eská zemdlská univerzita v Praze, Technická fakulta, Katedra zemdlských stroj.

Transkript

1 1 MOŽNOSTI MAPOVÁNÍ VÝNOS U SKLÍZECÍCH EZAEK. František KUMHÁLA, Milan KROULÍK eská zemdlská univerzita v Praze, Technická fakulta, Katedra zemdlských stroj. Abstrakt Mapování výnos polních plodin je jedním ze základních prvk precizního zemdlství. Nejvíce je zatím rozšíeno u sklízecích mlátiek. Možnosti mapování výnosu u dalších stroj jsou však rovnž intenzivn zkoumány. U sklízecích ezaek je v souasné dob známo a testováno hned nkolik systém. idla zjišování okamžité prchodnosti jsou založena na rzných principech. Nejprve se objevila snaha usuzovat na okamžitou prchodnost materiálu pi sklizni z píkonu pracovních mechanism stroje. Byly sledovány zmny píkonu základní jednotky (ezací buben, vkládací válce, žací adaptér) a zmny píkonu metae. Píkon základní jednotky se nezdál být tak vhodným ukazatelem, jako píkon metae, protože je znan ovlivován otupením ezacího bubnu a dalšími vlivy. Pi mení píkonu rzných ástí sklízecí ezaky bylo rznými autory dosaženo koeficientu determinace v okolí hodnot R 2 =0,95. Další možností je mení mezery mezi vkládacími válci. Podle rzných autor se jedná o pijatelný kompromis mezi nároností technického ešení celého systému a oekávanou pesností. Nevýhodou je kalibrace celého systému pro sklize rzných plodin. Koeficienty determinace se pro tuto metodu pohybují v rozmezí R 2 =0,95-0,97. Zkoušely se také radiometrické metody. Pi testech byla prokázána jejich vhodnost, nicmén problém je použití radioaktivního záení, i když má zanedbatelnou intenzitu. Dalším testovaným principem je mení založené na principu práce nárazové desky. Také zde se podle rzných autor koeficienty determinace pohybují v rozmezí R 2 =0,95-0,97. Metoda se proto jeví jako vhodná. Byla zkoušena u návsné i samojízdné sklízecí ezaky. Byl testován rovnž senzor kapacitní. Zde však platilo, že okamžitou prchodnost lze urit pouze pi souasné znalosti okamžité vlhkosti sklízeného materiálu nebo naopak. Tato metoda vyžaduje další výzkum. Pomocí laserového idla je možno zjišovat tloušku vrstvy procházejícího materiálu v odhazové koncovce sklízecí ezaky. Pi souasném mení jeho rychlosti lze zjistit jeho objem a tím i prchodnost. Koeficienty determinace se pro tato mení pohybovaly okolo R 2 =0,97. Z pehledu je patrné, že je vyvinuto a otestováno nkolik nadjných mících metod a je asi pouze otázkou asu, kdy se mapování výnos pi sklizni sklízecí ezakou zane tak rozšiovat, jako mapování výnos pi sklizni sklízecími mlátikami. Klíová slova: sklize pícnin, sklízecí ezaky, mapování výnos Úvod Mapování výnos polních plodin je jedním ze základních prvk precizního zemdlství. Pro tvorbu výnosových map pi sklizni zrnin bylo vyvinuto hned nkolik systém, které jsou dnes v praxi rozšíeny. Liší se pedevším metodou zjišování okamžité prchodnosti sklízeného materiálu. Výnosová idla pracují na objemovém a hmotnostním principu mení prchodnosti. Pomrn znaná pozornost byla vnována také možnosti mapování okamžitého výnosu a následné tvorby výnosových map pi sklizni píce sklízecí ezakou. I zde je dnes známo a vyzkoušeno nkolik funkních systém. V praxi však zatím není mapování výnos pi sklizni sklízecími ezakami zdaleka tak rozšíeno, jako mapování výnos obilovin pi sklizni sklízecí mlátikou.

2 2 Možnosti mapování výnos pi sklizni pícnin sklízecí ezakou Mení prchodnosti založené na principu sledování píkonu základní jednotky a metae. Vansichen a De Baerdemaeker (1993) sledovali za úelem získávání údaj o okamžité prchodnosti materiálu sklízecí ezakou píkon na poháncím hídeli metae a píkon pohonu ezacího bubnu, vkládacích válc a ádkového kukuiného žacího adaptéru zárove. Z dvod konstrukce ezaky nebylo možno od sebe tyto ti pracovní ásti stroje oddlit. Uvedené ti ásti stroje byly autory nazvány základní jednotkou. Pedlohový hídel pohonu základní jednotky a hídel pohonu metae byly za tímto úelem vybaveny torzními senzory. Rychlost otáení hídel byla mena tachometry, které se skládaly z ozubených kol a indukních sníma. Rychlost pohybu stroje po pozemku byla mena radarovým senzorem. Pohyb stroje vped a vzad byl také snímán snímaem, který automaticky vypínal celý systém v pípad, že se stroj zaal pohybovat smrem vzad. Další idlo bylo použito pro urení zaátku a konce sklízených kukuiných ádk. Obr. 1: Závislost píkonu metae sklízecí ezaky meného prostednictvím prmrného naptí torzních tenzometr na prchodnosti podle Vansichena a De Baerdemaekera (1993), upraveno. Pi vyhodnocování výsledk mení prchodnosti se ukazovalo, že hodnoty namené na pohonu metae mly pro lineární závislost vyšší koeficient determinace (R 2 = 0,995) a menší smrodatnou odchylku. Hodnoty namené na pohonu základní jednotky nebyly natolik pesné (R 2 = 0,949). Bylo to pravdpodobn zpsobeno tím, že mený toivý moment je do znané míry ovlivnn eznou silou, která závisí na rzných vlastnostech porostu podobn jako na otupení nož atd. Moment mený na pohonu metae je mén závislý na tchto fyzikálních vlastnostech. Pro mení výnosu byl z tohoto dvodu použit signál z metae. Na obr. 1 jsou data získaná pi mení píkonu metae. Data pro kalibraci celého systému byla získána pro prchodnosti menší než polovina maximální výkonnosti stroje. Pi tchto prchodnostech zstávala rychlost otáení metae prakticky konstantní. Jestliže bylo pro urení prchodnosti použito píkonu metae namísto pouze jeho toivého momentu, neznamenalo to ve výsledku velkou chybu. Pi vyšších prchodnostech by však mohlo docházet ke zmn rychlosti otáení metae. V tom pípad by bylo vhodnjší použít jeho píkon. Pi vyšších prchodnostech také není jisté, že závislost prchodnosti na tchto údajích bude lineární. Podobný princip mení použili Tremblay a kol. (1994). Zjistili koeficienty determinace R 2 =0,7 až 0,86. Autoi použili v tomto pípad pro urování prchodnosti materiálu princip mení píkonu ezacího ústrojí vetn metae. Pi použití této metody je

3 3 nezbytné zjišovat vlhkost sklízeného materiálu. Další parametry je nutno urovat pro každou sklízecí ezaku zvláš, protože závisejí na úinnosti ezacího ústrojí a metae každého konkrétního stroje. Vztah mezi píkonem a prchodností materiálu také ovlivuje otupení nož a vzdálenost ostí a protiostí. Snížení takto vznikajících chyb je možno dosáhnout pouze správnou kalibrací. Mení mezery mezi vkládacími válci. Jinou možností mení okamžitého výnosu je mit mezeru mezi horními a spodními vkládacími válci vkladae sklízecí ezaky (Auernhammer a kol., 1994, Ehlert a Schmidt, 1995). Pi tomto mení ovlivovaly rzné vlastnosti porostu proces jeho stlaování. Pro každý sklízený porost musela být provedena vždy nová kalibrace. Rozdíly mezi jednotlivými pozemky, rozdílná zralost atd. znamenaly nepesnosti v mení výnosu. Ehlert a Jrschik (1997) uvádjí, že se jedná o pijatelný kompromis mezi nároností technického ešení celého systému a oekávanou pesností. Tato technika mže být použita pro každý typ sklízecí ezaky, protože každá z nich stlauje válci vkladae ezaný materiál ped vstupem do ezacího ústrojí. Za úelem mení vzdálenosti vkládacích válc byly dv samojízdné sklízecí ezaky vybaveny mícím zaízením založeným na principu elektronického úhlomru, který mil mnící se úhel nastavení pohyblivých horních vkládacích válc. Signály získávané z úhlomru byly zaznamenávány na PCMCIA kartu a posléze poítaov zpracovány. Dalšími doplujícími snímanými údaji byla rychlost otáení vkládacích válc ezaky, pojezdová rychlost a okamžitá poloha stroje snímaná v systému DGPS. Na základ tchto snímaných signál je možno za použití GIS vytvoit výnosovou mapu a provádt statistické analýzy (Ehlert a Schmidt, 1995). Byla zjišována korelace mezi stední šíkou vrstvy materiálu vkládané do ezného ústí sklízecí ezaky, mené prostednictvím vzdálenosti vkládacích válc od sebe, a prchodností. Mení se uskutenila pi sklizni travin, ozimého jemene a kukuice na siláž. Získané závislosti byly lineární avšak s rozdílným sklonem jednotlivých pímek (obr. 2). To bylo zpsobeno rozdílnou vlhkostí sklízeného materiálu, druhem sklízeného porostu a rychlostí vkládaného materiálu. Protože všechny sklízené plodiny byly vždy pouze z jednoho pozemku, byly vždy relativn vyrovnané a mly také pibližn stejnou vlhkost pi sklizni, bylo možné urit relativní rozdíly mezi jednotlivými místy pozemku. V závru bylo konstatováno, že tento princip mení ale stále vyžaduje další pokusy pro zlepšení jeho pesnosti a vyešení otázek zavedení do praxe. Podobný princip mení použili rovnž Martel a Savoie (1999) s tím rozdílem, že snímali vzálenost vkládacích válc od sebe (nikoliv úhel natoení nosníku horního vkládacího válce). Údaje z mení vzdálenosti vkládacích válc pi sklizni kukuice vykazovala lineární závislost na prchodnosti s koeficientem determinace R 2 =0,937. Tato mení byla dosažena pi prchodnostech v rozmezí od 15 do 32 kg.s -1 vlhkého materiálu a vlhkosti sklízeného materiálu 78,7 %. Schmittmann a kol. (2001) rovnž sledovali funkci systému urování prchodnosti založeného na principu zjišování tloušky vrstvy vkládaného materiálu na samojízdné sklízecí ezace Claas Jaguar 690 SL. Ta byla mena tak, že lineárními potenciometry byla zjišována zmna natažení pitahovacích pružin ramen horních vkládacích válc na obou stranách vkladae stroje. Rychlost vkládaného materiálu byla zjišována pomocí kontaktního snímae otáek spodního hladkého válce. Pro tuto metodu mení prchodnosti byl namen koeficient determinace lineární funkce o hodnot R 2 = 0,97. Prchodnost materiálu se pohybovala v rozmezí od 28,8 do 57,6 kg.h -1.

4 4 Obr. 2: Závislost vzdálenosti vkládacích válc sklízecí ezaky na prchodnosti rzných plodin podle Ehlerta a Jrschika (1997). Upraveno. Diekhans (2002) uvádí, že na základ provování firmy Claas se jako nejlepší metoda mení okamžité prchodnosti materiálu sklízecí ezakou jeví mení vzdálenosti posledního horního vkládacího válce. Tato metoda je úinná i v pípad, že se bere v potaz množství variabilních rušivých element. Senzor je založen na práci bezdotykového potenciometru a z tohoto dvodu poskytuje mnoho výhod díky své jednoduchosti a spolehlivosti. Mení založené na principu práce nárazové desky. Missotten a kol. (1997) zkoušeli možnost mení prchodnosti materiálu sklízecí ezakou v odhazové koncovce pomocí zakivené nárazové desky. První pokusy s tímto typem senzoru provádli autoi na návsné sklízecí ezace. Senzor prchodnosti materiálu se skládal z usmrovací desky, nárazové desky a radarového idla rychlosti materiálu. Usmrovací deska usmrovala pohyb materiálu na nárazovou desku, která mila sílu vyvíjenou tokem materiálu s takto ureným smrem nárazu na desku. Síly psobící na nárazovou desku (odstedivá síla a síla tecí) jsou závislé na rychlosti materiálu procházejícího odhazovou koncovkou. U sklízecích ezaek tato rychlost závisí na rzných parametrech, jako je nastavení stroje, vlastnosti sklízeného materiálu a okamžitá prchodnost strojem (Auernhammer a Demmel, 1996). Za tímto úelem byly instalovány radarové senzory pro korekci rychlosti. Umístní idel na stroji je na obr. 3. Z výsledk vyplynulo následující. Mení byla uskutenna na dvou porostech s rznými vlastnostmi. Prvním porostem byla silážní kukuice, která byla velmi suchá. druhým porostem byl porost zeleného hnojení, který ml vlhkost více než 80 %. Zelené hnojení bylo sklízeno bhem deštivého poasí. Jednotlivé zkušební jízdy byly uskutenny s rznou pojezdovou rychlostí, aby se dosáhlo rozdílných prchodností. Celková hmotnost ezanky získané pi zkušební jízd byla porovnávána s elektrickými signály získanými nárazovou deskou. Grafy na obr. 4 jasn ukazují, že typ sklízené plodiny neml žádný vliv na mení závislosti elektrického signálu na zvážené hmotnosti prošlého materiálu. Namené hodnoty jsou okolo jedné pímky pesto, že oba porosty mly naprosto rozdílné vlastnosti. To také znamená, že podobné mení vbec nezávisí na vlastnostech (nap. vlhkosti) sklízeného materiálu. To v praxi znamená, že se snižuje nutnost velkého množství kalibrací pro rzné sklízené materiály aniž by se snižovala pesnost mení. Navíc pi sklizni není na podobné

5 5 kalibrace mnoho asu. Grafy na obr. 4 ukazují odchylky jednotlivých mení od kalibraní kivky. Obr. 3: Vybavení návsné sklízecí ezaky idly pro mení prchodnosti materiálu (Missotten a kol., 1997). Upraveno. Chyby mení bžn pekraovaly 15 % a více. Tyto chyby byly zpsobeny nerovnomrnostmi prtoku, zmnou rychlosti materiálu, chybami mení (chyba v mítku, nkterý materiál nedolétnul do vozu) a malou hmotností vzork. Návsné sklízecí ezaky nebývají vybaveny metaem. To znamená velmi nerovnomrný tok materiálu pímo odhazovaného ezacím bubnem v odhazové koncovce. Velmi rychlá zmna prchodnosti materiálu z maxima na tém nulu bhem 2 sekund znamená velmi nevýhodné podmínky pro mení. Obr. 4: Závislost signál z nárazové desky na množství prošlého materiálu. (Missotten a kol., 1997). Upraveno. Protože se mnila rychlost materiálu, bylo nutno pistoupit ke korekci podle jeho rychlosti. Jestliže se použilo rychlostní korekce podle radarových senzor, bylo dosaženo toho, že všechny chyby mení byly pod 5 % hmotnosti vzorku. Bylo také nameno, že

6 6 pootoení odhazové koncovky mnící smr odhozu materiálu o 90 0 nemá vliv na mené hodnoty. Barnett a Shinners (1998) zjistili velmi dobrou závislost nárazové síly mené zakivenou nárazovou deskou umístnou v odhazové koncovce sklízecí ezaky pi sklizni vojtšky (R 2 =0,87) a kukuice na siláž (R 2 =0,79). Autoi publikovali chyby mení ± 9 % u vojtšky a ± 12 % u kukuice. Martel a Savoie (1999) také získali velmi dobrou závislost údaj nárazové desky na prchodnosti materiálu. Tato závislost byla dosahována pi prchodnostech od 15 do 32 kg.s -1. Pro mení použili tenzometrického pevodu síly vyvolané materiálem na nárazovou desku. Pi polních meních byla zjištna lineární závislost mené prchodnosti na údajích z nárazové desky s koeficientem determinace R 2 =0,948 pi použití elektronického filtru, který odstínil rušivé vlivy, jako nap. chvní stroje atd. Schmittmann a kol. (2001) rovnž mili nárazovou sílu materiálu v odhazové koncovce sklízecí ezaky. Uvádjí, že hmotnostní tok materiálu vytváí impuls síly. Ta mže být mena napíklad pomocí usmrovací desky na konci odhazové koncovky sklízecí ezaky. Z toho dvodu byla smrovací deska odhazové koncovky autory nahrazena nárazovou deskou. Signály z nárazové desky byly rovnž filtrovány pomocí elektronického filtru. Suma signál nárazové desky byla sledována v závislosti na hmotnostních datech. Lineární regrese ukazovala pijatelný koeficient determinace R 2 = 0,95. Další možnosti mení prchodnosti materiálu pi sklizni sklízecí ezakou Auernhammer a Demmel (1996) mili výnos nukleonovým idlem umístným v odhazové koncovce samojízdné sklízecí ezaky. Na samojízdnou sklízecí ezaku John Deere 6810 bylo na odhazovou koncovku nainstalováno idlo založené na radiometrickém principu mení pi použití Americia 241. Na spodní stranu koncovky byl za úelem zvýšení pesnosti mení výnosu rovnž pidán radarový senzor pro zjišování rychlosti materiálu v koncovce. Také rychlost stroje byla snímána radarovým idlem. Systém mení prchodnosti kapacitní metodou testovali Martel a Savoie (1999). Prchodnost vlhkého materiálu závisela na kumulativní frekvenci oscilátoru spojeného s kondenzátorem. Pro vojtšku a kukuici je však nutná známost rzných specifických parametr stejn jako pro materiály s rznou délkou ástic. Také je nutná korekce pro rznou vlhkost sklízeného materiálu. Tento systém proto nemže být použit bez souasného nezávislého mení vlhkosti sklízeného materiálu. Když jsou známy tyto parametry, je možné zjistit okamžitou prchodnost materiálu nebo jeho vlhkost za podmínky, že jedna z tchto promnných je známá. Tak je možno zjistit jednu z tchto veliin, jestliže je druhá urena dalším nezávislým idlem Schmittmann a kol. (2001) rovnž mili tloušku vrstvy sklízeného materiálu v odhazové koncovce sklízecí ezaky. V tomto pípad je nutné kontinuální mení profilu vrstvy odhazovaného materiálu, rychlosti odhazovaného materiálu a jeho hustoty. Profil byl zjišován laserovým snímacím systémem, který sestával z emitoru infraerveného laserového záení a jeho pijímae a vnitního rotujícího zrcadla. Systém uruje vzdálenost od toku materiálu za použití asu cesty od zdroje laserových puls. Rotující zrcadlo snímá plochu toku rostlinného materiálu pomocí dvojdimensionálních dat. Rychlost toku rostlinného materiálu byla snímána klasickým radarovým senzorem. Díky získávání tchto dvou skupin dat mže systém vypoítat objemovou prchodnost hmoty. Protože byla rovnž paraleln zjišována hustota následným vážením, mohla tato laserová jednotka urit jak objemový tak hmotnostní prtok sklízeného materiálu. V pípad mení objemu odhazovaného materiálu v koncovce byly údaje o objemu materiálu v odhazové koncovce sledovány v závislosti na celkové hmotnosti sklízeného materiálu. Lineární regrese mla koeficient determinace R 2 = 0,97.

7 7 Na obr. 5 je píklad sklízecí ezaky vybavené rznými senzory pro zjišování okamžité prchodnosti materiálu pi sklizni a pijímaem signálu DGPS pro tvorbu výnosové mapy. Obr. 5: Umístní mících systém pro mení okamžitého výnosu na samojízdné sklízecí ezace. Schmittmann a kol. (2001). Upraveno. Další možné smry vývoje Kormann a Flohr (2002) uvádjí, že krom mení okamžité prchodnosti sklízeného materiálu sklízecí ezakou lze také kontinuáln sledovat jeho vlastnosti, jako napíklad vlhkost sklízeného materiálu (tedy vlastn množství vody v nm), obsah protein, obsah vlákniny atd. Bylo zjištno, že je v podstat možné všechny tyto vlastnosti sledovat pomocí infraerveného idla. Pesnost tohoto mení je podle prvních výsledk pomrn dobrá. Nicmén pro její zlepšení bude nutno uskutenit mnoho kalibraních mení. Pesnost práce tchto systém mení závisí rovnž na pesnosti urování okamžité prchodnosti materiálu strojem. V souasné dob je však cena všech tchto systém v pípad jejich umístní na samojízdnou sklízecí ezaku pomrn vysoká. Ovšem lze pedpokládat, že v pípad jejich rozšíení by jejich cena postupn klesala. Závr Ze zde uvedené literární rešerše je patrné, že možnostem mapování výnos pi práci sklízecích ezaek je rznými autory vnována znaná pozornost jak v Evrop, tak na americkém kontinent. Zdá se, že mapování výnos pícnin je složitjší problém, než mapování výnos zrnin. Je to dáno pedevším velmi rozdílnými vlastnostmi sklízených materiál. Jejich sklizová vlhkost se napíklad mní v daleko širším rozsahu, než je tomu u zrnin. Rovnž výnosová hladina je znan rozdílná, a již v dsledku sklizn rzných plodin nebo v dsledku sklizn rzných seí tchto plodin.

8 8 V budoucnu však lze pedpokládat, že bude stále vtší roli hrát kontrola kvality potravin. Nkteré systémy mapování jsou však schopny vyešit i tento požadavek, jak bylo v píspvku rovnž naznaeno. Literatura 1) Auernhammer, H., Demmel, M., Muhr, T., Rottmeier, J., Wild, K. (1994): Site Specific Yield Measurement in Combine and Forage Harvesting Machines. (94-D-139) Proceedings of International Conference on Agricultural Engineering AgEng 94, Miláno 2) Auernhammer, H., Demmel, M., Pirro, P. (1996): Lokale Ertragsermittlung mit dem Feldhäckslern. Landtechnik 3/96, KTBL Darmstadt, s ) Barnett, N. G., Shinners, K. J. (1998): Analysis of systems to measure mass-flow-rate and moisture on forage harvesters. ASAE Paper No St. Joseph, Michigan, ASAE 4) Diekhans, N. (2002): Ein praxisnahes Verfahren für eine Ertragsmessung an Feldhäckslern. Proceedings of Conference: Agricultural Engineering, Halle, VDI Verlag GmbH, s ) Ehlert, D., Jürschik, P. (1997): Techniques for Determining Heterogeneity for Precision Agriculture. Precision Agriculture 1997, BIOS Scientific Publishers Ltd, s ) Ehlert, D., Schmidt, H. (1995): Ertragskartierung mit Feldhäckslern. Landtechnik 4/95, s ) Kormann, G., Flohr, W. (2002): Ingredients Measurement on Self Propelled Forage Harvesters. Proceedings of AgEng 2002 Budapest, Paper No. 02-PA-009, s ) Martel, H., Savoie, P. (1999): Sensors to Measure Forage Mass Flow and Moisture Continuously. ASAE Paper No , St. Joseph, Michigan, ASAE. 9) Missotten, B., Broos, B., Strubbe, G., De Baerdemaeker, J. (1997): A Yield Sensor for Forage Harvesters. Precision Agriculture 1997, BIOS Scientific Publishers Ltd, s ) Schmittmann, O., Kromer, K-H., Weltzien, C. (2001): Yield Monitoring on Forage Harvester. Proceedings of PMA, CUA Prague, s ) Vansichen, R., De Baerdemaeker, J. (1993): A Measurement Technique for Yield Mapping of Corn Sillage. J. agric. Engng. Res. 55, s