Úvod / Informácie / Stroje a zariadenia / Rôzne

Spôsoby navigácie strojových súprav

23-07-2019
S použitím dostupných zdrojov spracoval: doc. Ing. Jozef Ďuďák, CSc. | jozef.dudak@uniag.sk
Slovenská poľnohospodárska univerzita, Nitra

Prakticky od začiatkov používania mobilných strojov v poľnohospodárstve sa vyvíjali rôzne systémy, ktoré uľahčovali orientáciu obsluhy strojov v priestore ošetrovaného pozemku. Najjednoduchšími navigačnými (navádzacími) systémami, použitými v súvislosti s prevádzkou poľnohospodárskej techniky, boli rôzne riešenia tzv. značkovačov. Známe sú hlavne z prevádzky súprav, ktoré sa využívajú pri zakladaní úrody (sejbe a vysadzovaní) a pri aplikácii rôznych materiálových vstupov (hnojení a najmä ochrane rastlín). Široké uplatnenie však v súčasnosti nachádzajú moderné navigačné systémy aj pri riadení smeru pohybu zberových strojov.

Neustále zväčšovanie konštrukčných záberov strojov je neprehliadnuteľným trendom vývoja poľnohospodárskej techniky a jedným z predpokladov zvyšovania jej výkonnosti. Netýka sa to len už spomínaných strojov na zakladanie a ošetrovanie porastov, ale aj všetkých ostatných skupín, hlavne zberových strojov používaných v poľnej rastlinnej výrobe. S nárastom konštrukčných záberov veľmi úzko súvisí aj nárast požiadaviek na zvýšenie súčiniteľa využitia pracovného záberu strojov, kde sa vo veľkej miere uplatňuje riadiaca elektronika. V súvislosti s jej nástupom v konštrukcii poľnohospodárskych strojov ku koncu 80. a najmä od začiatku 90. rokov sa vytvoril ohromný priestor pre vývoj a uplatnenie moderných navigačných systémov.

Rôzne systémy tzv. laserových zameriavačov umožňujúcich lepšie využívanie pracovného záberu strojov ich presnejšou navigáciou sú v praxi dostatočne známe. Okrem bezdotykových snímačov automatického riadenia sa najmä po uvoľnení tzv. systému GPS pre civilné použitie sa od začiatku 90. rokov stále častejšie v konštrukcii strojových súprav objavujú nové riešenia umožňujúce ich veľmi precíznu a presnú prácu. Súčasné elektronické systémy pre navádzanie strojových súprav je možné v podstate rozdeliť na dve skupiny:

  • navádzanie strojových súprav bez využitia GPS,
  • navádzacie systémy s využitím GPS.

Navádzanie bez využitia GPS

Medzi systémy navádzania bez GPS radíme také systémy, ktoré navádzajú traktor alebo iný mobilný energetické prostriedok pozdĺž riadkov rastlín, zemných násypov alebo pozdĺž brázdy. Navádzanie je založené na princípe kamery, ultrazvuku, mechanickej ruky alebo lasera (napr. Laser Pilot, firma Claas). Navádzanie je podobné ako u navádzania pomocou GPS. Stroj sa musí po otočení manuálne naviesť na správny riadok, potom preberá riadenie navádzací systém. Výhodou tohto riešenia je, že nie je potrebný žiadny korekčný signál, preto nemôžu ovplyvniť presnosť signálu žiadne vonkajšie vplyvy. Tieto systémy sú v mnohých prípadoch lacnejšie. Navádzacie systémy bez GPS sú v princípe využiteľné pre mechanizované práce, pri ktorých sa navádza podľa hmatateľných riadiacich línií napr. línie porastu (kukurica, cukrová repa). Ťažkosti majú tieto navádzacie systémy predovšetkým na plochách, kde navádzanie z dôvodu vysokej hustoty porastu nemá dostatočnú funkčnosť.

K dispozícií sú nasledovné systémy:

  • mechanické hmatače – sú určené predovšetkým pre porasty, ktoré odolávajú mechanickému poškodeniu. Mechanické hmatače nie je možné nasadiť na hustých porastoch,
  • laserové senzory – patria sem predovšetkým navádzané kombajny, ktoré pomocou laseru snímajú okraj porastu,
  • stereokamery – pomocou dvoch vpredu uložených kamier je možné monitorovanie priestoru. Táto kamera rozoznáva riadky rastlín, koľajové riadky alebo zemné hrádze. Nočné práce sú možné pri silnom umelom osvetlení,
  • ultrazvukové senzory – ultrazvukové senzory rozoznávajú riadky rastlín a navádzajú stroj pozdĺž tohto riadku.

Riadkové navádzanie pomocou mechanických hmatačov

Mnohé konštrukčné riešenia navádzacích systémov sa sústredia iba na najpoužívanejšie typy adaptérov, teda na adaptéry umožňujúce zber obilnín. V posledných rokoch však v osevných postupoch mnohých podnikov zaberá veľkú plochu pestovanie kukurice. Adaptér na zber kukurice sa konštrukčne odlišuje od adaptéra na zber obilnín.

Kukuričný adaptér je konštruovaný tak, aby umožnil zber kukuričných šúľkov z radu s najmenšími stratami. Zo spodnej strany je adaptér často vybavený drviacim zariadením na drvenie stoniek kukurice. Keďže kukurica je rastlina vyššieho vzrastu a seje sa do riadkov s presným rozchodom, použitie niektorých navádzacích systémov nie je možné a presnosť zberu závisí od rovnomernosti medziriadkovej vzdialenosti. Preto sa navádzacie systémy pri zbere kukurice používajú skôr ako doplnok zlepšujúci komfort obsluhy stroja, alebo niekedy pre tvorbu úrodových máp.

Výrobcovia kombajnov ponúkajú systém na navádzanie vlastnej konštrukcie alebo vo svojom portfóliu ponúkajú systém iného výrobcu, napr. vyrábaný firmou Trimble ako systém Trimble RG-100 RowGuidance System. Týmto systémom je možné aj dovybaviť kukuričné adaptéry firiem Claas, John Deere, a pod.

Konštrukcia tohto systému je pomerne jednoduchá. Na spodnú časť adaptéra pod deliče riadku sa pripevnia hmatače tak, aby dotykovou časťou smerovali do miesta, kde prechádza riadok kukurice. Predpokladáme, že medziriadková vzdialenosť je vo všetkých riadkoch rovnaká, porast je zberaný adaptérom s rovnakým počtom zberaných riadkov ako bol porast zasiaty, preto stačí inštalácia senzora len na jeden riadok adaptéru. Najvýhodnejšie umiestnenie je čo najbližšie k stredu.

Pri zbere kukuričné stonky narážajú do hmatača, ktorý sníma intenzitu nárazu. Signál zachytený polohovým snímačom je vyhodnocovaný v riadiacej jednotke, ktorá navádza kombajn v poraste. Presnosť navádzania je garantovaná na +/- 2,5 cm. Kombajn je navádzaný tak, aby senzor zaznamenával čo najmenej nárazov a teda riadky kukurice boli zbierané presne a s najlepšou polohou voči adaptéru.

Výhodami systému sú jednoduchá inštalácia, jednoduchá obsluha a pracovná presnosť.

Nevýhodou je, že pri použití adaptéra s iným počtom riadkov ako bola sejačka môže byť obsluha komplikovaná. Taktiež je treba uviesť, že obsluha stroja v presne siatych riadkoch je jednoduchšia ako v poraste hustosiatych druhov plodín, preto väčšinou nie je ani potrebné dovybavovať zberový stroj takýmto systémom.

Navádzanie pomocou lasera

Pod označením Claas LaserPilot je už niekoľko rokov ponúkaný navádzací systém, ktorý sa zväčša používa na žatevných adaptéroch obilných kombajnov, alebo na adaptéri pre zberacie rezačky pri kosení celých rastlín. Je to systém, kde laserový vysielač vysiela lúč na hranicu porastu a sníma rozdiely výšok hranice pokosenej a neskosenej časti porastu, a tak môže navádzať samohybný zberový stroj v pracovnom zábere. Prvé pokusy s týmto systémom inštalovanom na obilnom kombajne začali už v roku 1999. V súčasnosti je tento systém často využívaný hlavne pre jeho jednoduchú obsluhu a údržbu.

Spoločnosť Claas vo svojich firemných materiáloch uvádza, že presnosť fungovania tohto systému záleží aj od nastavenia jeho orientácie na žacom stole. Presnosť navádzania garantovaná od výrobcu je v rozmedzí +/- 10 - 20 cm. Pracovná rýchlosť súpravy môže dosiahnuť až 15 km.h-1.

Na okraji žacej lišty je umiestnený laserový snímač, ktorý vysiela lúče. Lúče sa rozptyľujú v zornom poli a snímajú tvar porastu. Lúč po odraze je zachytávaný snímačom a ten vyhodnocuje nasnímanú vzdialenosť. Vďaka rozdielnym impulzom môže riadiaca jednotka vyhodnotiť rozdiel výšok, a teda vyhodnotiť kde sa nachádza okraj porastu. Po vyhodnotení okraju porastu je možné vyslať signál, ktorý umožní smerovanie súpravy.  Tento signál ovplyvňuje prietok piestnic, ktoré majú za úlohu natáčať kolesá riadiacej nápravy zberového stroja. Takto je umožnené navádzanie súpravy. Tento systém nemusí byť pri práci stále zapnutý. Jeho spustenie vie pohodlne spustiť obsluha stroja z kabíny, pomocou tlačidla na pojazdovej páke (joysticku) a systém sa vypne z prevádzkového stavu pohybom volantu.

Za výhody systému Claas LaserPilot môžeme považovať jeho jednoduchú obsluhu, možnosť pracovať bez využitia referenčného signálu a pomerne jednoduchú stavbu systému.

Tento systém má mnoho používateľov. Avšak poľnohospodári sa stretajú aj s niekoľkými nevýhodami, ako napríklad potreba presného nastavenia smerovania lúča, použitie pri poľahnutom poraste je veľmi obmedzené, pretože snímač nedokáže správne rozlišovať rozdiely výšok. Ďalej je problematické, pokiaľ je smer kosenia odlišný od smeru medziriadkov - snímač môže niekedy zachytiť vynechané miesto v medziriadku a stroj je navedený na odlišný smer ako je potrebné. Nevýhodné môže byť taktiež použitie v svahovitom teréne, kedy je pravdepodobnosť, že pri prechádzaní vrcholu svahu laserový snímač nebude správne kopírovať výšku, ale bude smerovať v danom okamihu priamo. Rizikom pre správne fungovanie môže byť aj veľmi prašné prostredie, kedy lúč nie je schopný správne rozoznávať okraj porastu.

Za určitú nevýhodu môžeme považovať aj to, že je potrebné pri vyšších porastoch predĺžiť konzolu držiaka snímača, aby zorný uhol vyhovoval správnemu fungovaniu LaserPilotu. Ďalej umiestnenie na kraji adaptéru môže byť problémom pri kosení úvratí obrastených napr. porastom stromov, alebo kríkov kedy treba dávať pozor, aby sa laserový vysielač nepoškodil nárazom.

Principiálne podobný systém v súčasnosti využíva aj výrobca Case IH, v jeho riešení je avšak laserový vysielač má umiestnený na kabíne obilného kombajnu.

Navádzanie pomocou kamery

Tento systém je veľmi podobný systému Claas LaserPilot a aj konštrukčne z neho vychádza. Odlišuje sa však v tom, že laserový vysielač bol nahradený optickou sústavou. Systém opticky sníma porast a vyhodnocuje jeho farebný rozsah. Snaží sa zachytiť čo najviac zelenej farby a podľa toho navádza súpravu. V súčasnosti je na trhu tretia verzia Claas CamPilot, ktorú výrobca označuje ako MK3.

Prvé pokusy s použitím tohto systému začali v roku 1999 systémom ECO-Dan. Bola to technológia s jedným CCD senzorom, schopným rozoznávať farby. Bola to 2D technológia so zbernicou CAN Bus. Neskôr v roku 2005 sa začali používať 2 senzory rozlišujúce farebnú škálu snímky. S vylepšujúcimi sa optickými senzormi sa pridal aj jeden mikroprocesor, okrem CAN Bus zbernice už bolo možné aj použiť USB výstup a táto technológia dokázala aj trojrozmerné vyhodnocovanie snímok. Súčasná verzia prišla na trh v roku 2012.

CamPilot našiel uplatnenie predovšetkým v samohybných rezačkách, avšak jeho použitie je možné aj pri obilných kombajnoch, kedy je možné nahradiť LaserPilot CamPilotom, i keď často sa toto riešenie nevyužíva. Zvláštnosťou tohto systému je, že je možné ho použiť aj na riadkové navádzanie strojov v porastoch, ktoré začínajú len vzchádzať. Takéto uplatnenie nachádza napríklad pri plečkovaní porastov.

V samohybných rezačkách sa nepoužíva CamPilot len na riadkové navádzanie súpravy v poraste, ale je možné súpravu dovybaviť systémom AutoFill. Tento systém vďaka snímaču CamPilot umožňuje plnenie odvoznej súpravy bez ovládania obsluhou. Na plniacej rúre je umiestnená kamera, ktorá sníma priestor plnenia a vďaka nastaveným parametrom dokáže ovládať smerovanie koncovky výfukového žľabu. Riadkové navádzanie funguje na základe snímania tvaru riadku pred adaptérom. CamPilot sa používa najmä pri zberaní plodín z riadku. Kamera býva umiestnená zväčša na rezačke, nie na adaptéri ako je to pri LaserPilote. Zostava sústavy je obdobná ako pri LaserPilote - snímač (kamera) je napojený na riadiacu jednotku, ktorá vysiela signál na snímač, ktorý usmerňuje prietok hydraulického oleja v piestnici na ovládanie kolies.

Vo svojich materiáloch spoločnosť Claas uvádza, že kamera CamPilotu je odolná voči prachu, prúdu vody a stabilne pracuje pri teplotách okolia od – 45°C až po + 85°C, je odolná voči vibráciám. Pracovná presnosť, ktorá je  garantovaná od výrobcu pri pracovnej rýchlosti 0,05 - 10 km.h-1  je v rozmedzí +/- 3cm.

Keďže CamPilot je kamerový snímač, je možné ho napojiť pomocou analógového spojenia na displej, a teda prenášať ním zachytávaný obraz na kompatibilnú obrazovku. Takéto prepojenie je výhodné pre jeho nastavenie, čím zabezpečíme jeho správne fungovanie. Pokiaľ je zostava vybavená obrazovkou, ktorá súčasne prenáša obraz pri systéme AutoFill môžeme zabezpečiť taktiež rovnomerné zaplnenie odvoznej súpravy.

Za výhody systému Claas CamPilot môžeme považovať jeho jednoduchú obsluhu, široké využitie spočívajúce v možnosti vykonávania viacerých typoch prác, pomerne vysokú presnosť aj pri použití a práci na svahu, ako aj možnosť spoločného využitia so systémom AutoFill.

Claas CamPilot je systém, ktorý nachádza uplatnenie pri mnohých poľnohospodárskych prácach a je ním možné dovybaviť mnoho strojov. Avšak jeho obmedzením môže byť klesajúca presnosť navádzania v prašnom pracovnom prostredí, keďže schopnosť rozoznávať tvar zbieraného porastu je obmedzená.

Navádzanie s využitím GPS

Zariadenia na navádzanie strojov pozostávajú z GPS antény, prijímača a zobrazovacieho prvku umiestneného v kabíne mobilného energetického prostriedku. Existuje viacero modelov variantov navádzania pracovných súprav, ktoré sú označované ako model úvrať, model centrálny pivot, A-B línia, model s identickou krivkou, model voľný tvar, model s adaptívnou krivka a pod.

 Podľa konštrukčného prevedenia riadiaceho systému je možné v súčasnosti riadiť strojové súpravy tromi spôsobmi:

  • manuálne – operátor riadi stroj na základe zobrazovacích prvkov na monitore navigačného zariadenia. Zobrazovacie prvky môžu byť vo forme napr. svetelnej lišty, ale okrem svetelných signálov systém upozorňuje aj signálom akustickým. Samozrejme musí byť terminál umiestnený v zornom poli vodiča,
  • systémom asistovaného riadenia – zariadenie otáča volantom a tým sa znižuje únava obsluhy. Systém je spravidla tvorený zariadením, ktoré otáča volantom traktora alebo nejakého mobilného energetického prostriedku. Takéto zariadenia zvyknú byť prenosné,
  • systémom automatického riadenia – systém je pripojený na hydrauliku mobilného energetického prostriedku a s použitím GPS údajov riadi stroj automaticky. Aj tu môžu byť využité rôzne úrovne presnosti. Najčastejšie sú autopiloty využívané so systémom RTK.

K určovaniu polohy traktorovej súpravy je prvotne využívaný globálny polohový systém (GPS). Družice systému vysielajú tzv. navigačné signály. Prijímač umiestnený na traktore je schopný z týchto signálov určiť čas odosielania. Súčasne z interných hodín odpočíta čas príchodu signálu vysielaný jednotlivými družicami. Vynásobením rozdielu času medzi prijatým a odosielaným signálom s rýchlosťou svetla zistí svoju vzdialenosť k jednotlivým družiciam.

Získaná poloha dosahuje najlepšiu presnosť v niekoľkých metroch, čo je pre potreby poľnohospodárstva nepoužiteľné. Preto sa používajú korekčné úpravy GPS signálu a hovorí sa o tzv. diferenčnej DGPS, ktorá zvýši presnosť na 0,2 až 0,3 m, prípadne na niekoľko centimetrov. DGPS je založená na používaní referenčných staníc s presne určenou polohou.  Neustálym porovnávaním polohy stanice zameranej podľa GPS so skutočnou polohou vznikajú korekcie, ktoré môže prijímať prijímač DGPS na traktore. Budovaním referenčných staníc po celom svete sa zaoberajú komerčné firmy, ktoré za túto korekciu vyžadujú správny poplatok.

Ešte vyššia presnosť navigácie sa dosiahne pri využití signálu z tzv. RTK referenčnej stanice, ktorý môže byť šírený komerčným spôsobom, alebo si môže podnik zakúpiť a používať vlastný RTK vysielač. Presnosť navigácie sa v tomto prípade zvýši na ± 2 cm, čo je vyhovujúce pre vykonávanie akýchkoľvek poľných pracovných operácií.

Záver

Jednou z možností na znižovanie výrobných nákladov je aj zvyšovanie presnosti práce. Pri vykonávaných pracovných operáciách v poľnohospodárstve, ktoré majú vo väčšine prípadov plošný a mobilný charakter, sa totiž dá ušetriť napr. aj takým spôsobom, že nedochádza k prekrývaniu jednotlivých pracovných záberov pri obrábaní povrchu poľa, že nedochádza k dvojnásobnej aplikácii materiálových vstupov pri zakladaní úrody, alebo ošetrovaní porastov, že sú zberové stroje (predovšetkým ich pracovný záber) využívané efektívne a nie sú pri práci na poli vykonávané neefektívne prejazdy techniky a pod. Priestor na využitie rôznych navigačných systémov, ktoré zvyšujú presnosť práce strojových súprav v poľnohospodárstve je skutočne veľký.