Повышение эффективности работы колесного машинно-тракторного агрегата на основе использования спутниковых радионавигационных систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.20.01, кандидат наук Ненайденко Александр Степанович

• Ненайденко Александр Степанович
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Ненайденко Александр Степанович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Математические модели управления движением колесных машин

1.2 Механико-математические модели колесных машин

1.3 Теории и методики описания взаимодействия колеса с опорной поверхностью

1.4 Оценка устойчивости колесных машин

1.5 Автоматическое управление движением колесных машин

1.6 Системы параллельного и автоматического вождения в точном земледелии

1.7 Агротехнические требования к точности выполнения сельскохозяйственных работ

1.8 Выводы по главе и задачи исследования

ГЛАВА 2 МЕХАНИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ И АПРОБАЦИИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ МТА

2.1 Математическая модель управления движением для решения задачи глобального регулирования

2.2 Алгоритмы для решения задачи локального регулирования

2.3 Математическая модель МТА

2.4 Апробация полученных моделей в пакете Matlab

2.4.1 Результаты проверки адекватности математической модели МТА

2.4.2 Валидация параметров математической модели МТА

2.4.3 Результаты математического моделирования управляемого движения

2.5 Выводы по главе

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ

3.1 Программно-аппаратная схема взаимодействия элементов системы управления

3.2 Электромеханическая система управления движением

3.3 Определение передаточной функции системы «электрический двигатель -рулевое управление - управляемые колеса»

3.4 Описание программного обеспечения

3.5 Лабораторные испытания системы управления в режиме реального времени

3.6 Дорожные и полевые испытания электромеханической системы управления

3.6.1 Испытания на тракторе МТЗ-80

3.6.2 Испытания на тракторе МТЗ-1221

3.7 Экономическая оценка разработанной системы управления

3.8 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

ПРИЛОЖЕНИЕ Д

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности работы колесного машинно-тракторного агрегата на основе использования спутниковых радионавигационных систем»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность и степень разработанности темы. Важнейшей задачей сельскохозяйственного производства является обеспечение дальнейшего роста производительности труда при сохранении высокого качества выполнения сельскохозяйственных работ. Одним из наиболее эффективных средств повышения производительности является внедрение систем точного земледелия, при использовании которых осуществляется дифференцированное внесение доз удобрений, норм высева, полива в зависимости от неоднородности поля по различным показателям. Реализация такого подхода стала возможной благодаря появлению систем глобального позиционирования (GPS, ГЛОНАСС, GALILEO), развитию бортовой электроники и рабочих механизмов сельхозмашин. Системы точного земледелия, основанные на использовании радионавигационных систем, получили широкое распространение в США, Канаде и странах западной Европы, активно происходит их внедрение на территории Российской Федерации. В многочисленных публикациях отмечается высокая эффективность систем точного земледелия при выполнении сельскохозяйственных работ, а также экономия топлива, удобрений и гербицидов. Одним из наиболее важных элементов системы точного земледелия являются системы подруливания и автопилотирования, позволяющие осуществлять управление движением без участия водителя (или с его минимальным участием). Следует отметить, что в основном на российском рынке присутствуют импортные системы фирм Trimble, TeeJet, Leica, из отечественных разработок в основном представлены курсоуказатели. В последнее время на рынке появились отечественные системы подруливания и автопилотирования, однако их стоимость выше зарубежных аналогов. Применение импортных систем в ряде случаев затруднено вследствие несогласованности параметров этих систем и рулевого управления отечественных сельскохозяйственных колесных машин, в частности большого сопротивления повороту рулевого колеса. Кроме этого, стоит

отметить высокую стоимость зарубежных систем прецизионного земледелия для сельскохозяйственных предприятий.

Федеральная научно-техническая программа развития сельского хозяйства на 2017-2025 годы предусматривает создание и внедрение до 2026 г. конкурентоспособных отечественных технологий, основанных на новейших достижениях науки. Таким образом, исследование, направленное на создание системы управления движением колесными сельскохозяйственными машинами в агропромышленном комплексе, является актуальным.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности работы колесного машинно-тракторного агрегата (МТА) на основе применения электромеханической системы управления движением, использующей спутниковые радионавигационные системы ГЛОНАСС/GPS.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:

1. Разработать математическую модель управления движением МТА и его механико-математическую модель.

2. Провести математическое моделирование движения МТА для проверки адекватности разработанных математических моделей.

3. Создать электромеханическую систему управления движением, использующую спутниковые радионавигационные системы ГЛОНАСС/GPS.

4. Разработать прикладное программное обеспечение и интерфейс взаимодействия с пользователем, обеспечивающих функционирование системы управления движением.

5. Провести лабораторные и полевые испытания созданной системы управления.

Научная новизна. Созданы механико-математическая модель МТА и математическая модель управления движением для моделирования движения в режиме реального времени в лабораторных условиях. Разработана методика определения параметров ПИД-регулирования в лабораторных и полевых условиях.

Теоретическая и практическая значимость исследования. Создана и программно реализована математическая модель управления движением МТА. Спроектирован и изготовлен программно-аппаратный комплекс, обеспечивающий работу электромеханического подруливающего устройства с использованием спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС и GPS. Проведены лабораторные испытания системы управления движением МТА в режиме реального времени и полевые испытания на тракторе МТЗ-1221.2. Разработанная система управления движением обеспечивает движение МТА по заданной траектории без участия водителя. Это позволяет значительно снизить уровень колебаний звеньев МТА, отклонения от задаваемой траектории, уменьшить пройденный путь, расход топлива, энергозатраты водителя на управление, повысить качество выполнения технологических операций.

Методы исследования. Математическое моделирование с использованием методов теоретической механики, дифференциальных уравнений и численных методов их решения, элементов теории автоматического управления. Использовались прикладные программные пакеты Matlab R2010b, Matlab-Simulink. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и полевых условиях с использованием современной измерительной аппаратуры.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель управления движением МТА.

2. Механико-математическая модель МТА.

3. Электромеханическая система управления движением, использующая спутниковые радионавигационные системы ГЛОНАСС/GPS.

4. Программно-аппаратный комплекс, обеспечивающий функционирование системы управления.

5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность

основных положений и выводов подтверждается использованием современной

контрольно-измерительной и вычислительной техники, соблюдением методик, изложенных в действующих стандартах, статистической обработки экспериментальных данных, согласованностью теоретических и экспериментальных исследований.

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на: Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь» (АлтГТУ, г. Барнаул, 2016, 2018, 2019 г.); всероссийской конференции «Информационные технологии в АПК» (АГАУ, г. Барнаул, 2016 г.); 77 научно-технической конференции студентов, аспирантов и профессорско-преподавательского состава технического университета (АлтГТУ, г. Барнаул, 2019); International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM) (г. Сочи, 2019).

Вклад автора. Сформулированы цель и задачи научной работы, составлены дифференциальные уравнения движения МТА, разработано прикладное программное обеспечение для взаимодействия аппаратных составляющих системы управления движением МТА и реализации алгоритмов управления. Автор принимал участие в разработке конструкции подруливающего устройства, блока управляющей и измерительной аппаратуры. Все лабораторные и полевые испытания системы управления были проведены с непосредственным участием автора работы.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования Алтайского края по контракту № 174-18/ГК на выполнение научно-исследовательской работы на тему «Разработка системы автоматического управления движением колесных машинно-тракторных агрегатов (МТА) с использованием спутниковых радионавигационных систем GPS и ГЛОНАСС».

Публикации. По теме диссертационной работы автором опубликовано 13 работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов диссертационных работ, одна статья, входящая в

международную базу Scopus, 2 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ и один отчет о выполнении НИР.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы и 5 приложений. Работа изложена на 144 страницах машинописного текста, содержит 61 рисунок, 6 таблиц, список литературы состоит из 159 наименований, в том числе 18 на иностранном языке.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1 Математические модели управления движением колесных машин

В последнее время в конструкторско-исследовательской работе широко используется идеология математического моделирования поведения механических систем в режиме реального времени. Это позволяет значительно снизить финансовые и временные затраты, а также выявить недостатки системы на ранней стадии разработки, до начала стадии экспериментов на реальной технике.

Как правило, при разработке модели управления движением колесной машины применяют теорию автоматического управления [101, 158] или упрощенные полуэмпирические подходы [102, 74]. Кроме того, современной тенденцией является использование алгоритмов, основанных на нечеткой логике [96, 62, 52, 53, 87].

Многие ранние модели основываются на том, что поведение водителя может быть аппроксимировано линейной и независимой от времени динамикой. Они известны как модели с передаточной функцией [159, 142, 152, 155]. Наиболее поздняя модель из этой группы STI (Systems Technology Incorporation). STI использует в качестве входа не только поперечное смещение транспортного средства от задаваемой траектории, но и кривизну траектории движения. Сигналы обратной связи включают ошибку кривизны, ошибку отклонения от задаваемой траектории и угловую скорость. Модели с передаточной функцией применяются для описания поведения водителя при малых возмущениях.

К другой группе полуэмпирических моделей относятся прогнозные модели [154]. В таких моделях происходит оценка (прогнозирование) местоположения колесной машины через определенный промежуток времени.

Одной из самых распространенных и эффективных прогнозных моделей управления является модель МакАдама [69, 153]. В основе управления лежат

упрощенные линейные уравнения движения автомобиля с двумя степенями свободы. Угол поворота рулевого колеса вычисляется исходя из минимизации отклонения прогнозируемой траектории экипажа от заданной желаемой траектории (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 - Прогнозируемая и желаемая траектории движения

При заданном значении угла поворота и управляемого колеса, упрощенная велосипедная модель автомобиля (рисунок 1.2) имеет две степени свободы: поперечное отклонение центра масс у и угол поворота 'ф вокруг вертикальной оси.

Рисунок 1.2 - Велосипедная модель автомобиля

Линейные уравнения движения в этих переменных имеют вид:

у = ух-ф + уу,

Cf — Сг МУл, = ---у +

Ф = м2,

Crb — Cfd

'у

=

v

х

V,

— Mvx ) + С^и,

(1.1)

Crb — Cjd _ Cfd2 + Crb'

v.

■У

x

V

+ C^au.

X

где ух,уу - проекции скорости центра масс на продольную и поперечные оси экипажа; - угловая скорость относительно вертикальной оси; а,Ь - расстояние от центра масс до передней и задней оси; М, 12 - масса и момент инерции экипажа относительно вертикальной оси; С^, Сг — приведенные (суммарные) коэффициенты сопротивления боковому уводу передних и задних колес.

Наблюдаемой величиной является поперечная координата центра передней оси, определяемая выражением:

уу=у + аф (1.2)

В матричной форме с учетом (1.1) и (1.2):

х = Ах + Ви, уу = Стх,

/0 ух 1 0 \

0 0 0 1 х С

00

х =

(у,

А =

у

Cj? — Cr Crb — C^Q.

Mvy

Mv.

— v

\

0 0

Crb — Cjd Cfd2 + Crb

X X

2 -L- rrb2

в =

I

0 0

Cf/M

\cfa/Iz

Izvx

С =

Izvx

У

(1.3)

(1 a 0 0

С предположением и = const общее решение системы уравнений (1.3) имеет

вид:

х(г) = емх0 + ( еА(г-т)В(1т, уу(г) = Р(г)х0 + д(г)и. (1.4)

где х0 - матрица столбец начальных условий, Р(Ь) - матрица-строка размером 1х4, д(€) - скалярная функция (1.5):

Р(1) = Сем, д(г) = [ Р(т)В(т. (1.5)

0

Управление иорминимизирующее отклонение прогнозируемой траектории Лу(£) = Уй(?) — Уъ(£) от желаемой Уа(^), на интервале времени прогноза Тропределяется уравнением:

¡0^Р(Уа(^') — Р(т)хо)д(т)(т

и =

т гтр 2г лл

}0рд2(т)((т

Дальнейшим развитием модели МакАдама является модель с прогнозированием второго порядка [69]. В модели управление рулевого колеса рассчитывается непрерывно на каждом шаге интегрирования уравнений движения. Предполагается, что водитель «смотрит» вперед на расстояние Ьр, зависящее от продольной скорости движения автомобиля V, Ьр = уТр, Тр - время прогнозирования. Схема управления с обратной связью представлена на рисунке 1.3.

Блок прогнозирования Р(б) позволяет определить поперечную координату точки на желаемой траектории движения на расстоянии Ьр от центра передней подвески. Водитель прогнозирует поперечное смещение автомобиля ур за время Тр с использованием текущих значений поперечной скорости и поперечного ускорения.

т

В операторной форме передаточные функции имеют вид: Р(б) = е рб -прогнозирование; Н(б) = —е-гл5,1р = vТр - управление; В(б) = 1 + ТрБ +

ьр

Т2рБ2/2- обратная связь.

Рисунок 1.3 - Схема управления для модели с прогнозированием второго порядка

После преобразования во временную область получим:

=Уа(* + Тр)-ур, УР = ТР№ + ТрУ(£)/2,

8(Х)=-£(1:-1а), Ьр

где у,Ур,Уа - реальная, прогнозируемая и желаемая поперечные координаты; 6 -угол поворота рулевого колеса; К - коэффициент усиления. Таким образом, управления вычисляется:

К ( г - ъ)

т = + тр- **) - ТрУ(± - "

2

а3(г) = Ъбф

В работе [74] приводятся результаты математического моделирования управляемого движения с управлением по методике с прогнозированием положения колесной машины, в [99] - результаты моделирования движения при использовании регулирования, основанного на использовании математической модели машины. В обеих случаях рассматривалось движение по криволинейной траектории. На основании сопоставления результатов можно сделать вывод, что порядок отклонений машины от задаваемой траектории приблизительно одинаков.

Следовательно, можно предположить, что использование обеих методик для управления движением по относительно ровной поверхности обеспечивает одинаковое качество управляемого движения.

1.2 Механико-математические модели колесных машин

Целесообразным представляется проверка работоспособности алгоритмов управления движением колесной машины экспериментально. При этом апробация в полевых условиях требует значительных затрат времени и средств. В последнее время в конструкторско-исследовательской работе широко используется идеология моделирования поведения механических систем в режиме реального времени. Суть ее заключается в том, что большая часть механической системы, за исключением исследуемого узла, описывается механико-математической моделью. Поэтому при апробации алгоритмов управления движением колесная машина заменяется ее механико-математической моделью.

Проработкой, исследованием и модернизацией расчетных схем математических моделей автомобиля занимались многие известные ученые Я. М. Певзнер, Л. Губер, Е. А. Чудаков, М. Жульен, Д. Уитком, А. Кьез, Л. Ринонаполи, Е. Фиала, Л. Сиджел, А. Слибар, П. Паслей, Л. И. Коротков и д.р.

Полное описание всех аспектов динамического поведения элементов колесной машины и происходящих при ее движении динамических процессов не представляется возможным и далеко не всегда необходимым. В этой связи возникает необходимость абстрагирования от частных особенностей колесной машины и замена ее некоторой обобщенной динамической моделью, которая с достаточной степенью отражает реальный автомобиль и его необходимые для исследования эксплуатационные характеристики.

Стоит отметить, что при разработке математической модели в большинстве случаев принимается ряд допущений или упрощений: замена колес одной оси

одним эквивалентным, не учитываются действия аэродинамических сил и гироскопических моментов вращающихся колес, движение автомобиля принимается происходящим с одинаковой скоростью и др.

В зависимости от количества конструктивных и эксплуатационных параметров, которые учитываются при описании, модели можно квалифицировать по определенным признакам.

В зависимости от числа масс, учитываемых при описании, различают одномассовые, двухмассовые и многомассовые модели. В одномассовых моделях подрессорные и неподрессорные массы объединены и рассматриваются как абсолютно твердое тело. Из-за простоты описания, решения и анализа, обусловленные возможностью использования простых и хорошо изученных дифференциальных уравнений, одномассовые модели получили широкое распространение [58, 75, 81, 80]. Данные модели можно разделить на плоские и пространственные модели.

В случаи плоской модели автомобиль представляется в виде двухколесной тележки: одно колесо (неуправляемое) имеет одну степень свободу - вращение относительно своей оси, а другое (управляемое колесо) две степени свободы -вращение относительно своей оси и угол поворота относительно вертикальной оси в продольной плоскости. Обычно плоская модель изображается четырехколесной. При составлении дифференциальных уравнений движения принимается, что колеса одной оси имеют одинаковые нормальные и касательные силы, а угол поворота управляемых колес одинаков.

Пространственные (четырехколесные) одномассовые модели приближенно позволяют оценить влияние перераспределения нормальных реакций на характер движения колесной машины при ее повороте. При этом рассматривают все шесть уравнений, характеризующих движение твердого тела. При использовании пространственной одномассовой модели, в отличие от плоской, может быть достаточно точно исследована зависимость управляемости и устойчивости от

характеристик рулевой трапеции, приближенно изучено влияние конструкции подвесок, типа дифференциала и т. п.

Основной недостаток одномассовых моделей в их простоте - они не учитывают ряд важных конструктивных параметров автомобиля, например таких как конструкция подвески. Поэтому данные модели используют при анализе движения близкого к прямолинейному, когда перераспределение нагрузки незначительно.

Недостатки одномассовых моделей устраняются при применении двухмассовых моделей и используются некоторыми исследователями в своих работах [58, 28]. В них массы разделяют на подрессорные и неподрессорные. В расчетной схеме модели используется три степени свободы: перемещение колесной машины в поперечном направлении, поворот относительно вертикальной оси, поворот подрессорных частей относительно оси крена кузова.

В многомассовых моделях учитывают 3 и более масс, что позволяет использовать их для решения специфичных задач и более точно учитывать влияние на устойчивость и управляемость автомобиля параметров его подвески [58, 21, 20, 128, 16, 57].

Для анализа движения при незначительных углах отклонения звеньев, применяют модели, в которых синусы углов заменяют величиной углов, а косинусы принимают равными единице. Это значительно упрощает расчетную схему для описания движения [58, 25]. Для анализа криволинейного движения использует более сложные нелинейные модели, в которых учитываются значения синусов и косинусов углов [80, 112, 100].

1.3 Теории и методики описания взаимодействия колеса с опорной

поверхностью

Важнейшим фактором, определяющим адекватность математической модели колесной машины, является правильность описания сил и моментов взаимодействия шины колеса с опорной поверхностью.

В 1925 г. Г. Брулье было открыто явление бокового увода колеса [149]. Им было установлено, что вектор скорости центра катящегося колеса при действии на него боковой силы не лежит в плоскости обода, а составляет с ней некоторый угол - угол увода колеса. Боковой увод у шины оказывает существенное влияние на устойчивость автомобиля при движении, а сам процесс бокового деформирования шины представляет собой сложное явление.

Результаты первого экспериментального исследования этого явления были опубликованы в работе Г. Беккера, Х. Фрома, Х. Маруна в 1931 году [ 146]. Более подробный анализ явления бокового увода шины автомобильного колеса был представлен в работе А. С. Литвинова [58]. Теории и методики описания бокового увода условно можно разделить на два направления.

Теории первого направления описывают боковую силу как функцию угла бокового увода.

В 1939 году Я. М. Певзнер [95] впервые связывает между собой угол бокового увода 8 с действующей на колесо боковой силой Ру:

Ру = Ку8,

где Ку - коэффициент сопротивления боковому уводу шины.

В работе [18] Д. А. Антоновым представлена нелинейная гипотеза бокового увода, суть которой заключается в том, что производится коррекция экстремального значения коэффициента сопротивления боковому уводу по вертикальной нагрузке. Реакция опорной поверхности определяется следующим выражением:

Ру = Kyfi = уКуоэ S,

где q - общий коэффициент коррекции коэффициента боковому уводу шины, Куоэ - коэффициент сопротивления боковому уводу шины при линейной теории увода.

При этом коэффициент q учитывает различные условия качения колеса: состояние грунтовой дороги, перераспределение нормальной реакции между колесами, колебания неподрессорной массы автомобиля, влияние касательных нагрузок в пятне контакта с дорогой, нелинейность зависимости боковой силы от угла увода, изменение идеальных свойств колеса.

Для описания зависимости сил и моментов в контакте колеса с опорной поверхностью разработано довольно большое количество моделей контактных сил. Модели контактных сил позволяют по известным кинематическим и жесткостным параметрам шины (угол бокового увода, проскальзывание, угол развала и др.) в каждый момент времени получить значения сил и моментов, действующих в контакте между колесом и дорожным покрытием.

Широкое распространение получила модель «Магическая Формула Пасейки» (Pacejka Magic Formula), предложенная Х. Пассейкой [156] (рисунок 1.4):

Y(x) = Dsin[C arctan[Bx — Е(Вх — arctan(Bx))}] + Sv, х = X + Sh

где В - жесткость; С - форм-фактор; D - максимальное значение; Е - фактор кривизны; BCD - тангенс угла наклона касательной к кривой зависимости силы от скольжения при его нулевом значении; Y(x) может быть продольной (Fx) или поперечной (Fy) силой или восстанавливающим моментом (Mz) , а X -

проскальзывание (Fx) или угол бокового увода (Fy,Mz); Sv,Sh - вертикальное и горизонтальное смещение кривой.

Рисунок 1.4 - Общий вид кривых для «Магической Формулы Пасейки»

Коэффициенты «Магической Формулы» есть функция вертикальной нагрузки на колесо Рг и угла развала у [145, 157]. Для продольной силы Рх:

С = Ь0,

0 = Рг(Ь1Рг + Ь2),

1

В = М{ЬзРг2+Ь4Рг)е-ЬВР2'

Е = Ь6Р? + Ьп¥г + Ь8, = Ьэ^г + Ь10, = ЬцР2 + Ь12.

Для поперечной силы Ру:

С = а0, Б = рг(а1рг + а^),

В =Ш>аз sin(а4aтctan(^^j)(1-а6\y\),

Е = а7Рг + а8, Бк = а9у + а1оРг + а,^ = (а.12рг + а1з)ург + а^ + а^.

Для стабилизирующего момента Mz:

С = Со, D = Fz(ClFz + с2),

1

В + c4Fz)(1 - с5\у\)е-^,

Е = (C7F2 + CqFz + с9)(1 - Cio\r\),

= c1lY + c12^z + c13>

Sv = (Ci4Fz + Ci5Fz)y + Ci6Fz + C17.

Коэффициенты a0... a15,b0... b12,c0... c17 определяются на основе экспериментальных данных. При моделировании контактных сил их можно принять в соответствии с [145].

Еще одной распространенной моделью контакта шины с дорогой является модель FIALA [150, 148]. В данной модели присутствуют следующие допущения: прямоугольное пятно контакта, контактные давления внутри пятна контакта одинаковы, шина моделируется как балка на упругом основании, контактная сила не зависит от угла развала.

Вертикальная нормальная вязкоупругая сила (Fz) определяется по формуле:

Fz = -kzAr - dzVAr, dz = 2pzjmkz, где kz - коэффициент жесткости шины в вертикальном направлении; Аг -вертикальная деформация шины; dz - коэффициент демпфирования вдоль вертикальной оси; VAr - скорость вертикальной деформации шины, fíz - доля вертикального демпфирования от критического; т - масса колеса, кг.

Если колесо оторвалось от дороги (Аг> 0) или получившаяся вертикальная сила отрицательна (Fz < 0), то полагается, что Fz = 0.

Относительное проскальзывание s, коэффициент трения д и продольное

*

проскальзывание s определяются:

1 №

s = \s2 + s$, р= Ро + (Рь- Po)s> s* =

2сх

где бх, Бу -относительное продольное и поперечное проскальзывание; -коэффициент трения при нулевом крипе; - коэффициент трения при полном скольжении шины; сх - частная производная от продольной силы по продольному проскальзыванию при нулевом продольном крипе.

При определении продольной силы Рх возможны два случая:

Рх — ^х^х, если |5х | < 5

Рх — БЬдп^х)

Для поперечной силы Ру:

№ -

41 $ х1С х

если IБ хI > Б*

Б —

у

С у Гу \

Ру — - к3)з1дп(зу), к — 1- ,

если IБ у I < Б

Ру — рР^Ьд^Бу), если || > б

где су - частная производная от поперечной силы по углу бокового увода при нулевом значении угла бокового увода.

Для стабилизирующего момента М2:

гМг — —211ргГ{(1 — Н)к3 Б1дп{зу), если |яу| < 5' Мг — 0, если |яу| > 5'

Ко второму направлению описания боковых сил увода относятся деформационные теории, основанные на уравнениях кинематических связей. В подавляющем случае деформационные силовые зависимости дополняются уравнениями кинематических связей.

Одной из первых в этой области была работа Грейдануса [73]. В данной работе рассматривается качение колеса, плоскость которого всегда сохраняет вертикальное положение. Основным предположением, на котором основывается данная теория, является возможность судить о том, как влияет деформация шины

на кинематику качения колеса по форме центральной окружности колеса. В теории предполагается, что при качении колеса без проскальзывания проекция центральной линии деформированного колеса на плоскость дороги в центре площадки контакта должна иметь с линией качения общую касательную и одинаковую степень кривизны. Из условия совпадения касательных для малых деформаций и углов автор получает уравнение кинематических связей:

Х + ^ + У0 + Уф — 0, где Х - скорость бокового смещения обода колеса; ^ - скорость поперечной деформации шины; У - скорость качения; 0 - угол поворота колеса; ф - угловая деформация шины.

И. И. Метелицин при описании движения колеса использовал торовую модель, которая учитывала наклон плоскости обода колеса. Исходя из отсутствия проскальзывания, им были получены четыре уравнения скорости центра колеса, содержащие деформации шины и скорости их изменения. Четвертое уравнение характеризует равенство нулю угловой скорости контактной площадки шины. После приведения касательных и нормальных сил к главному вектору и главному моменту И. И. Метелицин составляет 6 уравнений движения колеса. В итоге полученные 10 уравнений используются для аналитического исследования движения колеса [65].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ненайденко Александр Степанович, 2020 год

/ // //

//

Реальная траектория движения

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

24 22 20 1В . 16

* 14

Ь

(Б

¡12

Ч

а

о ю

0 1 2 3 4 5 6 7 3 9 10 11 12 13 14 15 16 17 13 19 20 21 22 23 24 25 26 27 23 20 30 31 32 33 34 35

Координата X, м.

Рисунок 3.22 - Задаваемая и реализованная траектории при прямолинейном

движении со средней скоростью 0,6 м/с

На рисунке 3.23 приведены задаваемая и реализованная траектории при движении по такой же траектории с Усред = 1,2 м/с при тех же значениях ¿п и к.

25 24

22

20

13

. 16 £

га I-

ю

I 12

Ч

а.

о ю

— — — — - — - - - -

Задаваемая траектория движения . Л,

X У

* у

- V

-у

у

Реальная траектория движения

Л. л/

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

О 1 2 3 4 5 6 7 3 9 10 11 12 13 14 15 16 17 13 19 20 21 22 23 24 25 26 21 23 29 30 31 32 33 34 35

Координата X, м.

Рисунок 3.23 - Задаваемая и реализованная траектории при прямолинейном

движении со средней скоростью 1,2 м/с

В первом случае максимальное отклонение составило Етах = 0,39 м , среднее квадратичное отклонение о = 0,17 м. Во втором случае: Етах = 0,68 м, о = 0,32 м.

На рисунке 3.24 представлены задаваемая и реализованная траектории при криволинейном движении с 1£ред = 0,6 м/с, ¿п = 1,5 с и к = 0,2.

При криволинейном движении Етах = 0,26 м, среднее квадратичное отклонение о = 0,13 м.

4.5 4

3.5

^ 3

>

[5 2.5

га

х

ч 2 а

о 1.5 1

0.5 0

/ /

у/

/у

// »у

У г У

-Задаваемая траектория

—- Реальная траектория I 1

0

8

10

2 4 6

Координата X, м.

Рисунок 3.24 - Задаваемая и реализованная траектории при криволинейном

движении с Ксред = 0,6 м/с

На основании анализа результатов проведенного эксперимента можно сделать вывод о достаточной работоспособности разработанной системы управления при движении по прямолинейной траектории. В то же время из-за тугого рулевого управления и значительных люфтов, система управления не смогла обеспечить качественное движение по задаваемой криволинейной траектории. В ходе эксперимента было установлено, что при значительном сопротивлении повороту рулевого колеса крепление электродвигателя к рулевой колонке функционирует недостаточно надежно.

3.6.2 Испытания на тракторе МТЗ-1221.2

Для дальнейших испытаний разрабатываемой системы управления был выбран современный трактор Минского тракторного завода с гидроусилителем руля - МТЗ-1221.2 (рисунок 3.25). Технические характеристики и особенности модели представлены в [1]. Данный трактор был предоставлен для проведения

экспериментов учебно-опытной сельскохозяйственной станцией Алтайского государственного аграрного университета.

Перед проведением испытаний был спроектирован и изготовлен новый кронштейн для крепления электродвигателя к рулевому колесу для этой модели трактора. В его конструкции были устранены все выявленные ранее конструктивные недостатки, что позволило повысить надежность фиксации кронштейна и устранить люфты в процессе управляемого движения. Кроме этого, было модернизировано крепление датчика угла поворота.

Используемое в эксперименте оборудование представлено на рисунках 3.253.30.

Рисунок 3.25 - Трактор МТЗ-1221.2, используемый в эксперименте

Электродвигатель 1 крепится к рулевой колонке с помощью кронштейна, состоящего из 2 частей (рисунок 3.26). На первую (верхнюю) часть 2.1 на

специальную платформу с помощью болтов крепится корпус электродвигателя, вторая (нижняя) часть кронштейна 2.2 с помощью хомута 4 фиксируется на валу рулевой колонки трактора. Между собой эти две части кронштейна соединены пальцем 5. Для прижима ролика электродвигателя к рулевому колесу используется пружина 3, которая соединяет верхнюю часть корпуса электродвигателя с нижней частью кронштейна. Усилие в пружине регулируется с помощью натяжного устройства 6.

Рисунок 3.26 - Кронштейн и управляющий электродвигатель

На рисунке 3.27 представлено крепление датчика угла поворота колес 1. Датчик 1 с помощью специально изготовленного крепления 2 устанавливается на болт крепления рулевой тяги трактора 4. На подвижную часть датчика угла

поворота устанавливается вилка 3, нижняя часть которой охватывает рулевую тягу 4. Во время поворота управляемого колеса вилка поворачивает подвижную часть датчика угла поворота.

Рисунок 3.27 - Крепление датчика угла поворота колес

Для определения текущих координат трактора и скорости используется навигационный приемник, работающий совместно с базовой корректирующей станцией. Антенна GNSS-приемника закреплена на корпусе трактора над осью передних колес по центу рамы с помощью магнита (рисунок 3.28).

Рисунок 3.28 - Крепление антенны GNSS-приемника

Рисунок 3.29 - Блок управляющей аппаратуры

Рисунок 3.30 - ПК с программой управления

Суть проводимого эксперимента заключалась в том, чтобы подруливающее устройство реализовало управление без участия водителя в процессе движения по ранее записанной траектории движения.

Во время эксперимента осуществлялось управляемое движение по различным задаваемым траекториям. Почвенный фон-чернозем, двухлетняя залежь. На рисунке 3.31 представлены задаваемая и реализованная траектории при прямолинейном движении со средней скоростью движения трактора Усред = 1,5 м/с, временем прогноза ¿п = 1 с, и коэффициентом усиления к = 0,5. Максимальная ошибка при данном движении составила Етах = 0,23 м, среднее квадратичное отклонение о = 0,09 м.

На рисунке 3.32 приведены графики требуемого и действительного углов поворота управляемых колес при данном движении.

18 16 14

5 12 >

га

I8

о

° к ¥ в

4

2 0

Задаваемая траектория движения ***

Реальная траектория движения

А1'

10 15 20 25 30

Координатах, м.

35

40

45

50

Рисунок 3.31 - Задаваемая и реализованная траектории при прямолинейном

движении

Рисунок 3.32 - Требуемый и действительный углы поворота колес при движении

по прямолинейной траектории

На рисунке 3.33 представлены задаваемая и реализованная траектории при криволинейном движении с Усред = 1,3 м/с, tn = 1 с и к = 0,5. На рисунке 3.34 значения требуемого и действительного углов поворота управляемых колес.

Максимальная ошибка при данном движении составила Етах = 0,61 м, среднее квадратичное отклонение о = 0,27 м.

^у1

Задаваемая тоаектсшия движения

_---- -

/ / У? Реальная траектория движении

—"

> -10 га

S

CL с:

о

О

ье

-20

-25 -80

-70

-60

-50 -40 -30

Координатах, м.

-20

-10

Рисунок 3.33 - Задаваемая и реализованная траектории при криволинейном

движении

25 20

3 15

О.

L_

u 10

О) Ц

2 5 (0

I о

о ш

S -5 g

£ -10

-15 -20

1 1 Действительный угол-—_

Задаваемый угол

|

0

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Время, с.

Рисунок 3.34 - Требуемый и действительный углы поворота колес при движении

по криволинейной траектории

На рисунке 3.35 представлены задаваемая и реализованная траектории при задаваемом криволинейном движении с разворотным маневром с Усред = 1,6 м/с, ^ = 1 с и к = 0,4.

адаваемая траектория движения

Реальная траектория движения

В

го х

Ч а о

о ^

-70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10

Координата X, м.

10

Рисунок 3.35 - Задаваемая и реализованная траектории при криволинейном

движении с разворотным маневром

На рисунке 3.36 представлены значения требуемого и действительного углов поворота управляемых колес для данного вида движения.

Максимальная ошибка при данном движении составила Етах = 0,93 м, среднее квадратичное отклонение о = 0,37 м.

На рисунке 3.37 представлены результаты параллельного движения: первая полоса - исходная задаваемая траектория, записанная без использования системы управления, вторая - параллельная первой и реализованная с использованием системы управления. Для движения по второй полосе УсреА = 2 м/с, ^ = 1 с и к = 0,25. Стрелками на рисунке обозначено направление движение трактора.

Для полосы, реализованной с помощью системы управления Етах = 0,41 м, о = 0,2 м.

Рисунок 3.36 - Требуемый и действительный углы поворота колес при движении по криволинейной траектории с разворотным маневром

5

о

>-' -5 та

ч

§■-15 О

-20

..........

■ *

.......... ........

■ ■ ■ Полоса N52 Задаваемая траектория движения

■ ■ ■ Полоса N91 Задаваемая траектория движения ^^Полоса N92 Реальная траектория движения I ■ ■

-25

-80

-70

-60

-20

-10

-50 -40 -30

Координата X, м.

Рисунок 3.37 - Задаваемые и реализованная траектории при параллельном

движении

На рисунке 3.38 представлены требуемые и действительные углы поворота управляемых колес трактора при параллельном движении для полосы, реализованной с помощью системы автоматического управления.

Рисунок 3.38 - Требуемый и действительный углы поворота управляемых колес

при параллельном движении

Результаты проведенного эксперимента свидетельствуют о достаточно хорошем функционировании разработанной электромеханической системы управления. При задаваемом движении, близком к прямолинейному (именно оно является основным при выполнении сельскохозяйственных работ), отклонения от задаваемой траектории не превышают 0,2 м. Система также обеспечивает качественное движение по криволинейной траектории, но при этом среднее квадратичное отклонение возрастает.

3.7 Экономическая оценка разработанной системы управления

Для расчета экономической эффективности разработанной системы автоматического управления используется ГОСТ 34393-2018 «Техника сельскохозяйственная. Методы экономической оценки» [30], введенный в действие с 1 сентября 2019 года.

Для определения экономических показателей эффективности необходимо в первую очередь посчитать себестоимость разработанной системы. Себестоимость определяется следующей формулой:

С = ПКИ + ОЗП + ДЗП + СО + НР,

где С - себестоимость; ПКИ - покупные комплектующие изделия; ОЗП - основная заработная плата; ДЗП - дополнительная заработная плата; СО - социальные отчисления; НР - накладные расходы на производство.

Перечень ПКИ и суммарная их стоимость представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Перечень покупных производственных изделий

Наименование комплектующего изделия Стоимость, руб.

GNSS-приемник с функцией RTK Emlid Reach 24400

Блок управления бесколлекторным двигателем BLSD-50 16770

Электродвигатель FL86BLS98-JB 37780

ЦАП/АЦП Е14-140М 16674

Датчик угла поворота МУ-615 1100

Корпус для интеграции устройств 1000

Планшетный компьютер 15000

Кронштейны для крепления электродвигателя и датчика угла поворота 1000

Итоговые затраты на ПКИ 113724

На производство 1 единицы продукции закладывается 50 чел. часов. Средняя заработная плата работников задействованных в производстве машин и оборудования для сельского и лесного хозяйства в Алтайском крае в период, предшествующий периоду дорожных испытаний системы управления, составляет 29543 руб. Исходя из среднего числа рабочих дней в месяце равного 21 и 8-часовому рабочему дню, стоимость чел. часа составляет 176 руб. На ДЗП закладываем 10% от ОЗП.

Социальные отчисления СО вычисляются:

СО = ПФ + ФСС + ФОМС + СТ,

где ПФ - отчисления в Пенсионный фонд; ФСС - взносы в Фонд социального страхования; ФОМС - отчисления в фонд обязательного медицинского страхования; СТ - взносы в ФСС по травматизму исходя и присвоенного класса профессионального риска.

Учитывая присвоенный класс профессионального риска СО = 22% + 2,9% + 5,1% + 0,7% = 30,7%.

На накладные расходы предусмотрим затраты в размере 150% от совокупных затрат ПКИ + ОЗП + ДЗП + СО.

Итоговая себестоимость системы управления представлены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Себестоимость системы управления

Наименование затрат Стоимость, руб.

Покупные комплектующие изделия 113724

Основная заработная плата 8900

Дополнительная заработная плата 890

Социальные отчисления 3006

Накладные расходы на производство 189780

Итоговая себестоимость 316300

В основе экономической оценки системы управления лежит сравнительный принцип испытаний - показатели экономической оценки машинно-тракторного агрегата (МТА) с использованием разработанной системы управления сравниваются с показателями базового варианта (без использования подруливающего устройства).

Экономические показатели по специализированной технике, комбинированным агрегатам и универсальной технике на отдельных видах механизированных работ определяют в расчете на единицу наработки. С полученной точностью движения разработанная система управления может быть использована на большинстве полевых сельскохозяйственных работ, таких как: боронование, дискование, выравнивание почвы, лущение, культивация, прикатывание, внесение удобрений, опрыскивание, а также на других работах, при которых не требуется повышенная точность движения от ряда к ряду. Для примера

расчета экономической эффективности в качестве механизированной работы была выбрана культивация. Базовый вариант МТА состоит из трактора МТЗ-1221.2 и агрегата КПЭ-3,8. За единицу наработки принят годовой условный объем работ в 1000га. В качестве исходных данных по норме выработки, расходу ГСМ и оплате труда для выбранного вида работы и МТА взяты данные, предоставленные АО «Учхоз «Пригородное» г. Барнаул. Исходные данные для расчета представлены в таблице 3.3 (СУ - система управления).

Затраты труда на единицу вида работы Зтр, чел.-ч/ед. наработки, вычисляют по формуле:

г, _ ^-мех

ЗтР =

""см

где Лмех - количество основного и вспомогательного персонала (механизаторы и вспомогательные рабочие), обслуживающего самоходную технику, МТА в течение смены, чел.; - производительность самоходной техники, МТА за 1 ч сменного времени, ед. наработки.

Прямые эксплуатационные затраты денежных средств, приходящиеся на выполнение единицы наработки вида работы Зэкс, руб/ед. наработки, вычисляют по формуле:

Зэкс Зо.т + Зтсм + Зр + А + Ив.М,

где Зо.т - затраты денежных средств на оплату труда обслуживающего персонала, руб/ед. наработки; Зтсм- затраты денежных средств на оплату горюче-смазочных материалов (ГСМ), руб/ед. наработки; Зр- затраты денежных средств на ремонт и техническое обслуживание, руб/ед. наработки; А - амортизационные отчисления, руб/ед. наработки; Ивм - издержки денежных средств на вспомогательные технологические материалы.

Таблица 3.3 - Исходные данные для расчета экономических показателей

Наименование Обозначение Значение

без СУ с СУ

Количество основного и вспомогательного Л-мех 1

персонала для обслуживания МТА, чел

Часовая оплата труда обслуживающего персонала, руб/ч Т 76,89

- расценка за 1га выполняемой работы 46,6 42,82

- уровень социальных отчислений, % 32,1

- доплата за классность, % 100

- доплата за выработку, % 200

Расход ГСМ, л/ч (кг/ч) 5,25 (4,5255)

Средняя стоимость ГСМ по региону, руб/л (руб/кг) ЦТ 45,63 (52,93)

Производительность МТА за 1ч сменного времени, ед. наработки/ч ^см 0,00075 0,0008

- норма выработки за смену, га 6 6,5

- продолжительность смены, ч т 8

Производительность МТА за 1ч 3,1 3,37

эксплуатационного времени, га/ч эк

- ширина захвата орудия, м 3,94

- ширина перекрытия между рядами, м 0,5 0,2

- средняя скорость движения, км/ч 9

Стоимость составных частей МТА, руб Бм;-

- МТЗ-1221 (без НДС) Бмт 2092000

- КПЭ-3,8 (без НДС БМа 236800

- система управления (с учетом прибыли) Бм мсу - 347930

Значение отчислений на ремонт и

техническое обслуживание от цены техники на 100 ч ее работы, % КР,-

- МТЗ-1221 КРт 0,98

- КПЭ-3,8 КРа 9,41

- система управления КРсу 0,98

Значение амортизационного ресурса

техники, ч р;

- МТЗ-1221 Ярт 11132

- КПЭ-3,8 1190

- система управления V 11132

Затраты денежных средств на оплату труда обслуживающего персонала Зо/ вычисляют по формуле:

г, _ ^мех^^з

Зат"

см

где Ямех - количество обслуживающего персонала, чел.; т - часовая оплата труда обслуживающего персонала, руб/чел.-ч (используется единая усредненная норма часовой заработной платы, которая сложилась в аграрной отрасли в период, предшествующий периоду испытаний системы); - коэффициент, учитывающий уровень социальных отчислений от зарплаты.

Затраты денежных средств на оплату ГСМ вычисляют по формуле:

тсм = ЯтДтК см.м

где - удельный расход моторного топлива, кг/ед. наработки; ЦТ - цена моторного топлива, руб/кг; Ксмм - коэффициент учета цены смазочных материалов.

Затраты денежных средств на ремонт и техническое обслуживание Зр , вычисляют по формуле:

упм ТГ !/" ¿/ = 1 °м7Кр7-

З _ --у ^ ю-4

ЗР ш 1и '

ж

эк

где пм - число техники, входящей в МТА, шт; Бм^. - цена у'-той техники (без НДС), руб; Кр. - значение отчислений на ремонт и техническое обслуживание от

цены у-той техники на 100 ч ее работы (берется из приложения Б используемого ГОСТ), %; Ж,к - производительность у -той техники за 1 ч эксплуатационного времени, ед. наработки.

Амортизационные отчисления А вычисляют по формуле:

1 пм к ИЭэк^Ям/

7 = 1 1

где - значение амортизационного ресурса у -той техники, ч (берется из

приложения Б используемого ГОСТ).

Издержки денежных средств на вспомогательные технологические материалы Ив.м для выбранного вида работ не учитываются.

Совокупные затраты денежных средств на выполнение единицы наработки (себестоимость выполнения единицы вида работы) Зсов , руб/ед. наработки, вычисляют по формуле:

З = З + И + И + И + И

•-■сов ■-'эк ' Г1п ' Г1пов ' Г1сем ' Г1ок.с

где Ип - издержки денежных средств от потерь сельскохозяйственной продукции, руб/ед. наработки; Ипов - издержки денежных средств от повреждения сельскохозяйственной продукции, руб/ед. наработки; Исем - издержки денежных средств от нерационального использования посевного материала (семян), руб/ед. наработки; Иокс - издержки денежных средств на охрану окружающей среды, руб/ед. наработки.

Издержки Ип, Ипов, Иокс будем считать примерно одинаковыми как для МТА без использования системы управления, так и с ее использованием, Исем -отсутствуют для выбранного вида механизированной работы.

Результаты вычислений экономических показателей по описанным выше формулам представлены в таблице 3.4.

Исходя из проведенных расчетов для одного МТА на примере культивации, получили годовую экономию совокупных затрат денежных средств в расчете на годовой условный объем 1000 га ед. наработки в размере 38613,29 руб, что в пересчете на 1 га составляет экономию 38,6 руб или 5,4% в относительном выражении. При этом производительность МТА за 1 ч сменного времени при выполнении сельскохозяйственных работ с разработанной системой управления возросла на 6,67%. Наибольшую долю в экономии составляют затраты на ГСМ, за счет уменьшения процента неэффективных перекрытий - МТА необходимо совершить меньшее число проходов для обработки той же площади.

Таблица 3.4 - Показатели экономической оценки для культивации

Наименование показателя Обозначение Значение показателя

без СУ с СУ

Единица наработки, га 1000

Марка техники (состав МТА) МТЗ-1221 + КПЭ-3,8

Производительность МТА за 1ч сменного времени, ед. наработки/ч ^см 0,00075 0,0008

Удельный расход моторного топлива, кг/ед. наработки 6033,99 5544,24

Совокупные затраты денежных средств (себестоимость выполнения работы) всего, руб/ед. наработки, З ^сов 718005,29 679392

в том числе:

- затраты на оплату труда З 135428,92 124436,22

- затраты на ГСМ З ^тсм 319410 293483,65

- затраты на ремонт, техническое обслуживание ЗР 138192,76 137237,65

- амортизационные отчисления А 124973,61 124234,47

- затраты на вспомогательные материалы И в.м - -

- издержки от потерь основной И

продукции Г1п

- издержки от повреждения продукции И Г1пов - -

- издержки от нерационального

использования посевного материала (семян) И Г1сем

- издержки на охрану окружающей среды И - -

Затраты труда, чел.-ч/ед. наработки З ^тр 1333,33 1225,11

Затраты на 1га, выполняемых работ, руб З га 718,01 679,39

При использовании разработанной системы управления существенно снижаются уровень психомоторных затрат водителя, связанных с управлением транспортным средством, и общая утомляемость. Технологические операции по возделыванию культур можно выполнять в ночное время и в условиях ограниченной видимости (туман), что позволяет уменьшить сроки выполнения сезонных полевых работ.

1. Разработана программно-аппаратная структура системы управления движением колесным МТА, использующая спутниковые радионавигационные системы ГЛОНАСС и GPS.

2. Спроектирована и изготовлена электромеханическая система управления и комплект аппаратуры, обеспечивающий ее функционирование.

3. Разработано прикладное программное обеспечение для реализации управления движением МТА в режиме реального времени в лабораторных и дорожных условиях.

4. Система апробирована в лабораторных условиях при имитации движения МТА в режиме реального времени. Испытания подтвердили работоспособность алгоритмов управления и аппаратуры системы.

5. Проведены дорожные испытания электромеханической системы управления движением на колесном тракторе МТЗ-80.1 и полевые испытания на МТЗ-1221.2. Результаты экспериментальных исследований подтвердили хорошую работоспособность системы на тракторе МТЗ-1221.2. Максимальное отклонение при задаваемом прямолинейном движении не превышает 0,2 м.

6. Проведен расчет экономических показателей эффективности разработанной системы управления. Себестоимость системы управления составляет 316,3 тыс. руб. Исходя из проведенных расчетов для одного МТА на примере культивации, получили годовую экономию совокупных затрат денежных средств в расчете на годовой условный объем наработки 1000 га в размере 38613,29 руб, что в пересчете на 1 га составляет экономию 38,6 руб. При этом производительность МТА за 1 ч сменного времени при выполнении сельскохозяйственных работ с разработанной системой управления возросла на 6,67%.

В результате научного исследования были успешно решены следующие задачи:

1. Разработаны математическая модель управления движением МТА и его механико-математическая модель. Механико-математическая модель была использована при моделировании движения МТА в режиме реального времени в лабораторных условиях для проверки работоспособности алгоритмов управления.

2. Проведено математическое моделирование движения МТА. На основании результатов моделирования подтверждена работоспособность модели управления и адекватность механико-математической модели МТА.

3. Спроектирована и создана электромеханическая система управления движением, использующая спутниковые радионавигационные системы ГЛОНАСС/GPS. Система обеспечивает движение по задаваемой траектории без участия водителя и может быть использована для управления различными колесными сельскохозяйственными машинами.

4. Разработано прикладное ПО, обеспечивающие функционирование системы управления и реализующее алгоритмы локального и глобального регулирования, а также управление движением МТА в режиме реального времени. Программное обеспечение имеет модульную структуру, что позволяет дополнять систему новыми аппаратными компонентами.

5. Проведена апробация системы управления в лабораторных условиях. Имитировалось движение МТА в режиме реального времени на экспериментальном стенде «рулевое управление - передняя подвеска автомобиля». Результаты испытаний подтвердили работоспособность системы и алгоритмов управления. При движении по прямолинейной траектории для трактора максимальное отклонение составило £тах = 0,03 м, среднее квадратичное отклонение о = 0,01 м, для культиватора: £тах = 0,02 м, о = 0,01 м.

6. Проведены дорожные испытания электромеханической системы управления движением на тракторе МТЗ-80.1 и полевые испытания на МТЗ-1221.2. Результаты экспериментальных исследований подтвердили хорошую работоспособность системы при установке ее на трактор МТЗ-1221.2. Среднее квадратичное отклонение при задаваемом прямолинейном движении не превышает 0,2 м при средней скорости движения 1,5-2 м/с, что позволяет использовать разработанную систему управления на большинстве видов механизированных сельскохозяйственных работ (боронование, дискование, выравнивание почвы, лущение, культивация, прикатывание, внесение удобрений, опрыскивание).

7. Себестоимость системы управления составляет 316300 рублей. Для МТА в составе трактора МТЗ-1221 и агрегата КПЭ-3,8 расчетная годовая экономия совокупных затрат денежных средств на объем наработки 1000 га равна 38613,29 рублей, что в пересчете на 1 га составляет 38,6 рублей или 5,4% в относительном выражении. При этом производительность МТА за 1 ч сменного времени при выполнении сельскохозяйственных работ с разработанной системой управления возросла на 6,67%.

Перспективы дальнейшей разработки темы

В дальнейшем планируется перейти на цифровое управление электродвигателем системы, использовать цифровые датчики угла поворота и разработать алгоритм управления на основе теории автоматического регулирования. Это позволит повысить точность движения МТА по задаваемой траектории.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. BELARUS-1221.2: Минский тракторный завод [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.belarus-tractor.com/catalog/belarus-1221/belarus-1221 -2/ (дата обращения 18.06.2018).

2. Commander — система параллельного вождения - Системы точного земледелия [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://ksm-intech.ru/commander (дата обращения 18.06.2018).

3. EFT AGRO: сайт компании [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://eft-agro.ru/ (дата обращения 06.02.2020).

4. HIVE [Электронный ресурс]. Режим доступа: https : //hive. geosystems .aero/ (дата обращения 18.06.2018).

5. John Deere: сайт компании [Электронный ресурс]. Режим доступа: https: //www. deere. ru/ru/ (дата обращения 03.02.2020).

6. Leica Geosystems: сайт компании [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://leica-geosystems.com (дата обращения 03.02.2020).

7. Reach M+ [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://emlid.com/reach/ (дата обращения 09.01.2018).

8. RTCM SC-104 transmission protocols [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.tekmon. gr/online-gps-tutorial/2-5-1 -rtcm-sc- 104-transmission-protocols (дата обращения 09.01.2018).

9. SmartNet | Сеть референцных базовых станций [Электронный ресурс]. Режим доступа: http : //smartnet-ru.com (дата обращения 15.02.2018).

1C. TeeJet Technologies: сайт компании [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.teejet.com/ru (дата обращения 03.02.2020).

11. Valtra: сайт компании [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.valtra.ru (дата обращения 03.02.2020).

12. Visual C++ .NET Пособие для разработчиков C++ / А. Корера [и др. ]. -М. : Лори, 2003. - 416 с.

13. Авдонина, И. А. Точное земледелие - стратегия эффективного развития сельского хозяйства / И. А. Авдонина // Научный вестник Технологического института - филиала ФГБОУ ВПО Ульяновская ГСХА им. П.А. Столыпина. -2015. - №14. - С. 5-10.

14. Автопилот [Электронный ресурс]. Режим доступа: ЬИр://агронавигация.рф/ autopilot/ (дата обращения 18.06.2018).

15. Аксенов, A. И. Исследование устойчивости движения многозвенного автопоезда / A. И. Аксенов, В. В. Никольский // Автомобильная промышленность. - 1972. - №2. - С. 18-20.

16. Альгин, В. Б. Схематизация и расчет мобильной машины как многомассовой системы. Регулярные механические системы / В. Б. Альгин // Механика машин, механизмов и материалов. - 2012. - №1 (18). - С. 6-16.

17. Антонов, Д. А. Расчет устойчивости движения многоосных автомобилей / Д.А. Антонов. - М. : Машиностроение, 1984. - 168 с.