agroengineeringАгроинженерияAgricultural Engineering (Moscow)2687-11492687-1130РГАУ-МСХА10.26897/2687-1149-2023-3-49-56agroengineering-600Research ArticleТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ АПКFARM MACHINERY AND TECHNOLOGIESИнтеллектуальная система управления сельскохозяйственными роботами: формирование структурыIntelligent agricultural robot control system: structure formationhttps://orcid.org/0000-0002-8890-1107СтаростинИ. А.StarostinI. A.

Иван Александрович Старостин, канд. техн. наук, старший научный сотрудник

109428, г. Москва, 1-й Институтский проезд, 5

Ivan A. Starostin, CSc (Eng), Senior Research Engineer

5, 1st Institutskiy Proezd Str., Moscow, 109428

starwan@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-1219-3335ДавыдоваС. А.DavydovaS. A.

Светлана Александровна Давыдова, канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник

109428, г. Москва, 1-й Институтский проезд, 5

Svetlana A. Davydova, CSc (Eng), Lead Research Engineer

5, 1st Institutskiy Proezd Str., Moscow, 109428

davidova-sa@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9368-7758ЕщинА. В.EshchinA. V.

Александр Вадимович Ещин, канд. техн. наук, старший научный сотрудник

109428, г. Москва, 1-й Институтский проезд, 5

Aleksandr V. Eshchin, CSc (Eng), Senior Research Engineer

5, 1st Institutskiy Proezd Str., Moscow, 109428

eschin-vim@yandex.ruФедеральный научный агроинженерный центр ВИМРоссияFederal Scientific Agroengineering Center VIMRussian Federation2023070720232534956Copyright © Старостин И.А., Давыдова С.А., Ещин А.В., 20232023Старостин И.А., Давыдова С.А., Ещин А.В.Starostin I.A., Davydova S.A., Eshchin A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://agroengineering.timacad.ru/jour/article/view/600

Цифровые технологии, внедряемые в сельское хозяйство, направлены на повышение эффективности производства сельскохозяйственной продукции. Сельскохозяйственные роботы, осуществляющие технологические операции, мониторинг состояния поля, посевов или урожайности культур при географической удаленности от облачного хранилища, низкой пропускной способности и ненадежности сети, значительных задержках и сбоях в передаче информации, могут снижать свою производительность, качество выполнения работ и безопасность эксплуатации. С целью повышения производительности агрегатов в составе с беспилотными роботизированными техническими средствами сельскохозяйственного назначения, обеспечения высокого качества выполнения ими технологических операций, а также их безопасной эксплуатации предложена интеллектуальная система управления с применением технологий граничных вычислений на базе Edge Computing. При проведении исследований применялись методы комплексного структурно-динамического анализа и экспертно-аналитический способ обработки информации. В результате проведенных исследований предложена структурно-функциональная схема интеллектуальной системы управления сельскохозяйственными агрегатами в составе с роботизированными техническими средствами, позволяющая централизованно контролировать технологический процесс. Сельскохозяйственные машины осуществляют настройку рабочих органов и корректировку их работы с помощью встроенных автономных систем контроля, передающих данные в систему управления для выработки команд. Реализация концепции Edge Computing в цифровом сельском хозяйстве позволит снизить объем передаваемой информации и нагрузку на сеть передачи данных без снижения качества проведения технологического процесса при сбоях в работе сельскохозяйственной машины и встроенных систем.

Digital technologies introduced into agriculture are aimed at improving the efficiency of agricultural production. Agricultural robots carrying out technological operations, monitoring the field, crops, or crop yields may reduce their productivity, quality and safety of operation due to the geographical distance from the cloud storage, low bandwidth and network unreliability, significant delays and failures in data transmission. To increase the performance of units with unmanned robotic technical means for agricultural purposes, to ensure the high quality of their technological operations, as well as their safe operation, an intelligent control system using edge computing technologies based on Edge Computing is proposed. During the research, the authors used methods of complex structural-dynamic analysis and an expert-analytical method of information processing. As a result of the research, a structural and functional diagram of an intelligent control system for agricultural units with robotic technical means has been proposed to ensure centralized control of the technological process. Agricultural machines adjust the working tools and their operation process using built-in autonomous control systems that transmit data to the control system to generate commands. The operation of the working tools is adjusted in case of serious failures in the unit operation. The implementation of the Edge Computing concept in digital agriculture will reduce the amount of transmitted information and the load on the data transmission network, without reducing the technological process quality in case of failures in the operation of farm machines and embedded systems.

цифровое сельское хозяйствоцифровые технологииинтеллектуальная система управлениясистема управлениясистема контроляграничные вычисленияEdge Computingсеть передачи данныхdigital agriculturedigital technologiesintelligent control systemcontrol systemmonitoring systemedge computingEdge Computingdata communication networkReferencesИзмайлов А.Ю. Интеллектуальные технологии и роботизированные средства в сельскохозяйственном производстве // Вестник Российской академии наук. 2019. Т. 89, № 5. С. 536-538. https://doi.org/10.31857/S0869-5873895536-538IzmaylovA.Y. Smart technologies and robotic means in agricultural production. Vestnik Rossiyskoy Akademii Nauk = Herald of the Russian Academy of Sciences. 2019;89(5):536-538. (In Rus.) https://doi.org/10.31857/S0869-5873895536-538Сибирёв А.В., Дорохов А.С., Аксенов А.Г. Цифровизация машинной технологии уборки лука искусственными нейронными сетями // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2019. Т. 20, № 1. С. 84-91. https://doi.org/10.30766/2072-9081.2019.20.1.84-91SibirievA.V., DorokhovA.S., AksenovA.G. Digital transformation of machine technology for onion harvesting using the theory of artificial neural networks. Agricultural Science of Euro-North-East. 2019;20(1):84-91. (In Rus.) https://doi.org/10.30766/2072-9081.2019.20.1.84-91Цимбал В.А., Тоискин В.Е., Потапов С.Е., Шуточкин Е.А., Бонкин И.Д. Концепция применения программно-конфигурируемых сетей для управления мобильными объектами // Известия Института инженерной физики. 2016. № 1 (39). С. 25-30. EDN: VJSPJHTsimbal V.A., Toiskin V.Y., Potapov S.E., Shutochkin E.A., Bonkin I.D. Concept of the use of software configurable network to control mobile objects. Izvestiya instituta inzhenernoj fiziki. 2016;1(39):25-30. (In Rus.)Гаврилов А.В. Проблемы цифровизации сельского хозяйства развивающихся стран // Наука без границ. 2021. № 7 (59). С. 38-45. EDN: ZHUGQGGavrilovA.V. Challenges of digitalization of agriculture in developing countries. Science without borders. 2021;7(59):38-45. (In Rus.)Young S.N., Kayacan E., Peschel J.M. Design and field evaluation of a ground robot for high-throughput phenotyping of energy sorghum. Precision Agric. 2019;20:697-722. https://doi.org/10.1007/s11119-018-9601-6Young S.N., Kayacan E., PeschelJ.M. Design and field evaluation of a ground robot for high-throughput phenotyping of energy sorghum. Precision Agric. 2019;20:697-722. https://doi.org/10.1007/s11119-018-9601-6Шелковников С.А., Петухова М.С., Алексеев А.А. Теоретические основы управления сельскохозяйственным производством на основе цифровых технологий // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия «Экономика». 2020. Т. 28, № 1. С. 137-145. https://doi.org/10.22363/2313-2329-2020-28-1-137-145Shelkovnikov S.A., Petukhova M.S., Alekseev A.A. Theoretical bases of managing agricultural production based on digital technologies. RUDN Journal of Economics. 2020;28(1):137-145. (In Rus.) https://doi.org/10.22363/2313-2329-2020-28-1-137-145Moysiadis V., Tsolakis N., Katikaridis D., Sørensen C.G., Pearson S., Bochtis D. Mobile robotics in agricultural operations: A narrative review on planning aspects. Appl. Sci. 2020;10(10):3453. https://doi.org/10.3390/app10103453Moysiadis V., Tsolakis N., Katikaridis D., Sørensen C.G., Pearson S., Bochtis D. Mobile robotics in agricultural operations: A narrative review on planning aspects. Appl. Sci. 2020;10(10):3453. https://doi.org/10.3390/app10103453Меденников В.И. Интеграция цифровых платформ управления сельским хозяйством России и Казахстана // Endless Light in Science. 2022. № 3-3. С. 17-24. EDN: NXMEZOMedennikov V.I. Integration of digital agricultural management platforms in Russia and Kazakhstan. Endless Light in Science. 2022;3-3:17-24. (In Rus.)Кондратьева О.В., Федоров А.Д., Слинько О.В. О перспективах развития цифровизации в растениеводстве // Инновации в сельском хозяйстве. 2018. № 4 (29). С. 321-329. EDN: YQVPADKondratyeva O.V., Fedorov A.D., Slinko O.V. Аbout the prospects of planting digitalization. Innovatsii v selskom khozyaystve. 2018;4(29):321-329. (In Rus.)Лобачевский Я.П., Дорохов А.С. Цифровые технологии и роботизированные технические средства для сельского хозяйства // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2021. Т. 15, № 4. С. 6-10. https://doi.org/10.22314/2073-7599-2021-15-4-6-10Lobachevskiy Ya.P., DorokhovA.S. Digital technologies and robotic devices in the agriculture. Agricultural Machinery and Technologies. 2021;15(4):6-10 (In Rus.) https://doi.org/10.22314/2073-7599-2021-15-4-6-10Головинов Е.Э., Аминев Д.А., Захаров А.В., Бакштанин А.М. Отечественный агромонитор для контроля работы сельскохозяйственной техники // Природообустройство. 2016. № 1. С. 52-57. EDN: VVWIVVGolovinov E.E., Aminev D.A., ZakharovA.V., BakshtaninA.M. Domestic agromonitor for control of agricultural machinery operation. Prirodoobustroystvo. 2016;1:52-57. (In Rus.)Starostin I.A., Belyshkina M.E., Chilingaryan N.O., Alipichev A.Yu. Digital technologies in agricultural production: implementation background, current state and development trends. Agricultural engineering. 2021;3(103):4-10. https://doi.org/10.26897/2687-1149-2021-3-4-10Starostin I.A., Belyshkina M.E., Chilingaryan N.O., AlipichevA.Yu. Digital technologies in agricultural production: implementation background, current state and development trends. Agricultural Engineering. 2021;3(103):4-10. https://doi.org/10.26897/2687-1149-2021-3-4-10Gao X. et al. Review of wheeled mobile robots’ navigation problems and application prospects in agriculture. IEEE Access. 2018;6:49248-49268. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2868848Gao X. et al. Review of wheeled mobile robots’ navigation problems and application prospects in agriculture. IEEE Access. 2018;6:49248-49268. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2018.2868848Петухова Н.В., Фархадов М.П., Качалов Д.Л. Разгрузка и консолидация вычислительных ресурсов в среде туманных и граничных вычислений // Вестник Томского государственного университета. Управление, вычислительная техника и информатика. 2020. № 50. С. 123-129. https://doi.org/10.17223/19988605/50/15Petukhova N.V., Farkhadov М.P., Kachalov D.L. Unloading and consolidation of computing resources in the environment of fog and boundary computing. Tomsk State University Journal of Control and Computer Science. 2020;50:123-129. (In Rus.) https://doi.org/10.17223/19988605/50/15Винничек Е.В. Облачные, граничные и туманные вычисления. Анализ и прогноз развития технологий обработки данных // Современные инновационные технологии подготовки инженерных кадров для горной промышленности и транспорта. 2018. № 1 (5). № 4. С. 239-244. EDN: YWZWXAVinnichek E.V. Cloud computing, edge computing, fog computing: analysis and forecast of the development of data processing. Sovremennye innovatsionnye tekhnologii podgotovki inzhenernykh kadrov dlya gornoy promyshlennosti i transporta. 2018;1(5):239-244. (In Rus.)Воробьев С.П., Широбокова С.Н., Евсин В.А. Модель обмена системы распределенного реестра облачных, туманных и граничных вычислений // Информационные технологии и вычислительные системы. 2022. № 2. С. 11-21. https://doi.org/10.14357/20718632220202Vorobyev S.P., Shirobokova S.N., Evsin V.A. Exchange model of a distributed registry system for cloud, fog and edge computing. Journal of Information Technologies and Computing Systems. 2022;2:11-21. (In Rus.) https://doi.org/10.14357/20718632220202Olenev V.L. Analysis of requirements for modern spacecraft onboard network protocols. Information and Control Systems. 2021;1:8-16. https://doi.org/10.31799/1684-8853-2021-1-8-16Olenev V.L. Analysis of requirements for modern spacecraft onboard network protocols. Information and Control Systems. 2021;1:8-16. https://doi.org/10.31799/1684-8853-2021-1-8-16

The authors declare that there are no conflicts of interest present.