Данная монография является третьей в серии, посвященной новым механизмам, предназначенным для перспективных робототехнических и измерительных систем.
Первая книга была посвящена 80-летию Института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН (ИМАШ РАН) и содержала работы исследователей, связанных с институтом. Во второй монографии были представлены труды авторов, работающих в различных учебных, научных и промышленных организациях. Обе монографии показывали механизмы, которые могут быть применены в различных робототехнических системах: технологических, медицинских, обучающих (тренажеры). Часть результатов носила исследовательский характер, другая часть была посвящена обзору существующих механизмов, используемых, в частности, в космосе, в сварочном производстве, экзоскелетах и др.
Третья монография содержит более расширенный круг вопросов. Она включает не только результаты, связанные с синтезом и анализом новых механизмов (в частности, речь идет о кинематических свойствах, сингулярностях), а также обзор существующих механизмов, применяемых в различных отраслях техники (в частности, речь идет о сельскохозяйственной робототехнике). Данная монография посвящена также различным устройствам, применяемым в качестве датчиков и других измерительных систем.
Задачи цифровизации требуют создания цифровых двойников изделий, разработки систем встроенной диагностики. Эти вопросы напрямую связаны с созданием новых робототехнических систем. В указанном смысле круг вопросов, рассматриваемых в данной монографии, расширен по сравнению с предыдущими изданиями. Представленные решения позволят сократить и автоматизировать процессы разработки и последующей эксплуатации технических устройств и оборудования с целью перехода предприятий к работе в условиях цифровой среды.
Монография предназначена для широкого круга читателей – студентов, аспирантов, инженеров и научных работников, занимающихся вопросами синтеза и анализа механизмов, применяемых в робототехнических системах.
ГЛАВА 1
РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
Дорохов А.С., Загоруйко М.Г., Давыдова С.А.,
Павкин Д.Ю., Чилингарян Н.О., Гришин А.А., Катаев Ю.В.
Характерной особенностью современного развития техники является широкое внедрение методов и средств автоматики, телемеханики и робототехники, вызванное переходом на автоматизированное и роботизированное управление различными производственными и технологическими процессами в машиностроении и сельскохозяйственном производстве, создание гибких производственных модулей, систем, комплексов и т.п. На сегодняшний день повсеместное применение роботизированной техники приобрело роль ключевого научно-технологического направления.
В данной главе рассмотрены робототехнические средства, используемые в сельском хозяйстве.
Уровень российской роботизации в настоящее время остается низок: ежегодные поставки составляют около 600 роботов, плотность роботизации — примерно 5 роботов на 10 тыс. работников (при этом средняя плотность роботизации в мире составляет около 100 роботов на 10 тыс. работников) [1].
Однако робототехника является одной из базовых технологий интеллектуализации сельского хозяйства, и интерес научного сообщества к исследованиям роботизированных систем сельскохозяйственного назначения ежегодно растет. За последние 5 лет наблюдается резкий рост числа публикаций, посвященных данной тематике (число публикуемых научных статей в 2020 г. увеличилось более чем в 3 раза по сравнению с 2015 г.). При этом основная масса исследований посвящена разработке и совершенствованию систем машинного зрения; описанию конструкции разработанных роботов и результатам их испытаний; разработке систем автономного управления роботизированными платформами; систем навигации и связи.
1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ
РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ПРОЦЕССОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА
Традиционно сельскохозяйственную робототехнику классифицируют по отраслям применения и видам выполняемых работ [2–4].
Классификация сельскохозяйственных робототехнических средств по отраслям следующая: применяемые в животноводстве; применяемые в растениеводстве; применяемые во вспомогательных производствах.
Наиболее роботизированной отраслью в сельском хозяйстве является отрасль
животноводства, робототехнику в этой отрасли классифицируют по видам выпол-
няемых работ: доение животных (коров, коз и т.д.); уборка навоза; подравнивание
кормов; раздача кормов; стрижка овец.
Классификация робототехники в растениеводстве по видам выполняемых ра-
бот: посев сельскохозяйственных культур; опрыскивание растений ядохимиката-
ми и удобрениями; удаление, прополка сорняков; контроль всхожести посевов;
кошение кормовых культур; сбор фруктов; уход за виноградниками и садовыми
деревьями; транспортировка рассады в теплицах; полив растений в теплицах; ме-
ханизированные работы по подготовке почвы, выполняемые беспилотным (авто-
номным) трактором.
Робототехнические средства, выполняющие работы во вспомогательных про-
изводствах организаций сельского хозяйства, можно разделить по следующим ви-
дам работ: мониторинг сельскохозяйственных угодий; сортировка сельскохозяй-
ственной продукции; упаковка сельскохозяйственной продукции.
Классификация робототехники в сельском хозяйстве по характеру перемеще-
ния: стационарная; мобильная; беспилотные летательные аппараты.
По уровню специализации робототехнические средства в сельском хозяйстве
можно классифицировать на специальные (выполнение одной технологической
операции или обслуживания конкретного технологического оборудования);
специализированные (выполнение технологических операций одного вида); уни-
версальные (выполнение различных основных и вспомогательных операций).
Анализ научных работ показывает, что разрабатываемые в настоящее время
сельскохозяйственные робототехнические системы подразделяются на многоце-
левые (выполняющие несколько операций), специальные и специализированные,
предназначенные для выполнения следующих основных операций: прополка, по-
сев, обнаружение вредителей и болезней, мониторинг растений и фенотипирова-
ние, опрыскивание, сбор урожая. При разработке сельскохозяйственных роботов
наибольшее предпочтение отдается специальным роботам, доля которых среди
всех рассмотренных роботов составляет 44%, многофункциональные занимают
32% общего объема, а специализированные — 24%. Наибольшее предпочтение
разработчиками уделяется роботам для работы с пропашными (50%) и тепличны-
ми (24%) культурами, наименьшее — с садовыми культурами (10%) и виноградни-
ками (17%).
По типу управления робототехнику в сельском хозяйстве можно классифици-
ровать: управляемая оператором; полуавтоматическая; автономная.
В основе разработки систем автоматики лежит производственный процесс,
который представляет собой совокупность технологических процессов, направ-
ленных на создание конечного продукта. Например, в полеводстве — это воз-
делывание и уборка зерновых; в животноводстве — откормочное содержание
животных; в растениеводстве защищенного грунта — выращивание овощей
на гидропонике в естественной среде и т.д.
Сельскохозяйственный производственный процесс разделяют на технологи-
ческие процессы, которые, в свою очередь, делятся на рабочие операции.
Под технологическим процессом в сельскохозяйственном производстве по-
нимают совокупность целесообразно направленных явлений, возникающих
в объекте выращивания или обработки путем воздействия на него инструментов,
рабочих органов машин и орудий или других физических, химических или биоло-
гических агентов (например, нагретого воздуха, удобрений и др.). Говоря иначе,
технологический процесс служит для перевода материала или продукта из исход-
ного (начального) в требуемое (конечное) состояние или в некоторое промежуточ-
ное, которое приближает обрабатываемый материал или объект к необходимому
конечному состоянию. При обработке материал лишь изменяет свое состояние,
которое соответствует его свойствам, но остается самим собой (например, куль-
тивация, сушка зерна). В случае переработки материал превращается или входит
в состав конечного продукта (например, кормоприготовление). Каждый техноло-
гический процесс характеризуется совокупностью функциональных связей, опи-
сываемых следующей системой уравнений в неявной форме
см уравнение в книге (1.1)
где X1, X2 … Xn, Y1, Y2 … Yn — входные и выходные координаты технологическо-
го процесса; W1(p), W2(p) … Wn(p) — передаточные функции элементарных тех-
нологических процессов (механических, тепловых, диффузионных и др.); F1(t),
F2(t) … Fn(t) — возмущающие действия.
Технологические процессы могут происходить параллельно или последова-
тельно во времени. Каждый технологический процесс можно охарактеризовать
режимами функционирования:
•установочным — подготовка объектов обработки и машин к рабочему ре-
жиму (например установка рабочих органов в положение, при котором тех-
нологический процесс протекает в заданных пределах и с заданным каче-
ством);
•рабочим — взаимодействие объекта или машины с материалом или рабочей
средой;
•биологическим (физико-химическим) — специфический сельскохозяй-
ственный режим, связанный с длительным естественным процессом на-
копления внутри объекта растительной или животноводческой продукции;
•транспортным — перемещение машин, рабочих органов, животных или ма-
териала;
•режимом обслуживания (например, технический уход за машиной, зоотех-
ническое обслуживание животных и агротехнические обеспечения жизне-
деятельности растений).
В сельскохозяйственном производстве наиболее специфическими являются
биологические режимы, для которых характерна непрерывность физиологиче-
ских процессов образования продукции и цикличность ее получения. Такой про-
цесс можно прервать и практически невозможно наверстать упущенное путем ин-
тенсификации следующего периода. Несмотря на специфичность и разнообразие
биологических режимов, задача автоматизации их в сельском хозяйстве остается
неизменной: обеспечить ход физиологических процессов таким образом, чтобы
в кратчайшие сроки при минимальных затратах труда получить наибольшее коли-
чество продукции лучшего качества.
Каждый режим состоит из технологических операций. Технологической опе-
рацией следует называть совокупность организационных и технологических дей-
ствий, способствующих нормальному протеканию режима функционирования.
Операция является основным этапом любого режима функционирования, от про-
ведения которого зависят все его составляющие. В понятие операции входят транс-
формация энергии, а также весь комплекс отдельных механических, физических,
биологических и других явлений, которые протекают в объекте или материале.
Разделение технологического процесса на технологические операции позво-
ляет выявить продолжительность операции, очередность ее проведения, циклич-
ность, то есть составить алгоритм технологического процесса.
Контроль и управление режимами и операциями осуществляются по инфор-
мационным параметрам, измеряемым первичными преобразователями различ-
ных датчиков. Операции выполняются одновременно (параллельно или последо-
вательно). Контроль выполнения всех операций не обязателен, контролируются
только основные операции и режимы, которые характеризуют в целом, качествен-
но и количественно, выполнение производственного процесса.
Таким образом, классификация объектов при расширении работ по автома-
тизации сельскохозяйственных технологических процессов и операций облегчает
определение объема и очередности автоматизации, разработку типовых решений
в области технологии автоматизированного поточного производства и создания
технических средств автоматики. Поэтому в классификацию должны входить
не только существующие процессы и объекты автоматизации, но и те, которые
могут быть предложены в дальнейшем. Классификация позволяет более точно
сформулировать требования к техническим средствам, выбрать рациональные
принципы построения систем автоматизации сельскохозяйственных объектов
и разработать общие показатели и методы определения технико-экономической
эффективности автоматизации. Без научной классификации сельскохозяйствен-
ных объектов и процессов в них невозможны широкие теоретические обобщения,
технико-экономические сравнения и практические оценки.
Кроме того, исходя из задач проектирования систем автоматизации и созда-
ния средств автоматики, целесообразно классифицировать сельскохозяйствен-
ные объекты по пяти существенным признакам: типу технологических процессов;
взаимосвязи технологического и транспортного движения; видам технологиче-
ского цикла; динамическим свойствам объекта; агрегатному состоянию обраба-
тываемого материала.
Классификация по типу технологических процессов (механические, тепло-
вые, электрические, биологические, химические и гидравлические) дает возмож-
ность разработать общий подход к решению задачи автоматизации всего класса,
несмотря на технологическую специфику.
По взаимосвязи технологического и транспортного движений объекты делят-
ся на три класса: с несочетаемыми, соединенными и независимыми движениями.
В объектах с несочетаемыми движениями одни установки предназначены только
для транспортировки материала без его обработки, а другие осуществляют его тех-
нологическую обработку. Данные объекты относятся к низшему классу с точки
зрения экономической эффективности автоматизации. К более высокому классу
относятся объекты, в которых транспортное и технологическое движение соеди-
нены и находятся в тесной взаимосвязи, например, обработка или переработка
материалов происходит во время их транспортировки. Для этого класса установок
автоматизация позволяет существенно повысить их производительность и обе-
спечить оптимальный режим работы. Объекты высшего класса имеют независи-
мое движение. Транспортное движение может быть сделано ими во время обра-
ботки, а технологическое движение — во время транспортировки. Автоматизация
этого класса объектов обеспечивает непрерывность производственного процесса
и наибольшую производительность.
На выбор исполнительных и первичных преобразователей систем автома-
тики влияет агрегатное состояние обрабатываемого материала. При разработке
технических средств автоматики сельскохозяйственного назначения учитывается
тот факт, что агрегатное состояние материала на входе в объект может коренным
образом отличаться от состояния на выходе с объекта.
По мере развития уровня сельскохозяйственного производства число техно-
логических процессов и операций, а также средств контроля и управления не-
уклонно растет. Поэтому необходимо постоянно совершенствовать и расширять
классификацию сельскохозяйственных объектов с учетом особенностей и требо-
ваний автоматизации, которая должна способствовать выработке общих требо-
ваний к техническим средствам, выбору рациональных принципов построения
систем и средств автоматики, разработке общих показателей и методов опреде-
ления технико-экономической эффективности автоматизации, а следовательно,
и роботизации сельскохозяйственных процессов.
1.2. РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
В САДОВОДСТВЕ
В настоящее время процесс цифровизации сельскохозяйственного производства,
являющийся логическим продолжением процесса автоматизации, выступает
драйвером отрасли, для качественного развития которой необходимо не только
разрабатывать и внедрять, но и постоянно совершенствовать новые технические
и технологические решения, в том числе связанные с управлением отдельными
системами, процессами и объектами.
На современном этапе развития науки и техники различные технологиче-
ские процессы производятся при помощи технических средств или их групп,
управляемых при помощи автоматизированных систем управления, с участием
человека, либо с использованием систем автоматического управления, без уча-
стия оператора.
Разработка таких систем, принципов их работы и модернизация существу-
ющих решений, морально и технически устаревших, является важной научной
и прикладной задачей, позволяющей в конечном итоге обеспечить качественный
и количественный рост основных индикаторных и экономических показателей
как отрасли в целом, так и отдельных хозяйствующих субъектов в частности.
Продукционные процессы в сельскохозяйственном производстве, ре-
зультирующим выходным параметром которых является совокупность объе-
ма товарных садовых культур, в частности плодов яблони, являются сложной
многокритериальной системой, улучшение качественного выхода различных
показателей которой требует разработки принципиально новых методов и форм
организации управления имеющимися и разрабатываемыми технико-техноло-
гическими средствами. В частности, автоматизация сбора плодов яблони са-
довой позволит добиться как повышения урожайности, так и рентабельности
производства.
Для оптимизации уровня использования технологических возможностей
сельскохозяйственных агрегатов необходимы широкая автоматизация производ-
ственных процессов и развитые системы компьютерного управления.
На базе ФГБНУ ФНАЦ ВИМ разработан манипулятор для сбора урожая пло-
дов яблони с системой интеллектуального управления (рис. 1.1). Манипулятор
имеет 3 степени свободы, перемещение звеньев возможно как в горизонтальной,
так и вертикальной плоскости. Это достигается следующими типами движения:
движение вертикальной стойки манипулятора вокруг своей оси в прямом и об-
ратном направлении, подъем и опускание стрелы устройства с помощью тросо-
вого привода, выдвижение вперед и назад подвижной части стрелы манипулятора
с установленным плодовым захватом. Захват при этом обладает демпфирующими
свойствами, позволяющими осуществлять схватывание объекта без применения
дополнительных приводов. Характеристики манипулятора: вылет руки без уче-
та захвата — 1400 мм, с учетом захвата — 1490 мм, максимальная грузоподъем-
ность — 500 г, скорость движения — 25° в секунду, поворот по оси 270° [5].
Система интеллектуального управления манипулятором для сбора плодов
разделена на несколько блоков. К ним относятся узел стереопар, являющий-
ся основной частью, направленной на взаимодействие с внешней средой, элек-
тронный блок управления, включающий два раздельных контура управления,
обусловленных программными и аппаратными особенностями, блок управления
положением вертикальной оси (стойки) роботизированного устройства, блок
управления положением подъемника (стрелы) роботизированного устройства,
блок управления положением захвата.
Различные сенсорные устройства, в частности датчики обратной связи и ви-
деокамеры, передают собираемую информацию в общую память манипулятора.
Электронный блок управления использует полученную информацию при форми-
ровании команд на передачу управляющих воздействий исполнительным меха-
низмам. Полученные данные используются блоком выбора при определении по-
следовательности сбора распознанных плодов и формировании соответствующих
управляющих воздействий. Наиболее приоритетным считается объект, имеющий
больший процент распознавания, т.е. имеющий наибольшую вероятность быть
отнесенным к искомому классу или группе классов объектов.
Для сбора, сортировки и упаковки урожая земляники садовой с системой ин-
теллектуального управления разработан дельта-робот с применением техниче-
ского зрения, позволяющий увеличить скорость и обеспечить высокую точность
выполнения операций (рис. 1.2) [6].
В связи с тем что привод находится в основании робота, а рычаги сделаны
из легких композитных материалов, движущиеся части дельта-робота имеют
очень малую инерцию. Это позволяет достичь значительных ускорений — до 30g
и скоростей до 10 м/с.
Дельта-робот состоит из трех рычагов, прикрепленных посредством кардан-
ных шарниров к основанию. Ключевой особенностью является использование
параллелограммов в конструкции манипулятора, что позволяет сохранять про-
странственную ориентацию исполнительного устройства робота.
Дельта-робот является параллельным роботом, что означает наличие бо-
лее одной кинематической цепи от основания к исполнительному устройству
робота. Робота можно рассматривать как пространственное обобщение пан-
тографа. Он имеет три поступательных и одну вращательную степень свободы.
Параллелограммы ограничивают движения конечной платформы для четкой от-
работки перемещения (перемещение только по осям X, Y и Z). Основание робота
монтируется над рабочей зоной. Все силовые приводы смонтированы в этом ос-
новании. Из этого основания выходят три рычага с шарнирами посередине. Ры-
чаги сделаны из легких композитных материалов. Концы рычагов прикреплены
к небольшому треугольному основанию. Приведение в движение входных связей
перемещает треугольную платформу в направлении X, Y или Z. Привод может
быть осуществлен линейным или вращающим двигателем.
Для выполнения технологических операций в садоводстве и овощеводстве
разработана универсальная роботизированная платформа для садоводства и ово-
щеводства [7]. Платформа осуществляет: мониторинг насаждений, опрыскива-
ние насаждений, обработку почвы, роботизированный сбор и транспортировку
урожая. Новизна разработки заключается в оптимальных конструктивных пара-
метрах и комплексированной системе управления, обеспечивающих ее универ-
сальность, многофункциональность при выполнении технологических операций
в беспилотном режиме.
Универсальная роботизированная платформа конструктивно состоит из рамы
со стойками, энергетической установки, электротрансмиссии, блоков электрон-
ной системы управления. В движение универсальную роботизированную плат-
форму приводят 2 мотор-редуктора, установленные на задних колесах. Питание
мотор-редукторов осуществляется за счет бензогенератора и силовой батареи, что
позволяет работать платформе при полной нагрузке не менее 8 часов беспрерывной
работы и обеспечивает восстановление заряда АКБ не более чем за два часа. Си-
стема рулевого управления представляет собой рулевой редуктор червячного типа
с шаговым двигателем и контроллером питания шагового двигателя.
Электронная система управления состоит из блока управления ходовыми дви-
гателями, блока рулевого управления с шаговым двигателем, блока управления
электронным дифференциалом, блока управления автоматическим включением
и выключением энергетической установки (бензогенератора) и балансирования
зарядки аккумуляторных батарей. Система управления движением, энергоуста-
новкой и электротрансмиссией, позволяют осуществлять работу платформы
в трех режимах: дистанционное управление, автономный режим по электронным
картам местности с использованием сигналов GPS, а также в беспилотном ре-
жиме с помощью модулей машинного зрения. Система управления размещается
внутри корпуса платформы.
Для проведения технологической операции мониторинга и транспортировки
собранного урожая в междурядьях садовых насаждений разработана роботизиро-
ванная платформа для транспортировки урожая с системой технического зрения
и нейронной сетью с реализацией сценария следования за человеком [8].
На разработанную платформу установлена web-камера для определения по-
ложения человека в пространстве и расчета смещения человека относительно
центра кадра. Распознавание человека в кадре, полученном с web-камеры, проис-
ходит с помощью нейронной сети, обученной на распознавание фигуры челове-
ка. После распознавания человека в кадре по полученным координатам алгоритм
рассчитывает смещение человека относительно центра кадра и передает управля-
ющий сигнал на драйвер двигателей (рис. 1.4). Web-интерфейс реализован с ис-
пользованием языка разметки гипертекста (HTML), каскадной таблицы стилей
(CSS), языка программирования Python3 и фреймворка Flask.
Согласно реализованному алгоритму, считается, что платформа достигла цели
(доехала до человека), если человек находится в зоне, выделенной зеленым ква-
дратом и центр распознанной фигуры находится в диапазоне [0; 15] px по оси Y
относительно центра кадра. В случае если человек не находится в «зеленой зоне»,
платформа переходит в режим следования. Нейронная сеть обучена на датасете
из 4000 изображений, содержащих фотографии людей. Для разметки датасета был
использован web-сервис Labelbox. Нейронная сеть на вход принимает изображение
с размером 416 × 416 пикселей. Изображение с камеры робототехнического
устройства передается на ноутбук, посредством топики ROS, на котором происхо-
дит распознавание с помощью нейронной сети, затем определяются координаты
человека на изображении, которые обратно отправляются на контроллер роботи-
зированной платформы.
Другой разработкой для реализации транспортных и вспомогательных работ
в развитой и ограниченной инфраструктуре сельскохозяйственных предприятий,
включая объекты городского сельского хозяйства и агрохолдинги, является уни-
версальное малогабаритное роботизированное транспортно-технологическое
средство с экологически безопасной энергоустановкой в виде автоматизирован-
ного электропривода и гусеничной ходовой системой (рис. 1.5) [9].
Основные элементы роботизированного транспортно-технологического
средства с автоматизированным электроприводом: электромотор-редукторы по-
стоянного тока; механические передачи привода; аккумуляторные батареи пита-
ния двигателей и бортовой электроники; зарядное устройство; блоки управления
двигателями; приемник Wi-Fi-сигнала.
Назначение — автономное выполнение транспортно-технологических опера-
ций в сельскохозяйственном производстве за счет автоматизации и с обеспечени-
ем экологической безопасности. Роботизированное транспортно-технологическое
средство работает в режиме дистанционного управления в зоне радиосигнала Wi-Fi
с помощью мобильного приложения или персонального компьютера в полевых ус-
ловиях и закрытых помещениях тепличных, подсобных хозяйств, ферм, хранилищ.
Новизна заключается в техническом решении автоматизированного элек-
тропривода гусеничного шасси и электронной системы управления движением
посредством радиосигнала Wi-Fi и с применением радиочастотных меток; в алго-
ритме и программном обеспечении системы управления движением. При этом ро-
ботизированное транспортно-технологическое средство с автоматизированным
электроприводом позволяет сократить время транспортировки груза на 10–15%
за счет движения по оптимальной траектории, заложенной программой;
возможность агрегатирования с машинами и орудиями в рамках класса 0,2; воз-
можность работы в условиях переувлажненных и слабонесущих почв за счет по-
вышенной проходимости и давления на почву менее 50 кПа; производительность
работ по культивации — 1,8 га за 4 часа непрерывной работы до разряда батарей;
максимальная масса перевозимого груза 500 кг.
1.3. РОБОТИЗИРОВАННЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ОБРАБОТКИ
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР
Для ухода за овощными посадками на базе ФГБНУ ФНАЦ ВИМ спроектировано
роботизированное устройство, позволяющее качественно вносить средства защи-
ты за счет повышенной точности наведения рабочего органа с помощью системы
компьютерного зрения (рис. 1.6). Модульность конструкции роботизированного
гусеничного опрыскивателя для обработки сельскохозяйственных культур позво-
ляет увеличивать или уменьшать рабочую область робота в зависимости от агро-
технических задач.
Рабочий орган устройства (рис. 1.7) представляет из себя многофункциональ-
ный инструмент, оснащенный необходимыми для работы датчиками и устрой-
ствами, и находится на подвижной каретке, что обеспечивает точную регули-
ровку в пространстве [8]. Привод кареток осуществляется шаговым двигателем
через зубчато-реечную передачу. Конструкция фланцев для рабочих органов
позволяет установить различные форм-факторы рабочих органов для внесения
химических веществ.
Схема системы управления автономного полевого робота дифференцирован-
ного внесения агрохимических средств представлена на рис. 1.8. Верхний уровень
рассчитывает траекторию движения робота, определяет местоположение робота
на карте задания. Для определения позиции робота на карте используются BT
маяки и два GNSS RTK приемника. Один из приемников используется в режиме
«базовая станция», второй устанавливается на роботизированную платформу для
наиболее точного определения местоположения. Передаваемые данные — это из-
мерения фазовой коррекции в реальном времени для приемника GNSS, установ-
ленного на платформу. Когда одна пара приемников находится на одной высоте,
то высока вероятность того, что атмосферные помехи будут одинаковы для обоих.
Основываясь на измеренных координатах, базовая станция вычисляет поправки
к координатам и передает их в систему управления.
Управляющее устройство получает данные с датчиков, обрабатывает их и рас-
считывает местоположение робота, а также траекторию его движения. Команды
на движение робота или выполнение агротехнической задачи передаются на ниж-
ний уровень системы управления. Нижний уровень состоит из устройства пере-
движения с контроллером моторов, системы позиционирования рабочего органа.
Контроллер устройства передвижения принимает скорость робота в м/с с помо-
щью UART, переводит скорость в ШИМ сигнал для подачи на моторы. Расчет по-
зиции растения происходит с помощью системы технического зрения. На рабочий
орган установлено записывающее устройство (камера). После вычисления пози-
ции растения рабочий орган «зависает» над растением, включается система впры-
ска. Во время работы системы впрыска робот движется с постоянной скоростью.
Другим роботизированным средством для обработки сельскохозяйственных
культур является самоходный гусеничный опрыскиватель (рис. 1.9) [10]. Роботи-
зированный гусеничный опрыскиватель для обработки сельскохозяйственных
культур включает самоходное гусеничное шасси с электроприводом и многофунк-
циональный четырехсекционный опрыскиватель, что в совокупности позволяет
получить автономное средство малой механизации, призванное исключить воз-
действие вредных химических веществ и вибраций на организм человека. Исполь-
зуется в садоводстве, селекции, на малоконтурных полях площадью не более 2 га.
Устройство включает в себя: раму, два независимых гусеничных движителя,
выполненных с возможностью регулирования колеи, снабженных мотор-редук-
торами, систему управления, систему питания, систему опрыскивания, содержа-
щую емкость для рабочего раствора, и штанги, выполненные с возможностью ре-
гулировки высоты и расположения четырех распыливающих узлов в зависимости
от вида обрабатываемых растений, при этом каждый узел выполнен в виде купола,
содержащего три форсунки. Бортовая электронная система управления также со-
держит приемник-передатчик Wi-Fi-сигнала для осуществления дистанционного
управления. Привод роботизированного гусеничного опрыскивателя полностью
электрический с применением свинцово-кислотных аккумуляторов в качестве
источника энергии и набором необходимой преобразовательной техники.
Устройство осуществляет проведение в полуавтоматическом или ручном дис-
танционном режиме химической обработки от вредителей и сорняков и подкорм-
ки растений жидкими минеральными удобрениями.
Новизна заключается в объединении в одной технологической машине ком-
плекса логических и исполнительных компонентов, необходимых и достаточных
для автоматизации, а впоследствии и роботизации отдельной технологической
операции в сфере сельскохозяйственного производства, а именно распределения
химически активных веществ, находящихся в виде раствора или жидкой фракции
в требуемой зоне с необходимой периодичностью и контролем количества.
Назначение устройства состоит в опрыскивании растений при работе в меж-
дурядьях в полуавтоматическом режиме при отсутствии оператора в зоне обра-
ботки и исключения его взаимодействия с вредными веществами; снижении тру-
доемкости работ; снижении уплотняющего воздействия на почву в 1,5–2 раза;
переходе к возобновляемым источникам энергии с исключением контакта рас-
тений с продуктами сгорания топлива; повышении скорости выполнения работ
в 1,3–1,5 раза.
1.4. РОБОТИЗАЦИЯ ВЫРАЩИВАНИЯ ОВОЩЕЙ
В ЗАЩИЩЕННОМ ГРУНТЕ
В северных, а также более умеренных широтах существует большой разрыв между
распределением светового потока и количеством тепла. Световые условия дают
возможность производить овощи в течение 9–10 мес., в то время как температур-
ные ограничивают срок возделывания холодостойких овощей до 5–6 мес., а более
требовательных к повышенным температурам – до 3–4 мес.
Уменьшение разрыва между тепловыми и световыми периодами служит од-
ной из основных задач защищенного грунта. Кроме того, он позволяет увеличить
период вегетации как путем выращивания рассады теплолюбивых растений, так
и путем возделывания всей культуры в защищенном грунте.
Тепло в защищенном грунте служит не только фактором, необходимым для
роста растений, но и представляет собой форму энергии с точки зрения его ис-
пользования для выгонки растений. Применение искусственного тепла является
характерной особенностью защищенного грунта.
Роботизация процессов выращивания в защищенном грунте заключается
в автоматизации процессов обогрева воздуха, почвы и т.д.
В настоящее время для всех сооружений защищенного грунта используют три
способа обогрева — биологический, солнечный и технический.
Рассматривая сооружения защищенного грунта, можно предположить, что
наиболее сложным объектом для автоматизации является регулирование тепло-
вого режима приземного слоя утепленного грунта вследствие излучения почвой
тепла в воздух. Однако многолетние опыты опровергают сказанное. Это объясня-
ется тем, что излучение нагретой почвы встречает противоизлучение приземного
«сетчатого» облака, образованного испарением почвенной влаги или специаль-
но распыленной теплой воды. Управлять тепловым балансом поверхности почвы
в этом случае можно путем усиления мощности приземного «сетчатого» облака
и его температуры. В условиях ветрозащитных заграждений при скорости ветра,
близкой к конвективной (0,1–0,7 м/с), один литр распыленной воды с диаметром
капель 0,1 мм создает поверхность «сетчатого» приземного облака, равную 60 м2.
Автоматизация (роботизация) выращивания растений на нейтральных средах
(гидропоника) заключается в следующем.
Сегодня в тепличном хозяйстве применяются подвижные автоматические
системы, а также роботы-конвейеры, которые выполняют большой объем работ.
Спектр деятельности роботов обширен: их можно использовать для приготовле-
ния субстрата, посева семян, предварительного опрыскивания растений удобре-
ниями, обеззараживания растений, сбора готовой продукции, для сортировки,
укладки и упаковки. Также роботы могут взвешивать и транспортировать товар,
фиксировать его количество.
Предпосылками к внедрению робототехники в сельском хозяйстве являются:
необходимость повышения производительности труда на сельскохозяйственном
производстве; ужесточение требований по безопасности на сельскохозяйствен-
ном производстве; необходимость повышения качества сельскохозяйственной
продукции; необходимость повышения содержательности труда в сельском хозяй-
стве; снижение издержек на оплату труда [11].
Роботизация, внедряемая и применяемая на сегодняшний день в сельском хо-
зяйстве, заключается в работе с живыми организмами и обеспечении безопасно-
сти для выращиваемой продукции.
В тепличных комплексах основными ячейками общего процесса, в которых
можно применять автоматизацию и роботизацию, являются самые трудоемкие
ниши, такие как: операции по подготовке почвы (субстрата), семян (ростков), по-
сев, уход за выращиваемой продукцией, сортировка, калибровка, упаковка и хра-
нение. Однотипная работа с плодовыми и овощными культурами осуществляется
вручную и требует высокой степени концентрации.
Сегодня возможна частичная или полная автоматизация не только в процессе
выращивания растений, но и в зонах сортировки и упаковки, работа в которых
является для людей довольно трудозатратной [2].
Традиционные способы посева сопряжены со значительными трудозатрата-
ми и перерасходом посевного материала. Решить все эти проблемы можно за счет
использования систем так называемого автономного точного посева. Для автома-
тизации процесса посева в условиях защищенного грунта применяются автомати-
ческие линии для посева семян (рис. 1.10) [12].
К преимуществам данного типа линий относятся: возможность корректиро-
вать количество грунта с тем, чтобы получить на выходе заполнение низкой, сред-
ней или высокой плотности; наличие системы очистки лотков от избыточного
грунта, который полностью перерабатывается без каких-либо потерь; посевная
система разработана с целью обеспечения высокой точности при работе с семе-
нами малого и большого размера; второй барабан для одновременного посева или
дозированной добавки химических гранул.
Применение точного посева на автоматических линиях позволяет исключить
трудоемкую операцию по прореживанию всходов, которая требует привлечения
большого количества работников.
В питомниках закрытого грунта, где из семян выращивают овощные и цветоч-
ные культуры для последующей пересадки в открытый грунт или другие тепли-
цы, выполняется большое количество монотонных операций, с которым отлично
справляются роботы.
Одна из таких операций — прививка растений, которая стала менее трудоза-
тратной с появлением на рынке робота для прививания растений EMP-300 ис-
панской фирмы Conic System S.L. (рис. 1.11) [13].
Производительность данного робота составляет от 400 до 600 трансплантатов
в час. Точная конструкция с простой механикой позволяет обеспечить макси-
мальную точность и надежность каждого трансплантата.
Не менее затратной операцией для защищенного грунта является удаление
сорняков. Французский стартап, базирующийся в Тулузе, занимается разработ-
кой роботов для прополки. Все они призваны снять физическую нагрузку с людей
и уменьшить зависимость от химических гербицидов (рис. 1.12) [14].
На сбор урожая уходит примерно одна пятая всего времени, затрачиваемого
на работу в теплицах. Разработчики агроботов Root AI из Бостона представили
агробота Virgo (рис. 1.13), который может собирать как клубнику и другие ягоды,
так и огурцы с помидорами [15].
В отличие от людей, субъективно оценивающих спелость плода, машина со-
бирает только тот урожай, который отвечает необходимым требованиям.
Итоговый результат применения таких роботов — уменьшение численности
персонала, сокращение издержек производства, повышение производительности.
В роботизации по выращиванию растений (защищенный грунт и гидропони-
ка) достигнуты определенные успехи, особенно в регулировании температуры,
влажности, освещенности и частичного газового состава в помещениях.
В гидропонике разрабатывают и внедряют системы комплексного контроля,
управления и регулирования климатических условий выращивания растений.
Это регулирование станет оптимальным только тогда, когда роботизация достиг-
нет такого уровня, при котором само растение будет изменять условия внешней
среды.