От курсоуказателя до автопилота: все о системах автовождения для сельхозмашин

Содержание

1. Космос и земля
2. Системы автоуправления движением сельхозтехники
   1. Курсоуказатель
   2. Система параллельного вождения
   3. Система автоуправления
3. Насколько выгодно применение систем автовождения

Представьте, что перед вами лежит стопка больших листов пергамента. И вы должны написать на них текст — убористо, ведя строки строго параллельно горизонтальным краям листа и друг другу, четко соблюдая заданный интервал между ними.

Поле — тот же пергамент, разве что не такой ровный и гладкий. А проходы сельхозмашин с агрегатами — тот же текст. Каким бы опытным, внимательным, ответственным ни был механизатор, он физически не в состоянии постоянно «вести строчку» по идеальной траектории. И проблема недостаточно прямолинейного хода, перекрытий и пропусков обостряется при агрегатировании машины с широкозахватными орудиями и (или) работе в условиях плохой видимости.

Между тем от точности прохода сельскохозяйственной техники по полю зависят качество будущих всходов, удобство и полнота обработки вегетирующих растений, затраты времени в страду и уровень потерь урожая, а также расход топлива. То есть итоговый заработок хозяйства.

Возможно, если бы результирующие потери были невелики, сельхозпроизводители по-прежнему мирились бы с ними. Но популяция человечества растет прогрессирующими темпами. А землю, как метко заметил классик, уже не производят. Поэтому борьба за урожай развернулась в плоскости интенсификации сельского хозяйства. Одно из направлений — технологии точного земледелия, которые невозможно реализовать без систем автовождения для сельхозмашин.

Космос и земля

На помощь сельскому хозяйству пришли космические и информационные технологии, а также наработки, давно использующиеся в судовождении и авиации. Работа подавляющего большинства систем автовождения базируется на данных о местоположении машины в каждый момент времени. Эти данные бесплатно раздаются спутниковыми навигационными системами GPS/ГЛОНАСС. Но точность бесплатного сигнала составляет несколько метров, чего совершенно недостаточно для работы агромашин.

Для повышения точности позиционирования, а следовательно, и точности прохода агромашины от гона к гону, применяют кинематический режим определения координат в реальном времени (Real Time Kinematics, RTK). По большей части эти поправки являются платной услугой. Но эта технология позволяет увеличить точность позиционирования сельхозмашины до 2,5 см.

Для получения RTK-сигнала потребитель также должен установить стационарную или мобильную контрольно-корректирующую станцию (или станции) дифференциальной подсистемы ГЛОНАСС и (или) GPS. Такие станции передают поправки на радиочастоте или через GSM-модем. Кстати, RTK-сигнал в системах Ростсельмаш раздается бесплатно.

Однако применение этой технологии не всегда эффективно. Препятствиями служат:

• плохое покрытие сети GPS/ГЛОНАСС;
• сложный рельеф, не позволяющий устойчиво принимать сигнал RTK-станции ни в одном из доступных вариантов.

Поэтому огромный интерес сейчас вызывают технологии машинного зрения, на базе которых ведутся работы по созданию самостоятельных и гибридных (GPS/ГЛОНАСС навигация + машинное зрение) систем.

Преимущества машинного зрения заключаются в том, что пользователи получают возможность обходиться без спутникового сигнала, и техника может самостоятельно идти «по кромке, по рядку, по валку». Эта технология уже реализована в РСМ Агротроник Пилот 2.0.

Однако технологию движения по рядку для пропашных культур можно реализовать без машинного зрения. Например, в системе РСМ Агротроник Пилот 2.1 использованы датчики касания. Но именно машинное зрение позволит перевести помощь в вождении агромашины в автопилотирование.

Системы автоуправления движением сельхозтехники

Эволюция автоматизации процессов управления движением агромашин шла примерно так же, как развитие процессов «ровного письма». Сейчас на рынке представлены все ее «этапы», и системы автовождения можно представить коротким списком:

• курсоуказатели,
• системы параллельного вождения,
• системы автоуправления.

Заметим, что существует некоторое разночтение терминов, попытаемся разложить все по полочкам.

Курсоуказатель

Это самая простая самостоятельная система. Первые курсоуказатели появились в судовождении, позднее — в авиации. И только относительно недавно их начали использовать в сельском хозяйстве. Задача устройства — показать механизатору, идет ли он по заданной прямой или отклонился.

Принцип работы курсоуказателя следующий. Механизатор перед началом работы указывает ширину захвата оборудования. При входе в загонку отмечает точку входа А, в конце гона (при въезде на разворотную полосу) отмечает точку выхода Б, начало и конец разворотной полосы. Блок обработки информации прокладывает параллельные линии вдоль первой линии АБ, созданной механизатором.

С развитием технологии курсоуказатели получили функции формирования адаптивных и идентичных кривых, шаблоны полей, возможность выгрузки информации о работе и др.

Бортовое оборудование включает антенну — приемник сигнала, кабели, блок вычислителя и монитор. Еще раз: курсоуказатель может использоваться (и используется) как самостоятельная система.

Прокладка параллельных прямых дала повод к тому, что курсоуказатели в обиходе стали называть системами параллельного вождения. К сожалению, некоторые специалисты сами используют этот не совсем корректный термин.

Возвращаясь к текстовым параллелям, курсоуказатель можно сравнить с разлинованной бумагой. То есть система «чертит линейки», но вся работа по управлению машиной («писанина») по-прежнему остается за человеком.

Система параллельного вождения

Более сложный вариант, который требует обязательного наличия двух подсистем: курсоуказателя и подруливающего устройства. Подруливающие устройства (в просторечии «подрульки») могут быть электрическими и гидравлическими.

Электрические проще, дешевле, их можно установить практически на любую самоходную агромашину. Но за счет более длительного отклика они обеспечивают меньшую точность вождения, чем гидравлические.

Гидравлические подруливающие устройства требуют предварительной подготовки машины для интеграции ее гидравлики с внешним оборудованием. И не все сельхозмашины вообще можно «подружить» с подобными устройствами. Конечно, современные модели самоходной сельхозтехники готовят к возможности установки гидравлических подруливающих устройств уже в заводских условиях.

Подруливающее устройство включает в себя привод (или рулевое колесо с приводом), датчик угла поворота ведущих колес и контроллера (лучшие образцы имеют датчик угла бокового наклона и скорости его изменения). Последний получает сигнал от курсоуказателя, обрабатывает его с учетом неровностей поля и передает команды на привод.

Подруливающие устройства сами по себе не являются самостоятельными системами. Они могут работать только в комплексе с курсоуказателем. Впрочем, как правило, поставщики под названием «подруливающее устройство» подразумевают как раз комплект оборудования.

Снова проводя аналогии, системы параллельного вождения можно сравнить с пишущими машинками, которые самостоятельно «держат строку», но требуют ручного задания интервала и перевода «каретки». То есть система берет на себя руление «на эшелоне» — движение по прямой в загонке. А разворот, как правило, все же выполняет механизатор.

С другой стороны, на рынке уже появляются системы (и с гидравлическими, и с электрическими подруливающими устройствами), способные самостоятельно воспроизводить развороты. Например, РСМ Агротроник Пилот 1.0 электроруль это делать умеет.

В «параллельном текстовом мире» систему параллельного вождения с возможностью самостоятельного выполнения разворота можно сравнить с принтером, подключенным к компьютеру: пользователю нужно лишь указать текст, а оборудование самостоятельно его распечатает с соблюдением интервалов.

Система автоуправления

Системы параллельного вождения часто называют «автопилотами», что не совсем корректно. Все же автопилотирование подразумевает, что автоматика берет на себя большую часть работы по управлению движением, а не только подруливание на гоне. Настоящий сельскохозяйственный автопилот должен уметь:

• полностью самостоятельно передвигаться по полю (выполнять развороты, гоны);
• управлять орудием (как минимум, поднимать его в конце гона и опускать в начале);
• регулировать скорость движения.

Для достижения этих целей необходима синергия возможностей систем параллельного вождения, систем управления скоростью и специфических технологических систем сельскохозяйственных машин.

К примеру, системы РСМ Агротроник Пилот 1.0/2.0 работают по заранее составленной в системе РСМ Агротроник карте-заданию и могут самостоятельно разворачиваться, а также управлять скоростью движения агромашины при условии установки на нее системы РСМ Адаптивный круиз-контроль.

РСМ Агротроник Пилот 1.0 при установке на тракторы с функцией автоматической разворотной полосы (при работе с орудиями, управляемыми электрогидравликой) самостоятельно поднимает в конце гона и опускает в начале гона орудия или адаптеры. А в системах РСМ Агротроник Пилот 2.0/2.1 эта функция предусмотрена без оговорок.

В идеале от автопилота требуется и умение опознавать препятствия и останавливаться перед ними, а лучше — уметь их оценивать и принимать решение о дальнейших действиях (остановиться или объехать).

И работы в этом направлении уже приносят результаты. Например, уникальный в своем роде РСМ Агротроник Пилот 2.0 (та самая гибридная система) определяет препятствия (будь то дерево, столб, техника или человек) и автоматически останавливает машину на безопасном расстоянии.

Продолжая проводить параллели, системы автовождения для сельхозтехники или автопилоты можно сравнить с работой вычислительного комплекса «нейросеть + компьютер + принтер». Такой комплекс и текст (шаблон проходов) сам сгенерирует, и интервалы со знаками препинания задаст, сам подключит оборудование и отдаст нужные команды для выполнения задания.

Если же органично подружить между собой автопилот и еще большее число систем автоматизации технологических процессов, можно в итоге получить машину, которая по праву будет носить звание даже не автопилотируемой, а автономной. То есть способной выполнять самостоятельно все технологические процессы. Но это уже другая история. А пока пора перейти к вопросу, который вызывает, пожалуй, самый большой интерес.

Насколько выгодно применение систем автовождения

Самые современные системы автоматизированного вождения для сельхозтехники обеспечивают рост производительности порядка 20–60% и экономию топлива порядка 10–20% — в зависимости от типа машины и выполняемых работ. Объясняем, откуда берутся такие цифры, на примере уборки пшеницы.

Обозначим, что пропуски при работе в поле недопустимы, поэтому хозяева предпочтут работу с перекрытиями. При агрегатировании агромашины с широкозахватными орудиями они составляют (в среднем) 30 см. Для удобства примем ширину захвата орудия, например, в 9 м. И допустим, что имеем поле в 90 га (900 х 1 000 м).

При идеальных стыках машина сделала бы 100 проходов. Но при работе с перекрытиями в 0,3 м она сделает минимум 104 прохода:

900 м (ширина поля) – 8,7 м (захватываемых жаткой с учетом перекрытий) х 100 проходов = 30 м, которые остаются из-за перекрытий.

Чтобы убрать оставшиеся 30 м с жаткой, захватывающей 8,7 м за проход, необходимо будет сделать еще 4 прохода. А это дополнительные 3 га^?. На самом деле больше, потому что на практике остаются клинья и прочие «артефакты», которые приходится добирать.

Если же, применяя системы автоуправления, машина будет идти с перекрытием в 2,5 см, после 100 проходов необработанной останется полоска в 2,5 м шириной. В таком случае для более комфортной уборки механизатор сможет установить величину перекрытия в 8 см и без напряжения закрыть все поле за 101 проход. «Лишних» гектаров в этом случае уже не 3, а всего 0,8. Мы экономим не только время, но и горючее.

За счет того, что система берет на себя руление, механизатор работает с меньшим напряжением и на максимально возможных для текущих условий скоростях. Это дает дополнительный рост производительности, числовые значения зависят от множества факторов, но для примера можем допустить 10%.

Помним, что после достижения полной спелости каждый последующий час самоосыпанием теряется около 0,05% пшеницы. За сутки — порядка 1,15%. Причем теряются самые полные зерна.

При урожайности в 40 ц/га потери за час составят 46 кг ^? с гектара . Сократив время уборки за счет точности прохода и повышения скорости машины хотя бы на 10%, мы дополнительно соберем с нашего гипотетического поля в 90 га порядка 4,15 ц ^? зерна.

А ведь в реальности поле у нас не одно. Поэтому использование систем параллельного вождения выливается в несколько суток экономии времени и сотни литров — топлива. А прирост валового сбора продукции исчисляется тоннами.

Например, в нашей практике на уборке пшеницы урожайностью 65 ц/га комбайном TORUM 785 (9-метровая жатка) с площади в 750 га были получены следующие результаты. Рост суточной производительности — свыше 30,1% и сокращение сроков уборки на 23%; экономия горючего — свыше 2 500 л.

На посеве с трактором Ростсельмаш 2375 (12-метровая сеялка) зафиксировано сокращение длительности кампании на 31,3% , а увеличение суточной производительности — почти на 46%. Экономия топлива с площади в 1 000 га составила более 4 000 л.

Зная свои условия работы, запросив информацию о стоимости установки подходящей системы, можно самостоятельно просчитать и сроки ее окупаемости. Но невозможно оценить в деньгах, насколько легче становится труд механизатора.