Vedere de ansamblu a unui robot automat pentru recoltare. (Sursă imagine: Sunday Cat Studio/stock.adobe.com)
Metodele agricole convenționale încep să întâmpine dificultăți cauzate de creșterea populației, micșorarea terenurilor arabile și limitarea resurselor. Cu toate acestea, prin încorporarea unor soluții inteligente care utilizează tehnologii de ultimă generație, cum ar fi robotica agricolă, este posibil să se soluționeze cu succes aceste probleme și să se asigure o producție alimentară sustenabilă și continuă.
Ca și în cazul industriei, robotica agricolă implică, la rândul ei, numeroase provocări. Fermele pot fi medii dificile pentru echipamentele electronice sensibile din cauza unor factori precum praful, umiditatea și ploaia. În plus, resursele energetice, cât și cele financiare sunt, adesea, limitate. În acest articol, vom analiza obstacolele legate de dezvoltarea roboților agricoli, subliniind principalele considerente tehnice și provocări pe care proiectanții trebuie să le înțeleagă pentru a le asigura succesul.
Principalele considerente de proiectare
Spre deosebire de roboții pentru construcții, a căror prioritate este robustețea, sau de roboții medicali, care vizează precizia, roboții agricoli au nevoie de un echilibru special al ambelor elemente pentru a manipula produsele, fără a le deteriora. De asemenea, aceștia trebuie să fie inteligenți, capabili să îndeplinească sarcini complexe în condiții de siguranță atunci când se află în apropierea oamenilor și a animalelor și să fie proiectați pentru o utilizare optimă a energiei.
Eficiența energetică
Eficiența energetică este esențială pentru roboții agricoli, care trebuie să opereze autonom pentru perioade lungi, adesea cu baterii sau rezerve de energie limitate. Pentru ca roboții agricoli precum utilajele de recoltat (Figura 1) să aibă succes, ei trebuie să îndeplinească acest criteriu și să fie viabili din punct de vedere economic, mai ales dacă ținem cont de constrângerile financiare ale multor ferme.
Figura 1: Robot de recoltat care lucrează în tandem cu un cărucior pentru colectarea produselor. (Sursă imagine: kinwun/stock.adobe.com)
Conservarea energiei este o valoare esențială în proiectarea roboților agricoli. Încorporarea unor caracteristici precum moduri de repaus care se activează inteligent la mișcare sau moduri de funcționare cu consum redus de putere care limitează funcționalitatea pentru a reduce consumul de energie poate crește durata de viață a bateriei sau reduce consumul de energie. Pentru a asigura crearea unor roboți eficienți, inginerii trebuie să acorde prioritate fie dezvoltării acestor strategii, fie integrării componentelor care au deja încorporate aceste funcții.
Durabilitate
Componentele și materialele robuste sunt esențiale pentru ca roboții să fie potriviți pentru mediile agricole neprielnice. Conectorii trebuie să fie rezistenți la intemperii, cu garnituri care să prevină pătrunderea umezelii. Carcasele trebuie să fie realizate din materiale durabile, rezistente la UV, care să ofere protecție împotriva impactului și a condițiilor meteorologice dificile. Antenele trebuie proiectate pentru fiabilitate înaltă și performanță optimă a semnalului în condiții meteorologice nefavorabile.
Pentru a asigura fiabilitatea, proiectanții trebuie să utilizeze componente intrinsec robuste, cu un grad de protecție IP ridicat sau să opteze pentru componente standard amplasate în carcase de protecție pentru a asigura durabilitatea. PCB-urile, de exemplu, pot fi acoperite cu straturi de protecție împotriva umezelii și prafului. În plus, se pot adăuga radiatoare pentru a disipa excesul de căldură de la componentele electronice sau din cauza condițiilor de mediu, cum ar fi expunerea la soare, în timp ce carcasele pot fi proiectate pentru a oferi protecție împotriva căldurii și pătrunderii apei. Proiectarea bazată pe o construcție robustă permite ca roboții agricoli să beneficieze de fiabilitatea și longevitatea necesare pentru aplicațiile în aer liber.
Procesare în timp real și inteligență încorporată
Atât inteligența bazată pe cloud, cât și procesarea datelor, local, la nivelul roboților agricoli pot genera probleme datorită potențialelor pierderi legate de comunicație. Acoperirea celulară limitată în zonele agricole extinse reprezintă o provocare, iar cheltuielile de implementare a rețelelor Wi-Fi® locale și a serviciilor cloud sunt considerabile. În plus, comunicațiile bazate pe cloud epuizează durata de viață a bateriei roboților de mică putere, precum roboții culegători (Figura 2) sau cei utilizați pentru plivit.
Figura 2: Roboții care culeg roșii utilizează, adesea, viziunea artificială bazată pe învățare automată (ML) pentru a determina când sunt coapte produsele. (Sursă imagine: kritsana/stock.adobe.com)
Procesarea bazată pe inteligență artificială periferică (edge) sau pe învățare automată (ML – machine learning), în care datele sunt analizate direct pe dispozitiv, și nu în cloud, abordează eficient aceste probleme. Prin asigurarea inteligenței la nivel local, roboții agricoli pot efectua analize în timp real și pot lua decizii imediate fără a depinde de o rețea externă. Această abordare reduce consumul de energie și dependența de rețelele de comunicații. Procesarea edge sporește semnificativ eficiența și siguranța în activități precum detectarea obstacolelor, plantarea de precizie și monitorizarea în timp real a sănătății culturilor, operând cu întârzieri minime comparativ cu soluțiile bazate pe cloud.
Utilizarea senzorilor potriviți
Integrarea senzorilor este vitală pentru robotica agricolă. Senzorii precum lidar, camerele video și detectoarele de umiditate a solului sporesc eficiența și performanța, dar implică un anumit cost. Inginerii trebuie să aleagă tehnologii care să echilibreze constrângerile financiare, de putere și de ambalare pentru a se asigura că proiectul lor răspunde cerințelor pieței.
Crearea unui robot agricol fiabil și cu performanțe înalte
Succesul oricărui robot agricol depinde în mare măsură de performanța componentelor sale de bază.
Tehnologii cu consum redus de energie
Modurile de veghe sau modurile cu consum redus de putere ale componentelor precum senzorii, sistemele electronice de control și modulele de comunicații pot contribui la optimizarea duratei de viață a bateriei sau a consumului de energie al unui robot. Senzorii de imagine, cum ar fi AR0830 Hyperlux™ LP de la onsemi, sunt elemente fundamentale ale roboților agricoli. AR0830 a fost special creat pentru a oferi performanțe excelente cu un consum minim de putere. Cu o rată de reîmprospătare de 60 fps, acesta este ideal pentru aplicațiile agricole de viziune artificială, cum ar fi identificarea fructelor coapte sau detectarea dăunătorilor și a buruienilor. În plus față de modul de operare cu consum redus de energie, senzorul include, de asemenea, caracteristici precum activarea în momentul mișcării, dar și moduri de subeșantionare care reduc și mai mult lățimea de bandă necesară pentru transmiterea datelor, sporind astfel eficiența. Aceste moduri optimizează performanța pentru diverse aplicații agricole prin echilibrarea rezoluției, sensibilității, frecvenței cadrelor și consumului de putere.
Rolul electronicii de control este crucial în proiectarea consumului de energie al roboților agricoli, deoarece aceasta supraveghează operațiunile esențiale și determină funcționalitatea și eficiența energetică a roboților. Seria STM32U5 de la STMicroelectronics de microcontrolere (MCU) cu consum ultraredus de putere, bazate pe platforma Arm® Cortex®-M33, este ideală pentru subsistemele robotice agricole, cum ar fi interfețele om-mașină (HMI) și controlul senzorilor.
Seria STM32U5 suportă temperaturi ambientale de până la 125°C și integrează caracteristici cheie precum funcții de securitate hardware, periferice pentru comunicații și memorie flash. Modul său LPBAM (Low Power Background Autonomous Mode) permite perifericelor să rămână active în timp ce dispozitivul este în modul oprit, reducând semnificativ consumul de putere. Nivelul crescut de funcții integrate și modurile inteligente de alimentare contribuie la o exploatare mai eficientă comparativ cu soluțiile tradiționale.
Componente robuste
Roboții agricoli se bazează pe abilitatea lor de a rezista condițiilor agricole dificile, iar acest lucru necesită componente robuste. Soluții precum antenele de exterior de la TE Connectivity/Linx Technologies din seria IPW oferă o gamă de frecvențe de la 617MHz la 7,1GHz, potrivită pentru comunicații celulare, Wi-Fi și în gama LPWA/ISM. Antenele oferă un câștig de până la 8,7dBi și au un nivel de protecție IP67, garantând o conexiune puternică în zonele rurale extinse și protecție de lungă durată împotriva pătrunderii prafului și a apei.
În robotica agricolă, aceste antene pot fi combinate cu module de comunicație LoRaWAN® precum soluțiile LoRa® de la Microchip Technology. În comparație cu alte protocoale wireless, aceste soluții LoRaWAN oferă conectivitate cu consum redus de putere utilizând benzi de frecvențe radio cu rază lungă de acțiune, sub-gigahertz, permițând comunicații pe distanțe de peste 15 kilometri în zonele rurale și suburbane.
Fiabilitatea conectorilor este vitală în robotica agricolă, servind ca puncte potențiale pentru pătrunderea apei și a murdăriei. Alegerea conectorilor potriviți pentru cablarea internă, comunicațiile externe și porturile de încărcare este esențială pentru prevenirea defecțiunilor pe teren. Seria M de la Lemo este renumită pentru durabilitatea sa în robotica industrială și în sectorul auto și este bine adaptată pentru utilizarea în agricultură.
Figura 3: Conectorii cu clichet din seria M de la Lemo au fost proiectați să reziste la condiții de mediu dificile. (Sursă imagine: Mouser Electronics)
Acești conectori dispun de 2 până la 114 contacte, rezistență excelentă la vibrații și un nivel IP68 privind rezistența la apă, capabil să reziste 15 ore la scufundare în apă, la o adâncime de 2 metri.
Exploatarea învățării automate locale (edge)
Precizia și procesarea rapidă și fiabilă sunt cruciale în robotica agricolă. Integrarea soluțiilor avansate de AI sau ML a devenit esențială pentru îmbunătățirea funcționalității, optimizarea performanței, asigurând adaptabilitatea la diferite sarcini și medii.
Edge Impulse este o platformă versatilă, adaptată pentru dezvoltarea și implementarea soluțiilor edge AI, ideală pentru robotica agricolă. Aceasta minimizează dependența de comunicațiile permanente cu cloud-ul, conservând durata de viață a bateriei și permițând luarea deciziilor în timp real în medii dificile din punct de vedere al conectivității și siguranței.
Fiind o platformă hardware-agnostică, Edge Impulse permite utilizarea unei game aproape nelimitate de hardware. Platforma suportă, de asemenea, setul de instrumente Train Adapt Optimize (TAO) de la NVIDIA. NVIDIA TAO ușurează crearea de modele AI personalizate prin învățarea prin transfer, (transfer learning), permițând dezvoltatorilor să optimizeze modelele pre-antrenate pentru sarcini specifice cu date de intrare minime. Acest lucru este ideal pentru aplicațiile agricole, unde modelele AI pot fi adaptate pentru sarcini precum culegerea fructelor, monitorizarea solului sau detectarea dăunătorilor și pot contribui la crearea unor soluții finale mai puternice și mai eficiente.
Concluzie
În timp ce roboții agricoli împărtășesc multe caracteristici și considerente cu omologii lor industriali, selectarea componentelor este crucială pentru a se asigura că aceștia respectă rigorile mediului agricol. Integrarea unor tehnologii robuste, eficiente și inovatoare poate contribui la crearea unor produse care să sporească eficiența producției, să asigure sustenabilitatea și să atenueze provocările din agricultură, asigurând în cele din urmă viitorul producției de alimente într-o lume cu resurse limitate.
Autor:
Mark Patrick,
Director of Technical Content, EMEA
Mouser Electronics
Authorised Distributor
www.mouser.com
Urmărește-ne pe Twitter
