Автоматическая беспилотная система управления машинно-тракторным агрегатом: ключевые особенности и обзор ТОП-производителей

№101-1,

технические науки

В данной статье рассматриваются вопросы применение в современном сельскохозяйственном производстве автоматических беспилотных систем управления машинно-тракторным агрегатом, основные требования к данным системам, основные проблемы в области автоматизации и их решения, обзор оборудование для параллельного вождения и автопилотирования и обзор ТОП-5 производителей такого оснащения.

Похожие материалы

Применение в современном сельскохозяйственном производстве автоматических беспилотных систем управления машинно-тракторными агрегатами как результата развития информационных технологий, средств/систем автоматизации/роботизации — это гарантия таких преимуществ, как:

  1. Повышение производительности труда.
  2. Достижение высоких показателей продукции, как качественных, так и количественных.
  3. Интенсификация уровня производства.

От чего зависит успешность применения?

Автоматизация управления позволяет сделать работу максимально эффективной и продуктивной, экономя и время, и бюджет. Успешность применения на практике будет напрямую зависеть от следующих параметров:

  • Совершенство выбранной системы (ниже будут представлены рекомендации относительно лучших брендов и их решений).
  • Органичность связи с машинно-тракторным агрегатом.
  • Конструктивные особенности машин.
  • Окружающая среда вкупе с с/х материалами.

Очень важно, чтобы техника была «адекватной», так как при эксплуатации моральной устаревших машин экономический эффект минимален.

Основные требования к автоматической беспилотной системе управления машинно-тракторным агрегатом

Все компании-производители, которые занимаются разработкой и выпуском на рынок таких решений прилагают максимум усилий, чтобы средства и приборы соответствовали самым высоким требованиям:

  1. Надежность функционирования.
  2. Простота сервиса.
  3. Унификация базы элементов и всех устройств.
  4. Низкая себестоимость управленческих систем и комплектующих.
  5. Увеличенная устойчивость к таким непростым условиям во время использования, как вибрационные удары, воздействие агрессивной среды, грязь с пылью, маслом и дизельным топливом и так далее.
  6. Взаимодействие с живой средой.
  7. Ограниченные энергетические источники.
  8. Достойный уровень точности с учетом резких изменений технологического процесса.

Автоматическая беспилотная система на базе GPS

Одно из самых современных и рентабельных решений в сфере автоматического управления мобильными с/х агрегатами — это управление траекторное, которое базируется на системе спутниковой навигации (GPS). Активно выпускаются и с успехом используются на практике такие ретрансляторы, которые гарантируют хороший уровень позиционирования, вплоть до нескольких см. Можно найти и переносные станции не общего, а индивидуального пользования. Здесь стоит вспомнить о таких лидерах рынка, как:

  • Автопилот Trimble AgGPS Autopilot.
  • Подруливающие инновационные устройства Trimble AgGPS EZ-Steer и EZ-Pilot.
  • Системы параллельного вождения CFX-750, GFX-750, EZ-Guide 250 и многие другие.

На такой базе реализуют 2 вида управления:

  • Автоматизированное посредством виртуального следоуказателя.
  • Автоматическое через вариативные программы. Предполагается дополнительное применение исполнительных устройств для регулирования поворота.

Благодаря современному рулевому управлению тракторов на колесах, производимых на основе гидрообъемного привода в сочетании с поворотным механизмом гусеничных тракторов (имеется в виду двухпоточный тип с гидравлическим контуром и 2-мя дифференциалами), введение исполнительного устройства довольно простое.

Электронная автоматика стала применяться довольно широко, что спровоцировало, в свою очередь, появление новых качеств и возможностей в системах и агрегатах тракторов. В качестве примера можно привести следующие трансформации:

  1. Устойчивость характеристик.
  2. Уменьшение токсичности выхлопа.
  3. Снижение расходов топлива.
  4. Расширение диапазона частот параллельно с увеличением запаса крутящего момента.
  5. Упрощение гидравлических систем в трансмиссиях.
  6. Осуществление более сложных приемов ручного управления в гидравлических системах.
  7. Точность и комфорт в разных рабочих условиях в ходовых системах и подвесках.

Мы наблюдаем будущее, так как все современные машинно-тракторные агрегаты зарубежного производства оснащаются инновационными электронными системами и борт-компьютерами, чтобы оптимизировать управление процессами. К такой технике стоит отнести также:

  • Комбайны для уборки урожая
  • С/х машины/орудия

Основные проблемы в области автоматизации и их решения

Как и в любой другой отрасли, здесь существует ряд самых распространенных сложностей при автоматизации мобильной с/х техники, с которой борются руководители:

  • Удаленность от ремонтных баз.
  • Рассредоточенность по существенным площадям.
  • Низкий уровень квалификации персонала.
  • Сезонность проведения работ вкупе с непродолжительным периодом использования за сутки.
  • Ведение деятельности под открытым небом, откуда следует воздействие влажности, температурных перепадов, присутствии вибраций и пыли.

Из этого следует логический вывод, что все современные средства автоматики обязаны учитывать эти моменты, поэтому должны:

  1. Отличаться простотой устройства.
  2. Быть рассчитаны на виды энергии, что существуют на конкретных объектах.
  3. Быть доступными по цене в сочетании с надежностью использования и хранения.

Роботизация — новая эра автоматизации

Автоматизация эволюционирует, поэтому ее следующее направление — роботизация сельхозтехники. В итоге можно на 100% автоматизировать все процессы, трудоемкие, экологически небезопасные и рутинные. Автоматика сегодня развита на достаточно высоком уровне, как и информационные технологии, чтобы появлялись транспортно-технологические средства, способные управляться без водителя, используясь для решения самых разных задач:

  • Сев
  • Вспашка
  • Удобрение почвы
  • Обрезка побегов
  • Опрыскивание и так далее

Яркий тому пример — система параллельного вождения Trimble GFX-750, где предусмотрено, в том числе, наличие на крыше специальной системы крепления, подключение по каналам Bluetooth и Wi-Fi, а также абсолютная совместимость с ISOBUS.

Особенности систем автоматического и параллельного вождения

Если рассматривать предмет исследования более подробно, то самое широкое применение в сочетании с высокой эффективностью показали такие классы приборов с использованием GPS-приемников:

  • Системы параллельного вождения
  • Подруливающие устройства

Их использование возможно после того, как на транспортное средство будет установлен особый приемник, который стабильно получает сигналы о том, каково местоположение навигационных спутников, а также, каково расстояние до них. С учетом необходимое точности управление будет осуществляться таким специалистом, как механизатор. Это делается либо вручную на базе показаний меток на дисплее, либо в совокупности с применением специального подруливающего устройства (как вариант, устройство автопилотирования).

  • Система параллельного вождения

Практика показывает, что именно система параллельного вождения — самая наглядная и оперативно окупаемая в сфере точного земледелия. Она оправдывает свое применение при интеграции с широкозахватными транспортными средствами. Что она собой представляет? Механизатор активно управляет машиной, основываясь на отклонениях от заданного маршрута по текущим координатам. Чтобы удержать ТС на маршруте, вращается рулевое колесо.

Здесь надо отметить, что у любого человека недостаточно хорошая психомоторная реакция, чтобы он мог параллельно водить с погрешностями меньше, чем ±30 см, а это аналог GPS-приемника на базе 24 спутников. Как правило, наиболее простые системы такого типа состоят из:

  • GPS-приемника с внешней антенной
  • Указатель курса

Такие системы хороши своей простой и оперативностью установки на комбайны и трактора. Все, что остается сделать — произвести подключение к питанию и установить внешний блок. Что касаемо обучения механизаторов, то оно также непродолжительное по времени — несколько минут/часов/суток — не более.

Приборы параллельного вождения максимально эффективны при внесении удобрений с учетом погрешности в ±30 см. Если речь идет о более сложных манипуляциях, среди которых посев, обработка почвы, обеспечение защиты культурам и так далее, то нужно гарантировать более высокие параметры точности, поэтому для таких систем состав оборудования будет следующим:

  • Навигационный приемник (его точность позиционирования составляет 10 см). Он может работать сразу на 2-х частотах.
  • Дисплей
  • Специальный контроллер, высчитывающий отклонений и корректирующий направление.
  • Подруливающее устройство.
  • Автопилот

У автопилотирования есть существенные различия от параллельного вождения, так как все выявляемые приемником и контроллером отклонения от траектории сразу же вводятся в систему управления ходовой (через управляющий клапан). Так обеспечивается полное исключение подобных явлений:

  • Инертность
  • Люфт управления рулем

Также на машинно-тракторный агрегат устанавливают специальный датчик, контролирующий угол поворота колес для максимальной точности с отклонением всего в ±2 см, при этом, механизатор не вмешивается в движение по установленному маршруту.

Оборудование для параллельного вождения и автопилотирования

  1. Приемник, поддерживающий вариативные решения для поправок GPS для точности ±10 см.
  2. Панель для отображения в графике текущего местоположения ТС и предоставления водителю комплекса информации о разворотах или вождении агрегата по изогнутым рядам.
  3. Полевой компьютер с ПО представляет собой систему управления данными с полей, которые используются для решения широкого спектра задач: навигация, вождение на «автопилоте», записи, съемка и так далее.
  4. Контроллер отвечает за передачу команд для системы управления посредством использования данных GPS и комплекса внутренних датчиков.
  5. Уже говорилось о датчике поворота колес, призванном обеспечивать непрерывную связь с системой управления.
  6. Гидравлический клапан для получения электросигналов с контроллера и преобразования в гидравлические, чтобы удерживать курс ТС.
  7. Используя подруливающее устройство, можно гарантировать точность параллельного вождения с точностью до 10 см.
  8. Наконец, базовая станция, передающая поправки положения на приемник через модем или радио, чтобы максимально точно определять координаты с погрешностью не выше ±2 см.

Обзор ТОП-5 производителей такого оснащения

  1. Американская компания Trimble, предлагающая достойный ассортимент систем параллельного вождения и современные технологии точного земледелия, вне зависимости от культур, сезона, рельефов и используемой техники. Продукты Trimble на основе GPS помогают сделать обработку поля простой, быстрой, точной и безопасной, при этом оператор не будет утомляться. Бренд предлагает широкую линейку курсоуказателей Тримбл: EZ-Guide® 250, дисплей CFX-750™ и многофункциональном дисплее FmX®. В них реализованы вариативные возможности в разных диапазонах цены, начиная с самого начального уровня, заканчивая высокопроизводительными системами. Практика такова, что продукты этой компании с успехом используются на разных культурах на любых машинах, и каждый покупатель может подобрать курсоуказатель, на 100% отвечающий всем его потребностям.
  2. Компания OmniSTAR — это мировой признанный лидер в сфере услуг DGPS сервиса с высокой точностью, имеющего возможность передачи поправок по спутниковым каналам. Данная компания разработала уникальный алгоритм широкодиапазонного метода (Wide Area Solution), чтобы гарантировать своим пользователям максимальную точность, при этом местоположение пользователя не играет никакой роли. Корректировки получаются уже оптимизированные для местоположения. Сервис поддерживает большое количество отраслей, в том числе, и с/х, а именно точное земледелие, где можно применить серию продуктов с оплатой по подписке.
  3. Системы навигации Leica Geosystems, которые разработаны специально для точного земледелия показали себя на мировом рынке также как качественный ресурс для повышения рентабельности с/х бизнеса. Диапазон техники очень широк, что позволяет подобрать оптимальное решение. Имеются варианты с самым простым курсоуказателем Leica mojoMini2 (с погрешностью до 15-20 см.), так и многофункциональные системы, среди которых, например, Leica mojo3D см возможностью подключения RTK модуля mojoXact plus (для минимальной погрешности до 5 см.). Также можно заказать качественные системы подруливания. Среди дополнительных плюсов — возможность использования круглый год.
  4. Еще один производитель, заслуживающий внимания — Claas KGaA mbH, это немецкая компания, специализирующаяся на машиностроении в сегменте сельхозтехники. Класс производит широкий спектр наименований, в том числе и системы параллельного вождения (например, Claas Outback S-Lite), продукты для повышения производительности и оптимизации машин в сфере высокоточного сельского хозяйства, а также выпускает ПО «AGROCOM».
  5. Воронежский отечественный производитель — ООО «Агрокурс», который выпускает инновационную одноименную систему параллельного вождения «Агрокурс». Данная система состоит из компьютера с дисплеем, GPS антенны. Механизатор контролирует местоположение ТС, подруливая с учетом полученных показаний. Это прекрасная альтернатива дорогим системам из-за рубежа, используемым в точном земледелии.

Для полноценного функционирования автоматической беспилотной системы управления машинно-тракторным агрегатом предстоит сделать еще достаточно много, множество различных проблем еще не полностью решено, ведь они в первую очередь должны быть безопасными для окружающих, но при всем при этом их внедрение позволяет в разы увеличивать скорость обработки полей и их плодородность. Гильдии производителей трудятся над созданием совершенных продуктов, которые обеспечивали бы полностью автономное управление фермерским хозяйством без людей. Среди огромного количества производителей, на сегодняшний день передовиками считаются американские производители, но у них достаточно таки высокие цены на системы, что в тяжелых экономических условиях является первоочередным фактором принятия решения при приобретении. Перед л нами стоит задача разработки собственных автоматических беспилотных систем управления машинно-тракторным агрегатом с более низкой себестоимостью, но с полноценным функционалом, не уступающий зарубежным аналогам.