Особенности применения роботизированных платформ в сельском хозяйстве

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова

Черненко Андрей Борисович,

кандидат технических наук, доцент

Багинский Никита Андреевич,

студент, кафедра автомобилей и транспортно-технологических комплексов

магистрант, кафедра колесных машин

г. Новочеркасск

Аннотация

сельскохозяйственный робототехника автономный платформа

Выполнен анализ состояния применения робототехники в сельском хозяйстве. Проведен анализ существующих классификаций сельскохозяйственной робототехники. Рассмотрен достаточно широкий спектр применения робототехники в сельском хозяйстве. Выполнен обзор проводимых в настоящее время в Российской Федерации и за рубежом научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, направленных на создание новых сельскохозяйственных роботов. Предложен новый модульный подход к созданию многофункциональной автономной роботизированной платформы сельскохозяйственного назначения. Выявлены особенности применения роботизированных платформ в сельском хозяйстве.

Ключевые слова: универсальные роботизированные платформы для сельского хозяйства, особенности и классификация сельскохозяйственной робототехники, аппаратно-модульные конструкции.

Abstract

Features of using robotic platforms in agriculture

Chernenko A.B.¹, Chernikov N.S.², Baginsky N.A.³, Sysoev M.I.⁴

^IChernenko Andrei Borisovich - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor;

²Chernikov Nikita Sergeevich - Student;

³Baginsky Nikita Andreevich - Student,

⁴Sysoev Maxim Ivanovich - Undergraduate,

The analysis of the state of application of robotics in agriculture is carried out. The analysis of existing classifications of agricultural robotics is performed. A fairly wide range of applications of robotics in agriculture is considered. An overview of the research and development activities currently being carried out in the Russian Federation and abroad aimed at creating new agricultural robots. A new modular approach to creating a multifunctional Autonomous robotic platform for agricultural purposes is proposed. Features of application of robotic platforms in agriculture are revealed.

Keywords: universal robotic platforms for agriculture, features and classification of agricultural robotics, hardware-modular structures.

Основная часть

Робототехника играет значительную роль в сельскохозяйственном производстве. По данным исследователей рынка робототехники, сельскохозяйственная робототехника занимает 39% от всего рынка роботов Европы, причем 13% и 12% занимают роботы для уборки и медицинские роботы. На долю роботов, обеспечивающих безопасность и роботов для муниципальной экономики, приходится 5% и 1% соответственно. Робототехника в остальных прочих профессиональных отраслях занимает до 30% [1].

Для эффективного управления сельским хозяйством необходимы автономные и экономящие время технологии в сельском хозяйстве. В настоящее время исследователи сосредотачиваются на различных эксплуатационных параметрах сельского хозяйства для проектирования автономных сельскохозяйственных машин, поскольку обычные сельскохозяйственные машины зависят от урожая и топологии. До настоящего времени сельскохозяйственные роботы были исследованы и разработаны главным образом для сбора урожая, химического опрыскивания, сбора плодов и мониторинга сельскохозяйственных культур.

Основные преимущества разработки автономных и интеллектуальных сельскохозяйственных роботов заключаются в повышении воспроизводимой точности, эффективности, надежности, минимизации уплотнения почвы и выполнения трудоёмких операций. Роботы обладают потенциалом многозадачности, сенсорной остроты, оперативной согласованности, а также устойчивости к нештатным ситуациям в различных условиях эксплуатации.

В настоящее время в Российской Федерации и за рубежом проводятся научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, направленные на создание новых сельскохозяйственных роботов. Немногочисленные конструкции сельскохозяйственных роботов были разработаны в Европейском Союзе. США, Австралии, Финляндии, а также в Индии и во многих других странах. Сельскохозяйственные роботы разрабатываются с использованием различных методов локализации, которые включают в себя зрение, GPS, лазеры и сенсорные навигационные системы управления.

Несмотря на относительно широкое применение робототехники в сельском хозяйстве не существует однозначного подхода к определению особенностей и классификации сельскохозяйственной робототехники.

В настоящее время существует классификация сельскохозяйственной робототехники:

- по отраслям применения и видам выполняемых работ (в животноводстве и растениеводстве),

- по характеру перемещения (стационарная, мобильная, беспилотные летательные аппараты),

- по типу управления (управляемая оператором, полуавтоматическая, автономная),

- по специализации (специальная, специализированная и универсальная) [2].

Рассмотрен достаточно широкий спектр применения робототехники в сельском хозяйстве.

Так, сельскохозяйственная робототехника была классифицирована по применению, по отраслям: (животноводство, растениеводство, вспомогательные производства), по видам: доение различных животных, уборка навоза, подравнивание и раздача кормов, стрижка овец.

Наряду с этим, предложена классификация применения робототехники в растениеводстве по видам выполняемых работ: (посев сельскохозяйственных культур, опрыскивание растений ядохимикатами и удобрениями, удаление, прополка сорняков, контроль всхожести посевов, кошение кормовых культур, сбор фруктов, уход за виноградниками и садовыми деревьями, транспортировка рассады и полив растений в теплицах, механизированные работы по подготовке почвы и др. [2].

Робототехника, выполняющая работы во вспомогательных производствах организаций сельского хозяйства, была классифицирована по следующим видам работ: мониторинг сельскохозяйственных угодий, сортировка сельскохозяйственной продукции, а также её упаковка.

Вместе с этим, робототехника для сельского хозяйства была классифицирована по характеру перемещения, по типу управления, а также по уровню специализации [3].

Сельскохозяйственная робототехника имеет существенные отличия от робототехники, применяемой в других отраслях народного хозяйства, что обуславливает особенности её разработки и внедрения.

Способы передвижения современных наземных робототехнических систем (РТС) характеризуются большим разнообразием. Основой любого мобильного робота (МР) является шасси той или иной конструкции. Самоходное шасси представляет собой совокупность узлов, механизмов и систем, обеспечивающих передачу механической энергии от двигателей к активным элементам движителя - ведущим колесам, выходным звеньям механизмов изменения геометрии шасси и т.п., - объединенных вместе с приводами в функциональную конструктивную подсистему [3].

Шасси и примененный движитель во многом определяют как конструктивный облик мобильного робота, так и его функциональные возможности, главная из которых - способность к передвижению в недетерминированной среде и приспособляемость к сложным условиям движения. В конструкциях наземных робототехнических системах, по аналогии с транспортными машинами общего назначения, традиционно находят применение колесный и гусеничный движители с простейшими схемами шасси: фиксированной конфигурации и различным числом элементов движителя. В то же время общая тенденция развития наземных робототехнических систем движется в сторону миниатюризации [4], возрастающие требования по профильной проходимости мобильных роботов с одновременным снижением размеров и массы приводят к необходимости усложнения конструкций шасси путем добавления различных пассивных или активных механизмов адаптации. Это позволяет существенно повысить показатели профильной проходимости машины и наделить её рядом дополнительных функций [4].

В связи с этим, актуальным является создание многофункциональной автономной роботизированной платформы сельскохозяйственного назначения, работающей в различных средах и условиях эксплуатации, способной перестраиваться для выполнения различных технологических операций.

Поэтому, исследование особенностей применения робототехники в сельском хозяйстве, а также принципов построения и классификации шасси мобильных роботизированных платформ является одной из приоритетных задач. Анализ представленных классификаций позволил выявить особенности применения роботизированных платформ для сельского хозяйства, исследование которых наряду с определением числа степеней подвижности в той или иной функциональной подсистеме шасси и выделения трёх основных функций шасси: передвижение, маневрирование и преодоление препятствий, необходимо при разработке концептуальной модели шасси.

Автоматизация сельскохозяйственных операций является требованием времени для повышения производительности труда с помощью инструментов и технологий. В последние годы все больший интерес вызывает развитие автономных транспортных средств в сельском хозяйстве. Перспективным направлением повышения адаптационных способностей многофункциональной автономной роботизированной платформы сельскохозяйственного назначения является создание сочлененных схем шасси, появившихся как результат простой сцепки однотипных колесных или гусеничных модулей, и развивающихся в сторону создания многомодульных реконфигурируемых самоорганизующихся робототехнических систем [4].

Многие исследователи начали разрабатывать более рациональные и адаптируемые транспортные средства для сельскохозяйственных технологических операций. В области сельскохозяйственных автономных транспортных средств была принята концепция использования нескольких небольших эффективных автономных машин вместо традиционных крупногабаритных тракторов [5]. Кроме того, такая система может иметь меньшее воздействие на окружающую среду, поскольку она может значительно уменьшить применение химических веществ и чрезмерное уплотнение почвы. Есть ряд полевых операций, которые могут быть выполнены автономными транспортными средствами, дающими больше преимуществ, чем обычные машины. Большинство исследователей работают над созданием автономных транспортных средств для высокоточных сельскохозяйственных мобильных роботов [6]. Проектные работы направлены на реализацию трех различных вертикалей, а именно:

- навигация мобильного робота;

- реализация программного обеспечения;

- разработка сенсорных модулей.

Различные страны, такие как США, Европейский союз, Дания, Австралия, Финляндия, Индия и т.д. разрабатывают мобильные роботы в рамках этих вертикалей, которые в основном предназначены для обеспечения сельского хозяйства. Исследовательские группы разработали различные специализированные навигационные системы, такие как одометр, зрение, сенсор, системы активного радиолокационного самонаведения, GPS, картографические, ориентированные навигационные методы для управления роботами в едином пространстве управления для сельского хозяйства. Эти системы используется для таких применений, как картирование полей, подготовка семенного ложа, размещение семян, повторный посев, разведка урожая (Crop Scouting), картирование сорняков, роботизированный контроль прополки, микроопрыскивание, роботизированное орошение и т.д. [7].

В научной литературе в настоящее время можно найти достаточно много информации, как адаптировать сельскохозяйственную технику для сельскохозяйственных платформ (так называемые автономные транспортные средства или мобильные роботы) [8].

В последнее время наблюдается тенденция к разработке платформ, специально построенных для сельскохозяйственных автономных транспортных средств или роботов [9]. Большинство сельскохозяйственных автономных робототехнических исследований было проведено в контролируемых условиях, таких как роботизированный сбор помидоров, огурцов, грибов и различных фруктов. В садоводстве роботы были применены к цитрусовым и яблокам. Однако развитие этих платформ ставит две задачи: разработать физическую структуру, подходящую для сельскохозяйственной среды, и разработать электронную архитектуру для интеграции различных электронных устройств. Физическая структура и электронная архитектура должна быть надежной и обеспечивать быстрое и простое обслуживание, а также обладать модульностью и гибкостью, позволяющими в будущем расширять и подключать новое оборудование. Поскольку в ближайшие годы для сельского хозяйства будут разрабатываться более уникальные варианты мобильных роботов, это дает представление о том, что применение робототехники в сельском хозяйстве может быть технически затруднено по сравнению с промышленными роботами.

Проведенный анализ состояния применения робототехники в сельском хозяйстве показал, что в настоящее время отечественный рынок сельскохозяйственной робототехники является весьма ёмким по потреблению, однако по производству робототехники существенно отстает от мировых лидеров. На российском рынке отсутствуют собственные разработки сельскохозяйственной робототехники, наблюдается доминирование мировых производителей, в основном европейских. В связи с этим возрастает актуальность создания российских образцов сельскохозяйственной робототехники.

Необходима комплексная работа по созданию сельскохозяйственной робототехники, которая должна включать решение вопросов экономической, зоотехнической, агрономической и иной целесообразности и возможности применения в сельском хозяйстве инновационной техники.

На основании всестороннего изучения особенностей применения роботизированных платформ в сельском хозяйстве, а также использования обобщённого опыта различных компаний, специализирующихся на создании подобных роботов, предлагается новый модульный подход к созданию многофункциональной автономной роботизированной платформы сельскохозяйственного назначения. Модульные роботы позволяют адаптироваться к разнообразию технологий выращивания сельскохозяйственной продукции, так как они могут быть быстро сконфигурированы для различных условий сельхозпредприятия.

Предлагаемые сельскохозяйственные роботизированные платформы должны быть аппаратно-модульными в том смысле, что они могут быть реконфигурированы для получения необходимых физических свойств для работы в различных производственных системах, таких как туннели, теплицы, открытые поля и сады, а их механические свойства могут быть адаптированы для регулировки по ширине междурядий (колеи), требованиям к мощности, дорожного просвета, грузоподъемности и т.д.

Список литературы /References