Роботы в поле и на складе: от беспилотных тракторов до сортировщиков

Представьте себе ферму, где тракторы сами выезжают в поле на рассвете, коровы идут на дойку, когда захотят, а за тысячами жи- вотных следит всего один человек с планшетом. Фантастика? Нет, это уже реальность современного сельского хозяйства.

Роботы в поле: от посева до урожая

Беспилотные тракторы: фермер управляет с дивана

Современный беспилотный трактор – это суперкомпьютер на колесах. Вот его основные системы:

GPS RTK определяет положение с точностью ±2,5 см. Это как если бы вы могли с закрытыми глазаминайти монетку на футбольном поле.

Система из 8-12 камер создают обзор 360°. Трактор видит все вокруг себя лучше человека.

LiDAR, лазерный радар, создает 3D-карту окружения 10 раз в секунду. Трактор «видит» каждую кочку и камень.

Искусственный интеллект распознает препятствия, людей, животных и принимает решения об объезде.

В 1986 году в СССР был создан первый в мире полностью беспилотный трактор. Инженеры из Челябинского политехнического института разработали трактор ДТ-175С«Волгарь», который мог работать без водителя, используя систему кабельного управления. К сожалению, распад СССР не позволил довести проект до массового производства. Современные беспилотные тракторы появились только через 30 лет.

Беспилотные тракторы могут работать в двух режимах:

– полностью автономный. Трактор работает сам, фермер контролирует с планшета. Трактор самостоятельно объезжает препятствия, останавливается при обнаружении людей или животных, корректирует маршрут при необходимости;

– «ведущий-ведомый». Один трактор с водителем управляет несколькими беспилотными. Ведомые тракторы точно повторяют движения ведущего, обрабатывая поле параллельными рядами. Это позволяет обработать поле в несколько раз быстрее.

Преимущества беспилотных тракторов:

– работа в любое время суток: трактор может работать ночью, когда почва более влажная и лучше обрабатывается;

– высокая точность выполнения операций: GPS RTK обеспечивает точность до 2,5 см, что исключает пропуски и перекрытия при обработке полей;

– снижение перекрытий: экономия топлива и удобрений до 10- 15%;

– уменьшение расхода топлива: трактор выбирает оптимальный маршрут и скорость;

– снижение усталости оператора: фермер может контролировать несколько тракторов одновременно.

Ограничения:

– высокая стоимость оборудования;

– необходимость технического обслуживания: требуется квалифицированный персонал;

– зависимость от погодных условий: в сильный дождь или туман система может работать хуже;

– необходимость стабильного интернета для удаленного управ- ления и обновления программ.

В России агрохолдинг «Степь» оснастил системой автопилота Cognitive Pilot 242 комбайна. Результаты впечатляют:

производительность выросла на 25%;
потери урожая снизились на 13%;
экономия топлива составила 8-10%.

Роботы-сборщики: деликатный сбор урожая

Собрать спелую клубнику, не помяв ее – задача, с которой робот справляется лучше человека. Современные роботы-сборщики используют компьютерное зрение для распознавания спелых плодов, манипуляторы с мягкими захватами – для аккуратного сбора и системы сортировки по размеру и качеству. Датчики определяют спелость ягод не только по цвету, но и по размеру, форме и даже по химическому составу.

Вот несколько примеров по типам культур:

Фрукты и ягоды

Робот для сбора клубники:

оптические датчики определяют спелость по цвету;
мягкие силиконовые «пальцы» аккуратно срывают ягоду;
встроенные весы взвешивают каждую ягоду;
система сортирует клубнику по размеру и качеству;
система может предсказать урожай на следующие дни.

Летающие роботы для сбора яблок и груш:

несколько дронов соединены кабелями с наземной платформой;
дроны летают между ветками и собирают плоды;
ИИ определяет спелость каждого плода;
роботы минимально повреждают фрукты;
система может работать на деревьях любой высоты.

Робот для цитрусовых:

собирает апельсины каждые 2-3 секунды;
стоимость работы сопоставима с ручным трудом;
может работать ночью;
определяет спелость по цвету и размеру.

Первый робот для сбора урожая апельсинов был создан в 1968 году в Университете Флориды. Он был размером с автобус, стоил как 50 автомобилей и... раздавливал больше апельсинов, чем собирал. Потребовалось еще 50 лет развития технологий, чтобы создать роботов, которые обращаются с фруктами бережнее человека.

Овощи

Роботы для томатов и перца используют мягкие захваты, чтобы не повредить нежную кожицу овощей. Они определяют спелость по цвету и размеру, аккуратно срывают плоды и укладывают их в контейнеры.

Роботы для огурцов и кабачков оснащены режущими механизмами. Они находят плод нужного размера, аккуратно срезают его ножом и укладывают в корзину. Такие роботы могут работать в теплицах круглый год.

Зерновые

Автономные комбайны с системами GPS собирают пшеницу, ячмень, кукурузу с точностью до сантиметра. Они автоматически регулируют скорость в зависимости от урожайности участка и могут работать ночью, когда зерно более сухое.

Идея роевых роботов пришла из наблюдений за муравьями. В 1989 году итальянскийученый Марко Дориго изучал, как муравьи находят кратчайший путь к пище, и создал «муравьиный алгоритм». Сегодня этот алгоритм используется в роевых сельскохозяйственных роботах для координации их действий.

Роевые технологии: когда роботов много

Представьте рой пчел, только вместо пчел – маленькие роботы. Это будущее сельского хозяйства.

Fendt Xaver (Германия) – роевые сеялки:

6-12 маленьких трехколесных роботов;
каждый размером с газонокосилку;
работают одновременно на одном поле;
сеют с точностью до сантиметра;
могут работать на солнечной энергии.

Преимущества роя:

если один робот сломался, остальные продолжают работать;
маленькие роботы меньше утрамбовывают почву;
могут работать на разных участках поля одновременно.

Роботы-агрономы: разведчики на службе урожая

Роботы для мониторинга собирают огромное количество данных о состоянии посевов, почвы иживотных. Это как разведчики, которые постоянно следят за полем и сообщают о любых проблемах.

Наземные роботы-мониторы:

Эти роботы ездят по полям и собирают данные о каждом растении. Они могут работать автономно, следуя заранее заданному маршруту, или управляться дистанционно.

Робот-разведчик:

ездит по полю и фотографирует каждое растение;
6 камер кругового обзора + мультиспектральная камера;
определяет болезни на ранней стадии, еще до того, как человек заметит проблему;
находит вредителей: робот может обнаружить насекомых, которых не видно невооруженным глазом;
прогнозирует урожайность: анализирует состояние растений и предсказывает, сколько урожая будет собрано;
создает карты полей с указанием проблемных зон.

Дроны (БПЛА) для мониторинга:

Дроны могут быстро облететь огромные поля и собрать данные с высоты птичьего полета. Они используют:
аэрофотосъемку полей: создают детальные карты;
мультиспектральную съемку: видят то, что не видит человеческий глаз, например, стресс растений;
тепловизионную съемку: определяют температуру растений и почвы;
картирование полей: создают 3D-карты с указанием высоты и рельефа.

Преимущества роботов мониторинга:

быстрый сбор данных с больших площадей: дрон может облететь 100 гектаров за час;
раннее обнаружение проблем: робот находит болезни и вредителей до того, как они нанесут серьезный ущерб;
оптимизация использования ресурсов: данные помогают понять, где нужны удобрения и вода;
создание детальных карт полей: фермер видит, какие участки нуждаются в особом внимании.

Универсальный помощник:

может пасти овец и коров: следит за стадом и направляет животных;
преодолевает канавы и холмы: может работать на сложном рельефе;
находит и уничтожает сорняки: распознает сорняки и уничтожает их;
следит за состоянием пастбищ: анализирует качество травы и почвы.

Роботы против болезней и сорняков

Современные роботы-пропольщики используют три основных метода борьбы с сорняками.

Механические роботы-пропольщики работают между рядами культур, вырывая или срезая сорняки специальными инструментами. Они особенно важны в органическом земледелии, где химикаты запрещены.

Роботы с лазерной обработкой используют лазеры для уничтожения сорняков. Лазерный луч нагревает растение до температуры, при которой оно погибает. Это очень точный метод – лазер может уничтожить сорняк, не задев культурное растение на расстоянии 1-2 см.

Роботы с точечной обработкой гербицидами распознают сорняки с помощью компьютерного зрения и обрабатывают их точечно, а не опрыскивают все поле. Это снижает расход гербицидов на 90% и более.

Солнечный пропольщик:

весит всего 130 кг (обычный трактор – несколько тонн);
работает на солнечных батареях до 12 часов;
использует на 90% меньше гербицидов благодаря точечной обработке;
обрабатывает 3 гектара в день;
на 30% дешевле традиционных методов;
компьютерное зрение помогает роботу различать культурные растения и сорняки;
машинное обучение повышает точность распознавания.

Борец с грибком:

использует ультрафиолетовые лучи против мучнистой росы;
обрабатывает клубнику и виноград;
работает ночью, когда ультрафиолетовое излучение наиболее эффективно;
снижает использование фунгицидов на 50%;
автоматически определяет зараженные участки.

Роботы для посадки и посева: точность до миллиметра

Современные роботы-сеялки могут размещать семена в почве с точностью до сантиметра. Это намного лучше, чем ручной посев, где расстояние между семенами может сильно отличаться.

Роевые сеялки, о которых мы уже говорили, сеют с точностью до сантиметра. Но есть и другие роботы для посадки.

Роботы для посадки саженцев автоматически выкапывают ямку нужной глубины, помещают туда саженец, засыпают землей и уплотняют почву. Они могут работать в лесах, садах и на плантациях.

Роботы для высадки рассады в теплицах аккуратно берут рассаду из кассет и высаживают ее в грунт с идеальным интервалом. Они работают в пять раз быстрее человека и никогда не устают.

Преимущества роботов-сеялок:

оптимальное размещение растений: каждое получает достаточно света и питательных веществ;
снижение расхода семян на 20-30%: робот не сеет слишком густо;
повышение урожайности на 10-15% благодаря равномерности всходов;
одновременное внесение удобрений: робот может вносить удобрения прямо в лунку с семенем.

Роботы для полива: вода только там, где нужно

При традиционном орошении все поле одинаково поливается, даже если где-то уже достаточно влаги.Роботы для полива меняют эту ситуацию.

Автономные роботы-поливальщики ездят по полю, замеряют влажность почвы. Они определяют, где растениям нужна вода, и поливают только эти участки. Это экономит до 40% воды.

Роботизированные системы капельного орошения автоматически открывают и закрывают клапаны в зависимости от потребности растений. Датчики в почве измеряют влажность, и система поливает только сухие участки.

Роботы для точечного полива используют компьютерное зрение, чтобы определить, какие растения выглядят увядшими, и поливают только их. Это особенно эффективно в теплицах.

Роботы для обработки почвы: легкие и точные

Традиционные тракторы весят несколько тонн и своей тяжестью сильно уплотняют почву. Легкие роботы для обработки почвы ве- сят всего 200-300 кг и решают эту проблему: они аккуратно рыхлят землю, не уплотняя ее. Это улучшает доступ воздуха и воды к корням растений.

Роботы для аэрации прокалывают почву специальными иглами, создавая каналы для воздуха и воды. Это особенно важно для газонов и пастбищ.

Роботы для внесения удобрений могут удобрять посевы точечно, только там, где растениям это нужно. Они анализируют состояние почвы и растений и вносят именно те удобрения, которые необходимы.

Преимущества легких роботов:

не уплотняют почву: корни растений получают больше воздуха.
могут работать в сырую погоду, когда тяжелые тракторы застревают;
точно вносят удобрения: экономия составляет до 30%;
наносят меньше повреждений культурным растениям.

Общая информация о роботах в сельском хозяйстве

Современное состояние рынка

Сельскохозяйственная робототехника – один из самых быстрорастущих сегментов рынка роботов. В 2022 году рынок составлял $63 млрд, а к 2030 году ожидается рост до $218 млрд, то есть рост в 3,5 раза. Ежегодный рост составляет 17%, что делает агроробототехнику одной из самых перспективных отраслей.

Технологические тренды

Сельскохозяйственная робототехника развивается в нескольких направлениях:
искусственный интеллект и машинное обучение: роботы становятся умнее, лучше распознают объекты и принимают решения;
автономность: роботы становятся все более независимыми, требуя меньше вмешательства человека;
роботы-рои: вместо одного большого робота используют множество маленьких, которые работают вместе;
мягкая робототехника: мягкие захваты для работы с деликатными культурами;
интеграция данных: объединение данных от различных роботов и датчиков в единую систему.

В Израиле, где вода очень дорогая, роботизированные системы полива сократили расход воды на 50%. Это позволило фермерам выращивать в два раза больше продукции на той же площади.

Преимущества внедрения роботов Экономические:

снижение затрат на рабочую силу: один робот может заменить несколько работников;
повышение урожайности: роботы работают точнее и эффективнее;
оптимизация ресурсов: роботы используют удобрения, воду и химикаты только там, где нужно;
снижение потерь при сборе урожая: роботы собирают урожай аккуратнее.

Экологические:

снижение использования пестицидов и гербицидов: точечная обработка снижает расход на 90%;
оптимизация использования воды: роботы поливают только там, где нужно.

Сергей Маслов – российский предприниматель, который в 2018 году решил создать «самую умную ферму в России». Не имея опыта в сельском хозяйстве, он нанял лучших специалистов и инвестировал 2 миллиарда рублей в роботизацию.

«Многие говорили, что я сошел с ума, но я верил в технологии», – вспоминает Маслов. Сегодня его ферма – одна из самых высокотехнологичных в Европе.

Компания Maslov AI создала в Московской области полностью роботизированную фермуна 1200 коров. На ферме работают:

20 доильных роботов DeLaval;
8 роботов-кормораздатчиков Lely Vector;
12 роботов-уборщиков Lely Discovery. Все роботы объединены в единую систему с искусственным интеллектом.

Результаты после года работы:

надои выросли на 18%;
заболеваемость коров маститом снизилась на 35%;
затраты на оплату труда сократились на 60%;
улучшилось качество молока.
снижение уплотнения почвы: легкие роботы не уплотняют почву так сильно, как тяжелые тракторы;
более точное использование удобрений: роботы вносят удобрения только там, где они нужны.

Социальные:

решение проблемы дефицита рабочей силы: роботы работают там, где не хватает людей;
улучшение условий труда: люди управляют роботами, а не выполняют тяжелую физическую работу;
повышение качества продукции: роботы работают точнее и аккуратнее;
обеспечение продовольственной безопасности: роботы помогают производить больше еды.

Вызовы и ограничения

Несмотря на преимущества, внедрение роботов сталкивается с рядом вызовов:

высокая стоимость: первоначальные инвестиции могут быть значительными;
техническая сложность: требуется квалифицированный персонал для обслуживания;
надежность: зависимость от технологий может создавать риски;
адаптация: необходимость адаптации под конкретные условия и культуры;
регулирование: необходимо, чтобы техника соответствовала нормативным требованиям;
социальные вопросы: влияние на занятость в сельском хозяйстве.

Будущее сельскохозяйственной робототехники

Ожидается дальнейшее развитие в следующих направлениях:

повышение автономности и интеллектуальности роботов;
снижение стоимости оборудования и технологий;
разработка специализированных роботов для всех типов сельхозкультур;
интеграция различных типов роботов в единые системы;
развитие роботов для органического земледелия и как следствие, полного отказа от химикатов;
создание полностью автономных ферм, способных работать без людей.

Складские роботы: сортировка и упаковка продукции

В классификации мы упомянули складских роботов, которые сортируют и упаковывают продукцию. Хотя они работают не на полях, а на складах и в упаковочных цехах, они играют важную роль в сельскохозяйственном производстве.

Роботы для сортировки продукции:

Сельскохозяйственную продукцию нужно отсортировать по размеру, качеству и спелости. Роботы делают это автоматически:

роботы для сортировки фруктов и овощей используют компьютерное зрение, чтобы определить размер, цвет и качество каждого плода. Они сортируют продукцию на конвейерной ленте со скоро- стью до 10 плодов в секунду;
роботы для сортировки яиц проверяют каждое яйцо на наличие трещин, определяют его вес и размер, и укладывают его в лоток. Один робот может обработать до 60 000 яиц в час;
роботы для сортировки молока анализируют качество молока и автоматически направляют его в нужные емкости в зависимости от жирности и других параметров.

Роботы для упаковки:

После сортировки продукцию нужно упаковать. Роботы делают это быстро и аккуратно:

роботы-упаковщики берут продукцию, укладывают ее в коробки или пакеты, запечатывают и маркируют. Они работают в 3-5 раз быстрее человека и не устают;
роботы для паллетирования укладывают упакованную продукцию на поддоны, создавая устойчивые штабели. Они могут работать с коробками разного размера и веса.