Статья: Оценка потребности сельского хозяйства в технологиях точного земледелия (2025)

Разработка отечественных технологий повышения надежности сельскохозяйственной техники, в том числе сборных элементов, узлов, механизмов и отдельных деталей, составляет один из важных этапов сельскохозяйственного производства. С целью выбора износостойкого материала при изготовлении рабочих органов и оценки эффективности упрочняющих технологий их рабочих поверхностей под конкретные условия эксплуатации необходимо проводить ускоренные ресурсные испытания соответствующими современными методами и средствами. (Цель исследования) Разработать установку, обеспечивающую ускоренные испытания на коррозионно-механическое изнашивание рабочих органов сельскохозяйственных машин и оборудования, применяемых в животноводстве при изготовлении и подготовке кормов. (Материалы и методы) Разработана методика ресурсных испытаний режущих элементов сельскохозяйственных машин для животноводства и кормопроизводства. Представлены кинематическая схема установки и возможная фиксация рабочих органов на рабочем валу установки. Дана оценка уровня механического и коррозионного изнашивания рабочих органов при ускоренных ресурсных испытаниях. (Результаты и обсуждение) Модуль управления установкой включает в себя электрическую схему и пульт управления, позволяющий регулировать частоту вращения испытуемых рабочих органов, изменение направления вращения (прямое и обратное) вала установки, экстренное торможение. Выбраны электродвигатель установки, частота вращения вала. Рассчитаны параметры клиноременной передачи привода установки: тип и количество ремней, диаметры ведущего и ведомого шкивов, передаточное число, обеспечивающие необходимую частоту вращения вала. Проведен прочностной расчет в случае заклинивания рабочего вала одним из держателей среднего ряда ножей, подтверждающий прочностной запас. (Выводы) Предлагаемая установка обеспечивает ускоренные ресурсные испытания рабочих органов машин и оборудования, позволяет оценивать эффективность технологий упрочнения рабочих поверхностей. Суть методики заключается в определении коррозионно-механического изнашивания рабочих органов в субстрате, имитирующем физико-химическое свойства растительной среды, при осуществлении процесса резания в установленных режимах испытаний. Предлагаемая установка полностью соответствует прочностным характеристикам и сохранит свою работоспособность при возможных перегрузках.

Производство питьевого молока на альпийских пастбищах связано с рядом особенностей и сложностей. Отсутствие адаптированных технических средств для получения и первичной обработки молока может привести к экономическим потерям, даже если район обладает экологически чистыми ресурсами и богатой кормовой базой. (Цель исследования) Разработка технических средств и технологии замкнутого цикла производства коровьего питьевого молока в условиях альпийских пастбищ. (Материалы и методы) Рассмотрены основные аспекты организации замкнутого цикла производства молока с применением технических средств для получения и первичной обработки молока за счет возобновляемого источника энергии горных ледниковых рек. Данные технические решения обеспечены патентной защитой, опытные образцы успешно апробированы в горных хозяйствах Кабардино-Балкарской Республики. (Результаты и обсуждение) Предлагаются технические средства молоковыведения, адаптированные для щадящего воздействие на вымя коров при доении. Парное молоко поступает в охладительную установку с естественным источником холода от ледниковых рек. Начальная степень чистоты молока соответствовала 1-й группе, средняя жирность 3,65 процента, бактериальная обсемененность 280,7 тысяч микроорганизмов на 1 миллилитр. Среднесуточный удой составил 12,5 килограмма при поголовье 100 коров. Выдоенное молоко охлаждается в течение 25 минут и его температура поддерживается до дальнейшей транспортировки или переработки. Предлагаемый подход соответствует эффективным условиям хранения молока в горах. (Выводы) Внедрение рассмотренных технических решений существенно повышает рентабельность производства коровьего молока на альпийских пастбищах. В технологическую линию включены кроме доения и первичной обработки молока операции по поддержанию плодородия и состояния почвы пастбищных угодий с утилизацией отходов жизнедеятельности поголовья при доильном центре.

Коллаборативная робототехника в сельском хозяйстве ориентирована на автоматизацию трудоемких процессов. Коллаборативные мультиагентные робототехнические системы (КМРТС), в отличие от традиционных автономных систем, предполагают активное взаимодействие между роботами и операторами-людьми, что требует разработки новых методов координации, адаптации и обеспечения безопасности в условиях неопределенности и динамично изменяющейся среды. (Цель исследования) Разработка теоретических и прикладных подходов к моделированию поведения и управлению коллаборативными мультиагентными робототехническими системами, направленных на обеспечение эффективного распределения задач, координации действий агентов и их безопасного взаимодействия с людьми при выполнении операций по сбору урожая плодовой продукции. (Материалы и методы) Для достижения поставленных целей использовались методы теории игр, машинного обучения и управления с учетом рисков. Построена математическая модель, описывающая взаимодействие агентов с учетом вероятностной природы среды и наличия оператора. Валидация предложенных решений осуществлялась посредством численного моделирования, а также на основе данных, которые получены в условиях экспериментального полигона, имитирующего реальные сельскохозяйственные сценарии. (Результаты и обсуждение) Разработаны алгоритмы координации, адаптации и перераспределения задач между агентами коллаборативной мультиагентной робототехнической системой, обеспечивающие устойчивость к ошибкам сенсорного восприятия, задержкам передачи данных и внешним возмущениям, характерным для сельскохозяйственной среды. Особое внимание уделено адаптации поведения агентов в ответ на действия операторов-людей, включая возможность приоритизации задач и контекстно-зависимого изменения стратегии взаимодействия. Симуляционные эксперименты продемонстрировали повышение производительности системы за счет более равномерного распределения нагрузки между роботами, уменьшения числа конфликтов при выполнении совместных задач и сокращения простоев. Также зафиксировано улучшение показателей безопасности, в частности, снижение вероятности столкновений и некорректных реакций на присутствие человека в рабочей зоне. (Выводы) Разработанные модели и алгоритмы могут быть использованы для построения интеллектуальных коллаборативных мультиагентных робототехнических систем, способных к адаптивному и безопасному взаимодействию в условиях сельскохозяйственного производства, что способствует росту эффективности автоматизированного сбора урожая и снижению зависимости от человеческого труда.

Отметили, что традиционные методы наблюдения за посевами относятся к трудоемким, затратным по времени и стоимости, а применение спутниковых снимков ограничивается погодными условиями, низким разрешением и большим интервалом между съемками. Использование беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) позволяет оперативно проводить мониторинг, своевременно обнаруживать отклонения и нарушения в развитии растений. (Цель исследования) Разработать информационную модель оперативного мониторинга с применением БПЛА и поддержки принятия решений. (Материалы и методы) К ключевым операциям ухода за посевами относятся дифференцированное опрыскивание с учетом карты обрабатываемых зон, точечное и зональное внесение удобрений по значениям индексов NDVI/NDRE, выявление болезней и вредителей, а также прогнозирование урожайности на основе статистической обработки временных рядов. Проведен системный и контент-анализ существующих материалов. Учитывая значительный объем и разнообразие данных, получаемых с БПЛА, особенно при производстве зерновых культур, обосновали выбор метода информационного моделирования. (Результаты и обсуждение) Выделены преимущества и недостатки применения БПЛА в сельском хозяйстве. Показали, что большой объем разнообразной информации с БПЛА необходимо собирать, систематизировать и качественно обрабатывать. Предложена схема информационной модели оперативного мониторинга посевов и поддержки принятия решений в точном земледелии на основе данных с БПЛА. В схеме предусмотрены блоки получения и предварительной обработки данных, вычислительный модуль для выполнения математического анализа с применением методов моделирования, машинного обучения и экспертной системы для выдачи рекомендаций по проведению агротехнических мероприятий. (Выводы) Обосновали, что внедрение БПЛА при грамотной организации процесса позволит снизить затраты на ресурсы топлива, воды, удобрений и пестицидов. Кроме этого, применение БПЛА будет способствовать повышению урожайности и эффективности использования трудовых ресурсов за счет точного мониторинга, автоматизации и оптимизации агротехнических мероприятий.

В связи с развитием техники для посева в целях повышения качества и снижения трудоемкости производственных операций первого этапа работ необходимо совершенствование селекционной сеялки в направлении роботизации процесса посева. (Цель исследования) Разработать конструкцию и алгоритм работы роботизированной сеялки для зерновых, зернобобовых и других культур на первом этапе работ селекции и обосновать параметры подачи семян при посеве. (Материалы и методы) Схема сеялки разработана в соответствии с требованиями отраслевой нормативной документации, обоснованы конструктивно-технологические параметры подачи семян при посеве при помощи роботизированного кассетного загрузочного устройства карусельного типа. (Результаты и обсуждение) Отметили некоторые конструктивные особенности селекционных сеялок для первого этапа работ при помощи роботизированного кассетного загрузочного устройства карусельного типа. Составлены схема и алгоритм работы сеялки, формулы скорости подачи кассет с семенами при многорядном посеве и скорости перемещения заслонки распределителя при однорядном посеве. Выявлен новый тип высевающего аппарата распределительного типа с дозирующей заслонкой. Разработан экспериментальный образец сеялки СССР-1 и проведены лабораторные испытания посева семян яровой пшеницы в 6 рядов с междурядьями 15 см и расстоянием между семенами 20 см на делянке шириной 1 м. (Выводы) При рабочей скорости движения сеялки 1 километр в час и расстоянии между семенами в одном рядке от 0,1 до 0,3 метра скорость перемещения кассет при многорядном посеве составила от 0,056 до 0,168 метра в секунду, при однорядном посеве скорость перемещения заслонки распределителя варьируется от 0,028 до 0,084 метра в секунду. Отклонение от нормы высева составили 1 процент, коэффициент вариации расстояний между семенами в одном рядке не превышает 5 процентов. Роботизированная селекционная сеялка обеспечит контролируемое качество выполнения посева зерновых и других культур на первом этапе работ в селекции и семеноводстве, создаст предпосылки для повышения производительности и снижения трудоемкости основной операции посева.

Отмечено, что в России около 25,5 миллиона гектаров пахотных земель характеризуется повышенной кислотностью (рН менее 5,5), что приводит к снижению до 30 процентов урожайности основных культур и значительному падению эффективности применения минеральных удобрений. (Цель исследования) Поиск возможных путей раскисления почв и технического решения данной проблемы. (Материалы и методы) Проанализированы результаты эксперимента с доломитовой мукой грубого помола на черноземных суглинистых почвах, показавшие эффективность метода в нейтрализации кислотности. Исследуются биохимические процессы при внесении известковых материалов и их влияние на структуру почвы. (Результаты и обсуждение) Известкование – ключевой метод понижения кислотности почвы и создания оптимальных условий для жизнедеятельности микроорганизмов, что способствует более рациональному использованию минеральных удобрений. Кроме того, известкование формирует геохимический барьер, который предотвращает вымывание подвижных элементов из почвы и сокращает вынос биогенов в водоемы. Одним из наиболее перспективных вариантов внесения известковых мелиорантов на данный момент являются универсальные полуприцепы, которые могут оборудоваться дисками разбрасывателями. (Выводы) Известкование почв повышает эффективность использования минеральных удобрений, создает оптимальные условия для жизнедеятельности почвенных микроорганизмов. Также в 1,4-2,7 раза повышается эффективность использования азотистых удобрений, а коэффициент использования фосфорных удобрений возрастает на 10-15 процентов. Доломитовая мука грубого помола эффективно снижает кислотность почвы. Для раскисления почвы от среднекислой до слабокислой (pHKCl 5,3-5,6) необходимо вносить известковые материалы в дозах 4 тонны на гектар.

Отметили, что приготовление тресты является важным этапом производства льна. Средства механизации, которые задействованы в этих процессах, существенно влияют на показатели качества подготовки тресты. (Цель исследования) Анализ динамики работы подборщика лент льна и исследование взаимодействия со стеблями пальцев подбирающего барабана в зависимости от его конструкционных параметров в трудных условиях уборки. (Материалы и методы) Изучение процесса подъема льнотресты подбирающим барабаном с применением уравнения Лагранжа II рода. (Результаты и обсуждение) Определены закономерности взаимодействия барабана и пальцев подборщика с группой стеблей. Получена зависимость полярного радиуса группы сцепленных стеблей от времени и условия их транспортирования без смещения с пальцев. Установлено, что необходимо обеспечить такие режимы, чтобы относительная скорость равнялась или была меньше нуля и направлена от конца пальца к центру вращения пальцев. Графически представлено влияние параметров угловой скорости вращения барабана, угла отклонения расстояния, радиуса барабана и коэффициента трения скольжения на изменение полярного радиуса группы стеблей. (Выводы) Для транспортирования группы сцеп ленных стеблей без смещения с пальцев относительная скорость должна быть равна или меньше нуля и направлена от конца пальца к центру вращения пальцев. Отмечено, что наиболее интенсивно полярный радиус реагирует на изменение угловой скорости. Результаты исследования использованы при проектировании подбирающего барабана инновационного подборщика-оборачивателя.

Возможность своевременно отличать заболевшие сельскохозяйственные культуры от здоровых играет реша­ющую роль в обеспечении продовольственной безопасности и минимизации экономических потерь. Машинное зрение в сочетании с алгоритмами глубокого обучения позволяет эффективно и точно отслеживать состояние посадок картофеля, выявляя симптомы заболеваний, что является более продуктивным подходом по сравнению с традиционными методами визуальной оценки. (Цель исследования) Сравнительный анализ одноэтапного и двухэтапного подходов к распознаванию заболевших и здоровых растений картофеля на основе алгоритмов глубокого обучения. (Материалы и методы) В исследовании использовали два подхода к процессу обучения нейронной сети с целью распознаванию заболевших и здоровых растений картофеля: одноэтапный и двухэтапный. В рамках одноэтапного подхода применялся один алгоритм глубокого обучения для одновременной классификации и локализации растений. Двухэтапный подход включал использование двух алгоритмов: первый определял границы растений, а второй классифицировал их как здоровые или заболевшие. С целью обучения алгоритмов использовались различные базы данных, включая снимки листьев и кустов картофеля. (Результаты и обсуждение) Проведен сравнительный анализ эффективности одноэтапного и двухэтапного подходов к распознаванию заболевших растений картофеля с использованием алгоритмов глубокого обучения. По каждому методу обучения было определено общее среднеквадратичное отклонение и среднеквадратичное отклонение для координат, построены матрицы запутанности. (Выводы) Двухэтапный подход продемонстрировал высокую эффективность в дифференциации больных и здоровых кустов картофеля, несмотря на небольшое снижение точности определения координат по сравнению с методом двухэтапного обучения, где использовались снимки как отдельных листьев, так и растений в целом. Данные методы имеют уникальные преимущества и могут быть интегрированы с современными технологиями для более эффективного выявления фитопатологий.

Проведенный ранее анализ показал перспективность использования технологии магнитного подвеса для создания левитирующей модели доильной платформы карусельного типа на постоянных магнитах и проведения ее экспериментальных исследований (Цель исследования) На основе предложенных технологических схем провести экспериментальные исследования и магнитостатический расчет левитирующей доильной платформы «Карусель» с использованием аксиально намагниченных постоянных магнитов прямоугольной формы. (Материалы и методы) Рассмотрено три варианта расположения постоянных аксиально намагниченных неодимовых магнитов кубической формы (0,01×0,01×0,01 метра) на подвижной вращающейся и неподвижной частях карусели и методика определения левитирующих и боковых зазоров между подвижными и неподвижными магнитами на холостом ходу и под нагрузкой. (Результаты и обсуждение) Разработана экспериментальная модель левитирующей доильной платформы карусельного типа на 24 места в масштабе (1:33), проведены экспериментальные исследования. Установлено, что наиболее предпочтительным вариантом является размещение магнитов друг над другом одноименными полюсами навстречу друг другу с тангенциальным зазором (0,004-0,002 метра) на подвижной и неподвижной частях платформы на окружностях одинакового радиуса. Левитирующий зазор между магнитами обратно пропорционален создаваемой нагрузке, которая увеличивается от 9 до 26,8 ньютона с уменьшением радиуса расположения магнитов (от 0,1 до 0,06 метра) и соответствующим уменьшением тангенциального зазора между магнитами (с 0,013-0,016 до 0,004-0,002 метра) при сохраняющемся левитирующем зазоре 0,013 метра. (Выводы) Максимальная удельная грузоподъемность платформы с учетом собственной массы подвижной части платформы (26,8 + 8 ньютонов), отнесенная к установленной массе 48 магнитов (48 × 0,0074 = 0,355 килограмма) составила 98 ньютонов на килограмм, что близко к расчетным значениям (84 ньютона на килограмм).

Сельское хозяйство все меньше зависит от традиционных механических систем по мере внедрения интеллектуальных систем управления. Использование адаптивных алгоритмов и нейронных сетей позволяет оптимизировать работу двигателей, аккумуляторов и гидравлических систем при переменной нагрузке и сложных условиях эксплуатации. (Цель исследования) Разработать электронную систему управления (ЭСУ) для последовательного гибридного трактора с мотор-колесами. (Материалы и методы) Исследования включали анализ компонентов гибридного трактора, таких как дизель-генератор, тяговая батарея, мотор-колеса и электронные блоки управления (ЭБУ). В основе архитектуры лежит использование микропроцессорных модулей с системами обратной связи (в основном CAN-шина для обмена данными), а также разрабатываются модели алгоритмов управления для обеспечения точной и адаптивной работы систем с учетом динамических условий эксплуатации. (Результаты и обсуждение) Предлагаемая электронная система управления позволяет повысить энергетическую эффективность и экологическую безопасность последовательного гибридного трактора с мотор-колесами. Внедрение адаптивных алгоритмов позволяет увеличить коэффициент полезного действия дизельного двигателя-генератора до 42 процентов, снизить расход топлива на 12-15 процентов и уменьшить выбросы CO2 на 15 процентов. Точные системы гидравлики и торможения обеспечивают снижение тормозного пути на 8-12 процентов, а нейронные сети позволяют прогнозировать параметры торможения с точностью до 95 процентов. Модернизированные аккумуляторные системы демонстрируют стабильную работу при температурах от 0 до 100 градусов Цельсия, что способствует долговечности и надежности оборудования. Эти результаты подтверждают перспективность применения интеллектуальных систем для повышения эффективности и экологической безопасности сельскохозяйственной техники. (Выводы) Разработанная электронная система управления позволяет оптимизировать работу компонентов сельскохозяйственной техники последовательного гибридного трактора с мотор-колесами. Адаптивное и точное регулирование параметров в реальном времени улучшает маневренность и безопасность работы трактора в различных условиях эксплуатации, что способствует продлению срока службы компонентов и повышению производительности.