Jak navrhnout chytrého zemědělského robota

Co patří k základním technickým předpokladům a s jakými náročnými úkoly se musí vývojáři robotů používaných v zemědělství umět vypořádat?

Tradiční způsoby hospodaření nejsou vůbec jednoduché. Může za to kombinace několika faktorů – rostoucí počet obyvatel, méně půdy, kterou lze obdělávat, a také omezené zdroje. Pokud ale vezmeme v úvahu inteligentní řešení využívající špičkových technologií, jako je i robotická zemědělská technika, dokážeme se k těmto přetrvávajícím problémům postavit čelem a zajistit přitom dlouhodobě udržitelnou produkci potravin.

Podobně jako v průmyslu, který se robotika snaží podporovat, budou ale i systémy používané v zemědělství stát před řadou náročných úkolů. Farmaření znamená pro citlivou elektroniku náročné prostředí, pro které je typická prašnost, vlhkost, ale i déšť. Kromě toho jsme často limitováni dostupnými prostředky (přívod energie, finance). V tomto článku se proto pokusíme „zarýt“ do překážek stojících v cestě rozvoji zemědělských robotů a zmíníme také klíčové technické předpoklady, společně s náročnými úkoly, se kterými se musí vývojáři „porvat“, mají-li nakonec uspět.

Co je v návrhu třeba zvážit

Na rozdíl od robotů, které něco montují a u kterých dáváme přednost odolnosti, nebo robotů používaných v medicíně, pro které je zase důležitá přesnost, budou zemědělské roboty vyžadovat jedinečnou rovnováhu mezi obojím. Jedině tak zde totiž mohou nastoupit do zemědělské výroby bez rizika, že něco poškodí. Musí být rovněž bystré, umět bezpečně provádět úkoly ve společnosti lidí nebo i zvířat a také se očekává, že dokážou optimálně hospodařit s energií.

Energetická účinnost

Pro zemědělské roboty, které musí po dlouhou dobu pracovat autonomně, často s malými bateriemi nebo omezenou dodávkou paliva, je rozhodující energetická účinnost. V případě zemědělské robotiky typu sklízecích strojů (viz obr. 1) bude k dosažení úspěchu nutné vyhovět zmíněným kritériím, zatímco provoz musí být sám ekonomicky proveditelný – především s ohledem na omezené finanční možnosti řady farem.

Obr. 1 Automatizovaný sklízecí stroj pracující v tandemu se sběracím vozíkem (zdroj: kinwun/stock.adobe.com)

Při návrhu zemědělské robotiky je nezbytné, aby úspora energie hrála klíčovou roli. Prodloužit výdrž baterie nebo i snížit spotřebu paliva nám pomohou funkce typu spánkových režimů, kdy dochází k chytrému probouzení v závislosti na pohybu, nebo režimy s nízkou vlastní spotřebou pro omezování rozsahu funkcí a snížení odběru proudu. Aby mohli vývojáři vytvořit efektivně pracující roboty, musí zmíněné strategie buď sami použít, anebo sáhnout po součástkách, které s podobnými metodami již samy počítají.

Odolnost

Pokud máme dostat roboty vhodné do nevlídného prostředí farem, očekávají se robustní součástky, stejně jako použité materiály. Konektory zde musí odolávat povětrnostním vlivům, zatímco záslepky dále zamezí průniku vlhkosti. Kryty, které nám zajišťují ochranu v případě nárazu či nevlídného počasí, je zapotřebí vyrobit z trvanlivých materiálů odolných vůči UV záření. A na drsné počasí je rovněž nutné pamatovat při návrhu antén s vysokou spolehlivostí a optimálními vlastnostmi, pokud jde o šíření signálu.

Pro zajištění spolehlivého provozu mohou vývojáři použít součástky, které jsou robustní již ze své podstaty a mají vysoké krytí IP nebo se jindy zase rozhodnou pro standardní prvky, které však musí kvůli odolnosti chránit vhodným krytem. DPS lze například ošetřit speciální vrstvou chránící před vlhkostí a prachem. Osadit lze rovněž chladiče odvádějící nadměrné teplo produkované elektronickými součástkami, příp. též okolním prostředím, typicky sluncem, přičemž pouzdření lze navrhnout tak, aby chránilo jak před průnikem tepla, tak i vniknutím vody. Pokud budeme mít při vývoji na mysli robustní konstrukci, mohou zemědělské roboty dosahovat spolehlivosti a také výdrže nezbytné pro venkovní aplikace.

Zpracování v reálném čase i vlastní inteligence

Spoléhat se na zpracování v cloudu či jeho inteligenci může být u zemědělské robotiky problematické. Důvodem jsou možné výpadky v komunikaci. Omezené pokrytí mobilním signálem představuje u rozsáhlých farem komplikace a levné rozhodně nebude ani zřízení lokálních Wi-Fi^® sítí společně s cloudovými službami. Datové přenosy spojované s cloudem navíc u nízkopříkonových robotů, jako jsou sběrače zemědělských plodin (viz obr. 2) a plečky, zkracují výdrž baterie.

Obr. 2 Roboty používané při sklizni rajčat mnohdy sází na strojové vidění vycházející z ML, takže dokáží určit, zda jsou plody zralé (zdroj: kritsana/stock.adobe.com)

Vzniklé potíže dokáže efektivně vyřešit zpracování s AI či strojovým učením (ML) řešené přímo na místě (tzv. edge), kdy data analyzujeme rovnou na zařízení, a ne až v cloudu. Pokud je tedy „inteligentní“ již samo zařízení, mohou zemědělské roboty provádět analýzu v reálném čase a činit okamžitá rozhodnutí, aniž by přitom nějak závisely na vnější síti. Snižujeme tím spotřebu energie a omezujeme ještě závislost na komunikačních prostředcích. Zpracování přímo na místě zvyšuje výraznou měrou efektivitu a také bezpečnost v aplikacích typu detekce překážek, precizní výsadby či sledování stavu plodin v reálném čase, to vše s minimální prodlevou ve srovnání s cloudovými systémy.

A co správný výběr čidel?

Robotika používaná v zemědělství se bez snímačů jednoduše neobejde. Senzory, jako jsou lidary, kamery či detektory půdní vlhkosti, zvyšují efektivitu a také výkonnost, ale budou i něco stát. Vývojáři musí zvolit technologie vyvažující omezení, pokud jde o finanční náklady, spotřebu energie a způsob zapouzdření, aby tak zaručili, že jejich návrhy vyhoví očekávání trhu.

Vytváříme spolehlivého a supervýkonného robota do zemědělství

Úspěch jakéhokoli zemědělského robota do značné míry závisí na vlastnostech součástek, které se v něm ukrývají.

Nízkopříkonové technologie

Optimalizovat výdrž baterie robotu nebo jeho spotřebu paliva pomohou spánkové módy či režimy s nízkou spotřebou u součástí, jako jsou senzory, řídicí elektronika nebo komunikační moduly. Obrazové snímače, např. AR0830 Hyperlux™ LP od firmy onsemi, patří k základní výbavě zemědělských robotů. Systém AR0830 byl speciálně navržen tak, aby nabídl vynikající vlastnosti, zatímco spotřebuje minimum energie. Díky snímkové frekvenci 60 fps se skvěle hodí pro zemědělské aplikace strojového vidění – rozpoznávání zralých plodů či odhalení škůdců nebo plevele. Kromě činnosti s nízkou spotřebou se bude snímač také vyznačovat probouzením v závislosti na pohybu, stejně jako režimy s podvýběrem, takže dále snižujeme šířku pásma potřebnou k přenosu dat a tím zlepšujeme i účinnost. Zmiňované režimy optimalizují vlastnosti dosahované v různých aplikacích z oblasti zemědělství, protože mají v rovnováze rozlišení, citlivost, snímkovou frekvenci a také výkonovou spotřebu.

U výkonového konceptu zemědělské robotiky má stěžejní roli řídicí elektronika dohlížející na základní operace a stojící za funkcemi nebo též energetickou účinností robotů. Mikrokontroléry (MCU) s mimořádně nízkou spotřebou řady STM32U5 od STMicroelectronics vycházející z platformy Arm^® Cortex^®-M33 jsou ideální pro subsystémy zemědělské robotiky typu rozhraní člověk–stroj (HMI) a řízení senzorů.

Řada STM32U5 počítá s teplotou okolí až +125 °C, zatímco dále integruje klíčové funkce – HW zabezpečení, komunikační periférie či paměť Flash. Její režim LPBAM (Low Power Background Autonomous Mode) pak umožňuje perifériím zůstat aktivní, zatímco se součástka nachází v módu stop, což výrazně snižuje spotřebu. Rostoucí míra integrace, společně s chytře navrženými režimy napájení zde v porovnání s klasickými přístupy znamená i efektivnější fungování.

Robustní součástky

Zemědělské roboty stojí a také padají se svou schopností vydržet nevlídné prostředí při farmaření a vyžadují proto i odolné součástky. Řešení v podobě venkovních antén TE Connectivity / Linx Technologies řady IPW zde nabízí kmitočtový rozsah od 617 MHz do 7,1 GHz, vhodný pro různé typy komunikace (mobilní, Wi-Fi nebo LPWA / ISM). Antény počítají se ziskem až 8,7 dBi a krytím IP67. Zaručují tak stabilní připojení v rozsáhlých venkovských oblastech, ale i dlouhodobou ochranu před vniknutím prachu či vody.

U robotiky používané v zemědělství lze takové antény kombinovat s komunikačními moduly LoRaWAN^®, např. řešeními pro LoRa^® od Microchip Technology. V porovnání s jinými protokoly bezdrátové komunikace nabízí zmíněná řešení LoRaWAN nízkopříkonovou konektivitu, skloňující dlouhý dosah a vf kmitočtová pásma do jednoho gigahertze, což umožňuje komunikovat ve venkovských a příměstských oblastech na vzdálenosti překračující 15 kilometrů.

Neméně důležitá zde rovněž bude spolehlivost konektoru, který je také místem, kde může eventuálně vniknout voda nebo různé nečistoty. Jestliže máme v provozu zabránit poruchám, základem je správně zvolit konektory pro interní propojení, vnější komunikaci či nabíjení. Řada M (Lemo) je proslulá svou odolností, pokud jde o průmyslovou robotiku a také automobilový sektor, takže se bude skvěle hodit i pro nasazení v zemědělství. Konektory nabízí 2 až 114 kontaktů, vynikající odolnost vůči vibracím a také vodě dle IP68, kdy ustojí ponoření do hloubky 2 metrů po dobu 15 hodin.

Obr. 3 Fixované konektory Lemo řady M byly navržené tak, aby ustály i náročné provozní podmínky (zdroj: Mouser Electronics)

Strojové učení? Přímo na místě

Pro robotiku v zemědělství je rozhodující přesnost, včetně rychlého a spolehlivého zpracování. Základem pro rostoucí nabídku funkcí a dosažení optimálních vlastností při zajišťování flexibility s ohledem na různé úlohy a také prostředí se stala integrace pokročilých řešení s AI a ML.

Edge Impulse je víceúčelová platforma přizpůsobená vývoji a také nasazování řešení s AI pracujících přímo v místě určení, takže se bude skvěle hodit i pro zemědělskou robotiku. Minimalizuje zde závislost na ustavičné komunikaci s cloudem, prodlužuje výdrž baterie a umožňuje rozhodování v reálném čase, a to i za náročných podmínek, pokud jde o konektivitu či bezpečnost.

Edge Impulse umožňuje ze své podstaty použít hardware prakticky bez omezení. Platforma zde rovněž podporuje Train Adapt Optimize (TAO) Toolkit NVIDIA. Zmíněné TAO zde zjednodušuje tvorbu vlastních modelů AI cestou přenosového učení a umožňuje vývojářům doladit předškolené modely pro specifické účely s minimem vstupních dat. Dostáváme zde proto ideální nástroje pro zemědělské aplikace, ve kterých modely AI vhodně nasadíme při sběru plodin, monitorování stavu půdy či detekci škůdců, takže nám vznikají ještě zdatnější a efektivně pracující koncová řešení.

Závěr

Roboty používané v zemědělství sice sdílí mnoho typických vlastností a také předpokladů se svými průmyslovými protějšky, nicméně klíčový zde bude výběr součástek, se kterými lze reagovat na úskalí farmářského prostředí. Nasazení robustních, efektivních a také inovativních technologií nám pomáhá vytvářet produkty, které zvyšují efektivitu výroby, zajišťují udržitelnost a při hospodaření vše také zjednoduší, takže ve světě s omezenými prostředky může produkce potravin dále vzrůstat.

Titulní obrázek: Robot pro automatizovanou sklizeň (zdroj: Sunday Cat Studio/stock.adobe.com)