Системы параллельного и автоматического вождения

С внедрением в сельском хозяйстве технологий точного земледелия и значительным расширением площадей плантаций, наиболее востребованным стало использование систем, главным звеном которых являются агронавигаторы и подруливающие устройства. Однако в России не до конца понимают, как эти системы работают, какие преимущества дают при обработке полей.

Самыми часто встречающимися являются 3 основных класса приборов, принимающих сигнал GPS:

• системы параллельного вождения с графическим следоуказателем;
• подруливающие устройства, монтируемые на рулевой колонку;
• исполнительные механизмы автопилотирования.

Современный агронавигатор для трактора – это не программа на телефон, которая дает просто катастрофическую погрешность в 10-15 метров. Это высокоточная система, которая состоит из точного приемника сигнала спутниковой навигации, устройства параллельного движения и специального автоматического подруливателя в кабине трактора. Комплекс показывает погрешность не более 15-20 сантиметров, обеспечивая существенную экономию при любых работах в поле.

Важно понимать – несмотря на то, что цена на агронавигаторы профессионального качества может показаться высокой, окупаются они буквально за 2-3 сезона.

Применение глобальных информационных систем космического базирования становится возможным после размещения на сельскохозяйственной технике специализированных приборов, непрерывно получающих данные о положении космических навигационных аппаратов и дистанции до них.

Выбор способа управления движением такой техники зависит от заданных критериев точности. Оно может осуществляться механизатором вручную с помощью показаний графического табло, с задействованием подруливающего устройства или в режиме автоматического пилотирования.

Первый вариант – непосредственно система параллельного вождения на комбайне или тракторе. Она подразумевает активное участие человека в управлении техникой по общей схеме:

1. Изменение положения и координат машины;
2. Отклик графического устройства кабины и преобразование отклонений от исходного маршрута в наглядную форму;
3. Вращение пользователем джойстика или рулевого колеса для ответных мер по удержанию заданной траектории.

Точность такого способа сильно ограничена психомоторикой человека: среднестатистическое время реакции и чувствительность не позволяют выполнять вождение с погрешностью меньше 30 см., которая также соответствует классу точности классического GPS-устройства, сопряженного с 24 низкотраекторными космическими аппаратами.

Простейшая система параллельного вождения на сельскохозяйственной технике в типовом случае содержит в себе GPS-приемник с антенной, размещаемой снаружи, и курсовой указатель.

Для установки таких систем необходимы лишь источник электропитания заявленного класса и приемное устройство. Длительность обучения эксплуатации представленного оборудования зависит от желания руководителя и может продолжаться от десятков минут до 1-2 дней.

Важно знать, что применение комплексов параллельного вождения на тракторах и комбайнах с указанной тридцатисантиметровой точностью достаточно ограничено и по большей части используется для работ, не требующих большой точности – удобрения почвы.

Для всех остальных операций, которым необходима прецизионность (посев, обработка защитными смесями, почвообработка, мелиорация, сбор урожая), сельхозтехнику требуется направлять с повышенной точностью.

Системы второго и третьего варианта предназначены именно для этого. Они состоят из следующих элементов:

• двухдиапазонный навигационный приемник с абсолютной точностью наведения 10 см.;
• следоуказатель (ЖК дисплей или экран со светодиодами);
• подруливающее устройство в кабину трактора, комбайна;
• датчик антенны приемника для расчета отклонений, вызванных неровностями местности, и корректировки положения при движении.

Существует два наиболее распространенных способа для корректировки данных, исходящих с базовых спутников, и снижения погрешностей. Такие поправки формируются как за счет высокоорбитальных космических аппаратов геостационарного базирования, благодаря чему предельные отклонения падают до 10 см, так и за счет спутниковой станции RTK с приемником GNSS, расположенной вблизи поля.

Основным отличием автопилотирования от вождения по указателю является то, что регистрируемые контроллером положения отклонения текущих координат от установленного маршрута бортовыми вычислительными схемами вводятся в управляющую систему, минуя люфты рулевого привода.

Дополнительно машина оснащается датчиком слежения угловых положений колес. В совокупности с RTS она обеспечивает максимум прецизионности движения с отклонением до 2 см без участия пользователя.

Такое достоинство можно пояснить простым примером. Из практики видно, что большинство операторов при обработке культур жидкостями проходят соседние ряды с определенным перекрытием с целью недопущения пропусков.

Закономерный итог такой перестраховки: даже с применением пенных маркеров перекрытие составляет около 5%, значительно повышая затраты.

Применение на тракторе даже простейших указателей курса с агрегатом подруливания ограничивает такое пересечение диапазоном 2...3%.

Дополнительно снизить затраты позволяют различные коммерческие варианты, передающие поправки приемнику, обеспечивающие точность прохождения в пределах 10 см.

Графический дисплей в удобном формате отображает текущие координаты транспортного средства относительно поля и снабжает механизатора вспомогательными данными при движении по кривым или во время разворотов.

Панель обладает возможностью разборчивой передачи информации в условиях сильной освещенности атмосферы.

Автономный компьютер – бортовая цифровая вычислительная машина – комплекс, управляющий данными для наведения, коррекции, независимого управления, ведения съемки и записей, открытия приложений с введением изменяемых параметров.

Датчик слежения за углом поворота колесных пар разработан для реализации схемы обратной связи «колеса – управляющая система».

Бортовой контроллер, получая от приемника GPS и других датчиков пакеты данных, приходящих также с направляющих колес, вырабатывает команды для внутренней управляющей системы.

Клапан гидравлики предназначен для преобразования сигналов электрического тока (контроллера) в гидравлические усилия, которые используются для сохранения заданного эксплуататором курса.

Подруливающее устройство для трактора, монтируемое на рулевой колонке, непосредственными воздействиями осуществляет вождение с точностью порядка 10 см.

Базовая ретранслирующая станция, устанавливаемая в окрестностях поля, отправляет приемнику подключенного комбайна поправки, требуемые для определения текущих координат с повышенной точностью (в пределах 2 см по абсолютному значению).

Начальный набор элементов для параллельного вождения с/х техники (погрешность до тридцати сантиметров) состоит из следующих устройств:

• светодиодная или графическая панель;
• внешняя антенна с площадкой для крепления на корпусе;
• крепеж и набор проводных линий связи;
• программный продукт с прилагаемой инструкцией по эксплуатации.

Если почитать отзывы про современные агронавигаторы, можно понять, что они способны осуществлять управление подруливающими устройствами, достигая точности в 10-15 сантиметров. Такой GPS навигатор полей, конечно, значительно экономит деньги фермера.

Ключевыми понятиями, необходимыми для систематизации знаний в области спутниковой навигации считаются абсолютная и относительная точности.

За абсолютную точность принимаются фактические координаты объекта для определения его местоположения в рамках глобальной информационной сети (декартовы, угловые).

Для транспортных средств с агронавигаторами и подруливающими устройствами ограничиваются относительной точностью, вычисляемой как текущее положение предмета относительно какого-то опорного объекта.

Мировая сеть поправок разнообразна, на сегодняшний день в мире работают несколько таких сервисов, однако в РФ деятельность осуществляет только OmniStar.

Принцип действия заключается в следующем:

• корпорация располагает своей сетью опорных станций (расположенных на земле);
• они автономно определяют требуемую поправку к задаваемому сигналу;
• после этого через высокоорбитальные космические аппараты передает ее на сопряженный приемник GPS.

Дальнейшее повышение качества часто осуществляется через услугу RTK, которая требует размещения в районе поля стационарной станции GNSS, самостоятельно высылающей пакеты поправок по радиосигналу на одной из 2-х фиксированных частот: 450 или 900 МГц.

Способ позволяет не платить за подписку на приемник, как у мировых сервисов, при этом также достигается высокая относительная точность. Однако он требует существенных единоразовых затрат на оборудование. При этом станция обладает ограниченным радиусом действия из-за особенностей распространения сигнала, в среднем равном 11 км.

Одним из способов нивелирования такого ограничения является объединение различных станций RTK соседними хозяйствами для более полного покрытия площадей, либо коммерческая продажа своего сигнала.

Важно! Точность вождения сельскохозяйственной техники вместе с точностью измерений, выполняемых GPS-устройством, являются сильно взаимосвязанными понятиями. Это определяет важность понимания водителями и аграриями основных принципов работы таких приемников.

Сильное влияние на точность и качество определения координат техники оказывает ряд причин:

• количество попадающих в поле зрения спутников;
• прозрачность атмосферы;
• временные рассогласования;
• качество распространения сигнала и т.д.

Автоматическое управление сельскохозяйственной техникой, агронавигаторы и подруливающие устройства значительно повышают точность и позволяют контролировать расстояния между линиями движения.

Все типовые действия, связанные с сельским хозяйством, при их применении осуществляются с минимальными пересечениями. Ключевым преимуществом является не только экономия финансов, но и человеко-часов, моторесурсов, снижение расхода ГСМ, семян. Также навигация позволяет проводить работы круглосуточно (например, опрыскивание лучше выполнять в ночное время суток) независимо от погоды.