Úvod / Pôdohospodárstvo podľa tém / Stroje a zariadenia / Rôzne

Vývoj autonómne pracujúcej techniky pokračuje

30-12-2021
S použitím dostupných zdrojov spracoval: doc. Ing. Jozef Ďuďák, CSc. | jozef.dudak@uniag.sk
Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre

Po celom svete je obrovský dopyt po automatizovanom poľnohospodárstve. Pretože je čoraz ťažšie nájsť kvalifikovaný personál pre prácu na farme, potreba zlepšovať efektívnosť poľnohospodárstva sa z roka na rok zvyšuje. Prognózy o ďalekej budúcnosti predpovedajú pravdepodobnosť, že človekom riadené traktory, obilné kombajny, prípadne ďalšie aplikačné a zberové stroje budú postupne budú nahradené robotickými systémami (pôdu spracujúcimi, úrodu zakladajúcimi, aplikačnými, prípadne zberovými robotmi) bez vodiča. Prvé aplikácie takýchto strojov už boli predstavené a je potrebné im venovať náležitú pozornosť.

Poľnohospodárstvo je všeobecne úzko späté s mobilitou. Pretože keď sa povie pole, automaticky si ho predstavíme s traktorom a za ním pripojeným náradím, alebo so samohybným strojom. Čo si je treba uvedomiť je fakt, že poľnohospodárska technika sa pohybuje na obrovských plochách. Keď sa pohybuje a pracuje, je to v poriadku, aj keď prevádzka a obsluha techniky stojí nejaké peniaze. Horšie je, keď technika stojí na mieste a nevykonáva svoju prácu, pretože aj vtedy obsluha techniky stojí nejaké peniaze. Už niekoľko rokov teda poľnohospodárske spoločnosti využívajú GPS navigácie a snažia sa o sledovanie prevádzky techniky a o to, aby technika bola využitá v maximálnej možnej miere a hlavne tam, kde je to potrebné.

Mobilné stroje už máme dnes „napchaté“ modernými technológiami. Vďaka satelitom traktor dokážete naviesť pripojené náradie na prácu s presnosťou na cca 2,5 centimetra. A práve takto malá odchýlka rozhoduje o precíznom využití celej plochy. Takže so strojmi a presnosťou ich práce problém nie je, pre zefektívnenie využívania strojov je potrebné zefektívniť prácu obsluhy strojov – ľudí.

V jednom z článkov sme poukázali na fakt, že podľa niektorých „vizionárov“ sa blíži doba, kedy nebudú potrební ani vodiči áut, ani vodiči poľnohospodárskych strojov. Každého človeka nahradí umelá inteligencia a technológie autonómneho riadenia. V oblasti poľnohospodárstva to dáva zmysel, pretože možno ušetriť ako čas, tak aj náklady. A pole predsa len nie je cesta, kde by hrozilo veľké nebezpečenstvo. Autonómne traktory budú využívať celý rad najmodernejších technológií ako pre komunikáciu, tak i pre zabránenie možnému poškodeniu seba samého či ľudí, zvierat, a pod.

Ak vychádzame z poznatku, že prevažujúcu časť mobilnej techniky v poľnohospodárstve predstavujú súpravy tvorené traktorom s pripojeným pracovným strojom (náradím), tak autonómna prevádzka sa týka predovšetkým traktora bez obsluhy. V súčasnosti sú už takéto traktory niektorými svetovými výrobcami prezentované, aj keď pri prezentáciách nie vždy ide o stroj ako taký, ale o technológiu autonómneho stroja. Aj keď výsledky testovania vo väčšine prípadov nie sú ešte k dispozícii, výrobcovia zatiaľ dávajú aspoň nahliadnuť do nie príliš vzdialenej budúcnosti naplnenej zaujímavými nápadmi.

Niektorým novinkám z oblasti výroby a prevádzky autonómnych traktorov, ktoré predstavili ich výrobcovia v posledných rokoch, sme sa venovali už skôr. Vo voľnom pokračovaní sa pokúsime predstaviť ďalšie zo zaujímavých noviniek z oblasti výroby traktorov a obilných kombajnov.

V Minsku predstavili prvý autonómny traktor

Pri príležitosti konania osláv v rámci 75. výročia traktorového závodu MTZ Belarus v Minsku bol širokej verejnosti predstavený celý rad najrôznejších tu vyrábaných modelov traktorov. Nechýbali historické aj moderné kúsky. Vrcholom sprievodného programu bolo predstavenie autonómneho traktora bieloruskej výroby. Stroj nesie označenie Belarus 3523. Na vývoji a výrobe autonómneho traktora Belarus 3523 sa podieľala konštrukčná kancelária Minského traktorového závodu a špecialisti Spoločného inštitútu strojného inžinierstva Bieloruskej národnej akadémie vied.

Obr. 1

Obr. 1: Autonómny koncept sa predstavil v spojení so žacími strojmi KMR-9 od spoločnosti Lidagroprommashe

Traktor má konvenčné tvary aj konštrukciu - chýba len kabína. Na mieste, kde sa inak nachádza kabína, sú inštalované antény a hardvér pre komunikáciu a ovládanie stroja. Traktor je skonštruovaný na plnenie úloh stanovených obsluhou. Najrôznejšie úlohy možno do stroja prenášať diaľkovo, alebo pomocou USB. Jeden operátor bude tiež môcť ovládať viac takýchto strojov na jednom poli. Podľa dostupných informácií Belarus 3523 zvláda pracovať ako vo dne, tak v noci.

Autonómny riadiaci systém vyvinuli Bielorusi. Systém umožňuje diaľkovo ovládať výkon stroja a všetky jeho bežné funkcie. Počas prevádzky traktor samostatne spracováva dáta prichádzajúce zo senzorov a prijíma rozhodnutie, aby sa zabránilo kolíziám s prekážkami. Na základe údajov zo senzorov a navigačného systému, elektronický „mozog“ traktora samostatne rozhoduje o potrebe zabrzdiť, alebo obísť vzniknutú prekážku. Keď dochádza v nádrži palivo, traktor je schopný sám dôjsť na určené miesto pre doplnenie.

Podľa vývojárov Belarus 3523 výrazne znižuje spotrebu paliva. Traktor je osadený vznetovým motorom s výkonom 350 koní. Hovorí sa tiež o hybride, pretože niektoré médiá uvádzajú, že koncept produkuje až 10x nižšie emisie škodlivých látok v porovnaní s konvenčnými traktormi. Traktor je ďalej vybavený predným a zadným závesom a vývodovými hriadeľmi vpredu i vzadu. Autonómny koncept sa predstavil v spojení so žacími strojmi KMR-9 od spoločnosti Lidagroprommash. Prototyp bol tiež testovaný s osemradličným pluhom.

Taliansky dizajnér ukázal traktor budúcnosti

Poľnohospodárske stroje pre dizajnérov bežne nie je tou kategóriou, okolo ktorej by sa točil vývoj nových technológií. O to zaujímavejšia je štúdia traktora Valtra H2O2. Ukazuje, ako by mohli tieto stroje vyzerať za pár rokov.

Na cestách tomu tak ešte dlho nebude, existujú ale oblasti, kde si dnes stroje aj bez riadenia človekom celkom dobre vystačia. Autopilotom je dnes až na výnimky vybavené každé lietadlo a tiež v poľnohospodárstve sa pomaly stáva štandardom. Ako prvé prišli na začiatku milénia traktory, ktoré vodičov potrebujú len pre cestu medzi poľami a garážami - samotnú orbu, sejbu či zber má plne v réžii autopilot riadiaci so signálom GPS.

Pokračovanie toho trendu naznačuje projekt Valtra H2O2, za ktorým stojí štúdio milánskeho produktového dizajnéra Lorenza Mariottiho. Ten stvoril autonómny traktor, do ktorého presklenej „kukane“ by sa pravdepodobne rád pozrel každý automobilový nadšenec. Skôr než čokoľvek iné totiž novinka pripomína monster truck, ktorý je schopný prežiť aj apokalypsu, a to pochopiteľne aj kvôli veľkým pneumatikám, ktorými zvalcuje kadečo.

Mariotti sa nezaoberal len dizajnom, svojej vízii dal aj patričné ​​hnacie ústrojenstvo. Ako sa dnes patrí, je elektrické, aby skutočne dochádzalo k pestovaniu iba stopercentne zdravých plodín. Primárne sa však Valtra nespolieha na batérie, tie sú tu len ako sprostredkovateľ slúžiaci vodíkovým palivovým článkom. Vďaka tomu sa pritom nepredlžuje len dojazd, ale hlavne doba, počas ktorej traktor môže byť v činnosti. Doplnenie vodíka do takého traktora je otázkou podobnej chvíle, ako natankovanie paliva do konvenčného auta.

Elektrické ústrojenstvo potom má ešte jednu kľúčovú výhodu, a tou je obrí krútiaci moment dostupný už od minimálnych otáčok. Niečo také by poľnohospodári privítali s otvorenou náručou a je takmer isté, že keď nie v priebehu tejto, ale isto už v budúcej dekáde sa niečo podobné na poliach určite objaví. A dosť možno aj vo verzii úplne bez kabíny, pretože tá u takéhoto stroja väčšinu času predstavuje len zbytočnú záťaž.

Najmä vďaka kombinácii vzhľadu a autonómnej prevádzky by sa takýto stroj mohol stať snom každého farmára, teraz už je potrebné sa len pýtať, kto ho vyrobí. Iste aj s týmto cieľom dal Lorenzo Mariotti všetky materiály k nemu k dispozícii médiám.

Obr. 2

Obr. 2: Štúdia modernej Valtry s prekladacím vozom

Autonómny režim pre existujúce traktory

Aj keď sa autonómne traktory môžu hodiť pre niektoré aplikácie, v niektorých prípadoch je stále potrebný ľudský vodič. Skombinovať obe možnosti by mohla nová konverzná súprava, vďaka ktorej sa môže na existujúcich traktoroch meniť medzi autonómnym a manuálnym režimom jazdy.

Konverznú súpravu pre autonómny pohon traktora, ktorú vyvinula izraelská spoločnosť Blue White Robotics so sídlom v Tel Avive, je možné údajne nainštalovať do jedného dňa na akýkoľvek konvenčný traktor tretej strany. Spolu s GPS modulom obsahuje nastavenie aj jednotky LiDAR a optické kamery na detekciu a vyhýbanie sa prekážkam; predný nárazník citlivý na tlak, ktorý spôsobí zastavenie traktora, ak sa mu nebodaj podarí do niečoho naraziť a štyri núdzové vypínače umiestnené okolo vonkajšej strany podvozku, ktoré môžu okoloidúci aktivovať a zastaviť tak vozidlo.

Obr. 3

Obr. 3: Traktor vybavený konverznou súpravou pre autonómne ovládanie

Poľnohospodári môžu použiť sprievodný počítačový program a určiť tak oblasť činnosti traktora na mape. Súprava potom použije tieto údaje na nastavenie svojho systému geo-plotu, ktorý zabráni tomu, aby sa vozidlo zatúlalo za tieto virtuálne nastavené hranice. Keď sa traktor s autonómnou súpravou pohybuje po poliach, jej systém umelej inteligencie mu umožňuje identifikovať rady plodín a na konci každého radu sa otočiť, aby mohol smerovať k ďalšiemu.

Dôležitou vlastnosťou konverznej súpravu však je, že v situáciách, keď ľudský cit funguje najlepšie, stačí len prepnúť spínač na súprave a traktor sa vráti do režimu úplného manuálneho ovládania. Systém pritom údajne už skúšajú „hlavní komerční pestovatelia“ v sadoch a viniciach na západnom pobreží USA, kde sa používa napríklad na postrekovanie a kosenie.

Aké budú obilné kombajny budúcnosti?

Ešte donedávna pracovali obilné kombajny ako samostatné, prakticky do seba „uzatvorené“ jednotky. Ich kontakt na okolie sa obmedzoval v podstate iba na organizáciu práce pri zbere porastu. Ako sa však postupne zvyšovala ich výkonnosť (priechodnosť), čoraz viac narastal význam ich správneho nastavenia podľa podmienok zberu. Postupný rozvoj a aplikácia elektroniky do konštrukcie obilných kombajnov ide týmto požiadavkám priamo v ústrety.

Výsledkom sú stroje s vlastnou inteligenciou. Jej ďalší rozvoj bude nosnou témou aj do budúcnosti. Názory na to, ako budú obilné kombajny v dohľadnom čase vypadať, sa čiastočne odlišujú. Existuje niekoľko štúdií popredných svetových výrobcov obilných kombajnov s odlišným konceptom, ktoré sa ale spoločne zhodujú aspoň v jednom - predpokladajú úplne autonómnu činnosť týchto strojov. Logicky je to prirodzený dôsledok rozvoja celého radu asistenčných systémov, ktoré existujú a na kombajnoch sa využívajú už aj v súčasnosti. Pozberať zrno už vedie všetky stroje, ale kvalita práce a úroveň strát zrna môže byť odlišná. Palubná inteligencia môže zvýšiť účinnosť práce obilného kombajnu. Vhodná podpora obsluhy umožňuje lepšie využívať inštalovaný výkonnostný potenciál. Patria sem napr. aj navigačné systémy s využitím GPS, hmatačov či optických snímačov na zberovom adaptére. Okrem toho vedia automatické systémy reagovať na zahltenie hmotou, na podmienky porastu, úroveň strát zrna či sklon svahu.

Ďalší vývojový krok predpokladá prepojenie v súčasnosti jednotlivo pracujúcich systémov do plne autonómneho stroja. Už v súčasnosti vedia obilné kombajny komunikovať na diaľku v reálnom čase s počítačom v kancelárii, prípadne aj s traktorom pri prekladaní zrna. Do budúcnosti narastie význam prepojenia obilných kombajnov a vzájomné výmeny údajov v priebehu práce, a to buď s využitím vlastnej rádiovej siete, alebo internetu. Takto si potom plne vyťažený zberový stroj bude sám môcť privolávať prostriedky pre odvoz zrna, alebo servis v prípade poruchy, prípadne komunikovať s ďalšími obilnými kombajnmi a „opýtať“ sa na ich úroveň strát zrna a na nimi využívané nastavenie.

Princíp vzájomnej komunikácie a na tom založenej kooperácie strojov už čiastočne funguje aj v súčasnosti a bude sa ďalej rozširovať. Základné nastavenie parametrov výmlatu podľa zberanej plodiny vykoná pred začiatkom zberu obsluha stroja, najvhodnejšie nastavenie si však obilné kombajny vyhľadajú pomocou palubného software a na základe vzájomného porovnávania v priebehu práce. Mali by sa vedieť samé riadiť, zrýchľovať alebo spomaľovať na základe stavu porastu, otáčať sa na úvratiach, organizovať prekladanie zrna, zdieľať paralelné línie, vykonávať obkášanie pozemkov, alebo ich rozdelenie na záhony. Mali by pritom pracovať s čo najnižšou energetickou náročnosťou.

Autonómna prevádzka obilných kombajnov sa môže dosiahnuť aj cez medzistupeň, ktorým bude diaľkové ovládanie kombajnov z kancelárie. Vďaka prenosu obrazu z videokamier a informácií zo snímačov prenášaných v reálnom času bude mať v kancelárii prítomný pracovník rovnakú kontrolu nad strojom, ako keby v ňom sedel. Nakoľko poľnohospodárstvo je prácou pod šírim nebom, sú vykonávané činnosti spojené aj s výskytom určitých rizík, ku ktorým patria napr. strety s vyskytujúcou sa divou zverou, ňou poškodenými porastmi na jednotlivých pozemkoch, prípadne výskytom náhlych zrážok. Prenos signálov na diaľku môže byť narušený aj zlou interpretáciou, alebo priamo výpadkami spojenia. To všetko môže ohroziť komunikáciu s autonómne pracujúcim strojom, prípadne viesť až k zastaveniu jeho činnosti, a tým aj narušeniu práce celého zberového reťazca. Výkonnosť obilných kombajnov budúcnosti však bude tak vysoká, že nejaké malé prestoje by úspešný priebeh žatevných prác nemali nejako významne narušiť.

Aj autonómny obilný kombajn už mal premiéru

Podľa publikovanej štúdie, ktorú spracovali na Technickej Univerzity v Drážďanoch (TUD) jedna komplexná zberová jednotka bude tvorená tromi zberovými robotmi. Tieto zberové roboty budú dopravované k poľu určeného na zber pomocou kamiónových návesov po trojici. Žací stôl sa pri prevoze skladá a nadvihne sa, sekcie separačných plôch sú vzájomne do seba zasúvateľné a tak celková dĺžka kombajnu sa skráti na polovicu. Zberové roboty budú mať pracovný záber 5 m, výkon motora bude asi 150 kW, celková plocha čistidiel bude 5 m2 a celková hmotnosť 8 ton. Nastavenie robotov bude automatické, podľa snímaných údajov o zberanej plodine.

Zberové roboty sa budú nasadzovať skupinovo, ich jazda bude riadená pomocou satelitov podľa dopredu stanovených trás. Zásobník zrna budú vždy vyprázdňovať spoločne, preto aj logistika odvozu zrna môže byť presne organizovaná. Celý zberový proces môže byť palubným počítačom zaznamenávaný, ako aj dokumentovaný a následne pomocou rádiových vĺn zasielaný do centra poľnohospodárskeho podniku. Riadenie robotov bude na diaľku, v systéme diaľkovej kontroly bude realizovaná aj kontrola technického stavu (diagnostika).

O tom, že štúdia TUD nie je utópiou a predstavou ďalekej budúcnosti, sme sa mohli presvedčiť už v polovici septembra 2019, kedy bol prvýkrát praxi predstavený autonómne pracujúci obilný kombajn. Stroj bez vodiča bol použitý pri výmlate jačmeňa v Holandsku.

Kompaktný kombajn s pásovou dráhou vyvinul ako pilotný projekt holandský špecialista na zber HuizingHarvest / Agrobotix v spolupráci so spoločnosťou eFarmer, dodávateľom softvéru a hardvéru pre presné poľnohospodárstvo, v rekordnom čase iba deviatich mesiacov. Aplikáciu FieldBee predstavil eFarmer.

Podľa zúčastnených spoločností sa pilotný projekt, ktorého primárnym cieľom bolo získať potrebné vedomosti o ďalšej automatizácii systémov zberu, zameral na vývoj veľmi kompaktného kombajnu, ktorý má šírku žacieho ústrojenstva 2 m, celkovú hmotnosť okolo 3,5 t a objem zásobníka na zrno 1 m3. V autonómnej prevádzke dosahuje kombajn plošnú výkonnosť až 0,6 ha.h-1.

Pri predstavovaní všetky funkcie kombajnu bežali úplne autonómne a operátor ich mohol sledovať pomocou aplikácie pre smartphone a v prípade potreby ich ovládať. Kombajn je vybavený systémom RTK pre následnú jazdu v obilí . Systém tiež automaticky ovláda špeciálne funkcie žacieho a mlátiaceho ústrojenstva, ako je prispôsobenie rýchlosti jazdy na základe stavu porastu, poloha žacieho ústrojenstva a otáčky mlátiaceho bubna. V ďalšom kroku má byť kombajn vybavený ďalšími senzormi, ktoré zaznamenávajú (mapujú) úrodu a kvalitu výmlatu.

Obr. 4

Obr. 4: Autonómny obilný kombajn

Záver

Podľa názoru viacerých odborníkov to, čo nám môže pomôcť so zvýšením efektívnosti výroby v poľnohospodárstve, sú predovšetkým snahy o udržateľnú intenzifikáciu výroby prostredníctvom tzv. „Poľnohospodárstva 4.0“. Jeho pilierom sú moderné technológie s využitím prvkov umelej inteligencie a autonómnych systémov. O niektorých znakoch „Poľnohospodárstva 4.0“ už boli poskytnuté aspoň niektoré čiastočné informácie aj v článkoch zverejnených v našom časopise už v predchádzajúcom období.

Autonómne pracujúcu techniku už predstavilo niekoľko veľkých svetových koncernov. Niektorí výrobcovia sa vydávajú cestou väčších strojov (veľkostne porovnateľných napr. konvenčným traktorom) a ďalší výrobcovia hlavne aplikačných a zberových strojov vyvíjajú skôr menšie roboty, čím sa odlišujú hlavne od dnešných špičkových modelov samohybných strojov. Podľa prevládajúcich názorov budú takéto roboty prevádzkované v skupinách a aj ich obsluha bude skupinová. O nich snáď niekedy nabudúce...