Cum vor îmbunătăți vehiculele autonome sustenabilitatea și productivitatea în agricultură

Tractoarele autonome, dronele și roboții pentru plantarea semințelor, plivit și recoltat sunt câteva dintre tehnologiile în curs de dezvoltare care vor transforma agricultura și vor contribui la reducerea penuriei de alimente prin îmbunătățirea sustenabilității și productivității activităților agricole. Vehiculele autonome de toate tipurile vor degreva oamenii de la conducerea tractoarelor și a altor utilaje, permițându-le acestora să desfășoare alte activități cu valoare adăugată. Printre acestea se numără punerea în aplicare a agriculturii de precizie, care va crește randamentele, va reduce impactul negativ asupra mediului și va îmbunătăți sustenabilitatea activităților agricole prin abordarea problemelor legate de deficitul de apă, lipsa forței de muncă și alte limitări.

În timp ce dronele și roboții agricoli reprezintă sisteme noi care sunt dezvoltate și implementate de la zero, tractoarele sunt diferite. Există deja o bază mare de tractoare, iar acestea tind să aibă o durată de viață operațională lungă. Prin urmare, pe lângă dezvoltarea de noi modele complet automatizate, tractoarele aflate în uz vor fi dotate cu motoare electrice și modernizate cu sisteme digitale pentru scopuri specifice, așa-numitele “implementări digitale pentru tractoare”.

Articolul analizează dezvoltarea implementărilor digitale pentru tractoare și a noilor tractoare electrice (e-tractors). Acesta trece în revistă provocările legate de punerea în funcțiune a tractoarelor autonome și analizează modul în care dronele, senzorii de pe tractoare, precum și AI și ML sunt utilizate în agricultura de precizie. De asemenea, sunt analizate unele dintre tehnologiile necesare pentru a realiza dezvoltarea vehiculelor agricole autonome și modul în care oferta extinsă de produse Digi-Key, inclusiv viziunea artificială, motoare și comenzi, convertoare de putere, senzori și întrerupătoare, interfețe de comunicații cu și fără fir și o gamă de cabluri și conectori de semnal și de putere pot ajuta proiectanții să accelereze procesele de dezvoltare. La finalul articolului, se face o scurtă incursiune în viitor, unde fermele complet autonome vor fi controlate de sisteme de operare sofisticate care pot gestiona flote mixte, incluzând atât echipamente agricole autonome, cât și standard, pentru a maximiza productivitatea și sustenabilitatea.

Utilajele agricole intră în ISObus

Figura 1: ISObus permite integrarea senzorilor și a uneltelor de la diverși producători într-un sistem plug-and-play. (Sursă imagine: Armin Weigel/dpa (Foto: Armin Weigel/picture alliance via Getty Images)

La fel ca și Industrie 4.0, agricultura se îndreaptă spre utilizarea de utilaje inteligente și interconectate. Aici intervine Organizația Internațională de Standardizare (ISO) 11783, adică magistrala de date serială pentru tractoare și utilaje pentru agricultură și silvicultură. În industria agricolă, acesta este denumit, simplu, ISObus. Se bazează pe protocolul J1939 al SAE (Society of Automotive), care include bus-ul CAN (Control Area Network) optimizat pentru aplicațiile agricole. ISObus este puternic promovat de Fundația pentru Electronică în Industria Agricolă, a cărei activitate constă în coordonarea testelor de certificare îmbunătățite pentru standardul ISO 11783.

Înainte de ISObus, fermierii aveau tractoare cu sisteme de control proprietare care limitau flexibilitatea, performanța și interoperabilitatea. ISObus include conectori standardizați, protocoale de comunicație și instrucțiuni operaționale, care permit dezvoltarea de sisteme de senzori și de control interconectate de la diferiți producători (figura 1). ISObus sprijină, de asemenea, electrificarea uneltelor tractoarelor, inclusiv a prizelor de putere mecanice (PTO) acționate electric și a conectorilor de înaltă tensiune, cu o tensiune nominală de până la 700 de volți (V) și 100 de kilowați (kW), pentru a alimenta uneltele acționate electric.

ISObus evoluează pentru a dezvolta un sistem de management TIM (Tractor Implement Management). Așa cum se preconizează, versiunea avansată a ISObus va permite ca sistemul TIM să ofere asistență tractorului, sprijinind optimizarea sistemului combinat tractor/implementare. Aceasta va permite, de asemenea, niveluri mai ridicate de integrare a senzorilor pe dispozitivele implementate pentru a sprijini agricultura de precizie. Tractorul va oferi informații despre locație, iar sistemul combinat va colecta în permanență date despre condițiile solului și ale culturilor. Datorită unor informații mai detaliate, atât randamentul, cât și durabilitatea pot fi sporite.

Tractoare electronice (e-tractors), modernizări și tractoare autonome

Figura 2: Micile tractoare electronice cu motoare de 25 până la 70 CP sunt în curs de testare și pregătite pentru utilizare. (Sursă imagine: Foto brizmaker via Getty Images)

Pe lângă dezvoltarea continuă a ISObus, electrificarea tractoarelor va fi importantă în viitoarea răspândire a vehiculelor autonome și în creșterea sustenabilității agriculturii. Reducerea emisiilor este un aspect esențial. Un sfert din emisiile de gaze cu efect de seră la nivel mondial provin din agricultură și din activitățile legate de agricultură, iar un tractor este egal, ca emisii, cu 14 autoturisme.¹

Tractoarele electronice încep să apară. Pe lângă reducerea emisiilor, tractoarele electronice pot reduce semnificativ costurile de combustibil. În prezent, tractoarele electrice sunt limitate la modele mai mici, deoarece tractoarele electrice mari, de mare putere, necesită baterii mai mari decât tractorul convențional pe care ar urma să-l înlocuiască. De asemenea, tractoarele electrice mari cântăresc mai mult, ceea ce duce la o mai mare compactare a solului, care nu este de dorit. În sfârșit, timpii de încărcare a bateriilor mari sunt prea lungi pentru a fi luați în considerare în cadrul unei operațiuni agricole. Se testează deja tractoare electrice mai mici, cu motoare de 25 până la 70 de cai putere (CP), aproximativ 18,6 până la 52 kW și baterii mici. Electrificarea tractoarelor nu se rezumă doar la sistemul de propulsie. Este vorba, de asemenea, despre înlocuirea sistemului hidraulic pentru alimentarea și controlul dispozitivelor implementate într-un tractor (figura 2).

Pentru tractoarele mai mari, sunt disponibile kituri de modernizare hibridă. De exemplu, o companie oferă un kit cu un generator de 250 kW care poate fi atașat la motorul cu combustie internă existent al tractorului în locul pompei hidraulice. Kitul include, de asemenea, patru motoare electrice pentru a înlocui sistemul de acționare hidraulică și o transmisie electrică pentru a alimenta instrumentele existente. Prin înlocuirea sistemelor hidraulice, kitul de modernizare reduce costurile de combustibil și de întreținere și crește disponibilitatea și fiabilitatea tractorului hibrid electronic.

La fel ca în cazul lansării automobilelor și camioanelor autonome, lansarea tractoarelor autonome se confruntă cu un viitor nedeterminat. De exemplu, reglementările actuale din California prevăd ca “toate echipamentele autopropulsate, atunci când se află sub propria putere și în mișcare, trebuie să aibă un operator la comenzile vehiculului”. Autonomia deplină va trebui să mai aștepte.

Zbor deasupra câmpurilor

Dronele sunt utilizate în prezent pentru o gamă largă de sarcini în agricultură. Printre exemple se numără:

Imagistica sănătății plantelor. Dronele au înlocuit în mare măsură imaginile din satelit pentru a monitoriza sănătatea culturilor. Dotate cu echipamente de imagistică NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), dronele oferă imagini color detaliate care pot fi utilizate pentru a monitoriza sănătatea plantelor. În timp ce imaginile din satelit necesită timp pentru a fi preluate și pot oferi precizii de ordinul metrilor, dronele pot oferi imagini cu o precizie milimetrică și pot contribui la identificarea foarte bine țintită a bolilor, dăunătorilor sau a altor probleme, în timp real.
Monitorizarea condițiilor din teren. Dronele monitorizează, de asemenea, condițiile solului și ale drenajului pe câmpuri întregi. Acest lucru poate permite programe de irigare mai eficiente și mai durabile.
Plantarea. Semănătorile automate cu drone sunt obișnuite în industriile forestiere, iar utilizarea lor este extinsă la agricultura generală. Dronele pot planta rapid pomi sau semințe și pot ajunge mai eficient în zone inaccesibile. De exemplu, pot fi plantați 400.000 de copaci pe zi de către o echipă formată din doi operatori care utilizează mai multe drone.
Aplicații prin pulverizare. Utilizarea dronelor pentru aplicarea tratamentelor prin pulverizare a îngrășămintelor și pesticidelor este o aplicație emergentă a cărei utilizare variază în funcție de regiune (figura 3). De exemplu, în Coreea de Sud, dronele sunt utilizate pentru aproximativ 30% din operațiunile de stropire agricolă. În timp ce în Canada, este interzisă utilizarea dronelor pentru asemenea operațiuni. În SUA, operațiunile de stropire cu drone necesită obținerea de licențe și certificări, așa cum prevăd Administrația Federală a Aviației (FAA) și departamentele de stat pentru agricultură, afaceri și transport.

Precizia permite să se producă mai mult cu mai puțin

Figura 3: Au fost dezvoltate drone de mari dimensiuni care pot fi utilizate pentru a aplica tratamente prin pulverizare de îngrășăminte și pesticide. (Sursă imagine: Foto baranozdemir via Getty Images)

Chiar înainte ca tractoarele autonome să fie realizate, se așteaptă ca dronele, electrificarea tractoarelor precum și uneltele implementate în tractoare să sprijine agricultura de precizie și să sporească sustenabilitatea.

Potrivit unui studiu realizat de Asociația producătorilor de echipamente [agricole] (AEM), utilizarea agriculturii de precizie poate duce la o creștere cu 4% a producției de culturi, la o creștere cu 7% a eficienței plasării îngrășămintelor, la o reducere cu 9% a utilizării de erbicide și pesticide și la o reducere cu 6% a utilizării combustibililor fosili². În plus, utilizarea apei poate fi redusă cu 4% cu ajutorul sistemelor de irigare de precizie.

Aceste cifre se bazează pe tehnologia actuală. Odată cu adăugarea sistemelor conectate și a inteligenței artificiale (AI), se așteaptă ca aceste îmbunătățiri să fie multiplicate. Adăugarea învățării automate (ML) pentru întreținerea echipamentelor oferă economii suplimentare și îmbunătățiri în ceea ce privește sustenabilitatea.

Potrivit AEM, se așteaptă ca echipamentele agricole autonome să ducă la o îmbunătățire suplimentară cu 24% atunci când sunt luate în considerare atât economiile legate de costurile de intrare, cât și îmbunătățirile de randament. Un factor semnificativ care contribuie la această îmbunătățire este presupunerea că utilajele autonome vor fi mai ușoare decât cele pe care le înlocuiesc, ceea ce duce la o compactare mai mică și la ameliorarea condițiilor solului.

Figura 4: Exemplu de roboți autonomi de recoltare care combină viziunea artificială cu AI și ML. (Sursă imagine: Foto onurdongel via Getty Images)

AI și ML vor fi, de asemenea, esențiale pentru dezvoltarea de mașini de precizie optimizate pentru sarcini specifice. Utilajele pentru sarcini specifice pot fi chiar mai mici decât tractoarele de uz general. De exemplu, sunt dezvoltate mașini cu sarcini mici pentru recoltarea culturilor, unde sunt necesare viziunea artificială, o atingere delicată și dexteritate precisă.

Controlul buruienilor este un alt domeniu în care se așteaptă ca mașinile cu AI și ML pentru sarcini specifice să contribuie în mod semnificativ. Controlul buruienilor este dificil, necesită multă muncă și, dacă nu este implementat eficient, contribuie la utilizarea unei cantități mai mari de apă și la epuizarea nutrienților din sol. Rotația culturilor este o soluție parțială, dar nu poate elimina nevoia de erbicide sau de control manual al buruienilor. Sunt în curs de testare roboți de gestionare a buruienilor care combină viziunea artificială cu AI și ML. Aceste mașini de mici dimensiuni minimizează, de asemenea, compactarea solului (figura 4).

Exploatații agricole OS și flote de echipamente autonome

Figura 5: Multitudinea de mașini agricole autonome aflate la sol și în zbor, coordonate între ele, va duce la niveluri mai ridicate de sustenabilitate. (Sursă imagine: Foto Scharfsinn86 via Getty Images)

Industria agricolă se îndreaptă spre un viitor în care fermele complet autonome vor fi controlate de un sistem de operare (OS) sofisticat, capabil să gestioneze flote mixte, incluzând atât echipamente agricole autonome, cât și echipamente agricole standard, plus utilaje terestre și drone, pentru a maximiza productivitatea și sustenabilitatea (figura 5). Aceste flote de echipamente agricole vor fi exploatate coordonat pentru a ajuta la controlul cheltuielilor de capital, pentru a minimiza necesarul de forță de muncă și pentru a furniza datele mari necesare pentru a permite o execuție autonomă și o agricultură de precizie. În plus, sistemul de operare agricol al viitorului va fi standardizat și optimizat pentru a susține o gamă diversă de echipamente de la numeroși furnizori. Adoptarea ISObus este doar primul pas către o abordare open-source și standardizată a automatizării fermei.

Alte beneficii așteptate de la sistemul de operare agricol propus sunt reducerea emisiilor de CO2, scăderea consumului de combustibil și optimizarea încărcării și gestionării bateriilor. Analizele Big Data vor juca, de asemenea, un rol important în viitorul agriculturii. Cantități mari de date în timp real provenite direct de pe câmp vor fi utilizate pentru a antrena în permanență algoritmii AI și ML necesari pentru luarea deciziilor, controlul și planificarea operațională în vederea optimizării agriculturii de precizie.

Rezumat

Suntem încă la început în ceea ce privește dezvoltarea vehiculelor agricole autonome și a agriculturii de precizie durabile. Industria a început să meargă pe această cale cu ISObus. Următoarea generație ISObus va sprijini o interoperabilitate sporită și va contribui la crearea unor flote de echipamente agricole mai complexe și mai interconectate. Scopul este dezvoltarea unui sistem de operare agricol care să poată utiliza aceste flote de echipamente agricole, să le combine cu date masive de la senzori în timp real, folosind algoritmi AI și ML și să le implementeze ca formațiuni de mașini terestre și aeriene coordonate între ele, care să producă niveluri ridicate de sustenabilitate și productivitate.

Autor: Rolf Horn – Inginer de aplicații
Rolf face parte din grupul European de Asistență Tehnică din 2014, având responsabilitatea principală de a răspunde la întrebările venite din partea clienților finali din EMEA referitoare la Dezvoltare și Inginerie. Înainte de Digi-Key, el a lucrat la mai mulți producători din zona semiconductorilor, cu accent pe sistemele embedded ce conțin FPGA-uri, microcontrolere și procesoare pentru aplicații industriale și auto. Rolf este licențiat în inginerie electrică și electronică la Universitatea de Științe Aplicate din Munchen, Bavaria.

Digi-Key Electronics | https://www.digikey.ro