Как GPS-системы управления трансформируют сельскохозяйственные машины

Помимо GPS-приемника и привода рулевого управления, в комплект поставки входит пульт управления или планшет, программное обеспечение для планирования маршрутов и часто подписка на коррекционную службу, которая повышает точность позиционирования. Корректирующие сигналы поступают из таких источников, как спутниковые системы увеличения (SBAS), наземные опорные станции или сети кинематического (RTK) в реальном времени. Уровень требуемой точности зависит от работы. Для обработки или распространения по широкому акров может быть достаточной точность подметра. Для полосатого дождя, посадки или межрядного культивирования стандартом является субдюймовая точность RTK.

Основные преимущества GPS-руководства

Преимущества GPS-наведения распространяются на всю сельскохозяйственную цепочку создания стоимости, от прямой экономии эксплуатационных расходов до долгосрочного улучшения здоровья почв и качества сельскохозяйственных культур.

Точность и эффективность ввода

GPS-наведение устраняет перекрытие и пропускает шаблоны, общие с ручным рулевым управлением. Водитель, использующий визуальные маркеры, обычно перекрывается на 5-15 процентов, тратя семена, удобрения, топливо и пестициды. При автоматическом управлении перекрытие может быть уменьшено до почти нуля. Это означает, что каждый доллар, потраченный на входы, идет точно туда, где это необходимо, и ни одна область не обрабатывается дважды или полностью. Сокращение перекрытия непосредственно сокращает затраты на вход и снижает воздействие на окружающую среду сельского хозяйства, минимизируя стоки и вымывание избытка питательных веществ.

Топливо и экономия труда

Устранение перекрытия уменьшает общее расстояние, пройденное за операцию, что приводит к экономии топлива от 5 до 15 процентов в зависимости от формы поля и предыдущего мастерства оператора. В большой операции, которая может представлять тысячи галлонов дизельного топлива в сезон. В то же время, авто-руль уменьшает усталость оператора, позволяя одному и тому же человеку работать дольше с постоянным качеством. Некоторые фермеры сообщают, что системы наведения позволяют им покрывать до 20 процентов больше акров в день, потому что они могут поддерживать устойчивый темп и избегать необходимости останавливаться, проверять маркеры или исправлять ошибки рулевого управления.

Улучшение доходности

Последовательное расстояние между рядами и точное размещение семян и удобрений способствуют равномерному появлению и росту культур. Когда каждое растение имеет равный доступ к свету, воде и питательным веществам, поле дает более близкий к его генетическому потенциалу. Исследования, проведенные в университетах и технологических компаниях, показывают увеличение урожайности на 3-10 процентов для рядовых культур, таких как кукуруза, соя и хлопок, когда руководство используется для посадки и выращивания. Улучшение является самым большим в полях с неправильной формой, прокаткой местности или высоким уровнем остатков, где визуальное руководство затруднено.

Оперативная гибкость

Наведение GPS позволяет продолжать полевые работы в условиях, которые останавливали бы ручного оператора. Низкий свет, туман, пыль и тяжелый навес на полях снижают видимость, но система автоматического управления зависит от спутниковых сигналов, а не от линий обзора. Это расширяет операционное окно для чувствительных ко времени задач, таких как посадка, распыление и сбор урожая. В регионах с узкими окнами погоды для полевых операций способность работать через маргинальные условия может быть разницей между успешным сезоном и сокращенным.

Сбор данных и ведение записей

Каждый проход, выполненный с помощью системы, находящейся под управлением GPS, генерирует геоссылочную запись. Эти данные могут быть наложены на карты урожайности, результаты испытаний почвы и спутниковые снимки для создания подробной картины изменчивости поля. Фермеры могут использовать эту информацию для создания карт приложений с переменной скоростью для удобрений, извести и семян, применяя больше там, где поле более продуктивно и меньше там, где урожайность исторически ниже. Те же записи упрощают соблюдение правил управления питательными веществами и могут поддерживать отчетность по углеродному кредиту или программе устойчивости.

Как работает GPS-навигация

Понимание технологии, лежащей в основе GPS-наставления, помогает фермерам оценить, какая система соответствует их работе и бюджету.В то время как пользовательский интерфейс со временем стал проще, базовая технология включает в себя несколько слоев аппаратного обеспечения, программного обеспечения и обработки сигналов.

Спутниковые сигналы и исправительные услуги

Стандартный GPS-приемник определяет положение путем измерения временной задержки сигналов по меньшей мере с четырех спутников. Без коррекции приемники потребительского класса точны примерно до 2-5 метров. Этот уровень работает для отображения границ поля, но недостаточен для управления плантатором или распылителем через узкие ряды. Для достижения субметровой или сантиметровой точности системы наведения используют корректирующие сигналы. WAAS (Wide Area Augmentation System) является бесплатной спутниковой коррекцией, доступной в Северной Америке, которая повышает точность до 30 сантиметров. Для точной посадки и полосовой дождевой обработки RTK (кинематограф в реальном времени) использует фиксированную базовую станцию или сеть на основе подписки для обеспечения точности от 1 до 2 сантиметров. RTK является стандартом для высокоценных культур и узкого интервала строк.

Бортовое оборудование и программное обеспечение

Приемник GPS может быть интегрирован в консоль дисплея или установлен в виде отдельной антенны на крыше кабины. Консоль запускает программное обеспечение наведения, которое позволяет оператору задавать такие параметры, как ширина полосы, рисунок наклона головы и рабочая скорость. Программное обеспечение вычисляет оптимальный путь и отображает предполагаемый маршрут вместе с текущим положением машины’s. Для систем автоматического управления консоль отправляет команды на привод рулевого управления, подключенный к гидравлической системе рулевого управления, электродвигателю или моторизованному рулевому колесу.

Картографирование и планирование маршрутов

Прежде чем можно будет начать наведение, границы поля должны быть отображены. Большинство современных систем позволяют оператору перемещаться по периметру поля один раз, пока GPS записывает границу. Программное обеспечение затем генерирует набор параллельных рядов, контурных линий или пользовательских узоров. Оператор выбирает узор, который наилучшим образом подходит для урожая, системы обработки почвы и местности . Для плоских прямоугольных полей наиболее эффективны прямые параллельные линии. Для нерегулярных или холмистых полей контурные узоры уменьшают эрозию почвы и износ оборудования.

Руководящий контроль и обратная связь

В процессе работы система непрерывно сравнивает фактическое положение машины’ с запланированным путем. При возникновении отклонения привод рулевого управления делает небольшие корректировки, чтобы привести машину в строй. Частота и интенсивность исправлений варьируются в зависимости от системы. Высококлассные системы автоматического управления RTK могут удерживать линию в пределах одного сантиметра, даже на скоростях выше 15 миль в час. Оператор может переопределить систему в любое время, повернув руль или включив ручной режим.

Типы систем GPS-наведения

Не все системы наведения предлагают одинаковый уровень автоматизации или точности. Фермеры могут выбирать из нескольких уровней, каждый из которых подходит для разных операций, бюджетов и предпочтений оператора.

Светодиодные указания

Простейшая система наведения использует дисплей с рядом светодиодов, называемый световой панелью, чтобы показать оператору, находится ли машина на линии или дрейфует влево или вправо. Оператор управляет вручную и использует световую панель в качестве визуального сигнала. Световые системы являются недорогими и хорошо работают для распылителей, распредизаторов и операций обработки почвы, где точность подметра адекватна. Они не обеспечивают автоматического управления, но уменьшают перекрытие по сравнению с непомощным вождением.

Авто-ручка (без рук) Руководство

Автоматические системы управления полностью берут на себя рулевое задание. Оператор устанавливает желаемую линию A-B и ширину полосы, затем включает систему. Машина управляет собой, следуя линии с точностью, обеспечиваемой сигналом коррекции. Оператор контролирует реализацию и полевые условия. Авторулевой режим является наиболее популярной конфигурацией наведения для операций посадки, полосатого дождя и сбора урожая , поскольку он освобождает оператора от фокусировки на других задачах при сохранении согласованного интервала строк.

Полностью автоматизированные и автономные системы

Следующим шагом после автоматического управления является полная автономия, где машина завершает полевую операцию без оператора в кабине. Автономные тракторы и инструменты теперь коммерчески доступны от нескольких производителей. Эти устройства перемещаются с использованием GPS, датчиков, камер и бортового ИИ для обнаружения препятствий, поворота наголовников и регулировки скорости. Полная автономия все еще находится на ранней стадии внедрения, но ожидается, что полная автономия будет быстро расти по мере того, как нехватка рабочей силы продолжается и затраты на технологии падают. John Deere и CNH Industrial являются одними из ведущих производителей, разрабатывающих автономные решения для крупномасштабных операций по выращиванию рядов.

Влияние на современную фермерскую практику

Интеграция GPS-наставлений перенесла сельское хозяйство с практики, основанной на визуальных суждениях и опыте, на практику, основанную на данных и измерениях. Эта трансформация влияет не только на то, как управляются отдельные поля, но и на более широкую структуру фермерских хозяйств.

Точный сельское хозяйство как стандарт

GPS-наведение является основой, на которой построены другие точные сельскохозяйственные инструменты. Применение переменной скорости, мониторинг урожайности, зондирование почвы и изображения дронов основаны на точных данных о положении для корреляции измерений во времени и пространстве. История поля, построенная с данными наведения, становится постоянной записью управленческих решений и результатов , что позволяет постоянно совершенствоваться. Фермы, которые принимают руководство, часто переходят к другим методам точности в течение двух или трех сезонов, потому что инфраструктура данных уже существует.

Снижение стресса оператора

Вождение трактора или комбайна в течение 12-16 часов в день физически и умственно требовательное. Автоуправление снижает когнитивную нагрузку за счет выполнения повторяющейся рулевой задачи, позволяя оператору тратить умственную энергию на контрольное оборудование, сканирование на сорняки или вредителей и принятие тактических решений. Многие операторы сообщают, что автоуправление делает их работу более приятной и менее изнурительной, что улучшает удержание на жестком рынке труда.

Экологические и устойчивые преимущества

Путем уменьшения перекрытия и обеспечения более точного размещения входных данных, GPS-наставление сокращает объем удобрений, пестицидов и топлива, используемого на акр. Более низкое использование входных данных означает меньший потенциал для стока в водные пути и меньше выбросов парниковых газов от сжигания топлива.. Несколько исследований показали, что точное руководство может снизить применение азота на 10-20 процентов без ущерба для урожайности, непосредственно улучшая углеродный след растениеводства. Эти экологические преимущества становятся все более важными, поскольку розничные торговцы продуктами питания и регулирующие органы настаивают на проверяемых показателях устойчивости.

Проблемы и соображения

Несмотря на множество преимуществ, GPS-наставление не лишено проблем. Фермеры, рассматривающие возможность принятия, должны тщательно взвешивать затраты, кривую обучения и технические требования.

Первоначальные инвестиции и текущие расходы

Полная система автоматического управления с коррекцией RTK может стоить от 5000 до 20 000 долларов США за машину, в зависимости от уровня точности и функций. В то время как окупаемость инвестиций обычно положительна для операций на нескольких сотнях акров, авансовая стоимость может быть непомерно высокой для небольших ферм. Многие дилеры предлагают пакеты, которые включают дисплей, приемник и привод рулевого управления, но фермеры также должны бюджетировать подписку на коррекционную службу, которая для сетей RTK может стоить от 500 до 2000 долларов США в год за машину.

Надежность и инфраструктура сигнала

Сигналы GPS могут быть деградированы атмосферными условиями, солнечной активностью или преднамеренными помехами. В районах с тяжелым древесным покровом, крутой местностью или большими структурами вблизи краев поля прием спутников может периодически падать. Коррекция RTK требует либо локально установленной базовой станции, либо надежного сотового соединения для доступа к данным коррекции сети. Фермерам в отдаленных районах с плохим сотовым покрытием может потребоваться инвестировать в базовую станцию , добавляя к начальной стоимости и сложности.

Обучение и усыновление операторов

Системы управления внедряют новые программные интерфейсы, процедуры калибровки и шаги по устранению неполадок. Не все операторы довольны технологиями, и обучение необходимо для того, чтобы избежать разочарования и упущенных возможностей. Многие дилеры сельскохозяйственной техники предлагают поддержку стартапов, но постоянное обучение является частью процесса. Лучшие результаты приходят, когда вся команда понимает, как настроить границы поля, выбрать правильный шаблон, интерпретировать данные руководства и сделать базовую диагностику.

Совместимость оборудования

Не все тракторы и орудия могут быть модернизированы с помощью автоматического управления. У старых машин могут отсутствовать необходимые гидравлические соединения, электрические интерфейсы или точки крепления рулевого привода. Перед покупкой системы фермеры должны проверить совместимость с существующим парком. Большинство крупных производителей оборудования теперь предлагают заводские варианты наведения на новые машины, что делает интеграцию более гладкой для тех, кто покупает новые.

Будущие тенденции в области GPS-наведения и автоматизации сельского хозяйства

Траектория технологии GPS-наведения указывает на большую интеграцию с другими потоками данных, более высокие уровни автоматизации и более низкие барьеры для входа для мелких фермеров. Следующие события, вероятно, будут формировать следующее десятилетие сельскохозяйственной техники.

Интеграция ИИ и машинного обучения

Системы управления начинают включать искусственный интеллект, который учится на прошлых операциях. ИИ может оптимизировать планирование пути на основе формы поля, типа почвы, стадии урожая и истории погоды. Вместо того, чтобы следовать простой линии A-B, будущие системы будут адаптировать маршрут в режиме реального времени, чтобы избежать влажных пятен, уменьшить уплотнение или расставить приоритеты в высокодоходных зонах. Поддержка решений на основе ИИ превратит руководство из рулевого инструмента в полный механизм оперативного планирования. . Такие компании, как Trimble уже интегрируют машинное обучение со своими сельскохозяйственными платформами наведения.

Технология Swarm и многомашинная координация

Автономные системы в конечном итоге будут работать в скоординированных роях, при этом несколько машин будут работать в одном поле одновременно под наблюдением одного оператора. Технология Swarm уже тестируется для посадки и сбора урожая, с тракторами и комбинатами связи, чтобы избежать столкновений и оптимизировать покрытие. Этот подход может резко увеличить пропускную способность во время узких окон и снизить требования к труду. Министерство сельского хозяйства США определило многомашинную координацию как ключевую область для исследований в точном сельском хозяйстве .