ระบบดำนาอัตโนมัติ

ระบบดำนาอัตโนมัติ

ประเทศไทยเป็นประเทศที่ส่งข้าวเป็นสินค้าออกมากเป็นอันดับหนึ่งของโลก ข้าวจึงนับว่าเป็นสินค้าสำคัญสามารถสร้างรายได้เข้าประเทศเป็นจำนวนมากมาตั้งแต่อดีตจนถึงปัจจุบัน แม้ว่าในสภาพการณ์ปัจจุบันการทำนาจะประสบปัญหาทั้งด้านผลผลิต ราคาและวิกฤติการณ์ภัยธรรมชาติ แต่ข้าวก็ยังจัดว่าเป็นพืชที่มีความมั่นคงและจำเป็นต่อการดำรงชีวิตของคนไทยและจัดเป็นสินค้าภาคเกษตรกรรมที่มีศักยภาพการแข่งขันในตลาดโลกได้

จากสถานการณ์ราคาข้าวที่มีการปรับตัว เพิ่มสูงขึ้นอย่างต่อเนื่อง อันเป็นผลมาจากปัจจัยสำคัญของการงดส่งออกข้าวของอินเดีย และการชะลอการทำสัญญาส่งออกข้าวของเวียดนาม รวมถึงปัญหาภัยธรรมชาติ ทำให้พื้นที่การปลูกข้าวของทั้งสองประเทศ ซึ่งเป็นผู้ส่งออกข้าวรายใหญ่อันดับต้น ๆ ของโลกที่สำคัญมีปัญหา จึงทำให้ความต้องการข้าวในตลาดโลก มีแนวโน้มเพิ่มขึ้น แต่จากตารางที่ 1 แสดงผลสรุปรายการส่งออกผลผลิตข้าวเปลือกของประเทศตั้งแต่ ปี พ.ศ. 2548-2552 กลับพบว่าในช่วงปี พ.ศ. 2550 – 2551 ผลผลิตข้าวเปลือกกลับลดลง จากเดิม 0.449 ล้านตัน ทำให้เสียโอกาสในการส่งออกต่อปริมาณความต้องการข้าวของตลาดโลกในยามเหตุการณ์ขับขันเช่นนี้ ซี่งแสดงให้เห็นว่าประเทศยังมีความต้องการระบบการผลิตข้าวที่ให้ความแน่นอน และสามารถเพิ่มผลผลิตได้ต่อไปอีก

ทั้งนี้ปัจจุบันถึงแม้ประเทศไทยได้ครองตำแหน่งแชมป์ผู้ส่งออกข้าวป้อนประชากรโลกมากที่สุด มียอดส่งออกถึงร้อยละ 36 โดยมีประเทศเวียดนามตามมาเป็นอันดับที่สอง มียอดการส่งออกร้อยละ 20 แต่ผลผลิตข้าวต่อไร่ของไทย ถือว่าอยู่ในเกณฑ์ต่ำ เฉลี่ย 439 กก./ต่อไร่ แต่ขณะที่จีนมีผลผลิตเฉลี่ยถึง 1,002 กก./ไร่ ส่วนเวียดนามซึ่งเป็นคู่แข่งที่สำคัญของไทยมีผลผลิต 741 กก./ไร่ จากแผนการการพัฒนายุทธศาสตร์ข้าวไทย ปี 2550-2554 ได้ตั้งเป้าหมายการเพิ่มผลผลิตข้าวไว้ โดยกำหนดให้คงพื้นที่ปลูกข้าวไว้ที่ 57.5 ล้านไร่ ตามศักยภาพเขตชลประทาน และเพิ่มผลผลิตเพิ่มขึ้นประมาณร้อยละ 20 ภายใน 5 ปี โดยคาดการณ์ให้ผลผลิตเฉลี่ยต่อไร่เพิ่มจาก 439 กก./ไร่ เป็น 529 กก./ไร่ ในปี 2553/2554 ดังนั้นเทคโนโลยีการพัฒนาระบบดำนาด้วยระบบอัตโนมัติจึงเป็นสิ่งที่จะเข้ามาตอบโจทย์ของนโยบายของแผนการการพัฒนายุทธศาสตร์ข้าวไทย

การทำนาในสมัยก่อน มี 3 วิธี ได้แก่ การทำนาหยอด การทำนาหว่าน และ การทำนาดำ ต่อมาภายหลังเกษตรกรได้หันไปทำนาดำ เพราะการทำนาดำจะให้ผลผลิตดีที่สุด มีอัตราการเจริญเติบโตที่ดี ข้าวมีความอุดมสมบูรณ์สูง มีอัตราการใช้ปุ๋ยที่ต่ำ มีการตรวจกำจัดพันธุ์ข้าวไม่พึงประสงค์ได้เป็นอย่างดี ในขณะที่การทำนาหว่านมีโอกาสปลอมปนของพันธุ์ข้าวสูง ทำให้มาตรฐานของข้าวตกต่ำลงไม่สามารถผลิตพันธุ์ข้าวได้ตามเกณฑ์มาตราฐานซึ่งจะส่งผลต่อประสิทธิภาพในการผลิตข้าวของประเทศได้ในอนาคต แต่ยังคงต้องใช้แรงงานคนในการดำนาเป็นจำนวนมากกว่า เมื่อเศรษฐกิจของประเทศดีขึ้น ส่งผลให้ค่าแรงขั้นต่ำเพิ่มขึ้น ทำให้คนรุ่นใหม่หันไปประกอบอาชีพในเมืองมากขึ้น เกษตรกรจึงเริ่มหันไปใช้เทคโนโลยีเครื่องดำนา โดยส่วนใหญ่นำเข้ามาจากประเทศญี่ปุ่น ประเทศจีน และประเทศเกาหลี เป็นต้น เครื่องดำนาช่วยลดต้นทุนในการจ้างคนดำนา และให้ผลผลิตมากกว่าการดำนาแบบใช้คน

ลักษณะของเครื่องดำนามีอยู่ 3 แบบ ด้วยกัน ได้แก่ เครื่องดำนาแบบใช้แรงคน เครื่องดำนาใช้เครื่องยนต์ชนิดแบบคนเดินตาม และ เครื่องดำนาใช้เครื่องยนต์แบบคนนั่งขับ จากตารางที่ 2 พบว่า การใช้เครื่องดำนาแบบคนนั่งขับให้ผลผลิตสูงสุด โดยสามารถผลิตข้าวได้ถึง 10 – 15 ไร่/วัน นอกจากนั้นปัจจุบัน เริ่มมีงานวิจัยเกี่ยวกับการพัฒนาเครื่องดำนาให้สามารถดำนาได้เองโดยไร้คนขับในประเทศญี่ปุ่น เพื่อเพิ่มศักยภาพในผลิตข้าวเนื่องจากเครื่องดำนาใช้เครื่องยนต์แบบคนนั่งขับนั้นหากอาศัยคนขับปริมาณผลผลิตในการดำนาจะขึ้นอยู่ตามกำลังของคนขับ ซึ่งสามารถทำงานได้ 10 – 15 ไร่/วัน ตามตารางที่ 2 แต่ถ้าเครื่องดำนาสามารถทำงานเองโดยอัตโนมัติ ปริมาณผลผลิตจะขึ้นอยู่กับ ความสามารถในการทำงานต่อเนื่องของเครื่องดำนา

โดยมีขีดความสามารถทำงานได้ต่อเนื่อง วันละ 17 – 22 ไร่ ชาวนนญี่ปุ่นใช้เครื่องดำนาอัตโนมัติของศูนย์ Japan National Agricultural Research Center โดยการดัดแปลงใช้เครื่องดำนาแบบใช้เครื่องยนต์แบบคนนั่งขับ มาติดตั้งระบบควบคุมการดำนาอัตโนมัติ สั่งงานโดยตัวประมวลผลจะติดต่อผ่านเซ็นเซอร์ต่างๆ เพื่อควบคุมเส้นทางและรักษาระยะ ในการปักดำต้นกล้า คอมพิวเตอร์ถูกใช้เป็นตัวประมวลผลหลัก โดยจะรับสัญญาณจาก RTKGPS เพื่อตรวจตำแหน่งของเครื่องดำนาระหว่างการเคลื่อนที่ และไปสั่งงานผ่าน PLC เพื่อควบคุมระบบขับเคลื่อน ให้สามารถดำนาได้ถูกต้องตามเส้นทาง

สถาบันวิทยาการหุ่นยนต์ภาคสนาม(ฟีโบ้) อยู่ระหว่างการหางบประมาณเพื่อออกแบบและจัดสร้างระบบควบคุมการดำนาอัตโนมัตินั้น โดยใช้เครื่องดำนาใช้เครื่องยนต์แบบคนนั่งขับ ติดตั้งระบบอัตโนมัติ แนวคิดในเบื้องต้นของระบบนี้จะอาศัยเทคโนโลยีของเซ็นเซอร์ชนิดต่างๆ ในการกำหนดการทำงานของเครื่องดำนาให้สามารถทำงานได้โดยอัตโนมัติ ตามการวางแผนเส้นทาง (Path planning) ของการดำนาโดยเริ่มต้น

เราจะจัดทำการวางแผนเส้นทางการดำนา เพื่อสำหรับให้ เครื่องดำนา ดำนาตามเส้นทางที่ระบุเอาไว้ โดยงานวิจัยนี้ จะเลือกพื้นที่ทำนา ที่มีขนาด สี่เหลี่ยมผืนผ้า มีความหล่มน้อย พื้นนาที่มีความสม่ำเสมอทั่วนา หลังจากนั้น ใช้ GPS ทำการวัดพิกัดตำแหน่ง ของมุมของที่นาทั้ง 4 ด้าน เพื่อไว้เป็นแผนที่ขอบเขตการดำนา เมื่อได้ขอบเขตของดังกล่าวแล้ว จะทำการวางแผนเส้นทางการดำนา โดยจะวางแผนเส้นทาง โดยคิดจาก ขนาดความกว้างของเครื่องดำนา ที่สามารถวิ่งไปแล้ว ไม่ทับแนวต้นข้าวที่ปักดำไปแล้ว และจะเผื่อพื้นที่สำหรับการเลี้ยวกลับ หรือที่เรียกว่า บริเวณหัวงาน เพื่อให้เครื่องดำนาสามารถเลี้ยวกลับตัว ได้อย่างสะดวก หลังจากนั้น จึงค่อยวน มาเก็บงาน ในบริเวณหัวงาน และพื้นที่อื่นๆ จนเสร็จ และ ออกจากที่นา เมื่อได้แผนการเส้นทางการดำนา แล้วก็จะเก็บเป็นข้อมูล ไว้ในตัวประมวลผลหลัก (Computer)

เราจะใช้ GPS ในการอ่านค่าตำแหน่งในการเคลื่อนที่เพื่อเปรียบเทียบหาตำแหน่งที่รถจะเคลื่อนที่ต่อไป และจะใช้เซ็นเซอร์วัดความเร็วเชิงมุมและความเร่ง (IMU) รวมทั้งเข็มทิศอิเล็กทรอนิกส์ (compass sensor) ในการอ่านค่าทิศทางการเปลี่ยนแปลงของรถเพื่อเป็นการยืนยันและชดเชยความผิดพลาดในทิศทางที่จะเคลื่อน ที่อีกชั้นหนึ่ง และมีการใช้กล้องวีดีโอเพื่อใช้ในการติดตาม การทำงานของเครื่องดำนา รวมทั้งอาจนำมาใช้ในการควบคุมเครื่องดำนาจากระยะไกลได้อีกด้วย หลังจากนั้น ข้อมูลจากเซ็นเซอร์ทั้งหลายจะถูกประมาณด้วย ระบบการประมาณค่า ก่อนที่ค่าตำแหน่ง และค่าแสดงทิศทางของเครื่องดำนา จะถูกส่งไปยังตัวประมวลผลหลัก เพื่อเป็นค่าตั้งต้นของตำแหน่ง ของแผนการดำนา แล้วคอมพิวเตอร์หลักจะส่งสัญญาณไป ยังตัวประมวลผลรอง (Micro controller) เพื่อไปควบคุม อุปกรณ์ ควบคุมเครื่องดำนา ให้เครื่องดำนาสามารถ ดำเนินการดำนา ให้ครบตามแผนการดำนา หลักการในการควบคุมเครื่องดำนา อาศัยการควบคุมเลียนแบบการบังคับของคน โดยจะไม่เข้าไปแก้ไขระบบเดิมของเครื่องดำนา แต่จะติดตั้งอุปกรณ์เสริมเข้าไปเพื่อควบคุมอุปกรณ์ที่บังคับการเคลื่อนที่และดำนา ได้แก่ Steering wheel, HST lever, Brake pedal และ Transplant lever ใช้มอเตอร์กระแสตรง ที่มี Absolute encoder ควบคุมการเคลื่อนที่ของพวงมาลัย ใช้ Electrical linear cylinder ในการบังคับระบบ HST (Hydrostatic transmission) lever ใช้ในการเร่งเครื่อง เพื่อทำให้เครื่องดำนาเคลื่อนที่ และ Transplant lever เพื่อสั่งยก หัวส้อมปักดำ ขึ้น ลง และ เริ่มต้น-หยุดปักดำนา การควบคุมเหล่านี้จะใช้ Rotary encoder ป้อนกลับ เพื่อบอกตำแหน่ง ของ Lever สำหรับการหยุด

ตัวเครื่องดำนา สามารถควบคุม ได้ 2 ทาง คือ การเลือกควบคุม โดยการลดความเร่งจาก HST lever จนเครื่องหยุด หรือ ไปกด Brake pedal สำหรับ Brake pedal ใช้ Electrical linear cylinder และ Proximity Sensor ในการหยุดการเคลื่อนที่ของเครื่องดำนา และงานของฟีโบ้ขั้นต่อไปจะพัฒนาระบบดำนาของเครื่องดำนาที่เหมาะสม กับ สภาพที่นาของประเทศไทย เนื่องจากเครื่องดำนาที่นำเข้ามาจากต่างประเทศจะถูกออกแบบให้ใช้ในแปลงของประเทศของผู้ออก แบบและระบบการใช้งานจะไม่ทำงานต่อเนื่องตลอดฤดูทำนา ซึ่งแตกต่างจากการใช้งานในประเทศไทย ซึ่งมักเป็นระบบแบบรับจ้าง ผู้รับจ้างจึงต้องใช้งานให้ได้จำนวนวันทำงานสูงสุด เพื่อให้คุ้มค่าต่อการลงทุน และ มีกำไรพอสมควร นอกจากนี้สภาพพื้นที่แปลงนาไทยยังมีลักษณะแตกต่าง จากประเทศผู้ออกแบบด้วย เครื่องดำนาจึงทำงานหนักเกินกำลังตลอดเวลา ทำให้ชิ้นส่วน หรือ อุปกรณ์ชำรุดเร็วกว่าที่ควร และต่อไปในอนาคต อย่างไรก็ตาม เครื่องดำนายังคงมีราคาสูง และเกษตรกรบางส่วนขาดความเชื่อมั่นในการนำเครื่องดำนาไปใช้งาน ทำให้ยังเข้าไม่ถึงเกษตรทุกระดับ จึงมีความสำคัญในการวิจัยและออกแบบ เครื่องดำนาให้มีความเหมาะสม และ สามารถช่วยเพิ่มผลผลิตให้เกษตรกรได้มากขึ้น ซึ่งจะส่งผลให้ยืดอายุการใช้งานและสามารถลดระยะเวลาการคืนทุน นอกจากนั้นเทคโนโลยีระบบดำนาอัตโนมัติ เป็นเทคโนโลยีที่ยังมีงานวิจัย และผู้พัฒนาน้อย และสามารถเพิ่มผลผลิตทางการเกษตร เพราะนอกจากลดจำนวนคนใช้งาน ยังสามารถใช้งานได้ตลอดเวลา ซึ่งเป็นประโยชน์ในการเพิ่มผลผลิตและควบคุมคุณภาพของผลผลิต เมื่อเปรียบเทียบกับประเทศคู่แข่งส่งออกข้าวอันดับที่สองอย่าง ประเทศเวียดนามที่มีกำลังการผลิตข้าวสูงกว่าไทยถึง 1.7 เท่าและกำลังเป็นที่จับตาว่าจะมีการพัฒนาทางด้านเทคโนโลยีในทุกๆด้าน ภายในอนาคตข้างหน้า