Basis of Developing Automated Machines with Digital Control Systems for Cultivating, Harvesting and Postharvest Processing of Vegetable Crops and Potatoes

Full Text

Введение

Функционирующие элементы сельскохозяйственных машин должны обладать современными оптическими, электронными и механическими устройствами [1–3]. Антропогенное воздействие должно быть сведено к минимуму [4–6]. Для разработки и изготовления современных машинно-технологических комплексов с цифровыми системами автоматического контроля и управления необходимы рекомендации по эксплуатации технических средств для предпосадочной обработки почвы, посева/посадки, уборки и послеуборочной обработки овощных культур и картофеля [7–9].

Цель исследования – разработать автоматизированные машины для возделывания, уборки и послеуборочной обработки овощных культур и картофеля с цифровыми системами управления.

Обзор литературы

В научной литературе описан ряд конструктивных решений по управлению техническими системами функционирующих элементов машин для производства овощных культур. Они позволяют с помощью одного терминала управлять прицепными и навесными машинами. Для тяжелых условий уборки почвы разработано разделительное устройство с двухступенчатой подъемной цепью, в котором длина двухуровневой подъемной цепи составляла 3,1 м, скорость движения машины 1,2 м/с, скорость подъемной цепной линии 1,5 м/с, полнота сепарации картофеля 98,1 %, а степень повреждения 1,1 % [9–11].

Для повышения эффективности разделения в комбинированном комбайне для сбора картофеля разработано вертикальное круговое транспортное устройство для разделения со средней степенью повреждения 1,46 % и уровнем примесей 2,57 % [3]. А. Б. Калинин исследовал влияние коэффициента отражения, вызванного высотой падения, на повреждение картофеля, а также выявил основные факторы, влияющие на повреждение картофеля [12].

Цель всех вышеупомянутых исследований заключается в снижении потерь качества корнеплодов и картофеля за счет уменьшения количества и интенсивности воздействий в процессе уборки [5]. Взаимодействия картофеля между собой обычно происходят на разделительных устройствах в процессе уборки урожая, где могут быть большие разрывы, повреждения и синяки. Это приводит к большим экономическим потерям для производителей [6]. В связи с этим возникает необходимость в фундаментальных исследованиях механизмов повреждения картофеля [7].

Разработано новое устройство для сепарации картофеля в картофелеуборочном комбайне с двухвибрационным устройством регулировки интенсивности [8; 9]. Для повышения качества уборки были проведены эксперименты по разделению картофеля и почвы в условиях различной интенсивности вибрации. Анализ поверхности отклика помог достичь желаемых характеристик разделения. В таблице 1 систематизированы основные положительные и отрицательные воздействия функциональных параметров технологического и цифрового обеспечения технологий и комплексов машин для производства корнеклубнеплолодов и лука.

 

Таблица 1 Систематизация функциональных параметров технологического и цифрового обеспечения технологий и комплексов машин для производства овощных корнеплодов, картофеля и лука

Table 1 Systematization of functional parameters of technological and digital support for technologies and complexes of machines
to  produce vegetable roots, potatoes and onions

 

№	Система технологического и цифрового обеспечения технологий и комплексов машин / System of technological and digital support of technologies and machine complexes		Положительные тенденции использования / Positive usage trends	Отрицательные тенденции использования / Negative usage trends
1	Система автоматизации привода навесного оборудования iQblue Connect / IQblue сonnect implement drive automation		Дистанционное управление прицепными и навесными машинами / Remote control of trailed and mounted machines	Невозможность использования на участках с недостаточным сигналом для приема и передачи данных от станций мобильных операторов / Unable to use in areas with insufficient signal to receive and transmit data from the stations of mobile operator
2	Система автоматизации рядовых сеялок USC / USC seed drills automation system	Контроль посева, варьирование нормы высева и схемы распределения семян в синхронизации со скоростью движения посевного агрегата / Control of the sowing process, varying the seeding rate and the seed distribution pattern in synchronization with the speed of the seeding unit		Отсутствие возможности принимать решения по результатам контроля выполнения технологического процесса посева семян овощных культур / Lack of decision-making based on the results of monitoring the implementation of the technological process of sowing vegetable seeds
3	Система автоматического контроля глубины посева Smart Depth / Automatic seeding depth control system Smart Depth	Автоматический контроль глубины заделки семян относительно текущих условий почвы в зависимости от их влажности / Providing automatic control of the seeding depth of seeds relative to the current soil conditions, depending on their moisture content		Ограниченность использования на участках с повышенной влажностью почвы, что обусловлено увеличением интенсивности перемещения сошниковых групп для выявления оптимального места внесения семян / Limited use in areas with high soil moisture, which is due to an increase in the intensity of movement of the coulter groups to identify the optimal place
4	Система цифровых камер Smart View / Smart View digital camera system	Мониторинг процессов очистки и сортирования на уборочных машинах / Monitoring of cleaning and sorting processes on harvesting machines		Низкая эксплуатационная надежность из-за слабой системы контроля и видеофиксации процесса уборки корнеклубнеплодов / Low operational reliability due to contamination of the monitoring system and video recording of the process of harvesting root and tuber crops
5	Автоматические электронные стационарные отделители товарной продукции от минеральных примесей и сортирования / Automatic electronic stationary separators of commercial products from mineral impurities and sorting	Сканирование множества объектов с разных ракурсов; распознавание формы, геометрических параметров и других отличительных признаков объекта с расширенным шаблоном программного обеспечения; распознавание признаков болезней корнеклубнеплодов; обнаружение примесей и инородных тел в потоке / Scanning of multiple objects from different angles; recognition of shape, geometric parameters and other distinctive features of the object with an advanced software template; recognition of signs of root crop diseases; detection of impurities and foreign bodies in the flow		Необходимость предварительного сортирования продукта на отдельные размерные фракции; при увеличении влажности смеси из корнеклубнеплодов и примесей разница между диэлектрическими постоянными товарной продукции и комками почвы начинает уменьшаться, что приводит к ложному срабатыванию устройств отделения; высокая материалоемкость и энергоемкость технологического процесса / The need to pre-sort the product into separate size fractions; with increasing humidity of the mixture of root crops and impurities, the difference between the dielectric constants of commercial products and clumps of soil begins to decrease, which leads to false operation of separation devices; high material and energy intensity of the technological process

 

Обзор литературы свидетельствует о том, что задачи автоматизации решались поэтапно. Это объясняется ограниченностью материальных и трудовых ресурсов. В техническом отношении развитие автоматизации сельскохозяйственного производства характеризовалось переходом от релейно-контактной к электронной, а в последние годы к микропроцессорной технике. Это сопровождалось внедрением автоматизированных информационных технологий, обеспечивающих более высокий уровень отдачи на вложенные ресурсы.
Автоматизация растениеводства сегодня принципиально отличается от уровня начала 1950 – конца 1980-х гг. Информационные методы и системы и телекоммуникационные технологии в агропромышленном комплексе вышли на новый уровень.

Материалы и методы

Эффективность работы машинно-технологического комплекса производства овощных культур зависит от конструктивных, режимных, технологических параметров функционирующих элементов, а также от физико-механических свойств взаимодействующего материала и определяется показателями качества отдельной операции [13–15].

Объектом управления выступает механизм изменения глубины обработки, который представляет собой механизм регулировки опорного колеса (рис. 1).

 

 

 

Рис. 1. Автоматическая система контроля регулирования глубины хода рабочих органов:
1 – колесо энергетического средства; 2 – колесо опорное почвообрабатывающей машины;
3 – датчик лазерный; 4 – электроцилиндр; 5 – устройство навесное

Fig. 1. Automatic control system for adjusting the depth of motion of the working tools:
1 – wheel of the power plant; 2 – support wheel of the tillage machine;

3 – laser sensor; 4 – electric cylinder; 5 – hinged device

 

Возмущением G, действующим на объект управления, является изменение расстояния L между осью O вращения колеса 1 энергетического средства привода почвообрабатывающей машины и осью вращения O₃ опорных колес 2 машины для обработки почвы. Изменение расстояния L в большую L₂ или меньшую L₁ сторону компенсируется перемещением штока актуатора из точки А в точку A₂ или A₁ на расстояние S₂ или S₁ соответственно. При обработке для поддержания профилированной (выровненной) предпосевной/предпосадочной подготовки почвы должно соблюдаться условие

L = OB.                       (1)

Алгоритм формирования программы управления линейными актуаторами регулирования глубины хода рабочих органов построен из условия идеального отслеживания траектории О₀О₁О₂ (рис. 2).

 

 

 

Рис. 2. Алгоритм формирования программы управления
линейными актуаторами регулирования глубины хода рабочих органов

Fig. 2. Algorithm for making the control program
for linear actuators for adjusting the depth of motion of the working tools

 

Система управления рабочими процессами машины для посева/посадки семян лука, чеснока, моркови, столовой свеклы и картофеля автоматически регулирует равномерность плотности почвы при заделке семенного/посадочного материала. Необходимо определение и регистрация силового воздействия рабочего органа на почвенный слой соответственно ниже или выше заданных границ поля допуска плотности почвы (рис. 3).

 

 

 

Рис. 3. Изменение среднего значения плотности почвы по глубине обработки

Fig. 3. Change in the average value of soil density at the depth of processing

 

Задание и контроль плотности регулируемого дискового заделывающего органа осуществляется автоматически посредством бортового компьютера:

Δy / y = δρ_п2 + K_m × 1 / f_m,       (2)

где ρ_п2 – плотность почвы после прохода сошника, г/см³; K_m – коэффициент преобразования тензодатчика плотности почвы в частоту электрического сигнала; f_m – частота электрического сигнала на выходе из тензодатчика, Гц [2]. В связи с тем, что заделка посевного/посадочного материала овощных культур осуществляется на глубину от 3 до 5 см, необходимо более тщательно определить интервалы изменения плотности и влажности почвы в указанном интервале посева овощных культур для наиболее распространенных в Центральной России и Среднем Поволжье типов почвы – выщелоченного чернозема [16; 17].

Следовательно, конструкция сошниковой группы посадочной машины и режимы работы для обеспечения оптимального уплотненного ложа должны обеспечить плотность семенного ложа ρ_п = 1,3–1,4 г/см³ на глубине посева семян (3–5 см). Это происходит благодаря вертикальному перемещению штока электроцилиндра в соответствии с разработанным алгоритмом перемещения (рис. 4).

 

 

Рис. 4. Схема изменения вертикального перемещения прикатывающих рабочих органов посадочной машины: 1 – шток электроцилиндра; 2 – электроцилиндр; 3 – прикатывающий рабочий орган; 4 – датчик плотности почвы;
5 – микроконтроллер; 6 – реле ограничения подъема штока электроцилиндра

Fig. 4. Scheme of changing the vertical movement of the rolling-down working tools of the planting machine: 1 – electric cylinder rod;
2 – electric cylinder; 3 – rolling working body; 4 – soil density sensor; 5 – microcontroller;
6 – relay for limiting the rise of the rod of the electric cylinder

 

Для разработки алгоритма функционирования изменения силового воздействия прикатывающих катков посевных и посадочных машин необходимо установить функциональную зависимость между плотностью ρ_п и влажностью W почвы:

 ρ_п = f(W).                      (3)

Для выполнения функциональной зависимости (3) необходимо, чтобы ход S₁ штока 1 (рис. 4) электроцилиндра 2 обеспечивал силовое воздействие прикатывающих рабочих органов 3 на слой почвы ρ_п = 1,3–1,4 г/см³ при изменении ее влажности W = 14–26 % в соответствии с алгоритмом вертикального перемещения прикатывающих рабочих органов посевной/посадочной машины (рис. 5).

 

 

Рис. 5. Блок-схема алгоритма вертикального перемещения прикатывающих рабочих органов посевной/посадочной машины

Fig. 5. Block diagram of the vertical movement algorithm of the press-on working bodies of the seeding/planting machine

 

Схема управления конструкцией прикатывающего катка представлена на рисунке 6.

 

 

 

Рис. 6. Функциональная схема прикатывающего катка с автоматической системой контроля

Fig. 6. Functional diagram of a press wheel with an automatic control system

 

Однако известно, что плотность ρ_п почвы изменяется в зависимости от ее влажности W. Следовательно, необходимо определить функциональную зависимость плотности почвы от влажности, представленной выражением (3), что необходимо для программирования микроконтроллера 5 (рис. 4) автоматической системы контроля.

Исследования по определению плотности почвы до посева и после, с учетом влажности, проведены в 2020 году в Пензенской области на базе ИП «Бодягин В. И.» (табл. 2).

 

Таблица 2 Плотность почвы по горизонтам (после посева)

Table 2 Soil density along the horizons (after sowing)

 

Количество опытов / Number of experiments	Плотность, г/см³ / Density, g/sm³
	Горизонты почвы, м / Soil horizons, m
	0–0,01	0,01–0,02	0,02–0,03	0,03–0,04	0,04–0,05
1	1,05	1,06	1,08	1,13	1,14
2	1,04	1,07	1,06	1,12	1,15
3	1,05	1,03	1,03	1,12	1,12
Среднее значение / Average value	1,04	1,05	1,05	1,12	1,13

 

Графическая интерпретация функциональной зависимости плотности до ρ_п1 и после ρ_п2 воздействия прикатывающих катков от влажности почвы представлена на рисунке 7.

 

 

 

Рис. 7. Зависимость плотности от влажности

Fig. 7. Dependence of density on moisture

 

Корреляционная связь между плотностью почвы до ρ_п1 и после ρ_п2 посева в зависимости от влажности посевного слоя W выражается уравнением параболических функций:

 ρ_п1 = 0,27 + 0,11W – 0,22W²,      (4)

ρ_п2 = 0,95 + 0,06W – 0,002W².

Силовое воздействие прикатывающих катков на посевной/посадочный слой почвы обеспечивается в результате вертикального перемещения штока электроцилиндра в соответствии с разработанным алгоритмом перемещения (рис. 5).

Автоматическая система контроля (АСК) рабочего процесса машины для уборки лука должна обеспечивать автоматическую регулировку и контроль

– изменения и поддержания частоты вращения интенсификаторов сепарации в зависимости от фактической урожайности и физико-механических свойств вороха;

– изменения поступательной скорости движения и угла наклона сепарирующих устройств в зависимости от фактической урожайности и физико-механических свойств вороха.

Функциональная схема автоматической системы контроля режимных и технологических параметров сепарирующей системы машины для уборки лука представлена на рисунке 8.

 

 

 

Рис. 8. Функциональная схема системы автоматического контроля режимных
и технологических параметров сепарирующей системы машины для уборки лука:
1 ‒ измерительный орган; 2 ‒ рабочий орган; 3 ‒ объект управления

Fig. 8. Functional diagram of the system for automatic control of operating
and technological parameters of the separating system of the onion harvesting machine:
1 – measuring body; 2 – working body; 3 – control object

 

В каждый момент времени происходит изменение возмущающего воздействия F₂(t) (массы вороха лука), которое воспринимается измерительным органом (ИО) (датчик веса) 1 и передается на сравнивающий орган – блок управления (БУ). Если измеряемая величина больше определенного значения, то сигнал поступает на рабочий орган (РО) (механизм вертикального перемещения) 2 и передается на объект управления (ОУ) (вал ведомого ролика и вал интенсификатора) 3, изменяющий управляемую величину y₂(t) и y₃(t) (рис. 8).

В случае если возмущающее воздействие F₂(t), воспринимаемое ИО,  на сходе с первого пруткового элеватора отличается от требуемого значения массы вороха корнеплодов и лука, то сигнал передается на сравнивающий орган БУ. Далее он поступает на РО и передается на ОУ[5].

Конструктивно-технологическая схема автоматизированной сепарирующей системы машины для уборки лука представлена на рисунке 9.

 

 

 

Рис. 9. Схема автоматизированной сепарирующей системы машины для уборки лука:
1 – лемех подкапывающий; 2, 8 – прутковый элеватор; 3 – датчик веса подкапывающего лемеха;
4 – микроконтроллер; 5 – опорная стойка пруткового элеватора; 6 – интенсификаторы сепарации;
7 – электродвигатели привода интенсификаторов; 9 – датчик инерционный;
10 – реле ограничения подъема; 11 – электроцилиндр

Fig. 9. Diagram of the automated separating system of the onion harvester: 1 – burrowing share;
2, 8 – bar elevator; 3 – weight sensor of the digging share; 4 – microcontroller;
5 – support post of the bar elevator; 6 – separation intensifiers; 7 – electric motors for driving intensifiers;
9 – inertial sensor; 10 – lifting limit relay; 11 – electric cylinder

 

 

При определении подачи вороха лука на подкапывающий лемех воспользуемся функциональной зависимостью, выведенной в одном из предыдущих исследований коллектива авторов:

 Q_Вп = m × V_л / L,                (5)

где m – масса луко-почвенного вороха, кг; V_л – поступательная скорость движения уборочной машины, м/с; L – длина подкапывающего лемеха, м [14].

Изменение положения пруткового элеватора в горизонтальной плоскости обеспечивается смещением опорного вала по опорной стойке на расстояние S₁ согласно аналитической зависимости

 S₁ = (L_эл – D_вед / 2 + D_пр / 2) × sinα₂, (6)

где L_эл – длина пруткового элеватора, м; D_вед – диаметр ведомого вала барабана пруткового элеватора, м; D_пр – диаметр приводного вала барабана пруткового элеватора, м.

Частота вращения интенсификаторов сепарации в зависимости от массы вороха, поступающего на очистку от механических примесей,

 n_ин = (30 × (Q_В.эл. × L_эл) / m) × π,   (7)

где Q_В.эл. – сход вороха лука, кг; m – масса вороха луковиц на прутковом элеваторе, кг; L_эл – длина пруткового элеватора, м.

Для повышения качества сортирования корнеклубнеплодов и лука по размерному признаку необходимо разработать систему автоматического контроля режимных и технологических параметров. Она позволит исключить ручное сортирование на переборочных столах линии для послеуборочной обработки.

Качественное сортирование корнеклубнеплодов необходимо обеспечить при совершенствовании процесса распознавания сортируемого материала на рабочей поверхности с помощью системы технического зрения.

Комплекс машин для послеуборочной обработки корнеклубнеплодов и лука с системой контроля параметров отдельных функционирующих элементов представлен на рисунке 10 [18–21].

 

 

 

Рис. 10. Конструктивно-технологическая схема линии для сортирования корнеклубнеплодов
и лука с системой автоматического контроля режимных и технологических параметров:
1 – приемный бункер; 2 – передаточный транспортер; 3 – спиральный очиститель вороха;
4 – транспортерное сортировочное устройство; 5 – транспортерные ленты; 6 – камера;
7 – блок управления; 8 – исполнительные механизмы; 9, 10 – лотки; 11 – электродвигатели

Fig. 10. Structural and technological scheme of a line for sorting root and tuber crops and onions with
an automatic control system for operating and technological parameters: 1 – receiving hopper;
2 – transfer conveyor; 3 – spiral heap cleaner; 4 – conveyor sorting device; 5 – conveyor belts;
6 – camera; 7 – control unit; 8 – executive mechanisms; 9, 10 – trays; 11 – electric motors

 

Для распознавания некондиционной товарной продукции разработана блок-схема функционирования электронной системы линии (рис. 11).

 

 

 

Рис. 11. Блок-схема автоматизированной линии сортирования корнеклубнеплодов и лука

Fig. 11. Block diagram of an automated line for sorting root and tuber crops and onions

 

Сортирование корнеклубнеплодов обеспечивается за счет разделения поврежденной и товарной продукции при скатывании по специальным лоткам. Поступательное движение передаточных транспортеров, а также спиральных очистителей вороха осуществляется при силовой нагрузке электродвигателей. Поток корнеклубнеплодов разделяется транспортерным устройством, представленным двухполосной резиновой лентой, рабочая поверхность которой имеет технологические выступы под углом 45° относительно осевой линии.

Данное конструктивное исполнение позволяет распознавать некондиционную товарную продукцию и перемещать качественную к исполнительным механизмам представленными упруго-пластичными элементами [21; 22].

Рабочая поверхность исполнительного механизма уменьшает повреждения корнеклубнеплодов при повышении силы взаимодействия для перемещения их в лотки (рис. 12).

 

 

Рис. 12. Взаимодействие луковицы с исполнительным механизмом:
1 – луковица; 2 – лента транспортерная;
3 – механизм исполнительный; 4 – лоток упругий

Fig. 12. Interaction of the onion bulb with the actuator: 1 – onion; 2 – conveyor belt;
3 – executive mechanism; 4 – elastic tray

 

Для проверки разработанных алгоритмов функционирования систем автоматического контроля режимных и технологических параметров машин для производства овощных корнеплодов, картофеля и лука необходимо выполнить экспериментальные исследования в лабораторных и производственных условиях. Важно изготовить разрабатываемые системы и установить на машинно-технологические комплексы.

Результаты исследования

Общий вид программно-аппаратных средств системы автоматического контроля регулирования глубины хода рабочих органов машины для предпосевной/предпосадочной обработки почвы представлен на рисунке 13.

 

 

 

Рис. 13. Программно-аппаратные средства системы автоматического контроля регулирования
глубины хода рабочих органов машины для предпосевной/предпосадочной обработки почвы:
1 – двигатель шаговый; 2 – микроконтроллер; 3 – реле ограничения подъема;
4 – преобразователь веса; 5 – фотодатчик отражения от световозвращателя;

6 – блок питания; 7 – провода соединительные

Fig. 13. Software and hardware of the automatic control system for adjusting the depth of travel of the
working tools of the machine for pre-sowing/pre-planting soil cultivation: 1 – stepper motor;
2 – microcontroller; 3 – lifting limit relay; 4 – weight converter;

5 – photosensor of reflection from the reflector; 6 – power supply unit; 7 – connecting wires

 

Для проверки разработанных алгоритмов функционирования системы автоматического контроля регулирования глубины хода рабочих органов машины для предпосадочной обработки почвы необходимо выполнить экспериментальные исследования в лабораторных и производственных условиях. Результаты позволили установить разработанную систему (рис. 14).

 

 

 

Рис. 14. Общий вид культиватора ГПК-2-01 для обработки почвы, оснащенного системой
автоматического контроля регулирования глубины обработки почвы: 1 – блок управления;
2 – фотодатчик отражения от световозвращателя; 3 – световозвращатель; 4 – двигатель шаговый;
5 – муфта разъемная; 6 – провода соединительные; 7 – колесо опорное

Fig. 14. General view of the GPK-2-01 cultivator for tillage, equipped with an automatic control system
for adjusting the depth of tillage: 1 – control unit; 2 – photosensor of reflection from the reflector;
3 – reflector; 4 – stepper motor; 5 – detachable clutch; 6 – connecting wires; 7 – support wheel

 

В связи с тем, что объектом исследований является технологический процесс предпосадочной обработки почвы с цифровой системой автоматического контроля и управления при сохранении конструктивных параметров почвообрабатывающей машины, установленных заводом-изготовителем, основными факторами, влияющими на равномерность глубины обработки почвы при проведении экспериментальных исследований, являлась поступательная скорость движения V_До агрегата для обработки почвы и частота вращения n_До фрезерного барабана.

Критерием оптимизации при проведении экспериментальных исследований стала равномерность глубины обработки, то есть расстояние от поверхности необработанного поля до дна борозды, образованной рабочим органом.

Зависимость критерия оптимизации от исследуемых параметров представлена на рисунках 15 и 16.

 

 

Рис. 15. График зависимости коэффициента вариации глубины обработки (vh, %)
от поступательной скорости движения машины (vД, м/с) при nДо = const

Fig. 15. Graph of the dependence of the coefficient of variation of the tillage depth (vh, %)
on the forward speed of the machine (vД, m/s) at nДо = const

 

 

 

 

Рис. 16. График зависимости коэффициента вариации глубины обработки (vh, %)
от частоты вращения фрезерного барабана (nДо, мин–¹) при vД = const

Fig. 16. The graph of the dependence of the coefficient of variation of the depth of processing (vh, %)
of the rotational speed of the milling drum (nДо, min–¹) at vД = const

 

Результаты статистической обработки экспериментальных исследований представлены на рисунках 16 и 17. Они позволяют получить основные статистические характеристики эксперимента: значение табличного t-критерия, t_0,05 = 3,66; табличное значение критерия Фишера при 5-процентном уровне значимости для полученного уравнения F_Т = 5,32; расчетное значение критерия Фишера при 5-процентном уровне значимости для полученного уравнения F = 2,2.

 

 

 

Рис. 17. Программно-аппаратные средства системы автоматического контроля плотности почвы
посадочной машины: 1 – электроцилиндр; 2 – микроконтроллер;

3 – блок управления; 4 – тензодатчик; 5 – провода соединительные

Fig. 17. Software and hardware of the automatic soil density control system of the planting machine:
1 – electric cylinder; 2 – microcontroller; 3 – control unit; 4 – strain gauge; 5 – connecting wires

 

С учетом полученных результатов можно указать следующие оптимальные значения основных параметров комбинированного почвообрабатывающего агрегата: поступательная скорость движения машины v_д = 1,1 м/с,частота вращения фрезерного барабана n_До = 148 мин^–¹ при значениях коэффициента вариации глубины обработки v_h в пределах от 13 до 17 %.

Результаты экспериментальных исследований системы предпосевной/предпосадочной обработки почвы с автоматической системой контроля регулирования глубины хода рабочих органов почвообрабатывающих машин позволили определить, что равномерность обработки почвы по глубине составляет не менее 90 %, отклонение глубины обработанного слоя – не более ±1 см; глыбистость – не более 10–15 %; максимальная высота оставшихся гребней – до 3 см.

Результаты исследований, представленные на рисунках 4–7, позволили разработать систему автоматического контроля плотности почвы при посадке чеснока. Она состоит из основных аппаратно-программных средств: актуаторов поддержания и заглубления прикатывающих рабочих органов, микроконтроллера, блока управления, тензодатчика определения силового воздействия, датчика влажности почвы, блока питания (рис. 17).

С использованием программно-аппаратных средств проведены эксперименты по проверке алгоритмов работы линейных актуаторов в лабораторных условиях Федерального научного агроинженерного центра ВИМ. Результаты позволили установить разработанную систему автоматического контроля плотности почвы машины для посадки чеснока (рис. 18).

 

 

 

Рис. 18. Общий вид машины для посадки чеснока: 1 – брус поперечный опорный; 2 – бункер;
3 – высаживающий аппарат; 4 – опорно-приводные колеса; 5 – сошник; 6 – бороздозакрывающий
рабочий орган; 7 – прикатывающий каток; 8 – электроцилиндр; 9 – микроконтроллер;
10 – блок управления; 11 – тензодатчик; 12 – датчик влажности почвы; 13 – муфта разъемная

Fig. 18. General view of the machine for planting garlic: 1 – transverse support bar; 2 – bunker;
3 – planting device; 4 – supporting and driving wheels; 5 – opener; 6 – furrow-closing working body;
7 – a rolling rink; 8 – electric cylinder; 9 – microcontroller; 10 – control unit; 11 – strain gauge;
12 – soil moisture sensor; 13 – split clutch

 

Для регулирования силового воздействия на слой почвы при посадке внесены изменения в бороздозакрывающие рабочие органы, а именно: выполнен демонтаж одной секции заделывающих рабочих органов 6, представленных пассивными загортачами (рис. 18), и установлены прикатывающие катки (рис. 19). Они совершают вертикальное перемещение в соответствии с разработанным алгоритмом (рис. 5).

 

 

Рис. 19. Общий вид: a) прикатывающий механизм с пружинным механизмом; 
b) прикатывающий механизм с электроцилиндром; 1 – каток прикатывающий; 
2 – пружинный упругий механизм; 3 – электроцилиндр; 4 – провода соединительные

Fig. 19. General view: a) a rolling mechanism with a spring mechanism; 
b) a rolling mechanism with an electric cylinder; 1 – rolling roller;

2 – spring elastic mechanism;  3 – electric cylinder; 4 – connecting wires 

 

Кроме того, результаты экспериментальных исследований по определению плотности почвы прикатывающим катком с АСК свидетельствуют о том, что размах вариации изменяется в пределах 17 %, а средне линейное отклонение 4,7 % при воздействии электроцилиндра на почвенный слой 7 000 Н/м (рис. 20).

 

 

 

Рис. 20. Результаты экспериментальных исследований зависимости влажности почвы
на степень уплотнения посевного слоя

Fig. 20. Results of experimental studies of the dependence of soil moisture on the degree
of compaction of the seed layer

 

После посадки чеснока произведены замеры плотности почвы с пятикратной повторностью за исследуемыми участками посадочных секций бороздозакрывающих рабочих органов. Результаты сравнительных исследований (табл. 3) изменения равномерности уплотнения почвы свидетельствуют о повышении показателя в результате изменения конструктивной схемы заделывающего устройства посадочной машины.

 

Таблица 3 Результаты измерения плотности почвы

Table 3 Results of measuring soil density

 

Вид бороздозакрывающего рабочего органа / View of the furrow-closing working body	Средняя плотность по посевному слою, кг/м³ / Average density over the sowing layer, kg/m³
	0–20 мм / 0–20 mm	20–40 мм / 20–40 mm	40–60 мм / 40–60 mm
Полозовидный загортач / Sliver harvester	990	1 120	1 430
Прикатывающий каток с автоматической системой контроля плотности / Packer roller with automatic density control	1 120	1 340	1 760

 

Для реализации алгоритма управления линейными актуаторами системы автоматического контроля регулирования и контроля угла наклона пруткового элеватора α и частоты вращения интенсификаторов сепарации n_ИН необходимы основные аппаратно-программные средства для расположения в конструкции уборочной машины (рис. 21), а именно: тензометрический датчик веса подкапывающего лемеха (рис. 22), линейные актуаторы поддержания и изменения вертикального положения барабана пруткового элеватора, микроконтроллер, драйвер моторов, бесконтактный лазерный датчик, блок питания, а также шаговые электродвигатели привода интенсификаторов сепарации и  частоты вращения, которые предназначены для контроля частоты вращения (скорости) привода электродвигателей и их аварийного отключения при снижении частоты вращения относительно установленного предельного значения, а также для контроля скорости линейного перемещения пруткового элеватора.

 

 

 

Рис. 21. Общий вид машины для уборки корнеплодов и лука с системой автоматического контроля
регулирования угла наклона полотна пруткового элеватора и частоты вращения встряхивателей:
1 – рама; 2 – приемный лемех для подкапывания/подбора корнеплодов и луковиц; 3 – колеса
опорные; 4 – основной сепарирующий прутковый элеватор; 5 – дополнительный прутковый
элеватор; 6 – каток-ложеобразователь; 7 – плита регулировочная встряхивателя; 8 – лоток
сужающий; 9 – электроцилиндры; 10 – датчик веса лемеха подкапывающего; 11 – микроконтроллер

Fig. 21. General view of a machine for harvesting root crops and onions with an automatic control system for
adjusting the angle of inclination of the bar elevator web and the frequency of rotation of the shakers:
1 – frame; 2 – receiving ploughshare for digging/picking up root crops and onion bulbs; 3 – supporting wheels;
4 – main separating bar elevator; 5 – additional bar elevator; 6 – bed former; 7 – shaker adjusting plate;
8 – narrowing tray; 9 – electric cylinders; 10 – weight sensor of the digging share; 11 – microcontroller

 

 

 

 

Рис. 22. Тензометрический датчик веса подкапывающего лемеха: 1 – датчик веса;
2 – преобразователь весовой; 3 – плита опорная; 4 – соединительные провода

Fig. 22. Strain gauge weight sensor of the undercut share: 1 – weight sensor;

2 – weight converter; 3 – support plate; 4 – connecting wires

 

 

Для реализации алгоритма управления линейными актуаторами системы автоматического контроля регулирования угла наклона пруткового элеватора и частоты вращения интенсификаторов сепарации необходимо провести исследования по определению подачи вороха лука на сепарирующие рабочие органы и массы просеянных почвенно-растительных примесей в зависимости от глубины подкапывания [23].

Проверка показателей качества работы уборочной машины в полевых условиях выполнялась при изменении параметров в следующих пределах:

– глубина погружения в почву подкапывающего лемеха h_Л = 0,02–0,06 м;

– поступательная скорость движения машины для уборки лука v_К = 1,0–1,8 м/с;

– поступательная скорость движения полотна пруткового элеватора v_ЭЛ = 1,55–1,67 м/с.

Результаты статистической обработки экспериментальных исследований качества уборки лука позволили получить графические зависимости полноты сепарации вороха лука ν и повреждений луковиц П от исследуемых параметров при получении аналитической зависимости

 $\left\{\begin{array}{c}\nu =\mathrm{103,32}-324\cdot h_{Л}+3\mathrm{000,8}\cdot h_{Л}^2,\\ \Pi =\mathrm{1,52}-\mathrm{3,28}\cdot h_{Л}-\mathrm{71,42}\cdot h_{Л}^2. \end{array}\right.$  (8)

Графическая зависимость на рисунке 23 свидетельствует о снижении полноты сепарации и повреждении товарной продукции (1,1 %) при увеличении глубины подкапывания более 0,02 м при значении качества очистки 98 %.

 

 

 

Рис. 23. Зависимость полноты сепарации ν, %, и повреждений луковиц П, %,
сепарирующего пруткового элеватора с регулируемым углом наклона полотна от глубины hЛ
погружения подкапывающего лемеха в почву

Fig. 23. Dependence of the completeness of separation ν, %, and damage to the onion bulbs П, %,
of the separating bar elevator with an adjustable angle of inclination of the web on the depth hЛ
of immersion of the burrowing share in the soil

 

Увеличение поступательной скорости движения машины для уборки корнеплодов и лука v_К способствует повышению повреждений до 1,6 % и полноты сепарации более 97 % в интервале значений исследуемого параметра от 0,9 до 1,8 м/с, что отображает аналитическая зависимость

 $\left\{\begin{array}{c}\nu =\mathrm{115,29}-\mathrm{23,7}\cdot v_{\text{K}}+\mathrm{6,78}\cdot v_{\text{K}}^2,\\ \Pi =\mathrm{1,39}-\mathrm{0,85}\cdot v_{\text{K}}+\mathrm{0,53}\cdot v_{\text{K}}^2.\end{array}\right.$ (9)

Величина смещения распределения полноты сепарации и повреждений луковиц на прутковом элеваторе с регулируемым углом наклонам полотна

 $X_{\text{CM}\nu }=X_0-\frac{\left(X_2-X_0\right)}{2}=\mathrm{96,5}-\frac{\left(\mathrm{96,8}-\mathrm{96,5}\right)}{2}=\mathrm{96,35}\%.$ 

$X_{\text{CMП}}=X_0-\frac{\left(X_2-X_0\right)}{2}=\mathrm{1,0}-\frac{\left(\mathrm{1,2}-\mathrm{1,0}\right)}{2}=\mathrm{0,9}\text{\%}.$

Среднее значение полноты сепарации и повреждений

 $X_{\text{CP}v}=\frac{{{\displaystyle \sum }}_{j=0}^{N-1}{X}_j}{N}=\mathrm{98,0}\%,$  %

$X_{\text{CPП}}=\frac{{{\displaystyle \sum }}_{j=0}^{N-1}{X}_j}{\text{N}}=\mathrm{1,95}$

Среднеквадратическое отклонение полноты сепарации и повреждений

$\text{Stdev}\left(x_v\right)=\sqrt{\frac{{{\displaystyle \sum }}_{j=0}^{N-1}{\left(X_{\text{CP}}-X_j\right)}^2}{N-1}}=\mathrm{1,67.}$

 $\text{Stdev}\left(x_{П}\right)=\sqrt{\frac{{{\displaystyle \sum }}_{j=0}^{N-1}{\left(X_{\text{CP}}-X_j\right)}^2}{N-1}}=\mathrm{0,293.}$

Коэффициент вариации полноты сепарации и повреждений

${\upsilon }_{\nu }=\frac{\text{Stdev}\left(x\right)}{X_{\text{CP}}-X_{\text{CM}}}=\frac{\mathrm{1,67}}{\mathrm{98,0}-\mathrm{96,35}}=\mathrm{0,311.}$

${\upsilon }_{П}=\frac{\text{Stdev}\left(x\right)}{X_{\text{CP}}-X_{\text{CM}}}=\frac{\mathrm{0,293}}{\mathrm{1,95}-\mathrm{0,9}}=\mathrm{0,238.}$

Математическое ожидание М(Х) нормального закона распределения сепарации вороха лука и его повреждений на прутковом элеваторе с регулируемым углом наклона полотна

$M\left(X_{\nu }\right)=\mathrm{0,2,}$

$M\left(X_{\text{ï}}\right)=\mathrm{0,3.}$

Квантиль распределения Стьюдента

$T_{\nu }=qt\left(1-\frac{\alpha }{2},\upsilon \right)=\mathrm{2,012,}$

$T_{\Pi }=qt\left(1-\frac{\alpha }{2},\upsilon \right)=\mathrm{1,001.}$

Общий вид линии для послеуборочной обработки картофеля, лука, моркови и столовой свеклы с автоматической системой контроля, а также сортировочного стола представлен на рисунке 24.

 

 

 

Рис. 24. Общий вид линии для послеуборочной обработки картофеля, лука, моркови и столовой свеклы с автоматической системой контроля: a) 1 – приемный бункер; 2 – передаточный транспортер; 3 – спиральный очиститель вороха;

4 – стол сортировочный; 5 – транспортерные ленты; 6 – электродвигатели;  b) 1 – блок управления;

2 – камера; 3 – исполнительные механизмы; 4 – лотки;  5 – электродвигатель привода транспортерной ленты

Fig. 24. General view of the line for post-harvest processing of onion bulbs, carrots and beets with an automatic control system:

a) 1 – receiving hopper; 2 – transfer conveyor; 3 – spiral heap cleaner; 4 – sorting table; 5 – conveyor belts;

6 – electric motors; b) 1 – control unit; 2 – camera; 3 – actuators; 4 – trays; 5 – conveyor belt drive electric moto

 

 

При проведении производственных исследований линии для сортирования корнеклубнеплодов и лука с системой автоматического контроля режимных и технологических параметров по определению оптимального значения поступательной скорости движения транспортера сортировального стола v_ТР устанавливались подача луковиц Q_Л = 6,5 кг/с и время срабатывания исполнительного механизма сортирования t_Л = 1,4 с (рис. 25).

 

 

 

Рис. 25. Программно-аппаратные средства автоматической системы контроля линии для
послеуборочной обработки корнеплодов, картофеля и лука: 1 – микроконтроллер Arduino Mega
2560; 2 – блок питания; 3 – сервопривод SG90; 4 – исполнительный механизм;
5 – газоразрядная лампа высокого давления «ДНаТ-400»;

6 – кронштейн крепления камеры; 7 – веб-камера Logitech HD Pro C920

Fig. 25. Software and hardware of the automatic line control system for post-harvest processing of root
crops, potatoes and onion bulbs: 1 – microcontroller Arduino Mega 2560; 2 – power supply unit;
3 – SG90 servo drive; 4 – actuator; 5 – high pressure gas discharge lamp DNaT-400;

6 – camera mounting bracket; 7 – webcam Logitech HD Pro C920

 

 

Результаты статистической обработки экспериментальных исследований позволили получить графическую (рис. 26) и аналитическую (10) зависимости показателей качества сортирования от режимных параметров разработанной системы автоматического контроля и управления.

 

 

 

Рис. 26. Зависимость точности сортирования и повреждений луковиц от поступательной
скорости движения транспортера сортировального стола

Fig. 26. Dependence of sorting accuracy and damage to bulbs on the forward speed of the conveyor
of the sorting table

 

 

$\left\{\begin{array}{c}\Pi =\mathrm{2,86}-\mathrm{1,71}{v}_{\mathrm{TP}}+\mathrm{1,07}{v}_{\mathrm{TP}}^2,\\ \text{K}=\mathrm{94,34}-\mathrm{0,27}{v}_{\mathrm{TP}}-\mathrm{4,64}{v}_{Д}^2.\end{array}\right.$  (10)

Максимальная точность сортирования товарной продукции более 91 % определяется числовыми значениями технологических параметров при адекватности математической модели выражения (10). Они определяются сравнением расчетного и табличного критериев Фишера (F_Т = 2,1 > F = 1,97) в интервале значения поступательной скорости движения транспортера сортировального стола, равной 1,2 м/с, при повреждении луковиц 2,3 %, что соответствует агротехническим требованиям к послеуборочной обработке.

Обсуждение и заключение

Результаты проведенных аналитических и экспериментальных исследований по разработке алгоритмов и программно-аппаратных средств функционирования отдельных элементов машин для возделывания, уборки и послеуборочной обработки овощных культур и картофеля с цифровыми системами управления позволили автоматизировать ряд систем:

1. Система автоматического контроля глубины обработки почвы. Для этого внесены изменения в механизм регулировки опорного колеса, совершающего вертикальное перемещение в соответствии с разработанным алгоритмом.
2. Система контроля машины для посадки чеснока. Она автоматически регулирует равномерность плотности почвы при заделке посадочного материала при определении и регистрации силового воздействия рабочего органа на почвенный слой соответственно ниже или выше заданных границ поля допуска плотности почвы.
3. Система контроля режимных и технологических параметров машины для уборки лука. Она позволяет повысить качество уборки в результате регулирования частоты вибрации интенсификаторов сепарации, поступательной скорости движения и угла наклона сепарирующих устройств в зависимости от фактической урожайности и физико-механических свойств вороха.
4. Система контроля линии для послеуборочной обработки картофеля, лука, моркови и столовой свеклы. Она повышает качество сортирования луковиц в результате использования системы технического зрения в виде камеры с зоной покрытия всей рабочей поверхности двух транспортерных лент, блока управления и исполнительных механизмов с упруго-эластичными рабочими органами, которые двигаются благодаря электроприводам.

Результаты исследований по аналитическому обоснованию системы предпосевной/предпосадочной обработки почвы позволили разработать автоматическую систему контроля регулирования глубины хода рабочих органов почвообрабатывающих машин, выполнить полевые исследования и определить, что равномерность обработки почвы по глубине составляет не менее 90 %, отклонение глубины обработанного слоя не более ±1 см; глыбистость не более 10–15 %, максимальная высота оставшихся гребней до 3 см.

Аналитические исследования технологического процесса посева овощных культур позволили разработать систему автоматического контроля посева/посадки, позволяющую регулировать равномерность плотности почвы при заделке семенного материала, а также определять и регистрировать силовое воздействие рабочего органа на почвенный слой соответственно ниже или выше заданных границ поля допуска плотности почвы. Высокие показатели равномерности распределения луковиц вдоль рядка (19 %) достигаются при поступательной скорости движения посадочной машины, равной 1,05 м/с.

Результаты проведенных производственных исследований машины для уборки корнеплодов и лука, оснащенной прутковым элеватором с регулируемыми углом наклона полотна и частотой вращения интенсификаторов сепарации, показали качественное выполнение сепарации вороха лука при поступательной скорости движения пруткового элеватора v_ЭЛ = 1,7 м/с, машины для уборки корнеплодов и лука v_К = 1,0 м/с. Полнота сепарации 98,4 %, повреждения луковиц 1,7 %.

Представлены результаты проведенных лабораторных исследований линии для послеуборочной обработки лука, оснащенной системой автоматического контроля. Она позволяет обеспечить точность сортирования луковиц более чем на 90 %. Данный показатель обеспечивается в результате использования системы технического зрения в виде камеры с зоной покрытия всей рабочей поверхности двух транспортерных лент при следующих оптимальных значениях: Q_Л = 8,0–8,5 кг/с, v_ТР = 0,62–0,75 м/с, t_Л = 1,9–2,3 с.

 

About the authors

Alexey V. Sibirev

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Author for correspondence.
Email: sibirev2011@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-9442-2276
ResearcherId: M-6230-2016

Senior Researcher of the Department of Technology and Machines in Vegetable Production, Dr.Sci. (Engr.)

Russian Federation, 5, 1st Institutskiy Proyezd, Moscow 109428

Aleksey S. Dorokhov

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Email: dorokhov@rgau-msha.ru
ORCID iD: 0000-0002-4758-3843
ResearcherId: H-4089-2018

Deputy Director on Scientific and Organizational Work, Corresponding Member of RAS, Dr.Sci. (Engr.), Professor

Russian Federation, 5, 1st Institutskiy Proyezd, Moscow 109428

Aleksandr G. Aksenov

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Email: 1053vim@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9546-7695
ResearcherId: V-5572-2017

Leading Researcher of the Department of Technology and Machines in Vegetable Production, Dr.Sci. (Engr.)

Russian Federation, 5, 1st Institutskiy Proyezd, Moscow 109428

Maxim A. Mosyakov

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Email: maks.mosyakov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-5151-7312
ResearcherId: A-8482-2019

Senior Researcher of the Department of Technology and Machines in Vegetable Production, Cand.Sci. (Engr.)

Russian Federation, 5, 1st Institutskiy Proyezd, Moscow 109428

Nikolay V. Sazonov

Federal Scientific Agroengineering Center VIM

Email: sazonov_nikolay@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4899-9197
ResearcherId: ABE-4241-2021

Junior Researcher of the Department of Technology and Machines in Vegetable Production

Russian Federation, 5, 1st Institutskiy Proyezd, Moscow 109428

References

Supplementary files