Селскостопански роботи

Бъдещето на земеделието

Роботизираният свят на селскостопанска техника без водач се придвижи една стъпка по-близо до началото на реалните земеделски операции, използвайки автономни превозни средства. Този ход е една от най-големите стъпки в състезанието от страна на големите световни компании производители на машини да бъдат първите, които ще пуснат истински роботизирана серия от комерсиални селскостопански машини.
Основната област на приложение на роботите в селското стопанство днес е на етап събиране на реколтата. Нарастващите приложения на роботите в селското стопанство включват борба с плевелите, засаждане на семена, събиране на реколтата, мониторинг на околната среда и анализ на почвата.
Тенденцията за автономно управление не се ограничава само до големите селскостопански машини. Има и интерес към по-малки трактори и селскостопански роботи, а някои работят в групи от по пет или повече.
По-малките машини са по-леки и намаляват уплътняването на почвата, решавайки проблем, който съществува днес при тежките трактори. Наличието на по-малки автоматизирани трактори може да доведе до увеличаване на приходите на фермерите с повече от 10% и да намали разходите за труд на земеделските производители, увеличавайки добивите.

Роботите за събиране на плодове, тракторите/пръскачките без водачи и роботите за стригане на овце са предназначени да заменят човешкия труд. В повечето случаи трябва да се имат предвид много фактори (например размера и цвета на плодовете, които трябва да се прибират) преди началото на дадена задача. Роботите могат да бъдат използвани и за други градинарски задачи като подрязване, плевене, пръскане и мониторинг. Те са приложими и в животновъдството (роботика на добитъка) като автоматично доене, измиване и кастриране. Тези роботи имат много предимства за селското стопанство, включително по-високо качество на пресните продукти, по-ниски производствени разходи и намалена нужда от ръчен труд. Те могат да се използват и за автоматизиране на ръчни задачи, при които употребата на трактори и други превозни средства е твърде опасна за операторите.

История на роботиката в селското стопанство
Първото използване на роботи в селското стопанство може да бъде датирано още през 1920г., когато са започнали проучвания, включващи автоматичното насочване на превозните средства в селското стопанство. Тези изследвания са довели до внедряването на автономните селскостопански превозни средства през 50-те и 60-те години. Концепцията обаче не е била перфектна, защото машините все още са се нуждаели от кабелна система, за да направляват пътя си. Роботите в селското стопанство продължават да се развиват паралелно с технологиите в други сектори. Едва през 80-те години на миналия век, след навлизането на компютрите, става възможно управлението чрез машинно зрение.

Други разработки през годините включват събирането на портокали, използващи робот както във Франция, така и в САЩ.

Докато роботите са вградени в индустриални условия на закрито в продължение на десетилетия, външните роботи за използване в селското стопанство се считат за по-сложни и трудни за разработка. Това се дължи на опасения за безопасността и на сложността на събирането на култури, които са предмет на различни фактори на околната среда и непредсказуемост.

Търсенето на пазара
Фермерите често са принудени да оставят реколтата да гние поради невъзможността да я приберат цялата до края на сезона. Ето защо съществува голяма нужда да се подобри селскостопанската техника, за да стане по-икономична и жизнеспособна за продължителна употреба.

Роботите за прибиране на селскостопанската реколта са обещаваща нова земеделска технология, тъй като фермерите се борят с нарастващите разходи за труд, енергия и намаляваща рентабилност, но все още малко продукти са успели да достигнат до пазара. Повечето от използваните понастоящем от земеделските производители са местни, независими продукти или прототипи. Трудът е най-важното съображение за фермерите и това ще определи нивото на прилагане на тази технология на пазара. Като други причини за въвеждане на роботите земеделските производители посочват също спестяване на време и ефективност и гарантират, че прибирането на реколтата ще се случи навреме. Те обаче предпочитат да работят с една машина, която може да прибира няколко култури, но моделите, които навлизат на пазара в момента, са специфични за една култура.

Земеделските производители, които вече използват или предвиждат използването на роботи за прибиране на реколтата, варират според размера на стопанството и културите. Те разполагат с повече капитал и са изправени пред високи разходи за труд, създаващи по-силен стимул за алтернативи на човешкия труд.

Приложения на роботите в селското стопанство
Хранителната индустрия се революционизира чрез роботика и автоматизация. Според скорошен доклад през следващите пет години пазарът на селскостопански роботи се очаква да достигне 35 милиарда долара.

Традиционните селскостопански методи се борят да се справят с ефективността, изисквана от пазара. От друга страна, земеделските производители в развитите страни страдат от липса на работна сила. Нарастването на автоматизираното земеделие е опит за решаване на тези проблеми чрез използване на роботи и усъвършенствано наблюдение.

Отглеждане на разсадници
Разсадникът е мястото, където се отглеждат семена докато станат млади растения, които по-късно се засаждат навън. Налице е нарастваща нужда от автоматизация на разсадниците. Някои компании предоставят решения за автоматизация на засаждането, пресаждането и складирането на живите растения в оранжерии.

Сеитба на култури
Много хранителни растения започват живота си като семена на полето. Традиционният метод за засяване на семена е да се разпръснат с помощта на „разпръсквач“, прикрепен към трактор. Но по този начин в полето се хвърлят много семена, докато тракторът се движи със стабилно темпо. Това не е много ефективен метод за засаждане, тъй като е налице по-голям разход на семена.

Автономното прецизно сеене съчетава робот с географско картографиране. Създава се карта, която показва свойствата на почвата (качество, плътност и т.н.) във всяка точка на полето. Тракторът с роботизирано закрепване за засяване поставя семената на точни места и дълбочини, така че всяко едно от тях да има най-голям шанс за отглеждане.

Мониторинг и анализ на културите
Мониторингът на огромните полета на реколтата е значителна работа. Новите технологии за сензори и географско картографиране позволяват на земеделските производители да получат много по-високо ниво на данните за своите култури, отколкото в миналото. Наземните роботи осигуряват начин за събиране на тези данни автономно и осигуряват още по-подробно наблюдение, тъй като са в състояние да се доближат до културите. Някои от тях могат да се използват и за други задачи като плевене и торене.

Торене и напояване на културите
Напояването и торенето на културите традиционно използва много вода и е доста неефективно. Робот-асистирано прецизно напояване може да намали загубата на вода чрез насочване към конкретни растения. Наземните роботи се движат автономно между редовете на посевите и изливат вода директно в основата на всяко растение. Друго тяхно предимство е, че имат достъп до зони, където други машини не могат да достигнат. Например, производителите на царевица са изправени пред проблема, че растенията растат прекалено бързо, за да ги наторят надеждно.

Плевене и пръскане на културите
Пръскането с пестициди и унищожаването на плевелите в полето е не само разточително, но може и да навреди сериозно на околната среда. Роботите осигуряват много по-ефективен метод. Концепцията за микроразпръскване може значително да намали количеството хербицид. Микропръскащите роботи използват технология за компютърно зрение за откриване на плевелите и след това напръскват върху тях капка хербицид.

Някои роботи за плевели дори не се нуждаят от химикали. Те използват компютърно зрение за откриване на растенията, след това автоматично прескачат пространствата между растенията, за да изкоренят плевелите. Други роботи за плевели използват лазери, за да убиват плевелите.

Разреждане и подрязване
Разреждането включва намаляване гъстотата на растенията, така че да имат по-голям шанс за отглеждане, а подрязването е намаляване на части от растения, за да се подобри растежа им.

Разреждащият робот използва компютърно зрение за откриване на растенията, докато се движи над тях, и в същия момент решава кои растения да запази и кои да отстрани.

Подрязването е сложна работа и най-забележителните опити за автоматизирането є са във винопроизводството. Wall-Ye е автономен лозов робот, способен да реже гроздова лоза. Компанията също така е разработила робот за подрязване на боровинки.

Автономни трактори
Някои от роботите се прикачват към трактор. Тъй като обикновено хората управляват тракторите, роботите са проектирани да се приспособяват към скоростта, с която се движи машината. Въпреки това, напълно автономните трактори също стават популярни.

Съществува и нарастваща тенденция за автономия след лидера, където тракторите автономно следват комбайни, управлявани от хора, за да събират зърното.

Бране и събиране на реколтата
Събирането на култури като царевица, ечемик и пшеница е съвсем проста. Това може да се направи с комбайн, който да бъде автоматизиран точно като трактор. Обаче други култури, като меките плодове, са по-трудни за прибиране, тъй като те изискват ръчна сръчност.

Доене
Компанията GNE Farm Equipment използва колективни UR роботи за намаляване на разходите за труд при доенето на крави, което помага за справяне с проблема с недостиг на квалифицирани млекари. Cobot автоматизира трудоемкия процес на ръчно дезинфекциране на вимето на кравите преди и след като са били издоени и предлага драстични подобрения в сравнение с традиционните роботизирани подходи.

Изглежда сигурно, че роботиката ще продължи да революционизира селското стопанство и да промени начина, по който мислим за производството на храна.

Текущи приложения и тенденции
Голяма част от настоящите изследвания продължават да работят за автономни селскостопански превозни средства. Това изследване се основава на напредъка, постигнат в системите за подпомагане на водача и при самоуправляващите се трактори.

Докато роботите вече са включени в много области на селскостопанската ферма, те все още липсват в прибирането на реколтата от различни култури. Това започва да се променя, когато компаниите стартират разработката на роботи, които изпълняват по-конкретни задачи във фермата. Най-голямата загриженост за прибиране на реколтата от роботи идва от събирането на меки култури като ягоди, които лесно могат да бъдат повредени или пропуснати изцяло.

Друга цел, поставена от земеделските компании, е събирането на данни като начин за увеличаване на производителността в стопанствата.

Примери
Роботите имат много области на приложение в селското стопанство. Освен това роботите, които работят върху повтарящи се задачи, изпълняват ролята си последователно и логично.

HV-100 робот
Роботите HV-100 са проектирани за работа както в закрити, така и в открити среди, като обикновено се наблюдават в големи оранжерии и разсадници. Те са предназначени да намалят производствените разходи, както и да повишат общата производителност.

HV-100 роботите автоматизират задачата за раздалечаване на контейнерни растения, които са общи за търговията на дребно в разсадници и оранжерии. Когато растенията са млади, те се намират в непосредствена близост едно до друго, за да се запазят ресурси като земя, вода и пестициди. Тъй като растенията растат, техните контейнери трябва да бъдат разположени на разстояние, за да позволят на растенията да развият еднаква и последователна корона.

See & Spray машина
Днес най-добрата практика е да се третират всички растения сякаш имат едни и същи нужди. See & Spray променя тази парадигма, като дава възможност на производителите да направят всяко индивидуално растение да порасне. Използвайки компютърно зрение и изкуствен интелект, тези интелигентни машини могат да откриват, идентифицират и вземат управленски решения за всяко едно растение на полето.

С нарастването на хербицидно-толерантните плевели, има все по-малко и по-малко ефективни решения. See & Spray прецизно пръска хербициди само когато е необходимо и с точно това, което е необходимо. По този начин на земеделските производители се дава нов метод за контрол и предотвратяване на устойчиви на хербициди плевели, като същевременно елиминират 90% от количествата хербициди, които производителите пръскат днес.

Робот за бране на ябълки с вакуум
Благодарение на стартиращата компания „Abundant Robotics“ фермерите на ябълкови градини ще могат да използват роботи вместо сезонни берачи. Роботът използва алгоритми за компютърно зрение, за да идентифицира и открие ябълките в дървото и вакуум, за да откъсне ябълките.

Ябълките изискват внимание при прибирането на реколтата. Роботът е проектиран да работи с прецизност при прибиране на реколтата и да съхранява ябълките. Прибирането се прави чрез гъвкав маркуч, а складирането се прави в едни и същи големи кутии, използвани от работниците.

Автономен робот за събиране на меки плодове
Ягодите са деликатни плодове и изискват внимателно бране. Стартиращата компания Dogtooth Technologies създаде роботизирана ръка, която може да бере чувствителни плодове като ягоди. Роботът използва алгоритми за машинно зрение и планиране на движението, за да разпознае и да открие узрелите плодове, които трябва да се оберат.

За да се вземат по-добри решения за бране на плодовете, роботът се нуждае от алгоритми, способни да се научат, така че брането да се извършва с по-малко грешки. Снимките на плодовете се заснемат от няколко камери, които се движат нагоре и надолу за подробен изглед на културите. GPS системата, монтирана на роботната платформа, спомага за точно установяване на растения и производство на плодове. По този начин земеделският производител може да идентифицира най-продуктивната област, както и района с нисък добив.

Роботи за бране на плодове
Фирмата FFRobotics проектира и произвежда робот, способен да намали разходите на земеделските производители, като замени труда за прибиране на реколтата. FFrobot използва усъвършенствани алгоритми за обработка на изображения и алгоритми за събиране на плодовете от дървото. Алгоритмите за обработка на изображения могат да открият повредени, болни или неузрели плодове. Хващащата ръка може лесно да бъде модифицирана, за да бере различни видове плодове. Това прави робота достъпен за различни сезони за прибиране на реколтата.

SW 6010 за бране на ягоди
SW 6010 е първият автономен робот на пазара, способен да открива и събира ягоди.

Той има няколко мобилни рамена, които могат да идентифицират и оберат узрелите ягоди, анализират ги една по една и леко ги прибират, за да предотвратят повреждане на плодовете. Той може самостоятелно да се движи между редовете с ягоди, така че операторът да се справи с ягодите в кутии.

Робот за бране на чушки
В оранжериите много от труда трябва да се извършва ръчно. Но все по-малко хора са готови да работят тази трудна и монотонна работа. По проект на ЕС изследователи от Wageningen UR и международен екип са разработили прототип на робот за бране на чушки. Той търси зеленчуците, заснема триизмерни снимки, оценява техните цвят и форма и откъсва само онези, които отговарят на изискванията. Дори през нощта и когато е горещо, роботът върши своята работа.

Робот за цитрусова реколта
Компанията Energid разработи роботизирана система за прибиране на цитрусови плодове с разходи, сравними с тези на човешкия труд. За да се постигне това, тя използва множество евтини механизми за бране, организирани в мрежа. Мрежовите механизми за бране са прости, с две степени на свобода, всеки за целева и една степен на свобода в разширение. Разширяващите се части на механизмите за бране нямат задвижващи механизми и датчици, което ги прави здрави, лесни за производство и лесни за смяна. Организирането на механизмите за събиране в мрежа позволява на камерите, използвани за локализиране на плодове за бране, да бъдат организирани в интегрирана мрежа, здраво прикрепена към носещата конструкция.

Вече има ясна необходимост от разполагане на роботи в земеделските стопанства, като се има предвид стремежът за увеличаване производството на храни и устойчивостта. Понастоящем се разработва технология, която ще позволи автоматизирането на отделни задачи и ще даде възможност на земеделските стопани да изпълняват операциите по задоволителен и ефективен начин. Роботите ще трябва да бъдат бързи, точни, 100% успешни и рентабилни преди да станат масова практика във фермите.

Но има тенденция към сътрудничество между хората и роботите. С един или повече роботи, които вършат (част от) работата, докато са под наблюдение, инструктирани от човек или работят съвместно с човек. Това може да подобри приемането и осъществимостта на технологията за роботи в по-трудните задачи в селското стопанство.