Slik vil autonome kjøretøy forbedre bærekraft og produktivitet i landbruket

Autonome traktorer, droner og roboter for frøplanting, luking og høsting er noen av teknologiene som er under utvikling, og disse vil forvandle landbruket og bidra til å lindre matmangel ved å forbedre bærekraften og produktiviteten til landbruksaktiviteter. Autonome kjøretøy av alle typer vil frigjøre folk fra å kjøre traktorer og andre maskiner, slik at de kan prioritere mer verdiskapende aktiviteter. Disse inkluderer implementering av presisjonslandbruk som vil øke avlingen, redusere negative miljøpåvirkninger og forbedre bærekraften i landbruksvirksomheten ved å løse problemer knyttet til vannmangel, arbeidskraftmangel og andre begrensninger.

Droner og landbruksroboter representerer nye systemer som utvikles og distribueres fra begynnelsen av, men traktorer er annerledes. Det eksisterer allerede et stort antall installerte traktorer, og disse har en tendens til å ha lang levetid. Som et resultat vil, i tillegg til å utvikle helautomatiske nye konstruksjoner, eksisterende traktorer bli ettermontert med elektriske drivverk og oppgradert med digitale systemer for bestemte formål, såkalte «digitale traktorverktøy».

Denne artikkelen ser nærmere på utviklingen av digitale traktorverktøy og nye elektriske traktorer (e-traktorer). Den gjennomgår utfordringene rundt bruken av autonome traktorer og ser på hvordan droner, sensorer på traktorer og AI og ML brukes i presisjonslandbruk. Den ser også nærmere på noen av teknologiene som trengs for å realisere utviklingen av autonome landbrukskjøretøy og hvordan Digi-Keys omfattende produkttilbud, for eksempel maskinsyn, motorer og styringer, strømomformere, sensorer og brytere, kablede og trådløse kommunikasjonsgrensesnitt og en rekke signal- og strømkabler og -kontakter, kan hjelpe konstruktører med å fremskynde utviklingsprosessene sine. Artikkelen avslutter med en titt inn i fremtiden, der fullstendig autonome gårdsbruk kontrolleres av sofistikerte operativsystemer som kan håndtere blandede flåter, inkludert både autonomt og standard landbruksutstyr, for å maksimere produktivitet og bærekraft.

Gårdsverktøy kommer på ISObus

I likhet med Industri 4.0, beveger landbruket seg mot å bruke intelligente og sammenkoblede maskiner. Det er her ISO 11783 (ISO – International Standards Organization), en seriell datanettverk-buss for traktorene og maskinene for landbruk og skogbruk, kommer inn. I landbruksbransjen refereres dette til som ISObus. Den er basert på SAE J1939-protokollen (SAE – Society of Automotive), som inkluderer CAN-bussen (CAN – Control Area Network) og har blitt optimalisert for landbrukskonstruksjoner. ISObus er fremmet aktivt av Agricultural Industry Electronics Foundation, som arbeider for å koordinere forbedrede sertifiseringstester for ISO 11783-standarden.

Før ISObus ble tilgjengelig, hadde bønder traktorer med proprietære styringssystemer som begrenset fleksibilitet, ytelse og driftskompatibilitet. ISObus inkluderer standardiserte kontakter, kommunikasjonsprotokoller og driftsretningslinjer, og muliggjør utvikling av sammenkoblede sensor- og styringssystemer fra forskjellige produsenter (figur 1). ISObus støtter også elektrifisering av traktorverktøy, inkludert elektrisk drevne mekaniske kraftuttak (PTO – power take off) og høyspenningskontakter som er klassifisert for opptil 700 volt (V) og 100 kilowatt (kW) for å drive elektrisk drevne verktøy.

Figur 1: ISObus gjør det mulig å integrere sensorer og verktøy fra ulike produsenter i et plug-and-play-system. (Bildekilde: Armin Weigel/dpa (Bilde av Armin Weigel/bildeallianse via Getty Images)

ISObus er under utvikling for å danne et system for styring av traktorverktøy (TIM – tractor implement management). Som forventet vil den avanserte versjonen av ISObus gjøre det mulig for verktøy å gi feedback til traktoren, noe som støtter optimaliseringen av det kombinerte systemet for traktor/verktøy. Dette vil også muliggjøre høyere nivåer av sensorintegrasjon på verktøy som støtter presisjonsdrift. Traktoren vil gi lokasjonsbevissthet, og det kombinerte systemet vil kontinuerlig samle inn data om jord- og avlingsforholdene. Med mer detaljert innsikt kan både avlinger og bærekraft økes.

e-traktorer, ettermonteringer og autonome traktorer

I tillegg til den kontinuerlige utviklingen av ISObus, vil elektrifisering av traktorer være viktig i den fremtidige distribusjonen av autonome kjøretøy og økt bærekraft i landbruket. Reduksjon av utslipp er en viktig faktor. En fjerdedel av verdens klimagassutslipp kommer fra landbruk og landbruksrelaterte aktiviteter, og én traktor slipper ut like mye luftforurensning som 14 biler.¹

E-traktorer er i ferd med å komme til syne i landbruket. I tillegg til å redusere utslipp, kan e-traktorer kraftig redusere drivstoffkostnader. E-traktorer er for tiden begrenset til mindre modeller, da store, kraftige e-traktorer krever batteripakker som er større enn størrelsen på den konvensjonelle traktoren de ville erstatte. Store e-traktorer veier også mer, noe som resulterer i økt jordkomprimering som er uønsket. Til slutt er ladetidene for store batteripakker alt for lange til å være praktiske i en landbruksvirksomhet. Mindre e-traktorer med motorer fra 25 til 70 hestekrefter (HP), ca. 18,6 til 52 kW, og små batteripakker er allerede under testing. Elektrifisering av traktorer handler om mer enn drivlinjen. Det handler også om å erstatte hydraulikk som driver og styrer traktorverktøy (figur 2).

Figur 2: Små e-traktorer med motorer fra 25 til 70 HP blir testet og klargjort for distribusjon. (Bildekilde: Bilde av brizmaker via Getty Images)

For større traktorer, er hybride ettermonteringssett tilgjengelige. For eksempel tilbyr en bedrift et sett som omfatter en generator på 250 kW, som kan festes til traktorens eksisterende forbrenningsmotor i stedet for den hydrauliske pumpen. Settet inneholder også fire elektriske motorer som kan erstatte det hydrauliske drivsystemet og en elektrisk transmisjon for å drive eksisterende verktøy. Ved å erstatte hydraulikksystemene, reduserer ettermonteringssettet drivstoff- og vedlikeholdskostnadene og øker tilgjengeligheten og påliteligheten til den hybride e-traktoren.

I likhet med distribusjonen av autonome biler og lastebiler, står distribusjonen av autonome traktorer overfor en usikker fremtid. For eksempel krever gjeldende forskrifter i California at «alt selvdrevet utstyr skal, når det er under egen kraft og i bevegelse, ha en operatør stasjonert ved styringene til kjøretøyet». Full autonomi må vente.

Flyvning over jordene

Droner brukes nå til et bredt spekter av oppgaver i landbruket. Eksempler omfatter:

• Avbildning av plantehelse. Droner har i stor grad erstattet satellittbilder for å overvåke avlingens helse. Droner utstyrt med NDVI-avbildingsutstyr (NVDI – Normalized Difference Vegetation Index) gir detaljerte fargebilder som kan brukes til å overvåke helsen til planter. Mens satellittbilder tar tid å innhente og kan gi nøyaktige målinger ned til én meter, kan droner gi bildenøyaktighet ned til én millimeter og støtte svært målrettet identifisering av sykdommer, skadedyr eller andre problemer i sanntid.
• Overvåking av jordeforhold. Droner overvåker også jord- og dreneringsforholdene over hele jorder. Dette kan muliggjøre mer effektive og bærekraftige vanningsprogrammer.
• Planting. Automatiserte dronefrøplantere er vanlige innen skogbruk, og bruken av dem utvides til generell landbruksdrift. Droner kan raskt plante trær eller frø og mer effektivt få tilgang til utilgjengelige områder. For eksempel kan 400 000 trær plantes per dag av et team bestående av to operatører som bruker flere droner.
• Spraykonstruksjoner. Bruken av droner til sprøytebehandling med gjødsel og skadedyrmidler er et stadig økende bruksområde, og bruken varierer fra region til region (figur 3). I Sør-Korea for eksempel, brukes droner for rundt 30 prosent av landbrukssprøytingen. I Canada er det ikke lovlig å bruke droner til landbrukssprøyting. I USA krever dronesprøyting lisensiering og sertifisering som mandat fra FAA (Federal Aviation Administration) og statlige landbruks-, forretnings- og transportavdelinger.

Figur 3: Store droner har blitt utviklet som kan brukes til påføre sprøytebehandling med gjødsel og skadedyrmidler. (Bildekilde: Bilde av baranozdemir via Getty Images)

Presisjon produserer mer med mindre

Selv før autonome traktorer realiseres, forventes det at droner og elektrifiseringen av traktorer og traktorverktøy vil støtte presisjonslandbruk og øke bærekraften.

Ifølge en studie fra AEM (Association of [agricultural] Equipment Manufacturers) kan bruken av presisjonslandbruk føre til en økning på 4 % i avlingsproduksjon, 7 % økning i plasseringseffektivitet av gjødsel, 9 % reduksjon i bruken av ugressmidler og skadedyrmidler og 6 % reduksjon i bruken av fossilt brensel². I tillegg kan vannforbruket reduseres med 4 % med presis vanning.

Disse tallene er basert på dagens teknologi. Takket være tillegget av tilkoblede systemer og kunstig intelligens (AI), forventes disse forbedringene å bli multiplisert. Tilleggingen av maskinlæring (ML) for utstyrsvedlikehold gir ytterligere besparelser og økt bærekraft.

Ifølge AEM forventes det at autonomt landbruksutstyr resulterer i en trinnvis forbedring på 24 % når både inngående sparinger og avlingsforbedringer tas i betraktning. En viktig faktor i denne forbedringen er forutsetningen om at autonome maskiner vil være lettere enn utstyret som erstattes, noe som resulterer i mindre komprimering og forbedrede jordforhold.

AI og ML vil også være avgjørende når det gjelder å utvikle presisjonsmaskiner optimalisert for bestemte oppgaver. Maskiner for dedikerte oppgaver kan være enda mindre enn traktorer for generelle formål. For eksempel utvikles maskiner for små oppgaver som kan plukke avlinger der maskinsyn (en delikat implementering) og presis behendighet er nødvendig.

Ugresshåndtering er et annet område hvor oppgavespesifikke AI- og ML-maskiner forventes å bidra kraftig. Ugresshåndtering er vanskelig og arbeidskrevende, og det bidrar til økt vannbruk og uttynning av jordnæringsstoffer hvis det ikke implementeres på en effektiv måte. Avlingsrotasjon er en delvis løsning, men kan ikke eliminere behovet for ugressmidler eller manuell ugresshåndtering. Roboter for ugresshåndtering som kombinerer maskinsyn med AI og ML er nå under testing. Disse små maskinene minimerer også jordkomprimering (figur 4).

Figur 4: Eksempel på autonome innhøstingsroboter som kombinerer maskinsyn med AI og ML. (Bildekilde: Bilde av onurdongel via Getty Images)

OS for gårdsbruk og flåter av autonomt utstyr

Landbruksbransjen beveger seg mot en fremtid der fullstendig autonome gårder vil bli kontrollert av et sofistikert operativsystem (OS) som er i stand til å administrere blandede flåter, inkludert både autonomt og standard gårdsutstyr, pluss landbaserte maskiner og droner, for å maksimere produktivitet og bærekraft (Figur 5). Disse flåtene av landbruksutstyr vil fungere koordinert med hverandre for å bidra til å administrere kapitalkostnader, minimere behov for arbeidskraft og tilby de store dataene som er nødvendige for å muliggjøre autonom utførelse og presisjonslandbruk. I tillegg vil fremtidens operativsystem for gården bli standardisert og optimalisert for å støtte et mangfoldig utvalg av utstyr fra mange leverandører. Bruken av ISObus er bare det første steget mot en åpen kildekode og standardisert tilnærming til gårdsautomatisering.

Figur 5: Svermer av koordinerte autonome landbruksmaskiner på bakken og i luften vil føre til høyere nivåer av bærekraft. (Bildekilde: Illustrasjon av Scharfsinn86 via Getty Images)

Andre fordeler som forventes av det foreslåtte operativsystemet for gården, er reduserte CO2-utslipp, lavere drivstofforbruk og optimalisering av batterilading og -styring. Analyser av de store dataene vil også spille en viktig rolle i fremtidens landbruk. Store mengder sanntidsdata direkte fra jordet vil bli brukt til å kontinuerlig trene AI- og ML-algoritmene som kreves for beslutningstaking, styring og operasjonell planlegging for å optimalisere presisjonslandbruk.

Sammendrag

Vi er fortsatt på begynnerstadiet når det gjelder utvikling av autonome landbrukskjøretøy og bærekraftig presisjonslandbruk. Bransjen har begynt å eksperimentere med ISObus. Neste generasjon av ISObus vil støtte økt driftskompatibilitet og bidra til å skape mer komplekse og sammenkoblede flåter av landbruksutstyr. Målet er å utvikle et operativsystem for gårdsbruk som kan ta disse flåtene av landbruksutstyr og kombinere dem med massive sanntidssensordata ved å bruke AI- og ML-algoritmer og distribuere dem som formasjoner av koordinerte bakke- og flyvemaskiner som produserer høye nivåer av bærekraft og produktivitet.

1. Autonome traktorer med robothjerner er i ferd med å ta over gården, Autoweek
2. De miljømessige fordelene med presisjonsjordbruk kvantifisert, AEM