Библиографическое описание:

Поезжаева Е. В., Новикова А. А., Сайкинова В. А. Робот для исследования грунта в сельском хозяйстве // Молодой ученый. — 2015. — №14. — С. 176-179.

В настоящее время стоит вопрос об обеспечении продовольственной безопасности (независимости) страны, в частности, необходимости подъема продуктивности сельского хозяйства. Разработан робот, позволяющий наиболее рационально выбрать местность для посадки сельскохозяйственных культур, путем определения физико-механических и химических свойств грунта и подходящей к нему культуры.

Ключевые слова: робот, анализ почвы, сельское хозяйство, повышение продуктивности

 

В промышленно развитых странах мира достигнутый уровень развития материально-технической базы сельского хозяйства позволяет перейти от наращивания энергетических мощностей и насыщения техникой к качественно новому этапу — совершенствованию структуры материально-технической базы, повышению ее технического уровня, созданию комплекса машин не только для отдельных технологий, но и для определенных типов хозяйств.

Причинами, которые обусловливают необходимость роботизации сельскохозяйственного производства, являются: необходимость подъема продуктивности сельского хозяйства, поставки более дешевой и удобной для человека техники, обновления типов машин и оборудования.

В частности, решим проблему подъема продуктивности сельского хозяйства посредством более рационального выбора местности для посадки тех или иных сельскохозяйственных культур, для чего необходимо определить определенные физико-механические и химические свойства грунта.

Как правило, даже на небольшой территории физико-механические и химические свойства грунта могут отличаться. Обычно исследование свойств грунта очень трудоемкая и затратная операция, более рационально использовать роботов, которые смогут анализировать почву и прямо на месте подбирать наиболее подходящие именно для этого участка культуры.

Предлагается за основу взять робот со следящей системой.

Предполагается размещение на каждом узле сервомеханизма, эффективно контролирующего фактическое положение узла и положение, которое контроллер «хочет», чтобы узел занял, а затем перемещающего руку до тех пор, пока положения не совпадают. Иначе роботы без следящей системы, управление которыми без обратной связи относительно информации о действительном положении того или иного узла определяется весьма неточно — рука робота может где-нибудь застрять или совсем перестать двигаться, что значительно сужает сферу их применения.

Механическая рука, прикрепленная к платформе, снабженная видеокамерами и специальным рабочим органом, которым может сделать захват инструмента для взятия проб грунта [1]. Она приводится в движение электрическим приводом в заранее запрограммированной последовательности движений под управлением контроллера (управляющего устройства), который основан на микропроцессоре.

Для предполагаемого робота, который будет эксплуатироваться в сложных по проходимости условиях, наиболее эффективно использовать гусеничную платформу.

Для наиболее эффективного выполнения главной задачи робота, следует реализовать мини-лабораторию для анализа грунта.

Основываясь на встроенной базе данных, робот определяет наиболее подходящую для этой местности культуру для посадки. Результаты исследования предлагается записывать на твердотельный накопитель с помощью какого-либо микропроцессора.

16957

Рис. 1. Робот на гусеничной платформе

 

analitic-ekspert-logo

Рис. 2. Мини-лаборатория для анализа почв «Аналитик-Эксперт»

 

В связи со сложностью и существенной нелинейностью динамических характеристик манипуляционного робота проблема оптимального контурного управления такой системой является чрезвычайно трудной. Задача упрощается при ее решении в два этапа. На первом этапе до начала движения осуществляется планирование оптимальной траектории движения по заданной геометрической траектории как функции времени, а на втором в реальном времени осуществляется отслеживание полученного движения. Для того чтобы робот мог достаточно точно отследить сформированную траекторию, на этапе планирования необходимо располагать точным значением динамики манипуляционной системы. Однако на практике инерционные характеристики объекта манипулирования часто бывают неизвестны [2].

Динамика манипуляционного робота в тензорных обозначениях может быть описана уравнением:

                                                                            (1)

где  — i-тая обобщенная сила;  — i-тая обобщенная координата;  — матрица инерции;  — массив кориолисовых коэффициентов, определяемый выражением

                                                                                          (2)

 — матрица вязкого трения;  — сила тяжести. Матрица инерции , массив кориолисовых коэффициентов  и вектор  являются функциями положения манипулятора и матрицы псевдоинерции объекта манипулирования, включающей в себя массу, первые и вторые моменты объекта моделирования.

Желаемая геометрическая — траектория задается в конфигурационном пространстве в параметрической форме, т. е. все координаты , характеризующие перемещения в степенях подвижности манипулятора, выражаются через единственный параметр

                                                                                           (3)

При такой форме представления появляется возможность выразить положения, скорости и ускорения в степенях подвижности через параметр  и его производные по времени. Подставляя эти соотношения в уравнение динамики (1), можно получить

                                           (4)

где  — псевдоскорость. Если объект манипулирования имеет некоторую номинальную матрицу псевдоинерции , то уравнение (4) можно представить в форме

                                                  (5)

где

Если инерционные характеристики объекта манипулирования отличаются от нормальных, то возмущённое уравнение динамики можно представить в виде

                 (6)

Для того, чтобы требуемые моменты не превысили возможностей приводов, нужно выбрать такие  и , что при отклонениях  в известных пределах величина момента , определенного выражением (6). Остается реализуемой, т. е.

                                                                                     (7)

Также могут быть наложены ограничения на скорость изменения этого момента, как функции положения, скоростей и ускорений

                                                                                                (8)

где константа.

Способ формирования податливого движения основан на изменении жесткости схвата манипулятора. Соответствующая концепция управления учитывает жесткость манипулятора в виде матрицы сил, воздействующих на схват при отклонении его от номинального положения. Стабилизация инерционных сил производится специальной системой.

Спроектирована модель робота, которая может повысить продуктивность и сократить время выполнения исследования, а так же помочь в выборе культуры наиболее эффективной для посадки на данной территории.

 

Литература:

 

1.    Поезжаева Е.В// Промышленные роботы: учеб. пособие: в 3 ч. / Е. В. Поезжаева. — Пермь: Изд-во Перм. Гос. техн. ун-та, 2009.-Ч.2.-185.

2.    Поезжаева Е.В// Теория механизмов и механика систем машин. / Е. В. Поезжаева. — Пермь: Изд‑во Перм. Гос. техн. ун-та, 2015.-400.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle