Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav zemědělské, potravinářské a environmentální dopravy
Využití systémů GPS u techniky pro pěstování rostlin Bakalářská práce
Vedoucí práce: Ing. Jiří Pospíšil, CSc.
Vypracoval: Radek Fasora
Brno 2012
PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma „Využití systémů GPS pro pěstování rostlin“ vypracoval samostatně a použil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně.
dne ………………………………………. podpis bakaláře ….……………………….
PODĚKOVÁNÍ Tímto bych chtěl poděkovat panu Ing. Jiřímu Pospíšilovi, CSc. za pomoc při psaní bakalářské práce, jeho bohaté zkušenosti, ochotu spolupracovat a za čas strávený na konzultačních hodinách. Dále bych chtěl poděkovat panu Ing. Jiřímu Čuperovi, Ph.D., za poskytnutí odborné literatury a mým rodičům, za jejich podporu.
Abstrakt Fasora, R. Využití systémů GPS u techniky pro pěstování rostlin. Bakalářská práce. Brno: Mendelova univerzita v Brně, 2012. Práce popisuje vývoj družicových navigačních systémů, GPS a Galileo. Zabývá se přesností navádění, minimalizací přejezdů a šetrností k půdě. Přesněji se zaměřuje na paralelní navádění, jeho jednotlivé druhy a využití v zemědělství. Klíčová slova GPS, Galileo, paralelní navádění, RTK, CTF, CANBUS, ISOBUS.
Abstract Fasora, R., The use of GPS system in plant growing technology. Bachelor thesis. Brno: Mendel University in Brno, 2012. Thesis describes progress of satellite navigation systems, GPS and Galileo. I tis interested in navigation exactitude, minimalization of overlays and drift to land. Exactly it´s focused on parallel guiding it´s component and using in agriculture. Keywords GPS, Galileo, parallel navigation, RTK, CTF, CANBUS, ISOBUS.
OBSAH 1
Úvod ................................................................................................................... 8
2
Cíl práce ............................................................................................................. 9
3
DRUŽICOVÉ NAVIGAČNÍ SYSTÉMY ....................................................... 10 3.1
Vývoj ........................................................................................................ 10
3.2
GNSS ........................................................................................................ 11
3.2.1
GNNS-1 ............................................................................................. 12
3.2.2
GNSS-2 ............................................................................................. 12
3.3
GLONASS ................................................................................................ 12
3.4
GPS ........................................................................................................... 13
3.4.1
Charakteristika GPS .......................................................................... 13
3.4.2
Přesnost GPS ..................................................................................... 14
3.4.3
Struktura systému GPS ...................................................................... 14
3.4.3.1 Kosmický segment ........................................................................ 14 3.4.3.2 Řídicí segment ............................................................................... 15 3.4.3.3 Uživatelský segment ...................................................................... 16 3.5 4
GALILEO ................................................................................................. 17
PARALELNÍ NAVÁDĚNÍ PO POZEMKU ................................................... 19 4.1
Manuální řízení ......................................................................................... 20
4.2
LED lišta ................................................................................................... 20
4.3
Asistované řízení ...................................................................................... 22
4.3.1 4.4
Režimy navádění ............................................................................... 24
Autopilot ................................................................................................... 25
4.4.1
Náklon traktoru na svahu................................................................... 26
4.4.1.1 Technologie T2 .............................................................................. 26 4.4.2
RTK ................................................................................................... 27
4.4.2.1 Vlastní RTK stanice ...................................................................... 27 4.4.2.2 RTK VRS síť ................................................................................. 28 4.4.3
CTF – kontrolovaný pohyb strojů na pozemcích .............................. 29
4.4.4
RTK Extend ....................................................................................... 30
4.4.5 5
INERCIÁLNÍ NAVIGACE ............................................................................. 31 5.1
6
7
9
Gyroskop................................................................................................... 32
CANBUS ......................................................................................................... 33 6.1
Charakteristika sběrnice CAN: ................................................................. 33
6.2
Základní součásti ...................................................................................... 34
6.2.1
CANBUS ........................................................................................... 34
6.2.2
CAN-Controller ................................................................................. 34
6.2.3
Protokol ............................................................................................. 35
ISOBUS ........................................................................................................... 36 7.1
8
iGuide ................................................................................................ 31
Funkce ISOBUS systému ......................................................................... 37
Diskuze............................................................................................................. 38 8.1
Sklízecí mlátička s použitím a bez použití navigace ................................ 39
8.2
Postup výpočtu.......................................................................................... 40
Závěr ................................................................................................................ 42
10 Seznam literatury ............................................................................................. 44 11 Seznam obrázků ............................................................................................... 46 12 Seznam použitých zkratek................................................................................ 47
1 ÚVOD Navigací se rozumí dovedení člověka z jednoho místa na druhé. Ať už chůzí nebo jiným způsobem. V minulosti se toho dosahovalo použitím různých metod jako je kompas, navigace pomocí orientačních bodů, podle hvězd, výpočtem, rádiovou, či inerciální navigací aj. Zpočátku se navigace používala u námořnictva, odkud se později dostala k pozemní navigaci, letecké i kosmické. Postupem času se díky moderním technologiím vyvinulo navádění pomocí satelitů obíhajících v kosmickém prostoru na oběžné dráze kolem Země. Hlavním a doposud stávajícím systémem se stal v 80. letech minulého století po předchozích zařízeních americký globální polohový systém GPS (Global Position System) a o něco později druhý, méně využívaný, ruský Glonass (Global Navigation Satellite System). GPS, či jakákoli navigace, hrají v současnosti velkou roli. Ať už v běžném automobilovém provozu nebo v kosmickém prostoru. Slouží k modernizaci strojů, kde se přestává užívat manuálního řízení a preferuje se samojízdné. Toho se začalo využívat i v zemědělství, kde je prioritou snižování nákladů, vysoká přesnost u jednotlivých operací a minimalizace ztrát. Počítače společně s jednotlivými komponenty a navigací dokážou z pouhého stroje, řízeného obsluhou, udělat téměř plně samojízdný stroj. V zemědělství se užívá velkých výkonů, tudíž velkých konstrukčních záběrů, které mohou mít až metrové překrytí. Čím větší záběr pracovního nářadí, tím větší přesah. Tomu není obsluha schopna zabránit. Navigace dokáže eliminovat překryvy na pouhé centimetry. Minimální překrytí, větší úspora paliva, možnost použití velkých konstrukčních záběrů, snížení únavy obsluhy, menší opotřebení materiálů, zpracování půdy za podmínek, ve kterých lidský faktor nestačí a další. Toho se dosáhne využíváním moderních technologií paralelního navádění. Paralelním naváděním můžeme docílit stejnoměrného utužení půdy, čímž se zvýší kvalita půdy. Použitím navigace můžeme dosáhnout stejných jízd pro jednotlivé operace v průběhu vegetace nebo meziročně. Používáním navigace může práce obsluhy spočívat pouze v kontrole chodu celé soupravy a jejím pojezdu. Vývoj a modernizace nás vede k tomu, že v budoucnosti bude za potřebí čím dál méně lidských faktorů. Manuální ovládání strojů se už teď snižuje tak, že za několik desítek let se může stát, že budeme stroj ovládat pomocí počítačů, dálkových ovládání, jako bychom řídily hračky. 8
2
CÍL PRÁCE Cílem práce je shromáždit obecné poznatky o GPS a navigacích. Zaměřit se na
efektivnost při použití paralelních naváděcích systémů v zemědělství. Možnosti využití jednotlivých naváděcích systémů a zhodnocení použití jednotlivých typů.
9
3
DRUŽICOVÉ NAVIGAČNÍ SYSTÉMY
3.1 Vývoj V roce 1964 vznikl družicový navigační systém pod názvem Transit. O jeho provoz se postaralo námořnictvo USA, pro které bylo určené. Pracoval na principu dopplerovských měření a byl tvořen šesti družicemi, obíhajících po téměř kruhových oběžných drahách ve výšce kolem 1057 km nad zemí, vysílajících na dvou nosných frekvencích. Společně jej tvořily ještě tři pozemní pozorovací stanice umístěné v USA, které tvořily řídicí segment. Viditelnost družice byla max. 18 minut a oběžná doba družic trvala 107 minut. Rozmístěny byly tak, že z jakéhokoliv místa na zeměkouli byla vidět minimálně jedna družice každých 35 až 120 minut. Družice dostávaly údaje o své oběžné dráze (tzv. efemeridy)1 každých 12 hodin a díky tomu mohl uživatel určit polohu družice a následně pomocí dopplerovského posunu pak svoji polohu. Přesnost se pohybovala kolem 800 m, ale postupněji se zvyšovala až na pouhých 5 m. Od roku 1967 je systém nejen pro námořnictvo, ale i pro civilní potřeby. Svoji službu systém Transit ukončil po 32 letech roku 1996. Neustále se pokračovalo ve vývoji, kdy v roce 1972 dostal šanci systém Timation, zaměřený na vysílání přesného časového signálu. Tak jako Transit i tento systém byl zdrojem zkušeností pro budoucí GPS. V bývalém Sovětském svazu byl koncem šedesátých let uveden do provozu dopplerovský systém pod názvem Cyklon pro potřeby ponorkového loďstva. Dodnes se používají dva podobné systémy – vojenský Parus (Cikada-M) používající šest družic a civilní Cikada se čtyřmi družicemi. V sedmdesátých letech se začalo jednat o družicové pasivní dálkoměrné systémy, umožňující určování polohy v trojrozměrném prostoru spolu s přesným časem, pro letectvo. 17. prosince 1973 vznikl projekt nesoucí neobvykle dva názvy GPS a NAVSTAR. Název Navstar bývá někdy akronymem2 názvu Navigation System using Time And Ranging, ale samotný autor se nad tímto projektem usmívá, jelikož druhý název nemá žádný význam. Pouze se tak nazývá z toho důvodu, aby bylo vyhověno vysokému úředníkovi na ministerstvu obrany, který rozhodoval o finančních prostředcích poskytovaných na projekty a který projevil nelibost nad názvem GPS. 1 2
polohy družic na oběžných drahách akronym (zkratkové slovo, složené z počátečních hlásek nebo slabik více slov)
10
Z počátku mělo být vypuštěno 24 družic na třech oběžných drahách se sklonem 63 ° a výškou 20 200 km. Doba oběhu měla být cca 12 hodin s pravidelnými drahami nad řídicí stanicí na území USA, která měla posílat údaje o oběžných drahách. Tři oběžné dráhy byly zvoleny proto, aby stačily k zajištění chodu tři náhradní družice, kdyby došlo k poškození jedné z nich. Díky této konstelaci měla být zaručena viditelnost minimálně šesti a maximálně jedenácti družic. Došlo ale ke dvěma změnám – sklon činil 55 ° a oběžných drah bylo šest se čtyřmi družicemi na každé z nich. V závislosti na potřebě bylo možné systém doplnit o další družice, čímž se zvýšila jeho robustnost. V sedmdesátých letech začal bývalý Sovětský svaz vyvíjet vlastní pasivní dálkoměrný družicový navigační systém pod názvem GLONASS (Globalnaja Navigacionnaja Sputnikovaja Sistěma). Využívá téměř stejné principy jako americký. Výška dráhy je 19 100 km. Byla vybrána spolu s anténou se speciální vyzařovací charakteristikou, aby bylo vytvořeno kompletní radionavigační pole do výšky 2 000 km nad zemským povrchem. Sklon oběžné dráhy činí necelých 65 °, podobně jako u amerického. Posledním výkřikem „módy“ v oblasti GNSS je projekt Evropské unie Galileo. O projektu se dozvíme později. (Rapant, 2002)
3.2 GNSS Evropské státy nedůvěřovaly systémům GPS a GLONASS, a proto chtěli vytvořit globální družicový navigační systém GNSS (Global Navigation Satellite System), který nebude vojenský a nebude spravován pouze jedním státem, nýbrž nadnárodně. Zpočátku měl vzniknout sloučením GPS a GLONASS, ale později bylo navrženo, že bude pouze na bázi GLONASS. V roce 1994 Evropské společenství publikovalo studii, kde byly tyto systémy označeny za předstupeň k budoucímu nezávislému celosvětovému civilnímu systému. Cesta vedla přes GNSS-1 a GNSS-2. (Rapant, 2002)
11
3.2.1
GNNS-1
Byl přechodový stupeň mezi vojenskými složkami a budoucím systémem GNSS-2, který měl být na existujících systémech nezávislý, ale přesto s nimi umět spolupracovat. GNSS-1 byly tedy tzv. rozšiřující systémy zvyšující přesnost, spolehlivost a dostupnost, hlavně systému GPS. Nyní se sem řadí evropský projekt EGNOS, americký WAAS a japonský MSAS, které by měly být uvedeny do provozu počátkem tohoto roku. (Rapant, 2002) 3.2.2
GNSS-2
Tento systém se zabývá pouze jedním projektem, a to systémem Galileo. O něm bude samostatná kapitola.
3.3
GLONASS GLONASS (angl. Global Navigation Satellite System; rusky Globalanaja
Navigacionnaja Sputnikovaja Sistěma) je pasivní dálkoměrný družicový rádiový navigační systém, který určuje polohu, rychlost a čas v třírozměrném prostoru, kdekoliv a kdykoliv na Zemi a v blízkém kosmickém prostoru. O systém pečují ruské kosmické síly pro potřeby Ruské federace, ale i pro civilní účely. Je určen pro: − řízení a zvýšení bezpečnosti letecké a námořní dopravy − geodézii a kartografii − monitorování pozemní dopravy − synchronizaci času mezi odlehlými místy − ekologický monitoring − pro potřeby vyhledávacích a záchranných služeb Skládá se: − z konstelace družic GLONASS − z pozemního řídicího komplexu − z navigačního vybavení uživatelů (Rapant, 2002)
12
3.4 GPS GPS zná snad každý, co se týče teoretické stránky. Člověk si pod pojmem GPS představí jednoduše navigaci, podle které jej z místa „A“ do místa „B“ dovede dle nějaké trajektorie. Najde ji v mobilních telefonech, nebo jako v dopravním prostředku, ať už je to automobil, sklízecí mlátička, nákladní automobil nebo traktor. GPS (Global Position System) je americký systém, užívaný zprvu vojenskými silami, avšak dnes je rozšířen pro civilní uživatele. O jeho správu se stará ministerstvo obrany USA. Využití civilními složkami se pohybuje v desítkách miliónů. Důvody jsou takové: − poměrně vysoká polohová přesnost (desítky metrů až milimetry) − určení rychlosti a času s přesností odpovídající polohové − dostupnost signálu kdekoliv na Zemi: na povrchu, na moři, ve vzduchu a blízkém kosmickém prostoru − standardní polohová služba GPS je dostupná civilistům bez omezení, bez poplatků − použití GPS systému relativně díky levnému zařízení − systém pracuje 24 hodin denně, za každého počasí − určení polohy je možné v třírozměrném prostoru (Rapant, 2002) Globální polohový systém byl navržen tak, aby umožnil uživatelům, vhodně vybavených, vysoce přesné určování polohy, rychlosti pohybu a získávání přesného časového signálu. 3.4.1
Charakteristika GPS
Ve výšce 20 200 km nad zemí obíhá 24 družic po šesti oběžných drahách. Doba oběhu družice je 12 hodin a 58 minut. Satelity jsou skloněny pod úhlem 55 ° k rovníku. Družice si můžeme představit jako radiové majáky na oběžné dráze, vysílající informace o své poloze a velmi přesný čas. Rádiový přijímač GPS na Zemi přijímá data, která přepočítá a určí přesnou polohu. Pro určení polohy je nutno vidět minimálně čtyři družice. Nosiče, po kterých se přenáší signál, jsou L1 vysílající na frekvenci 1 157,42 MHz a L2 na frekvenci 1 227,6 MHz. Civilní signál L1 vysílá C/A kód jedinečný pro každou družici a vojenský šifrovaný P(Y) kód, určený pro autorizované uživatele nabízející vyšší přesnost. Signál L2 vysílá pouze P(Y) kód. 13
Nevýhodou je ztráta signálu, kterou způsobí překážka mezi GPS přijímačem a satelitem. Dochází k tomu při vjezdu do tunelu, mezi vysokými domy tam, kde není přímá viditelnost družice a GPS přijímače. (http://gislib.upol.cz/educagi/) 3.4.2
Přesnost GPS
Přesnost je definována v tzv. federálním radionavigačním plánu (Federeal Radionavigation Plan) a rozděluje se do dvou základních úrovní: • standardní polohová služba • přesná polohová služba Standardní polohová služba (SPS) je pro všechny uživatele po celém světě bezplatná a bez omezení. Požadavky na přesnost jsou s 95% pravděpodobností definovány horizontálně do 13 m, vertikálně do 22 m a přesnost času do 40 nanosekund. Přesná polohová služba (PPS) je určena autorizovaným uživatelům, kteří na základě povolení vlastní kartografické zařízení, klíče a mají speciálně vybavené přijímače. Mezi uživatele patří americká armáda a vybraní uživatelé vládou USA. (Rapant, 2006) 3.4.3
Struktura systému GPS
Systém tvoří tři základní segmenty: •
kosmický
•
řídicí
•
uživatelský
Pro bezproblémovou funkci je zapotřebí všech tří segmentů. 3.4.3.1 Kosmický segment Je tvořen soustavou družic, rozmístěných systematicky na oběžných drahách, vysílající signály. Plná konstelace se skládá z 24 družic, z toho 21 navigačních a tří záložních. Na Zemi by pak měly být připraveny ještě čtyři záložní družice, schopné je do 48 hodin umístit na oběžnou dráhu v případě potřeby. Oběžné dráhy mají konstantní polohu k Zemi. Oběžná doba družic činí 11 hodin a 58 minut, tj. polovina siderického
14
dne3. Konstelaci tvoří šest oběžných drah, na každé z nich jsou čtyři družice a sklon dráhy je 55 ° vzhledem k rovníku. Takovéto uspořádání zaručuje dostupnost signálu po celé Zemi z minimálně čtyř družic 24 hodin denně. V praxi je viditelných většinou více družic, nejlépe však 12. Kruhová oběžná dráha a relativně velká oběžná výška – 20 200 km, jsou příčinnou dlouhodobého velice stabilního systému. Družice se vyskytují v pásu mezi 60 stupni severní a jižní šířky. Pokud se přibližujeme směrem k pólům, zhoršuje se geometrie družic při měření. Ty po vypuštění pracují nepřetržitě s výjimkou pravidelné údržby, kdy jsou družice mimo provoz. Důvodem odstávky jsou např. césiové hodiny, které potřebují dvakrát za rok dopumpování plynové trubice, tím je zajištěn pravidelný chod. Údržba trvá přibližně 18 hodin. Jednou do roka se provádí korekce oběžné dráhy družic, která trvá 12 hodin. Děje se to kvůli zachování družic na stejném místě v konstelaci, protože družice mají tendenci vzdalovat se díky změnám gravitačního pole Země. Nyní je v kosmickém segmentu umístěno 28 družic vysílajících navigační signály. Z toho plyne, že se nevyužívá mechanismu aktivních záloh. Takovéto množství se může zdát přehnané, či robustné, ale důvodem je asi 15 družic nacházejících se ve stavu, kdy jsou poškozeny všechny redundantní systémy. Tzn., že družice pracují v tzv. „single-string failure mode“4 a následná další porucha bude znamenat vyřazení družice z činnosti. V poslední době došlo ke snížení počtu družic a zavedení nové generace družic, protože systém GPS vyžaduje modernizaci, kterou by stávající družice nezajistily. (Rapant, 2002) 3.4.3.2 Řídicí segment Z názvu nám může být jasné, že se jedná o segment, který má na starosti řízení a chod celého globálního polohového systému. Aktualizuje údaje v navigačních zprávách, které jsou vysílány družicemi kosmického segmentu. Řídicí segment se skládá z pěti pozemních monitorovacích stanic umístěných na vojenských základnách americké armády (Havaj, Kwajalein, Diego Garcia, Ascension, Colorado Springs). Hlavní řídicí stanice (Master Control Station – MCS) se nachází v Colorado Springs na letecké základně Schriver (Schriver Air Force Base). Tři stanice pro komunikaci s družicemi (ground antenna) jsou umístěny na vojenských základnách Kwajalein, Diego Garcia a Ascension. Vysílají údaje o oběžných drahách, nastavují 3 4
siderický den tj. doba zemské rotace, která činí 23 h 56 min. 4,1 s režim selhání
15
hodiny, aktualizují navigační zprávy a umožňují také ovládání družic. Pokud by nastala porucha, lze využívat středisko Cap Canaveral, sloužící jen pro přípravu družic na vypuštění. Pozemní monitorovací stanice jsou bezobslužné, řízené dálkově z hlavní řídicí stanice. Jedná se o přesné GPS přijímače, které v sobě mají vlastní atomové hodiny. Jsou schopné sledovat všechny viditelné družice, maximálně 11 současně. Stanice pouze určují vzdálenosti k družicím a ty spolu s přijatými navigačními zprávami přenášejí do hlavní řídicí stanice, kde jsou vypočítány přesné údaje oběžných drah (efemerid), korekce atomových hodin a jsou přeneseny na stanice pro komunikaci s družicemi. Ty pak minimálně jedenkrát denně vysílají efemeridy a údaje o hodinách na jednotlivé družice. Družice pak vysílají pomocí rádiových signálů efemeridy svých oběžných drah a přesný čas do GPS přijímačů. Přesnost určení drah na hlavní řídicí stanice je kolem 1,5 m. Parametry oběžných drah družic jsou určovány nezávislými organizacemi, které produkují parametry s přesností 3 cm. V případě vojenského útoku je systém GPS schopen odolávat. Hlavní řídicí stanice je v opevněném bunkru ve Skalistých horách a družice jsou chráněny před elektromagnetickým
impulsem
vyvolaným
kosmickým
jaderným
výbuchem.
Zranitelnější jsou stanice určené pro komunikaci s družicemi, hlavně jejich antény. Monitorovací stanice sledují GPS pouze z 92 %. Po zbytek jsou družice mimo dosah řídicího segmentu. (Rapant, 2006) 3.4.3.3 Uživatelský segment Uživatelský segment se skládá z GPS přijímačů, uživatelů, vyhodnocovacích nástrojů a postupů. Přijímače pomocí signálů z družic vypočítají rychlost, polohu a čas. Pro výpočet všech čtyř souřadnic (x, y, z, a t) je zapotřebí signál minimálně ze čtyř družic. Tyto přijímače se používají pro navigaci, určování polohy, přesného času, ale i pro jiné účely: − Navigace v třírozměrném prostou je základní úlohou GPS. Přijímače se používají pro letadla, lodě, pozemní vozidla, kosmická tělesa, a také v ručním provedení. − Pomocí referenčních přijímačů lze stanovit přesnou polohu. Musejí být ale umístěny na místě o známé poloze, které pak umožňují získat korekce pro opravu výpočtů z mobilních stanic, například vytyčování geodetických sítí. 16
− Poskytování přesného časového signálu, případně i kmitočtového standardu. Použitím speciálních přijímačů k tomuto účelu pak umožňují nastavit přesný čas a frekvenci pro potřeby telekomunikačních zařízení, astronomických observatoří a laboratoří všeho druhu. (Rapant, 2002)
3.5 GALILEO Galileo je evropský globální družicový navigační systém (GNSS). Má být vybudován jako alternativa oproti navigačnímu systému GPS a GLONASS. Stará se o to Evropská unie reprezentovaná Evropskou komisí (EC - European Comission) a Evropskou kosmickou agenturou (ESA - European Space Agency). EC řeší politické otázky týkající se stavby systému a požadavky vyplývající z jednání na vysoké úrovni. ESA je hlavním článkem vývoje a zprovoznění družicové části systému a navazujícího pozemního zařízení. Systém Galileo je financován z prostředků Evropské unie a ze soukromého sektoru. Evropská komise doufá, že po úplném dokončení projektu bude z velké části nahrazen financováním ze soukromých prostředků. Současné systémy (GPS, GLONASS) jsou vojenské, což je také jedním z důvodů vybudování tohoto systému, který bude civilní. Spuštění systému je neustále oddalováno. Provozuschopný měl být už v roce 2010, nyní má být spuštěn až 2014. V roce 2004 bylo v Bruselu založeno administrativní centrum Galileo Supervising Authority (GSA), v německém Oberpfaffenhofenu technologické centrum Galileo Control Centre (GCC) a pro vývoj bylo využito centra European Space Research and Technology Centre (ESTEC) ESA v holandském Noordwijk. První technologická družice pro testování byla do vesmíru vyslána 28. prosince 2005 pod názvem GIOVE-A (Galileo In-Orbit Validation Element), kterou vynesla z kosmodromu Bajkonur v Kazachstánu ruská raketa Sojuz-FG/Fregat. Družice nesla prototyp rubidiových atomových hodin určených přímo pro navigační soustavu Galileo. Druhá družice GIOVE-B byla vynesena 27. dubna 2008 opět z kazašského Bajkonur raketou Sojuz/Fregat. Ta byla vybavena super přesnými pasivními vodíkovými hodinami stejně jako druhými rubidiovými atomovými hodinami. Pro zajištění maximální spolehlivosti budou operační družice vybaveny oběma typy hodin. V současnosti bude sídlo GSA přesunuto z Bruselu do Prahy.
17
Systém je složen z 30 družic, 27 operačních a tři záložní. Po desíti jsou rozmístěny na třech kruhových oběžných drahách, obíhajících na středním orbitu (MEO - Medium Earth Orbit) ve výšce 23 222 km nad zemí. Rovina dráhy bude s rovinou rovníku svírat úhel 56 °, což umožní využití systému bez problému až do míst, kde bude úhel 75 ° zeměpisné šířky. 30 satelitů v takovéto nadmořské výšce a úhlem nám má zajistit pravděpodobnost více než 90% viditelnosti minimálně čtyř satelitů. Každý uživatel s přijímačem signálu bude mít možnost určit aktuální polohu s přesností vyšší než jeden metr. Signály budou využívat dvě pásma: 1164-1214 a 1563-1591 MHz. Horizontální přesnost bude vyšší jak čtyři 4 m a vertikální lepší jak 8 m. Při použití jednoho pásma bude horizontální pod 15 m vertikální pod 35 m. Díky dohodě o kompatibilitě s americkým systémem, budou přijímače zároveň využívat i GPS. Má provozovat časové a polohové služby: •
Základní služba (OS – Open Service) – základní signál, poskytovaný zdarma.
•
Služba “kritická“ z hlediska bezpečnosti (Sol – Safety of Life) – bude primárně zlepšovat službu OS s tím, že bude uživatele varovat během několika sekund před nedodržením garantovaných limitů systému (přesnost apod.). Služba je určena pro bezpečnostně-kritické aplikace, které vyžadují garanci signálu. Např. řízení letového provozu, automatické systémy přistávání letadel atd. Služba by měla být certifikována z hlediska mezinárodních standardů Mezinárodní organizace pro letectví (ICAO) a pravidel Otevřeného nebe (Open Sky regulations).
•
Komerční služba (CS – Commercial Service) – na rozdíl od OS využívá ještě dva signály, které jsou chráněny díky komerčnímu kódování a budou řízeny poskytovateli služeb a budoucím Galileo operátorem. Přístup je kontrolován na úrovni přijímače, kde se využívá přístupového klíče. Služba bude zpoplatněna a bude tak poskytovat přesnost lepší jak 1 m. V kombinaci s pozemními stanicemi může přesnost dosáhnout až 10 cm. Pracovat bude pomocí tří pásem, dvě použitá OS a třetí s frekvencí 1260-1300 MHz.
•
Veřejně regulovaná služba (PRS – Public Regulated Service) – dva šifrované signály s kontrolovaným přístupem a dlouhodobou podporou, určená pro uživatele vybrané státem, např. bezpečnostní složky státu, armády.
18
•
Vyhledávací a záchranná služba (SAR – Search And Rescue Service) – služba nouzové
lokalizace
v rámci
celosvětové
družicové
záchranné
služby
COSPAS/SARSAT s možností oboustranné komunikace. Měl by poskytovat: •
vyšší přesnost dostupnou všem uživatelům oproti současným systémům
•
celosvětové pokrytí
Galileo bude plně funkční a bude poskytovat své služby pro uživatele po celém světě. (http://www.galileonavigace.cz);
(http://geologie.vsb.cz/geoinformatika/kap09.htm);
(http://www.esa.int)
4
PARALELNÍ NAVÁDĚNÍ PO POZEMKU Zvolení způsobu navádění stroje po pozemku závisí čistě na uživateli, na jaké práce
bude navigaci používat a s jakou přesností chce pracovat. S rostoucími požadavky roste přesnost i cena navigace, ale snižuje se překrývání, náročnost na obsluhu, zvyšuje se úspora paliva atd. Manuální a automatické navádění vyžaduje nejprve vytvoření základní linie, podle které řídicí jednotka vede následné paralelní jízdy. Základní linie se vytvoří najetím traktoru nebo celé soupravy na začátek pozemku. Obsluha stiskem tlačítka zapne navigaci, tudíž určí bod „A“, odkud bude začínat pomyslná přímka a na konci pole opětovným stiskem určí bod „B“. Řídicí jednotka body spojí a stanoví základní linii, přímku nebo také křivku. Pojezdová rychlost, při které lze navigaci používat, je přesně stanovena. Může dojít k omezení využití, protože některé systémy vyžadují minimální rychlost, a ta nemusí být při jistých pracovních činnostech dosažena. (Bauer, 2006)
19
4.1 Manuální řízení Manuální řízení je pouze spojení slov, kde se nedá stanovit konkrétní přesnost, jak je tomu u řízení s GPS navigací. U nich můžeme zaručit až centimetrovou přesnost. Zde záleží vše pouze na obsluze stroje a celé soupravy. Jeho zkušenosti hrají největší roli a právě ty určují již zmiňovanou přesnost. Čím zkušenější řidič, tím přesnější a kvalitnější práce. U manuálního řízení již v názvu slyšíme, oč se bude jednat. Celý systém se skládá pouze z pracovní soupravy a obsluhy. Ta, na základě svých zkušeností, stanovuje překrytí a celý proces operace. Právě tomuto se v zemědělství chceme vyhnout. Díky překrývání přichází podniky o peníze. Ať už se jedná o přesnější práce jako je setí nebo pouhé zpracování půdy, kde se na přesnost neklade takový důraz jako u setí. U manuálního řízení je přímá úměra záběru s překrytím. Čím větší záběr stroje, tím
složitější
je
udržet
rovnou
linii
soupravy
a
minimalizovat
překrytí.
Překrývání způsobuje dvojité zpracování půdy, větší spotřebu paliva, ztrátu času aj. Nejvíce se to projevuje na velkých plochách, kde překrytím může vzniknout až několikahektarový úsek, zpracovaný zbytečně dvakrát. O efektivitě se u tohoto typu řízení moc mluvit nedá. Jestliže bude jeden uživatel obdělávat jedno pole po celou dobu vegetace, bude záležet jen a jen na něm, jaký bude výnos. On bude muset připravit půdu, zaset plodinu, hnojit, či postřikovat a sklidit. Tudíž výsledkem výnosů budou schopnosti a zkušenosti obsluhy.
4.2 LED lišta Je kombinace manuálního řízení a světelné LED lišty, díky které je stroj veden po pozemku. Uživatel je naváděn pomocí barevných diod, které jsou umístěny v zorném poli řidiče, většinou na předním skle. Uprostřed svítí zeleně, většinou v počtu tří a zbytek pak červeně. Počet diod se liší výrobcem, obecně se pohybuje kolem 30. Barvy zde nehrají tak velkou roli. Obsluha zatáčí na opačnou stranu, kam se diody rozsvítí. Principem je udržet jízdu uprostřed lišt, kde diody svítí zeleně. Ovládání je buď dotykové, nebo pomocí tlačítek, někdy i dálkovým ovladačem, díky kterým lze nastavit šířku záběru a ostatní parametry. Světelná LED lišta může být externí, nebo je součástí barevného LCD displeje. Zpočátku to byla lišta s monochromatickým displejem, v současnosti již barevný, který nám ukazuje nejen obdělanou půdu, rychlost, řádek a vytváří mapu pokrytí. 20
Ale dále nám zobrazuje umístění stroje, čímž obsluha vidí, kde se nachází a kam má nasměrovat soupravu. Součástí systému je anténa, která z družic zdarma přijímá signál EGNOS, posílá jej do přijímače, integrovaného v displeji, a ten ho zpracuje a zobrazí na displeji, podle kterého vedeme stroj. Přesnost signálu EGNOS ± 20 až 30 cm umožňuje použití téměř pro všechny operace.
Obr. 1 Světelná LED lišta s displejem (http://www.gps-agro.cz) S použitím světelné LED lišty můžeme jezdit tehdy, kdy to podmínky lidské obsluze nedovolují, a to ve dne i v noci, za mlhy, při vysoké prašnosti, kdy by mohlo dojít až k metrovým překryvům, v závislosti na záběru stroje. Výhodou je snížení únavy obsluhy, kdy nemusí vynakládat tolik úsilí na soustředění a může se lépe věnovat funkčnosti soupravy. Využitím tohoto systému odstraníme překryvy, sníží se časy způsobené překrytím, zvýší se úspora paliva, zajistí se rovnoměrnost zpracování půdy, setí, aplikace hnojiv a postřiků. Použitím světelné LED lišty ušetříme náklady, které vznikají opakovaným zpracováním půdy a nemožností pracovat za každých podmínek. Celý systém je možno přenášet ze stroje na stroj. Instalace a ovládání je rychlé a snadné. Součástí zapojení je kabel - napájení baterie, kabel - rychlostní adaptér, kabel - adaptér zapalovače a přichycení je pomocí speciálních držáků. Doporučuje se mít na každém stroji vlastní anténu, aby se při přenášení nemusela znovu protahovat a instalace byla o to rychlejší. Další výhodou je možnost mapování a sběr dat, které díky USB portu můžeme přenést do PC a v něm dále zpracovat. Světelná lišta je prvním zvýhodněním jak pro řidiče, který jezdí komfortněji a přesněji, tak pro podnik, kterému se snižují náklady a zvyšuje zisk. Lze ji použít pro všechny druhy operací, např. setí, sázení, postřikování, sklizeň, avšak efekt s použitím 21
přesnosti ± 20 až 30 cm nemusí u jednotlivých činností vyhovovat. Přesnost lze zvýšit až na 2,5 cm placeným signálem RTK. Avšak kombinací manuálního řízení a RTK signálu teoreticky nelze dosáhnout, jelikož reakce řidiče a LED lišty není tak přesná, aby byla schopna využívat tohoto signálu. (http://www.johndeeredistributor.cz)
4.3 Asistované řízení Je řízení, které ke své činnosti, alespoň částečně, nepotřebuje ruce, tudíž stroj jezdí sám a obsluha tak převážně může kontrolovat práci za ním. Systém eliminuje přejezdy již zpracované půdy a to i za snížené viditelnosti, v noci nebo za jinak zhoršených podmínek. Přesnost navádění činí ± 15 až 20 cm. Dosáhne se toho tím, že asistované řízení vede traktor automaticky podle zvolené dráhy tak, že je k volantu připevněn krokový motorek, který jím samočinně otáčí. Řízení umožňuje přejezdy přes jeden či dva záběry. Tím se dosáhne většího poloměru otáčení na souvratích, sníží se opotřebení pneumatik, zejména pak pásů. Další výhodou je dosažení menšího namáhání celé traktorové soupravy, jako jsou závěsy, různé spoje a rám. Díky většímu poloměru otáčení nedochází k tak velkým prodlevám, práce je rychlejší a plynulejší. Použitím asistovaného řízení se obsluha stará pouze o pojezd, otáčení na souvratích a překážky. Jedná se o systém, u něhož je volant ovládán 12 V elektromotorem řízeným z GPS navigace. Otáčení volantu zajišťuje třecí pastorek, který je upevněn na sloupek řízení tak, aby byl pastorek ve styku s volantem a mohlo tak docházet k otáčení. Další způsob řešení je realizován tím, že se namontuje elektromotor s vlastním volantem na místo původního volantu. Důraz se klade na pevnost spojení kvůli vůlím a vychýlení do stran. Systém je přenositelný ze stroje na stroj a lze namontovat na většinu kolových i pásových traktorů. Podmínkou je posilovač řízení. Díky přídavnému motorku se však omezí prostor řidiče. Otáčení soupravy na souvratích koná obsluha, a tak se může stát, že neodklopí motorek od volantu a náhodou o něj zavadí. Krokový motorek je uchycen na pružině, díky níž se může ruka dostat mezi motor a volant, aniž by byl motorek nějak poškozen. Ten je pružinou neustále přitlačován k volantu a tím je zajištěno stálého spojení.
22
Obr. 2 Přídavný servomotor (http://www.caseiheurope.com) U asistovaného řízení je nevýhodou to, že díky instalovanému elektromotorku namontujeme teoreticky další převod, což má za následek vůle, které se mohou projevit na řízení. Tím mohou vznikat pomalejší reakce a systém se proto nedoporučuje na operace, kde je kladen důraz na přesnost. Systém nabízí všechny úrovně přesností. Od použití bezplatného signálu ± 15 až 20 cm, po placený signál s korekcí RTK ± 2 až 5 cm. Součástí navádění je display, který existuje v několika provedeních v závislosti na úrovni a komfortu. Před začátkem operace je nutno provést základní nastavení traktoru. U některých monitorů je možnost volby režimu kolových, či pásových traktorů. Po těchto úkonech obsluha nastaví základní linii mezi body A a B, čímž se distancuje od řízení za použití rukou a věnuje se chodu soupravy. V případě potřeby může obsluha zasáhnout do řízení, aniž by musela nejprve vypnout navádění. Oproti předchozímu systému navádění zde odpadá potřeba manuálního řízení, které v tomto případě obstará motorek. Řidič tak sleduje prostředí kolem něj a chod soupravy, aby nedocházelo k jeho ucpávání. Zvyšuje se nadále komfort obsluhy, které se tím sníží únava, také soustředění na pojezd, pouze se stará o otáčení na souvratích, kolem překážek a ovládání závěsného zařízení. Využitelnost je zde velká, protože na většinu operací nám vyhovuje přesnost ± 15 až 20 cm s použitím konstrukčních záběrů až několik desítek metrů jako je u postřikovačů. Člověk naváděný světelnou lištou přeci jen není schopen tak rychle zareagovat u 40m postřikovače, kde by vynechaná plocha mohla znamenat poněkud velké ztráty na výnosech. (http://www.agroweb.cz) 23
4.3.1
Režimy navádění
Obr. 3 Přímka A+
Obr. 4 AB linie
Obr. 5 Identická křivka
Obr. 6 Adaptivní
Obr. 7 Jednoduchá souvrať
Obr. 8 Vícenásobná souvrať
Obr. 9 FreeForm (volná úprava)
Obr. 10 Pivot (středový bod)
(http://www.gps-agro.cz)
24
4.4 Autopilot Autopilot se řadí mezi nejpřesnější navádění. Systém je totiž zabudován přímo v hydraulickém okruhu řízení traktoru nebo samojízdného stroje. Proto disponuje především okamžitou reakcí na změnu směru. Od asistovaného navádění je zpřesněn například o čidla natočení kol, korekce náklonu na svahu a nemusí jezdit pouze rovně, nýbrž může kopírovat jízdy podél křivky. Systém se může namontovat na většinu traktorů vyrobených v posledních letech. Význam použití je hlavně na počátku sezóny u setí a sázení. Použitím autopilotu se zakládají centimetrově přesné kolejové řádky a porosty. Díky mapování můžeme uložená data – jízdy při další operaci použít a řidič tak jezdí podle předchozích jízd, jak bylo na počátku – setí. Může se věnovat pak samotnému průběhu činnosti stroje. Umožňuje nám minimální překryvy, tudíž použití široko záběrových strojů, kde obsluha není schopna jízdy bez překryvů. Ty mohou činit někdy až 1 m již obdělané půdy, což se na několikahektarových plochách projeví velkými ztrátami času, paliva, výrazným utužením půdy, opotřebením soupravy a v neposlední řadě únavou obsluhy. Co se týká návratnosti, tak u autopilota se uvádí nejrychlejší, a to do 3 let, u pár set hektarových pozemcích v závislosti na průběhu využitelnosti. Součástí systému je snímač natočení kol, ovládací ventil hydrauliky servořízení, ŘJ ventilů, kabeláž, GPS přijímač integrovaný v monitoru, gyroskopy, anténa a navigační řídicí jednotka.
Obr. 11 Autopilot (upraveno) (http://www.gps-agro.cz) Navigace se vypne při jakémkoli zásahu uživatelem. Pootočením volantu, zvýšením pojezdové rychlosti nejčastěji 15 a 30 km/h, dále může být doplněno zatížením sedadla, 25
zavřením dveří atd. Na konci souvrati, neboli před místem otáčení, je řidič upozorněn zvukovým signálem. U autopilota se obsluha, po nastavení všech parametrů, nemusí téměř o nic starat. Dokonce lze do navigace zadat i překážky vyskytující se na pozemku a pomocí archivace uložená data používat v následujících operací během vegetace, u tohoto systému dokonce i meziročně. Docílíme nejen komfortu, kdy jen zapneme navigaci a nezabýváme se nastavením, ale jezdíme po stejných kolejových řádcích. Zvyšuje se tak efektivita jak z ekonomického, tak ekologického hlediska, což přináší zisk. 4.4.1
Náklon traktoru na svahu
Jízda ve svažitých terénech může často vést k nepřesnému vedení a následným překryvům. Pomocí různých technologií např. T2 Terrain, se snažíme eliminovat nepřesnosti jednotlivých jízd při přímé jízdě napříč skloněným terénem. 4.4.1.1 Technologie T2 Je technologie pro kompenzaci terénu ve svahu. Při jízdě traktoru v náklonu, dochází k vychýlení antény mimo osu traktoru, čímž vzniká posunutí stroje mimo nastavený záběr. Aby se tomuto předešlo, použitím technologie T2 dokážeme jezdit po nastavené jízdě nejen po nerovném terénu, ale i ve svahu. Přesnost jízdy umožňují dva gyroskopy a akcelerometry, které korigují dráhu stroje. Jedná se o příčné naklánění – otáčení kolem vodorovné osy a stáčení – otáčení kolem svislé osy. Anténa GPS
Úhel naklonění Pozice bez kompenzace terénu
Pozice opravená technologií T2
Obr. 12 Náklon s použitím technologie T2 (upraveno) (http://67.212.166.46/equipment.php?id=43)
26
Novější technologie T3 je složena z trojice gyroskopů a akcelerometrů, které daný náklon zpřesňují. Oproti T2 umožňuje také podélné naklánění – otáčení kolem vodorovné příčné osy. (http://www.agrics.cz)
Obr. 13 Náklon traktoru na svahu (http://www.gps-agro.cz) 4.4.2
RTK
RTK (Real Time Kinematics) je nejpřesnější GPS navigace se kterou můžeme vysévat zeleninu, plodiny jako je cukrovka, kukuřice a sázet brambory díky takové přesnosti. Minimalizaci překryvů nám zajišťuje korekce signálu RTK, který pracuje s přesností ± 2 až 5 cm. Stroj přijímá signál jak z družice, tak přepočítaný signál z RTK stanice. Porovnává je a následně vyhodnotí správnou stopu, kudy se má stroj pohybovat. Dosáhne se toho dvěma způsoby. A to použitím samostatné RTK stanice nebo RTK VRS sítí např. od firmy Leading Farmers CZ, a.s. 4.4.2.1 Vlastní RTK stanice Základní stanice funguje tak, že sleduje rozmístění družic, které posílají GPS signál. Ta průběžně přepočítává danou polohu, a jelikož se stanice nepohybuje, odchylky jsou počítány v reálném čase. Následně pomocí RTK rádia vysílá RTK korekce ke stroji, díky čemuž je přesnost centimetrová. Šíření signálu je rádiové a počet viditelných družic musí být minimálně pět.
27
1 – GPS satelity 2 – Standard GPS signál 3 – Lokální stanice 4 – Korekční signál 5 – Vozidlo vybavené GPS
Obr. 14 Princip RTK (http://www.farmsystems.sk) Vlastní stanice je velice nákladná a skýtá spoustu nevýhod. Dosah signálu RTK, vzdálenost mezi stanicí a přijímačem na stroji, je v kolem 12 km. Pro nejpřesnější využití se stanice umisťuje na okraj pole, odkud má dobrý signál pro příjem i vysílání. Stanice se umisťuje tak, aby byla v přímé spojnici s přijímačem na traktoru. Výška stanice hraje roli ve smyslu lepšího dosahu signálu. Do 10 km se udává chyba 2 cm, do 15 km 2,5 cm a s dalším kilometrem chyba jeden milimetr navíc. Je napájena zdrojem o napětí 12 – 220 V. Záleží, jaké jsou možnosti přívodu energie. Přijímač je zásobován proudem 1,5 A. Stanice je přenosná, i proto hrozí krádež. Nevýhodou je možná ztráta signálu, která může být zapříčiněna stíněním stromů kolem pozemku. (http://johndeeredistributor.cz) 4.4.2.2 RTK VRS síť Snad jako příjemnější i cenově dostupnější je RTK VRS síť. Jedna z budovatelů této sítě je společnost Leading Farmers, která tuto síť vytvořila v roce 2009 a má několik uživatelů, využívajících jejich služby. RTK je nejpřesnější systém korekcí signálu GPS s přesností ± 2 až 5 cm. Důležitou vlastností je, že pokud zmapujeme pole a uložíme data do archivu, můžeme za několik měsíců, dokonce i rok, po vložení těchhle dat jet po stejných kolejích, což u jiných navigací není možné. RTK VRS je síť s počtem sedmi RTK stanic, rozmístěných po území ČR. Přesnost určuje počet satelitů, které dokáže přijímač zachytit. Existují různé druhy přijímačů, které zachycují americké 28
GPS satelity, avšak mohou být doplněny i o příjem ruských Glonass satelitů. V této kombinaci je přijímač téměř bez možnosti ztráty signálu, jelikož počet GPS satelitů se díky stínění stromů a stupňovitosti krajiny může snížit až na polovičku, tudíž by mohlo dojít k přerušení signálu, ruské satelity zajistí dostatek satelitů pro permanentní spojení satelitu a stanice. Pokud přijímač pracuje se signály z GPS a Glonass, musí na to být vybaven, protože Glonass pracuje na odlišných frekvencích. Signál ze stanic se na serveru zpracuje speciálním softwarem, který posílá korekce do autopilota přes GPRS (General Packet Radio Servise) modem – internet v mobilu nebo pomocí 3G sítě. Dostupnost signálu RTK VRS sítě je tedy závislá na pokrytí mobilními operátory v daném místě. I to je důvodem, proč si nepořizovat vlastní RTK stanici, která musí být v přímé viditelnosti oproti VRS sítě. Je nákladná a má omezený rozsah, tím pádem stačí pořídit pouze vybavení pro příjem RTK signálu. Vyskytne-li se problém v přenosu dat, lze použít vysílačky a stroj tak jezdí přesně. Riziko ztráty signálu je minimální, protože je použitou dvou cest. Satelitní, odkud se přijímá GPS signál a mobilní, který posílá korekce. Nejen společnost Leading Farmers nabízí takovéto služby.
Mezi
jinými
i
americká
společnost
Trimble,
nabízející
navigace,
má vybudovanou vlastní VRS síť s 21 stanicemi. V České republice tuhle možnost nabízí česká firma GEODIS BRNO se 32 GNSS stanicemi určující polohu. Nesmí se opomenout, že při použití přesnosti ± 2 až 5 cm a možnosti archivaci dat, lze provést tzv. řízení stroje po pozemku. (http://www.agronavigace.cz); (http://topnet.geodis.cz) 4.4.3
CTF – kontrolovaný pohyb strojů na pozemcích
Jelikož nám autopilot umožňuje tak velkou přesnost a možnost používat jedna a ta stejná data po celou dobu vegetace, proč tedy nejezdit po stejných kolejových řádcích. K tomuto účelu slouží CTF (Controlled Traffic Farming), neboli systém řízeného provozu strojů na poli. Díky tomuto systému si vytvoříme mapu, kde si naplánujeme kolejové řádky, po kterých se budou jednotlivé stroje při každé operaci pohybovat. Data se pak přenesou do kontrolerů autopilotů a tím vzniknou na polích stále kolejové řádky, kde je půda sice výrazněji utužena, ale na zbylé ploše se to projeví zdravou a strukturovanou půdou. Ta lépe vstřebává vodu, je provzdušněná, minimalizují se eroze a je výživnější. Řízený pohyb podporuje růst rostlin a poskytuje vozovku pro podporu vozidel a strojů. Při použití kontrolovaného pohybu strojů na 29
pozemcích vzniká zásadní problém. Systém je nákladný, jelikož rozchod kol všech strojů se musí sjednotit na jeden rozměr. Šířka strojů se tím pádem musí upravit tak, aby na sebe v jednotlivých řádcích navazovala, a pracovní záběr musí být v násobcích. Aby vše mohlo fungovat přesně, nesmí se zapomenout vybavit stroje RTK autopiloty. Je těžké sjednotit všechny stroje, obzvláště pak sklízecí mlátičku, z důvodu šířky žacího válu, který většinou nemá tak velký záběr, aby zabral šířku mezi dvěma jízdami. A proto mívají sklízecí mlátičky své vlastní jízdy. Při vyprazdňování zásobníku musí dopravník zasahovat tak, aby sklízený materiál padal přímo na střed návěsu, se kterým se pohybuje odvozce ve svém kolejovém řádku. Čím méně kolejových řádků, tím více roste efektivita CTF. Systém CTF se v současnosti používá v Austrálii a na běžných farmách také v Dánsku a Nizozemsku. V České republice je teprve na počátku, ale existuje už český software, který umožňuje naplánovat virtuální mapy pozemku tak, aby dráha ujetá po pozemku byla co nejkratší. Vytvořením stávajících kolejových řádků a utužení, způsobí zmenšení valivého odporu pneumatik, což má za následek úsporu paliva až 40 % a času potřebného k organizaci práce 70 %. Neustálým pohybem po kolejových řádcích může docházet k vytváření hlubokých kolejí následkem působení velkého tlaku na zeminu. To napravíme tím, že koleje zahrneme, srovnáme s okolním terénem a řádek využíváme jako doposud. (http://www.leadingfarmers.cz) (http://www.agronavigace.cz) (http://www.agroweb.cz) 4.4.4
RTK Extend
Je systém společnosti John Deere, který zajišťuje funkčnost navigace při ztrátě RTK signálu. Pokud by díky nerovnosti krajiny, či jinak rušivým elementům došlo k přerušení spojení, RTK Extend nám zajistí plnou funkčnost navigace. Je-li přijímač v provozu minimálně hodinu, systém po ztrátě signálu prodlouží spojení o 15 minut. Do této doby máme možnost opětovného připojení. Pokud je v provozu méně jak hodinu, prodloužení trvá pouhé 2 minuty. V závislosti na druhu navigace jsou výpadky různé. Od firmy Trimble je při výpadku možnost jízdy ještě cca 90 sekund u signálu EGNOS, nebo 240 sekund podle přijímaného signálu. Jakmile dojde k výpadku signálu RTK, automaticky se přepne na základní signál L1 s přesností do 20 cm. Jakmile je uživateli umožněno, přepne zpět na signál RTK. (http://johndeeredistributor.cz) 30
4.4.5 Je
iGuide přijímač,
umístěný
na
přípojném
zařízení,
převážně
za
traktorem.
Systém se využívá ve svahovitých nebo jinak nerovných terénech, kde stroj jezdí podél vrstevnic a má tendenci díky své hmotnosti smýkat se do strany a působit tak nerovnoměrné zpracování. Systém iGuide udrží stroj ve správné stopě komunikací mezi traktorem a připojeným strojem. Nedojde tak k vynechanému nebo naopak k překrytému místu. Přijímač umístěný na stroji udává svoji polohu traktoru, který tak najde ideální stopu, ve které vede celou soupravu. Pokud je na traktoru nainstalován autopilot s RTK přesností a pracuje ve svahu bez tohoto systému, je teoreticky tak velká přesnost k ničemu, jelikož připojený stroj díky sjíždění stroje částečně jezdí po obdělané půdě. Vznikají tím překryvy a navigace je tím pádem zbytečná. Proto je tu systém iGuide. (http://johndeeredistributor.cz)
5
INERCIÁLNÍ NAVIGACE Inerciální navigační systém je systém, ve kterém se používají tzv. inerciální
senzory – akcelerometry a gyroskopy. Použitím těchto senzorů dokážeme určit rychlost a změnu polohy vozidla. Osa gyroskopu, jakožto setrvačníku, zachovává svoji orientaci vůči inerciální soustavě i tehdy, je-li gyroskop uzavřen uvnitř pohybujícího se tělesa. Díky měřitelným silám, vznikajících na ložiskách při pohybu gyroskopů, lze určit polohu tělesa, aniž by k tomu bylo potřeba vzájemného působení s hmotným okolím. Taktéž lze princip popsat pomocí zrychlení. Známe-li počáteční polohu vozidla a zaznamenáme-li změny zrychlení ve všech osách, dokážeme určit rychlost i pozici. Inerciální navigace (Inerzial navigation) se používá v letectvu, námořnictvu, například u balistických střel, ale i v dopravě. V současnosti není tak složité, zkonstruovat si vlastní navigaci, díky dostupnosti a ceně. Nabízí větší přesnost než u GPS navigace, nepotřebuje signál ze satelitů, tudíž jakékoliv stínění zde nehraje roli, a tak lze navigaci použít téměř kdekoliv. Výhodou tohoto systému je kombinace s GPS navigací v případě, kdy vozidlo vjede do tunelu a ztratí tak signál přijímaný z družic. (http://dspace.upce.cz); (http://wiki.kn.vutbr.cz); (http://cs.wikipedia.org)
31
5.1 Gyroskop Součástí traktoru jsou senzory pro měření náklonu stroje (gyroskop). Ten umožňuje kompenzovat odchylku přijímače signálu od svislé roviny při jízdě na svahu nebo nerovnostech. V podstatě je to přístroj určující sever. Setrvačník má pracovní otáčky 20 000 až 50 000 ot*min-1, v laboratorních podmínkách až 500 000 ot*min-1. Po dosažení této rychlosti se osa setrvačníku díky gravitaci a úhlové rychlosti otáčení země ustaví rovnoměrně s místním poledníkem, čímž je určen sever. Na lodi je odchylka gyroskopu od pravého severu 0,5 ° při konstantní rychlosti a kurzu. Díky manévrování lodi dochází k tzv. inerciální deviaci, která má za následek zvýšení odchylky, po dobu několika minut, až na 3 °. Tzv. rychlostní deviace je stála odchylka gyroskopu, kterou ovlivňují tři faktory: rychlost, zeměpisná šířka a kurz lodi. Pomocí speciální tabulky a těchto parametrů provedeme opravu gyrokompasu. (!∗!"#$)
𝑜𝑔 = (!∗!∗!"#$) , kde:
(1)
og – oprava gyrokompasu [°] v – rychlost lodi [uzel] K – kurz lodi [°] R – zemský poloměr [m] O – úhlová rychlost otáčení země [rad] Q – zeměpisná šířka [°, “]
Setrvačník se otáčí v ložiscích, má moment hybnosti, takže osa vnějšími silami udržuje stálý směr. Svou polohu při rotaci nemění a udává tak orientaci vozidla v prostoru. Je uložen na tzv. Cardanových závěsech a má tři stupně volnosti. V letectví jej pilot využívá k orientaci, v jaké poloze se letadlo nachází. Pozn.: Ustavení gyroskopu s poledníkem trvá přibližně 100 minut. Rozdělení gyroskopů:
- rotační gyroskopy - vibrační gyroskopy - optické gyroskopy
(http://fyzmatik.pise.cz); (http://dspace.upce.cz); (http://cs.wikipedia.org) 32
6
CANBUS Stále modernější stroje využívají spoustu elektroniky, která je ovládána pomocí
snímačů, konektorů, vodičů a všelijakých svazků, kterých je tolik, že je nelze pomalu nikam schovat. Neustále překáží, zabírají místo, je nutná kontrola s údržbou, a když se vyskytne závada, těžko se nachází. Spousta součástí je nutno rozebrat, abychom se k případnému kabelu dostali. Převážná většina vodičů je vedena mezi řídicími jednotkami. Proto byl vyvinut systém zvaný „Bus“. Firma Bosch tento systém zavedla do motorových vozidel pod názvem CANBUS. Jednoduše řečeno je to systém, kde je na jedno vedení napojeno několik řídicích jednotek, tzv. datová sběrnice. V této době je sběrnice CAN (Controller Area Network) dominantou, a tak ji najdeme v různém provedení v každém moderním vozidle všech kategorií. Historie sahá do roku 1983, kdy začala firma Bosch dělat „první krůčky“ a v roce 1986 byla dostupná první oficiální specifikace. O 5 let později, následně pak roku 1995, došlo k rozšíření specifikace na tzv. Extended Frame Format (2.0B). (Bauer, 2006)
6.1 Charakteristika sběrnice CAN: A. Dva vodiče s definovaným počtem kroucení na metr délky (málo používaný je i jeden vodič). Tímto uspořádáním se snižuje ovlivnění elektromagnetickým rušením EMI. Přenos zvýšen diferenciálním signálem, kdy jsou signály invertovány a indukce rušení nemění diferenční hodnotu. B. Síť nemá preferované uzly, jsou si rovnocenné, prioritu nese sama zpráva ve své první části zprávy. Všechny uzly na jedné síti musí mít stejnou komunikační rychlost. C. Počet parametrů je závislý na protokolu. Často se zavádí standard SAE J1939 (ISO 11898). Zde může být na síti maximální počet parametrů, které odpovídají počtu PGN (Parameter Group Number) indikátorů zpráv. Prakticky je počet uzlů závislý na přenosové rychlosti. Při 1 Mbps se uvažuje maximálně 64, s klesající rychlostí počet roste k 127 při 50 kbps. K realizaci sítě musíme znát její detaily, například vstupní impedance jednotlivých uzlů a délku vedení. D. Standardizace podle OSI modelu (Open Systém Interconnect – definice fyzické, linkové, datové aplikační vrstvy) je na úrovni linkové vrstvy a podle ISO se dělí na low speed CAN s komunikační rychlostí 125 kbps a high speed CAN s rychlostí až 1 Mbits. 33
E. Spolehlivost sítě téměř 100 %, pravděpodobnost nedetekované chyby přenosu na sběrnici činí 4,7*10-11, což znamená možnost výskytu chyby ve stovkách let, kdy už technický život automobilu bude daleko za hranicemi. (Bauer, 2006) Pokud bychom se chtěli napojit na datovou sběrnici, musíme rozeznat jednotlivé kabely, což je pracné, a použitím osciloskopů nebo dokonce i multimetrů, zdlouhavé. V současnosti existuje metoda, díky níž nemusíme narušit síť. Většina moderních vozidel, traktorů i autobusů, je vybavena diagnostickou zásuvkou pro CANBUS. Pro připojení se používá převodník sloužící k odposlechu dat, která nám následně předá ve srozumitelném jazyce. Díky tomu můžeme komunikovat s řídicí jednotkou. Je-li přístup uzlu do sítě porušen, sběrnice je funkční. Pokud je poškozené vedení sběrnice, komunikace je nemožná. Systém Bus je spolehlivý, má nižší náklady na elektrickou soustavu a stačí jeden snímač pro všechny řídicí jednotky. (Bauer, 2006)
6.2 Základní součásti 6.2.1
CANBUS
Oba kabely, přenášející data jsou označeny CAN-High a CAN-Low. Místa, kde dochází ke spojení vedení a řídicí jednotky, jsou nazývány uzlovými body a na koncích každého vedení je rezistor zabraňující zkreslení přenášených dat. Pro digitální přenos se používá logická 1 a 0. U zemědělských a lesnických strojů upravuje CANBUS norma ISO 117 83. U traktorů se používají dvě sítě propojené můstkem. Jedna pracuje s přenosovou rychlostí 125 kbit/s a rychlejší 250 kbit/s. (Bauer, 2006) 6.2.2
CAN-Controller
V řídicích
jednotkách
se
nacházejí
komponenty,
jako
CAN-Controller
a CAN-Transceiver. Řídicí jednotka dává pokyny do CAN-Controller, ten je převádí na vysokofrekvenční pravoúhlé napětí a dále do CAN-Transceiver. Ten je odesílá na vedení v podobě High, Low a zároveň přijímá informace vyžadované řídicí jednotkou. (Bauer, 2006)
34
6.2.3
Protokol
Každá zpráva je složena z bitů, jejichž uspořádání udává protokol. Protokol tvoří čtyři rámce, podle kterých je sestaven (datový, žádost o data, chybový a rámec přeplnění). Jeden bit je nejmenší informační jednotkou se dvěma stavy „ANO“, „NE“, resp. 1 nebo 0. Příkladem může být ventilátor chladící soustavy, jehož zapnutí může znamenat jedničku a vypnutí nulu. Pokud chceme přenést informaci například o teplotě chladicí kapaliny, musíme použít více bitů za sebou. Pokud se teplota pohybuje mezi -20 až + 120 °C (diference 140 °C) a máme k dispozici 8 bitů, tzn. 1 byte, lze přenášet teplotu po 0,546 °C. (Bauer, 2006) Tabulka č. 1 (Bauer, 2006) 0000 0000
odpovídá -20 °C
1111 1111
odpovídá +120 °C
Datové pole pak může vypadat: →01011010 Protokol je složen ze sedmi polí: •
počáteční (1 bit) – na vedení CAN-High je poslán jeden bit s napětím přibližně 5 V a na CAN-Low 0 V
•
statusové (identifikátor 11 nebo 29 bitů) – určuje prioritu a zároveň charakterizuje typ zprávy, např. otáčky motoru, teplota paliva
•
kontrolní (6 bitů) – uvádí počet bitů zaslaných v datovém poli
•
datové (64 bitů = 8 bytů) – obsahují vlastní informaci, např. aktuální otáčky motoru
•
bezpečnostní (16 bitů) – rozpoznává přenosové chyby
•
potvrzovací (2 bity) – signalizuje příjemci úspěšné přijetí zprávy, ŘJ poté posílá vysílací jednotce stejnou zprávu o přijetí
•
koncové (7 bitů) – označuje ukončení datového protokolu
35
Maximální počet přenášených bitů v jedné zprávě je 135 (11bitový identifikátor) nebo 160 (29bitový identifikátor). Díky přenosovým rychlostem lze po vedení přenášet: Tabulka č. 2 (Bauer, 2006) 125 000 bitů (11bitový identifikátor)
925 zpráv/s
125 000 bitů (29 bitový identifikátor)
781 zpráv/s
250 000 bitů (11 bitový identifikátor)
1851 zpráv/s
250 000 bitů (29 bitový identifikátor)
1562 zpráv/s
Informace o hodnotě určité veličiny vysílané na CAN určuje předpis nebo interní specifikace výrobce. Např. podle předpisu SAE J 1939 se otáčky na CAN vysílají: − otáčky motoru 100krát/s − rychlost vozidla 10krát/s (Bauer, 2006)
7
ISOBUS Moderní stroje, připojené za traktory, jsou často vybaveny řídicími jednotkami,
které pomocí regulačních obvodů nastavují stroj podle požadavků obsluhy. K řízení potřebuje ŘJ některé parametry traktoru, např. pojezdová rychlost, otáčky PTO, otáčky motoru atd. Obsluha ovládá stroj přímo z kabiny pomocí terminálu, kterým nastavuje např. výsevní množství, dávkování hnojiva, pracovní záběr nebo hloubku zpracování. Postupným zdokonalováním se stroje dostaly na vyšší úroveň, než traktory, což vedlo k použití vlastního terminálu. To bylo velmi nákladné a nekoncepční, a tak došlo k vytvoření normy DIN 9684, která využíváním datové sběrnice traktoru CANBUS komunikovala mezi traktorem a strojem. Došlo ke sjednocení specifikace terminálu, tudíž mohl být v kabině pouze jeden od výrobce traktoru pro ovládání různých strojů. Systém komunikace a řízení se označoval jako Bus-systém neboli LBS-Landwirtschaftliches Bus System, uplatněný v Německu, později i v Evropě. LBS nedefinuje jednotlivé komponenty jako je ovládací joystick nebo řídicí jednotka, ale komunikaci mezi nimi. Proto bylo umožněno použít software a hardware komponenty nezávisle na výrobci. Norma také upravovala využívání GPS pro Bus-System. 36
K dalšímu sjednocení mezi traktorem a strojem došlo roku 2001 po představení ISOBUS systému na veletrhu Agritechnika. Ten vycházel právě z normy DIN 9684. ISO (Internationale Standardisierung Organisation) představuje Mezinárodní úřad pro standardizaci, který vydal normu ISO 117 83, na které je ISOBUS založen, upravující právě komunikaci mezi traktorem a strojem. Platnost je po celém světě, a tak nedochází k nedostatkům při zapojování strojů vyrobených v jakémkoliv státě. ISOBUS je podporován významnými výrobci traktorů a strojů, např.: Case IH, Fendt, John Deere, New Holland, Krone, Kverneland, Lemken, Pöttinger a další. Rozdílem mezi LBS a ISO-Bus je mimo jiné přenosová rychlost: − LBS přenosová rychlost 125 kb/s − ISO-Bus přenosová rychlost 250 kb/s (Bauer, 2006)
7.1 Funkce ISOBUS systému Před normami byla řídicí jednotka stroje umístěna v kabině pomocí terminálu. Na stroji pak byly pouze akční členy, elektroventily, které ovládaly stroj dle zadaných požadavků obsluhy. Tento způsob byl nákladný, jelikož každý stroj musel mít vlastní ovládací terminál. U ISOBUS systému se požadavky řidiče posílají přes vedení z ovládacího terminálu do řídicí jednotky, která provede zadanou práci. Je umístěná přímo na stroji a terminál slouží pouze jako ovládací část a ukazatel. Podle CAN protokolu se upravují informace tak, aby se ŘJ a terminál dorozuměli. Pro připojení terminálu slouží zásuvka pro ovládací terminál v kabině traktoru a zásuvka pro přípojné nářadí na zadní části traktoru. ISO-zásuvka v kabině slouží pro připojení terminálu k datové síti. Jednotlivé pozice v ISO-zásuvce jsou přesně stanoveny a stejné pro všechny traktory. (Bauer, 2006)
Obr. 15 ISOBUS zásuvka (upraveno)
Obr. 16 ISOBUS koncovka
(http://www.connectorsupplier.com)
(http://ien.vicon.eu)
37
8
DISKUZE Paralelní navádění bylo před pár desítkami let téměř neznámé. Avšak postupem
času se dostávalo i do našich zemědělství. V současnosti již tyto systémy navádění některé podniky využívají nebo o nich aspoň vědí. Vhodnou volbou navigace dosáhneme maximální přesnosti až na pouhé 2,5 cm. Ne všechno je ale zadarmo a stojí na zvážení, jaké složení navigace zvolíme. Světelná LED lišta je kombinací manuálního řízení a přesnosti, vhodné na běžné práce jako je zpracování půdy, aplikace hnojiv a postřiků, kde není tak velký důraz na přesnost. Samozřejmě lze použít i přesnost pohybující se do 2 cm, avšak signál je placený a pro tento systém nevhodný. Důvodem je manuální ovládání podle diodové lišty, tudíž pomalá reakce na změnu směru. Rozšířeným systémem je asistované navádění, které je doplněno o motorek, který třecím pastorkem otáčí volantem a řidič tak nemusí kontrolovat jízdu vpřed, pouze dbá na správný chod soupravy, otáčení a překážky. Přesnost je o něco lepší než u lišty a pohybuje se v rozmezí ± 15 až 20 cm. Využitelnost tohoto systému můžeme použít pro stejné operace jako u předchozího, ale je zde možnost využít placený signál pro větší přesnost ± 10 cm, který je vhodný pro setí, sázení a sklizňové práce. Nevýhodou může být nedostatečná síla potřebná pro přitlačení třecího pastorku k volantu, díky čemuž dochází k prokluzu a následné nepřesnosti. Dále instalací přídavného motorku namontujeme další převod, kde mohou vznikat vůle. Možností jak nepřijít o prostor pro řidiče je instalace přímo volantu, ve kterém je motorek namontován přímo na hřídel řízení. Je zde vyšší přenos točivého momentu a nedochází k prokluzu pastorku. Správným uchycením a nastavením se snažíme eliminovat chyby a plně tak využít funkčnosti navádění. Použitím autopilotu se předpokládá využití placeného signálu s největší přesností RTK ± 2,5 až 5 cm. Efektivita takovéto přesnosti je u setí, sázení a u operací, kde je kladen důraz na přesnost. Systém je zabudován přímo v hydraulickém okruhu, čímž je reakce na změnu směru nejrychlejší. Díky autopilotu provádíme jednotlivé operace
s takovou
přesností,
které
nejsme
schopni
manuálně
dosáhnout.
Výsledkem tohoto typu navádění je zisk díky přesnosti u operací, na které spotřebujeme pouze potřebné množství materiálu. Nevznikají překryvy, práce je komfortnější, rychlejší a šetrnější. 38
8.1 Sklízecí mlátička s použitím a bez použití navigace Tabulka č. 3 Využití záběru stroje s navigací a bez navigace na 1 ha Bk 3 6 12
záběr [m] bez GPS s GPS 2,7 2,85 5,4 5,7 10,8 11,4
ujetá vzdálenost na ha bez GPS [m] s GPS [m] rozdíl [m] 3703,70 3508,77 194,93 1851,85 1754,39 97,47 925,93 877,19 48,73
čas [h] bez GPS s GPS 0,617284 0,584795 0,308642 0,292398 0,154321 0,146199
Bk – konstrukční záběr sklízecí mlátičky Tabulka č. 4 Úspora se záběrem sklízecího adaptéru 3 m záběr [m]
3
[ha] 50 100 250 500 750
bez GPS [h] 30,9 61,7 154,3 308,6 463,0
s GPS [h] 29,2 58,5 146,2 292,4 438,6
rozdíl [h] 1,6 3,2 8,1 16,2 24,4
úspora s GPS [Kč] 4932 9846 24932 49863 75103
Tabulka č. 5 Úspora se záběrem sklízecího adaptéru 6 m záběr [m]
6
[ha] 50 100 250 500 750
bez GPS [h] 15,4 30,9 77,2 154,3 231,5
s GPS [h] 14,6 29,2 73,1 146,2 219,3
rozdíl [h] 0,8 1,6 4,1 8,1 12,2
úspora s GPS [Kč] 4932 9863 25239 49863 75103
Tabulka č. 6 Úspora se záběrem sklízecího adaptéru 12 m záběr [m]
12
[ha] 50 100 250 500 750
bez GPS [h] 7,7 15,4 38,6 77,2 115,7
s GPS [h] 7,3 14,6 36,5 73,1 109,6
Pronájem sklízecí mlátičky: cn = 1800 Kč/ha Pracovní rychlost sklízecí mlátičky: vp = 6 km/h 39
rozdíl [h] 0,4 0,8 2,0 4,1 6,1
úspora s GPS [Kč] 4932 9863 24658 50479 75137
8.2 Postup výpočtu !
𝑠=! = !
!"""" !,!
= 3703,70 [𝑚]
!
!"#!,!"
!
!∗!"""
𝑡! = ! =
= 0,617284 [ℎ]
𝑡! = 𝑡! ∗ 𝑆! = 0,617284 ∗ 50 = 30,9 [ℎ] 𝑢! = !
!! !!"#
!"
∗ ∆! ∗ 𝑐! = !",! ∗ 1,6 ∗ 1800 = 4932 [𝐾č]
(2)
(3)
(4)
(5)
s – ujetá vzdálenost na 1 ha [m] S – plocha 1 ha v [m2] Sx – plocha „x“ ha [ha] Bp – pracovní záběr [m] t1 – čas potřebný na 1 ha [h] tx – čas potřebný na „x“ ha [h] 𝑡!!"# – čas potřebný na „x“ ha s GPS navigací [h] Δt – časový rozdíl s GPS a bez GPS navigace [h] uc – finanční úspora [Kč] cn – cena pronájmu sklízecí mlátičky [Kč/ha] Vzorce jsou počítány pro použití bez GPS navigace. Pro výpočty s GPS navigací se použije stejných vzorců s příslušnými hodnotami. Z tabulky 3 lze vidět rozdíl s GPS a bez použití GPS navigace, obdělávané na jeden hektar sklízecí mlátičkou. Zvolil jsem si tři typy záběrů, protože se v praxi běžně používají. U všech typů bude s GPS navigací ujetá dráha kratší, než bez ní, protože GPS navigace má o ± 5 % větší záběr. Podobné to bude i z hlediska času, který bude taktéž u GPS navigace kratší. Tabulky číslo 4, 5, 6, charakterizují zvolený záběr 3, 6 a 12 m, se kterým bude sklízecí mlátička obdělávat pozemek od 50 do 750 ha s použitím GPS navigace a bez ní. 40
Z tabulek plyne, že pozemek obdělávaný s GPS navigací bude hotový za kratší čas a cena za pronajmutí sklízecí mlátičky, což činí 1 800 Kč/ha, bude na nepatrné odchylky stejná u všech záběrů. S rostoucí plochou se bude úspora zvyšovat. Avšak výkonnostně se budou jednotlivé záběry lišit. Konkrétně bude s použitím většího záběru klesat jak výkonnost s použitím GPS navigace i bez ní, tak hodinová spotřeba na obdělanou plochu. Např.: s dvanáctimetrovým záběrem a GPS navigací obdělá sklízecí mlátička 750 ha pole čtyři krát rychleji, než s třímetrovým záběrem na 750 ha pozemku. Cena však bude ale stejná, protože je vztažena na stejnou plochu.
Úspora v závislosJ na sklizené ploše 80000 70000
Úspora [Kč]
60000 50000 40000 30000 20000 10000 0 50
100
250
500
750 Úspora [Kč/ha]
Sklizená plocha [ha]
Obr. 17 Graf úspory v závislosti na sklizené ploše Z obrázku č. 17 je zřejmé, že se sklizenou plochou roste i úspora, kterou bychom zaplatili za pronajatou sklízecí mlátičku. Výše finanční úspory na hektar je u zvolených konstrukčních uspoříme
u
záběrů
stejná.
dvanáctimetrového
Avšak
z časového
záběru
čtyřikrát
hlediska, více,
než
na u
stejné
třímetrového.
Grafy u záběru 6 a 12 m, jsou téměř shodné, jelikož se cena liší jen nepatrně.
41
ploše,
9
ZÁVĚR Cílem práce bylo shromáždit obecné poznatky o navigacích a GPS. Popsal jsem
jejich vývoj, funkci a využití v současnosti. Podrobněji jsem se zaměřil na systém GPS, u kterého jsem popsal princip a jeho fungování. Dále jsem přiblížil pohled do blízké budoucnosti, zabývající se systémem Galileo. V další části jsem se zaměřil na efektivnost, možnosti využití a zhodnocení použití jednotlivých typů paralelního navádění. Uživatelům přináší nejen zisk, ale také šetří náklady. Použitím navigací dosahujeme přesnějších operací, při kterých spotřebujeme pouze potřebné množství materiálu, snižujeme opotřebení strojů a minimalizujeme překryvy. Ty mají za následek úsporu paliva a obsluhy, která jezdí komfortněji a provádí kvalitní práci za méně času a s vyšším ziskem. S použitím navigací jsou podniky schopny pracovat za těch nejhorších podmínek, které mohou na pozemku nastat. Ekologická stránka zde hraje také podstatnou roli. Navigace nám umožňují jízdu po stejných kolejových řádcích, popřípadě naplánovat si trasy jízdy stroje. Sníží se tím utužení půdy. V kolejových řádcích je výrazně vyšší, ale na zbytku pozemku je struktura půdy kvalitnější, zdravější, lépe vstřebává vlhkost, má více živin a je provzdušněná. Mezi další výhody patří úspora při hnojení, kdy dávkujeme pouze potřebné množství tuhých hnojiv a postřiků. Zpřesnit jízdy můžeme zavedením CTF, řízeným pohybem strojů po pozemcích, což je sice výrazně ekologické, ale ekonomicky náročné, jelikož rozchod kol všech strojů se musí sjednotit na stejný rozměr. Z hlediska ekonomického je paralelní navádění náročné na počáteční investici, ale návratnost je rychlá v závislosti na využívání a zpracovávané ploše. Jak obsluha, tak podnik vlastnící navigaci, jsou spokojeni. Obsluha jezdí komfortněji, dělá kvalitnější práci a podnik tím získává větší výnos a zisk. Uspoří i na čase stráveném na poli, tím pádem na mzdách, kde rychlost obdělání pozemku je vyšší než bez navigace. Obecným závěrem je, že použití satelitní navigace v zemědělství přináší úsporu ekonomických prostředků a zvyšuje šetrnost k půdě. Důležitým faktorem pro správnou volbu navigace je využitelnost pro konkrétní strukturu podniku. Proto je nutná znalost vozového parku a operace, pro které navigaci požadujeme, a znalost pozemků.
42
Tendence užívání navigací roste. Životnost zařízení je minimálně dva roky, pravděpodobně déle, a díky možnosti přenosu zařízení zajistíme efektivní využití. Tímto faktem zajistíme návratnost finanční investice.
43
10 SEZNAM LITERATURY [1] Agronavigace [online]. © 2010 [cit. 2012-04-19]. Dostupné z: http://www.agronavigace.cz/gps%20autopiloty.html [2] Agronavigace [online]. © 2010 [cit. 2012-04-19]. Dostupné z: http://www.agronavigace.cz/traktory.html [3] BAUER F., et al. Traktory. 1. vyd. Praha: Profi Press, 2006, 192 s. ISBN 80-8672615-0. [4] Connectors in the Heartland [online]. © 2010 [cit. 2012-04-19]. Dostupné z: http://www.connectorsupplier.com/tech_updates_LN_ConnectorsHeartland_2-2-10.htm [5] ESA Galileo navigation [online]. ©2000 - 2012 [cit. 2011-10-15]. Dostupné z: http://www.esa.int/esaNA/ESAAZZ6708D_galileo_0.html [6] European Space Agency [online]. ©2000 - 2012 [cit. 2011-10-15]. Dostupné z: http://www.esa.int/esaCP/SEMFDTDXJWG_Czech_0.html [7] EZ-Steer [online]. © 2011 [cit. 2012-04-19]. Dostupné z: http://www.caseiheurope.com/Pages/AFS/fr/Vehicle-Guidance-Solutions/SatelliteGuidance/Overview-Vehicle-steering-solutions/EZ-STEER/EZ-STEER.aspx [8] Farmsystems [online]. 2009 [cit. 2012-04-19]. Dostupné z: http://www.farmsystems.sk/script/cz/aktual/Akt1_d.asp?id=20090908214453 [9] Galileo navigace [online]. © 2010-2011 [cit. 2011-10-15]. Dostupné z: http://www.galileonavigace.cz/ [10] Geoinformatika - Globální polohovací a navigační satelitní systémy [online]. © 2006, [cit. 2011-10-15]. Dostupné z: http://geologie.vsb.cz/geoinformatika/kap09.htm [11] GIS v lesnictví a zemědělství: konference GIS LZE [online]. ©2012 [cit. 2012-04-19]. Dostupné z: http://www.leadingfarmers.cz/library/?ix=57&link= [12] GPS (Global Positioning System, globální polohový systém) [online]. © 2011 [cit. 2012-04-20]. Dostupné z: http://gislib.upol.cz/educagi/index.php?option=com_content&view=article&id=99:gps &catid=58:prodr-info&Itemid=90 [13] GPS navigace – správná cesta k úsporám [online]. © 2011 [cit. 2012-04-19]. Dostupné
z:
http://www.agroweb.cz/GPS-navigace-%E2%80%93-spravna-cesta-k-
usporam__s1612x57388.html
44
[14] GPS navigace – správná cesta k úsporám [online]. 2011 [cit. 2012-04-19]. Dostupné
z:
http://www.agroweb.cz/GPS-navigace-%E2%80%93-spravna-cesta-k-
usporam__s1612x57388.html [15] ISOBUS Control [online]. 2011 [cit. 2012-04-19]. Dostupné z: http://ien.vicon.eu/Vicon-Forage-Equipment/Rakes-and-Tedders/Multi-Rotor-RakesCentre-Swath/Vicon-Andex-1504/Features [16] Jednotka T2 [online]. © 2011 [cit. 2012-04-20]. Dostupné z: http://www.agrics.cz/jednotka-t2 [17] RAPANT P., Družicové polohové systémy. 1. vyd. Ostrava: Vysoká škola báňská Technická univerzita, 2002, 197 s. ISBN 80-248-0124-8. [18] RAPANT P., Geoinformatika a geoinformační technologie. 1. vyd. Ostrava: VŠB Technická univerzita Ostrava, Hornicko-geologická fakulta, Institut geoinformatiky, 2006, 463 s. ISBN 80-248-1264-9. [19] Režimy navádění [online]. © 2009 [cit. 2012-04-19]. Dostupné z: http://www.gpsagro.cz/prsne-navadeni-s-manualnim-rizenim/trimble-cfx-750/ [20] StarFire RTK [online]. © 2012 [cit. 2012-04-19]. Dostupné z: http://johndeeredistributor.cz/Zemedelska-technika/Produkty/AMS-presnezemedelstvi/StarFire-RTK [21] Světelná lišta GreenStar [online]. © 2011 [cit. 2011-09-20]. Dostupné z: http://johndeeredistributor.cz/Zemedelska-technika/Produkty/AMS-presnezemedelstvi/Navigacni-systemy/Svetelna-lista-GreenStar [22] TopNET [online]. © 2010 [cit. 2012-04-19]. Dostupné z: http://topnet.geodis.cz/topnet/topnet.aspx [23] Trimble Autopilot [online]. © 2009 [cit. 2012-04-19]. Dostupné z: http://www.gps-agro.cz/trimble-autopilot/ [24] Trimble CFX 750 [online]. © 2009 [cit. 2011-09-20]. Dostupné z: http://www.gps-agro.cz/prsne-navadeni-s-manualnim-rizenim/trimble-cfx-750/ [25] Trimble Autopilot [online]. © 2009 [cit. 2012-04-19]. Dostupné z: http://www.gps-agro.cz/presne-navadeni-s-automatickym-rizenim/ [26] Trimble Autopilot [online]. © 2009 [cit. 2012-04-19]. Dostupné z: http://www.gps-agro.cz/trimble-autopilot/ [27] T2 Terrain Compensation Technology [online]. © 2000-2010 [cit. 2012-04-19]. Dostupné z: http://67.212.166.46/equipment.php?id=43 45
11 SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 1 Světelná LED lišta s displejem (www.gps-agro.cz) ..................................... 21 Obr. 2 Přídavný servomotor (www.caseiheurope.com) ........................................... 23 Obr. 3 Přímka A+ (www.gps-agro.cz)… ................................................................. 24 Obr. 4 AB linie (www.gps-agro.cz)……......... ........................................................ 24 Obr. 5 Identická křivka (www.gps-agro.cz)…......................................................... 24 Obr. 6 Adaptivní (www.gps-agro.cz).………….. .................................................... 24 Obr. 7 Jednoduchá souvrať (www.gps-agro.cz)... ................................................... 24 Obr. 8 Vícenásobná souvrať (www.gps-agro.cz)…….. ........................................... 24 Obr. 9 FreeForm (volná úprava) (www.gps-agro.cz)….. ........................................ 24 Obr. 10 Pivot (středový bod) (www.gps-agro.cz) .................................................... 24 Obr. 11 Autopilot (upraveno) (www.gps-agro.cz) ................................................... 25 Obr. 12 Náklon s použitím technologie T2 (upraveno) (http://67.212.166.46/equipment.php?id=43) ............................................. 26 Obr. 13 Náklon traktoru na svahu (www.gps-agro.cz) ............................................ 27 Obr. 14 Princip RTK (www.farmsystems.sk) .......................................................... 28 Obr. 15 ISOBUS zásuvka (upraveno) (www.connectorsupplier.com) .................... 37 Obr. 16 ISOBUS koncovka (http://ien.vicon.eu) ..................................................... 37 Obr. 17 Graf úspory v závislosti na sklizené ploše……………………….………..41
46
12 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK CANBUS - Controller area network bus CS – Commercial Service CTF - Controlled Traffic Farming EC - European Comission EGNOS – Euro geostationary navigation overaly service ESA - European Space Agency ESTEC - European Space Research and Technology Centre GCC - Galileo Control Centre GIOVE - Galileo In-Orbit Validation Element GLONASS - Global Navigation Satellite System GNSS - Global Navigation Satellite System GPRS - General Packet Radio Servise GPS - Global Position System GSA - Galileo Supervising Authority ICAO – International civil aviation organization ISO - Internationale Standardisierung Organisation ISOBUS – Standardizovaná datová sběrnice LBS - Landwirtschaftliches bus system LCD – liquid crystal display LED – light emiting diode MCS - Master Control Station MEO - Medium Earth Orbit MSAS – Mulit-functional satellite augmentation system NAVSTAR - Navigation system using time and ranging OS – Open service OSI - Open system interconnect PC – personal computer PGN - Parameter group number PTO – Power take-off PPS – Precise positioning service PRS – Public regulated service 47
RTK – Real time kinematics ŘJ – Řídicí jednotka SAE – Society of automotive engineers SAR – Search And Rescue Service SARSAT – Search and rescue satellite aided tracking SOL – Safety of Life SPS – Standard positioning service USB – Universal serial bus VRS – Virtual reference station WAAS – Wide area augmentativ system
48
