В этой статье мы не будем говорить о беспилотных комбайнах. Сельскохозяйственная техника, полностью самостоятельно выращивающая урожай — пока ещё дело будущего. Однако, есть целый ряд сельскохозяйственных операций, где механизатору очень нужна помощь навигационных систем, например:
- Операции которые не оставляют следов на поверхности почвы или растениях (опрыскивание, некоторые виды посева, внесение удобрений и т.д.) — без навигатора просто не возможно отличить обработанный участок от необработанного
- Работа в темное время суток, в туман или сумерках (самое распространённое — посевная)
- Движение по прямой на далёкое расстоянии без ориентиров (например, работа на уборочной машине на большом длинном поле) — такое движение сильно зависит от квалификации, внимания и усталости механизатора
Фото © Евгений Золотухин / ezolotuhin.com
Часто для обработки применяются широкие прицепные агрегаты, при работе с которыми механизатор не может визуально контролировать качество обработки поля. Для того чтобы исключить пропуски и перекрытия при сельскохозяйственных работах и прибегают к помощи навигационных систем. Курсоуказатели, автопилоты, системы автоподруливания — всё это устройства которые являются составляющими частями системы параллельного вождения и помогают управлять трактором или комбайном повышая эффективность работы.
Повышение эффективности за счёт агронавигатора
Из вышесказанного становится понятно, что достижение высокой точности позиционирования в сельском хозяйстве — это сохранение ресурсов и повышение прибыли, а главное — независимость от квалификации и человеческого фактора. Основой для систем параллельного вождения (они же курсоуказатели, агронавигаторы) является навигация.
Для вычисления координат сельскохозяйственной техники могут быть использованы различные технологии. Одной из наиболее эффективных является связка технологий инерциальной навигации: ИНС (инерциальные навигационные системы) и ГНСС (глобальные навигационные спутниковые системы).
Инерциальные модули выдают углы положения и координаты сельскохозяйственной техники и помогают уточнить данные ГНСС. Дополнительно, технология RTK позволяет получить высокую точность позиционирования спутниковой навигации в режиме реального времени. Вместе эти технологии могут помочь улучшить точность выполнения многих сельскохозяйственных операций, таких как посев, уборка урожая, обработка почвы и т.д.
RTK — это метод дифференциальной коррекции ГНСС-сигнала для достижения более точных результатов позиционирования в реальном времени. В режиме RTK ГНСС-приемник получает корректированные данные от базовой станции, которая расположена в месте с известными координатами. Эти данные используются для устранения ошибок ГНСС-сигнала, связанных с атмосферными условиями и другими факторами, и обеспечивают более высокую точность позиционирования до нескольких сантиметров.
Как ИНС помогает сгладить траекторию
Основные недостатки ГНСС — невысокая частота выдачи данных и «шум» координат. Обычно, спутниковые навигационные приёмники выдают координаты с частотой не выше 10 Гц, а иногда и того реже. Высокая частота выдачи координат необходима для работы автопилота, который удерживает технику на заданной траектории. Помимо этого, выдаваемые данные ГНСС имеют некоторый разброс, который может влиять на работу автопилота. Инерциальная навигационная система ГКВ способна объединить инерциальные данные от акселерометров, датчиков угловых скоростей и ГНСС для получения более точных координат, которые выдаются на более высокой частоте — до 1 кГц.
Рисунок 1 – ИНС ГКВ позволяет объединять инерциальные данные и данные ГНСС и выдавать их на более высокой частоте.
Технология RTK
Для существенного улучшения точности определения координат часто применяют технологию RTK. На технику ставится дополнительное оборудование, способное принимать поправки от базовой станции. Базовая станция может быть как собственной, расположенной где-то недалеко от места работы, так и коммерческой, данные с которой можно получать по подписке.
RTK использует сложный математический алгоритм для вычисления точного количества радиоволн между спутниками и антенной базовой станции — процесс, известный как разрешение неоднозначности — и дает либо фиксированное (RTK fix), либо плавающее решение (RTK float). Rtk fix — это наиболее точное решение, точность выдаваемых координат составляет несколько сантиметров. Rtk float — менее точное решение, которое получается, когда сложный алгоритм приёмника не смог решить задачу фазовой неоднозначности. Точность координат в таком случае может быть от 10 до 70 сантиметров.
Для наглядного примера ниже приведён график ошибок вычисления RTK координат в статичном положении на протяжении трёх минут. В некоторый момент времени ГНСС приёмник потерял fix решение и координаты начали «уплывать».
Рисунок 3 – Ошибки определения координат в режиме RTK вблизи базовой станции. Запись статического положения в течение 3-х минут.
Как ИНС помогает избегать перекрытий и пропусков при обработке полей
Для точного определения координат отдельных частей комбайна или трактора, таких как колёс, края жатки и т. д. одних лишь координат в плоскости недостаточно. Из-за особенностей местности сельхоз техника или её части могут наклоняться и вносить ошибку в определение координат, что, в свою очередь, влияет на траекторию. Появляются участки пропусков или перекрытий при обработке полей.
Рисунок 6 – Перекрытия и пропуски из-за ошибок определения координат.
Наклоны разделяют по трём углам: углу курса, углу тангажа и углу крена. Угол тангажа — угол отклонения трактора вокруг перпендикулярной оси к движению трактора (угол «задирания носовой части») , Угол крена — это угол наклона трактора вокруг продольной оси движения, наклон «на бок». Угол курса — угол отклонения вокруг вертикальной оси.
Рисунок 7 – Влияние ошибки положения трактора по углу крена на координаты.
Рисунок 7 – Влияние ошибки положения трактора по углу тангажа на координаты.
Развитие технологии агронавигации
Сейчас на отечественном рынке возможно приобрести и запустить как американский или немецкий, так и российский агронавигатор. Цены на данный вид оборудования любого производителя достаточно высокие, однако Российские производители заявляют, что их цены на 15% ниже импортных. К тому же техподдержка на родном языке и лёгкое обращение к производителю по гарантии склоняет выбор в сторону покупки отечественной системы.
В свою очередь, Лаборатория Микроприборов разрабатывает и производит инерциальные навигационные блоки, и готова к сотрудничеству с производителями систем параллельного вождения. Лаборатория готова делать новые модели с улучшенными характеристиками специально для агронавигаторов, а также совершенствовать математические методы обработки координат для повышения точности работы. Потому что траты на внедрение систем параллельного вождения компенсируются экономией на расходном сельскохозяйственном материале до 20%.
