Přesnost setí a následná ochrana rostlin hrají málokde tak velkou roli jako při pěstování cukrové řepy. V dnešní době jsou již dokázány přínosy v přesném dodržování pracovních záběrů a z nich vyplývajících úspor vyčíslené v nižších nákladech na chemické prostředky (o 5 až 10 %) a snížení poškození rostlin přejezdy v době vegetace. V neposlední řadě nesmíme zapomenout na značnou redukci zbytečných přejezdů po poli.
Hůla et al. uvádějí možnosti, které lze uplatnit pro přesné navazování pracovních jízd:
– systém kolejových meziřádků při setí plodiny,
– systém s aplikačním rámem pro pěnové značkovací zařízení,
– zařízení pro monitorování nebo řízení pracovních jízd s využitím GPS.
Stále se zvyšující rychlosti přesných secích strojů a pracovní záběry samojízdných či tažených postřikovačů kladou zvýšené požadavky na obsluhu, která již nemůže bez vhodných technických pomůcek zaručit přesné dodržení a vedení pracovních záběrů.
Přesnost navigačních zařízení závisí na druhu přijímaných korekcí GPS (1. rozdíl) a na stupni automatizace systému (2. rozdíl).
V zemědělství je potřebné vyšší přesnosti v určování polohy pracovní soupravy, proto není dostačující využívání autonomního signálu GPS. Pro zvýšení přesnosti se využívají různé diferenční signály. Takový přijímač je označován jako přijímač DGPS. Tyto diference potom opravují signál autonomního signálu až do přesnosti ±5 cm. Ještě přesnější metodou pro získávání korekcí je použití vlastní referenční stanice. Tato metoda se nazývá RTK. Lze s ní docílit přesnosti ± 2 cm do poloměru 10 km od referenční stanice.
Stupeň automatizace je určen v úloze obsluhy stroje při řízení pracovní soupravy. Satelitní navigace může řidiči pouze ukazovat směr. Tím se rozumí manuální GPS řízení. Jednoduchá světelná lišta vykresluje pomocí diod křivku, podle níž obsluha řídí vozidlo po pozemku. Automatizace v řízení pracovních souprav spočívá v nahrazení řidiče při pracovních jízdách. První možností v dnešní době je použití asistovaného řízení. To představuje jednoduchý krokový elektromotorek, který se připevní k věnci volantu, a tím dochází k jeho otáčení. Druhou, přesnější možností je plně automatizovaný systém, který řídí vozidlo po pozemku pomocí přímého ovládání hydraulického rozváděče řízení.
Rozváděč je poté odpovědný za automatické řízení díky signálu o změně polohy přicházejícího z tzv. kontroleru, komunikujícího s přijímačem signálu GPS, popřípadě DGPS nebo RTK. Tyto přijímače jsou základem každého automatizovaného navádění po paralelních jízdách. Mohou pracovat se submetrovou až centimetrovou přesností. V současné době je nahrazován signál DGPS ještě přesnějším signálem RTK (Real Time Kinematik), který je v České republice zatím jedním. A právě o srovnání přesností signálu DGPS a RTK v technologiích pěstování cukrové řepy pojednává tento příspěvek.
DGPS a RTK
Differential Global Positioning System (DGPS) OmniSTAR je metoda, která využívá při výpočtu polohy neznámého bodu korekce z referenční stanice (Wilson, 2000). Zpřesnění určení polohy můžeme dosáhnout korekcí polohových souřadnic nebo korekcí zdánlivých vzdáleností. Diferenční GPS odstraňuje malou, ale i přesto existující nepřesnost atomových hodin jednotlivých satelitů, odchylky v pozici na orbitu a drobné zkreslení signálu při průchodu ionosférou (Rapant, 1998). Samotná firma OmniSTAR uvádí u signálu High Precision (HP) přesnost pass-to-pass 0,05 až 0,1 m v 95 % měření. Služby OmniSTAR mají GPS přijímače ve známých referenčních místech, které vysílají korekční zprávy k řídicím stanicím. Ty je potom předávají vzestupně ke geostacionárnímu satelitu (OmniSTAR). Geostacionární satelit (OmniSTAR) potom vysílá korekční zprávu ke GPS anténě na vozidle, která opravu použije (www.omnistar.nl).
Pro použití RTK korekce s centimetrovou přesností je nutné umístit na vhodné místo základnovou stanici. Dosah korekce závisí na jejím výkonu. Obecně se udává, že maximální poloměr pokrytí je pět kilometrů v optimálních podmínkách. Základní stanice musí mít na stroj využívající korekci RTK přímou viditelnost. Ze základnové (referenční) stanice umístěné na bodě o známých souřadnicích se pomocí rádiového spojení vysílají data (korekce) do pohyblivé pracovní soupravy, kde se vyhodnocují (www.trimble.com).
Asistované řízení
Asistované řízení Trimble AgGPS EZ-Steer se skládá z elektromotorku s třecím pastorkem, kontroleru, antény GPS a světelné lišty, která slouží jako ovládací prvek. Princip tohoto systému je následující: Přijímač, integrovaný ve světelné liště, zpracovává informace GPS o poloze pracovní soupravy. Základní verze systému pracuje s bezplatným diferenčním signálem Egnos nebo autonomním GPS. Informace o poloze je dále předána řídicí jednotce, tzv. kontroleru. Ten vysílá impulsy do elektromotorku s třecím pastorkem, který otáčí volantem. Délka impulzu závisí na velikosti pootočení volantem. Frekvence přijímaného signálu GPS je 5 Hz, tím pádem dostává řídicí jednotka a zároveň i elektromotorek pokyn k činnosti 5x v jedné sekundě. To zaručuje plynulý chod otáčení volantu. Systém dokáže pracovat i s diferenčním signálem OmniSTAR HP a tím dochází k výraznému zvýšení přesnosti při navazování pracovních jízd.
Automatizované řízení
Automatizace v řízení stroje spočívá v nahrazení řidiče jednotkou řízení, která s pomocí polohových snímačů volantu, snímačů natočení kol, hydraulických ventilů řízení a spínače aktivace automatického navádění řídí pracovní soupravu. Společné prvky s manuálním naváděním, anténa a přijímač DGPS zajišťují přesné snímání polohy. Při zjištěné odchylce od správné polohy posílá řídicí jednotka signál hydraulickým ventilům řízení a ty vrátí pracovní soupravu do správné polohy. Úloha řidiče se tím snižuje pouze na aktivaci systému a částečné navádění do následující jízdy. Navigátor se deaktivuje každým pohybem volantu. To znamená, že na konci každé jízdy, kdy chceme pracovní soupravu otočit na souvrati a najet do další následující stopy, stačí otočit volantem ve směru námi určeném, čímž se navigátor vypne. Poté stroj navedeme k další jízdě minimálně pod úhlem 45 stupňů od námi určené jízdy a navigátor jednoduše pomocí spínače aktivujeme. Pracovní souprava se pak sama automaticky navede přesně do určené stopy a dále jede v námi daném směru.
Metoda měření
Pro objektivní posouzení a následné statistické vyhodnocení přesnosti navazování pracovních jízd je nutné naměřit alespoň 36 hodnot pro každé samostatné měření. Hodnoty byly naměřeny pomocí laserového dálkoměru tzv. maticovým způsobem. To znamená naměření alespoň 36 hodnot ve virtuálním čtverci o straně šesti měření. Měří se šest pracovních záběrů mezi sedmi jízdami ve směru kolmém na pracovní jízdy a v souběžném směru dalších šest měření vzdálených od sebe o velikost pracovního záběru.
Způsob měření přesnosti návaznosti dvou sousedních pracovních jízd se nazývá metoda „pass-to-pass“. Tato metoda slouží k měření přesnosti roztečí sousedních pracovních jízd vytvořených pohybem pracovní soupravy po pozemku (Beel, 2000). Lze ji uplatnit ihned po pracovní aplikaci, jestliže jsou zřetelné stopy po projetí pracovní soupravy nebo jsou vytvořeny jiné identifikační prvky jako například kolejové řádky při setí.
Druhou možností měření je metoda „year-to-year“. Ta představuje opakovatelnost pracovních jízd, v tomto případě po jednom roce, kdy se měří přesnost současné pracovní jízdy a jízdy vytvořené v minulosti, přičemž křivka vytvořená již dříve se uloží v paměti navigačního systému a po určitém čase se tato křivka použije k opakovanému navádění strojní soupravy. Již z popisu dané metody je zřejmé, že se jedná o dlouhodobější časovou záležitost a v současných podmínkách českého zemědělství technicky téměř neproveditelné. Proto jsem zvolil metodu pass-to--pass. Vyhodnocení naměřených hodnot spočívá v jejich statistickém zpracování v programu Statistica. Základním kritériem pro přesnost navazování pracovních jízd je maximální a průměrná absolutní odchylka od požadované rozteče jízd.
První měření
Měření bylo provedeno na pracovní soupravě traktoru Case CVX1190 s taženým postřikovačem. Traktor byl vybaven asistovaným GPS řízením Trimble AgGPS EZ-Steer 252, které je uzpůsobeno pro příjem diferenčního signálu OmniStar HP. Výrobce udává výslednou přesnost zařízení (měření pass--to-pass) ± 0,1 – 0,15 metru v 95 % všech měření. Naměřené hodnoty, zaznamenané v tabulce 1, byly získány při práci traktoru s postřikovačem Mamut s pracovním záběrem 24 metrů. Na téměř rovném poli o výměře 15 ha, beze sloupů vysokonapěťového vedení a jiných překážek, byl zasetý mák. Na pozemku byly velmi zřetelné stopy od projetí pracovní soupravy.
Naměřené hodnoty jsou dále statisticky zpracovány. Z tabulky naměřených hodnot, viz tab. 1, jsou patrné minimální odchylky od skutečného pracovního záběru 24 metrů. Vypočítaná hodnota hladiny spolehlivosti 0,04073 nám udává interval 23,97927 – 24,04073 metru, ve kterém bude s 95procentní pravděpodobností ležet střední hodnota všech měření.
Krabicový graf (obr. 1) nám udává hodnotu mediánu, což je střední hodnota naměřených hodnot. Medián je potom roven číslu 23,995 metru. Můžeme tedy říci, že medián se blíží, ne-li že medián je téměř roven hodnotě skutečného pracovního záběru. Z krabicového grafu jsou dále patrné hodnoty horního a dolního kvantilu. Interval mezi nimi leží od 23,92 do 24,1 metru. Maximální naměřená hodnota je 24,19 m a minimální hodnota je 23,89 m.
Obrázek 2 znázorňuje graf histogramu naměřených hodnot. Ten nám udává početní zastoupení měřených hodnot v jednotlivých třídách rozdělení. Toto rozdělení se normálnímu rozdělení nepřibližuje hlavně v oblasti vrcholu histogramu, tedy v hodnotě skutečného pracovního rozdělení. Je to především způsobeno hustým rozdělením hranic kategorií naměřených výsledků, což ovšem daná měřená přesnost navazování jízd do řádků vyžaduje.
Druhé měření
Naměřené hodnoty byly získány na pozemku blízko Slavkova u Brna. Setí zde bylo provedeno traktorem CASE MX270 se secím strojem JD NT-2000. Na tomto traktoru byl nainstalován navigační systém Trimble AgGPS Autopilot HP. Výrobce udává výslednou přesnost (pass-to-pass) u tohoto zařízení ± 0,05 – 0,1 metru v 95 % všech měření. Měření jsme provedli na rovné části pozemku. Na poli o výměře asi 70 ha byla zaseta pšenice ozimá. Při setí byly vytvářeny kolejové řádky, tak aby se v nich mohl pohybovat samojízdný postřikovač s pracovním záběrem 36 metrů. Pracovní záběr secího stroje byl nastaven na 5,95 metru, z čehož plyne, že kolejové řádky se vytvářely každou šestou jízdu. Výsledná teoretická rozteč kolejových řádků by pak měla být 35,7 metru. Z tabulky naměřených hodnot (tab. 2) je patrné, že naměřené hodnoty se skutečně k tomuto číslu přibližují.
Tabulka naměřených hodnot (tab. 2) udává čísla, která skutečně odpovídají požadované hodnotě 35,7 metru. V programu Statistica vypočítaná hodnota hladiny spolehlivosti nám udává interval 35,74699 až 35,79912 metru, ve kterém bude s 95procentní pravděpodobností ležet střední hodnota všech měření. Do tohoto intervalu sice námi měřená přesná hodnota rozteče kolejových řádků 35,7 metru nepatří, nicméně odpovídá možné chybě satelitního zařízení, udávané výrobcem.
Krabicový graf (obr. 3) ukazuje hodnotu mediánu, což je střední hodnota naměřených hodnot. Je rovna číslu 35,78 metru. Tato hodnota je větší než přesná rozteč kolejových řádků o 0,08 metru. Z krabicového grafu jsou dále patrné hodnoty horního a dolního kvantilu, což tvoří interval od 35,715 do 35,815 metru. Extrémní hodnoty leží v minimu 35,65 metru a maximum je rovno hodnotě 35,93 metru.
Graf histogramu naměřených hodnot je znázorněn na obrázku 4. V jednotlivých třídách rozdělení, po 0,05 metrových krocích, jsou vidět jednotlivá početní zastoupení měřených hodnot. Toto rozdělení se skutečně přibližuje normálnímu rozdělení s vrcholem lehce (o 0,08 m) posunutým na pravou stranu.
Třetí měření
Na pracovní soupravě traktoru JD 8530 a secího stroje Horsch, s pracovním záběrem šest metrů, byla změřena přesnost navazování pracovních záběrů s použitím automatizovaného řízení Trimble AgGPS Autopilot RTK. Zdrojem korekčního signálu byla vlastní referenční stanice umístěná na vodojemu v areálu zemědělského družstva Bohuňovice. Tímto způsobem se šíří korekce typu RTK s přesností pass-to-pass 0,01 metru do poloměru 10 km od refenční stanice.
Histogram (obr. 5) vykazuje počet naměřených hodnot v jednotlivých třídních kategoriích rozdělených po 0,02 metru. Hodnoty jsou rozptýleny v rozmezí 0,14 metru, což danou přesnost nepotvrzuje. Nicméně tento výsledek může mít důvod v přesnosti připojení secího stroje, popřípadě jeho přesné kopírování stopy traktoru.
Krabicový graf (obr. 6) popisuje horní a dolní kvantil s hranicemi v bodech 23,96 a 24,025 metru. Medián, tedy střední hodnota daného měření, je rovna hodnotě 23,98 metru.
Závěr
Přesnost navazování pracovních jízd pomocí satelitní navigace závisí na mnoha faktorech. Jestliže se jedná o navigaci pracující na principu asistovaného nebo zcela automatického řízení, můžeme zanedbat lidský faktor. Při těchto druzích řízení se řidič soustředí pouze na určování první jízdy a otáčení na souvratích. Druhým faktorem je samotná přesnost navigačního systému. Tu můžeme rozdělit na přesnost přijímaného signálu DGPS (případně RTK) a přesnost systému ovládání směru pracovní soupravy.
Poslední faktor tvoří samotná pracovní souprava. Satelitní navigace je vždy spojena s řídicím strojem, tedy s traktorem, samojízdným postřikovačem, sklízecí mlátičkou nebo univerzálním nosičem nářadí. Na těchto jednotlivých strojích nenastávají potíže, které mohou vzniknout při práci traktoru s neseným, poloneseným nebo návěsným nářadím. Toto nářadí by mělo být s traktorem souhlasně umístěno v jeho vodorovné ose, bez větších známek možné vůle v zapojení. To bývá problém nejen u staršího opotřebovaného nářadí, ale i u pracovních souprav pohybujících se po vrstevnicích. I když je řídicí stroj vybaven kompenzací svahu, přídavné nářadí může mít tendenci po svazích ujíždět mimo vodorovnou osu řídicího stroje. Tyto všechny faktory potom tvoří výslednou přesnost satelitní navigace používané v praxi.
Klíčové informace
- Výsledná přesnost navazování pracovních jízd pomocí satelitní navigace závisí:
– na samotné přesnosti navigačního systému, dané přesností přijímaného signálu DGPS (případně RTK) a přesností systému ovládání směru pracovní soustavy,
– na samotné pracovní soustavě,
– případně na lidském faktoru, pokud se nejedná o navigaci fungující na principu asistovaného nebo zcela automatického řízení.
- Automatizace spočívá v nahrazení řidiče jednotkou řízení, která s pomocí polohových snímačů volantu, snímačů natočení kol, hydraulických ventilů řízení a spínače aktivace automatického navádění, řídí pracovní soupravu.
Ing. Tomáš Loch
Ing. Martin Zlínský
Ing. Milan Kroulík, Ph.D.
prof. Ing. Josef Hůla, CSc. Česká zemědělská univerzita v Praze
Technická fakulta
katedra zemědělských strojů
