Точное земледелие: машинное зрение и сенсоры для позиционирования техники

Машинное зрение и сенсоры активно используются в развитии различных направлений, которые относят к технологиям точного земледелия. Примером тому могут служить распознавание поврежденных клубней картофеля при разделении его на фракции, определение местоположения плодов при роботизированной уборке. Машинное зрение также активно используется для экспресс-оценки урожайности культур, составлении картограмм полей, оперативной корректировки доз вносимых удобрений и средств защиты растений и во многих других операциях, выполняемых при посеве, посадке, уборке и послеуборочной обработке сельскохозяйственных культур. «ГлавПахарь» отслеживает все новые технологии и подробно рассматривает их применимость для различных отраслей сельскохозяйственного производства. Важнейшим направлением применения сенсоров и оптических систем является позиционирование агрегата на рабочем участке как дополнение к системам глобального позиционирования, что вызывает определенный интерес детального рассмотрения существующих технических решений.

Система John Deere RowSense применяется для позиционирования комбайнов, самоходных опрыскивателей, тракторов и позволяет располагать колеса в центре междурядья при обработке пропашных культур. Даже возможные смещения сеялки при посеве культур не оказывают существенного влияния на качество работы системы RowSense при последующих операциях по уходу за сельскохозяйственными культурами.

Применение системы RowSense позволяет повысить производительность агрегата за счет увеличения рабочей скорости движения и косвенно, за счет снижения утомляемости оператора, что позволяет высвободить его внимание на управлении прицепной машиной или монтируемым оборудованием. 

Ключевым элементом системы RowSense является датчик, который располагается с внешней стороны колеса опрыскивателя. При контакте чувствительного элемента с растениями происходит оперативная корректировка расположения колес.

При опрыскивании, за счет корректировки скорость обработки может быть увеличена вплоть до 29 км/ч. Кроме того, повышается качество внесения средств защиты растений, поскольку система RowSense поддерживает равномерное поступательное движение агрегата по междурядьям и тем самым обеспечивается равное распределение рабочей жидкости по рабочему участку.

Существенным преимуществом системы RowSense является снижение повреждения культурных растений. Известно, что в случае смещения относительно междурядья, агрегат способен повредить до 90 стеблей кукурузы за одну секунду, двигаясь с рабочей скоростью. В совокупности снижение повреждения, увеличение производительности позволяют качественно выполнять сельскохозяйственные операции.

Важнейшей особенностью системы RowSense является ее взаимодействие и возможность совместного использования с системами AutoTrac Vision и GPS навигацией. Такое совместное использование позволяет эффективно обрабатывать культуры или осуществлять уборочные работы на участках поля, где по различным причинам снижено количество растений. Например, ввиду недостатка питательных веществ, повышенной влажности или наличия сорной растительности на некоторых участках могут наблюдаться пропуски или малое количество растений в ряду. В случае, если чувствительный элемент системы RowSense не обеспечивает позиционирования, агрегат переходит на работу от системы GPS-навигации и возвращается к управлению RowSense, когда количество культурных растений в ряду стабилизируется. Аналогичную корректировку положения агрегата может обеспечить совместное применение систем RowSense и AutoTrac Vision.

Система John Deere RowSense зарекомендовала себя на опрыскивателях Hagie. Учитывая различные технологии посадки кукурузы вместе с датчиками поставляются кронштейны различных размеров. Это позволяет настроить агрегат для работы с использованием системы RowSense менее чем за 10 минут. Наибольшая эффективность применения системы обеспечивается при касании не листьев, а именно стебля кукурузы.

Система John Deere AutoTrac Vision является перспективной системой для качественного выполнения сельскохозяйственных операций при возделывании кукурузы, хлопка и бобовых культур. В случаях, если посев выполнялся без использования системы AutoTrac, траектории движения по различным причинам недоступны или работы выполняются на поле со сложным контуром, система AutoTrac Vision распознает рядки культурных растений и позиционирует агрегат в междурядье.

За счет монокулярного зрения камеры системы AutoTrac Vision управляют положением колес самоходных машин и тракторов в междурядье. Минимальная высота культур для работы системы должна составлять не менее 10-20 см.

Обе системы AutoTrac Vision и RowSense устанавливаются на опрыскиватели John Deere R4023, R4030, R4038 и R4045.

Альтернативным решением позиционирования посредством машинного зрения является разработки компании F. Poulsen Engineering ApS. 

Система FP Vision-System состоит из камер, смонтированных на раме культиватора непосредственно над рядками растений. Изображение с камер обрабатывается компьютером, который формирует управляющий сигнал и передает его в гидравлический контур. Обратная связь достигается за счет отображения процесса на дисплее в кабине трактора. Данная система подходит для широкозахватных культиваторов, обрабатывающих одновременно 12, 24 или 36 рядков.

Система может устанавливаться на культиваторы для междурядной обработки почвы или опрыскиватели. Каждая камера обрабатывает участок из 4 рядков. Управляющим механизмом является гидроцилиндр, связанный с рулевым управлением трактора. Для оптимального функционирования системы высота растений должна составлять не менее 10 см, а максимальный размер не должен превышать ширины междурядий. Система может распознавать большинство пропашных культур, а также сорную растительность. 

Оборудование может использоваться даже в ночное время ввиду того, что камеры оборудованы подсветкой. Рабочая скорость агрегата должна находится в пределах от 2 до 10 км/ч. В дополнение к позиционированию система может осуществлять подсчет растений и выделять определенные группы для соответствующих воздействий или изменения дозы вносимых средств защиты.

Система RootRunner предназначена для автоматического поддержания траектории движения трактора при возделывании сахарной свеклы. Позиционирование осуществляется за счет сенсоров, установленных на переднем навесном оборудовании. Посредством предлагаемого технического решения оператор может сконцентрировать внимание на уборке свеклы и на загрузке урожая в транспортный агрегат.

Запатентованная компанией Raven система позиционирования VSN Visual Guidance оснащена камерой для распознавания рядков культурных растений и ведения агрегата по междурядьям пропашных культур. За счет использования быстрых алгоритмов обработки изображений агрегат может двигаться по полю на высоких скоростях, что способствует повышению производительности обработки культур средствами защиты растений.

Оригинальное техническое решение предложено компанией K.U.L.T. На раму культиватора устанавливаются блоки из камер, которые контролируют положение рабочих органов в междурядье. Рабочие органы для междурядной обработки присоединены к раме посредством шарнирной подвески. В случае отклонения от требуемой траектории контроллером формируется управляющий сигнал, который передается на исполнительный механизм для надлежащего позиционирования культиватора. За счет оснащения системы мощными лампами представляется возможной обработка в темное время суток.

В комплект поставки входит сенсорный монитор, с помощью которого можно задавать параметры для работы системы, а также программное обеспечение для контроля работы системы с помощью мобильных устройств.

Подводя итог, необходимо отметить, что применение систем машинного зрения и сенсоров направлено на позиционирование агрегатов для обработки и ухода за пропашными культурами. Такие системы могут эффективно применяться для повышения эффективности внесения подкормочных доз удобрений, средств защиты растений и междурядной обработки пропашных культур. Повышение производительности выполнения технологических операций и снижение повреждения культурных растений будут являться залогом успешного развития данных технологий в будущем.