Анализ режимов работы роботизированного устройства с помощью компьютерного моделирования

Цель теоретического исследования – оценка равномерности обработки растений методом дифференцированного опрыскивания на различных режимах работы при помощи компьютерного моделирования.

Материалы и методы - Для достижения оптимального результата работы в компьютерной модели было предусмотрено задание следующих параметров: угол распыла, размеры капель, скорость капель, расход рабочей жидкости, высота форсунок, угол наклона факела распыла, форма и характеристики распыла, скорость ветра, равномерность распыла, свойства растения и другие.

Для моделирования сплошного способа обработки растений был выбран штанговый опрыскиватель. Для анализа дифференцированного способа опрыскивания была взята модель роботизированного устройства с установленной системой дифференцированного опрыс кивания.

Для моделирования процесса распыления изначально строилась модель растения при помощи программы Autodesk Netfabb, пространственная сетка на модели строилась в редакторе MeshLab [4, 5]. Полученный результат представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 – Трехмерная модель, имитирующая растение в компьютерной модели дифференцированного опрыскивания

Далее для компьютерной модели процесса опрыскивания использовалась платформа Unity. Для упрощения анализа опрыскивания, а также с учетом того факта, что растения имеют отличающуюся форму и структуру, было решено использовать выпуклый объем, охватывающий растение целиком (рисунок 2).

Рисунок 2 – Область учета попавших на растение капель при опрыскивании

На рисунке 3 представлена визуализация анализа процесса опрыскивания в компьютерной модели.

Рисунок 3– Визуализация анализа процесса опрыскивания в компьютерной модели

Для моделирования были выбраны характеристики щелевого плоскофакельного распылителя компании TeeJet [6, 7] . Полный перечень параметров, используемых для моделирования процесса распыления, представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Параметры опрыскивания для компьютерной модели опрыскивания

Параметр/Parameter	Значения/Values
Используемый распылитель/Sprayer Used	Щелевой плоскофакельный/Slit Flat Fan Nozzle
Угол распыла, °С/Spray Angle, °C95	95
Размер капель, мкм/Droplet Size, μm	350-450
Высота штанги, см/Boom Height, cm	70
Расстояние между распылителями, см/Distance Between Nozzles, cm	50
Рабочее давление, бар/Operating Pressure, bar	2,5
Производительность насадки, л/с/Nozzle Flow Rate, l/s	0,024

Для задания компьютерной модели расхода нужно выразить количество капель в 1

секунду. Для этого были получены выражения следующих вычислений (формулы 1 – 6).

Согласно входным данным, расход препарата в секунду:

Qc = 0,024 л;(1)

с

Для расчета количества капель, которое производит форсунка, расход удобно представить в следующем виде:

Qc = 2,4 ■ 10-5 —;

с

Объем капли:

К =3 nR 3;(3)

где R к = 400 мкм, следовательно:

К = 2,68 • 108(10-6)м3 = 2,68 • 10-10м3;(4)

Число капель, проходящее через 1 форсунку за 1 секунду:

Qc

Nc =   ;(5)

•к

N =8,95 •^-к 10-11 = 8,95 • 104 с-1;               ,(6)

c            10-10

Для оценки распределения капель в зоне распыла форсунки проводился предварительный эксперимент [8] . В нем использовались учетные карточки и емкости для анализа размера капель и распределения их по зонам (рисунок 4 -5).

Рисунок 4– Схема расположения учетных каточек и емкостей по зонам

а)                                               б)

а - до запуска опрыскивающего устройства, б – после запуска опрыскивающего устройства

Рисунок 5 – Учетные карточки и емкости для замера распределения капель по зонам а - Before starting the spraying device, б – After starting the spraying device

Количество капель, %

-----1 -----2 -----3 -----4---5---6---7---8

Соотношение размеров капель зонам

Рисунок 6 – Анализ распыла форсунки для задания в компьютерной моде ли

Первоначально для сравнения равномерности внесения проводился анализ сплошного внесения. В качестве растения использовалась трехмерная модель условной обрабатываемой культуры (рисунок 7).

Рисунок 7 – Регулировка параметров модели обрабатываемого растения

Для получения данных, необходимых для сравнения сплошного и дифференцированного методов опрыскивания, растение разбивается на 8 областей (рисунок 8), и для каждой части ведется отдельный учет капель, провзаимодействовавших с целевым объектом (растением).

а)

б)

• а) разбивка растения; б) схематичное отображение разбивки

Рисунок 8 – Схема разделения растения на целевые области

По результатам запуска компьютерной модели с параметрами для сплошного метода было рассчитано значение коэффициента вариации.

Коэффициент вариации — является мерой относительной вариабельности. Он представляет собой отношение среднеквадратического отклонения к среднему арифметическому (в процентах) [9, 10, 11, 12] . Коэффициент вариации показывает степень изменчивости некоторой выборки данных по отношению к среднему их значению. Для расчета используется следующее выражение (формула 7):

a

V = — * 100%,                             (7)

m где σ – среднеквадратическое отклонение, m – среднее значение.

Чтобы оценить качество работы новых методов на первом этапе был проведен анализ равномерности распределения капель в сплошном методе. На диаграмме столбцы 1 - 4 – соответствуют нижней части растения, столбцы 5 - 8 – верхней. Итого для сплошного метода 162

по результатам работы компьютерной модели коэффициент вариации равен 46 % (рисунок 9).

и

§

о

12  3  4

Часть растения

Рисунок 9 – Распределение капель по целевым областям растения

Система опрыскивания роботизированного устройства имеет 2 режима работы. Для каждого случая предложен возможный режим работы рабочих органов роботизированного устройства дифференцированного внесения средств защиты растений – режим обработки отдельных растений, режим обработки рядов. Рабочий режим опрыскиванием растений отдельно характеризуется тем, что рабочий орган зависает над растением, при этом само устройство движется равномерно, что способствует равномерному распределению рабочей жидкости на растение, а также большей экономии средств защиты растений. Режим работы обработки рядов, характеризуется большей скоростью роботизированного устройства, а соответственно большей экономической эффективностью. Оценка работы данных режимов, а также расчет коэффициента вариации проводились с применением компьютерной модели и методики постановки трехфакторного эксперимента ПФЭ 2³, план и результаты которого представлены в таблицах 2 и 3 [13] . Факторы x 1 – режим работы исполнительных устройств; x 2 – скорость роботизированного устройства; x 3 – расстояние от форсунки до растения центра при обработке (рисунок 10).

Режим 11

(    Роботизированное ।

Скооость ।       -                  । Равномерность опрыскивания устройство для внесения _________L________L,

_D          1 средств защиты растений i    (Коэффициент вариации)

расстояние ।।

• * II

Рисунок 10 – Схема компьютерного моделирования процесса опрыскивания

Таблица 2 – Уровни варьирование факторов

Нижний уровень (-1)/Lower level (-1)	Основной уровень (0)/Baseline level (0)	Верхний уровень (+1)/Upper Level (+1)	Интервал варьирования/ Variation Interval	Название факторов/Factor Names
-1,00	0,00	1,00	1,00	Режим (x 1 )/Mode(x 1 )
0,75	1,00	1,25	0,25	Скорость, м/с (x 2 )/Speed, m/s(x 2 )
28,00	34,00	40,00	6,000	Расстояние, см (x 3 )/Distance, sm(x 3 )

Таблица 3 - Матрица планирования и результаты

№Опыта/ Experiment Number	Кодированная матрица/ Coded Matrix			Вещественная матрица/ Real Matrix			Коэффициент вариации (среднее за 3 повторения), %/Coefficient of Variation (mean of 3 replicates), %
	x 1	x 2	x 3	Режим/ Mode	Скорость, м/с/Speed, m/s	Расстояние, м/ Distance, m
1	-1	1	1	2	1,25	0,28	35,82
2	1	1	1	1	0,75	0,28	25,58
3	1	1	1	2	0,75	0,40	32,27
4	1	1	1	1	1,25	0,40	23,77
5	-1	1	1	2	0,75	0,28	32,82
6	1	1	1	1	1,25	0,28	24,35
7	1	1	1	2	1,25	0,40	40,36
8	1	1	1	1	0,75	0,40	23,64

В таблице 4. приведены результаты статистической оценки выполненного расчета в компьютерной модели.

Таблица 4 – Статистическая обработка результатов

Дисперсия адекватности Sад2/ The adequacy variance Sад2	3,138124
Дисперсия воспроизводимости Sв2/ Reproducibility Variance Sв2	4,97125
Расчетный критерий Фишера F p / Calculated Fisher's Criterion F p	0,6312545
Табличный критерий Фишера F т / Tabulated Fisher's Criterion	не определено т. К. Sад22/ Undefined Sад22
Адекватность мат.модели/ Adequacy of the Mathematical Model	модель адекватна (F p < 1)/ The model is adequate.

Выводы

По результатам трехфакторного эксперимента ПФЭ23 составлен график зависимости коэффициента вариации от скорости и расстояния опрыскивания при разных режимах работы (рисунок 11).

Базовый метод (1)

Режим отдельной обработки растений (2)

Режим обработки рядов растений (3)

Рисунок 11 – Графики зависимости коэффициента вариации от режима, скорости и расстояния опрыскивания

При режиме отдельной обработки растений коэффициент вариации ниже, чем при сплошной технологии (25-28% против 46%). Аналогичные результаты показал режим обработки рядов, но с меньшей разницей (33–40% против 46%). Также полученные данные свидетельствуют о том, что на всех исследуемых уровнях варьирования факторов при режиме обработки отдельных растений коэффициент вариации ниже, чем для режима обработки рядов. Важно отметить, что значение функции отклика в данном эксперименте основано на учете всех капель, попадающих на разные части растения, благодаря чему расчет в компьютерной модели позволяет получить более полные данные о равномерности распределения капель относительно экспериментальных методов.