Пълна роботизация на трактори и машини

В икономически развитите страни и региони като ЕС, САЩ и Япония селското стопанство се сблъсква с все по задълбочаващи се тенденции на намаляване и застаряване на заетите в този сектор. Дефицитът на кадри логично доведе до влагане в тракторите на най-съвременни технологии за насочване на по-неопитните оператори и автоматизиране на много функции. Но и това вече не е достатъчно. В последните 7-8 години все по-актуален става въпросът с роботизацията на тракторите и елиминиране на човешкия фактор, доколкото е възможно. В настоящият брой на списание Агробио Техника правим обзор на световните тенденции и достижения в сферата на пълната роботизация на селскостопенаските машини.

Текст: списание АгроБио Техника

Снимка: John Deere

Едно от най-сериозните предизвикателства, пред който днес е изправена Япония е свързано с наличието на кадри и работна ръка. По данни на японското Министерство на земеделието, горите и рибарството между 2005 и 2015 година броят на фермерите се е свил с 22%, а понастоящем средната им възраст е 67 години. Статистиката на министерството показва, че в 81% от инцидентите в селското стопанство, свързани с машини, участват фермери на възраст над 65 годишна възраст. Всички тези процеси водят до главния негативен ефект за японското земеделие - за последните 50 години производството на традиционни за Страната на изгряващото слънце култури като ориз и пшеница е спаднало с 32%.

Ето защо японските производители на трактори отдавна разработват трактори-роботи наричани също автономни трактори (т.е. движещи се без оператор), а през ключовата 2017г. стартираха и техните продажби в Япония. Тук трябва да отбележим нещо много важно, което за момента липсва в Европа и САЩ - на 31 март 2017г. японското министерство на земеделието, горите и рибарството публикува „Насоки за безопасност при работа с автономна селскостопанска техника“. Наличие на законодателство, което разрешава и регламентира действието на автономните трактори, комбайни и други подобни мобилни машини се оказва от ключово значение. Всъщност това е една от основните спирачки пред автономното земеделие в Европа и САЩ.

Японският подход

Най-напред трябва се отчете фактът, че в Япония се работи основно с малки, компактни трактори, което предопределя в голяма степен и големината на автономните машини - като цяло те са с мощност под 120к.с. Реално работещите днес трактори-роботи на външен вид изглеждат както конвенционалните, т.е. разполагат с операторска кабина, седалка и всички необходими уреди за ръчно и автоматизирано управление. Монтирана е система за навигация със сателитна връзка към GNSS, a в кабината има таблет със специализиран софтуер. Това позволява на трактора да се движи самостоятелно в полето по предварително зададен маршрут. Системата дава възможност един оператор да работи едновременно с два трактора в синхрон - с един конвенционален и един автономен трактор. Както се предполага, тракторът робот е оборудван с обезопасителни системи (камери и сензори за идентифициране на препятствия) в съответствие с насоките на японското министерство, за които вече стана въпрос. Това означава, че той може да работи самостоятелно - но под човешки надзор.

Тракторите роботи по правило разполагат с автоматизирани работни функции, както и с автоматизирано завиване, което означава, че те могат да се управляват и от оператори в зависимост от конкретните потребности, а и най-вече с цел по-голяма гъвкавост при използване на машините и максимално оползотворяване на техния ресурс. Естествено, тракторите роботи разполагат с телематична система, която постоянно събира и съхранява на сървър информация за местоположението, движението, работното и техническото състояние на машината. Анализирането на тази информация позволява вземането на по-информирани и правилни управленски решения за работата на целия машинопарк. С цел популяризиране на автономните трактори японските производители съвсем практично предлагат не само конкретни роботизирани модели, но и възможност за роботизация на конвенционални модели от съществуващата гама. На практика те предлагат „ъпгрейд“ с автоматизация и роботизация на модулен принцип, в т.ч. и на вече доставени и работещи трактори. 

Технологията отблизо

Системата за навигация със сателитна връзка към GNSS разполага с устройство RTK за прецизно позициониране (установяване на местоположението) на трактора в реално време, а инерционен модул със сензори за положение и ъглова скорост (IMU) спомага за коригиране на грешките при позиционирането. Така се постига базовото необходимо равнище на точност при позиционирането, което е важно за прецизното изпълнение на земеделските дейности. За максимална точност се използва и базова станция. Любопитен факт е, че една част от японските стопанства вече разполагат със собствени базови станции, предвид повсеместното използване на високи технологии. В допълнение японските производители на автономни трактори също предлагат малки преносими базови станции за фермери, които не разполагат с такива.

За да се постигне необходимият контрол върху автономната работа на трактора, е разработен алгоритъм, който се основава на различните настройки и информацията, постъпваща от системата за навигация и монтираните по машината сензори. Технологията позволява елиминиране на грешките в позиционирането, които често възникват заради контурите на земеделските площи и някои промени в работните условия. Ето защо придвижването на трактора по изцяло права линия, без никакво криволичене, е напълно постижимо. За да се осигури прецизност при завиването обаче, зоните за завои се определят отделно от тези за праволинеен ход. За всяка такава зона могат да се зададат различни скорости на придвижване и различни обороти на двигателя. Разработен е алгоритъм, който осигурява завиването на трактора на база на радиус на завиване и други предварително зададени настройки, гарантиращи плавно преминаване от праволинеен ход към завой и обратно, така че тракторът робот да навлезе в новия си праволинеен маршрут прецизно и без криволичене.

Разбира се, имайки реален опит от полето, японските производители постоянно усъвършенстват технологията. Една от иновациите, въведени през тази година е използването на многочестотна антена за по-бързо позициониране. Получавайки сигнали на три различни честоти от спътниковата система GNSS, този тип антена осигурява безопасно придвижване на трактора, дори ако сигналът на някоя от честотите прекъснал. Освен това времето за установяване на местоположение се намалява с 75%, което означава по-бързо започване на работа. Някои японски производители предлагат системи за прецизно позициониране дори без използване на базова станция.

Управление на автономния трактор

Както вече споменахме, в кабината на трактора робот има таблет с необходимия софтуер, който е така разработен, че да може да се ползва от фермерите лесно и интуитивно. Обикновено в паметта на таблета се зарежда карта на района с цел визуализация на местоположението на трактора и обработваната земя. Използват се различни менюта, като се прави еднократна регистрация на земята, която се обработва, настройки за използвания прикачен инвентар, маркиране на работната зона (тракторът най-напред обхожда границите й) и задаване на маршрута, който ще следва автономния трактор. Въвеждането на първоначално необходимата информация и регистрации могат успешно да се използват за автоматично генериране на маршрут, който е оптимален от гледна точка на границите на полето, още преди да започне автономната работа на трактора. Това улеснява използването на трактора робот, тъй като фермерът не е необходима ръчно да въвежда маршрут и други настройки. Цялата въведена и генерирана информация се запазва и може да се използва дистанционно благодарение на телематичната система под формата на работни доклади.

Безопасност при работа

По принцип таблетът в кабината може да се използва за стартиране и спиране на трактора робот. В зависимост от работните условия, чрез таблета могат да се променят настройките за скоростта на придвижване и оборотите на двигателя по време на работа. Обикновено автономните трактори се доставят с отделно дистанционно управление, на което има бутон за аварийно спиране - това е допълнителна обезопасителна мярка и алтернатива за спиране на машината, без да се използва таблета. Автономният трактор разчита също на допълнителен контролиращ алгоритъм, който може да изключи всички функции безопасно. Той се активира в случай, че тракторът „настъпи“ границата на регистрираната обработваема земя, ако се отклони от зададения маршрут (праволинеен и в завой) с повече от зададеното допустимо отклонение, или ако комуникацията между основните системи прекъсне. В името на сигурността се предпочита тракторът робот да разполага с вариаторна трансмисия, осигуряваща по-плавно и безопасно придвижване.

Отвън кабината на автономния трактор е оборудвана с камери, които показват на таблета изображения от зоните пред и зад машината, като същевременно покриват и всички точки на „мъртвата“ видимост. Обезопасителните системи включват също лазерен и ултразвуков сензори за откриване на препятствия около трактора. Обикновено се използва стандартен лазерен сензор, който се съчетава с алгоритъм, специално разработен за земеделски машини, гарантиращ, че тракторът може да работи безопасно в реални условия, без да спира излишно. Вместо да се „закове“ незабавно при идентифициране на препятствие, се задейства алгоритъм за забавяне, който контролира скоростта на придвижване на база на изчислено време за възможен сблъсък с препятствието.

Комбиниране на конвенционални и автономни трактори

Една от основните концепции в японското автономно селско стопанство за преодоляване на днешните предизвикателства, в т.ч. липсата на кадри, постигането на съществени икономии на човешки труд и мащабно земеделие, както и превръщането на бранша в по-атрактивен за младите, е възможността хора и роботи да извършват заедно земеделските дейности по лесен, прецизен и производителен начин. Смята се, че едновременното използване на роботи и конвенционални трактори с оператор е най-ефективният подход за това. Един от принципните варианти е трактор-робот и конвенционален трактор с оператор да изпълняват една и съща дейност едновременно, което означава, че един човек ще свърши два пъти повече работа. Освен това, ако операторът няма много опит, той може да работи прецизно по права линия, като следва маршрута на трактора робот и/или може да доработва зоните, които не се покриват от автономната машина.

Вторият принципен вариант е един оператор да изпълнява едновременно две дейности. Например тракторът робот минава първи с култиватор, а веднага зад него операторът с конвенционалния трактор извършва засяването. По този начин се повишава работната ефективност заради изпълнение на няколко дейности едновременно - значително се съкращава времето за цялостното извършване на работата, намалява се зависимостта от възможната промяна атмосферните условия и се повишава способността на фермерите да изпълняват всички земеделски дейности в най-подходящото време по определен график. Сигурно вече се питате колко ли струва един такъв трактор-робот. В момента в Япония автономните трактори се продават с 35-50% по-висока цена от аналогичните конвенционални модели.

Снимка: Kubota

В Европа и САЩ

Водещите европейски и американски производители на трактори също не закъсняха с разработки на автономни трактори. Но за разлика от практичните си японски си колеги, които вървят напред стъпка по стъпка, тези компании тръгнаха малко по-футуристично и разнопосочно по пътя на роботизацията. Още преди 5-6 години по световните изложения се появиха концептуални модели както с кабина, така и без. Междувременно по техническите панаири започнаха да се показват и автономни трактори с електрическо задвижване - това е резонно, защото то е по-леко от дизеловото и спомага за намаляване на утъпкването на почвата. Един от общите моменти при американските трактори роботи е, че се залага на доста големи машини с мощности от 400 до 700к.с., което е точно обратното на японския подход. Но това е лесно обяснимо, предвид факта, че в САЩ фермерите обработват огромни площи. Все пак има европейски фирми, роботизиращи свои модели с мощност около 100к.с.

Но действително дори и по-практичните американски и европейски производители, които предпочитат да монтират допълнително оборудване за роботизация на съществуващи конвенционални модели, изглежда, че сами си вдигат летвата твърде високо. От самото начало някои от лидерите на пазара заявиха, че автономният трактор ще може да се придвижва самостоятелно по частни или черни пътища, за да стигне до съответното поле, което ще се обработва. Машината ще бъде наблюдавана и контролирана от екран на компютър или таблет, независимо къде се намира фермерът. Той ще има достъп до управлението на трактора и прикачния инвентар, докато обикаля с пикапа си посевите за оглед, докато се грижи за животните си или от вкъщи, по всяко време. На екрана фермерът ще вижда от една страна план с маршрута на трактора и неговия напредък, а от друга, ще се показват на живо и в реално време изображенията от камерите, монтирани по машината (например две отпред и две отзад).

Отделно ще има меню за наблюдаване и въвеждане на промени в работните параметри на трактора и прикачния инвентар, в т.ч. обороти на двигателя, скорост на подаване на семената, сила на натиск на плуга и др. подобни. Предвиждат се и комбинативни варианти, като например трактор-робот със сеялка, който засява новата реколта веднага след комбайна. В този случай работата на автономния трактор може да се наблюдава и коригира от оператора на комбайна чрез отделен таблет в неговата кабина или от офиса на фермера.

Разбира се, за да изпълнява всички тези задачи, тракторът робот трябва да разполага с необходимата технология. В голямата си част тя е сходна с тази, която бе описана по-горе за японските машини. Все пак, за целите на безопасността, европейските и американските производители залагат на малко по-различни технологии, които отговарят и на поставената от тях висока летва: съчетание от радари, лазерна система LiDAR и камери RGB. В случая и реакцията на трактора при наближаващо препятствие е разчетена да бъде по-различна - той изпраща съобщение до наблюдаващия оператор, който трябва да реши дали машината може да заобиколи или просто да спре. При такава „висока заявка“ от страна на европейските и американските производители на трактори е съвсем разбираемо, че законовото регламентиране на автономните модели няма да се случи толкова бързо.

Истината е може би по средата

Факт е, че през последните години водещи японски производители също представиха по изложения свои прототипи на трактори-роботи без кабини, „заредени“ с най-новите технологии. От друга страна един забележителен проект във Великобритания прилага в европейски условия съвсем успешно традиционния японския подход в земеделието с малки автономни трактори. Проектът се нарича Hands Free Hectare и в началото целта му е да покаже, че на полето не е необходимо да работят хора. Вследствие обаче екипът доказва на практика, че благодарение на автономното земеделие производствените разходи за пшеница могат да се намалят дори с цели 20% на тон, ако цялото производство се извършва с малки автономни трактори и превозни средства - т. нар. рояк от машини.

В този проект, стартирал през 2016 г., са ангажирани преподаватели от университета Харпър Адъмс (Едмънт, Англия), които от много години изучават тенденциите в местното селско стопанство. Техните изследвания показват, че през последните десетилетия намалената наличност на работна ръка, кратките срокове за изпълнение на аграрните дейности и големите площи, собственост на един фермер, водят до използването на все по-големи и тежки машини. Ефектът от тяхната работа е по-малка прецизност при изпълнение земеделските дейности и по-голямо утъпкване на почвата, което на свой ред ограничава добивите. Статистиката в Обединеното кралство сочи, че от 2000 г. насам липсва повишение на добивите и това често се дължи на уплътняването на почвата, твърдят изследователите.

Ако не е необходимо във всички трактори да има оператори, те могат да бъдат много по-малки, но в по-голям брой. Така се получава роякът от машини. Тъй като са по-малки и по-леки, автономните машини, в т.ч. тракторите роботи, ще изпълняват съответните земеделски дейности много по-прецизно и в същото време въздействието им върху почвата ще бъде много по-малко. И тъй като ще се работи с рояк от компактни машини, те ще могат да покрият същата площ, обработвана досега от големите. Според изследователите бившите трактористи могат да се обучат да управляват рояците дистанционно от екран на компютър и така няма да има никаква загуба на работни места.

За целите на проучването в експерименталната ферма на Hands Free Hectare използват трактор-робот на една от известните японски марки. Изпитанията и калкулациите през последните години показват, че роботизираното производство на зърно е реално осъществимо както технически, така и икономически. Във Великобритания този модел би бил най-изгоден за средните по големина стопанства, които действително могат до се доближат до възможните минимални нива на производствените разходи, твърдят изследователите.

По-конкретните сметки показват например, че малко стопанство с площ 59 хектара обработваема площ може да използва един трактор с мощност 38к.с. Ако той обаче е автономен разходите за производството на един тон пшеница могат да се намалят с 20%. Ако в по-голямо стопанство с обработваема площ 450 хектара конвенционален трактор с мощност 300к.с. и неговото оборудване се замени с три компактни трактора роботи, всеки с мощност 38к.с., плюс съответната прикачна техника, то разходите за тон пшеница могат да се понижат с около 12%, пресмятат изследователите.

Числата, представени от този проект са доста показателни. Все пак трябва да отбележим, че подходът с рояците от машини има не само поддръжници, но и противници. Критиците му твърдят, че сервизната поддръжка на повече машини е по-скъпа и по-трудна за организиране. А проблемът с по-голямото утъпкване на почвата може да се реши чрез използване не на колесна, а на верижна ходова част. В допълнение най-новите разработки на трактори-роботи с електрическо задвижване показват, че електрически модел с мощност 500к.с. тежи колкото дизелов с 200к.с. Очевидно, истината е някъде по средата.