A sorközművelés fejlődése a kézi kapálástól a robotokig

A kapásnövények termesztésének nemkívánatos jelensége a gyomnövények megjelenése, fejlődése. A növénytermesztés fejlődése során a gyomnövények elleni védekezés különböző módszerei alakultak ki és terjedtek el. A kezdeti kézi kapálást, a ló-kapálás (ekézés), a traktoros kultivátoros sorközművelés, a mechanikai sorközművelés és a sorvegyszerezés kombinációja követte és végül napjainkban megjelentek a sorközművelő robotok.

 

A sorközművelés célja a következők szerint foglalható össze: a talajszellőztetés elősegítése, a talaj cserepesedésének megakadályozása, a csapadék beszivárgásának lehetővé tétele, a gyomok teljes megsemmisítése és esetenként tápanyag talajba juttatása.

 A sorközművelő kultivátorok felépítését tekintve lényeges különbségek tapasztalhatók a keskeny sorú (zöldség) és a széles sorú (kukorica) kultivátorok között. Jelen körülmények között ez utóbbiakkal foglalkozunk, mivel a vetésterület nagyságában meglévő különbségek miatt ezek jelentősége nagyobb. 

A napjainkban már szinte kizárólag függesztett kivitelben készülő sorközművelő gépek főbb részei a következők:

• függesztő szerkezet,
• vízszintes főtartó gerendely,
• művelőtagok,
• sorvédő berendezések,
• kormányzó (iránytartó) berendezés(ek),
• szállító berendezések.

A kultivátorok tulajdonképpeni működő elemei, a szerszámok négy fő csoportba sorolhatók:

• egyoldalas saraboló kapák.
• kétoldalas lúdtalp, vagy szárnyas kapák.
• ékalakú, ívelt formájú lazító kapák
• forgókapák.

Az ismertetett szerszámokon kívül előfordulnak egyedi tervezésű és feladatú formák, ill. különleges feladatú kapák is. Ilyenek lehetnek például a TLT hajtású rotációs kapák, és a növényápolással egy menetes tápanyag talajba juttatására szolgáló növénytápláló kapák.

Az idők során kialakult kultivátor művelőelemek (kapacsoportok) megfelelően működnek, ezért széleskörben elterjedt újdonságról nem nagyon lehet beszélni. A kultúrnövény védelmét, a sorközművelés hatékonyságát alapvetően meghatározó sorvédő, kormányzó/iránytartó berendezések területén viszont sok újdonsággal lehet találkozni. Ezért a következőkben ezekről a fejlesztésekről adunk tájékoztatást.

Sorvédő berendezések

 

A nem kívánatos gyomok irtása, életfeltételeinek megszüntetése mellett nem feledkezhetünk meg a kultúrnövények épségének biztosításáról.

A sorközművelés során elkerülhetetlen, hogy a művelőszerszámok bizonyos mennyiségű talajt ne dobjanak a kultúrnövényre, ill. kormányzási hiányosságok következtében veszélyesen meg ne közelítsék a növénysort. Ennek érdekében megfelelő biztonsági sávot (10-15 cm) kell hagyni és különböző védőberendezéseket kell a művelőtag oldalán elhelyezni.
A sorvédő berendezések három megoldása ismeretes: alagút, lemezes és tárcsás. A kultúrnövény maximális védelmét biztosító alagútburkolat a pontos beállítás nehézkessége miatt főleg az értékesebb zöldségnövényeknél használatos, míg a talajhajtású védőtárcsák a széles sortávú növények növelt sebességű művelésénél előnyösek.

 

Kormányzó (iránytartó) berendezések

 

A kultivátorok konstrukciós fejlődésében az utóbbi időben a kormányzó/iránytartó berendezések területén tapasztalható komolyabb előrehaladás. Ezek jelentőségét a kultúrnövény sérülésének elkerülése, ugyanakkor a művelt sávszélesség növelése, vagyis a védősáv szélességének csökkentése adja.

A sorközművelés technikai fejlődésének elején a kézi kapálás és a ló-kapálás (ekézés) esetében a kormányzás/iránytartás manuálisan történt.

A traktoros sorközművelés kialakulása során három rendszer jött létre: a homlok függesztésű, a has alá szerelt és a hátsó függesztésű sorközművelő kultivátorok. A megfelelő rálátás és a pontos kormányzás szempontjából kedvezőbb megoldások a homlok függesztésű, ill. a traktor, vagy eszközhordozó erőgép alá szerelt (függesztett) változatok. Az ilyen kivitelű gépeknél viszont külön berendezésekkel (általában a hátsó függesztő berendezésre szerelve) kell gondoskodni a traktor keréknyomainak fellazításáról.

A homlok függesztés előnyös megoldás, mert a vezető a növénysort és a kultivátort egyaránt látja. Hátránya, hogy a művelőelemek a kormányzás előtt helyezkednek el, ezért az észlelés és a beavatkozás összehangolása nagy figyelmet igényel. Másik akadályozó tényező a kultivátor mérete, mivel a nagyteljesítményű 12 soros változatok homlok függesztéses kivitele bonyolult, működtetése nehézkes.

A hasalatti elhelyezés elvileg a legjobb, mivel a kultivátor a kormányzás mögött, jól látható, ellenőrizhető helyen van. Hátrány, hogy konstrukciós okok miatt, csak kisméretű kultivátorok építhetők. Ennek következtében főleg kertészetben, zöldségnövények művelésénél használják.

A hátsó függesztésű kultivátorok a legelterjedtebbek, viszont üzemeltetésük a legbonyolultabb. A traktoros ugyanis előre tekintve észleli a beavatkozás szükségességét, ugyanakkor a művelőelemek csak később érnek az adott helyre, vagyis késleltetéses működtetést igényel. A végrehajtott módosítás eredményét azonban csak úgy tudja ellenőrizni, ha hátra fordul. Ebben a helyzetben viszont előfordulhat egy rossz kormánymozdulat, ami kultúrnövény sérüléshez vezethet. Mindezen hátrányok kiküszöbölése érdekében számos megoldás jött létre az elmúlt időkben a technikai fejlődés eredményeinek adaptálásával.

A létrejött megoldások a következők szerint csoportosíthatók:

1. vizuális,
2. optikai,
3. infó-kommunikációs (GPS/RTK).

Vizuális rendszerű kormányzó/iránytartó megoldások

 

Az első traktorvontatású kultivátorokon, ill. egyes keskeny sortávú kultúráknál (zöldségnövények, cukorrépa) még napjainkban is találhatók olyan sorközművelő kultivátorok, amelyeken külön kormányos végzi a kultivátor irányítását. Ez jelentős fizikai és porterhelésnek teszi ki a kormányosokat, aminek következtében ezt a módszert mind kevesebben alkalmazzák. Ehhez hozzájárult a traktorok fejlődésének eredményeként létrejövő szervókormányzás, amellyel ugyan nagyobb védőtávolsággal, de a traktor vezetője végzi a kultivátorok irányítását. A kultivátoron a művelőtagok mögött elhelyezkedő kezelő, mechanikus vagy hidraulikus működtetésű kormányzó berendezést működtet a kultúrnövények sérülésének elkerülése érdekében.

 

Az ergonómiai szempontból kedvezőtlen megoldást a széles sortávú kultivátoroknál iránytartó tárcsás csoroszlyákkal helyettesítik, amelyek mélyen a talajba haladva akadályozzák meg a kultivátor keresztirányú elmozgását, csúszását. A tárcsás csoroszlyák talajban tartását tekercsrugós feszítő berendezések biztosítják.

Hagyományos, de nem elterjedt megoldás a vetés során kialakított vezető barázda, amely a sorköz kultivátorozás során vezeti a kultivátort.

Optikai segédberendezések

 

Az optikai megoldások közül kevéssé ismert a traktor oldalán elhelyezett tükör, amely által a hátul haladó kultivátor mozgása figyelemmel kísérhető. Az elterjedés hiányának oka az lehet, hogy a művelet általában poros körülmények között történik, amikor a tükör rövid időn belül használhatatlanná válik.

A digitalizációs technikák terjedése elérte a mezőgazdaságot is, amelynek következtében több kultivátorgyártó cég elkezdett fejleszteni olyan sorközművelő kultivátort, amelynek soron tartását kamera által vezérelt rendszer végzi.

 

Az első rendszert, amelyet a dán ECO-DAN cég fejlesztett ki, további megoldások követték s ma szinte minden kultivátorgyártó saját konstrukcióval rendelkezik. Ezek sorérzékelő lézerrel (Laser Pilot) vagy képfelbontással dolgozó 2D-s, vagy 3D-s színes optikai kamerákkal (OptiCam, Culti Cam, maxi-Cam, EcoCam) dolgoznak, amelyek a kultivátor gerendelyén kapnak helyet és a traktor melletti sávban előrefelé pásztázzák a növényi sorokat. Éjszakai munkavégzéshez munkafényszórók világítják meg a területet.

 

Az optikai szenzorokkal vagy lézer elemekkel felszerelt sorközművelő kultivátorok főbb részegységei a következők:

• Optikai kamera, amely látható hullámhossz tartományban (540–620 nm) dolgozik és rendszerint 2–4 növényi sort érzékel, 1,0–1,5 m távolságban;
  • A kamera képet a fedélzeti számítógép dolgozza fel, kiszűri a zavaró tényezőket, majd szín és alak szerint elkülöníti a gyomokat a kultúrnövényektől.
  • Meghatározza a növényi sorok pontos helyzetét és összehasonlítja a betáplált sortávolság és művelési irány adatokkal.

• Aktuátor (keresztirányú mozgató berendezés), amely eltérés esetén, a számítógép által meghatározott korrekciót, a traktor függesztő szerkezete és a kultivátor gerendelye közé beépített hidraulikus munkahengerekkel végrehajtják.

• Monitor, amely pontosan tájékoztatja a traktor vezetőjét, felkínálva a sorköz és a növényi kultúra megválasztásának lehetőségeit.

Ezek a kultivátorvezérlések már képesek a kultúrnövényeket 2–4 leveles állapotában felismerni és ebben az esetben a már soroló növények között a kelő gyomnövényeket hatékonyan lehet irtani. Az ilyen rendszerek tudnak üzemelni színes, öntanuló üzemmódban is, tehát a nem zöld, vagy nem teljesen zöld színű növények sorait is felismerni. A művelésnél alkalmazható elméleti védőtávolság 2 cm, a gyakorlatban viszont a jó értéknek tekinthető 4 cm-es védősáv esetén is nagy biztonsággal dolgoznak, akár 10–12 km/h munkasebességgel.

A kultivátor gerendely legnagyobb oldalirányú kitérítése 6 soros gépeknél max. 300 mm, a 12 soros változatoknál pedig max. 500 mm.

A kamera rendszerek többsége ISOBUS-kompatibilis és így nemcsak saját monitorral, hanem ISOBUS CCI 200-as fedélzeti terminálról is tökéletesen vezérelhetők.

Az ismertetett megoldások népszerűek, széleskörben elterjedtek. A korrekció módja a kultivátor egészének keresztirányú elmozgatása azonban esetenként, főleg a nagyméretű 12 soros változatoknál problémát okozhat. Ennek elkerülése céljából számos fejlesztés kezdődött, amelyekből kettőt ismertetünk.

A Kongskilde legújabb kultivátor fejlesztése a Vibro Crop Intelli család. A kultivátor keretére szerelt kamera felismeri és 2,5 cm pontossággal követi a sort. A traktor GPS kijelzőjén keresztül a kultivátor egyes szekciói egymástól függetlenül kiemelhetők és lesüllyeszthetők igazodva a tábla kontúrjához.

A SAMO VarioChop kultivátor művelő tagjainak munkaszélessége a traktor fülkéből elektrohidraulikus berendezéssel állítható, megkönnyítve ezzel a sorokhoz való igazítás műveletét. A művelési szélesség szabályozásával (45-50, ill. 70-75 cm) követhető a kultúrnövény sorközének, ill. az időjárási állapotának változása. A centiméter pontosságú szabályzással megoldható a kijuttatandó vegyszer mennyiség 50%-os csökkentése.

Infó-kommunikációs (GPS/RTK) rendszerek

 

A művelési sebesség növelésében, ill. a kultivátorkapák és növénysorok közötti védőtávolság csökkentésében forradalmi változást hozott a traktorokon alkalmazott műhold vezérlésű sorvezetők és az automata kormányzás elterjedése. A földi RTK korrekciós jelek felhasználásával a traktorok automata kormányzásának pontossága tovább javult, ezáltal a kultivátorozás pontossága is nőtt és sebessége is nagyobb lett. A művelés pontossága tovább javítható, ha a traktor mindenkori pozícióját azonosító és automatikus kormányzását megvalósító vevőantenna és fedélzeti számítógép mellett, a kultivátor gerendelyére is GPS/RTK vevőt telepítenek. A kettős kormányzási rendszerben (AutoTrac Implement Guidance) a traktor és a kultivátor műholdvevője párhuzamosan dolgozik s ennek eredményeként a sorközművelő kultivátorral kis védőtávolságok és nagy (akár 16 km/h) munkasebesség mellett végezhető a sorközök művelése. A kultivátor vevője folyamatosan figyeli a pontos sorközpozíciót és mindig összehasonlítja azt az ideális nyomvonallal. Amennyiben eltérést érzékel, a függesztő szerkezetbe beépített hidraulikus egység elmozdítja keresztirányba a kultivátor gerendelyét. Ezzel elérhető, hogy a traktor és a kultivátor lehetőleg mindig azonos és egyben ideális nyomvonalon haladjon és a lehető legkisebb védősáv szélességgel valósuljon meg a sorközművelés.

 

A sorközművelő kultivátoroknál  az GPS/RTK alapú automata kormányzás és az optikai sorkövető lokális szenzorok együtt is alkalmazhatók és ezzel nagy pontosságú művelés valósítható meg, mivel a pontos iránytartásról a műholdvezérlés gondoskodik, a szükséges korrekciókat pedig az optikai szenzorvezérlés végzi.

A korábban ismertetett iránytartó csoroszlyák újra megjelentek, igaz a korhoz igazodó formában. A TrueTracker rendszerben a csoroszlyákat, a gép méretétől függően egy vagy két párban a kultivátor mögött helyezik el. A  GPS/RTK vevő a tárcsás csoroszlyák keretén található és együttműködve a traktor rendszerével végzi a kultivátor irányítását.   

 

Hogyan tovább?

 

Sorköz- és sorművelő kultivátorok

 

A legújabb fejlesztésű kultivátorok már nemcsak a sorköz művelését, hanem a sorban, a növények közötti területet is megművelik. A környezetkímélő, herbicidmentes művelés lehetőségét ígérő megoldások azonban egyelőre csak a nagyobb költséget elviselő kertészeti kultúrákban kísérleti szinten kerültek bevezetésre, míg a szélessortávú változatok kialakítása még várat magára.

A legújabb gyártmány, a kamera rendszerű kultivátoráról ismert Garford cég Robocrop InRow eRotor elektromos hajtású forgókapás kultivátora. Az új rendszer hat kamerával képes dolgozni, vagyis a kultivátor mind a hat precíziós kormányzású művelőtagja rendelkezik eggyel.

Más módszerrel kísérletezik a dániai F. Poulsen Engineering APS cég, amelynek Robovator kultivátora 25-75 cm sortávolságok esetén alkalmazható, a munkasebesség pedig 2-8 km/h között választható meg a sor- és a tőtávolságtól függően. Minden kultivátortag fölé egy speciális növény felismerő kamerát helyeztek el. A kultivátor tagok hidraulikus működtetésű szerszámokból állnak. Az „intelligens” szerszámok alaphelyzetben a sorban haladnak és kitérnek ha a kamera növényt észlel, majd visszatérnek eredeti helyükre. A kultivátor gyomirtási pontossága palánta esetén 95%, magról növő növény esetén 85%.

A jelenleg ismert megoldások a kis teljesítmény és nagy költség miatt egyelőre a szabadföldi kertészeti kultúrákban kerülhetnek bevezetésre. A technikai megoldások továbbfejlesztésével, előreláthatólag a szántóföldi növények művelésére is alkalmassá válnak.

 

Folt (spot) permetező gépek

 

A sorközművelő és sor permetező gépek versenytársaként jelentek meg a gyomok egyedi irtására alkalmas folt(spot) permetező kultivátorok. A John Deere társaság a Blue River Technology start-up cég „See and Spray System” (látni és permetezni) rendszerét adaptálta. Az integrált számítógéprendszerrel működő gyomfelismerő és pontszerű permetezőgép azonban egyelőre csak a kertészeti kultúrák művelésénél alkalmazható. A gép agya a fedélzeti kamera rendszer, amelynek gépi látás szoftvere megkülönbözteti a kultúrnövényt és a gyomot, majd automatikusan gyomirtó szert juttat a nem kívánt növényre. A berendezés jelenleg még lassabban (7 km/h) dolgozik, mint a hagyományos permetezőgépek, de azonos eredményhez csupán 5-6% növényvédő szert használ.

 

A korábban már említett Garford cég az idei évben mutatta be Robocrop Spot Sprayer gyomirtó kultivátorát. A számítógép először felismeri a sorok elrendezését, megkeresi a nem szabványos formájú és méretű növényeket majd másodpercenként 30 képkocka elemzési gyorsasággal meghatározza paramétereiket. Ezt követően az 5 km/h sebességgel haladó kultivátor egy speciálisan kifejlesztett fúvókán keresztül végzi a szelektív vagy totális herbicid gyomokra célzott permetezését. A cég tájékoztatása szerint az új módszerrel 98-99% gyomirtószer-megtakarítás is elérhető.

 

Robotok a sorközművelésben

Napjainkban mind több cég foglakozik kertészeti/szántóföldi robotok kifejlesztésével. Jelen körülmények között nincs lehetőség valamennyi kísérleti gép ismertetésére már csak azért sem, mert legtöbbjük a költségeket jobban viselő kertészetekben került kipróbálásra, ill. még kevés jutott el a sorozatgyártásig. Példaként néhány olyan változatot mutatunk be, amelyek várhatóan a szántóföldi sorközművelésben is érhetnek el sikereket.

A robotok között is újdonságot jelent a svájci ecoRobotix automatikus önjáró berendezés, amelynek a hajtásához, navigációjához, gyomfelismeréséhez és a permetezéshez szükséges energiát napelemes panelek biztosítják. Az új kisméretű robot (mindössze 130 kg) GNSS navigációval, kamerával és mesterséges látó rendszerrel rendelkezve, képes megtalálni a növénysort és felismerni a gyomot majd működteni a permetező rendszerét (1- vagy 2-féle herbicidet használva). A napelemes panel alatt elhelyezkedő többcsuklós karok gyors előre-, hátra- és oldalirányban mozogva állítják a szórófejet a megcélzott gyomnövény fölé. A robot nyomtávja 2 m, amely alkalmas 4 sor (30-50 cm sortáv) átfedésére és 0,4 m/sec átlag sebességgel haladva napi 3 hektár teljesítményre képes.   Napenergiával feltöltve 12 órán keresztül  működhet emberi beavatkozás nélkül. Egy ilyen robot a vegyszerfelhasználást akár a huszadrészére is képes csökkenteni a gyomirtó szer célzott kijuttatásával, további előnye az élőmunka-ráfordítás jelentős csökkentése.

A környezetkímélő technológia, vagyis a vegyszermentes gyomirtás megvalósítására szintén készülnek robotok. A működésbeli különbséget a gyom életének megszüntetési módszere adja.

A Dino (Naio Technologies, Franciaország) elektromos hajtású robot a sorközi gyomokat hagyományos mechanikai formában szünteti meg, vagyis ez egy igazi robotkultivátor. Napjainkig – a gyártó tájékoztatása alapján – 27 robot készült és került kipróbálásra Franciaországban, ill. külföldön (Németország, Dánia, Japán, Kanada, Kalifornia). A robot területteljesítménye még nem elégséges arra, hogy felvegye a versenyt a traktoros gépcsoporttal, de kertészeti alkalmazása a közeljövőben várható.

 

A francia Carré cég második generációs növényápoló/sorközművelő robotja többek között mechanikai sorközművelésre is alkalmas. A lítium-ion akkumulátoros erőforrású robot Trimble GPS vevővel és Claas kamerával rendelkezik. A helyszíni programozáson kívül tablettel vagy mobiltelefonnal is irányítható.

 

Az amerikai Odd.Bot robotot az organikus termesztéssel foglakozó farmerek számára fejlesztették ki. A robot kamera és szenzor rendszerrel igazodik el a táblán és karjával egyenként tépi ki a gyomokat. A kézi gyomirtás robotizálása valóban környezetkímélő megoldás, de a teljesítménye elmarad a modern sorközművelő kultivátorokétól.

 

A német Laser Zentrum Hannover (LZH) a közelmúltban bemutatott egy lézeres gyomirtási technológiát. Az új eljárás során egy kamera felismeri és megkülönbözteti a kultúrnövényt a gyomnövénytől, amelyet lézer sugárral megsemmisít. Vagyis az új technológia vegyszermentes és egyúttal jól beilleszthető a kialakítás alatt lévő digitális mezőgazdaságba. A fejlesztők véleménye szerint a berendezés várhatóan először a magas hozzáadott értéket képviselő organikus kertészeti termelésben (pl. sárgarépa, cukorrépa, hagyma) nyer teret. A lézeres gyomirtó berendezés felépíthető traktor által működtetett formában, de elképzelhető robot és drón változata is.

 

Áttekintve a gyomok elleni küzdelem történetét megállapíthatjuk, hogy a hagyományos mechanikai gyomirtást követő, totális kémiai technológiák sikere ellenére újabb váltás szükséges. A korszakváltás megkezdődött. A teljes felületi alkalmazást először a sorközművelés és növénysorra korlátozás, majd a technikai fejlődés eredményeként az egyedi gyom permetezés váltja fel, amellyel igen komoly mértékű vegyszerterhelés csökkentést lehet elérni. A végső megoldást az egyedi gyom felismerés és a soron belüli mechanikai vagy lézeres gyomirtás hozhatja, amely hatékonyan társítható a robotok megjelenésével és használatával. 

 

Dr. Jóri J. István

BME Gépészmérnöki Kar, Gép- és Terméktervezési Tanszék

 

Forrás: Agrofórum