Autonomní robotické prostředky v polní výrobě a krajinný prostor (1)
17. 10. 2024 Precizní zemědělství Zobrazeno 1546x
V souvislosti s rozvojem využití autonomních robotických systémů v polní výrobě narůstá potřeba systémových řešení spojených s jejich reálným uplatněním v praxi. Jestliže byl doposud pohled na tyto systémy zaměřen především na hodnocení technických a technologických řešení samotných strojů, dochází dnes k ověřování jejich praktického využití s ohledem na co nejvyšší ekonomickou návratnost investice samotného stroje a agregovaného nářadí, včetně obsluh v pozicích operátorů.
Použité zkratky: |
Transport souprav
Dosavadní zkušenosti zemědělské praxe ukazují, že efektivita práce není spojena jen s plošným výkonem souprav a s jejich spolehlivostí, ale je zásadně ovlivněna podmínkami pro jejich uplatnění na větším počtu půdních bloků (PB) či dílů půdních bloků (DPB). Především se jedná o časové prostoje spojené s transportem soupravy mezi sousedními pozemky, kdy není potřeba soupravu převážet a o prostoje vznikající při transportu soupravy s nutností převozu na podvalníku. V současné době jsou tyto procesy řešeny samozřejmě za přítomnosti obsluh, které zajišťují manuální řízení stroje při přejezdy mezi sousedními, či vzdálenými, pracovními parcelami (plocha vnímaná z pohledu robota jako celek dokládající kompletní pracovní úkol po jehož splnění se zastaví).
Konkrétní zkušenosti z farem dokládají, že na krátké vzdálenosti v desítkách až stovkách metrů jsou řešeny chůzí obsluhy nebo jejím jetím v automobilu se současným řízením robota. Při přesunu na delší vzdálenosti je souprava robota přepravena na vhodném podvozku taženém adekvátním tažným prostředkem ve vztahu k velikosti a hmotnosti soupravy. Pořízení transportní soupravy představuje samozřejmě další investici. Mnohdy je problémem samotný vjezd přepravní soupravy na pozemek či nalezení vhodného místa pro naložení či složení soupravy mimo pozemek samotný.
Tvary pozemků
Dalším faktorem určujícím efektivitu práce je tvarová členitost PB či DPB, včetně vnitřních částí jako jsou remízky, solitérní stromy, sloupy elektrického vedení, skruže meliorací apod. Většina výrobců autonomních robotických platforem dodává se strojem vlastní software pro stanovení linií pracovních jízd. Manager pohybu plánující pracovní linie soupravy ve vztahu k agregovanému nářadí pracuje nejen s technickými parametry soupravy, ale zohledňuje i bezpečnostní prvky provozu. Standardně je při plánování trajektorií ponechán ochranný pruh od hranice PB či DPB. Tvarově složitější PB a DPB je nutné optimalizovat nejen z důvodu efektivity práce robota, ale i pro zjednodušení výpočtových algoritmů manageru pohybu.
Z hlediska algoritmů pohybu je nutné stanovit systém práce se souvratěmi, které lze obhospodařovat pomocí robotického systému nebo individuálně s využitím strojů osazených obsluhou. Každá z možností má své výhody a nevýhody. Zpracování souvratí robotem snižuje plošný výkon, i když je souvrať zpracovávána jako souvislé objetí pozemku. Při zpracování robotem však vznikají nezpracované plochy, protože souprava s připojeným nářadím nemůže překročit hranice stanovené plochy a klasické „couvnutí“ s nářadím za hranici pozemku zde není možné. V zahraničí (např. v Německu a v Maďarsku) se často setkáváme se zpracováním souvratí klasickou soupravou s obsluhou, ale to naráží na vázání pracovníka a při větší vzdálenosti pozemků to je ekonomicky a časově náročné.
Z hlediska podmínek České republiky je efektivita zásadně problematická nejen z důvodu velikosti výměry jedné plodiny 30 ha (respektive plochy 10 ha pro SEO), ale i ve vztahu diverzifikaci plodin, kdy lze očekávat nutnost střídání rozdílných plodin z hlediska termínu zpracování půdy a setí.
Optimalizace zemědělské krajiny
Uplatnění robotických platforem v polní výrobě však nesouvisí jen s optimalizací vnitřních částí PB či DPB, ale je spojeno s vytvářením systémových částí krajinného prostoru, které by měly zajistit následující funkce:
- Vytvořit prostorově navazující PB či DPB, které zajistí rychlý a bezpečný přejezd soupravy autonomního prostředku pod dohledem obsluhy nebo zcela autonomně, s dominantním provozem mimo veřejné komunikace, blízkosti sídel apod.[PŠ1]
- Pro pohyb soupravy mezi PB či DPB je nutné využít stávající vstupy nebo vytvořit nové, které navazují na optimalizovaný pohyb soupravy (body počátku a konce práce soupravy, místa pro doplnění PHM apod.).
- V rámci optimalizace vnitřních částí PB a DPB musí být vytvořeny pracovní parcely, které odpovídají požadovanému pracovnímu výkonu soupravy ve vztahu k možnostem obsluhy, ke spotřebě paliva apod.; dosavadní zkušenosti ukazují, že autonomní robotické systémy pro polní výrobu v pozici tažného prostředku pro nesené nářadí (150 PS) dosahují dlouhodobou výkonnost na úrovni 2,66 ha/h (průměrná rychlost 6,65 km/h) se zahrnutím času na obsluhu, přepravu apod.
- Při optimalizaci vnitřních částí PB či DPB dochází nejen k jejich prostému dělení, ale k vytváření pravidelných vnitřních produkčních ploch. Jejich tvorba je však spojena se vznikem technicko-neprodukčních ploch (slouží k otáčení techniky, k transportu, k zajištění environmentálních funkcí apod.) nacházejících se okolo produkčních zón, jeli vytvořena v PB či DPB jedna nebo i mezi více produkčními plochami na jednom PB či DPB.
- Při optimalizaci vnitřních částí PB či DPB je nutné respektovat nejen pracovní záběry strojů agregovaných s robotickým prostředkem, ale i s dalšími stroji, které budou zajišťovat agrotechnické operace (postřikovače, sklízecí mlátičky, aplikátory organických hnojiv apod.).
- Optimalizace produkčních ploch vychází ze záběrů agregovaných strojů, které jsou v současné době nejčastěji stroje pro zpracování půdy (talířové a radličkové kypřiče) a secí stroje. Autonomní robotické platformy s výkonem motoru 150 PS jsou agregovány se stroji o záběru 3–4 m (obr. 1). Jsou-li autonomní prostředky využívány jen pro zpracování půdy, není potřebné optimalizaci vnitřních produkčních částí plánovat na jednotlivé záběry stroje, protože lze pracovat s překrytím záběrů. Při využití pro setí, je nutné se záběry kalkulovat, neboť na trhu nejsou dostupné secí stroje pro úzkořádkové plodiny se sekční kontrolou výsevních botek.
- Při plánování prostupnosti mezi PB či DPB a mezi vnitřními produkčními částmi pozemků je nutné počítat i s možností průjezdu konvenční techniky pro případ provedení pracovních operací v případě poruchy autonomního prostředku, provedení operací vyžadující vyšší výkon traktoru apod.
- Důležitou otázkou při plánování práce je systém zpracování souvratí, stanovení jejich šíře, změna souvratě na pozemku vůči původnímu stavu apod.
- V rámci optimalizace krajiny pro práci robotických systémů se současně uvažuje i o vytvoření servisních zón, např. zpevněné plochy, zastřešené plochy apod., proto je důležitým parametrem pro optimalizaci krajinného prostoru i analýzy vlastnických vztahů a reálnost tvorby těchto zařízení pronajaté půdě, či primárně preference vlastní půdy.
- Členění PB či DPB na vnitřní produkční plochy a okolní technické neprodukční plochy, především případný vznik technicko-neprodukčních ploch by měl korespondovat s výnosovými parametry pozemku, tedy je směřovat na nejméně úrodné části (spíše ekonomicky nejméně efektivní, a primárně pracovat s půdou vlastní, kde nedochází k zatížení ploch nájemným.
Obr. 1: Autonomní robotické platformy s výkonem motoru na hranici 150 PS jsou agregovány se stroji o záběru 3–4 m
Optimalizace krajiny v praxi
V letošním roce je v zemědělském subjektu AGRA Řisuty s.r.o. řešena problematika optimalizace krajinného prostoru a půdních bloků pro využití autonomního robotického systému.
Primární analýza vychází z hodnocení potenciálně vybraných PB či DPB, které lze na základě prostorového umístění v krajinném prostoru integrovat do systémových propojených celků (obr. 2). Obrázek 2 dokumentuje roztřídění PB či DPB do nově plánovaných kategorií erozní ohroženosti dle DZES 5, které budou limitovat výměru jedné plodiny a postupy jejich dělení, a dále zachycuje stávající vstupy na pozemky.
Na obrázku 3 jsou výsledky multikriteriální faktorové analýzy (MFA) vybraných parametrů půdních bloků určujících potřebu optimalizace z hlediska pohybu zemědělské techniky s podkladem vrstvy vlastnické struktury půdy. Pozemky spadající do třídy I jsou pro pohyb techniky vhodné, třída IV ukazuje na potřebu optimalizace PB či DPB.
Software pro tvorbu trajektorií robotických systémů primárně pracuje s tvarem pozemku, jako s primární proměnou. Tvarovou složitost (jako jeden ze vstupních parametrů pro další analýzy) PB či DPB charakterizuje tzv. Landscape Shape Index (LSI, obr. 4), jenž vyjadřuje vztah mezi obvodem pozemku a jeho obsahem. Výsledkem rovnice je hodnota porovnávající tvar pozemku s tvarem čtverce. Hodnoty blížící se 1 jsou srovnatelné s tvarem čtverce. Je-li hodnota nižší než 1 tvar se tvarově blíží kruhu. Naopak čím je hodnota od 1 větší, tím je tvar složitější. V současné době se ověřuje využití hodnot LSI pro primární analýzu potřeby optimalizace pozemku pro reálnost stanovení výpočtu managery pohybu.
Na základě návrhu optimalizace trajektorií pohybu pro stroje o záběru 3 m pro PB zahrnuté do analýz pro využití polních robotů je na tvarově komplikovaném půdním bloku (obr. 5) s hodnotou LSI 1,82 patná složitost optimalizace jízd.
Výsledky jednoznačně poukazují na potřebu vnitřní optimalizace vedoucí ke vzniku vnitřních produkčních ploch. Tvarově optimální pozemek (obr. 6) vykazuje vhodné podmínky pro optimalizaci trajektorií.
Obr. 2: Roztřídění potenciálně využitelných PB či DPB do nově plánovaných DZES 5, které budou limitovat výměru jedné plodiny a postupy jejich dělení, zachyceny jsou i stávající vstupy na pozemky
Obr. 3: Výsledky multikriteriální faktorové analýzy (MFA) vybraných parametrů půdních bloků určující potřebu optimalizace z hlediska pohybu zemědělské techniky, podkladem je vrstva vlastnické struktury půdy; pozemky spadající do třídy I jsou pro pohyb techniky vhodné, třída IV ukazuje na potřebu optimalizace PB či DPB
Obr. 4: Hodnoty tzv. Landscape Shape Index (LSI), jenž vyjadřuje vztah mezi obvodem pozemku a jeho obsahem; výsledkem rovnice je hodnota porovnávající tvar pozemku s tvarem čtverce
Obr. 5: Návrh optimalizace trajektorií pohybu pracovní robotické platformy v agregaci se stroji o záběru 3 m na tvarově komplikovaném půdním bloku s hodnotou LSI 1,82
Obr. 6: Tvarově optimální pozemek vykazuje vhodné podmínky pro optimalizaci trajektorií
Závěry
Problematika využití autonomních robotických prostředků je primárně spojena s problematikou řešení prostorového uspořádání půdních bloků v krajinném prostoru a s optimalizací jejich vnitřních částí. Efektivní uplatnění autonomních robotických platforem v polní výrobě je podmíněno systémovým přístupem vycházejícím z provedení adekvátních změn krajinného prostoru.
Práce vznikla v rámci projektů: QL24020309 - Systém environmentálně-technických optimalizací prostorových parametrů zemědělských pozemků v kontextu setrvalého efektivního hospodaření (NAZV) a EIP - Registrační číslo žádosti je 23/001/5377a/100/005351.
Doc. Ing. Václav Brant, PhD.1, Ing. Jiří Kapička2, Ing. Jan Lang2, Doc. Ing. Milan Kroulík, Ph.D.1, Ing. Vítězslav Krček, Ph.D.3, Ing. Michal Krutiš4, Ing. Patrik Vítek5, Ing. Josef Chára1
1Centrum precizního zemědělství při ČZU Praha; 2Výzkumný ústav meliorací a ochrany půdy, v.v.i.; 3AGRA Řisuty, s.r.o.; 4AGRI-PRECISION s.r.o.; 5Leading Farmers CZ, a.s.
foto: V. Brant
Další články v kategorii Precizní zemědělství