MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

BRNO 2012

JAN ŠTĚTINA

Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav zemědělské, potravinářské a environmentální techniky

Využití systémů GPS u techniky pro pěstování rostlin Bakalářská práce

Vedoucí práce: Ing. Jiří Pospíšil, Csc.

Vypracoval: Jan Štětina Brno 2012

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou 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. Diplomová práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího diplomové práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. Dne.........………………………………………. Podpis diplomanta ….....……………………….

Poděkování Rád bych poděkoval vedoucímu práce Ing. Jiřímu Pospíšilovi, CSc. za možnost zpracovávat tuto práci a za rady při konzultacích. Dále bych chtěl poděkovat panu Zdenku Heverovi za konzultaci problematiky práce se systémem GPS a informace potřebné k této práci.

Abstrakt Bakalářská práce s názvem „Využití systémů GPS u techniky pro pěstování rostlin“ má za cíl popsat systém GPS a seznámit s jeho využitím v zemědělství. Je zaměřena hlavně na možnosti využití při navádění stroje. Práci jsem rozdělil na dvě části, teoretickou a vlastní. V teoretické části je úvod do problematiky geopozicionálních systémů, vysvětlení důležitých pojmů a funkcí systémů a následná možnost jejich využití v zemědělství. V praktické části je porovnání úspor a návratnosti manuálního řízení a manuálního řízení s navigací GPS.

Klíčová slova GPS, GNSS, RTK, navigace, satelit, družicové systémy, precizní zemědělství

Abstrakt The aim of the bachelor thesis "The use of GPS technology for the cultivation of plants" is to describe the GPS system and familiarize the reader with its use in agriculture. The focus of the work is analyzing the possibilities of using GPS in guiding the machine. The work is divided into two parts, theoretical and practical. The theoretical part is an introduction to the topic geopozicional systems, an explanation of the important terms and functions of systems and the possibility of their use in agriculture. The practical part compares the savings and return of finances using manual control and manual control with the GPS navigation.

Keyword GPS, GNSS, RTK, navigation, satellite, satellite systém, precision agriculture

Obsah 1 ÚVOD................................................................................................................................................8 2 CÍL PRÁCE.......................................................................................................................................9 3 METODY MĚŘENÍ POLOHY A JEJÍHO VYHODNOCOVÁNÍ.................................................10 3. 1 Triangulace .............................................................................................................................10 3. 2 DME (Distance Measuring Equipment) ...............................................................................10 3. 3 Dopplerovské měření.............................................................................................................10 3. 4 Stacionární měření.................................................................................................................11 3. 5 Dynamické měření.................................................................................................................11 4 HISTORIE DRUŽICOVÝCH NAVIGAČNÍCH SYSTÉMŮ.......................................................12 4. 1 Systém GPS............................................................................................................................13 4. 2 GLONASS..............................................................................................................................13 4.3 Galileo......................................................................................................................................14 5 AMERICKÝ NAVIGAČNÍ SYSTÉM GPS...................................................................................15 5. 1 Struktura systému GPS...........................................................................................................15 5. 1. 1 Kosmický segment........................................................................................................15 5. 1. 3 Uživatelský segment......................................................................................................18 6 SYSTÉMY PRO ZVÝŠENÍ PŘESNOSTI GPS.............................................................................18 6. 1 DGPS.....................................................................................................................................18 6. 2 RTK........................................................................................................................................19 6. 3 RTK VRS (virtuální pozemní stanice)....................................................................................19 6. 4 RTK Extend............................................................................................................................20 6. 5 Terénní korekce.......................................................................................................................20 7 PRECIZNÍ ZEMĚDĚLSTVÍ...........................................................................................................21 7. 1 Výnosové mapy......................................................................................................................21 7. 2 Vedení stroje na pozemku.......................................................................................................22 7. 3 Manuální řízení.......................................................................................................................24 7. 4 Asistované řízení.....................................................................................................................25 7. 5 Automatické řízení..................................................................................................................26 8 PŘEDPOKLÁDANÝ VÝVOJ........................................................................................................27 9 METODIKA PRÁCE......................................................................................................................28 10 VLASTNÍ PRÁCE........................................................................................................................30 10. 1 Práce na pozemku s naváděním systémem GPS...................................................................32 10. 2 Práce na pozemku s překryvem 5%......................................................................................33 10. 3 Práce na pozemku s překryvem 10%....................................................................................34 10. 4 Práce na pozemku s naváděním systémem GPS...................................................................35 10. 5 Práce na pozemku s překryvem 15%....................................................................................37 10. 6 Práce na pozemku s překryvem 30%....................................................................................38 10.7 Porovnání úspor práce v přepočtu na ha................................................................................40 10. 7. 1 Návratnost investice.....................................................................................................42 11 ZÁVĚR.........................................................................................................................................45 12 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY............................................................................................46 13. SEZNAM OBRAZKŮ ................................................................................................................47 14 SEZNAM TABULEK...................................................................................................................48 15 SEZNAM POUŽITÝCH ZNAČEK..............................................................................................49

1 ÚVOD Od počátku své existence se člověk pohybuje v prostoru, který je nedílnou součástí jeho života. Nejprve v něm přežíval, pak stále častěji začal využívat informace o okolí ke svému prospěchu a blahobytu. Tyto informace byly pouze základní a velmi primitivní. S vývojem člověka se vyvíjelo i získávání a zpracovávání těchto informací. Pokrok ve vývoji trvá až do dnešní doby. V posledních několika desetiletích je vidět nástup nových technologií zpracovávajících data a různé informace. Značná část dat se zaměřuje na zemský povrch, Zemi jako takovou a její blízké okolí ve vesmíru. Mluvíme tedy o geoinformacích a geodatech. Soubor těchto dat, informací a technologii se nazývá geoinformační technologie. Geoinformatika vznikla z mnoha jiných vědních disciplín, jako je například geografie, geologie, geodézie a astronomie. V současné době jsou asi nejznámějšími v tomto ohledu globální informační systémy (GIS) a družicové navigační a polohové systémy. Tyto systémy umožňují velice přesné určení polohy v reálném čase s velkou přesností bez ohledu na počasí kdekoliv na zemském povrchu nebo v blízkém vesmíru. Jejich jedinou nutností je viditelnost na oblohu, kde na oběžných drahách jsou geostacionární družice. Vývoj těchto systémů se datuje na přelom 50. a 60. let 20. století. Dospěl až k jednomu z dnes nejznámějších, nejrozšířenějších a nejlépe vybudovaných systémů na světě, tak zvanému GPS – globálnímu pozičnímu systému. Existují i další, například ruský GLONASS a v blízké době chystané spuštění evropského systému GALILEO. V následujících kapitolách se zaměřím hlavně na historii, vývoj a budoucnost systému GPS, jeho využití v zemědělství a stručně uvedu historii systému GLONASS a GALILEO.

8

2 CÍL PRÁCE Cílem práce je seznámení s problematikou navigačních systémů, zhodnotit jejich současný stav, vývoj a princip fungování. Zhodnotím možnosti využití technických prvků pro přesné určování polohy stroje na pozemku a

porovnám efektivnost, finanční náročnost, úsporu a návratnost

investice při práci stroje na pozemku s manuálním řízením a s manuálním řízením doplněným o GPS navigaci se světelnou lištou a dispejem.

9

3 METODY MĚŘENÍ POLOHY A JEJÍHO VYHODNOCOVÁNÍ Přijímače zpracovávají data získaná z družic kosmického segmentu a tím určí svojí polohu. Pro zvýšení přesnosti určení polohy a další funkce může přijímač GPS využívat různé způsoby vyhodnocování. Určení polohy v zemědělství využíváme pro přesnější pohyb po pozemku nebo pro výnosové mapy a mapování území. V této práci jsem se zaměřil na určení polohy pro přesné navádění na pozemku.

3. 1 Triangulace Triangulace je starší způsob zjišťování vzdáleností a souřadnic. Provádíme ho trigonometrickým výpočtem. Pro tento výpočet sestrojíme pomyslný trojúhelník, jedna strana je strana již známého jiného trojúhelníku s dvěma referenčními body a třetím bodem je zjišťované místo.

3. 2 DME (Distance Measuring Equipment) Tohoto systému se využívá v letectví pro určení šikmé vzdálenosti mezi pozemním zařízením a letadlem. Zařízení v letadle vypočítá šikmou vzdálenost mezi pozemním zařízením a letadlem podle měření časové prodlevy mezi odesláním kódovaného radiového signálu z letadla, jeho zpracováním a přeposláním pozemní stanicí a zpětným doručením letadlovým zařízením.

3. 3 Dopplerovské měření Tento způsob měření může využívat i přijímač GPS, ale spíše se používají pro měření rychlosti než k měření polohy. Jedná se o určování relativní rychlosti družice vzhledem k pozorovateli. Na základě dopplerovského posunu mezi frekvencí družice a frekvencí vysílače. Pomocí těchto informací můžeme vyhodnotit polohu.

10

3. 4 Stacionární měření Stacionární měření polohy je nejpřesnější měření polohy. Jeho nevýhodou je doba nutná k zaměření polohy. Ta se udává na jednom bodě minimálně hodinu. Při nutnosti velmi přesného zaměření může zaměřování bodu trvat i více dní. Časová náročnost je dána malým zpožděním a odchylkou signálu po průchodu atmosférou. Největší vliv na odchylky má průchod ionosférou a troposférou. Využití tohoto měření je hlavně v geodetických sítích, měření deformací a posunu zemských desek. Pro běžné používání v praxi je využití minimální.

3. 5 Dynamické měření Dynamické měření je nejpoužívanější měření na trhu. Jeho hlavní výhodou je doba nutná k zaměření polohy, která činí 10 - 80 sekund v závislosti na přesnosti. Tohoto měření se nejvíce využívá v automobilové dopravě, kde je přesnost 2 - 10 metrů dostačující. Pro zvýšení přesnosti musíme provést korekce polohy.

11

4 HISTORIE DRUŽICOVÝCH NAVIGAČNÍCH SYSTÉMŮ Na přelomu 50. a 60. let 20. století – téměř okamžitě po vypuštění první družice Sputnik 1 (1957) se začalo uvažovat o vybudování globálního navigačního systému. Díky informacím získaným z vysílání družice Sputnik 1 vědci z The Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory (APL) zjistili, že na základě Dopplerova posunu signálu z družice a souřadnic přijímače lze z jediného průletu družice zjistit parametry oběžné dráhy. Téměř okamžitě byl vyvinut inverzní postup, ze kterého při známých parametrech oběžné dráhy a polohy družice bylo možné určit polohu přijímače. Toto byl základ pro první funkční globální navigační systém pokrývající celý povrch Země. Byly tím vytvořeny nové geoinformační technologie tzv. globální družicové navigační systémy (angl. zk. GNSS) První systém s názvem Transit uvedlo do provozu námořnictvo USA v roce 1964. Tento systém tvořilo šest družic na nízkých oběžných drahách, tři pozemní stanice v USA a pracoval na základě dopplerovských měření. Doba oběhu družice byla 107 minut a Zemi obíhaly tak, že z kteréhokoliv místa na povrchu byla alespoň jedna družice vidět každých 35 - 120 minut. Čím blíž byl přijímač rovníku, tím delší časová prodleva. Družici bylo možné zaměřit 18 minut a ve dvou minutových intervalech vysílala potřebné údaje. Ze začátku systém dosahoval přesnosti na 800 metrů, s vývojem se jeho přesnost zúžila na 5 metrů. Transit byl primárně určen pro námořnictvo Spojených států amerických, tedy na relativně pomalu se pohybující objekty, proto nebyly intervaly považovány za problém. V roce 1967 byl systém uvolněn pro civilní účely. Odhaduje se, že ho užívalo až 80 000 civilních uživatelů. Hlavní nevýhody systému Transit: − nutnost zavádění korekcí vlastní rychlosti − pouze dvourozměrné souřadnice − malá přesnost určování polohy − krátké intervaly dostupnosti signálů a dlouhé intervaly mezi nimi Dalšímu vývoji tohoto systému zabránil nástup systému GPS. V roce 1972 byl spuštěn další systém pod názvem Timation, který byl zaměřen na vysílání přesného časového signálu. I u tohoto programu zastavil vývoj nástup systému GPS.

12

Bývalý Sovětský svaz v této době prováděl vývoj podobných pozičních systémů s názvy Cyklon, který byl určen pro ponorkové loďstvo, Parus (Cikáda-M) – šestidružicový systém, určený pro armádu, a Cikáda – čtyřdružicový systém určený pro civilní sektor. Systémy měly stejné nevýhody jako systém Transit – nízkou přesnost, dvourozměrné souřadnice, špatný časový signál při používání pouze jedné družice.

4. 1 Systém GPS Dne 17. prosince 1973 bylo rozhodnuto o vybudování systému GPS (Global Positioning System), který funguje na bázi pasivního dálkoměrného systému. V tuto dobu byl uváděn pod názvem: NAVSTAR GPS (Navigation Signal Timing and Ranging Global Positioning System). Původně mělo být na třech oběžných drahách 24 družic se sklonem 63° ve výšce 20 200 km. Doba oběhu měla být 12 hodin v pravidelných drahách, které procházely nad řídící stanicí v USA a která jim předávala údaje o jejich oběžných drahách. Tři oběžné dráhy byly vybrány z důvodu zajištění stálé viditelnosti alespoň šesti družic, maximálně jedenácti družic. Každá oběžná dráha měla jednu záložní družici, která v případě výpadku nahrazovala poškozenou družici, a tím se zachovalo maximální pokrytí a robustnost systému. Později se počet oběžných drah zvýšil na šest se čtyřmi družicemi na každé z nich při sklonu 55°. Tím se zvýšila robustnost systému a počet družic zůstal zachován. Nyní je na drahách 5 - 6 nepravidelně rozmístěných satelitů.

4. 2 GLONASS Bývalý Sovětský svaz také přistoupil v sedmdesátých letech dvacátého století k vývoji pasivního dálkoměrného systému, tentokrát s názvem GLONASS (Globalnaja Navigacionnaja Sputnikovaja Systema), který je velmi podobný americkému GPS. Využívá nižší oběžné dráhy (19 100 km), díky použití antény se speciální charakteristikou signálu lze pokrýt zemský povrch celý až do výšky 2 000 km. Díky sklonu 65° je dráha družice každých 8 dní (17 oběhů) stejná.

13

4.3 Galileo Zatím posledním projektem v oblasti GNSS (Global Navigation Satellite System) je Galileo, který vytváří společně ESA (European Space Agency) a EC (European Commission). Jeho realizace byla schválena na přelomu roku 2000 a 2001. Americký GPS je sice propracovaný systém, vede ho ale armáda USA a je bez záruky poskytován zdarma ostatním uživatelům. Z tohoto důvodu EU vyvíjí systém Galileo, nezávislý na USA, který bude pouze pro civilní sektor a jeho služby mají být dostupné co nejširšímu okruhu civilních uživatelů. V roce 2005

do vesmíru z kazašského

Bajkonuru vynesli první družici Giove-A (Galileo In-Orbit Validation Element), která měla za úkol testovat program. V roce 2008 byla opět z ruského Bajkonuru vynesena druhá družice Giove-B. V říjnu 2011 odstartovala raketa z Guyanského kosmického centra (francouzský kosmodrom) na oběžnou dráhu a nesla dva satelity systému Galileo. Systém má být tvořen 30 operačními družicemi, z tohoto počtu jsou tři záložní. Obíhat budou družice ve výšce přibližně 23 000 kilometrů nad povrchem, se sklonem 56° k rovníku ve třech rovinách vzájemně vůči sobě posunutých o 120°. Každá dráha bude mít 9 pozic pro družice a 1 pozici jako zálohu, aby systém mohl být při selhání družice rychle vrácen na původní robustnost. Tím, že mají satelity větší sklon, dokážou pro přesné určení polohy lépe pokrýt vyšší zeměpisné šířky, hlavně v severní Evropě, která není systémem GPS dostatečně pokryta. Spuštění navigačního systému Galileo je plánováno na rok 2014, další služby na rok 2015. V prosinci roku 2010 bylo rozhodnuto o sídle systému Galileo, které se bude nacházet v Praze-Holešovicích. Další výhodou systému Galileo má být jeho kooperace se systémy GPS a GLONASS, čímž se stane základním kamenem globálních pozičních systémů. Tímto se počet satelitů, které Galileo využívá, více než zdvojnásobí a zajistí přesné určení polohy na téměř celém povrchu Země, dokonce i ve velkých městech, kde výškové budovy brání signálu ze satelitů nízko nad obzorem. Díky Galileovi Evropa může naplno využít potenciálu, který nabízí satelitní navigace.

14

5 AMERICKÝ NAVIGAČNÍ SYSTÉM GPS 5. 1 Struktura systému GPS GPS systém tvoří tři základní části: − kosmický − řídící − uživatelský I když pro správnou funkci systému jsou nutné všechny tři části, lze je považovat za samostatné do určité míry. Tyto systémy dohromady propojuje přesný čas, který je základním prvkem tohoto systému.

5. 1. 1 Kosmický segment Kosmický segment byl projektován na 24 aktivních družic a tři záložní družice, které obíhají na šesti přesně definovaných oběžných drahách. Dnes se využívá mezní počet 32 družic na šesti oběžných drahách. Dráhy mají stálou polohu vůči Zemi. Na každé původně měly obíhat čtyři družice v pravidelných intervalech. Dnes na drahách obíhá pět až šest družic v nepravidelných intervalech, dráhy jsou vůči sobě posunuty o 60°. Tři družice jsou záložní pro případ poškození nebo výpadku jedné z aktivních družic. Přibližná doba oběhu družice po oběžné dráze při sklonu 55° je 12 hodin. Díky tomuto nastavení je možné 24 hodin denně, kdekoliv na Zemi získat údaje alespoň ze čtyř družic. V České republice je nejčastější počet zaměřených družic pro lokalizaci polohy 8, minimální je 6 a maximální 12. Signál z družic GPS se pohybuje mezi 60° severní a jižní šířky. Blíže k pólům se signál zhoršuje. Rozdělení kosmického segmentu: − Typ oběžné dráhy – eliptická, kruhová, nízká, střední, vysoká, geostacionární − Výška oběhu − Počet družic − Sklon oběhu družice − Počet oběžných drah − Rozmístění družic - pravidelné, nepravidelné Nastavení kosmického segmentu je ovlivněno možnostmi řídícího segmentu a požadavky uživatelského segmentu. 15

Obrázek 1. Rozmístění družic a drah systému GPS (RAPANT, P. Geoinformatika a geoinformační technologie. 1. vyd. Ostrava: VŠB - TU Ostrava, 2006. 513 s. ISBN 80-248-1264-9. )

Základní části družic systému GPS: − Solární panely a baterie − Tři až čtyři atomové hodiny s rubidiovým oscilátorem − Antény pro komunikaci s pozemními stanicemi − Dvanáct antén pro vysílání rádiových kódů − UHF antény na komunikaci mezi družicemi − Optické, rentgenové a pulzně-elektromagnetické senzory pro zjišťování jaderných výbuchů a startů balistický raket

Družice bývají několikrát do roka plánovaně odstaveny z důvodu korekce oběžných drah a atomových hodin. Údržba trvá 12 až 24 hodin. Životnost družice je plánována na 10 let. Obměna celého systému je počítána na 20 let. Stavy kosmického segmentu: − plná operační schopnost – nejméně 24 funkčních družic, které využívají novou technologii − částečná operační schopnost – nejméně 18 funkčních družic, které využívají novou technologii

16

5. 1. 2 Řídící segment Řídící segment řídí celý GPS systém. Pro uživatele aktualizuje údaje vysílané jednotlivými družicemi kosmického segmentu. Je tvořen pěti pozemními monitorovacími stanicemi, které se nacházejí na vojenských základnách americké armády (Havaj, Kwajalein, Diego García, Ascension a Colorado Springs). Hlavní řídící stanice se nachází v Colorado Springs. Každá družice může být obdržet aktualizace polohy i několikrát denně. Pozemní monitorovací stanice jsou bezobslužné a řídí se dálkově z hlavní řídící stanice. Stanice rozlišujeme: −

Hlavní řídící stanice – řídí celý systém a přeposílá informace na komunikační stanice

−

Stanice pro komunikaci s družicemi – ovládají družice a přeposílají informace z hlavní stanice

−

Monitorovací stanice - monitorují signály družic a předávají je dál do řídící stanice

Pozemní stanice mají za úkol: −

Řízení celého systému

−

Údržbu a nastavování drah družic

−

Aktualizaci poloh a parametrů družic

−

Kontrolu atomových hodin v družicích a jejich korekce

−

Monitorování signálů družic

Obrázek 2. Rozmístění pozemních stanic systému NAVSTAR GPS (http://kisk.phil.muni.cz/wiki/GPS [cit 2012-3-2])

17

5. 1. 3 Uživatelský segment Uživatelský segment tvoří přijímače GPS, uživatelé a vyhodnocovací postupy. Jejich nastavení a možnosti jsou plně přizpůsobeny požadavkům uživatelů. Přijímače jsou vyráběny v různých velikostech a designech pro co největší spokojenost uživatelů. Přijímače provádějí výpočty polohy, rychlosti a času ze signálů vyslaných z družic kosmického segmentu. Pro výpočty x, y, z a t je zapotřebí nejméně čtyř družic. Kromě určování polohy, přesného času a měření vzdáleností mohou být přijímače využity i pro studium atmosferických parametrů nebo pohybu kontinentálních desek.

6 SYSTÉMY PRO ZVÝŠENÍ PŘESNOSTI GPS Při průchodu signálu atmosférou vznikají odchylky. Požadujeme-li přesnost v řádech centimetrů, musíme využít korekci signálu GPS. K tomu využíváme systémy DGPS a RTK. Dříve bylo zkreslení signálu způsobeno úmyslně vloženou chybou.

6. 1 DGPS Systém diferenciálního GPS využíváme pro přesnosti v řádech centimetrů. Pokud známe přesnou polohu referenčního přijímače, můžeme zjistit rozdíl známých souřadnic a souřadnic přijatých z kosmického segmentu. Referenční přijímač pak předává informaci o rozdílu ostatním přijímačům v okolí, které pomocí korekce upraví polohu. Předávání informace od referenčního přijímače bývá bezdrátově. Referenční přijímač získá informace z družic a vyhodnotí korekci, kterou následně předává přímo přijímači na stroji, ten následně opraví svoji polohu pomocí korekce (viz Obrázek 4.). Pro co nejpřesnější odečtení korekce je nutné zajistit příjem co největšího počtu družic.

Obrázek 3. DGPS (http://extension.missouri.edu/p/WQ452 [cit 2012-3-5])

18

6. 2 RTK Nejpřesnější dynamickou metodou je metoda RTK – Real Time Kinematiks. Měření probíhá v reálném čase, přesnost je v jednotkách centimetrů. Jedná se o upravený systém DGPS, ale předávajícím členem není referenční přijímač, ale tzv. přenosná referenční stanice. Na rozdíl od DGPS se systém RTK snaží co nejvíce přiblížit pracovnímu bodu pro co nejpřesnější polohu a co nejkratší dobu přenosu signálu. Tento systém se využívá také v geodézii a stavitelství. Přenosová stanice předává informace pomocí GPRS (General Packet Radio Service - mobilní datové rozhraní), nebo VKV (velmi krátké vlny). Při použití této přenosové stanice můžeme dosáhnout přesnosti až na 6 cm. Pro ještě větší přesnost musí být stanice umístěna na vhodné pozici. Dosah stanice závisí na jejím výkonu, ale průměrně bývá za ideálních podmínek přibližně 5 kilometrů. Z mobilní referenční stanice, která se nachází na známých souřadnicích, je předáván signál do mobilního přijímače soupravy a zde je ihned (v reálném čase) zpracován a vyhodnocen.

Obrázek 4. Mobilní referenční stanice RTK (http://www.wheeledtrenchers.com/Trimble/AgGPS_RTK_Base450_900.html [cit 2012-3-5])

6. 3 RTK VRS (virtuální pozemní stanice) Mobilní terminál obsahuje SIM kartu, která je připojena k přijímači GPS a přijatá data o poloze stroje zasílá na centrální server VRS přes datový přenos GPRS sítě mobilních operátorů. Ve stejný okamžik dochází k příjmu GPS dat o poloze stroje do jednotlivých stanic pozemních základen, které dopočítávají přesnou chybu polohy v reálném čase a následně posílají zprávu o korekci polohy přes internet do serveru VRS. Korekce polohy pro mobilní terminál zde může být dopočítána a následně zaslána zpět do stroje přes datový přenos GPRS.1)

1) http://www.eagrotec.cz/obrazky-soubory/plm-cz-3325c.pdf?redir strana 6. 28. 3. 2012 19

6. 4 RTK Extend Firma John Deere nabízí ke svým strojům systém RTK Extend. Tento systém se uvádí do činnosti, aby funkce systému RTK zůstala se správnou přesnosti i při přerušení signálu z důvodu stínění terénními nerovnostmi nebo překážkami. Pokud byl přijímač před přerušením signálu zapnut více než hodinu, dokáže systém Extend udržet přesnost po dobu patnácti minut, pokud byl zapnut méně než hodinu, prodlouží funkci RTK o dvě minuty. To zajišťuje přesnost a preciznější práci i v obtížném terénu. Pokud tedy po více jak hodině práce na pozemku se zapnutým systémem RTK Extend přerušíme signál mezi přenosovou stanicí a pracovní sestavou, řídící jednotka počítá do doby opětovného navázání kontaktu s touto stanicí korekci jako neměnnou hodnotu a touto hodnotou upravuje po dobu maximálně 15 minut polohu pracovní sestavy.

Obrázek 5. RTK Extend (http://www.johndeere.kvalitne.cz/signal%20rtk.html [cit. 2012-3-28])

6. 5 Terénní korekce Na obdělávaných pozemcích jsou nerovnosti terénu, které mohou způsobovat chybu v přesnosti zaměření a tím způsobovat nepřesné navádění dráhy. Při větším náklonu je vypočítaný bod zkreslen o úhel naklonění, proto využíváme systémů pro kompenzaci terénu. Kompenzace terénu se provádí pomocí výpočtu rozdílu polohy GPS přijímače a požadovanou pracovní polohou stroje za pomoci zařízení umístěného přímo v přijímači, například gyroskop nebo akcelerometr. Díky této kompenzaci dokážeme se strojem pracovat v nerovném i kopcovitém terénu. Při práci po vrstevnici na svažitém pozemku s úhlem 5° je přijímač umístěn ve výšce 4 metrů a výchylka má velikost 34 cm. Za pomoci gyroskopu, akcelerometru nebo elektronické vodováhy je zjištěna chyba a korekce je vypočítána až na hodnotu, kdy by se poloha přijímače rovnala nule. 20

7 PRECIZNÍ ZEMĚDĚLSTVÍ Kromě využití systému GPS k určení polohy nabízí trh i další programy, které mají za účel pomoci zemědělcům zefektivnit práci na pozemku. Jedná se o tzv. precizní zemědělství. Jeho úkolem je za využití půdních vlastností a geoinformací zlepšit pracovní postupy a snížit ekonomické náklady. Tím může dosáhnout podnik větších zisků s nižšími náklady na čas a materiál. Zároveň chráníme půdu a životní prostředí díky menšímu počtu přejezdů pozemku.

7. 1 Výnosové mapy Mapování výnosu je jedním ze základních prvků precizního zemědělství. Jednotlivé půdní bloky mají rozdílnou kvalitu půdy. Po vyhodnocení výnosových map je proto potřeba přizpůsobit pracovní operace charakteru půdy v daném půdním bloku. Jednou z možností, jak reagovat na měnící se kvalitu půdy, je cílená aplikace postřiků a hnojiv. Díky systému GPS a zaznamenaným datům můžeme vytvořit výnosové mapy a následně aplikovat potřebné množství látky na přesně definovaných úsecích. Tyto mapy se následně využívají pro co největší efektivitu i u ostatních prací na pozemku. Pro tvorbu výnosových map existuje několik systémů, které se liší metodami zjišťování průchodnosti sklízeného materiálu. Čidla využívají objemového nebo hmotnostního principu měření. V dnešní době je k systému GPS dostupná řada různých softwerových aplikací, které z dat jízd, výnosových, aplikačních map, svažitosti pozemku a půdních vzorků dokážou vyhodnotit a navrhnout nejekonomičtější způsob jízdy po pozemku. Jejich kvalita a množství funkcí se liší podle ceny. Obsluha již nenastavuje žádné body, pouze najede v daném místě do příslušné stopy, kterou mu navigace vyznačí na displeji.

21

7. 2 Vedení stroje na pozemku V posledních letech se nejvíce vyvíjí programy a způsoby vedení stroje na pozemku. Různé pozemky mají různé tvary, svažitost i počet překážek, proto musíme ke každému pozemku přistupovat individuálně. Jen malá část pozemků v České republice má rozdíl svažitosti na pozemku do jednoho stupně, je čtvercová a bez překážek, jako jsou sloupy vysokého vedení, stromy, remízky, napajedla apod. Proto se stává, že zbudou nedodělaná místa, která zabírají více času než srovnatelně velký nebo i větší pruh pozemku o šíři pracovního záběru stroje. Z tohoto důvodu využíváme různé způsoby vedení stroje na pozemku.

Nejčastěji využívané způsoby vedení stroje jsou A+ model (Obrázek 6. a), který vyznačí přímku vedení stroje pomocí známého bodu A a směru jízdy, a model A-B (Obrázek 6. b), který vyznačí přímku vedení stroje mezi dvěma známými body A a B. Obsluha stroje určí bod A, následně popojede o 50 metrů a definuje bod B. Tím se vyhodnotí směr a další linie na pozemku.

Obrázek 6. model A+ a model A-B – upraveno autorem (http://www.gps-agro.cz/fmx/ [cit 2012-3-30])

Souvraťový model provede jízdu po souvrati a následně provede jízdy uvnitř pozemku (Obrázek 8. e). Dalšími možnostmi pohybu na pozemku jsou adaptabilní a identická křivka. (Obrázek 8. c) Adaptabilní křivka kopíruje další křivky stejně jako první, která obíhá okolo překážky. Identická křivka první dráhu okolo překážky provede bez kopírování dalších drah následujících. První dráha po objetí překážky již kopíruje dráhu před překážkou. Na kruhovém poli využíváme model pohybu do kruhu (tzv. Pivot), který má střed otáčení shodný se středem kružnice pole a jednotlivé jízdy jsou vedeny po zmenšujících se kružnicích. Ve velmi složitém terénu s množstvím různých překážek můžeme využít model volného vedení tvz. FreeForm (Obrázek 8. d). Nejvíce se tento způsob podobá práci se znamenákem. Systém vytváří možné dráhy zleva i zprava. Záleží na obsluze a její zkušenosti, které dráhy volí. 22

Jedním z posledních systémů je tzv. model navádění "přes jeden záběr". Využívá se u asistovaného nebo plně automatizovaného řízení. Obsluha nejprve provede souvraťový model řízení. Při první jízdě uvnitř pozemku systém vypočítá dráhy a místa otáčení, následně už pracuje bez zásahu obsluhy do řízení (Obrázek 7.). Z bezpečnostních důvodů se automatické otáčení na souvrati využívá minimálně.

Obrázek 7. Automatické otáčení na souvrati (http://www.leadingfarmers.cz/gallery/?cx=38&cn=1[cit 2012-3-31])

Obrázek 8. Vedení stroje na pozemku – upraveno autorem (http://www.gps-agro.cz/fmx/ [cit 2012-3-30])

23

7. 3 Manuální řízení Při manuálním řízení stroj na pozemku vede řidič po dráze, kterou mu pomáhá udržovat světelná lišta, LCD displej nebo kombinace těchto prvků. Světelná lišta je osazena různým počtem vysoce svítivých diod. Nejčastěji se využívají barvy zelená a červená. U sofistikovanějších typů lišt se objevuje i žlutá barva diod. Uprostřed lišty jsou umístěny tři diody zelené barvy, které obsluze vyznačují ideální dráhu, pokud se stroj začne vychylovat z této dráhy, na straně vychýlení se začnou postupně rozsvěcovat diody červené nebo žluté barvy. Počet rozsvícených výstražných diod závisí na velikosti vychýlení stroje. Na LCD displeji se zobrazuje aktuální poloha stroje, ideální dráha a barevně rozlišené jsou i části pole, které jsou zpracované a které je třeba ještě zpracovat. Na obrazovce je možné zobrazit i další potřebné informace Kombinace těchto dvou typů zajišťuje maximální přesnost při manuálním řízení.

Obrázek 9. Trimble EZ-Guide 250 Displej se světelnou lištou pro manuální navigaci (http://www.gps-agro.cz/ez-guide-250/ [cit 2012-3-30])

24

7. 4 Asistované řízení Asistované řízení pracuje na principu manuálního řízení. Práce obsluhy je nahrazena přidaným elektromotorem (Obrázek 11.), nebo výměnným volantem. GPS systém vyšle do řídící jednotky informace o poloze, a ta vyšle příkaz elektromotoru, aby otočil volantem, tím zajišťuje relativně přesné řízení. Výměnný volant má stejný efekt na jízdu jako přídavný elektromotor. Tímto se eliminuje chyba lidského faktoru, která vzniká u manuálního řízení se světelnou lištou. Malá chyba zůstává z důvodu vůle mezi komponenty. Výhodou tohoto systému je možnost přenositelnosti ze stroje na stroj, snadná montáž a demontáž. Obsluha u tohoto řízení může věnovat více času na správné provedení procesu. Kdykoliv potřebuje obsluha vypnout asistované řízení, stačí když pootočí volantem nebo odklopí přídavný elektromotor.

Obrázek 10. Asistované řízení s přídavným elektromotorem (http://www.gps-agro.cz/trimble-ez-steer/ [cit 2012-3-30])

25

7. 5 Automatické řízení Automatické řízení je nejpřesnější způsob řízení. Řízení je plně automatizováno a má velkou přesnost pohybu na pozemku. Za pomoci snímačů natočení kol, polohy volantu a přijímače GPS systém vyhodnotí polohu a výchylku stroje, kterou následně srovná. Navádění kol se provádí hydraulickými ventily řízení, které ovládá navigační jednotka při zapnutém automatickém řízení. Pokud je automatické řízení vypnuto, může obsluha kola ovládat klasicky volantem. Automatické řízení má nastavené vypnutí, pokud obsluha otočí volantem, opětovné zapnutí se provede zmáčknutím tlačítka na ovládacím panelu systému. Výhodou tohoto systému je, že obsluha se plně může věnovat pracovní soupravě, pouze na souvrati otočí stroj a přibližně ho navede do správné stopy. U sofistikovanějších systémů je otáčení na souvrati řešeno také automaticky, využíváme tzv. model navádění "přes jeden záběr".

Obrázek 11. Automatické řízení (http://www.gps-agro.cz/presne-navadeni-s-automatickym-rizenim/ [cit 2012-3-31])

26

8 PŘEDPOKLÁDANÝ VÝVOJ GPS systémy a jejich technologie zaznamenaly v posledním desetiletí enormní pokrok. Nárůst zájmu o tyto systémy a jejich rozšíření mezi širokou veřejnost je klíčový v dalším vývoji. Automatické řízení ať už osobních vozů, nebo vozů hromadné dopravy je stále pouze v experimentální fázi a naráží na spoustu technologických překážek. Na rozdíl od toho v zemědělství je automatické řízení již několik let běžnou skutečností. Česká republika je mezi ostatními zeměmi Evropské unie v zavádění automatického řízení v zemědělství na poměrně vysoké úrovni, a to i díky zbudování soukromé RTK VRS sítě určené pouze pro zemědělství, která je přenášena pomocí GPRS a mobilního internetu. Díky tomu se mohou zákazníci dostat až na přesnost 2 - 3 cm, která není možná bez tohoto docílit u žádné automobilové nebo turistické navigace. Se zemědělstvím také úzce souvisí ekologie, protierozní a protipovodňová opatření. Již dnes se díky systémům GPS omezil počet cyklů na pozemku, zvýšila se šetrnost k půdě. Snížilo se i utužování půdy a spotřeba pohonných hmot spotřebovaných prací na pozemku. Tím omezujeme i emise vypouštěné do ovzduší. Přesná aplikace hnojiv a postřiků snižuje nechtěné překryvy a tím zvýšený obsah hnojiv, pesticidů a jiných škodlivých látek, které by jinak zůstávaly v půdě a následně přecházely do potravin. Tyto aspekty závisí na přesnosti systému GPS a na kvalitě softwaru. Do budoucna se očekává další vývoj systémů GPS, jejich miniaturizace a zlepšení uživatelského rozhraní. V roce 2015 má být spuštěn evropský systém Galileo a očekává se zvýšení přesnosti zaměření souřadnic i bez korekcí, a to díky vysokému počtu satelitů na oběžných drahách. Automaticky řízené stroje by v budoucnosti mohly vypadat následovně:

Obrázek 12. Sklízecí mlátička budoucnosti (http://www.fatcow.com.au/c/Case-IH/Driverless-Tractors-Case-IH-Predicts-the-Future-of-Precision-Agriculture-n817998 [cit 2012-4-5])

27

9 METODIKA PRÁCE

V souladu s cílem práce jsem v první části za pomoci literatury a dostupných informací metodou deskripce uvedl historii, funkci a problematiku systému GPS i využití systému GPS v zemědělství. Metodou preskripce jsem v závěru první části práce nastínil, jakým směrem se bude pravděpodobně ubírat vývoj systémů GPS a jeho využívání v zemědělství i s ohledem na životní prostředí. V druhé části se zaměřím na vlastní práci, která je zacílena na ekonomické hledisko a návratnost investice do systémů GPS. Zhodnotím návratnost investice u zemědělského podniku. Pro zjednodušení výpočtů využiji teoretické hodnoty rozměru pozemku se svažitostí do jednoho stupně. Vzorce pro výpočet vlastní práce: Výpočet počtu jízd s určeným překryvem jsme vypočítal jako poměr šířky pozemku L [m], konstrukčního záběru Bk [m] a překryvu p [%] n=

L [m] Bk [m]∗p

(1)

Celkový čas pracovního cyklu jsem vypočítal jako poměr délky D [m], počtu jízd n a pracovní rychlosti vp. T celkový =

D∗n [h] vp

(2)

Spotřeba nafty je vypočítaná pomocí hodinové spotřeby mpe a celkového času cyklu Tcelkový. −1

(3)

QGPS=M pe∗T celkový [l∗h ]

Výkonnost je počítána jako plocha za celkový čas. W=

1 T celkový

−1

∗S [ha∗h ]

(4)

28

Úsporu nafty vypočítáme jako rozdíl spotřebované nafty při manuálním řízení a při manuálním řízení doplněným o navádění systémem GPS [12]. Tuto hodnotu následně vynásobíme cenou nafty Cn[11]. Tímto dostaneme finanční úsporu na pohonných hmotách na námi vybraném pozemku[13]. C n =cena nafty [ Kč ]

(11)

Q ušetřená=Q m −Q GPS

(12)

C ušetřená =C n∗Q ušetřená

(13)

Úsporu času a nákladů na obsluhu vypočítáme z rozdílu pracovního času manuálního řízení a řízení se systémem GPS [14]. Úspora mzdy vynaložené na obsluhu vypočítáme jako násobek uspořeného času a hodinové mzdy obsluhy Hm[15]. T ušetřená=T m −T GPS

(14)

Mzda ušetřená =T ušetřená∗H m

(15)

Celková úspora [16]: Úspora=Mzdaušetřená C ušetřená

(16)

Návratnost investice N, vypočítáme jako rozdíl úspory prací na vybraném pozemku a ceny systému GPS (CGPS) [17]. N=

C GPS [ rok] Úspora

(17)

29

10 VLASTNÍ PRÁCE Po dohodě jsem navštívil pana Zdeňka Heveru z obce Štítary na Znojemsku, který mi poskytl potřebné informace. Pan Hevera obhospodařuje malou rozlohu pro vlastní potřebu jako soukromá osoba. Při setkání s ním jsem se zaměřil na jeho osobní zkušenosti a pocity z práce se systémem GPS. Pan Hevera vlastní systém Trimble EZ-Guide 250 s displej a světelnou lištou pro manuální navigaci. GPS využívá především při setbě, postřikování a hnojení. Nejčastěji využívá model A - B. Z informací získaných od pana Hevery vypočítám finanční rozdíl práce se systémem GPS a bez něj. Následně vyhodnotím návratnost investice do tohoto systému. Velikost zvoleného pozemku pro výpočet návratnosti se systémem GPS má velikost 1 ha. Systém Trimble EZ-Guide 250 má garantovanou přesnost 15 - 30 cm. Zvolil jsem mechanizační prostředky se záběrem 12m (postřikovač) a .4m (podmítač). GPS systém navádí stroj s přesnosti 2,5% při záběru 12m a 7,5% při záběru 4 metry. Pro srovnání využijeme překrytí dvojnásobné a čtyřnásobné, které by měla mít zkušená obsluha s těmito mechanizačními prostředky, kterou pan Hevera je. Cyklus provádíme při pracovní rychlosti 10 km*h-1. Cena systému GPS byla stanovena na 27 000kč a nákupní cena pohonných hmot je 29 Kč bez DPH. Hodinovou pracovní mzdu jsem určil na 115Kč/h. Hodinová spotřeba paliva je 1,5 l*h-1.

Obrázek 13. GPS navigace umístěná na předním skle 30

Obrázek 14. Přijímač umístěný na střeše traktoru

Tab.1 Hodnoty pro výpočet vlastní práce vp

Bk

Přesnost GPS

Cena GPS Cena nafty

km*h-1

m

%

Kč

10

12

2,5; 7,5

27000

31

Mzda obsluhy

Hodinová spotřeba paliva

l/Kč

Kč/h

l*h-1

29

115

1,5

10. 1 Práce na pozemku s naváděním systémem GPS Vp = 10 km*h-1 Bk = 12 m L = 100 m D = 100 m p = 97,5% Výpočet počtu jízd s určeným překryvem: n=

100 =8,547 12∗0,975

Celkový čas pracovního cyklu: T celkový =

0,1∗8,547 =0,08547 h 10

Spotřeba nafty QGPS=1,5∗0,08547=0,128l Výkonnost: W=

1 ∗1=11,7 ha∗h−1 0,08547

Cena spotřebované nafty C GPS=0,128∗29=3,7 Kč

Mzda obsluhy: Mzda=T ∗H m=0,08547∗115=9,83 Kč Tab. 2 Vypočtené hodnoty při využití systému GPS Počet jízd

-

8,547

Celkový čas

h

0,085

Spotřeba nafty

l

0,128

Cena nafty

Kč

3,7

Výkonnost

ha*h-1

11,7

Mzda obsluhy

Kč

9,83

32

Výpočtem jsem zjistil, že při využití systému GPS s překryvem 2,5 % při pracovním záběru 12 m bude vybraný pozemek nutno přejet 8,5 krát a zabere nám to 8,5 minuty bez otáčení na úvrati. Za tuto dobu spotřebuje mechanizační prostředek 1,28 dcl nafty, její cena je 3,7 Kč a mzda obsluhy za tuto dobu bude 9,83 Kč. Výkonnost tedy bude 11,7 ha*h-1.

10. 2 Práce na pozemku s překryvem 5% Vkm = 10 km*h-1 Bk = 12 m L = 100 m D = 100 m p = 95% Výpočet počtu jízd s určeným překryvem: n=

100 =8,772 12∗0,95


0,1∗8,772 =0,088 h 10

Spotřeba nafty QGPS=1,5∗0,08772=0,132 l

Výkonnost: W=

1 ∗1=11,4 ha∗h−1 0,08772

Cena spotřebované nafty C 5%=0,132∗29=3,8 Kč Mzda obsluhy: Mzda=T ∗H m =0,08772∗115=10,09 Kč

33

Tab. 3 Vypočtené hodnoty při překrytí 5% Počet jízd

-

8,772

Celkový čas

h

0,088

Spotřeba nafty

l

0,132

Cena nafty

Kč

3,8

Výkonnost

ha*h-1

11,41

Mzda obsluhy

Kč

10,09

Při práci s překryvem 5 % a pracovním záběrem 12 m bude vybraný pozemek nutno přejet 8,772 krát a zabere nám to 8,8 minuty bez otáčení na úvrati. Za tuto dobu spotřebuje mechanizační prostředek 1,32 dcl nafty, její cena je 3,8 Kč a mzda obsluhy za tuto dobu bude 10,09 Kč. Výkonnost tedy bude 11,41 ha*h-1.

10. 3 Práce na pozemku s překryvem 10% Vkm = 10 km*hod-1 Bk = 12 m L = 100 m D = 100 m p = 90% Výpočet počtu jízd s určeným překryvem: n=

100 =9,259 12∗0,9


0,1∗9,259 =0,093 h 10

Spotřeba nafty Q10=1,5∗0,09259=0,139 l

Výkonnost: W=

1 −1 ∗1=10,8 ha∗h 0,09259 34

Cena spotřebované nafty C 10%=0,139∗29=4 Kč Mzda obsluhy: Mzda=T ∗H m =6,8∗115=10,65 Kč


-

9,259

Celkový čas

h

0,093

Spotřeba nafty

l

0,139

Cena nafty

Kč

4 -1

Výkonnost

ha*h

10,8

Mzda obsluhy

Kč

10,65

Při práci s překryvem 10% a pracovním záběrem 12 m bude vybraný pozemek nutno přejet 9,259 krát a zabere nám to 9,3minuty bez otáčení na úvrati. Za tuto dobu spotřebuje mechanizační prostředek 1,39 dcl nafty, její cena je 4 Kč a mzda obsluhy za tuto dobu bude 10,65 Kč. Výkonnost tedy bude 10,8 ha*h-1.

10. 4 Práce na pozemku s naváděním systémem GPS Vp = 10 km*hod-1 Bk = 4 m L = 100 m D = 100 m p = 92,5% Výpočet počtu jízd s určeným překryvem: n=

100 =27,02 4∗0,925


0,1∗27,02 =0,27 h 10

35


1 ∗1=3,7 ha∗h−1 0,27

Cena spotřebované nafty C GPS=0,405∗29=11,7 Kč

Mzda obsluhy: Mzda=T ∗H m=0,27∗115=31,05 Kč Tab. 2 Vypočtené hodnoty při využití systému GPS Počet jízd

-

27,02

Celkový čas

h

0,27

Spotřeba nafty

l

0,405

Cena nafty

Kč

11,7

Výkonnost

ha*h-1

3,7

Mzda obsluhy

Kč

31,05

Při práci s překryvem 7,5 % a pracovním záběrem 4 m bude vybraný pozemek nutno přejet 27,02 krát a zabere nám to 27 minut bez otáčení na úvrati. Za tuto dobu spotřebuje mechanizační prostředek 4,05 dcl nafty, její cena je 11,7 Kč a mzda obsluhy za tuto dobu bude 31,05 Kč. Výkonnost tedy bude 3,7 ha*h-1.

36


100 =29,41 4∗0,85


0,1∗29,41 =0,29 h 10


1 ∗1=3,4 ha∗h−1 0,29

Cena spotřebované nafty C 5%=0,435∗29=12,62 Kč

Mzda obsluhy: Mzda=T ∗H m =0,29∗115=33,35 Kč Tab. 3 Vypočtené hodnoty při překrytí 15% Počet jízd

-

29,41

Celkový čas

h

0.29

Spotřeba nafty

l

0,435

Cena nafty

Kč

12,62

Výkonnost

ha*h-1

3,4

Mzda obsluhy

Kč

33,35

37

Při práci s překryvem 15 % a pracovním záběrem 4 m bude vybraný pozemek nutno přejet 29,41 krát a zabere nám to 29 minut bez otáčení na úvrati. Za tuto dobu spotřebuje mechanizační prostředek 4,35 dcl nafty, její cena je 12,62 Kč a mzda obsluhy za tuto dobu bude 33,35 Kč. Výkonnost tedy bude 3,4 ha*h-1.


100 =35,71 4∗0,7


0,1∗9,259 =0,357 h 10

Spotřeba nafty Q10=1,5∗0,357=0,535l Výkonnost: W=

1 ∗1=2,8 ha∗h−1 0,357

Cena spotřebované nafty C 10%=0,535∗29=15,52 Kč

Mzda obsluhy: Mzda=T ∗H m=0,357∗115=41,05 Kč

38


-

35,71

Celkový čas

h

0,357

Spotřeba nafty

l

0,535

Cena nafty

Kč

15,52

Výkonnost

ha*h-1

2,8

Mzda obsluhy

Kč

41,05

Při práci s překryvem 30 % a pracovním záběrem 4 m bude vybraný pozemek nutno přejet 35,71 krát a zabere nám to 35,7 minut bez otáčení na úvrati. Za tuto dobu spotřebuje mechanizační prostředek 5,35 dcl nafty, její cena je 15,52 Kč a mzda obsluhy za tuto dobu bude 41,05 Kč. Výkonnost tedy bude 2,8 ha*h-1.

39

10.7 Porovnání úspor práce v přepočtu na ha Tab. 5 Porovnání hodnot Bk = 12 m -------

----

2,5%

5%

10%

----

8,547

8,772

9,259

Celkový čas

h

0,08547

0,08772

0,09259

Spotřeba nafty

l

0,128

0,132

0,139

Cena nafty

Kč

3,7

3,8

4

Výkonnost

ha*h-1

11,7

11,41

10,8

Kč

9,83

10,09

10,65

Počet jízd

Mzda obsluhy

14

12

10

Počet jízd

8

Celkový čas Spotřeba nafty Cena nafty

6

Výkonnost Mzda

4

2

0 2,5%

5%

10%

Obrázek 15. Graf 1. Srovnání hodnot při záběru 12 m

40

Tab. 6 Porovnání hodnot Bk = 4 m -------

----

7,5%

15%

30%

----

27,02

29,41

35,71

Celkový čas

h

0,27

0,29

0,357

Spotřeba nafty

l

0,405

0,435

0,535

Cena nafty

Kč

11,7

12,62

15,52

Výkonnost

ha*h-1

3,7

3,4

2,8

Kč

31,05

33,35

41,05

Počet jízd

Mzda obsluhy

45

40

35

30 Počet jízd

25

Celkový čas Spotřeba nafty Cena nafty

20

Výkonnost Mzda

15

10

5

0 7,5%

15%

30%

Obrázek 16. Graf 2. Srovnání hodnot při záběru 4 m

41

Z údajů v tabulkách č. 5 a č. 6 a grafů na obrázku Graf 1. a Graf 2. je vidět, že při zpřesňování navádění se nám výrazně snižuje počet jízd po pozemku, ale málo čas nutný na pracovní cyklus. Snížením překrytí se nám snižují náklady na pohonné hmoty a výrazně se snižují i náklady na mzdu obsluhy. Všechny tyto vypočtené hodnoty jasně dokazují, že při zpřesňování pracovního cyklu pomocí systému GPS se snižují náklady na pohonné hmoty, mzdu obsluhy i náklady na případné hnojivo, postřiky, osivo a zvyšuje se výkonnost.. 10. 7. 1 Návratnost investice Návratnost investice spočítáme jako rozdíl spotřebované nafty při překrytí s manuálním řízením a spotřebované nafty při řízení se systémem GPS vynásobený cenou nafty, k tomu připočteme rozdíl mezi celkovým časem pracovního cyklu bez GPS a s GPS systémem a vynásobíme hodinovou mzdou obsluhy. Dále vynásobíme jmenovatel rozlohou pozemků, kde systém využíváme, a počtem cyklů za rok. Pro účely výpočtu návratnosti uvažujeme rozlohu pozemků, kde využíváme GPS systém na 1000 ha.

Úspora při záběru 12 m a rozdílu překryvu 10% a 2,5% T ušetřená=0,09259−0,08547=0,00712 h Mzda ušetřená =0,00712∗115=0,8 Kč

Q ušetřená=0,139−0,128=0,011 l C ušetřená =29∗0,011=0,32 Kč

N=

27000 =6 let 0,80,32∗1000∗4

Rozdíl času nutného na cyklus je 7 sekund, což je 0,8 Kč. Úspora nafty je 0,011 l a to se rovná 0,32 Kč. Návratnost investice je při práci na 1000 ha a cyklu opakujícího se 4 krát ročně za 6 let.

42

Úspora při záběru 12 m a rozdílu překryvu 5% a 2,5% T ušetřená=0,08772−0,08547=0,00225 h Mzda ušetřená =0,00225∗115=0,3 Kč

Q ušetřená=0,132−0,128=0,004 l C ušetřená =29∗0,004=0,116 Kč

N=

27000 =16 let 0,30,116∗1000∗4

Rozdíl času nutného na cyklus je 2 sekundy, což je 0,3 Kč. Úspora nafty je 0,004 l a to se rovná 0,116 Kč. Návratnost investice je při práci na 1000 ha a cyklu opakujícího se 4 krát ročně za 16 let.

Úspora při záběru 4 m a rozdílu překryvu 15% a 7,5% T ušetřená=0,29−0,27=0,02 h

Mzda ušetřená =0,02∗115=2,3 Kč Q ušetřená=0,435−0,405=0,03

C ušetřená =29∗0,03=0,87 Kč N=

27000 =8,5 roku 2,30,87∗1000∗1

Rozdíl času nutného na cyklus je 2 minuty, což je 2,3 Kč. Úspora nafty je 0,03 l a to se rovná 0,87 Kč. Návratnost investice je při práci na 1000 ha a jednom cyklu za 8,5 let.

43

Úspora při záběru 12 m a rozdílu překryvu 30% a 7,5% T ušetřená=0,357−0,27=0,087 h Mzda ušetřená =0,087∗115=10Kč

Q ušetřená=0,535−0,405=0,13 C ušetřená =29∗0,13=3,77 Kč

N=

27000 =1,96 let 103,77∗1000∗1

Rozdíl času nutného na cyklus je 8,7 minuty, což je 10 Kč. Úspora nafty je 0,13 l a to se rovná 3,77 Kč. Návratnost investice je při práci na 1000 ha a jednom cyklu za 1,96 let.

Při záběru 12 metrů rozdílu překryvu při manuálním řízení 10% a řízení za pomoci systému GPS by byla dle výpočtů návratnost za 6 let a při rozdílu překryvu 5% a 2,5% by byla návratnost za 16let. Při záběru 4 metry rozdílu překryvu při manuálním řízení 30% a řízení za pomoci systému GPS by byla dle výpočtů návratnost za necelé dva roky a při rozdílu překryvu 15% a 7,5% by byla návratnost za 8,5 let. Tato návratnost je počítána pouze pro jeden mechanizační prostředek. Pokud ve výpočtech uvažujeme jejich kombinování, tak se nám návratnost sníží na 5,5 let při dvojnásobném rozdílu překryvu mezi manuálním řízením a řízením se systémem GPS a při při čtyřnásobném rozdílu překryvu mezi manuálním řízením a řízením se systémem GPS se nám sníží na 1,48 let. Návratnost se dále sníží cenami osiva, hnojiva a postřiků, které nebyly z důvodu zjednodušení výpočtů započítány, ale byly by ztraceny v překryvu a mohly by negativně působit na půdu. Ale podle slov pana Hevery: „Nejdůležitější je, že člověk ví, že to udělal, jak nejlíp mohl, a má z toho dobrý pocit.“

44

11 ZÁVĚR

Cílem bakalářské práce byl popis možnosti využití systému GPS v zemědělství. V první teoretické části jsem uvedl historii a principy fungování geopozicionálních systémů. Také jsem stručně nastínil další nejpokročilejší systémy GLONASS a GALILEO. Zbylá práce je věnována GPS systému, jeho problematice, korekcím a možnému využit v precizním zemědělství, kde systém GPS sehrává velmi významnou roli. V části o precizním zemědělství jsem se zaměřil na možnosti vedení stroje na pozemku a způsoby tohoto řízení stroje od manuálního, přes asistované až po úplně automatické řízení. V neposlední řadě jsem popsal účel výnosových map a softwaru v precizním zemědělství. GPS technologie v zemědělství jsou stále žádanějším produktem a jejich budoucnost je nepopiratelná. Navigaci pro zemědělství v České republice využívají jak malé, tak i velké zemědělské podniky. Díky ní mohou sledovat pohyb strojů i efektivněji pracovat. Nejen snížení nákladů a zvýšení výkonnosti má za následek využívání systémů GPS, ale i ekologické odlehčení půdě a ovzduší. Navigace navíc umožňuje pracovat i za zhoršených podmínek ,jako jsou mlha, tma a mírný vítr, na rozdíl od znamenáků nebo pěnových značkovačů. Po srovnání práce bez navigace a s navigací ve druhé části práce je zřejmé, že využíváni navigace je správná volba ke zefektivnění pracovních postupů. I když mi bylo sděleno panem Heverou, že typ, který on vlastní, má občas problémy při mlze, tak jsme se shodli, že využívání těchto systémů i přes jejich vyšší pořizovací náklady je správné řešení. Moderní technologie a jejich trend zlevňování a miniaturizace veškerých prvků jak pro civilní sféru, tak i pro zemědělství bude mít myslím v dohledné době za následek samostatné stroje, které nebudou potřebovat lidskou obsluhu a budou pracovat pouze na základě programu, GPS signálu a čidel monitorujících prostředí okolo nich.

45

12 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY Červinka J., 2010: Přednášky z předmětu Mechanizace v ochraně rostlin. EAGROTEC, 2012: PORTÁL PRECIZNÍHO ZEMĚDĚLSTVÍ NEW HOLLAND. Online. Dostupné na: ESA, 2012: ESA Galileo navigation. Online. Dostupné na: http://www.esa.int/esaNA/GGG0H750NDC_galileo_0.html Fatcow, 2012: Driverless Tractors: Case IH Predicts the Future of Precision Agriculture. Online. Dostupné na: GPS-AGRO, 2012: Přesné navádění s automatickým řízením. Online. Dostupné na: Hofmann-Wellenhof B. -- Lichtenegger H. - Collins J. 2001. Global Positioning System : Theory and Practice. Springer, Berlin, 5. vyd., 22 s. Pospíšil J., 2010: Přednášky z předmětu Provoz mobilní techniky. Rapant P., 2002: Družicové polohové systémy. VŠB - TU Ostrava, Ostrava, 200 s. Rapant P. 2006: Geoinformatika a geoinformační technologie. VŠB - TU Ostrava, Ostrava, 1. vyd., 513 s. Wikipedie, 2012: Global Positioning systém. Encyklopedie online. Dostupné na: Wikipedie, 2012: Triangulace. Encyklopedie online. Dostupné na: John Deer 2012. Signál RTK. Online. Dostupné z Ždímal V., Pospíšil J., Šafář V., 2008. Proměnlivost reflektance ozimé pšenice. In „MZLU pěstitelům“ Sborník odborných příspěvků. Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně, Brno, 208 s.

46

13. SEZNAM OBRAZKŮ Obrázek 1. Rozmístění družic a drah systému GPS...................................................................16 Obrázek 2. Rozmístění pozemních stanic systému NAVSTAR GPS..........................................17 Obrázek 3. DGPS............................................................................................................................18 Obrázek 4. Mobilní referenční stanice RTK................................................................................19 Obrázek 5. RTK Extend.................................................................................................................20 Obrázek 6. model A+ a model A-B – upraveno autorem............................................................22 Obrázek 7. Automatické otáčení na souvrati...............................................................................23 Obrázek 8. Vedení stroje na pozemku – upraveno autorem.......................................................23 Obrázek 9. Trimble EZ-Guide 250 Displej se světelnou lištou pro manuální navigaci...........24 Obrázek 10. Asistované řízení s přídavným elektromotorem.....................................................25 Obrázek 11. Automatické řízení.....................................................................................................26 Obrázek 12. Sklízecí mlátička budoucnosti..................................................................................27 Obrázek 13. GPS navigace umístěná na předním skle................................................................30 Obrázek 14. Přijímač umístěný na střeše traktoru......................................................................31 Obrázek 15. Graf 1. Srovnání hodnot při záběru 12m................................................................40 Obrázek 16. Graf 2. Srovnání hodnot při záběru 4m..................................................................41

47

14 SEZNAM TABULEK Tab.1 Hodnoty pro výpočet vlastní práce......................................................................................31 Tab. 2 Vypočtené hodnoty při využití systému GPS......................................................................32 Tab. 3 Vypočtené hodnoty při překrytí 15%..................................................................................34 Tab. 4 Vypočtené hodnoty při překrytí 30%..................................................................................35 Tab. 5 Porovnání hodnot Bk = 12 m...............................................................................................36 Tab. 6 Porovnání hodnot Bk = 4 m.................................................................................................37

48

15 SEZNAM POUŽITÝCH ZNAČEK GPS

Globální navigační systém

NAVSTAR GPS

Navigation Signal Timing and Ranging Global Positioning System

GNSS

Globální navigační satelitní systém

GLONASS

Globalnaja Navigacionnaja Sputnikovaja Systema

GIS

Globální informační systém

RTK

Real time kinematic

RTK VRS

Real time kinematic virtual reference station

DGPS

Diferenciální globální navigační systém

L

[m]

Šířka pozemku

D

[m]

Délka pozemku

Vkm

[ km*hod-1 ]

pracovní rychlost

Bk

[m]

pracovní záběr

s

[ km ]

počet ujetých kilometrů

n

[-]

počet jízd na pozemku

p

[%]

překryv

Tcelkový

[ hod ]

celkový čas cyklu na pozemku

Qp

[ l*hod-1 ]

nafta spotřebovaná na kilometr

Qhod

[ l*hod-1 ]

hodinová spotřeba nafty

W

[ ha*hod-1 ]

výkonnost

Cn

[ Kč ]

Cena nafty

Hm

[ Kč ]

hodinová mzda

Tučetřená

[ hod ]

čas ušetřený

Qušetřená

[l]

nafta ušetřená

Cušetřená

[ Kč ]

ušetřená cena nafty

N

[ Kč ]

návratnost

49

MENDELOVA UNIVERZITA V BRNĚ AGRONOMICKÁ FAKULTA BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

Recommend Documents