vimjourСельскохозяйственные машины и технологииAgricultural Machinery and Technologies2073-7599Federal State Budgetary Scientific Institution «Federal Scientific Agroengineering Center VIM»10.22314/2073-7599-2025-19-2-64-71GKNLWDvimjour-669Research ArticleИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕINNOVATIVE TECHNOLOGIES AND EQUIPMENTАвтоматизированный машинно-тракторный агрегат для кормопроизводстваAutomated Machine-Tractor Unit for Grass MowingГоджаевЗ. А.GodzhaevZ. A.

Захид Адыгезалович Годжаев, доктор технических наук, член-корреспондент РАН, главный научный сотрудник

Москва

Zakhid A. Godzhaev, Dr.Sc.(Eng.), corresponding member of the Russian Academy of Sciences, chief researcher

Moscow

fic51@mail.ruВасильевС. А.VasilyevS. A.

Сергей Анатольевич Васильев, доктор технических наук, заведующий кафедрой

Чебоксары; Княгинино

Sergey A. Vasilyev, Dr.Sc.(Eng.), senior lecturer

Cheboksary; Nizhny Novgorod Region

vsa_21@mail.ruМишинС. А.MishinS. A.

Сергей Александрович Мишин, старший преподаватель

Чебоксары

Sergey A. Mishin, assistant lecturer

Cheboksary

supers.ya@yandex.ruРузановЕ. В.RuzanovE. V.

Евгений Валентинович Рузанов, генеральный директор

Красногорск, Московская область

Evgeny V. Ruzanov, general director

Krasnogorsk, Moscow region

ruza2005@yandex.ruФедеральный научный агроинженерный центр ВИМРоссияFederal Scientific Agroengineering Center VIMRussian FederationЧувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова; Нижегородский государственный инженерно-экономический университетРоссияChuvash State University named after I.N. Ulyanov; Nizhny Novgorod State University of Engineering and EconomicsRussian FederationЧувашский государственный университет имени И.Н. УльяноваРоссияChuvash State University named after I.N. UlyanovRussian FederationООО «Фарватер»РоссияFarvater LLCRussian Federation2025010720251926471Copyright © Годжаев З.А., Васильев С.А., Мишин С.А., Рузанов Е.В., 20252025Годжаев З.А., Васильев С.А., Мишин С.А., Рузанов Е.В.Godzhaev Z.A., Vasilyev S.A., Mishin S.A., Ruzanov E.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.vimsmit.com/jour/article/view/669

Точное земледелие значительно развивается в последние годы благодаря достижениям в области роботизации и автоматизации. В научной статье разработали автоматизированный сельскохозяйственный машинно-тракторный агрегат (МТА) путем использования универсальных мехатронных модулей систем его управления для скашивания трав. (Цель исследования) Разработать функционально-технологическую схему автоматизированного МТА и универсальные мехатронные модули, устанавливаемые на механические органы управления оператора, для автоматического выполнения технологического процесса скашивания трав. (Материалы и методы) Разработана функционально-технологическая схема МТА. Машинно-тракторный агрегат состоит из системы дистанционного управления, трактора, системы контроля и управления доступом (СКУД) к МТА и технологической машины. Описана методика автоматического управления МТА на агроландшафте. Выполнено теоретическое обоснование конструктивно-технологических параметров универсальных мехатронных модулей для управления сцеплением и тормозной системой. Проведен расчет механизма мехатронного модуля и определены: передаточное отношение винтовой передачи, ход винта и скорость перемещения гайки. Установлена зависимость изменения скорости хода педали (угла перемещения педали) от скорости перемещения гайки мехатронного модуля воздействия. Разработано программное обеспечение на языке программирования для контроллера управления универсальными мехатронными модулями. (Результаты и обсуждение) Дистанционным способом, используя пульт оператора, реализовали автоматическое управление МТА, в составе колесного трактора ЛТЗ-120Б + роторной косилки КРН-2,4, на агроландшафте. Провели полевое тестирование взаимодействия программы с аппаратной частью универсальных мехатронных модулей систем управления МТА. Сравнительные экспериментальные исследования с оператором и в автоматическом режиме (с применением мехатронных приводов) проведены при выполнении операции кошения травы машинно-тракторным агрегатом при прямолинейном движении. (Выводы) Предварительные исследования автоматизированного сельскохозяйственного машинно-тракторного агрегата показали, что значения эксплуатационных показателей при работе с косилкой находятся в допустимых пределах, например производительность за 1 час основного времени составила 3,56 гектара, рабочая скорость движения – 10±0,3 км/ч, а высота среза трав – 8±1 сантиметров.

Recent advancements in robotics and automation have significantly contributed to the progress of precision agriculture. This study presents the development of an automated machine-tractor unit (MTU) designed for grass mowing, incorporating universal mechatronic control modules. (Research purpose) The purpose of this research is to design a functional and technological scheme for an automated machine-tractor unit and to develop universal mechatronic modules that can be mounted onto the mechanical control elements typically operated by a human driver. These modules are intended to enable the automated execution of the grass mowing process. (Materials and methods) A functional and technological scheme of the machine-tractor unit was developed. The unit consists of a remote control system, a tractor, an access control and management system (ACMS), and a technological implement. The methodology for the automatic control of the machine-tractor unit in an agro-landscape was described. A theoretical justification was provided for the design and technological parameters of the universal mechatronic modules used to control the clutch and braking systems. Calculations were conducted for the mechatronic module mechanism, including the determination of the screw drive gear ratio, screw travel, and nut displacement speed. A functional relationship was established between the pedal stroke velocity (change in pedal angle) and the nut displacement speed in the mechatronic actuation module. Control software for the universal mechatronic modules was developed using a programming language suitable for the selected controller. (Results and discussion) Automatic control of the machine-tractor unit was successfully implemented in an agro-landscape setting using a remote control panel, an LTZ-120B wheeled tractor, and a KRN-2.4 rotary mower. Field tests were conducted to evaluate the interaction between the control software and the hardware components of the universal mechatronic control modules. Comparative experimental studies were performed during straight-line mowing operations to evaluate the system performance under both manual control (with an operator) and automated control (using mechatronic actuators). (Conclusions) Preliminary tests of the automated agricultural machine-tractor unit demonstrated that its operational performance indicators remained within acceptable limits during mower-assisted operations. Specifically, the system achieved a productivity rate of 3.56 hectares per hour of effective operation, maintained a working speed of 10 ± 0.3 kilometers per hour, and ensured a grass cutting height of 8 ± 1 centimeters.

автоматизациямашинно-тракторный агрегатуниверсальныемехатронные модулисистемы управленияскашивание травautomationmachine-tractor unituniversalmechatronic modulescontrol systemsgrass mowingReferencesRen X., Huang B., Yin H. A review of the large-scale application of autonomous mobility of agricultural platform. Computers and Electronics in Agriculture. 2023. 206. 107628. DOI: 10.1016/j.compag.2023.107628.Ren X., Huang B., Yin H. A review of the large-scale application of autonomous mobility of agricultural platform. Computers and Electronics in Agriculture. 2023. 206. 107628 (In English). DOI: 10.1016/j.compag.2023.107628.Noguchi N. Agricultural vehicle robot. Journal of Robo­tics and Mechatronics. 2018. 30(2). 165-172. DOI: 10.20965/jrm.2018.p0165.Noguchi N. Agricultural vehicle robot. Journal of Robo­tics and Mechatronics. 2018. 30(2). 165-172 (In English). DOI: 10.20965/jrm.2018.p0165.Bochtis D.D., Sоrensen C.G.C., Busato P. Advances in agricultural machinery management: A review. Biosyst. Eng. 2014. 126. 69-81. DOI: 10.1016/j.biosystem­seng.2014.07.012.Bochtis D.D., Sоrensen C.G.C., Busato P. Advances in agricultural machinery management: A review. Biosyst. Eng. 2014. 126. 69-81(In English). DOI: 10.1016/j.biosystem­seng.2014.07.012.Plessen M.G., Bemporad A. Reference trajectory planning under constraints and path tracking using linear time-varying model predictive control for agricultural machines. Biosyst. Eng. 2017. 153. 28-41. DOI: 10.1016/j.biosystem­seng.2016.10.019.Plessen M.G., Bemporad A. Reference trajectory planning under constraints and path tracking using linear time-varying model predictive control for agricultural machines. Biosyst. Eng. 2017. 153. 28-41 (In English). DOI: 10.1016/j.biosystemseng.2016.10.019.Bai Y. et al. Vision-based navigation and guidance for agricultural autonomous vehicles and robots: A review. Computers and Electronics in Agriculture. 2023. 205. 107584. DOI: 10.1016/j.compag.2022.107584.Bai Y. et al. Vision-based navigation and guidance for agricultural autonomous vehicles and robots: A review. Computers and Electronics in Agriculture. 2023. 205. 107584 (In English). DOI: 10.1016/j.compag.2022.107584.Годжаев З.А., Гришин А.П., Гришин А.А., Гришин В.А. Беспилотное мобильное энергосредство сельскохозяйственного назначения // Тракторы и сельхозмашины. 2016. N10. С. 41-44. EDN: WWHVXJ.Gojaev Z.A., Grishin A.P., Grishin A.A., Grishin V.A. Unmanned mobile power unit for agricultural purposes. Tractors and Agricultural Machinery. 2016. N10. 41-44 (In Russian). EDN: WWHVXJ.Liu L. et al. Path planning techniques for mobile robots: Review and prospect. Expert Syst. Appl. 2023. 227. 120254. DOI: 10.1016/j.eswa.2023.120254.Liu L. et al. Path planning techniques for mobile robots: Review and prospect. Expert Syst. Appl. 2023. 227. 120254 (In English). DOI: 10.1016/j.eswa.2023.120254.Alberto-Rodriguez A. et al. Review of control on agricultural robot tractors. Int. J. Comb. Optim. Probl. Inform. 2020. 11. 9-20.Alberto-Rodriguez A. et al. Review of control on agricultural robot tractors. Int. J. Comb. Optim. Probl. Inform. 2020. 11. 9-20 (In English).Heikkilä M. et al. Unmanned agricultural tractors in private mobile. Networks. 2022. 2. 1-20. DOI: 10.3390/network2010001.Heikkilä M. et al. Unmanned agricultural tractors in private mobile. Networks. 2022. 2. 1-20 (In English). DOI: 10.3390/network2010001.Ненайденко А.С., Поддубный В.И., Валекжанин А.И. Моделирование управления движением колесной сельскохозяйственной машины в режиме реального времени // Тракторы и сельхозмашины. 2018. N3. С. 32-38. EDN: XSEMKD.Nenajdenko A.S., Poddubnyj V.I., Valekzhanin A.I. modeling the movement control of a wheeled agricultural machine in real time. Tractors and Agricultural Machinery. 2018. N3. 32-38 (In Russian). EDN: XSEMKD.Измайлов А.Ю., Лобачевский Я.П., Ценч Ю.С. и др. О синтезе роботизированного сельскохозяйственного мобильного агрегата // Вестник российской сельскохозяйственной науки. 2019. N4. С. 63-68. EDN: GBEQZI.Izmaylov A.Yu., Lobachevsky YaA.P., Tsench Yu.S., et al. About synthesis of robotic agriculture mobile machine. Vestnik of the Russian Agricultural Science. 2019. N4. 63-68 (In Russian). DOI: 10.30850/vrsn/2019/4/63-68.Бейлис В.М., Ценч Ю.С., Коротченя В.М., Старовойтов С.И., Кынев Н.Г. Тенденции развития прогрессивных машинных технологий и техники в сельскохозяйственном производстве // Вестник ВИЭСХ. 2018. N4 (33). С. 150-156. EDN: YTHPID.Beylis V.M., Tsench Yu.S., Korotchenya V.M. et al. Trends in the development of advanced machine technologies and techniques in agricultural production. Vestnik VIESH. 2018. N4(33). 150-156 (In Russian). EDN: YTHPID.Yin X., Du J., Geng D., Jin C. Development of an automatically guided rice transplanter using RTK-GNSS and IMU. IFAC PapersOnLine. 2018. 51. 374-378. DOI: 10.1016/j.ifacol.2018.08.193.Yin X., Du J., Geng D., Jin C. Development of an automati­cally guided rice transplanter using RTK-GNSS and IMU. IFAC PapersOnLine. 2018. 51. 374-378 (In English). DOI: 10.1016/j.ifacol.2018.08.193.Han J.-H. et al. Performance evaluation of an autonomously driven agricultural vehicle in an orchard environment. Sensors. 2021. 22. 114. DOI: 10.3390/s22010114.Han J.-H. et al. Performance evaluation of an autonomously driven agricultural vehicle in an orchard environment. Sensors. 2021. 22. 114 (In English). DOI: 10.3390/s22010114.Qiao N. et al. An improved path-tracking controller with mid-angle adaptive calibration for combine harvester. J. Instrum. 2020. 15. P1025. DOI: 10.1088/1748-0221/15/01/P01025.Qiao N. et al. An improved path-tracking controller with mid-angle adaptive calibration for combine harvester. J. Instrum. 2020. 15. P1025 (In English). DOI: 10.1088/ 1748-0221/15/01/P01025.Васильев С.А., Васильев А.А., Затылков Н.И. Противоэрозионная контурная обработка почвы машинно-тракторными агрегатами на агроландшафтах склоновых земель // Вестник НГИЭИ. 2018. N 5 (84). С. 43-54. EDN: XNDFZR.Vasilyev S.A., Vasilyev A.A., Zatylkov N. Anti-erosion contour tillage machine-tractor units on the agricultural landscapes of sloping land. Vestnik NGIEHI. 2018. N5 (84). 43-54 (In Russian). EDN: XNDFZR.Годжаев З.А., Шевцов В.Г., Лавров А.В. и др. Стратегия машинно-технологической модернизации сельского хозяйства России до 2030 года (Прогноз) // Технический сервис машин. 2019. N4(137). C. 220-229. EDN: DMOGNR.Godzhaev Z.А., Shevtsov V.G., Lavrov A.V. et al. strategy of russian agricultural machinery modernization until 2030 (forecast). Machinery Technical Service. 2019. N4(137). 220-229 (In Russian). EDN: DMOGNR.Blok P. et al. Robot navigation in orchards with localization based on Particle filter and Kalman filter. Computers and Electronics in Agriculture. 2019. N157. 261-269. DOI: 10.1016/j.compag.2018.12.046.Blok P. et al. Robot navigation in orchards with localization based on Particle filter and Kalman filter. Computers and Electronics in Agriculture. 2019. N157. 261-269 (In English). DOI: 10.1016/j.compag.2018.12.046.Kim D. H. et al. Analysis of driving performance evaluation for an unmanned. IFAC PapersOnLine. 2018. 51-17. 227-231. DOI: 10.1016/j.ifacol.2018.08.149. (In English).Kim D.H. et al. Analysis of driving performance evaluation for an unmanned. IFAC PapersOnLine. 2018. 51-17. 227-231 (In English). DOI: 10.1016/j.ifacol.2018.08.149.Измайлов А. Ю., Лобачевский Я. П., Хорошенков В.К. и др. Оптимизация управления технологическими процессами в растениеводстве // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2018. Т. 12. N3. С. 4-11. DOI: 10.22314/2073-7599-2018-12-3-4-11.Izmailov A.Yu., Lobachevsky Ya.P., Khoroshenkov V.K. et al. Optimization of technological process management in plant growing. Agricultural Machinery and Technologies. 2018. Vol. 12. N3. 4-11 (In Russian). DOI: 10.22314/2073-7599-2018-12-3-4-11.Кряжков В.М., Годжаев З.А., Шевцов В.Г. и др. Проб­лемы формирования инновационного парка сельскохозяйственных тракторов России // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2015. N3. С. 9-14. EDN: TTLVRR.Kryazhkov V.M., Godzhaev Z.A., Shevtsov V.G. et al. Problems of formation of russian innovative agricultural tractors fleet. Agricultural Machinery and Technologies. 2015. N3. 9-14 (In Russian). EDN TTLVRR.

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