От редакции
приборы

Трактор разумный: что умеет беспилотная сельхозтехника и кто ее создает

100
0
6 июня 2024
Изображение создано с помощью нейросети
От редакции
приборы
100
0
6 июня 2024
Трактор разумный: что умеет беспилотная сельхозтехника и кто ее создает

Сельское хозяйство — низкомаржинальная область. Производственные расходы в ней велики, а успехи зачастую зависят от погодных факторов и годовой инфляции, на которые владельцы агропредприятий бессильны влиять. Мало кто из них может похвастаться хорошей рентабельностью, далеко не каждое хозяйство может пережить даже один неурожайный год. При этом, по данным ООН, с нехваткой питания по-прежнему сталкивается почти треть населения планеты, и высокая результативность сельского хозяйства может повлиять на качество жизни сотен миллионов человек.

Повысить производительность и маржинальность сельскохозяйственных работ может автономная агротехника — тракторы, комбайны, опрыскиватели, другие машины и даже дроны, которые будут работать в плохую погоду и при любых условиях освещенности. Рынок автономных сельхозмашин и оборудования уверенно растет, его ключевой сегмент — это тракторы, на которых мы фокусируемся в этой заметке. Сельхоз беспилотники пока не получили широкое распространение, но результаты компаний, создающих подобные решения, оптимистичны. Рассказываем, какие технологии позволят сделать земледелие высокоточным и какие ухабы есть на этом пути.

Изображение создано с помощью нейросети

Что уже умеет беспилотная агротехника

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 результате современные технологии снижают пробег и простой машин, усталость водителей, расход семян и удобрений, и позволяют не уплотнять лишний раз почву колесами. Все это снижает расходы хозяйства на ведение сельхозработ.
Автопилот Cognitive Pilot ведет посев по машинному зрению
Автопилот Cognitive Pilot ведет посев по машинному зрению. Источник

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.

Какие технологии позволяют сделать трактор и комбайн умными

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.

GPS и GNSS-RTK

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.

Блок навигации Cognitive Pilot на крыше трактора
Блок навигации Cognitive Pilot на крыше трактора. Источник

Лидары

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.

3D, стерео и обзор на 360°

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.

Распознавание людей тракторами Monarch Tractor
Распознавание людей системой, которой оснащены тракторы компании Monarch Tractor. Источник

IMU

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.

ADAS

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.

Оборудование трактора. Фото с тестов ADAS.
Оборудование на тракторе и снаружи. Фото с тестов ADAS. Источник

Бортовые компьютеры и программное обеспечение

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.

Интерфейс автопилота Cognitive Pilot внутри трактора
Интерфейс автопилота Cognitive Pilot внутри трактора. Источник

Кто разрабатывает агропилоты и автономные тракторы

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.

Агропилоты для тракторов и комбайнов Cognitive Pilot

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.

Трактор «Кировец» с автопилотом Cognitive Pilot
Трактор «Кировец» с автопилотом Cognitive Pilot. Источник

Комплекты для роботизации Agreenculture

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.

Агроробот Karl, оборудованный системой AGCbox
Агроробот Karl, оборудованный системой AGCbox. Источник

Полностью автономные тракторы John Deere

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.

Автономный трактор John Deere 8R с долотообразным плугом с функцией TruSet
Полностью автономный трактор John Deere 8R с долотообразным плугом с функцией TruSet. Источник

Ухабы на пути к автономному сельскому хозяйству

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.

Что может быть дальше

До того, как Фрэнк Герберт придумал харвестеры в «Дюне», существовала машиностроительная фирма International Harvester, которая выпускала тракторы. Автор предложил один из возможных вариантов развития технологий, каким он будет в нашем мире — узнаем в ближайшие годы. Источник

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.

Наверх
Будь первым, кто оставит комментарий