Využití systémů GPS u techniky pro pěstování rostlin

Transkript

1 Mendelova univerzita v Brně Provozně ekonomická fakulta Využití systémů GPS u techniky pro pěstování rostlin Bakalářská práce Vedoucí práce: Ing. Jiří Pospíšil, CSc. Tomáš Malinka Brno 2010

2 Děkuji vedoucímu práce Ing. Jiřímu Pospíšilovi, CSc. za cenné rady a připomínky při tvorbě bakalářské práce. Dále bych chtěl poděkovat zemědělské společnosti Zemo, spol. s r.o. za ochotu při provádění praktického měření, firmě Zetech Sokolnice a firmě GEODIS Brno za spolupráci a poskytnutí potřebných informací a materiálů pro tvorbu této práce.

3 Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Využití systémů GPS u techniky pro pěstování rostlin vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. V Brně dne 12. prosince 2010

4 Abstract Malinka, T. The use of GPS systems in plant growing technology. Bachelor thesis. Brno, The bachelor thesis describes GPS technology and explains the functionality of that system. It deals with the possibility of using GPS technology in agriculture, mainly to guide the machine. The theoretical section explains the global satellite positioning systems, machine guidance on land, correction signals, the level of machine control and the individual elements of navigation. The practical part is compared to the manual instruction and guidance equipment with navigation. Keywords GPS, RTK, satellite, satellite systems, navigation. Abstrakt Malinka, T. Využití systémů GPS u techniky pro pěstování rostlin. Bakalářská práce. Brno: Mendlova Univerzita v Brně, Bakalářská práce popisuje technologii GPS a vysvětluje funkčnost zmíněného systému. Zabývá se možností využití technologie GPS v zemědělství, hlavně při navádění stroje. V teoretické části jsou vysvětleny globální družicové polohové systémy, vedení stroje po pozemku, korekční signály, úrovně řízení stroje a jednotlivé prvky navigace. Praktická část tvoří porovnání manuálního navádění stroje a navádění s pomocí navigace. Klíčová slova GPS, RTK, satelit, družicové systémy, navigace.

5 Obsah 5 Obsah 1 Úvod a cíl práce Úvod Cíl práce Globální družicový polohový systém Glonass Galileo Navstar GPS Historie GPS Charakteristika GPS Princip GPS Využití Výhody a nevýhody GPS GPS v zemědělství Vedení stroje po pozemku Přesnost naváděcího systému Korekce chyb DGPS Differential Global Positioning System RTK Real Time Kinematic RTK VRS RTK Virtual Reference Station RTK Extend Terénní korekce iguide Úrovně řízení stroje na pozemku Manuální řízení Asistované Autopilot Jednotlivé prvky navigace Přijímač... 27

6 Obsah Ovládací panel Volant Světelná lišta Předpokládaný vývoj GPS navigace v zemědělství Metodika práce 33 5 Vlastní práce Charakteristika podniku Měření Souprava použitá při měření Naměřené a vypočtené hodnoty Bez použití navigace (manuální řízení) S použitím navigace AutoTrac Celková úspora nafty, času a mzdy obsluhy Vyhodnocení měření a diskuze Závěr 44 7 Literatura 45 8 Obrázky 48 9 Tabulky 49

7 Seznam obrázků 7 Seznam obrázků Obr. 1 Satelit 13 Obr. 2 GPS segmenty 15 Obr. 3 Schémata vedení stroje po poli 18 Obr. 4 Chyby GPS 19 Obr. 5 Rozdílné korekce GPS 20 Obr. 6 RTK 21 Obr. 7 RTK Extend 22 Obr. 8 Princip terénního vyrovnání 23 Obr. 9 Poziční přijímač StarFire itc 24 Obr. 10 Použití systému iguide 24 Obr. 11 Světelná lišta GreenStar Lightbar 26 Obr. 12 Ovládací panel Topcon X20 28 Obr. 13 Valtra RoboTrac 32 Obr. 14 Valtra Robotrac 32 Obr. 15 Vedení po poli se smyčkovitou otáčkou bez použití navigace 37 Obr. 16 Vedení po poli při použití navigace AutoTrac 39 Obr. 17 Spotřeba nafty s navigací a bez 43

8 Seznam tabulek 8 Seznam tabulek Tab. 1 Vliv externích chyb na přesnost určení polohy (m) 20 Tab. 2 Korekce signálů John Deere + vlastní úpravy 22 Tab. 3 Porovnání technik navazování paralelních pracovních jízd25

9 Symboly a zkratky 9 Symboly a zkratky GPS Globálně poziční systém GNSS Global Navigation Satelite System Navstar Navigation signal Timing and Ranging Glonass Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema GIS Geografický informační systém DGPS Diferenciální globálně poziční systém RTK Real Time Kinematic RTK VRS Real Time Kinematic Virtual Reference Station DPZ Dálkový průzkum Země SP Standard precision HP High precision S Výměra zpracované části pozemku [ha] Bk Konstrukční záběr [m] Bp Pracovní záběr [m] d Délka zpracovaného pozemku [m] LZ Šířka zpracované části pozemku [m] β Součinitel využití Vp Pracovní rychlost [km/h] Cn Cena nafty [Kč/l] Cp Hodinová mzda pracovníka [Kč/h] n Počet přejezdů m Celková výměra společnosti [ha] Tc Celkový čas [min] K02 Součinitel využití operativního času [min] QT Spotřeba nafty [l] Ws Skutečná výkonnost [ha/h] Wt Teoretická výkonnost [ha/h] Qha Spotřeba nafty na hektar [l/ha] Qh Spotřeba nafty za hodinu [l/h] Qn Celková úspora nafty [l]

10 Symboly a zkratky 10 Cnu Celková úspora nákladů na naftu [Kč] Vt Celková časová úspora [h] Vc Celková úspora mzdy obsluhy [Kč] x Úspora času [h]

11 Úvod a cíl práce 11 1 Úvod a cíl práce 1.1 Úvod Informační technologie v současné době hrají velkou roli v každé oblasti života. Mnohokrát velmi ulehčí lidskou práci. Počítačové prvky patří k běžnému standardu a neustále jsou vyvíjeny dokonalejší inovace. Využívají se nejen v průmyslu, obchodě a vědě, ale i v zemědělství. Použití IT v zemědělství se stále více prosazuje a získává na oblibě. Použití techniky v zemědělství se orientovalo především na zvyšování výkonu strojů nebo zvyšování záběru zemědělského nářadí, které však od určité míry ztrácí efektivnost. Dnes se výrobci nové techniky snaží své stroje vyrábět tak, že do nich lze bez problému zabudovat počítače, které nahradí manuální práci obsluhy a lze jimi dosáhnout požadovaných hodnot. Jedním z moderních systémů, který našel uplatnění v zemědělství, je globální polohový systém (GPS), který se pomalu stává běžnou součástí každého většího zemědělského podniku. Díky GPS navigaci lze v zemědělství dosahovat lepších výsledků a eliminovat tak počet průjezdů po poli, čímž se sníží i počet otáčení na souvrati, úspora pohonných hmot, méně času při výkonu stejné práce jako bez navigace, menší opotřebení pneumatik a další podstatné věci, jako úspora postřiku, osiva apod. Výrobci zemědělských strojů se už razantně začali zajímat o automatizaci a informační technologie, které využívají ve svých strojích. To, co bylo dříve science fiction se dnes stává skutečností a stále více traktorů je vybaveno palubním počítačem, počítačově řízeným vstřikováním, navigací GPS, nebo autopilotem se souvraťovým managementem, který dokáže při jednom otáčení na souvrati nahrát všechny instrukce a ty pak při každém dalším otáčení na souvrati samočinně vykonávat. Díky tomu mají pracovníci nejvyšší komfort a mohou se plně věnovat kontrole, aniž by se museli pozastavovat nad manuálním řízením stroje. 1.2 Cíl práce Cílem práce je zhodnotit současný stav a předpokládaný vývoj v oblasti technických prvků s využitím systémů přesného určování polohy stroje na pracovišti a kvantifikovat rozdíl v efektivnosti použití stroje při práci s naváděcím systémem AutoTrac a při práci bez tohoto systému za stejných podmínek. Práce poukazuje na to, jak informační systémy umožňují ulehčit a automatizovat procesy i ve specifickém odvětví, jakým je zemědělství.

12 Globální družicový polohový systém 12 2 Globální družicový polohový systém Globální družicový polohový systém (anglicky Global Navigation Satelite System - GNSS) je systém, který má za úkol určovat přesnou prostorovou polohu. GNSS využívá družice na oběžné dráze, hlavním cílem je celosvětové pokrytí s co možná nejpřesnějším určením polohy. Díky vysílaným signálům z družic může běžný uživatel pomocí přijímače zjistit přesnou polohu na zemi (s určitou odchylkou závisející na používaném přijímači a korekci chyb) (Geodis, 2010b). V dnešní době je na světě hojně využíván Navstar GPS, který provozuje armáda Spojených států amerických. Další podobné systémy zabývající se stejnou problematikou jsou ruský Glonass, na evropské půdě vytvářený polohový systém Galileo a čínský Compass (Balušík, 2010). 2.1 Glonass Global'naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema je globální družicový polohový systém vyvíjený Ruskem. Jeho Vývoj začal v roce 1970, kdy Ministerstvo obrany SSSR, Sovětské námořnictvo a Sovětská akademie věd spolu sepsali dokument o vytvoření jednotného polohového systému pro použití na zemi, ve vodě i ve vzduchu, který byl přijat až roku Konstelace družic je stejně jako u Navstar GPS 24 družic, z nichž 21 bude aktivních a 3 budou pasivní jako náhradní družice. Družice jsou od Země vzdáleny km a Zemi oběhnou za 11 h 15 min. Družice obíhají Zemi po 3 kružnicích, kde na každé kružnici je 8 symetricky umístěných družic, které jsou číslovány od 1-8 na první, 9=16 na druhé a na třetí kružnici. Vysílaný signál je dvojího typu a to SP standardní přesnost (standard precision) a HP vysoká přesnost (high precision) (Šunkevič, 2007, a). 2.2 Galileo Galileo je navigační systém vyvíjený v Evropské unii a pojmenovaný podle Galilea Galileiho. Oproti ruskému Glonass a americkému Navstar GPS, jenž jsou vojenské projekty je Galileo nezávislý evropský projekt, který umožní využívat přesný signál bez zkreslení i v době válečných konfliktů. Zahájení projektu bylo v červenci 1999, kdy byly udělané studie na vývoj, financování a mimo jiné i dohoda o spolupráci s ostatními zeměmi. Navigační systém Galileo je navržen tak, že je na oběžné dráze ve výšce km nad Zemí 30 družic, které obíhají Zemi po třech různých dráhách se sklonem dráhy 56. Na každé dráze je 9 aktivních družic a 1 záložní, kdyby některá z aktivních družic přestala fungovat (Vališ, 2005). Díky různorodosti požadavků uživatelů bylo vytvořeno 5 služeb (Vališ, 2005):

13 Globální družicový polohový systém 13 Open Service (OS) bude volně dostupná služba pro nejširší veřejnost. Tato služba bude zcela zdarma a na její využívání bude stačit pouze zařízení na příjem tohoto signálu. Commercial Service (CS) bude služba podobná jako OS, ale navíc bude nabízet více signálů, které budou zpoplatněny. Díky tomu bude možnost určit přesnější polohu než u OS. Safety of Life Service (SOL) bude šifrovaná, zpoplatněná služba určená pro dopravu, primárně pro letectví. Search and Rescue (SAR) bude služba určená pro pátrání a záchranu umožňující lokalizaci a oboustrannou komunikaci s pohřešovanými. Public Regulated Service (PRS) bude šifrovaná služba určená pro bezpečnostní složky státu, jako policie, armáda 2.3 Navstar GPS Navstar GPS je globální polohový systém vyvinutý v USA. Tento systém je primárně určen pro vojenské účely, ale je umožněno i jeho civilní využití (Bergmann, 2006). I přesto že vývoj a výroba stojí několik miliard dolarů, je GPS signál pro civilní obyvatele zcela zdarma (Šunkevič, 2007). Obr. 1 Satelit zdroj: Historie GPS Prvním družicovým navigačním systémem byl Transit, který byl úspěšně testován již v roce 1960 a sloužil hlavně na určování polohy plavidel (Bergmann, 2006). Projekt Transit následovalo několik dalších systémů, z nichž nejznámějším je Navstar GPS, jehož vznik se datuje do roku 1973, kdy započala první fáze vývoje. V této době byly vypuštěny 4 pokusné družice, testovány

14 Globální družicový polohový systém 14 pozemní stanice a konstruováno uživatelské zařízení (přijímač). Ve druhé fázi ( ) bylo vypuštěno celkem 11 družic, budovány pozemní stanoviště, a celkový návrh z 18 družic se zvýšil na 24 družic (Specialista.info, 2005). Do roku 1992 řídil celý systém Druhý Vesmírný oddíl (2nd Space Wing), který byl zrušen a od tohoto roku nahrazen Padesátým vesmírným oddílem (50th Space Wing). Trojrozměrného zaměřování bylo poprvé dosaženo v roce 1993 a roku 1994 bylo na oběžné dráze všech 24 družic, a tím poprvé zajištěna plná funkčnost systému. V letech 1998 byl uveřejněn plán na modernizaci, který měl přidat dva civilní signály, díky kterým by se zlepšila spolehlivost a přesnost. V květnu 2000 nastalo vypnutí tzv. selektivní dostupnosti (selective availability 1 ), a tím nastal plnohodnotný příjem signálu civilním uživatelům (Šunkevič, 2007) Charakteristika GPS Celý systém je rozdělen do tří částí: Kosmický segment byl původně projektován na 24 družic (nyní lze použít i více), které obíhají ve výšce zhruba km nad Zemí po šesti kruhových drahách, se sklonem 55 stupňů k rovině rovníku. Doba jednoho oběhu Země je 11 hodin 58 minut 2 (Bergmann, 2006). Družice vysílají signály na dvou kmitočtech a z každého místa na Zemi by měly být vidět alespoň 4 družice (běžně je to 6 družic) (Specialista.info, 2005). Řídící segment se skládá z monitorovacích stanic, které monitorují družice a získané informace předávají do hlavního řídícího střediska na letecké základně Schriever v Colorado Springs v Coloradu, kde se vyhodnocují získaná data a provádí se korekce signálu, dráhy letu, synchronizace atomových hodin a pomocí komunikačních stanic se opravené a nové instrukce předávají zpět družicím (Bergmann, 2006). Družice disponují také systémem AUTONAV (Autonomous navigation mode), neboli systémem díky kterému se v případě zničení pozemních stanic dokáží družice po dobu až 6 měsíců samy navigovat a porovnávat stav palubních hodin ( 2010b). Uživatelský segment je tvořen GPS přijímači, pomocí kterých lze zjistit vlastní polohu a čas. Tyto přijímače se skládají z antény pro příjem GPS signálu a procesoru pro výpočet údajů (Šunkevič, 2007). Jsou pasivními prvky, které pouze získávají a vyhodnocují signál GPS (Specialista.info, 2005). 1 Selective availability - opatření proti zneužití, kdy se do C/A kódu radiového signálu od roku 1990 záměrně zanášela chyba, aby byl signál zkreslený (Šunkevič, 2007). 2 Neboli doba oběhu je 12 hvězdných hodin (Šunkevič, 2007).

15 Globální družicový polohový systém 15 Obr. 2 GPS segmenty Zdroj: Princip GPS Jednotlivé družice vysílají signál 3, pro civilní uživatele je to L1 signál s danou frekvencí 1575,42 MHz, kde se vysílá C/A kód a L2 signál s přidělenou frekvencí 1227,62 MHz, jenž vysílá C kód. Každá družice je také vybavena atomovými hodinami s rubidiovým, nebo cesiovým oscilátorem pro určení přesného času. Pseudonáhodný kód je digitální vzorek signálu, který vysílají družice ve stejný čas. Jakmile tyto signály dorazí k přijímači, jsou přijímačem vyhodnoceny a vypočítány. Díky tomu, že jsou viditelné družice v různé vzdálenosti od přijímače, tak každý digitální vzorek signálu vyslaný ve stejný čas z různých viditelných družic přijde do přijímače v nestejný čas. Přijímač za předpokladu, že jde o přímou vzdálenost mezi družicí a přijímačem, tento signál vynásobí rychlostí světla, a tím zjistí vzdálenost mezi družicí a přijímačem. Pokud jsou přímo viditelné alespoň 3 družice, lze vypočítat z těchto 3 různých vypočtených vzdáleností přesnou polohu, kde se přijímač právě nachází. Pokud je viditelných družic více, alespoň 4 (což je v dnešní době standard), lze zjistit kromě polohy přijímače také nadmořskou výšku. Obecně platí, že čím více viditelných družic, tím více přijatých signálů a tím pádem větší přesnost výpočtu polohy (Bergmann, 2005). Každé vysílání a příjem signálu závisí na přesném času. V družicích je to zajištěno pomocí atomových hodin, které jsou ovšem velmi nákladné, proto se musela vytvořit do přijímačů alternativa, která by řešila příjem signálu a jeho vyhodnocení v závislosti na přesném času. Tento problém byl vyřešen tak, že se do přijímačů instalovaly pouze křemíkové hodiny, které se neustále resetují (Bergmann, 2006). 3 Tento signál se šíří rychlostí světla, tedy km/s ve vakuu (Bergmann, 2006).

16 Globální družicový polohový systém Využití GPS zasahuje do nejrůznějších odvětví lidské činnosti. Stále více se využívá nových, moderních a spolehlivějších technologií, které dokáží nesrovnatelně ulehčit lidskou práci. GPS je v této době využíváno ve všech důležitých sférách průmyslu, jako letectví a doprava obecně, ve stavebnictví, ale i v zemědělství, kde každým rokem získává na významu. S postupem času a výrobou nových moderních zemědělských strojů se rozšiřuje i používání GPS v zemědělství a přístroje pro příjem GPS signálu se pomalu stávají běžnou součástí vybavení každého samojízdného stroje Výhody a nevýhody GPS Tak jako každý naváděcí systém má i GPS své klady a zápory, které určitým způsobem ovlivňují práci při použití těchto systémů. Výhody Nezávislost na počasí, denní a noční době. Přesnost a rychlost měření. Nevýhody Potřebný dosah alespoň 4 družic. Nutnost přímé viditelnosti na družice od přijímače GPS signálu, nelze měřit v tunelech, pod vodou a v hustě zastavěných městech, nebo zarostlých místech jako hustý les, prales apod. Zhoršený signál v blízkosti stromů (sady, okraj lesa). Vyšší pořizovací cena.

17 GPS v zemědělství 17 3 GPS v zemědělství GPS technologie má v zemědělství různé možnosti využití. S GPS technologií v zemědělství souvisí i pojem precizní zemědělství, což je nový způsob hospodaření, lišící se od klasického konvekčního přístupem k pozemku. U precizního zemědělství se přistupuje individuálně k jednotlivým dílčím plochám pozemku oproti klasickému hospodaření, kde je pozemek chápán jako homogenní celek. Systém precizního zemědělství lze rozdělit na několik částí. Jednou z těchto částí je i zjišťování variability pozemku pomocí výnosových dat a vzorkováním půdy (Hrůza, 2008). Mapování výnosů je jednou ze základních vrstev zjišťování variability pozemku. Výnosová data popisují variabilitu výnosu dílčích částí pozemku, který je odrazem půdních vlastností daného pozemku. Mapování je prováděno pomocí výnosového monitoru s výnosovým čidlem, palubního počítače se záznamovým médiem a zařízením pro určení přesné polohy, tedy přijímačem GPS (Hrůza, 2008). Další způsob zjištění variability pozemku je vzorkování půdy. Kvalita informací o variabilitě pozemku získaných pomocí vzorkování závisí na rozložení jednotlivých odběrů půdních vzorků. Z těchto vzorků jsou následně laboratorně zjištěny obsahy jednotlivých živin. Pro zjištění přesné polohy jednotlivých odběrů půdních vzorků se využívá navigace GPS (Hrůza, 2008). S výrobou čím dál větších pracovních záběrů klesá přesnost navazování při práci na pozemku bez použití jakéhokoliv navádění. Díky tomu roste důraz na přesnější a lepší navádění. Lze využít jednoduché a ve srovnání s GPS daleko levnější varianty, jako použití pěnových značkovačů na koncích ramen postřikovače. Tyto pěnové znamenáky vypouští v různých intervalech pěnu na pozemek a obsluha stroje se podle ní může řídit při navádění stroje. Další variantou jsou znamenáky na secím stroji, které značí kudy se má daná souprava pohybovat při dalším navazujícím průjezdu. Jedním z hojně využívaných způsobů vedení po poli, jsou kolejové řádky, které se dají využívat jak při manuálním řízení bez navigace, tak při použití s GPS navigací. Pomocí GPS navigace lze dosahovat větší přesnosti s možností využití od manuální úrovně řízení pomocí světelné lišty, až po úroveň autopilot, kdy je výsledná přesnost největší. 3.1 Vedení stroje po pozemku Každý pozemek má různé tvary a svažitost, tudíž můžeme říci, že každé pole je originál. Jen zřídka se stává, že je pole v rovině se sklonem maximálně do jednoho stupně a tvaru čtverce nebo obdélníku. Málokdy se stane, že při obdělávání pole nám nezbude žádný trojúhelník neobdělaného pole na konci, jehož dodělání zabere mnohdy více času než dvojnásobek této výměry v jednom pásu stejně širokém jako traktorové zařízení a dlouhém dle výměry. V neposlední řadě ovlivňují vedení stroje různé překážky jako sloupy vysokého

18 GPS v zemědělství 18 napětí uprostřed pole, studny, stromy, nebo remízky apod. Díky tomuto můžeme rozdělit vedení stroje po pozemku do různých kategorií. Obr. 3 Schémata vedení stroje po poli Zdroj: upraveno podle autora Jednou z možností vedení po poli je adaptivní křivka, kdy se všechny křivky, které obíhají kolem překážky, kopírují, nebo identická křivka, jenž obejde překážku a při další jízdě již křivka kopíruje křivku před překážkou. Tzv. souvraťový model je v principu jízda po souvrati a následná paralelní jízda vně. Další kruhový model, neboli otáčení kolem středu je navržen pro kruhové pole. Jednotlivé jízdy jsou vedeny po kružnicích. Mezi hojně využívané navádění patří A-B model a A+model. A+ model značí jízdu po přímce s definovaným bodem a směrem jízdy. A-B model značí přímku definovanou 2 body A, B, kterou si obsluha traktoru zvolí tím, že označí počáteční bod A, popojede několik metrů (uvádí se zhruba 15 metrů) a označí bod B, tím navigace vyhodnotí další směr jízdy a vedlejší souběžné linie. Poslední je volný model, který můžeme využít ve velmi složitém terénu, kde máme hned několik překážek najednou. Zde se nabízí tato volba výběru jako optimální. 3.2 Přesnost naváděcího systému Statická, je taková přesnost, kdy se přijímač ponechá několik hodin až několik dnů na jednom místě se známými přesnými souřadnicemi a v pravidelných intervalech se zjišťují a ukládají naměřené souřadnice. Jedná se o časově nejnáročnější metodu, na druhou stranu je ale nejpřesnější (Bauer et al., 2006). Dynamická přesnost je nejvýznamnější při hodnocení naváděcího systému. Jedná se o odchylku vedení traktoru od správné jízdy (paralelní linie) (Bauer et al., 2006).

19 GPS v zemědělství 19 Absolutní přesností se rozumí taková, kdy systém je schopen navádět stroj po již známých předem definovaných souřadnicích. Například navádění po dráze, po které se traktor pohyboval při předcházející operaci, kterou na poli vykonával (Bauer et al., 2006). 3.3 Korekce chyb Určení přesné polohy někdy mohou doprovázet špatné vlivy, jako horší geometrické uspořádání satelitů v daný okamžik, chyby satelitních hodin, nebo hodin přijímače, šum vlastního přijímače, odklonění satelitů od svých určených drah, horší propustnost signálu přes zemskou atmosféru, kde díky troposféře a ionosféře může docházet k odchylkám od konstantní rychlosti světla. (Hrůza, 2008) Mezi další problémy výpočtu vzdálenosti patří odraz signálu od překážky. Takový stav je možný při odrazu signálu od velkých budov apod. Výpočet vzdálenosti odraženého signálu je ve výsledku delší, než při přímém signálu. Výpočty těchto nečekaných vlivů jsou v obyčejných GPS přijímačích komplikované, ovšem lze je řešit pomocí diferenciálního GPS, neboli DGPS (Differential Global Positioning System) a pomocí RTK korekce (Bergmann, 2006). Obr. 4 Chyby GPS Zdroj: upraveno podle autora

20 GPS v zemědělství 20 Tab. 1 Vliv externích chyb na přesnost určení polohy (m) Zdroj chyby GPS DGPS Satelitní hodiny 1,5 0 Odklonení od drah satelitů 2,5 0 Ionosféra 5 0,4 Troposféra 0,5 0,2 Šum přijímače 0,3 0,3 Běžné přijímače signálu GPS jsou přesné jen do určité míry, v řádech metrů, což je v zemědělství nedostačující. Pro přesné navádění stroje při setí, postřikování, nebo kypření půdy je nutné přesného vedení v řádech centimetrů, maximálně deseti-centimetrů. Takovéto přesnosti lze dosáhnout při korekci použitím tzv. korekčního signálu. Obr. 5 Rozdílné korekce GPS Zdroj: upraveno podle autora DGPS Differential Global Positioning System Korekční úpravy založené na DGPS, tedy diferenčním GPS snižují nepřesnosti určování polohy až na 0,3 m, případně jen několik centimetrů. Hlavním důvodem tak přesného určování polohy je využití referenčních stanic, neboli přijímačů GPS signálu, které mají přesně určenou polohu. Porovnáváním této přesné polohy a polohy získané výpočty z GPS signálu vznikají tzv. korekce, podle kterých lze téměř přesně (v rozdílu několik cm) navádět traktor s přijímačem DGPS. Samozřejmě záleží i na vzdálenosti referenční stanice od přijímače DGPS (traktoru), čím větší vzdálenost, tím horší přesnost korekcí (Bauer et al., 2006). Jedná se o službu navíc, proto se touto problematikou zabývá mnoho firem po celém světě, které budují referenční stanice a nabízejí své služby zákazníkům za určitý poplatek. Existují i bezplatné korekční signály, které ovšem nedosahují takových přesných výsledků. Mezi nejznámější představitele korekčních signálů patří např.: Omnistar, StarFire, Beacon, Egnos (Bauer et al., 2006).

21 GPS v zemědělství RTK Real Time Kinematic Velmi přesná metoda měření se nazývá kinematické měření v reálném čase, neboli RTK (real time kinematic). Funguje na principu vlastní stacionární stanice, která se umístí na okraj pozemku a přesně se zaměří její poloha. Stanice musí být umístěna tak, aby byla přímá viditelnost mezi stanicí a přijímačem na traktoru (Hrůza, 2008). Poloměr dosahu okolo stacionární stanice firmy Trimble se udává několik kilometrů (zhruba 3 až 10) v závislosti na výkonu stanice a okolních vlivech. Jakmile je přesná poloha stanice zaměřena, může stroj tuto službu využívat. Při přenosu signálu do přijímače traktoru se přenáší oproti DGPS nejen diferenční korekce, ale také kompletní data získaná při kódových a fázových měřeních (Bauer et al., 2006). Podle Štěpánka (2009) se přesnost při použití RTK udává ±2-5 cm, což je v mnohých případech dostatečná přesnost, ovšem jsou větší počáteční investice, kvůli drahé vlastní stacionární stanici. Na druhou stranu se díky takové přesnosti dá dobře využít při setí řádkových kultur apod (JIRKA, 2010a). Obr. 6 RTK Zdroj: upraveno podle autora RTK VRS RTK Virtual Reference Station Je metoda určení přesné polohy, s přesností až ± 2-5 cm, která je velmi podobná RTK, ovšem liší se ve stacionárních stanicích. Oproti RTK, kdy se musí pořizovat drahé RTK stacionární stanice zde tato potřeba odpadá, protože se využívá tzv. RTK VRS (RTK Virtual Reference Station) (Štěpánek, 2009). Jedná se o GPS RTK stanice rozprostřené na různých místech rozsáhlého území, které spolu vytváří síť pokrytí. Údaje z těchto stanic se posílají do výkonných serverů, kde se vyhodnocují a vytvářejí se korekce chyb, jež jsou zpět odesílány. Nad územím, kde právě naváděný stroj pracuje, se vytvoří tzv. virtuální referenční stanice, pomocí nichž jsou pak předávány traktoru vybaveného přijímačem RTK VRS korekční signály. Tyto korekční signály se posílají za pomoci GPRS sítě a modemu, nebo pomocí vysílačky. Hlavním důvodem oproti RTK je použití

22 GPS v zemědělství 22 virtuálních referenčních stanic, kde platí uživatel pouze pronájem, nikoliv nefinancuje vlastní RTK stanici, která je velmi nákladná. Systém RTK VRS je dostupný na celém území ČR. Využití je široké, lze použít při postřikování, hnojení, přípravě půdy, setí, nebo sázení přesných plodin. Od roku 2009 nabízí firma Leading Farmers CZ svou vlastní RTK VRS, dostupnou na celém území ČR. Ve své nabídce má měsíční a roční licenci RTK VRS signálu a nabízí také modem určený do traktorů pro příjem tohoto signálu (JIRKA, 2010a) RTK Extend Firma John Deere ke svým strojům nabízí i RTK stanice, které plně komunikují s přijímači StarFire itc umístěných na zemědělských strojích. Mimo klasické RTK nabízí John Deere také RTK Extend, což je funkce, která plně zachovává funkčnost RTK signálu, pokud dojde k dočasnému omezení šíření signálu. Jestliže byl StarFire itc přijímač napájen déle než hodinu, prodlouží tato funkce RTK přesnost až o 15 minut, pokud byl ovšem přijímač StarFire itc napájen méně než hodinu, bude RTK přesnost prodloužena pouze o 2 minuty. Pomocí této funkce lze RTK korekci plně využít i při dočasném výpadku signálu, např. pokud se v zorném úhlu přijímače vyskytnou překážky, které brání přímé viditelnosti, a tudíž bezproblémovému šíření signálu (John Deere, 2010a). Obr. 7 RTK Extend Zdroj: Tab. 2 Korekce signálů John Deere RTK SF2 SF1 EGNOS 2 cm 10 cm 30 cm 40 cm

23 GPS v zemědělství Terénní korekce Jízda v nerovném terénu představuje určité nepřesnosti, které by zkreslovaly výsledné navádění pomocí navigace na pozemku. Při větším sklonu pozemku by vypočítaný signál bez terénní kompenzace vykazoval zkreslení, odchyloval by se od skutečného bodu o úhel mezi svislicí a přímkou procházející středem traktoru. Tato odchylka už při sklonu terénu 5 a výšce přijímače 4 metry nad úrovní pozemku činí 0,34 metru (Kovaříček et al., 2005). Čím větší svah, tím větší zkreslení, které lze v dnešní době eliminovat využitím prostředků pro kompenzaci terénu. Obr. 8 Princip terénního vyrovnání zdroj: upraveno podle autora Většinou se jedná o zabudované zařízení přímo v pozičním přijímači jako je gyroskop 4 a akcelerometr 5 (Balušík, 2010), nebo o integrovanou elektronickou vodováhu umístěnou v přijímači kolmo na směr jízdy, jenž dokáže určit sklon a tím dojde pomocí hlavního procesoru k následnému přepočtu správného směru (Kovaříček et al., 2005). 4 Přístroj obsahující setrvačník, který zachovává polohu osy své rotace v inerciálním prostoru. 5 Je senzor využívající setrvačnosti hmoty pro měření rozdílu mezi kinematickým zrychlením a gravitačním zrychlením.

24 GPS v zemědělství 24 Obr. 9 Poziční přijímač StarFire itc Zdroj: iguide Další systém pro zpřesnění práce pohybu stroje od společnosti John Deere je systém iguide, jenž dokáže udržet perfektní stopu i při nejtěžších podmínkách. Hlavním cílem je udržet správnou stopu ve svahu nebo složitém terénu, kdy by mohlo dojít ke smyku traktorového přípojného zařízení kvůli jeho hmotnosti, a tím by se vytvořila odchylka od naváděné trasy, což by způsobovalo překrytí nebo vynechání při práci na pozemku. Jedná se o systém namontovaný na traktorovém nářadí, který komunikuje s přijímačem StarFire itc umístěném na traktoru. Vysílané signály systémem iguide se zpracovávají v traktorovém počítači automatického navádění, kde se přehodnotí pozice traktoru a traktorového nářadí, a tím se vypočítá správná dráha jízdy traktoru. Díky tomu lze přesně a pohodlně navazovat na předešlé jízdy a tak zajistit precizní práci na poli (John Deere, 2010c). Obr. 10 Použití systému iguide Zdroj: Záleží na daném podniku a lokalitě, zda využije výhody přesného vedení ve svahu. Investice do tohoto zařízení jsou nemalé, a ne každý si jej nemůže dovolit. V podstatě se jedná o další navigaci připevněnou na přípojném zařízení

25 GPS v zemědělství 25 traktoru, která zvyšuje počáteční náklady na pořízení navigace. Tato služba se dá částečně nahradit i klasickou navigací od firmy John Deere s moderním displejem GreenStar2, kde lze manuálně nastavit odchylku od naváděné trasy způsobenou nerovností pozemku, tedy ve svahu. Jednoduše řečeno, lze navolit, kolik zařízení překrývá, nebo naopak vynechává a tuto vzdálenost (nepřesnost) navigace odečte, nebo přičte k vypočtené trase. 3.4 Úrovně řízení stroje na pozemku Podle požadované přesnosti a nárokům uživatele lze zvolit optimální úroveň řízení na pozemku. Každá úroveň má své výhody, a čím lepší výběr úrovně řízení, tím jsou samozřejmě lepší výsledky, klesá spotřeba nafty a celkový čas potřebný k výkonu dané operace, ovšem za cenu vyšších pořizovacích nákladů. Tab. 3 Porovnání technik navazování paralelních pracovních jízd Zařízení Korekce Požadovaný záběr [m] Počet hodnot Průměrný záběr [m] Směrodatná odchylka [m] Minimum [m] Maximum [m] Omnistar HP, kompenzace svahu ,04 0,062 11,9 12,22 Autopilot DGPS Manuál + světelná lišta Omnistar VBS 21, ,28 0,38 20,75 22,55 Odhad obsluhy Není ,58 0, ,1 Pěnový znamenák Není ,76 0,581 16,7 19, Manuální řízení Manuálním řízením je myšleno manuální řízení člověkem, kterému pomáhá k určení správné trasy monitor, nebo světelná lišta, umístěná v zorném poli řidiče. Nejčastěji se upevňuje světelná lišta na čelní sklo, aby měla obsluha stroje dobrý výhled jak na pole, tak na světelnou lištu. Vylepšenou variantou manuálního navádění je lcd displej, na kterém je vidět aktuální umístění stroje na pozemku a stopy, po kterých má být stroj veden. Pomocí zobrazování trasy na displeji může obsluha dříve a lépe reagovat, a tím ušetřit čas i peníze. Manuální navádění se hodí spíše pro hnojení, nebo pro postřik (Kovaříček et al., 2005). Manuální řízení v podobě světelné lišty nabízí i firma John Deere. Systém GreenStar Lightbar spolu s přijímačem StarFire 300 lze využívat ve všech strojích a typech, nejen u firmy John Deere, ale i u ostatních značek. Světelná lišta navádí obsluhu pomocí 27 barevných led diod, z nichž 3 prostřední jsou

26 GPS v zemědělství 26 zelené a značí přímou trasu, kterou má obsluha udržovat. Pokud se stroj odchýlí od této požadované linie, rozsvítí se červené led diody na té straně světelné lišty, na kterou se stroj vychyluje (John Deere, 2010d). Obr. 11 Světelná lišta GreenStar Lightbar Zdroj: Asistované Asistovaným řízením lze eliminovat chyby způsobené manuálním řízením obsluhy stroje. Řízení je obohaceno o elektromotorek, nebo výměnný volant, jenž nahrazuje manuální řízení obsluhy. Elektromotorek, díky přijatým a vyhodnoceným datům o poloze z navigačního systému, otáčí přes převod s volantem, a tím zajišťuje relativně přesné řízení. Druhou možností je přímo výměnný volant, jenž má stejný efekt jako při dodatečném motorku na řízení. Asistované řízení je přesnější než manuální řízení s pomocí světelné lišty, ovšem i přesto, že se jedná o automatické navádění, existují zde určité odchylky způsobené vůlí všech komponentů (Geodis, 2010a). Jak uvedl pan Jaroslav Tesař ze Zemo spol. s r.o.: Ten motorek to není ono, něco přidávaného v tom jsou jenom vůle na těch převodech, není nad to mít tu navigaci originál přímo zabudovanou v traktoru. Sada AutoTrac Universal ATU od společnosti John Deere zastupuje asistované řízení. Tento produkt v podobě GPS přijímače, výměnného volantu a lcd displeje dokáže navádět stroj po virtuálních liniích navolených na poli bez nutnosti zásahu obsluhy. Dokáže využívat signály SF1, SF2 a RTK a komunikovat i s nejmodernějším ovládacím zařízením GreenStar2. Výhodou je také přenositelnost ze stroje na stroj, kde demontáž, nebo následná montáž zabere jen pár minut (John Deere, 2010e) Autopilot Nejpřesnější úrovní řízení je autopilot. Řízení je ovládáno plně automaticky a přesně. Podle natočení kol a polohy volantu zjišťuje systém směr jízdy stroje, který musí srovnat s požadovaným směrem vypočítaným dle navigace. Přes kontrolní čidla umístěná na řízení se přesně a okamžitě vyhodnotí, jak jsou kola natočená (Balušík, 2010). Navádění kol řídí hydraulické ventily řízení, které ovládá při manuálním řízení obsluha pomocí volantu, nebo přímo navigační jednotka, pokud je zapnutý autopilot. Autopilot se vypne v okamžiku

27 GPS v zemědělství 27 manuálního pootočení volantu stroje způsobeného obsluhou. Opětovné aktivování úrovně řízení autopilot je možné dalším zmáčknutím tlačítka. Oproti asistovanému řízení, kdy s volantem otáčí elektromotorek, se autopilot vyznačuje řízením pomocí automaticky ovládaných hydraulických ventilů (v případě aktivované navigace) (Hrůza, 2008). Pořizovací cena automatické úrovně řízení autopilot bývá vyšší, ovšem náklady na pohonné hmoty se snižují a taktéž čas strávený obsluhou se krátí. Záleží na celkovém využití soupravy, za jakou dobu se vrátí náklady investované do tohoto systému. Vlastní systém AutoTrac z nabídky John Deere je plně automatický integrovaný systém vedení stroje po poli. Spolu s moderním přijímačem StarFire itc, displejem GreenStar a RTK korekcí signálu dokáže sada AutoTrac zajistit optimální přesnost, kterou by i velmi zkušená obsluha dokázala jen těžko nahradit. Šetří se nejen pohonné hmoty a čas, ale díky minimálnímu překryvu osivo při setí, chemikálie při postřiku, nebo hnojivo při hnojení (John Deere, 2010f). Dalším automatickým systémem od firmy John Deere je itec Pro, jenž propojuje automatické řízení AutoTrac a systém řízení nářadí, neboli souvraťový management řídící zvedání předního a zadního neseného nářadí, řízení pojezdové rychlosti traktoru, zapínání vývodového hřídele, hydraulických okruhů, přední hnané nápravy a uzávěrky diferenciálu. Otáčení na souvratí formou hands free spolu s automatickým naváděním po poli umožní obsluze pohodlí po celou dobu práce a výsledná efektivita práce je daleko vyšší, než u manuálního řízení stroje bez navigace (John Deere, 2010g). 3.5 Jednotlivé prvky navigace Všechny součásti navigace mohou být zabudované přímo z výroby, nebo je lze dokoupit a zakomponovat do stroje dodatečně. Někteří výrobci se specializují pouze výrobou GPS technologií pro navigace, jiní vyrábí kromě navigací také vlastní stroje a techniku, na kterých lze tyto navigace využívat. S ohledem na možnosti a využití jednotlivých zákazníků se snaží výrobci dbát na kompatibilitu a vytvářet takové GPS technologie, aby bylo možné využít navigaci na jakémkoliv typu stroje a šlo později dokoupit a inovovat pouze určité součásti navigace, popř. komponovat různé části navigace jednoho výrobce s navigací jiného výrobce, např.: přijímač a monitor (Příručka pro obsluhu Displeje GS2). Mezi hlavního dodavatele GPS systémů pro navigaci přesného zemědělství se řadí firma John Deere, která dodává na český trh GPS technologie, které lze využít nejen u strojů John Deere, ale také u ostatních značek. Dalším významným dodavatelem GPS navigací na český trh je firma GEODIS Brno, která nabízí výrobky společnosti Topcon Přijímač Pro příjem signálu je nutný vlastní přijímač. Tento přijímač slouží k tomu, aby mohl stroj vůbec využívat navigaci a přijímat GPS signál, popř. různé druhy

28 GPS v zemědělství 28 korekčního signálu. Přijímač umí vyhodnotit přesnou polohu a díky zabudované elektronické vodováze u starších modelů (Kovaříček et al., 2005), nebo pomocí gyroskopu a akcelerometru u nových moderních navigací (Balušík, 2010) umí také vyhodnotit polohu stroje vůči terénu. Přijímače se montují buď napevno, nebo jsou konstruovány tak, aby byly odnímatelné a daly se využívat na více strojích. Umístění přijímače je většinou řešeno v nejvyšším bodě stroje, tedy nad úrovní kabiny. Přijímač se skládá z vlastní antény a hardware nutného pro správnou funkci přijímače. Přijímač AGI-3 firmy Topcon je moderní 72 kanálový přijímač se zabudovaným tříosým akcelerometrem, tříosým gyroskopem a dvouosým kompasem pro korekci nakloněného terénu. Tento tříkonstalační přijímač umožňuje přijímat signály ze satelitů GPS navstar, Glonass i Galileo. Umožňuje příjem také velké části korekčních signálů jako EGNOS, WAAS, Omnistar VBS/XP/HP a pomocí přídavné inerciální jednotky i RTK. Přijímač je napájen 5-28 V a disponuje sériovým rozhraním pro propojení s displejem a can-bus sběrnicí pro propojení s volantem (Geodis, 2010c) Ovládací panel Ovládací panel je spolu s přijímačem jeden z nejdůležitějších komponentů celého navigačního zařízení stroje. Pomocí něj lze nejen zobrazovat vedení traktoru, ale kompletně nastavovat nejrůznější parametry, předvolbu vedení stroje, nastavení šířky záběru a mnoho dalšího. Tento Ovládací prvek, dnes již běžně s barevným grafickým dotykovým LCD je elektronicky propojen nejen s přijímačem signálu, ale i s čidly řízení a ovládáním hydraulických ventilů řízení, pokud je tímto traktor vybaven (Hrůza, 2008). Mezi ovládací panely pro navádění v zemědělství od firmy Topcon patří Topcon x20. Obr. 12 Ovládací panel Topcon X20 Zdroj:

29 GPS v zemědělství 29 Specifikace (Geodis, 2010d): 1. Systémový software a HW Windows XP Professional 1GHz procesor 512 MB RAM 2GB pevný disk 2. Barevný dotykový displej 21,3 cm TFT odolný dotykový displej pro vnitřní i vnější použití SVGA 800 x 600 pixelů Barva 32 bit Kontrastní poměr 400:1 Jasnost 400col/m 2 Kontrola jasu prostřednictvím software Podpora externího monitoru XGA (1024 x 768) 3. Rozhraní 4 x RS 232 port COM2 konfigurovatelný na RS 232, nebo RS x USB 2.0 porty (2 vzadu, 2 vpředu) 1 x CANBUS port (ISO 11783) 2 x PS 2 porty (6 pin mini DIN) 1 x VGA port (1280 x 1024, 60 Hz), (1024 x 760, 85 Hz) 1 x 10/100základna T portethernet (RJ 45) 100 Mbs LAN 4. Audio Zesilovač 1,5 w stereo / audio - vnitřní reproduktor Externí stereo vstup / výstup mikrofon (zásuvka 6 pin DIN) 5. Zdroj Vstupní napětí 9-18 V DC Ochrana proti střídání napětí Inteligentní systém řízení výkonu 6. Rozměry Velikost: 188 mm x 248 mm x 70 mm Hmotnost 2,65 kg Dalším displejem od firmy Topcon je GX-45 s úhlopříčkou 12,7 cm. Tento displej je uzpůsoben pro přijímač typu AGI-3. Pomocí něj lze nastavovat nejrůznější parametry jako způsob navádění stroje, předvolení parametrů přípojného zařízení, nebo výběr již nastaveného pozemku. Displej mimo konektorů RS 232, RS 485 a can-bus disponuje také USB konektorem pro

30 GPS v zemědělství 30 vlastní naprogramování, nebo pro stažení datových souborů. Výsledné soubory např. o velikosti pozemku nebo způsobu jízdy po pozemku, které vznikly na základě uložených dat v navigaci, lze za pomoci USB flash disku stáhnout a využít pro další účely (Geodis, 2010c) Volant Volant typu AES 25 od firmy Topcon je určený pro použití s přijímačem AGI-3 a displejem GX-45. Volant je vyvinut jako náhrada za hydraulické ovládání řízení pro automatickou navigaci. Volant je řešen jako elektromotor, tudíž hlavní součásti jsou stator a rotor, který je přímo na hřídeli řízení, takže neobsahuje žádné planetové převody, které by mohly způsobovat vůle. Pro správnou funkci volantu, musí být tento napájen silovým proudem alespoň 3A. Mimo konektoru pro napájení je vybaven i CAN-BUS sběrnicí pro propojení s přijímačem (Geodis, 2010c) Světelná lišta Světelná lišta je vybavena několika barevně rozlišenými led diodami, které pomocí rozsvěcování umožňují obsluze navádění stroje. Čím více led diod světelná lišta obsahuje a čím menší vzdálenost pozemku mezi sebou jednotlivé led diody označují, tím přesnější může být navádění. Světelná lišta je napájena většinou 12V (Geodis, 2010c). 3.6 Předpokládaný vývoj GPS navigace v zemědělství GPS technologie v zemědělství za posledních pár let zaznamenala velký rozmach a vývoj. Automatické řízení osobního automobilu pomocí GPS je zatím ve stádiu experimentů, ovšem v zemědělství se tento trend stal již skutečností. Česká Republika je v zavádění autopilotů v zemědělství na vysoké úrovni v porovnání s Evropou, čemuž také dopomohlo vybudování soukromé RTK VRS sítě určené speciálně pro zemědělství. Daná síť poskytuje celoplošné pokrytí ČR s přenosem pomocí mobilního internetu a GPRS. Pro mnohé zákazníky se tak zpřístupnila cenově dostupná varianta přesnosti ±2-5 cm, která není ani v turistických nebo automobilových navigacích (Jirka, 2010b). S GPS navigací v zemědělství také souvisí ekologické téma a protipovodňová a protierozní ochrana. Díky moderní a přesné navigaci dochází k šetrnému zacházení s přírodou. Přesná aplikace postřiku s eliminací překryvu uspoří zbytečné množství postřiku, které by se dostalo do půdy, jakožto i průmyslové hnojivo a jiné chemické ochranné přípravky, aplikované na pozemku. S ekologií také souvisí menší utužení půdy díky nižšímu počtu přejezdů, úspora pohonných hmot a tím pádem i případných emisí vypouštěných do ovzduší, nebo menším opotřebením všech součástí stroje, kvůli méně přejezdům na stejné výměře, čímž se prodlužuje životnost stroje. Všechny tyto aspekty závisí na přesnosti navigace, neboli čím přesnější navigace, tím větší úspora všech výše uvedených záležitostí. S budoucností se očekává

31 GPS v zemědělství 31 zdokonalování těchto navigací a minimalizace udávaných odchylek. Za předpokladu snížení maximální odchylky na hodnotu ± 1 cm by se mohly nynější úspory ještě zněkolikanásobit (Jirka, 2010b). Budoucnost využití GPS autopilotů v zemědělství spočívá v řízení dopravy po pozemku, tedy budování tzv. CTF (Controlled Traffic Farming), což by znamenalo vytvoření virtuálních kolejí na pozemku, po kterých by jednou pro vždy jezdily stroje. Tím pádem by se docílilo minimálního utužení půdy, které by bylo jen v oblasti kolejí. Takové řešení je ovšem nákladné, protože by se musely všechny stroje vykonávající práci na daném pozemku osadit autopiloty RTK, sjednotit rozchod kol a záběry jednotlivých strojů by musely být v násobcích (Jirka, 2010b). Spolu s vývojem informačních technologií se také vyvíjí hardwarové a softwarové prvky zemědělských strojů a jejich zařízení. Trend miniaturizace, elektronizace a automatizace se stále zdokonaluje a nabírá na síle. Již nyní existují systémy, které dokáží samy řídit a kontrolovat funkci stroje, nebo stroj automaticky otáčet na souvrati, avšak za dozoru a pomoci obsluhy. Budoucností GPS v zemědělství je vývoj takových strojů, které by byly naprogramované tak, že by se pohybovaly samy po pozemku a vykonávaly danou činnost. Všechny parametry jako pozemek, jaká práce se má vykonat a další, by byly předem přesně definované. Obsluha stroje by jej pouze dovezla na pozemek a po vykonané práci odvezla zpět (Jirka, 2010b). Takový stroj by mohl vypadat následovně:

32 GPS v zemědělství 32 Obr. 13 Valtra RoboTrac Zdroj: Obr. 14 Valtra Robotrac Zdroj:

33 Metodika práce 33 4 Metodika práce Vlastní práce vychází z měření ve vybrané zemědělské společnosti ZEMO spol. s r. o. se sídlem v Bohatých Málkovicích. Hlavním cílem je porovnat využití vedení stroje při použití navigace AutoTrac a při manuálním řízení s vypnutou navigací. Pro dané porovnání je potřeba naměřit reálné hodnoty, které jsou základem výpočtů při porovnávaní úspor. Aby bylo docíleno srovnatelných výsledků, je vybráno pole se svažitostí do 1. Měření se provede ve srovnatelných podmínkách, tedy za sucha, aby nedocházelo k velkému prokluzu kol. Měření je také prováděno na relativně homogenním pozemku, se stejným typem půdy, pro zajištění identických podmínek u obou měření. Obsluhu stroje v obou případech zajišťuje zkušený zaměstnanec s mnohaletou praxí a se znalostí ovládání navigace AutoTrac. Měření probíhá na dvou částech pozemku od sebe vzdálenými několik metrů. U obou částí je provedena podmítka se stejným počtem projetí dané soupravy [1], kde na první částí je podmítka prováděna s pomocí navigace a na druhé části je použito manuální řízení soupravy. Na otáčení u navigace je použita metoda otáčení na souvrati a navádění první rovné jízdy, tedy 1. linie a následné navedení a obdělání prostřední paralelní trasy, 7. linie, na jejímž konci je naveden stroj zase do 2. linie Druhá část pole je obdělána tak, že po projetí první jízdy jsou následné jízdy najížděny vedle právě dokončené jízdy obdělaného pásu se snahou o co nejmenší překrytí. Otáčení na souvrati u druhého manuálního způsobu jízdy je řešen smyčkovitou otáčkou. n =počet jízd (1) U každé části je délka [2] zpracovávané části pozemku vytýčena kolíky. d [ m] (2) Dalším důležitým prvkem je zjištění konstrukčního záběru [3] taženého radličkového podmítače. Konstrukční záběr lze jednoduše změřit a uvádí ho také výrobce radličkového podmítače. B k [ m] (3) Celkový měřený čas [4] se počítá od prvního zahloubení, po vyhloubení u poslední jízdy během obdělávání jedné ze dvou částí pozemku. Tento časový úsek značí čistý čas potřebný na práci při podmítce daného počtu jízd jedné části a otáčení na souvrati během obdělávání. Nezapočítává se do něj čas strávený tankováním. Čas otáčení na souvrati je vypočítán tak, že jsou spočteny všechny časy otáčení a vyděleny počtem těchto otáčení a díky těmto časům lze spočítat součinitel využití operativního času K02.

34 Metodika práce 34 c [ min] T (4) Po podmítce každé ze dvou částí je také změřena šířka [5] zpracované části pozemku. Průměrná pracovní rychlost [6] je: L z [ m] (5) [ km h] V p / (6) Stanovení spotřeby nafty [7] je provedeno systémem doléváním nádrže. Před prováděním měření je natankována plná nádrž a po vykonané práci, tj. po podmítce jedné ze dvou částí se dolije opět plná nádrž. Pomocí odměrného válce použitého při dolévání nafty se zjistí množství dotankované nafty, což je spotřebovaná nafta na práci stroje. Dolévání nafty je prováděno na pozemku vždy na stejném místě se strojem směřujícím pokaždé stejným směrem, aby se omezila chyba při určení spotřebované nafty. Q T [ l] (7) Výpočet pracovního záběru [8], tedy šířka zpracovaného pásu měřená kolmo na směr jízdy stroje se stanoví následujícím vzorcem: [ m] Lz B p [ m] = (8) n Součinitel využití β [9], neboli podíl pracovního a konstrukčního záběru se spočítají podle vzorce: B p [ m] β = (9) B [ m] Z naměřené délky a šířky zpracované části pozemku se dá jednoduše vypočíst celková plocha [10] zpracovaného pozemku. S [ ha] k [ m] L [ m] d z = (10) Po naměření výše uvedených potřebných dat lze vypočítat skutečnou [11] a teoretickou [12] výkonnost stroje dle následujících vzorců:

35 Metodika práce 35 W S 1 [ ha / h] = S [ ha] (11) T [ h] C W t [ ha / h] 0,36 B [ m] V [ m] K 02 [ h] = (12) k p Ze vzorců se stanoví spotřeba nafty v závislosti na výměře [13] a čase [14]: 1 Q ha [ l / ha] = QT [ l] (13) S [ ha] 1 Q h [ l / h] = QT [ l] (14) Tc Pro ekonomické zhodnocení je potřeba zjištění ceny nafty [15], hodinová mzda obsluhy [16] stroje a celková výměra společnosti [17]: [ h] C n [ Kč] (15) [ Kč h] C p / (16) m [ ha] (17) Celková úspora nafty [18] je spočtena jako rozdíl spotřeb nafty na hektar bez navigace a s navigací a vynásobením počtem hektarů. Cena, která je uspořena díky této naftě [19], je spočtena vynásobením množství uspořené nafty a cenou za litr nafty: Q C n nu [ l] Q [ l ha] m [ ha] = / (18) ha [ Kč] Q [ ] [ Kč] = C l (19) n Úspora času je spočtena jako rozdíl úspory času na hektar bez navigace a s navigací [20] a vynásobení tímto rozdílem s celkovou výměrou společnosti [21]: 1 1 x [ h / ha] = xbn [ h / ha] xsn [ h / ha] = TC [ h] TC [ h] (20) S [ ha] S [ ha] n V t ( x [ h / ha] x [ h / ha] ) m [ ] [ h] = ha (21) bn sn Nakonec je vypočtena úspora na mzdu obsluhy stroje [22], což je celková úspora času v hodinách vynásobena hodinovou mzdou obsluhy: V Kč = V h C (22) c [ ] t [ ] p

36 Vlastní práce 36 5 Vlastní práce 5.1 Charakteristika podniku Vlastní měření bylo prováděno v zemědělské společnosti Zemo, spol. s.r.o. se sídlem v Bohatých Málkovicích. Společnost zrušila živočišnou výrobu a zaměřuje se pouze na rostlinnou výrobu. Do roku 1992 obhospodařovala 2750 ha, nyní jenom 1800 ha a zaměstnává pouze 19 zaměstnanců na plný úvazek a jednoho na poloviční, z toho se jen 13 lidí fyzicky podílí na obhospodařování celé výměry. Hlavní myšlenkou společnosti je každoročně alespoň dvojí aplikace postřiku a úplné zrušení orby, která je nahrazena podrývkou, čímž se také ušetří mnoho pohonných hmot. První traktor byl zakoupen John Deere 6030 a s rozrůstající společností byly dokupovány další, nyní vlastní Zemo spol. s.r.o. celkem 6 traktorů John Deere, nejvýkonnější 8530 se zabudovanou integrovanou navigací, s kterým bylo prováděno měření. 5.2 Měření Měření se odehrávalo dne na pozemcích okolo obce Bohaté Málkovice. Jednalo se o jednou podmítnuté strniště s půdou hlinito-písčitou. Pole bylo na rovině a při měření bylo sucho, tudíž nedocházelo k nadměrnému prokluzu kol. Pracovní hloubka podmítače byla u obou měření 15 cm. Obsluhu traktoru v obou případech prováděl zkušený zaměstnanec se 40-ti letou praxí v oboru, tudíž přesahy při manuálním řízení stroje nejsou natolik markantní. Obsluha má také tříletou praxi s navigací AutoTrac, tudíž je s navigací sžitá. Všechny výše uvedené faktory mají dopad na výsledné hodnoty. 5.3 Souprava použitá při měření Pro dané měření byl použit traktor John Deere 8530 (320 k / 236 kw) vyrobený v roce 2007, který měl v sobě z výroby zabudovaná čidla řízení a kompletní elektroinstalaci pro případné dokoupení navigace. Samotnou navigaci AutoTrac, vyrobenou v roce 2008 dodala firma John Deere. Navigace se skládá z přijímače StarFire itc, displeje GreenStar2 a naváděcí signál byl využit SF2. Tažené zařízení zajišťoval radličkový podmítač Horsch Tiger o záběru 5 m vyrobený v roce 2007, určený pro intenzivní rozpracování půdy až do hloubky 35 cm. 5.4 Naměřené a vypočtené hodnoty Měření bylo prováděno na dvou různých částech pozemku stejně dlouhých, z nichž jedna část byla využita na měření s navigací AutoTrac a druhá na měření bez navigace, jen s manuálním řízením. Počet jízd byl u obou měření stejný:

37 Vlastní práce 37 Délka zpracované části pozemku byla: n = 12 (23) [ m] d = 944 (24) Konstrukční záběr u radličkového podmítače Horsch Tiger použitého při měření je: [ m] Bez použití navigace (manuální řízení) B k = 5 (25) Při obdělávání jednotlivých paralelních jízd byla použita smyčkovitá otočka na souvrati a následné navedení vedle právě obdělané linie. Obr. 15 Vedení po poli se smyčkovitou otáčkou bez použití navigace Všechny hlavní parametry, jako souprava (traktor se zařízením), půdní podmínky, konstrukční záběr a obsluha zůstávají stejné jako u předchozího měření s aktivní zapnutou navigací. Liší se ovšem pracovní záběr, jelikož obsluha nedokáže udržet stroj tak přesně jako s navigací. Hraje zde roli mnoho parametrů, jakož i to že žádná obsluha nedokáže déle udržet rovnou stopu stroje. Traktorové zařízení je za zády obsluhy, tudíž by se musel pořád otáčet a kontrolovat minimální přesah, není kolmá viditelnost na napojení vedlejší obdělané trasy, ale obsluha ji má z úhlu, tudíž vzniká další zkreslení.

38 Vlastní práce 38 Celkový čas byl změřen od prvního zahloubení po poslední vyhloubení (vyhloubení na konci poslední jízdy). Čas otáčení na souvrati je vypočítán tak, že jsou spočteny všechny časy otáčení a vyděleny počtem těchto otáčení. Z těchto časů lze spočítat součinitel využití K02=0,25. [ min] 1,044 [ ] T c = 57,5 = h (26) Změřením celkové šířky druhé zpracované části pozemku bez pomocí navigace jen s manuálním řízením se zjistí LZ: Pracovní průměrná rychlost stroje je: [ m] L z = 54 (27) [ km h] V p = 12 / (28) Nádrž byla natankovaná do plna a po provedené práci prvního vytýčeného pásu pole byla opět dotankovaná do plna, čímž se zjistilo množství spotřebované nafty: Q T 58, 6 [ l] = (29) Pracovní záběr, který lze vypočíst ze zpracované šířky části pole a počtu jízd se získá následujícím vzorcem: [ m] 54 B p = = 4,5 [ m] (30) 12 Součinitel využití β, neboli podíl pracovního a konstrukčního záběru se spočítají podle daného vzorce: 4,5 [ m] β = = 0,9 (31) 5 [ m] Z šířky a délky zpracované části se opět jednoduše vypočte celková výměra: [ m] 54 [ m] 944 S = = 5,098 [ ha] (32) Z naměřených hodnot lze vypočítat teoretickou a skutečnou výkonnost:

39 Vlastní práce 39 1 W S = 5,098 [ ha] = 4,88 [ ha / h] (33) 1,044 [ h] [ ha h] W t = 0,36 5 [ m] 12 [ m] 0,25 [ h] = 5,4 / (34) Dále se z předešlých dat dá vypočíst spotřeba nafty v závislosti na výměře a čase: 1 Q ha = 58,6 [ l] = 11,495 [ l / ha] (35) 5,098 [ ha] 1 Q h = 58,6 [ l] = 56,13 [ l / h] (36) 1,044 [ h] S použitím navigace AutoTrac Řízení stroje prováděl zaměstnanec s tříletými zkušenostmi s touto navigací, proto najížděl na trasu co možná nejpřesněji s malým úhlem odchýlení od vedené přímky, aby nedocházelo k ostrým rázům při automatickém řízení kol a navigaci zapínal až v blízkosti začátku určené linie. Bylo zvoleno přejíždění na souvrati z první stopy do sedmé a na jejím konci byl stroj naveden opět do druhé stopy, pak do osmé Obr. 16 Vedení po poli při použití navigace AutoTrac