Применение робототехники в сельском хозяйстве

Сельское хозяйство и роботы — Роботы по отраслям и назначению — Роботы

Роботов для использования в сельском хозяйстве как правило относят к категории "полевых роботов", эта категория в свою очередь входит в категорию сервисных роботов. В свою очередь можно выделить такие подкатегории, как беспилотники, роботы для использования в точном земледелии, например, агроботы, роботы для использования в животноводстве, например, доильные роботы и т.п. Иногда роботов для дойки выделяют в отдельную подкатегорию, входящую в категорию полевые роботы, наряду с сельскохозяйственными роботами.

На 2017 год категория "доильные роботы" существенно опережает по числу роботов в пользовании все другие категории полевых роботов. Эта ситуация сохранится в в ближайшие годы, но уже в период 2017-2019 год ожидается существенный рост числа и разновидностей других сельскохозяйственных роботов. Европа является лидером рынка полевой робототехники, доли Северной Америки и Азиатско-тихоокеанского регионов суммарно не превышают и 10%.

Другие категории роботов для сельского хозяйства: роботы раздатчики корма, роботы для уборки навоза, роботы-пододвигатели кормов, роботизированные трактора, роботизированные комбайны, роботизированные автомобили. В качестве отдельных классов объектов можно выделить роботизированные теплицы, роботизированные вертикальные фермы, роботизированные фермы по разведению пищевых насекомых (например, сверчков).

Зачем нужны роботы в сельском хозяйстве?

Продолжающийся рост численности населения, повышение спроса на продукты питания, снижение доступности рабочей силы в сельском хозяйства, рост затрат на сельское хозяйство — все это стимулирует массовую автоматизацию промышленности в области сельского хозяйства.

Передовые страны работают над переходом к безлюдному автоматизированному сельскому хозяйству на основе широкого применения мобильных и стационарных роботов. Как ожидается, это позволит добиться роста производительности на фоне повышения рентабельности, что обеспечивает снижение себестоимости продукции. Роботы способны выполнять различные операции — обработку почвы, ее удобрение, посев, посадка, доение скота, стрижка шерсти, кормление, разделывание мяса и рыбы и т.п.

Использование программно-аппаратных комплексов беспилотного управления для замены водителей сельскохозяйственных транспортных средств позволяет сократить перерасход материалов, а также увеличивает урожайность за счет более точной обработки земли.

Можно выделить следующие задачи роботизации в сельском хозяйстве:

— мониторинг и прогнозирование

— снижение себестоимости сельхозпроизводства

— улучшение качественных показателей

— снижение экологической нагрузки сельхозпроизводства

— повышение конкурентоспособности средних и мелких сельскохозйственных производитель

17 ноября 2017 в 17:18

Роботы — это экономия времени, энергии и трудозатрат, а также решение проблем с нехваткой рабочей силы в сельском хозяйстве.

Роботизация изменяет агросферу. Традиционные методы ведения сельского хозяйства отходят в прошлое, внедряются технологии для повышения эффективности. К тому же, аграрные производители развитых стран испытывают нехватку рабочей силы.

Достижения и проблемы на рынке агророботов

Инновационные разработки покрывают разные сектора сельского хозяйства неравномерно. Крупные компании акцентируют внимание на ключевых аграрных сферах, практически не охватывая мелкие отрасли. Основные направления развития роботов это: системы для животноводческих фермы, посевная, землеобрабатывающая робототехника, беспилотные тракторы, БПЛА, роботы-уборщики урожая и агроботы для внесения СЗР, удобрений и орошения.

Конкуренция на рынке робототехники незначительная. В основном это борьба крупных разработчиков за новые рынки, а также "противостояние" разных стартапов, которые пытаются решить одну и ту же проблему. Но рынок не насыщен и нуждается в технологиях, которые обеспечат производство продовольствия с минимальной нагрузкой на окружающею среду и энергозатратами.

Роботы для сельского хозяйства — это способ решить существующие проблемы. Но есть ряд трудностей, которые замедляют развитие:

• неоднородность рабочей среды для роботов;
• проблема идентификации и классификации целей и препятствий на пути движения;
• недостаточно развита навигационная технология;
• безопасность труда работников (роботы могут "не заметить" человека на пути своего следования);
• сложности связанные с особенностями сельскохозяйственных процессов.

Ещё одна проблема — это необходимость перепланирования старых ферм под маршруты работы новых систем.

Роботы наступают

По прогнозам компании Tractica, объем рынка агророботов достигнет $74,1 млрд к 2024 году. Производство сельскохозяйственных роботов возрастет за это время почти в 19 раз до 594 тыс. единиц техники. В 2016 году этот показатель составлял 32 тыс. роботов.

Ожидается, что в ближайшие несколько лет коммерчески доступными будет много инновационных продуктов, которые сейчас находятся на стадии испытаний или на этапе разработки прототипов. Инновации направлены на то, чтобы сделать роботов легкими, модульными (состоящие из целостного блока) и компактными, также они будут достаточно медленными. Медлительность обусловлена тем, что больше внимания будет уделяться идентификации каждого растения. Легкость позволит избежать лишней нагрузки на почву, а малый размер потенциально обеспечит более низкую стоимость.

Технологические проблемы в скором времени будут решены, и промышленность сможет перейти на серийное производство. Но кроме технологических препятствий, есть ещё консерватизм фермеров, поэтому революции ждать не стоит. Процесс перехода на робототехнику будет постепенным.

Сферы сельского хозяйства, в которые роботы уже проникли

Животноводство

Молочная промышленность занимает лидирующие позиции по внедрению робототехники. Системы подачи кормов, очистки коровников уже активно используются. Объем рынка оценивается в $1,9 млрд, а через 5 лет возрастет ещё в 4 раза.

Также перспективное направление — роботы для выпаса животных.

Робот-пастух

Беспилотные трактора

По информации IDTechEx в 2016 году было продано более чем 300 тысяч тракторов с автопилотами. Продолжается работа над подходом "следование за лидером". Он заключается в том, что за лидирующим трактором или комбайном, который управляется человеком, следуют беспилотные машины. Но ведущие производители сельскохозяйственной техники работают над созданием беспилотного трактора. В прошлом году компания Case IH презентовала концепт такой машины.

Опрыскивание

Переизбыточное использование СЗР не только приводит к дополнительным убыткам, но и вредит окружающей среде. Технологии ультрамалообъемного внесения снижают использование химических средств защиты. Они позволяют избежать равномерного внесения препаратов по всему полю, а использовать их индивидуально только для тех растений, которым это требуется.

Реализовать подход помогут роботы, использующие компьютерную технологию видеофиксации сорняков. Такую технологию внедрили в AgВOT II.

Направление еще развивается, но оно повлияет на общее потребление СЗР.

Такие разработки как RoboCrop предполагают полный отказ от использования СЗР. Компьютерная технология видеофиксации идентифицирует сорняки, и система автоматически пропалывает. Есть разработки, предполагающие использование лазеров для прополки сорняков.

Роботы для питомников и садовых центров

Выращивание саженцев деревьев требует значительных трудозатрат. Усугубляется ситуацию нехваткой рабочей силы. Поэтому интенсивно разрабатываются решения для автоматизации посадки, разведения и ухода за саженцами. Успешные продукты в этой области есть у компаний HETO Agrotechnics и Harvest Automation.

Робот-садовник

Мониторинг и анализ сельскохозяйственных культур

Мониторинг полей — это важная задача, решить которую помогут автономные БПЛА. Новые технологии в производстве датчиков и подходы в картографировании обеспечивают фермеров детальной информацией о состоянии полей. Современные беспилотники предоставляют возможность собирать эти данные без вмешательства человека.

Производители современных агродронов предлагают фермерам комбинированные пакеты, включающие в себя программное обеспечение для сбора и анализа информации, рабочее оборудования.

Беспилотники можно использовать и для других задач, таких как внесение СЗР и удобрений.

Внесение удобрений и орошение

Традиционные оросительные системы неэффективно используют воду. Точное орошение, работающее с помощью автоматизированных систем позволяет снизить расход ресурсов. Специальные агроботы могут перемещаться между рядами и осуществлять полив у основания каждого растения, используя определенное количество воды. Роботы компактные и мобильные, поэтому не возникает проблем с перемещениями к труднодоступным местам.

Похожий подход используется и в разработке роботов для внесения удобрений. Компания Rowbot создает мобильное устройство, которое может передвигаться между рядами кукурузы и точечно вносит азотные удобрения.

Сбор урожая

Для многих культур уже есть решения по автоматизированной уборке урожая. Но в этом секторе есть много неохваченных направлений.

Уборку зерновых культур достаточно просто автоматизировать, но с фруктами ситуация иная. Прогресс здесь сдерживается строгими техническими требованиями. Система видеофиксации должна определять фрукты, и различать степень их зрелости. К тому же плоды нужно срывать с ловкостью человека: быстро и мягко, чтобы не повредить фрукты.

Отсутствие универсальной применимости — ещё одна проблема, поскольку разработанный комбайн сможет работать в узком сегменте.

Невзирая на трудности, в этом направлении имеются достижения. Проект ЕС CROPS создан для разработки роботов для уборки урожая сельскохозяйственных культур. Проект достиг прогресса в создании техники для сбора яблок, винограда и перца.

По оценкам IDTechEx, роботы для сбора земляники и цитрусовых появятся на рынке до 2021 года. Мы уже сообщали об успешных испытаниях Agrobot— сборщика клубники.

Agrobot — сборщик клубники

Wall-Ye — разработка, которая достигла успехов в сборе винограда. Также компания сделала устройство для сбора черники.

Аппараты по сбору салата LettuceBot от компании Blue River Technology уже используются в Калифорнии. Но конечная цель создание универсальных роботов, которые будут не только собирать урожай, но и осуществлять полив, внесение удобрений и СЗР. Такими разработками уже занимаются некоторые компании.

В Украине разработкой робототехники, которая может использоваться в сельском хозяйстве занимаются компании ELEKS и "Стандарт-Пак Центр". ELEKS произвели беспилотник ЕТ-1, который можно использовать для вспашки земли и перевозки грузов. "Стандарт-Пак Центр" создает роботов для перемещения материалов и сырья.

Индустрия аграрной роботехники — перспективное направление, которое интенсивно развивается. Создается благоприятная инвестиционная среда для стартапов и компаний, занимающихся исследованиями в этой отрасли. Поэтому появляется много новых разработок, которые позволят сэкономить селькохозяйственными производителям сотни милионов доларов.

Заметили ошибку? Выделите ее и нажмите Ctrl+Enter, чтобы сообщить нам.

В настоящее время мы находимся у истоков ультрасовременного сельского хозяйства. Итак, с чего оно начинается.

Глобальное сельское хозяйство сталкивается с серьезными долгосрочными проблемами. По некоторым прогнозам, к 2050 году население мира увеличится на 2,3 млрд человек. С учетом мирового роста доходов, что обычно увеличивает спрос на продовольствие, аграриям потребуется увеличить производство продуктов питания в 2050 году на 70% по сравнению с уровнями 2005 года.

Параллельно мир продолжает урбанизировать в ускоренном темпе. Прогнозы показывают, что 70% населения мира будет жить в городской среде к 2050 году по сравнению с почти 50% в 2009 году. Это негативно скажется на наличии рабочей силы вблизи сельскохозяйственных угодий. Добавьте к этому факты, свидетельствующие о том, что во многих странах, особенно в развитом мире, популяция населения быстро стареет, а заработная плата растет.

Кроме того, многие виды сельскохозяйственной деятельности требуют сезонного труда. Во многих случаях удовлетворение этой потребности требует найма трудящихся-мигрантов, что может быть проблематичным в ряде стран по политическим соображениям.

Все факторы в совокупности указывают на то, что у производителей агрокультур на первый план выходит автоматизация сельскохозяйственных задач.

Параллельно со всеми структурными проблемами, с которыми сталкивается сельское хозяйство, текущие производственные процессы также могут иметь долгосрочные непредвиденные последствия для окружающей среды и здоровья. В частности, использование неселективных гербицидов по-прежнему вызывает обеспокоенность в Европе.

Появление и внедрение сельскохозяйственных роботов в значительной мере поспособствовало бы освоению методик сверхточного сельского хозяйства, помогая фермарам управлять специфическими проблемами конкретного урожая на конкретном участке. Это даст преимущество по оптимальному использованию агрохимикатов, адаптированных к потребностям отдельных участков или растений.

Часто считается, что сельское хозяйство не склонно к инновациям, и поэтому не спешит с принятием роботизированных технологий. На самом деле, если мы заглянем в историю агросектора, то увидим, что сельское хозяйство было одной из первых крупных отраслей, выбравших технический прогресс для повышения производительности. Действительно, занятость в АПК неуклонно снижается на протяжении веков, несмотря на то, что ее выпуск продукции на единицу труда растет.

Это увеличение производительности связано с новыми технологиями. Прирост урожайности частично обусловлен лучшими семенами и более эффективными агрохимическими технологиями, которые повысили урожайность на гектар, в том числе, применение современной сельхозтехники: мощных тракторов и модернизированного оборудования.

Теперь мы рассматриваем роботизацию агросектора как следующий этап эволюции в технологиях сельскохозяйственного машиностроения, как когда-то фермеры заменили ручные серпы на агрегаты на конной тяге, а затем пересели на трактора.

Аналитики компании IDTechEx Research выделили два самых популярных тренда в сфере роботизации АПК, которые позволяет резко увеличить производительность при сокращении затрат.

Компьютерное зрение

Технология визуализации уже широко используется в сельском, и особенно, в органическом хозяйстве. Простой вариант — механическая прополка с высокой точностью, когда камера, установленная на тягаче, отслеживает прохождение техники по рядкам, идентифицируя сорные растения, а базовая технология регулирует положение механической мотыги, тем самым облегчая водителю труд точного вождения трактора.

Более сложные системы, интегрированные в управление трактором, способны «собирать» изображения растений в поле и распознавать сорняки против культур. Затем системы управляют точным механизмом обработки конкретных сорняков, применяя избирательные гербициды, то есть принимают определенные решения для конкретного участка.

Технология визуализации здесь намного мощнее, чем простой механический проход, так как использованы алгоритмы обучения для искусственного разума, позволяющие не только распознавать урожай культуры и сорняки, но и сделать различия между разными видами сорняков. Это нелегкая задача и ее невозможно выполнить при традиционном подходе к программированию на основе скриптов, потому что вы имеете дело со сложными и переменными данными, меняющими форму и внешний вид по мере их роста.

За последние годы коммерческая активность в сфере агротехнологий визуализации значительно ускорилась. Например, одна из компания приобрела технологию визуализации стоимостью более трехсот миллионов долларов. На рынок заходят все новые старапы от небольших фирм, которые делают ставки на ультраточное сельское хозяйство. И, конечно, крупные корпорации инвестируют солидные деньги в разработку техники с передовым компьютерным зрением.

Автономные и мобильные

На данный момент именно сельское хозяйство является главным «усыновителем» автономных технологий вождения. Все началось с появления руководства по тракторам, помогающее водителям более аккуратно и точно управлять машинами. Затем пришел автостеринг, дающий оператору возможность запрограммировать трактор и дать ему возможность перемещаться автономно. По прогнозам, в 2018 году будет продано более 270 тысяч автономных тракторов, увеличившись до более чем на 500 тысяч единиц этой спецтехники к 2023 году.

В настоящее время технологии развиваются в направлении полной автономии для того, чтобы позволить оператору управлять сразу несколькими машинами и чтобы техника могла продолжать работу при потере сигнала GPS.

Пилотируемые, но полностью автономные тракторы уже изобретены и продемонстрированы на выставках.

Следующим этапом могут стать беспилотные автономные тракторы. «Извлечение водителя» из уравнения может иметь глобальные
последствия для всей индустрии сельскохозяйственной техники.

Автономная мобильность позволит выполнять операции несколькими машинами, что устранит накладные расходы на оплату труда на транспортном средстве. В таком случае, всего лишь несколько человек смогут дистанционно контролировать работу большого автопарка. При этом, производительность отдельных единиц может быть ниже, чем при традиционной работе трактора с водителем, но
общая производительность — на уровне всех автономных тракторов, вышедших на задание, — выше.

Таким образом, навигационная автономия может инициировать значительный переход от нескольких крупных, тяжелых и дорогих автомобилей к «флотилии» небольших, легких и недорогих сельскохозяйственных роботов. Эти агророботы будут двигаться медленнее своих устаревших собратьев за счет того, что растениям будет уделяться более пристальное внимание.