Трактор разумный: что умеет беспилотная сельхозтехника и кто ее создает

Сегодня существуют разные системы автоматизации сельскохозяйственной техники:

• Сравнительно недорогие системы автоматического вождения с высокой точностью позиционирования.
• В разы более дорогие модули автономности, которые превращают машину того или иного производителя в автономного робота.
• Недоступные большинству хозяйств по цене серийные автономные машины.

Кроме ценника, решения отличаются степенью необходимого контроля со стороны человека. Если первые освобождают руки водителя, но по-прежнему требуют его постоянного присутствия за рулем, то с последними возможен полностью дистанционный контроль. Пока большая часть систем автономности предназначена для тракторов — от тех, что работают в полях, до тех, что используют на виноградниках. Отдельные компании разрабатывают решения и для комбайнов.

Даже доступные по цене системы дают хорошие результаты. Они точно распознают границы обработанных и необработанных техникой областей и осуществляют навигацию с сантиметровой точностью. Агропилоты способны вести машину по правильной траектории в дождь и в условиях ограниченной видимости, когда стемнело или поднялось облако пыли. А еще могут помечать на карте крупные камни, которые могут испортить орудия, сорняки и очаги болезней, которые могут нанести вред урожаю. Человеческий глаз на такое неспособен.

Например, на уборке кукурузы водитель комбайна работает за троих: ведет технику, следит за самим процессом уборки и старается равномерно загрузить силовоз. Современные автопилоты берут водительский труд на себя и равномерно загружают машины силосом.

В автономном режиме сельхозтехника может выполнять практически все основные операции: обработку почвы, культивацию, посев, опрыскивание, распыление удобрений, уход за пропашными культурами. Людям остается внести сведения в программу, снабдить машину правильным сельскохозяйственным орудием, доставить ее на нужный участок и удаленно наблюдать за работами.

Владельцы получают отчеты о ходе работы техники с фото и видео в отдельных программах и даже мобильных приложениях. Например, сколько трактор отработал, в каком режиме, за какое время и на каком участке. Собранную одной машиной информацию можно переиспользовать для всех остальных.

Умной агротехнику делают:

• системы связи, модемы и антенны для получения и передачи данных,
• наборы дублирующих работу друг друга датчиков и камер,
• бортовые компьютеры, которые с помощью нейросетей анализируют данные и принимают решения,
• системы, координирующие работу трактора и прицепных сельскохозяйстввенных орудий,
• гидравлические блоки с цифровым управлением для управления машиной.

Разберем подробнее некоторые из этих технологий.

Для навигации машин и определения их положения используют GPS — систему глобального позиционирования. Она обеспечивает точность около 7 метров, которых может быть недостаточно для многих сельскохозяйственных работ. Однако в комплекте с другим оборудованием GPS позволяет автономной агротехнике неплохо ориентироваться в пространстве.

Применяют и гораздо более точную систему — GNSS-RTK (Global Navigation Satellite System, Real-Time Kinematic Positioning). Она обеспечивает точность до 2,5 см и является одним из лидеров по эффективности. Для стабильности работы блоки навигации оснащают чувствительными антеннами, навигационными чипами и инерциальными модулями. Оставаться на связи технике помогают также GSM-модемы и модемы радиосвязи.

LIDAR (Light Detection and Ranging) — это технология для измерения расстояний. Лидар посылает световую волну, чаще всего инфракрасную, и отмечает время возвращения отраженного света в приемник. На основе этого времени рассчитывается дистанция до окружающих объектов. Лидары активно используют для маневрирования роботов на местности: вы могли видеть такие приборы на роботах-пылесосах и беспилотных автомобилях.

Разнообразные современные камеры — это «глаза» машин. Производители автономных наборов и автопилотов используют 3D-, стерео- и 360-камеры. Они позволяют видеть на все четыре стороны и воспринимать глубину изображения. Камеры находят препятствия, триангулируют расстояние и обрабатывают изображение за доли секунды. Картинка передается нейросетям на бортовую систему.

IMU (Inertial Measurement Unit) — это блок инерциальных датчиков, например, гироскопов, акселерометров и магнитометров. Они измеряют угловую скорость, поперечные и продольные наклоны машины. IMU помогает определять положение шасси техники в пространстве, обнаруживать влажную или неровную почву. Такие же датчики устанавливают на квадрокоптерах или мотоциклах.

Интеллектуальная система помощи водителю (Advanced Driver Assistance System) — это дополнительный гарант безопасности. Она использует датчики, камеры, радары, и лидары, чтобы распознавать людей, которые могут оказаться на дороге или на поле. Система может подавать звуковые сигналы или голосовые сообщения при приближении к препятствию. Некоторые ADAS могут также распознавать усталость водителя.

Вся собранная информация поступает на бортовой компьютер и обрабатывается им же. Производители решений для автономных агромашин не говорят, какие именно процессоры они используют: так, John Deere пишет просто «быстродействующие», а Cognitive Pilot — «нейропроцессоры».

Управлять техникой как из кабины, так и удаленно, помогает специальное программное обеспечение. Водители и механизаторы видят понятный интерфейс для управления, где можно выбрать режимы работы и прицепное орудие, а также посмотреть сетку навигационных линий. Отдельные приложения позволяют анализировать записанные в ходе работ данные.

Кроме того, у каждой компании есть целый список запатентованных решений, которые координируют работу прицепного оборудования, следят за распылением воды и удобрений, предварительно оценивают урожайность.

Над тем, чтобы сельское хозяйство стало автономным, трудятся инженеры и разработчики десятков компаний по всему миру. Разной степени сложности системы создают, например:

• Cognitive Pilot,
• FJDynamics,
• Agreenculture,
• Blue-White,
• Braun Maschinenbau,
• Sabanto,
• Monarch Tractor,
• Fieldin,
• John Deere.

Смысл решений похож, так что посмотрим на производителей разных «классов»: агропилотов, наборов для роботизации и серийных автономных тракторов.

В России сенсоры и системы искусственного интеллекта для сельхозтехники разрабатывает Cognitive Pilot. Два основных продукта компании — агропилот для тракторов и для комбайнов. Их можно установить на любую машину, которая уже есть у хозяйства.

Агропилоты требуют присутствия человека в кабине, но освобождают ему руки. При наличии сигнала спутниковой навигации алгоритмы Cognitive Pilot ведут машины по линии курса с точностью 2−5 см. А если сигнал недоступен, искусственный интеллект почти с той же точностью поведет трактор или комбайн с помощью технического зрения даже ночью. Автопилот распознает препятствия и позволяет избегать столкновений.

В случае комбайна агропилот рассчитывает площадь уборки по видео, и для всех машин механизаторы всегда видит объем уже выполненной работы. Плюс за работой трактора или комбайна можно наблюдать с компьютера или смартфона: в приложении видны пройденный маршрут, фото и видео с поля. Cognitive Pilot пишет, что вложения в систему отбиваются за один год: например, с 1 Га площади экономия ресурсов хозяйства на внесении удобрений составит 16%, а экономия времени — 6%.

В 2024 году компания планирует реализовать возможность групповой работы автономных тракторов во главе с «лидером». Ведущий трактор будет вести оператор-человек, а все остальные будут следовать его программе и работать автономно. А через год компания хочет создать решение, которое сделает промышленный трактор полностью автономным.

Французская компания Agreenculture разрабатывает систему AGCbox, которая делает автономной разную сельскохозяйственную технику. Компания сотрудничает только с производителями машин. Уже есть готовые совместные решения для агроробота Karl от Kuhn, гибридного робота для виноградников RX-20 от Pellenc и автономного опрыскивателя Kfast от Fede.

AGCbox использует GNSS-RTK и наземную референсную станцию для определения положения в пространстве и навигации. A специальный блок помогает управлять нужными машине навесными или прицепными инструментами. Набор технологий адаптируют под конкретное решение, чтобы обеспечить безопасность и оптимальную производительность системы.

Сейчас Agreenculture работает над удаленным управлением сельскохозяйственными роботами, как с игрушечными радиоуправляемыми машинками. Эта функция позволит разблокировать машину, если она попадет в сложную ситуацию, а не бежать на поле или виноградник.

Американская компания John Deere создала свою первую автономную навигационную систему для трактора еще в 1990-х годах. Она позволяла машине перемещаться по полю и самостоятельно совершать повороты. Сравнительно недавно — в 2021 и 2022 годах — для ускорения внедрения автономных технологий John Deere приобрела стартапы Bear Flag Robotics и Light. Первый специализируется на обработке мультисенсорных данных, машинном зрении, программном и аппаратном обеспечении, второй — на датчиках определения глубин и камерах для беспилотного транспорта.

В 2022 году John Deere представила полностью автономный трактор 8R. Чтобы использовать эту машину, фермерам нужно доставить ее на поле, настроить на автономную работу и сделать свайп слева направо в приложении Operations Center Mobile. Во время работы машины фермер может покинуть поле и сосредоточиться на других задачах, контролируя ход работ с мобильного устройства.

На сайте компании сказано, что автономный 8R скоро станет доступен для заказа, хотя новостные издания писали, что как минимум одна такая машина уже используется в Европе. Технологию, которую John Deere использует для привода 8R, планируют в дальнейшем распространить на весь парк машин компании. А к 2030 году производитель хочет создать полностью автономную систему производства кукурузы и сои, которая будет самостоятельно проводить обработку почвы, посев, опрыскивание и сбор урожая.

Серийные полностью автономные тракторы, которые не требуют присутствия водителя, пока мало распространены. У них даже могут отсутствовать манипуляторы для выполнения ряда задач, например, замены орудий. Устанавливаемые на борт комплекты для изначально неавтономной техники пока тоже не стали массовыми. Надзор и помощь со стороны человека умным агромашинам по-прежнему нужны, но это в любом случае значительно меньше работы, чем было до появления подобных технологий.

Установка автопилота на обычные тракторы или комбайны не дает водителю возможность покинуть кабину: контроль с его стороны по-прежнему остается ключевым моментом. После настройки агротехтехника сама будет следовать правильной траектории и выполнять указанные работы, но человек должен уделять внимание регулировке сельскохозяйственных орудий и следить за их правильной работой.

Кроме того, внедрение беспилотников и программного обеспечения для анализа собранных в полях данных — дорогостоящий процесс. Сельскохозяйственные машины сами по себе недешевы. Небольшие и средние хозяйства нередко используют для их покупки кредитные средства, приобретают подержанную технику и чинят ее самостоятельно. Оборудование машин дополнительными датчиками и приборами, решение вопроса их обслуживания и аналитики собранных в полях данных — это дополнительные расходы, которые далеко не каждый может себе позволить.

Например, новый российский трактор даже без борон и культиваторов стоит от 3 миллионов рублей, а в США эта сумма будет стартовой ценой подержанной машины. Комплект автопилота, который требует присутствия водителя, в обеих странах обойдется в дополнительные 1,1 миллиона. И если такие капиталовложения могут окупиться, то мощные серийные автономные тракторы, роботы и комбайны пока себе могут позволить могут только крупные и прибыльные хозяйства. Одна такая машина может стоить сотни тысяч долларов.

Препятствием на пути к автономному сельскохозяйственному будущему служат и существующие ограничения связи. Только надежная и быстрая связь «по воздуху» позволит удаленно управлять машинами, видеть полную картину работ в режиме реального времени, а также хранить собранные данные. Обеспечивать требуемое качество связи в сельской местности пока сложно или очень дорого.

Для более широкого распространения сельскохозяйственных беспилотников предстоит разобраться и с вопросом законодательного регулирования. В разных странах действуют свои законы, касающиеся использования автономных машин, если законодательная база вообще сформирована. Это тоже может повлиять на темпы движения в сторону менее зависимого от человека сельского хозяйства.

Сейчас приобретение наборов автопилотов и полностью автономной техники — сложная задача для небольших хозяйств и фермеров. Однако по мере увеличения объемов производства и распространения таких машин, цены на них могут существенно снизиться. А над решением задачи с обеспечением надежной связи в разных уголках планеты уже работают телеком- и интернет-операторы.

Компании, которые работают над автономной сельхозтехникой, верят, что в будущем работу всей умной сельхозтехники можно будет контролировать из одного диспетчерского центра. Диспетчер сможет задавать программу и время работы для всех машин и не находиться постоянно за пультом.
Хочется верить, что в обозримом будущем мы сможем наблюдать в полях футуристичные сцены.

Беспилотная сельхозтехника будет работать самостоятельно и показываться людям только для замены орудий или ремонта. А производительность хозяйств и их финансовые результаты будут расти за счет более оптимального и точного расхода ресурсов на выращивание одних и тех же объемов урожая.