За прошедшие годы, в садоводстве и лесном хозяйстве были достигнуты значительные технологические успехи, в том числе в области механизации, селекции растений и химических средств производства. Сейчас мы находимся на пороге новой волны разработок в виде более интеллектуальных машин, способных самостоятельно выполнять целый ряд повторяющихся задач.
Деревья предлагают особый набор возможностей и проблем для мобильных роботов, так как деревья хорошо структурированы (высажены в ряд), постоянны (находятся на месте в течение многих лет) и имеют закрытый обзор, когда созревают, что затрудняет прием GPS. По мере роста деревьев и развития операций, которые необходимы, меняются и способы взаимодействия с ними.
Автономные роботы уже широко используются в районах промышленного производства, где условия эксплуатации стабильны. Такие машины еще не были проданы для профессионального использования, но было разработано много экспериментальных машин.
Управление новейшими системами основано на высокоточной системе GPS, компьютерного зрения и других передовых сенсорных системах в режиме реального времени (RTK) и включает относительно простую архитектуру системы.
Существует три основные категории операций для мобильных роботов по уходу за деревьями:
- Наземный уход за деревьями
- Взаимодействие с деревом
- Манипуляции с деревом
Роботизированный наземный уход
Основной задачей в этой категории является борьба с травой и сорняками для снижения конкуренции за влагу и питательные вещества. Альтернативой ручному труду, является использование физических методов, которые могут быть объединены с автономными транспортными средствами. Одним из таких примеров является автономная новогодняя прополка.
Новогодние елки считаются сельскохозяйственной культурой, так как они выращиваются в течение 7-10 лет на сельскохозяйственных угодьях. При первой пересадке сорняки контролируются при помощи пружинных зубьев, поскольку молодые саженцы очень эластичны.
Примерно через 2 года они становятся более хрупкими и нуждаются в дополнительном уходе, так как износ побега сорняками может повлиять на рост и форму и, следовательно, на качество зрелого дерева. На этом промежуточном этапе можно использовать автономный прополочный комбайн.
Стандартная газонокосилка Stiga была адаптирована для управления с помощью компьютера. Интерфейсы "человек-машина" были удалены и заменены линейными приводами. Главный резак был снят, а активный боковой резак был установлен с правой стороны. Управление функциями автомобиля (рулевое управление, сцепление/тормоз, переключение передач и дросселирование) осуществлял центральный процессор Simulink.
Так как навигационная система удерживает автомобиль на заданном расстоянии между рядами деревьев, контроллер рассчитывает расстояние между режущим аппаратом и деревом. Этот метод наиболее точный, так как он срезает траву и сорняки вплоть до самого дерева и не причиняет значительного ущерба дереву, хотя повторное прикосновение может вызвать проблемы.
Взаимодействие с деревьями
Когда древесный покров становится достаточно большим и затемняет нужную линию прямой видимости GPS, необходимы другие методы навигации, чтобы удерживать мобильного робота между рядами.
С помощью лазерного сканера эту древовидную структуру можно распознать и использовать для определения желаемого маршрута движения трактора. В ходе испытаний не было выявлено существенных различий между маршрутами, находящимися под контролем GPS и лазерного управления.
Роботизированные опрыскиватели деревьев
В Японии были разработаны два коммерческих автономных опрыскивателя деревьев. Хотя они используют очень простой способ управления, они все еще успешно функционируют сами по себе благодаря продуманной отправке и управлению распылительными форсунками.
Для робота вертикального типа, первичная форма навигации достигается за счет использования жестких свойств пластиковых поливных труб, проложенных между деревьями на земле. Рулевая тяга соединена с небольшими опорными колесами, которые крепятся к поливной трубе, и робот следует за ними везде, куда ведет труба. Он имеет возможность определять и регулировать форму распыления в соответствии с высотой дерева.
Роботизированная манипуляция
В рамках многих исследовательских проектов были созданы роботизированные системы сбора фруктов с использованием машинного зрения.
Это, как правило, статические роботы, использующие цветовую сегментацию для идентификации спелых плодов, а также лазерное или стереозрение для определения диапазона до плодов. Затем рука может двигаться к заданным координатам, чтобы захватить и собрать плоды.
Эти системы, хотя и технически безопасны, но не обладают многими преимуществами по сравнению с ручным сбором, так как они, как правило, работают очень медленно. Это вполне может измениться с увеличением мощности процессора.
Различные аспекты ухода за деревьями могут быть автоматизированы до такой степени, что они станут полностью автономными. Технически многие из подзадач уже разработаны, но требуют более интеллектуальной мобильной платформы, которая может работать в течение длительного периода времени без присмотра.
Навигация среди молодых деревьев относительно проста, так как ясный вид неба позволяет использовать GPS, но когда полотно закрыто или деревья созрели, необходимы другие методы дистанционного зондирования.