Rolnictwo oraz maszyny specjalne i budowlane

Pozornie w rolnictwie niewiele się zmienia – rolnicy sieją, zbierają plony i hodują zwierzęta, dostarczając pożywienia reszcie społeczeństwa. W rzeczywistości postęp nie omija tej gałęzi gospodarki, a dzięki automatyzacji, robotyzacji, a ostatnio cyfryzacji ewoluuje ona we wcześniej niespotykanym tempie. Celem wdrażania nowoczesnych rozwiązań technicznych jest wzrost wydajności i opłacalności produkcji rolnej, tak by z gruntów o danej powierzchni uzyskiwać coraz większe zbiory. Wymusza to ich ograniczona dostępność z jednej oraz rosnący popyt z drugiej strony – w 2050 roku na świecie będzie żyło już blisko 10 miliardów ludzi. To znaczy, że aby zaspokoić ich potrzeby żywieniowe, produkcja rolna do tego czasu musi wzrosnąć o co najmniej 70% w porównaniu z obecnym poziomem. Jednocześnie musi się opłacać, by rolnicy nie byli stratni, a konsumenci nie płacili za żywność coraz więcej. Niestety na rentowność ma wpływ wiele czynników od rolników niezależnych, a zarazem niszczycielskich, jak pogoda, zwłaszcza w obliczu zmian klimatycznych, szkodniki, choroby dotykające rośliny i zwierzęta. Oprócz tego praca na roli nie należy do atrakcyjnych, przez co brakuje pracowników. Dlatego oszczędności szuka się, ograniczając marnotrawstwo zasobów (wody, nawozów, pestycydów i siły roboczej), zaś sposobem na zwiększenie plonów i odciążenie rolników jest zastąpienie ich maszynami w najżmudniejszych i najcięższych zadaniach. W rezultacie obecnie bardziej niż kiedykolwiek gospodarze są otwarci na nowe technologie, a systemów automatyki, robotów czy dronów przeznaczonych dla rolnictwa przybywa. Dzięki nim łatwiej będzie sprostać powyższym wyzwaniom, a z czasem też wprowadzić i upowszechnić rolnictwo precyzyjne i uprawy wertykalne (patrz: ramki), które uznawane są za przyszłość rolnictwa.

Drony w monitorowaniu pól i trzody

Ważnym zastosowaniem dronów jest zbieranie danych – z perspektywy lotu ptaka mogą dostarczyć wielu użytecznych w gospodarstwie informacji. Ich popularyzowaniu się w tej aplikacji sprzyja też dostępność cenowa w porównaniu z maszynami rolniczymi. Drony są pomocne m.in. w określaniu topografii – znając położenie wyższych i niższych obszarów pola, można przewidywać problemy z nawadnianiem i na tej podstawie planować rozkład upraw i dobierać gatunki roślin. Sprawdzają się również w monitorowaniu skuteczności podlewania już obsadzonych pól, pozwalając zlokalizować obszary za mokre lub zbyt suche. Kolejne zastosowanie to nadzór nad żywym inwentarzem. Można je wykorzystać do zliczania i inwentaryzacji stada, w tym identyfikacji poszczególnych osobników, i wykrywania tych chorych, na przykład o nieprawidłowej temperaturze ciała. Są także pomocne w inspekcji ciągłości ogrodzeń pastwisk. Drony wykorzystuje się oprócz tego w monitorowaniu stanu upraw m.in. przez wyznaczanie znormalizowanego różnicowego wskaźnika wegetacji. Parametr ten charakteryzuje stan roślin i jest określany na podstawie stopnia odbicia promieniowania w zakresie bliskiej podczerwieni – suche, chore liście pochłaniają go więcej niż te żywe i zdrowe. Informacje zbierane przez drony pozwalają także na dokumentowanie stanu upraw i zwierząt hodowlanych, co ułatwia rozliczenia z ubezpieczycielami w razie wystąpienia klęski żywiołowej. Możliwości dronów zależą od ich wyposażenia. Przykłady popularnych czujników pokładowych wraz z ich zastosowaniami przedstawiamy w tabeli.

Automatyzacja nawadniania

Kolejnym zadaniem, które opłaca się zautomatyzować, jest nawadnianie. Automatyczne systemy podlewania pozwalają na osiągnięcie odpowiedniego stopnia nawilżenia gleby bez marnowania wody dzięki optymalnemu doborowi jej ilości do rzeczywistego zapotrzebowania. W tym celu wykorzystuje się sensory umieszczane w gruncie, mierzące stopień jego zawilgocenia, sensory pogodowe i spryskiwacze. Tymi steruje się zdalnie, dzięki bezprzewodowej dwukierunkowej komunikacji sterownika centralnego ze sterownikami zaworów oraz czujnikami w glebie. W kontrolerach zwykle dostępne są różne tryby pracy, domyślne i programowalne. Wyniki pomiarów i historia regulacji nawadniania są obecnie zazwyczaj zapisywane w chmurze, co pozwala na analizę jego skuteczności. Lokalne moduły sterowników zainstalowane w polu sterują typowo kilkoma zaworami. Są projektowane do pracy bezobsługowej, z obudową o odpowiednim stopniu ochrony przed wnikaniem wilgoci i zapyleniem. Wyposaża się je też w zintegrowany panel fotowoltaiczny zapewniający zasilanie ich akumulatora.

Choć spryskiwanie jest skuteczną metodą nawadniania, naśladującą naturalne zraszanie przez deszcz, nie zawsze się sprawdza. Typowe ilości i ciśnienie wody nie są odpowiednie dla wszystkich roślin – mogą na przykład uszkodzić te młode lub uniemożliwić zapylanie w fazie kwitnienia. Nie jest to też sposób precyzyjny w przeciwieństwie do nawadniania kropelkowego, w którym woda systemem rurek w gruncie jest doprowadzana bezpośrednio do korzeni rośliny. Pozwala to ograniczyć zużycie wody nawet o 70% w porównaniu do spryskiwania, a ponieważ gleba otaczająca roślinę pozostaje sucha, woda wolniej odparowuje i wolniej też rosną chwasty. Systemy nawadniania kropelkowego także się automatyzuje. Technika ta jest wdrażana poza tym w nawożeniu.

Roboty nawożące i siejące

W nawożeniu i siewie sprawdzają się także specjalnie do tych zadań projektowane roboty, które w porównaniu do maszyn kierowanych przez rolników mają wiele zalet. Na przykład te rozsiewające nasiona, działające autonomicznie, nawigują po polu w oparciu o sygnał z systemu GPS, a sterownik planuje ich trasę w taki sposób, aby jeździły tylko po miejscach, na których nie będą rosły rośliny i jak najkrótszą drogą. Kolejną zaletą jest poprawa dokładności siewu – ponieważ robot odnotowuje położenie każdego nasiona, w razie pominięcia miejsca, w którym według planu powinno zostać umieszczone, powtarza siew, ale tylko w miejscu braku, nie naruszając tych prawidłowo zasianych. Nasiona są również rozmieszczane w precyzyjnych odstępach. Informacja o ich położeniu jest też przydatna w pieleniu. W przeciwieństwie do rozwiązań robotów odchwaszczających, opartych na informacji z kamer, o których piszemy dalej, dysponując danymi z rejestru zasiewu, pielenie może się rozpocząć, nawet gdy plon jest wciąż niewidoczny i nie można jeszcze roślin właściwych od chwastów odróżnić. W przypadku niektórych upraw warto jest również skorzystać z robotów w nawożeniu. Przykładem jest kukurydza, ponieważ traktory mogą uszkodzić jej wysokie łodygi. Roboty autonomiczne wykorzystywane w tym zadaniu typowo również korzystają z sygnałów z systemu GPS w celu nawigacji po polu oraz z lidarów. Za pomocą tych drugich skanują otoczenie, by korygować trasę tak, by prowadziła pomiędzy rzędami łodyg kukurydzy, bez uderzania w nie.

Trudne warunki pracy w maszynach rolniczych i specjalnych

Wyposażenie maszyn rolniczych i pojazdów specjalnych powinno być wytrzymałe na trudne warunki otoczenia, ponieważ pracują na zewnątrz, gdzie działają na nie różne niekorzystne czynniki. Przykłady to: deszcz, śnieg, mgła, kurz, błoto oraz silne nasłonecznienie i skrajnie niskie temperatury. Oznacza to, że podzespoły maszyn rolniczych i specjalnych powinny być przystosowane do częstego i długotrwałego kontaktu z wodą i pyłem oraz ekstremalnych temperatur i ich gwałtownych skoków. Wymagana jest także odporność na wibracje i uderzenia przenoszone z układu napędowego albo będące następstwem kontaktu z przeszkodami terenowymi (wyboje, koleiny, zbocza, itp.). Ważna jest poza tym wytrzymałość na duże obciążenia mechaniczne, wahania napięcia zasilania, kontakt z różnymi chemikaliami. Te ostatnie to na przykład smary, rozpuszczalniki, sól drogowa i środki myjące. Problemem są również zaburzenia elektromagnetyczne. Ich występowaniu sprzyja m.in. brak uziemienia, duża liczba urządzeń skupionych na stosunkowo małej powierzchni oraz blisko siebie prowadzone okablowanie. Przed tymi czynnikami chronią specjalne rozwiązania konstrukcyjne.

Podstawowym zabezpieczeniem jest obudowa. Wykonuje się ją z materiałów o dużej wytrzymałości mechanicznej i odpornych na działanie czynników korozyjnych. Może to być stal nierdzewna, aluminium anodyzowane lub mosiądz, pokrywane dodatkowo powłokami ochronnymi. Aby zapobiec wnikaniu wody i zanieczyszczeń przez otwory, na złączach obudowy stosuje się wielostopniowe uszczelnienia albo wykonuje się ją w formie odlewu. Zakres temperatur pracy zwiększa się, wyposażając je w dodatkowy system chłodzenia albo podgrzewania. Kable zabezpiecza się przed uszkodzeniem specjalnymi osłonami, na przykład z PVC (polichlorku winylu), charakteryzującego się dużą wytrzymałością mechaniczną oraz odpornością na działanie środków chemicznych. Inne stosowane materiały to PE (polietylen) odporny na działanie wilgoci, PUR (poliuretan) o dużej wytrzymałości na ścieranie, chemikalia oraz skrajne temperatury. Aby z kolei zwiększyć bezpieczeństwo operatorów, stosuje się okablowanie w powłokach odpornych na płomienie (samogasnących). Szczególnej uwagi wymagają podzespoły elektroniczne. Chroni się je przez hermetyzację i ekranowanie obudów. Kolejnym newralgicznym komponentem są łożyska. Jednym ze sposobów na zwiększenie ich wytrzymałości na obciążenia mechaniczne jest ich przewymiarowanie. Ich żywotność wydłuża się również, ograniczając zjawisko elektroerozji na skutek przepływu prądów z wału silnika. W tym celu używa się wkładek izolacyjnych. Odporność na wibracje oraz udary mechaniczne uzyskuje się poprzez zabezpieczenie elementów ruchomych, na przykład specjalnymi wkładkami tłumiącymi wstrząsy. Innym rozwiązaniem jest całkowite wyeliminowanie takich komponentów (przykładowo zamiast wentylatorów używa się radiatorów). Gdy nie jest to możliwe, zastępuje się je elementami o większej wytrzymałości. Takie podejście stosuje się m.in. w enkoderach optycznych heavy duty, w których zamiast szklanej tarczy z podziałką instaluje się dysk metalowy lub wykonany z tworzywa sztucznego.

Niezawodność wyposażenia maszyn rolniczych i specjalnych zwiększa się też przez redundancję. Na przykład w pomiarach kluczowych wielkości korzysta się z podwójnych sensorów, które są umieszczane w jednej obudowie, ale z oddzielnym zasilaniem i portami komunikacyjnymi. W przypadku maszyn pracujących na zewnątrz trudne warunki tam panujące mogą się odbić negatywnie nie tylko na ciągłości ich działania i żywotności, ale również na komforcie ich użytkowania. Przykładowo zmienne światło naturalne wpływa na czytelność wyświetlaczy. Dlatego, żeby na przykład w przypadku paneli operatorskich uniezależnić ją od oświetlenia zewnętrznego, ich ekrany pokrywa się powłoką antyodblaskową. To pozwala na korzystanie z nich przy silnym nasłonecznieniu. Pracę w nocy ułatwia natomiast podświetlanie monitora. Przeważnie jest ono regulowane automatycznie, dzięki czujnikowi oświetlenia zainstalowanemu w panelu. Podświetlane są również przyciski klawiatury. Dodatkowo wyświetlacze są powlekane specjalnymi powłokami zapobiegającymi ich zaparowaniu.