В статье рассматриваются основные положения и роль мехатроники на производстве в сельском хозяйстве. Выполнен обзор актуальных и перспективных мехатронных систем для использования в сельском хозяйстве. Отмечается, что использование научно-технических достижений в области мехатроники открывает новые возможности по решению многопрофильных задач, а также ставит человека в зависимость от технических средств.
Ключевые слова: мехатронные модули, автоматизация, сельское хозяйство
Центральное звено современного АПК России — сельское хозяйство. Сельское хозяйство является одной из наиболее важных отраслей экономики любой страны. Перечень продуктов сельскохозяйственной отрасли обширен: овощей и фруктов, поставляемых на прилавки магазинов, комбикормов, предназначенных для кормления животных, до сырья, использующегося в различных отраслях промышленности. Организация Объединенных Наций опубликовала прогноз населения нашей планеты к 2050 году, согласно которому население Земли увеличится на 2,5 миллиарда человек и составит 9,1 миллиардов человек. [1] Поэтому для удовлетворения такого спроса производство сельскохозяйственной продукции должно увеличиться на 25 %.
Сельское хозяйство — это серьезный бизнес каждой страны, поэтому необходимо своевременно осуществлять процесс внедрения и использования мехатроники и робототехники в этой области.
В настоящее время ни один из разработанных прототипов агропромышленных роботов, созданных в различных странах, еще не функционирует на полях и фермах. Все модели пока являются опытными или в лучшем случае мелкосерийными образцами.
В будущем роботы будут использоваться для выполнения большинства задач — от посева и подкормки до применения химикатов.
Необходимо разрабатывать агропромышленные роботы, оснащенные: специальными средствами передвижения, оказывающие минимальное давление на почву; специализированными захватными устройствами; алгоритмами управления; сенсорами повышенной чувствительности в пыле- и влагозащитном исполнении. Агропромышленный робот должен быть оснащен искусственным интеллектом и системой технического зрения. Также актуальной проблемой роботов в сельском хозяйстве является их надежность, следовательно, структура робота должна включать систему самодиагностики.
Одной из перспективных разработок, находящихся на этапе исследований и испытаний, является автономный полевой робот BoniRob компании Amazone [2]. BoniRob, предназначен для экспериментов по обработке отдельных растений, который компания AMAZONENWERKE разрабатывает совместно с техническим институтом Оснабрюка, компанией Robert Bosch GmbH и другими партнёрами, создаёт новую основу для применения таких автономных систем в сельском хозяйстве. На протяжении 120 лет Amazone являеться одним из лучших партнёров немецких фермеров в области сельского хозяйства [4].
Если до сих пор испытания полевых роботов проводились с использованием навигации по рядам, то полевой робот BoniRob имеет самостоятельную систему навигации, для начала — на небольших опытных растениеводческих полях. На них он может не только определять GPS-координаты отдельных растений, но и составлять карты проведённых работ и подготавливать необходимую документацию. Таким образом, BoniRob значительно ускоряет труд растениеводов, собирая при помощи специальных камер и датчиков данные об отдельных растениях и создавая большую статистическую базу. Технология использования полевых роботов позволяет выполнять эти задачи намного быстрее и эффективнее, чем это делает человек или любая из применявшихся до сих пор технологий.
В ходе исследовательского проекта, поддерживаемого BMELV/BLE, для начала созданы два самоходных робота BoniRob, предназначенные для работы на опытных кукурузных и пшеничных полях. Для навигации полевой робот BoniRob оснащается системой GPS с датчиками; сенсорная агротехника функционирует с использованием технологий спектральной фильтрации изображений (Spectral Imaging). Конструкция ходовой части с независимым приводом колёс даёт массу возможностей, например, дорожный просвет, регулируемый в диапазоне от 40 до 80 см, ширина колеи от 75 до 200 см и устройство быстрой замены сенсорной техники.
После успешного исследовательского проекта BoniRob стартует разработка двух новых проектов [3].
При этом используется и модернизируется концепция гибкого полевого робота. AMAZONE концентрируется на разработке универсальных платформ роботов, которые могут быть использованы различным образом. Наряду с большими сложностями в создании роботов, пригодных для работы на поле, нужно дополнительно создать механический или электрический разъём, позволяющий подсоединять различные орудия. Тем самым, робот можно комбинировать с различными приложениями, подобно тому, как орудие агрегатируется с трактором. В отличие от трактора приложения полностью регулируют действия робота и, тем самым, автономно функционируют как единое целое.
Исследовательский проект «RemoteFarming.1» проводится AMAZONE совместно с Bosch и университетом Оснабрюка и заключается в механическом регулировании с помощью робота численности растений в биовозделывании моркови. Здесь речь идёт о системной интеграции BoniRob в экологическое земледелие. При этом робот оснащен механизмом для регулирования численности сорняков. Целью является обнаружение роботом — за счёт комплексной обработки изображения, а затем и привлечения человека для обработки изображения на рабочем месте у монитора — технических культур и сорняков как таковых. При этом полевой робот должен работать при наличии возмущающих воздействий и переменных условий — такой автоматизированной обработки изображения нет на рынке до сих пор. Этот проект осуществляется в рамках поддержки инноваций федеральным министерством питания, сельского хозяйства и защиты потребителей совместно с управлением сельского хозяйства и питания в качестве инициаторов проекта.
В рамках исследовательского проекта «SmartBot», поддерживаемого со стороны INTERREG IV A, исследуется детальный проект «AgroBot» с целью развития аграрных роботов с базовой технологией. При этом AMAZONE занимается разработкой платформы роботов, а также является партнёром по разработке приложений для химической обработки сорняков, борьбы с проросшими клубнями картофеля прошлого года и измерения плотности почвы.
В целом, необходимо отметить, что элементы мехатроники в виде отдельных модулей и систем нашли весьма широкое применение в различных отраслях производства, в том числе в аграрном секторе.
Данная отрасль производства в животноводстве представлена технологическими комплексами и линиями по первичной обработке и упаковке продукции сельскохозяйственного производства. Автоматизация используется в линиях сбора, транспортировки и первичной обработки молока — доильных установках, а также сбора, удаления и утилизации продуктов жизнедеятельности животных — навоза, фекалий, мочевины.
Мехатронные модули используются в составе кормоцехов — при приготовлении кормов и их последующей раздачи. Здесь важен контроль температуры при термической обработке корма, длины реза или величины измельчения.
В растениеводстве мехатронные модули используются, преимущественно, в точном (прецизионном) земледелии — в системах точного вождения сельскохозяйственных машинно-тракторных агрегатов и самоходных машин, а также управления их отдельными рабочими органами. Широко используются системы автоматического управления на дозирующих устройствах (форсунках, заслонках и т. д.) сельскохозяйственных машин для внесения различного рода удобрений и средств химической защиты растений.
Исполнительные механизмы, как правило, оснащены следящими приводами, функционирующими в комплексе с первичными преобразователями сигнала (датчиками), работающими на различных физических принципах — давление, сила, светочувствительность, спектральный анализ — в зависимости от специфики выполняемого технологического процесса и критериев оценки качества его выполнения.
Системы автоматического управления используются, в той или иной степени, во всех основных технологических процессах производства продукции сельского хозяйства и на различных этапах их выполнения. В дальнейшем мехатронные машины и системы будут объединяться в мехатронные комплексы на базе единых интеграционных платформ. Цель создания таких комплексов — добиться сочетания высокой производительности и одновременно гибкости техникетехнологической среды за счет возможности ее реконфигурации, что позволит обеспечить конкурентоспособность и высокое качество выпускаемой продукции на мировых рынках. В современных мехатронных системах для обеспечения высокого качества реализации сложных и точных движений необходимо применять методы интеллектуального управления. Для создания интеллектуальных систем необходимо обеспечить гибкое взаимодействие компонентов внутри системы и с окружающим миром.
Литература:
- Организация объединённых наций [Электронный ресурс] / http://www.un.org/ru/index.html
- Полевой робот BoniRob закладывает основы сельскохозяйственной техники будущего [Электронный ресурс] / Amazone [сайт]. — Режим доступа: http://www.amazonevoronezh.ru/new/polevoj_robot_bonirob_zakladjvaet_osnovj_selskohozyajstvennoj
- Полевой робот BoniRob [Электронный ресурс] / Amazone. Go for innovation 2014 [сайт]. — Режимдоступа: http://go.amazone.de/index.php?lang=9&news=26
- Компания Amazone [Электронный ресурс] / http://www.amazone-voronezh.ru/about.html
