Совершенствование технологического процесса прополки за счет использования роботизированного пропольщика с обоснованием его конструктивных параметров

Во введении изложены проблемы сплошной прополки сорняков при возделывании пропашных культур, обоснована актуальность исследований, поставлены цели и задачи, рассмотрены объект исследования, научная новизна и практическая значимость работы. Представлены положения, выносимые на защиту, сведения об апробации, публикации, а также структура работы.
В первой главе «Современное состояние вопроса борьбы с сорняками при возделывании пропашных культур» рассмотрены физико-механические и физиологические характеристики наиболее вредоносных сорняков, встречаемых при возделывании пропашных культур, существующие способы и методы борьбы с ними. Проведен обзор существующих сельскохозяйственных машин и роботов для сплошной механической обработки посевов культурных растений от сорняков.
Проведенный анализ по проблеме исследования показал необходимость совершенствования технологического процесса прополки, при этом выявлено, что в настоящее время:
– сельскохозяйственные машины для уничтожения сорняков имеют ряд недостатков: необходимость в операторах до 3 человек, которым необходимо выполнять монотонную физически тяжелую работу; высокая стоимость, низкая производительность, высокая сложность обслуживания;
– робототехнические средства для уничтожения сорняков изготовлены в единичных экземплярах, находятся в стадиях доработки и совершенствования, не обеспечивают высокую эффективность и производительность процесса прополки.
Во второй главе «Теоретическое исследование технологических и конструктивных параметров роботизированного пропольщика для механического удаления сорняков» разработаны агротехнические требования к роботизированному пропольшику для удаления сорняков на пропашных культурах, описан усовершенствованный технологический процесс борьбы с сорняками, обоснованы конструктивные параметры роботизированного пропольщика, решена задача перемещения рабочего органа манипуляционного механизма пропольщика методами кинематического и динамического синтезов.
Технологический процесс прополки с использованием роботизированного пропольщика осуществляется по следующим этапам (рисунок 1):
1. Строится карта перемещения пропольщика на местности.
2.Роботизированный пропольщик в автоматическом режиме за счет системы навигации и управления заезжает в рядки с растениями.
3.С помощью системы технического зрения (СТЗ) происходит распознавание сорной растительности, вычисляются координаты их расположения.
4.Определяется оптимальный маршрут перемещения рабочего органа между сорняками за счет решения оптимизационной задачи, исходя из минимума перемещения рабочего органа между сорняками.
5. В автоматическом режиме рабочий орган перемещается к сорняку.
6.В тот момент времени, когда рабочий орган находится над сорняком, он опускается вертикально вниз, тем самым срезая сорняк и взрыхляя почву рядом с ним.
Рисунок 1 – Технологический процесс прополки с использованием роботизированной прополочной машины.
Для рассмотренного технологического процесса прополки разработана конструкция роботизированного пропольщика. Конструкция пропольщика (рисунок 2) состоит из шасси, которое включает в себя раму 1 и приводные мотор-колеса 2, системы навигации и управления 3, системы питания 4, датчика системы технического зрения 5, линейных приводов (актуаторов) 6 и 7, осуществляющих перемещение рабочего органа 8 в пространстве и электродвигателя 9, приводящего рабочий орган во вращательное движение.

l2 l2
a 3max
2min ,мм (3)
Рисунок 2 – Конструкция роботизированной прополочной машины для точного земледелия: 1 – рама; 2 – приводные колеса; 3 – система управления и навигации; 4 – система питания; 5- датчик СТЗ; 6 – актуаторы перемещения рабочего органа в горизонтальной плоскости; 7 – актуатор перемещения рабочего органа в вертикальной плоскости; 8 – рабочий орган (фреза); 9 – двигатель постоянного тока.
Для обоснования конструктивных параметров шасси и манипуляционного механизма роботизированного пропольщика проведено аналитическое исследование. В результате структурного анализа манипуляционного механизма определена степень подвижности выходного звена (фрезы):
W=3n-2p5-p4 = 3·9 – 2·11 = 5, (1) где n – число подвижных звеньев механизма; pi – число кинематических пар
механизма i класса.
Разработана методика расчета геометрических параметров конструкции
роботизированного пропольщика из условия необходимой ширины захвата (зоны обслуживания).
Необходимая ширина рабочей зоны (Н) равна:
H= d+2*e, мм (2)
где d – ширина междурядий растений, мм; e – ширина защитной зоны растений, мм.
Определяется межосевое расстояние крепления актуаторов на шасси робота (а), которое обеспечивает достижение необходимой ширины обслуживания:
H
где l2min- минимальная длина 2-го исполнительного звена, мм; l3max- максимальная длина 3-го исполнительного звена, мм.
Получены расчетные зависимости межосевого расстояния крепления актуаторов (а) от необходимой ширины рабочей зоны (Н) (рисунок 3). При анализе зоны обслуживания роботизированного пропольщика сформулированы условия, исключающие попадание манипуляционного механизма в мертвое положение. Зависимости, полученные из решения обратной задачи кинематики, позволяют определять положение рабочего органа роботизированного

пропольщика. Сформирован алгоритм построения траекторий рабочего органа, ограничивающих зону обслуживания (рисунок 4).
Рисунок 3 – Зависимость межосевого расстояния крепления актуаторов (а) от необходимой ширины рабочей зоны (Н)
Рисунок 4 – Зона обслуживания роботизированного пропольщика
В качестве рабочего органа роботизированного пропольщика используется фреза с вертикальной осью вращения (рисунок 13, б).
Для обеспечения работы фрезы необходимо, чтобы выполнялось условие NД Nпотр,кВт (4)
где NД – мощность двигателя, кВт; N потр – потребная мощность для работы фрезы, кВт.
K hdU K G U2
Nпотр  П  отбр отбр , (5)
1000 21000 g t
где: КП – удельное сопротивление почвы резанию, Н/м2; h – глубина
обработки, м; d – диаметр рабочего органа, м; U – окружная скорость, м/с; n- частота вращения фрезы, об/мин; Котбр – коэффициент отбрасывания почвы рабочим органом. Котбр = 0,7… 1,0; Gотбр – сила тяжести почвы, отбрасываемого рабочим органом за время t, Н; t – время подхода к почве очередного лезвия, с.
Из решения уравнения (5) получены расчетные зависимости мощности приводного электродвигателя от диаметра фрезы (рисунок 5). Исходя из размеров корневой системы сорняков и условия минимизации энергопотребления, был выбран диаметр рабочего органа d=50 мм.
1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Диаметр фрезы d, мм
Рисунок 5 – Зависимость мощности двигателя от диаметра рабочего органа
Решена задача оптимальных управляемых движений рабочего органа (фрезы) при выполнении технологического процесса прополки. Задача
Мощность двигателя N, кВт
программного перемещения рабочего органа в пространстве решается с помощью
разработанной
подразделяется
конфигурации
механизма, соответствующей конечному положению фрезы пропольщика, исходя из критерия оптимизации; 2 – синтез законов перемещения по траектории в пределах зоны обслуживания.
Для решения задачи перемещения рабочего органа нужно определить законы изменения обобщённых координат при перемещении рабочего органа (фрезы) из нулевого (начального) положения, имеющего координаты точки M0(XM0,YM0),
в конечное, определяемое координатами
на
методики, которая этапы: 1 ̵ определение манипуляционного
точки Mk (XMk ,YMk )
образом, при
конфигурации
механизма, определяемой обобщенными координатами li0
где i=1,2,3) по показаниям датчиков позиционирования, требуется найти конечную конфигурацию, т.е. значение обобщенных координат lik .
(рисунок 6). Таким известной начальной манипуляционного
(длинами звеньев, Координаты точки М и длины исполнительных звеньев пропольщика в
системе координат OXY имеют вид
(Y l)2(X X)2l2,
M 1 M B 2 (6) (Y l)2(X X)2l2.
M1MB3
где XM,YM – координаты точки М в неподвижной системе координат;
XВ= ̶ XА=а/2 – постоянные, в выбранной системе, координаты точек крепления звеньев манипуляционного механизма.
Длина звена l1k находится с учетом критерия энергоэффективности из условия минимума квадратичной функции, характеризующей изменения длин звеньев манипуляционного механизма (7). Длины звеньев l2k ,l3k определяются из выражений (6)
(7)
где l10 и l1k – начальная и конечная длина 1-го звена, мм; С1, С2, С3 – весовые коэффициенты.
Проведен кинематический синтез законов перемещения приводов манипуляционного механизма, обеспечивающих движение рабочего органа
22 2 2 22  C(ll)CY lXX Y lXX 
l1kmin 1 1k 10 2  Mk 1k A Mk M0 10 A M0  2 2 2 22
C  Y l  X X   Y l  X X   , 3Mk1k BMk M010 BM0
Рисунок 6 – Перевод рабочего органа из начального положения в конечное
пропольщика из начального положения в конечное по заранее неопределенной и по прямой траекториям по закону безынерционного движения, который обеспечивает нулевые значения скоростей и ускорений в момент трогания и останова.
Законы изменения длин исполнительных звеньев (актуаторов) от времени будут иметь следующий вид
l(t)l (l l )t  1 sin2t, (8) i i0iki0T2T
где li0 и lik – начальная и конечная длина i-го звена, мм; t – текущее время движения, с; Т – конечное время движения, с.
Используя законы изменения длин актуаторов (8) и зависимости координат точки M от длин актуаторов (6), из решения обратной задачи кинематики получаем параметрические уравнения траектории движения рабочего органа. При этом решение задачи перемещения рабочего органа по неопределенной и прямолинейной траекториям в конечной точке приводит к одному и тому же результату (рисунок 7), что свидетельствует об адекватности математической модели.
Сравнительный анализ перемещения рабочего органа пропольщика при движении по заранее неопределенной и прямолинейной траекториям (рисунок 8) показал, что при движении по прямой один из исполнительных звеньев совершает возвратно-поступательные движения, что негативно влияет на ресурс привода, поэтому предпочтительней использовать предварительно неопределенную траекторию.
Рисунок 7 – Траектория точки М в Рисунок 8 – Изменение длины плоскости XOY актуатора l3 от времени
Разработана математическая модель динамики управляемых движений
рабочего органа манипуляционного механизма пропольщика, определена
кинетическая энергия всего механизма и отдельных его частей. Обобщенными
координатами манипуляционного механизма являются длины исполнительных
звеньев q  l , q  l , q  l , и углы поворота исполнительных звеньев 112233
относительно подвижных координатных осей q4  2 , q5  3 (рисунок 6). На координаты q2  l2 , q3  l3 , q4  2 , q5  3 наложены голономные связи.
f1 l2 cos2 l3 cos3 AB0 (9) f2 l2 sin2 l3 sin3 0 (10)
 

Принимаем, что механизм перемещения рабочего органа состоит из семи
масс: массы штока первого исполнительного звена вместе с массой ползуна m1 ; двух корпусов актуаторов массой m21, m31 ; двух штоков массой m22 и m32 ; массы шарнирного ползуна m4 вместе с рабочим органом и массы ползуна m5 .
Так как роботизированный пропольщик представляет собой многомассовый механизм, то динамика его движений описана системой нелинейных дифференциальных уравнений, которые формируются с помощью уравнений Лагранжа 2-го рода с неопределенными множителями с дополнительными голономными связями.
dEEQdf1 df2
1dq 2dq ,m15, (11) mmmm
dtq  q i
где E- кинетическая энергия системы; qm— обобщённые координаты; Qi – вектор обобщенных сил; λ1, λ2 – векторы неопределенных множителей Лагранжа.
Используя выражения кинетической энергии и уравнения голономных связей (9,10), получаем пять дифференциальных уравнений, описывающих динамику механизма роботизированного пропольщика
l (m m m m m m m)(m m m)(2l cos



1 1 21 22 31 32 4 5
22 4 5 2
2 2 2
l sin 2 2 2



l sin l cos  )m cos  l 2l cos l sin sin l 2 (12) 2 22 22 32 333 3 333 3 333
0.5(m m )l cos  sin 20.5(m m )l cos  21222min2222 31323min33331
2 l l2min m l 
 (13)
(14)
(16)
где: I z 21 , I z 31 – главные центральные моменты инерции масс 2 и 3 корпусов актуаторов; I z 22 , I z 32 – главные центральные моменты инерции масс 2 и 3
 sin



2  F
(m m)llsin
22 4 21 2 2222 2422 5 2 22 2

m 


2 m sin

(2l



cos 22212222221222
l sin 2 l l sin l cos  )F  cos  sin
m l l sin
3231 333231 32 3
 2 l l3min F  cos  sin  
m l l2min  l l2min l cos
22222221 2222z21z22 422
I I m(l2 2 2 2 2 1 2 212min 4 2  5 2 2 2
 

2l 
2l l  l l cos )m l l2min 2 l1 cos2 m l cos (2l  (15)


 l cos  ) l sin  l cos
cos  l sin 2 l l sin 22222122222122222
 32323321 3 333z31z32
m l l3min  l l3min l cos 
I I 

m l l3min 3 l1cos3  l sin  l cos
2l  313min4 213 323 3



штоков актуаторов; F , F , F – силы необходимые для выполнения программного 123
движения.
Из уравнений динамики определены
законы изменения движущих сил
исполнительных звеньев Fi(t), i13
(рисунок 9), обеспечивающие выполнение программного перемещения рабочего органа при выполнении технологического процесса прополки. По результатам расчетов выбраны приводные электродвигатели, а также
исходные данные для разработки системы управления, при этом максимальные усилия необходимые для перемещения рабочего органа не превышают 200 Н.
В третьей главе «Программа и методика экспериментальных
Рисунок 9 – Законы изменения движущих сил исполнительных звеньев
исследований роботизированного пропольщика» описаны методики: по определению влажности почвы, по определению засоренности полей и
регистрации параметров.
Для определения координат сорняков разработана и описана методика
распознавания сорной растительности, которая основана на системе
технического зрения.
Главной задачей системы технического зрения является
распознавание контуров растений
(рисунок 10)
и распределение их на две
категории: сорняки и культурные растения.
После распределения растений по
категориям определяются координаты расположения сорняков.
Для определения оптимальной последовательности перемещения рабочего органа между сорняками разработана методика определения маршрута перемещения рабочего органа. По координатам сорняков и расстоянию между ними с использованием алгоритма решения задачи Коммивояжера, определяется маршрут перемещения между сорняками (рисунок 11).
Рисунок 10 – Графическое Рисунок 11 – Оптимальный маршрут определение контура растений перемещения рабочего органа
При этом суммарная длина траекторий S должна быть минимальной
где n – количество объектов, шт; ci j — расстояние от объекта i к объекту j, мм.
«Экспериментальноe исследование представлены экспериментальные функциональных возможностей роботизированного пропольщика, которые включают в себя следующие этапы: разработка и изготовление конструкции опытного образца; разработка системы управления исполнительными приводами; проведение моделирования законов движения исполнительных звеньев манипуляционного механизма роботизированного пропольщика и проверка адекватности математической модели; определение качества обработки почвы от сорняков и работоспособности роботизированного пропольщика в сельскохозяйственном
производстве.
Для проведения эксперимента разработана система технического зрения и
система управления роботизированным пропольщиком (рисунок 12). Система управления разделена на два уровня. Верхний уровень обеспечивает общее планирование движения, обработку показаний приемника GPS и навигацию, cвязь с пультом удаленного управления и телеметрии по протоколу Wi-Fi, реализует систему технического зрения. Нижний уровень системы управления обеспечивает непосредственное управление исполнительными механизмами роботизированного пропольщика.
Рисунок 12 – Функциональная схема распределенной системы управления
Проведены полевые опыты технологического процесса механического удаления сорняков точечным способом на поле с перцем с учетом
В четвертой
главе пропольщика» исследования по испытанию
роботизированного
nn Scx min
ij ij ,мм (17) i1 j1

агротехнологических требований, нацеленные на проверку работоспособности разработанного роботизированного пропольщика, качество обработки почвы от сорняков, исследования точности позиционирования, отработку программных движений, выявление особых положений (рисунок 13).
Полевые испытания роботизированного пропольщика (рисунок 13) осуществлялись в УНПЦ «Горная поляна» Волгоградского ГАУ на сельскохозяйственной культуре – перец сорта «Волжанин» при следующих агротехнологических условиях: тип почв – светло-каштановая; схема посадки культуры- 40х70см; влажность почвы – 16 – 21%; засоренность поля – от 8 до 16 шт/м2 ; ботанический состав сорных растений – осот полевой, вьюнок полевой (березка), марь белая, просо куриное (ежовник); ширина междурядий- 70см; высота сорняков при обработке – до 10 см.
а) б)
Рисунок 13 – Полевые испытания роботизированного пропольщика: а) общий вид пропольщика; б) удаление сорняка рабочим органом.
Полевые испытания проводились с учетом основных элементов методики полевого опыта. Опыты проводились в 5-ти кратной повторности. После обработки контроль засоренности проводили глазомерным способом. Скорость движения роботизированного пропольщика при испытаниях составляла: 0,05- 0,1 м/с.
В результате испытания выявлено:
 уничтожение сорняков на полях перца составляет 95-99%, что
соответствует СТО АИСТ 4.6-2018;
 обработку следует проводить при росте сорняков до 10см;
 эффективно использовать роботизированный пропольщик на полях с
малой засоренностью.
Для проверки адекватности математической модели и теоретических
расчетов проведены исследования по моделированию законов движения звеньев на экспериментальном образце. На рисунке 14 представлены сравнительные теоретические и экспериментальные результаты решения задачи перемещения рабочего органа.

а) Изменение длины l1 от б) Изменение длины l2 от в) Изменение длины l3 от времени времени времени
Рисунок 14 – Теоретические (1,2,3) и экспериментальные (1′,2′,3′) кривые изменения длин актуаторов от времени.
Теоретические и экспериментальные кривые изменения длин исполнительных звеньев (актуаторов) манипуляционного механизма пропольщика от времени показали, что расхождение теоретических от экспериментальных результатов не превышает 5%. Достаточная сходимость теоретических и экспериментальных кривых свидетельствует о практической реализации методики расчета программного движения исполнительных приводов манипуляционного механизма роботизированного пропольщика.
На рисунке 15 представлены сравнения результатов законов изменения движущих сил, полученных с помощью решения уравнений динамики и проведения практического эксперимента. Теоретические и экспериментальные (полевые) графики изменения движущих сил от времени показали, что отклонение между этими зависимостями не превышают 4% (рисунок 15), на основании чего можно сделать вывод об адекватности математической модели динамики.
Рисунок 15 – Теоретические и экспериментальные зависимости изменения усилий от времени
Проведение численных экспериментов и моделирование на опытном образце продемонстрировали эффективность разработанных алгоритмов управления приводными звеньями, а результаты полевых испытаний являются убедительным основанием для внедрения разработанного роботизированного пропольщика в сельскохозяйственное производство с целью снижения

энергозатрат на борьбу с сорняками, высвобождения человека от ручного монотонного труда и получения экологически чистой продукции.
В пятой главе «Экономическая эффективность использования роботизированного пропольщика для механического удаления сорняков» проведен расчет и анализ технико-экономических параметров в сравнении с КПМ-3 и ручным трудом, в результате которого выявлено, что удельные эксплуатационные затраты значительно отличаются: при использовании ручного труда -18172,7 руб/га, где основная часть (98%) идет на заработную плату рабочих; при использовании КПМ-3 – 3718,7 руб/га, из которых затраты на оплату труда (70,6%), остальное (29,4%) затраты на горюче-смазочные материалы, амортизационные отчисления и ремонтный фонд. Самое низкое значение эксплуатационных затрат в расчете на 1 га обрабатываемой площади у роботизированного пропольщика – 1316,4 руб/га, среди которых затраты на оплату труда (56,1%), на оплату электроэнергии (5,8%), амортизационные отчисления (17,3%) и затраты на ремонт (20,8%).
Экономический эффект в расчете на 1 га обрабатываемой площади по сравнению с КПМ-3 составил 2402,3 руб/га, а по сравнению с применением ручного труда – 16856,3 руб/га.
На практике в реальных условиях годовой экономический эффект зависит от объема производимых работ. На основании агротехнических сроков проведения прополки сельскохозяйственных культур и сменной производительности роботизированного пропольщика установлено, что пропольщик за сезон может обработать до 10-11 га.
Таким образом, разработанный роботизированный пропольщик считаем целесообразным применять в сельскохозяйственных организациях и крестьянских (фермерских) хозяйствах с обрабатываемой площадью не более 10 га, при этом срок окупаемости по сравнению с КПМ-3 составит 4,3 года.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
2. Усовершенствован технологический процесс прополки за счет использования роботизированного пропольщика, при этом обоснованы конструктивные параметры шасси и манипуляционного механизма пропольщика, обеспечивающие требуемую зону обслуживания, предложен рабочий орган.
1.Проведен анализ существующих машин, орудий и роботов для уничтожения сорняков, в результате чего установлено, что все существующие на данный момент технические средства для удаления сорняков обладают рядом недостатков, таких как необходимость в операторах, высокая стоимость, низкая производительность и др.
Установлено, что для достижения максимальной ширины
обработки 1400 мм необходимы актуаторы с изменением длины от
=859мм до
lmax
= 1469 мм, при этом межосевое расстояние крепления
актуаторов а = 1014 мм,
lmin
l=2300мм. Определен диаметр рабочего органа равный 50 мм, исходя из
габаритные размеры шасси: ширина h=1400 мм, длина
размеров корневой системы сорняков и условия минимизации энергопотребления, при этом мощность привода NД = 262 Вт.
3.
перемещения приводов манипуляционного механизма, обеспечивающих движение рабочего органа пропольщика по прямой и по заранее неопределенной траекториям. При этом выявлено, что при перемещении по прямой шток одного из актуаторов совершает возвратно- поступательные движения, что негативно влияет на ресурс привода, поэтому предпочтительней использовать заранее неопределенную траекторию. Из уравнений модели динамики управляемых движений манипуляционного механизма определены усилия в приводах, не превышающие 200Н и обеспечивающие необходимое перемещение рабочего органа при выполнении технологического процесса прополки. По результатам расчетов математической модели выбраны актуаторы и определены исходные данные для проектирования системы управления.
4. Сравнение теоретических и экспериментальных зависимостей показали адекватность математической модели управляемых движений рабочего органа, при этом расхождение теоретических от экспериментальных результатов не превышает 5%. Полевые испытания показали эффективность использования роботизированного пропольщика в технологическом процессе уничтожения сорняков механическим способом, при этом засоренность после обработки снижается на 95-99%.
5. Предлагаемый роботизированный пропольщик позволяет снизить затраты на прополку сорняков в расчете на 1 га обрабатываемой площади по сравнению с КПМ-3 на 2402,3 руб/га, а по сравнению с применением ручного труда на 16856,3 руб/га. Годовой экономический эффект составил 24023 руб, при этом срок окупаемости составляет 4,3 года.
Предложения и рекомендации производству
Для качественной обработки почвы от сорняков необходимо использовать роботизированный пропольщик, при этом:
1.Обработку следует проводить не позднее достижения сорными растениями высоты 10см.
2. Обработку проводить при влажности почвы от 16 до 21%
Перспективы дальнейшей разработки темы
Увеличение производительности и автономности роботизированного пропольщика при обработке почвы от сорняков. Расширение технологических возможностей роботизированного пропольщика за счет адаптации системы технического зрения под различные сельскохозяйственные культуры.