Systemy w rolnictwie precyzyjnym. Urządzenia wspomagające prowadzenie ciągnika rolniczego

Współczesne rolnictwo – podobnie jak inne dziedziny życia gospodarczego i społecznego – podlega intensywnym przemianom, które związane są z jednej strony z presją rynku i spełnianiem oczekiwań konsumentów, z drugiej – z koniecznością ochrony środowiska przyrodniczego [Korzeniowski 2013]. Te warunki mogą być spełnione przy zastosowaniu rolnictwa precyzyjnego, którego tematyka od wielu lat pozostaje w obszarze zainteresowań nauk rolniczych, w tym szczególnie inżynierii

rolniczej [Pawlak 2008]. Rozwój rolnictwa precyzyjnego uważany jest za najważniejszy kierunek prac badawczych we współczesnej agroinżynierii [Hołownicki 2008]. Zadanie, jakie stawia się rolnictwu precyzyjnemu to przede wszystkim minimalizacja nakładów, ochrona zasobów naturalnych, poszanowanie środowiska oraz zapewnienie bezpiecznych warunków pracy dla człowieka [Zalewski 2000, Dreszer 2005, Gozdowski i in. 2007b, Korzeniowski 2013]. Należy przez to rozumieć produkcję o niskim zużyciu agrochemikaliów i energii, przy optymalnym wykorzystaniu zasobów gleby i potencjału produkcyjnego roślin oraz przy ograniczonych do minimum zagrożeniach dla środowiska i bezpieczeństwa człowieka [Holownicki 2008]. Rolnictwo precyzyjne może być więc traktowane jako narzędzie do wdrażania idei zrównoważonego rozwoju [Doruchowski 2008]. Należy przy tym dodać, że niezbędne do dalszego rozwoju gospodarstw rolnych, a co za tym idzie – produkcji rolniczej, jest zastosowanie nowoczesnych technologii [Kamprowski 2010]. Dlatego nieodłącznym elementem produkcji rolniczej jest technika rolnicza – dziedzina nauki, która zmienia się i rozwija w bardzo szybkim tempie. Dzięki tym zmianom, technika rolnicza może charakteryzować się coraz większą różnorodnością rozwiązań dotyczących urządzeń, narzędzi i maszyn oraz ich zespołów roboczych.

Dynamicznie rozwijająca się automatyka, robotyka i informatyka oraz technika kosmiczna sprawiają, że poszerza się również wyposażenie gospodarstw w urządzenia automatyczne i elektroniczno – informatyczne (rysunek 4.5.1). Osiągnięcia dziedzin: automatyki, robotyki i informatyki stają się tańsze w użytkowaniu i są coraz częściej stosowane w przestrzennie usytuowanej technice rolniczej, przyczyniając się do ułatwienia obsługi maszyn, polepszenia jakości ich pracy, zwiększenia wydajności, a także do uzyskiwania coraz lepszych efektów we wprowadzanym rolnictwie precyzyjnym [Błaszkiewicz 2012].

Rysunek 4.5.1. Technologie wykorzystywane w rolnictwie precyzyjnym [http://www.yanmaragriculture.eu]

Niestety, choć znacząco zwiększają się możliwości i obszar poznania, wybór odpowiednich maszyn do realizacji coraz bardziej wyspecjalizowanych zabiegów rolniczych staje się utrudniony. Jedną z przyczyn jest duża ilość narzędzi i maszyn rolniczych oraz ich wielka różnorodność i złożoność, co powoduje trudności w przyswajaniu wiedzy, dotyczącej eksploatacji urządzeń technicznych [Błaszkiewicz 2012].

W celu omówienia budowy i zasady działania urządzeń i systemów wspomagających rolnictwo precyzyjne (ang. precision farming lub precision agriculture), wyjaśnione zostanie znaczenie tego pojęcia. Należy zwrócić uwagę, że definicji tego określenia jest wiele i nie wszystkie są zgodne.

Według Komisji Europejskiej [European Commission 2005], rolnictwo precyzyjne jest systemem produkcji rolniczej wykorzystującym technologie informatyczne do dopasowania dawek nakładów (nawozów, środków ochrony) do potencjalnego zapotrzebowania uprawianej rośliny.

Munack [2004] definiuje rolnictwo precyzyjne jako prowadzenie produkcji rolniczej w sposób zapewniający wykonywanie odpowiednich zabiegów w odpowiednim czasie, z zastosowaniem odpowiedniej i możliwie minimalnej ilości środków produkcji (szczególnie chemicznych), co umożliwia zwiększenie efektywności ekonomicznej i produkcyjnej z jak najmniejszym obciążeniem dla środowiska naturalnego. Baum i in. [2012] dodają, że rolnictwo precyzyjne, traktowane jako wdrażany system rolniczy, może przyczynić się do zmniejszenia materiałochłonności i energochłonności produkcji rolnej (zwłaszcza produkcji roślinnej).

Faber [1998a, b] oraz Jadczyszyn [1998] określają rolnictwo precyzyjne jako system rolnictwa precyzyjnego, który wykorzystuje wysoko rozwinięte technologie nawigacyjne i informatyczne (tzw. GPS – ang. Global Positioning System) oraz metody pozyskiwania i przetwarzania danych o charakterze przestrzennym (tzw. GIS – ang.

Geographic Information System). Podobną definicję rolnictwa precyzyjnego

przedstawiono w książce Gozdowskiego i in [2007]. Autorzy ci, za Robertem [1994], definiują rolnictwo precyzyjne jako system rolniczy, w którym technologie produkcji dostosowuje się do specyficznych warunków produkcyjnych w określonej części pola, będącej środowiskiem dla rośliny uprawnej (SSCM – ang. site–specific crop

managment). Dodają ponadto, że rolnictwo precyzyjne w bardzo dużym stopniu

integruje i wykorzystuje najnowsze osiągnięcia techniki oraz optymalnie wykorzystuje środki produkcji. Jednocześnie jest to system, który pozwala na prowadzenie produkcji rolniczej przy minimalnych stratach dla środowiska.

Innego zdania są jednak Granstedt i Tryburski [2006], którzy uważają, że rolnictwo precyzyjne wiąże się jedynie z zastosowaniem nowoczesnej techniki. Nie powinno być więc nazywane systemem, a jedynie precyzyjną techniką rolniczą. Pogląd ten w dużej mierze podziela Zimny [2007], który jest autorem pracy przedstawiającej różne definicje i podziały systemów rolniczych, używając określenia technologia rolnictwa precyzyjnego. Nie jest to jednak właściwy tok rozważań, ponieważ, jak słusznie zauważa Korzeniowski [2013], przytaczając opracowanie Banasiaka [1999], technologia jest nauką o sposobach produkcji lub przetwarzania materiałów w określonych warunkach.

W najnowszych opracowaniach naukowych, autorzy tacy jak: Hołownicki [2003], Kamprowski [2008, 2009] i Pawlak [2008], definiują termin rolnictwa precyzyjnego

jako "strategię zarządzania umożliwiającą selektywne i precyzyjne zabiegi agrotechniczne (oraz ich monitorowanie) w zależności od: zasobów gleby, okresowej zmienności warunków atmosferycznych i potencjału produkcyjnego roślin przy minimalnym zagrożeniu dla środowiska, z możliwością stosowania w całym cyklu produkcji – od uprawy przedsiewnej po zbiór" [za: Korzeniowski 2013]. Korzeniowski [2013] konkluduje tę definicję przedstawiając rolnictwo precyzyjne jako aplikację środków i zabiegów agrotechnicznych adekwatnych do warunków glebowych i potrzeb roślin, zróżnicowanych w przestrzeni i czasie.

Rolnictwo precyzyjne opiera się na dwóch fundamentalnych systemach: GPS (ang.

Global Positioning System) oraz GIS (ang. Geographic Information System). Pierwszy

z nich – GPS – jest systemem opartym na nawigacji satelitarnej i służy do dokładnego określania położenia obiektów na Ziemi [Gozdowski i in. 2007b, Trzyniec, Kowalewski 2016]. Pozwala on nie tylko określić pozycję użytkownika systemu (w rolnictwie: pozycję ciągnika rolniczego – rysunek 4.5.2), ale również dostarcza informacji o manewrze kierowanego pojazdu [Konatowski 2006].

Rysunek 4.5.2. Pozycjonowanie maszyn w systemie GPS [na podstawie: Korzeniowski 2013]

Do korekcji ustalonej przez system GPS pozycji (w celu poprawy dokładności) stosuje się różne systemy korekcyjne. Najbardziej popularną metodą korekcji błędów GPS jest korekcja różnicowa: DGPS (ang. Differential Global Positioning System) [Kowalski 2007] lub amerykański system WAAS (ang. Wide Area Augementation System). Systemy korekcyjne jednokanałowe posiadają dokładność pozycjonowania 0,5–1m, a systemy dwukanałowe – dokładność pozycjonowania 10–15cm. Najbardziej zaawansowane systemy korygujące, w których sygnały odbierane są w dwóch zakresach częstotliwości, oraz systemy wykorzystujące naziemne stacje referencyjne posiadają dokładność pozycjonowania nawet 1–3cm.

Pod określeniem GPS rozumie się amerykański system o pełnej nawie GPS – NAVSTAR. Nie jest to jednak jedyny istniejący i rozwijany system satelitarnego pozycjonowania. Rosja posiada swój system o nazwie GLONASS (ros. Globalnaja

Navigacjonnaja Sputnikovaja Sistema), Chiny – BEIDOU, Unia Europejska jest na

etapie tworzenia systemu GALILEO wraz z systemem korekcyjnym EGNOS (ang.

European Geostationary Navigation Overlay Serwice), Japonia na etapie tworzenia

systemu QZSS wraz z systemem korekcyjnym MSAS, a Indie na etapie tworzenia IRNSS wraz z systemem korekcyjnym GAGAN. W budowie jest również kanadyjski system korekcyjny GPS–C [Gozdowski i in. 2007, Korzeniowski 2013].

System GPS składa się z trzech segmentów: segmentu kosmicznego, segmentu kontroli i segmentu użytkownika. Segment kosmiczny GPS składa się z konstelacji satelitów transmitujących sygnały radiowe do użytkowników. Stany Zjednoczone zobowiązały się do utrzymania dostępności co najmniej 24 operacyjnych satelitów GPS, krążących nad powierzchnią Ziemi na wysokości ponad 20 tysięcy kilometrów. Każdy satelita okrąża Ziemię dwa razy na dobę. Segment kontroli GPS składa się z globalnej sieci obiektów naziemnych śledzących satelity GPS, monitorujących ich transmisję, wykonujących analizy i wysyłających polecenia i dane do konstelacji. Segment użytkownika składa się z odbiornika GPS, który odbiera sygnały z satelitów GPS i korzysta z przekazywanych informacji, aby obliczyć trójwymiarową pozycję użytkownika i czasu. Tak jak Internet, GPS jest istotnym elementem globalnej infrastruktury informacyjnej. Wolny, otwarty i niezawodny charakter GPS doprowadził do rozwoju setki zastosowań w każdym aspekcie współczesnego życia. Technologia GPS występuje obecnie bowiem w wielu urządzeniach używanych na co dzień

przez ludzi różnych zawodów i specjalności: od telefonów komórkowych i zegarków, przez bankomaty, aż do wielkich maszyn [Official U.S. Government information about the Global Positioning System (GPS) and related topics, online]. System GPS zwiększa wydajność w wielu gałęziach gospodarki – obejmuje rolnictwo, budownictwo, górnictwo, geodezję, logistykę, komunikację, systemy bankowości, rynki finansowe, sieci energetyczne i wiele innych [za: Official U.S. Government information about the Global Positioning System (GPS) and related topics, online].

Dane nawigacyjne, pozyskiwane z systemu GPS, są uzupełniane o dane z systemu GIS, będące informacją o topologii terenu [Zhao 1997, Klein 2001, Pushihui 2003, Roth 2003, Perlak 2004, Konatowski 2006]. GIS, drugi z systemów wspomagających rolnictwo precyzyjne, to system pozyskiwania, przetwarzania i udostępniania danych zawierających informacje przestrzenne oraz towarzyszące im informacje opisowe o obiektach wyróżnionych w części przestrzeni objętej działaniem systemu [Gaździcki 1990]. Podstawowe funkcje systemów informacji przestrzennej obejmują gromadzenie, przechowywanie oraz analizę i prezentację danych w formie czytelnej dla użytkowników (np. w formie map) [Gozdowski i in. 2007b]. Dlatego podstawowym elementem tych systemów jest baza danych zawierająca informacje (przestrzenne i opisowe) o obiektach świata rzeczywistego reprezentowanych w systemie [za: Portal geoinformacyjny, online].

Dane o gospodarstwie wprowadzane do systemu GIS mogą pochodzić z różnych źródeł (np. pomiarów geodezyjnych, istniejących już map i plonów, zdjęć lotniczych i satelitarnych czy danych pozyskanych z sensorów zamontowanych na maszynach rolniczych). Konieczne jest jednak zintegrowanie tych danych, aby były przechowywane w tym samym układzie odniesienia (tzn. w jednoznaczny sposób powinny być przypisane do obszaru w przestrzeni). Wszystkie dane przestrzenne przechowywane są w formie plików graficznych oraz plików baz danych. Analiza zebranych danych umożliwia ich przedstawienie w postaci odpowiednio opracowanej mapy cyfrowej. Mogą to być np. mapy plonów, mapy ewidencji gruntów i budynków czy mapy zasobności gleby [Gozdowski i in. 2007b].

Możliwości zastosowań technik systemu rolnictwa precyzyjnego jest wiele. Za najczęstsze uważa się: pomiar pól i upraw, monitorowanie plonów i biomasy, generowanie map zebranego plonu, generowanie map zmienności gleby oraz map

aplikacyjnych, modyfikowanie parametrów roboczych agregatów doprawiających, sterowanie dawką nawozów, monitoring w produkcji zwierzęcej oraz monitorowanie pracy maszyn. Ostatni z wymienionych obszarów działalności rolniczej, omówiony poniżej, wiąże się m.in. z prowadzeniem ciągników po pasach równoległych [Kamprowski, online].

Systemy, które umożliwiają pozycjonowanie ciągnika czy maszyny rolniczej na polu, wspomagających pracę operatora poprzez dokładne prowadzenie ciągnika po ścieżce, a nawet automatyczne prowadzenie pojazdu bez udziału traktorzysty, to opisany wyżej system GPS oraz system LPS (ang. Local Positioning System) [Trzyniec, Kowalewski 2016]. Wprowadzenie technik GPS i LPS w rolnictwie wywołało dynamiczny rozwój różnych systemów i urządzeń do prowadzenia maszyn i ciągników po polu. Znaczący postęp jest widoczny zarówno w prostych, wspomagających, jak i w pełni automatycznych systemach jazdy równoległej. Wiele gospodarstw czerpie korzyści z licznych zalet dokładnego prowadzenia po polu dzięki zainstalowaniu systemów na posiadanych ciągnikach [Agrocom Polska, online]. Na rynku dostępnych jest wiele urządzeń i oprogramowań, wspomagających jazdę ciągników czy dokładne prowadzenie po ścieżkach. Jednak współpraca ciągnika z systemem pozycjonowania jest możliwa jedynie wówczas, gdy ciągnik ten posiada odpowiednie wyposażenie (rysunek 4.5.3.). W skład tego wyposażenia wchodzą elementy takie jak: nawigacja, antena GPS z radiem, centralka, czujnik skrętu kół oraz zawór hydrauliczny sterujący układem kierowniczym [Kamprowski, online].

Rysunek 4.5.3. Przykładowe wyposażenie ciągnika w systemie wspomagania jazdy [http://www.iagrogroup.com]

Istnieją trzy grupy rozwiązań (różniące się stopniem zaawansowania) pozwalające utrzymać właściwy tor automatycznie lub pokazujące operatorowi jak utrzymać się na właściwym przejeździe. Najprostsze rozwiązania oparte są na wirtualnym wyznaczeniu pierwszej linii przejazdu i pokazywaniu linii kolejnych przejazdów za pomocą diod na wyświetlaczu. Przykładem takich rozwiązań jest Outback S–lite firmy Agrocom, Lightbar firmy John Deere lub istniejący pod tą samą nazwą Lightbar firmy Topcon oferowany do ciągników grupy AGCO. Te układy składają się praktycznie tylko z dwóch podzespołów: anteny oraz procesora i zestawu diod w jednej obudowie. Wyświetlacz z diodami wskazuje kierunek jazdy na podstawie aktualnej pozycji ciągnika. Układy te nie posiadają urządzenia korygującego tor jazdy automatycznie. W przypadku tego typu rozwiązań operator powinien skupiać swoją uwagę na środkowym punkcie w linii diod, który pokazuje, czy ciągnik jedzie prawidłowym torem. Jeśli kierowca skręci kołami zaczynają się zapalać diody po przeciwnej stronie w stosunku do kierunku skręcenia kół. Należy wówczas skręcić koła w przeciwną stronę aby wrócić na prawidłowy tor jazdy. Wspomniane układy pozwalają nie tylko na jazdę po linii prostej, ale i po łuku, bądź linii krzywej [Towpik 2010].

Bardziej zaawansowanymi systemami prowadzenia równoległego ciągników z narzędziem po polu są układy z automatycznym korygowaniem toru jazdy. W tym przypadku istnieje możliwość wyboru stopnia zaawansowania tego układu. Wersjami systemów, które nie ingerują w układ kierowniczy są tzw. rolki. Są to układy oparte na automatycznym obrocie kierownicą za pomocą przyciśniętej do niej rolki. Systemy te wyposażone są już w nowocześniejsze wyświetlacze, które nie tylko pokazują przejazdy po polu w widoku 3D, ale także aktualną pozycję na polu. Ponadto wszystkie funkcje przejazdów, czyli jazda po linii prostej lub po łuku są także dostępne [Towpik 2010]. Inne formy prowadzenia ciągnika bez udziału kierowcy, to blok zaworów sterujących pracą orbitrola i siłownika wspomagania skrętu [Towpik 2010].

Przykłady urządzeń, które wspomagają pracę ciągnika w polu przedstawia rysunek 4.5.4. Są to urządzenia takie jak: Agro–com Eye–Drive (z możliwością rozbudowy do Duo–Drive) – wykorzystujący sygnały LPS, Agro–com Outback, Agro–com Outback S2, Agro–com Outback S3, Agro–com Outback S–Lite (z możliwym rozbudowaniem o system modułowy E–Drive), Muller Electronik Track–Guide, Topcon System 110, G6 Farmnavigator, Trimble EZ–GUIDE 250, Trimble FmX oraz Trimble CFX–750 i wiele

innych – wykorzystujące sygnały GPS.

Rysunek 4.5.4. Zestawienie różnych paneli nawigacyjnych stosowanych w rolnictwie precyzyjnym: a – Agro–com Outback S–Lite, b– Agro–com Eye–Drive, c– G6 Farmnavigator, d– Trimble EZ–GUIDE

250, e – Muller Electronik Track–Guide, f – Topcon System 110

[http://www.agrocompolska.pl, http://www.agcotrader.com/pl, http://www.hitagro.pl, http://www.sitechwest.com, http://www.agriparts.pl, http://www.tpi.com.pl]

Większość z tych urządzeń (w tym również Trimble CFX–750, będący przedmiotem badań), to tzw. zintegrowane nawigacje na pasach równoległych. Umożliwiają one wiele zaawansowanych schematów jazdy. Posiadają wbudowane odbiorniki sygnałów GPS lub LPS i pozwalają na odczyt takich danych jak pozycja, kierunek jazdy czy powierzchnia wykonanego zabiegu. Widoki aktualnych pozycji mogą być przedstawiane w formie grafiki dwuwymiarowej (2D) lub trójwymiarowej (3D). W zdecydowanej większości tych urządzeń możliwa jest rozbudowa systemu o moduły asystenta sterowania (pozwala na osiągnięcie większej dokładności) lub automatycznego pilota (prowadzenie ciągnika bez udziału traktorzysty) [Trzyniec, Kowalewski 2016]. System automatycznego pilota pozwala zwiększyć dokładność przejazdów nawet do 1cm. Taka precyzja nie jest możliwa przy manualnym kierowaniu ciągnikiem, jednak systemy automatycznego kierowania pojazdem są kosztowne, a proces ich amortyzacji w małych lub średnich gospodarstwach zajmuje zbyt wiele czasu. Dlatego też lepszym rozwiązaniem, wspomagającym jazdę ciągnika po pasach równoległych w gospodarstwach o mniejszych areałach jest zastosowanie paneli nawigacyjnych wskazujących operatorowi prawidłowy tor jazdy. To jednak, jak wielokrotnie podkreślono w niniejszej pracy, wymaga od niego umiejętności odczytu sygnałów nawigacji przy jednoczesnym, precyzyjnym sterowaniu pojazdem.