Роботи в оранжерийното земеделие

Във фокуса на много научни изследвания през последните години попада роботиката за земеделие. На нея са възложени надежди за справяне с някои важни проблеми в сектора, като например прецизност в операциите, спестяване на ресурси, подобряване на условията за безопасност и преодоляване на недостига на човешка работна ръка. Тези проблеми са особено засегнати в системите за оранжерийно производство, където многократно повтарящи се, и понякога опасни операции, се извършват основно от хора. В същото време, на фона на повишеното търсене и по-рестриктивните мерки за безопасност на храните, оранжериите се очертават като перспективна опция за получаване на повече и по-качествена храна от по-малко земя.

Текст: списание  АгроБио Техника

Динамичната и трудно предсказуема природа на света, в който живеем, затруднява проектирането на един автономен робот, който може да се адаптира ефективно към всякакви обстоятелства. Следователно роботи с различни форми, размери и възможности като безпилотни летателни апарати, безпилотни наземни превозни средства, хуманоиди и други са проектирани да си сътрудничат помежду си и с хората, за да изпълняват успешно сложни задачи. Интернет на нещата (IoT) позволи на тези разнообразни устройства да бъдат свързани в интелигентна мрежа, което увеличи значително спектъра от автоматизирани задачи. Интегрирането на тези устройства навлиза в почти всички области, включително в оранжерийното земеделие, където облекчава труда, минимизира разходите и произвежда качествени храни.

Как роботите помагат в оранжериите

В оранжериите е необходима голяма заетост на човешка работна ръка. Всъщност средствата за ръчен труд са най-големият разходен фактор в тях. Повече от 30% от общите производствени разходи се изразходват за заплати. В допълнение, квалифицираната работна сила намалява, заради по-тежките и неприветливи условия на труд в оранжериите. Освен това проблемът с недостига на работна ръка стана още по-актуален по време на пандемията от COVID-19, когато пътуванията на работниците се ограничиха.

На фона на тези фактори роботизирането на оранжерийното земеделие получили голямо внимание в научните изследвания и бяха положени много усилия за неговото развитие. По-специално, използването на роботика би позволило да се повишат общите показатели и ефективността на производството. Същевременно ще допринесе за подобряване на качеството и безопасността на труда. Роботите могат лесно да изпълняват повтарящи се задачи, замествайки човешкия труд и в същото време могат да работят в опасна среда, като по този начин значително намаляват експозицията на хората на рискове, като например пръскане с пестициди. По този начин, чрез използване на роботика в оранжериите, е възможно да се гарантират по-добри условия на труд, защита на работниците от физически и химически опасни фактори и подобряване на тяхното здраве, комфорт и безопасност.

Специфики в приложението на роботи в оранжерии

В светлината на казаното по-горе, роботите не би следвало да се разглеждат като заплаха, която ще измести хората от оранжериите, а по-скоро като средство за преодоляване на специфичните трудности с пазара на труда, производствените условия и икономическата необходимост от по-голяма ефективност. Наред с признатите заслуги, трябва да се имат предвид няколко ограничения, които правят по-специфично разпространението на роботиката в оранжериите. Поради сложността и разнообразието на работните настройки, все още има сравнително малко търговски роботи за това приложение. Освен това те могат да станат уязвими от неблагоприятните фактори, включително прах, влажност и химически агенти, причиняващи затруднения във взаимодействията посев-робот и човек-робот. Също така роботите, които трябва да работят в оранжерии, е необходимо да се справят с много тесни проходи, като същевременно избягват щети по растенията. Те трябва да имат много добра прецизност по отношение на следване на пътя, както и по време на маневри.

Методи на навигация

Системите за насочване и навигация играят основна роля в автономните превозни средства. Внедрени са различни решения за локализация и навигация на роботи в оранжерии. Нивото на автономност варира. Ориентацията на робота в оранжерията може да става чрез системи за управление на движението, в които траекторията е вече дефинирана по предварително зададени точки. В други случаи роботът се премества чрез фиксирана навигационна система с релси. Други навигационни решения позволяват на робота да се движи свободно, без да се правят големи промени в структурата на околната среда. В този случай използването на сензори е от съществено значение за определяне на позицията и ориентацията на робота.

Тествана е техника за проследяване на траекторията с лазерно насочване. Твърди се, че системата е много надеждна, но изисква в близост до коридорите да бъдат монтирани няколко лазера. За да се създаде безопасен път без препятствия при циркулация в оранжерията, са използвани и базирани на карти алгоритми. Те използват сензорна обратна връзка за движение през коридорите на оранжерията. За целта по протежение на траекторията се изгражда сензорна карта. Подходът е внедрен и тестван в реална среда с обещаващи резултати.

Подход за едновременна локализация и картографиране (Simultaneous Localization and Mapping, SLAM) се използва в среда без GPS, за да се оцени позицията на роботите с помощта на сензор за откриване и обхват на светлина (Light Detection And Ranging, LIDAR). Следването на маршрута и избягването на препятствия може да се осигурява с помощта на изкуствено потенциално поле (Artificial Potential Field, APF). Комбинацията от SLAM и APF контролер позволява на мобилния робот да изпълнява периодични задачи, които изискват автономна навигация между предварително дефинирани точки.

GNSS сензори

Едно от основните решения, които обикновено се използват за навигация при автономни селскостопански машини е глобалната навигационна сателитна система (Global Navigation Satellite System, GNSS). Въпреки че този вид система е по-подходяща за навигация на открито, някои оранжерийни роботи имат GPS или диференциален GPS (DGPS) приемник. За по-голяма точност се използват високопрецизни GNSS системи за позициониране, най-често с работещи в реално време кинематични (Real Time Kinematic, RTK) GNSS приемници. RTK технологията осигурява сантиметрова точност, благодарение на корекция на позицията в реално време от референтна станция или мрежа, насочена към намаляване на грешки.

Роботизирано „зрение“

Базираните на визуализация техники са ключови компоненти за получаване на основни данни за средата и движението на робота. За тези видове навигационни системи входните данни са изображения като снимка или видео. Те се подлагат на обработка, която извлича от изображенията набор от характеристики или параметри, съдържащи значима информация. Тези техники се основават на прилагането на алгоритми за извършване на обработка на изображения, генериране на параметри за управление, избор на алгоритъм за придвижване и предаване на команда към контролната платка за задействане.

С цел получаване на мобилен робот, способен да извършва рязане и събиране на цветя в оранжерии, вече е изпробван SLAM алгоритъм за едновременно локализиране и картографиране. При това е използвана камера с дълбочина на цветовете червено-зелено-синьо (Red Green Blue-Depth, RGB-D) за измерване на разстоянието до обекти, която може да се замести с 3D LIDAR. Освен това технологията използва движението на човек като ръководство за безопасно планиране на пътя. За целта комбинация от изображения служи за проследяване на човешки лица и планиране на траекторията, по която роботът проследява движението на човека.

През последните години такъв тип роботи се прилагат в практиката за бране на шафранови минзухари, рози и гербери, но могат да се използват и за други оранжерийни култури. С тях се намалява риска от увреждане на продукцията при бране. Роботите със „зрение“ са обучени със стотици изображения на отглеждания вид (цвете, салата и т.н.) и чрез камера могат лесно да установяват при кои екземпляри е настъпило точното време за бране и да изключват от операцията останалите. По същия начин от бране се изключват сухи или увредени растения.

Оптични сензори

Изображенията на обекти могат да се обработват и чрез системи с оптични сензори. Една от най-разпространените оптични технологии за дистанционно наблюдение, използвани за локализиране, картографиране и избягване на препятствия за роботи, е LIDAR. Тя може да измерва разстоянието чрез осветяване на целта, често чрез импулси от лазер. Разстоянието между целевия обект и робота се изчислява с помощта на лазерен излъчвател и радар, който приема отразените лазерни вълни. Това дава възможност за определяне на профил на целта и координати на позицията ѝ, като по този начин предоставя важна информация за автономната навигация.

Системи за откриване на продукцията

Откриването на плодове или зеленчуци е важна помощна задача, която е необходима за идентифициране на крайната цел в основната задача за изпълнение. Тази дейност се извършва от робота чрез използването на различни техники за визуализация и предшества изпълнението на крайната задача, като събиране на плодове или целенасочено прилагане на торове. Едно от най-често използваните решения е RGB-D камерата, която обикновено е в комбинация с други сензори. В някои случаи се прибягва до разпознаване на плодове чрез няколко RGB камери, обикновено две или три, монтирани в различни позиции и съответно с различни ъгли на видимост, за да получите система за стерео зрение за измерване на разстоянието до целта.

RGB-D камерите показват триизмерно местоположението на плодовете или друг тип продукция, и междувременно извършват сегментиране по форма и цвят, чрез специален алгоритъм на обучение, насочен към събирането на реколтата. Обработката на изображенията въз основа на прага на цветовете е от ключово значение за разпознаване на зрелите плодове. Също така RGB-D изображения се използват и в техника за оценка на ъгъла, под който плодът или цветът са разположени около стъблото. Тази технология е приложена в робот, способен да изпълнява напълно автономно прецизно опрашване на къпини в оранжерийна среда. За целта ползва визуалната техника за откриване позицията на цветовете за опрашване, а RGB-D камерата е инсталирана на роботизираната ръка за прецизно позициониране на къси разстояния.

Селективно манипулиране и захващане

Разработени и използвани са няколко основни типа манипулатори. Единият е така нареченият манипулатор тип „Fin Ray“ (приличащ на лъчи за закрепване и движение на рибни перки), с четири еластични пръста, които могат да се адаптират към формата на плода, като по този начин гарантират хващане и след това отрязване на дръжката с подобен на ножица механизъм на върха на пръстите. Вторият тип е манипулатор тип „устна“, състоящ се от вендуза и сензор за вакуум, които гарантират хващането на плода. Два пръстена обхващат плода и отрязват дръжката с острие, вградено в горната част на „устната“. Проучвания показват, че за разлика от манипулатора тип „устна“, типът „Fin Ray“ дава увреждане на стеблото от 4–13%.

Друг пример за манипулатор е типът „пръст“, който е използван в практиката за събиране на ягоди. Захващането се състои от меки на допир пръсти, които могат да захващат ягодата без стъблото чрез прилагане на въртеливо движение, с цел да се намали възможното увреждане на продукта. Разработени са системи за събиране на ягоди, състоящи се от „ръце“ с пръстово захващане, оборудвани с IR (инфрачервени) сензори. Те откриват разстоянието между препятствието и сензора и са способни да преодоляват пречки за достигане до зрелите плодове, които трябва да бъдат събрани.

Различна е системата за бране на плодове с манипулатор с RGB-D камера и LED осветителни тела, който в горната част на корпуса има механизъм за фиксиране на стъблото с вибриращ нож, предназначен да отрежете дръжката. В сравнение с останалите манипулатори, този няма захващащо устройство, но вместо това е проектиран да се доближи до стъблото над плода и да отреже дръжката като откъснатият плод се улавя в кошница.

Роботизирано засаждане

Тествана в практиката е многофункционална роботизирана работна клетка за разсаждане на разсад в оранжерии. Тя се състои основно от система за разсаждане, два конвейера, модул за пълнене и система за управление. Системата за разсаждане с мулти-захващащи устройства е проектирана за автоматично захващане и засаждане на цели редове разсад. Конвейерите са направени от двуредова верижна трансмисионна система от палетен тип, която премества тарелките към предварително определеното работно пространство на мулти-захващащите устройства. Устройството за пълнене е проектирано за автоматично пълнене на саксиите за отглеждане в почва и пробиване на дупки преди засаждане на разсада. Системата за управление координира гореспоменатите функционални единици за гъвкава автоматизация с помощта на програмируем логически контролер (PLC). Резултатите показват, че общият коефициент на успех при операцията по разсаждане е до 90% при ефективност от 960 броя растения на час за всеки захващащ механизъм.

Друг робот за засаждане е проектиран с възможност за високо прецизна праволинейна навигация. Той има двустепенна схема за контрол на насочването, за да се регулира ъгъла на насочване, да се минимизират грешките и да се движи в прави линии с голяма точност. Роботът е оборудван с механизъм за правене на дупки в почвата, който може да копае на дълбочина поне 30см. За целта се използва ултразвуков сензор за определяне дълбочината на дупките.