Использование беспилотной автотракторной техники, оборудованной бесступенчатой трансмиссией CVT



Использование беспилотной автотракторной техники, оборудованной бесступенчатой трансмиссией CVT

Корабельников Сергей Кимович, доктор технических наук;

Распопов Владимир Иванович, методист;

Миропольский Анатолий Александрович, студент

Академия транспортных технологий (г. Санкт-Петербург)

В данной статье рассматриваются образцы беспилотной автотракторной техники, особенности её реализации и возможность применения трансмиссии CVT.

Ключевые слова: мобильная платформа, система параллельного вождения, автотракторная техника, бесступенчатая трансмиссия, CVT, плавное изменение передаточного числа.

Одним из основных направлений повышения рентабельности сельскохозяйственного производства является сокращение простоев автотракторной техники за счёт использования её непрерывно, с минимальными остановками, связанными с техническим обслуживанием и временем перемещения от одного поля к другому.

Например, если обычно трактор или комбайн в среднем работает 6 часов в день, то при интенсивном использовании это время можно значительно увеличить. Кроме этого, существуют ещё косвенные потери времени, связанные с изменением погодных условий в период сева или сбора урожая. Использование техники интенсивно сокращает время сбора урожая, особенно в районах со сложными климатическими условиями, когда за небольшой промежуток времени из-за погодных условий необходимо обработать значительную площадь, а также позволит уменьшить потери, которые могут возникнуть из-за увеличения сроков уборки урожая.

Интенсификации использования техники можно добиться разными путями - введением многосменной работы, например. Такое мероприятие, однако, потребует увеличения количества операторов техники, а также расширения ремонтных зон и более масштабной работы технического персонала, обслуживающего автотракторную технику. Возрастает количество неисправностей, связанных с человеческим фактором, что явится результатом работы с техникой операторов с различным уровнем подготовки и опытом.

Есть и другой путь, который позволит увеличить коэффициент использования техники без увеличения численности операторов и обслуживающего персонала – это применение автоматического управления автотракторной техникой, т.е. создание автономных роботизированных комплексов. Нужно сказать, что при определённых условиях это положительно повлияет на ресурс и снижение количества отказов техники в связи с тем, что она благодаря электронике будет работать в оптимальных условиях, без недопустимых режимов, которые могут быть вызваны неопытностью или неосторожностью оператора.

Одновременно с развитием полностью автоматических систем можно использовать и дистанционно-управляемые, а также сочетающие дистанционное управление с полностью автоматическим (автономным). В этом случае управление осуществляется из стационарного пункта, либо из передвижного. Дело в том, что при управлении несколькими машинами уже необязательно находиться рядом с ними, координировать работу можно и удалённо, а при работе с группой устройств необходимо контролировать общую картину действий и аварийные ситуации.

Не исключается также и возможность создания своеобразных «машинно-тракторных станций» по образцу тех, которые функционировали в советских колхозах и совхозах, однако на качественно новом уровне.

Так, фермер–владелец земли может посчитать слишком дорогим приобретение роботизированных комплексов по обработке сельхозугодий, но он будет иметь возможность, заключив соответствующие соглашения с соседними хозяйствами сформировать автоматизированное «звено», предназначенное для выполнения тех операций, которые возможно автоматизировать (подготовка участков, сев, поливка, прополка, сбор урожая).

Формирование таких «звеньев» представляется логичным с точки зрения экономически выгодного разделения основных производственных функций между различными исполнителями, каждый из которых, обладая соответствующими навыками, может достичь более высокой квалификации.

На первый взгляд, целесообразным кажется наличие в сформированном «звене» работников всего двух специальностей – операторов мобильных платформ и специалистов по техническому обслуживанию и ремонту. При этом необходимо учитывать, что при передвижении техники от одного обслуживаемого участка к другому движение должно осуществляться в составе колонны автоматизированных платформ (5-7 единиц автотракторной техники), для управления которой требуются два оператора – один в головной машине, задающей направление и скорость движения, а второй – в замыкающей, обеспечивающей контроль за передвижением колонны.

Такой способ передвижения, очевидно, снизит издержки, неизбежно возникающие при передвижении моторизованных колонн, за счет уменьшения количества водителей, повышения скорости колонны, уменьшения возможности дорожно-транспортных происшествий.

Как представляется, необходимо несколько подробнее рассмотреть техническую сторону вопроса и принципиальную возможность создания мобильной платформы, которая могла бы найти применение в сельскохозяйственном производстве.

В настоящий момент такими устройствами занимаются многие разработчики автотракторной техники и электроники, как Российские, так и зарубежные. Вот некоторые из них:

1. Cognitive Technologies, Россия– система искусственного интеллекта для зерноуборочного комбайна [4,5].
2. CNH Industrial и Autonomous Solutions, Inc (ASI). – автопилот для полностью роботизированной платформы Case IH Magnum, Нидерланды [6].

3. Autonomous Tractor Corporation, модульный роботизированный трактор AT400 Spirit, США [7].

4. Autonomous Solutions (ASI), роботизированная платформа Forge Robotic Platform, США [8].

5. Advesta, робот для сбора земляники Agrobot SW6010, Испания [9].

6. Avrora Robotics, колёсный роботрактор АгроБот, Росси [2]

Системы, разработанные указанными производителями, и им подобные продемонстрировали, что могут осуществлять возложенные на них функции достаточно успешно, несмотря на достаточно сложное устройство.

Компонентами, необходимыми для корректной работы устройств, обеспечивающих заранее установленные функции в области сельскохозяйственного производства, являются следующие:

1. Модульное шасси, позволяющее работать с различными типами навесных устройств;
2. Силовая установка с различными типами двигателей;
3. Трансмиссия – гидрообъёмная, автоматическая, электрическая;
4. Силовая система управления – т.е. сервомеханизмы и приводы рулевого управления, тормозной системы, двигателя, коробки перемены передач, навесных устройств;
5. Центральный электронный блок шасси;
6. Электронный блок системы ориентации;
7. Система ориентации (GPS или ГЛОНАСС) с соответствующими датчиками.
8. Система аварийной остановки;
9. Система технического зрения, видеокамеры объёмного зрения для обеспечения движения и ориентирования платформы;
10. Система технического зрения для обеспечения работы систем ориентирования рабочих органов;
11. Электронный блок для управления рабочими органами;
12. Система контроля нагрузки прицепного устройства;
13. Система телеметрии и связи с центральной диспетчерской, работающая в режиме реального времени.

Все эти компоненты должны быть связаны системой контроля и блокировок, которая позволит при возникновении нештатной ситуации ограничить работу устройства вплоть до полной остановки как с внешнего пульта управления, так и автоматически.

Для работы такой системы также необходима виртуальная карта обрабатываемого участка земли с нанесёнными на неё критическими для нормальной работы объектами: опоры высоковольтных линий, канавы, участки земли, не участвующие в сельскохозяйственном процессе. Такую карту можно составить во время предпосевных работ, когда препятствия и посторонние для сельскохозяйственных работ объекты хорошо видны и могут с успехом восприниматься системой технического зрения. Карта поля хранится в памяти устройства и при определении координат ГЛОНАСС автотракторной техники перед началом работы на поле автоматически извлекается из памяти. В памяти может храниться несколько карт, в конечном счёте там может быть и комплексная карта всех полей агропредприятия. В памяти системы ориентации также должна храниться и траектория перемещения сельхозмашины по полю.

Может показаться, что система определения координат не может обеспечить точное позиционирование сельхозмашины на поле. Действительно, погрешность определения точки у навигатора может составлять несколько метров. Кроме того, сигнал со спутника идёт со сравнительно небольшой частотой (1Гц). За это время сельхозмашина при скорости 10 км/ч проедет порядка трёх метров, плюс ещё надо добавить время на исправления отклонения. Для того, чтобы отклонение составило минимальное значение, применяют специальные меры, позволяющие свести отклонение до минимума. Такие системы параллельного вождения (Trimble, Leica, TeeJet) достаточно дороги, но повышенная точность при определении координат сельхозтехники не всегда необходима. Дело в том, что при определении базовой точки перед началом работы эта ошибка может иметь большое значение. Предположим, что стартовая точка начала движения будет смещена на 1 метр. То есть, все точки будущей траектории сельхозмашины будут смещены на это расстояние. Получается, что весь квадрат обработанного поля будет смещён относительно карты на один метр, но расстояние между проходами будет поддерживаться таким, как было задано в программе. И получается, что в реальной работе точность в 0,1 метра реализовать достаточно сложно. Реальные же цифры будут колебаться в диапазоне 0,4-0,6 метра. Отечественные производители выпускают в настоящее время систему параллельного вождения «Кампус», которая и обеспечивает соответствующую точность.

Возможным дополнением, а может быть и альтернативой использованию систем ГЛОНАСС/GPS является система, использующая принципы локации на основе оптических (лазерных) или радиосистем.

Общую схему работы можно обрисовать следующим образом.

Перед непосредственным выводом техники на участки, подлежащие машинной обработке, по их границам, а также в местах излома границ, а возможно и в непосредственной близости от каких-либо препятствий, могущих повредить мобильные платформы, расставляются вешки с группами отражателей. Они могут быть оптическими или электромагнитными, и распределяться по схеме так, чтобы в каждой контрольной точке пространства поля датчиками робота воспринимались отражения сигналов от двух и более отражателей, определяющие как границы участков, так и обозначающие имеющиеся внутренние препятствия.

Каждая мобильная платформа оснащается передатчиками, излучающими индивидуальный закодированный сигнал, что позволяет использовать на одном поле несколько мобильных платформ и повысить помехозащищённость системы, приёмниками сигнала и системой компьютерной обработки сигнала, позволяющей составить по узловым точкам виртуальную карту поля.

К основным достоинствам такой системы навигации следует отнести отсутствие необходимости в заранее заготовленных картах, возможность составления карты обрабатываемых участков в реальном времени, а также дешевизну оборудования.

Как представляется, ориентация мобильной платформы (или нескольких мобильных платформ) с размещенным навесным оборудованием в случае установки таких «вешек-маяков» будет намного точнее, нежели возможна при ориентации по картам, которые предоставляются спутниковыми сервисами.

Попытаемся перечислить, какими данными должен оперировать электронный блок системы ориентации одного устройства:

1. Электронная карта местности;
2. Электронная карта траектории движения сельхозмашины;
3. Координаты сельхозмашины в реальном времени;
4. Изменение координат, вызванных перемещением сельхозмашины;
5. Соответствие ключевых точек изображения реальным изображениям с камер;
6. Анализ данных центрального электронного блока;
7. Соответствие карты препятствий реальным препятствиям на поле;
8. Появление ранее не запомненных препятствий;
9. Анализ параметров электронного блока для управления работой рабочих органов;
10. Анализ параметров тягово-сцепного устройства;
11. Анализ усилий на вале отбора мощности (ВОМ);
12. Выполнение внешних команд от выносного пульта управления.

В результате обработки информации электронный блок оперирует следующими управляющими воздействиями:

1. Скоростью движения сельхозмашины;
2. Направлением движения сельхозмашины;
3. Усилием на тягово-сцепном устройстве;
4. Предоставляет необходимые данные для работы электронного блока рабочих органов;
5. Параметрами работы ВОМ;
6. Предоставляет необходимую информацию для работы телеметрической системы.

Это достаточно приближённый список, характеризующий сложность электронной части такой машины, тем не менее все эти функции достаточно хорошо реализуются с помощью современного программного обеспечения или будут реализованы в ближайшее время.

В первых опытах по созданию автоматизированной автотракторной техники за основу брались стандартные тракторы, на которые устанавливались системы автоматического вождения. Это было связано с определёнными затруднениями. Со временем стало понятно, что для этой ветви развития сельхозмашин требуется специально спроектированное шасси, трансмиссия, органы управления. Появилась идея модульной конструкции, универсальной платформы. Но для успешной реализации такой идеи мы должны в корне изменить органы управления системой. Если мы меняем оператора на машине с человека на робота, то нельзя на автоматическую систему переносить эргономику человеческого тела, т.е. мы должны адаптировать элементы конструкции для использования её автоматом, либо установить такие системы, применение которых при применении необходимого количества датчиков и сервоприводов упростит конструкцию и позволит её сделать надёжнее. И если при автоматизации рулевого управления такую задачу можно решить достаточно успешно, то при организации конструкции трансмиссии, рассчитанной на работу с автоматическим управлением, можно получить достаточно много проблем. Так, на тракторах применяются следующие виды трансмиссий:

1. Механическая с сухим сцеплением;
2. Механическая с гидротрансформатором;
3. Гидрообьёмная;
4. Электрическая.

Первые две надёжны, но при автоматизации возникает ряд чисто технических проблем.

Гидрообъёмная автоматизируется неплохо, но сложна в производстве и дорога.

Электрическая из-за дороговизны и сложности пока большого распространения не получила.

Какая из указанных трансмиссий займёт лидирующее положение, покажет время. Правда, есть ещё один тип трансмиссии, на который производители автотракторной техники для сельского хозяйства в настоящее время не обращают особого внимания. В конструкции зерноуборочных комбайнов она в своё время получила прочную прописку. Это вариаторная трансмиссия. [1]. В отличие от старых типов вариаторной трансмиссии, она претерпела значительные изменения: получила малые габариты при передаче высокого крутящего момента. Это произошло благодаря разработкам фирмы Van Doorne^,s Transmissie B.V.[11]. Идею подхватила фирма Nissan motor Сo, а затем подключились инженеры фирмы Aisin Am Co, LTD, разработав новый алгоритм работы и способ управления. В 1997 году фирма Nissan motor Сo выпустила первую коробку CVT-1 и она начала устанавливаться на конвейере. Первоначально трансмиссия работала с двигателем с механической дроссельной заслонкой, впоследствии, по мере развития системы коробка-блок управления, она была заменена на электронную дроссельную заслонку.

По мере развития электронных автомобильных систем данная трансмиссия получила электронное управление по CAN-шине [1], что позволило иметь более гибкое управление режимами работы трансмиссии, увеличить срок службы механических узлов, адаптировать трансмиссию под манеру езды водителя и для различных условий движения.

Основной особенностью CVT было то, что переключения передач, как такового не происходило, просто при движении плавно изменялось передаточное число, что, несомненно являлось очевидным преимуществом при сравнении со стандартными автоматическими и механическими коробками передач. Транспортное средство получило плавный, энергичный бесступенчатый разгон, что позволило ему выигрывать секунды при сравнении с таким же транспортным средством с похожим двигателем, но оборудованном классической автоматической или механической трансмиссией. В этой ситуации нас прежде всего интересует возможность задания трансмиссии необходимого передаточного числа, причём переход от одного передаточного числа к другому можно будет осуществлять без разрыва потока мощности.

Трансмиссия CVT управляется электроникой по CAN-шине, что позволяет ей работать с электронными управляющими блоками, позволяет по команде электронного блока плавно менять передаточное число, передаёт достаточно большой крутящий момент и мощность. Эта трансмиссия имеет достаточно низкую стоимость и сравнительно малое число деталей. Её устройство позволяет выполнить её отдельным блоком, который можно оперативно заменить в процессе ремонта.

В настоящее время нами проведена достаточно объёмная работа по исследованию свойств трансмиссии CVT [2].

1. Создана экспериментальная установка для изучения особенностей работы трансмиссии CVT.

2. Произведены стендовые испытания трансмиссии CVT.

3. Произведены испытания трансмиссии CVT в реальных условиях.

4. Проводится изучение неисправностей трансмиссии.

5. Исследуются некоторые приёмы диагностических воздействий, направленных на установление её технического состояния.

6. В результате обработки полученной информации были получены результаты, свидетельствующие о применении и возможности работы трансмиссии CVT на автотракторной технике.

Выводы:

1. Автоматическая работа таких автотракторных систем в пределах конкретной электронной карты возможна и может быть реализована.
2. Для реализации такого проекта может потребоваться пересмотр требований к системам управления и элементам конструкции.
3. Применение трансмиссии CVT для автоматической автотракторной техники может иметь ряд преимуществ по сравнению с традиционными трансмиссиями.
4. Для подтверждения результатов исследования трансмиссии CVT предлагается постройка полезной модели единицы автотракторной техники, использующую подобную трансмиссию.

Литература:

1. Корабельников С. К., Картошкин А.П., Распопов В.И. Электронные системы управления трансмиссией автомобиля.
2. Корабельников С. К., Распопов В.И., Лосев А.В. Результаты стендовых испытаний вариаторной трансмиссии легкового автомобиля. Сборник научных трудов международной научно-технической конференции, профессорско-преподавательского состава «Научное обеспечение развития АПК в условиях импортозамещения». - Санкт-Петербургский государственный аграрный университет, 2016.
3. Николаенко А.В. Улучшение эксплуатационных показателей автомобилей, тракторов и двигателей. // Известия Международной академии аграрного образования, Том 4 – 2013. - №16.
4. https://daily.afisha.ru/brain/3466-kak-ustroena-pervaya-rossiyskaya-sistema-bespilotnogo-avtomobilya/
5. http://cognitivepilot.com/
6. https://www.asirobots.com/autonomous-solutions-inc-and-cnh-industrial-unveil-concept-autonomous-tractor/
7. https://agfundernews.com/autonomous-tractor-corporation-aims-to-be-the-tesla-for-tractors.html
8. https://www.asirobots.com/
9. http://agrobot.com/
10. https://avrora-robotics.com/ru/projects/agrobot/
11. https://www.researchgate.net/publication/228713307_Push_belt_CVT_developments_for_high_power_applications