Využití systémů určování polohy

S možností použití navigačních systémů GPS a DGPS i v civilním sektoru se záhy začaly objevovat aplikace určené pro zemědělství. Jako první aplikace, která se již postupně dostává do praxe, se objevila možnost mapování výnosů polních plodin.

Myšlenka, která přispěla ke zrodu mapování výnosů přitom není nikterak nová a vyplývá z letitých zkušeností zemědělců. Ti se zpravidla snažili zajistit uniformní obdělávání pozemku po celé jeho ploše, ať už se jednalo o zpracování půdy, setí, hnojení, ochranu rostlin atd. Mnozí si však všimli, že i když jsou v rámci jednoho pozemku tyto operace prováděny s co nejvyšší možnou vyrovnaností, výnos při sklizni přesto vyrovnaný není a dochází k jeho značnému kolísání v rámci jednoho a téhož pozemku. Někdy dokonce bylo možno i rozeznat pravděpodobné příčiny, proč k tomuto kolísání dochází.
Problém byl ovšem v tom, že dlouho nebyl k dispozici nástroj, který by umožnil se k problematickému místu v rámci jednoho pozemku vrátit. Tímto nástrojem je právě možnost použití navigačního systému GPS (DGPS). Odsud už byl pouze krůček k možnosti tvorby výnosových map. Jestliže se spojí informace o okamžité průchodnosti sklízeného materiálu strojem s informací o jeho okamžité poloze, získané z navigačního systému GPS (DGPS), je již možno výnosovou mapu s pomocí odpovídajícího programového vybavení vytvořit. Jako první se objevila a začala používat možnost mapování výnosů při sklizni obilovin, které jsou patrně nejdůležitější plodinou vyspělého světa.
Mapování výnosů zrnin
V současném stádiu vývoje lze konstatovat, že již od roku 1993 jsou zemědělcům běžně komerčně dostupné výnosové monitory, pracující na množství odlišných principů měření okamžitého výnosu. Všechny tyto výnosové monitory však jsou umístěny mezi výstupem vyčištěného zrna z čistidla sklízecí mlátičky a zásobníkem sklízecí mlátičky. V současnosti se pracuje na zvyšování přesnosti jejich práce odstraňováním některých chyb.
K určování okamžitého výnosu zrnin v současné době existuje hned několik druhů snímačů, jejichž čidla pracující na rozdílných principech. Signály od snímačů okamžitého výnosu jsou zpravidla zpřesňovány údaji o okamžité vlhkosti sklízeného materiálu a celý systém je doplněn čidlem sledujícím polohu žacího válu sklízecí mlátičky. Některá řešení vyžadují ještě další korekční členy, například pro práci na svahu, kde dochází k náklonu stroje.
Okamžitý výnos se zjišťuje pomocí měření hmotnostního nebo objemového toku vyčištěného zrna do zásobníku sklízecí mlátičky. Okamžitý průtok materiálu je možno určit pomocí čidel mechanických, optických, kapacitních, nárazových a paprskových. Z hlediska přesnosti je lepší měřit hmotnost, protože výsledky měření objemu jsou ovlivněny hustotou (měrnou hmotností) sklízeného materiálu, která se může měnit. Nejméně přesná jsou čidla mechanická. Optická čidla dosahují přesnosti do 20 %, nárazová do 5 % a u paprskových výrobce uvádí přesnost do 2 %.
Poměrně značnou roli může při sklizni i během jediného dne hrát okamžitá vlhkost zrna. Proto většina výrobců používá také čidla pro její zjišťování. Jsou umístěna zpravidla na spodní straně v koncovce šnekového dopravníku, přivádějícího vyčištěné zrno do zásobníku sklízecí mlátičky. Jedná se o čidla kapacitní. Jejich povrch má určitou kapacitu, která se mění při průchodu různě vlhkého materiálu. Změna kapacity čidla je snímána a vyhodnocována a na jejím základě je možno usuzovat na okamžitou vlhkost sklízeného materiálu. Tato čidla pracují kupodivu poměrně přesně v širokém rozmezí vlhkosti (0 až 40 %). Je to způsobeno patrně především velkým množstvím snímaných vlhkostních údajů.
Pro zpřesnění práce všech typů čidel se používají údaje o pojezdové rychlosti nebo ujeté dráze stroje. Protože při práci zemědělských strojů, sklízecí mlátičky nevyjímaje, dochází často k prokluzu hnacích kol, používají se různá čidla sloužící k jeho korekci. Ujetá dráha strojem se dá nejjednodušeji zjistit čidlem počítajícím otáčky nepoháněných kol. Někdy se ke korekci prokluzu používají také čidla náklonová, pracující na stejném principu jako korekční čidlo příčného náklonu. Okamžitá rychlost se dá zjistit také čidlem radarovým, které snímá pohyb stroje oproti povrchu pozemku. Další možností zjišťování okamžité rychlosti je rovněž využití signálů o poloze stroje ze systému GPS (DGPS). Různé porovnávací výzkumy ukazují, že i v případě příjmu pouze signálu GPS (méně přesného) je přesnost určení pojezdové rychlosti v porovnání s dalšími možnostmi jejího měření (např. radarové čidlo atd.) velmi dobrá. Znamená to, že stroje vybavené přijímačem GPS již vlastně nepotřebují další zařízení pro určování pojezdové rychlosti.
Mapování výnosů při sklizni pícnin
Poměrně značná pozornost byla věnována také možnosti mapování okamžitého výnosu a následné tvorby výnosových map při sklizni píce sklízecí řezačkou. I zde je dnes známo a vyzkoušeno několik funkčních systémů. Z technického hlediska se nabízí několik možností získávání údajů o okamžité průchodnosti materiálu sklízecí řezačkou, ze kterých lze následně vytvořit výnosovou mapu.
V roce 1993 byl například sledován příkon na poháněcím hřídeli metače a příkon pohonu řezacího bubnu, vkládacích válců a řádkového kukuřičného žacího adaptéru zároveň. Z důvodů konstrukce řezačky nebylo možno od sebe tyto tři pracovní části stroje oddělit. Uvedené tři části stroje byly autory nazvány základní jednotkou. Bylo zjištěno, že mezi okamžitou průchodností materiálu strojem a oběma těmito sledovanými hodnotami (příkonem metače a příkonem základní jednotky) existuje dobrá závislost.
Jinou možností měření okamžitého výnosu je měřit mezeru mezi horními a spodními vkládacími válci vkladače sklízecí řezačky. Uvádí se, že se jedná o přijatelný kompromis mezi náročností technického řešení celého systému a očekávanou přesností. Tato technika může být použita pro každý typ sklízecí řezačky, protože každá z nich stlačuje válci vkladače řezaný materiál před vstupem do řezacího ústrojí. Výnos lze také měřit nukleonovým čidlem umístěným v odhazové koncovce samojízdné sklízecí řezačky. Další použitelnou metodou je měření průchodnosti pomocí nárazové desky umístěné v odhazové koncovce sklízecí řezačky. Také lze měřit tloušťky vrstvy sklízeného materiálu v odhazové koncovce sklízecí řezačky. Sklízecí řezačka vybavená různými systémy pro tvorbu výnosových map je na obr. 2.
V současné době lze konstatovat, že jestliže se výnosové monitory u sklízecích mlátiček již stávají téměř běžnou záležitostí, komerční využití mapování výnosů při práci sklízecí řezačky ještě zdaleka není na takovém stupni vývoje.
Mapování výnosů ostatních plodin
Výrazná snaha po zavedení techniky pro mapování výnosů při sklizni je však patrná i u dalších pěstovaných plodin. Jsou známy systémy pro mapování výnosu při sklizni pícnin žacím strojem. Jejich princip práce může být založen na vážení překládacího dopravníku během práce stroje, na zjišťování okamžitého příkonu čechracího rotoru čechrače žacího stroje nebo na měření hybnosti materiálu vycházejícího z čechrače pomocí nárazové desky.
Metodou mapování výnosů vhodnou pro různé plodiny se ukazuje být také vážení odvozních prostředků nebo sběracích lisů. Tyto metody jsou zkoušeny jak v Evropě, tak v severní Americe. Myšlenka, na které je princip práce těchto metod založena, je poměrně jednoduchá. Její praktická aplikace s sebou však přináší některé problémy technického i organizačního charakteru. Technické problémy souvisejí především s odrušením různých nepříznivých vlivů při práci strojů (chvění v důsledku práce motoru traktoru, v důsledku přejezdu terénních nerovností atd.).
Rovněž jsou známy systémy mapování výnosů vhodné pro sklizeň cukrové řepy. Jejich práce může být založena také na několika známých principech. Například lze použít metodu měření příkonu ořezávače a dopravního systému, metodu vážení dopravníků materiálu při práci stroje, metodu založenou na principu práce nárazové desky umístěné místo usměrňovacího plechu toku bulev sklízečem atd. Jsou dokonce vyvíjeny systémy, které pracují na principu počítání bulev vstupujících do sklízeče a zjišťování jejich rozměrů, ze kterých lze určit objem bulvy. Jako výhoda těchto systémů je uváděno to, že jejich práce není ovlivňována nepřesnostmi souvisejícími s obsahem nečistot.
Také výnosy při sklizni brambor lze mapovat. Je možno použít různých radiometrických metod, kterými lze dokonce oddělit brambory od příměsí. Další známé metody jsou založeny na principu vážení kladek dopravníků v technologickém procesu sklízeče brambor. Experimentovalo se rovněž s nárazovou deskou. Také jsou vyvíjeny optické systémy, které by měly umožnit nejen okamžité měření hmotnostní průchodnosti hlíz brambor sklízečem ale také určování jejich kvalitativních vlastností, především velikosti. Výzkum je zaměřen na vývoj optického systému měření výnosu brambor, pracujícího v reálném čase, který měl využívat plošných rozměrů hlíz.
Kromě těchto v našich podmínkách běžných plodin jsou známy rovněž systémy pro mapování výnosů plodin pěstovaných v jiných částech světa, jako je bavlna, pomeranče, rajčata atd.
Mapování pracovních parametrů zemědělských traktorů
Uvádí se rovněž, že sledování práce zemědělských traktorů může mít z hlediska precizního zemědělství velký význam, a to především z následujících důvodů.
Nepřetržité snímání popsaných dat během práce traktoru dovoluje vypočítat ceny produkce na základě prostorové proměnlivosti pozemku. Stejně jako výnos tak také výkonnostní parametry traktoru mohou být významně ovlivňovány proměnlivými vlastnostmi obdělávaného pozemku, jako je jeho sklon nebo půdní podmínky a je tak možno určit plochy s vyšší a nižší návratností vložených investic.
Účinnost práce traktoru může být okamžitě zlepšována lepším nastavením jeho pracovních parametrů na základě informací, které řidič získává z tohoto systému, tedy opět prostřednictvím příjmu signálu GPS.
Z hlediska precizního zemědělství má v sobě každá informace týkající se pozemku potenciál poskytnout místně proměnnou informaci, která může pomoci při rozhodnutích o obdělávání pozemku. Přitom poloha místa se určuje právě prostřednictvím příjmu GPS signálu.
Mapování vlastností půdy
Kromě mapování výnosů, které je asi nejznámější aplikací použití signálu GPS, lze mapovat také další parametry, související především s vlastnostmi půdy. Jedná se o vlastnosti fyzikální (zde je možno sledovat například odpor půdy proti zpracování, hrudovitost, okamžitou vlhkost, utuženost atd.), ale také o půdní zásobu prvků nutných pro zdárný růst rostlin, jako jsou například fosfor, hořčík nebo vápník.
V praxi se mapování zásobenosti půdy dělá tak, že nejprve je nutno rozhodnout o hustotě vzorkování. To představuje první z problémů. Moc řídká vzorkovací síť nemusí postihnout všechny změny sledovaných půdních parametrů, naopak moc hustá vzorkovací síť znamená, že počet vzorků je neúnosně velký. Jejich následný rozbor je přitom poměrně drahou záležitostí, což znamená, že celý proces se může značně prodražit.
K určení polohy odběrových míst se opět používá systému určování polohy GPS nebo DGPS. Přijímače těchto signálů dokáží obsluhu navést s danou přesností na jí určené místo. Zde je pak možno odebrat potřebné půdní vzorky k následnému vyhodnocení.
Podobného postupu lze použít rovněž při zjišťování např. půdní utuženosti. V tomto případě se k hodnocení utužení půdy používá měření penetrometrického odporu půdy nebo jiné metody měření jejího utužení (Kopeckého válečky). Opět se nejprve zvolí rastr, v jakém bude měření prováděno a pomocí přijímačů GPS (DGPS) se naleznou určená místa a provedou se potřebná měření. Například moderní penetrometry už mají v sobě také zabudován přijímač polohy systému GPS, takže jsou schopny nejen daný bod pozemku najít, ale rovněž k němu přiřadit odpovídající naměřený údaj.
Vlastnosti půdy lze mapovat také při jejím zpracování. V tomto případě lze například snímat tahovou sílu traktoru na zadním tříbodovém závěsu a tím zjistit odpor nářadí proti jeho pohybu. Z toho lze usuzovat také na různé fyzikální vlastnosti půdy, především ty, co ovlivňují její zpracovatelnost. Za tímto účelem je možno vložit mezi traktor a připojené nářadí měřící rám. U moderních traktorů však ani to již nemusí být nutné, protože tahová síla se u nich snímá za účelem hydraulické regulace tříbodového závěsu (její silové složky). Ukazuje se, že takto získaná data mohou být dostatečně přesná i pro potřeby mapování odporu půdy proti jejímu zpracování. Výsledkem podobných měření jsou mapy tahových odporů.
Lokálně diferencované hnojení
Lokálně diferencované hnojení podle zásobenosti půdy živinami a stavu porostu je nyní již všeobecně známou záležitostí praktikovanou ve většině moderních podniků. Prvotním předpokladem pro zavedení systému je přesné zmapování hranic pozemku v digitální formě, odběr půdních vzorků z pozemku, jejich laboratorní vyhodnocení s převodem výsledků do mapy zásobenosti půdy živinami a následně vytvoření mapy potřeby hnojení (aplikační mapa). Všechny tyto operace by samozřejmě nebylo možné udělat bez určování polohy pomocí systému GPS (DGPS), jak již bylo uvedeno.
Pro variabilní aplikaci musí být rozmetadlo vybaveno automatickým regulačním systémem. Rozmetadlo je vybaveno elektronicky řízeným otvíráním a zavíráním hradítka výpadového otvoru, kterým lze měnit dávku aplikovaného hnojiva s odchylkou 2 až 3 %. Elektronika rovněž zajišťuje rovnoměrné rozptýlení hnojiva a stejnou dávku bez ohledu na rychlost jízdy traktoru. V praxi to znamená, že rychlost pojezdu traktoru lze přizpůsobit podmínkám na poli a není třeba se starat o přestavování dávky. Systém vyhodnocuje okamžitou hmotnost nákladu pomocí váhové buňky a porovnává tento údaj s nastavenou šířkou záběru a s okamžitou pracovní rychlostí. Pomocí elektroniky je možné v průběhu aplikace měnit požadovanou dávku a potom je odchylka od původně nastavené dávky stále zobrazována na displeji. Tyto požadavky je schopna elektronika plnit zcela automaticky na základě aplikační mapy v elektronické podobě a pomocí snímání aktuální polohy stroje prostřednictvím systému GPS (DGPS).
Práce systému je založena na řízení aplikované dávky pomocí aplikační mapy, která je v na čipové kartě v palubním počítači. Ten komunikuje s elektronikou ovládající funkce rozmetadla po propojení sériovým portem. Pomocí další informace o přesné poloze stroje na poli vyhodnocované přijímačem signálu GPS (DGPS) dokáže celý systém automaticky měnit dávku podle potřeby v konkrétním místě na pozemku.
Lokálně diferencovaná ochrana rostlin
Na pozemku, kde dochází k výskytu vytrvalých plevelů v ohniscích a na okraji pozemku, kde bývá větší zaplevelení, je třeba aplikace vyšší dávky herbicidu než na ploše s nižším výskytem plevelných rostlin. Obdobné je to s aplikací fungicidů, kdy porosty lokalizované v depresích terénu mají vyšší riziko napadení plísněmi, neboť v těchto lokalitách bývá porost velmi hustý díky vyšší koncentraci živin způsobené jejich splavováním do této prohlubně. Zajistit požadavek na změnu dávky přípravku v závislosti na lokálních podmínkách (stupeň napadení, růstová fáze plodiny, účinnost specifické aktivní složky, potřebě či nedostatku výživových látek) lze buď přímou injektáží, nebo on-line volbou vhodné kombinace trysek, případně změnou pojezdové rychlosti a tlaku. Uvádí se přitom, že úspora chemických ochranných látek by při použití těchto systémů mohla být až 40 % i více.
Poslední jmenovaný způsob regulace, tedy změnu rychlosti pojezdu a tlaku je možné použít u každého postřikovače, který má dálkově ovládaný regulační tlakový ventil. Tento způsob regulace je velmi levný protože nevyžaduje žádné další příslušenství a má velmi krátkou reakční dobu. Nevýhodou je omezení změny dávky  30 %. Další nevýhodou je, že není možná aplikace různých přípravků s různou koncentrací jako tomu je u přímé injektáže, neboť v nádrži je již namíchána postřiková kapalina o předepsané koncentraci.
V případě přímé injektáže je v hlavní nádrži postřikovače pouze čistá voda nebo kapalné hnojivo (např. DAM). Koncentráty přípravků jsou ve zvláštních nádobách o malém objemu, lze použít i práškové přípravky a mikrogranuláty, které se rozmíchají v malém množství vody. Na řídící jednotce se navolí dávka vody nebo kapalného hnojiva (l/ha) a dávky jednotlivých přípravků. Počet přídavných nádrží odpovídá počtu možných aplikovaných přípravků na jeden přejezd stroje. Při aplikaci se jednotlivé přípravky dávkují např. přímo do sání hlavního čerpadla. V čerpadle dojde k dokonalému promíchání přípravků s nosnou kapalinou a tato ochranná kapalina je dopravena k regulačnímu ventilu. Zde se dělí průtok na dvě větve, část průtoku pokračuje k jednotlivým tryskám na aplikačním rámu a část průtoku se vrací do sání před hlavní čerpadlo. Důležitou podmínkou pro praktické využití přímé injektáže je co nejmenší průřez hadic postřikovače a co nejvyšší rychlost reakce regulačního ventilu. Samozřejmostí je sledování skutečné pojezdové rychlosti pomocí radaru, nebo snímání otáček nepoháněného kola. Rovněž zde lze využít určování rychlosti prostřednictvím příjmu signálu GPS. Dávkovací jednotky přípravků jsou automaticky ovládány prostřednictvím čipové karty na které je uložena aplikační mapa pozemku. Řídící jednotka s přijímačem GPS a danou aplikační kartou zajistí zcela přesnou aplikaci bez negativního vlivu lidského faktoru.
Systém on-line volby trysek pracuje na zcela odlišném principu. U tohoto systému je v nádrži namíchána postřiková ochranná kapalina o dané koncentraci a změna aplikovaného množství se provádí různou kombinací trysek. Na aplikačním rámu postřikovače jsou ve vzdálenostech 50 cm od sebe instalovány přepínatelné, vícenásobné tryskové jednotky. Každá trysková jednotka je jednotlivě pneumaticky ovládána pracovním počítačem, čímž vzniká možnost nastavení vhodné kombinace trysek v závislosti na požadované dávce postřiku. Průměry trysek jsou v závislosti na konkrétní aplikaci zcela volitelné. Při jejich výběru však musíme brát ohled na to, aby se dávkovaná množství upravovaná pomocí kombinace trysek překrývala, aniž by došlo k překročení přípustného tlakového rozsahu. V průběhu aplikace potom spíná řídící počítač pro požadovanou dávku postřiku optimální kombinaci trysek. Na základě různých variant lze získat velké rozsahy překryvu jednotlivých kombinací trysek. Tím se lze vyvarovat značných tlakových rázů při záměně jednotlivých kombinací trysek. Vznikem tlakových rázu by se systém stal nestabilní. Podmínkou pro použití tohoto systému je existence datové karty pozemku a GPS přijímač, který zajistí zcela přesnou aplikaci.
Optické zařízení N Senzor, instalované na střeše traktoru nebo kabině samojízdného postřikovače snímá zabarvení okolního porostu dané obsahem chlorofylu i hustotou porostu. Tyto informace spolu s údaji o hodnotě intenzity slunečního záření a druhu či odrůdě plodin vyhodnocuje on-line palubní počítač a podle okamžité pojezdové rychlosti dává povely regulační elektronice rozmetadla či postřikovače. Současně je možné využití sledování okamžité polohy GPS, kdy se údaje o poloze a velikosti aplikované dávky ukládají na čipovou kartu a slouží poté ke zpracování podrobných map hnojení na daném pozemku. N Senzor se využívá především pro variabilní aplikaci dusíku, ale je možné ho použít i pro aplikaci totálních herbicidů. Přínosem využití tohoto systému je optimalizace hospodaření s dusíkem, snížení poléhavosti porostů, zlepšení kvalitativních parametrů produkce a zvýšení výnosu. Propojením aplikačních map hnojení a výnosových map získáme cenné informace o stavu pozemku.