказание средствам поражения. 2. Поражение целей с корректировкой огня и контролем результатов поражения. 3. Охрана и оборона объектов и территорий. 4. Установка мин, разминирование и обезвреживание взрывоопасных предметов. 5. Проведение поисково-спасательных операций 1. Мониторинг состояния почв и посевов, целеуказание средствам реагирования. 2. Высокоточный посев, полив, распыление химикатов. 3. Охрана объектов и территорий. 4. Сбор проб грунта, проведение анализа. 5. Доставка грузов. 6. Дезинсекция
Следует отметить, что для решения всех перечисленных задач ро-бототехнический комплекс вне зависимости от области своего применения состоит из двух основных неизменных частей:
- безэкипажной дистанционно управляемой или автономной машины в комплекте со встроенной системой управления движением;
- комплекта целевого оборудования для выполнения требуемых работ.
Обобщенная структурная схема системы управления РТК представлена на рис. 4.
Рис. 4. Обобщенная структурная схема системы комбинированного
управления движением РТК
47
Принимая во внимание схожесть задач, состава РТК и способов управления с целью решения проблем специального назначения и народного хозяйства, можно сделать вывод о возможности преемственности уже существующих технологий в вопросах создания автономных транспортных машин специального назначения для нужд сельхозсектора.
Состояние автоматизации сельхозсектора России и мира.
Существующие технологии сельского хозяйства имеют ряд недостатков, не только влияющих на производительность сельхозсектора, но и негативно сказывающихся на экологии и свойствах почв [8, 9], что ведет к востребованности в сельхозсекторе технологий автономного безэкипажного вождения, а также к использованию роботов, в том числе гетерогенных. Это также совпадает с актуальными направлениями разработок в области военного назначения.
Над робототехническими системами для нужд сельского хозяйства земледелия уже давно работает множество иностранных компаний, таких как ASI, ATC, JohnDeere. Они активно занимаются разработками в областях:
создания универсальных комплектов оборудования для автоматизации всего парка сельхозмашин;
новых типов навигационного и сенсорного оборудования;
новых типов программного обеспечения;
принципиально новых разработок в области создания безэкипажных, полностью автономных универсальных сельхозмашин.
При этом способ автоматизации сельхозтехники аналогичен пути, используемому в военном деле, как указывалось ранее, а именно, доосна-щению уже имеющихся образцов техники модульным встраиваемым или навесным оборудованием (рис 5).
Рис. 5. Комплект навесного оборудования компании ASI (США)
48
Отечественные производители сельхозмашин по многим позициям в области развития аппаратов и устройств для обеспечения дистанционного и автономного движения находятся в паритетном состоянии.
Создание шлейфов беспилотных транспортных средств для сектора народного хозяйства.
На сегодняшний день производительность труда в РФ в среднем в 2,4 раза ниже европейской и в 3,5 раза ниже американской, в то время как зарубежное тракторостроение значительно опережает отечественных производителей по выпуску экипажно-безэкипажных средств механизации сельхозсектора [10]. Именно поэтому необходимо ставить первоочередную цель - повышение производительности труда за счет использования высокотехнологичной техники, а с учетом возрастания интереса мирового сообщества к высокоточному земледелию необходимо выделить вторую цель - опередить зарубежные компании в вопросах автоматизации и роботизации сельскохозяйственной отрасли страны для ограничения внедрения зарубежной техники в эту структуру.
Как описывалось ранее, круг задач в области применения робототехники в сельском хозяйстве очень велик. Именно поэтому необходимо ограничить задачи исходя из критериев наивысшей окупаемости и скорости внедрения технологий. Основными операциями при ведении любого вида сельскохозяйственной деятельности являются: вывоз необходимых транспортных средств по специализированным дорогам к месту выполнения работ и сами технологические операции на полях (рис. 7).
Рис. 7. Типовые перемещения сельхозтехники
49
Использование автономных транспортных средств, современных технологий и методов управления группами позволит исключить человеческий фактор и не допустить нерационального расходования, ресурсов или перегрузки техники. Применение последовательного и параллельного автономного вождения дает возможность:
улучшить технико-экономические показатели; снизить расход топлива на единицу выполненной работы (до 20 %); обеспечить рациональное регулирование скорости агрегатов; снизить эксплуатационные затраты на техническое обслуживание, ремонт и расходные материалы;
повысить надежность работы агрегатов в целом. Исходя из этого целесообразно создание:
1) шлейфа агрегатов беспилотных наземных комплексов сельскохозяйственного назначения;
2) программно-аппаратного комплекса для реализации последовательного и параллельного движения транспортных средств.
Решение данных задач требует использования современных методов группового управления роботами [11]. На начальном этапе создания сети из N автономных транспортных средств следует сделать акцент на использовании централизованного способа управления с привлечением ведущего транспортного средства, полностью или частично управляемого человеком-оператором с возможностью последующего усложнения системы.
Гетерогенные группы для сельхозприменения. Применение групп гетерогенных роботов, выполняющих задачи, связанные с особенностями базирования РТК (рис. 8), эффективно также и в области народного хозяйства, особенно в полях, где необходимы сбор и анализ данных об окружающей среде.
Рис. 8. Применение гетерогенных групп роботов в различных областях
Оперативный сбор и анализ информации помогут повысить эффективность использования наемных ТС, избежать простоя техники. Создание меняющегося во времени общего информационного поля позволит в бу-
50
дущем перейти от ручного управления техникой к управлению из командно-управляющих пунктов, а работа на поле - к мониторингу и контролю за состоянием работы автономных машин.
Вывод
Сравнительный анализ отечественных и зарубежных безэкипажных машин (БМ) специального и военного применения показал, что в области дистанционно управляемых машин можно говорить о неком паритете отечественных разработок. Отставание РФ в области автономного управления оценивается специалистами до 5 лет. Однако сами же технологии роботизации продуктивно развиваются по многим позициям, не уступая зарубежным.
Отечественные наземные безэкипажные машины для сельхозсекто-ра практически на полях отсутствуют, в то время как известен целый рад зарубежный фирм, занимающихся выпуском таких машин. Здесь процесс роботизации идет путем создания полностью автономных машин с помощью разработки дополнительного навесного оборудования.
Авторы предлагают использовать хорошо развитые технологии робототехники военного и специального назначения при разработке и создании наземных безэкипажных машин для сельхозсектора. Предложен способ дооснащения сельхозтехники уже созданными и протестированными в рамках специальных разработок отдельными дополнительными модулями. Это повысит производительность сельхозмашины за счет точного следования заданным маршрутам и возможности работать 24 часа, а также понизит расход топлива за счет ликвидации холостого хода и простаивания.
Для более эффективного применения безэкипажных машин показаны варианты группового применения и создания единого информационного пространства, а затем и информационно управляемого на базе информации, полученной с гетерогенных безэкипажных машин сельского хозяйства.
Подобный подход может быть использован и в других отраслях народного хозяйства. Так, при решении типовых, но регулярно повторяющихся задач при работе в тепличных и складских помещениях требуется создание роя беспилотных наземных роботов, алгоритмы управления которых схожи с алгоритмами ведения роботов на сельхозугодьях.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 16-29-04178
офи_м.
Список литературы
1. Каляев И. А, Рубцов И.В. Боевым роботам нужна программа // Национальная оборона. 2012. №8 (77). С. 34 - 48.
51
2. Обоснование семейства боевых и обеспечивающих роботов для боя в городе / И.Б. Шеремет, Н.А. Рудианов, А.В. Рябов, В.С. Хрущев, В.И. Комченков // Известия ЮФУ. Технические науки. 2012. №3. С. 37 - 41.
3. Боевые и обеспечивающие роботы в условиях урбанизированной территории / В.С. Лапшов, В.П. Носков, И.В. Рубцов, Н.А. Рудианов,
A.В. Рябов, В.С. Хрущев // Известия ЮФУ. Технические науки, 2011. №3 (116). С. 142 - 146.
4. Рубцов И.В., Машков К.Ю., Наумов В.Н. 185 лет МГТУ им. Н.Э. Баумана - состояние и перспективы развития специальной робототехники // Сборник материалов Десятой Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные системы и задачи управления». М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2015. №1. C. 247 - 255.
5. Рубцов И.В., Машков К.Ю., Наумов В.Н. Модернизация устаревших ВВТ как один из путей развития современной робототехники // Избранные труды Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные системы и задачи управления». М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2015. № 1. С. 51 - 59.
6. О создании единой системы группового управления робототех-ническими комплексами / В. А. Агамалян, Е.С. Калинина, С.Е. Симанов, С.Г. Цариченко // Робототехника и техническая кибернетика. 2014. № 2 (3). С. 37 - 39.
7. Рубцов И.В. Вопросы состояния и перспективы развития отечественной наземной робототехники военного и специального назначения // Избранные труды Всероссийской научно-практической конференции «Перспективные системы и задачи управления». 2015. Т.2. С. 64 - 71.
8. Taylor Dobbs . NOVA Next Farms of the future Will Run on Robots and Drones, 2013 [Электронный ресурс] URL: http: //www.pb s.org /wgbh/nova/next/tech/farming-with-robotics-automation-and-sensors (дата обращения: 10.12.2017).
9. Прогноз развития сельского хозяйства на основе первоочередного воспроизводства тракторного парка / З.А. Годжаев,
B.Г. Шевцов, Г.С. Гурылев, А.В. Лавров // Интеллектуальные машинные технологии и техника для реализации Государственной программы развития сельского хозяйства: сб. научн. докл. Междунар. науч.-техн. конф. Ч.2. М.: ФГБНУ ВИМ, 2015. С. 9 - 14.
10. Годжаев З.А., Гришин А.П., Гришин А.А. Перспективы развития роботизированных технологий в растениеводстве // Тракторы и сельхозмашины. 2015. №12. С. 42 - 45.
11. Каляев И.А., Капястян С.Г. Групповое управление роботами: проблемы, решения // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. Спец. выпуск «Специальная робототехника и мехатроника». 2011. C. 7 - 13.
Рубцов Иван Васильевич, канд. техн. наук, доц., нач. центра, [email protected], Россия, Москва, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана,
Русанова Оксана Геннадьевна, асп., rusanovaoxana@gmail. com, Россия, Москва, Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
IMPPLEMENTA TION OF TECHNOLOGIES OF GROUP APPLICA TION OF MILITARY
ROBOTICS FOR AGRICULTURAL NEEDS
I.V. Rubtsov, O.G. Rusanova
Main results of analysis of the level of automation of agriculture in Russia and the world are explicated in the article/.The data obtained during the analysis allow us to conclude that there is a significant arrears in the Russian agricultural machinery manufacturers. A possible way of eliminating the arrears in the development of Russia's agriculture through the use of modern achievements in the field of robotic complexes for military and special purposes of the similarity of schemes and composition of the RTK was proposed. In addition, taking into account the already existing level of development of military RTC (robotic complex) in Russia. Definitions of the most important tasks of agriculture, taking into account the use of RTC, the speed of the introduction of technologies and their capabilities.
Key words; agriculture, robotic system, dual application, attachable equipment, autonomous control, groups of robots.
Rubtsov Ivan Vasilievich, candidate of technical sciences, docent, Head of the Center, rubtsov@,mail. ru, Russia, Moscow, Moscow State Technical University N.E. Bauman,
Rusanova Oksana Gennadievna, postgraduate, rusanovaoxana@gmail. com, Russia, Moscow, Moscow State Technical University N.E. Bauman
