Cum vor îmbunătăți vehiculele autonome sustenabilitatea și productivitatea în agricultură

Tractoarele autonome, dronele și roboții de plantare, plivire și recoltare a semințelor sunt câteva dintre tehnologiile în curs de dezvoltare care vor transforma agricultura și vor contribui la reducerea penuriei de alimente prin îmbunătățirea sustenabilității și productivității activităților agricole. Cu ajutorul vehiculelor autonome de toate tipurile, oamenii nu vor mai fi nevoiți să conducă tractoarele și alte utilaje, având posibilitatea să desfășoare mai multe activități cu valoare adăugată. Printre acestea se numără punerea în aplicare a agriculturii de precizie, care va crește randamentele, va reduce impactul negativ asupra mediului și va îmbunătăți sustenabilitatea operațiunilor agricole prin abordarea problemelor legate de deficitul de apă, de lipsa forței de muncă și de alte limitări.

În timp ce dronele și roboții agricoli reprezintă sisteme noi care sunt dezvoltate și implementate de la zero, tractoarele sunt diferite. Există deja o bază mare de tractoare instalate, iar acestea tind să aibă o durată de viață operațională lungă. Prin urmare, pe lângă dezvoltarea de noi modele complet automatizate, tractoarele existente vor fi modernizate cu motoare electrice și vor fi dotate cu sisteme digitale pentru scopuri specifice – așa-numitele „unelte digitale pentru tractoare”.

Acest articol analizează dezvoltarea uneltelor digitale pentru tractoare și a tractoarelor electrice emergente. În plus, analizează provocările legate de funcționarea tractoarelor autonome pe câmp și modul în care dronele, senzorii de pe tractoare, precum și inteligența artificială (AI) și învățarea automată (ML) sunt utilizate în agricultura de precizie. De asemenea, analizează unele dintre tehnologiile necesare pentru a realiza dezvoltarea vehiculelor agricole autonome și modul în care oferta extinsă de produse DigiKey, inclusiv sistemele automatizate de vedere, motoare și comenzi, convertoarele de putere, senzorii și întrerupătoarele, interfețele de comunicații cu și fără fir, precum și o gamă de cabluri și conectori de semnal și de putere pot ajuta proiectanții să accelereze procesele de dezvoltare. Articolul se încheie cu o scurtă privire în viitor, unde fermele complet autonome vor fi controlate de sisteme de operare sofisticate care pot gestiona flote mixte, incluzând atât echipamente agricole autonome, cât și standard, pentru a maximiza productivitatea și sustenabilitatea.

Uneltele agricole ajung pe ISObus

La fel ca și Industria 4.0, agricultura se îndreaptă spre utilizarea de utilaje inteligente și interconectate. Aici intervine standardul 11783 al Organizației Internaționale de Standardizare (ISO), magistrala de rețea de date seriale pentru tractoare și utilaje agricole și forestiere. În industria agricolă, acesta este denumit pur și simplu ISObus. Standardul se bazează pe protocolul Society of Automotive (SAE) J1939, care include magistrala CAN (Control Area Network) și a fost optimizat pentru aplicații agricole. ISObus este promovat în mod activ de Agricultural Industry Electronics Foundation, care lucrează la coordonarea testelor de certificare îmbunătățite pentru standardul ISO 11783.

Înainte de ISObus, fermierii aveau tractoare cu sisteme de control brevetate care limitau flexibilitatea, performanța și interoperabilitatea. ISObus include conectori, protocoale de comunicare și îndrumări operaționale standardizate și permite dezvoltarea sistemelor de senzori și de control interconectate de la diferiți producători (Figura 1). De asemenea, ISObus sprijină electrificarea uneltelor pentru tractoare, inclusiv a prizelor de putere (PTO) mecanice acționate electric și a conectorilor de înaltă tensiune cu valori nominale de până la 700 de volți (V) și 100 de kilowați (kW) pentru a alimenta uneltele acționate electric.

Figura 1: ISObus poate permite integrarea senzorilor și a uneltelor de la diverși producători într-un sistem plug-and-play. (Sursa imaginii: Armin Weigel/dpa (Fotografie de Armin Weigel/picture alliance de pe Getty Images)

ISObus evoluează spre dezvoltarea unui sistem de gestionare a uneltelor tractoarelor (TIM). Așa cum s-a preconizat, versiunea avansată a ISObus va permite uneltelor să ofere feedback tractorului, sprijinind optimizarea sistemului combinat tractor/unealtă. În plus, aceasta va permite niveluri mai ridicate de integrare a senzorilor pe uneltele care susțin agricultura de precizie. Tractorul va permite identificarea locației, iar sistemul combinat va colecta în permanență date despre condițiile solului și ale culturii. Datorită unor informații mai detaliate, atât randamentul, cât și sustenabilitatea pot fi sporite.

Tractoare electronice, modernizări și tractoare autonome

Pe lângă dezvoltarea continuă a ISObus, electrificarea tractoarelor va fi importantă și pentru implementarea viitoare a vehiculelor autonome și pentru creșterea sustenabilității agriculturii. Reducerea emisiilor este un aspect esențial. Un sfert din emisiile de gaze cu efect de seră la nivel mondial provin din agricultură și din activitățile legate de agricultură, iar un tractor produce emisii cât 14 mașini^.1

Încep să apară tractoarele electrice. Pe lângă reducerea emisiilor, tractoarele electrice pot reduce semnificativ costurile pentru combustibil. În prezent, tractoarele electrice sunt limitate la modelele mai mici, deoarece tractoarele electrice mari, de mare putere, necesită baterii mai mari decât tractorul convențional pe care l-ar înlocui. De asemenea, tractoarele electrice mari cântăresc mai mult, ceea ce duce la o compactare mai mare a solului, ceea ce nu este de dorit. În cele din urmă, timpii de încărcare a bateriilor de mari dimensiuni sunt prea lungi pentru a fi practici în cadrul unei operațiuni agricole. Se testează deja tractoare electrice mai mici, cu motoare de la 25 până la 70 de cai putere (CP), aproximativ de la 18,6 până la 52 kW și cu baterii de mici dimensiuni. Electrificarea tractoarelor implică mai mult decât sistemul de propulsie. Aici este vorba și despre înlocuirea sistemului hidraulic pentru acționarea și controlul uneltelor tractorului (Figura 2).

Figura 2: tractoarele electrice mici cu motoare de la 25 până la 70 CP sunt în curs de testare și pregătire pentru implementare. (Sursa imaginii: Fotografie de brizmaker de pe Getty Images)

Pentru tractoarele mai mari sunt disponibile kituri de modernizare hibridă. De exemplu, o companie oferă un kit cu un generator de 250 kW care poate fi atașat la motorul cu combustie internă existent al tractorului în locul pompei hidraulice. Kitul include și patru motoare electrice pentru înlocuirea sistemului de acționare hidraulică și o transmisie electrică pentru a alimenta uneltele existente. Prin înlocuirea sistemelor hidraulice, kitul de modernizare reduce costurile cu combustibilul și întreținerea, și sporește disponibilitatea și fiabilitatea tractorului electric hibrid.

La fel ca în cazul automobilelor și camioanelor autonome, viitorul implementării tractoarelor autonome este unul nedeterminat. De exemplu, reglementările în vigoare în California prevăd că „în toate echipamentele autopropulsate trebuie să existe un operator aflat la comenzile vehiculului, atunci când funcționează autonom”. Autonomia deplină va trebui să mai aștepte.

Zbor deasupra câmpurilor

Dronele sunt utilizate în prezent pentru o gamă largă de sarcini în agricultură. Printre exemple se numără:

• Imagistica sănătății plantelor. Dronele au înlocuit în mare măsură imaginile din satelit pentru monitorizarea sănătății culturilor. Echipate cu echipamente de imagistică Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), dronele oferă imagini color detaliate care pot fi utilizate pentru a monitoriza starea de sănătate a plantelor. În timp ce recuperarea imaginilor prin satelit durează mult timp, iar precizia oferită de aceste imagini este de ordinul metrilor, dronele pot furniza imagini cu precizie milimetrică și pot sprijini identificarea extrem de precisă a bolilor, a dăunătorilor sau a altor probleme în timp real.
• Monitorizarea condițiilor de pe teren. De asemenea, dronele monitorizează condițiile de sol și de drenaj pe câmpuri întregi. Acest lucru poate permite programe de udare mai eficiente și mai durabile.
• Plantare. Semănătorile automate cu dronă sunt obișnuite în industria forestieră, iar utilizarea lor se extinde și în agricultura generală. Dronele pot planta rapid copaci sau semințe și pot ajunge mai ușor în zone inaccesibile. De exemplu, o echipă de doi operatori care utilizează mai multe drone poate planta 400.000 de copaci pe zi.
• Aplicații de pulverizare. Utilizarea dronelor pentru aplicarea tratamentelor cu îngrășăminte și pesticide pulverizate este o aplicație emergentă a cărei utilizare variază în funcție de regiune (Figura 3). De exemplu, în Coreea de Sud, dronele sunt utilizate pentru aproximativ 30% din pulverizarea agricolă. Pe de altă parte, în Canada nu este legală utilizarea dronelor pentru pulverizarea agricolă. În Statele Unite, pulverizarea cu drona necesită licențe și certificări, solicitate de Administrația Federală a Aviației (FAA) și departamentele de stat pentru agricultură, afaceri și transporturi.

Figura 3: s-au dezvoltat drone de mari dimensiuni care pot fi utilizate pentru a aplica tratamente cu îngrășăminte și pesticide prin pulverizare. (Imagine: Fotografie de baranozdemir de pe Getty Images)

Precizia produce mai mult cu mai puțin

Chiar și înainte de realizarea tractoarelor autonome, se așteaptă ca dronele și electrificarea tractoarelor și a uneltelor pentru tractoare să sprijine agricultura de precizie și să sporească sustenabilitatea.

Conform unui studiu realizat de Asociația producătorilor de echipamente [agricole] (AEM), utilizarea agriculturii de precizie poate duce la o creștere de 4% a producției de culturi, la o creștere de 7% a eficienței utilizării îngrășămintelor, la o reducere de 9% a utilizării erbicidelor și pesticidelor și la o reducere de 6% a utilizării combustibililor fosili². În plus, consumul de apă poate fi redus cu 4% prin irigarea de precizie.

Aceste cifre se bazează pe tehnologia actuală. Odată cu adăugarea sistemelor conectate și a inteligenței artificiale (AI), se așteaptă ca aceste îmbunătățiri să crească. Adăugarea învățării automate (ML) pentru întreținerea echipamentelor oferă economii suplimentare și îmbunătățiri în ceea ce privește sustenabilitatea.

Conform AEM, se așteaptă ca echipamentele agricole autonome să ducă la o îmbunătățire suplimentară de 24% atunci când sunt luate în considerare atât economiile costurilor, cât și îmbunătățirile de randament. Un factor important în această îmbunătățire este presupunerea că utilajele autonome vor fi mai ușoare decât cele pe care le înlocuiesc, ceea ce va duce la o compactare mai mică a solului și la îmbunătățirea condițiilor de sol.

Inteligența artificială și învățarea automată vor fi, de asemenea, esențiale pentru dezvoltarea utilajelor de precizie optimizate pentru sarcini specifice. Utilajele pentru sarcini speciale pot fi chiar mai mici decât tractoarele de uz general. De exemplu, se dezvoltă utilaje pentru sarcini mici pentru recoltarea culturilor, care necesită vedere artificială, o atingere delicată și dexteritate precisă.

Combaterea buruienilor este un alt domeniu în care se așteaptă ca utilajele cu AI și ML specifice unei sarcini să contribuie semnificativ. Combaterea buruienilor este dificilă, necesită multă muncă și, dacă nu este pusă în aplicare în mod eficient, contribuie la utilizarea unei cantități mai mari de apă și la epuizarea nutrienților din sol. Rotația culturilor este o soluție parțială, dar nu poate elimina nevoia de erbicide sau de control manual al buruienilor. În prezent se testează roboți de gestionare a buruienilor care combină vederea artificială cu AI și ML. De asemenea, aceste utilaje mici reduc la minimum compactarea solului (Figura 4).

Figura 4: exemplu de roboți autonomi de recoltare care combină vederea artificială cu AI și ML. (Sursa imaginii: Fotografie de onurdongel de pe Getty Images)

Sistemul de operare al fermei și flotele de echipamente autonome

Industria agricolă se îndreaptă spre un viitor în care fermele complet autonome vor fi controlate de un sistem de operare (OS) sofisticat, capabil să gestioneze flote mixte, incluzând atât echipamente agricole autonome, cât și standard, plus utilaje terestre și drone, pentru a maximiza productivitatea și sustenabilitatea (Figura 5). Aceste flote de echipamente agricole vor fi exploatate în mod coordonat pentru a ajuta la controlul cheltuielilor de capital, pentru a minimiza necesarul de forță de muncă și pentru a furniza datele importante necesare pentru a permite executarea autonomă și agricultura de precizie. În plus, sistemul de operare al fermelor din viitor va fi standardizat și optimizat pentru a susține o gamă variată de echipamente de la numeroși furnizori. Adoptarea ISObus este doar primul pas către o abordare standardizată și cu sursă deschisă a automatizării fermei.

Figura 5: roiuri de utilaje agricole autonome coordonate la sol și în zbor vor duce la niveluri mai ridicate de sustenabilitate. (Sursa imaginii: Ilustrație de Scharfsinn86 de pe Getty Images)

Beneficiile suplimentare așteptate de la sistemul de operare propus pentru ferme includ reducerea emisiilor de CO2, scăderea consumului de combustibil și optimizarea încărcării și gestionării bateriilor. Analizele datelor importante vor avea, de asemenea, un rol semnificativ în viitorul agriculturii. Cantități mari de date în timp real, colectate direct de pe câmp, vor fi utilizate pentru a instrui în permanență algoritmii de AI și de ML necesari pentru luarea deciziilor, controlul și planificarea operațională în vederea optimizării agriculturii de precizie.

Rezumat

Dezvoltarea vehiculelor agricole autonome și a agriculturii sustenabile de precizie este încă la început. Industria a pornit pe această cale cu ISObus. Următoarea generație de ISObus va oferi o interoperabilitate sporită și va contribui la crearea unor flote de echipamente agricole mai complexe și mai interconectate. Scopul este dezvoltarea unui sistem de operare agricol care poate lua aceste flote de echipamente agricole, le poate combina cu date masive în timp real de la senzori, folosind algoritmi de AI și ML și le poate implementa ca formațiuni de utilaje coordonate la sol și în zbor, producând niveluri ridicate de sustenabilitate și productivitate.

1. Tractoarele autonome cu creiere robotizate vor prelua controlul asupra fermelor, Autoweek
2. Beneficiile cuantificate ale agriculturii de precizie asupra mediului înconjurător, AEM