Несмиянов И.А., Токарев В.И.
Волгоградская государственный аграрный университет
Рассмотрены вопросы повышения эффективности использования сельскохозяйственных погрузочных агрегатов за счет внедрения информационных систем мониторинга грузопереработки. Предложено новое направление совершенствования сельскохозяйственных погрузчиков и манипуляторов как мехатронных и робототехнических систем.
Современные информационные технологии, повсеместное использование микропроцессорной техники и мехатронных систем, активное развитие робототехники в т.ч. и в сельском хозяйстве ставят технические средства и технологии на новый уровень развития.
Использование средств робототехники в сельском хозяйстве в настоящее время большая редкость, исключение составляют системы параллельного вождения (система автоматического подруливания тракторов), однако областей применения робототехнических средств в агропромышленном комплексе (АПК) довольно много (рис.1) [1].
Рисунок 1 – Возможные области применения робототехники в АПК.
Одним из наиболее трудоёмких процессов в сельскохозяйственном производстве являются погрузочно-разгрузочные и транспортные работы. В агропромышленном комплексе приходится около 40% от всех затрат труда на транспортные и погрузочно-разгрузочные работы. По расчётам ВИМ в среднем за 1 год необходима транспортировка 5,2 млрд.т. грузов на среднее расстояние 24 км. [2], и на настоящий момент эта проблема осталась.
Технологические особенности сельскохозяйственного производства накладывают существенные ограничения на внедрение средств робототехники, в т.ч. и манипуляторов, в связи с этим же внедрение существующих промышленных роботов в аграрное производство невозможно. Производство сельскохозяйственной продукции, как растениеводческой, так и животноводческой происходит чаще всего в неопределённых временных режимах и при различных объёмах и качестве продукции. Например, полученный урожай овощей на разных полях одного хозяйства может отличаться в широких пределах. Автоматизация погрузки сельскохозяйственной продукции одним и тем же робототехническим комплексом в этих условиях требует либо применения адаптивных систем управления и контроля, либо перенастройки роботизированного погрузочного агрегата. В обоих случаях это приводит к удорожанию или конструкции, или обслуживания агрегата.
Роботизация сельскохозяйственного производства требует значительных капиталовложений. Например, в строительной области внедрение робототехнических комплексов в Японии и США осуществляется при государственной поддержке [3].
К сожалению, отечественные погрузчики и погрузочные манипуляторы практически не имеют автоматизированных средств управления, контрольно-измерительных и информационных систем, отражающих параметры процесса грузопереработки погрузочным агрегатом.
Существенные особенности погрузочных манипуляторов – большое число степеней свободы и использование систем дистанционного управления. В связи с этим важным направлением исследований являются вопросы, связанные с развитием методов расчета и проектирования систем передачи энергии и управляющих сигналов от задающих органов к исполнительным механизмам и передачи сигналов обратной связи на задающие органы управления.
Неоптимальное управление погрузчиками и погрузочными манипуляторами приводит к излишним энергозатратам, снижению производительности погрузочных агрегатов, утомляемости оператора и соответственно последующего возникновения ошибок позиционирования груза (ошибок управления), влекущих за собой аварийные ситуации.
Эти обстоятельства ставят необходимость решения задач обоснования и создания эффективных систем управления погрузочными манипуляторами, систем контроля и мониторинга погрузочно-разгрузочных операций.
Следует отметить, что эффективность использования погрузочно-разгрузочной техники в сельском хозяйстве, как правило, оценивается по объёму грузопереработки за час, смену, сезон и оценивается по количеству погруженных или разгруженных грузов на конечных пунктах. Однако, универсальные погрузчики могут использоваться в течение смены на разных работах. Отсутствие точного учёта грузопереработки одним погрузочным агрегатом снижает эффективность его рационального применения, усложняет учёт энергозатрат на операцию и оптимального использования на различных технологических операциях разгрузки-погрузки.
Мониторинг грузопереработки отдельного погрузочного агрегата, возможный только при использовании информационных систем, получающих данные от датчиков грузоподъёмности, скорости перемещения агрегата, счётчиков грузопереработки, позволит рационально планировать погрузочно-разгрузочные операции и оптимизировать технологические процессы в АПК.
Перспективным направлением совершенствования сельскохозяйственных погрузчиков и погрузочных манипуляторов, на наш взгляд, является роботизация погрузочных агрегатов, заключающаяся в создании и комплексном использовании интегрированных систем позиционно-силового управления погрузочным манипулятором, систем контроля положения груза, систем учёта грузопереработки, систем контроля устойчивости погрузочного агрегата. Конечно, функционирование выше перечисленных систем возможно при использовании в приводах погрузчиков мехатронных узлов и устройств управления на базе микропроцессоров.
Использование автоматического управления погрузочными манипуляторами возможно на повторяющихся однотипных операциях и при переводе манипулятора из транспортного положения в рабочее и наоборот.
Авторами данной статьи ведутся работы в области автоматизации и роботизации погрузочных манипуляторов для аграрного производства. На настоящий момент разработана система дистанционного позиционного управления манипулятором [4], система выравнивания груза (контейнера) на вилочном захвате мобильного погрузчика [5], предназначенная для исключения опрокидывания и соскальзывания контейнера с вилочного захвата при движении погрузчика по пересечённой местности и переезде через препятствия типа насыпей и канав.
Работы по внедрению средств робототехники в АПК несомненно актуальны и перспективны, однако они требуют значительных интеллектуальных и материальных вложений.
Решение же упомянутых задач позволит повысить производительность погрузочного агрегата, снизить утомляемость оператора и повысить безопасность эксплуатации погрузчиков и погрузочных манипуляторов в сельскохозяйственном производстве.
Список литературы
- Юревич Е.И. Основы робототехники: учеб.пособие. – 3-е изд., перераб. и доп. – СПб.: БХВ – Петербург, 2010. – 368 с.:ил.+CD-ROM.
- Анискин В.И. Перспективы технического обеспечения сельского хозяйства // Механизация и электрификация сельского хозяйства. №12 1999. С2-7.
- Паршин Д.Я. Состояние и концептуальные основы строительной робототехники./ Мехатроника, автоматизация, управление (МАУ-2009) // Материалы Международной научно-технической конференции. – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. –С.351-353.
- Герасун В.М., Несмиянов И.А. Системы управления манипуляторами на основе пространственных исполнительных механизмов// Мехатроника, автоматизация, управление. М. 2010, №2. С.24-28.
- Патент РФ на изобретение №2457172. Система контроля положения контейнера на вилочном захвате. Несмиянов И.А., Токарев В.И. Опубл. 27.07.2012.