CC BY
34
Интернет-журнал «Науковедение» ISSN 2223-5167 http ://naukovedenie. ru/
Том 9, №3 (2017) http://naukovedenie.ru/vol9-3.php
URL статьи: http://naukovedenie.ru/PDF/43TVN317.pdf
Статья опубликована 02.06.2017
Ссылка для цитирования этой статьи:
Шаныгин С.В., Фокин В.Г., Асадова Ю.С. Робототехническая система для уборки овощных культур, растущих над землей // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 9, №3 (2017) http://naukovedenie.ru/PDF/43TVN317.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.
УДК 621.865.8
Шаныгин Сергей Витальевич
ФГБОУ ВО «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)», Россия, Москва
Кандидат технических наук E-mail: [email protected]
Фокин Виктор Геннадьевич
ФГБОУ ВО «Московский университет радиотехники, электроники и автоматики (МИРЭА)», Россия, Москва1
Аспирант E-mail: [email protected] РИНЦ: https://elibrary.ru/author_profile.asp?id=813295
Асадова Юлия Сергеевна
ФГБОУ ВО «Московский университет радиотехники, электроники и автоматики (МИРЭА)», Россия, Москва
Старший преподаватель Аспирант E-mail: [email protected]
Робототехническая система для уборки овощных культур, растущих над землей
Аннотация. В статье рассматриваются проблемы, связанные с разработкой сельскохозяйственного робота для сбора овощных культур, растущих над землей, такими культурами являются капуста, бахчевые (арбузы), огурцы, помидоры, баклажаны, перец. Несмотря на то, что впервые принципы построения такого робота были изложены Васяниным В.И. в 1984 году, разработки в данном направлении в России практически не ведутся, хотя в последние годы появились работы, связанные с разработкой сельскохозяйственных роботов. Данную работу необходимо рассматривать как продолжение направления развития отечественной сельскохозяйственной робототехники. В статье приведен эскиз сельскохозяйственного робота, схематично показан процесс уборки капусты, сформулированы основные требования необходимые для дальнейшего проектирования, в том числе необходимость разработки интеллектуальной системы управления, включающую в себя: навигационную систему, сенсорную систему, базу данных и многое другое, что будет необходимо для работы.
Предложено применить многоуровневую систему управления, состоящую из трех основных уровней: прикладной, навигационный, обеспечение движения. Каждому уровню определен свой ряд задач, выполняемые функциональными модулями, а взаимодействие
1 107996, г. Москва, ул. Стромынка, д. 20
(обмен данными, передача команд) между модулями происходит с помощью блоков взаимодействия, входящих в каждый модуль. Взаимодействие между уровнями осуществляется через блоки взаимодействия управляющих модулей уровней. Это позволит модернизировать робота под конкретные задачи в короткие сроки.
Ключевые слова: развитее сельского хозяйства; капустоуборочная машина; уборка урожая; интеллектуальным машинам; механизированная уборка плодов; многоуровневая система управления; интеллектуальная система управления; сельскохозяйственный робот
Введение
Современные тенденции развития экономики России свидетельствуют о негативных тенденциях ее развития вследствие ухудшающихся внешних факторов (санкций со стороны развитых стран, снижения цен на энергоносители и др.). В данных условиях основным направлением стабилизации экономики является обеспечение импортозамещения по основным направлениям деятельности [1].
Затраты труда на уборку урожая до сих пор очень велики и составляют только на сбор овощей в зависимости от их крупности 26 - 42% общих затрат труда на возделывание полей, поэтому не случайно, что работы по механизации уборки плодов широко ведутся как у нас в стране, так и за рубежом. Наиболее сложными являются машины для подбора плодов с земли.
Анализ существующих способов уборки показал, что самым перспективным и экономически выгодным является механизированный способ, обеспечивающий повышение производительности труда в 5 - 12 раз. При этом, чем лучше поле для механизированной уборки плодов, тем выше эффективность плодоуборочных машин и сельскохозяйственных роботов. По данным исследователей, работа плодоуборочных машин и сельскохозяйственных роботов на неподготовленных для уборочных работ полях повышает производительность труда в 1,5 -2,5 раза, в подготовленных садах в 5 - 10 раз.
Применяемая в России сельхозтехника сильно устарела. Более половины находится за пределами сроков амортизации, что не отвечает требованиям современного конкурентоспособного сельскохозяйственного производства [2].
В связи с этим возникает необходимость в создании более совершенной плодоуборочной технике, а именно, роботов, которые позволили бы полностью автоматизировать процесс уборки урожая.
Целью работы - эскизное проектирование робота предназначенного для сбора капусты.
Обзор сельскохозяйственных машин, предназначенных для сбора капусты
Приведем некоторые сведения о капусте. Капуста (Brassica) - однолетние и двулетние овощные растения, представленные восемью культурными видами (рис. 1).
Рисунок 1. Капуста белокочанная
Страница 2 из 12 ^^^^^^^^^^^^^^¡¡¡¡¡¡^¡¡¡¡¡¡^¡¡¡¡¡ЦЦЦЦ^ http://naukovedenie.ru 43TVN317
Капуста отличается большим разнообразием сортов. Основные геометрические и механические характеристики четырех наиболее распространенных сортов белокочанной капусты: раннего - Номер первый, среднеспелого - Слава, среднепозднего - Амагер и позднего - Московская поздняя. Средние значения основных размеров растений: ширины розетки В, диаметров кочана Б и кочерыги ё, высоты растений Н, высоты расположения кочана к, длины необлиственной Ь, и облиственной Ь частей кочерыги (рис. 2). Данные параметры определяют характеристические параметры рабочих органов капустоуборочной машины. Однако даже у одного сорта фактические значения размеров в период уборки варьируют в широких пределах, что естественно необходимо учитывать при проектировании рабочих органов машины или манипулятора.
В
*-
Б
Рисунок 2. Размеры растений капусты (составлено авторами)
В зависимости от сорта и степени зрелости объемная (насыпная) плотность товарных кочанов колеблется в пределах 320 - 450 кг/м3; у кочанов с неотделенными розеточными листьями она обычно не превышает 300 кг/м3.
На сегодняшний день уборкой овощей в частности капусты занимаются капустоуборочные машины, несмотря на применение машины, количество людей задействованных в этом процессе варьируется от трех до шести - восьми человек. Приведем некоторые модели капустоуборочных машин.
Полунавесная капустоуборочная машина УКМ - 2 предназначена для сплошной уборки средних и поздних сортов кочанной капусты с погрузкой ее в рядом движущийся транспортер или для укладки кочанов в валок на землю (рис. 3).
Рисунок 3. Иллюстрация капустоуборочной машины УКМ-2 (.http://mehanik-ua.ru/images/image014_8.ipg)
УКМ - 2 агрегатируют с тракторами тягового класса 1,4. Машина убирает два ряда капусты, возделываемой с междурядьем 70 см. Ее производительность 0,3 га/ч 2.
Техническая характеристика: производительность в час - основного времени не менее 0,3 (21) га (т), эксплуатационного не менее 0, 165 (14,2) га (т); ширина захвата, м 1,4; скорость - рабочая 2,5 км/ч, транспортная до 14 км/ч; потери кочанов - всего 1%, в том числе стандартных 0,5%; число кочанов - слабоповрежденных 3,1%, сильноповрежденных 0,9%; дорожный просвет, не менее 400 мм; размеры с трактором - в рабочем положении 8150x5870...6850x2900...3400 мм, в транспортном 8150x2970x3680 мм; масса, кг 2900.
Капустоуборочная машина УКМ - 1 (рис. 4) убирает средние и поздние сорта кочанной капусты с одновременной погрузкой их в рядом движущийся транспорт для последующей обработки урожая на унифицированной линии УДК - 30. Машину агрегатируют с тракторами МТЗ-80/82. Агрегат обслуживают тракторист и машинист. УКМ - 1 убирает один ряд капусты. Ее производительность 0,35 га/ч3.
Техническая характеристика: производительность в час основного времени, га 0,35; ширина междурядий, см 140; число рядков, убираемых машиной, шт. 1; скорость - рабочая до 2,85 км/ч, транспортная до 15 км/ч; дорожный просвет, мм 380; минимальный радиус поворота по крайней наружной точке, м 7; габаритные размеры в рабочем положении - при выгрузке вороха в прицеп 4390x5650x3240, при укладке вороха в валок 4390x6230x2950 мм; масса, кг 2470.
2 Машина для уборки кочанной капусты УКМ-2. URL: http://mehanik-ua. ru/ mashiny-dlya-vozdelyvaniya-ovoshchej/539-mashina-dlya-sploshnoj-uborki-kochannoj-kapusty-ukm-2.html.
3 Машина для уборки кочанной капусты на грядках УКМ-1. URL: http://mehanik-ua.ru/mashiny-dlya-vozdelyvaniya-ovoshchej/540-mashina-dlya-sploshnoj-uborki-kapusty-na-gryadakh-ukm-1.html.
Рисунок 4. Иллюстрация капустоуборочной машины УКМ-1 (http://mehanik-ua.ru/images/image015_6.jpg)
Если говорить кратко, то применение сельскохозяйственных машин, позволяет частично автоматизировать процесс уборки, но говорить о полной автоматизации рано. В связи этим применение сельскохозяйственного робота широко назначения с развитой системой управления позволит проводить уборки урожая в полностью автоматическом режиме.
Требования, предъявляемые к сельскохозяйственному роботу для сбора овощей
В статье [3] составлена классификация роботизированных систем для растениеводства. Анализ классификации показывает, что все существующие робототехнические устройства разделяются по способу управления:
• интеллектуальные машины, с полностью автоматической системой управления позиционированием, движением и выполнением операций с использованием существующих систем оптического зрения;
• роботизированные машины с электронными следящими системами;
• роботизированные машины с системой дистанционного управления в агрегате со шлейфом сельскохозяйственных машин: буры, опрыскиватели для низкорастущих культур, косилки-измельчители, снегоуборщики, вильчатые погрузчики, бульдозерные лопаты и др.
Исходя, из анализа этой классификации робот для сбора овощей можно отнести к интеллектуальным машинам, так как работа робота должна быть полностью автономна во время уборки урожая.
В [4], приведена возможная конструкция подобного робота. Предлагается на П -образной раме установить манипуляторы, которые бы проводили уборку капусты. В книге в общих чертах разработана блок - схема управления роботом и дано общее описание конструкции. Если взять за основу предлагаемую идею и конструкцию, то для нее необходимо разработать и рассчитать механизмы, которые будут приводить в движение и осуществлять все необходимые операции.
В первую очередь необходимо спроектировать движущую платформы, провести расчет двигателей и других узлов движущей платформы. Затем необходимо разработать захватные устройства (манипуляторы), рассчитать объемы съемных контейнеров для собираемых овощей, продумать систему их замены при заполнении.
Также необходимо разработать систему управления, включающую в себя: навигационную систему, сенсорную систему, базу данных и многое другое, что будет необходимо для работы.
Для реализации выполнения задач, поставленных перед таким мобильным роботом, целесообразно применить многоуровневую систему управления [5], состоящую из следующих уровней:
• прикладной;
• навигационный;
• обеспечение движения.
Каждому уровню определен свой ряд задач, выполняемые функциональными модулями, а взаимодействие (обмен данными, передача команд) между модулями происходит с помощью блоков взаимодействия, входящих в каждый модуль. Взаимодействие между уровнями осуществляется через блоки взаимодействия управляющих модулей уровней.
Прикладной уровень зависит от назначения робота и решает задачи связи с терминалом управления при необходимости, постановка задачи для навигационного уровня, а также решение сервисных задач, зависящих от назначения робота. В данном случае его задачами являются:
• обнаружение объектов (пригодные для сбора кочаны капусты);
• управление манипуляторами (их позиционирование, захват, отделение кочанов и перемещение в следующую зону);
• контроль отвода кочанов из рабочей зоны в контейнер;
• связь с терминалом управления, передачи данных о процессе работы робота и т.д.
Навигационный уровень призван решать задачи ориентирования в пространстве, обнаружения непреодолимых препятствий, построение маршрута движения.
Уровень обеспечения движения предназначен для решения задач перемещения корпуса по заданному маршруту.
Прикладной и навигационный уровни абстрагированы от реализации задач обеспечения движения. Они могут работать как на платформах с колесным, так и гусеничным движителем.
При предварительном проектировании робота для сбора капусты, необходимо:
1. Спроектировать конструкцию робота.
2. Разработать способ передвижения робота.
3. Определить задачи, выполняемые функциональными модулями системы управления.
Исходные данные об объекте сбора могут быть следующими: Объём кочана капусты -0,034 м3. Ширина гряды - 1*17=17 м. Рядов в гряде - 100 Длина гряды - 1.4*100=140 м.
Для того чтобы собрать один кочан капусты, необходимо:
1. Занять положение для сбора кочана.
2. Опустить захватное устройство (ЗУ) к кочану.
3. Захватить кочан.
4. Выдернуть кочан из земли.
5. Переместить ЗУ к скату.
6. Отпустить кочан.
Схематично это выглядит, так как показано на рис. 5.
Манипулятор
Рисунок 5. Процесс сбора капусты (разработано авторами)
Параметры робота зависит от размеров гряды. Если применять определённые стандарты посадки капусты, то это позволит спроектировать конструкцию робота (рис. 6, 7, 8). Например, в ряду произрастает семнадцать кочанов капуст, следовательно, логично снабдить робота семнадцатью манипуляторами для сбора кочанов.
Рисунок 6. Робот вид спереди (разработано авторами)
Рисунок 7. Робот вид сверху (разработано авторами)
Рисунок 8. Робот собирает капусту в полевых условиях (разработано авторами)
Захватное устройство двигается по рельсе для точного позиционирования при захвате кочана. Скат состоит из двух частей: статической и динамической.
Статическая часть обеспечивает доставку капусты внутри технологической части робота вплоть до начала вспомогательной части робота, где располагается съёмный контейнер. Доставка кочана непосредственно в контейнер проходит по динамической части ската, который, по мере заполнения объёма контейнера, поднимается, для того, чтобы позволять кочанам равномерно заполнять пространство контейнера.
Предварительный расчет контейнера
Объём контейнера рассчитывается, исходя из размеров гряды, и считается по формуле:
V * п * й
= "кап А ° (1)
"конт ^ Vч
где: Кконт - объём контейнера;
Укап - объём капусты;
a - число кочанов капусты в ряду;
Ь - число кочанов капусты в гряде;
k - коэффициент заполнения (0,59.. ..0,63 для случайной упаковки).
0,034* 17* 100 _ Исонт = -о^- = 96,3 М3
Исходя, из полученного объёма можно записать габариты контейнера:
Длина контейнера равна ширине гряды - 17 м, следовательно, ширина и высота контейнера равны 3,3 м и 1,7 м соответственно. Робот может иметь как колёсный, так и гусеничный типы движителя.
Заключение
Создание робототехнических систем необходимо для развития конкурентоспособного аграрного хозяйства в нашей стране.
Дальнейшая работа над концепцией состоит в разработке прототипа роботизированной платформы с интеллектуальной системой управления, отработка алгоритмов модулей системы управления в полевых условиях, создание класса дополнительных модулей для расширения функциональности платформы и применении её в широком круге задач сельского хозяйства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кротов М.И., Скворцов Е.А. Сравнительная эффективность использования ресурсного потенциала интеграционных формирований холдингового типа // Стратегические задачи аграрного образования и науки: материалы Междунар. конференции; сб. науч. тр. Екатеринбург, 2015, С. 209-217.
2. Скворцов Е.А. Перспективы инновационного развития на основе применения сельскохозяйственных роботов // Вестник Государственного аграрного университета Северного Зауралья. 2015. № 3, C. 105-113.
3. Хорт ДО., Филиппов Р.А., Кутырев А.И. Многофункциональное робототехническое средство с системой технического зрения. Инновации в сельском хозяйстве. Издательство: Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (Москва) ISSN: 2304-4926, стр. 115-120.
4. Васянин В.И. Сельскохозяйственные роботы. - М. Колос 1984., 224 с.
5. Фокин В.Г., Шаныгин С.В. Структура системы управления шестиногого шагающего робота Гексабот // Интернет-журнал «Науковедение», 2016 №5 (8). Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/10TVN516.pdf (дата обращения 05.05.2017).
6. Шаныгин С.В. Роботы, как средство механизации сельского хозяйства // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2013. № 3. Режим доступа: http://izvuzmash.ru/articles/33/33.pdf (дата обращения 05.05.2017).
7. Долгов И.А. Уборочные сельскохозяйственные машины. Конструкция, теория, расчет. Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2003, 707 с.
8. Шаныгин С.В. О необходимости создания в России сельскохозяйственных роботов // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2013. № 1, С. 9 - 11.
9. Болотов, А.К., Лопарев А.А., Судницын В.И. Конструкция тракторов и автомобилей., - М.: КолосС, 2008, 352 с.
10. Хорошенков В.К., Гончаров Н.Т., Лужнова Е.С., Мальцев Н.В. Автоматизация управления машинно-тракторным агрегатом с использованием навигационных систем // Техника в сельском хозяйстве. 2010. № 3, C. 19 - 23.
Shanygin Sergey Vitalievich
Bauman Moscow state technical university (national research university of technology), Russia, Moscow
E-mail: [email protected]
Fokin Victor Gennadievich
Moscow state university of information technologies, radio engineering and electronics, Russia, Moscow
E-mail: [email protected]
Asadova Yuliya Sergeevna
Moscow state university of information technologies, radio engineering and electronics, Russia, Moscow
E-mail: [email protected]
Robotic system for harvesting vegetable crops growing above the ground
Abstract. The article deals with the problems associated with the development of an agricultural robot for collect vegetable crops growing above the ground, such crops are cabbage, melons (watermelons), cucumbers, tomatoes, eggplants, peppers. Despite the fact that for the first time the principles of constructing such a robot were indicated Vasyanin V.I. in 1984, there are practically no developments in this direction in Russia, in recent years there have been works related to the development of agricultural robots. This work should be considered as a continuation of the direction of development of agricultural robotics in our country. The article shows a sketch of an agricultural robot, a schematic illustration of the process of harvesting cabbage, formulated the basic requirements necessary for next design, including the need to develop an intelligent control system that includes: a navigation system, a sensory system, a databases and much more that will be necessary for Work. It is proposed to apply a multilevel control system, when consisting of three main levels: applied, navigation, motion support. Each level have set of tasks performed by the functional modules, and the interaction (data exchange, command transmission) between the modules occurs with the helping of the interaction units included in each module. Interaction between levels is carried out through blocks of interaction of the level control modules. This will allow the robot to be modernized for specific tasks in a short time.
Keywords: the development of agriculture; cabbage collection machine; harvest; intelligent machines; mechanized harvesting; multilevel control system; intellectual control system; agricultural robot
