Модельное и программное обеспечение взаимодействия гетерогенных роботов при выполнении сельскохозяйственных задач

УДК 637.112

МОДЕЛЬНОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГЕТЕРОГЕННЫХ РОБОТОВ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЗАДАЧ

К.Т. Нго, А.Л. Ронжин

Представлены структурная, функциональная, конструкторская модели наземной сервисной роботизированной платформы и управления ее взаимодействием с беспилотными летательными аппаратами при выполнении задач на сельскохозяйственных полях.Представлены результаты численного и имитационного моделирования количества робототехнической техники, необходимого для обработки сельскохозяйственного угодья, выполненные в разработанной программе AgrobotModeling. Разработанное модельное и программное обеспечение ориентировано на решение проблемы увеличения времени функционирования беспилотных летательных аппаратов в длительных автономных работах на сельскохозяйственных полях, что в конечном итоге будет способствовать сокращению сроков и стоимости обработки сельскохозяйственных объектов.

Ключевые слова: сельскохозяйственная робототехника, гетерогенный сельскохозяйственный робот, сервисная роботизированная платформа, беспилотный летательный аппарат.

В последние годы беспилотные летательные аппараты и в частности, мультикоптеры (МК) являются предметом исследования многих научных сообществ, военных и гражданских компаний. Благодаря их универсальности и возможности программирования алгоритмов их функционирования широкий спектр задач может быть выполнен с помощью мультико-птеров, например, поиск объектов, осмотр зданий, наблюдение и т.д. [1-5]. Многофункциональный механизм соединения МК с наземной роботизированной платформой, осуществляющей функции их транспортировки и технического обслуживания, является одним из основных элементов [6, 7].

Также в работе [8] предложена система замены аккумулятора беспилотного летательного аппарата (БЛА). Использование системы значительно увеличивает коэффициент максимального времени полета и сокращает время пребывания и число БЛА, находящихся на платформе. С другой стороны, стоимость реализации системы возрастает, поскольку замена пустого аккумулятора сложнее, чем зарядка БЛА. Для функционирования системы замены аккумулятора БЛА требуется реализация следующих функций, определение положения БЛА, механизация процесса замены аккумулятора, зарядка аккумулятора, работа магазина аккумуляторов, транспортировка аккумуляторов внутри станции.

В работе [9] представлены варианты проектирования функциональных компонентов замены аккумуляторов на сервисной станции. Разработанная система замены аккумуляторов БЛА предназначена для автоматической замены разряженных аккумуляторов БЛА на новые без вмешательства человека. Представлены основные задачи этой системы: направление БЛА на станцию замены аккумуляторов; навигация БЛА до станции;

фиксация БЛА на станции;

подключение к БЛА: снятие и размещение аккумуляторов; транспортировка аккумуляторов; подзарядка аккумуляторов.

При функционировании сервисной станции в работе [10] используется несколько модулей для замены аккумуляторов с высокой точностью: модуль фиксации и ориентации аккумулятора; модуль блокировки/разблокировки БЛА; модуль извлечения батареи; модуль замены аккумуляторной батареи.

Станция может компенсировать ошибки ориентации и позиционирования БЛА при посадке. Предложенная конструкция наземной станции также может обрабатывать разнородные БЛА не только с различными формами и размерами, но и с различным количеством аккумуляторов.

В работах [11-15]исследованы потоков событий в робототехниче-ских системах, рассмотрены тренды синтеза систем управления роботами и получены зависимости, описывающие связи вероятности отказа, объема буферной памяти и соотношения между математическими ожиданиями времени заполнения и опорожнения буфера в системах управления роботами.

Далее рассмотрим структурную модель взаимодействия гетерогенных сельскохозяйственных роботизированных комплексов, представленную на рис. 1. Техническое оснащение наземной сервисной платформы можно упрощенно разделить на две основные группы:

система управления платформой, содержащая блок коммуникации и навигации, блок управления энергопитанием, блок сенсоров, блок управления встроенным оборудованием;

сервисная система обслуживания БЛА, оснащенная блоком взлета/посадки БЛА, блоком позиционирования БЛА, блоком обслуживания аккумулятора БЛА, блоком загрузки/разгрузкиресурсов, используемых для работы на сельскохозяйственных полях, таких как сельскохозяйственные продукты, удобрения, семена и т.д.

Отличительной особенностью разрабатываемого прототипа роботизированной платформы является наличие встроенных парковочных мест для нескольких БЛА. Основными конструктивными компонентами платформы являются:

шасси, обеспечивающая передвижение платформы по сельскохозяйственным угодьям;

мультисенсорная система для определения локальных препятствий при перемещении платформы;

система энергопитания, обеспечивающая необходимую мощность для потребления самой платформой и набором БЛА при возникновении необходимости их подзарядки;

навигационная система, состоящая из двух подсистем, одна из которых контролирует движение платформы между местом базирования и рабочей территорией на основе средств глобальной навигации, а вторая

локальная система разворачивается непосредственно на рабочей территории перед началом проведения аграрной операции с использованием радионавигационных БЛА;

коммуникационная система, реализующая связь подвижной платформой с БЛА и базовой станций;

кузовная часть платформы, содержащая отсек полезной нагрузки, а также парковочные места для набора БЛА.

БЛА и1

БЛА и2

БЛА ым

Блок коммуникации и навигации

Блок управления встроенным оборудованием

Блок сенсоров

Блок управления энергопитанием

Система управления платформой

Блок взлета/ посадки БЛА

Блок позиционирования БЛА

Блок обслуживания аккумулятора БЛА

Блок загрузки/ разгрузки ресурсов

Сервисная система обслуживания БЛА

Рабочее

земледельческое пространство

Подвижная наземная сервисная платформа р21 Подвижная наземная сервисная платформа p2j

' Подвижная наземная сервисная платформа рм

Рис.1. Структурная модель взаимодействия гетерогенных сельскохозяйственных роботизированных комплексов

БЛА через коммуникационную систему передает на наземную станцию сервисной наземной платформы следующие параметры: время полета, емкость аккумулятора, текущее местоположение БЛА. Одновременно БЛА принимает информацию о местоположении наземной станции и готовности обслуживания.

В случае, если батарея БЛА имеет низкий заряд или требуется обслуживание встроенного контейнера физических ресурсов (например, с минеральными удобрениями) БЛА выдает запрос на посадку. После подтверждения возможности обслуживания БЛА приземляется на выбранной наземной станции, система управления БЛА управляет процессом посадки БЛА на наземной станции.

Коммуникационная система позволяет передавать информацию между БЛА и наземной станцией по параметрам: положение БЛА, положение платформы, емкость аккумулятора БЛА, вид обслуживания.

На наземной станции имеется отсек полезной нагрузки и стыковочное место для БЛА. Отсек полезной нагрузки позволяет хранить полезные грузы, такие как удобрения, семена, сбор урожая и т. д. Стыковочное место для БЛА включают в себя: систему контроля приземления БЛА, система позиционирования и механизм блокировки БЛА, механизм подзарядки/замены аккумуляторов БЛА и системы контроля готовности БЛА для взлета.

Фиксированная система и механизм блокировки БЛА в модели спроектированы по краям платформы, которые могут открываться с помощью гидравлических подъемных механизмов. Система контроля приземления БЛА позволяет проверить статус посадки БЛА, подтверждая, что БЛА приземлился или нет. Затем передаются такие параметры, как текущее местоположение БЛА в механизм управления платформой. Системы контроля готовности БЛА для взлета получает информацию ёмкости аккумулятора, миссия взлёта БЛА. Затем передает управляющую информацию другим встроенным механизмам. Механизм подзарядки/замены аккумуляторов БЛА получает подтверждение приземления БЛА, выполняет процесс подзарядки/замены аккумуляторов БЛА и передает информацию об уровне заряда аккумулятора БЛА.

Система контроля приземления БЛА подтверждает статус посадки БЛА, когда БЛА приземлился на наземную станцию. Эта информация передается на систему позиционирования и механизм блокировки БЛА, который фиксирует и блокирует БЛА в требуемом месте. Система контроля готовы БЛА для взлета проверяет емкость аккумулятора, затем передает информацию в механизм подзарядки/замены аккумуляторов БЛА, в котором процесс подзарядки/замены аккумуляторов БЛА выполняется до тех пор, пока система контроля готовности БЛА для взлета подтвердит, что аккумулятор заряжен. Система контроля готовы БЛА для взлета получает информацию о миссии взлёта. Когда система подтверждает, что БЛА готов для взлета, информация передается в механизм блокировки БЛА для разблокировки. При взлете БЛА, система контроля приземления БЛА подтверждает, что БЛА взлетел, и имеется свободное место для посадки, станция готова принять следующий БЛА.

Далее рассмотрим некоторые конструктивные особенности позиционирования БЛА для подключения к системе энергопитания сервисной платформы. Аккумуляторы удерживаются на БЛА в определенной позиции. Чтобы иметь возможность работать с ними, необходимо разместить БЛА в определенном месте после его посадки. В данном исследовании предполагается, что наземные станции находятся вне помещения и погодные условия могут изменять, что усложняет процесс точной посадки. Поэтому далее основное внимание уделим не алгоритмам посадки, а способам позиционирования БЛА после приземления с небольшой ошибкой. Системы управления полетом БЛА совершают некоторую допустимую погрешность при посадке из-за ошибок навигации, погодных условий и т.д. Задача состоит в том, чтобы переместить БЛА из неидеального посадочного положения в место, где будет проводиться замена аккумулятора.

Модель позиционирования и фиксации БЛА в центре реализована с использованием четырех скользящих рычагов, которые могут плавно перемещаться по спиральным связям. Скользящие рычаг соответствуют разной высоте, чтобы не влиять друг на друга. Когда приземлился БЛА, рычаги выполняют поступательное движение в центральное положение при вращении вала. БЛА центрируется и фиксируется в положении для замены аккумулятора.

Система удержания аккумулятора в БЛА должна иметь небольшой вес, надежно удерживать аккумулятор во время полета, выдерживать небольшие удары, поддерживать клеммы аккумулятора БЛА и обеспечивать простую установку и извлечение батареи при необходимости. Разработанный механический соединитель для батарейного отсека БЛАсостоит из корпуса и эластичных углообразных защелок, надежно фиксирующих аккумулятор. При срабатывании вверх защелки изгибаются, позволяя батарее проходить, поскольку корпус батареи имеет соответствующие выемки на его боках, это позволяет защелке заблокировать батареи на месте.

В рассматриваемой задаче сельскохозяйственного применения БЛА наземная платформа производит обмен энергетическими и физическими ресурсами с БЛА. Разработанное модельно-алгоритмическое обеспечение управления взаимодействием гетерогенных сельскохозяйственных робото-технических комплексов описано в работах [16-20].

Для расчета количества беспилотных летательных аппаратов и наземных сервисных подвижных платформ, задействованных в обработки сельскохозяйственного угодья заданной площади, разработана программа многокритериального оценивания необходимого количества робототехни-ческой техники для обработки заданного сельскохозяйственного угодья AgrobotModeling.

В программе производятся имитационное моделирование функционирования выбранного количества робототехнических средств, а также расчет многокритериальной оценки на основе линейной комбинация трех основных критериев: суммарное время обработки, суммарная израсходованная энергия, суммарная стоимость задействованной техники. Значения весов выбираются экспертным путем в зависимости от заданного приоритета скорости обработки, например, в случае прогнозирования ухудшения погоды и риска потери урожая, или приоритета снижения стоимости обработки угодья. Программа имеет наглядный пользовательский интерфейс и ориентирована на использование как малыми фермерскими хозяйствами, так и крупными агрохолдингами.

Пользовательский интерфейс разработанной программы AgroBot-Modeling, визуализирующей процесс моделирования обработки сельскохозяйственного угодья с различным числом платформ и БЛА, содержит 4 основных блока, отражающие параметры угодья, платформы и БЛА, а также элементы управления и индикации прошедшего времени.

В рамках численных экспериментов по оцениваниюколичества необходимой техники для обработки сельскохозяйственного угодья и выбору оптимального значения параметров варьировали значения входных параметров в следующих диапазонах, необходимых для исследования предложенных моделей и выявления сложных случаев: количество платформn = [1.. .10]; количество БЛАm = [1 .8];

площадь обрабатываемого угодия, га sJlnv = [1000; 10000]; весовые коэффициенты, отвечающие за приоритеты затрат по времени, энергии и стоимости соответственно^, we,wc = {(1,1,1); (3,1,1); (1,2,3)}.

На рис.2 показан пример численных экспериментов по выбору оптимальных значений количества платформ и БЛА для обработки заданной площади сельскохозяйственного угодия при разных весовых коэффициентах необходимой скорости обработки и затрачиваемых ресурсов. Приведена зависимость многокритериальной оценки количества задействованной техники при равных весах^, we,wc = (1,1,1) и оптимальные значения количества платформ и БЛА равны соответственно: «ор-1, шор1=4.

Следует отметить что в ходе оптимизации мы стремимся получить меньшие значения по времени, стоимости и потребляемой энергии. Следовательно, при выборе значений весов, наиболее важному критерию мы должны присваивать большее значение.

Рис. 2. Многокритериальная оценка количества

задействованной техники при т=4, = 1000, Мв, Мс =

Предложенная структурная и функциональная модели служат основой для анализа способов управления и взаимодействия наземных сервисных платформ и беспилотных летательных аппаратов при решении аграрных задач. Разработанная программа АйгоЬо1МоёеНпй позволяет провести моделирование и визуализацию процесса взаимодействия разного количества платформ и беспилотных летательных аппаратов иоценить их оптимальное количествопри обработке сельскохозяйственных угодий различной площади.

Список литературы

1. Максимов Д.Ю., Легович Ю.С., Гончаренко В.И. Управление в смешанной группе пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов // Системы управления и информационные технологии, 2019. № 1 (75). С. 7783.

2. Минь Ч.Х., Куанг Н.Т., Пащенко Ф.Ф. Численное решение задачи оценки полноты характеристик беспилотного летательного аппарата методом структурно-параметрического синтеза // Электромагнитные волны и электронные системы, 2018. Т. 23. № 1. С. 24-29.

15

3. Полтавский А.В., Фыонг Н.З. Анализ развития телекоммуникационных систем управления и связи с помощью беспилотных летательных аппаратов // Двойные технологии, 2018. № 2 (83). С. 69-75.

4. Хрусталев М.М., Халина А.С. Идентификаторы пониженной размерности в задаче стабилизации беспилотного летательного аппарата в неспокойной атмосфере // Труды МАИ, 2018. № 102. С. 22.

5. Шилин С. А. Повышение эффективности беспилотных летательных аппаратов многоразового применения на основе использования бортовых систем самодиагностики // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика, 2018. № 5. С. 11-15.

6. Ву Д.К., Нгуен В.В., Соленая О.Я., Ронжин А.Л. Обзор задач точного земледелия и аграрных роботизированных средств // Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН, 2017. № 3 (77). C. 13-19.

7. Nguyen V., Vu Q., Solenaya O., Ronzhin A. Analysis of main tasks of precision farming solved with the use of robotic means //12th International Scientific-Technical Conference on Electromechanics and Robotics "Zavalishin's Readings" - 2017, MATEC Web of Conferences, 2017. Vol. 113. 6 р. DOI: 10.1051 /matecconf/201711302009.

8. Kemper P.F., Suzuki K.A.O., Morrison J.R. UAV Consumable Replenishment: Design Concepts for Automated Service Stations // Journal of Intelligent & Robotic Systems, 2011. Vol. 61. P. 369-397.

9. Tsampikos K., Georgios A. Triantafyllidis L. Deep learning-based visual recognition of rumex for robotic precision farming. Computers and Electronics in Agriculture. Vol. 165. 2019. 5 p.

10. Suzuki K.A.O., Filho P.K., Morrison J.R. Automatic Battery Replacement System for UAVs: Analysis and Design // Journal of Intelligent & Robotic Systems, 2012. Vol. 65. P. 563-586.

11. Larkin E.V., Bogomolov A.V., Ivutin A.N. Statistical Estimation Of Transaction Flows In Multi-component information systems // Материалы Двадцатой международной научной конференции «Распределенные компьютерные и телекоммуникационные сети: управление, вычисление, связь (DCCN-2017)», 2017. С. 596-603.

12. Larkin E.V., Bogomolov A., Gorbachev D.V., Privalov A.N. About approach of the transactions flow to poisson one in robot control systems // Interactive Collaborative Robotics Proceedings. Editors: A.Ronzhin, G.Rigoll, R.Meshcheryakov, 2017. Р. 113-122.

13. Ларкин Е.В., Богомолов А.В., Антонов М.А. Буферизация данных в системах управления роботами // Известия Тульскогогосу дарственного университета. Технические науки, 2017. Вып. 9. Ч. 1. С. 117-127.

14. Larkin E.V., Bogomolov A.V., Privalov A.N. Discrete model of mobile robot assemble fault-tolerance // Lecture Notes in Computer Science (including subseries Lecture Notes in Artificial Intelligence and Lecture Notes in Bioinformatics), 2019. Vol. 11659 LNAI. P. 204-215.

15. Ларкин Е.В., Богомолов А.В., Горбачев Д.В., Антонов М.А.О приближении потока событий к пуассоновскому в цифровых системах управления роботами // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2017. Вып. 9. Ч. 1. С. 3-13.

16. Нго К.Т., Нгуен В.В., Харьков И.Ю., Усина Е.Е, Шумская О.О. Функциональная модель взаимодействия БЛА с наземной роботизированной платформой при решении сельскохозяйственных задач // Известия Кабардино-Балкарского государственного университета, 2018. №6 (86). С. 283-292.

17. Ронжин А.Л., Нгуен В.В., Соленая О.Я. Анализ проблем разработки беспилотных летательных манипуляторов и физического взаимодействия БЛА с наземными объектами // Труды МАИ. 2018. № 98. 26 с.

18. Нго К.Т., Соленая О.Я., Ронжин А.Л. Анализ подвижных роботизированных платформ для обслуживания аккумуляторов беспилотных летательных аппаратов // Труды МАИ. 2017. №95. [Электронный ресурс] URL: http://trudymai.ru/published.php?ID=84444 (дата обращения: 10.03.2019).

19. Ву Д.К., Соленая О.Я., Ронжин А.Л. Обзор робототехнических захватов для физических манипуляций с аграрной продукцией // Тракторы и сельхозмашины, 2017. №12. С. 14-24.

20. Ву Д.К., Нгуен В.В., Соленая О.Я., Ронжин А.Л. Анализ задач аграрной робототехники, решаемых посредством беспилотных летательных аппаратов // Агрофизика, 2017. № 3. С.57-65.

Нго Куок Тьен, аспирант, quoctienbn@,gmail. com, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения,

Ронжин Андрей Леонидович, д-р техн. наук, профессор, профессор РАН, заведующий кафедрой, директор, ronzhin@iias. spb. su, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации Российской академии наук

MODEL AND SOFTWARE INTERACTION OF HETEROGENEOUS ROBOTS AT PERFORMANCE OF AGRICULTURAL TASKS

K.T. Ngo, A.L. Ronjin

The article presents a structural, functional, design model of a ground service robotic platform and control of its interaction with unmanned aerial vehicles when performing tasks on agricultural fields. The results of numerical and simulation modeling of the amount of robotic equipment required for processing agricultural land are presented, performed in the developed AgrobotModeling program. The developed model and software is aimed at solving the problem of increasing the operating time of unmanned aerial vehicles in long-term autonomous work on agricultural fields, which ultimately will reduce the time and cost ofprocessing agricultural facilities.

Key words: agricultural robotics, heterogeneous agricultural robot, service robotic platform, unmanned aerial vehicle.

Ngo Kuok Thien, postgraduate, quoctienbn@,gmail. com, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg State University of Aerospace Instrumentation,

Ronzhin Andrey Leonidovich, doctor of technical sciences, professor, professor russian academy of sciences, head of the department of electromechanics and robotics, director, ronzhin@,iias. spb. su, Russia, St. Petersburg, St. Petersburg Institute of Informatics and Automation of the Russian Academy of Sciences