Спецвозможности
Техника и оборудование

Использование роботов в сельском хозяйстве

21.03.2017
3794
Использование роботов в сельском хозяйстве фото, иллюстрация

Давно известный факт: при использовании химических средств защиты растений частично снижается урожайность выращиваемой культуры — даже при применении последних разработок в области генной инженерии и химии защиты растений.

 

 

Более того, химикаты полностью не растворяются и не распадаются на безопасные химические соединения в течение вегетации растений. И как следствие, их остатки аккумулируются в вегетативные части, корнеплоды, ягоды и тому подобное. Некоторые из этих средств имеют явно выраженные признаки канцерогенности, что в итоге приводит к накоплению этих веществ в тканях и органах человека и, конечно, не способствует сохранению здоровья и продолжительности жизни. Наконец их применение приводит к экологической проблеме, что пока не угрожающей, но все же заметную тенденцию к прогрессированию в этом секторе сельского хозяйства. И это продолжается уже несколько десятков лет.

В последнее время, с появлением и постепенным увеличением доли использования робототехники в сельском хозяйстве, специалисты молодой компании Deepfield Robotics, которая входит в состав концерна Bosch, поставили перед собой цель в корне изменить эту ситуацию. Они решили разработать и воплотить в жизнь такую ​​технологию выращивания культур, которая не нуждалась внесения химических средств защиты в грунт. На Международной конференции IEEE по вопросам интеллектуальных систем и роботов (IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems, IROS) впервые был представлен сельскохозяйственный работ — воплощение этого замысла в металле.

Основная идея этой технологии — полный отказ от химических средств защиты в пользу физических. Что имеется в виду под физической защитой? Разработчики прогрессивной компании предложили уничтожать сорняки физически, но не вручную, как когда-то — путем использования изнурительного человеческого труда, а с помощью «умного» молотка, который просто вгонял бы всю вегетативную часть сорняка назад, в землю.

Полностью эта технология еще не налажена, однако основные черты и технологическая проработка уже есть. Этот «умный» молоток смонтирован на колесном шасси работа (BoniRob).

С помощью машинного «зрения» робот направляет свое орудие именно на сорняки, и его рабочий орган — молоток — работает достаточно активно: с частотой удара в одну десятую долю секунды!

Можно предположить, что этот робот сделает бесполезную работу: мол, сорняки же при этом не искореняются, а лишь «загоняются» в землю, мол они имеют свойство снова разрастаться с еще большей силой. Да, но их дальнейшее отрастание начнется совсем не за несколько часов, к тому же этого робота можно запускать на поле столько раз, сколько потребуется. Ведь он не хочет спать, не устает и может работать круглосуточно. Уже интересно звучит, не так ли?

Поэтому стоит перейти к описанию конструкционной строения работа, и на каждом из его компонентов следует остановиться подробно, поскольку они заслуживают внимания.

Фо­то 1.  Ос­тов ро­бо­та із  «но­га­ми»- ко­ле­са­ми

Этот «умный» агрегат имеет вид четырехосной платформы с мотор-колесами на каждой оси. Последние, в свою очередь, имеют как минимум две степени свободы каждая (то есть колесо может поворачиваться в обе стороны), а сама направляющая ось может прижиматься к «телу» (остова) работа для удобства транспортировки (фото 1). «Тело» работа имеет прямоугольную форму со скосами на углах для крепления «ног». Также робот оснащен антеннами радиосвязи для передачи телеметрии, двухчастотным GPS-модулем. По всему периметру остова работа установлены стоп-кнопки для выключения электропитания в случае незапланированного программой и оператором поведения машины.

«Тело» работа имеет посередине специальный вырез кубической формы для сменных модулей полезной нагрузки. Сама платформа может выдерживать полезный груз до 150 кг. Разработчики посчитали выгодным вариант приобретения их изделия, когда заказчик (покупатель) берет для использования одного робота и несколько сменных модулей с полезной нагрузкой, что позволяет совмещать функции для выполнения всего цикла агроприемов на поле (от основной обработки почвы до опрыскивания и проведения физического уничтожения бурьянов).

Благодаря специально разработанному сервису

покупатель при покупке работа может отказаться от ненужных модулей и с доплатой приобрести именно то, что нужно для выполнения запланированной зимостойкости. То есть производитель параллельно решает вопросы логистики, которые гибко учитывают пожелания клиентов, а также предоставляет сервисную поддержку пользователю их изделия на протяжении всего периода вегетации и уборки культур (рисунок). Также разработчики работают над решением вопроса о возможности одновременного использования нескольких роботов при выполнении работы (в виде «стаи»). К сожалению, конкретной информации о возможностях и особенностях такого совместного применения, как и о достижениях в этом направлении фирма практически не публикует, и поэтому понять, чего следует ожидать от новых разработок, довольно трудно.

На борту работа установлен электрический (на время тестирования) двигатель, однако предусмотрена также и возможность применения традиционного ДВС для работы в полевых условиях. Робот сконструирован таким образом, что генератор вырабатывает нужную энергию для электродвигателей и имеет запас топлива на 24 ч. Машинным «зрением» работа руководит автопилот вместе с компьютером, ультразвуковым сканером, камерами бокового обзора.

Рабочих камер, которые обеспечивают так называемое машинное «зрение» и управляют обработкой почвы, несколько: широкозахватная камера, узкозахватная и инфракрасная. Направление «зрения» всех трех направлено вниз, под «брюхо» работа, то есть в рабочую зону агрегата. По назначению широкозахватная камера обеспечивает создание предыдущей, динамической, картинки состояния почвы, также дает изображение сельскохозяйственной культуры вместе с сорняками. Узкозахватная камера нужна непосредственно для управления работой «молота» для «забивания» сорняков, а инфракрасная — для уточнения целевых объектов, способствует четкой работе оборудования и избежанию разного рода ошибок.

Рассмотрим подробнее работу самого «молота». Он представляет собой подвижной штырь, выполненный из инструментальной стали небольшого диаметра (1 см) и установленный в съемном модуле. Работает с помощью электродвигателя и специального возвратно-поступательного ударного механизма. Сам по себе инструмент не представляет никакого интереса без компьютерного обеспечения и координации работы тем самым машинным «зрением». Главное, что удалось разработчикам, — это запрограммировать такое ​​полевое «оружие» на борьбу быстро: робот четко распознает определенные виды сорняков на поле и не наносит вреда нецелевому объекту. Есть, конечно, трудности в скорости работы при очень плотном покрытии поля сорняками. Робот при максимальной плотности сорняков может двигаться со скоростью до 9 см/с (или 32,4 км/ч). Для ускорения работы разработаны платформы с линейным размещением «молотов» (фото 2, 3).

 

Ударный «молот» работа BoniRob по своей энергетике может «забить» сорняк в землю всего на 3 см. Сделано это специально с расчетом на создание благоприятной среды для перегнивания сорняков в прикорневом слое почвы, что принесет пользу культурным растениям, к тому же такая глубина действия «молота» не приведет к почвенному уплотнению более критического для культуры уровня. Поэтому машинное «зрение» «молота» направлено на молодые побеги сорняков, которые робот определяет с помощью широкоугольной камеры по цвету, оттенку, формой их листовой пластинки. Однако робот может работать и со «взрослыми» сорняками — для этого запрограммировано замедление его скорости и целую серию ударов «молота» с высокой частотой — до 1/10 с. На фото 4 показана внутреннюю часть модуля полезной нагрузки с маховиком «молота» (слева) и камерой с высоким разрешением (справа).

В пресс-релизе компании упоминается тестовый полигон с посевом моркови, растения которой было высеяны с плотностью не более 2 см друг от друга. В то же время сорняки должны плотность до 20 растений/м2. Вот на таком поле проводили тестирование работа (считалось, что это достаточно сложные полигонные условия). Робот двигался с рабочей скоростью не более 3,7 см/с (13 км/ч). При этом ударная производительность «молота» составляла 1,75 растения сорняка в секунду (при максимальной плотности сорняков до 50 шт/м2).

Для наглядности и создания первичного воображения, как происходит принятие соответствующего решения во время выполнения задач роботом, подаем одновременно несколько снимков рабочих окон с компьютеров и камер машинного «зрения» (фото 5).

Фо­то 5 требует несколько объяснений. В частности, в левом верхнем углу показана одна из нескольких десятков стандартных мишеней, которые использовали разработчики для отработки цели для работы «молота». Судя по самой мишени, робот будет «целиться» или в стебель сорняка, или в центр его соцветия, чтобы исключить ошибки удара по самим листьям сорняков. Обратите внимание, что на мишени изображены случайно расположенные белые точки, вероятно, они и дают «засветки» во время съемки узкоугольной камерой с высоким разрешением. Разработчики таким образом работают с разными по цвету и строению сорняками, в которых неодинаковая цветовая гамма на стеблях и ростках.

В правом верхнем углу камера так называемого записи вживую манипуляций работа. На фото, вместо «молота», показан технологический фен, который струей воздуха сдувал мишени. На этапе отладки разработчики считали этот вариант приемлемым с точки зрения экономии. В левом нижнем углу — он-лайн налаживание работы сервомеханизмов. Это окно показывало накопления горизонтальных и вертикальных ошибок: резкие диагональные линии означают сброс этих ошибок после отработки «молота» по каждой мишени. И наконец — в правом нижнем углу подана картинку действия машинного «зрения» работа. То есть выявление, сопровождение и отработка каждой мишени, которую видит камера с высоким разрешением. Конечно, понять, как работает «мозг» робота по анализу и селекции целей, исходя только из одного рисунка, проблематично. Однако общая схема робота понятна: во время проведения съемки камерой происходит общий анализ «картинки» на предмет идентификации сорняков по определенным признакам: их форме, строению, окраске, — которые заложены в память компьютера. После этого робот строит матрицу целей и анализирует цветовые характеристики сорняков, затем активирует «молот» и задает параметры цели для его работы (местоположение целевого объекта и наклон), и в конце концов последний проводит удар по мишени. Интересная и пока не понятная методика переноса координат с «картинки» в памяти компьютера в реальную рабочую зону «молота». Ведь они разные по своей сути: плоская «картинка» в «мозгу» робота и неровное и покрытое растениями рабочее поле. К тому же это восприятие цели происходит при движении работа, поэтому накапливаются ошибки в работе «молота», которые обозначаются горизонтальными и вертикальными смещениями, что, в свою очередь, обязывает работа корректировать свои настройки для обеспечения адекватной работы своего ударного инструмента.

На фото 6 предмет продолговатой формы в вертикальном изображении — рабочий элемент «молота» в момент, когда сорняк (светлое изображение внизу снимка с двумя размещенными по обе стороны листьями) уже «забиты» в грунт. В момент удара по объекту (фото 6) на «молот» может налипнуть влажная почва, частички сорняков и т. д. Сначала разработчики решили счищать остатки почвы и фрагменты растений специально закрепленными на штанге съемниками, при этом штирь-«молот» полностью входил в специальную нишу (ее хорошо видно на фото 2, 3). Однако впоследствии решили оставить «молот» в первоначальном виде, просто продлили его и подняли модуль чуть выше. Насколько правильно это решение, покажет время и практика применения устройства на фермах в реальных рабочих условиях.

Идеология удаленной (дистанционной) фермы. Фирмы «Амазоне» и «Бош» после презентации сельскохозяйственного работа уделили внимание также идеологии использования таких устройств. Обе фирмы рассматривают сельское хозяйство недалекого будущего как информационное пространство, которое будет иметь обратную связь с фермером. То есть робот не только самостоятельно обрабатывает почву с растениями, но и собирает информацию о состоянии растительного покрова и определяет агрохимические характеристики почвы. Для этих целей для робота предусмотрено несколько сменных модулей узконаправленного научного характера: для отбора и анализа почвенных образцов, спектрального анализа флоры и тому подобное. Исходя из номенклатуры и количества сменных модулей, будут разработаны и станция ​​техобслуживания для быстрой смены последних, которая будет располагаться вблизи места работы роботов.

На первых порах роботом будет управлять дистанционно оператор. Постепенно, по мере накопления баз данных по обработке полей, логистики и порядка использования оборудования, робот может абсолютно самостоятельно проводить агроприемы, отчитываясь об их выполнении дистанционно — с помощью, например, сети Wi-Fi. В таком случае робот не обязательно должен собирать и накапливать исходные данные — вся необходимая информация может быть заложена в программу. Построение такой информационной сети возможно, например, с участием дрона. То есть сначала проводят обследовательские облеты территории поля, которые составляют технологическую карту, а затем загружают ее в программу работа и выводят его в поле.

 

М. Солоха, ст. науч. сотрудник, 
ННЦ «Институт почвоведения и агрохими имени О.Н. Соколовского»

 

Информация для цитирования

Использование ро­ботов в сельском хозяйстве / М. Солоха // Пропозиция. — 2016. — №7 —  С. 174-177

 

Интервью
Рейдерство - стихийный термин, который дословно означает «недружественный захват активов». В аграрной сфере чаще всего используются поддельные документы, а часто - в сочетании с тупой грубой силой. Почему рейдерство приобрело такое... Подробнее
Каролин Спаанс, советник по вопросам сельского хозяйства Посольства Королевства Нидерланды в Украине
Каролин Спаанс с августа 2016-му занимает должность советника по вопросам сельского хозяства Посольства Королевства Нидерланды в Украине. Мы решили поинтересоваться наиболее перспективными

1
0