Úvod / Pôdohospodárstvo podľa tém / Rastlinná výroba / Rastlinná výroba všeobecne

Pozornost se upírá k polním robotům

17-09-2015
Milan Kroulík, Martin Dlouhý, Jakub Lev | kroulik@tf.czu.cz
Katedra zemědělských strojů, Katedra fyziky, ČZU v Praze

Zemědělství je jedním z našich nejvýznamnějších odvětví. Poskytuje krmiva, pohonné hmoty a především potraviny. Díky rostoucí světové populaci, očekávanému vývoji v relativně krátkém časovém úseku, omezené výměře orné půdy ale také vlivem změn klimatu bude nezbytné pro uspokojení poptávky výrazně zvýšit produkci a produktivitu zemědělské výroby.

Vývoj a především dostupnost nových technologií - globální navigační systém (GPS), geografické informační systémy (GIS), senzory, automatizace zemědělských strojů, senzory a kamery s vysokým rozlišením obrazu, to vše umožňuje velmi přesné a cílené řízení vstupů v rostlinné výrobě. V důsledku toho se pojem precizní zemědělství vyvinul jako strategie řízení, která využívá informační technologie pro sběr a zpracování dat z rozdílných zdrojů s cílem usnadnit rozhodovací procesy v rostlinné výrobě. V posledních několika letech se také v souvislosti s technologií precizního zemědělství hovoří o robotice a autonomních strojích. Vývoj robotických systémů pokrývá širokou řádku oborů a také podmínek pro nasazení. Od širokořádkových a úzkořádkových plodin, zeleninu a ovoce po vytrvale porosty dřevin. Mimo udržitelného hospodaření se kladou nároky také na omezování používání chemických přípravků, kontrolu kvality potravin, bezpečnosti a ochrany zdraví člověka. Zemědělství se dlouhodobě potýká s poklesem počtu pracovníků a zvyšující se cenou lidské práce. Některé obory jako ovocnářství nebo zelinářství jsou tradičně založeny na vysokém podílu ruční, sezónní, práce. A nejsou to zdaleka jenom tyto obory. Automatizace a přijetí autonomních systémů v zemědělství je jedním z cest, jak zvýšit produktivitu práce v zemědělské výrobě. Robotika a precizní zemědělství představují slibný potenciál pro rozvoj moderních přístupů v hospodaření na půdě. Dokladem je zvyšující se poptávka po uvedených technologiích. Pořádané mezinárodní soutěže polních robotů nebo příspěvky na konferencích a v časopisech ukazují zájem firem o obor robotiky, kdy dílčí výstupy mohou nalézt uplatnění v rozdílných odvětvích zemědělské výroby. Jak uvádí například R. Colin Johnson v časopise EE Times, v roce 2020 bude mnoho úkonů v zemědělství zajišťováno autonomními systémy. Na základě dotazníku a 60 oslovených firem se sešlo 27 odpovědí. Ač mezi odpověďmi chyběly zprávy od některých významných výrobců zemědělské techniky, lze předpokládat, že rozhodně ve vývoji nezahálejí a absence byla způsobena utajováním a ochranou informací. I tak se mezi respondenty objevilo mnoho zajímavých a ambiciózních projektů.  Pokusme se některé z nich přiblížit, zejména potom ty, které již nabízí konkrétní a reálné uplatnění.

Na výstavách zemědělské techniky v Hannoveru jsme se již dříve mohli setkat s lehkým polním robotem "BoniRob" vyvíjeny firmou Amazone ve spolupráci s firmou Bosch. Je určen především pro úkony, jako je pletí, monitoring porostu, aplikace hnojiv a další úkony. Jako významný argument pro nasazení robotů pro tyto úkony je výrazné omezení chemických přípravků díky cílenému zásahu a přístupu. Zajímavý je projekt společnosti AGCO Fendt v Deluthu, která představila zařízení pro autonomní práci traktorů, kdy je řízený traktor následován traktorem bez obsluhy. Takto je umožněna dvojnásobná produktivita práce při setí, aplikaci hnojiv a ochraně rostlin. Společnosti Kinze a Jaybridge Robotics představili koncepci autonomního odvozového prostředku, který by kooperoval se sklízecí mlátičkou. Na požadavek zajistit o variabilitě pozemků maximum informací reagovala například firma Agrobotics of Little Rock. Jejich tažené odběrné zařízení dokáže odebrat až 2500 vzorků půdy za hodinu.

Obr. 1 - Prezentace polního robota BoniRob na výstavě AgriTechnika (foto Kroulík)

Obr. 1 - Prezentace polního robota BoniRob na výstavě AgriTechnika (foto Kroulík)

Stále častěji se na mezinárodních konferencích setkáváme s projekty, které řeší a vyvíjí roboty pro variabilní aplikace a probírkovou sklizeň ovoce a zeleniny, pozadu nezůstávají ani pěstitelé květin. Zejména sklizňoví roboti jsou koncipováni pro vzrůstné tvary rostlin, jako jsou skleníkové zeleniny, ovocné stromy a vinohrady. Významná část robotizované sklizně je systém strojového vidění, které má vliv na spolehlivost robota a je určující pro rychlé a přesné rozpoznání ovoce v reálném čase (Ji et al., 2012). Řada prací prezentovala systémy strojového vidění pro detekci ovoce v korunách stromů (Kapach a kol., 2012; Linker a kol, 2012; Payne a kol., 2013, 2014). Na druhou stranu Bac a kol. (2014) poukazují na skutečnost, že se výkonnost a spolehlivost sklizňových robotů za posledních třicet let nezlepšila a žádný z představených robotů nenašel komerční uplatnění. K limitujícím faktorům patří také software, který se stará o řízení robota.

Jabloně jsou jedním z nejdůležitějších ovocných stromů na světě. Z celkového objemu práce připadá 40% podíl na sklizeň. Sklizeň má rozhodující podíl na skladování a zhodnocení ovoce na trhu. V současné době je uplatňován nákladný a časově náročný ruční sběr. Použití automatického robotického systému pro sklizeň bude atraktivní přístup k řešení výše uvedených problémů (Feng a kol., 2012). Xu a Zhang, 2004 dokonce uvádí, že sklizňové úkony zabírají 50 až 70 % z celkového objemu pracovního času. Na následujícím obrázku Dr. Dlouhý sbírá první data s využitím robotické ruky.

Obr. 2 - Příprava a test robotické ruky na detekci ovoce (foto Kroulík)

Obr. 2 - Příprava a test robotické ruky na detekci ovoce (foto Kroulík)

Obr. 3 - Rozpoznat ovoce v porostu a určit jeho polohu není jednoduchý úkol. Výstup z dálkoměrného laserového senzoru.

Obr. 3 - Rozpoznat ovoce v porostu a určit jeho polohu není jednoduchý úkol. Výstup z dálkoměrného laserového senzoru.

Například týmy okolo univerzity v Nizozemském Wacheningu vyvíjí sklizňové roboty pro sklizeň okurek, paprik, jablka nebo hroznového vína. Řeší rovněž možnost cíleného postřiku. Tým Agrobot Huelva ze Španělska představil robot Agrobot SW6010 a Anhydro. Oba roboti jsou určeni do skleníkového provozu pro sklizeň hydroponicky pěstovaných jahod. Sklizeň zajišťuje 60 sklízecích ramen. Robotický sklízeč ovoce, především jahod a zeleniny představený týmem Simi Valley z Kalifornie využívá mobilní platformu, která uplatňuje stereoskopické vidění k identifikaci a zaměření polohy plodů. Ty se pak sklízí a ukládají na dopravník pomocí ramene. Na farmách ve státech Kalifornie a Arizona již z velké části zajišťují zakládání a péči o porosty salátů bezobslužní roboti LettuceBots od společnosti Blue River Technologies. Ovocnářství a zelinářství jsou obory, kde se o nasazení robotů uvažuje nejvýrazněji. Kromě sklizně jsou to další operace, jako přesazování, jednocení, balíčkování a třídění, ale také řez a roubování. Oproti polním robotům mají roboti, kteří pracují například ve sklenících, jisté nesporné výhody. Především je to definované prostředí, prostor jízdní dráhy apod. Důležitou součástí polních robotů je tedy robustní a terénní podvozek. Používají se menší podvozky, které se mohou pohybovat v řádcích, nebo podvozky, které vychází z traktorové konstrukce. Na dalším obrázku je podvozek Husky od společnosti Clearpath Robotics z Kanady. Tyto podvozky mohou sloužit jako nosiče senzorů, ramen a nářadí, nebo táhnou nějaké zařízení.

Obr. 4 - Podvozek Husky, který slouží jako nosič, senzorů nebo nářadí. V tomto případě je testována spolupráce dvou robotů. (foto Kroulík)

Obr. 4 - Podvozek Husky, který slouží jako nosič, senzorů nebo nářadí. V tomto případě je testována spolupráce dvou robotů. (foto Kroulík)

Větší podvozky už jsou například vybaveny tříbodovým závěsem, podobně jako traktory. Tím se jejich univerzálnost v použití ještě zvýší.

Obr. 5 - Univerzální polní robot s tříbodovým závěsem. (foto Kroulík)

Obr. 5 - Univerzální polní robot s tříbodovým závěsem (foto Kroulík)

V současné době je na katedře testována možnost kooperace dvou robotů, kdy Husky bude sloužit jako startovní a přistávací plocha pro dron. Se slovem dron se v tisku nebo televizi setkáváme stále častěji. Bohužel asi více ve spojení s válečnými konflikty. Nicméně v televizních zprávách v jedné z reportáží zazněl odhad, že se počítá z celkových uživatelských aplikací až z 80 % pro zemědělství. Tomuto způsobu sběru dat a monitoringu prostředí se věnuje řada pracovišť. Také katedra zemědělských strojů využívá bezpilotních prostředků pro sběr dat nebo testování autonomních úkolů.

Obr. 6 - V zemědělství se s využitím dronů určitě počítá (foto Kroulík)

Obr. 6 - V zemědělství se s využitím dronů určitě počítá (foto Kroulík)

Toto je jen velmi krátký výčet projektů, které se v rámci robotiky v zemědělství řeší. Každopádně se jedná o velmi živé téma a tak je nám potěšením, že ČZU v Praze se snaží držet krok s nastoleným trendem. Také letos se univerzitní tým Eduro, který se každoročně úspěšně účastní robotických soutěží, chystá na tradiční robotické klání Field Robot Event, tentokrát do Slovinska. Ještě před tím však proběhne „ostrý test“ v rámci polního dne v Nabočanech.