Манёвренные прецизионно-точечные авиационные агротехнологии

Введение. Современное агропроизводство предусматривает выполнение широкого спектра разнообразных технологических операций с использованием большого числа технологических рабочих машин (РМ) различного назначения. Их реализацию осуществляют в условиях непостоянства параметров окружающей среды, активных самоорганизующихся и саморегулирующихся особей ОАП (растения, животные) на значительных территориях размещения сельскохозяйственных объектов.

Кроме принципиальной сложности реализации широкой номенклатуры разнообразных технологических операций, устойчивость и эффективность функционирования агротехноценоза (АТЦ)1 [1, 5] в значительной степени определяют типичные для агропроизводства стохастические факторы, обусловленные взаимодействием с самоорганизующимися и саморегули-руемыми живыми особями объекта аграрного производства (ОСП, природными условиями реализации. Возможны ситуации (техногенного характера или природные), когда параметры процессов не соответствуют предъявляемым требованиям и цели производства. Последействия нештатных ситуаций могут проявляться сбоями управления технологическими операциями и часто связаны со значимым материальным и социальным ущербом от недополучения продукции, снижения её качества.

Негативные влияния нештатных ситуаций на эффективность АТЦ могут быть существенно уменьшены за счёт применения манёвренных прецизионно-точечных авиационных агротехно-логий2 для корректирующего управления процес-сами3. Корректирующее управление исключает возникновение устойчивых тенденций отклонения параметров АТЦ от регламентируемых значений в текущий момент времени либо в будущем [5, 3].

Некоторые аспекты создания и применения манёвренных прецизионно-точечных авиационных агротехнологий изложены в [2]. Настоящая статья является продолжением этих исследований.

Методика исследований. Манёвренные прецизионно-точечные авиационные агротехнологии используются локально целенаправленно в пространстве (области форсированного, отстающего и нормального формирования ОСП) и во времени (периоды фиксации отрицательных аномалий показателей формирования ОСП).

Разделение угодья на области формирования ОСП выполняют по анатомо-морфологическим характеристикам ОСП в ходе реализации агротехнологий. В растениеводстве при этом сравнивают геометрические, цветовые и другие характеристики сельскохозяйственных культур и их фрагментов, результаты забора проб почвы с разных зон сельхозугодья и т.п. Необходимо обнаруживать и использовать кооперативные биоинформационные влияния особей ОСП друг на друга (теория конституен-тов): особи форсированного формирования ускоряют развитие отстающих, и наоборот, отстающие особи тормозят формирование опережающих.

Сопрягая эти области друг с другом и выполняя в первых необходимые технологические операции, за счёт наложения взаимных биоин-формационных воздействий отдельных особей ОСП добиваются ускорения развития ОСП в отстающих и нормальных областях. За счёт стимуляции агрокультур областей опережающего развития улучшают генно-фенотипический потенциал агрокультур отстающих и нормальных областей. Уменьшение обратного негативного биоинформационного влияния отстающих областей на развитие агрокультур в других областях обеспечивает стимуляция формирования ОСП на границах с отстающими областями.

Кроме этого, области отстающего формирования ОСП могут подвергаться локально дополнительной обработке. Технологические рабочие агрегаты взаимосвязанно путём группового аддитивно-перемежающего воздействия выполняют стимулирующие технологические воздействия на продуктивные области формирования ОСП или даже его отдельные особи.

Специализированные и многофункциональные РМ обеспечения манёвренных прецизионно-точечных авиационных агротехнологий должны обладать способностью дистанционного функционирования без обслуживающего персонала: автономное развёртывание оборудования, мониторинг обстановки на местности, распознавание и передача в центр управления информации о состоянии ОСП, выполнение технологических операций устранения отклонений параметров процессов от заданных и т.п. Применение кроме РМ базовых технологий, машин манёвренных прецизионно-точечных авиационных агротехнологий координирует элементы базовой технологии в соответствии с реальными условиями выполнения технологических операций.

В настоящее время для решения проблем экстремальной робототехники: оперативный надзор за удалёнными, труднодоступными или опасными для человека территориями (локации техногенных катастроф, пожаров и др.), дистанционная инспекция промышленных объектов и т.п., – все активнее используют беспилотные летательные аппараты (БПЛА).

В условиях реализации манёвренных прецизионно-точечных авиационных агротехнологий использование комплексов БПЛА (как правило, совместно с наземными технологическими агрегатами) позволит успешно решать экологические проблемы (снижать негативные влияния техногенных устройств на окружающую среду и ОСП), минимизировать затраты ресурсов и др.

Такие комплексы, являясь исполнительными технологическими средствами оперативной ликвидации отклонений параметров технологических процессов от нормируемых, компонентом информационно-управляющих систем, эффективны при формировании и уточнении электронных карт и экологическом контроле сельскохозяйственных территорий, мониторинге объёмов и качества производимых работ, оценке нормализованного вегетационного показателя NDVI ОСП, прогнозе урожайности, определении всхожести сельскохозяйственных культур и др. Важнейшими преимуществами комплексов БПЛА и наземных агрегатов являются гибкость использования, быстрота создания эффективных унифицированных устройств для решения разнообразных практических задач на базе существующих систем обмена данными (Ethernet, SPI, CAN, UART).

Использование манёвренных прецизионно-точечных авиационных агротехнологий предполагает возможность учёта приспособительных технико-технологических способностей предиктивного отражения реальности, формирования алгоритмов получения заданного потребительского результата в ситуациях действующего агропроизводства [1, 2]. Немаловажно значение опережающего (с учётом прогноза) управления техногенными компонентами АТЦ, меняющегося (адаптирующегося) под будущие изменения самоорганизующихся природных структур АТЦ. Цикличность и устойчивость технологических циклов развития природных структур АТЦ адаптирует накапливаемый утилитарный опыт к системно структурированной производственной постоянного меняющейся базе знаний. Способности подстраивания параметров режима техногенных устройств к биоэкотехнологиям отображают логические и структурные адаптивные акты сохранения наследуемости эволюции конкретных видов ОСП и соответствующих выполняемых операций [3, 4–6].

Результаты исследований и их обсуждение. Манёвренные прецизионно-точечные авиационные агротехнологии предусматривают два вида воздействий на ОСП: непрерывные и точечные. Непрерывные воздействия выполняют весь период развития ОСП на всём пространстве его размещения в полном соответствии с технологическими картами. Необходимость реализации точечных воздействий возникает при несоответствии параметров процессов заданным. Эти воздействия ОСП - на локальных территориях (зонах) в течение времени устранения отклонений параметров процессов от заданных.

Манёвренные прецизионно-точечные авиационные агротехнологии предусматривают два уровня перемещения технологических операций в ходе выполнения агропроцессов (вертикальные и горизонтальные компоненты): уровень формирования, уровень реализации. Вертикальное перемещение технологии включает перенос операций верхних уровней ниже либо наоборот. За вертикальным перемещением технологии следует длительное горизонтальное перемещение (практическая реализация). Любая модификация пространства перемещения технологии - исключительная прерогатива корректирующего управления.

Рисунок 1 иллюстрирует блок-схему алгоритма выбора технологических операций в ходе выполнения манёвренных прецизионно-точечных авиационных агротехнологий.

Начало

Нет

Нет

Корректировка условий проведения технологической операции

Выбор технологической операции из дополнительного перечня

Выбор технологической операции из перечня технологической карты

Операция выполнена араметры операции

Внешние условия

Да

Да

Нет

Выполнение технологической операции

Рисунок 1 - Последовательность выбора технологических операций при реализации манёвренных прецизионно-точечных авиационных агротехнологий

соответствуют требованиям

соответствуют требованиям

При реализации агропроцессов постоянно осуществляют контроль параметров процессов (блоки 3, 8). В штатном режиме при соответствии параметров технологического процесса заданным последовательность и характеристики выполняемых технологических операций соответствуют перечню и значениям, оговорённым технологическими картами (блок 2). При отклонении характеристик технологических операций от нормы, в ситуациях, требующих оперативного, не предусмотренного технологией, воздействия на ОСП, состав и порядок выполнения технологических операций корректируют, используя дополнительный перечень (блок 5), с применением, при необходимости, вертикального перемещения технологий.

Из анализа блок-схемы, приведённой на рисунке 1, видно, что манёвренные прецизионно-точечные авиационные агротехнологии, как и базовые, реализуемы в условиях постоянного контроля хода выполнения технологических операций (функция мониторинга), реализации необходимых воздействий на технологические процессы (функции действия).

Функция мониторинга предусматривает масштабный или выборочный (иногда прецизи- онно-точечный) контроль экологических условий реализации агропроцессов, территории размещения ОСП, изменений параметров технологических процессов и ОСП в режиме реального времени. Здесь применяют оптико-электронные модули (видеокамеры, тепловизоры, дальномеры и т.п.), установленные на БПЛА либо на стационарных конструкциях. Создание реалистичных электронных карт территории размещения ОСП осуществляют БПЛА с применением методов фотограмметрической обработки данных аэросъёмки (накидной монтаж). Для эффективного практического использования БПЛА при картографировании конкретной территории и, в дальнейшем, при реализации агротехнологий, рассчитывают оптимальные по расходу ресурсов трассы его движения: линейная (челночная) проработка маршрута, кольцевые, винтовые траектории и т.п. Как правило, при этом рационально разбить территорию сельхозугодия на зоны (рисунок 2).

а

б

в

г

а – накидной монтаж области съемки; б – автоматическое уточнение расположения снимков;

в – накидной монтаж после проходов автоматического измерения связующих точек; г – общий вид земельного угодья Рисунок 2 – Фотограмметрическая обработка маршрута аэросъемки

При решении практических задач распознавания объектов в системах технического зрения используют специальные методы преобразования входных данных в выходную информацию требуемого качества (повышение четкости изображений, фильтрация и усиление полезных данных, устранение ненужной ин-формациии шумов, сжатие видеоданных). На основе данного алгоритма работают устройства детекции препятствий на пути движения роботов, отслеживания междурядий растений и т.п. Видеокамера в составе систем технического зрения для определения границ трассы перемещения технологических устройств, расстояний до препятствий, животных или сельскохозяйственных растений обрабатывает поток ви- деоданных, идентифицирует и выделяет помехи на трассе перемещения. Используя информацию с выходов системы технического зрения и ультразвукового сонара, устройства управления принимают решения о дальнейшем движении объекта [3, 6].

Реализацию функций действия и мониторинга при выполнении технологических операций, оговорённых технологическими картами, осуществляют, как правило, с использованием традиционного парка технологических агрегатов. Эти агрегаты изначально не предназначены для использования при нештатных оперативных изменениях технологии, их применение может сопровождаться отрицательным воздействием на окружающую среду и ОСП. Выполне- ние технологических операций дополнительного перечня (реализация совместной функции) требует, наряду со штатным оборудованием, использования оборудования, которому указанное ограничение не свойственно.

Совместно функции мониторинга и действия должны выполнять наземные агрегаты (штатная технология) и БПЛА (возникновение отклонений параметров процессов от заданных). Беспилотный летающий аппарат, кроме видеоконтроля пространства реализации агропроцессов в локальных зонах этого пространства, производит операции воздействия на ОСП. Как правило, целесообразно групповое взаимодействие группы наземных технологических агрегатов и БПЛА. При этом один из БПЛА может выполнять функции обмена информацией с верхним уровнем управления, а при необходимости – осуществлять управление другими параллельно функционирующими агрегатами [6]. Реализация совместной функции в условиях полеводства предусматривает разделение сельхозугодья на специализированные зоны: производство семян, выращивание рассады, посадка рассады, возделывание ОСП. На специализированных зонах сельхозугодья взаимосвязано и параллельно осуществляют выполнение цикла технологических процессов возделывания сельскохозяйственных растений, а именно, подготовку семян, выращивание, за- ляцию развития агрокультуры. Для выполнения энергозатратных, больших по объёму операций привлекают технологические устройства наземного базирования. Ряд технологических операций, например, перемещение рассады для закладки в почву, стимуляция развития растений депрессивных зон и т.п., а также операций, исключающих негативные воздействия на ОСП, выполняют с применением БПЛА.

К числу актуальных задач, требующих оперативного решения и реализации, следует отнести узкоспециализированные вопросы, относящиеся к непосредственному функционированию БПЛА в составе АТЦ. Так, при автономном функционировании агрообъекта (системы точного земледелия и животноводства) либо другого агрегата (устройства систем мониторинга лесов, раннего обнаружения лесных пожаров и т.п.) актуальны вопросы надёжного энергообеспечения роботизированных устройств [8– 10]. При наличии в зоне их функционирования коммуникаций электроснабжения, связи и т.п. элементы инфраструктуры этих коммуникаций (вышки, опоры линий электроснабжения, мобильных операторов связи, телевышки и др.) могут быть использованы не только для видеонаблюдения за окружающей территорией [7], но и для организации пунктов подзарядки (замены) бортовых аккумуляторов роботизированных агрегатов, в том числе беспилотных (рисунок 3).

кладку в почву рассады, возделывание и стиму-

1 – устройство технического зрения; 2 – устройство передачи информации; 3 – устройство управления; 4 – БПЛА;

5 – база подзарядки (замены) бортовых аккумуляторов; 6 – контролируемая территория; 7 – участки контролируемой территории 6, требующие усиленного наблюдения; 8 – инфраструктура линий электроснабжения, вышки сотовой связи и т.п.; 9 – рабочий агрегат наземного базирования

Рисунок 3 – Автономный пункт подзарядки (замены) бортовых аккумуляторов роботизированных агрегатов

Устройства технического зрения 1 непрерывно осуществляют наблюдение обслуживаемой территории 6. При выявлении участков 7 контролируемой территории, где присутствуют отклонения характеристик территорий от заданных (области контролируемой территории, инфицированные вредителями и болезнями; области депрессивного развития ОСП; зоны поиска заблудившихся людей, отбившиеся от стада животные, участки леса на предпожарной стадии – стадии возгорания; и т.п.) требуют усиленного наблюдения для предупреждения чрезвычайных ситуаций. Для получения необходимой информации (определение координат и степени несоответствия предъявляемым требованиям), оперативного реагирования на нештатную обстановку, на обнаруженный участок 6, требующий усиленного наблюдения, вылетает БПЛА 4, с помощью которого осуществляют усиленное наблюдение за участком или объектом на этом участке. Реагирование на нештатную (чрезвычайную) ситуацию, устранение несоответствий требованиям технологического процесса осуществляет группа наземных технологических агрегатов с использованием, при необходимости, БПЛА.

Интеграция станций подзарядки с системами видеонаблюдения позволяет расширить спектр решаемых прикладных задач: замена рабочих органов на РМ, организация площадок отстоя оборудования в промежутках между выполнением технологических операций и др. Применение данных систем обеспечивает оперативность предупреждения чрезвычайных ситуаций, повышение эффективности ряда технологических процессов. При этом затраты материально-технических ресурсов минимальны.

На всех уровнях управления АТЦ: от нижнего (исполнительные РМ) до определяющего реакцию растений на внешние воздействия верхнего, – рационально реализовать прогнозное управление технологическими процессами. Для ряда конкретных приложений при этом целесообразно использовать искусственные нейронные сети. Стратегия нейронного управления облегчает достижение максимальной эффективности при многих действующих на реальном объекте управления ограничениях. Параллельность, распределённость нейронных сетей, хранение информации и шаблонов активности каждого фрагмента информации по разным адресам облегчает программноаппаратную реализацию с возможностью кор- ректировки функций переобучением, наращиванием сложности системы. Самоорганизация нейронных сетей, способность автономно изучать статические и динамические свойства управляемого объекта и его окружения на основе текущей и ретроспективной информации обеспечивает лучшие решения при случайном состоянии объекта управления и внешней среды. Нейронные сети эффективны при исследовании существенно нелинейных процессов, в том числе, процессов управления, когда применение традиционных подходов к решению нелинейных задач не обеспечивает получения нужного результата.

При разработке устройства голосового управления БПЛА применены методы теории нейронных сетей: ситуация – вектор признаков, действие – номер слова, соответствующего вектору признаков. Построенная сеть состоит из двух слоёв: слой прямого распространения, слой Кохонена. Число входов нейросети отвечает числу объектов вектора признаков, слой Кохонена содержит 10 нейронов, значения числа распознаваемых слов и числа нейронов слоя прямого распространения одинаковы. После обучения в процессе испытания нейросети выходной столбец (определяемое слово) на фоне других однозначно определяет чётко выраженный максимум. Для сравнения, при решении задачи методами Fuzzy Logic определено два максимума [3].

В условиях применения манёвренных прецизионно-точечных авиационных агротехнологий за счёт постоянного пополнения, обновления и трансформации информационной технологической базы данных агротехнологий, использования обновленной базы данных в режиме реального времени возрастает качество управления технологическими процессами сельскохозяйственного производства. Процедуры изменения информационной базы данных (формирование новых знаний) – интерактивные и итеративные многогранные процессы анализа и структуризации информации, обмен ею между компонентами агротехнологий (рисунок 4).

Использование в реализациях АТЦ манёвренных прецизионно-точечных авиационных агротехнологий с применением корректирующего управления процессами, технологического прогнозирования наиболее ответственных этапов производства в полной мере соответствует требованиям метасистем параллельного действия (группа технологий).

Познаваемое

Рисунок 4 – Основные системообразующие ресурсы и связи манёвренных прецизионно-точечных авиационных агротехнологий

Концептуальный принцип функционирования метасистем предусматривает, что их элементы самодостаточны и относительно независимы друг от друга. Исходя из условия обеспечения экстремума критерия качества и в соответствии с требованиями технологии при реализации процессов управления из набора подсистем в составе метасистемы в каждый момент выбирают (включают в работу) одну или несколько подсистем и перераспределяют общесистемные ресурсы между функционирующими одновременно подсистемами. Манёвренные прецизионно-точечные авиационные агротехнологии предусматривают интеллектуальное согласование компонент технологии с условиями их реализации за счёт применения кроме технологических машин базовых технологий, многофункционального высокоэффективного оборудования (часто, беспилотного, при функционировании которого отрицательные воздействия на ОСП и окружающую среду минимальны).

Реализация прецизионно-точечных авиационных агротехнологий не требует значительных затрат материально-технических ресурсов (патенты РФ № 2423042, № 2265989, № 2377764, № 2444177, № 2488264, № 2486747, № 2492609, № 2538997).

Выводы. В практических задачах системного моделирования АТЦ характеризуют отличительные признаки и особенности метасистем параллельного действия, а их техногенные подсистемы – признаки структурируемых систем. Концептуальный принцип функционирования метасистем предусматривает, что их элементы самодостаточны и относительно независимы друг от друга.

• 1.    Реализации манёвренных прецизионно-точечные авиационных агротехнологий предусматривают непрерывный контроль хода

• 2.    Прецизионно-точечные авиационные технологии, как новый этап дальнейшего совершенствования агропроизводства, являются дополнительным способом повышения точности и эффективности базовых технологий. Их достоинства: избирательность, манёвренность, оперативность, низкие негативные воздействия на окружающую среду и ОСП. С помощью РМ (часто, беспилотных) взаимосвязанно, параллельно и одновременно путём группового адди-тивно-перемежающего воздействия выполняют стимулирующие технологические воздействия на депрессивные продуктивные зоны развития или особи ОСП.

• 3.    Реализация прецизионно-точечных авиационных агротехнологий не требует значительных затрат материально-технических ресурсов, но обеспечивает дополнительные значимые технико-технологические эффекты.

выполнения технологических операций (функция мониторинга), необходимые воздействия на технологические процессы (функции действия). Функция мониторинга включает масштабный или выборочный (часто, прецизионно-точечный) контроль условий реализации агропроцессов, территории размещения ОСП, параметров технологических процессов и ОСП в режиме реального времени.

В ситуациях, требующих оперативного вмешательства, базовый состав и порядок выполнения технологических операций корректируют, используя дополнительный перечень операций. Для прецизионно-точечных авиационных технологий характерна интерактивная двойственность при разных видах мониторинга и при агротехнологических разнооперационных действиях.