Обґрунтування параметрів системи автоводіння широкозахватних сільськогосподарських агрегатів при вирощуванні польових культур

Теоретичні засади удосконалення систем автоводіння на базі застосування супутникових навігаційних технологій. Розробка та аналіз параметрів структурно-функціональної схеми автоводіння широкозахватних сільськогосподарських машинно-тракторних агрегатів.

Рубрика Сельское, лесное хозяйство и землепользование
Вид автореферат
Язык украинский
Дата добавления 30.07.2015
Размер файла 1,1 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія аграрних наук України

Національний науковий центр

«Інститут механізації та електрифікації сільського господарства»

УДК 631.171.001

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Обґрунтування параметрів системи автоводіння широкозахватних сільськогосподарських агрегатів при вирощуванні польових культур

05.05.11. - Машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва

Мельник Роман Васильович

Глеваха 2011

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Механізація робіт сільського господарства набула високого рівня розвитку. Розроблені і створені системи машин для комплексної механізації ряду напрямків сільськогосподарських виробництв продукції рослинництва. Основні принципи забезпечення їх ефективності пов'язані з більш високими робочими швидкостями машин, збільшенням ширини захвату агрегатів і підвищенням потужності тракторів. Кожна з агрооперацій виконується різними машинами на різних робочих швидкостях.

Проблема полягає в забезпеченні точності прямолінійного ведення широкозахватних машинно-тракторних агрегатів (ШМТА). Це обумовлено тим, що постійно варіюючі фактори впливу збурень навколишнього середовища на рух ШМТА, обумовлюють відхилення від заданого напрямку. Тому потрібні засоби, щоб компенсувати вплив збурень тим самим максимально точно вести агрегат при виконанні конкретної агротехнологічної операції (обробіток ґрунту, внесення добрив, сівба, захист рослин, збирання врожаю).

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконано у відповідності до комплексних планів наукових досліджень Національного наукового центру «Інститут механізації та електрифікації сільського господарства» зокрема складової «Розробити ресурсоощадні, високопродуктивні технологічні процеси вирощування польових культур на базі нових і удосконалених технічних засобів в умовах екологічного землеробства ( № Д.Р. 0106U011550)»

Мета і завдання досліджень. Метою даної роботи є обґрунтування параметрів системи автоводіння широкозахватних агрегатів та методів контролю параметрів їх руху при забезпеченні ефективності в агропромислових технологіях вирощування польових культур.

Для досягнення даної мети небідно вирішити такі завдання:

1. Провести аналіз сучасного стану з методів та засобів автоводіння ШМТА.

2. Розробити системно-аналогові моделі руху ШМТА за нелінійних диференціальних рівнянь роботи системи автоводіння на полі.

3. Розробити структурно-функціональні схеми автоводіння ШМТА.

4. Обґрунтувати параметри запропонованої системи автоводіння, провести польові дослідження та встановити їх вплив на техніко-економічні показники системи автоводіння ШМТА.

5. Впровадити результати досліджень у практику та визначити їх економічну ефективність.

Об'єкт досліджень. Технологічний процес функціонування системи автоводіння ШМТА в режимі прямолінійного руху.

Предмет досліджень. Системно-аналогові моделі, що визначають закономірності впливу збурень на експлуатаційні показники ШМТА під час виконання агротехнологічних операцій, та на залежність цих збурень від конструктивних параметрів ШМТА, до яких забезпечується необхідна точність ведення.

Методи досліджень - Теорія систем, динаміка машин, статистичний аналіз і синтез. Експериментальні дослідження виконані в польових умовах з використанням програмно-апаратного комплексу автоводіння ШМТА.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше отримано закономірності руху ШМТА за заданим напрямком під час виконання агротехнологічними процесами за даними двоканальної радіонавігаційної апаратури для покращення якості внесення витратних матеріалів, що заплановані для агротехнічних операцій, які обумовлюють формування раціональних врожаїв рослинницьких культур у поточних умовах агровиробництва на відкритих ґрунтах полів із змінним рельєфом;

- вперше встановлено, що при використані системи автоводіння час стабілізації напрямку руху за умов відхилення при швидкості 5 км/год. складає 8-10 с. Унаслідок зменшення огріхів та перекриття суміжних проходів застосування системи в середньому забезпечує зниження витрат від 7 % до 11%.

- удосконалено теоретичні методи моделювання параметрів руху із застосуванням навігаційно-супутникових технологій для гарантування показників точності автоводіння ШМТА під час виконання сільськогосподарських операцій при вирощуванні польових культур;

- набуло подальшого розвитку методика проведення експерименту радіонавігаційної системи автоводіння (САВ) ШМТА.

- на основі проведених досліджень одержано рівняння регресії руху ШМТА, а також графічні залежності руху в тривимірній системі координат.

Практичне значення одержаних результатів. Технічну новизну пропонованого способу автоводіння засвідчено трьома патентами України. При великих масштабах виробництва рослинницької продукції значна частина ресурсоенерговитрат припадає на внесення добрив та хімічних речовин захисту рослин. - проведено розрахунок економічної ефективності системи автоводіння з використанням супутникової навігації в сільському господарстві та подано їх у вигляді методичних рекомендацій для фермерських господарств. Економія витратних матеріалів досягається шляхом оптимального програмного управління рухом агрегату та місцевизначеним функціонуванням його робочих органів. Реальна ефективність технологічною інформаційною управляючою системою формування врожаю сільськогосподарських культур в значній мірі залежить від принципів, що дозволяють адаптувати систему керованого землеробства до умов кожного конкретного поля.

Впровадження здійснено у Державному підприємстві Дослідне господарство «Оленівське» під час внесення мінеральних добрив на площі 120 га та захисту озимої пшениці на площі 180 га. Результати досліджень впроваджено в проблемній лабораторії точного землеробства Національного Універсетету Біоресурсів і Природокористування шляхом включення їх до теоретичного курсу лекцій та лабораторних робіт під час підготовки магістрів і бакалаврів та підвищення кваліфікації інженерно-технічних працівників.

Особистий внесок здобувача. Здобувачем самостійно проведено аналіз сучасного стану систем автоводіння ШМТА за заданим напрямком; теоретично обґрунтовано параметри факторів впливу збурень під час виконання агротехнологічних операцій; розроблено методику проведення експерименту; проведено дослідження та здійснено математичну обробку отриманих результатів, та виконано комп'ютерне порівняння практичних результатів; проведено розрахунок економічної ефективності системи автоводіння в сільському господарстві та подано їх у вигляді методичних рекомендацій для фермерських господарств.

Апробація результатів досліджень. Основні положення роботи доповідалися на: матеріали дисертаційної роботи доповідалися на засіданнях науково-технічного відділу ННЦ «ІМЕСГ», на протязі 2007-2009р VI Міжнародній науково-технічній конференції «Гідротехнології, навігація керування рухом та користування авіаційно-космічної техніки» в НТУУ «КПІ»(Київ 2007р); ХIV Міжнародній науково-технічній конференції «Технічний прогрес у сільськогосподарському виробництві» (смт. Глеваха 2007р); Міжнародній науково-технічній конференції Національного Авіаційного університету (Київ 2008р); Міжнародній науково-технічній конференції до 110-річчя Національного Аграрного університету, (м.Київ2008 р).

Публікації. Результати роботи опубліковані в 9-ти статтях, що вміщені у фахових виданнях України та 3-х патентах України.

Структура та об'єм дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, додатків та списку використаних джерел із 136 найменувань. Робота викладена на 196 сторінках і включає 157 основного тексту, в тому числі 67 рисунків та 22 таблиці, а також 4 додатки на 23 сторінках.

Основний зміст роботи

У першому розділі «Аналіз сучасного стану стосовно систем автоводіння у керованому землеробстві» проведено аналіз сучасного стану та агротехнологічних вимог до системи автоводіння при виконанні різних агротехнологічних операцій.

Аналіз проведених досліджень свідчить про відсутність в сучасних ринкових умовах даних, що стосується економічності використання САВ ШМТА в реальних зонах ризикованого землеробства України, раціональних параметрів та режимів роботи існуючого обладнання, недостатньо визначено та обґрунтовано механіку руху ШМТА.

Дослідженням руху ШМТА, у тому числі й збиральних машин, було приділено достатньо уваги як вітчизняними, так і іноземними вченими.

З питань моделювання динамічних систем, механізмів та приводів робочих органів СГМ відомі роботи: А.Б. Лурьє, П.М. Василенка, В.Д. Шаповалова, І.С. Нагорського, Л.Ф. Ханка, Л.В. Погорілого, Д.Г. Войтюка, В.В. Брея, А.С. Кушнарьова, Б.Х. Драганова, М.Л. Крижачківського, В.М. Булгакова, Л.Г. Гром-Мазнічевського, В.М.Третяка та інших.

З питань технологічної надійності динамічних систем СГМ найбільший вклад внесли: В.Я. Анілович, М.М. Севернов, В.М. Міхлін, В.А Кузнецов, Б.І. Костецкий, Р.В. Кугель, А.Ш. Рабінович, Г.В. Величкін, Л.В. Погорілий, В.І. Прейсман, В.Я. Сковородін, А.І. Бойко, В.В. Адамчук, М.В. Молодик та інші.

За напрямком розробки та проектування адаптованих систем СГМ працювали: В.П. Горячкін, П.М. Василенко, Г.М. Синеоков, Л.В. Погорілий, Д.Г. Войтюк, Я.С. Гуков, В.О. Дубровін, І.І. Мельнік, І.А. Шевченко, С.С. Тищенко, В.С. Обухова, В.І. Корабельський, В.П. Юрчук, та інші.

На основі проведеного аналізу літературних джерел за темою дисертаційної роботи проаналізовано відомі системи автоводіння та обладнання, що застосовується в сільськогосподарському виробництві при вирощувані польових культур та визначено напрямки наукових досліджень.

У другому розділі «Теоретичні засади удосконалення систем автоводіння на базі застосування супутникових навігаційних технологій» удосконалено теоретичні методи моделювання параметрів руху із застосуванням навігаційно-супутникових технологій для гарантування показників точності автоводіння ШМТА.

Побудова адекватної і достатньо точної математичної моделі, яка б спиралась на загальнодоступні вихідні дані стосовно роботи колісної пари з урахуванням всіх факторів реального впливу та неоднорідного і нестаціонарного збурення, що діють під час руху ШМТА та тим самим впливають на агротехнологію, що вимагає збільшення точності визначення навігаційних параметрів (СГМ).

Курсова стійкість руху ШМТА вздовж гону на сільськогосподарському полі залежить також і від процесів взаємодії пневматичних коліс з ґрунтом.

Найбільш суттєвими факторами у процесі такої взаємодії є:

- конструктивні та геометричні параметри ШМТА при русі вздовж гону протектора пневматичних коліс (форми і розміри елементів рисунку шин, кути їх нахилу, ступінь зношення тощо);

- кінематичні та динамічні особливості під час руху ШМТА, як важкого твердого тіла, включаючи параметри та спектри коливання, вібрації;

- фізико-механічні властивості ґрунту вздовж лівого та правого борту відносно напрямку руху ШМТА.

Процеси взаємодії пневматичних коліс ШМТА з ґрунтом надзвичайно складні й одночасно впливають як на грунт в контактні зоні та на стійкість руху самого агрегату в межах габаритної смуги руху (ГСР). Схема залежності кутового зміщення вісі і колісної пари у горизонтальні площині від результуючої багатьох невизначених факторів взаємодії коліс з грунтом у процесі колеїутворення (Рис. 1).

Рис. 1. Еквівалентна схема руху колісної пари в трьохвимірній системі координат

Силові параметри у кожній точці контактної плями на грунті колії залежить від багатьох факторів векторного спрямування.

Результуючий рух жорсткої вісі колісної пари залежить від зрівноваженої та не зрівноваженої взаємодії під час колеїутворення одночасно по лівому та правому боці ШМТА. В окремі інтервали руху по гону виникають результуючі, які обумовлюють фактичний зсув у системі нерухомих координат ХОУ. Кутове відхилення нестаціонарного та динамічного процесу колеїутворення можливо оцінити, якщо безперервно вимірювати положення двох точок 1 і 2 на твердому тілі.

, (1)

Час вступу у роботу передніх коліс tі через інтервал Дф характеризує зсув у часі відповідно до однойменної точки позиціювання на ґрунті.

В залежності від конструктивної компоновки ШМТА одночасно працюють 3 - 4 колісних пари, між якими є певна відстань, саме це впливає на результуючий кут бічного вводу агрегату.

За отримані значення часу у визначеному інтервалі послідовно відбувається циклічне чередування дії передніх та задніх коліс на грунт поля.

Ступені впливу динамічних процесів відповідно причинно-наслідкових подій можливо ранжувати відповідно нерівностям:

, (2)

де f1(нa) - функція залежності швидкості руху агрегату (ШМТА) на полі;

f2(ц) - функція залежності кута повороту рульового колеса;

f3(ц) - функція швидкості кута повороту рульового колеса.

При різних умовах зчеплення коліс по бортам існує момент, що повертає агрегат відносно напрямку руху в бік.

Момент інерції тіл, що здійснюють рух з ШМТА, залежать від розподілу власних мас та конструктивно-геометричних параметрів їх форми. Тому значення радіусів інерції відносно вертикальної, повздовжньої та поперечної осей різні.

Бічні сили Yі на колесах визначаються:

(3)

де: - коефіцієнти опору бічному виведенню, Н/град.;

- кути виведення жорсткої вісі колісної пари на гоні, град.;

- коефіцієнт поперечного зчеплення між шинною і опорною поверхнею ґрунту;

- вертикальне навантаження на колесо, Н. Максимальне значення бічної сили можливо визначити на підготовчому стані.

Компенсація фактичних бічних відхилень від прямолінійного програмного руху в умовах випадкових нестаціонарних збурень потребує спеціальних конструктивних засобів стабілізації курсу та забезпечення курсової стійкості в реальних умовах неоднорідного ґрунту сільськогосподарського поля.

Точність динамічної навігації та використання агротехнологічної електронної карти (АТЕК) узгоджується для адаптованих систем автоматичного ведення ШМТА.

Швидкоплинність процесів у локальній контактній зоні, включаючи хаотичну динаміку, на поверхнях опору рухомих об'єктів, що мають значну масу (власну та вантажну), визначають лише три стани стосовно програмної траєкторії:

(4)

де _ множини станів руху відповідно з поперечними відхиленнями від еталонної (програмно-заданої) траєкторії, а саме ліворуч, без суттєвих (у межах допуску) відхилень, праворуч.

Функції u(x,y) та v(x,y) називають гармонічною парою, або спряженими гармонічними для області G, де вони мають відповідні властивості та інтегральні відношення по контуру й площині.

У момент часу t0 у точці М0 відбувається гармонічна єдність відображення іншої площини u0v, на якій робиться опис кінематичного руху центра мас ШМТА відповідно до пари функцій:

(5)

Визначені функції реалізують відображення точок множини М площини х0у на іншу множину N площини u0v за рахунок гармонічної пари взаємопов'язаних функцій. Відображення буде регулярним в певній замкнутій області G площини х0у, якщо виконуються дві умови.

Перша умова фіксує, що в області функції U(х,у) та V(x,y) визначені, неперервні та мають неперервні часткові похідні до другого порядку включно. Тим самим відомі значення місцезнаходження точки, її швидкість руху та прискорення у наслідок сукупної дії усіх сил та моментів, що діють на неї у визначений час та у визначеному місці простору.

Друга умова фіксує, що у цій області G якобіан не дорівнює нулю

. (6)

Для умов Коші-Римана, Ейлера-Даламбера для області G виходячи із рівняння Лапласа, рівняння Лапласа та при використанні умов коли якобіан більше нуля мають вигляд:

, (7)

звідки визначають виконання співвідношень вигляду:

та . (8)

При виконанні вищеозначених умов (6) має еквівалентні форми:

(9)

де , , , - часткові похідні, з яких хоч одна не дорівнює нулю.

Нехай в області G площини х0у задані дуги деякої кривої, яка має параметричний вигляд:

(10)

де t - загальний параметр, наприклад, значення часу під час руху ШМТА на полі.

Отримаємо гармонічну пару, що визначена на площині х0у та яка відображує дану дугу у іншу дугу кривої запишемо у вигляді функцій в залежності від того ж самого параметра:

(11)

де t - той же самий параметр.

За цих умов точка х0, у0 знаходиться на першій кривій (10) та належить точці u0, v0, яка належить другій кривій (11), що відображено на рис 2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Віртуальні траєкторії локального руху у контактній точці (х0, у0) 1 - еталонна програмна крива, 2 - фактична синергетична крива як результат взаємодії

Кутова навігація дозволяє вимірювати відхилення від еталонної програмної лінії за допомогою відповідного навігаційного обладнання. Згідно рис. 2. дотична до першої кривої визначає кут ц з віссю 0х, дотична до другої кривої має кут Ш з віссю 0u.

Геометрія області G характеризує відносний кут б = (ш - ц), як кут повороту першої кривої при відображенні її у іншу дугу другої кривої.

Існуючі прийомоіндикатори забезпечують отримання сигналу з заданим дискретним шагом параметрів широти, довготи і висоти рухомого об'єкту, що безпосередньо не забезпечує явних функціональних залежностей для компенсації локальних бічних відхилень відносно центру точки кріплення антени.

Для отримання оцінки кінематичні траєкторії або функції U та V можливо диференціювати в даному базисі параметрів х та у. У виразі замінимо диференціали функцій U, V на їх відповідні еквівалентні вирази, тоді отримаємо:

. (12)

Алгебраїчні символьні перетворення виразу (12) приводять до вигляду

Враховуючи умови Коши-Римана, Ейлера-Даламбера (8), що дозволяють отримати співвідношення балансу

Остаточні перетворення з урахуванням цього балансу приводять до результату

(13)

Таким чином незалежно від конкретних рівнянь першої кривої (10) та другої кривої (11) отримуємо, що значення реального кута повороту б між кривими в один і той же час вимірювань (відображення) в точці (х0, у0) залежить лише від часткових похідних функцій U(х,у) та V(х,у) в цій точці. Тому кут перетину обох кривих характеризує синергетичну дію усіх моментно-силових факторів, що обумовлюють реальне відхилення фактичної рухомої кривої від програмної попередньої колії, утвореної кривої.

Зміна кута б означає, що баланс дії між органами опору зовнішнього середовища та активними факторами транспортної роботи рушія за конкретних певних умов, що діють у час t0 у конкретній точці простору (х0, у0), змінюється. Саме це є першопричиною відхилення центра мас транспортного засобу від запланованої кривої на заданому (плановому) маршруті руху по полю зі змінним рельєфом на неоднорідним ґрунтом.

Варто відзначити, що в нерухомій системі координат х0у, що відображає усі гони області G даного поля, цільова програмна траєкторія повинна з точністю до о відповідати апроксимуючій прямолінійній колії, яка гарантує усі показники ефективності обраної колійної агротехнології. При маневруванні цільова програмна траєкторія відображає перехід між законами руху від початку до його завершення за час зміни параметрів динамічного стану.

Отже, оперативне визначення значення кута б дозволяє формувати закон оптимального та адаптивного управління у невизначених умовах змін сил опору зовнішнього середовища, що порушують баланс на енергетику руху за стабілізованою (плановою) траєкторією.

Технічна реалізація способу гарантованого адаптивного управління транспортним засобом на поверхні зі змінними параметрами зовнішнього середовища, які обумовлюють невизначеність зміни сил опору в конкретний час руху у даному середовищі запатентована. Характеристика навігаційного забезпечення динамічної точності реалізації агротехнологічних операцій за допомогою модернізованої САВ ШМТА наведена на рис.3 для випадку обраної агрономом технології вирощування продукції рослинництва на відкритому неоднорідному ґрунті зі змінним рельєфом поля

Рис. 3. а - напрям руху машинно-тракторного агрегату в системі координат з двома GPS антенами; б - карта сільськогосподарського поля з будь-яким контуром поверхні, що обробляється; в - блок-схема системи автоматичного водіння широкозахватним машинно-тракторним агрегатом

1. Колісна машина, 2. Причіпний агрегат, 3. Робочі органи агрегату, 4. Гін, 5. Смуга руху, 6. Керовані колеса, 7. Базовий кут орієнтації гонів, 8. Приймальна антена s1, 9. Рухома спрямовуюча лінія, 10. Приймальна антена f2, 11. Контурна лінія, 12. Опорна точка на полі, 13,14,15,16. Еталонні точки, 17. Система автоматичного водіння, 18. Направляючі колеса, 19. Регулятор, 20. Бортовий обчислювальний пристрій, 21. Робоча пам'ять, 22.електроній формувач, 23. Базовий файл, 24. Прийомоіндикатор, 25. Електрона карта завдання, 26. Пульт керування.

Загальні вимоги до динамічних характеристик ШМТА мають вигляд:

- щодо швидкості руху;

- щодо кутової стійкості;

- щодо точності дозування, місцеположення робочих органів ШМТА.

З точки зору ефективності АВПР підвищення економічних показників ШМТА забезпечує:

- своєчасність виконання АТЕК завдань Т ? Т0 .;

- підвищення продуктивності роботи МТА S > S0 ;

- зменшення довжини шляху руху ШМТА l < l0 ;

- зменшення витрат паливно-мастильних матеріалів на реалізацію кожного АТЕК завдання т<т0;

- зменшення руйнування родючого шару ґрунту комлексами ШМТА;

- підвищення рентабельності новітніх інформаційно-навігаційних технологій керованого землеробства з використанням засобів автоводіння ШМТА.

У третьому розділі «Програма і методика проведення експерментальних досліджень» наведено програму та методику проведення експериментальних досліджень САВ у польових умовах.

Мета експериментальних досліджень полягає у підтвердженні закономірності впливу факторів на результуючі параметри,які визначенні у аналітичних дослідженнях:

- точність роботи виконання агротехнологічних операцій роботи бортової навігаційної апаратури в польових умовах;

- курсова стійкість, як нормований рівень відхилення від заданого напрямку руху ШМТА;

- критична швидкість руху, що обумовлює стан не стійкості самого агрегату;

- рівні повздовжніх та поперечних коливань ШМТА під час руху по ґрунту дослідного поля;

- ефективність режимів роботи запропонованої системи ведення за заданим напрямком з двома GPS антенами підключеними до одного прийомоіндикатора;

- показники стабільності руху, за умов використання оцінок, що характеризують ступінь відхилення та закон коригуючого управління ШМТА;

Відповідно до наведеної мети, порівняння ефективності роботи різних прийомоіндикаторів та виконання агротехнологічних операцій без них програма експериментальних досліджень передбачає наступне:

Перед початком досліджень:

- зафіксувати метеорологічні умови на момент досліджень;

- визначити попередній стан поверхні поля (агрофон), а також кут нахилу поля;

- зафіксувати тиск в шинах ШМТА;

- перевірка керованості трактора

Безпосередньо під час досліджень визначаємо:

- визначити курсову стійкість ШМТА (відхилення від еталону) , під час виконання агротехнологічної операції;

- визначити час на стабілізацію руху ШМТА на гоні за умов відхилення;

- визначити критичну швидкість (стійкості руху самого агрегату) в залежності від кількості витратних матеріалів, та нахилу кута поля;

- зафіксувати повздовжні та поперечні коливання ШМТА на гоні;

- визначити ширину перекриття;

- зробити порівняння точності ведення роботи декількох систем автоводіння;

- провести статистичну обробку отриманих результатів експерментальних досліджень.

Рис. 4. Загальний вигляд приладу “Сула А”

Автоматизоване обладнання яке призначене для автоводіння МТА у полі, реалізує сучасні принципи оптимального управління та геоінформаційних технологій. Прийомоіндикатор “Сула-А” (Рис.4) забезпечує надійну роботу в плані точності ведення за заданим напрямком під час виконання агротехнологічних операцій.

Обладнання є уніфікованим, що сприяє його широкій поширеності та ремонтопридатності. Модифікації уніфікованого обладнання можуть бути використані при механізованому виконанні у полі основних агротехнологічних операцій (удобрення, сівба, підживлення, обприскування, а також проведення відбору проб для агрохімічного аналізу стану ґрунту та визначення диференційної врожайності поля при збиранні врожаю) згідно технологій керованого землеробства.

У четвертому розділі «Результати експериментальних досліджень». В результаті проведення полігонних досліджень в УкрНДІПВТ на тракторі ХТЗ - 3510 з прийомоіндикатором німецької фірми Agrokom Outbek S2. (Рис. 5 та 6)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. Ведення за заданим напрямком з допомогою АТЕК

Отримано результати якості роботи прийомоіндикатора в плані точності ведення в режимі паралельного водіння, та з GPS приймачем в ноутбуці.

Складені рівняння регресії що описують траєкторію руху трактора на гоні:

F1(a) = 5,84·10-9·a5+-1,539·10-6·a4+1,478·10-4·a3+-6,187·10-3·a2+0,103·a+3,399;

F2(a) = -2,89·10-9·a5+6,481·10-7·a4+-4,988·10-5·a3+1,571·10-3·a2+-0,02·a+3,898;

F3(a) = -5,07·10-9·a5+1,115·10-6·a4+-7,868·10-5·a3+1,742·10-3·a2+6,078·10-3·a+3,523.

автоводіння широкозахватний сільськогосподарський агрегат

Де: F - значення параметру траєкторії руху на гоні;

а - змінна, що характерезує пройдений шлях по довжині гону.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6. Статистичні дані з отриманих результатів (а - графіки руху на трьох гонах; б - регресивний аналіз одного гону)

Під час проведення порівняльних досліджень ШМТА (трактор і обприскувач), на дослідних полях ННЦ «ІМЕСГ» з допомогою 30м рулетки вимірювалися відстані між гонами після виконання агротехнлогічної операції, досдіження проводилися з метою порівняння виконання агротехнологічних операцій без системи ведення за заданим напрямком так і з нею. Також фіксувався рух на нерівних полях.

Заміри фіксувалися з допомогою незалежного еталона на гонах через кожні 10м на відстані 200м, на полі без системи ведення було заміряно 4 ділянки поля та 7 де агротехнологічна операція виконувалася з системою ведення GPS.

Регресивний аналіз руху ШМТА без системи автоводіння (Рис.7).

Складені рівняння регресії:

F1(a) = 4,392 ·10-5 ·a5+(-2,257·10-3) ·a4+0,039·a3+(-0,268)·a2+0,626·a+16,681

F2(a) = 3,647·10-6·a5+(-8,116·10-5) a4+(-2,721·10-3) ·a3+0,078·a2+(-0,399) ·a+14

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7. Регресивний аналіз руху ШМТА без системи автоводіння

Діаграма відхиленя руху ШМТА від еталону під час порівняльних досліджень (Рис. 8).

Рис. 8. Діаграма відхилень руху ШМТА під час порівняльних досліджень:1, 2 - рух без системи автоводіння; 3 - 9 - рух з системою автоводіння

Проведення експериментальних досліджень ШМТА, на дослідних полях ННЦ «ІМЕСГ» з Системою автоводіння під час посівних робіт, виконувалися з метою дослідження роботи навігаційної системи в польових умовах руху з двома GPS антенами, та вимірювання впливу повздовжніх та поперечних коливань з допомогою акселерометра а також незалежним еталоном.

Дослідження показали що розміщення самої антени відіграє велику роль в системі автоводіння. Якщо антена розміщена на кабіні трактора точність погіршується в зв'язку з великою амплітудою коливань самого трактора під час виконання агротехнологічної операції. Краще антену розміщувати на капоті, а на самому агрегаті коливання невеликі, тому є доцільність розміщувати дві антени на ШМТА для підвищення точності ведення за заданим напрямком. Дані навігаційних координат з двох антен які розміщені на тракторі та агрегаті показані на (Рис. 9), на графіках видно, що антена яка розміщена на тракторі через амплітудою коливань дає похибку.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 9. Порівняльні графіки на двох гонах величин відхилення прямолінійності руху у часі від «еталонної» траєкторії з двома антенами та диференційною поправкою

Дані акселерометра що закріплені на корпусі трактора кутового прискорення на чотирьох гонах представлені по черзі (Рис.10).

Рис. 10. Спектральна характеристика даних кутового прискорення з трактора та обприскувача на чотирьох різних гонах одного поля

Проведення експериментальних досліджень ШМТА, на дослідних полях ННЦ «ІМЕСГ» з Системами автоводіння (Matrix570G, Agrokom Outbek S2), трактором Кий та обприскувачем ОШШ - 3000/24 робіт, виконувалися з метою дослідження порівняння точності роботи двох навігаційних системи в польвих умовах, та вимірювання впливу повздовжніх та поперечних коливань з допомогою акселерометра і еталонного приладу точності GPS системи фірми NOVA ATEL. Спектральна характеристика даних кутового прискорення з двох систем автоводіння (Рис. 11.).

Рис. 11. Спектральна характеристика коливання ШМТА на гоні

Результати досліджень показали, що обидва прийомоіндикатори працюють майже однаково, але Agrokom Outbek S2 має тільки світодіодну планку до якої важко звикати, на відміну від Matrix570G в якому через великий дисплей чітко видно напрям руху за заданим напрямком.

Як показали дослідження, застосування навігаційних систем при виконання технологічних операцій вирощування с.г. культур дають змогу економити 7 - 11% витрат технологічних матеріалів (пального, мінеральних добрив та засобів захисту рослин). В середньому на 1 га посіву озимої пшениці витрачається близько 1800 грн. на пальне 400 грн. на засоби захисту рослин та близько 800 грн. га на мінеральні добрива. Таким чином економія буде становити 50 грн./га.

Приведемо економічний розрахунок на площі 180 га озимої пшениці та 120 га ярого ячменю з мінімальним обробітком ґрунту в господарстві ДП ДГ «Оленівське» (Табл. 1):

Витрати на придбання системи автоводіння в сумі загальних витрат складають 5%, що становитиме додатково 35 коп. на 1 грн. затрат отриманих шляхом за рахунок використання даної системи. Економія становитиме на різних операціях від 7 % до 11%, що в натуральному виразі буде давати додатково прибуток від 7 до 11 коп. на 1 гривню затрат, а сумарна економія складає 50,26 грн.

Таблиця 1. Ефективність системи керованого землеробства при виконанні технологічних операцій

Види операцій

У витрати

У витрати на 1 га

Складові ефективності

Озима пшениця

грн.

Без GPS

З GPS

%

грн.

Внесення гербі.

86 400

480

446,4

7

33,6

Внесення добр.

12 074,4

67,08

57,02

11

10,06

Обприскування

11 880

66

60

11

6,6

У

110 354,4

-

-

-

-

У на 1 га

-

613,08

563,42

-

50,26

Ярий ячмінь

Обприскування

-

123,61

110

11

13,61

У

14833,2

-

-

-

У на 1 га

-

-

-

-

13,61

Основні висновки

На основі проведених досліджень вирішено науково-технічне завдання щодо обґрунтування параметрів системи автоводіння широкозахватних сільськогосподарських агрегатів на програмних траєкторіях ведення за заданим напрямком для реалізації агротехнологічних операцій при агропромислового вирощуванні польових культур. В результаті проведених досліджень отримано наступне:

1. Проведено аналіз сучасного стану методів та засобів автоводіння ШМТА, в результаті якого виявлено, що із застосуванням сучасної мікропроцесорної техніки перспективи напрямку розвитку засобів супутникової навігації та інформаційних технологій створюють умови для підвищення точності управління процесом автоводіння за заданим напрямком руху.

2. Розроблено системно-аналогові моделі руху ШМТА згідно АТЕК. Отримані лінійні диференційні рівняння руху ШМТА на полі зі змінним рельєфом при роботі системи автоводіння. Визначено критерії оцінювання якості стабілізації збуреного руху ШМТА для підвищення точності прямолінійного руху при вирощуванні польових культур.

3. Розроблено структурно-функціональні схеми автоводіння ШМТА, вдосконалено систему ведення за заданим напрямком з допомогою навігаційної апаратури користувачів ГНСС, а також методику проведення експериментальних досліджень, яка з заданою точністю енергетичних та динамічних характеристик системи в польових умовах дії збурень забезпечує необхідну ефективність виконання агротехнологічних операцій

4. Розроблено модель руху ШМТА з двома GPS антенами для підвищення точності стабілізації руху на заданих траєкторіях широкозахватної агротехнологічної обробки поверхні по всьому полі з будь-яким контуром та наявними на ньому нерухомими об'єктами.

5. Порівняльними дослідженнями виконання агротехнологічних операцій установлено, що з використанням системи GPS точність ведення в залежності від рельєфу поля складала 25-30 см, ширина перекриття порядку 50 см, а без неї точність була 1,5 м, ширина перекриття 1,5 м. Час стабілізації напрямку руху за умов відхилення при швидкості 5 км/год складає 8-10 с, при швидкості 10 км/год в два рази більша.

6. Вперше експериментально визначена ефективність функціонування спеціалізованого програмно-математичного забезпечення при прийомі від ККС диференційних поправок, обробки даних в модулі Wavecom Q2501B з двома GPS антенами для отримання високоточних навігаційних параметрів системи автоводіння під час виконання агротехнологічних операцій.

7. Розроблено рекомендації та впроваджено їх у виробництво, встановлено, що система автоводіння в внаслідок зменшення огріхів та перекриття суміжних проходів забезпечує зниження витрат технологічних матеріалів на 7 - 11% і отримано економічний ефект в середньому 50,26 грн./га.

Список опублікованих праць

1. Мельник Р.В. Параметри забезпечення ефективності застосування широкозахватних машинно-тракторних агрегатів у керованому землеробстві // Національний науковий центр «Інститут механізації та електрифікації сільського господарства», міжвідомчий тематичний науковий збірник, випуск 91, 2007 р.

2. Баранов Г.Л. Комплекс навігації та зв'язку для управління за технологією керованого землеробства у вирощуванні польових культур / Баранов Г.Л., Кравчук В.І., Цулая А.В., Мельник Р.В. // Гідротехнології, навігація, керування рухом та конструювання авіаційно-космічної техніки. НТУУ «КПІ» 2007 р. (Дисертанту належать схема організації керованого землеробства у рослинництві та методи проведення досліджень).

3. Баранов Г.Л. Точність систем автоводіння широкозахватних машинотракторних агрегатів за умов реалізації агротехнологій вирощування рослинницької продукції / Баранов Г.Л. Мельник Р.В. // Збірник наукових праць УкрНДІПВТ, 2008 р. (Дисертанту належать аналіз факторів навігаційних похибок, їх джерельне місцезнаходження та узагальнення результатів).

4. Мельник Р.В. Аналітичні критерії стабілізації збуреного руху сільськогосподарських широкозахватних агрегатів на полі / Мельник Р.В, Баранов Г.Л., Вольський В.А. // Подільський державний аграрно-технічний університет, збірник наукових праць, 2008 р. (Дисертанту належать розроблення схеми базового підходу до розв'язку задач моделювання, складання рівняння кінематичного руху ШМТА на прямолінійному гоні та оцінки стабільності збуреного руху).

5. Мельник Р.В., Система автоводіння широкозахватних мобільних агрегатів за агротехнологічною електронною картою. - Міжнародна науково-технічна конференція до 110-річчя Національного аграрного університету та Кафедри сільськогосподарських машин ім. акад. П.М. Василенка «Аграрна інженерія в умовах глобалізації. Техніка та технології інформаційного землеробства» / Мельник Р.В, Баранов Г.Л // Збірник тез 2008 р. (Дисертанту належать аналітичні залежності нелінійної системи при завданні еквівалентних збурюючих сил у контактних зонах ШМТА. та узагальнення результатів).

6. Баранов Г.Л. Аналітичне моделювання для стабілізації руху на полі сільськогосподарських широкозахватних агрегатів / Баранов Г.Л., Мельник Р.В. // «Комп'ютерні системи та мережні технології», Збірник наукових праць Національного авіаційного університету, Київ 2008 р. (Дисертанту належать результати моделювання режимів стабілізації руху та узагальнення даних)

7. Баранов Г.Л. Навігаційне забезпечення динамічної точності високошвидкісної реалізації агротехнологічних операцій механізованого виробництва сільськогосподарської продукції рослинництва у зонах ризикованого землеробства / Баранов Г.Л., Мельник Р.В. // «Системи управління, навігації та зв'язку» випуск 3 (11) ДП «ЦНДІ НіУ », 2009 р. (Дисертанту належать аналіз шляхів забезпечення динамічної точності автоводіння в реальних експлуатаційних умовах та узагальнення результатів).

8. Баранов Г.Л. Аналітичні співвідношення для оцінок якості руху колісної пари широкозахватних машинно-тракторних агрегатів по полю в системі керованого землеробства / Баранов Г.Л., Мельник Р.В. // Збірник наукових праць УкрНДІпвт, 2009 р. (Дисертанту належить побудова адекватної математичної моделі роботи колісної пари з урахуванням факторів впливу та неоднорідного і нестаціонарного збурення під час руху ШМТА).

9. Баранов Г.Л. Обґрунтування навігаційних параметрів для стабілізації руху на програмних траєкторіях керованих транспортних засобів / Баранов Г.Л., Носовський А.М., Мельник Р.В. // «Системи управління, навігації та зв'язку» випуск 2 (14) ДП «ЦНДІ НіУ », 2010 р. (Дисертанту належить методи моделювання параметрів руху із застосуванням навігаційно-супутникових технологій для гарантування показників точності автоводіння ШМТА).

10. Пат. №46386 Україна, МПК А01В 69/00, G05D 1/02 Спосіб автоматичного водіння колісного безрейкового транспортного засобу / Мельник Р.В., Баранов Г.Л., Цулая А.В. (Україна). № u200904487; Заявл. 06.05.2009; Опубл. 25.12.2009; Бюл. № 24. (Дисертанту належить конструкційна розробка та блок-схема автоматичного водіння колісного безрейкового транспортного засобу).

11. Пат. №55830 Україна, МПК А01В 69/00 Пристрій для орієнтації тракторного агрегата в міжрядді / Дешко В.І., Адамчук О.В., Мельник Р.В., Коновал О.О. (Україна). № u201007519; Заявл. 16.06.2010; Опубл. 27.12.2010; Бюл. № 24. (Дисертанту належить конструкційна схема пристрою для орієнтації тракторного агрегату).

12. Пат. №55831 Україна, МПК А01В 69/00 Пристрій для орієнтації широкозахватного тракторного агрегату / Дешко В.І., Адамчук О.В., Мельник Р.В., Коновал О.О. (Україна). № u201007520; Заявл. 16.06.2010; Опубл. 27.12.2010; Бюл. № 24. (Дисертанту належить схема та варіанти розміщення пристрою для орієнтації широкозахватного тракторного агрегату).

Анотація

Мельник Р.В. Обґрунтування параметрів системи автоводіння широкозахватних сільськогосподарських агрегатів при вирощуванні польових культур. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.05.11. - Машини і засоби механізації сільськогосподарського виробництва. - Національний науковий центр «Інститут механізації та електрифікації сільського господарства», Глеваха, 2011.

Дисертація присвячена вирішенню науково-технічної задачі автоводіння широкозахватних сільськогосподарських агрегатів при агропромисловому вирощуванні польових культур, що дозволить забезпечити підвищення якості виконання агротехнологічних операцій за рахунок підвищення точності ведення суміжних проходів.

Вперше розроблено систему керування робочими процесами за даними двоканальної радіонавігаційної апаратури для покращення якості внесення витратних матеріалів, що заплановані для агротехнічних операцій, які обумовлюють формування раціональних врожаїв рослинницьких культур у поточних умовах агровиробництва на відкритих ґрунтах полів із змінним рельєфом, удосконалено методи моделювання та прогнозування параметрів руху із застосуванням навігаційно-супутникових технологій для гарантування показників точності автоводіння сільськогосподарських агрегатів.

Ключові слова: широкозахватний машинно-тракторний агрегат, точність автоводіння, кероване землеробство, супутникова навігаційна система.

Аннотация

Мельник Р.В. Обоснование параметров системы автовождения широкозахватных сельскохозяйственных агрегатов при выращивании полевых культур. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.11. - Машины и средства механизации сельскохозяйственного производства. - Национальный научный центр «Институт механизации и электрификации сельского хозяйства», Глеваха, 2011.

Диссертация посвящена решению научно-технической задачи автовождения широкозахватных сельскохозяйственных агрегатов при агропромышленном выращивании полевых культур, что позволит обеспечить повышение качества выполнения агротехнологических операций за счет повышения точности ведения смежных проходов.

В современных рыночных условиях широкое использование сельскохозяйственных агрегатов для выращивания продукции растениеводства приводит к увеличению затрат на их эксплуатацию. Радикальным способом снижения этих затрат является применение широкозахватных машинно-тракторных агрегатов. Но отсутствие эффективных технических средств автовождения, обеспечивающих высокую точность выполнения агротехнологической операции при использовании ШМТА вследствие постоянно действующих факторов влияния окружающей среды, не позволяют соблюдения агротехнических требований.

Анализ проведенных исследований свидетельствует об отсутствии в современных рыночных условиях данных, касающихся экономичности использования технических средств автовождения в реальных зонах рискованного земледелия Украины, рациональных параметров и режимов работы существующего оборудования, недостаточно определены и обоснованы механику движения.

Разработаны структурно-функциональные схемы автовождения ШМТА, усовершенствована система ведения по заданному направлению с помощью навигационной аппаратуры пользователей ГНСС, а также методику проведения экспериментальных исследований, которая с заданной точностью энергетических и динамических характеристик системы в полевых условиях действия возмущений обеспечивает необходимую эффективность выполнения агротехнологических операций.

На основе теоретических исследований разработана модель движения широкозахватных сельскохозяйственных агрегатов с двумя GPS антеннами для повышения точности стабилизации движения на заданным траекториям широкозахватной агротехнологической обработки поверхности по всему полю с любым контуром и имеющимся на нем недвижимыми объектами.

Впервые разработана система управления рабочими процессами для улучшения качества внесения расходных материалов, запланированные в агротехнических операций, обуславливающих формирование рациональных урожаев растениеводческих культур в текущий условиях агропроизводства на открытых грунтах полей с переменным рельефом, усовершенствованы методы моделирования и прогнозирования параметров движения с применением навигационно-спутниковых технологий для обеспечения показателей точности автовождения сельскохозяйственных агрегатов.

Сравнительными исследованиями выполнения агротехнологических операций установлено, что с использованием системы GPS точность ведения в зависимости от рельефа поля составляла 25-30 см, ширина перекрытия порядка 50 см, а без нее точность была 1,5 м, ширина перекрытия 1,5 м. Время стабилизации направления движения в условиях отклонения при скорости 5 км / ч составляет 8-10 с, при скорости 10 км / ч в два раза больше.

Разработаны рекомендации и обосновано условия экономической эффективности систем автовождения по внедрению в хозяйствах разных форм собственности, при которых вследствие уменьшения погрешностей и перекрытия смежных проходов применения системы в среднем обеспечивает снижение затрат на 7 - 11% таким образом экономическая эффективность составляет в среднем 50 грн./га.

Ключевые слова: широкозахватный машинно-тракторный агрегат, точность автовождения, управляемое земледелие, спутниковая навигационная система.

Summary

Mel'nyk R.V. Substantiation of parameters of automatic driving system of wide-coverage agricultural units for growing field crops. - Manuscript.

Thesis for the scientific degree of candidate of technical sciences by specialty 05.05.11 - machinery and means of mechanization of agricultural production - National scientific centre “Institute for agricultural engineering and electrification”, Glevakha, 2011.

The thesis deals with solving the scientific and technical problem of automatic driving of wide-coverage agricultural units under agroindustrial growing of field crops, which allows ensuring the quality of agrotechnological operation by improving the accuracy of the accuracy of adjacent passes.

For the first time, developed is a workflow management system using data of two-channel radio navigation equipment for improving the quality of application of materials that are planned for the agrotechnical operations, which conditions the formation of rational crop yields in the current conditions of agricultural production in exposed soils with variable relief, improved are methods for modeling and prediction of motion parameters with the use of navigation and satellite technologies to ensure accuracy figures of automatic driving of agricultural units.

Key words: wide-coverage machine-tractor unit, automatic driving accuracy, controlled agriculture, satellite navigation system.

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.