Навигационные технологии в сельском хозяйстве. Координатное земледелие. Учебное пособие

Зарубежный и отечественный опыт показывает высокую эффективность технологий точного земледелия, особенно применительно к крупным хозяйствам. Например, по имеющимся статистическим данным уже в 2006 году более 80 % фермеров США в той или иной степени применяли технологии точного земледелия, благодаря чему им удалось поднять урожайность зерновых культур до 90 ц/га. При этом установлено, что затраты на внедрение точного земледелия у них окупаются уже после 2…4-х лет его использования и начинают приносить значительную прибыль.

В настоящее время точное земледелие получает все большее распространение во многих странах, в том числе и в России. В то же время, исследования в области точного земледелия за последние 15 лет показали, что это направление многопрофильное. Для его развития и повсеместного внедрения в производство потребуется намного больше времени и финансовых средств, чем для применения традиционных технологий.

Контрольные вопросы и задания

1. Когда и где зародилось понятие «точное земледелие»?

2. На каких сельскохозяйственных машинах, и каких марок впервые применялись электронные системы?

3. Какие работы в области точного земледелия проводились в Советском Союзе и других социалистических странах?

4. Когда и где появились первые машины для точного высева семян?

5. Какая фирма первой разместила на своей технике навигационное оборудование?

6. В каких странах в настоящее время технологии точного земледелия получили наибольшее развитие?

3. Системы параллельного и автоматического вождения

В сельском хозяйстве получили широкое распространение и доказали свою эффективность три класса приборов для управления движением тракторов и комбайнов, использующих GPS-приемники: системы параллельного вождения и подруливающие устройства для автопилотирования. Использование космических навигационных систем становится возможным после установки на транспортное средство специального приемника, постоянно получающего сигналы о местоположении навигационных спутников и расстояниях до них. В зависимости от требуемой точности управление такой техникой осуществляется механизатором вручную по показаниям метки на экране дисплея, либо с использованием подруливающего устройства или автопилотирования.

Система параллельного вождения является самой наглядной и быстро окупаемой частью технологии точного земледелия, предназначена для проведения полевых работ и наиболее эффективна в условиях применения с широкозахватной техникой.

Система параллельного вождения – это активное участие механизатора в управлении машиной по схеме «измерение текущих координат сельхозмашины – отображение отклонений от заданного маршрута на табло в кабине – вращение механизатором рулевого колеса для удержания агрегата на заданном маршруте» (рис. 3).

Рис. 3. Принцип функционирования прибора

К сожалению, психомоторная реакция среднестатистического человека не позволяет осуществлять параллельное вождение с отклонениями менее ±30 см, что также соответствует точности GPS-приемника, опирающегося только на обычные 24 спутника. В общем случае самая простая система параллельного вождения состоит из GPS-приемника с внешней антенной и указателя курса. Системы легко и быстро устанавливаются на трактор или комбайн. Требуется только подключение к электропитанию и установка внешнего блока (приемник GPS). Обучение механизаторов работе с данным видом оборудования, в зависимости от желаемой «глубины» изучения, составляет от нескольких минут до суток.

Необходимо отметить, что использование приборов параллельного вождения с точностью ведения агрегата ±30 см очень ограничено и используется, в основном, только на внесении удобрений. Для проведения почвообработки, посева, защиты растений, уборки и ряда других операций требуется более высокая точность ведения агрегата. В состав оборудования для систем более точного параллельного вождения входят:

навигационный приёмник с точностью позиционирования – до 10 см, способный работать на двух частотах (рис. 4);

дисплей (рис. 5) или светодиодная панель (рис. 6);

контроллер для расчета отклонений на неровностях антенны приемника и корректировки направления движения (рис. 7);

подруливающее устройство (рис. 10).

Есть несколько распространенных способов корректировки спутниковых навигационных сигналов для достижения высокой точности. Поправки могут быть получены как от геостационарных спутников, что повысит точность до ±10 см, так и от базовой спутниковой станции РТК (рис. 10), расположенной в непосредственной близости от поля.

Принцип и системы автоматического вождения (автопилот). Автопилотирование отличается от параллельного вождения тем, что отклонения от заданной траектории, вырабатываемые GPS-приемником и навигационным контроллером, через специальные устройства (управляющий клапан) (рис. 9) вводятся непосредственно в гидравлическую систему управления ходовой частью трактора, исключая инертность и люфт рулевого управления. В дополнение на трактор устанавливается специальный датчик угла поворота колес (рис. 8). Такая система обеспечивает максимальную точность (отклонение ±2 см) движения по маршруту без вмешательства механизатора.

Основное преимущество использования систем параллельного вождения – уменьшение ошибок (сведение к минимуму человеческого фактора) при обработке полей. Практика показывает, что при опрыскивании культур традиционным способом большинство операторов предпочитают проходить соседние ряды с перекрытием, чтобы избежать пропусков. В результате взаимное перекрытие рядов, даже с использованием пенных маркеров, составляет не менее 5 %. Применение указателей курса с подруливающими устройствами снижает перекрытие до 2…3 % и менее.

Рис. 4. Приемник AgGPS 252

Приемник поддерживает различные варианты для поправок GPS, в т. ч. WAAD, OmniSTAR. Использование этих поправок позволяет обеспечить точность проходов до ±10 см.

Рис. 5. Светодиодная панель AgGPS EZ-GUIDE PLUS или EZ-GUIDE 500

Панель в графическом виде показывает текущее положение транспортного средства и обеспечивает водителя дополнительной информацией при разворотах или вождении по изогнутым рядам. Она имеет графический дисплей с возможностью считывания данных при ярком солнечном свете.

Рис. 6. Полевой компьютер Insight с программным обеспечением

Полевой компьютер с программным обеспечением – система управления полевыми данными, использующимися для навигации, автоматического вождения, ведения записей, полевой съемки, площадной съемки, приложений с изменяемыми показателями.

Рис. 7. Контроллер AgGPS NAVCONTROLLER II

Контроллер, используя данные от GPS-приемника и внутренних датчиков, находящихся в состоянии покоя и работающих по 6 осям, передает команды для системы управления.

Рис. 8 – Датчик угла поворота колес

Датчик угла поворота колес предназначен для непрерывной обратной связи с системой управления трактором.

Рис. 9 – Управляющий клапан

Гидравлический клапан получает электрические сигналы от контроллера и преобразует их в гидравлические, которые система использует для удержания транспортного средства на заданном курсе.

Рис. 10 – Подруливающее устройство

Подруливающее устройство обеспечивает параллельное вождение с точностью до 10 см.

Рис. 11 – Базовая станция (RTK)

Базовая станция передает поправки GPS-положения на GPS-приемник трактора через радио или GSM-модем для определения координат с высокой точностью (погрешность менее ±2 см).

Возможные варианты расположения оборудования на тракторе для параллельного вождения и автопилотирования показаны на рис. 12.

Рис. 12. Расположение оборудования для параллельного и автоматического вождения на тракторе (рисунок с сайта http://www.trimble.com/agriculture/autopilot.aspx (http://www.trimble.com/agriculture/autopilot.aspx))

Минимальный набор для параллельного вождения с точностью ±30 см показан на рис. 13. Основными его компонентами являются: светодиодная панель, антенна, установочная площадка антенны, крепежная стойка, набор соединительных кабелей, программное обеспечение и инструкция по использованию.

Данное оборудование востребовано в связи с тем, что оно обеспечивает экономию средств. Например, в Европе экономический эффект от применения GPS-оборудования в сельском хозяйстве достигает 50…60 евро на гектар.

Кстати сказать, обычная спутниковая навигация, широко применяемая на автомобильном транспорте, может дать максимальную точность только около 2 м, что недопустимо для технологий точного земледелия. Применительно к системам навигации имеются понятия абсолютной и относительной точности. Абсолютная точность – это фактические координаты, при помощи которых определяется местонахождение объекта, например, строения, автомобиля, трактора или комбайна. Для систем точного земледелия можно ограничиться относительной точностью, т. е. текущим местоположением какого-либо объекта, например, относительно первого прохода, на данный момент времени. В зависимости от используемого оборудования относительная точность должна достигать значений порядка 2,5…30 см.

Рис. 13. Стандартные компоненты системы

В настоящее время в мире действуют несколько сервисов поправок, но в Российской Федерации работает только один – Omnistar HP/XP. Сервис работает следующим образом: компания Omnistar имеет собственную сеть базовых станций, расположенных по всему миру. Они в автоматическом режиме вычисляют необходимую коррекцию сигнала, а затем через геостационарные спутники передают поправку на конкретный GPS-приемник.

Дополнительно к дифференциальным поправкам широко применяется режим RTK, при котором на территории хозяйства размещается своя стационарная или переносная базовая станция, и поправки на приемники высылаются с неё радиосигналом с частотой 450 либо 900 МГц. При этом не нужно покупать подписку на каждый приёмник, достигается достаточно высокая относительная точность позиционирования, но, с другой стороны, необходимы значительные разовые затраты на приобретение и установку оборудования. К тому же существует ограничение по площади действия, обуславливаемое характеристиками сигнала. Так, для стационарной базовой станции это ограничение – круг радиусом 11 км, в центре которого находится базовая станция, для переносной – немного меньше. За рубежом несколько хозяйств объединяют свои RTK для снижения общих затрат и более полного перекрытия полей, при этом также может осуществляться перепродажа сигнала.

Так как точность вождения напрямую зависит от точности измерений GPS-приёмника, то очень важно знание механизаторами основных принципов работы приёмников. На точность определения местоположения влияет несколько основных факторов: временные рассогласования, количество одновременно наблюдаемых спутников, атмосферная интерференция, вариации орбит спутников, многолучевое распространение сигнала и др.

Системы параллельного вождения и автопилотирования помогают точно соблюдать расстояния между проходами машин при выполнении полевых работ. При их использовании технологические операции выполняются с минимальными перекрытиями, экономятся рабочее и машинное время, топливно-смазочные материалы, семена, удобрения и средства защиты растений. Навигация очень удобна для опрыскивания, которое лучше проводить ночью, когда ниже температура воздуха и отсутствует ветер. Таким образом, преимуществами систем параллельного вождения являются:

точность движения агрегатов по междурядьям;