Úvod / Informácie / Stroje a zariadenia / Rôzne

Správne vedenie strojov po poli

29-09-2015
Prof. Ing. Vladimír Rataj, PhD.; Ing. Miroslav Macák, PhD.; Ing. Jana Galambošová, PhD. MPhil. | vladimir.rataj@uniag.sk
Katedra strojov a výrobných systémov, Technická fakulta, Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre

Problematika presného poľnohospodárstva sa v odborných kruhoch slovenských poľnohospodárov diskutuje už niekoľko rokov. V princípe ide o systém, kedy sa vykonávajú v správnom čase len potrebné pracovné operácie no s dôrazom na potrebné miesto. Týmto miestom je často len časť parcely, na ktorej sú rozdielne vlastnosti (napr. iná zásoba živín, výrazné utlačenie pôdy a pod.). Keďže ide o rôzne operácie, prípadne o operácie s rôznou intenzitou, ktoré sú viazané na časť parcely, takéto zásahy sa nazývajú ako priestorovo diferencované. Realizovať priestorovo diferencované zásahy možno len pomocou zodpovedajúcej techniky, ktorej pohyb je v priestore presne riadený pomocou globálnych navigačných satelitných systémov (GNSS), ktoré sa v praxi nazývajú jednoducho ako GPS.

Problematika navigácie je však zaujímavá aj z pohľadu bežnej prevádzky strojov. Kým neboli do samohybných strojov (prevažne do traktorov) inštalované systémy na báze GPS, boli otázky navigácie riešené pod pojmom správne vedenie stroja po poli. Problematika bola dôležitá najmä pri sejbe, hnojení a pri chemickej ochrane. Riešenia boli možné použitím mechanických značkovačov (sejba) alebo rôznou konštrukciou penových značkovačov (ochrana). Vhodným riešením bolo, a stále je, založenie a využívanie koľajových riadkov.

Z uvedeného je zrejmé, že správne vedenie stroja pri množstve poľných prác bolo ponechané na skúsenosti a zodpovednosti obsluhy. Išlo hlavne o práce pri spracovaní pôdy, ale aj pri zbere obilnín, krmovín a pod. Tieto spôsoby však bolo možné používať len v zodpovedajúcich podmienkach a zhoršená viditeľnosť (prach, tmy, hmla), či veľké teplo (odparovanie peny značkovačov) znemožňovali správne vedenie strojov.

Obr. 1: Stav porastu po sejbe bez navigácie

Obr. 1: Stav porastu po sejbe bez navigácie

Je všeobecne známe, že moderná technika používaná v slovenských podmienkach má trend zvyšovania výkonov a pracovných záberov. Negatívnym dôsledkom je rastúca hmotnosť strojov, čo má priamy dopad na utláčanie pôdy. V tejto súvislosti zohráva rozumný pohyb strojov po poli svoju kľúčovú úlohu.

Správne vedenie strojov v poľnohospodárskej technike pracujúcej v poľných podmienkach zabezpečujú aj systémy založené na fyzickom zisťovaní polohy (napr. mechanické hmatače porastu kukurice), ultrazvukové systémy rozoznávajúce ryhu alebo hrobček na pôde pri pestovaní zeleniny, systémy pracujúce na princípe vyhodnotenia obrazu pomocou kamery napr. pri sledovaní radov krmovín, alebo systémy pracujúce na systéme laserového merania vzdialenosti pri vedení obilného kombajna na stenu porastu.

Ak však hovoríme o navigácii strojov, vo väčšine prípadov sa očakáva riešenie s podporou satelitov (GNSS).

Satelitné navigačné systémy patria medzi sofistikované navigačné systémy strojových súprav v rastlinnej výrobe. Ich činnosť je predovšetkým závislá na šírení signálov systémov GNSS, ktoré sú dnes pre podmienky Slovenska NAVSTAR-GPS (USA), GLONASS (Ruská federácia) a pripravovaný systém GALILEO (EÚ). Ich zásadnou prednosťou je nezávislosť od poveternostných alebo svetelných podmienok. Všetky systémy GNSS sú v podstate diaľkomerné systémy, ktoré na základe známej polohy satelitov a aktuálneho miesta na Zemi (na ktorom sa signál prijíma), pomocou geometrických výpočtov, určujú zemepisné súradnice polohy tohto bodu. Nič viac a nič menej. Všetky ostatné vlastnosti a schopnosti, ktoré sa systémom GNSS pripisujú, sú technické aplikácie pracujúce s využitím poznatku o mieste na Zemi.

Mnohé satelitné navigačné systémy, ktoré sú v dnešnej dobe montované do traktorov (resp. jednoúčelových strojov), sú súčasťou vyšších riadiacich celkov, ktoré okrem využitia satelitných signálov na navádzanie a riadenie strojových súprav využívajú presnú geografickú polohu pre uplatnenie princípov presného poľnohospodárstva a efektívnej rastlinnej výroby.

V súčasnej dobe možno na trhu nájsť rôzne systémy navigácie strojových súprav postavených na báze GNSS. Tieto systémy sa odlišujú svojím technickým riešením, celkovou koncepciou,  presnosťou,  kompatibilitou a cenou.

Presnosť satelitného navigačného systému závisí predovšetkým od typu a hardvérovej konfigurácie antény (jednofrekvenčná / dvojfrekvenčná; od možnosti príjmu viacerých satelitných systémov GNSS (GPS, GLONAS, GLONASS) a od druhu prijímaného korekčného signálu. Užívateľ hodnotí presnosť podľa odchýlky nastavenej vzdialenosti medzi jednotlivými prejazdmi ako relatívnu presnosť (od jazdy po jazdu) a absolútnu presnosť (presnosť po dlhšom období vrátiť sa na to isté miesto).

Presnosť stanovenia polohy s využitím samostatného GNSS signálu sa pohybuje v súčasnosti približne na úrovni ± 3 až 15 m. Táto presnosť nie je pre väčšinu aplikácií v poľnohospodárstve postačujúca. Z uvedeného dôvodu treba stanovenie polohy spresňovať. Na spresnenie sa využívajú dodatočné korekčné (diferenčné) signály a keďže prijímače GNSS sú v poľnohospodárstve súčasťou mobilných aplikácií, treba, aby korekčné signály boli šírené bezdrôtovo a boli dostupné všade tam, kde možno prijímať aj satelitný signál. Využívanie korekčného (diferenčného) signálu sa v praxi označuje skratkou DGPS. Technológie DGPS fungujú na princípe výpočtu chyby (odchýlky) určenia polohy, ktorá vzniká prostredníctvom ionosférického efektu, posunom obežných dráh satelitov a ostatých chýb v reálnom čase.

Systémy DGPS možno rozdeliť podľa spôsobu šírenia korekčného signálu na satelitné (šírené po mocou satelitov) a pozemné (korekčný signál je šírený z vlastného vysielača, ktorý treba vybudovať). Presnosti určenia polohy pomocou DGPS korekčných signálov sa pohybujú rádovo v hodnotách decimetrov. Možno povedať, že v rámci 90 % času príjmu takéhoto korekčného signálu kolíše presnosť určenia polohy geografického bodu v tolerancií medzi ± 10 cm až ± 30 cm. Takáto presnosť v podstate pokrýva potreby poľnohospodárskeho podniku z hľadiska väčšiny jeho funkcií. Najvyššiu presnosť možno v súčasnosti dosiahnuť pomocou systému RTK (Real Time Kinematic), kde presnosť určenia polohy dosahuje rádovo centimetre (± 1 až 5 cm).

Navigácia a riadenie strojových súprav v rastlinnej výrobe

Navigácia strojovej súpravy označuje spôsob navádzania energetického prostriedku (traktora) na potrebný smer jazdy a riadenie strojovej súpravy je riešenie, akým dochádza k udržaniu požadovaného smeru jazdy pracovného stroja. Riadenie strojových súprav v poľnohospodárskej rastlinnej výrobe možno rozdeliť na manuálne a automatické. Niekedy sa manuálny spôsob riadenia nazýva aj asistované riadenie. Toto pomenovanie vznikalo  súčasne s rozvojom elektroniky kedy prvky elektroniky tvoria technickú pomôcku, ktorá asistuje obsluhe pri riadení stroja. S jej pomocou možno riadiť stroj s vyššou presnosťou, avšak udržiavanie smeru jazdy je stále v rukách pracovníka.

Pri automatickom riadení strojovej súpravy sa využívajú informácie z navigačného systému, ktoré priamo vstupujú do ovládacích prvkov riadenia a natáčajú nápravu požadovaným smerom bez zásahu obsluhy.

Význam používania navigácie v poľnohospodárskej technike

Potreba správne viesť stroj po poli sa nemení, len v súčasnosti, sa vďaka systémom GNSS rozširujú možnosti jej využitia.

Treba mať vždy na pamäti, že nové riešenia by nemali byť len módou či trendom, ktorým užívateľ demonštruje svoje poznatky. Použitie každého nového prvku musí prinášať efekt, v opačnom prípade ide o nerozumnú investíciu.

Niekoľko príkladov, kedy má použitie navigácie zmysel

Pri spracovaní pôdy (okrem orby) sa využívajú stroje s veľkým rozsahom pracovných záberov 6 - 12 m a často aj viac). Kvalitné spracovanie pôdy z pohľadu vedenia stroja vyžaduje aby jazdou nevznikala nespracovaná časť pôdy. Pri manuálnom vedení stroja sa obsluha podvedome snaží nevynechať a radšej časť záberu prekrýva. Z mnohých meraní vykonávaných na Katedre strojov a výrobných systémov TF SPU v Nitre vyplýva, že prekrytie 0,5 – 1,3 m nie je výnimkou už pri pracovnom zábere stroja na hranici 5 – 6 m. Na prvý pohľad je všetko v poriadku – povrch poľa je rovnomerne spracovaný. Z pohľadu správneho vedenia stroja to však znamená, že súprava vykonáva časť práce navyše, čo sa priamo dotýka nákladov a efektívnosti vykonávanej práce. Ak stroj s pracovným záberom 6 m prekrýva v priemere 30 cm, potom každá 20 jazda je navyše! Na výmere 50 ha to predstavuje cca 2,5 ha na viac.  Nie menej významný je aj negatívny jav vznikajúci pri malom prekrývaní po prejazde strojov so zaklápacími taniermi v poslednej sekcii. Po prejazde náradie vytvára rôzne vysoký a široký hrobček, ktorý je nevhodný pre následnú sejbu.

Obr. 2: Prekrývaním pracovného záberu vznikajú hrobčeky

Obr. 2: Prekrývaním pracovného záberu vznikajú hrobčeky

Obr. 3: Hrobček vzniknutý pri prekrývaní pracovného záberu pri predsejbovom spracovaní pôdy

Obr. 3: Hrobček vzniknutý pri prekrývaní pracovného záberu pri predsejbovom spracovaní pôdy

Eliminovanie prekrývania, resp. vynechávok je možné len pomocou zariadení na spresnenie vedenia stroja.

Vynechanie, resp. prekrytie však ovplyvňujú aj ďalšie faktory napr. technický stav strojov (osobitne závesné náradia často mimovoľne vybočujú zo smeru jazdy), alebo svahovitosť pozemkov. Tieto faktory sú ale prísne viazané na dráhu jazdy.

Podobná situácia vzniká aj pri sejbe hustosiatych plodín. Technický vývoj smeruje k používaní sejačiek na presný výsev aj pre obilniny, repku a iné plodiny, ktoré sa vysievajú dnes husto do riadkov. Z tohto pohľadu snaha smeruje k zabezpečeniu dostatočného priestoru pre vyvíjajúcu sa rastlinu.

Dôležité je však nadviazanie nasledujúcich jázd sejačky. Bez ohľadu na skutočnosť akým spôsobom je súprava vedená (značkovač alebo systém GNSS), vždy záleží na obsluhe ako rozostup stretávacích riadkov nastaví. Často sa stretávame s javom, kedy v snahe nevynechať, čo je po vzídení porastu výrazne viditeľné, obsluha radšej prekrýva. Pri medziriadkovej vzdialenosti 12,5 cm každé jej zníženie zahusťuje porast, čo ovplyvňuje niekoľko riadkov. Z praxe poznáme prekrytia aj o viac než 15 cm, čím sú ovplyvnené až 4 riadky. Zhustenie porastu nepodporí vyššiu úrodu, ale vyvoláva hrozbu šírenia chorôb a škodcov. Prekrývanie v sejbe má vysoký ekonomický dopad. Pri štandardnom výsevku obilnín, možno takýmto prekrytím na 210 ha stratiť až 1 t osiva. Z uvedeného plynie, že pri sejbe by bolo vhodnejšie nastaviť nasledujúci prejazd stroja bez prekrytia. Vzniknuté rozdiely väčšej medziriadkovej vzdialenosti nasledujúcich prejazdov strojov nebudú na škodu porastu, no ekonomický efekt z úspory osiva je významný.

Obr. 4: Nastavené prekrývanie pracovného záberu

Obr. 4: Nastavené prekrývanie pracovného záberu

Obr. 5: Presiate riadky pri prekrývaní pracovného záberu sejačky bez navigácie

Obr. 5: Presiate riadky pri prekrývaní pracovného záberu sejačky bez navigácie

Ďalšie situácie, kedy je presné vedenie strojov nevyhnutné

Nároky na presné vedenie stroja sú kladené aj pri pestovaní špeciálnych plodín, prípadne pri pôdoochranných technológiách.

Mnohí výrobcovia osivovej kukurice poznajú problém, kedy pri sejbe otcovských a materských línií kukurice pestovanej na osivo treba dodržiavať predpísaný časový odstup. V jarnom období sa stáva, že po sejbe, a pred vzídením prvej sejby, sa stopy po sejačke vplyvom poveternostných podmienok stratia. Ďalšia sejba však musí byť vykonaná do medziradov. V takomto prípade navigácia pomocou systému GNSS s korekciou presnosti RTK (± 2 cm) dokáže zabezpečiť presnú jazdu súpravy.

Podobný príklad možno použiť pri uplatňovaní pôdoochrannej technológie spracovania pôdy v pásoch (Strip Till). V tejto technológii možno pôdu v pásoch pripraviť primárne na jeseň a následnú sejbu vykonávať na jar. V takomto prípade treba rovnako zasiať, po zime,  do stredu spracovaného pásu, ktorý býva široký napr. 30 cm. Problém môže ešte skomplikovať situácia, keď sejačka má iný pracovný záber než má stroj na prípravu pôdy. V takomto prípade je dodržanie vzdialenosti medzi jazdami mimoriadne dôležité.

Podobne, v snahe zamedziť nadbytočným a nepotrebným prejazdom techniky po poli, ktoré zvyšujú utlačenie pôdy, možno pomocou navigačných systémov organizovať pohyb strojov hlavne na úvratiach. Osobitne pri veľkých pracovných záberoch strojov odpadá vykonávanie zložitých manévrov pri otáčaní a súpravu možno voľne, bez problému naviesť napríklad do tretieho záberu. Do vynechaného sa stroj vybavený navigáciou dokáže bez problémov vrátiť.

Systém, ktorý programovo zabezpečuje zníženie prejazdov po poli sa nazýva Riadený pohyb strojov (Controlled Traffic Farming - CTF). V tomto systéme sa všetky prejazdy vykonávajú po permanentých stopách, pričom priestor medzi stopami je pneumatikami neutlačený.

Navigácia v systéme CTF vyžaduje vysokú absolútnu presnosť, pretože stroje sa musia v každej operácii pohybovať po tej istej stope (spracovanie pôdy, hnojenie, predsejbová príprava, sejba, ošetrovanie, zber a pod.).

Ak sa takýto spôsob využíva, po niekoľkých rokoch sa dostaví efekt zníženia ťahového odporu, zlepšenia pôdnej štruktúry, či zvýšenia úrody. So systémom CTF majú autori viacročné experimentálne skúsenosti. Na Vysokoškolskom poľnohospodárskom podniku SPU v Kolíňanoch je na ploche 16 ha založený experiment, ktorý je v súčasnosti v 6 tom roku prevádzky.

Návratnosť investícií do navigácie v systéme GNSS

Každá zmena technológie, vrátane modernizácie strojov, vyžaduje investíciu. Otázka hospodárnosti po tom znie, či sa takto investované zdroje oplatia a kedy sa vložené prostriedky vrátia.  Efekt z používania navigačných zariadení sa vo finančnom vyjadrení na dosiahnutie úsúpry napr. obmedzením viacnásobného spracovania pôdy, úsporou materiálu a pod. Z toho ale vyplýva, že stroje prinášajú efekt len v takej práci, ktorá navigáciu vyžaduje.  Niektoré činnosti ako doprava, orba, lisovanie a pod. navigáciu nevyžadujú. Napriek tomu možno pre štandardný traktor, ktorý vykonáva počas roka široký rozsah prác spočítať návratnosť vložených investícií do obstarania navigačného systému GNSS a do jeho prevádzky.  V bežnom nasadení je to hranica cca 2 roky.

Uvádzaná problematika správneho vedenia stroja po poli prináša veľké množstvo súvislostí. Jednoznačne však treba konštatovať, že dokonalá navigácia výrazne zlepšuje súčasný stav. 

Výskumné práce, na ktoré sa autori odvolávajú,  boli realizované v rámci cieľov Laboratória inovatívnych technológií v rastlinnej produkcii projektu AgroBioTech ITMS 26220220180, a ako súčasť udržateľnosti projektu  ITEPAg „Aplikácia informačných technológií na zvýšenie environmentálnej a ekonomickej udržateľnosti produkčného agrosystému“ ITMS 26220220014.