WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Электротехнические средства для определения времени осеменения коров

На правах рукописи

Абрашин

Александр Александрович

Электротехнические средства

для определения времени осеменения коров

Специальность: 05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование

в сельском хозяйстве

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Российский государственный аграрный университет МСХА имени К.А. Тимирязева» (ФГБОУ ВПО РГАУ МСХА имени К.А. Тимирязева)

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Иванов Юрий Григорьевич

Официальные оппоненты: Башилов Алексей Михайлович, доктор

технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО

«Московский государственный агроинженерный

университет имени В.П. Горячкина», кафедра

электротехнологии в сельскохозяйственном

производстве, заведующий кафедрой

Солдатов Виктор Владимирович, доктор

технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет технологий и управления имени К.Г. Разумовского», кафедра промышленной автоматики, профессор

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московская государственная

академия ветеринарной медицины

и биотехнологии имени К.И. Скрябина»

Автор выражает благодарность заведующему кафедрой зоогигиены, акушерства и ветеринарии РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, доктору ветеринарных наук, профессору Дюльгеру Г.П. за научное консультирование при выполнении настоящей работы.

Защита состоится 10 декабря 2012 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 220.044.02 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина» по адресу: 127550, г. Москва, ул. Лиственничная аллея, д. 16-а, корпус 3, конференц – зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГАУ.

Автореферат разослан «9» ноября 2012 г.

Ученый секретарь Андреев

диссертационного совета Сергей Андреевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Анализ отечественного и зарубежного опыта развития животноводства показывает, что от оснащенности ферм современными электротехническими средствами контроля и управления технологическими процессами зависит уровень реализации генетического потенциала каждого животного.

Важнейшим резервом повышения эффективности производства молока является своевременное осеменение коров и телок. На многих фермах более 50% животных пропускают половую охоту, что приводит к увеличению межотельных периодов и количества скотомест на ферме. Из-за неправильного определения времени осеменения снижается плодовитость коров, а значительная доля клинически здоровых животных остается бесплодными, неэффективно расходуется семя и увеличиваются трудозатраты. При этом один день бесплодия коровы приводит к недополучению до 5 л молока.

Во многих странах мира, в том числе и в России, от 90 до 100% коров дойного стада осеменяется искусственно. Для успешного использования этой репродуктивной технологии весьма важно наладить работу по выявлению и осеменению самок в оптимальное для оплодотворения время.

Существующие методы и технические средства определения времени осеменения основаны, как правило, на контроле вторичных проявлений, главным образом двигательной активности коров, и недостаточно достоверны. В связи с этим, разработка электротехнических средств для определения времени осеменения на основе контроля половой охоты коров с использованием быка-пробника является актуальной.

Целью работы является разработка электротехнических средств (ЭТС) для дистанционного выявления половой охоты коров с использованием быка-пробника и передачи информации в режиме реального времени осеменатору для своевременного осеменения, обеспечивающих повышение эффективности воспроизводства стада.

Для достижения поставленной цели определены следующие задачи исследования:

1. Анализ научных предпосылок и тенденций развития методов и технических средств определения половой охоты коров на фермах и комплексах.

2. Разработка алгоритма функционирования ЭТС для аутентификации коровы, находящейся в состоянии половой охоты, с применением быка-пробника в режиме реального времени.

3. Разработка математической модели движения быка-пробника и датчика его положения, обеспечивающих автоматическое включение ЭТС при допуске коровой садки быка.

4. Разработка математической модели функционирования приемопере-дающего ИК (инфракрасного)-устройства, обеспечивающего аутентификацию коровы, находящейся в состоянии половой охоты.

5. Разработка и производственная проверка ЭТС для дистанционного определения оптимального времени осеменения коров и передачи информации осеменатору в режиме реального времени.

6. Оценка экономической эффективности применения созданных электротехнических и программных средств.

Объект исследования. Технологии и электротехнические средства для выявления половой охоты коров на фермах.

Предмет исследования. Параметры электротехнических средств для выявления половой охоты коров.

Методы исследования. Решение поставленных задач проведено с использованием системного и математического анализа, математической статистики, дифференциального и интегрального исчисления, математического моделирования, программирования с применением средств микропроцессорной и компьютерной техники. Используемые программы: Statistica 6.0, Microsoft Office Excel 2007, MathCad 13, Microsoft VISIO 2007, AVR Studio 4.

Научная новизна. Выполненные исследования позволили получить совокупность новых положений и результатов, заключающихся в разработке:

- алгоритма ЭТС для аутентификации коровы, находящейся в состоянии половой охоты в режиме реального времени с применением быка-пробника;

- математической модели движения быка-пробника и датчика его положения для автоматического включения ЭТС при садке;

- математической модели функционирования приемопередающего ИК-устройства, обеспечивающего аутентификацию коровы, находящейся в состоянии половой охоты;

- электротехнических и программных средств для определения оптимального времени осеменения коров и телок на предприятиях крупного рогатого скота молочного и мясного направления, а также в частных подворьях и фермерских хозяйствах.

Практическая ценность работы. Разработаны новые электротехнические и программные средства для определения оптимального времени осеменения коров, обеспечивающие повышение эффективности воспроизводства стада. Техническая новизна разработанных электротехнических средств подтверждена двумя патентами РФ.

Реализация результатов исследований. Результаты проведенных исследований внедрены в производство и используются в учебном процессе РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, МГАУ имени В.П. Горячкина, Великолукской ГСХА, Нижегородский ГИЭИ, а также в ОАО «Чувашское» по племенной работе.

На защиту выносятся:

- алгоритм функционирования электротехнических средств для аутентифи-кации коровы, находящейся в состоянии половой охоты;

- математическая модель движения быка-пробника и датчика его положения при садке;

- математическая модель функционирования ИК-устройства для аутентифи-кации коровы, находящейся в состоянии половой охоты;

- комплект электротехнических и программных средств для дистанционного контроля половой охоты коров в режиме реального времени.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований доложены на: «11-й Международной научно-практической конференции «Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве» 14-15 сентября 2010 г., г. Углич; «Международной научно-практической конференции в ФГБОУ ВПО МГАУ «Инновационные энергосберегающие технологии в АПК» 27-29 марта 2012 г., г. Москва; «VIII-й Международной научно-практической конференции «Ресурсосберегающие экологически безопасные технологии производства и переработки сельскохозяйственной продукции» 12 апреля 2012 г., г. Саранск; «Международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию факультета биотехнологии «Современные проблемы и перспективы развития животноводства и аквакультуры» 23-24 марта 2012 г., г. Махачкала.

Публикации. Материалы диссертации изложены в 9 печатных работах, в том числе 4 из них в журналах, рекомендованных ВАК. Получены два патента РФ № 97264 и № 97265.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 213 страницах, содержит 97 рисунков, 24 таблицы. Список использованной литературы включает 146 наименований, из них 47 на иностранных языках, приложения представлены на 68 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность разработки электротехнических средств для дистанционного определения оптимального времени осеменения коров, определены цель, объект, предмет и методы исследования, научная новизна, практическая ценность, представлены сведения об апробации, публикациях, объеме и структуре работы.

В первой главе проведен анализ состояния вопроса о способах и техничес-ких средствах, применяемых в молочном животноводстве, для определения времени осеменения коров и телок.

Проанализированы работы ведущих отечественных и зарубежных ученых, разработавших концептуальные положения и научные основы инновационных технологий в молочном животноводстве, среди которых следует отметить Л.П. Карташова, В.В. Кирсанова, Л.П. Кормановского, С.В. Мельникова, Н.М. Морозова, Д.Н. Мурусидзе, В.И. Сыроватка, А.Ф. Князева, Е.Е. Хазанова, Ю.А. Цоя, D. Ordolf, J. Whittelstone и другие. Значительный вклад в развитие электротехнологий и автоматизации технологических процессов в животноводстве внесли: А.М. Башилов, И.Ф. Бородин, А.И. Викторов, Е.А. Воронин, В.И. Загинайлов, В.Р. Краусп, А.Ф. Князев, В.Т. Сергованцев, В.В. Солдатов, Д.С. Стребков, Ю.А. Судник, Л.П. Шичков, D. Armstong, F. Coldmith и др.

Ведущими отечественными и зарубежными учеными в области воспроизводства крупного рогатого скота и определения времени осеменения коров являются Г.П. Дюльгер, В.Я. Никитин, В.А. Павлов, А.П. Студенцов, В.В. Храмцов, В.С. Шипилов, F. Becker, A.R. Lehrer, C.S. Lewis, I.D. Russell-Brown, A. Vernunft и др.

Широкие исследования по оптимизации воспроизводства молочного стада проводятся в МГАВМиБ имени Скрябина, КГАВМ имени Н.Э. Баумана, РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева и других.

Существующие автоматизированные методы и технические средства для определения времени осеменения основаны, как правило, на контроле вторичных проявлений, главным образом, двигательной активности, в связи с чем обладают методической погрешностью и низкой достоверностью (около 75 %), что делает их недостаточно эффективными.

Ведущие зарубежные компании предлагают для выявления половой охоты коров комплекты средств, включающие датчики двигательной активности, совмещенные с программой управления стадом. Такими компаниями являются, например, «GEA Farm Technologies» (Германия), «DeLaval» (Швеция), «SCR» (Израиль), «Мilklein» (Италия) и др. Эти разработки также обладают методической погрешностью, т.к. основаны на измерении косвенных показателей, включающих учет индивидуальных надоев, температуру животного и др.

Представляет интерес разработка (МСХА имени К.А.Тимирязева и МГАУ имени В.П. Горячкина) электротехнических средств для дистанционного выявления половой охоты коров и телок в режиме реального времени, основанных на применении быка-пробника.

Известная разработка включает: радиотехническое устройство, закрепленное на быке для бесконтактной идентификации коровы, допустившей садку; приемопередающее радиотехническое устройство, закрепленное на корове; стационарное приемопередающее и приемное устройства. Недостатками данной разработки являются: возможность ложного определения номеров находящихся рядом коров, из-за сложности формирования радиочастотной диаграммы направленности; несовершенство алгоритма измерения, а также возникающее ложное срабатывание стартерного устройства.

Вторая глава посвящена разработке алгоритма функционирования ЭТС для аутентификации коровы, допустившей садку быка-пробника, математических моделей датчика положения быка-пробника и ИК-устройства для аутентификации коровы.

Разработан алгоритм функционирования ЭТС, с целью исключения ошибочного определения номеров коров, находящихся рядом, который основан на применении ИК-устройства. Оно включает ИК-передатчик и ИК-приемник, которые обеспечивают формирование заданной диаграммы направленности. Усовершенствованный алгоритм осуществляет N-кратный обмен сигналами между ИК-передатчиком и ИК-приемником для аутентификации коровы, допустившей садку быка. При этом ИК-передатчик и ИК-приемник в момент садки должны быть расположены на быке и корове напротив друг друга.

Математическая модель движения быка при садке на корову и функционирования датчика положения быка. Бык представлен как механическая система, состоящая из звеньев, соединенных подвижными сферическими шарнирами.

Датчик положения размещен на шее быка и представляет собой закрытую изогнутую трубку 1 с чувствительным элементом в виде магнитного шарика (рис.1). Шарик принимается материальной точкой М, абсолютное движение которой происходит на плоскости в неподвижной системе декартовых координат О1, а относительное – на плоскости в системе координат Оху, жестко связанной с трубкой. В начальный момент времени точка М покоится и находится в нижней точке О трубки, а на отрезке времени 2Т достигает крайней верхней точки K трубки (Т = 1,5 с).

Разработанная математическая модель позволила установить взаимосвязь между параметрами трубки и кинематическими параметрами движения точки О трубки за время садки быка, определенными экспериментально. Рассматривались два вида трубок: изогнутая трубка с прямыми участками (рис.1 слева) и трубка, изогнутая по окружности с радиусом R (рис.1 справа). На рисунке 1 – угол установки рабочего участка трубки относительно горизонтали, рад.

Рисунок 1. Виды трубок датчика положения быка

Эксперименты осуществлялись во время половой охоты коров с быком-пробником на молочной ферме РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева. График траектории движения точки О получен с помощью видеокамеры «Sony DCR-TRV16E», интегрированной с ПК (рис.2).

 Экспериментальная траектория движения точки О Примем следующие-0

Рисунок 2. Экспериментальная траектория движения точки О

Примем следующие обозначения: t – время, с; T – длительность времени на первом участке движения, с; L3 – суммарная длина туловища и шеи быка, представляющих собой звено 3, равная расстоянию между точками С и О, 1,7 м; О, О – координаты точки О в неподвижной системе координат О1, м; L, H – координаты точки О в начальный момент времени, равные 1,5 м и 1,05 м; 3 – угол поворота звена 3 с отсчетом от горизонтальной оси, рад; h – перемещение точки О по вертикали, м; sо – перемещение точки О по горизонтали, м; с – проекция вектора постоянной скорости точки С звена 3 на ось О1, м/с.

Установлено, что положение точки О адекватно определяется перемещением точки С по горизонтали со скоростью с, равной 0,98 м/с, и углом 3 поворота звена 3 с отсчетом от горизонтальной оси.

Уравнения регрессии или зависимости от времени t перемещений h и sо точки О трубки по вертикали из нижнего положения быка и по горизонтали имеют вид

где ; 30 –угол поворота звена 3 в начальный момент времени; 3, 3 – константы, рад/с и рад/с2.

Закон плоскопараллельного движения трубки на первом участке, когда 0 < t T определяется равенствами (1):

(1)

где – константа.

Закон движения трубки на втором участке когда Т < t 2T определяется равенствами (2):

(2)

где – константа, рад.

С использованием равенств (1) и (2) были составлены и решены дифференциальные уравнения движения шарика в трубке с двумя прямыми участками и изогнутой по окружности.

Будем считать срабатывание датчика ложным, если оно произошло при беге быка с ускорением без вспрыгивания. Проведенный расчет показал, что датчик с прямыми участками восприимчив к ложному срабатыванию при нулевом коэффициенте трения, а датчик с трубкой, изогнутой по окружности, оказался не восприимчив к ложному срабатыванию.

Дифференциальные уравнения движения шарика в трубках были решены численным методом Рунге-Кутта.

Положение шарика в трубке, изогнутой по окружности, определяется длиной sо дуги, отсчитываемой от точки О, или отношением длины дуги к радиусу трубки, которое равно радиальному углу в радианах или с точностью до коэффициента пропорциональности в градусах (рис.1 справа).

На рисунке 3 показаны графики зависимостей угла от времени, полученные в результате решения дифференциальных уравнений движения шарика по трубке, изогнутой по окружности.

 Графики зависимостей (t) во время садки быка при разных радиусах R-9 Графики зависимостей (t) во время садки быка при разных радиусах R-10

Рисунок 3. Графики зависимостей (t) во время садки быка при разных радиусах R

Теоретически установлено, что датчик с изогнутой трубкой, состоящей из двух прямолинейных участков, восприимчив к ложному срабатыванию. Датчик в виде трубки, изогнутой по окружности, не восприимчив к ложному срабатыванию. При этом размах колебаний шарика относительно трубки не зависит от его массы и радиуса трубки.

Таким образом, датчик с трубкой, изогнутой по окружности радиусом 25 мм и 50 мм не подвержен ложному срабатыванию.

Результаты расчетов позволили сформулировать основные технические требования к датчику положения. С учетом необходимости минимизации габаритных размеров, рациональными параметрами можно считать: датчик с трубкой, изогнутой по окружности радиусом 25 мм, внутренним диаметром 6 мм, с магнитным шариком диаметром 5 мм и рабочим углом – 270. Такой датчик не восприимчив к ложному срабатыванию и может быть использован в составе ЭТС.

Математическая модель функционирования ИК-устройства для аутентификации коровы. Целью математического моделирования ИК-устройства является обоснование значений параметров работы и алгоритма, обеспечивающих не более 1 ошибки на 10000 событий «Садки». Надёжная передача сигналов ИК-устройства необходима для того, чтобы на этапе разработки исключить возможность внесения системой инструментальной ошибки на конечный статистический результат осеменения. То есть, чтобы результат осеменения зависел от иных причин, а не от ошибок, связанных с аутентификацией коровы, находящейся в половой охоте.

Надёжность связи невозможно обеспечить только аппаратными средствами. Поскольку в модулях применяется микроконтроллер, то высокую надежность в значительной мере следует обеспечивать реализацией рационального алгоритма работы устройства. Для этого в устройстве применяется двукратное CRC-кодирование информационных посылок, как на аппаратном уровне драйверов ИК-приемопередатчиков, так и на уровне программы микроконтроллера. Двойное CRC-кодирование исключает обмен кодовыми посылками, содержащими ошибки.

Вероятность успешной связи (Pd) ИК-устройства, включающего мастер- и слейв-устройства, соответственно, на быке и корове, является функцией нескольких переменных, которую можно представить в виде:

Pd = f(I, E,, N, Lmax, L), (3)

где I – интенсивность излучения ИК-передатчика, мВт/ср; E –порог обнаружения освещённости ИК-приемника, мВт/м2; /2 – угол половинной яркости, град; N – мажоритарное число – нечетное число (минимум 3) информационных пакетов, принимаемых мастер-устройством от слейв-устройства; Lmax – максимальное расстояние, на которое рассчитана оптопара, м; L – фактическое расстояния между ИК-приёмником и ИК-передатчиком в момент допуска садки, м.

Необходимо установить такие параметры ИК-приемопередатчика, чтобы при трехкратном обмене кодированным дескриптором обеспечивалась связь с надежностью Pd 0,95.

При допущении, что влияние факторов влияющих на надёжность связи много, и возникновение таких факторов носит случайный характер, то, основываясь на центральной предельной теореме, можно считать, что все события, как успешной, так и неуспешной передачи подчиняются нормальному (Гауссовскому) распределению.

Вероятность одного акта успешной связи мастер- и слейв-устройства описывается теоремой умножения вероятностей:

Pd= B(I,s)·C(E,s), (4)

где B(I,s) – вероятность успешной передачи дескриптора, зависящая от параметров ИК-передатчика; C(E,s) – вероятность успешной передачи дескриптора, зависящая от параметров ИК-приёмника; s – относительное отклонение осевой линии максимальной интенсивности ИК-передатчика от осевой линии максимальной чувствительности ИК-приёмника.

Для успешной связи необходимо, чтобы интенсивность излучения ИК-передатчика превышала пороговое значение, характеризующее как само устройство, так и условия его эксплуатации. Таким образом, если значение эффективной интенсивности будет меньше пороговой, то возникнет сбой связи, а если значение эффективной интенсивности превысит пороговое, то связь будет успешной.

Тогда для вероятности наличия связи – B(I,s), определяемой значением параметров ИК-передатчика следует записать:

;

;

, (5)

где M(I,s) – математическое ожидание, нормированное на половину значения угла коллимации; D(I,s) – дисперсия; (Lmax/L)2 – коэффициент поправки значения интенсивности ИК-излучения от расстояния между ИК-передатчиком и ИК-приёмником.

Зависимость вероятности успешной передачи дескриптора от интенсивности ИК-передатчика имеет вид, представленный на рисунке 4а. В качестве ИК-приемопередатчика выбран интерфейсный модуль TFDT4500 с параметрами: диапазон выходной интенсивности I – 0…400 мВт/ср, характеристическая интенсивность ИК-излучения I = 144 мВт/ср, Lmax –10 м. При этом принимаем, относительное отклонение осевой линии максимальной интенсивности излучения ИК-передатчика от осевой линии максимальной чувствительности ИК-приёмника – s (0; 0,1; 0,2; 0,3), нормированное на половину значения угла коллимации; среднее расстояние между ИК-передатчиком и ИК-приемником Lср. – 1,4 м.

Для ИК-приёмника роль порогового значения будет играть значение порога чувствительности. При этом, если текущее значение чувствительности ниже порогового, то связь отсутствует, и, соответственно, если текущее значение чувствительности выше порогового, связь имеется. При этом также используется интерфейсный модуль TFDT4500.

C(E,s) зависит от: диапазона порога обнаружения освещённости – E (от 0 до 5 Вт/м2); минимального порога обнаружения освещённости – E0; относительного отклонения осевой линии максимальной чувствительности ИК-приёмника от осевой линии максимальной интенсивности ИК-передатчика – s, нормированное на половину значения угла коллимации (рис.4б).

Тогда для вероятности наличия связи – C(E,s), определяемой значением параметров ИК-приёмника можно записать:

;

;

, (6)

где M(E,s) – математическое ожидание, нормированное на половину значения угла коллимации; D(E,s) – дисперсия.

Вероятность успешной передачи сигнала снижается с увеличением несоосности между ИК-передатчиком и ИК-приёмником.

 Зависимость вероятности успешной передачи дескриптора а)-17  Зависимость вероятности успешной передачи дескриптора а) от-18

Рисунок 4. Зависимость вероятности успешной передачи дескриптора

а) от интенсивности ИК-передатчика, б) от чувствительности ИК-приёмника.

Подстановка 5 и 6 в выражение 4 даёт выражение вероятности одного акта успешной связи мастер- и слейв-устройства в виде:

(7)

На основании выражения 7 определим допустимый диапазон значений I и E для s = 0; 0,1; 0,2; 0,3. Для этого примем вероятность успешной связи мастер- и слейв –устройства Pd 0,95 и построим диаграмму поверхности. На полученной диаграмме этой области соответствует красный цвет (рис.5).

 а) б) Диаграмма зависимости вероятности успешной передачи-20

а) б)

Рисунок 5. Диаграмма зависимости вероятности успешной передачи дескриптора от параметров ИК-устройства (s=0): а) объемная диаграмма, б) диаграмма на плоскости.

Определены параметры ИК-устройства для интерфейсного модуля TFDT4500: минимальная интенсивность излучения – 9 мВт/ср и минимальный порог чувствительности 4 мВт/м2 с учетом отклонений осевой линии максимальной интенсивности ИК-передатчика от осевой линии максимальной чувствительности ИК-приёмника; угол коллимации – 32; мажоритарное число – 3 (информационных пакетов, принятых мастер-устройством от слейв-устройства).

Анализ математической модели показывает, что при вероятности безошибочного транспорта одного дескриптора, равной 0,95, успешная передача пакета состоящего из 3 дескрипторов составит:

1–(1–0,95)3 = 0,999875. Это означает, что реализация указанных параметров математической модели аппаратными и программными средствами реализуемых устройств обеспечит математическое ожидание ошибки события «Садки» 1 на 10000.

Компоненты ИК-устройства обеспечивают многократное превышение предельно допустимых значений интенсивности излучения и минимального порога чувствительности, что гарантируют успешную аутентификацию коровы, с ошибкой менее 1 на 10000 актов.

Таким образом, математическая модель функционирования приемопередающего ИК-устройства, описываемая выражениями (3)…(7), позволяет определить рациональные параметры и технические требования к ИК-устройству, обеспечивающие успешную связь для аутентификации коровы.

Третья глава посвящена разработке методик и экспериментальных установок для проведения исследований. Согласно созданным алгоритму и математическим моделям разработаны специальные методики исследования датчика положения быка пробника и ИК-устройства для аутентификации коровы.

Методика исследования датчика положения быка пробника при садке предусматривает теоретическое обоснование параметров датчика. При этом определялись отклонения магнитного шарика в изогнутой трубке с двумя прямыми участками и отклонения шарика в трубке изогнутой по окружности с R-25мм.

Для проведения исследований разработаны две экспериментальные установки (рис.6).

 а) б) Экспериментальные установки для исследования датчика-21

а) б)

Рисунок 6. Экспериментальные установки для исследования датчика положения при:

а) садке быка, б) качании головой быка

1- регулятор угла наклона, 2-цепь, 3- рама, 4- зубчатые колеса, 5- датчик положения, 6-измерительный прибор, 7- источник электропитания, 8- частотный преобразователь, 9- электропривод, 10- кривошипно-шатунный механизм, 11- макет головы быка, 12- стойка.

Установка на рисунке 6а позволяет моделировать траекторию движения точки О датчика при наскоке быка-пробника на корову, а установка на рисунке 6б моделирует углы наклона датчика положения, зафиксированного на шее быка-пробника.

Методика исследований ИК-устройства для аутентификации коровы предусматривает снятие диаграммы направленности оптического излучателя и оптического приемника (фотодиода ФД-265А) в зависимости от линейных расстояний, смещения осей и углов несоосности между излучателем и приемником. Для проведения исследований разработан специальный стенд, обеспечивающий снятие диаграмм направленности фотодиода, содержащий осциллограф, держатель с ИК-светодиодом и лимбом, установленный на оптической скамье, держатель с ИК-фотодиодом и лимбом, также установленный на оптической скамье, набор коллиматоров с диаметром 1,0; 1,5; 2,0; 2,5 мм. Экспериментально определялась диаграмма направленности при линейном расстоянии 1000 мм, 1400 мм и 1760 мм между светодиодом и фотодиодом, а также при углах отклонения оси светодиода от оси фотодиода в диапазоне +24…-24. Для формирования управляющего сигнала светодиода использовался генератор сигналов многофункциональный Г6-34, а для измерения амплитуды напряжения сигналов, полученных с фотодиода –осциллограф Tektronix серии TDS5000B.

В четвертой главе приведены разработанные на основе теоретических исследований ЭТС для определения оптимального времени осеменения коров (рис. 7). Электротехнические средства предназначены для регистрации фактов допуска коровой садки быка и передачи по радиоканалу осеменатору информации о номере коровы и времени события. С этого момента осеменатор должен в течение 8…16 час, но чем раньше, тем лучше, провести искусственное осеменение идентифицированной коровы.

Рисунок 7. Функциональная схема ЭТС контроля половой охоты коров

1- стартерное устройство, закрепленное на ошейнике быка, 2- блок питания, 3- датчик положения быка, 4- блок временной задержки, 5- реле времени, 6- блок триггеров, 7- ИК-устройство, 8- мастер-устройство, 9- приемопередающее устройство, закрепленное на ошейнике коровы, 10- слейв-устройство, 11- радиопередатчик, формирующий идентификационный кодированный сигнал, 12- передающая антенна, 13- стационарное приемопередающее устройство, 14- приемопередающая антенна, 15- GSM-модуль, 16- приемное устройство, 17- приемная антенна, 18-панель для СМС-сообщений, 19- осеменатор.

Определены места размещения и взаиморасположение электротехнических средств на быке-пробнике и корове. Стартерное устройство с датчиком положения и ИК-приемопередатчиком располагается на ошейнике быка, ИК-приемопередатчик – на ошейнике коровы. Приемопередатчики ИК-устройства находятся напротив друг друга на расстоянии 1,2…1,8 м на одной осевой линии с отклонением от осевой линии не более 16 и работают в диапазоне 880-900 нм. Программа микроконтроллеров написана на языке Ассемблера. Радиопередатчик 11 передает на GSM-модуль на частоте 868 МГц идентификационный кодированный сигнал, соответствующий номеру коровы. GSM-модуль принимает сигнал и далее передает его в диапазоне сотовой связи 900/1800 МГц на мобильный телефон оператору. ИК-приемопередатчик и принципиальная электрическая схема мастер-устройства показаны на рис. 8 и 9.

В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований электротехнических средств.

Эксперимент по определению перемещения шарика по изогнутой трубке с двумя прямыми участками показал, что полученные данные соответствуют расчетным. Чем меньше коэффициент трения и меньше начальный угол установки трубки к горизонту, тем на большее расстояние переместится шарик по трубке за время 1,5 с. Поэтому длина рабочего участка трубки получается достаточно большой (250 - 450 мм) и такой датчик восприимчив к ложному срабатыванию.

Результаты экспериментальных исследований по определению перемещения шарика массой 0,5 г диаметром 5 мм в трубке, изогнутой по окружности с разными радиусами и разными углами к горизонту, показаны на рисунке 10.

 Графики зависимости отклонения шарика в трубке изогнутой по-24 Графики зависимости отклонения шарика в трубке изогнутой по-25

Рисунок 10. Графики зависимости отклонения шарика в трубке изогнутой

по окружности с R – 25 мм (слева) и R – 50 мм (справа)

В результате экспериментальных исследований определены форма и размеры трубки датчика, не восприимчивого к ложному срабатыванию. Параметры датчика: радиус изгиба трубки составляет 25 мм, внутренний диаметр трубки 6 мм, диаметр магнитного шарика 5 мм, рабочий угол трубки – 270.

Результаты эксперимента показали адекватность разработанных математических моделей, правильный выбор параметров датчика положения и алгоритма выявления половой охоты коров.

Результаты измерения диаграммы направленности на расстояниях между ИК-передатчиком и ИК-приемником, равными 1000, 1400 и 1760 мм показаны на рисунке 11. Из диаграммы направленности видно, что с удалением расстояния между ИК-передатчиком и ИК-приемником, сигнал в зоне ИК-приемника становится несколько неравномерным, т.е. появляется два максимума, что связано с несоосностью ИК-светодиода и коллиматорного отверстия, что указывает на необходимость юстировки.

 Диаграмма направленности ИК-приемопередатчика Y – расстояние на-26

Рисунок 11. Диаграмма направленности ИК-приемопередатчика

Y – расстояние на которое смещается ИК-премник влево и вправо относительно нуля,

Х расстояние между ИК-передатчиком и ИК-приемником

Результаты измерения диаграммы направленности при несоосности ИК-передатчика и ИК-приемника показаны на рисунках 12-15.

 Диаграмма направленности при отклонении оси ИК-передатчика-27  Диаграмма направленности при отклонении оси ИК-передатчика от-28
Рисунок 12. Диаграмма направленности при отклонении оси ИК-передатчика от оси Х Рисунок 13. Диаграмма направленности при отклонении оси ИК-приемника от оси Х
 Диаграмма направленности при отклонении осей ИК-передатчика-29  Диаграмма направленности при отклонении осей ИК-передатчика и-30
Рисунок 14. Диаграмма направленности при отклонении осей ИК-передатчика и ИК-приемника от оси Х в одну сторону Рисунок 15. Диаграмма направленности при отклонении осей ИК-передатчика и ИК-приемника от оси Х в противоположные стороны

Анализ полученных диаграмм направленностей показывает, что при относительном отклонении ИК-светодиода и фотодиода на суммарный угол более ±8 от оси, амплитуда сигнала ослабевает (менее 6 мВ) и становиться восприимчивой к влиянию внешних помех. При отклонении от оси только ИК-светодиода или фотодиода угол отклонения может быть расширен до ±16, практически без ухудшения амплитуды сигнала. Это означает, что решение об использовании угла коллимации в 32 является верным. При превышении угла в ±16 в некоторых случаях (рис. 14 и 15) сигнал с ИК-светодиода не воспринимается фотодиодом.

Полученные диаграммы подтверждают адекватность разработанной математической модели и выбранных параметров ИК-устройства.

В шестой главе проведена оценка технико-экономической эффективности электротехнических средств.

Разработанные ЭТС обеспечивают повышение достоверности выявления половой охоты коров, т.к. основываются на регистрации допуска коровой садки быка-пробника тем самым, исключая методическую ошибку, присущую способу, основанному на контроле двигательной активности. При этом ЭТС позволяют контролировать половую охоту коров круглосуточно и передают информацию осеменатору в режиме реального времени, т.е. немедленно, а это и есть оптимальное время для осеменения коровы. ЭТС могут применяться, как на фермах и комплексах с беспривязным и привязным (на выгульных площадках) содержании, на удаленных пастбищах, а также в небольших фермерских хозяйствах. Процент ферм крупного рогатого скота, на которых возможно применять аналоги до 10%, а у ЭТС до – 100%.

Применение ЭТС обеспечивает сокращение количества дней бесплодия, продолжительности межотельного периода и способствует оптимизации выхода приплода по стаду. Экономический эффект составляет 1575 руб. на одну корову за лактацию.

Основные выводы

Анализ научных предпосылок и тенденций развития методов и технических средств для определения оптимального времени осеменения коров показал обоснованность разработки электротехнических средств для дистанционного выявления половой охоты коров и тёлок в режиме реального времени.

1. Разработан алгоритм функционирования электротехнической системы для дистанционного выявления половой охоты коров быком-пробником в режиме реального времени, обеспечивающий аутентификацию коровы и ее своевременное осеменение.

2. На основании разработанных математических моделей движения быка-пробника и чувствительного элемента в датчике установлено, что датчик в виде трубки, изогнутой по окружности, не восприимчив к ложному срабатыванию по сравнению с датчиком с прямыми участками. При этом движение чувствительного элемента в трубке, изогнутой по окружности, не зависит от массы элемента и радиуса трубки. С учетом минимизации габаритных размеров рациональными параметрами можно считать радиус изгиба трубки 25 мм, внутренний диаметр 6 мм, диаметр чувствительного элемента 5 мм, рабочий угол трубки 270.

3. Разработана математическая модель функционирования приемопередающего ИК-устройства, устанавливающая зависимость успешной аутентификации коровы от его параметров. Для интерфейсного модуля TFDT4500: минимальная интенсивность излучения – 9 мВт/ср и минимальный порог чувствительности 4 мВт/м2 с учетом отклонений осевой линии максимальной интенсивности ИК-передатчика от осевой линии максимальной чувствительности ИК-приёмника; угол коллимации – 32; мажоритарное число – 3 (количество информационных пакетов, принятых мастер-устройством от слейв-устройства).

4. Создан комплект электротехнических и программных средств для дистанционного выявления половой охоты коров в режиме реального времени в составе: стартерное устройство с датчиком положения быка, ИК-устройство, передающее устройство на корове, стационарный GSM-модуль, приемное устройство у осеменатора. При этом стартерное устройство располагается на ошейнике быка, приемопередающее устройство - на ошейнике коровы в верхней части. При садке приемопередатчики ИК-устройства направлены навстречу друг другу и находятся на расстоянии 1,2…1,8 м на одной осевой линии, с отклонением не более 32.

5. Оценка технико-экономических показателей применения разработанного комплекта электротехнических и программных средств для определения оптимального времени осеменения коров показывает их эффективность за счет: сокращения межотельного периода, увеличения производства молока, снижения затрат на организацию и проведение работ по искусственному осеменению и более рационального использования скотомест на ферме. Эффективность применения разработанных средств составляет 1575 руб. на одну корову за лактацию.

Основные результаты исследования изложены в следующих работах:

  1. Абрашин А.А. Математическая модель датчика положения быка-пробника. [Текст] / Ю.Г. Иванов, А.А. Абрашин // Техника в сельском хозяйстве. – 2011. – №5 – С. 17-19.
  2. Абрашин А.А. Математическая модель чувствительного элемента датчика положения быка-пробника. [Текст] / Ю.Г. Иванов, А.А. Абрашин // Вестник ФГБОУ ВПО МГАУ. сер. Агроинженерия. – 2012. – №1 – С. 51-54.
  3. Абрашин А.А. Обоснование параметров электротехнической системы выявления половой охоты коров. [Текст] / Ю.Г. Иванов, А.А. Абрашин // Вестник ФГБОУ ВПО МГАУ. сер. Агроинженерия. – 2012. – №2 – С. 23-27.
  4. Патент № 97264 РФ МПК А61D 19/00. Система для определения оптимального времени осеменения коров и тёлок. / Иванов Ю.Г., Дюльгер Г.П., Абрашин А.А.; – Заяв. 15.04.2010; Опуб. 10.09.2010. Бюл. № 25.
  5. Патент № 97265 РФ МПК А61D 19/00. Система для определения оптимального времени осеменения коров и тёлок. / Иванов Ю.Г., Дюльгер Г.П., Абрашин А.А.; – Заяв. 15.04.2010; Опуб. 10.09.2010. Бюл. № 25.
  6. Абрашин. А.А. Технические средства для выявления половой охоты у коров. [Текст] / Ю.Г. Иванов, А.А. Абрашин // Зоотехния. – 2010. – №12 – С. 26-27.
  7. Абрашин. А.А. Алгоритм и радиотехническая система контроля половой охоты коров. [Текст] / Ю.Г. Иванов, А.А. Абрашин // Сборник докладов XI Международной научно-практической конференции (14-15 сентября 2010 г., г. Углич) Часть 1 «Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве». – М.: ФГУП Издательство «Известия» УДП РФ. – 2010. – С. 492 – 496.
  8. Абрашин А.А. Разработка электротехнической системы выявления половой охоты коров с применением ИК-канала [Текст] / Ю.Г. Иванов, Г.П. Дюльгер, А.А. Абрашин //Материалы VIII-й Международной научно-практической конференции, посвященной памяти д. с.-х. наук профессора, заслуженного деятеля науки РФ и Республики Мордовия С. А. Лапшина (12-13 апреля 2012 г., г. Саранск) «Ресурсосберегающие экологически безопасные технологии производства и переработки сельскохозяйственной продукции». – Саранск: Издательство Мордовского университета. – 2012. – С. 61-63.
  9. Абрашин А.А. Автоматизированная система выявления половой охоты коров с применением ИК-технологии [Текст] / Ю.Г. Иванов, Г.П. Дюльгер, А.А. Абрашин // Материалы Международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию факультета биотехнологии (23-24 марта 2012 г., г. Махачкала) «Современные проблемы и перспективы развития животноводства и аквакультуры». – Махачкала. – 2012. – С. 79-83.


 



<
 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.