Все больше фермеров ищут возможность получения сельскохозяйственной продукции с меньшими затратами ресурсов и минимальным воздействием на окружающую среду. Добиться этого позволяют новые технологии, от роботизированных сборщиков урожая на поле до помощников на животноводческой ферме. Автономность роботов позволяет минимизировать участие человека в их работе. Владельцу такого устройства необходимо только контролировать процесс выполнения работ и проводить техническое обслуживание техники. Сегодня количество коммерческих сельскохозяйственных роботов все еще ограниченно, но есть устойчивая тенденция роста их продаж в разных странах, в том числе и в России.
Объем мирового рынка сервисных роботов превышает 5,3 млрд долларов. Эта консервативная оценка соответствует официальным данным Международной федерации робототехники (IFR) за 2013 год. Согласно новому отчету исследовательской компании Tractica, выполненному в сотрудничестве с Robot Report, в ближайшие годы поставки сельскохозяйственных роботов значительно возрастут. С 2016 года наблюдается устойчивая положительная динамика: количество проданных машин увеличилось с 32 тыс. до 594 тыс. единиц. По прогнозам, в 2024 году доход от продаж может составить 74,1 млрд долларов.
Новые технологии стремительно развиваются, и на смену тракторам приходят современные умные устройства, выполняющие за человека его работу. К такому оборудованию относятся самоходные роботизированные платформы, которые могут достойно конкурировать с тракторами и мотоблоками благодаря своим уникальным возможностям. Роботизированные устройства способны самостоятельно составить план участка, наметить маршрут и выбрать режим обработки. От обычных моделей самоходных платформ с ручным управлением робот отличается в первую очередь своей автономностью. Роботизированная самоходная платформа может сама определить время начала и длительность работ. От владельца интеллектуальной самоходной автоматизированной платформы требуется первоначально задать рабочий график и границы обрабатываемого участка, чтобы машина сделала свою работу не хуже, чем человек. Роботы выполняют практически все сельскохозяйственные работы без участия оператора, такие как сбор и транспортировка урожая, вывоз органических удобрений, скашивание травы, опрыскивание растений ядохимикатами. Также небольшие самоходные платформы нашли широкое применение на животноводческих фермах. Наиболее часто их используют в качестве робота-толкателя. Фермеры нередко сталкиваются с проблемой подравнивания корма для животных, находящихся на стойловом содержании. При поедании корма животные отодвигают от себя его часть и в дальнейшем не могут достать. Если корм своевременно не пододвинуть, более крупные коровы отталкивают коров меньшего размера от тех мест, где корм еще остался, и перекрывают доступ к нему. Следовательно, коровы малого размера не получают корма в достаточном объеме, что может привести к снижению общей продуктивности скота, и фермер понесет финансовые потери. При недостаточно регулярном пододвигании и обеспечении постоянной доступности корма происходит его сортировка, что увеличивает остаток и перерасход кормов. Подравнивание — важный и нужный процесс, с которым человек зачастую справляется неэффективно. Специальные роботы уже производятся и поступают в продажу в ряде стран. Анализ их характеристик и основного функционала показал, что существует два способа пододвигания корма. Первый реализуется толкателями с цилиндрической рабочей частью, второй — с применением шнекоротора. В первом случае во время прямолинейного движения платформы цилиндр немного наклонен от вертикального положения и имеет точку касания с полом в стороне от центрального вектора. За счет силы трения и смещения площадки контакта с полом возникает вектор силы, который создает момент для вращения рабочего барабана. Плотность прилегания барабана к полу позволяет достигать высокой чистоты сдвигаемого корма.
Во время движения робота вторым способом шнек вращается с определенной частотой и смещает в сторону весь отодвинутый корм. При работе шнекоротора происходит повторное перемешивание корма и обновление запахов, что стимулирует животных к возобновлению процесса поедания кормов. Это, по мнению зоотехников, является важным преимуществом по сравнению с простым «спихиванием» кормовой массы. В Юргинском технологическом институте (филиале) Томского политехнического университета успешно развивается направление беспилотной сельскохозяйственной робототехники. С 2015 года силами студентов и сотрудников реализовано несколько рабочих проектов. Одним из них стала универсальная самоходная роботизированная платформа, предназначенная для выполнения сельскохозяйственных операций на небольших участках. Одна из функциональных характеристик платформы — ее применение в качестве толкателя корма. Сконструированная роботизированная платформа имеет четыре независимых поворотных колеса с приводными электромоторами. Поворот колес осуществляется линейными электроприводами, которые с одной стороны упираются в колесную балку, а с другой — в рычаг колесной стойки.
Вся электроника платформы запитана от двух аккумуляторов с гелевым электролитом напряжением 24 В и энергоемкостью 60 А·ч. Платформа оснащена ультразвуковыми датчиками для ориентации робота относительно балки стойлового ограждения. На шнекороторе также имеются ультразвуковые датчики для остановки робота в случае появления неожиданного препятствия. Для определения местоположения робота на шнекороторе предусмотрены индуктивные датчики, реагирующие на металлические пластины, прикрепленные к полу в местах начала или окончания движения робота на пути следования. По окончании цикла платформа может вставать на зарядную станцию. При движении вдоль кормового стола робот может совершать подруливание парами колес (аналог гусеничного хода), для полного разворота он поднимает навесную систему вместе со шнекоротором и включает линейные приводы поворота колес и привод вращения всех колес в одну сторону. Для оценки угла поворота в систему управления включен датчик электронного гирокомпаса.
При работе робота в системе координат XY необходимо каждый раз определять угол его поворота для смещения от одной точки до следующей. В этом случае используются системы локального позиционирования. На рисунке показана расчетная схема и фрагмент алгоритма для расчета угла поворота робота при последовательном перемещении от одной точки к следующей. В данном проекте применена система, основанная на ультразвуковом позиционировании фирмы Marvelmind Robotics (Россия). Она позволяет в реальном времени определять положение объекта и своевременно сигнализировать о наличии ошибок в программе во время движения робота.
Этот коллективный проект был выполнен студентами в рамках освоения образовательной программы по направлению «Агроинженерия» в качестве курсового проекта, а затем и бакалаврской выпускной работы. Проект разрабатывался с использованием функционала современных CAD-, CAE-систем. Конструировались детали, комплектовалась узловая и общая сборка машины. С использованием анимационных модулей осуществлялось моделирование основных движений робота. Робот управляется через канал Bluetooth. Возможна работа как в ручном режиме, так и по заданной программе. Отличительная особенность робота — то, что в результате был изготовлен действующий прототип самоходной роботизированной платформы. Защита выпускной квалификационной работы осуществлялась в режиме стартап-проекта с углубленными расчетами экономической части. Рассчитаны основные затраты на производство первой партии роботов, определена точка безубыточного производства.
В настоящее время рабочий прототип платформы подготовлен к испытаниям в условиях современной животноводческой фермы ООО «Сибирское молоко» (Томская область). По результатам испытаний роботизированная платформа будет дорабатываться в случае выявления каких-либо недостатков. Надеемся, что проект не останется без внимания потенциальных заказчиков и инвесторов. Данная роботизированная платформа вполне способна составить конкуренцию на рынке высокотехнологичной продукции для роботизированных ферм и сельскохозяйственных производств.
Текст и графика: Дмитрий Турков, Андрей Воробьев, ЮТИ ТПУ, направление подготовки «Агроинженерия»
На указанный в форме email придет запрос на подтверждение регистрации.
Пароль должен быть не менее 6 символов длиной.
* - Поля, обязательные для заполнения.