سیستم های مورد نیاز یک تراکتور خودکار کوچک

تراکتور باید از نظر فیزیکی کوچک ، سبک وزن ، قابل اطمینان و دارای وسایل ارتباطی سریع که به آسانی مدیریت می شوند باشد .

---

پیشرفت ها در اطلاعات و تکنولوژی IT تغییرات معنی داری در اغلب نظام های کلی ،از جمله کشاورزی ایجاد کرده است .اغلب، نتایج فرآیند های برنامه های کامپیوتری نیاز به ورودی های زیادی دارند به همین دلیل وجود نرم افزار های خود تعریف گر، که برنامه هایی از نظر تکنیکی پیشرفته اند،لازم می باشد تا خودرو بتواند خودش را با نیاز های مخصوص استفاده کننده تطبیق دهد .توانایی مورد استفاده قرار دادن این پیشرفت ها در مکانیزاسیون کشاورزی و بیشتردر ماشین های خاک ورزی اجتناب ناپذیر است.
با توجه به کاهش قیمت های جهانی در تولید غذا و حذف کمک های مالی به تولیدات، بسیاری از کشاورزان، امروزه برای باقی ماندن در عرصه تجارت جهانی، تحت فشار های فزاینده مالی هستند .کشاورزان، راه های مختلفی را برای کم کردن هزینه های تولید، امتحان می کنند .بسیاری از کشاورزان از مزیت صرفه جویی در مقیاس های مزرعه مانند کاهش سایز کشاورزی نسبت به مزرعه های بزرگ تر و تراکتور های بزرگ تر ،کار مورد نیاز در هر هکتار را کم می کنند .
به علاوه افزایش نرخ بازده کشاورزی ،باغبانی ،جنگلداری که در شمال اروپا به وجود آمده است این فکر را توسعه داده است که آیا چندین ماشین خودکار کوچک ،موثرتر از تراکتورهای بزرگ رایج خواهد بود ؟به منظور بررسی این فرضیه، یک تراکتور کوچک با کنترل هوشمند پیشنهاد شد .این خودرو های خود کار می بایست توانایی انجام کار در 24 ساعت در یک روز در طی سال ، در اغلب موقعیت های آب و هوایی را داشته باشند .همچنین اگر این سیستم بتواند مواد شیمیایی را جایگزین استفاده زیاد انرژی مثل سوخت دیزل بکند، اثرات محیطی ناشی از سوخت های فسیلی را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد. در ضمن با استفاده از سیستم کنترل ، بهتر می توان تجهیزات را با تغییرات لازم در موارد مختلف، هماهنگ و در نهایت فشردگی خاک را خیلی کم کرد. به همین دلیل سعی می کنند این خودرو را به صورت کاملا اتوماتیک و بدون نیاز به اپراتور، توسعه بدهند.
فرآیند کاهش مقیاس در حقیقت با ایده ی کشاورزی دقیق شروع شد.توانایی هدایت و رهبری سیستم های محافظ گیاهان منحصر به فرد فتو تکنولوژی گفته می شو د .درکشاورزی دقیق از دستگاه هایی که تکنولوژی سودمندی دارند استفاده می شود. مثل سیستم موقعیت یاب جهانی (GPS)،سیستم اطلاعات جغرافیایی(GIS)، سیستم اطلاعات مدیریت (MIS)مانند حسگرها و کنترل کننده ها در زمین که با ایجاد مدیریت مزرعه، زمین های تراز را جایگزین زمین های دست نخورده می کنند .عوارض ناشی از افزایش روند پوشاندن کامل زمین با یک نوع گیاه منحصر به فرد ، عملکرد های یکسان ،نگهداری هایی با مداخله انسان ، ما را متوجه مزایای بیشتر کنترل های مختلف ، مخصوصا خودرو های خود کار، نسبت به ماشین های متداول می کند .اخیرا ماشینی از این نوع ساخته شده که این خودرو ی خودکار در زراعت ، بذرپاشی ،وجین علف هرز ،گشت زنی اکتشافی، کاربرد کود ها و مواد شیمیایی ،آبیاری و برداشت محصول استفاده می شود. دو مثال خوب از این فرایند در زمینه اکتشاف و شناسایی زمین و ماشین های وجین علف هرز است .
وجین کن علف هرز مکانیکی
از آن جا که بیشتر علف های هرز در بسیاری ازموارد در ردیف های فاصله دارو داخل ردیف ها رشد می کنند ،ماشین های وجین (وجین علف داخل ردیف ها )از وقتی که مکانیزه کردن شروع شده ،مهم بوده است .تنها مشکل، ارزیابی نسبی فاصله بین دو دانه و ابزار وجین علف هرزاست ، به طوری که امروزه نگه داشتن تراکتور واقعا همسو و موازی با ردیف دانه ها مشکل است .پیشرفت های اخیر دقت استفاده از ماشین های بینا را در شناسایی ردیف دانه ها و راهنمایی کردن ابزار در بین گیاهان تا یک صدم متر دانسته است .این عقیده برای اولین بار در اوایل دهه نود آزمایش شد و اخیرا توسعه پیدا کرده است و توسط موسسه تحقیقات دانمارک به صورت اقتصادی در آمده است .
سیستم های مورد نیاز
تجهیزات وجین کن مکانیکی برای حمل و نقل و استفاده مانند بسیاری دیگر از تجهیزات، می تواند به صورت سوار شده بر روی یک خودروی خود کار کوچک باشد که می تواند گردش کند و در زمین ،کاری را در دوره های طولانی از زمان انجام بدهد .برای انجام دادن این وظایف،خودرو باید خواص و ویژگی هاو رفتار های مهمی داشته باشد .
اصلی ترین سیستم هایی که مورد نیاز برای طرح خودروبودن،می باشند به قرار زیر است :
-اندازه کوچک (و بنابراین بدون سر نشین )
-وزن سبک
-قادر به کار کردن (رفتار کردن )در یک حالت مطمئن و بی خطر، حتی زمانی که به طور مختصر سیستم دچار عیب یا نقص می شود .
-توانایی سازگاری با دیگر ماشین ها
-قادر به نمایش رفتار محسوس،در مدت طولانی
- توانایی دریافت آموخته ها وا رتباط اطلاعات
-قادر به انجام دادن رنجی از کار مفید
اکتشاف زمین زراعی
تعداد زیادی از حسگر ها از راه حس کردن می توانند شرایط دانه و خاک را معلوم کنند .یکی از این سیستم ها که در حال حاضر می تواند استفاده شود دارای اجزای مجزایی است که مدت زمان طولانی را برای فرایندکسب داده های آماری می گیرد.برای مثال ماشین های بینا که در ماشین های وجین علف هرز استفاده می شود. دراین سیستم با در یافت چندین طیف پاسخ از تاج پوشش گیاهی که مقدار کلروفیل را نمایش می دهدومقداردی اکسید کربن که به سلامتی خاک وابسته است و قابلیت هدایت الکتریکی خاک که با رطوبت همبسته است، را نشان می دهد.برای تعیین نیترید خاک ،مسائل مهم وابسته به موجودات آلی ،ظرفیت مبادله یون ،ph خاک و رطوبت خاک که از مسائل مهم در عمق های مختلف شمرده می شود ازبازتاب اشعه مادون قرمز با طیف سنج فتو خاک در زمان طبیعی می توان استفاده کرد. ترانزیستور های تاثیر گزینشی یونی نیز (ISFETS) می توانند به نیترید ، PH و دیگر فاکتور های محلول در خاک، زمانی که مقدار آن ها از حالت تعادل خارج می شوند حساس باشند. بعضی از این سیستم های حسی یا حسگر ها هنوز در وضعیت پژوهش و تحقیق هستند اما پژوهشگران وعده داده اند که دانسته ها ی ما را در مورد مدیریت محیط دانه و پرورش آن ها افزایش دهند .
دلایلی که بعضی از این سیستم ها تا به حال استفاده نشده اند این است که هزینه ها ی وابسته که برای زمان اپراتوری صرف می شود در برابر اطلاعات سودمندی که می دهد قابل توجیه نیست .اگر این سیستم ها اتوماتیک باشند و روی یک خودروی خود کارسوارشوند در نتیجه هزینه اپراتور به طرز قابل قبولی کاهش می یابد .به این معنی که هزینه هابرای بدست آوردن داده های اطلاعاتی کاهش پیدا می کند.
وزن سبک
پارامتر های طرح سبک وزن بودن چنان مهم است که به کاهش فشردگی خاک بستگی دارد .مشخص شده که 70 درصد انرژی ذخیره شده که صرف کشت وزراعت می شود به واسطه حرکت کردن و آمدو شد های سنتی سیستم ها به هدر می رود .( 225Mj/ha)این عدد برای شخم زدن در نواحی کم عمق است و شامل شخم هر عمقی نمی شود .بواسطه این ما تخمین می زنیم که 80-90%از انرژی در کشت سنتی برای تعمیر ومرمت خسارت های وارده به علت شیوه های سنتی استفاده از تراکتور های بزرگ صرف می شود .
اگر چنانچه ما بتوانیم فرضیه جابجایی تراکتور های بزرگ را به خودرو های هوشمند سبک بپذیریم احتمال ایجاد سیستم مکانیسم کشاورزی کاملا جدید، وجود خواهد داشت .چنانچه ما امکان کاهش زیاد فشردگی و وجین مکانیکی را داشته باشیم ممکن است ما نیاز به شخم زدن نداشته باشیم. اما اگر از Micro-Tillage استفاده کنیم یک نقش عمده در بقا کشاورزی بازی کرده ایم.بطوری که اگر سلامتی طبیعی بیوسیستم خاک در ساختار خاک، بهبود یابد موقعیت ایده آلی برای پیشرفت بنیادی در کشاورزی است .اگرچه ماشین های خود کار، به طور ذاتی سبک اند باید منابع انرژی کمتری لازم داشته باشند. هرچند ممکن است به علت قابلیت های بالایی که دارند به توان بیشتری نیاز داشته باشند که می توان با استفاده از موتور های بزرگ تر، این توان را جبران کرد. خودرو های خود کارنسبت به شرایط آب و هوایی روی زمین مستقلند و می توانند بهتر مطابقت لازم را با نیاز های کشاورزی ایجاد کنند .
ایمنی
هر ماشین خودکار باید همیشه در یک شرایط ایمنی حتی در طول مدتی که سیستم دچار نقص فنی می شودعمل کند .در این موارد نقص های وقفه انداز غیر قابل قبول است .ایمنی به معنی تامین ایمنی در همه اجزای خودرو است وحتی ایمنی بوته ها را نیز شامل می شود.سیستم مورد نیاز برای شناسایی این که کدام سیستم دچار نقص شده است است سیستم های هماهنگ و کنترل کننده می باشند .این سیستم ها نقص را شناسایی می کنند و روشی برای ارزیابی آن ارائه می دهند ودر نتیجه خودرو، اتوماتیک وار خودش را با شرایط ایجاد شده منطبق می کند . این سیستم در افزایش قابلیت اطمینان در مورد داده های عوامل حس کننده بسیار موثر است زیرا همواره سیستم را کنترل کرده و از به وجود آمدن داده های نادرست خودداری می کند.
با استفاده از این سیستم در مراحل مختلفی که قسمتی از سیستم دچار نقص شده است پیشرفت مطلوبی در تنزل زمان وامندگی خودرو حاصل گردیده است و در حالت کلی ، سیستم، قادر به انجام کارخود- هر چند با کاهش ظرفیت کاری- در زمان ایجاد نقص می باشد.به طورکلی این موضوع سبب می شود فقط قسمتی از سیستم که دچار مشکل شده خاموش شود و با افزایش نقص ها، کارکرد به تدریج کاهش می یابد و این بهتر از خاموش شدن کل دستگاه است . تنها سیستم های مجهز به سیستم کنترل و هماهنگ کننده و خود تشخیص عیب ها می توانند اجازه این طور رفتار ها را بدهند .
حالت های ایمنی برای خودرو های خود کار و ابزاری که توسط آن ها به کار گرفته می شود به ترتیب زیر مشخص شده است :
- ایستادن در حالی که هنوز ارتباط برقرار است
ایست کامل خودرو با دلیل ایجاد نقص به طوری که خودرو هنوز ارتباط خود را با مرکز کنترل حفظ کرده است.
- سیستم های خاموش متحرک
تا یک اندازه سیستم معیوب از کا ر می افتد اگر چه خودرو همچنان متحرک است.

- ایمنی ظاهری عملیات
خودرو خود کار و همه سیستم های ابزار، مطابق با گستره پارامتر های نرمال عمل می کنند.
- سیستم های خاموش غیر متحرک
تا یک اندازه سیستم معیوب از کار می افتد و خودرو غیر متحرک می باشد .
-ایمنی عملیات با اعلام خطر
برای انجام عملیاتی بی خطر،در این حالت بعضی از اعلام خطرها در باره وضع غیر عادی و ناهنجاری ها ی ایجاد شده، وجود دارد.
- کاملا مرده
سیستم کاملا خاموش می شود و خودرو نیز در این حالت هیچ گونه ارتباطی با مرکز کنترل ندارد .
کنترل ایمنی همیشه برای کنترل چگونگی انجام کارها و نظارت بر وضعیت سیستم ها ، تعمیر یا حفظ و نگه داری آ ن ها، تشخیص دقیق نقص ها قابل استفاده است و همچنین در مطمئن ساختن چگونگی کیفیت سیستم تغییر مکان (حسگرها ،فعال کننده ها، به کار انداز ها) و مراحل مختلف کنترل کامپیوتر ها و غیره ... نیزقابل استفاده است. .یکی از اهداف مهم از ایجاد سیستم ایمنی تشخیص اولیه (تشخیص ، ایزولاسیون و شناسایی )نقص ها ، در حالی که آن ها در مراحل ابتدایی و سخت در تشخیص و ایزو لاسیون هستند، می باشد. هدف دیگر این سیستم این است که به خودرو اجازه می دهد در مواقعی که نقصی پیش می آید ، به صورت مطلوب کار کند .وجه اشتراک فاکتور های انسانی و ماشین های ساخت دست بشر این است که برای انجام هر کاری باید اطلاعات برای آن ها قابل فهم باشد و آخرین حلقه از فرایند ایمنی این است که اطلاعات را به صورت قابل فهم به مرکز کنترل یا هدایت کننده خودرو بدهد .
چون این خودرو ها برای کار در دوره های طولانی مدت بدون متصدی و به طور خود کار طراحی شده اند ،احتمال زیادی برای اعلام حالت Thaft¹ وجود دارد .اگر کسی به خودرو نزدیک شود طبق یک حالت ایمنی تا زمانی که آن شخص از آن ناحیه دور شود،خودرو خاموش می شود.
تراکتور خاموش است اما بعد از تهدید شدن همچنان حرکت می کند!
همچنین در چنین حالتی یک اپراتور می تواند با بیسیم امواج رادیویی خودرو را کنترل و راهنمایی کند. درغیر این صورت خودرو به حالت سکون می رود و با حفظ فعالیت قبلی آخرین داده ها را به مرکز کنترل می فرستد .مثال دیگر زمانی است که خودرو بیرون از محدوده توان موتور کار می کند در این صورت هشدار خطر thaft اعلام می شود.
حتی با همه این احتیاط ها در زمین ممکن است کامپیوتر از این که لحظه به لحظه حالت یا موقعیت ها را متوجه بشود که بتواند اجازه بدهد رفتار ها را بررسی کند ، واماند . در نتیجه خودرو های کوچک تر و کندتر نسبت به نوع بزرگ تر و تندتر ایمن تر هستند.
سایز کوچک
سایز خودرو خود کار کوچک بر دقت بالای عمل کننده دلالت می کند ،که باعث کاهش مواد قالب گیری و نسبتا بی خطر ماندن سیستم در طی بروز مشکل یا نقص فنی می شود .خودرو های خود کار ممکن است در حدود 1-2 متر طول داشته باشند ، در این صورت به اندازه کا فی برای مستحکم بودن بزرگ هستند اما به اندازه کافی برای به جا آوردن فاکتور های ایمنی کوچک هستند .نیروی آن ها بین 10-30 hp است. برای دست یافتن به انرژی کافی، آن ها با موتور های احتراق داخلی تجهیز می شوند .خودرو های خود کار کوچک تر که خیلی کمتر از یک متر طول دارند و حدود 5hp می توانند تولید توان کنند رابرای کار های خیلی تخصصی با انرژی مورد نیاز خیلی کم مثل زمانی که از حسگر های غیر تماسی استفاده می شود، به کار می برند .کاهش مواد قالب گیری و تغییر در خودرو های خود کار و افزایش ظرفیت خط تولید به وسیله خط تولید های کاملا اتوماتیک می تواند پذیرش کشاورزان و مردم را برای این خودرو ها نسبت به انواع بزرگ تر آن افزایش دهد . این خودرو های خود کار، فواید بیشتری از جهات به خصوصی نسبت به ماشین های بزرگ تر دارند .مزایا ی اصلی آن ها سایز کوچک و قابلیت مانور بالای آن ها است . ناچارا ،خودرو های خود کار خیلی کوچک، سرعت کاری پایین تری دارند بنابراین دارای رفتار مطلوب در مدت زمان دلخواه نخواهند بود.این ماشین های کوچک ناچارا ساعات طولانی را در جبران کار باقی مانده کار خواهند کرد .این ماشین های کوچک قادر به انجام انتخابی کارها و عملیات خیلی دقیق هستند و می توانند با داشتن استعداد های بالقوه از لحاظ هوشمندی و احساس در زمینه های مواظبت از گیاهان زراعی و یا جایگزین کردن گیاهی که مشکل دارد وبرداشت محصول، توسعه پیدا کرده و مورد استفاده قرار گیرند.
مدیریت سریع
کامپیوتر دراین موارد به عنوان یک کشاورز است و به عنوان یک مدیر با استفاده از سیستم مدیریت اطلاعات (MIS) همه چیز و همه جا را تشخیص می دهد و خودرو خود کار، کار هایش را کنترل می کند.
کامپیوتر هماهنگ وکنترل کننده اطلاعات مربوط به کار های مشخص را تجزیه و تحلیل کرده واز طریق یک خط رادیویی برای خودرو ارسال می کند.همچنین کامپیوتر هماهنگ و کنترل کننده همواره با GIS در ارتباط است و با توجه به اطلاعات آن که از لحظه ای به لحظه دیگر تغییر می کند تجهیزات و نقشه های قابل استفاده را آماده می کند.
MIS باید یک خط مستقل تصویری با یک دوربین هدایت شونده در زمان های واقعی برای خودرو داشته باشد به طوری که مدیر بتواند در تمام مدت موجود خیلی سریع از فعالیت خودرو ها اطلاع یابد. این سیستم از یک نمایش گر وضعیت mimic که همه پارامتر های در حال کار خودرو را نشان می دهد تشکیل شده است .
برای استفاده آسان از این وسیله و ضعیت سیار به شکل یدک کش مد نظر است تا به عنوان یک ایستگاه ارتباط دور برای محاسبه ( آمایش ، مسائل تشخیص ایستگاه های اصلی GPS ، تکرار کننده های رادیویی، ایستگاه های آب و هوایی و غیره در فواصل دور مزرعه به کار رود . این خودرو باید ظرفیتی داشته باشد که اجازه بدهد سیستم های متعددی درآن قرار بگیرند .
همچنین قسمتی از طراحی کلی این ماشین های کوچک، این است که قادر به هماهنگی و همکاری و تشریک مساعی در کار ها ی مختلف باشند .این امر به توسعه سرعت کارعملیات کمک می کند و اجازه می دهد کار ها در زمان بحرانی با تعداد ماشین های عمل کننده ای که با توجه به مقیاس به کار می گیریم ، سریعتر انجام شود.
روش های اکتشافی
تراکتور باید با محلی که در آن قرار می گیرد کاملا منطبق باشد چون اگر نتواند در آن محیط سیاحت و اکتشاف کند محیط برای خودرو ناشناخته می ماند . اگر تراکتور در محیط ناشناخته با یک GIS خالی قرار گیرد می تواند شروع به پر کردن GIS با داده های خودش کند . در روش های اکتشافی ، خودرو به داده هایی که از طریق همه حسگر ها به آن منتقل می شود تکیه کرده و از این اطلاعات تشخیص می دهد که کدام راه ایمن تر است و خیلی کند شروع به حرکت در آن مسیر می کند تا اطلاعات را ثبت کند .حال چنانچه خودرو در محلی قرار بگیرد که مرز ها ی آن مشخص است و قبلا مساحی شده است در زمان حرکت در آن متناوبا اطلاعات خود را با اطلاعات قبلی منطبق می کند و اطلاعات جدید را جایگزین اطلاعات قبلی می کند .این سیستم به ما در کسب اطلاعات مربوط به محیط هایی که کاملا از نظر ظاهری متشابه اند اما از لحاظ پارامتر های دیگر متفاوت اند کمک می کند .
روشهای هدایت
اساس کار برای این نوع تراکتورها هدایت بدون خطر برای یک موقعیت تعریف شده است . برآورد شده که خودرو خودش را در 80- 90 % از زمان فعال بودنش هدایت می کند. در این حالت موقعیت یابی خودش و اطلاع از چگونگی کار کردن ابزار نیاز اصلی تراکتور است .
خودرو باید قادر به طراحی مسیر های موثر برای رسیدن به نقطه مشخصی که مورد گزارش قرار می گیرد باشد و باید توانایی شناختن موانع، شیار ها ، جاده ها ، مدخل ها و غیره را داشته باشد و قادر به واکنش نشان دادن به موضوع های شناخته شده یا موقعیت های شناخته نشده باشد که در این صورت برای رسیدن به هدف نهایی، ملزم به جمع آوری اطلاعات از سطوح پایین تر می باشد.
خودروبرای انتخاب مسیر بهینه از بین مسیر های رایج و مسیر های مطلوب،اطلاعاتی همراه با جزئیات موقعیت فیزیکی ناحیه ( عوارض زمین و و یژگی هایش ) را لازم دارد. این نوع از داده ها که وابسته به فضای سه بعدی هستند بهتر است که در یک سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) که یک سیستم مهم اطلاعاتی خودرو است ذخیره و پردازش شود.نرم افزار های طرح مسیر به طور معمول موجود می باشند، اما باید در آن مشخصات خودرو مانند عرض ، طول ، شعاع دور زدن را برای پیش بینی کردن زمان حضور خودرو با سرعت های مختلف در هنگام کار، برای رسیدن خودرو به یک موقعیت از قبل تعیین شده را قرار داد.
درهدایت به صورت خود کار، موضوعاتی که برای دستگاه ایجاد مانع می کنند، بر فعالیت سیستم تاثیر می گذارند.یک سیستم متشکل از سه دایره متحدالمرکز اطلاعات وابسته به موانع را در بعد مشخصی از محل کار خودرو ارائه می دهد . مثل وجین علف هرز که خودرو مسیر مشخصی را طی نمی کند و موانع که همان علف ها هستند به صورت پراکنده بر روی زمین می باشند و خودرو آن ها را نسبت به موقعیتی که دارند شناسایی می کند . شکل2 را ببینید .چندین موضوع در ردیابی سیستم، همیشه مورد نیاز است که می تواند بر اساس اهمیت ،الویت داشته باشد . مثلا اگر یک ابزار عریض مثل یک بوم سم پاشی استفاده شود باید برای آن مسیری را تعریف کرد و یک مسیر مشخص را برایش معین نمود.
زمانی که یک ردیاب به موضوعی برخورد می کند تا یک اندازه آن راردیابی خواهد کرد، اطلاعات به دست آمده برموضوعات جانبی تا زمانی که مشخص می شود که موضوع، یک مانع است تاثیر خواهد گذاشت. در زمانی که مو ضوع یک حیوان یا انسان باشد که از مسیر خارج می شود، سرعت خودرو در یک طرح ایمنی، کندتر خواهد شد و بنابر این می ایستد. اگر مانع بدون حرکت باقی بماند بنابراین خودرو اطراف آن می رود و سایز و موقعیت آن را در GIS ثبت می کند از طرف دیگر ، اگر موضوع حرکت کند ، بنابراین خودرو منتظر می شود تا حرکت کند وبه خارج از مسیر برود و سپس خودرو به مسیر خود ادامه می دهد . اگر موضوع به سمت خودروپیشروی کند ، خودرو آن را به صورت یک تهدید تلقی خواهد کرد و از حالت ایمنی خارج می شود تا زمانی که تهدید از بین برود .
یک روش هدایتی دیگر زمانی است که خودرو نیاز به سوخت گیری یا تعمیر دارد بنابراین خودرو به محل سوخت هدایت می شود و پس از سوخت گیری و یا تعمیر به صورت دستی مجددا به مزرعه بر می گردد و به کارش ادامه می دهد .