Перспективы автоматизации мобильных процессов растениеводства

8

Размещено на http://www.allbest.ru/

Новосибирский государственный аграрный университет

Перспективы автоматизации мобильных процессов растениеводства

Калюжный А.Т.

Аннотация

В статье приводится сравнительный анализ и оценка перспективности методов и устройств местоопределения самоходных сельскохозяйственных машин и агрегатов, выполняющих полевые работы без человека.

Ключевые слова: АВТОМАТИЗАЦИЯ ПОЛЕВЫХ РАБОТ, РОБОТИЗАЦИЯ ТРАКТОРНЫХ АГРЕГАТОВ, СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ НАВИГАЦИЯ, УСТРОЙСТВА МЕСТООПРЕДЕЛЕНИЯ ТРАКТОРНЫХ АГРЕГАТОВ

Основным поставщиком продуктов питания для людей и животных является растениеводство, эффективность которого можно повысить автоматизацией мобильных процессов и переходом к безлюдным технологиям выполнения полевых работ. Для этого необходимо автоматизировать управление сельскохозяйственными самоходными машинами и машинно-тракторными агрегатами (МТА). Прежде всего - автоматизировать управление траекторией движения МТА на рабочем гоне и поворотной полосе.

Управление траекторией включает программирование требуемых траекторий и определение места нахождения МТА относительно требуемого. Технически эта задача решается устройствами и системами местоопределения (УМО), к которым предъявляются достаточно жесткие требования. Такие средства должны обладать:

высокой точностью;

универсальностью;

автономностью;

помехоустойчивостью;

долговременной стабильностью;

низкой стоимостью;

низкими эксплуатационными издержками и др.

Методы местоопределения принято классифицировать по виду физических явлений, используемых для программирования требуемых и определения фактических траекторий. В растениеводстве могут находить применение различные методы местоопределения. В таблице 1 приведены результаты сравнительного анализа наиболее перспективных из них.

Таблица 1. Сравнительный анализ устройств местоопределения МТА

В таблице электромеханические УМО представлены контактными «чувствительными головками» для автовождения МТА вдоль борозды, рядка растений или валка скошенной травы [1]. В качестве программы движения, или «плановой траектории», они используют след предыдущего прохода или предыдущей операции, поэтому обладают автономностью и низкой стоимостью. По этой же причине они обладают низкой помехоустойчивостью, так как след прохода МТА на земле легко повреждается либо теряется чувствительным элементом УМО.

Радиотехнические системы местоопределения включают радиомаяки на поле и радиодальномеры на МТА либо наоборот. Устройства местоопределения, располагаемые на тракторе, обладают высокой универсальностью и относительной автономностью: так, часть системы радионавигации располагается на поле, вне МТА. Их недостатком является низкая точность, так как радиолуч перемещается в приземном слое, где скорость распространения радиоволн зависит от растительности и влажности воздуха.

Спутниковые системы отличаются от предыдущих используемой системой координат, которая задается навигационными спутниками, а не радиомаяками на поле. В настоящее время находят применение в системах параллельного вождения и автопилотах для повышения точности вождения широкозахватных агрегатов и облегчения условий труда трактористов-машинистов. Приемники-агронавигаторы обладают условной автономностью, так как для работы требуют наличия навигационных спутников, недоступных трактористам. Для достижения необходимой точности на поле или вблизи от него должна устанавливаться станция РТК, формирующая сигнал коррекции движения. Производители заявляют высокие технические параметры агронавигаторов, но фактические могут быть существенно ниже, так как носят вероятностный характер. В частности, критерием точности указывают среднеквадратичную погрешность, численное значение которой в 3-5 раз меньше максимальной. Можно предположить, что финансовые затраты на позиционирование навигационных спутников с необходимой для сельского хозяйства точностью намного превосходят требуемые, например, для военных нужд.

Телевизионные УМО, аналогично электромеханическим, обладают автономностью, но не обладают универсальностью и помехоустойчивостью вследствие многообразия используемых следовых программ движения: при отсутствии четкости следа точность местоопределения снижается.

Лазерные устройства могут быть двух типов: с полной и относительной автономностью. Первые представляют собой лазерные дальномеры, измеряющие расстояние до следа предыдущего прохода агрегата, поэтому их параметры близки к параметрам электромеханических и телевизионных УМО МТА. Системы с относительной автономностью содержат лазерные маяки, которые задают направление движения МТА; влияние пыли и тумана, неровности макро- и микрорельефа существенно ограничивают их возможности.

Инерциальные устройства определяют местоположение объекта управления посредством интегрирования линейных ускорений по осям системы координат, обладают автономностью и находят широкое применение в воздушной и космической навигации. Однако их применение на МТА невозможно вследствие высокого уровня помех, создаваемых вибрацией, ударами, креном, галопированием и рысканием трактора.

Индукционные системы местоопределения выгодно отличаются от прочих высокими техническими показателями - точностью, разрешающей способностью, универсальностью и др., что позволяет сделать вывод об их перспективности для роботизации МТА. Но опыт прошлого столетия это не подтвердил. В частности, опыт ученых Редингского университета (Англия) [2], которые разработали индукционную систему автовождения Auto-track, объявили о сроках промышленного производства, к которому так и не приступили. Это дало повод для сомнений и неверия в возможности явления магнитной индукции для автоматизации вождения МТА.

Перспективность индукционных систем местоопределения МТА нуждается в доказательствах, которые приводятся ниже.

В Auto-track применялся амплитудно-фазный метод местоопределения трактора по проекции вектора напряженности на вертикальную ось [3]:

где: д - сигнал траекторного рассогласования, характеризующий отклонение МТА от плановой траектории;

Hz - проекция вектора напряженности магнитного поля на ось OZ, А/м;

I - ток провода, А;

K = const - коэффициент пропорциональности;

y и z - боковая и вертикальная координаты индукционного преобразователя (ИП) в системе координат OXYZ, ось OX которой совмещена с проводом, а ось OZ направлена вертикально.

Согласно (1), сигнал рассогласования д отсутствует при у = 0. Это имеет место, если магнитное поле обладает осевой симметрией, - такое поле можно считать эталонным. В эталонном магнитном поле плановая траектория ИП совпадает с токоведущим проводом и не зависит от координаты z.

В системе Auto-track навигационное магнитное поле создавалось током петли шириной В = 22 м. Магнитное поле петли отличалось от эталонного, так как создавалось током всех сторон. Вдали от поворотных полос полем поперечных сторон петли можно пренебречь, а для суммарного магнитного поля 2-х длинных сторон записать:

где у и (у - В) - боковое смещение ИП относительно длинных сторон петли.

Плановая траектория МТА программируется как точка пересечения горизонтальной плоскости, в которой перемещается ИП, с вертикальной поверхностью, для точек которой соблюдается условие: д ? HZУ = 0. Поэтому, приравняв правую часть (2) к нулю, после преобразования получим зависимость бокового смещения у плановой траектории МТА относительно стороны петли от ширины петли В и высоты z ИП над плоскостью петли:

Глубина укладки проводов индуктора должна быть достаточной для их надежной защиты от повреждений, а высота ИП над земной поверхностью - достаточной для предотвращения повреждения растений. Это возможно, если z ? 1,5 м. Подставив в (3) значения B = 22 м и z = 1,5 м, получим: у1 ? -0,1 м, у2 ? (B + 0,1) м.

Схема укладки проводов одной загонки индуктора Auto-track показана на рис. 1.

Рис.1. Схема укладки проводов системы Auto-track

Навигационное магнитное поле создавалось поочередным питанием током проводов 1 и 5, 2 и 6, 3 и 7, 4 и 8. При движении МТА вдоль проводов 1…4 плановые траектории смещаются влево по схеме на 0,1 м, а при движении вдоль проводов 5…8 - вправо на такое же расстояние. Между траекториями проводов 4 и 5 образуется огрех шириной 0,2 м, а между траекториями проводов 8 данной загонки и 1 смежной справа - перекрытие 0,2 м. Это недопустимо по агротехническим требованиям и могло стать основной причиной отказа от производства систем Auto-track.

Для достижения высокой слитности смежных проходов МТА необходимо обеспечить независимость плановых траекторий от координаты z. Это может быть достигнуто несколькими способами.

В качестве обратного проводника, замыкающего цепь тока, можно использовать землю, заземлив провод на концах. Подключение к источнику тока только рабочего провода обеспечит создание эталонного магнитного поля и совпадение программируемой плановой траектории ИП с проводом.

Для компенсации магнитного поля, создаваемого обратным током петли, ток можно разделить на поворотной полосе на две равные части и пустить их по разные стороны от рабочего провода, как показано на рис. 2. Однонаправленные токи крайних проводов создают над средним встречные поля HZ, которые компенсируют друг друга и обеспечивают симметричность магнитного поля относительно плоскости XOZ. При этом качество магнитного поля выше эталонного вследствие снижения горизонтальной составляющей суммарного поля и повышения помехоустойчивости УМО к крену трактора.

Рис. 2. Создание симметричного магнитного поля петли

Коммутация проводов снижает электрическую мощность, потребляемую индуктором, и позволяет использовать более высокие частоты магнитного поля, но усложняет эксплуатацию и повышает эксплуатационные расходы. Более удобными являются некоммутируемые индукторы с одновременным питанием током всех проводов (рис. 3).

Питание током всех проводов индуктора создает сложное магнитное поле, которое невозможно преобразовать в эталонное. Но можно вычислять смещение плановых траекторий каждого провода и соответствующим образом корректировать сигнал траекторного рассогласования, совмещая плановые траектории с рабочими проводами.

Рис. 3. Некоммутируемый индуктор «зигзаг»

Более точный способ совмещения заключается в выделении полезного сигнала из суммарного сигнала [4]. Согласно (1), полезный сигнал обратно пропорционален квадрату координаты z, а сигнал помехи, источник которой удален на расстояние y >> z, слабо зависит от z. Это позволяет повышать точность сигнала траекторного рассогласования д, формируя его по разности двух сигналов, измеренных при разных значениях координаты z:

В качестве примера в таблице 2 приведены результаты вычислений бокового смещения плановых траекторий 10-проводного индуктора зигзаг при B = 7 м, z1 = 1,5 м, z2 = 2 м. Данные второй строки характеризуют смещение при одноуровневом местоопределении и z1 = 1,5 м, третьей - при двухуровневом и z2 = 2 м.

Таблица 2. Смещение плановых траекторий при местоопределении одно- и двухуровневым методами по проекции вектора напряженности на вертикальную ось трактора

Аналогичный результат обеспечивает местоопределение двухточечным разностно-амплитудным методом по проекции Hy вектора напряженности на поперечную ось трактора:

где 2а - длина измерительной базы; расстояние между ИП УМО.

Для многопроводного индуктора зигзаг уравнение (4) принимает вид с учетом направлений токов и создаваемых ими магнитных потоков:

Результаты расчета бокового смещения плановой траектории 10-проводного индуктора зигзаг согласно (4) при расстоянии между проводами 7 м, длине измерительной базы УМО 2а = 1,4 м, z = 1,5 м приведены в таблице 3.

Таблица 3. Смещение плановых траекторий 10-проводного индуктора при местоопределении по проекции вектора напряженности на поперечную ось трактора

Совмещение плановых траекторий с токоведущими проводами является необходимым, но не достаточным условием высокой слитности смежных проходов МТА. Слитность зависит, в том числе, от точности юстировки ИП и от угла крена трактора.

Крен на угол г смещает плановую траекторию в сторону крена на Дy:

где t - глубина укладки провода под поверхностью земли.

Так, если угол крена г = 3 градуса, а t = 1 м, то Дy = 5,2 см.

Стабилизация пространственной ориентации осей ИП смещает плановую траекторию в сторону, противоположную крену, на: Дy =(z- t)sinг.

Полностью компенсировать влияние крена можно с помощью креномера.

Неточность юстировки ИП в плоскости OZY на угол г смещает плановую траекторию на:

Дy = z·sinг.

Измеряемую согласно (1) проекцию Hz удобно выражать в процентах к значению напряженности в точке с координатами z; у = 0:

Максимальный сигнал рассогласования д = 50% наблюдается при y = z. Он может составлять, например, 5 вольт. Не представляет затруднений измерять напряжение 5 мВ, или 0,05%. Согласно (5), при z = 2 м такой сигнал возникает при у = 0,001 м, что позволяет фиксировать миллиметровые отклонения ИП от плановой траектории.

Индукционные преобразователи располагаются впереди трактора, а технологические машины, как правило, сзади. Расстояние L между ИП и рабочими органами (РО) технологической машины может достигать 10 м и более. Поэтому при боковом скольжении МТА на угол б РО смещаются относительно требуемой траектории на Ду:

Если L = 10 м и б = 1о, то смещение РО Дy = 0,175 м, что во многих случаях недопустимо. При ручном управлении тракторист контролирует положение РО и корректирует траекторию МТА; при автоматическом управлении эту функцию должна осуществлять автоматика.

Угол бокового скольжения б можно измерять обычным амплитудно-фазным индукционным устройством местоопределения. Для этого достаточно повернуть ИП в плоскости XOZ на 90о. При этом сигнал рассогласования дб на выходе такого устройства:

дб = 100sinб , %.

Уровень компенсации бокового скольжения можно регулировать коэффициентом усиления сигнала дб: при перемещении РО по требуемой траектории полная компенсация достигается при равенстве сигналов углового и линейного рассогласований.

Пусть L = 10 м, б = 1п, z = 2 м. Тогда линейное смещение рабочих органов 0,175 м, или 8,7%, а сигнал бокового скольжения дб = 1,75%. Так как эти сигналы должны компенсировать друг друга, то сигнал скольжения необходимо усилить в 8,7/1,75 = 5 раз. При снижении расстояния L между ИП и РО до 5 м усиление следует снизить до 2,5 раз.

Для измерения расстояния до поворотной полосы и окончания рабочего гона можно вдоль границы поворотной полосы уложить поперечный провод и запитать его током другой частоты. На МТА установить второе УМО, реагирующее на магнитное поле другой частоты, и по его выходному сигналу фиксировать начало поворотной полосы с сантиметровой точностью.

Индукционные УМО позволяют определять взаимное положение ведущего и ведомого агрегатов при дублерном вождении. Для этого на ведущем следует расположить небольшую рамку с током, создающую в окружающем пространстве переменное магнитное поле. При движении МТА колонной амплитудно-фазные и разностно-амплитудные УМО определяют боковое смещение ведомого агрегата относительно рамки - так же, как и относительно подземного провода. При движении шеренгой боковое смещение можно определять по уровню сигнала амплитудным методом либо вычислять по результатам измерения напряженности в 2-х и более точках. Аналогично измеряется и дистанция между агрегатами.

Модулируя ток подземного провода, можно передавать на МТА команды дистанционного управления работой двигателя или технологической машины. А расположив на МТА рамку с током вспомогательной частоты и используя гоновые провода индуктора в качестве приемных антенн, можно установить связь МТА с диспетчером для передачи информации о состоянии МТА, не применяя радиосвязь.

Реализация индукционных методов местоопределения требует предварительной подготовки с/х полей - устранения препятствий и укладки подземных проводов. Оппоненты указывают на это, как на непреодолимый недостаток. В действительности следует принимать во внимание не количество проводов (их дефицит не предвидится), а срок окупаемости капитальных затрат.

Пусть необходимо подготовить поле площадью 40 га. С целью минимизации эксплуатационных затрат целесообразно выбрать индуктор типа зигзаг, рис. 3. Расстояние между проводами можно принять 7 м. Тогда общая длина проводов 40-гектарного поля - 60 км.

Можно использовать провод АПВ-2,5 с погонным сопротивлением 13 Ом/км. Суммарное электрическое сопротивление проводов - 800 Ом, поэтому при токе 50 мА потребляемая электрическая мощность - 2 Вт. Если в качестве источника электрической энергии используется аккумуляторная батарея 12 В, 20 А·ч, то подзарядка потребуется через 100 часов непрерывной работы индуктора. Можно организовать питание проводов непосредственно с диспетчерского пульта, проложив подземный провод через место хранения трактора - это обеспечит автоматическое перемещение МТА к месту работы и обратно вдоль провода питания.

Укладку проводов целесообразно совместить с разуплотнением подпахотного слоя грунта чизельным плугом, которое повысит воздухо-влагопроничаемость и плодородие почвы. Одновременно снизится стоимость укладки проводов, выполняемая этим же плугом. При укладке проводов со скоростью 3 км/ч на подготовку 40-гектарного поля потребуется несколько дней. В составе бригады может работать 3-5 человек, поэтому суммарные затраты на укладку проводов на 40-гектарном поле не превысят 400 тыс. руб.

Автоматизация обеспечит стабильно высокую точность траекторного управления, своевременность и качество полевых работ. Предотвращение уплотнения почвы благодаря оптимизации массы автоматических тракторов повысит урожайность. В итоге производство продукции возрастет до 30% и более при тех же затратах. А оптимизация рабочей скорости и снижение уплотнения почвы снизят тяговое сопротивление почвообрабатывающих машин и орудий, повысит топливную экономичность МТА.

Пусть, например, на 40-гектарном поле выращивается картофель со средней урожайностью 175 ц/га. Тогда повышение урожайности на 10% за счет высокой точности автовождения и снижения повреждаемости растений, своевременности полевых работ и их качества дает 70 тонн дополнительного картофеля на сумму 420 тыс. руб./год при отпускной цене 6 руб./кг. Срок окупаемости капитальных затрат составит 1 год. И даже снижение отпускной цены до 3 руб./кг увеличит срок окупаемости только до 2 лет при сроке службы подземных проводов несколько десятилетий.

Явление магнитной индукции решает проблему программирования требуемых и определения фактических траекторий движения МТА на рабочем гоне и поворотной полосе. Это позволяет приступить к проведению НИОКР по созданию автоматических тракторов для реализации безлюдных технологий выполнения полевых работ. Например, - на базе гусеничных тракторов типа Т-70 и ДТ-75, параметры которых наиболее близки к эталонным. А когда будут созданы более совершенные устройства местоопределения, не требующие наличия подземных проводов, то их установка на тракторе взамен индукционных займет не более часа.

автоматизация провод сельскохозяйственный

Список использованных источников

Калоев А.В. Основы проектирования систем автоматического вождения самоходных машин. - М.: Машиностроение. - 1978. - 152 с.

Автоматическое и дистанционное управление промышленными тракторами. - М.: ЦНИИТЭИтракторосельхозмаш. - 1972. - 84 с.

Калюжный А.Т. Электронавигация сельскохозяйственная индукционная. Теория. Монография // Новосиб. гос. аграр. ун-т. - Новосибирск: ИЦ НГАУ «Золотой колос». - 2015. - 175 с.

Калюжный А.Т. Высокоточный индукционный метод сельскохозяйственной навигации // АгроЭкоИнфо. - 2018, №1. - http://agroecoinfo.narod.ru/journal/STATYI/2018/1/st_103.doc.

Размещено на Allbest.ru