Jak mohou autonomní vozidla zlepšit udržitelnost a produktivitu v zemědělství

Autonomní traktory, drony a roboti pro sázení semen, plení a sklizeň představují několik vyvíjených technologií, které změní zemědělství a pomohou zmírnit nedostatek potravin zlepšením udržitelnosti a produktivity zemědělských činností. Autonomní vozidla všech typů osvobozují lidi od řízení traktorů a jiných strojů, což jim umožní vykonávat činnosti s vyšší přidanou hodnotou. Patří mezi ně zavádění přesného zemědělství, které zvyšuje výnosy, snižuje negativní dopady na životní prostředí a zlepšuje udržitelnost zemědělských operací řešením problémů souvisejících s nedostatkem vody, pracovních sil a dalšími omezeními.

Zatímco drony a zemědělské roboty představují nové systémy vyvíjené a nasazované od nuly, traktory mají jiný charakter. Existuje již velká instalovaná základna traktorů, které mívají dlouhou provozní životnost. Výsledkem je skutečnost, že kromě vývoje plně automatizovaných nových zařízení budou stávající traktory dovybaveny elektrickými pohony a modernizovány digitálními systémy pro specifické účely, takzvanými „digitálními traktorovými připojenými zařízeními“.

Tento článek se zabývá vývojem digitálních traktorových připojených zařízení a rodících se elektrických traktorů (e-traktorů). Zkoumá výzvy při nasazování autonomních traktorů zabývá se využitím dronů, senzorů na traktorech a AI a M v přesném zemědělství. Zkoumá také některé technologie potřebné k realizaci vývoje autonomních zemědělských vozidel a způsob, jakým může rozsáhlý systém nabídky produktů společnosti DigiKey včetně strojového vidění, motorů a ovládacích prvků, měničů energie, senzorů a spínačů, kabelových a bezdrátových komunikačních rozhraní a řady signálových a napájecích kabelů a konektorů konstruktérům pomoci urychlit vývojové procesy. Článek je zakončen krátkým pohledem do budoucnosti, kdy budou plně autonomní farmy řízeny sofistikovanými operačními systémy schopnými spravovat smíšené vozové parky včetně autonomní i standardní zemědělské techniky s cílem maximalizace produktivity a udržitelnosti.

Zemědělská připojená zařízení nastupují na systém ISObus

Podobně jako koncepce Industry 4.0 směřuje i zemědělství k používání inteligentních a propojených strojů. Zde přichází na řadu sériová datová sběrnice pro traktory a zemědělské/lesnické stroje 11783 podle normy International Standards Organization (ISO). V zemědělství se jednoduše nazývá ISObus. Je založena na protokolu J1939 Society of Automotive (SAE) zahrnujícím sběrnici CAN (Control Area Network) a byla optimalizován pro zemědělské aplikace. Protokol ISObus je aktivně propagován nadací Agricultural Industry Electronics Foundation, která koordinuje rozšířené certifikační zkoušky pro normu ISO 11783.

Před protokolem ISObus používali farmáři traktory s patentovanými řídicími systémy, které omezovaly flexibilitu, výkon a interoperabilitu. Systém ISObus obsahuje standardizované konektory, komunikační protokoly a provozní směrnice a umožňuje vývoj vzájemně propojených senzorových a řídicích systémů od různých výrobců (obrázek 1). Systém ISObus také podporuje elektrifikaci traktorových připojených zařízení včetně elektricky poháněných mechanických vývodových hřídelů (PTO) a vysokonapěťových konektorů dimenzovaných na napětí až 700 V a výkon 100 kW pro napájení elektricky poháněných připojených zařízení.

Obrázek 1: protokol ISObus podporuje integraci senzorů a připojených zařízení od různých výrobců do systému plug-and-play. (Zdroj obrázku: Armin Weigel/dpa (foto: Armin Weigel/picture alliance prostřednictvím Getty Images)

Vyvíjí se standard ISObus, aby mohl být nasazen systém řízení připojených zařízení traktoru (TIM). Pokročilá verze systému ISObus podle představ umožní zařízením poskytovat traktoru zpětnou vazbu a podporovat optimalizaci kombinovaného systému traktor/připojené zařízení. Umožní také vyšší úroveň integrace senzorů na připojená zařízení s podporou přesného zemědělství. Traktor bude poskytovat informace o poloze a kombinovaný systém bude nepřetržitě shromažďovat údaje o půdě a podmínkách plodin. S podrobnějšími poznatky lze zvýšit výnosy a udržitelnost.

e-traktory, modernizace a autonomní traktory

Kromě pokračujícího vývoje standardu ISObus bude elektrifikace traktorů důležitá pro budoucí nasazení autonomních vozidel a zvýšení udržitelnosti zemědělství. Základním hlediskem je snížení emisí. Čtvrtina světových emisí skleníkových plynů pochází ze zemědělství a s ním souvisejících činností, přičemž z hlediska emisí se jeden traktor rovná 14 automobilům.¹

Začínají se objevovat e-traktory. Kromě snížení emisí mohou elektrické traktory výrazně snížit náklady na palivo. Elektrické traktory jsou v současné době omezeny na menší modely, protože velké, vysoce výkonné elektrické traktory vyžadují akumulátorové bloky o rozměrech přesahujících velikost konvenčních traktorů, které by nahradily. Velké elektrické traktory také váží více, což vede ke zvýšenému zhutňování půdy, což je nežádoucí. Konečně, nabíjecí doby pro velké akumulátory jsou příliš dlouhé na to, aby byly praktické v zemědělském provozu. Již se testují menší e-traktory s motory o výkonu 25 až 70 koní (HP), tedy kolem 18,6 až 52 kW, a malé akumulátorové bloky. Elektrifikace traktoru znamená více než jen hnací ústrojí. Jedná se také o výměnu hydrauliky pro pohon a ovládání připojených zařízení (obrázek 2).

Obrázek 2: Malé elektrické traktory s motory o výkonu 25 až 70 HP jsou testovány a připravovány k nasazení. (Zdroj obrázku: foto od brizmaker prostřednictvím Getty Images)

Pro větší traktory jsou k dispozici hybridní modernizační soupravy. Jedna společnost například nabízí soupravy s generátorem o výkonu 250 kW, který lze připojit ke stávajícímu spalovacímu motoru traktoru místo hydraulického čerpadla. Souprava také obsahuje čtyři elektromotory, které nahrazují hydraulický systém pohonu, a elektrický převod pro pohon stávajících připojených zařízení. Nahrazením hydraulických systémů snižuje modernizační souprava náklady na palivo a údržbu a zvyšuje dostupnost a spolehlivost hybridního elektrického traktoru.

Stejně jako zavádění autonomních automobilů a nákladních vozidel, čelí nejisté budoucnosti i nasazení autonomních tahačů. Současné předpisy ve státě Kalifornie například požadují, aby „veškerá samohybná zařízení měla u ovládacích prvků přítomného operátora, pokud jsou v pohybu poháněném vlastní energií.“ Plná autonomie bude muset počkat.

Létání nad poli

Drony se v současnosti používají pro širokou škálu úkolů v zemědělství. Příklady:

• Zobrazování zdraví rostlin. Drony do značné míry nahradily satelitní snímky pro sledování zdraví plodin. Drony, vybavené zobrazovacím zařízením podporujícím normalizovaný diferenční vegetační index (NDVI), poskytují detailní barevné snímky, které lze použít ke sledování zdraví rostlin. Zatímco načítání satelitních snímků trvá delší dobu a může narušit přesnost měření, drony mohou zajistit milimetrovou přesnost snímků a podporovat vysoce cílenou identifikaci chorob, škůdců nebo jiných problémů v reálném čase.
• Monitorování podmínek v terénu. Drony také monitorují půdní a odtokové poměry na celých polích. To může umožnit účinnější a udržitelnější zavlažovací programy.
• Výsadba. Automatizované dronové secí stroje jsou běžné v lesnictví a jejich použití se rozšiřuje do všeobecného zemědělství. Drony mohou rychle zasadit stromy nebo semena a účinněji proniknout do nepřístupných oblastí. Například tým dvou operátorů ovládajících více dronů může za den vysadit 400 000 stromů.
• Postřikové aplikace. Použití dronů k aplikaci postřiků hnojiv a pesticidů je nově vznikající aplikací, jejíž použití se liší podle regionu (obrázek 3). Například v Jižní Koreji se drony používají pro zhruba 30 % zemědělských postřiků. Naopak v Kanadě není používání dronů pro zemědělské postřiky legální. V USA vyžaduje postřikování pomocí dronů licenci a certifikaci podle nařízení Federálního úřadu pro letectví (FAA) a ministerstev zemědělství, obchodu a dopravy.

Obrázek 3: byly vyvinuty velké drony, které lze používat k aplikaci postřiků hnojivy a pesticidy. (Obrázek: Foto od baranozdemira prostřednictvím Getty Images)

Přesnost produkuje více za méně

Ještě před realizací autonomních traktorů se očekává, že drony a elektrifikace traktorů a připojených zařízení povedou k podpoře přesného zemědělství a zvýšení udržitelnosti.

Podle studie Asociace výrobců [zemědělských] zařízení (AEM) může použití přesného zemědělství vést ke 4% nárůstu produkce plodin, 7% zvýšení účinnosti aplikace hnojiv, 9% snížení používání herbicidů a pesticidů, a 6% snížení spotřeby fosilních paliv². Přesným zavlažováním lze navíc snížit spotřebu vody o 4 %.

Tyto údaje jsou založeny na současné technologii. Po přidání propojených systémů a umělé inteligence (AI) se očekává, že se tato vylepšení znásobí. Přidání strojového učení (ML) pro údržbu zařízení poskytuje další úspory a zlepšení udržitelnosti.

Podle asociace AEM se očekává, že autonomní zemědělská zařízení povedou k přírůstkovému zlepšení o 24 %, při zohlednění jak úspor na vstupech, tak i zlepšení výnosů. Významným faktorem tohoto zlepšení je předpoklad, že autonomní stroje budou lehčí než zařízení, která nahrazují, což povede k menšímu zhutnění a zlepšení půdních podmínek.

AI a ML budou také rozhodující pro vývoj přesných strojů optimalizovaných pro konkrétní úkoly. Jednoúčelové stroje mohou být ještě menší než traktory pro všeobecné použití. Vyvíjejí se například stroje pro malé úlohy sběru plodin, kde je vyžadováno strojové vidění, jemný dotek a přesná zručnost.

Kontrola plevele je další oblastí, kde se očekává významné přispění strojů AI a ML specifických pro daný úkol. Regulace plevele je obtížná, náročná na práci, a pokud není prováděna efektivně, přispívá k využití většího množství vody a vyčerpání půdních živin. Střídání plodin je částečné řešení, ale nemůže eliminovat potřebu herbicidů nebo ručního hubení plevele. Testují se roboti pro správu plevele, kteří kombinují strojové vidění s AI a ML. Tyto malé stroje také minimalizují zhutňování půdy (obrázek 4).

Obrázek 4: příklad autonomních sklizňových robotů, které kombinují strojové vidění s AI a ML. (Zdroj obrázku: foto onurdongel prostřednictvím Getty Images)

Farm OS a flotily autonomních zařízení

Zemědělský průmysl se dívá do budoucnosti, kdy budou plně autonomní farmy řízeny sofistikovaným operačním systémem (OS) schopným spravovat kombinované flotily včetně autonomního i standardního zemědělského vybavení, jakož i pozemní stroje a drony s cílem maximalizace produktivity a udržitelnosti. (obrázek 5). Tyto flotily zemědělského vybavení budou provozovány v koordinaci, aby pomohly kontrolovat kapitálové výdaje, minimalizovaly potřebu pracovní síly a poskytovaly velkoobjemová data nezbytná pro autonomní provoz a přesné zemědělství. Kromě toho bude zemědělský operační systém budoucnosti standardizován a optimalizován tak, aby podporoval širokou škálu zařízení od mnoha dodavatelů. Přijetí protokolu ISObus je pouze prvním krokem k otevřenému a standardizovanému přístupu k automatizaci farmy.

Obrázek 5: skupiny koordinovaných pozemních a létajících autonomních zemědělských strojů povedou k vyšší úrovni udržitelnosti. (Zdroj obrázku: Ilustrace Scharfsinn86 prostřednictvím Getty Images)

Dalšími výhodami očekávanými od navrhovaného zemědělského operačního systému jsou snížené emise CO2, nižší spotřeba paliva a optimalizace nabíjení a správy baterií. Důležitou roli v budoucnosti zemědělství bude hrát také analýza velkoobjemových dat. Velké množství dat v reálném čase přímo z terénu bude využíváno k průběžnému trénování algoritmů AI a ML potřebných pro rozhodování, řízení a provozní plánování za účelem optimalizace přesného zemědělství.

Shrnutí

Vývoj autonomních zemědělských vozidel a udržitelné přesné zemědělství je stále v počátcích. Toto odvětví se vydalo cestou protokolu ISObus. Příští generace protokolu ISObus bude podporovat zvýšenou interoperabilitu a pomůže vést ke složitějším a propojenějším flotilám zemědělské techniky. Cílem je vývoj zemědělského OS, který dokáže tyto flotily farmářské techniky pomocí algoritmů AI a ML zkombinovat s velkoobjemovými daty ze senzorů v reálném čase a nasadit je jako formace koordinovaných pozemních a létajících strojů produkujících vysokou úroveň udržitelnosti a produktivity.

1. Autonomní traktory s robotickým mozkem se chystají převzít farmu, Autoweek
2. Kvantifikace ekologických přínosů přesného zemědělství, AEM