Unmanned mobile vehicle for monitoring agricultural and forest land

Full Text

Введение На территории страны сосредоточено 55% агроактивных поверхностей мира, 50% пресной воды и 60% запасов древесины, из всего земельного фонда Российской Федерации земли сельскохозяйственного назначения занимают 23%. На сегодняшний день состояние земель, используемых в сельском хозяйстве продолжает ухудшаться. Ежегодный вынос питательных веществ из почвы вследствие сельскохозяйственной деятельности в 3 раза превышает их возврат с вносимыми минеральными и органическими удобрениями. В России свыше 10% территорий, на которых ведется сельское хозяйство, находятся в зонах избыточного увлажнения. Мелиорированные земли являются значимой категорией преобразованных земель и занимают 8% от площади пахотных угодий и позволяют производить около 15% валового производства растениеводческой продукции. На них производится до 70% овощей, весь рис, более 20% грубых и сочных кормов и другой продукции. Однако в неудовлетворительном мелиоративном состоянии находятся свыше 30% осушенных земель, тенденция к ухудшению состояния сохраняется. Также в неудовлетворительном состоянии находятся земли, воздействие на которые оказывают предприятия промышленной отрасли. В ряде регионов Российской Федерации загрязнение почв сельскохозяйственных угодий тяжелыми металлами, пестицидами, радионуклидами, токсичными органическими соединениями достигает уровней, при которых производимая продукция не отвечает требованиям санитарно-гигиенических нормативов. Ареалы распространения техногенных выбросов вокруг промышленных комплексов охватывают 18 млн га. Площадь загрязнения тяжелыми металлами почв сельскохозяйственных угодий составляет 3,6 млн га. Из них более 1 млн га почв сельскохозяйственного пользования загрязнено особо токсичными элементами (I класс опасности) и около 2,3 млн га - токсичными (II класс опасности). Цель исследования Для динамического определения состояния проблемных участков сельскохозяйственных угодий, предотвращения их выбытия, вовлечения в сельскохозяйственное производство, а также принятия мер по устранению проблем, разработке программ сохранения и восстановления плодородия почв требуется экологический мониторинг. Согласно распоряжению Правительства РФ от 30 июля 2010 г. № 1292-р в перечень основных задач государственного мониторинга сельскохозяйственных земель входят следующие: · своевременное выявление изменений состояния сельскохозяйственных земель, оценка этих изменений, прогноз и выработка рекомендаций по повышению их плодородия, предупреждению и устранению последствий негативных процессов; · получение данных на основе систематического обследования плодородия почв и наблюдений за качественным состоянием и эффективным использованием сельскохозяйственных земель с использованием географической привязки сельскохозяйственных полигонов и контуров; · мониторинг состояния растительности сельскохозяйственных угодий. В настоящее время существует как дистанционный (спутниковый), так и наземный (с помощью федеральных государственных учреждений - центров, станций агрохимической службы, центров химизации и сельскохозяйственной радиологии) способы мониторинга сельскохозяйственных зон, использующих активно человеческий фактор и передвижные контрольно-измерительные лаборатории. Для обеспечения полного наземного мониторинга в любой точке сельскохозяйственных угодий и исключения человека из мониторинга необходим специальный роботизированный комплекс, который должен обладать повышенной подвижностью (проходимостью) и быть экологически безопасным для плодородного поверхностного слоя, а также обладать способностью «нести» на борту специальное оборудование. Материалы и методы исследования На сегодняшний день робототехнические комплексы применяются во многих сферах человеческой деятельности. В основном, их применение направлено на выполнение задач, опасных для жизни и здоровья человека, а также для решения циклических, рутинных для человека задач. В нашей стране большое распространение роботов наблюдается в специальных государственных подразделениях, таких как вооруженные силы (ВС), специальные подразделения МВД, ФСБ и МЧС. Применение роботов в гражданской сфере активно распространено за рубежом. В частности, в сельском хозяйстве роботы выполняют задачи такие, как распашка, культивация земель, посев, удобрение и сбор урожая, покос травы и т.д. Наиболее популярными и применимыми являются роботы [1-3]: тракторы-беспилотники «McConnel Robopower» и «Spirit», автономный харвестер «Besten» (рис. 1). а) б) в) Рис. 1. Зарубежные аналоги: а - «McConnel Robopower» [1]; б - «Spirit» [2]; в - «Besten» [3] В данный момент в России активно ведутся работы по внедрению роботов в гражданскую сферу деятельности. Одной из таких работ в рамках ФЦП № 14.574.21.0089 является создание автономного мобильного робототехнического комплекса (АМРК) для мониторинга прибрежных зон. Данный комплекс разработан и изготовлен в НГТУ им. Р.Е. Алексеева и позволяет посредством мониторинга прибрежной зоны прогнозировать возникновение морских природных и техногенных катастроф. Этот робототехнический комплекс при определенной доработке может быть применен и системе мониторинга сельскохозяйственных угодий. Общие виды и кинематическая схема АМРК [4, 5] представлены на рис. 2. Благодаря сменным движителям (колесный, гусеничный, роторно-винтовой) возможно применение комплекса на любых типах поверхностей, исходя из заданных условий эксплуатации по критериям подвижности [6-8] и эффективности [8, 9]. Телекоммуникационное управление комплексом позволяет оператору вести работу из безопасной зоны. Колесный движитель применим для мониторинга параметров сельскохозяйственных полигонов и контуров, для определения таких показателей, как плодородие почв, развитие процессов деградации почв, содержанием элементов питания и органических веществ, разрушением почвенной структуры и т.д. Такой тип движителя экологически безопасен для плодородных слабонесущих слоев почв. Гусеничный движитель может быть использован при проведении мониторинга ресурсов земель лесного фонда; лесов, находящихся в зонах промышленных выбросов и др. В сравнении с колесным, гусеничный тип движителя позволяет повысить подвижность рассматриваемого транспортного средства в тяжелых условиях лесных угодий. Роторно-винтовой движитель может быть использован для мониторинга болотных экосистем, наблюдений за затопленной торфяной залежью, проведения мелиоративных работ и прочее, так как другие типы движителей не способны успешно выполнять поставленные задачи на затопленных участках и болотистой местности. Это позволяет применять АМРК на территориях рисовых чеков. Рис. 2. Общие виды и кинематическая схема АМРК Результаты исследования и их обсуждение Опытный образец данного комплекса был испытан в полевых условиях на острове Сахалин в мае-июне 2016 г. при участии специального конструкторского бюро средств автоматизации морских исследований Дальневосточного отделения Российской академии наук (СКБ САМИ ДВО РАН) (рис. 3). Испытания показали, что подход применения сменных движителей позволяет существенно повысить подвижность комплекса и значительно расширить область его территориального использования. Были проведены ходовые испытания шасси (технические характеристики которого представлены в табл. 1) с целью отработки конструкции и исследования подвижности. Таблица 1 Технические характеристики шасси АМРК Характеристика Значение Масса, кг 1000 Мощность двигателя, кВт 60 Максимальный угол подъема, град. 43 Максимальная скорость, км/ч 45 - колесный движитель 34 - гусеничный движитель Расход топлива л/100км 18 Рис. 3. Автономный мобильный роботизированный комплекс и карта места проведения испытаний В ходе полевых испытаний были отработаны типовые маневры в беспилотном режиме АМРК: движение по заданному коридору на короткой дистанции и на длинной дистанции, криволинейное движение по заданному коридору (разворот, «змейка»), движение до контрольной точки и обратно, движение через контрольные точки. Работу в беспилотном режиме обеспечивало навигационное оборудование фирмы Orient Systems. Передаваемые данные содержат информацию о количестве обнаруженных спутников и мощности сигнала каждого из них, географических координатах, скорости передвижения, высоте над уровнем моря. Была произведена оценка весовых параметров АМРК, сила сопротивления движению, сила тяги по сцеплению, усилие бокового сдвига, максимальный угол подъема машины, динамические качества машины, плавность хода машины, топливная экономичность, угол поперечной статической устойчивости. Для обнаружения препятствий на передней части корпуса шасси установлена непрерывно вращающаяся платформа с двумя лидарами Sick LMS291Pro. При установке лидаров на вращающуюся платформу система обеспечивает получения трехмерного облака точек измерения расстояния вокруг платформы. В случае возникновения препятствия в 10 метрах от робота система их обнаружения генерирует соответствующие сообщения в систему управления. Пример работы оборудования представлен на рис. 4. Рис. 4. Демонстрация работы лидарной системы обнаружения препятствий Для верификации данных, получаемых с радиолокационной станции кругового обзора MRS-1000, робототехнический комплекс оснащен видео камерой AXIS Q6045-E, которая создает синхронизированный видеопоток, показанный на рис. 5. Эта камера также может быть использована для системы дистанционного управления АМРК. Рис. 5. Видео с камеры в процессе измерений Для получения метеоролических данных, таких как атмосферное давление, относительная влажность, осадки, температура, скорость и направление ветра, использовалась метеостанция Vaisala WXT520, которая устанавливается на боковую часть шасси и имеет возможность фиксирования на разной высоте. В ходе проведения полевых экспериментальных исследований оценивались рельеф [10-12] и физико-механические свойства полотна пути. Примеры измеренного профиля участка и изменение сопротивления пенетрации на участке движения АМРК представлены на рис. 6. Рис. 6. Фрагменты и результаты изменения сопротивления пенетрации и профиля участка местности Полученные данные используются для разработки новых статистических моделей поверхностей береговых зон, позволяющих прогнозировать пути повышения подвижности и эффективности функционирования мобильных робототехнических комплексов. Каждый вариант шасси (колесный, гусеничный, роторно-винтовой) имеет свою область эффективного использования, и именно статистические модели опорных поверхностей позволят правильно выбирать движитель и конструкцию мобильных робототехнических комплексов мониторинга прибрежных районов. В НГТУ им Р.Е. Алексеева аналогичные исследования проводятся для территорий сельскохозяйственных и лесных угодий Нижегородской области [13, 14]. Помимо данных работ в НГТУ им. Р.Е. Алексеева был проведен большой комплекс исследований по различным типам поверхностей движения [15, 16], включая заснеженные поверхности движения [17-21], составляющих дорожно-грунтовое основание для транспортно-технологических машин (ТТМ). Исходя из полученных результатов и накопленного опыта можно подобрать тип и конструкцию движителя, а также самой машины таким образом, чтобы обеспечить максимально возможную подвижность ТТМ на любой местности [4-21]. В общем виде методику выбора параметров шасси и типов движителя можно представить в виде схемы (рис. 7). Рис. 7. Схема выбора конструкционных параметров шасси На первом этапе базовое шасси настраивается исходя из функционального назначения. Второй этап включает в себя выбор условий эксплуатации транспортного средства. На третьем этапе удовлетворяются требования к техническим и конструкционным показателям. Все три этапа дают вывод о типе движителя, соответствующего выбранным условиям эксплуатации и назначения транспортного средства, который выбирается на четвертом этапе. В дальнейшем планируется установка на шасси гидрообъемной трансмиссии, которая имеет ряд преимуществ перед механической: бесступенчатое изменение крутящего момента от двигателя к движителю, возможность автоматического регулирования крутящих моментов по закону, который бы учитывал текущие характеристики контакта движитель-опорное основание. Все это позволит повысить подвижность АМРК на любых опорных поверхностях, расширит возможности шасси по установке специального оборудования, а также улучшит как дистанционную работу комплекса, так и работу в автономном режиме. Выводы В статье представлены научно-технические решения в области создания автономных мобильных платформ для комплексов мониторинга, осуществляющих информационное обеспечение управления природоохранной деятельностью и экологической безопасностью, а также заблаговременные меры по смягчению возможных последствий чрезвычайных ситуаций и проведение аварийно-спасательных работ. Несомненно, положительной стороной работы является практическая реализация ее результатов при создании экспериментального образца АМРК, используемого для мониторинга прибрежной зоны в беспилотном режиме. Результаты проведенных экспериментальных исследований подтверждают эффективность функционирования робототехнического комплекса. Представлены особенности конструкции разработанного АМРК для специфических условий эксплуатации, а также описание сенсоров. При проектировании использовался подход прогнозирования мобильности и определения оптимальных режимов функционирования транспортного средства на предварительно исследованных заданных маршрутах местности. Определяющий вклад в обеспечение необходимого уровня подвижности АМРК в зависимости от характеристик местности вносит выбор типа движителя. Таким образом, работа содержит законченное решение проблемы, связанное с разработкой нового вида мобильных платформ с возможностью переоснащения различными типами движителей для обеспечения эффективности их использования в различных условиях движения (эксплуатации). Полученные результаты вносят существенный вклад в инструментарий создания образцов беспилотной сельскохозяйственной техники, техники для мониторинга природных объектов, чрезвычайных ситуаций и выполнения специальных операций.

About the authors

D. M Porubov

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev

Email: dporubov@gmail.com

A. M Belyaev

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev

P. O Beresnev

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev

V. I Filatov

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev

D. V Zezyulin

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev

Ph.D.

V. S Makarov

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev

Ph.D.

V. V Belyakov

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev

Dr.Eng.

A. A Kurkin

Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev

Dr. Sc.

References

Supplementary files