Разработка математической модели и программного обеспечения оптимальных адаптивных систем подрессоривания сельскохозяйственных мобильных энергосредств

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-29-00289

НазваниеРазработка математической модели и программного обеспечения оптимальных адаптивных систем подрессоривания сельскохозяйственных мобильных энергосредств

Руководитель Годжаев Захид Адыгезал оглы, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ" , г Москва

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-107 - Мехатроника и робототехника

Ключевые слова Адаптивные системы подрессоривания, оптимизация, виброактивность, перемещения, математические модели, программное обеспечение, мобильные энергосредства, сельское хозяйство

Код ГРНТИ68.85.85

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Снижение динамической нагруженности и виброактивности элментов конструкции мобильных машин, а также повышение их технического уровня и качества в целом - одна из актуальных проблем создания мобильных энергетических средств (МЭС). Данный проект направлен на снижение уровня вибраций мобильной машины, как одного из основных факторов повышения эффективности и качества МЭС сельхозназначения. Наиболее эффективным способом снижения виброактивности машины при движении по неровностям дорог и полей является применение систем подрессоривания с активным гашением амплитуд колебаний(вертикальных, продольных, поперечных и крутильных). На данный момент, конструкции являются пассивными и нет обратной связи управления их упруго-демпфирующими свойствами, что снижает эффективность гашения колебаний во время движения машины (в онлайн режиме). Благодаря обратной связи, система подрессоривания становится адаптивной, т.е. меняет свои упруго-демпфирующие характеристики согласно критерию минимизации амплитуд колебаний передаваемых от опорной поверхности(или колеса) к остову мобильной машины. Создание адаптивных систем подрессоривания мобильных машин требует применения интеллектуальных компонентов управления, что будет реализовано в данном проекте, в том числе в виде нейронных сетей. В результате внедрения подобных адаптивных систем подрессоривания возможно добиться снижения уровня динамической нагруженности и виброактивности элементов конструкции до 1.5 раза, по сравнению с аналогами- системами подрессоривания колесного трактора ТК-3-180 ( без сканирования рельефа местности), разработка компании AgroHytos (Германия) или другими подобными конструктивными решениями для колесных тракторов класса 1,4 - 4 тонн. Полученный эффект снижения виброактивности, в свою очередь, позволит повышать ресурс, долговечность(сопротивление усталости) основных агрегатов и узлов мобильной машины , подвергающихся вибрации, а также существенно снизить уровень вибраций на рабочем месте оператора (до 20%), что является серьезным фактором улучшения условий труда, а также повысить энергоэффективность при выполнении технологических операций в сельском хозяйстве.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Годжаев З.А., Сенькевич С.Е., Малахов И.С., Уютов С.Ю. Development of a mathematical model of the oscillatory system of agricultural mobile power equipment with attachments for the creation of their adaptive springing systems E3S Web of Conferences, 413 (2023), 02042 (год публикации - 2023)
10.1051/e3sconf/202341302042

2. Годжаев З.А., Сенькевич С.Е., Кузьмин В.А., Малахов И.С. Концепция создания адаптивных ходовых систем сельскохозяйственных мобильных энергосредств с применением элементов искусственного интеллекта Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, 5(361), 159-164 (год публикации - 2023)
10.33979/2073-7408-2023-361-5-159-164

3. Годжаев З.А., Сенькевич С.Е., Малахов И.С., Уютов С.Ю. Исследование динамических характеристик сельскохозяйственных мобильных энергосредств с адаптивной ходовой системой XVI ВСЕРОССИЙСКАЯ МУЛЬТИКОНФЕРЕНЦИЯ ПО ПРОБЛЕМАМ УПРАВЛЕНИЯ (МКПУ-2023) материалы мультиконференции. В 4 т.. Том 4. Волгоград, 4, 2023, 48-50 (год публикации - 2023)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
На завершающем этапе выполнения проекта – 2024 году была разработана эффективная адаптивная система подрессоривания (АСП) мобильных энергосредств (МЭС) с необходимыми функциональными и эксплуатационными характеристиками – производительность, надёжность, быстродействие, точность и достоверность, а также возможностью его применения в системах управления на других мобильных машинах сельскохозяйственного назначения. Сформировано алгоритмическое и программное обеспечение нижнего уровня контроллера системы подрессоривания МЭС (аналог- трактор «Агромаш ТК-3-180»). Сформировано программное обеспечение на основе математических моделей, отладки датчиков обратной связи, элементов системы управления АСП, обучаемой нейронной сети для распознавания характеристик микропрофиля опорной поверхности, а также бортового компьютера. В процессе разработки АСП одна из главных задач заключается в корректной обработке данных о динамике изменения дорожного полотна. Технология рекуррентных нейронных сетей, в частности, применяемая нами, архитектура LSTM (Long Short-Term Memory), предлагает перспективные возможности для обработки временных рядов, что делает ее идеальным инструментом для данной задачи. Благодаря LSTM модели, основанной на данных о неровностях микропрофилей дорог, нам удалось достичь значительной эффективности функционирования АСП. Для реализации и обучения модели использованы несколько ключевых библиотек Python. Для эффективной работы АСП необходимо обеспечить надежное взаимодействие с различными компонентами, такими как датчики и исполнительные устройства. В нашей архитектуре мы выбрали контроллер ОВЕН ПР200, благодаря его гибкости и поддержке протокола Modbus (с доработанными программными процедурами для взаимодействия с исполнительными устройствами), который является стандартом в промышленной автоматизации. Выбор Modbus был обусловлен его устойчивостью, надежностью и простотой реализации на низком уровне формирования управляющего сигнала. Это позволило эффективно управлять как чтением данных с датчиков, так и передачей команд на исполнительные устройства. Разработаны компоновочные, электрические и пневматические схемы АСП, а также обучаемая нейронная сеть распознавания микропрофилей, непосредственно участвующая в формировании управляющего воздействия на ПЭ. Разработанное аппаратно-программное обеспечение АСП позволяет получить быстродействие системы выработки управляющего воздействия, соизмеримое с линейными скоростями МЭС, при выполнении технологических операций – 3-15 км/ч. Проведена отладка программного обеспечения систем управления АСП, а также расчётов динамической нагруженности колебательной системы МЭС, агрегатируемое с технологическим оборудованием. Разработан испытательный стенд (ИС), который позволяет выработать адаптивное управление, воспроизводящее реакции на возможные неровности опорной поверхности и обеспечивающий имитацию реальных условий эксплуатации в сельскохозяйственном производстве. Элементы конструкции стенда имеют погрешности не более 5%. Внутрикордное рабочее давление ПЭ системы подрессоривания составляет 1-6 атм, ход платформы испытательного стенда может составлять до 140 мм. На ИС реализованы принципы имитации дорожной поверхности с использованием программного кода контроллера с бортовым компьютером, на котором заложен алгоритм обучаемой нейросети по управлению пневматической системой подрессоривания в онлайн режиме. Выбрано оптимальное управление АСП с целью минимизации уровня вибраций и динамической нагруженности всех элементов конструкции, участвующих в колебательном процессе. Разработаны программы оценки уровня виброактивности и динамической нагруженности в элементах конструкции, определение оптимального управляющего воздействия на систему подрессоривания с целью изменения упруго-демпфирующих характеристик АСП в зависимости от неровности дорог и полей. Разработанная АСП МЭС сельхозназначения позволяет улучшить условия труда оператора, защитить мобильное энергосредство от воздействия вибраций, повысить долговечность элементов конструкции, благодаря снижению динамических нагрузок не менее 20%, а в последствии повышение сопротивления усталости (долговечности) металлоконструкции МЭС не менее 30%. По отдельным элементам конструкции (лонжерон передней оси трактора) достигнуто 2-х кратное увеличение долговечности. Одновременно, АСП в составе полнокомплектного машинотракторного агрегата (МЭС с навесным и прицепным технологическим оборудованием) обеспечивает снижение давления на почву от ходовой системы машины до 25%, что способствует повышению урожайности сельхозкультур до 30%. Ссылки на проект в сети Интернет: 1.https://www.bio-conferences.org/articles/bioconf/pdf/2024/03/bioconf_aquaculture2024_05045.pdf 2. https://journals.eco-vector.com/0321-4443/article/view/633446 3.https://www.mashin.ru/eshop/journals/avtomobilnaya_promyshlennost/2030/22/

Публикации

1. Годжаев З.А., Сенькевич С.Е., Малахов И.С., Уютов С.Ю., Кузьмин В.А. Обоснование, разработка и создание испытательного стенда элементов адаптивных ходовых систем сельскохозяйственных МЭС с применением искусственной нейронной сети Труды конференции Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова, г. Воронеж (год публикации - 2024)

2. Годжаев З.А., Сенькевич С.Е., Малахов И.С., Ильченко Е.Н., Уютов С.Ю. Определение упруго-демпфирующих характеристик адаптивной системы подрессоривания для выработки оптимального управления имитационным стендом Журнал: Тракторы и сельхозмашины (издатель: Эко-Вектор), Тракторы и сельхозмашины. - 2024. - Т. 91. - №3. (год публикации - 2024)
10.17816/0321-4443-633446

3. Годжаев З.А., Сенкевич С.Е., Уютов С.Ю., Малахов И.С. Разработка и обоснование технических характеристик стенда для испытания адаптивных систем подрессоривания мобильных машин Издательство "Инновационное машиностроение", журнал "Автомобильная промышленность", Автомобильная промышленность. – 2024.–№7.–С.10-13. (год публикации - 2024)

4. З.А. Годжаев, С.Е. Сенькевич, И.С. Малахов, С.Ю. Уютов Перспективы создания адаптивной системы управления вибронагруженностью мобильного энергосредства сельскохозяйственного назначения Издатель: ООО "Эко-Вектор" (Журнал: Тракторы и сельхозмашины), Тракторы и сельхозмашины. - 2024. - Т. 91. - №6. (год публикации - 2024)
10.17816/0321-4443-642159

5. С.Е. Сенькевич, З.А. Годжаев, И.С. Малахов, С.Ю. Уютов Рекомендации по созданию и внедрению адаптивных систем подрессоривания мобильных машин для сельского хозяйства Издательство "Инновационное машиностроение", журнал "Автомобильная промышленность", Автомобильная промышленность. – 2024.–№12.–С.28-30. (год публикации - 2024)

6. З. Годжаев, С. Сенькевич, С. Уютов, В. Кузьмин, И. Малахов Substantiation of the range of changes in the elastic-damping and inertial characteristics of the oscillatory system of agricultural MES with mounted technological equipment EDP Sciences - Web of Conferences , BIO Web of Conf. - Volume 84, - (2024) 05045 / - P. – 14. – EDN HNLMOB. (год публикации - 2024)
10.1051/bioconf/20248405045

7. З.А. Годжаев, С.Е. Сенькевич, И.С. Малахов, С.Ю. Уютов Оценка эффективности применения адаптивной системы подрессоривания сельскохозяйственных мобильных энергетических средств Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. – 2024. – № 5(367). – С. 141-150. (год публикации - 2024)
10.33979/2073-7408-2024-367-5-141-150

Возможность практического использования результатов
Использование результатов проекта открывает большие перспективы для создания инновационных мобильных энергосредств для сельскохозяйственного производства - тракторов, самоходных шасси, роботизированных мобильных платформ, зерно-кормоуборочных комбайнов и др., посредством внедрения эффективных адаптивных систем подрессоривания и адаптивных ходовых систем в конструкцию производимых мобильных энергосредств сельхозназначения. Результаты также могут быть использованы при совершенствовании номенклатурного перечня сельхозтехники, включенной в подпрограмму "Сельскохозяйственная техника и оборудование", Федеральной научно-технической программы "Развития сельского хозяйства на 2017 - 2030 годы".