Зерно и лазер: современные технологии на службе сельского хозяйства

Когда в чистом поле под Воронежем создавали индустриальный парк, ангар «Воронежсельмаша» появился там одним из первых. Первую зерноочистительную машину предприятие выпустило еще в 1917 году, на новой производственной площадке в 2012 году началась другая история. 

На производстве шумно: огромные машины гнут листы железа, сваривают детали, шлифуют неровности. Но помимо традиционного сельхозоборудования тут собирают, например, 3D-принтеры. Около четырехсот любительских принтеров уже поставлено в школы; конструкторы завода бьются сейчас над промышленной моделью. Самый маленький участок цеха занят производством фото- и лазерных сепараторов для выявления дефектного зерна и семян. Именно на эти разработки завод делает сейчас основную ставку — в сепараторах используются многие наработки последних 10 лет (за это время «Воронежсельмаш» получил девять патентов). «Сегодня сепараторы занимают 10–15% в продажах. Но мы понимаем, что для нас это стратегический продукт, и задача — удвоить долю», — говорит в интервью Forbes основной владелец и председатель совета директоров «Воронежсельмаша» Григорий Чуйко. 

По данным СПАРК, выручка «Воронежсельмаша», крупнейшего в России производителя оборудования для послеуборочной обработки зерна, в 2014 году составила почти 600 млн рублей. Как получилось, что компания увлеклась инновациями?

В 2007 году заместитель председателя совета директоров и совладелец «Воронежсельмаша» Владимир Стрыгин обратился к своему одногруппнику по физфаку Владимиру Шульгину, работающему в Воронежском госуниверситете, с авантюрным предложением — спроектировать отечественный фотосепаратор, который сортирует зерна и семена по внешнему виду более тщательно, чем выпускаемые компанией триеры (они сепарируют зерна только по размеру). К тому моменту, по словам Стрыгина, в мире подобное оборудование производили около пяти компаний. «Корейцы уже давно делают, и мы сможем», — убеждал он однокашника. 

Ученый согласился, но с условием — копировать предоставленную Стрыгиным корейскую модель не будут, создадут свою. «Основная сложность там в программном обеспечении. Дешевле и проще было самим сделать с нуля, чем копировать», — объясняет Шульгин. Спустя четыре месяца представителей «Воронежсельмаша» позвали на тестовые испытания. Как работает фотосепаратор? По наклонной плоскости непрерывным потоком идет пшеница. Этот поток снимает камера, софт анализирует кадр, если система распознает брак, мощный поток воздуха выдувает конкретное зернышко из соответствующей ячейки. «Порох в стволе ружья сгорает за 8 миллисекунд. А здесь время срабатывания — от одной миллисекунды до трех, — говорит физик Шульгин. — Через сепаратор может проходить до ста тысяч зерен в секунду».

В 2009 году фотосепараторы появились в ассортименте «Воронежсельмаша». Это только подстегнуло дальнейшие разработки. Для сканирования потока зерна разработчики сначала использовали готовые линейные камеры. Но изображением здесь заполняется вся матрица, что для целей сельхозпроизводителей избыточно. Фактически для отсева некачественных семян достаточно делать снимок одной строчки. Такую камеру пришлось создавать своими силами: в университете сконструировали плату, теперь их печатают на заводе. Вышло даже дешевле готовых решений. Но пока «Воронежсельмаш» закупает камеры на стороне — оказалось, что приобрести необходимые для камеры сенсоры сложно, а создавать их производство при нынешних объемах нецелесообразно. 

В первых моделях фотосепараторов команда Шульгина использовала люминесцентные лампы, дающие хороший спектр. Однако почти сразу от них пришлось отказаться в пользу светодиодов — они долговечнее и дают больше света. Сейчас в одном аппарате используется до 500 светодиодов. Пять лет назад камеры могли делать 5000 кадров в секунду, сейчас разработчики достигли показателей 10 000–15 000 кадров. Для этого пришлось увеличить мощность процессора: если сначала использовался 2-ядерный, то сейчас уже освоили 8-ядерный. 

В 2011 году на испытания фотосепаратора в Воронеж приехала делегация рисоводов из Краснодарского края. Обычно рис сажают в оболочке, самого семени не видно. Но эта культура склонна к мутации — рис может быть не только белым, но и красным. «Он тоже съедобный, но его стараются исключить. Такой рис склонен к заболеваниям и способен погубить весь урожай», — объясняет начальник производства сепараторов на «Воронежсельмаше» Алексей Агеев. По правилам доля такого риса в урожае не должна превышать 1–2%. Но добиться такого показателя, пропалывая всходы вручную, сложно. Фотосепараторы с задачей, поставленной рисоводами, тоже не справились: не могли просветить оболочку. Команда ВГУ взялась за поиск решения. 

Нужно было больше света, однако увеличение числа светодиодов приводило к росту потребляемой мощности. К тому же светодиоды освещают все пространство, а нужна только тонкая полоска света. Решение нашли, начав использовать лазер. 

Спрос на новую технологию был, так что на «Воронежсельмаше» сразу начали работать над опытным образцом. К тому же примерно в это время Министерство образования и науки объявило программу по спонсированию разработок на предприятиях, если к ним подключались университеты. «Воронежсельмаш» и ВГУ получили грант — 80 млн рублей, столько же в разработку и подготовку производства вложил и завод. Штат сотрудников университета, вовлеченных в проект, увеличили с пяти до девятнадцати человек. 

Однако с технологией пришлось повозиться. Решили использовать в сепараторе два лазера, работающих в разных диапазонах, чтобы отслеживать сразу несколько параметров. Нужно было совместить два луча лазера друг с другом и с камерой. Но в процессе работы сепаратор вибрировал, нужной ковергентности (совпадения волн лучей) — до десятой доли миллиметра — достичь никак не удавалось. Стало понятно, что лазерные установки нужно максимально отвести от рабочей поверхности. Но как тогда доставлять луч? «Я изучил все доступные западные патенты по этой теме. Там в основном пытались использовать механические системы: крутилась многогранная призма, на которую попадал луч лазера», — говорит Шульгин. От такой системы команда отказалась сразу — слишком медленная. В итоге придумали лучи от разных лазеров сводить в один и по оптоволоконному кабелю доставлять на выходное устройство. В этом случае лазеры можно ставить где угодно, хоть в другой комнате. 

Проблемы на этом не закончились. Лазер работает в более широком спектре, чем камера. При использовании традиционной RGB-камеры нужны фильтры, что приводит к искажению картинки. К тому же разработчикам не нравился принцип работы таких камер. «Если проследить ход лучей от объекта к матрице в такой камере, то мы увидим, что лучи направлены в разные точки объекта. Этот способ хорош для восприятия цвета глазом человека, но не машиной», — говорит Шульгин. Пришлось искать камеру другого типа, «спектральный прибор», по словам Шульгина. Еще одна идея — использовать призму (дифракционную решетку), которая бы разделяла луч лазера, собранного в оптоволокне, на два независимых луча. По словам ученого, ему неизвестно, чтобы кто-то применял такую технологию в системе машинного зрения, заявка на российский патент уже подана. Патент на оптоволоконную лазерную технологию для сепарации зерна не только по внешним признакам разработчики уже получили.

На каждом этапе работы приходилось отчитываться перед Министерством образования. «Иногда бумажные отчеты весили по 40 кг», — вспоминает Агеев. В мае 2013 года модель лазерного сепаратора была готова, через год ее запустили в серийное производство. Стоимость лазерного сепаратора — от 2 млн до 6 млн рублей, пока продано лишь два (фотосепараторов — больше сотни). Каждый лазерный аппарат делается на заказ, а его производство требует около полутора месяцев. По оценке гендиректора барнаульского производителя сепараторов CSort Максима Савинкова, объем российского рынка составляет около 120 сепараторов в год. Кроме его компании и «Воронежсельмаша» подобную технику в России производит еще завод в Костроме. В прошлом году CSort продал около 60 сепараторов, в том числе за границу.

Лазерный сепаратор открыл экспортные перспективы и для «Воронежсельмаша». В мае 2015 года делегация завода впервые поехала в Индию на сельскохозяйственную выставку — упор сделали на презентации новинки, способной сортировать зерно и семена не только по внешним признакам. «Там люди не верили, что такое возможно», — рассказывает Алексей Агеев. Делегация вернулась с выставки с почти подписанным контрактом — оборудованием заинтересовались производители арахиса: на орехах может быть грибок, который не виден глазу, но различим в флуоресцентном свете.

Основной владелец завода Григорий Чуйко на Индии останавливаться не хочет. «Мы спокойно конкурируем с китайцами по ценам, а качество у нас выше, — говорит Чуйко. — Конечно, мы хотели бы с государством делать проект. Это позволило бы быстрее выходить на другие рынки». По его словам, министр промышленности и торговли Денис Мантуров во время визита на завод в январе 2015 года пообещал помочь — частично профинансировать поездку на следующую выставку в Германию. Новая продукция помогла заводу привлечь внимание чиновников — воронежский губернатор часто возит сюда на экскурсию важных гостей. 

А пока сотрудники ВГУ пытаются научить сепаратор различать количество белка, клейковины и других веществ. Необходимое оборудование для экспериментов было закуплено еще на грант.