(Sursă imagine: belyjmishka/stock.adobe.com)
Combinația dintre impulsul tehnologic și presiunea socio-economică determină mai multă inovație în domeniul roboților agricoli și o accelerare a ritmului de adoptare a acestora.
În timp ce automatizările avansează în ritm alert în aproape toate industriile, agricultura a cunoscut o schimbare graduală. Activitățile agricole nu se pretează întotdeauna automatizării, mediul exterior imprevizibil și anumite culturi făcând ca automatizarea sarcinilor agricole tradiționale să reprezinte o provocare incredibilă.
Recoltarea, de exemplu, rămâne, în continuare, o activitate umană. Recoltarea culturilor mai rezistente, precum grâul și porumbul, a fost automatizată de zeci de ani. Culturile precum merele, roșiile și prunele sunt ușor de deteriorat, astfel încât recoltarea lor manuală este, adesea, încă opțiunea preferată. Acestea fiind spuse, automatizarea în continuare a proceselor agricole începe să se accelereze ca urmare a factorilor de atracție socio-economică și de presiune tehnologică.
Schimbarea în tehnologia agricolă
Necesitatea automatizării în agricultură este determinată de mai mulți factori, de la cererea pentru un randament mai mare la nevoia de a reduce dependența de forța de muncă umană. Adesea, o combinație a acestor factori face necesară implementarea proceselor automatizate.
Fermele se confruntă cu două provocări legate de forța de muncă. Una este îmbătrânirea forței de muncă, doar 5,6% din fermele europene fiind conduse de fermieri cu vârsta sub 35 de ani, în timp ce 31% din totalul fermierilor au peste 65 de ani.1 Cealaltă este dependența mare a fermelor de lucrătorii sezonieri, care sunt, de obicei, angajați pe bază de contract temporar. Potrivit Comitetului Economic și Social European, în statele membre ale UE există, în agricultură, aproape 2 milioane de lucrători sezonieri din UE și peste 0,4 milioane de lucrători sezonieri din afara UE.2 Odată cu creșterea urbanizării la nivel global, dependența de forța de muncă migratoare poate pune fermele în pericol. Un sondaj realizat de Uniunea Națională a Fermierilor a arătat că, numai în Regatul Unit, 40 % dintre respondenți au înregistrat pierderi de recolte din cauza lipsei forței de muncă. În medie, fermele operau cu o forță de muncă cu 14 % mai mică în raport cu dimensiunea necesară.3
O altă tendință în agricultură este trecerea de la fermele mici, adesea conduse de familii, la marile concerne agricole cunoscute sub denumirea de “big ag.” În timp ce investițiile în automatizare și în soluții robotizate sunt mai accesibile pentru marile unități agricole, cheltuielile se dovedesc, adesea, prea mari pentru fermele mici, ceea ce le inhibă abilitatea de a contracara provocările și de a aduce inovații în practicile de lucru.
Dezvoltarea tehnologiei
Din punct de vedere tehnic, combinația de senzori de poziție din ce în ce mai exacți, senzori de forță mai preciși și actuatoare de ultimă generație face posibilă construirea de manipulatoare robotizate care sunt îndeajuns de delicate pentru a recolta chiar și cele mai fragile culturi. Precizia automatizărilor agricole este îmbunătățită de senzori de imagine din ce în ce mai exacți, sprijiniți de inteligența artificială (AI). Acest progres permite dezvoltarea de aplicații noi, mai delicate, în cadrul mașinilor agricole autonome.
De la unelte manuale la roboți
Deși începutul oficial al Revoluției Agricole a fost marcat în 1750, progresele în agricultură au început să se acumuleze cu secole înainte. Încă din 1400 î.Hr., documentele babiloniene făceau referire la utilizarea unor semănători, iar în 1701, agronomul și inventatorul englez Jethro Tull a lansat o versiune modernizată a semănătoarei, revoluționând și mai mult practicile agricole. În anii 1900, echipamentele agricole, în principal pentru prelucrarea diferitelor tipuri de cereale, au fost mecanizate și motorizate. Printre acestea se numărau plugurile, secerătoarele, treierătoarele și, în cele din urmă, combinele.
Agricultura automatizată
Vehiculele agricole automatizate au adesea brațe flexibile care pot fi echipate cu o gamă din ce în ce mai largă de semănători, pluguri, treierătoare, separatoare, curățătoare, sonde, pulverizatoare, aplicatoare și alte dispozitive, împreună cu o paletă tot mai largă de senzori.
Autonomia include, în aproape toate cazurile, un sistem de navigație, susținut de module GNSS/GPS, pentru permite o poziționare precisă. Deși majoritatea acestor mașini automatizate, din ce în ce mai autonome, au tendința de a lua forma familiară a tractoarelor și a dronelor și sunt denumite ca atare, ele sunt, fără îndoială, roboți.
Erbicide
Numeroase companii producătoare de echipamente agricole dotează tractoarele automate cu brațe echipate cu sisteme de viziune și pulverizatoare bazate pe inteligență artificială. AI poate distinge între culturi și buruieni și poate controla cu precizie pulverizatoarele pentru a ținti buruienile, lăsând culturile neatinse.
Noul LaserWeeder al Carbon Robotics utilizează viziunea computerizată, susținută de AI (care rulează pe GPU-uri Nvidia), pentru a identifica, în mod asemănător, culturile și buruienile. În loc să le stropească cu erbicide, acesta arde buruienile cu lasere de carbon de 150 de wați. Versiunea comercială a LaserWeeder este un modul care poate fi atașat la un tractor. De asemenea, compania testează o versiune complet autonomă.
Combine
John Deere și-a echipat combinele cu navigație prin satelit încă de la mijlocul anilor 1990; sistemul său de navigație este în măsură, acum, să se conducă singur, dar este încă necesar un operator uman. Deere a anunțat recent o funcție denumită “Predictive Ground Speed Automation”, care poate fi montată, ulterior, pe combinele sale X9.
Combina este echipată cu două camere stereo montate în cabină, acestea măsurând continuu înălțimea și volumul culturilor. Datele obținute sunt procesate cu scopul de a regla automat viteza la sol. Deere afirmă că acest lucru îi ajută pe fermieri să crească capacitatea combinei, minimizând, în același timp, pierderile de cereale.
Culegătoare de fructe și legume
În timp ce multe sisteme agricole sunt amplasate la sol, un număr tot mai mare de aplicatoare, erbicide și culegătoare mai mici sunt, în prezent, utilizate ca echipamente aeriene. Un exemplu este un culegător de fructe de la Tevel proiectat pentru fructe mai mari, dar totuși delicate, cum ar fi perele, caisele și nectarinele. Sistemul se bazează pe drone pentru cules, folosind brațe scurte care se termină cu ventuze. Dronele sunt atașate de un vehicul rulant principal. Sistemul utilizează o gamă largă de senzori susținuți de AI și învățare automată (ML), pentru a selecta doar fructele coapte, pentru a le culege ușor și pentru a le depozita cu grijă în containere.
Tehnologii potențiale
Figura 1: BCM4414 este un convertor cu raport fix, de 1/16, (n.red.: tensiunea de ieșire este o fracție fixă a tensiunii de intrare) care oferă o ieșire izolată, de joasă tensiune. (Sursă imagine: Vicor)
Pentru a hrăni o populație mondială estimată la 9,1 miliarde de oameni până în 2050, se estimează că producția globală de alimente ar trebui să crească cu aproximativ 70% față de 2005.4 Statisticile actuale sugerează că nu suntem pe drumul cel bun pentru a satisface această cerere, însă apariția noilor tehnologii în automatizarea agriculturii poate contribui la inversarea acestei tendințe.
Deși unii roboți agricoli sunt mici și proiectați în mod deliberat să aibă un consum redus de putere pentru a maximiza timpul de operare înainte de a necesita încărcare, unele sisteme agricole sunt – și probabil vor fi întotdeauna – echipamente grele, care necesită baterii mai mari, de putere mai mare, care operează, de obicei, la peste 400VDC.
Compania Vicor este specializată în componente de mare putere pentru sisteme alimentate de la baterii, cu soluții personalizate pentru robotica agricolă. Seria sa de convertoare BCM poate asigura conversia bateriei de înaltă tensiune la o tensiune nominală sigură de 48V. BCM4414, de exemplu, este capabil să producă mai mult de 1 600 W la o eficiență de peste 97% utilizând o capsulă de 111 mm × 36 mm × 9 mm.
De la ieșirea lor izolată, de 48V, convertoarele cu raport fix sau cu punct de sarcină regulat pot alimenta, în funcție de necesități, linii de tensiune individuale, în aval, cu tensiune redusă, pentru sistemele de control, de acționare și cele cu senzori. Pentru proiectele de automatizări agricole, BCM4414 poate contribui la o mai bună integrare a sistemului de comandă datorită dimensiunilor mici, greutății reduse, filtrării EMI integrate și configurației izolate.
Figura 2: Antenele de exterior LPW de la TE au un design compact și o funcționare fiabilă, caracteristici necesare roboticii de exterior. (Sursa: Mouser Electronics)
Conectivitatea este necesară pentru o funcționare autonomă. Aceasta înseamnă, de obicei, comunicații prin satelit, dar, tot mai des, se utilizează 5G, precum și comunicații de localizare prin Wi-Fi® și Bluetooth®. Conectivitatea poate fi utilizată pentru localizarea sistemului și feedback-ul datelor, precum și pentru controlul și operarea de la distanță. De asemenea, este importantă pentru transferul de date către și de la mașini și de la rețelele de senzori implementate în ferme. TE Connectivity / Linx Technologies oferă o varietate de antene de exterior, precum seria IPW. Aceasta acoperă gama de frecvențe de la 617MHz la 7,1GHz, ceea ce le permite să suporte opțiuni celulare, Wi-Fi și LPWA/ISM. Cu un câștig de până la 8,7dBi și un nivel de protecție IP67, antenele asigură o conexiune puternică în zonele rurale și o protecție de lungă durată împotriva prafului și a apei.
Datorită unor tehnologii inovatoare în materie de senzori, este posibilă realizarea de culegătoare de fructe automate și autonome. Senzorii de imagine sunt utilizați pentru a găsi fructe diferite și pentru a detecta culoarea și gradul de coacere. Senzori precum AR2020 Hyperlux de 20MP de la onsemi oferă imagini cu o rezoluție incredibil de mare și o gamă dinamică îmbunătățită pentru a asigura acuratețea aplicațiilor de viziune artificială chiar și în medii exterioare dificile. Pentru a echilibra performanța în raport cu consumul de energie, senzorul încorporează, totodată, o serie de caracteristici inteligente, cum ar fi modurile “Wake-On-Motion” (WOM) și “subsampling” (n.red.: subeșantionare – tehnică folosită pentru a reduce rata de eșantionare a semnalelor, adică reducerea frecvenței cu care sunt prelevate datele. În loc să colecteze date continuu la o rată mare, senzorul preia date la intervale mai mari, ceea ce ajută la economisirea energiei și a lățimii de bandă).
Senzorii de poziție au devenit suficient de preciși pentru ca dispozitivele de manipulare, inclusiv ghearele, ventuzele și foarfecele pentru tăierea strugurilor din vița de vie, să poată colecta fructele fără a le deteriora. Murata Electronics oferă o gamă largă de senzori MEMS, cum ar fi accelerometrul SCA3100-D07-1 și giroscopul SCC2230-D08-05, pentru sistemele de poziționare care sunt foarte sensibile la forțele inerțiale și la presiune, dar insensibile la alte variabile de mediu. Senzorii capacitivi de la Murata sunt fabricați din siliciu monocristal și sticlă, prezentând o stabilitate excelentă în timp și la temperatură, iar giroscoapele sale sunt îndeajuns de sensibile pentru a fi utilizate pentru semnale la fel de mici precum rotația pământului.
Concluzie
De la utilizarea primei semănătoare până la dezvoltarea roboților autonomi de culegere a salatei, motivele pentru automatizarea proceselor agricole nu s-au schimbat niciodată. Roboții agricoli vor îmbunătăți securitatea alimentară pentru o populație globală în creștere, permițând o recoltare mai eficientă, eficace și economică a culturilor. Acesta este exemplul perfect de tehnologie incredibil de sofisticată utilizată pentru un scop simplu, în beneficiul tuturor.
Referințe
1) https://www.copa-cogeca.eu/EUROPEANFARMING
2) https://www.eesc.europa.eu/sites/default/files/files/qe-05-23-186-en-n.pdf
3) https://www.nfuonline.com/updates-and-information/nfu-horticulture-mid-season-labour-survey-results
4) https://www.fao.org/fileadmin/templates/wsfs/docs/Issues_papers/HLEF2050_Global_Agriculture.pdf
Autor:
Mark Patrick
Mouser Electronics
Authorised Distributor
www.mouser.com
Urmărește-ne pe Twitter
