Wdrażanie technologii cyfrowych i automatyzacji w maszynach rolniczych ma kluczowe znaczenie dla zwiększenia wydajności pracy, wzrostu plonów i poprawy jakości zbieranych płodów. W koncepcji rolnictwa cyfrowego (Rolnictwo 4.0) kombajn zbożowy jest pierwszą maszyną, która dostarcza istotnych danych dotyczących zebranego plonu, a które to dane można wykorzystać do dalszych analiz oraz podejmowania decyzji.

Ze względu na krótki okres zbioru roślin często zakłócany niekorzystnymi warunkami pogodowymi zachodzi potrzeba, by kombajny zbożowe były bardzo wydajnymi maszynami, a zarazem by straty, uszkodzenia i zanieczyszczenia ziarna były możliwie jak najniższe. W tym celu pomocne okazują się technologie z zakresu automatyki, sensoryki oraz sztuczna inteligencja, które wyręczają operatora kombajnu w wielu czynnościach.

Optymalizacja procesu zbioru

Operatorzy maszyn rolniczych wyprodukowanych kilkanaście czy nawet kilkadziesiąt lat temu, jak i tych produkowanych w budżetowej wersji z ograniczoną ilością elektroniki, muszą polegać na własnych umiejętnościach i doświadczeniu. Jednak postęp technologiczny przyczynia się do zmian w konstrukcjach maszyn, w tym również kombajnów zbożowych. Dużą rolę w rozwoju możliwości kombajnów zarówno w aspekcie wydajności pracy, jak również zużycia paliwa i niezawodności odgrywają czujniki i systemy przetwarzania danych, dzięki którym szereg czynności w kombajnie można zautomatyzować.

Do urządzeń pomiarowych, które zrewolucjonizowały technologię zbioru, należą czujniki przepływu ziarna oraz systemy wizyjne umożliwiające ocenę jego jakości pod względem uszkodzeń i zanieczyszczeń. Te pierwsze mają zastosowanie w ocenie ilości zebranego plonu w danym odcinku pomiarowym, co w połączeniu z nawigacją satelitarną umożliwia mapowanie plonu. Systemy wizyjne wyposażone są w kamery generujące kolorowy obraz o wysokiej rozdzielczości, umieszczone w głowicy przenośnika ziarna. Kamera ta filmuje strumień ziarna, a wykonane zdjęcia są poddawane analizie pod kątem składników obcych i ziarna pokruszonego. Obraz z kamery jest widoczny na ekranie terminala w kabinie operatora. Na podstawie tych obrazów operator może samodzielnie dokonywać regulacji liczby obrotów bębna młócącego, szczeliny na klepisku i na sitach, siły wiatru w obszarze czyszczenia oraz obszaru separacji. W bardziej zaawansowanych rozwiązaniach nastawy kombajnu mogą być zmieniane automatycznie za pomocą specjalnego oprogramowania.

Uzupełnieniem systemu pomiaru ilości i jakości ziarna są czujniki bliskiej podczerwieni, które dotychczas stosowane były w sieczkarniach. W przypadku zbóż umożliwiają one pomiar wilgotności ziarna oraz zawartości białka, a w jęczmieniu pomiar zawartości skrobi, zaś w rzepaku zawartości oleju. Dzięki tym czujnikom operator na bieżąco otrzymuje informacje o jakości zbiorów w konkretnych miejscach poszczególnych pól.

Wsparciem dla operatora mogą być również specjalne skanery monitorujące obszar pola przed hederem. System taki automatycznie obserwuje przedpole przed maszyną, a następnie rozpoznaje kondycję łanu, jego wygląd i stan – czy jest wyległy, czy stojący, jak bardzo jest obfity itd. Na tej podstawie system dobiera odpowiednią prędkość i wysokość nagarniacza, jak również wysunięcie i wysokość kanału wciągającego w hederze.

Kombajn źródłem danych

Nowoczesne kombajny zbożowe to nie tylko maszyny oferujące wysoki komfort pracy i dużą wydajność zbioru, ale również źródła informacji przydatnych w prowadzeniu uprawy roślin w koncepcji rolnictwa precyzyjnego. Przede wszystkim z kombajnów pozyskiwane są informacje przestrzenne o zebranych plonach, na podstawie których w dalszej kolejności dobiera się zmienne dawki nawozów i nasion. W systemie rolnictwa precyzyjnego nowej generacji kombajny podłączane są do systemów telematycznych, co daje duże możliwości zarządzania pracą tych maszyn w aspekcie poprawy wydajności i zużycia paliwa. Z nowoczesnych kombajnów można „wycisnąć” dużo informacji przydatnych w efektywnym zarządzaniu produkcją rolną.

Mapowanie plonu

W koncepcji rolnictwa precyzyjnego pola, gdzie uprawiane są rośliny, traktowane są jako niejednorodne struktury, na których aplikowanie na całej ich powierzchni tej samej dawki nawozów czy wysiewanie identycznej ilości nasion jest nieefektywne zarówno w aspekcie ekonomicznym, jak i środowiskowym. W rzeczywistości pola uprawne składają się z wielu stref o różnorodnym plonowaniu. Identyfikacja tych stref i dopasowanie do nich odpowiedniej agrotechniki pozwala racjonalnie wykorzystywać nawozy oraz nasiona.

Pomiar wielkości plonów umożliwia kontrolę wydajności poszczególnych odmian, ocenę efektów nawożenia i ochrony. Wieloletnie mapy są bardzo dobrym źródłem informacji o zmienności plonowania na danym polu. Pozwalają wskazać słabsze i mocne obszary pola, które następnie będą poddawane szczegółowym analizom. W dalszej kolejności mapy plonów są wykorzystywane do tworzenia map aplikacji nasion, nawozów i pestycydów.

Mapy plonów są wykreślane na podstawie zbioru danych, który jest uzyskiwany automatycznie podczas pracy kombajnu zbożowego lub innej maszyny wyposażonej w czujnik plonu, np. sieczkarni polowej. Niezbędnym wyposażeniem maszyny zbierającej jest odbiornik sygnału GPS, czujnik plonu oraz wilgotności wraz z modułem przetwarzającym i obrazującym obie wielkości na monitorze komputera pokładowego lub dodatkowego terminala.

Analiza wielkości plonu jest dokonywana w trybie ciągłych pomiarów. Polega ona na pomiarze masy, objętości lub prędkości przepływu czystego ziarna trafiającego do zbiornika kombajnu. W przypadku sieczkarni polowej punkt pomiarowy znajduje się w rurze wylotowej. Rejestracja jest wykonywana z interwałem wynoszącym do 10 sekund, zależnie od systemu pomiaru. Podczas pomiarów jest wyznaczany średni plon obliczany poprzez dzielenie ilości zbieranej masy zarejestrowanej przez czujnik plonu z danej powierzchni jednostkowej, co jest iloczynem szerokości roboczej zespołu żniwnego maszyny i odległości, jaką pokonała ona pomiędzy poszczególnymi pomiarami. Odległość przebyta przez kombajn jest mierzona za pomocą sensorów umieszczonych przy kołach maszyny.

Równolegle z pomiarem plonu są rejestrowane współrzędne geograficzne każdego miejsca pomiarów przy użyciu urządzenia GPS. Dodatkowo komputer pokładowy lub terminal rejestruje datę i czas pomiaru oraz indeks HDOP (Horizontal Dilution Of Precision), co pozwala na szacowanie dokładności odczytu pozycji przez odbiornik GPS. Podczas pomiarów uwzględniana jest także prędkość maszyny.

Zapisane w pamięci terminala (komputera pokładowego) dane są przenoszone do komputera z zainstalowanym oprogramowaniem do tworzenia map plonu. Jednocześnie w pamięci urządzenia zapisywana jest nazwa pola, czas zbioru, powierzchnia z której zebrano plon, ilość zużytego paliwa, nazwa maszyny zbierającej oraz dane operatora. Dane z terminala mogą być przenoszone za pomocą karty pamięci, nośnika USB lub bezpośrednio przez system telemetryczny. Po wczytaniu danych z komputera kombajnu do specjalistycznych programów GIS (Geographical Information System), następuje ich opracowanie metodami geostatystycznymi, w tym interpolacje. Oprogramowanie eliminuje błędy pomiarowe wynikające z kalibracji czujników plonu oraz zakłóceń odczytu pozycjonowania GPS. Efektem końcowym jest wizualizacja danych pomiarowych w postaci mapy plonu, przedstawiającej różnorodność w obrębie jednego pola i dostarczającej wskazówek dotyczących poboru prób glebowych w celu oceny zawartości gleby w składniki pokarmowe.

W połączeniu z danymi zebranymi podczas badania gleby, takimi jak pobór prób glebowych i skanowanie elektromagnetyczne, mapy plonów umożliwiają tworzenie zmiennych map aplikacji nawozów, uwzględniających zarówno zawartość składników odżywczych gleby, jak i te, które zostały usunięte z gleby podczas żniw.

Mapowanie plonów może pomóc w uzyskaniu bardziej wartościowych plonów

Mapowanie plonów pozwala zobaczyć, która część pola daje najwięcej korzyści, a która nie. Ponadto poprzez przestrzenną analizę plonowania można znaleźć strefy pola o najwyższej wydajności. O wiele lepiej jest uprawiać rośliny na obszarze, który ma maksymalny potencjał produkcyjny. Mapowanie plonów oferuje rolnikom większe możliwości w zakresie doboru odmian roślin. Dzięki temu rolnicy mogą sprawdzić, która odmiana dobrze sobie radzi na danym typie gleby, a która nie.

Mapy plonów mogą być również wykorzystywane do prognozowania przyszłych plonów. To z kolei może służyć do szacowania przyszłych dochodów z produkcji w gospodarstwie. Zestawione ze sobą mapy plonów różnych roślin z tego samego pola są pomocnym narzędziem do uzyskania rozległego zrozumienia trendów plonów i mogą być szczególnie przydatne do wyznaczania miejsc pobierania próbek gleby według stref wydajności pola. W tym celu zaleca się również zestawienie map plonu z innymi mapami, takimi jak skanowanie elektromagnetyczne gleby czy wskaźniki NDVI (powstałe w wyniku obróbki zdjęć z satelitów lub dronów). Dzięki temu można stwierdzić, czy lokalizacja poszczególnych stref pola jest taka sama, czy się zmienia.

Jest to istotne w przypadku stosowania technologii zmiennego dawkowania (VRA – Variable Rate Application).

Kombajny podłączone do sieci i chmury

Dostępne rozwiązania telematyczne wykorzystujące dane GPS i GSM umożliwiają rolnikom śledzenie swoich maszyn i ciągły nadzór nad działaniem ich funkcji oraz parametrów pracy. Wykorzystując połączenie zdalne, właściciel gospodarstwa rolnego lub upoważniony pracownik może obserwować parametry robocze kombajnu (w tym wydajność, ilość zebranego ziarna, zużycie paliwa), jego lokalizację, jak również może tworzyć raporty z wykonanych prac na poszczególnych polach. Telematyka oferuje nieograniczone możliwości analizy danych na potrzeby zarządzania pracą maszyn, w tym kombajnów zbożowych. Dzięki temu można optymalizować trasy przejazdu podczas zbioru oraz parametry pracy kombajnów, by zwiększyć ich wydajność i obniżyć zużycie paliwa. Ponadto sprawdza się efektywność pracy operatorów.

Inną korzyścią, jaką oferuje telematyka w technice rolniczej, jest zdalna autodiagnoza stanu technicznego maszyn. Jeśli mikroprocesory sterujące pracą poszczególnych podzespołów w kombajnie mają nadzór nad wszystkimi funkcjami maszyny, to pozyskane dane mogą służyć do oceny stanu technicznego, a tym samym zapobiegania awariom, które mogą być kosztowne i powodować przestoje. Serwis techniczny producenta, mając dostęp do takich danych, może je odczytać i zinterpretować, a tym samym działać zawczasu, czyli przed pojawieniem się awarii. Dzięki systemom telematycznym analiza stanu maszyny przeprowadzana jest online w czasie rzeczywistym, a wizyty serwisantów w gospodarstwie ograniczane są do minimum.

Telematyka w maszynach rolniczych to także korzyść dla producentów maszyn rolniczych. Dostarczany w czasie rzeczywistym zasób danych pozwala ocenić, jak pracuje maszyna nie tylko w czasie gwarancji, ale także w dalszych latach eksploatacji, w jakich warunkach wykonuje ona swoją pracę, pod jakim obciążeniem itp. Takie informacje są przydatne dla producenta w celu doskonalenia kolejnych konstrukcji maszyn.

autor: Dr inż. Jacek Skudlarski, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie