GPS-навигация

Новейшие технологии в сельском хозяйстве позволяют поднять эффективность агробизнеса на качественно новый уровень. Применение технологических новинок весьма актуально для нашего сельского хозяйства. Мы начинаем публиковать серию материалов американских ученых – исследователей GPS-технологии, описывающих практику применения самого универсального и совершенного инструмента повышения точности – системы глобального позиционирования (Global Positioning System).

Роберт «Бобби» Гриссо, инженер-агротехник, Biological Systems Engineering, Virginia Tech

Марк Элли

У. Дж. Вайсор, профессор энвироники зерновых и почвы, Virginia Tech

Гордон Гувер, специалист по экономике сельского хозяйства, факультет сельскохозяйственной и прикладной экономики, Virginia Tech

GPS: применение и потенциал растут

Системы глобального позиционирования (GPS) широко применяются в сельском хозяйстве. Области применения GPS следующие:

• посев с переменными параметрами (GPS + система посева с изменяемыми параметрами);

• изменение норм внесения удобрений и извести (GPS + контроллер нормы внесения);

• картирование (составление карт) урожаев (GPS + контроль убираемого урожая);

• картирование урожаев в целях хранения и страхования (GPS + программное обеспечение картирования);

• параллельное вождение (GPS + средства навигации). GPS и основанные на ней навигационные системы используются в разных сельскохозяйственных операциях.

Особенно полезны эти системы при внесении пестицидов, извести и удобрений, обработке больших площадей обычными дисковыми сеялками и большими зерноуборочными платформами. Средства навигации GPS приходят на смену пенным маркерам, которые применяются при опрыскивании; колышкам, которые могут использоваться при посеве; для выполнения параллельных проходов по полю. Системы навигации помогают операторам уменьшить количество пропусков и перекрытий, особенно при использовании методов, при которых приходится полагаться на визуальную оценку расстояния проходов и/или подсчета рядов. Эта технология уменьшает вероятность ошибок при внесении агрохимии, благодаря чему повышается гарантия того, что излишек химикатов не попадет в воду. Кроме того, с помощью GPS-навигации можно сохранить историю обработки поля и ежегодно использовать одну и ту же схему (фиксированный трафик), минимизируя таким образом вероятные неблагоприятные воздействия на маршруты проходов. Активно используется GPS-навигация при внесении агрохимии на почвообрабатывающем оборудовании, расширяется применение этой технологии и в коммерческой сфере. По данным проведенного в 2007 году опроса компаний, предлагавших средства GPS-навигации конечным пользователям, как минимум 82% пользователей для внесения части удобрений и химикатов использовали системы GPS с курсоуказателем, ручным управлением и светодиодной панелью. 25% опрошенных использовали для некоторых операций систему GPS-навигации с системой автоконтроля (автоподруливания). В среднем для внесения различных веществ 57% пользователей применяли системы GPS-навигации со светодиодной панелью, а 12% – с подруливающим устройством. GPS-навигация вошла в стандартную практику сельскохозяйственной авиации США. Производители зерновых также применяют эти системы, поскольку GPS-навигация – прекрасный способ улучшить точность, скорость и единообразие обработки.

Что дают системы GPS-навигации агропромышленнику

Оснащение сельхозмашин курсоуказателем определяется несколькими факторами, и главный из них – стремление избавить водителя от необходимости непрерывно настраивать курс в то время, когда все внимание должно быть сосредоточено на поддержании работы оборудования и высокого уровня производительности. Это стремление вполне объяснимо, учитывая, как много параметров надо отслеживать водителю, сколько задач выполнять и сколько контролировать параметров в процессе управления транспортным средством. Требования, предъявляемые сельхозработниками к GPS, заметно изменились с увеличением размеров и мощности оборудования, с ростом количества функций и необходимостью повышать скорость обработки. А вместе с ними выросло и количество дисплеев, на которые выводится информация о работе тех или иных систем. Усложнение труда водителя может привести к росту количества ошибок, сбоев функционирования, увеличению затрат, экологическим проблемам и усталости оператора.

Пенные маркеры – широко распространенная технология

Пенные маркеры – самое распространенное средство ориентирования, применяемое при внесении удобрений и пестицидов. Пена капает и образует метки, используемые для поддержания курса устройства при обратном проходе. Агрегат для пенной маркировки с помощью воздушного насоса подает пенный агент из контейнера (в котором он находится под давлением) в камеру-накопитель. В ней пена накаливается до тех пор, пока собравшаяся масса не преодолеет поверхностное натяжение, после чего капля пены падает на землю. Чаще всего камеры-накопители размещаются на концах штанг распылителя или в центре, если он используется без штанг, как, например, в устройстве для внесения гранул с разбрасывающим диском. Операторы оборудования используют пенные маркеры, остающиеся на поверхности поля, в качестве средств навигации, чтобы определять уже пройденные участки.

GPS как средство навигации

GPS-навигация, рис. 1Относительно недорогие средства навигации, известные как системы параллельного вождения, помогают операторам визуально определять свое местоположение относительно предыдущих проходов и видеть, когда необходимо скорректировать маршрут. Такие устройства предлагаются в коммерческом секторе в нескольких конфигурациях. Одна из систем – это курсоуказатель в виде светодиодной панели (рис. 1), состоящей из светодиодов в пластиковой коробке размером 12 на 18 дюймов (30 х 46 см). Эта система связана с GPS-приемником и микропроцессором. Светодиодная панель обычно размещается перед оператором, чтобы он видел дисплей курсоуказателя, при этом ему не надо отрывать взгляд от поля.

Светодиодную панель можно закрепить внутри или снаружи кабины, и оператор сможет видеть световые указатели. Если указатель находится на центральной линии, машина идет правильно. Если он смещается влево, значит, машина отклонилась влево, и направление надо скорректировать. Соответственно, если указатель отклонился вправо, значит, и машина ушла вправо. Программное обеспечение позволяет оператору задать чувствительность к погрешности и расстояние между рядами. Аналогичным образом системы навигации GPS используются в авиации с начала 1990-х годов. Система GPS также позволяет узнать текущее местоположение обработки, и на основе предыдущих моделей трафика компьютерный интерфейс обеспечивает оператора указаниями по поддержанию надлежащей ширины между полосами, соответствующей стыковым маршрутам прохода. Если оператор покинет поле, чтобы пополнить аппликатор, или по причине плохой погоды, то, вернувшись, он сможет возобновить работу с точно такой же шириной полос. При этом повторная обработка уже обработанных участков будет исключена.

GPS-навигация, рис. 2Более совершенный курсоуказатель представляет собой экран, показывающий проход машины во время ее движения по полю (рис. 2). Первые модели систем GPSнавигации позволяли охватить только параллельные проходы по прямой, современные же модели дают возможность вести трафик по контуру поля. На экране также отражаются области, обработанные во время предыдущих проходов. Более совершенные системы навигации вместе с разбрасывателями с изменяемой нормой внесения и программным обеспечением позволяют генерировать карты по мере обработки (as-applied), на которых отражаются предыдущая обработка и схема обработки вообще. Это обеспечивает возможность фиксировать и сохранять схемы и тайминг проведения полевых работ. Части поля, не подвергшиеся по какой-либо причине (например, сильной влажности) обработке, можно отметить на компьютере и сохранить эту информацию, чтобы потом, когда позволят условия, закончить обработку. Все это делается без необходимости отмечать эти участки на поле флажками или маркерами.

GPS + навигация с помощью подруливающего устройства

Более совершенные навигационные системы (с подруливающим устройством) обладают теми же возможностями, что и вышеописанные средства GPS-навигации, но имеют дополнительную функцию – автоматического управления транспортным средством.

Автоподруливание выполняется специальным устройством, установленным на рулевую колонку или гидроусилитель руля. Уровень точности таких систем основывается на качестве индивидуальной корректировки (каждого транспортного средства) и на качестве обработки внутренних данных. Чем выше качество – тем выше и цена. Эти системы навигации делятся на три категории.

1. Системы, обеспечивающие точность в метровом диапазоне. Это означает возможность погрешности (ошибки) в диапазоне от двух до четырех футов (60-120 см) из года в год и меньше одного фута (30,48 см) от прохода к проходу. Источником дифференциальной корректировки могут служить местные провайдеры спутниковой связи. Эти системы относительно дешевы (примерно $6-15 тыс.*) и могут применяться во время обработки почвы, внесения некоторых типов удобрений и химикатов, посева и уборки урожая. Эти устройства легко переносятся с одного транспортного средства на другое, поэтому одна и та же система может быть использована на разных сельхозмашинах. Однако операции, требующие высокоточного управления, невозможно выполнять на оборудовании с уровнем точности в пределах метра.

2. Системы, обеспечивающие точность в дециметровом диапазоне. Дециметровая точность обеспечивает погрешность приблизительно от четырех до восьми дюймов (10-40 см) из года в год и от трех до пяти дюймов (7-13 см) от прохода к проходу. Такого уровня работы можно достичь с помощью либо базовой станции, либо двухчастотного приемника с дифференциальной коррекцией на основе закрытых каналов спутниковой связи. По мере роста доступности такого рода сигналов сельхозработники могут использовать подруливающее устройство при выполнении практически всех полевых работ. Их ценовой диапазон составляет $15-25 тыс. плюс подписка на спутниковую связь (до $1500 в год).

3. Системы, обеспечивающие точность в сантиметровом диапазоне. Сантиметровую точность можно получить с помощью базовой станции связи с дифференциальной корректировкой в режиме кинематики реального времени (RTK). Для этих систем были отмечены как долгосрочные, так и краткосрочные погрешности приблизительно в один дюйм (2,54 см). Транспортные средства, укомплектованные таким высокоточным оборудованием, можно использовать для полосной обработки почвы, размещения капельных лент, выравнивания почвы и других операций, требующих высочайшей точности, а также для выполнения практически любых других задач. В дополнение к возможности точно определять географическое местоположение системы GPS-навигации с автоподруливанием обычно контролируют ориентацию транспортного средства в пространстве и компенсируют отклонение по трем параметрам – крену, тангажу и скольжению (подробно описывается в разделе «Дополнительные функции» этой статьи). Цена таких систем колеблется в пределах $40-50 тыс. без учета стоимости годовой подписки.

GPS-навигация по сравнению с пенными маркерами

• GPS-навигация надежнее и точнее пенных маркеров. При использовании пенных маркеров может быть пропущено или повторно обработано до 10% площади. При использовании GPS-навигации показатель пропусков и перекрытий уменьшается до 5%. Некоторые опыты показывают, что при работе опытного оператора этот показатель снижается до 1,5%.

• GPS-навигация позволяет не терять точности на более высоких скоростях. С GPS можно достигнуть скорости на 13-20% выше, чем при работе с пенными маркерами. Естественно, увеличение скорости зависит от топографических особенностей местности. Если полевые условия ограничивают скорость, вряд ли удастся воспользоваться преимуществами GPS-навигации.

GPS-навигация, рис. 3• GPS-навигация – это возможность использовать центробежный разбрасыватель (рис. 3). Пенные маркеры обычно не используются на центробежных разбрасывателях. Такие разбрасыватели не имеют штанг, на которые можно установить оборудование для маркировки пеной. Из-за ширины захвата пенный маркер, установленный в середине прохода, трудно заметить с соседней стыковой, и водителю придется полагаться на визуальную оценку, чтобы сохранить дистанцию прохода.

• GPS-навигация проста в использовании. Любой человек, независимо от его навыков работы с компьютером, без труда научится пользоваться системой GPS-навигации. Для этого требуется лишь немного практики, обычно порядка 30 минут.

• GPS-навигация обеспечивает эффективное прохождение над растущими культурами. При сплошном посеве пена часто попадает под листья, где становится малозаметной, из-за чего возрастает риск пропусков и перекрытий. Однако для GPS высота растений не имеет никакого значения.

• GPS-навигация позволяет работать при плохой видимости. С GPS можно трудиться ночью, в условиях сильной пыли или тумана. Благодаря ей увеличивается рабочее время в критически важные периоды посева и орошения или опрыскивания. Во многих регионах ночь – лучшее время для опрыскивания из-за уменьшения ветра. Ночью меняется положение листьев, а воздействие гербицидов может быть более эффективным, чем днем, или менее (по этому вопросу проконсультируйтесь с местными специалистами по вопросам сельского хозяйства). Ночное внесение инсектицидов оказывает меньше воздействия на чувствительные к химикалиям колонии пчел.

• GPS-навигация практически не зависит от погоды. В определенных условиях, например при низкой влажности, в жару или на больших полях, пенные маркеры могут оказаться не эффективными. Пена может испариться еще до того, как работник сделает обратный проход. GPS-навигация работает при любой температуре, в том числе при низкой, когда пена в пенных системах замерзает.

• GPS-навигация снижает переменные издержки. В системах GPS нет движущихся частей, которые изнашиваются, или трубок, которые могут засориться. Системы подачи пены требуют пены, красящего вещества и средства для очистки бака. Большинство фирм производителей систем GPS-навигации передают обновления программного обеспечения владельцам систем бесплатно.

Главная составляющая периодических издержек на навигацию GPS – это спутниковая дифференциальная корректировка. Стоимость подписки обычно составляет $6001500 в год на каждое устройство GPS. Многие агропромышленники уже пользуются GPS для мониторинга урожая и могут дополнительно подписаться на дифференциальную корректировку. GPS-навигация практически не требует периодических издержек. Во многих регионах штата Вирджиния можно использовать для дифференциальной корректировки радиомаяки береговой охраны или систему WAAS. Эти услуги бесплатны и вполне подходят для многих областей применения, включая внесение сухих удобрений с помощью центробежного разбрасывателя. Точность внесения должна быть в пределах 6 дюймов (10 см). Поставщик GPS-оборудования может обеспечить информацию о необходимости в дифференциальной корректировке для любого местоположения.

• GPS-навигация снижает усталость работника и не создает напряжения для глаз. Если светодиодная панель установлена прямо перед оператором, ему не надо оглядываться по сторонам и назад. Он может аккуратно проходить смежные ряды, глядя только вперед.

• GPS-навигация сокращает время подготовки к работе. Устройство для пенных маркеров требует времени на наполнение контейнеров и замену краски. GPS начинает работать примерно через 30 секунд после включения транспортного средства.

• На GPS-навигацию не действует ветер, ей не страшно солнце. При использовании пенных маркеров сдувание пены ветром или удар концом длинной штанги с форсунками о землю может привести к серьезным ошибкам. GPS-навигация не зависит от неровностей почвы и ветра.

• GPS-навигация снижает объемы использования пестицидов и уменьшает перекрытия. Если перекрытие снизилось с 10% до 5%, расход пестицидов также уменьшился на 5%. То же относится к удобрениям и семенам, поэтому использовать GPS экономически выгодно и безопаснее для окружающей среды.

• GPS-навигация уменьшает необходимость физически посещать обработанные участки. Оператор может отметить место, где была остановлена обработка, не выходя из транспортного средства.

Дополнительные функции

Решение о переходе на GPS-навигацию должно основываться на нуждах конкретного агропредприятия, видах сельхозработ и понимании возможных ошибок позиционирования. Такие аспекты, как динамика сельхозмашины, координация движения прицепа и топография поля, также должны быть учтены. Для эффективной обработки поля требуется правильно настроить и установить систему GPS-навигации. Плохое качество работы подруливающего устройства, наклонный рельеф или недостаточно хорошо настроенное взаимодействие оборудования могут привести к снижению эффективности GPS-навигации.

GPS-навигация, рис. 4Важная характеристика системы GPS-навигации – ее способность следовать определенной схеме движения и обеспечивать эффективную обратную связь, на которую водитель или устройство автоподруливания может соответствующим образом отреагировать. Большинство систем могут эффективно осуществлять движение по прямой (прямолинейное движение), но многие из них способны также двигаться по контуру поля и по другим криволинейным траекториям (рис. 4).

Хотя большинство систем GPS-навигации разработаны специально в целях автоматизации управления транспортными средствами, некоторые из них оснащены также функцией сбора пространственных данных (картирование обработки и картирование урожая) и подключения контроллеров с переменными параметрами. Каждая дополнительная функция увеличивает цену системы, но покупатель может выбрать только нужные ему функции, повысив эффективность своей системы растениеводства.

С помощью документации, создаваемой системой GPS, можно видеть, какой продукт или вид работ были использованы в определенном местоположении в определенное время. Запрещенные к обработке зоны, определенные регулирующими органами, и чувствительные к обработке области (декоративные культуры, питомники (рассадники), сады, школы и жилые районы) могут быть заданы как «зоны без обработки» (no-apply zones).

Карты «по мере обработки» (as-applied) включают в себя данные обо всех зонах, где была проведена обработка, и эти данные могут храниться сколь угодно долго. В документацию можно включать информацию не только о местоположении обработки, но о времени и дате ее проведения. Такую документацию можно использовать для точного учета применения агрохимикалий и времени работы сельхозмашин, а также в случае необходимости для защиты в суде или объяснений с административно-регуляторными органами. Продукты GPS отличаются компактностью и удобным пользовательским интерфейсом. Одни системы вызывают трудности при установке и калибровке, другие можно установить и настроить буквально за полчаса.

Пользовательский интерфейс может быть самым разным – интуитивно понятным, цветным, с сенсорными экранами и богатой графикой, либо с аскетичным дизайном, примитивной графикой и управляемый кнопками меню.

GPS-навигация, рис. 5Наклонные участки почвы могут усложнить контроль за движением сельхозмашины. Три вида угловых движений сельхозмашины относительно вертикальной оси (крен – боковой (поперечный) наклон, тангаж – продольный (килевой) наклон, скольжение – отклонение от курса влево и вправо) меняют положение антенны GPS относительно центральной точки транспортного средства (рис. 5). Например, при движении по склону находившаяся в горизонтальном положении антенна GPS отклоняется относительно центральной точки транспортного средства, и курсоуказатель выдает ошибочные данные по движению (рис. 6). Чтобы компенсировать эту ошибку, в некоторые системы встроены гироскопы, акселерометры или дополнительные антенны GPS. Менее совершенные модули с компенсацией неровностей почвы справляются только с креном и тангажом машины, более совершенные способны контролировать динамическое положение по шести степеням свободы, компенсируя неровности рельефа. Некоторые производители для улучшения вождения используют дополнительные устройства подруливания.

Компенсация для удержания заданной конфигурации вождения такими устройствами может быть подстроена под траекторию движения машины, чтобы обработка постоянно велась надлежащим образом. Оптические системы вождения, ориентируемые на культуры, могут пригодиться, когда позиционирование осуществляется относительно уже существующих рядов.

Расходы на GPS-навигацию

Чаще всего приходится слышать о таком недостатке GPS-навигации, как первоначальные издержки, составляющие $1500 для фермеров, у которых уже есть GPS, и свыше $14 500 – для агропромышленника, которому требуется система, поддерживающая функцию документирования «по мере применения», а не только обеспечивающая GPS-навигацию. Полностью автоматизированная система навигации с подруливающим устройством, которую можно использовать на тракторе, разбрызгивателе или комбайне, – когда вмешательство оператора требуется только в конце гона – может обойтись в сумму от $6 тыс. до $50 тыс.

GPS-навигация, рис. 6Имеющиеся в настоящее время средства разметки проходов вроде пенных маркеров стоят от $500 до $3000. Кроме цены их проблемой является медленная скорость. Чем дешевле системы пенной маркировки, тем они медленнее, но работают вполне удовлетворительно при использовании на тракторе. При коммерческом применении, когда обработка поля ведется со скоростью 20 миль в час, пены требуется больше, чем может обеспечить система.

Издержки и преимущества GPS-навигаторов сильно отличаются в зависимости от культуры, площади обработки, точности прохода стыковых и других факторов. В качестве основного правила запомните, что система GPS-навигации стоит в среднем в шесть раз дороже системы пенной маркировки.

Следовательно, чтобы оправдать расходы на приобретение системы GPS-навигации по сравнению с пенным маркером, нужно тщательно проанализировать получаемые от ее использования выгоды.

Оценить экономический эффект от пропусков при разбрызгивании достаточно сложно, поскольку влияние борьбы с сорняками на урожай зависит от выращиваемой культуры. Например, надо провести качественную и количественную оценку долгосрочного влияния популяции сорняков и их семенного фонда. При применении удобрений и извести надо определить, сколько урожая будет потеряно, если обработка поля не будет проведена. Пропуски приносят гораздо больше убытков при обработке дорогостоящих культур, культивируемых методом точного посева, таких как овощи и семечковые, нежели при обработке культур вроде сои и пшеницы, для которых используется сплошное выращивание. Если пропуски случаются на хорошо очищенном от сорняков поле, влияние ослабления борьбы с сорняками на урожай может оказаться минимальным, но если поле сильно заросло сорняками, урожай на необработанных вследствие пропусков участках может упасть практически до нуля. Специалисты по сорнякам высказывают предположение, что самый значительный экономический эффект пропусков проявляется в том, что создается семенной фонд сорняков, из-за чего в ближайшие годы могут возникнуть проблемы с засорением поля и значительно возрасти расходы на борьбу с сорняками.

Аналогичным образом для поля с pH 5,8 потери урожая из-за пропусков при внесении извести будут, вероятно, минимальны в первый год, но значительно увеличатся в последующие годы.

Вместо резюме

GPS-навигация имеет множество преимуществ перед традиционными средствами маркировки, например пенными маркерами, и особенно перед методом визуальной оценки, которым приходится пользоваться при работе с центробежными разбрасывателями.

Существующие сегодня системы GPS-навигации применяются для мониторинга и картирования урожая, а также для отбора проб грунта. И здесь система GPS-навигации может повысить эффективность ферм и сельскохозяйственных комплексов при минимизации негативного воздействия на окружающую среду, связанного с перекрытиями при обработке.

Система способна также снизить усталость работника и беспокойство относительно избыточного либо недостаточного применения удобрений и пестицидов. Наконец, использование этой технологии может продемонстрировать не связанной с сельским хозяйством части общественности, что современные технологии применяются в сельском хозяйстве эффективно и безопасно.

Еще одно преимущество составления карт «по мере применения», обеспечиваемое некоторыми системами, – документация по определенным местоположениям и нормам внесения.