การทำการเกษตรสมัยใหม่นั้นมุ่งเน้นแนวทางในการลดต้นทุนการผลิตลงและเพิ่มปริมาณของผลผลิตต่อพื้นที่ให้เพิ่มสูงขึ้นเท่าที่จะสามารถทำได้ โดยเฉพาะเกษตรกรเจ้าของพื้นที่ปลูกอ้อยทั้งขนาดกลางและขนาดใหญ่นั้น พบว่ามีอัตราการแข่งขันสูงมากในด้านการนำเทคโนโลยีสมัยใหม่เข้ามาใช้ โดยจะพบว่าค่าจ้างแรงงานขั้นต่ำมีอัตราเพิ่มสูงมากซึ่งผันผวนกับจำนวนแรงงานภาคการเกษตรที่ลดต่ำลง และแรงงานที่มีทักษะที่ขาดแคลน จึงเป็นเหตุผลและความจำเป็นที่จะต้องใช้เทคโนโลยีเข้ามาแก้ปัญหาดังกล่าว ดังนั้นจากปัญหาที่พบและความต้องการของเกษตรกรเจ้าของพื้นที่ทั้งขนาดกลางและขนาดใหญ่ที่ต้องการลดแรงงานลงและปริมาณผลผลิตต่อพื้นที่มีจำนวนเพิ่มสูงขึ้นนั้น กลุ่มผู้วิจัยจึงได้มีแนวคิดที่จะออกแบบและสร้างรถไถขับเคลื่อนอัตโนมัติแบบไร้คนขับ พร้อมติดตั้งอุปกรณ์นำทางด้วยระบบ GPS สำหรับการเกษตรสมัยใหม่ขึ้น เพื่อที่จะทำให้เกิดการทำงานอย่างต่อเนื่องสม่ำเสมอ เป็นการลดเวลา ลดความเมื่อยล้าในการปฏิบัติงาน และลดต้นทุนการประกอบการของเกษตรกรให้ต่ำลง โดยที่ผลสัมฤทธิ์ของโครงการนี้เมื่อดำเนินการเสร็จ จะพบได้ว่ามีความแตกต่างจากงานวิจัยที่มีอยู่แล้วดังนี้ โดยเกษตรกรนั้นจะได้ต้นแบบของรถไถขับเคลื่อนอัตโนมัติแบบไร้คนขับ พร้อมติดตั้งอุปกรณ์นำทางด้วยระบบ GPS ที่มีราคาถูก สามารถใช้งานได้จริง โดยระบบควบคุมและขับเคลื่อนนั้นมีความซับซ้อนน้อยมาก สามารถดูแลบำรุงรักษาได้ง่าย และยังสามารถลดค่าใช้จ่ายในการจ้างแรงงานลง ซึ่งปัจจัยดังกล่าวจะเห็นได้ชัดว่ามีบทบาทที่สำคัญมากในการกำหนดทิศทางปริมาณของผลผลิตที่ได้ต่อพื้นที่ต่อปี และทิศทางในการควบคุมค่าใช้จ่ายในการลงทุนให้ลดต่ำลง
ภาพที่ 1: ลักษณะภาพแสดงบนหน้าจอควบคุมอัตโนมัติที่ห้องทำงาน
โดยหลักการทำงานของกลไกการขับเคลื่อนนั้น รถไถที่พัฒนาขึ้นเป็นรถขับเคลื่อนด้วยสองล้อหลัง ใช้ต้นกำลังเป็นเครื่องยนต์ดีเซลขนาด 15-18 Hp เพื่อขับปั๊มน้ำมันไฮดรอลิกส์ การขับเคลื่อนของรถไถใช้กำลังจากแรงดันและอัตราการไหลของน้ำมันไฮดรอลิกส์ แบบ Hydro-static ทั้งระบบ เนื่องจากเป็นระบบที่มีการบำรุงรักษาต่ำ เกิดเหตุขัดข้องยาก และไม่มีอันตรายจากชิ้นส่วนเคลื่อนที่ในระบบมากนัก ใช้งานได้ง่าย เหมาะกับการปฏิบัติงานในแปลง ซึ่งไม่ใช้ความเร็วสูง แต่ต้องการแรงฉุดลาก (Drawbar force) สูง เกษตรกรหรือคนขับ ไม่จำเป็นต้องมีความรู้พื้นฐานทางวิศวกรรมก็สามารถควบคุมรถได้ การออกแบบระบบ จะใช้ความเร็วการแล่นและแรงฉุดลากใช้งานที่เหมาะสมของรถเป็นกรอบ แล้วจึงคำนวณเป็นความเร็วรอบและแรงบิดสูงสุดของมอเตอร์ไฮดรอลิกส์ เพื่อใช้ในการติดตั้งต่อไป เช่นเดียวกับการใช้น้ำหนักและความเร็วรอบของอุปกรณ์ต่อพ่วง มาคำนวณหาความเร็วของมอเตอร์ไฮดรอลิกส์ที่ใช้ขับเพลา PTO (Hydraulic for Power take-off, PTO) และขนาดของกระบอกสูบยก-วาง อุปกรณ์ต่อพ่วง (Hydraulic lifting cylinder) ต่อไป
ภาพที่ 2: ระบบการถ่ายทอดกำลังและบังคับเลี้ยวของรถไถ
ส่วนการควบคุมนั้น รถไถที่พัฒนาขึ้นจะถูกควบคุมด้วยการควบคุมกำลังของไหลแทน ซึ่งแม่นยำ สะดวก และประหยัด กว่าการควบคุมชิ้นส่วนกลไกที่มีการเคลื่อนที่แบบอื่น การออกตัว เร่งความเร็ว เคลื่อนที่ด้วยความเร็วคงที่ การชะลอความเร็ว และการหยุดจอด (เบรกในระบบอัตโนมัติ) ของรถไถ ทำได้ด้วยการควบคุม วาล์วควบคุมอัตราการไหลหลัก (Flow control valve, FC) เพียงตัวเดียว ส่วนการควบคุมทิศทาง (การบังคับเลี้ยว) ทำผ่านชุดทดแรงหมุนพวงมาลัยด้วยน้ำมัน (Power steering) ซึ่งแยกวงจรน้ำมันออกจากวงจรขับเคลื่อนรถหลัก ทั้งนี้เพื่อเสถียรภาพในการบังคับเลี้ยวที่ไม่ต้องผูกโยงกับความเร็วรถไปด้วย เนื่องจากต้องคำนึงถึงความรวดเร็วในการบังคับเพื่อความปลอดภัยของรถหรือคน กรณีใช้คนขับด้วย สำหรับการควบคุมอุปกรณ์ขับเคลื่อนทั้งหมด ผู้วิจัยได้ออกแบบให้ทำงานได้ทั้ง 2 ระบบ คือ การทำงานแบบอัตโนมัติและการบังคับด้วยคนขับ ทั้งนี้อุปกรณ์ที่ใช้ควบคุมรถถูกออกแบบให้รับสัญญาณทั้งจากระบบอัตโนมัติและสามารถสลับมาใช้คันเร่ง เบรก คันโยก กระบอกสูบไฮดรอลิกส์ และ PTO ได้ทั้งหมด เช่นเดียวกับระบบบังคับเลี้ยวที่คนสามารถหมุนพวงมาลัยได้โดยตรงเช่นกัน โดยที่วงจรเบรกด้วยคนขับจะถูกแยกออกจากวงจรขับเคลื่อนหลักและผู้ขับขี่สามารถเหยียบเบรกได้เช่นเดียวกับรถไถทั่วไป
อุปกรณ์ในระบบรถไถ (ภาพที่ 2) จะประกอบไปด้วย
ระบบควบคุมทิศทางและตำแหน่งของรถไถ
ในการควบคุมทิศทางและตำแหน่งของรถไถ ทางคณะผู้นำเสนอได้เลือกใช้ดีซีเซอร์โวมอเตอร์มาเป็นตัวต้นกำลังในการหมุนพวงมาลัยของรถไถ และใช้เซนเซอร์อีก 2 ชนิด เพื่อมาระบุตำแหน่งและทิศทางของรถไถ คือ ตัว GPS และ IMU ตามลำดับ ซึ่งในการควบคุมและประมวลผลจะใช้คอมพิวเตอร์เข้ามาช่วย และมีการพัฒนาโปรแกรมขึ้นเพื่อใช้ในการรับข้อมูลจากตัว GPS และ IMU มาคำนวณหาทิศทางและตำแหน่งของรถไถ และส่งค่าการควบคุมจากคอมพิวเตอร์ไปยังแผงควบคุมมอเตอร์เพื่อควบคุมมอเตอร์ให้หมุนพวงมาลัยของรถไถให้เคลื่อนที่ไปยังทิศทางและตำแหน่งที่ต้องการ
ภาพที่ 3: แผนผังการเชื่อมต่ออุปกรณ์ที่ใช้ในการควบคุมทิศทางและตำแหน่งของรถไถ
ภาพที่ 4: แผนผังตัวควบคุมเพื่อควบคุมทิศทางและตำแหน่งของรถไถ
ระบบการมองเห็นระยะไกล
ระบบการมองเห็นระยะไกล (Remote Vision System) เป็นระบบที่ใช้สำหรับให้ผู้ควบคุมรถไถได้มองเห็นสิ่งรอบตัวของรถไถและเพื่อเพิ่มความปลอดภัยในขณะปฏิบัติงานของรถไถ โดยระบบนี้ประกอบไปด้วย กล้องไอพี (IP Camera) ที่ถูกติดตั้งอยู่บนตัวรถไถ และมีตัว Wireless access point เชื่อมต่อสัญญาณจากกล้องไอพี เพื่อส่งสัญญาณภาพจากกล้องไอพีส่งไปยังคอมพิวเตอร์ที่อยู่ภายนอกตัวรถไถผ่านตัว Wireless access point อีกตัวหนึ่ง โดยการแสดงภาพบนคอมพิวเตอร์จะมีการพัฒนาโปรแกรมขึ้นเพื่อใช้งานเฉพาะแสดงภาพและควบคุมอุปกรณ์บนรถไถระยะไกล
ภาพที่ 5: ระบบการมองเห็นระยะไกลของรถไถ
เนื่องจากเครื่องจักรกลทางการเกษตรที่มีใช้กันอย่างแพร่หลาย ที่นำมาช่วยทุ่นแรงและเพิ่มผลผลิตคือรถไถ(Tractor) ซึ่งรถไถสามารถนำมาใช้ในการทำเกษตรกรรมได้มากมายเช่นการเตรียมดินการให้ปุ๋ยการขนส่งผลิตภัณฑ์ทางการเกษตรเห็นได้ว่าประโยชน์ของรถไถมีค่อนข้างมากและในปัจจุบันมีผู้ให้ความสนใจอย่างมากในการพัฒนาศักยภาพของรถไถ ซึ่งหนึ่งในงานพัฒนาศักยภาพรถไถ คือ การพัฒนาระบบควบคุมอัตโนมัติของรถไถแบบไร้คนขับ เช่น ในปี พ.ศ. 2555 สำนักงานคณะกรรมการวิจัยแห่งชาติได้มีการกระตุ้นนักวิจัยให้มาสนใจพัฒนาระบบควบคุมรถไถ โดยทำการจัดการแข่งขันในหัวข้อ “การแข่งขันรถไถขับเคลื่อนอัตโนมัติ” [1] และมีนักวิจัยที่สนใจพัฒนาตัวควบคุมสำหรับรถไถเคลื่อนอัตโนมัติอีกมาก อาทิ ตัวควบคุมแบบพีดีและฟัซซี-โครงข่ายประสาทเทียม ชนิด 2 (Type-2 fuzzy neural network) [2] ตัวควบคุมแบบโมเดลพรีดิกทีฟแบบเชิงเส้น (Linear model predictive controller) [3] ซึ่งบทความนี้นำเสนอแนวคิดการออกแบบตัวควบคุมรถไถให้เคลื่อนที่แบบอัตโนมัติไร้คนขับแบบพีไอดีเพื่อทำให้รถไถสามารถเคลื่อนที่ติดตามเส้นทางที่กำหนดไว้ได้โดยเส้นทางการเคลื่อนที่ของรถไถในบทความนี้กำหนดให้ 2 รูปแบบ คือ เส้นตรงและเส้นโค้ง โดยทำการจำลองการเคลื่อนที่ของรถไถและตัวควบคุมที่นำเสนอด้วยโปรแกรม MATLAB/Simulink [4]
ภาพที่ 6: การประยุกต์ใช้รถแทรกเตอร์อัตโนมัติไร้คนขับในไร่อ้อยสมัยใหม่
จากผลการทดสอบที่ได้ในงานวิจัยนี้ พบว่าระบบเป็นการออกแบบตัวควบคุมตำแหน่งการเคลื่อนที่สำหรับรถไถขับเคลื่อนอัตโนมัติแบบไร้คนขับ พร้อมติดตั้งอุปกรณ์นำทางด้วยระบบ GPS พร้อมกับการสร้างเส้นทางการเคลื่อนที่สำหรับรถไถฯ บนระบบพิกัดฉาก โดยเส้นทางการเคลื่อนที่มี 2 แบบ กล่าวคือ เส้นตรง และเส้นโค้ง สำหรับตัวควบคุมที่ใช้ คือ ตัวควบคุมแบบพีไอดี โดยมีลูปควบคุมตำแหน่งการเคลื่อนที่ และลูปควบคุมมุมหันเหของรถไถฯ ซึ่งการทดลองได้จำลองด้วยโปรแกรม MATLAB/Simulink การทดลองแบ่งออกเป็น 2 แบบ คือ 1. รถไถเคลื่อนที่ตามเส้นทางเคลื่อนที่แบบเส้นตรง และ 2. รถไถเคลื่อนที่ตามเส้นทางเคลื่อนที่แบบเส้นตรง และเส้นโค้ง โดยผลการทดลองได้แสดงให้เห็นว่าระบบควบคุมที่ได้ออกแบบนั้น สามารถควบคุมให้รถไถฯ เคลื่อนที่ตามเส้นทางการเคลื่อนที่ได้ แต่จะเห็นได้ว่าขณะที่รถไถฯ เคลื่อนที่ติดตามเส้นทางการเคลื่อนที่ที่เป็นเส้นตรงในช่วงที่ความเร็วคงที่ รถไถฯ จะมีค่าความผิดพลาดของตำแหน่งค่อนข้างคงที่ นั่นแสดงให้เห็นว่าตัวควบคุมที่นำเสนอนี้ยังมีข้อจำกัดอยู่ คือ ไม่สามารถทำให้ค่าความผิดพลาดมีค่าลดลงได้ และจากผลการวิเคราะห์เชิงเศรษฐศาสตร์วิศวกรรมของรถไถขับเคลื่อนอัตโนมัติแบบไร้คนขับ พร้อมติดตั้งอุปกรณ์นำทางด้วยระบบ GPS พบว่า มีค่าความสามารถในการทำงานเท่ากับ 3.57 Raihr-1 ที่ความเร็วในการทำงาน 0.9 kmhr-1 และทำงาน 1,440 hr year-1 จะสามารถคืนทุนถ้าทำการไถให้ได้ปริมาณพื้นที่เท่ากับ 1,646 ไร่ โดยรถไถต้นแบบฯ มีแรงฉุดลาก 15,168 นิวตัน มีความเร็วในการทำงาน 0.25 เมตรต่อวินาที มีประสิทธิภาพการทำงาน 85.30% มีอัตราการสิ้นเปลืองน้ำมันเชื้อเพลิง 3.99 ลิตร/ชั่วโมง มีค่าการลื่นไถล (% Slip) 47.4 มีค่ากำลังฉุดลาก 3.792 กิโลวัตต์ และมีค่าความสามารถในการทำงาน 3.57 ไร่ต่อชั่วโมง
บทความโดย
รศ.ดร.เกรียงไกร แซมสีม่วง สาขาวิศวกรรมเกษตรอุตสาหกรรม ภาควิชาวิศวกรรมเกษตร คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลธัญบุรี
เอกสารอ้างอิง
[1] สำนักงานคณะกรรมการวิจัยแห่งชาติ (2555).การแข่งขันรถไถขับเคลื่อนอัตโนมัติ,[ระบบออนไลน์], แหล่งที่มา http://www.research.doae.go.th/webphp/webmaster/filepdf_news/Precision%20Farming.pdf, เข้าดูเมื่อวันที่25/04/2016.
[2] Kayacan, E., Kayacan, E., Ramon, H. and Kaynak, O. (2015). Towards Agrobots: Trajectory Control of an Autonomous Tractor Using Type-2 Fuzzy Logic Controllers, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 20, no. 1, February 2015, pp. 287-298.
[3] Kayacan, E., Ramon, H. and Saeys, W. (2016). Robust Trajectory Tracking Error Model-Based Predictive Control for Unmanned Ground Vehicles, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 21, no. 2, April 2016, pp. 806-814.
[4] Luca, A.D.,Oriolo, G. and Samson, C. (1998). Robot Motion Planning and Control, volume 229 of the series Lecture Notes in Control and Information Sciences, Springer.