Algorytm sterowania automatycznego opryskiwacza polowego

Opryskiwanie roślin jest jednym z ważniejszych zabiegów polowych, a w jego realizacji stale zachodzi postęp techniczny. Nowoczesne opryskiwacze to technicznie zaawansowane maszyny wyposażone w szereg innowacyjnych rozwiązań, które są odpowiedzią na potrzebę redukcji pestycydów oraz restrykcje dyktowane ochroną środowiska. Jedną z osób, która z bliska przygląda się dynamice tych zmian, jest Jørgen Audenaert, ekspert John Deere w dziedzinie technologii opryskiwania, który od prawie 25 lat przyczynia się do wielu przełomów technologicznych. Po ukończeniu inżynierii rolniczej na Uniwersytecie Wageningen, Jørgen Audenaert rozpoczął pracę w dziale inżynierii produktu u producenta opryskiwaczy Douven w Horst. Po przejęciu Douvena przez John Deere, Audenaert kierował rozwojem i europejską premierą całkowicie nowej gamy opryskiwaczy - serii 800.

Ewolucja opryskiwaczy i rolnictwa precyzyjnego

Kiedy Jørgen Audenaert zaczynał pracę na początku lat 90., opryskiwacze były zupełnie inne niż obecnie, podobnie jak oczekiwania wobec ich funkcjonowania. Przez lata głównym celem było zwiększenie wydajności, a rolnicy w międzyczasie przechodzili z opryskiwaczy zawieszanych na zaczepiane. Obecnie, niezależnie od kraju i specyficznych trendów (np. duże rozmiary belek w Holandii, pojemne zbiorniki w Niemczech czy praca z dużymi prędkościami we Francji), wspólnym mianownikiem jest zainteresowanie bardziej zautomatyzowanymi procesami, a także zwiększanie precyzji opryskiwania przy jednoczesnym zmniejszeniu wpływu na środowisko.

Zautomatyzowane układy kierownicze, automatyczne sterowanie sekcjami belki, systemy dokładnego napełniania, automatyczne czyszczenie i płukanie, regulacja wysokości belki oraz stabilności - większość z tych funkcji jest obecnie standardową specyfikacją opryskiwaczy. Jednakże to dopiero wstęp do większych zmian. Trend innowacyjny wynika z kilku czynników: zrównoważonego rozwoju, wymagań prawnych dotyczących stosowania środków ochrony roślin oraz potrzeby obniżenia kosztów.

Wpływ rolnictwa precyzyjnego i GPS

Jednym z rewolucyjnych kroków było wprowadzenie rolnictwa precyzyjnego opartego na zastosowaniu GPS. Umożliwiło to opryskiwanie zmienne dla danego miejsca. Sekcje belki można włączać i wyłączać automatycznie, a nawet sterować pojedynczymi dyszami podczas oprysku. Ochrona upraw staje się coraz bardziej selektywna i ukierunkowana, a nacisk kładziony jest na optymalizację dozowania. Dzięki technologii dysz pulsujących o wysokiej częstotliwości ExactApply możliwe jest kontrolowanie mocy dawki i wielkości kropli. Przy różnych prędkościach można osiągnąć tę samą dawkę i odwrotnie, bez zmiany wielkości kropli, co pozwala precyzyjnie dawkować.

Automatyzacja sterowania ciśnieniem i dawką

W opryskiwaczu zamontowany jest zawór proporcjonalny i przepływomierz. Zawór to silnik DC na 12V, który obraca się w jedną lub drugą stronę, zwiększając lub zmniejszając ciśnienie. Automat ma za zadanie utrzymywać zadaną dawkę na odpowiednim poziomie, niezależnie od prędkości ciągnika. Dostępne dane to prędkość ciągnika, przepływ w l/min oraz przeliczona aktualnie odczytana dawka w l/hektar.

Koncepcja algorytmu sterującego

Algorytm sterujący tym silnikiem może bazować na różnicy między zadaną a odczytaną dawką. Różnica ta będzie miała różny znak, co wskaże kierunek obrotu silnika w celu zrównania odczytanej dawki z zadaną. Ważne jest, aby algorytm uwzględniał dojechanie silnika/zaworu do oporu. Zawór ma w środku krańcówki i zaczyna kręcić już przy około 5V. W ciągniku dostępne jest 14,4V, co daje spory zakres regulacji prędkości silnika. Im większa różnica między dawką zadaną a odczytaną, tym większe napięcie na silnik, a w miarę zbliżania się do wartości zadanej - napięcie maleje. Można to zrealizować, obliczając zmienną x = (zadana - różnica), a następnie po odpowiednim dopasowaniu (pomnożeniu przez współczynnik) traktować jako wartość PWM dla sterowania silnikiem.

Zawór działa jak trójnik, gdzie trzecie wyjście jest przysłaniane lub odsłaniane przegrodą. Przegroda umieszczona jest na mini śrubie trapezowej zaczepionej do osi przekładni silniczka. Czułość jest dość spora. Można wykorzystać tani przepływomierz do Arduino i pompkę do wody na 12V (np. od spryskiwaczy) do eksperymentów i prototypowania.

Nowoczesne technologie w opryskiwaczach polowych

Elektronika w opryskiwaczach nie jest nowym rozwiązaniem. W niektórych konstrukcjach te rozwiązania są stosowane od dłuższego czasu, umożliwiając regulację dawki cieczy roboczej oraz składanie lub rozkładanie belki polowej z poziomu kabiny operatora. W najnowszych opryskiwaczach znajdują się układy umożliwiające elektroniczne sterowanie pojedynczym rozpylaczem. Takie rozwiązanie pozwala zmniejszyć szerokość poszczególnych odłączanych sekcji z kilku metrów do 50 cm. Dzięki temu podczas pracy na klinach lub manewrowania z wykorzystaniem nawigacji GPS wyłączane mogą być nie tylko sekcje rozpylaczy, ale także pojedyncze rozpylacze.

Elektroniczne sterowanie rozpylaczami

Wielu producentów montuje na belkach polowych opryskiwaczy obracalne głowice z różnymi typami rozpylaczy, które mogą być zmieniane automatycznie za pomocą układu elektrycznego z kabiny operatora ciągnika. Elektroniczne sterowanie głowicą umożliwia przełączanie poszczególnych rozpylaczy, a nawet pracę dwóch z nich jednocześnie w trybie automatycznym, na podstawie map aplikacyjnych lub danych z innych czujników. Takie rozwiązanie proponuje firma Hardi. Rozwiązanie o podobnej idei działania zaproponował koncern John Deere. Niemiecka firma Amazone zaproponowała rozwiązanie o nazwie AmaSelect. Belkę opryskiwacza z tym systemem wyposażono w głowicę z czterema rozpylaczami, które mogą być przełączane z kabiny operatora. Automatyczny dobór rozpylaczy podczas wykonywania zabiegu opryskiwania oferuje także francuska firma Kuhn, z systemem MultiSpray, który wybiera rozpylacze w celu wytwarzania kropli o odpowiedniej wielkości. Każda z głowic umieszczonych na belce jest sterowana z wykorzystaniem sygnału GPS. Rozwiązanie umożliwia wyłączanie sekcji co 50 cm. Podczas oprysku rozpylacze są natychmiast otwierane i zamykane dzięki elektrycznym zaworom. MultiSpray umożliwia także zmienne dozowanie cieczy roboczej z wykorzystaniem właściwej dyszy - w zależności od dawki wpisanej na mapie aplikacyjnej aktywowany jest najbardziej dostosowany rozpylacz.

Systemy niezależnego dozowania pestycydów

Nowym kierunkiem w konstrukcji opryskiwaczy jest zastosowanie niezależnie działających układów dozowania pestycydów. Pionierem takiego rozwiązania jest niemiecka firma Damman. W jej propozycji pestycydy są dozowane z oddzielnych zbiorników w przewodach bezpośrednio przed rozpylaczem, dzięki czemu każdy rozpylacz lub grupa rozpylaczy mogą aplikować różne pestycydy. Proces dozowania pestycydów jest sterowany elektronicznie i może odbywać się w trybie automatycznym. W takich rozwiązaniach w głównym zbiorniku opryskiwacza znajduje się jedynie woda. System niezależnego dozowania może być w pełni zintegrowany z elektronicznym układem sterującym pojedynczymi rozpylaczami, jak również z dobierającym odpowiedni rozpylacz na głowicy. Podobne rozwiązanie proponuje firma Agrifac w systemie SmartDosePlus, gdzie mieszanina wody i pestycydu powstaje nie w zbiorniku opryskiwacza, a w przewodach zasilających rozpylacze. Główny zbiornik zawiera jedynie czystą wodę, a pestycyd jest przechowywany w oddzielnym zbiorniku i dostarczany do linii zasilającej rozpylacze za pomocą oddzielnej pompy napędzanej elektrycznie.

Cyfrowe technologie rozpoznawania i precyzyjnej aplikacji

Perspektywicznym trendem w technice oprysku jest zastosowanie cyfrowych technologii do rozpoznawania chwastów, chorób, a także szkodników. W obecnie proponowanych rozwiązaniach identyfikacja chwastów odbywa się na podstawie obrazu z kamer 3D, który jest obrabiany za pomocą specjalistycznego oprogramowania wykorzystującego sieci neuronowe i sztuczną inteligencję. W momencie rozpoznania danego gatunku chwastu w głowicy rozpylacza następuje mieszanie wody z określonym pestycydem. Algorytm obliczeniowy określa niezbędną dawkę herbicydu, uwzględniając zarazem rodzaj substancji czynnej, jaki był użyty we wcześniejszym zabiegu chemicznym. W tej technologii oprysk wykonywany jest tylko tam, gdzie występują chwasty, co prowadzi do znacznych znacznych oszczędności w stosowaniu pestycydów. Takie rozwiązania proponują m.in. firmy Bosch i Bayer, Agrifac (system AICPlus z DynamicDosePlus i StricSprayPlus) oraz Blue River Technology (przejęta przez John Deere, z systemem See&Spray).

Wspomniany projekt Bosch i Bayer zakłada opryskiwacz wyposażony w szereg kamer umieszczonych wzdłuż belki, oddalonych od siebie co jeden metr, które rozpoznają poszczególne gatunki chwastów podczas jazdy maszyny. Rozpylacze, rozstawione na belce co 50 cm, są połączone z czterema liniami, z których jedna dostarcza czystą wodę, zaś pozostałe trzy środki chemiczne. Dawka wody jest utrzymywana na stałym poziomie wynoszącym 200 l/ha.

System John Deere See & Spray Select wykorzystuje technologię kamery do wykrywania zróżnicowania kolorów na polu. Gdy opryskiwacz porusza się po polu, jego kamery szybko wykrywają tylko zielone rośliny na ugorach i uruchamiają aplikację tylko na te rośliny. See & Spray Select ma podobny wskaźnik trafień jak opryskiwanie strumieniowe, przy średniej aplikacji herbicydu mniejszej aż o 77%. To pozwoli rolnikom stosować droższe i bardziej złożone mieszaniny w sposób bardziej wydajny, zmniejszając koszty i poprawiając zdolność do zwalczania chwastów odpornych na herbicydy.

Nowoczesne opryskiwacze są wyposażone w układy umożliwiające elektroniczne sterowanie pojedynczym rozpylaczem, co pozwala zmniejszyć szerokość poszczególnych odłączanych sekcji z kilku metrów do 50 cm. Dzięki takiej opcji podczas pracy na klinach lub manewrowania z wykorzystaniem nawigacji GPS wyłączane mogą być nie tylko sekcje rozpylaczy, ale także i pojedyncze rozpylacze.

Kontrola wysokości belki i stabilności

Zebrane dane trafiają do kontrolera HCM-1, który na bieżąco steruje pracą zaworów proporcjonalnych, utrzymując optymalną wysokość oprysku bez udziału operatora. System Boom Height Control został zaprojektowany z myślą o różnorodnych warunkach polowych i typach opryskiwaczy - od zawieszanych po duże modele samojezdne. Dzięki pełnej zgodności z protokołem ISOBUS-UT, system może być obsługiwany z terminala ciągnika lub dowolnego kompatybilnego wyświetlacza. Gdy roślinność na polu nie jest jednolita - np. w wyniku przymrozków, wylegnięcia lub śladów kół - system tworzy wirtualną powierzchnię roboczą i na jej podstawie stabilizuje wysokość belki. Dodatkowo system może zostać wyposażony w Dynamic Chassis Sensor (DCS-1), który monitoruje ruchy ramy opryskiwacza i poprawia stabilność belek na zakrętach, uwrociach i nierównościach. System Boom Height Control można zamontować zarówno na nowym, jak i używanym opryskiwaczu - niezależnie od marki czy typu zawieszenia. W jego skład wchodzą m.in. czujniki MS-1, kontroler HCM-1, zawory proporcjonalne, opcjonalny czujnik podwozia DCS-1 oraz terminal ISOBUS. Wszystkie komponenty zostały zaprojektowane z myślą o łatwym montażu i integracji z istniejącym wyposażeniem.

Innowacyjności nie można także odmówić systemowi kontroli wysokości belki nad uprawą o nazwie StrictHeightPlus firmy Agrifac. Układ korzysta z wielogłowicowych sensorów radarowych, które emitują fale ciągłe w kilku płaszczyznach, co pozwala w lepszym stopniu skanować powierzchnię pola i łan roślin, niż ma to miejsce w przypadku klasycznych radarów. Rozwiązania Agrifac wpisują się w koncepcję holenderskiej firmy o nazwie "NEED Farming" (potrzeba rolnictwa), wg której w centrum uwagi jest pojedyncza roślina na polu, a nie pole jako całość.

System HeigthSelect, zastosowany w opryskiwaczach Amazone z systemem AmaSelect, w trybie automatycznym dostosowuje odstęp między belką polową a powierzchnią docelową w zależności od rozstawu i typu rozpylaczy. Gdy system AmaSelect przełącza rozpylacze na rozstaw 25 cm, HeightSelect automatycznie opuszcza belkę.

Drony i roboty polowe w przyszłości opryskiwania

Choć John Deere przedstawił koncept drona z opryskiwaczem, wydaje się, że nadal prym należał będzie do tradycyjnych maszyn. Zbiornik drona o pojemności 10,6 litra jest w pełni automatycznie napełniany na stacji, na której odbywa się również automatyczne ładowanie akumulatora. Czas lotu wynosi 30 minut. Równie ważna jest możliwość precyzyjnego stosowania pestycydów niezależnie od warunków gruntowych. Z drugiej strony samobieżne maszyny John Deere mogą pracować z wydajnością 50 ha na godzinę. Osiągnięcie takiego wyniku przez drony byłoby bardzo trudne, ale kolejne lata mogą zmienić tę perspektywę.

Inteligentny robot polowy to zaawansowane technologicznie narzędzie, które wykonuje szereg kluczowych zadań w uprawie, w tym kukurydzy. Wykorzystuje kamery i algorytmy sztucznej inteligencji, które pozwalają mu rozróżnić kukurydzę od chwastów. Jednym z głównych atutów robota jest jego zdolność do ograniczania stosowania środków chemicznych. Sterowanie robotem odbywa się zdalnie, za pomocą komputera lub aplikacji mobilnej. Automatyzacja procesów nie tylko redukuje koszty i czas pracy, ale także poprawia jakość plonów i minimalizuje wpływ na środowisko.

Praktyczne aspekty działania opryskiwacza polowego

Opryskiwacz to maszyna rolnicza, która rozprowadza płynne substancje na powierzchni upraw. Może to być nawóz dolistny, herbicyd, fungicyd albo środek owadobójczy. W zależności od modelu montuje się go na ciągniku (wersje zawieszane i przyczepiane) lub działa samodzielnie jako maszyna samojezdna. Sercem opryskiwacza polowego jest pompa, która tłoczy płyn ze zbiornika do układu dysz. Ciecz przechodzi przez filtry i zawory rozdzielające, a następnie trafia do rozpylaczy, gdzie zamienia się w drobną mgiełkę. Precyzję zapewniają ciśnienie, rozmiar dyszy i szerokość belki roboczej. Wnętrze zbiornika wyposaża się w mieszadło, które utrzymuje jednorodność cieczy - nie dopuszcza do osadzania się środka na dnie.

Typy opryskiwaczy:

• Zawieszane: lekkie, kompaktowe, idealne dla mniejszych pól i gospodarstw.
• Przyczepiane: większa pojemność zbiornika i szersza belka robocza, dobre dla średnich i dużych areałów.
• Samojezdne: w pełni zautomatyzowane, z ogromnym zasięgiem i technologiami wspomagającymi, przeznaczone dla intensywnej produkcji rolnej.

Korzyści z automatycznego sterowania opryskiwaczem:

• Większe plony: dzięki skutecznej ochronie i lepszemu nawożeniu.
• Oszczędność czasu: szybka aplikacja na dużych obszarach.
• Mniejsze zużycie środków: precyzyjne dawkowanie i ograniczenie strat.
• Bezpieczeństwo dla środowiska: przy odpowiednim stosowaniu może ograniczyć przedostawanie się chemikaliów do gleby i wód gruntowych.

tags: #algorytm #sterowania #automatycznego #opryskiwacz #polowy