Интеллектуализация бортового оборудования робототехнических средств сельскозяйственного назначения с целью повышения эффективности функционирования отрасли АПК. часть i

Журнал: «Сельскохозяйственная техника: обслуживание и ремонт», №2, 2017 18:02:00г.

004.81; 004.896; 600–699.62

Intellectualization of the onboard equipment of robotic means of selskozyaystvenny appointment, for the purpose of increase in efficiency of functioning of an industry of agrarian and industrial complex. part i

In article integration of methods of data mining with implementation of elements in functioning of systems the bot — a tractor complex, for the purpose of intellectualization of the onboard equipment and management of mechanical nodes as reactions to events of external impacts during the operation of the equipment in fi eld and road conditions, with a possibility of modeling of processes and development of decisions for application in management systems and integration with other set of the replaceable equipment and objects of working groups is considered.

Kolosov S. P.

Keywords:robotics, mechanics, entity, tractor, combine, complex, equipment intellectualization, agrarian and industrial complex, IAD, SPPR, CX

«Представь себе: вон там — идёт трактор.

А в нём никого нет…» «Дело было в Пенькове…», КС им. М. Горькова, 1957 г.

ВВЕДЕНИЕ

Современное сельское хозяйство в своей составляющей давно перешло в фазу комфортных работ, что во многом стало возможным благодаря не только конструкторско- технологической линии работ изготовления сельскохозяйственной (СХ) техники, но и весьма успешной комплексной интеграции программно-аппаратных, мехатронных систем в единый комплекс, что также оставляет актуальным вопрос интеллектуализации всей группы функционирования управления механизмами.

Идея развития СХ с применением роботизированной техники является предметом давних идей и, как следствие, инженерных работ в научно-техническом направлении, что значительно ранее неоднократно приводилось в различных источниках [11].

Что достаточно успешно демонстрируют ряд зарубежных компаний, таких как CASE IH, предоставившая концепт бота-трактора интегрированного СХ комплекса (рис. 2), а также и JOHN DEERE, успешно перешедшая от высокоинтеллектуализированного трактора с автоматизированными функциями к управляемому бот-трактору, а также ряд других компаний.

Как правило, значительное количество сторонних готовых новаторских предложений и сотрудничество по выполнению научно-технических работ, как в развитии конструкций техники, так и в интеллектуализации оборудования — тракторов различных типов и комбайнов, включая боты, со стороны профильных предприятий игнорируется в связи с их внутренними интересами.

В результате игнорирование внедрения разработок является одним из главных факторов, препятствующих развитию новых образцов сельхозтехники, консервативности взглядов, а главное — потери значительной цепи тракторной отрасли промышленности (АТЗ, КЗТЗ, ЛТЗ, ЧТЗ и др., а также станкостроительных предприятий) (Герасимов В., СХ техника: ремонт, 11/2013].

Также временем доказано, что отсутствие желания действий предприятий в техническом и инновационном развитии, проявляющегося в массовых отказах предлагаемых внедрений в виде перспективных технических решений, изобретений и предложений, со стороны как отдельных энтузиастов вузов, так и частных любителей-разработчиков, приводит, как правило, к потере — как в случае с известной автомобильной маркой «Москвич» — АЗЛК с полной ликвидацией, на фоне процветающих брендов — RENOULT, NISSAN и др. [1, 8].

Учитывая, что работы могут вестись самостоятельно заинтересованными коллективами-разработчиками профильного направления, НИИКБвузов и т. д., функционирование каждой из систем и ее интеллектуализация, включая и разделы по интеграции с дополнительным оборудованием по уборке или посеву культур, также требуют отдельных действий по разработке систем управления ими в интеграции с механизированным комплексом. Ситуация разрозненных работ приводит к необходимости ввода требований унификации как к комплексным бортовым системам, так и к узлам и дополнительно устанавливаемым различным «кассетным» типам сельхозоборудования.

Рассмотрим некоторые направления интеллектуализации и интеграции элементов, что также целесообразно согласовывать со всеми участниками (НИИ, СХА, КБ и т. д.), с целью минимизации затрат и формирования первичных требований в виде ГОСТа и последующего утверждения Министерством сертификации, а также РАН РФ.

Разработку роботизированной сельхозтехники ведут также и многие другие компании, такие как NEW GOLLAND. Так, к примеру, разработчики фирмы JOHN DEERE (США) смогли внедрить весь необходимый функционал в свою модель бот-трактора, реализовав ее в версии бот-комбайна, наследовав многие системы от комплексов, управляемых водителем, но функционирующих в интеграции с другими тракторами и комбайнами рабочей группы.

ЦЕЛЬ

Формирование методики для построения логических средств с внедрением элементов интеллектуализации для решения задач автономного функционирования мехатронных систем, с целью обеспечения беспилотного управления бот-тракторомкомбайном

ЗАДАЧИ

1. Определение области интеллектуализации бот-трактора, средств и методов реализации;

2. Построение логики и механизмов управления объектами на базе сформированных ИАД- методов;

3. Адаптация ИАД-методов к программно-аппаратным элементам объектов управления;

4. Повышение надежности и эффективности функционирования беспилотных средств.

РЕАЛИЗАЦИЯ СОСТАВЛЯЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Как видно из необходимости функционирования робототехнического средства, при движении в полевых условиях с препятствиями (4.1–4) — срабатывает группа исходных условий, содержащих исходные данные по типизированным объектам-препятствиям, что может быть рассмотрено для построения и развития решений в результате таких исследований, как:

  • реакция и принятие решения системой на статические и динамические препятствия;
  • реакция и принятия решения системой на живой объект;
  • учет рельефа местности (наклон, спуск, подъем);
  • следование по траектории огибания объектов;
  • реакция и принятие решения системой на изменение свойств почв под воздействием природных осадков и т. п. (вязкость почв  юз и т. д.);
  • интегрированное взаимодействие с другими комплексами сельхозработ.

Передача данных для управления ботом обеспечивается через взаимодействие с GPS-приемником. В случае автономного управления ботом вся логика переносится на бортовой вычислитель при интеграции с техническим зрением (Техническое зрение, Титов В. С., 2001).

Для идентификации препятствия (рис. 4.1–2) системой бота применяется группа элементов, таких как: 1. Видеокамеры различных диапазонов (ИК);

2. Датчики движения;

3. Радиодальномер (РД) и др.

Разработка логики и базового функционала системы во взаимодействии с узлами (элек-тро-, пневмо-, гидромеханическими приводами) сельхозкомплекса для анализа и моделирования процессов может быть выстроена на базе микроконтроллеров, с применением модулей радио-приема,  — передачи команд, первично — через джойстиковое устройство (рис. 5.1), с последующим переходом к интеграции с GPS-приемником.

Управление ботом и анализ рабочей площади полей осуществляются через бортовые средства технического зрения, навигаторы  — как программноаппаратные элементы, GPS-средства и др. системы [7]. Применяемые датчики различных типов обеспечивает важную роль управления в коррекции движения робота (рис. 5.2) в таких случаях, как:

  • определение объектов-помех динамического или статического типа на пути следования;
  • изменения усилий механизмов в узлах;
  • функционирование АБС при работе на склонах рельефа местности;
  • реакция на вибрацию и другую статическую и динамическую нагрузку ответственных узлов комплекса в процессе движения;
  • положение в пространстве  на базе элементов гироскопа, динамика изменений;
  • идентификация факта динамического или статического удара.

ПОСТРОЕНИЕ РЕАКЦИИ КОМПЛЕКСА В ИНТЕГРАЦИИ С ИАДМЕТОДАМИ НА СОБЫТИЯ

Функционирование комплекса в процессе сельхозработ или следования до точки их начала рассматривается как циклический процесс во взаимодействии с мультиагентной системой при обмене информационными потоками (ИП) в процессе взаимодействия оборудования и систем, как объектов комплекса:

1. Функционирование цикла в режиме ожидания вычислителя в режиме реального времени, с применением кольцевых сетей на основе ИАД-методов Ченема и Робертса (листинг 1).

2. Ожидание сообщений в цикле и опрос жизненно важных систем, в соответствии с установленными приоритетами и критериями выбора, в режиме реального времени для обеспечения анализа полученных данных (сообщений q от систем), обработки и принятия решения в управлении роботизированного трактора. Что обеспечивается в интеграции с применяемым ИАД-методом Лая-Янга для формирования структурной схемы и построения «локального среза» состояния взаимодействующих систем как в процессе работы комплекса, так и при диагностике (листинг 2) [4, 5].

Определение как состояния функционирования системы, так и текущих процессов комплекса выполняется применением алгоритма на базе метода построения моментальных состояний (МС), что при формировании структурной схемы реализуется с анализом ИП, по факту взаимодействия элементов комплекса и получения во времени «локального среза» работы объектов системы [10].

Функционирование модели комплекса на базе выстроенных правил , j RK L (рис. 3.2) включает возможное внедрение других ИАД-методов, как с целью управления бот-трактором, так и для диагностики систем по выявлению явных и «повисших» связей в очереди команд взаимодействующих систем, полученных по факту сбоев, отказов систем, в результате анализа сформированной структурной схемы комплекса [8].

Эффективность в определении факта выполнения функций и их объектов наследования достигается через определение устойчивых и дублируемых связей, с учетом заложенных свойств работы систем во времени, с дискретностью Sj i Δt , в результате построения «локальных срезов» взаимодействующих систем, с применением метода моментальных состояний в интеграции с циклом ожидания/опроса событий.

Получаемая таким образом структурная схема в виде «моментального среза» дает возможность определения состояния сформированного графа GOi по объектам Oi в результате анализа и применения функций взаимозаменяемости объектов Oi↦O i+n , что определяется через таблицу соответствия по идентификатору объектов Id Type _ и операциям Id_ Opers.

Синхронизация процесса обмена сообщениями может быть достигнута программно-аппаратными средствами с внедрением интегрированных ИАД-методов, в данном случае метода формирования «локального среза» состояния систем и «кольцевого графа», что эффективно для обработки данных, выдачи рекомендаций системе в единицу времени с принятием решения как оператором, так и вычислителем комплекса (с допущенным функционалом СППР).

Таким образом, в результате функционирования ИАД-методов обеспечивается поиск в сформированной структурной схеме взаимодействия систем таких ошибок, как:

  1. Завершенность вычислений;
  2. Наличие тупиков;
  3. Потеря маркера передачи сообщений q (независимо от способа передачи);
  4. Определение «мусора» (тупиковых состояний);
  5. Дублирование команд (факт подтверждения повтора запроса).

Функции контроля принятия решений, включая и конкурентные, обеспечиваются средствами проверки истинности (СПИ), выстроенными на базе из правил , j RK L , с последующим сохранением полученных правил-знаний (рис. 3.2) в БЗ СППР, включая модернизированные ИАД-методы, и фактом полученных результатов работы систем [5, 6].

Решение представляется в формате объекта знаний и рассматривается СПИ по результату решения, с учетом совместимости в общей схеме функционирования на предмет:

  1. непротиворечивости (базовым законам функционирования объекта);
  2. невырожденности (исключения логики);
  3. завершенности (решени[2]).

Дальнейшая работа системы сводится к циклическому применению выбранных алгоритмов, как с ожиданием, так и опросом систем, в соответствии с установленными статусами состояний систем и приоритетности элементов алгоритмов (листинг 1–2).

Обработка очереди команд, с приоритетами на базе массива j I , и графа взаимодействующих объектов Oi системы обеспечивается с учетом приоритетности жизнеобеспечения самих систем [2].

Незавершенность логических вычислений или расхождение знаний с базовыми, вызывающие противоречивость суждений и формирование конфликта в управлении системами бот-комплекса, могут привести к сбоям и аварийным событиям. В связи с чем все шаблоны правил функционирования комплекса работают по базовым решениям, отрабатываемым в процессе эксплуатации и развития, с целью исключения аварийных или других нештатных ситуаций (АС/НШС).

Анализ аварийных событий комплекса подчиняется также методам вариационного анализа и алгоритмам нелинейной динамики [3].

Реакции на события в «кольце» могут быть выстроены, к примеру, на основе датчикавидеокамеры ИКдиапазона и др. (рис. 6.1.) — по факту движения объекта, что подтверждается фактом обхода статического и динамического препятствия Magnum (рис. 4.2, 4.4), с последующей передачей команд МКК вычислителем на сервопривод усилителя точного позиционирования работы более тяжелых механизмов (рис. 6.2), как элемент стартовой и контрольной функции управления механическими узлами робототехнических комплексов.

Таким образом, моделирование процесса элемента «технического зрения» может быть выстроено на базе ИК — датчик движения (рис. 6.1) как реакции на факт движения объекта-человека, с учетом угла обзора φ от длины расстояния l и диаметра «решетки» d , для построения алгоритма управления системой, определением параметров чувствительности, дискретности сетки и угла обзора при охвате препятствия объекта (рис. 4.1–4.4).

Переход на более точные средства позиционирования ТС бот-типа, как в пространстве, так и на земле, в применении выдачи точных координат требует внедрения более серьезных систем, таких как GPS-приемник / передатчик, с применением навигационных карт (GPS в ТС, 2012).

Функционирование рассмотренных элементов подтверждается обоснованием в рамках сформированной модели и метода интеллектуализации комплекса в целом [5, 6].

В качестве экспериментального средства для анализа и отработки процессов роботизированного комплекса может быть применена радиоуправляемая модель трактора (рис. 7.1), реализованного на базе парового или ДВС-двигателя, также с внедренными программно элементами ИАД в системы управления на базе микроконтроллера (Arduino Uno и скетчи как программной логики обработки данных).

Для повышения уровня независимости функционирования систем жизнеобеспечения требуется группа агентов сбора информации окружающей среды или микросреды — в случае ограниченного пространства [2]. С данной целью можем применить метод интеллектуального анализа данных (ИАД) в системе как элемент управления и анализа объектов автономного взаимодействия в комплексе (рис. 7.2):

1) поведение объекта как агента или их группы во взаимодействии с окружающей средой — мультиагентной системой — в результате воздействия (вкл. диагностики). При этом тип агента в сети с другой группой свойств и возможностей: объект — с группой свойств в мультиагентной среде, не зависящей от значений параметров воздействия, как реакции в результате изменений;

2) ситуативность интеллектуального агента означает, что окружение, в котором он действует, может изменять его поведение, а также быть изменяемым самим. Изменение агента подразумевает его логику и реакцию на ситуации с учетом знаний (Брукс, 1960–1987 гг.), с целью автономного функционирования;

3) среда сводится к мультиагентной системе, так как присутствует множественность задач, точек зрения и сущностей, где сам агент системы должен быть гибким и с обеспечением упредительных и реакционных свойств, с возможностью взаимодействия;

4) контроль автономного функционирования системы, — как элемента вычислителя мультиагентной системы, в зависимости от событий и реакции СПИ функции Gr(R) Fi .

Взаимодействующее оборудование схемы комплекса может быть представлено в виде графа Gi Un, где каждый из уровней Si Ui (i-й уровень, Si  — оборудование) отвечает за свою группу выполняемых функций в

и встроенного ПО [5].

РАЗВИТИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ЭС В ФУНКЦИОНИРОВАНИИ КОМПЛЕКСА

Функционирование с/х оборудования и техники в процессе работ обеспечивает накопление эксплуатационных знаний, формируемых в результате их обработки средствами ЭС, с применением обратной связи в системах бота.

Опыт применения экспертных систем (ЭС) различных типов существует давно, в том числе в различных областях СХ, таких как:

  • управление доильными аппаратами, выдача корма, рекомендации при уходе за скотом;
  • селекция хлебных и других культур;
  • информирование в прививании растений и др. задачи;
  • уход за фруктовыми садами (табл. 1);
  • диагностика неисправностей двигателей ДВС СХ ТС.

К примеру, как формирование знаний в процессе эксплуатации СХ систем в виде логики функционирования системы управления и диагностики неисправностей ДВС, с последующим внедрением в автоматизированные системы управления (АСУ) комплексом.

Хранение данных для обработки и применения в логике процессов можно представить в фреймовой структуре, в виде:

Фрейм — содержит отдельные кадры структурной схемы, выстроенные при взаимодействии объектов, что может быть представлено в виде логической связи:

Где:

">

- фрейм из уровней Ui , содержащий заданный вид «кадра отношений или логики объектов» связей между объектами — систем Si , с возможностью распределения потоков команд, полученный в результате применения ИАД-метода и формирования «локального среза»;

S(Bi) k  — коэффициент количества блоков в системе или систем, распараллеливающих выходящий сигнал-команду на число k. Полученная схема графа Un Gi легко укладывается в схему шаблона (2)

В свою очередь, сформированный из графа Gi Un алгоритм обладает структуро, с необходимыми правилами  — функций интеллектуализации [5, 6].

Сама БЗ может быть дополняема модернизированными знаниями, многоуровневая (не менее двух уровней) с дублируемыми средствами вывода информации, интегрируемой в едином мо отработанными шаблонами решений  — базовых знаний, а также на логике суждений по управлению механизмами. Описание процесса — массив параметров Sj Pi значений и признаков событий, соответствующих признакам исходно-базовой ТС, с определяемыми критериями выбора и анализа значений, поступающих с датчиков и систем комплекса.

Допускаемое количество ТС — некое множество, имеющее четкую границу классификации, значения параметров и признаков, соотносимое с временем реакции поиска для принятия решений в управлении ботом.

ВЫЧИСЛЯЕМЫЕ ПАРАМЕТРЫ СИСТЕМОЙ

Входные данные таких параметров, как: скорость, значение тяги двигательной установки (ДУ) (внутренние события и режимы систем), а также показания других датчиков — в виде значений параметров SM Rn массива;

Входные данные значений, полученных показателей движения, с датчиков и систем бота (внешние факторы событий, что соответствует сбору информации с систем);

Идентификация значения нагрузок динамического или статического типа: базовой и заданной нагрузок, а также исходных параметров функционирования систем, для последующего корректирования вычислений, с учетом допустимых значений расхождения результатов и синхронизации процессов;

Определение условий выполнения управления ботом, при существующих факторах, влияющих на его осуществление в силу текущей ситуации управления ботом (положения в пространстве — углы крена и т. д.);

Схема взаимодействия АСУ и СППРСЭТ проходит через БЗ, откуда «поднимаются» требуемые правила SM Rn и выполняются по факту вычислителем  — F, где факт решения  — событие подтверждения выбора и

— группа параметров свойств, учитываемых системой, при выполнении анализа и получения решения решателем F.

В результате можно резюмировать, что внедрение ИАД-методов, представленных на примере их интеграции и подходов к способам реализации, повышает эффективность функционирования систем комплекса в несколько раз и дает возможность перехода СХ техники на новый уровень, что подтверждается выпущенными решениями бот-тракторов одними из ведущих компаний — CASE IH и JOHN DEERE.

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

Целесообразность применения беспилотной СХ техники заключается в снижении затрат и исключении рисков участия человеческого фактора в управлении ТС, сводя его только к программированию маршрутов следования при выполнении работ и контролю системой и диспетчером [1, 3];

Возможность применения специально оборудованной беспилотной СХ техники в интеграции с другими СХ комплексами, в том числе и управляемых водителями;

Эффективность применения боттракторов /комбайнов в полях на значительно удаленных территориях от населенных пунктов намного выше, включая факт и ночного времени работ.

ВЫВОДЫ

Данный результат по разработке беспилотной СХ техники делает подход к производственным исследованиям при разработке комплекса.

Необходимость высокоточных систем GPS-навигации, для чего необходимо производство высокоточных элементов систем — “шариков” (Наука и Жизнь, 52014).

Необходимость унификации процессов функционирования, эксплуатации, технического обслуживания ботов-тракторов  комбайнов;

Функционирование систем комплекса на базе модели и встроенных элементов бота аналогично современным разрабатываемым компаниями комплексам, при многократно низкой цене, что наиболее актуально в научно-исследовательском и учебном применении.

Исключением не является и последующая группа работ по модернизации учебной программы, со всеми вытекающими изменения УМКД, разделами и планами работ по дисциплинам всех профильных вузов (политехнические, СХ и др.).