Automatyka w maszynach rolniczych na przykładzie autonomicznego robota polowego

Maszyny mobilne nieporuszające się po drogach obejmują szeroki zakres użytkowy poza drogami. Są niejednokrotnie ważnymi elementami w wielu branżach podczas wykonywania specjalistycznych zadań. W budownictwie używane do prac ziemnych i transportu materiałów, w rolnictwie do uprawy i zbiorów, a w leśnictwie do wycinki i transportu drewna. Mogą to być np.maszyny budowlane (koparki, ładowarki, spycharki itp.) czy maszyny rolnicze (żniwiarki, kultywatory itp.).

Są wyposażone w zaawansowane technologie, takie jak systemy GPS, telematyka, automatyzacja i elektryfikacja, co zwiększa ich efektywność i zmniejsza wpływ na środowisko.

Warto wspomnieć, że w Unii Europejskiej podlegają regulacjom dotyczącym emisji zanieczyszczeń gazowych i pyłowych oraz homologacji typu silników spalinowych. Przykładem jest rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2016/1628, które określa wartości graniczne emisji oraz wymogi homologacyjne.

Maszyny mobilne – remedium na wzywania wielu branż

W rolnictwie, budownictwie, górnictwie i gospodarce komunalnej podejmowane są znaczne wysiłki na rzecz zwiększenia bezpieczeństwa i wydajności procesów operacyjnych oraz poprawy jakości przy użyciu maszyn mobilnych. Jednocześnie sektory te borykają się z niedoborem wykwalifikowanych specjalistów.

Aby osiągnąć te cele i przeciwdziałać niedoborom na rynku pracy, potrzeba jest ich szybkiej ewolucji. Stają się coraz bardziej inteligentne: ich funkcje są coraz częściej wykonywane autonomicznie lub półautonomicznie, a maszyny są połączone w sieć ze sobą i z chmurą.

Maszyny autonomiczne w rolnictwie

Pojazdy autonomiczne rewolucjonizują rolnictwo, otwierając drzwi do bardziej wydajnych, zrównoważonych i dochodowych praktyk. Dzięki nowoczesnym technologiom, takim jak samojezdne traktory, drony czy roboty zbierające plony, sektor ten staje się bardziej produktywny i lepiej przygotowany na wyzwania w przyszłości.

Jednym z najważniejszych efektów wprowadzenia autonomicznych pojazdów do rolnictwa jest znaczący wzrost wydajności pracy. Tradycyjne metody uprawy opierają się w dużej mierze na pracy ręcznej i maszynach obsługiwanych przez ludzi, co jest czasochłonne i podatne na błędy. Autonomiczne maszyny, wyposażone w zaawansowane systemy GPS, czujniki oraz algorytmy sztucznej inteligencji, precyzyjnie wykonują takie zadania jak orka, sadzenie czy zbiory. Dzięki temu ograniczają straty, redukują koszty pracy i minimalizują wpływ błędów ludzkich.

Technologia autonomiczna wspiera również zrównoważony rozwój w rolnictwie. Precyzyjne narzędzia, takie jak drony monitorujące uprawy, pozwalają rolnikom optymalnie zarządzać wodą, nawozami i środkami ochrony roślin. Wykorzystanie dokładnych danych pozwala na ograniczenie zużycia zasobów naturalnych, zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych i ochronę gleby przed degradacją.

Autonomiczny robot polowy – made in Poland

Polski Robot to kompleksowe narzędzie do uprawy kukurydzy. Składa się trzech modułów roboczych: precyzyjnego siewnika punktowego, opryskiwacza oraz pielnika mechanicznego połączonego z selektywnym aplikatorem nawozów i środków ochrony roślin. Został stworzony przez konsorcjum złożone z dwóch instytutów Sieci Badawczej Łukasiewicz – Poznańskiego Instytutu Technologicznego i Instytutu Lotnictwa oraz firmy Unia.

Do automatyzacji robota wykorzystano oprogramowanie Automation Studio oraz sterownik firmy B&R, dedykowany do trudnych warunków atmosferycznych i polowych. Sterownik wspiera protokół komunikacyjny ISOBUS, który służy do komunikacji między różnymi urządzeniami maszyn rolniczych – m. in. traktorem, czujnikami, panelami sterowniczymi, sterownikami.

Pojazd wykorzystuje najnowsze rozwiązania technologiczne i sztuczną inteligencję. Sam sieje, pieli, prowadzi opryski i dozuje środki ochrony roślin oraz nawozy. Rozpoznaje rośliny i tworzy mapę plonów. I co najważniejsze niebawem pojawi się na rynku.

Fot. Łukasiewicz – Instytu Badawczy

Jak pracuje autonomiczny robot polowy?

Zanim robot zacznie pracować na polu, trzeba je dokładnie zmierzyć, tak by znał swój obszar roboczy i wiedział, jakich granic nie może przekroczyć. Do jego komputera wgrywa się plan pracy i zawozi się robota na pole. Nie jest on mały – ma 4,5 m długości, 2,8 m szerokości i 3 m wysokości.

Pierwszą czynnością, jaką na polu robi robot, jest wysianie kukurydzy. Jego punktowy siewnik sterowany jest za pomocą komputera pracującego w standardzie Isobus. Pozwala to na wysianie nasion z bardzo dużą dokładnością i daje pewność, że wszystkie zostały wykorzystane.

Gdy kukurydza wykiełkuje, robot dba o jej bezpieczny i niezakłócony wzrost. Przede wszystkim pieli chwasty, zarówno w rzędach, jak i pomiędzy nimi. Aby rozpoznać, co jest chwastem, a co kukurydzą, wykorzystuje kamery i wyuczone algorytmy sztucznej inteligencji. Potrafi również ocenić stopień zachwaszczenia. Oprócz pielenia selektywnie aplikuje nawozy i środki ochrony roślin. W trakcie pracy tworzy mapę potrzeb nawozowych i zasobności gleby w składniki mineralne, dlatego może dostosować dawkę nawozu do danej rośliny. Zabieg aplikacji ŚOR może być połączony z pieleniem mechanicznym.

Kiedy kukurydza osiągnie wysokość 50-60 cm, nie pieli się jej już w sposób mechaniczny. Wtedy robot wykorzystuje swój moduł opryskiwacza. Zmienia szerokość rozstawu kół, zwiększa wysokość i z dodatkową belką opryskiwacza może prowadzić opryski 15 rzędów kukurydzy jednocześnie.

Wszystkie prace wykonuje automatycznie, ale ma też możliwość zdalnego sterowania.

Posłuchaj więcej o robocie w podcaście:

Zaawansowane technologie

Maszyna nie byłaby tak skuteczna, gdyby przez cały czas nie zbierała i nie przetwarzała danych. Zaopatrzona jest w sieć sensorów – rozmaitych kamer i czujników wielospektralnych – które dostarczają robotowi informacje m.in. o zasobności i wilgotności gleby, kondycji roślin, ich potrzebach nawozowych, dane środowiskowe (np. temperatura i wilgotność otoczenia).

Rozpoznaje też przeszkody. Gdy np. gdy na polu pojawi się zwierzę lub człowiek, wydaje sygnał świetlny i dźwiękowy. Gdy to nie skutkuje – zatrzymuje się i wysyła informację do swojego operatora.

Kiedy wyjedzie na pole?

Jest to pierwsza tego typu maszyna na polskim rynku. Prace nad jej stworzeniem trwały ponad trzy lata. Może być wykorzystywana zarówno w dużych, jak i małych gospodarstwach. Także ekologicznych, bo robot pozwala na zmniejszenie dawek nawozów i środków ochrony roślin.

„Polski Robot jest odpowiedzią na problem braku rąk do pracy w rolnictwie, z drugiej – na konieczność przejścia na bardziej ekologiczne formy produkcji rolnej”, tłumaczy dr inż. Jacek Wojciechowski z Łukasiewicz – PIT, zarządzający zespołem konstruktorów Polskiego robota. „Rolnicy będą coraz bardziej potrzebowali wydajnych narzędzi, które równocześnie zmniejszą nakład pracy ludzkiej, koszty, a przede wszystkim – niekorzystny wpływ na środowisko. I taki jest nasz robot”, dodaje.

Rola automatyzacji w maszynach mobilnych

Aby urządzenia rolnicze mogły wykonywać wszystkie te prace w sposób autonomiczny, muszą pozyskiwać dane z różnych czujników. Moc obliczeniowa jest bardzo ważnym wymogiem w przypadku każdej autonomicznej maszyny. Tu niestety nie wystarczą standardowe systemy sterowania, takie jak są używane do automatyzacji maszyn produkcyjnych.

Niezwykle ważne w procesie rozwoju projektu, jest intuicyjne środowisko programistyczne. Dzięki zastosowaniu Automation Studio i gotowych rozwiązań software’owych, szybko możemy wprowadzić produkt na rynek. Z drugiej strony jego otwartość pozwala na samodzielną implementację zaawansowanych algorytmów sterujących.

Jeśli autonomicznemu ciągnikowi umożliwi się dostęp do danych, na przykład ze stacji pogodowych, będzie on w stanie określić, kiedy będą najlepsze warunki do wykonania danego zadania. W przypadku niekorzystnej zmiany pogody może się automatycznie zatrzymać i wrócić do pracy, gdy sytuacja się poprawi.

W celu zapewnienia mocy obliczeniowej potrzebnej do analizy i prowadzenia autonomicznych procesów, firma B&R oferuje specjalnie zaprojektowany komputer do maszyn mobilnych. Komputer ten posiada procesor Intel o szerokim zakresie skalowalności – od Celerona po Core i7. Technologia Intel zapewnia wysoką wydajność przy niskim zużyciu energii i optymalnej efektywności energetycznej.

Na rynku urządzeń przenośnych nie ma innego produktu, który oferuje taką moc obliczeniową i modułowość w kompaktowej formie komputera – zauważa Stephan Taxer, Global Industry Segment Manager

Automatyzacja maszyn rolniczych i autonomiczne roboty polowe pozwalają na osiągnięcie wysokiej precyzji w powtarzalnych czynnościach, eliminują i ułatwiają wykonywanie monotonnych, czasochłonnych i pracochłonnych zadań takich jak orka i odchwaszczanie, a także poprawiają wykorzystania zasobów. Zamiast rozpylać nawozy i pestycydy na powierzchni całego pola, można je aplikować bezpośrednio na rośliny uprawne. Wszystko to pozwala to rolnikom zwiększyć zbiory i obniżyć koszty, a beneficjentem jest także środowisko.

Podsumowanie

Współczesne rolnictwo to dynamicznie rozwijająca się dziedzina i jest to jeden z tych obszarów, gdzie maszyny mobilne i specjalistyczne pojazdy użytkowe stosuje się powszechnie.

Obecne wyzwania i dążenie do maksymalnej wydajności i opłacalności gospodarstwa skutkuje tym, że rolnicy muszą uzyskać większe plony z mniejszej liczby hektarów, a jednocześnie zmagają się z problemem znalezienia wystarczającej ilości wykwalifikowanej siły roboczej. Ponadto, współczesne rolnictwo staje też przed wyzwaniem wzięcia pod uwagę zrównoważonego rozwoju i konieczność ochrony środowiska. Obejmuje to praktyki takie jak rolnictwo ekologiczne, minimalizacja użycia pestycydów i nawozów chemicznych oraz ochrona różnorodności biologicznej.

Rozwój technologii zdaje się być adekwatną odpowiedzią na te wszystkie wyzwania, a urządzenia autonomiczne już pojawiają się na polach.

Wprowadzenie tego typu maszyn nie tylko będzie wspierać efektywność na poziomie gospodarstw, ale także stymulować rozwój gospodarczy na szerszą skalę. Rozwój tej technologii wygeneruje nowe miejsca pracy w sektorach takich jak inżynieria, analiza danych czy serwisowanie urządzeń. Co więcej, zwiększenie plonów dzięki bardziej efektywnym procesom produkcyjnym może przyczynić się do poprawy bezpieczeństwa żywnościowego na świecie.

Można powiedzieć, że te pojazdy to nie tylko trend technologiczny, ale także odpowiedź na globalne wyzwania, takie jak wzrastające zapotrzebowanie na żywność, zmiany klimatyczne i ograniczona dostępność zasobów. Innowacje te kształtują nową rzeczywistość, w której rolnictwo staje się bardziej precyzyjne, przyjazne dla środowiska i odporne na zmieniające się warunki. A pojazdy autonomiczne są tą technologią, która przekształca tradycyjną pracę na roli w zaawansowany i inteligentny system produkcji.

W artykule wykorzystano materiały firmy Sieci Badawczej Łukasiewicz – Poznańskiego Instytutu Technologicznego i Instytutu Lotnictwa oraz firmy Unia.