Техніка та енергетика

Розробка та впровадження електромеханічних систем для управління ґрунтообробними агрегатами

Анатолій Рудь, Анатолій Рудь
Завантажити статтю
Анотація

Необхідність удосконалення ґрунтообробних технологій вимагає впровадження електромеханічних систем керування, які забезпечують енергоощадність, стабільність параметрів і підвищення ефективності механізованих процесів у сільському господарстві. Метою дослідження було проектування інтелектуальної системи управління, здатної до динамічної адаптації робочих режимів обробітку на основі сенсорних даних і принципу зворотного зв’язку. Методологія дослідження включала багаторівневе комп’ютерне моделювання в середовищі MATLAB/Simulink, розробку прототипу фізичної системи управління з використанням мікроконтролера STM32F407VG, а також експериментальне тестування в лабораторних і польових умовах на ділянках з різними типами ґрунтів. Система складалася з модулів сенсорного моніторингу вологості, щільності та навантаження, блоку обробки сигналів, пропорційно-інтегрального регулятора та електроприводів, що здійснюють регулювання глибини і зусилля обробітку. Випробування засвідчили високу стабільність системи при змінних агрофізичних параметрах, час реакції на зовнішні зміни в межах 1,8-2,3 секунди, а середнє відхилення глибини не перевищувало п’яти міліметрів. Отримані експериментальні результати показали зменшення середнього енергоспоживання на 12-18 % порівняно з традиційними некерованими системами, а також підвищення коефіцієнта корисної дії до 87% на суглинкових ґрунтах. За результатами багатокритеріального аналізу ефективності, проведеного методом аналізу ієрархічного процесу, електромеханічна система отримала інтегральний індекс ефективності 4,37 бала, що суттєво перевищує аналогічний показник гідравлічної системи, який становить 3,55 бала. Практична реалізація системи управління довела її технічну придатність до серійного впровадження у сучасні зразки сільськогосподарської ґрунтообробної техніки. Запропоноване технічне рішення дозволяє підвищити якість обробітку ґрунту, знизити енергетичні витрати, мінімізувати потребу у втручанні оператора, а також сприяє сталому розвитку агропромислового комплексу. Результати дослідження можуть бути безпосередньо використані в агропідприємствах для оснащення ґрунтообробних агрегатів сучасними електромеханічними системами управління з метою підвищення точності, зменшення витрат пального та підвищення продуктивності техніки під час виконання польових робіт

Ключові слова

сенсорний моніторинг, адаптивне регулювання, комп’ютерне моделювання, польові випробування, мікроконтролер, електропривод, цифровий інтерфейс

ЦИТУВАТИ
Rud, A., & Rud, A. (2025). Development and implementation of electromechanical systems for the control of soil tillage units. Machinery & Energetics, 16(2), 131-145. https://doi.org/10.31548/machinery/2.2025.131
Використані джерела
  1. Adamchuk, V., Lan, J., Abdalla, K., Carlson, P.D., Debbagh, M., Madramootoo, C., & Kvezereli, B. (2023). Instrumentation for on-the-spot measurement of soil health indicators. Precision Agriculture, 23, 821-829. doi: 10.3920/978-90-8686-947-3_103.
  2. Alberto-Rodriguez, A., Lopez-Morales, V., & Ramos-Fernandez, J.C. (2025). Novel interval type-2 ANFIS modeling based on one-step type reducer algorithm. International Journal of Fuzzy Systems, 27(1), 13-26. doi: 10.1007/s40815-024-01754-8.
  3. Azimi, A., Shamshiri, R.R., & Ghasemzadeh, A. (2025). Adaptive dynamic programming for robust path tracking in an agricultural robot using critic neural networks. Agricultural Engineering, 80(1). doi: 10.15150/ae.2025.3327.
  4. Barzegar, M., Blanks, S., Sainsbury, B.A., & Timms, W. (2022). MEMS technology and applications in geotechnical monitoring: A review. Measurement Science and Technology, 33(5), article number 052001. doi: 10.1088/1361-6501/ac4f00.
  5. Bazilo, C., Lavdanskyi, A., Tuz, V., Andriienko, V., & Voloshko, O. (2023). Software service for determining the parameters and characteristics of thin piezoelectric disk. Bulletin of Cherkasy State Technological University, 28(2), 5-12. doi: 10.24025/2306-4412.2.2023.279277.
  6. Bulgakov, V., Pascuzzi, S., Ivanovs, S., Nadykto, V., & Nowak, J. (2020). Kinematic discrepancy between driving wheels evaluated for a modular traction device. Biosystems Engineering, 196, 88-96. doi: 10.1016/j.biosystemseng.2020.05.017.
  7. Chen, C., Xie, M., Du, Y., & Zhang, X. (2025). Dual-indicator micro-electro-mechanical system monitoring method for rock instability early warning. Applied Sciences, 15(8), article number 4210. doi: 10.3390/app15084210.
  8. Ding, C., Ding, S., Wei, X., & Mei, K. (2022). Output feedback sliding mode control for path-tracking of autonomous agricultural vehicles. Nonlinear Dynamics, 110(3), 2429-2445. doi: 10.1007/s11071-022-07739-2.
  9. Fan, X., Yin, J., & Lu, Q. (2021). Design and analysis of a novel composited electromagnetic linear actuator. Actuators, 11(1), article number 6. doi: 10.3390/act11010006.
  10. Gautam, A., He, Y., & Lin, X. (2024). An overview of motion-planning algorithms for autonomous ground vehicles with various applications. SAE International Journal of Vehicle Dynamics, Stability, and NVH, 8(2), 179-213. doi: 10.4271/10-08-02-0011.
  11. Gu, C., Chen, Y., Hu, W., Wang, J., & Cai, Y. (2024). Applicability evaluation of a two-dimensional piezoelectric transducer to monitor dynamic soil stress in unbound granular materials of road engineering. Measurement, 224, article number 113892. doi: 10.1016/j.measurement.2023.113892.
  12. Guo, Z., Zhang, S., & Ni, L. (2023). A comprehensive study on the mechanical properties of bulldozing plate soil engaging surface based on the entropy-weighted grey relational analysis method. IEEE Access, 11, 78000-78016. doi: 10.1109/ACCESS.2023.3279263.
  13. Havrylenko, Y., Kholodniak, Y., Halko, S., Vershkov, O., Bondarenko, L., Suprun, O., Miroshnyk, O., Shchur, T., Śrutek, M., & Gackowska, M. (2021). Interpolation with specified error of a point series belonging to a monotone curve. Entropy, 23(5), article number 493. doi: 10.3390/e23050493.
  14. Hula, V., & Hryha, V. (2024). Analysis of the current state of the art of sensors for inertial navigation of unmanned aerial vehicles. Technologies and Engineering, 25(4), 29-47. doi: 10.30857/2786-5371.2024.4.3.
  15. Ji, X., Ding, S., Wei, X., & Cui, B. (2023). Path tracking of unmanned agricultural tractors based on a novel adaptive second-order sliding mode control. Journal of the Franklin Institute, 360(8), 5811-5831. doi: 10.1016/j.jfranklin.2023.03.053.
  16. Karyotis, K., Angelopoulou, T., Tziolas, N., Palaiologou, E., Samarinas, N., & Zalidis, G. (2021). Evaluation of a micro-electro mechanical systems spectral sensor for soil properties estimation. Land, 10(1), article number 63. doi: 10.3390/land10010063.
  17. Khatibi, A., Jahangir, M.H., & Astaraei, F.R. (2022). Energy and comfort evaluation of a novel hybrid control algorithm for smart electrochromic windows: A simulation study. Solar Energy, 241, 671-685. doi: 10.1016/j.solener.2022.06.045.
  18. Lan, C., Zhuang, S., Han, S., Wang, J., & Li, W. (2023). Monitoring of soil water content using spherical smart aggregates based on electromechanical impedance (EMI) technique. Smart Materials and Structures, 32(7), article number 074002. doi: 10.1088/1361-665X/acd506.
  19. Liu, H., Liu, L., Wang, X., Pei, J., Chen, T., & Li, Y. (2024). Performance evaluation of a novel adaptive temperature-controlled lining technology based on thermo-hydro-mechanical coupling analysis. Tunnelling and Underground Space Technology, 154, article number 106103. doi: 10.1016/j.tust.2024.106103.
  20. Liu, T., Zhang, B., Tan, Q., Zhou, J., Yu, S., Zhu, Q., & Bian, Y. (2024). Immersive human-machine teleoperation framework for precision agriculture: Integrating UAV-based digital mapping and virtual reality control. Computers and Electronics in Agriculture, 226, article number 109444. doi: 10.1016/j.compag.2024.109444.
  21. Manalu, M.K., Patrialova, S.N., Radhy, A., & Prahastudhi, S. (2025). Performance analysis of a novel seismic data acquisition system to measure peak particle velocity and source distance. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 1458, article number 012043. doi: 10.1088/1755-1315/1458/1/012043.
  22. Moreno, I.J., Ouardani, D., Chaparro-Arce, D., & Cardenas, A. (2023). Real-time hardware-in-the-loop emulation of path tracking in low-cost agricultural robots. Vehicles, 5(3), 894-913. doi: 10.3390/vehicles5030049.
  23. Nazarenko, I., & Kovalov, O. (2021). Energy efficient electromechanical soil treatment system based on electric motorblock. Bulletin of the National Technical University “KhPI”. Series: Energy: Reliability and Energy Efficiency, 2(1), 71-78. doi: 10.20998/2224-0349.2021.01.10.
  24. Ontiveros, E., Melin, P., & Castillo, O. (2024). Towards an efficient approach for mamdani interval type-3 fuzzy inference systems. International Journal of Fuzzy Systems, 26(7), 2172-2190. doi: 10.1007/s40815-024-01722-2.
  25. Panchenko, A., Voloshina, A., Kiurchev, S., Titova, O., Onopreychuk, D., Stefanov, V., Safoniuk, I., Pashchenko, V., Radionov, H., Golubok, M. (2018). Development of the universal model of mechatronic system with a hydraulic drive. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4(7-94), 51-60. doi: 10.15587/1729-4061.2018.139577.
  26. Raafi, R., Shirani, H., Ullah, W., Khan, W., Akuru, U.B., & Khan, F. (2025). Rotor poles analysis of a novel wound field flux switching machine with π – Shaped stator. In Proceedings of the 33rd Southern African Universities power engineering conference (pp. 1-5). Pretoria: IEEE. doi: 10.1109/SAUPEC65723.2025.10944347.
  27. Singh, S., Chauhan, P.S., Sethi, C., Jain, A., & Agnihotri, S.K. (2024). Design and development of multipurpose agriculture robot (Agrobot). In Distributed intelligent circuits and systems (pp. 389-420). Hackensack: World Scientific Publishing Co Pte Ltd. doi: 10.1142/9789811279539_0011.
  28. Soitinaho, R., & Oksanen, T. (2023). Local navigation and obstacle avoidance for an agricultural tractor with nonlinear model predictive control. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 31(5), 2043-2054. doi: 10.1109/TCST.2023.3291533.
  29. Suglobov, V., Krupko, V., Krupko, I., & Vesnin, A. (2024). Mechanisms of earth-moving machinery with wave chain gears. Mining Journal of Kryvyi Rih National University, 58(1), 122-126. doi: 10.31721/2306-5435-2024-1-112-122-126.
  30. Tokarchuk, D., & Furman, I. (2021). Modern energy efficient technologies in the agriculture of Ukraine. Economy, Finances, Management: Topical Issues of Science and Practical Activity, 4, 99-116. doi: 10.37128/2411-4413-2020-4-7.
  31. Voloshina, A., Panchenko, A., Titova, O., & Panchenko, I. (2021). Changes in the dynamics of the output characteristics of mechatronic systems with planetary hydraulic motors. Journal of Physics: Conference Series, 1741(1), article number 012045. doi: 10.1088/1742-6596/1741/1/012045.
  32. Wang, B., Zhu, J., Chai, X., Liu, B., Zhang, G., & Yao, W. (2024). Research status and development trend of key technology of agricultural machinery chassis in hilly and mountainous areas. Computers and Electronics in Agriculture, 226, article number 109447. doi: 10.1016/j.compag.2024.109447.
  33. Woo, D.K., Do, W., Hong, J., & Choi, H. (2022). A novel and non-invasive approach to evaluating soil moisture without soil disturbances: Contactless ultrasonic system. Sensors, 22(19), article number 7450. doi: 10.3390/s22197450.
  34. Xu, S.Y., Khan, M.I., Kannangara, K.P., & Lee, Y.Y. (2024). An experimental investigation on progressive failure mechanism of the earth-retaining structure with sloping backfill using image analysis. Acta Geotechnica, 19(12), 7893-7922. doi: 10.1007/s11440-024-02392-y.
  35. Yi, N.-E., & Yang, Y. (2024). Impact of key factors on shield scraper performance in gravelly soil strata: DEM and experimental investigations. Computers and Geotechnics, 174, article number 106592. doi: 10.1016/j.compgeo.2024.106592.
  36. Yu, D., Wei, J., Liang, Q., & Li, L. (2025). Performance analysis of a novel single-flywheel resettable-inertia damper with eddy-current damping. Journal of Dynamic Disasters, 1(1), article number 100001. doi: 10.1016/j.jdd.2024.100001.
  37. Zeng, K., & Liu, H. (2023). Experimental study on the time-dependent oedometric compression behavior of calcareous sand. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 149(5), article number 04023025. doi: 10.1061/JGGEFK.GTENG-10739.
  38. Zhang, T., Jiao, X., & Lin, Z. (2022). Finite time trajectory tracking control of autonomous agricultural tractor integrated nonsingular fast terminal sliding mode and disturbance observer. Biosystems Engineering, 219, 153-164. doi: 10.1016/j.biosystemseng.2022.04.020.