Úvod / Informácie / Stroje a zariadenia / Rôzne

Autonómne mobilné roboty v poľnohospodárstve

16-11-2018
Ing. Ladislav Tóth, PhD. | ladislav.toth1@uniag.sk
Katedra elektrotechniky, automatizácie a informatiky, Technická fakulta, Slovenská poľnohospodárska univerzita v Nitre

Poľnohospodárstvo sa rýchlo stáva vzrušujúcim odvetvím špičkových technológií, ktoré vytvára nových odborníkov, nové spoločnosti a nových investorov. Technológia sa rýchlo rozvíja, a to nielen zvyšovaním výrobných kapacít poľnohospodárov, ale aj modernizáciou robotiky a automatizácie.

Jadrom spomínaného fenoménu je potreba výrazne zvýšiť výnosy z poľnohospodárskej výroby. Podľa odhadov OSN sa svetová populácia zvýši zo 7,3 miliardy dnes na 9,7 miliárd v roku 2050. Svet bude potrebovať oveľa viac potravín a poľnohospodári budú čeliť vážnemu tlaku, aby udržali krok s dopytom.

V modernom poľnohospodárstve sú skutočné problémy. Tradičné poľnohospodárske metódy sa snažia udržať krok s efektívnosťou, ktorú si vyžaduje trh. Poľnohospodári v rozvinutých krajinách trpia nedostatkom pracovnej sily. Vzostup automatizovaného poľnohospodárstva je pokusom vyriešiť tieto problémy pomocou robotiky a pokročilého snímania.

Nie je robot ako robot

Umelá inteligencia získava trakciu v poľnohospodárskom priemysle a stáva sa integrovaná do robotiky vyvinutého pre tento sektor. Keďže automatizované technológie prenikajú na trh, snažíme sa odpovedať na dôležité otázky, ktoré dnes vedúci pracovníci podnikov kladú:

  1. Ktoré typy aplikácií umelej inteligencie s poľnohospodárskou robotikou sú v súčasnosti na trhu k dispozícii?
  2. Ako využívajú tieto technológie poľnohospodárske spoločnosti na to, aby zostali  pred konkurenciou?
  3. Aké inovácie majú potenciál zmeniť priemysel počas nasledujúceho desaťročia?

V tomto článku sú uvedené vybrané súčasné a budúce vyvíjané riešenia poľnohospodárskych robotov, často nazývaných "agribotov" alebo "ag-robotov". Väčšiu súčasných a budúcich ag‑robotických aplikácií je možné začleniť do nasledujúcich pod kategórií:

  1. Výsadba a sejba
  2. Primárne pozorovanie - Drony
  3. Presná regulácia burín a škodcov
  4. Zber úrody

Nižšie sú uvedené príklady z týchto štyroch pod kategórií. Každý z nich poskytuje prehľad o tom, ako umelá inteligencia a robotika sa zbližujú v poľnohospodárskom priemysle. Uvedené príklady sme rozdelili na "aktuálne aplikácie", ktoré sa už používajú a na "objavujúce sa aplikácie", ktoré sľubujú, ale zdajú sa vzdialenejšie od robustnej podnikovej návratnosti investícií.

Vysádzanie škôlok

Existuje rastúca potreba automatizácie škôlok. V škôlkach sa pestujú semená na mladé rastliny, ktoré sa neskôr vysadia von na pole. Rastliny zo škôlky sa často predávajú priamo spotrebiteľom, ale sú taktiež začiatkom cesty niektorých plodín pre potraviny.

Obr. 1

Spoločnosti PlantTape, Demco, HETO Agrotechnics a Harvest Automation poskytujú v súčasnosti autonómne a automatizované riešenia pre pestovanie, skladovanie, manažment a výsadbu živých rastlín. Základným kameňom konkurencieschopnosti týchto nových firiem je vytvorenie a zavedenie štandardov spolu so systémami pre rýchle pestovanie mladých rastlín v škôlke a následnú bezchybnú “transplantáciu“ rastlín na role s aktuálne najvyššou rýchlosťou 15km/h v ôsmich riadkoch a s minimálnou asistenciou človeka.  Spomínané systémy a štandardizácia posúvajú autonómne mobilné roboty veľkým krokom vpred smerom k praktickému využitiu v poľnohospodárskej sfére aj na menších farmách.

Sejba plodín

Mnohé rastliny, ktoré sú určené na potravinárske účely začínajú svoj život vo forme semena na roli. Na viacerých farmách sa stále využíva tradičná metóda sejby semien, t.j. semená sú rozhádzané pomocou rozhadzovača pripojeného k traktoru, ktorý prechádza poľom konštantnou rýchlosťou. Nie je to veľmi efektívny spôsob výsadby kvôli plytvaniu osivom a nerovnomernej sejbe.

Obr. 2

Autonómna presná sejba kombinuje robotiku s geomapingom. V prvom štádiu je vytvorená digitálna mapa pomocou autonómnych mobilných robotov o vlastnostiach pôdy (napr. kvalita, hustota, utlačenie a iné). V druhom štádiu nastáva samotná sejba na základe digitálnej mapy, pomocou navádzaným traktorom s navigačným systémom a samozrejme s pripevnenou robotickou nadstavbou na presnú sejbu. Každé semeno má presne určené miesto t.j. presnú vzdialenosť a aj hĺbku. Táto metodika sejby zabezpečuje najväčšiu šancu semena na vyklíčenie sa a tvorbu koreňového systém rastliny.

Monitorovanie a analýza pôdy a plodín

Monitorovanie obrovských polí s plodinami vyžaduje veľa času a veľa práce. Nové technológie kontaktných a bezkontaktných snímačov umožňujú poľnohospodárom získať oveľa viac informácií o pôde, o plodinách resp. o škodcoch ako v minulosti. Pozemné autonómne mobilné roboty a autonómne riadené bezpilotné lietadlá (drony) poskytujú spôsob, ako tieto údaje autonómne zhromaždiť a vytvoriť presnú mapu s variabilnými vlastnosťami pôdy alebo o dozretí ovocia či zeleniny.

Zdá sa, že najefektívnejším spôsobom pre vytváranie geomáp je použitie autonómnych dronov, ktoré neutláčajú pôdu a ani rastliny počas získavania informácií o pôde s veľkou rozlohou. Geomapy sú vytvárané pomocou algoritmov (softvéru), navigačného systému a pripojených senzorov. Podľa sledovanej veličiny a požiadaviek poľnohospodára, drony sú vybavené Full HD, 4K alebo 8K kamerou s veľmi vysokým rozlíšením, termokamerami, laserovým skenerom,  multispektrálnymi senzormi v spektre blízko infračerveného až ultrafialového žiarenia, hyperspektrálnymi senzorickými systémami s vlnovou dĺžkou 5‑10nm na identifikáciu minerálov, vegetácie, chorôb plodín a taktiež na odhad kvality vody a kompozície chemikálií na povrchu objektov. 

Obr. 3

Reálne dostupné komerčné autonómne systémy ponúka firma PrecisionHawk. Ponúkajú poľnohospodárom kombinované balíky, ktoré zahŕňajú robotický hardvér a softvér na analýzu. Poľnohospodár môže vo forme služby presunúť drony na role, inicializovať softvér prostredníctvom tabletu alebo smartfónu a zobraziť zhromaždené údaje o plodinách v reálnom čase.

Autonómne roboti na zemi, ako napríklad BoniRob od firmy BOSCH poskytuje podrobnejšie informácie o pôde a rastlinách, ktoré je možné získať len priamym fyzickým kontaktom. Konštrukcia robota umožňuje pripojiť moduly na meranie špeciálnych parametrov pôdy napr. meranie odporu pôdy (penetrometrer) resp. moduly na odber pôdnych. Ďalšou možnosťou je osadiť modul na odoberanie rastlinných vzoriek napadnutých chorobou alebo škodcom na posúdenie a následné vyvodenie vhodných opatrený na odstránenie nežiaduceho stavu. Navyše autonómne mobilné roboti dokážu na základe spravovania obrazu rozoznať užitočné rastliny od burín, ktoré je možné následne selektívne postriekať alebo laserom vypáliť.

Obr. 4

Presné hnojenie

Rastliny potrebujú dostatok živín pre svoj rast a produkciu kvalitnej úrody. Najmä dusíkaté látky, fosfor, draslík, vápnik a iné prvky. Cieľom viacerých vývojových a výskumných inštitúcii je vyhotoviť autonómneho mobilného robota, ktorý v reálnom teréne bude schopné samostatne a bez kolízií prejsť medzi všetky riadky s plodinami. Zároveň autonómny mobilný robot na základe digitálnej mapy (dron) a podľa rozhodnutí farmára by mal dodávať presné odmerané množstvo živín ku koreňu každej samostatnej rastline na presne určenom mieste na parcele.

Roboti môžu pomáhať poľnohospodárom nielen na zber informácií o pôde, ale aj na vykonávanie mechanickej práce. Na Slovensku viaceré univerzitné pracoviská pracujú na autonómnych poľnohospodárskych robotoch, ktoré bude možné nasadiť do podnikov farmárov. Výskumný pracovníci na katedre elektrotechniky, automatizácie a informatiky technickej fakulty Slovenskej poľnohospodárskej univerzity v Nitre vyvíjajú nielen softvér pre autonómneho robota na báze počítačového videnia a spracovania obrazu, ale aj konštrukciu výkonného autonómneho mobilného robota. Počas vývoja autonómneho robota vedci a programátori na univerzite skúmajú reakcie robota v rôznych štandardných, ale aj výnimočných situáciách, ktoré môžu nastať v poľnohospodárskom prostredí napr. detekcia prekážky, hľadanie riadku, vynechané rastliny a iné. Neustálym prispôsobovaním a vylepšovaním algoritmov bude docielená úplná samostatnosť autonómneho robota počas vykonávania napr. presného hnojenia, kyprenia pôdy, ničenia burín, postrekovania a iných poľnohospodárskych prác v teréne.

Obr. 5

Presné hnojenie počas pestovania kukurice je jedným z oblastí, kde kompaktné rozmery sú výhodou (Naoi Technologies robot Oz 440). Farmári čelia problému s dodávaním živín plodinám, lebo niektoré rastliny rastú príliš rýchlo a farmári nestíhajú realizovať hnojenie. Malé a ľahké autonómne pozemné roboty majú prístup do oblastí, kde iné stroje nemôžu kvôli fyzickým rozmerom. Aj keď nemôžu nosiť ťažký náklad, je ich možné súčasne nasadiť na roli viac, a tým sa môžu výkonovo vyrovnať ba aj prekonať veľké a výkonné stroje.

Odburiňovanie a striekanie plodín

Je všeobecne známe a viacerými výskumami dokázané, že aplikácia pesticídov a herbicídov na poliach zaťažuje nielen životné prostredie, ekonomiku poľnohospodára ale v konečnom dôsledku aj samotného konzumenta výsledných potravín. Ideálnym riešením je mechanické odburiňovanie. No nie vo všetkých prípadoch je toto riešenie prípustné a efektívne. Automatizované a autonómne robotické systémy, ktoré sú už komerčne dostupné poskytujú oveľa úspornejšiu a šetrnejšiu metódu použitia chemických ochranných prostriedkov. Taktiež v niektorých prípadoch je možné použiť mechanické odburiňovanie s asistenciou automatizovaných robotických systémov.

 Firma Blue River Technology ponúka autonómny robotický systém „See & Spray“ s umelou inteligenciou, ktorý pomocou kamier a algoritmami deteguje rastliny, rozozná buriny a následne špeciálnymi postrekovačmi aplikuje cielene malé množstvo herbicídu priamo len na burinu. Systém pracuje podobne ako veľká tlačiareň, akurát postrekovaný materiál tlačí namiesto papiera na buriny a zem. Plochy, na ktorých nerastú buriny nie sú postrekované a v závislosti od množstva burín na pôde tým ušetria v priemere až 90% herbicídu. V súčasnosti dostupný autonómny postrekovací systém dosahuje maximálnu rýchlosť 3,2km/h pri ôsmich riadkoch. Výrobca však neustále zvyšuje rýchlosť a jeho cieľom je aplikačná rýchlosť 20km/h. Objavujú sa spoločnosti, ktoré na ničenie burín autonómnymi robotmi používajú namiesto herbicídov výkonné lasery.

Obr. 6

Firma Garford (Robocrop) a firma K.U.L.T (Robovator) sa zamerala na vývoj a výrobu autonómnych robotických systémov na mechanické odburiňovanie. Ich komerčne dostupné systémy kamerou detegujú užitočné rastliny a na základe aktuálnej rýchlosti súpravy nastavia rýchlosť elektromechanických resp. elektrohydraulických  motýk, ktoré v jednotlivých riadkoch vykonávajú v zemi buď krúživý alebo kmitavý lineárny pohyb okolo plodín.

Obr. 7

Zber a nakladanie úrody

Zber plodín kukurice, jačmeňa a pšenice je pomerne jednoduchý. Je ich možné zožať s kombajnom, ktorý môže byť automatizovaný rovnako ako navigačným systémom riadený traktor. Avšak niektoré ovocia (jablko, hrozno, slivky, ananás, jahody) alebo zeleniny (sladká paprika, paradajka na priamu konzumáciu, šalát, baklažán) je omnoho náročnejšie oberať pretože pri zbere vyžadujú manuálnu zručnosť.

Obr. 8

Náročnosť zberu úrody vyššie uvedených plodín spočíva hlavne v autonómnej detekcii, analýze kvality dozretia a v nedeštrukčnom uchopení a manipulácií s relatívne mäkkou úrodou. Systémy na detekciu úrody obvykle pozostávajú z digitálnej kamery, z laserového skenera na meranie vzdialeností a z algoritmov počítačového videnia, ktoré poskytujú presné súradnice úrod v troch rovinách t.j. v 3D priestore. Zber úrody je vykonávaný najčastejšie štandardným elektromechanickým robotickým ramenom alebo špeciálne vyvinutým mechanizmom pre konkrétnu úrodu. Existujúce riešenia zatiaľ sú len v štádiu vývoja, vykonávajú zber pomaly a teda ešte nie sú rentabilné pre farmárov.

Roboti a ich budúcnosť v poľnohospodárstve

Autonómne robotické systémy už aj v súčasnosti môžu zabezpečiť vyššiu konkurencieschopnosť a ekonomickú životaschopnosť prevádzky v porovnaní s konvenčnými technológiami a postupmi. Roboty v poľnohospodárstve vedia priamo nahradiť ľudskú prácu, ktorá je v tomto sektore nedostatková. Agrosektor tento problém dlho riešil čoraz rozsiahlejšou chemizáciou či využívaním geneticky modifikovanými plodinami. Robotika môže tieto trendy zvrátiť a vrátiť sa k pôvodným mechanickým metódam práce čím prispeje ku skvalitneniu životného prostredia pri zachovaní vysokej produktivity práce farmárov.

Vývoj poľnohospodárskych robotov, ktoré môžu realizovať užitočnú prácu vo vonkajšom zložitom a preplnenom prostredí farmy alebo ovocného sadu je skutočnou výzvou. Každodenne sa objavujú nové a nové správy o parciálnej automatizácií niektorých poľnohospodárskych činností, ktoré doteraz boli iba manuálne vykonávané. Kroky automatizácie vedú k autonómnym strojom a ich spájaní do reťazca, ktoré budú schopné dodávať poľnohospodárske produkty vo forme finálnej úrody t.j. od sejby až po zabalený výrobok bez zásahu človeka.

Budúcnosť robotov v poľnohospodárstve je už dávno zasiata, cieľavedome rastie a už v niektorých segmentoch poľnohospodárskej výroby ochutnávame jej úrodu. Zdá sa, že robotika bude naďalej revolúciou v poľnohospodárstve a zmení spôsob, akým premýšľame o výrobe potravín.