Современные тенденции в сельском хозяйстве свидетельствуют о широком внедрении информационных технологий и сети датчиков интернета вещей для мониторинга агрофизических параметров почвы и фенотипирования объектов. Этот подход обеспечивает точный анализ данных в реальном времени, способствуя оптимизации агротехнических процессов и созданию адаптивных систем управления. Слияние информационных технологий с мониторингом агрофизических параметров и фенотипирования объектов подчеркивает стратегическую важность данного подхода, особенно в условиях изменчивости климата и необходимости повышения устойчивости производства. (Цель исследования) Разработать интеллектуальную полевую сенсорную станцию, обеспечивающую высокую точность мониторинга агрофизических параметров и фенотипирования растений в реальном времени с использованием сети датчиков интернета вещей. (Материалы и методы) Проанализированы и изучены существующие методы мониторинга агрофизических параметров и фенотипирования объектов. На основе различных методов мониторинга агрофизических параметров и фенотипирования объектов разработана конструкция и выбраны датчики для интеллектуальной полевой сенсорной станции. (Результаты и обсуждение) Интеллектуальная полевая сенсорная станция успешно продемонстрировала свою эффективность, подтвердив работоспособность и надежность в одновременном получении данных. Собранные данные об агрофизических параметрах почвы, метеорологических условиях и фенотипе растений предоставляют обширную информацию для точного земледелия и оптимизации сельскохозяйственных процессов. (Выводы) Светло-серая лесная почва с высокой пористостью и нейтральным уровнем pH благоприятна для возделывания сельскохозяйственных культур. Предварительный химический анализ почвы выявил умеренные значения содержания органического вещества, подвижного фосфора и калия, что указывает на потенциально плодородный участок. Метеорологические данные представляли собой ключевой аспект для агрометеорологического анализа, который в свою очередь оказывает существенное влияние на сельскохозяйственные процессы. Разработанная станция представляет инновационный взгляд на мониторинг сельскохозяйственных параметров, обещая перспективы в современном земледелии.
Сушка пищевых продуктов и материалов относится к наиболее распространенным способам и энергоемким процессам переработки сырья. Основным недостатком традиционных электрических конвективных бытовых сушилок являются потери теплоты в окружающую среду с влажным отработанным сушильным агентом. Также в подобных установках высушиваемый продукт нагревается неравномерно за счет снижения температуры и увеличения относительной влажности по мере продвижения снизу вверх. (Цель исследования) Провести лабораторные исследования процесса сушки на примере яблок для оценки энергозатрат на испарение 1 кг влаги разработанной конвективной термоэлектрической сушильной установкой и сравнить ее энергоэффективность с серийно выпускаемыми конвективными сушилками. (Материалы и методы) На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований были разработаны функциональная схема и лабораторный образец конвективной термоэлектрической сушилки с применением термоэлектрического теплового насоса. Сушка продукта осуществляется сушильным агентом (нагретым воздухом) с частичной рециркуляцией и рекуперацией теплоты удаляемого воздуха. (Результаты и обсуждение) Получены графики изменения температуры в контрольных точках и относительной влажности сушильного агента на входе и на выходе из разработанной установки. Представлены параметры яблок до и после сушки в термоэлектрической сушильной установке, а также в традиционной серийно выпускаемой конвективной сушилке бытового назначения. Разработана электрическая схема управления. Приведены выражения для расчета радиатора горячего спая термоэлектрического теплового насоса «воздух-воздух». (Выводы) Оценено среднее значение количества утилизируемой теплоты радиатором холодного спая термоэлектрического теплового насоса из удаляемого сушильного агента в процессе сушки, которое составляет около 20 процентов от общего энергопотребления термоэлектрической установки из электрической сети. Выявлено, что лабораторный образец разработанной термоэлектрической сушильной установки обеспечивает более равномерный процесс сушки продукта за счет наличия боковых воздушных каналов и более эффективной организации движения сушильного агента в рабочей камере в отличие от традиционных конвективных сушилок, что подтверждается результатами испытаний. Показали, что применение термоэлектрического теплового насоса с рекуперацией теплоты отработанного сушильного агента позволит уменьшить установленную мощность нагревателя сушильного агента и снизить расход электроэнергии на процесс сушки по сравнению с серийно выпускаемыми бытовыми конвективными сушилками.
Оценка фенотипа является неотъемлемой частью работы по улучшению генетического потенциала отечественных пород крупного рогатого скота. Проводятся исследования по цифровизации и автоматизации фенотипирования с использованием оптических систем распознавания и оценки линейных параметров животных. Разрабатывается макет бесконтактной системы мониторинга показателей фенотипа скота. Перемещение животных внутри макета (лабораторного измерительного стенда) ограничивается специальным прозрачным стеклом из полиэтилентерефталата, что позволяет получать трехмерные снимки экстерьера животных. Для подтверждения пригодности стекла к эксплуатации проведены лабораторные испытания. (Цель исследования) Определение степени влияния загрязнения стекла на точность работы оптической системы распознавания животных. (Материалы и методы) Приведены характеристики лабораторного стенда, объекта и оборудования, методика и условия эксперимента. Вероятность определения степени загрязнения стекла выражалось в пределах 0-1 (0,78 – высокая вероятность определения). (Результаты и обсуждение) Исследование показало, что система определения линейных параметров животных способно стабильно работать при загрязнении оградительного стекла до 30 процентов включительно. При загрязнении 50 процентов и некачественной очистке стекла возможность распознавания точек интереса снижается в 1,625 раза, а при загрязнении 80 процентов качественный сбор данных невозможен, в виду того, что камера не способна определить объект. При некачественной очистке стекла система работает нестабильно. (Выводы) Оптическая система позволяет распознавать и проводить оценку линейных параметров животных при загрязнении оградительного стекла лабораторного стенда не более 50 процентов и при условии его качественной очистки. При загрязнении стекла до 30 процентов данные оценки выше на 2,6-38 процента по сравнению с другими уровнями загрязнения.
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.
Отметили, что воздушная (аспирационная) сепарация частиц по плотности и размеру с помощью воздушного потока – наиболее эффективный и экономически оправданный метод очистки от лузги подсолнечного шрота. Снижение содержания лузги и увеличение концентрации белка позволяет повысить кормовую ценность и расширяет сферы применения шрота, особенно в высокопродуктивном животноводстве. (Цель исследования) Повышение эффективности выделения белковой фракции при очистке шрота подсолнечника в вертикальном пневмоканале с батарейными и колонковыми ускорителями воздушного потока и рассекателями обрабатываемого материала. (Материалы и методы) Исследования проводили в ФГБНУ ФНАЦ ВИМ на макете пневмосепарирующего канала. Колонковые и батарейные ускорители воздушного потока обеспечивают равномерное распределение воздушного потока над слоем материала, что позволило повысить экспозицию процесса сепарации и четкость разделения материала. (Результаты и обсуждения) Разработанный макетный образец вертикального пневмоканала обеспечивает выход белка не менее 75 процентов и полноту выделения примеси не менее 70 процентов. (Выводы) Коэффициент живого сечения ускорителя в макетном образце пневмоканала должен составлять 50-60 процентов, а высота батарейного ускорителя – от 55 до 75 миллиметров. Высота установки батарейного ускорителя над вершинами рассекателей потока обрабатываемого материала должна быть от 160 до 220 миллиметров. Оптимальная удельная нагрузка обрабатываемого материала составляет до 2,0 килограммов на один сантиметр кубический в час. При пропускной способности машины до 2 тонн в час содержание выделяемого компонента (белка) в исходном материале от 35 до 40 процентов.
Точное земледелие значительно развивается в последние годы благодаря достижениям в области роботизации и автоматизации. В научной статье разработали автоматизированный сельскохозяйственный машинно-тракторный агрегат (МТА) путем использования универсальных мехатронных модулей систем его управления для скашивания трав. (Цель исследования) Разработать функционально-технологическую схему автоматизированного МТА и универсальные мехатронные модули, устанавливаемые на механические органы управления оператора, для автоматического выполнения технологического процесса скашивания трав. (Материалы и методы) Разработана функционально-технологическая схема МТА. Машинно-тракторный агрегат состоит из системы дистанционного управления, трактора, системы контроля и управления доступом (СКУД) к МТА и технологической машины. Описана методика автоматического управления МТА на агроландшафте. Выполнено теоретическое обоснование конструктивно-технологических параметров универсальных мехатронных модулей для управления сцеплением и тормозной системой. Проведен расчет механизма мехатронного модуля и определены: передаточное отношение винтовой передачи, ход винта и скорость перемещения гайки. Установлена зависимость изменения скорости хода педали (угла перемещения педали) от скорости перемещения гайки мехатронного модуля воздействия. Разработано программное обеспечение на языке программирования для контроллера управления универсальными мехатронными модулями. (Результаты и обсуждение) Дистанционным способом, используя пульт оператора, реализовали автоматическое управление МТА, в составе колесного трактора ЛТЗ-120Б + роторной косилки КРН-2,4, на агроландшафте. Провели полевое тестирование взаимодействия программы с аппаратной частью универсальных мехатронных модулей систем управления МТА. Сравнительные экспериментальные исследования с оператором и в автоматическом режиме (с применением мехатронных приводов) проведены при выполнении операции кошения травы машинно-тракторным агрегатом при прямолинейном движении. (Выводы) Предварительные исследования автоматизированного сельскохозяйственного машинно-тракторного агрегата показали, что значения эксплуатационных показателей при работе с косилкой находятся в допустимых пределах, например производительность за 1 час основного времени составила 3,56 гектара, рабочая скорость движения – 10±0,3 км/ч, а высота среза трав – 8±1 сантиметров.
Отметили, что в применении беспилотных технологий важную роль играет планирование пути агрегата. Машинно- тракторные агрегаты (МТА), оснащенные автоматизированными системами управления и навесными сельскохозяйственными машинами, способны выполнять оригинальные способы движения и повороты на поле, в том числе реверсивное движение на склонах. На мелкоконтурных участках процент холостых ходов достаточно велик, и за счет минимизации пути или времени поворота можно увеличить производительность агротехнических приемов. (Цель исследования) Рассчитать оптимальный поворот при реверсивном движении автоматизированного машинно-тракторного агрегата. (Материалы и методы) Расчет оптимального движения на поворотной полосе для повышения эксплуатационной эффективности МТА является важной частью планирования маршрута. На ограниченном пространстве расчет оптимальной траектории поворота представляет собой сложную задачу динамической нелинейной оптимизации, трудно разрешимую традиционными численными методами. Рассмотрены дифференциальные уравнения Лагранжа второго рода для криволинейного движения МТА в декартовой системе. Однако решения этой системы уравнений, определяющие семейство «игольчатых разворотов» реверсивного движения, будут постоянно ограничены. Для расчета короткого поворота в ограниченных условиях использовался метод оптимизации поворотной полосы. (Результаты и обсуждение) Разработаны кинематические модели МТА с роторной косилкой и сформулированы проблемы оптимизации движения на поворотной полосе с учетом эксплуатационных ограничений. Рассмотрены сценарии поворота от симметричного до несимметричного игольчатого и выбран оптимальный. Благодаря интеграции модели МТА в технологический процесс путем оптимизации на сельскохозяйственном участке был получен и рассчитан для заданных условий эксплуатации альтернативный вариант – фасонный поворот с определенными параметрами. (Выводы) Аналитические исследования автоматизированного МТА с косилкой показали, что значения эксплуатационных и геометрических показателей для фасонного поворота укладываются в минимальную ширину разворота 3,65 метра и длину пути 7,74 метра (характеристики мини-трактора «Уралец 22» и роторной косилки Н-17).