Hogyan építsünk intelligens mezőgazdasági robotokat

Melyek azok az alapvető műszaki szempontok és kihívások, amelyekkel a mezőgazdasági robotok tervezőinek tisztában kell lenniük?

Cikkünkben a mezőgazdasági robotok tervezése során felmerülő műszaki szempontokat és kihívásokat vesszük sorra, amelyek kulcsfontosságúak a mezőgazdasági termelés zord körülményei közötti sikeres működés érdekében. Az alkalmazott robotok esetén alapvető fontosságú a tartósság és a precizitás egyensúlya, emellett képesnek kell lenniük a korlátozott erőforrások hatékony felhasználására, és megfelelően robusztus alkatrészeket kell tartalmazniuk, hogy képesek legyenek ellenállni a por, a nedvesség és az extrém időjárási körülmények jelentette kihívásoknak. A valós idejű feldolgozás és a beépített intelligens vezérlés létfontosságú a megbízhatatlan kommunikációs hálózatoktól való függés minimalizálása érdekében, a beépítendő érzékelők optimalizációja pedig a költségek, az energiafogyasztás és a teljesítmény szempontjából fontos. Az alacsony fogyasztású technológiák, a fejlett mesterséges intelligencia és a gépi tanulási rendszerek használata tovább fokozza a robotok funkcionalitását, életképessé és hatékonnyá téve azokat a fenntartható élelmiszertermelés számára.

A hagyományos termelési módszerek számára egyre nagyobb kihívást jelentenek a növekvő népesség mellett a zsugorodó termőterületek és a korlátozott erőforrások. Mindazonáltal az olyan csúcstechnológiás intelligens megoldásokkal, mint a mezőgazdasági robotok alkalmazása, lehetővé válik e tartósan fennálló problémák közvetlen kezelése, ami biztosíthatja a folyamatosan fenntartható élelmiszertermelést.
A mezőgazdasági robotika is azonban – akárcsak ipari alkalmazások esetében – számos kihívással jár. A termelő gazdaságok zord környezetet jelenthetnek az érzékeny elektronikai eszközök számára, ahol pornak, nedvességnek és esőnek lehetnek kitéve. Mindezek mellett az olyan erőforrások, mint az energia vagy a pénzügyi háttér gyakran korlátozottan állnak rendelkezésre. Írásunkban áttekintjük a mezőgazdasági robotok fejlesztésével kapcsolatos hátráltató tényezőket, kiemelve a legfontosabb műszaki szempontokat és kihívásokat, amelyeket a tervezőknek a siker érdekében figyelembe kell venniük.

Automatizált betakarítórobot (Forrás: Sunday Cat Studio/stock.adobe.com)

A TERVEZÉS LEGFONTOSABB SZEMPONTJAI

Míg az építőiparban használt robotoknál a tartósság, az orvosi robotok esetében a precizitás élvez egyértelmű prioritást, a mezőgazdasági robotok ezek egyedi egyensúlyát igénylik, hogy működésük közben ne okozzanak kárt a terményekben. Ezenfelül kellően intelligensnek kell lenniük, hogy képesek legyenek összetett feladatok biztonságos ellátására emberek és állatok közelségében, és optimális energiafelhasználásra kell tervezni őket.

Energiahatékonyság

A mezőgazdasági robotok számára kulcsfontosságú az energiahatékonyság, mivel hosszú időn keresztül kell önállóan működniük, miközben az üzemanyag-ellátás vagy az akkumulátorok kapacitása korlátozott. Az olyan mezőgazdasági robotok, mint például a betakarítógépek (1. ábra) sikeres és gazdaságos működéséhez ez feltétlenül szükséges, főleg, ha figyelembe vesszük a sok gazdaságra jellemző pénzügyi korlátokat.

1. ábra Egy automatizált betakarítógép gyűjtőkocsival párban dolgozva (Forrás: kinwun/stock.adobe.com)

Az energiatakarékosság a mezőgazdasági robotok tervezésének meghatározó szempontja. A mozgás esetén felébredő intelligens alvó üzemmódok, a funkcionalitás korlátozásával energiafogyasztást csökkentő alacsony fogyasztású üzemmódok megnövelhetik az akkumulátor élettartamát, illetve csökkenthetik az üzemanyag-fogyasztást. A hatékony robotok létrehozására törekvő mérnököknek prioritásként kell kezelniük az ilyen megoldások kifejlesztését vagy a kívánt funkcionalitással már rendelkező alkatrészek beépítését.

Tartósság

A zord termelési körülmények között megfelelően használható robotok esetében szükségszerű a robusztus alkatrészek és anyagok használata. Elvárt a csatlakozók időjárás-állósága, olyan tömítésekkel, amelyek megakadályozzák a nedvesség bejutását. A burkolatok UV-sugárzásnak tartósan ellenálló anyagokból kell, hogy készüljenek, amik egyaránt védelmet nyújtanak az ütődések és a zord időjárás ellen. Az antennák kialakításakor fontos szempont a magas megbízhatóság és az optimális jelteljesítmény biztosítása akár kedvezőtlen időjárás esetén is.
A megbízhatóság biztosítása érdekében a tervezők használhatnak eleve robusztus kialakítású, magas por- és vízállóságú komponenseket, de a hagyományos alkatrészek megfelelő védőburkolatba történő zárása is megoldást jelenthet. Például a nyomtatott áramkörök konformális bevonattal láthatók el, ami ellenállóvá teszi őket a nedvességgel és porral szemben. Ezenfelül az elektronikai alkatrészek keltette hulladékhő vagy a környezetből eredő (például napfény okozta) felesleges hő elvezetéséhez hűtőbordák alkalmazhatók, míg a burkolatok kialakításakor gondoskodni lehet a hő és a behatoló víz elleni védelemről. A tervezés során a robusztus kivitelt szem előtt tartva a mezőgazdasági robotok megfelelhetnek a kültéri alkalmazáshoz szükséges megbízhatósági és hosszú élettartam iránti igényeknek.

Valós idejű feldolgozás és fedélzeti intelligencia

A mezőgazdasági robotok esetében problémás lehet a felhőalapú intelligenciára vagy jelfeldolgozásra támaszkodni, mivel könnyen előfordulhatnak kommunikációs kiesések és jelvesztések. A nagy kiterjedésű termőterületeken a mobilhálózat stabilitásának elérése is nehézségekbe ütközhet, egy helyi Wi-Fi^®-hálózat kialakítása pedig jelentős költségekkel jár. Mindezek felett a felhőalapú kommunikáció komolyan csökkentheti az akkumulátorok élettartamát olyan alacsony fogyasztású robotok esetén, mint a terménybetakarítók (2. ábra) és a gyomirtó gépek.

2. ábra A paradicsomszedő robotok gyakran gépitanulás-alapú gépi látást használnak a termények érettségi fokának megállapításához (Forrás: kritsana/stock.adobe.com)

A peremalapú mesterséges intelligenciára vagy gépi tanulásra épülő adatfeldolgozás esetében az adatok feldolgozása a felhőbe való továbbítás helyett közvetlenül az azokat begyűjtő eszközön történik, ezáltal küszöbölve ki az említett problémákat. Az intelligenciát a fedélzeten tartva a mezőgazdasági robotok hálózati kitettség nélkül válhatnak képessé valós idejű elemzésekre és azonnali döntéshozatalra. Ez a megközelítés nem csupán a hálózati kommunikációtól való függést csökkenti, de egyúttal az energiafogyasztást is. A peremalapú jelfeldolgozás jelentősen javítja a hatékonyságot és biztonságot olyan feladatok esetében, mint az akadályérzékelés, a precíziós ültetés vagy a termés állapotának valós idejű monitorozása, mivel a felhőalapú megoldásokkal ellentétben a késleltetés elhanyagolható.

A megfelelő érzékelők kiválasztása

Az érzékelőintegráció kulcsfontosságú szerepet játszik a mezőgazdasági robotok esetében. A lidar, a kamerák, a talajnedvesség-érzékelők mind növelik a teljesítményt és a hatékonyságot, azonban beépítésük költséggel jár. A mérnököknek úgy kell kiválasztaniuk az alkalmazott technológiát, hogy az megfelelő egyensúlyt biztosítson a költségek, az energiafogyasztás és a tokozás kérdésében, és így a termék megfeleljen a piaci elvárásoknak.

NAGY TELJESÍTMÉNYŰ ÉS MEGBÍZHATÓ MEZŐGAZDASÁGI ROBOTOK LÉTREHOZÁSA

Egy mezőgazdasági robot sikeressége nagymértékben függ az alapjául szolgáló alkatrészek teljesítményétől.

Alacsony fogyasztású technológiák

Az érzékelők, vezérlőelektronikák és kommunikációs modulok alvó és alacsony fogyasztású módjai segíthetnek a robot akkumulátor-élettartamának vagy üzemanyag-fogyasztásának optimalizálásában. Az olyan képérzékelők, mint az onsemi AR0830 Hyperlux™ LP a mezőgazdasági robotok alapvető elemeit képezik. Az AR0830 kifejezetten az alacsony fogyasztás melletti kiváló teljesítményre tervezett érzékelő. 60 fps sebességével ideális választás a mezőgazdasági gépi látási alkalmazásokra, mint például az érett gyümölcsök azonosítása vagy a kártevők és gyomok érzékelése. Az alacsony fogyasztás érdekében a modul mozgásra aktiválódó ébredési funkcióval és alul-mintavételezési móddal is rendelkezik, ami tovább csökkenti az adatátvitelhez szükséges sávszélességet, és ebből eredően növeli a hatékonyságot. Ezek az üzemmódok a felbontás, az érzékenység, a képkockasebesség és az energiafogyasztás kiegyensúlyozásával optimalizálják a teljesítményt a különböző mezőgazdasági alkalmazásokhoz.
A vezérlőelektronika szintén kulcsszerepű a mezőgazdasági robotok teljesítményének tervezésében, mivel fő feladata az alapvető műveletek irányítása, a robotok működésének vezérlése és az energiahatékonyság biztosítása. Az Arm^® Cortex^®-M33 platformon alapuló, ultraalacsony fogyasztású mikrokontroller-egységekből (MCU) álló STMicroelectronics STM32U5 sorozat ideális választás az olyan mezőgazdasági robotokban alkalmazott alrendszerekhez, mint az ember-gép interfészek és érzékelővezérlők.
Az STM32U5-sorozat akár 125 °C-os környezeti hőmérsékletet is tolerál, és olyan kulcsfontosságú funkciókat integrál, mint a hardverbiztonsági funkciók, kommunikációs perifériák és flash memória. Alacsony energiafogyasztású autonóm háttérüzemmódja (Low Power Background Autonomous Mode – LPBAM) lehetővé teszi, hogy a perifériák az eszköz leállítási üzemmódjában is aktívak maradjanak, aminek köszönhetően jelentős energiamegtakarítás érhető el. Az integrált funkciók megnövelt mennyisége és az intelligens energiafogyasztási üzemmódok lényegesen hatékonyabb működést tesznek lehetővé a hagyományos megoldásokhoz képest.

Robusztus alkatrészek

A mezőgazdasági robotok esetében fontos tulajdonság, hogy képesek legyenek ellenállni a termőterületek zord körülményeinek, ezért robusztus alkatrészekre van szükségük. Az olyan megoldások, mint a TE Connectivity/Linx Technologies IPW sorozatú kültéri antennák 617 MHz és 7,1 GHz közötti frekvenciasávot kínálnak, mobil-, Wi-Fi- és LPWA/ISM tartományú kommunikációra képesek. Az antennák maximum 8,7 dBi jelerősítést biztosítanak, és IP67 minősítésűek, ezáltal erőteljes kapcsolatot garantálnak a távoli vidéki területeken is, miközben hosszú távon is védettek a behatoló por és víz ellen.
A mezőgazdasági robotokban ezek az antennák kombinálhatók a LoRaWAN^® kommunikációs modulokkal, mint például a Microchip Technology LoRa^® megoldásai. Ezek a LoRaWAN-megoldások más vezeték nélküli protokollokhoz képest nagy hatótávolságú, szub-gigahertzes rádiófrekvenciás sávok használatával kínálnak kis energiaigényű csatlakozást, lehetővé téve a 15 kilométert meghaladó távolságból történő kommunikációt vidéki és külvárosi területeken.
A csatlakozók megbízhatósága szintén kritikus tényező a mezőgazdasági robotok esetében, mivel lehetséges behatolási pontokat képezhetnek a víz és a por számára. A belső huzalozás, a külső kommunikáció és a töltőcsatlakozók számára a megfelelő csatlakozók kiválasztása elengedhetetlen a működés közbeni meghibásodások elkerülése érdekében. A Lemo M sorozat már bizonyította tartósságát az ipari robotikában és az autóiparban, és kiválóan alkalmazható mezőgazdasági felhasználásokban is.

3. ábra A Lemo M-sorozatú racsnis csatlakozókat úgy tervezték, hogy ellenálljanak a zord környezeti körülményeknek (Forrás: Mouser Electronics)

Ezek a csatlakozók 2-114 érintkezővel, kiváló rezgésállósággal és IP68-as vízállósági besorolással rendelkeznek, így akár 15 órán keresztül tartó víz alá merülést is kibírnak két méteres mélységben.

A gépi tanulás felhasználása a „peremen”

A pontosság, valamint a gyors és megbízható adatfeldolgozás kulcsfontosságúak a mezőgazdasági robotok esetében. A fejlett mesterséges intelligencia és gépi tanulási megoldások integrálása alapvető követelmény a funkcionalitás növelése, a teljesítmény optimalizálása, valamint a különböző környezetekhez és feladatokhoz történő alkalmazkodás biztosítása érdekében.
Az Edge Impulse egy sokoldalú, a mezőgazdasági robotika számára ideális, peremműködésű AI-megoldások fejlesztéséhez és telepítéséhez tervezett platform. Minimalizálja az állandó felhőalapú kapcsolattól való függőséget, javítja az akkumulátor-élettartamot, és lehetővé teszi a valós idejű döntéshozatalt olyan körülmények között is, amik kihívást jelentenek a kapcsolódás és a biztonság szempontjából.
Hardverfüggetlen platformként az Edge Impulse szinte bármilyen hardver használatát lehetővé teszi. A platform az NVIDIA Train Adapt Optimize (TAO) eszközkészletét is támogatja. Az NVIDIA TAO transzfertanulás révén leegyszerűsíti az egyedi AI-modellek létrehozását, lehetővé téve a fejlesztők számára előzetesen betanított modellek minimális bemenő adattal történő finomhangolását. Ez ideális megoldást jelent a mezőgazdasági alkalmazásokhoz, amelyek esetében az AI-modellek erőteljesebben és hatékonyabban szabhatók testre olyan feladatokra, mint a gyümölcsszedés, a talajmegfigyelés vagy a kártevők felismerése.

Összefoglalás

Bár a mezőgazdasági robotok számos jellemzőjükben és szempontból hasonlítanak az iparban alkalmazott testvéreikhez, az alkatrészek kiválasztása során fontos figyelembe venni a termőterületek környezete által támasztott szigorú követelményeket. Robusztus, hatékony és újszerű technológiák segíthetnek olyan termékek létrehozásában, amelyek növelik a termelékenység hatékonyságát, biztosítják a fenntarthatóságot és csökkentik a mezőgazdaság jelentette kihívásokat, végső soron pedig hozzájárulnak az élelmiszer-termelés jövőjének biztosításához korlátozott erőforrású világunkban.

Szerző: Mark Patrick – a Mouser Electronics EMEA-területének műszaki tartalmakért felelős igazgatója

Mouser Electronics
Hivatalos forgalmazó
www.mouser.com
Kövessen bennünket X-en:
https://twitter.com/MouserElecEU