Файл: В мире существует большое количество систем автоматизации комбайнов для зернового сельхозпроизводства.docx
Добавлен: 25.10.2023
Просмотров: 73
Скачиваний: 6
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Содержание
Введение
В мире существует большое количество систем автоматизации комбайнов для зернового сельхозпроизводства. Однако, все подобные системы являются всего лишь с/х автопилотами-то есть, они обеспечивают движение комбайна (либо иной сельхозтехники по прямой из двух точек. Это сделано для общего удешевления производства и применения на сельскохозяйственном производстве разделения сельхозугодий на поля по геометрическому методу, а не по контурному (по карте высот), вследствие высокой цены на составление подобной карты на исследования.
В случае же использования системы управления самой машиной и внешней системы планирования и управления, интегрированной с ней, возможно построение такой карты и разделение угодий в автоматическом режиме при получении данных о полях при тестовом прогоне техники. Таким образом, необходимо аккумулировать опыт подобных систем и использовать его для создания полноценной системы автоматизации процессов. Прежде всего, необходимо использовать наработанный опыт по навесным исполнительным устройствам, которые позволяют автоматизировать комбайн, сохранив при этом возможность его ручного управления оператором. Основными производителями на рынке устройств являются компании Trimble, Teejet и Leica.
Система Trimble основана на приборе EZ - Guide, который сочетает в себе свойства бортового компьютера и навигационной системы. На рисунке 65 показана комплектация системы и её компоненты.
EZ - Guide - комбинированный прибор, который объединил в себе графический легко считываемый экран (даже при ярком солнечном свете) и светодиодный линейный курсопоказатель, не затеняет обзор для водителя. Курсопоказатель обеспечивает управление техникой по требуемой траектории, а графический дисплей облегчает ориентацию управления при разворотах и при движении по криволинейной траектории.
На втором месте в рейтинге производителей находится компания TeeJet. Однако, решения в области систем параллельного вождения данной фирмы и подобных, в частности Trimble, являются подобными, различаясь элементарной базой, а также протоколами передачи информации.
Как и ее аналоги, данная система предназначена для следующих операций:
· вспашка (Опционально);
· сев яровых и озимых (Опционально);
· опрыскивание;
· разбрасывание удобрений;
· внесение жидких удобрений.
Повысить эффективность с новым бортовым компьютером Leica mojo3D от Leica Geosystems. Понятный в использовании, новый Leica mojo3D сочетает в себе 18-ти сантиметровый цветной сенсорный экран с уникальным 3D-изображением и понятным графическим меню. И главное - компьютер надежно защищенный крепким пыле-влагостойким металлическим корпусом.
Однако, все данные системы обладают главным недостатком - полной закрытостью. В результате жёсткой экономической конкуренции, каждая компания защищает свои разработки. Интерфейсы оборудования и протоколы передачи данных являются коммерческой тайной и охраняются законом. Поэтому, при разработке интегрированной системы они крайне неудобны из-за необходимости покупки дорогостоящей лицензии.
1.Анализ методов управления автоматизированным зерноуборочным комбайном
Для решения задач автоматизированного управления зерноуборочным комбайном достаточно решить две задачи:
1) Максимальное соответствие реальной траектории движения заданной заранее, за исключением корректировки маршрута в результате появления на пути следования препятствий, не учитываемых при спутниковой навигации.
2) Управление рабочими органами зерноуборочного комбайна соответственно программе движения на данном участке траектории.
Для решения первой задачи необходимо построить опорную траекторию на основании геоинформационной навигационной системы GPS. Выбор данной системы обусловлен тем, что в лидирующих в данной области системах GPS и ГЛОНАСС для точного земледелия не хватает точности. В системе GPS сигнал «режется» из соображений оборонного характера правительством США, а в системе ГЛОНАСС просто не хватает спутников в орбитальной группировке для более точного позиционирования. Однако, если в случае c GPS возможно использовать дифференциальные станции, то же оборудование для ГЛОНАСС результата не даст ввиду малого количества источников измерений (спутников). Секрет получения высокой точности состоит в том, что с помощью приемника, помещенного на местности в точке с заранее точно определенными координатами, можно вычислить погрешности, возникающие в дальномерных спутниковых сигналах. Получается как бы новая точка отсчета, из которой можно передавать сигналы коррекции на любые другие приемники GPS, находящиеся вместе с опорным в некоторой ограниченной области, для которой погрешности одинаковы.
В общем систему движения можно представить так: посредством данных GPS для системы управления строится опорная траектория, которая состоит из прямых отрезков, соединяющих точки излома траетории движения на обрабатываемом поле. Во время движения, система посредством датчиков обнаруживает препятствия (яма, бревно и т.п.), и корректирует маршрут, превращая движение по прямой в движение по ломанной траектории [6]. Функциональную схему автоматической системы управления движением можно представить так:
Блок «Система ориентации и навигации» предназначен для определения положения объекта в пространстве. Физически данная система состоит из GPS-приемника и GPS-антенны. На данный момент для гражданских пользователей уже достигнута точность определения координат метра. При использовании дифференциального способа измерения координат с использованием GPS точность позиционирования может достичь метра.
Блок «Датчики положения относительно препятствий местности» позволяет определять координаты препятствий. Любое обнаруженное препятствие по умолчанию считается непроходимым и маршрут корректируется с учетом его существования. В качестве датчиков могут использоваться стереоскопические видеокамеры, лазерные дальномеры, широкофронтальные ультразвуковые дальномеры и инфракрасные датчики. Точность определения положения препятствий местности в зависимости от типа датчиков лежит в пределах от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. При использовании дублирующих друг друга разнотипных датчиков точность измерений значительно возрастает.
Блок «Система обработки информации о препятствиях местности» предназначен для обработки информации блока «Датчики положения относительно препятствий местности» с целью выделения областей непреодолимых препятствий для мобильного робота и представления этой информации в форме удобной для последующего использования. Физически представляет собой плату для АЦП, также здесь бинарные данные упаковываются во внутренний внутрисистемный протокол обмена данными.
Блок «Формирования программной траектории» предназначен для определения в пространстве траектории, по которой должен непосредственно перемещаться зерноуборочный комбайн. Блок проверяет в бесконечном цикле корректность движения по опорной траектории.
Блок «Регулятор» предназначен для обеспечения отслеживания объектом программной траектории с требуемой степенью точности. Блок формирует управляющие сигналы, непосредственно поступающие на контроллеры, управляющие приводами ведущих колес комбайна.
Вторая задача решается путём создания соответствий между точкой опорной траектории и положением и состоянием рабочего органа комбайна в данной точке.
2.Аппаратные средства для создания беспилотных систем
Для создания АСУ зерноуборочного комбайна необходимо выбрать прежде всего контроллер управления, который будет отвечать за обработку сигналов с датчиков, управление исполнительными устройствами и обмен информацией с управляющим программным комплексом.
Одним из лидеров в области создания средств автоматизации является компания National Instruments. В области автоматизации одно из главных решений, предлагаемых этой компанией - Single-Board RIO. Данная платформа выполнена в виде разведённой печатной платы, что позволяет его эффективно встраивать в существующие компактно исполненные бортовые электронные системы.
Благодаря наличию более 50 модулей ввода / вывода сигналов для платформы NI Single-Board RIO, а также встроенным в модули схемам согласования сигналов, можно подключать датчики различных физических величин напрямую к системе: датчики шума и вибрации (NI 9233,9234), датчики температуры (NI 9211, 9213, 9217, 9219), датчики деформации (NI 9235, 9236, 9237, 9239), Аналоговый ввод / вывод (NI 920x, 921x), цифровой ввод / вывод и реле (NI 92xx).
Система NI CompactRIO и NI Single-Board RIO позволяют сохранять данные мониторинга или измерений на следующих носителях: встроенная flash, карта памяти в модуле, USB-накопитель, Ethernet-хранилище.
Программное обеспечение LabVIEW позволяет провести весь цикл разработки проекта в одной среде графического программирования при помощи специализированных программных модулей: LabVIEW Real-Time и LabVIEW FPGA, а также легко создать удобный пользовательский интерфейс для АРМ.
Главным преимуществом данной платы управления является максимальная удобность создания системы - так как внешние датчики специально разрабатывались для сопряжения с платами компании NI. Также преимуществом является высокая скорость и надёжность обработки данных.
Недостатком является прежде всего высокая стоимость (более 200 тыс. рублей) платы в базовой комплектации, а также ее низкая защищённость от внешних факторов - из-за отсутствия корпуса плата никак не пыле - влагозащищена. Кроме того, все внутренние протоколы и способы передачи данных «датчик-плата» является коммерческой тайной и не подлежат разглашению, что значительно затрудняет самостоятельное построение системы на основе данной платы, без привлечения специалистов National Instruments, что значительно увеличивает стоимость разработок.
Также, для задач автоматизации комбайна, данная плата обладает излишними вычислительными мощностями. Наиболее хорошо NI Single-Board RIO подходит для высокотехнологичных военных разработок, например автопилотов.
Главным конкурентом Single-Board RIO является одноплатный компьютер MK905 от компании Fastwell. МК905 реализован на базе процессорного модуля CPВ905 и модуля источника питания PS351. MK905 может быть установлен как на DIN-рейку, так и на панель. Особенностью данной платформы является возможность организации работы в условиях длительной необслуживаемой эксплуатации при экстремально низких температурах с ограничениями мощности электропитания.
Данная система управления представляет собой полноценный промышленный компьютер. Таким образом, для функционирования ему необходимо, чтобы исполняемая программа работала в рамках установленной на MK905 операционной системы. Также у данной системы относительно высокая цена - также, около 200 тыс. рублей в базовой комплектации.
Наиболее хорошо данный промышленный компьютер подходит для автоматизации высокотехнологичных промышленных процессов в агрессивной внешней среде, например при добыче углеводородов на Крайнем Севере.
Также, в настоящее время на рынок плат для автоматизации выходит такая система, как Arduino Uno. Если ранее это была управляющая плата для поделок и технического творчества, то современные ее версии удовлетворяют даже самые высокие требования при очень скромной цене. Плата Arduino состоит из микроконтроллера Atmel AVR (ATmega328P и ATmega168 в новых версиях и ATmega8 в старых), а также элементов обвязки для программирования и интеграции с другими схемами. На многих платах присутствует линейный стабилизатор напряжения +5В или +3,3В. Тактирование осуществляется на частоте 16 или 8 МГц кварцевым резонатором (в некоторых версиях керамическим резонатором). В микроконтроллер предварительно прошивается загрузчик BootLoader, поэтому внешний программатор не нужен.
На концептуальном уровне все платы программируются через RS-232 (последовательное соединение), но реализация этого способа отличается от версии к версии. Плата Serial Arduino содержит простую инвертирующую схему для конвертирования уровней сигналов RS-232 в уровни транзисторно-транзисторной логики, и наоборот. Текущие рассылаемые платы, например, Diecimila, программируются через USB, что осуществляется благодаря микросхеме конвертера USB-to-Serial FTDI FT232R. В версии платформы Arduino Uno в качестве конвертера используется микроконтроллер Atmega8 в SMD-корпусе. Данное решение позволяет программировать конвертер так, чтобы платформа сразу определялась как мышь, джойстик или иное устройство по усмотрению разработчика со всеми необходимыми дополнительными сигналами управления. В некоторых вариантах, таких как Arduino Mini или неофициальной Boarduino, для программирования требуется подключение отдельной платы USB-to-Serial или кабеля.