Autonomní robotické prostředky v polní výrobě a krajinný prostor (2)

20. 11. 2024 Doc. Ing. Václav Brant, PhD. a kol. Precizní zemědělství Zobrazeno 469x

Současné robotické platformy využívají pro optimalizaci pohybu autonomních souprav vlastní managery pohybu. Využití individuálního softwarového vybavení pro optimalizaci pohybu je součástí nejen obchodní strategie výrobců, ale rovněž úzce souvisí se zajištěním zásad bezpečného pohybu robotů z hlediska omezení rizik a se zvýšením právní ochrany výrobce a provozovatele strojů. Stávající výpočtové algoritmy managerů pohybu dobře pracují s pravidelnými půdními bloky (PB) či s díly půdních bloků (DPB). U nepravidelných tvarů PB a DPB je nutné provést optimalizaci tvaru ploch.

Návrh trajektorií jízd

V rámci přípravy vybraných půdních bloků pro využití autonomní robotické platformy AgBot 5.115T2 (výrobce AGXEED) ve společnosti AGRA Řisuty probíhá ověřování vhodnosti jednotlivých pozemků z hlediska plánování trajektorií pohybu pracovní soupravy robota a agregovaného nářadí. Jednou z modelových souprav představuje agregace tažného prostředku AgBot 5.115T2 s talířovým kypřičem Amazone Cenio 3000 o pracovním záběru 3 m (obr. 1).

Obrázek 2 znázorňuje návrh trajektorií jízd soupravy se zahrnutím třech souvratí na tvarově optimálním DPB bez nutnosti provedení tvarové optimalizace.

Standardně jako u managerů trajektorií pro konvenční prostředky používané v zemědělské výrobě lze pomocí modelování pohybu autonomních prostředků stanovit nejefektivnější způsob pohybu po daném pozemku. Výsledkem analýzy je stanovení času potřebného pro provedení dané pracovní operace a stanovení celkové dálky trajektorií na pozemku (obr. 3). Stanovení odhadu časové náročnosti pro zpracování pozemku je potřebné i pro plánování denních výkonů souprav z hlediska plánování času operátora ve vztahu k doplnění PHM, převedení stroje na další pozemek apod. Při volbě vhodného řešení je však nutné počítat se skutečností, že tyto parametry nemusí při změně směru jízdy vykazovat pozitivní korelaci. Tuto skutečnost dokládá vliv změny směru pracovní jízdy na obrázku 3 (varianta 3), kdy změnou směru vůči variantám 1 a 2 došlo k nárůstu spotřeby času na zpracování, ale délka trajektorií je menší vůči variantě 2. Dalším kritériem pro hodnocení je následně počet otáček a plocha opakovaně zpracované půdy.

Obr. 1: Pracovní souprava autonomní robotické platformy AgBot 5.115T2 a talířového kypřiče Cenio 3000, využívaná pro modelové ověřování vhodnosti PB a DPB pro návrh trajektorií jízd

Obr. 2: Návrh trajektorií pohybu testované pracovní soupravy o pracovním záběru 3 m managerem pohybu (P. Vítek)

Obr. 3: Vliv směru orientace pracovních jízd na spotřebu času pro zpracování pozemku (P. Vítek, V. Brant, 2024)

Faktory ovlivňující výkon soupravy

Z hlediska plánování trajektorií autonomních prostředků je nutné pracovat i s plánováním míst, kde souprava začne pracovat a kde práci ukončí (červené a zelené body na obrázcích s trajektoriemi). Dosavadní praxe při nesystémovém propojení PB či DPB vycházela z předpokladu, že místo začátku práce se shoduje s místem ukončení práce. Při snaze o sériové propojení pozemků se tyto body mohou lišit.

Zásadní vliv na plošný výkon pracovní soupravy má samozřejmě pracovní záběr. Obrázek 4 dokumentuje vliv změny pracovního záběru soupravy (3 m a 3,95 m) na plošný výkon v čase a na celkovou délku ujetých trajektorií. Se změnou záběru agregovaných strojů, zejména při zpracování půdy, ale i ve vztahu k velikosti zásobníků secího stroje, je nutné kalkulovat s dostatečným výkonem motoru tažného prostředku a na svažitých pozemcích počítat alespoň s 10 % rezervou výkonu motoru potřebnou na překonání svahu.

V rámci optimalizace pracovních jízd je při plánování nutné zohlednit hledisko překrytí pracovních záběrů, tedy opakované přejezdy. Při prostém zpracování půdy není opakovaný přejezd zásadním problémem, primárně se však projeví na zvýšení spotřeby času na zpracování pozemku, zvýšením spotřeby PHM a na opotřebení zejména mechanických součástek, pneumatik či pásů, na nárůstu spotřeby provozních kapalin na reálnou plochu pozemku apod. u tažného prostředku, ale souběžně i mechanickým opotřebením pracovních nástrojů u stroje pro zpracování půdy. Jiný pohled na zpracování půdy nastane při provádění aplikace kapalných či pevných látek při dané operaci, kde dochází ke zvýšení dávkování, zejména na okrajích pozemků. Souběžnou aplikaci kapalných či pevných látek za pracovní nástroje lze z hlediska vývoje robotických souprav očekávat. Obtížné je však v této chvíli odpovědět na otázku, zda bude z technického a ekonomického hlediska efektivní stroje vybavovat sekční kontrolou pro aplikaci látek.

Zásadní problém je však při setí, kde bude při opakovaných přejezdech bez uplatnění vyšších prvků automatizace secích strojů docházet k přesevům, které lze jak z ekonomického, tak agronomického pohledu považovat za negativní. Obdobná situace je při využití kolových robotických systémů pro kultivaci během vegetace. Ve vztahu k těmto pracovním operacím se zatím jako vhodnější ukazuje optimalizace produkční plochy ve vztahu k záběrům secích strojů při dodržení shodných záběrů strojů pro kultivaci během vegetace. Důsledkem je však vznik environmentálně-technických ploch na PB či DPB.

Obr. 4: Vliv změny pracovního záběru soupravy na spotřebu času pro zpracování pozemku (P. Vítek, V. Brant, 2024)

Ověřování tvarové optimalizace půdních bloků

V rámci optimalizace vnitřních částí PD či DPB jsou ověřovány rozdílné varianty tvarové optimalizace ve vztahu k možnostem managerů pohybu. Pro modelové ověření byly použity optimalizované tvary PB, kdy se počítalo především s rovnými stranami a modelové pozemky byly vytvořeny jako násobky záběru stroje, tedy 3 m. Do plochy pozemku byla po stranách PB ve směru pracovních jízd přidán ochranný pás o šířce 1 m. Tvary testovaných pozemků dokládá obrázek 5.

Výsledky zpracování pohybu soupravy v manageru přejezdů pro soupravu AgBot 5.115T2 s talířovým kypřičem Amazone Cenio 3000 o pracovním záběru 3 m dokumentuje tabulka 1. Průměrná pracovní rychlost při práci mimo souvratě byla 7 km/h. Obrázek 6 zobrazuje pohyb soupravy na souvrati ve vztahu k rozdílným tvarům pozemku.

Provedená hodnocení prokázala, že parametrizovaná optimalizace PB či DPB vycházející z tvorby pravidelných tvarů a násobků záběru nejčastěji používaného stroje, či strojů, je vhodná pro použití ověřovaného manageru trajektorií. Zároveň lze dané zásady využít pro optimalizaci vnitřních produkčních ploch PB či DPB. Časová náročnost na zpracování PB se pohybovala v od 14:03 do 15:25 h. Délka trajektorií od 90,9 do 95,0 km.

Obr. 5: Tvary optimalizovaných PB pro stanovení parametrů pohybu soupravy, výměra ploch je shodná a činí 26,48 ha

Tab. 1: Výsledky zpracování pohybu soupravy v manageru přejezdů pro soupravu AgBot 5.115T2 s talířovým kypřičem Amazone Cenio 3000 o  pracovním záběru 3 m    

Obr. 6: Pohyb modelové soupravy na souvrati ve vztahu k rozdílným tvarům pozemku (P. Vítek, M. Kroulík, 2024)

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, Doc. Ing. Milan Kroulík, Ph.D.¹, Ing. Patrik Vítek², Ing. Jiří Kapička³, Ing. Jan Lang³, Ing. Vítězslav Krček, Ph.D.⁴, Ing. Michal Krutiš⁵, Ing. Josef Chára^1
1Centrum precizního zemědělství při ČZU; ²Leading Farmers CZ, a.s.; ³Výzkumný ústav meliorací a ochrany půdy, v.v.i.; ⁴AGRA Řisuty, s.r.o.; ⁵AGRI-PRECISION s.r.o.

foto: V. Brant