Agrorobotyka. Inteligentna przyszłość rolnictwa
W jaki sposób Ziemia może wykarmić dziewięć lub dziesięć miliardów ludzi? „Inteligentne rolnictwo” to ważna część odpowiedzi na to egzystencjalne pytanie. Zapewnia ono niezwykle wysoką wydajność produkcji żywności przez skupione wykorzystanie najnowszych technologii wspieranych komputerowo oraz – tam, gdzie to możliwe – w pełni zautomatyzowanych. Nasiona są pojedynczo i precyzyjnie umieszczane w ziemi, owoce są ostrożnie zbierane przez mechaniczne chwytaki, a nawozy i środki ochrony roślin są stosowane w małych dawkach i w precyzyjny sposób. Takie działania wymagają dużej liczby małych silników elektrycznych, które są zarówno trwałe, jak i wydajne.
Komputery kwantowe, turystyka w kosmosie lub technologia wodorowa – najnowsze trendy technologiczne skupiają się wokół ciągle rozwijających się dziedzin. Co ciekawe, często zapomina się o najważniejszej branży: rolnictwie – mimo że jak dotąd skutecznie karmiła rosnącą wykładniczo ludzką populację. Rewolucja rolna, która rozpoczęła się w XVIII w., zapewniła ogromny wzrost plonów. Rolnictwo opiera się na rosnącym wykorzystaniu wysokoplennych odmian, nawozów mineralnych i chemicznych pestycydów, na mechanizacji i sztucznej irygacji na dużą skalę. Jednak takie ingerencje w ekologię nie pozostają bez konsekwencji.
Wszelkie rzetelne prognozy populacyjne przewidują, że do końca tego stulecia liczba ludzi przekroczy dziewięć lub dziesięć miliardów. Ziemia ma potencjał w zakresie wykarmienia nawet tak dużej liczby osób, jednak rolnictwo staje przed ogromnym wyzwaniem. Uprawa roślin i hodowla zwierząt muszą zapewnić większą produkcję, bez narażania zasobów niezbędnych do życia. Płodna ziemia, czysta woda gruntowa i nienaruszone środowisko naturalne to nasze najcenniejsze zasoby. Należy je chronić za wszelką cenę.
Skupmy się na roślinie zamiast na polu
Dotychczas istotne czynności związane z uprawą roślin, jak sadzenie, nawożenie i stosowanie środków ochrony roślin były realizowane na polach. Przy rozsiewaniu nasion lub rozprowadzaniu pestycydów oblicza się ich ilość na ar lub hektar, a maszyny dozują produkt z odpowiednią prędkością. Jednak zamiast wzmacniania roślin część nawozu azotowego trafia do wód gruntowych, gdzie nie powinna się znaleźć. Takie zadania, jak przycinanie drzew owocowych lub zbieranie delikatnych odmian owoców czy warzyw wymagają kosztownej pracy ręcznej, podczas gdy coraz więcej przedsiębiorstw cierpi na brak pracowników.
Inteligentne rolnictwo korzysta z nowoczesnych technologii, aby zwiększyć wydajność, oszczędniej zarządzać zasobami, uwalniać ludzi od monotonnej pracy i wytwarzać większe plony. W tym kontekście mówi się także o rolnictwie precyzyjnym, rolnictwie cyfrowym lub e-rolnictwie. Dzięki wykorzystaniu sieciowych procesów wspieranych komputerowo oraz uczenia maszynowego i niestandardowych funkcji robotów, można skupić się na pojedynczych roślinach zamiast na całym polu.
Im bardziej bezpośrednio stosuje się takie środki, tym bardziej jest to opłacalne i wydajne. Przykładowo można znacznie ograniczyć ilość środków chwastobójczych przy ich dozowaniu pojedynczym roślinom. Owoce i warzywa mogą być zbierane przez roboty w ciągły sposób, po uzyskaniu optymalnej dojrzałości.
Lekkie autonomiczne roboty terenowe zapewniają także ochronę gruntu. Dzisiejsze duże maszyny rolnicze mają masę do 10 ton. Powodują mocne ubicie ziemi po każdym przejeździe. Znacznie ogranicza to zdolność absorbowania wody i powietrza przez górne warstwy ziemi, co silnie wpływa na życie glebowe. Wzrost i zdrowie roślin uprawnych w pobliżu tras maszyn również na tym cierpią. Inteligentne rolnictwo może przyczynić się do poprawy parametrów gleby i bioróżnorodności.
Automatyka w rolnictwie i ogrodnictwie
Obecnie wiele potencjalnych zastosowań to dopiero koncepcje lub prototypy. Jednak inteligentne rolnictwo jest już stosowane w praktyce, np. w sadzeniu precyzyjnym. Ta metoda została pierwotnie opracowana w celach badawczych i hodowli roślin. Maszyny mogą sadzić pojedyncze nasiona w precyzyjnie określonych odstępach. Każda roślina ma wystarczająco dużo miejsca na rozwój, dzięki czemu wykorzystanie terenu jest optymalne. Jednocześnie cenne nasiona są dawkowane wyjątkowo oszczędnie.
Większość nowoczesnych maszyn używa jednego oddzielnego modułu z napędem elektrycznym na rząd. Silnik napędza szczelinowy lub ząbkowany dysk, który transportuje poszczególne nasiona do wylotu. Za pomocą inteligentnego sterownika można precyzyjnie określić optymalną przestrzeń dla każdego rodzaju nasion, a podczas przemieszczania się maszyny w narożnikach można uwzględnić różne promienie poszczególnych rzędów. Przekazywanie nasion dyskom jest również sterowane za pomocą pokrywy zamykającej zasilanej silnikiem.
W przypadku uprawy warzyw i kwiatów w szklarniach wiele roślin najpierw kiełkuje w małych doniczkach, a potem są przesadzane do większych donic lub na grządki. We współczesnych przedsiębiorstwach ogrodniczych maszyny wykonują sortowanie i przenoszenie roślin i donic. Ich konstrukcja jest bardzo podobna do maszyn stosowanych w produkcji przemysłowej i logistyce. Są tam taśmy transportowe i przenośniki rolkowe, na których są transportowane, sortowane i przesadzane tace z produktami na różnym etapie rozwoju. Stosowane tutaj chwytaki różnią się od tych używanych w podobnych urządzeniach w innych branżach jedynie kształtem „palców”. Automatycznie przenoszą pojedyncze donice i bryły korzeniowe za pomocą silników miniaturowych.
Samobieżne maszyny do zbiorów owoców i warzyw nie są jeszcze dostatecznie rozwinięte, by mogły być używane powszechnie, ale kierunek rozwoju technnologii jest już widoczny: czujniki wspomagane kamerą określają stopień dojrzałości truskawek lub papryk na podstawie koloru oraz kształtu i zapamiętują ich dokładne położenie. Komputer pokładowy wykorzystuje te dane do obsługi ramienia robotycznego, które jest wyposażone w pewien rodzaj sekatora i urządzenie zbierające. Prototypy tych maszyn są pełne silników elektrycznych, od napędu każdego koła i ramienia robotycznego do modułów tnących i systemów pobierających zebrane produkty.
Główne technologie: układ elektryczny i elektronika
– W konwencjonalnych maszynach rolniczych przekładnie mechaniczne i napęd pneumatyczny są bardzo popularne – wyjaśnia Kevin Moser, Business Development Manager, odpowiedzialny za rozwój tego sektora w firmie FAULHABER. – W systemach o mniejszej skali w inteligentnym rolnictwie są to często zbyt ciężkie, zbyt duże, zbyt skomplikowane mechanicznie lub mało wydajne rozwiązania. Z tego powodu rośnie popularność elektrycznych silników miniaturowych, które dostarczają energię dla poszczególnych etapów pracy. Jednak zazwyczaj napędy w środowisku rolniczym muszą spełniać bardzo wysokie wymagania.
W przeciwieństwie do tradycyjnych dużych maszyn, maszyny i części stosowane w inteligentnym rolnictwie są bardziej kompaktowe i lżejsze. Oznacza to, że często na silniki pozostaje mało miejsca. Niemniej jednak napędy dysków siewnych, klap, chwytaków, ramion robotów lub sekatorów muszą dostarczać odpowiednią moc, aby skutecznie wykonywać określone czynności niezliczoną liczbę razy. Jednocześnie powinny działać bardzo wydajnie, ponieważ autonomiczne jednostki zazwyczaj czerpią energię z baterii o ograniczonym zapasie energii. Musi być także możliwe podłączanie napędów do sieci za pomocą urządzeń elektronicznych, aby zapewnić inteligentne sterowanie. – To typowe wymagania dla systemów napędowych najwyższej klasy, a właściwe odpowiedzi to wyzwanie dla FAULHABER – mówi Kevin Moser. – Ponadto napędy używane w środowiskach rolniczych muszą być także niezwykle odporne, aby mogły skutecznie funkcjonować przez długi czas w najbardziej wymagających warunkach. Duże wahania temperatury i duże obciążenia mechaniczne to norma w rolnictwie i ogrodnictwie, a przecież koszt musi być rozsądny. FAULHABER oferuje wiele serii napędów, które spełniają takie wymagania.
Odnosi się to do niewymagających konserwacji bezszczotkowych i wyjątkowo kompaktowych płaskich silników miniaturowych DC serii BXT, a także do wyjątkowo wytrzymałych i oszczędnych silników z miedziano-grafitowymi komutatorami z serii CXR. Przekładnie nowej serii GPT są przystosowane do przenoszenia dużych obciążeń w trudnych warunkach. Są niezwykle wydajne oraz bardzo wytrzymałe, więc idealnie nadają się do stosowania w rolnictwie. Opcjonalne enkodery przyrostowe pozwalają na bardzo precyzyjne pozycjonowanie. Różne sterowniki, np. z interfejsem CANopen, umożliwiają łączenie systemów napędowych w sieć. – Napędy FAULHABER są już wykorzystywane w inteligentnym rolnictwie i będą nadal pełnić ważną funkcję w wymagających zastosowaniach tej branży – informuje Kevin Moser.
FAULHABER POLSKA Sp. z o.o.
ul. Górki 7, 60-204 Poznań
tel. 61 278 72 53
e-mail: info@faulhaber.pl
www.faulhaber.com
source: Automatyka 10/2022