Ви­ко­ри­с­тан­ня ро­ботів у сільському господарстві

Більш то­го, хіміка­ти повністю не роз­чи­ня­ють­ся і не роз­па­да­ють­ся на без­печні хімічні спо­лу­ки про­тя­гом ве­ге­тації рос­лин. І як наслідок, їхні за­лиш­ки аку­му­лю­ють­ся у ве­ге­та­тивній ча­с­тині, ко­ре­неп­ло­дах, яго­дах то­що. Де­які із цих за­собів ма­ють яв­но ви­ра­жені оз­на­ки кан­це­ро­ген­ності, що у підсум­ку при­зво­дить до на­ко­пи­чен­ня цих ре­чо­вин у тка­ни­нах і ор­га­нах лю­ди­ни і, яс­на річ, не сприяє збе­ре­жен­ню здо­ров’я та три­ва­лості жит­тя. І зре­ш­тою їхнє за­сто­су­ван­ня при­зво­дить до еко­логічної про­б­ле­ми, що має по­ки що не за­гроз­ли­ву, але все ж помітну тен­денцію до про­гре­су­ван­ня у цьо­му сек­торі сільсько­го гос­по­дар­ст­ва. І це три­ває вже кілька де­сятків років. 

Ос­таннім ча­сом, із по­явою і по­сту­по­вим збільшен­ням ча­ст­ки ви­ко­ри­с­тан­ня ро­бо­то­техніки у сільсько­му гос­по­дарстві, фахівці мо­ло­дої ком­панії Deepfield Robotics, яка вхо­дить до скла­ду кон­цер­ну Bosch, по­ста­ви­ли собі за ме­ту до­корінно зміни­ти цю си­ту­ацію. Во­ни виріши­ли роз­ро­би­ти і втіли­ти у жит­тя та­ку тех­но­логію ви­ро­щу­ван­ня куль­тур, яка б не по­тре­бу­ва­ла вне­сен­ня хімічних за­собів за­хи­с­ту в грунт. На Міжна­родній кон­фе­ренції IEEE із пи­тань інте­лек­ту­аль­них си­с­тем і ро­ботів (IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems, IROS) бу­ло впер­ше пре­зен­то­ва­но сільсько­го­с­по­дарсь­ко­го ро­бо­та — втілен­ня цьо­го за­ду­му в ме­талі.

Ос­нов­на ідея цієї тех­но­логії — по­вна відмо­ва від хімічних за­собів за­хи­с­ту на ко­ристь фізич­них. Що мається на увазі під фізич­ним за­хи­с­том? Роз­роб­ни­ки про­гре­сив­ної ком­панії за­про­по­ну­ва­ли зни­щу­ва­ти бур’яни фізич­но, але не вруч­ну, як ко­лись — шля­хом ви­ко­ри­с­тан­ня вис­наж­ли­вої людсь­кої праці, а з до­по­мо­гою «ро­зум­но­го» мо­лот­ка, який про­сто вга­няв би всю ве­ге­та­тив­ну ча­с­ти­ну бур’яну на­зад, у зем­лю.

Повністю ця тех­но­логія ще не на­ла­го­д­же­на, од­нак ос­новні ри­си і тех­но­логічне оп­ра­цю­ван­ня вже є. Цей «ро­зум­ний» мо­ло­ток змон­то­ва­но на колісно­му шасі ро­бо­та (BoniRob). 

З до­по­мо­гою ма­шин­но­го «зо­ру» ро­бот на­прав­ляє своє зна­ряд­дя са­ме на бур’яни, і йо­го ро­бо­чий ор­ган — мо­ло­ток пра­цює до­сить ак­тив­но: із ча­с­то­тою уда­ру в од­ну де­ся­ту ча­ст­ку се­кун­ди!

Мож­на при­пу­с­ти­ти, що цей ро­бот зро­бить мар­ну ро­бо­ту: мов­ляв, бур’яни ж при цьо­му не ви­коріню­ють­ся, а ли­ше «за­га­ня­ють­ся» у зем­лю, але ж во­ни ма­ють вла­с­тивість зно­ву роз­ро­ста­ти­ся із ще більшою си­лою. Так, але їхнє по­даль­ше відро­с­тан­ня поч­неть­ся зовсім не за кілька го­дин, до то­го ж цьо­го ро­бо­та мож­на за­пу­с­ка­ти на по­ле стільки разів, скільки бу­де потрібно. Ад­же він не хо­че спа­ти, не втом­люється і мо­же пра­цю­ва­ти ціло­до­бо­во. Вже ціка­во зву­чить, чи не так?

То­му вар­то пе­рей­ти до опи­су кон­ст­рукційної бу­до­ви ро­бо­та, і на кож­но­му із йо­го ком­по­нентів слід зу­пи­ни­ти­ся де­таль­но, оскільки во­ни за­слу­го­ву­ють на та­ку ува­гу.

Цей «ро­зум­ний» аг­ре­гат має ви­гляд чо­ти­ривісної плат­фор­ми із мо­тор-ко­ле­са­ми на кожній осі. Ос­танні, своєю чер­гою, ма­ють як мінімум два сту­пені сво­бо­ди кож­на (тоб­то ко­ле­со мо­же по­вер­та­ти­ся в обид­ва бо­ки), а са­ма на­прям­на вісь мо­же при­ти­с­ка­ти­ся до «тіла» (ос­то­ва) ро­бо­та для зруч­ності транс­пор­ту­ван­ня (фо­то 1). «Тіло» ро­бо­та має пря­мо­кут­ну фор­му зі ско­са­ми на ку­тах для кріплен­ня «ніг». Та­кож ро­бот ос­на­ще­но ан­те­на­ми радіозв’яз­ку для пе­ре­дачі те­ле­метрії, дво­ча­с­тот­ним GPS-мо­ду­лем. По всьо­му пе­ри­ме­т­ру ос­то­ва ро­бо­та вста­нов­ле­но стоп-кноп­ки для ви­ми­кан­ня еле­к­т­ро­жив­лен­ня у разі не­за­пла­но­ва­ної про­гра­мою і опе­ра­то­ром по­ведінки ма­ши­ни.

 «Тіло» ро­бо­та має по­се­ре­дині спеціаль­ний виріз кубічної фор­ми для змінних мо­дулів ко­рис­но­го на­ван­та­жен­ня. Са­ма плат­фор­ма мо­же ви­т­ри­му­ва­ти ко­рис­ний ван­таж до 150 кг. Роз­роб­ни­ки по­ра­ху­ва­ли най­вигіднішим варіант прид­бан­ня їхньо­го ви­ро­бу, ко­ли за­мов­ник (по­ку­пець) бе­ре для ко­ри­с­ту­ван­ня од­но­го ро­бо­та і кілька змінних мо­дулів із ко­ри­сним на­ван­та­жен­ням, що дає змо­гу поєдну­ва­ти функції для ви­ко­нан­ня всьо­го цик­лу аг­ро­прий­омів на полі (від ос­нов­но­го об­робітку грун­ту до об­при­с­ку­ван­ня і про­ве­ден­ня фізич­но­го зни­щен­ня бур’янів). 

За­вдя­ки спе­ціаль­но роз­роб­ле­но­му про­да­же­во­му сервісу по­ку­пець під час купівлі ро­бо­та мо­же відмо­ви­тись від не­потрібних мо­дулів і з до­пла­тою прид­ба­ти са­ме те, що тре­ба для ви­ко­нан­ня за­пла­но­ва­них аг­ро­за­ходів. Тоб­то ви­роб­ник па­ра­лель­но вирішує пи­тан­ня логісти­ки, які гнуч­ко вра­хо­ву­ють по­ба­жан­ня клієнтів, а та­кож на­дає сервісну підтрим­ку ко­ри­с­ту­ва­чу їхньо­го ви­ро­бу про­тя­гом усь­о­го періоду ве­ге­тації і зби­ран­ня куль­тур (рисунок). Та­кож роз­роб­ни­ки пра­цю­ють над ви­рішен­ням пи­тан­ня про мож­ливість од­но­час­но­го ви­ко­ри­с­тан­ня декількох ро­ботів під час ви­ко­нан­ня ро­бо­ти (у ви­гляді «зграї»). На жаль, кон­кретнішої інфор­мації про мож­ли­вості й особ­ли­вості та­ко­го поєдна­но­го за­сто­су­ван­ня, як і про до­сяг­нен­ня у цьо­му на­прямі фірма прак­тич­но не публікує, і то­му зро­зуміти, чо­го слід очіку­ва­ти від но­вих роз­ро­бок, до­сить важ­ко.

На бор­ту ро­бо­та вста­нов­ле­но еле­к­т­рич­ний (на час те­с­ту­ван­ня) дви­гун, про­те пе­ред­ба­че­но та­кож і мож­ливість за­сто­су­ван­ня тра­диційно­го ДВЗ для ро­бо­ти в по­льо­вих умо­вах. Ро­бот скон­ст­руй­о­ва­но та­ким чи­ном, що ге­не­ра­тор ви­роб­ляє потрібну енергію для еле­к­т­ро­­­­дви­гунів і має за­пас па­ли­ва на 24 год. Ма­шин­ним «зо­ром» ро­бо­та ке­рує ав­топілот ра­зом із комп’юте­ром, уль­тра­зву­ко­вим ска­не­ром, ка­ме­ра­ми бо­ко­во­го ог­ля­ду. 

Ро­бо­чих ка­мер, що за­без­пе­чу­ють так зва­ний ма­шин­ний «зір» і ке­ру­ють об­роб­ітком грун­ту, кілька: ши­ро­ко­­захват­на ка­ме­ра, вузь­ко­за­хват­на та інфра­чер­во­на. На­прямок «зо­ру» всіх трьох спря­мо­ва­но вниз, під «че­ре­во» ро­бо­та, тоб­то в ро­бо­чу зо­ну аг­ре­га­ту. За при­зна­чен­ням ши­ро­ко­за­хват­на ка­ме­ра за­без­пе­чує ство­рен­ня по­пе­ред­ньої, ди­намічної, кар­тин­ки ста­ну грун­ту, та­кож дає зо­б­ра­жен­ня сільсько­го­с­по­дарсь­кої куль­ту­ри ра­зом із бур’яна­ми. Вузь­ко­за­хват­на ка­ме­ра потрібна без­по­се­ред­ньо для ке­ру­ван­ня ро­бо­тою «мо­ло­та» для «за­би­ван­ня» бур’янів, а інфра­чер­во­на — для уточ­нен­ня цільо­вих об’єктів, що сприяє чіткій ро­боті об­лад­нан­ня й уник­нен­ню різно­го ро­ду по­ми­лок.

Роз­г­ля­не­мо де­тальніше ро­бо­ту са­мо­го «мо­ло­та». Він яв­ляє со­бою ру­хо­мий штир, ви­ко­на­ний із інстру­мен­таль­ної сталі не­ве­ли­ко­го діаме­т­ра (1 см) і вста­нов­ле­ний у знімно­му мо­ду­лі. Пра­цює за до­по­мо­гою еле­к­т­ро­дви­гу­на і спеціаль­но­го зво­рот­но-по­сту­паль­­но­го удар­но­го ме­ханізму. Сам по собі інстру­мент не ста­но­вить ніяко­го інте­ре­су без ком­п’ютер­но­го за­без­пе­чен­ня та ко­ор­ди­нації ро­бо­ти тим са­мим ма­шин­ним «зо­ром». Го­ло­вне, що вда­ло­ся роз­роб­ни­кам, — це за­про­г­ра­му­ва­ти та­ку по­льо­ву «зброю» на бо­роть­бу без по­ми­лок: ро­бот чітко розпізнає виз­на­чені ви­ди бур’янів на полі і не за­вдає шко­ди нецільо­во­му об’єкту. Є, зви­чай­но, труд­нощі у швид­кості ро­бо­ти за ду­же щільно­го по­крит­тя по­ля бур’яна­ми. Ро­бот за мак­си­маль­ної щільності бур’янів мо­же ру­ха­ти­ся зі швидкістю до 9 см/с (або 32,4 км/год). Для при­ско­рен­ня ро­бо­ти роз­роб­ле­но плат­фор­ми із лінійним розміщен­ням «мо­лотів» (фо­то 2, 3).

Удар­ний «мо­лот» ро­бо­та BoniRob за своєю енер­ге­ти­кою мо­же «за­би­ти» бур’ян у зем­лю всьо­го на 3 см. Зроб­ле­но це спеціаль­но із роз­ра­хун­ком на ство­рен­ня спри­ят­ли­во­го се­ре­до­ви­ща для пе­ре­гни­ван­ня бур’янів у при­ко­ре­не­во­му шарі грун­ту, що при­не­се ко­ристь куль­тур­ним рос­ли­нам, до то­го ж та­ка гли­би­на дії «мо­ло­та» не зу­мо­вить грун­то­во­го ущільнен­ня по­над кри­тич­ний для куль­ту­ри рівень. То­му ма­шин­ний «зір» «мо­ло­та» спря­мо­ва­ний на мо­лоді па­го­ни бур’янів, які ро­бот виз­на­чає за до­по­мо­гою ши­ро­ко­кут­ної ка­ме­ри за ко­ль­о­ром, відтінком, фор­мою їхньої ли­ст­ко­вої пла­с­тин­ки. Од­нак ро­бот мо­же пра­цю­ва­ти і з «до­рос­ли­ми» бур’яна­ми — для цьо­го за­про­г­ра­мо­ва­но уповільнен­ня йо­го швид­кості і цілу серію ударів «мо­ло­та» із ви­со­кою ча­с­то­тою — до 1/10 с. На фо­то 4 по­ка­за­но внутрішню ча­с­ти­ну мо­ду­ля ко­рис­но­го на­ван­та­жен­ня із ма­хо­­ви­ком «мо­ло­та» (зліва) і ка­ме­рою із ви­со­кою роздільною здатністю (спра­ва).

У прес-релізі ком­панії зга­дується те­с­то­вий полігон із посівом морк­ви, рос­ли­ни якої бу­ло висіяно із гу­с­то­тою не більше ніж 2 см од­на від од­ної. Вод­но­час бур’яни ма­ли щільність до 20 рос­лин/м². Ось на та­ко­му полі про­во­ди­ли те­с­ту­ван­ня ро­бо­та (вва­жа­ло­ся, що це до­сить складні полігонні умо­ви). Ро­бот ру­хав­ся із ро­бо­чою швидкістю не більше 3,7 см/с (13 км/год). При цьо­му удар­на про­дук­тивність «мо­ло­та» ста­но­ви­ла 1,75 рос­ли­ни бур’яну за се­кун­ду (за мак­си­маль­ної щільності бур’янів до 50 шт./м²). 

Для уна­оч­нен­ня і ство­рен­ня пер­вин­ної уя­ви, як відбу­вається прий­нят­тя відповідно­го рішен­ня під час ви­ко­нан­ня за­вдань ро­бо­том, по­даємо од­но­час­но кілька знімків ро­бо­чих вікон із комп’ютерів і ка­мер ма­шин­но­го «зо­ру» (фо­то 5).

Фо­то 5 по­тре­бує кількох по­яс­нень. Зо­к­ре­ма, у ліво­му верх­нь­о­му кут­ку по­ка­за­но од­ну із кількох де­сятків стан­дарт­них міше­ней, які ви­ко­ри­с­то­ву­ва­ли роз­роб­ни­ки для відпра­цю­ван­ня цілі для ро­бо­ти «мо­ло­та». Су­дя­чи із са­мої мішені, ро­бот бу­де «ціли­ти­ся» або в стеб­ло бур’яну, або в центр йо­го суцвіття, щоб ви­клю­чи­ти по­мил­ки уда­ру по са­мо­му ли­с­тю бур’яну. Зверніть ува­гу, що на мішені зо­б­ра­же­но ви­пад­ко­во роз­та­шо­вані білі крап­ки, імовірно, во­ни і да­ють «засвічен­ня» під час зйом­ки вузь­ко­ку­то­вою ка­ме­рою із ви­со­кою роз­дільною здатністю. Роз­роб­ни­ки та­ким чи­ном пра­цю­ють із різни­ми за ко­ль­о­ром і бу­до­вою бур’яна­ми, у яких не­од­на­ко­ва ко­ль­о­ро­ва га­ма за стеб­лом і па­ро­ст­ка­ми.

У пра­во­му верх­нь­о­му куті ка­ме­ра так зва­но­го за­пи­су на­жи­во маніпу­ляцій ро­бо­та. На фо­то, замість «мо­ло­та», по­ка­за­но тех­но­логічний фен, який стру­ме­нем повітря зду­вав мішені. На етапі на­ла­го­д­жен­ня роз­роб­ни­ки вва­жа­ли цей варіант прий­нят­ним з точ­ки зо­ру еко­номії. У ліво­му ниж­нь­о­му кут­ку — он-лайн на­ла­го­д­жен­ня ро­бо­ти сер­во­ме­ханізмів. Це вікно по­ка­зу­ва­ло на­ко­пи­чен­ня го­ри­зон­таль­них і вер­ти­каль­них по­ми­лок: різкі діаго­нальні лінії оз­на­ча­ють ски­дан­ня цих по­ми­лок після відпра­цю­ван­ня «мо­ло­та» по кожній мішені. І на­решті — в пра­во­му ниж­нь­о­му кут­ку по­да­но кар­тин­ку дії ма­шин­но­го «зо­ру» ро­бо­та. Тоб­то ви­яв­лен­ня, су­провід і відпра­цю­ван­ня кож­ної мішені, яку ба­чить ка­ме­ра із ви­со­кою роздільною здатністю. Зви­чай­но, зро­зуміти, як пра­цює «мо­зок» ро­бо­та що­до аналізу та се­лекції цілей, ви­хо­дя­чи тільки з од­но­го ри­сун­ка, про­бле­ма­тич­но. Од­нак за­галь­на схе­ма ро­бо­ти зро­зуміла: під час про­ве­ден­ня зйом­ки ка­ме­рою відбу­вається за­галь­ний аналіз «кар­тин­ки» на пред­мет іден­тифікації бур’янів за пев­ни­ми оз­на­ка­ми: їхньою фор­мою, бу­до­вою, за­барв­лен­ням, — які за­кла­де­но в пам’ять комп’юте­ра. Після цьо­го ро­бот бу­дує ма­т­ри­цю цілей та аналізує колірні ха­рак­те­ри­с­ти­ки бур’я­нів, потім ак­ти­вує «мо­лот» і за­дає па­ра­ме­т­ри цілі для йо­го ро­бо­ти (місце роз­та­шу­ван­ня цільо­во­го об’єкта та на­хил), і зре­ш­тою ос­танній про­во­дить удар по мішені. Ціка­ва і по­ки не зро­зуміла ме­то­ди­ка пе­ре­не­сен­ня ко­ор­ди­нат із «кар­тин­ки» в пам’яті комп’юте­ра на ре­аль­ну ро­бо­чу зо­ну «мо­ло­та». Ад­же во­ни різні за своєю сут­тю: пла­с­ка «кар­тин­ка» у «моз­ку» ро­бо­та і нерівне та по­кри­те рос­ли­на­ми ро­бо­че по­ле. До то­го ж це сприй­нят­тя цілі відбу­вається під час ру­ху ро­бо­та, то­му на­ко­пи­чу­ють­ся по­мил­ки у ро­боті «мо­ло­та», які по­зна­ча­ють­ся, як уже бу­ло ска­за­но ви­ще, го­ри­зон­таль­ни­ми і вер­ти­каль­ни­ми зміщен­ня­ми, що, своєю чер­гою, зо­бов’язує ро­бо­та ко­рек­ту­ва­ти свої на­ла­ш­ту­ван­ня для за­без­пе­чен­ня адек­ват­ної ро­бо­ти сво­го удар­но­го інстру­мен­та.

На фо­то 6 пред­мет дов­га­с­тої фор­ми у вер­ти­каль­но­му зо­б­ра­женні — ро­бо­чий еле­мент «мо­ло­та» у мо­мент, ко­ли бур’ян (світліше зо­б­ра­жен­ня вни­зу знімка із дво­ма розміще­ни­ми по обид­ва бо­ки ли­ст­ка­ми) уже «за­би­то» у грунт. У мо­мент уда­ру по об’єкту (фо­то 6) на «мо­лот» мо­же на­лип­ну­ти во­ло­гий грунт, ча­ст­ки бур’яну то­що. Спо­чат­ку роз­роб­ни­ки виріши­ли зчи­ща­ти за­лиш­ки грун­ту і фраг­мен­ти рос­лин спеціаль­но закріпле­ни­ми на штанзі зніма­ча­ми, при цьо­му штир-«мо­лот» повністю вхо­див у спеціаль­ну нішу (її до­б­ре вид­но на фо­то 2, 3). Про­те зго­дом виріши­ли за­ли­ши­ти «мо­лот» у первісно­му ви­гляді, про­сто по­до­вжи­ли йо­го і підня­ли мо­дуль тро­хи ви­ще. Наскільки пра­виль­не це рішен­ня, по­ка­же час і прак­ти­ка за­сто­су­ван­ня при­ст­рою на фер­мах в ре­аль­них ро­бо­чих умо­вах.

Іде­о­логія відда­ле­ної (дис­танційної) фер­ми. Фірми «Ама­зо­не» і «Бош» після пре­зен­тації сільсько­го­с­по­дарсь­ко­го ро­бо­та приділи­ли ува­гу та­кож іде­о­логії ви­ко­ри­с­тан­ня та­ких при­ст­роїв. Обидві фірми роз­гля­да­ють сільське гос­по­дар­ст­во не­да­ле­ко­го май­бут­нь­о­го як інфор­маційний простір, який ма­ти­ме зво­рот­ний зв’язок із фер­ме­ром. Тоб­то ро­бот не тільки са­мостійно об­роб­ля­ти­ме грунт із рос­ли­на­ми, але і зби­ра­ти­ме інфор­мацію про стан рос­лин­но­го по­кри­ву та виз­на­ча­ти­ме аг­рохімічні ха­рак­те­ри­с­ти­ки грун­ту. Для цих цілей для ро­бо­та пе­ред­ба­че­но кілька змінних мо­дулів вузь­ко­на­прав­ле­но­го на­уко­во­го ха­рак­те­ру: для відбо­ру й аналізу грун­то­вих зразків, спе­к­т­раль­но­го аналізу фло­ри то­що. Ви­хо­дя­чи із но­мен­к­ла­ту­ри та кількості змінних мо­дулів, бу­де роз­роб­ле­но і станцію те­хоб­слу­го­ву­ван­ня для швид­кої зміни ос­танніх, яка роз­та­шо­ву­ва­ти­меть­ся по­бли­зу місця ро­бо­ти ро­ботів.

На пер­ших по­рах ро­бо­том ке­ру­ва­ти­ме дис­танційно опе­ра­тор. По­сту­по­во, із на­ко­пи­чен­ням баз да­них що­до об­роб­ки полів, логісти­ки та по­ряд­ку ви­ко­ри­с­тан­ня об­лад­нан­ня, ро­бот мо­же аб­со­лют­но са­мостійно про­во­ди­ти аг­ро­прий­о­ми, звіту­ю­чи про їхнє ви­ко­нан­ня дис­танційно — за до­по­мо­гою, на­при­клад, ме­режі Wi-Fi. У та­ко­му разі ро­бот не обов’яз­ко­во має зби­ра­ти і на­ко­пи­чу­ва­ти по­чат­кові дані — вся потрібна інфор­мація мо­же бу­ти за­кла­де­на у про­гра­му. По­бу­до­ва та­кої інфор­маційної ме­режі мож­ли­ва, на­при­клад, за уча­с­тю дро­на. Тоб­то спо­чат­ку про­во­дять об­сте­жу­валь­ний обліт те­ри­торії по­ля, скла­да­ють тех­но­логічну кар­ту, а після цьо­го за­ван­та­жу­ють її в про­гра­му ро­бо­та і ви­во­дять йо­го в по­ле. 

М. Солоха, ст. наук. співробітник, 
ННЦ «Інститут ґрунтознавства та агрохімії імені О.Н. Соколовського»

Інформація для цитування

Ви­ко­ри­с­тан­ня ро­ботів у сільському господарстві / М. Солоха // Пропозиція. — 2016. — №7 —  С. 174-177