Bardziej zrównoważony rozwój i wyższa wydajność w rolnictwie dzięki pojazdom autonomicznym

Autonomiczne ciągniki, drony, roboty do sadzenia, pielenia i zbierania plonów to kilka z opracowywanych obecnie technologii, które odmienią rolnictwo i pomogą złagodzić niedobory żywności poprzez poprawę zrównoważenia i wydajności działalności rolniczej. Pojazdy autonomiczne wszystkich typów uwolnią ludzi od prowadzenia ciągników i innych maszyn, umożliwiając im wykonywanie czynności o większej wartości dodanej. Obejmują one wdrożenie rolnictwa precyzyjnego, które zwiększy plony, zmniejszy negatywne oddziaływanie na środowisko oraz poprawi zrównoważony charakter działalności rolniczej poprzez rozwiązanie kwestii związanych z niedoborem wody, brakiem siły roboczej i innymi ograniczeniami.

Podczas gdy drony i roboty rolnicze stanowią systemy nowoopracowywane i wdrażane od podstaw, z ciągnikami jest inaczej. Liczba ciągników już używanych w rolnictwie jest duża i zazwyczaj mają one długi okres eksploatacji. W związku z tym, oprócz opracowania w pełni zautomatyzowanych nowych konstrukcji, istniejące ciągniki zostaną zmodernizowane o napędy elektryczne i unowocześnione z użyciem cyfrowych systemów do określonych celów, tzw. cyfrowych narzędzi ciągnikowych.

Artykuł omawia rozwój cyfrowych narzędzi ciągnikowych oraz wchodzące na rynek ciągniki elektryczne (e-ciągniki). Dokonuje przeglądu wyzwań związanych z wdrażaniem ciągników autonomicznych i analizuje, w jaki sposób drony, czujniki w ciągnikach oraz sztuczna inteligencja (AI) i uczenie maszynowe (ML) są wykorzystywane w rolnictwie precyzyjnym. Opisano również niektóre technologie potrzebne do rozwoju autonomicznych pojazdów rolniczych oraz to, w jaki sposób szeroka oferta produktów firmy DigiKey, w tym systemy widzenia maszynowego, silniki i kontrolery, przetwornice mocy, czujniki i przełączniki, przewodowe i bezprzewodowe interfejsy komunikacyjne oraz szereg kabli sygnałowych i zasilających mogą pomóc projektantom przyspieszyć prace rozwojowe. Podsumowanie artykułu zawiera krótkie spojrzenie w przyszłość, gdzie w pełni autonomiczne gospodarstwa będą kontrolowane przez zaawansowane systemy operacyjne, które mogą zarządzać mieszanymi flotami, w tym zarówno autonomicznymi, jak i standardowymi urządzeniami rolniczymi, w celu maksymalizacji wydajności i zrównoważonego rozwoju.

Narzędzia rolnicze dołączają do standardu ISObus

Podobnie do Przemysłu 4.0, rolnictwo zmierza w kierunku wykorzystywania inteligentnych i połączonych ze sobą maszyn. Tu właśnie wkracza norma International Standards Organization (ISO) 11783 dotycząca szeregowej magistrali danych w ciągnikach oraz maszynach rolniczych i leśnych. W branży rolniczej nazywa się ją po prostu systemem ISObus. Jest ona oparta na protokole SAE (Society of Automotive) J1939, który obejmuje magistralę CAN (Control Area Network) i została zoptymalizowana pod kątem zastosowań rolniczych. Standard ISObus jest aktywnie promowany przez międzynarodową organizację Agricultural Industry Electronics Foundation, która pracuje nad koordynacją rozszerzonych testów certyfikacyjnych dla normy ISO 11783.

Przed wprowadzeniem standardu ISObus rolnicy posiadali ciągniki z zastrzeżonymi systemami sterowania, które ograniczały elastyczność, wydajność i interoperacyjność. Standard ISObus obejmuje znormalizowane złącza, protokoły komunikacyjne oraz wytyczne operacyjne, a także umożliwia tworzenie połączonych czujników i systemów sterowania od różnych producentów (ilustracja 1). Standard ISObus wspiera również elektryfikację narzędzi ciągnikowych, w tym napędzanych elektrycznie mechanicznych wałów odbioru mocy (PTO) oraz złączy wysokiego napięcia o napięciu do 700V i mocy do 100kW, służących do zasilania narzędzi z napędem elektrycznym.

Ilustracja 1: standard ISObus umożliwia integrację czujników i urządzeń różnych producentów w jeden system typu plug-and-play. (Źródło ilustracji: Armin Weigel/dpa (fot. Armin Weigel/picture alliance za pośrednictwem Getty Images)

Standard ISObus ewoluuje w kierunku opracowania systemu zarządzania narzędziami ciągnikowymi (TIM). Zgodnie z założeniami, zaawansowana wersja standardu ISObus umożliwi narzędziom przekazywanie sygnałów zwrotnych do ciągnika, wspierając optymalizację połączonego systemu ciągnik-narzędzie. Pozwoli on również na wyższy poziom integracji czujników w narzędziach wspierających rolnictwo precyzyjne. Ciągnik będzie zapewniać informacje o lokalizacji, a połączony system będzie stale gromadzić dane o warunkach glebowych i uprawowych. Dzięki bardziej szczegółowym informacjom można zwiększyć wydajność i wzmocnić zrównoważony rozwój.

Ciągniki elektryczne, modernizacje i ciągniki autonomiczne

Oprócz ciągłego rozwoju standardu ISObus, w przyszłym wdrażaniu pojazdów autonomicznych i wzmacnianiu zrównoważonego rozwoju rolnictwa ważna będzie elektryfikacja ciągników. Ograniczenie emisji jest kwestią zasadniczą. Jedna czwarta światowej emisji gazów cieplarnianych pochodzi z rolnictwa i działalności związanej z rolnictwem, a jeden ciągnik pod względem emisji jest równoważny 14 samochodom osobowym.¹

Zaczynają się pojawiać ciągniki elektryczne. Oprócz redukcji emisji spalin ciągniki elektryczne mogą znacznie obniżyć koszty paliwa. Ciągniki elektryczne są obecnie ograniczone do mniejszych modeli, ponieważ duże ciągniki elektryczne o wysokiej mocy wymagają zestawów baterii większych niż rozmiar konwencjonalnego ciągnika, który miałyby zastąpić. Duże ciągniki elektryczne również ważą więcej, co powoduje zwiększone ubicie gleby, które jest niepożądane. I wreszcie czasy ładowania dużych zestawów baterii są zbyt długie, aby mogły być praktycznie stosowane w rolnictwie. Testowane są już mniejsze ciągniki elektryczne z silnikami o mocy od 25 do 70KM, czyli około 18,6 do 52kW oraz małymi pakietami baterii. Elektryfikacja ciągników to coś więcej niż układ napędowy. Chodzi również o zastąpienie hydrauliki w napędzaniu i sterowaniu narzędzi ciągnikowych (ilustracja 2).

Ilustracja 2: małe ciągniki elektryczne z silnikami o mocy od 25 do 70KM są testowane i przygotowywane do wdrożenia. (Źródło ilustracji: zdjęcie autorstwa brizmaker za pośrednictwem Getty Images)

W przypadku większych ciągników dostępne są hybrydowe zestawy modernizacyjne. Na przykład jedna z firm oferuje zestaw z generatorem o mocy 250kW, który można podłączyć do istniejącego silnika spalinowego ciągnika w miejsce pompy hydraulicznej. Zestaw zawiera również cztery silniki elektryczne zastępujące hydrauliczny układ napędowy oraz elektryczny układ przeniesienia napędu do istniejących narzędzi. Dzięki zastąpieniu układów hydraulicznych, zestaw modernizacyjny zmniejsza koszty paliwa i konserwacji oraz zwiększa dostępność i niezawodność hybrydowego ciągnika elektrycznego.

Podobnie jak w przypadku wprowadzania na rynek samochodów i ciężarówek autonomicznych, wdrażanie ciągników autonomicznych czeka nieokreślona przyszłość. Na przykład, obecne przepisy w Kalifornii wymagają, aby „wszystkie samobieżne urządzenia, gdy pracują na własnym napędzie i są w ruchu, miały operatora siedzącego przy elementach sterujących pojazdem”. Pełna autonomia będzie musiała poczekać.

Latanie nad polami

Drony są obecnie wykorzystywane do wielu zadań w rolnictwie. Przykłady obejmują:

• Obrazowanie kondycji roślin. Drony w dużej mierze zastąpiły zdjęcia satelitarne w monitorowaniu stanu upraw. Wyposażone w sprzęt do obrazowania znormalizowanego różnicowego wskaźnika wegetacji (NDVI) drony dostarczają szczegółowe kolorowe obrazy, które mogą być wykorzystane do monitorowania stanu roślin. Podczas gdy pozyskanie zdjęć satelitarnych wymaga czasu i może zapewnić dokładności metrowe, drony mogą nadać obrazom dokładności milimetrowe i wspierać wysoce ukierunkowaną identyfikację chorób, szkodników lub innych problemów w czasie rzeczywistym.
• Monitorowanie warunków polowych. Drony monitorują również warunki glebowe i drenażowe na całych polach. Umożliwia to wprowadzanie sprawniejszych i bardziej zrównoważonych programów nawadniania.
• Siew i sadzenie. Zautomatyzowane siewniki dronowe są powszechne w gospodarce leśnej, a ich zastosowanie rozszerza się na szeroko pojęte rolnictwo. Drony mogą szybko wysiewać nasiona drzew i sprawniej docierać do niedostępnych miejsc. Na przykład dwóch operatorów korzystających z wielu dronów może dziennie wysiać 400 tysięcy nasion drzew.
• Opryski. Wykorzystanie dronów do rozpylania nawozów i pestycydów jest nowym zastosowaniem, którego wykorzystanie różni się w zależności od regionu (ilustracja 3). Na przykład w Korei Południowej drony są wykorzystywane do około 30% oprysków rolniczych. Natomiast w Kanadzie używanie dronów do oprysków rolniczych jest nielegalne. W Stanach Zjednoczonych opryski dronem wymagają licencji i certyfikacji zgodnie z przepisami Federalnej Administracji Lotnictwa (FAA) oraz stanowych departamentów rolnictwa, gospodarki i transportu.

Ilustracja 3: powstały duże drony, które mogą być wykorzystywane do rozpylania nawozów i pestycydów. Ilustracja: zdjęcie autorstwa baranozdemir za pośrednictwem Getty Images)

Precyzja pozwala wyprodukować więcej przy mniejszych nakładach

Przewiduje się, że jeszcze przed wprowadzeniem ciągników autonomicznych drony oraz elektryfikacja ciągników i narzędzi do nich będzie wspierać rolnictwo precyzyjne i wzmacniać zrównoważony rozwój.

Według badania przeprowadzonego przez Stowarzyszenie Producentów Sprzętu Rolniczego (AEM), zastosowanie rolnictwa precyzyjnego może prowadzić do 4% wzrostu produkcji roślinnej, 7% wzrostu efektywności podawania nawozów, 9% redukcji zużycia herbicydów i pestycydów oraz 6% redukcji zużycia paliw kopalnych². Ponadto dzięki precyzyjnemu nawadnianiu można zmniejszyć zużycie wody o 4%.

Liczby są oparte na obecnej technologii. Należy oczekiwać, że po dodaniu systemów połączonych i sztucznej inteligencji (AI) korzyści zostaną zwielokrotnione. Dodanie uczenia maszynowego (ML) w konserwacji sprzętu zapewnia dalsze oszczędności i wzmocnienie zrównoważonego rozwoju.

Według stowarzyszenia AEM autonomiczny sprzęt rolniczy ma przynieść skumulowaną poprawę o 24%, biorąc pod uwagę zarówno oszczędności środków produkcji, jak i wyższe plony. Istotnym czynnikiem tej poprawy jest założenie, że maszyny autonomiczne będą lżejsze od sprzętu, który zastępują, co spowoduje mniejsze ubicie gleby i poprawę warunków glebowych.

Sztuczna inteligencja (AI) i uczenie maszynowe (ML) będą miały również kluczowe znaczenie dla rozwoju precyzyjnych maszyn zoptymalizowanych pod kątem konkretnych zadań. Maszyny do konkretnych zadań mogą być mniejsze niż ciągniki ogólnego przeznaczenia. Na przykład, opracowywane są niewielkie maszyny służące do zbierania plonów, gdzie wymagane jest widzenie maszynowe, delikatny dotyk i sprawność połączona z precyzją.

Zwalczanie chwastów jest kolejnym obszarem, w którym oczekuje się, że wyspecjalizowane maszyny wykorzystujące sztuczną inteligencję (AI) i uczenie maszynowe (ML) wniosą znaczący wkład. Zwalczanie chwastów jest trudne, pracochłonne i jeśli nie jest sprawnie realizowane, przyczynia się do zużycia większej ilości wody i wyczerpania składników odżywczych gleby. Płodozmian jest częściowym rozwiązaniem, ale nie może wyeliminować potrzeby stosowania herbicydów lub ręcznego zwalczania chwastów. Testowane są roboty do zwalczania chwastów, które łączą widzenie maszynowe ze sztuczną inteligencją (AI) i uczeniem maszynowym (ML). Te niewielkie maszyny minimalizują również ubicie gleby (ilustracja 4).

Ilustracja 4: przykład autonomicznych robotów do zbierania plonów, które łączą widzenie maszynowe ze sztuczną inteligencją (AI) i uczeniem maszynowym (ML). (Źródło ilustracji: zdjęcie autorstwa onurdongel za pośrednictwem Getty Images)

System operacyjny gospodarstwa rolnego i floty autonomicznych urządzeń

Branża rolnicza patrzy w przyszłość, w której w pełni autonomiczne gospodarstwa rolne będą kontrolowane przez zaawansowany system operacyjny (OS) zdolny do zarządzania mieszanymi flotami maszyn, obejmującymi zarówno autonomiczny, jak i standardowy sprzęt rolniczy, a także maszynami lądowymi i dronami w celu maksymalizacji produktywności i wzmacniania zrównoważonego rozwoju (ilustracja 5). Te floty maszyn rolniczych będą obsługiwane w sposób skoordynowany, aby ograniczyć nakłady kapitałowe, zminimalizować zapotrzebowanie na siłę roboczą i dostarczać dużych ilości danych niezbędnych do autonomicznego działania i precyzyjnego rolnictwa. Ponadto system operacyjny gospodarstwa rolnego przyszłości będzie ustandaryzowany i zoptymalizowany pod kątem obsługi różnorodnych urządzeń pochodzących od wielu dostawców. Przyjęcie standardu ISObus jest zaledwie pierwszym krokiem w kierunku otwartoźródłowego i opartego na standardach podejścia do automatyzacji gospodarstwa.

Ilustracja 5: grupy skoordynowanych naziemnych i latających autonomicznych maszyn rolniczych pozwolą uzyskać wyższe poziomy zrównoważonego rozwoju. (Źródło ilustracji: ilustracja autorstwa Scharfsinn86 za pośrednictwem Getty Images)

Dodatkowe korzyści oczekiwane od proponowanego systemu operacyjnego gospodarstwa rolnego to zmniejszenie emisji CO2, obniżone zużycie paliwa oraz optymalizacja ładowania baterii i zarządzania nimi. Ważną rolę w przyszłości rolnictwa odegra również analityka danych big data. Duże ilości danych zbieranych w czasie rzeczywistym bezpośrednio z pól posłużą do ciągłego szkolenia algorytmów sztucznej inteligencji (AI) i uczenia maszynowego (ML) wymaganych do podejmowania decyzji, kontroli i planowania operacyjnego w celu optymalizacji rolnictwa precyzyjnego.

Podsumowanie

Jesteśmy wciąż na wczesnym etapie rozwoju autonomicznych pojazdów rolniczych i zrównoważonego rolnictwa precyzyjnego. Przemysł rozpoczął drogę poprzez wdrożenie standardu ISObus. Następna generacja standardu ISObus będzie wspierać zwiększoną interoperacyjność i pomoże doprowadzić do powstania bardziej złożonych i połączonych ze sobą flot sprzętu rolniczego. Celem jest opracowanie systemu operacyjnego gospodarstwa rolnego, który może powiązać floty sprzętu rolniczego z ogromnymi ilościami danych z czujników w czasie rzeczywistym za pomocą algorytmów sztucznej inteligencji (AI) i uczenia maszynowego (ML), a także wysłać formacje skoordynowanych maszyn naziemnych i latających, w celu uzyskania wysokich poziomów zrównoważonego rozwoju i wydajności.

1. Ciągniki autonomiczne z robotycznym mózgiem przejmą gospodarstwa, Autoweek
2. Ilościowe określenie korzyści środowiskowych z rolnictwa precyzyjnego, AEM