Jste zde

Automatizace v zemědělství na polích

Antonín Vojáček, 5. Listopad 2017 - 17:06

I oblast zemědělství podléhá a bude masivně podléhat rychlé automatizaci. Platí to i o práci na polích. Pojď me se blíže podívat, jaký je aktuální vývoj a kam směřuje.

Na první pohled je pro laika oblast zemědělství asi nejvíce vzdálená a nejméně ovlivněná moderními technologiemi a automatizací. Ale v současnosti opak je pravdou a do budoucna se automatizaci a robotizaci zemědělství přisuzuje jedno z nejdynamičtějších vývojů a to nejen při zpracování plodin, což je dnes již dost běžné, ale i přímo na při samotném pěstování na polích. Do hry se totiž mají významně zapojit "armáda" nových přesnějších a odolnějších snímačů pro monitorování, které ve spojení s výkonnějšími řídícími jednotkami umožňují automaticky nebo poloautomaticky řídit stávající typy zemědělských strojů.

Ve vzdálenější budoucnosti pak navíc lze počítat se stále větším užíváním létajících jednotek v podobě poloautomatických nebo pak i plně automatických UAV / dronů, které budou schopni zajistit zvláště na rozsáhlých polích mnoho práce bez jakéhokoliv kontaktu se zemí a tedy bez jakéhokoliv poškození pěstovaných rostlin i jejich půdy.

1) Současné možnosti autonomních automatických pracovních strojů

Vývoj mobilních pracovních strojů (souprav traktor + pracovní nástroj, postřikovač, kombajn či sklízecí řezačka) se postupně a nezadržitelně ubírá k plně automatizovaným autonomním zemědělským strojům, kde již jejich uživatel jen provede kompletní nastavení pohybu v počítači na farmě, odešle data bezdrátově do traktoru a případně k němu připojených inteligentních zařízení. Následně jej pak již jen řidič doveze na pozemek, zapne příslušný automatický pracovní režim a stroj by již v rámci zadaného pole pracoval zcela samostatně. Již dnes jsou i v Česku v provozu další systémy, které umí okamžitě rozpoznat stav porostů a řídit on-line variabilní dávkování hnojiv podle potřeb rostlin. Více na: https://www.euro.cz/byznys/traktory-nepotrebuji-ridice-897306#utm_medium=selfpromo&utm_source=euro&utm_campaign=copylink

Základní výhodou pro automatizaci práce na polích, například proti v současné době tolik diskutované dopravě, je jednak stabilní pozice a přesně dané rozměry každé obdělávané plochy, což usnadňuje základní orientaci strojů. Dále pak i přímá viditelnost na nebe, což umožňuje využití i satelitní navigace pro zjišťování a řízení polohy automatických strojů (například proti stíženému řízení v halách). Díky těmto předpokladům se již dnes u nejmodernějších traktorů setkáváme s režimy automatického pojezdu a orientace na poli bez nutnosti řízení.

Tzv. systémy automatického řízení nabízí výrobci traktorů již plně integrované do stroje a zabudované již v průběhu jeho výroby a ovládání systému je integrováno do ovládacího terminálu traktoru. Ten znázorňuje polohu stroje na pozemku, jeho dráhu, zpracovanou nebo ošetřenou plochu a ovládá další funkce přípojných zemědělských strojů, zejména autopilota, po jehož připojení řidič pouze zadá parametry stroje, zaznamená první průjezd po pozemku a autopilot pak již stroj řídí bez zásahu řidiče. Člověk pouze kontroluje rychlost pojezdu, práci přípojného nářadí a sleduje překážky, ale do řízení nezasahuje. Systém automatického řízení traktorů dnes již plně zvládá nejen přímou jízdu, ale i automatické otočení traktoru na souvratích, čímž je systém pojezdu dnes již kompletně automatizován. Více na: https://www.euro.cz/byznys/traktory-nepotrebuji-ridice-897306#utm_medium=selfpromo&utm_source=euro&utm_campaign=copylinkSystém obvykle automaticky ovládá řízení předních kol a při dopředné jízdě (bez couvání) plynule samočinně dojede do další jízdy. Nejprve do ní navede traktor a poté nářadí. Řidič si případně může nastavit způsob otáčení traktoru při závěrečném zpracovávání souvratí.

Samotné řízení kol pro uvedenou autonomní jízdu mobilních pracovních strojů se obvykle realizuje řídící jednotkou prostřednictvím snímání a regulace válce řízení traktoru, sklízecího kombajnu či řezačky, ve kterém je mimo akčního prvku elektromotoru integrován i přesný absolutní lineární enkodér, který snímá jeho pozici. Řídící jednotka stroje tak mám neustále přesné informace o aktuálním natočení kol, což je základní údaj potřebný k definování, kam stroj ve skutečnosti následující metry pojede. Pro přesné a odolné snímání rychlosti náprav se pak obvykle využívají robustní indukční snímače.

Nicméně satelitní navigace není jediným prostředkem pro určení polohy a regulací řízení pohybu. Za prvé její přesnost ve stanovení polohy se mění s aktuálními povětrnostními podmínkami a chyba může být až 3 metry a navíc správné autonomní zemědělské vozidlo by mělo umět zcela pružně reagovat na aktuální stav porostu pole a tomu jízdu primárně přizpůsobovat. To samozřejmě ze signálů ze satelitů zjistit nelze, a proto je nutné řídící jednotce dodat i informace o aktuální stavu prostředí okolo traktoru.

K tomu dnes slouží moderní systémy automatického vedení po konturách / automatického vedení řádků a varování před kolizí. Ty obvykle pracuje na bázi laserového skeneru a zjišťuje pozici a výškový profil terénu či řádků. Systém pak vypočítá požadovanou trajektorii, ve které lze automaticky vést soupravu traktoru a příslušného nástroje, například v podobě polního postřikovače nebo balíkovacího lisu. V případě balíkovacího lisu například nepřetržitě zjišťuje objem řádků, což například i umožňuje automatickou regulaci rychlosti pro optimální objemový tok, aby balíkovací lis mohl pracovat s optimálním výkonem. Díky současné moderní s inteligentní senzorice s integrovaným aplikačním softwarem se snímaná surová data vyhodnocují společně s daty vozidel již v senzoru.

Například lze konkrétně jmenovat senzorový systém Sick WGS Pro, který pracuje na bázi 2D laserového skeneru TiM a umí sám o sobě zjišťovat trajektorie řádku (průběh řádku) a zobrazení absolutní polohy řádku pro automatickou příčnou regulaci, zobrazení objemu řádku pro automatickou regulaci rychlosti a pomocí integrovaného modelu vozidla provádět výpočet správného vlastního pohybu.

Naopak při manévrování v mrtvém úhlu a při couvání může například v zadním prostoru sklízecí řezačky rychle dojít ke kolizím s objekty. Pro zamezení těmto škodám se pak může použít inteligentní 3D asistenční systém s 2D kamerovým senzorem Sick Visionary-B, který poskytuje reálný obraz s optickými a akustickými výstražnými signály. I při silném slunečním záření nebo dešti spolehlivě pomáhá operátorovi sklízecí řezačky při detekci objektů v slepých zónách okolo vozidla a v kritických jízdních situacích může varovat operátora či případně i automaticky zastavit funkci stroje.

U zařízení polních postřikovačů může být systém řízení doplněn například o ultrazvuková čidla pro režim plně automatickému vedení tyčí. Senzory slouží k dodržování správné vzdálenosti polních postřikovačů např. u porostů se značně odlišnou výškou vzrůstu a u různých profilů terénu. Snímače náklonu pak slouží k nivelaci tyčí. Při různých profilech terénu lze např. díky senzoru nastavit náklon tyčí. Ve spojení s laserovým skenerem pak systém i může umět okamžitě rozpoznat stav porostů a řídit operativně v reálném čase variabilní dávkování hnojiv podle potřeb rostlin.

Více na: https://www.euro.cz/byznys/traktory-nepotrebuji-ridice-897306#utm_medium=selfpromo&utm_source=euro&utm_campaign=copyV případě postřikovačů v ovocnářství se pro optimalizaci aplikace využívají ultrazvukové senzory pro detekci a vyhodnocení parametrů skutečného porostu, jako například různé rozestupy stromů, jejich výšky vzrůstu a mezery, které často snižují účinnost. Například pro tyto aplikace navržení snímače Sick UC30 se snímací vzdáleností až 8 m umožňují spolehlivou aktivaci stříkacích trysek nebo i například automatickému odpojení/připojení aplikace na souvrati. Senzor tak zajišťuje efektivnější aplikaci postřikového přípravku i v automatickém autonomním režimu.

Ukázka použití ultrazvukových snímačů Sick pro detekci výšky a vzdálenosti porostu pro efektivní regulaci postřikování.

2) Co by bylo možné realizovat pomocí UAV/dronů?

Zatímco výše popsaná situace s kolovými zemědělskými stroji již je zcela aktuální, použití létajících prostředků je stále ještě v praxi hra budoucnosti. Nicméně vývoj k tomu zcela jistě směřuje, když technologicky již v cestě tomuto systému využití skoro nic nebrání, ale překážky jsou spíše z pohledu zákonů a zvyků.

Je jasné, že hlavní úkony, jako například orání, setí či sklizeň plodin asi zůstane doménou po zemi se pohybujících kolových strojů. Nicméně zvláště v případě cíleného zavlažování, hnojení či hubení škůdců může být automatická autonomní létající zařízení velmi efektivní. Mohou totiž snadněji a přesněji laserovým skenery či kamery monitorovat výšku porostu, jeho vlhkost, barvu, i místní poškození a následně například selektivně pohnojením, postřikem či zavlažením zasáhnout přesně na potřebném místě bez jakéhokoliv poškození okolí. Technologie snímání povrchu půdy i porostu jsou již dnes velmi vyspělé a známé i pod označením LiDAR (viz. článek UAV 3D LiDAR i pro průmysl).

Pro zemědělské potřeby by samozřejmě bylo nutné využívat robustnějších dronů pro potřeby dostatečné nosné kapacity pro postřikové a zavlažovací kapaliny či případné další zemědělské nástroje, ale principiálně se na technologii nic nemění. Dá se říct, že takový létající prostředek může pro velké, ale i malé farmáře a zemědělce představovat to, co za socialistické doby velkých lánů prováděla běžně práškovací letadla, které se dnes z logických ekonomických důvodů již prakticky nevyužívají.

3) Možnosti použití chytrých senzorů / IoT v polnohospodářství

Dnes populární oblast IoT, který se zatím aktuálně převážně profiluje v podobě systémů automatického kontinuálního měření a bezdrátové komunikace s může hodit i v oblastí polního zemědělství. Do země zasunuté bezdrátové snímače teploty, vlhkosti a složení půdy mohou sloužit k průběžného monitorování stavu pole po stránce vhodných podmínek růstu rostlin, přičemž řídící jednotka, která bude průběžné informace od mnoha senzorů z různých částí pole vyhodnocovat, může zajistit vhodné zavlažování či pohnojení. Ať již přivoláním "živého" zemědělce tím, že mu pošle informační správu, co se s jeho polem XY děje, či tím, že sama spustí na poli pevně instalovaná postřiková zařízení. V případě budoucí větší automatizace pak již asi sama dá povel k vyslání příslušných autonomních pojízdných či létajících strojů pro provedení nápravy vzniklé situace, tedy například pro provedení zavlažení, pohnojení, odplevelení atd.

V případě nízké ceny takových monitorovacích bezdrátových jednotek by bylo možné použít jich i poměrně velké množství pro monitorování jednotlivých částí velkého pole, přičemž z pohledu odolnosti proti povětrnostním podmínkách i rukou nenechavců by mohly být zasunuty pod povrch pole (do hlíny) a jen malá anténa by "čouhala" ze země. Malá spotřeba IoT snímačů umožňuje napájení z baterie pro celý rok, aniž by bylo nutné během jednoho cyklu osetí - sklizeň je ze země vyndavat.

Závěr

Masivní automatizace se projevuje ve všech odvětvích průmyslu, zemědělství z toho nevyjímaje. Zvláště v oblasti potravinářské produkce pak bude v budoucnosti velmi zajímavé, kam se bude automatizace ubírat, protože v této oblasti se může nesnadněji uplatnit díky snadné předvídatelnosti a relativně pomalému růstu (na rozdíl od chovu zvířat). Zda postupně autonomní roboti (stroje) zcela nahradí lidskou sílu a práci a prakticky již nebude v potravinářské produkci lidí potřeba nebo z nějakého důvodu nikoliv. Osobně si troufám říci, že v oblasti velkoprodukce tomu tak bude, nicméně je otázkou, do jaké míry bude využívána u středních a malých farmářů.

Vývoj, dle mého názoru, směřuje k tomu, že v supermarketech budou nabízeny právě pouze ty automaticky vypěstované produkty pro hlavní nakrmení "lidské masy" (což je do jisté míry už i současná realita) a současně zde zůstane prostor pro neautomatizované či jen málo automatizované tzv. biofarmaření spojené s agroturistikou. Zde si například lidé budou moci v rámci zaplaceného relaxačního víkendu sami natrhat ovoce a zeleninu, vylisovat si svůj mošt, vytrhat si vlastní salát, mrkev, cibuli atd.