CONTRACTUL DE CERCETARE: 15 N / 27.02.2009 / Act.ad. nr.1/2015/ Act. ad. nr.3/2015

 

SISTEM INTELIGENT PENTRU LUCRĂRILE DE ÎNTREȚINERE A CULTURILOR AGRICOLE CORESPUNZĂTOR CONCEPTULUI DE AGRICULTURĂ DE PRECIZIE

 

Denumirea programului Nucleu: Dezvoltarea cercetărilor privind sistemele, tehnologiile de mecanizare, informatizare, automatizare, management şi echipamente tehnice competitive pentru agricultură şi industria alimentară / STIMM

 

Denumirea obiectivului 5: Dezvoltarea de metode, tehnologii, sisteme, echipamente tehnice şi de instrumentaţiei corespunzătoare conceptului de agricultură de precizie

 

Obiectivul principal al proiectului constă în cercetarea şi dezvoltarea unui sistem inteligent pentru lucrarile de intretinere a culturilor agricole care va fi constituit dintr-o metoda moderna de recunoastere a imaginilor dezvoltata pentru lucrarile de intretinere a culturilor agricole si un echipament tehnic multifuncţional de intreţinere mecanică pe rând si intre plante a culturilor agricole care sa implementeze metoda dezvoltata.

 

Fazele proiectului:

 

Faza nr. 1:    Studiu privind posibilitățile de folosire a algoritmilor inteligenți de recunoaștere a imaginilor în cadrul lucrarilor de intreținere a culturilor agricole

Faza nr. 2:    Dezvoltarea metodei de recunoaştere a imaginilor în agricultură; Documentaţie de execuţie ME de echipament tehnic multifuncţional de intreţinere mecanică pe rând şi între plante a culturilor agricole şi a sistemului inteligent de control

Faza nr. 3:    Realizare ME de echipament tehnic multifuncţional de intreţinere mecanică pe rând si intre plante a culturilor agricole şi a sistemului inteligent de control

Faza nr. 4:    Experimentarea metodei si ME de echipament tehnic multifunctional de intretinere mecanica pe rind si intre plante a culturilor agricole si a sistemului inteligent de control

Faza nr. 5:    Demonstrarea functionalitatii si utilitatii metodei si a ME. Diseminare pe scara larga a rezultatelor

 

Echipament tehnic multifuncţional de intreţinere mecanică pe rând şi între plante a culturilor agricole -Echipament inteligent de prășit EIP

 

     Descriere şi componenţă.

            Echipamentul inteligent de prășit - EIP - este destinat întreținerii mecanice a culturilor agricole, prin efectuarea operației de prășire între rândurile de plante și între plante pe rând.

            Echipamentul poate lucra în agregat cu tractoarele de 45 CP, fiind purtat în fața tractorului, pe mecanismul de suspendare în trei puncte categoria I, atât în lucru cât și în transport.

            Modelul experimental de echipament inteligent de prășit (fig. 1), ansamblu EIP-0, este alcătuit dintr-un cadru (poz. 1) pe care se montează două secții de prășit (poz. 2), două roți (poz. 3) de deplasare și reglare a adâncimii de lucru, doi suporți (poz. 4) pentru camerele de achizitie a imaginilor și un picior de parcare (poz. 5).

Fig. 1 Echipament inteligent de prășit, EIP-0

 

            Cadrul (fig. 2), subansamblul EIP-1.0, este o construcție sudată din țevi pătrate și profile din tablă laminate la cald și asamblate prin sudură. Cadrul este prevăzut cu sistem de cuplare la mecanismul de suspendare în trei puncte în fața tractorului, categoria 1 conform ISO 730 al tractoarelor pe roți.

EIP-1.0.jpg

Fig. 2 Cadrul, EIP-1.0

            Secția de prășit (fig. 3), subansamblul EIP-2.0, este alcătuită dintr-un sistem de cuplare (poz. 1) pe cadrul echipamentului, care permite culisarea și reglarea distanței dintre secții, un paralelogram deformabil (poz. 2), o roată de copiere a terenului (poz. 3), un suport pentru organele de lucru (poz. 4), un cuțit daltă reversibil (poz. 5) montat pe un suport elastic, două brațe articulate stânga / dreapta (poz. 6) pe care se montează două cuțite semidisc prin intermediul unor suporți rigizi.

Fig. 3 Secția de prășit, EIP-2.0

            Sistem inteligent de control

Principiul de functionare al sistemului inteligent de control are la baza metoda de recunoastere a imaginilor dezvoltata. Acest sistem software-hardware realizeaza o discriminare a plantelor de cultura de restul buruienilor si realizeaza distrugerea mecanica a celor din urma. Sistemul inteligent de control are la baza doua camere inteligente, in memoria interna a carora va fi implementata metoda de recunoastere a imaginilor prin scrierea unui program software. Fiecare camera va supraveghea doua randuri de cultura si va transmite pe cale digitala unui controller logic programabil (PLC) comenzile obtinute in urma prelucrarii imaginilor. PLC-ul va realiza sincronizarea camerelor cu viteza de inaintare a tractorului, si cu starea actuatorilor care actioneaza cutitele echipamentului. Tot PLC-ul comanda actionarea celor patru actuatori electrici liniari in sensul deschiderii si inchiderii acestora in zonele imburuienate, prin transmiterea unor semnale digitale catre controller-ele acestora. Interfata intre echipamentul tehnic, sistemul inteligent de control si operator se va realiza prin intermediul unui terminal de operare cu touch-screen. Prin intermediul acestuia, operatorul poate realiza comenzile de start-stop functionare ET, monitorizare actuatori, numar plante cultura, grad de imburuienare. Deasemenea acesta va putea ghida echipamentul tehnic prin intermediul unui GPS astfel incat sa se realizeze o operatie de intretinere a culturilor optima, fara depasirea distantei dintre randuri si a distrugerii plantelor de cultura.

In continuare prezentam schema bloc a sistemului inteligent de control.

Fig.4 – Schema bloc sistem inteligent de control EIP 5.0 (CI1÷2 – camere inteligente, SV – senzor viteza, GPS – sistem de pozitionare globala, PLC – controller logic programabil, TO- terminal de operare, C1÷4 – controller actuator electric, A1÷4 – actuator electric liniar, CC – cutie comanda)

 

Fiecare camera inteligenta trimite semnale catre PLC pe cate doua canale, realizandu-se in total comanda a patru actuatori, pentru patru randuri de cultura. Intregul sistem functioneaza alimentat de la sursa de tensiune electrica a tractorului, prin realizarea unei conversii de la 12 Vcc la 24 Vcc, conform schemei electrice si de automatizare. Tot in schema electrica si de automatizare se prezinta echipamentele tehnice si tipul acestora, care compun sistemul inteligent de control: PLC, terminal de operare, convertor tensiune, actuator electric, controller actuator electric, camere inteligente

           

20151109_141042

Fig. 5. - Echipamentul inteligent de prășit in agregat cu tractorul TCE-50

 

Caracteristici tehnice principale

Principalele caracteristici tehnice ale echipamentului inteligent de prășit sunt prezentate în tabelul 1.

                                                                                                                                                                                Tabelul 1

Caracteristica

U.M.

Valoare

Tipul echipamentului

-

purtat

Puterea minima a tractorului cu care lucrează

CP

45

Numărul secțiilor de prășit

-

4

Numărul de rânduri prasite

-

4

Lățimea zonei de protecție a plantelor

cm

10

Numărul organelor de prășit pe secție

-

3

Adâncimea de lucru la prășit

cm

2...5

Senzori optici de tip camera inteligenta

-

2

Actuatori organe de lucru

-

4

Interfata grafica cu utilizatorul

-

1

GPS agricol

-

1

Unitate de control

-

1

 

            Camerele inteligente din cadrul sistemului inteligent de control implementeaza o metoda de recunoastere a imaginilor bazata pe diferentele de intensitate luminoasa dintre pixelii caracteristici plantelor de cultura si a celor care descriu spatiul dintre plante pe rand. Fiecare camera identifica câte două randuri de cultura si comanda câte doi actuatori care actioneaza organelor de lucru care prasesc fiecare rand in parte.

In figura 6 se prezinta o parte din pasii de program pentru fiecare camera inteligenta, care implementeaza metoda de recunoastere a imaginilor.

 

Fig. 6. – Pasii de program care implementeaza metoda de recunoastere a imaginilor

 

            In figura 7 se prezinta o fotografie color reprezentand plantele de cultura, asa cum este receptionată de catre camera de luat vederi. 

 

Fig. 7 – Fotografie initiala a plantelor de cultura

            Fotografia din figura 7 a fost importata off-line in programul camerei si au fost create doua zone de interes corespunzatoare celor doua randuri de cultura observate. In figura 8 se prezinta cele doua zone de interes astfel create.

 

Fig. 8 – Creare a doua regiuni de interes corespunzatoare celor doua randuri de cultura observate

 

  In continuare imaginea s-a prelucrat prin adaugarea unui prag al intensitatii luminoase in scopul identificarii plantelor de cultura si a diferentierii acestora fata de sol si de buruieni. In figura 9 se prezinta imaginea prelucrata.

 

Fig. 9 –Imagine prelucrata in scopul identificarii plantelor de cultura si a diferentierii acestora fata de sol

Pentru fiecare zona de interes a imaginii din figura 9 s-au aplicat pasi de identificare a obiectelor si de numarare a pixelilor obtinandu-se rezultate de tipul pass/fail (este/nu este), adica avem/nu avem planta de cultura in interiorul zonei de interes. In figura 10 se observa marcati cu rosu pixelii luati in calcul.

Fig. 10 – Identificarea in zonele de interes daca ”avem sau nu” planta de cultura (pe randul din stanga s-a identificat un gol, pe randul din dreapta s-a identificat o planta de cultura)

 

            In tabelul 2 se prezinta sintetic rezultatele obtinute in urma experimentarii metodei de recunoastere a imaginilor propuse.

                                                                                                                                 Tabel 2

Nr

crt.

Caracteristica

U.M.

Valoarea parametrilor determinaţi la încercări

1.

Numar fotografii prelevate

-

155

2.

Numar randuri de cultura observate din fotografii

-

2

3.

Numar de plante reale

-

620

4.

Numar de plante identificate de metoda

-

618

5.

Numar de frame-uri procesate pe secunda

-

3

6.

Grad de utilizare memorie camera

%

74

7.

Grad de utilizare procesor

%

88

 

In tabelul nr 3 se prezinta principalele caracteristici constructive ale EIP.

 

                       

Caracteristici constructive EIP                                                                                    Tabel 3

Nr

crt.

Caracteristica

U.M.

Valoarea parametrilor determinaţi la încercări

1.

Lungime echipament

mm

1550

2.

Lăţime echipament

mm

1250

3.

Înălţime echipament

mm

1450

4.

Masa echipament

kg

180

5.

Tensiune alimentare

Vcc

12

6.

Suprafata organ taiere

mm2

3846.5

7.

Cursa actuatori

mm

18

8.

Timp actionare actuatori

s

0.3

9.

Viteza deplasare tija actuator

mm/s

120

10.

Cursa organe de lucru

mm

68.38

11.

Unghi descris de organul de lucru, pe o traiectorie de tip arc de cerc

ş

16

12.

Suprafata acoperita de organul de lucru, in lucru

mm2

4490.2

 

S-au efectuat experimentari functionale in teren, la trei adancimi de lucru diferite, urmarindu-se urmatorii parametri: viteza de lucru, consum de combustibil, numar de cicluri de taiere pe secunda, consum de energie electrica, grad de maruntire sol si grad de distrugere buruieni.

Conditiile de mediu in care s-au efectuat experimentarile in camp au fost urmatoarele:

·         temperatura: 18 şC

·         umiditate relativa a aerului: 45%

·         viteza vant:0.2 m/s

In tabelul 4 sunt prezentate valorile medii ale principalilor indici obtinuti in urma experimentarilor efectuate in teren.

 

Indici de lucru ai EIP (calitativi si energetici)                        Tabel 4

Nr

crt.

Indici/Parametri

U.M.

Valoarea parametrilor determinaţi la încercări

1.

Adancime de lucru

mm

20

35

50

2.

Viteza de lucru

km/h

2.12

2.22

2.14

3.

Latime de lucru

m

0.6

0.6

0.6

4.

Grad de maruntire sol

%

93

91

88

5.

Grad de imburuienare

%

17

18

18

6.

Grad de distrugere buruieni

%

89

90

94

7.

Numar de taieri pe secunda efectuate de organele de lucru

-

2.94

3.08

2.97

8.

Consum energie electrică

kWh

0.49

0.52

0.56

9.

Capacitate de lucru orara

m2

1272

1332

1284

10.

Consum de combustibil

l/h

2.72

2.78

2.74

 

La sediul INMA, s-a realizat demonstrarea functionalitatii si utilitatii metodei si a ME de echipament inteligent de prasit - EIP. Demonstrarea a fost efectuată de către specialişti din cadrul colectivului de lucru al INMA, Departamentul de Incercari.

La această acţiune au participat specialişti din mediul economic şi ştiinţific, cărora li s-a prezentat metoda de recunoastere a imaginilor folosita si modelul experimental de echipament inteligent de prasit, evidentiind avantajele utilizarii, principiile de functionare, componenta si principalele caracteristici tehnice ale acestora.

Aspecte din timpul demonstraţiei sunt prezentate în figura 11.

 

EIP 20151202_132816

Fig. 11. Aspecte din timpul demonstraţiei

 

În vederea diseminării pe scară largă prin comunicarea şi publicarea rezultatelor obţinute privind rezultatele proiectului „Cercetări privind dezvoltarea unui sistem inteligent pentru lucrările de întreţinere a culturilor agricole corespunzător conceptului de agricultură de precizie”, au fost elaborate materiale de informare a posibililor beneficiari ai rezultatelor proiectului, materializate prin fişe tehnice, poster, pagină Web, realizate pe perioada desfăşurării proiectului şi cu perspective de continuare după încheierea acestuia. Totodată, au fost publicate si comunicate doua articole privind rezultatele proiectului.

 

Materiale de informare realizate pe parcursul desfăşurării proiectului:

a. Articole

1. Gheorghe G., Matache M., Manea D., Voicea I., Marin E., Vlăduţ V., Voicu Gh., Brăcăcescu C., INTELLIGENT HOEING EQUIPMENT BASED ON THE METHOD OF IMAGES RECOGNITION / METODA DE RECUNOASTERE A IMAGINILOR IN AGRICULTURA PENTRU CONTROLUL UNUI ECHIPAMENT INTELIGENT DE PRASIT, Proceedings of ISB-INMA TEH’ 2015 AGRICULTURAL AND MECHANICAL ENGINEERING, 29-31 Oct. 2015, ISSN 2344 – 4118, CD-ROM: ISSN 2344 – 4126, ISSN-L 2344 – 4118, pag.575-582;

2. Gheorghe G., Mateescu M., Păun A., Marin E., Matache M., Brăcăcescu C., NEW TRENDS CONCERNING THE MAINTENANCE OF CROPS THROUGH UNCONVENTIONAL METHODS / TENDINŢE NOI PRIVIND ÎNTREŢINEREA CULTURILOR AGRICOLE PRIN METODE NECONVENTIONALE, Proceedings of ISB-INMA TEH’ 2015 AGRICULTURAL AND MECHANICAL ENGINEERING, 29-31 Oct. 2015, ISSN 2344 – 4118, CD-ROM: ISSN 2344 – 4126, ISSN-L 2344 – 4118, pag. 625-632;

b. Comunicări

1. Gheorghe G., Matache M., Manea D., Voicea I., Marin E., Vlăduţ V., Voicu Gh., Brăcăcescu C., INTELLIGENT HOEING EQUIPMENT BASED ON THE METHOD OF IMAGES RECOGNITION / METODA DE RECUNOASTERE A IMAGINILOR IN AGRICULTURA PENTRU CONTROLUL UNUI ECHIPAMENT INTELIGENT DE PRASIT, comunicare in cadrul simpozionului international ISB-INMA TEH’ 2015 AGRICULTURAL AND MECHANICAL ENGINEERING, 29-31 Oct. 2015;

2. Gheorghe G., Mateescu M., Păun A., Marin E., Matache M., Brăcăcescu C., NEW TRENDS CONCERNING THE MAINTENANCE OF CROPS THROUGH UNCONVENTIONAL METHODS / TENDINŢE NOI PRIVIND ÎNTREŢINEREA CULTURILOR AGRICOLE PRIN METODE NECONVENTIONALE, comunicare in cadrul simpozionului international ISB-INMA TEH’ 2015 AGRICULTURAL AND MECHANICAL ENGINEERING, 29-31 Oct. 2015;

c. Participarea in cadrul editiei XX a INDAGRA, pavilionul C6, Masini si echipamente agricole, cu un poster de prezentare al modelului experimental de echipament inteligent de prasit.

INDAGRA 28 10 2015 009  INDAGRA 28 10 2015 042  INDAGRA 28 10 2015 052

Fig. 12. Aspecte din timpul expozitiei INDAGRA 2015

 

d. Participarea in cadrul simpozionului international ISB-INMA TEH’ 2015 AGRICULTURAL AND MECHANICAL ENGINEERING, 29-31 Oct. 2015, cu un poster de prezentare al modelului experimental de echipament inteligent de prasit.

ISB-INMA TEH  10 2015 128 

Fig. 13. Aspecte din timpul simpozionului international ISB-INMA TEH’ 2015 AGRICULTURAL AND MECHANICAL ENGINEERING

 

e. Editarea unui CD ROM

- fişă tehnica EIP; poster.

 

f. Notificare cerere de brevet nr. A/00972 din 04.12.2015 pentru Echipament inteligent de prasit pe rand si intre randuri, autori: Gheorghe Gabriel Valentin, Persu Ioan Catalin, Manea Dragos, Marin Eugen

 

g. Crearea unei pagini web

În pagina web sunt prezentate date de recunoaştere, obiective, rezultate obţinute, prezentarea tehnologiei şi echipamentelor tehnice realizate în cadrul proiectului şi modul de diseminare a rezultatelor obţinute în urma realizării proiectului. Pagina web a proiectului este următoarea: http://www.inma.ro/Pagina_web_NUCLEU/lista_proiecte_nucleu_rom.htm