Hogyan javítják az önvezető járművek a fenntarthatóságot és a termelékenységet a mezőgazdaságban?

Az önvezető traktorok, a drónok, valamint az ültető-, gyomirtó és betakarítórobotok csak néhány a fejlesztés alatt álló technikák közül, amelyek a mezőgazdasági tevékenységek termelékenységének növelésével és a fenntarthatóság elősegítésével átalakítják a mezőgazdaságot, és segítenek enyhíteni az élelmiszerhiányt. Az önvezető járművek minden típusa felszabadítja az embereket a traktorok és más gépek vezetése alól, lehetővé téve számukra, hogy több értékteremtő tevékenységet végezzenek. Ezek közé tartozik a precíziós mezőgazdaság bevezetése, amely növeli a terméshozamokat, csökkenti a negatív környezeti hatásokat, és a vízhiánnyal, a munkaerőhiánnyal és más korlátokkal kapcsolatos problémák kezelésével elősegíti, hogy a mezőgazdasági tevékenységek támogassák a fenntarthatóságot.

Míg a drónok és a mezőgazdasági robotok nulláról kifejlesztett és bevezetett új rendszereket jelentenek, a traktorok másmilyenek. Traktorokat már most is nagy számban használnak, és azok általában hosszú élettartamúak. Ennek eredményeképpen a teljesen automatizált új konstrukciók kifejlesztése mellett a meglévő traktorokat utólagosan villamos meghajtással szerelik fel, és speciális célokra szolgáló digitális rendszerekkel, úgynevezett „digitális traktormunkagépekkel” korszerűsítik.

Ez a cikk a digitális traktormunkagépek és az újonnan megjelenő villanytraktorok (más néven e-traktorok vagy elektromos traktorok) fejlődését vizsgálja. Áttekinti az önvezető traktorok bevezetésével kapcsolatos kihívásokat, és bemutatja, hogyan használják a drónokat, a traktorok érzékelőit, valamint a mesterséges intelligenciát (MI vagy az artificial intelligence angol kifejezésből alkotott betűszóval AI) és a gépi tanulást (ML, machine learning) a precíziós mezőgazdaságban. Emellett megvizsgál az önvezető mezőgazdasági gépjárművek fejlesztéséhez szükséges néhány technikát, valamint azt, hogy a DigiKey széles körű termékkínálata – beleértve a gépi látást, a villanymotorokat és a vezérléseket, az áramátalakítókat, az érzékelőket és a kapcsolókat, a vezetékes és vezeték nélküli kommunikációs illesztőfelületeket, valamint a jel- és tápkábelek és -csatlakozók széles választékát – hogyan segíthet a tervezőknek felgyorsítani a fejlesztési folyamatokat. Befejezésképpen a cikk röviden a jövőbe tekint, ahol a teljesen önvezető gazdaságokat olyan kifinomult operációs rendszer fogja irányítani, amely a termelékenység maximalizálása és a fenntarthatóság elősegítése érdekében képes lesz vegyes flottákat kezelni, beleértve az önvezető és a hagyományos mezőgazdasági gépeket is.

A mezőgazdasági munkagépek az ISObus protokollt használják

Az Ipar 4.0-hoz hasonlóan a mezőgazdaság is az intelligens és egymással összekapcsolt gépek használata felé halad. Itt jön a képbe a Nemzetközi Szabványügyi Szervezet (ISO, International Standards Organization) 11783-as szabványa, amely a mezőgazdasági és erdészeti traktorok és gépek soros adathálózati sínjére (vagy más szóval buszára) vonatkozik. A mezőgazdaságban ezt egyszerűen ISObus néven emlegetik. A rendszer a Society of Automotive (SAE) J1939 protokollon alapul, amelyet mezőgazdasági berendezésekhez optimalizáltak, és amely magában foglalja a CAN (Control Area Network, vezérlőhálózat) sínt. Az ISObus protokollt aktívan támogatja a Mezőgazdasági Elektronikai Alapítvány (Agricultural Industry Electronics Foundation), amely az ISO 11783 szabványhoz kapcsolódó továbbfejlesztett tanúsítási tesztek összehangolásán dolgozik.

Az ISObus előtt a gazdáknak az egyes gyártók saját fejlesztésű vezérlőrendszereivel ellátott traktorjaik voltak, ami korlátozta a rugalmasságot, a teljesítményt és az átjárhatóságot. Az ISObus szabványosított csatlakozókat, kommunikációs protokollokat és működési irányelveket ír elő, és lehetővé teszi, hogy a különböző gyártók egymással összekapcsolt érzékelő- és vezérlőrendszereket fejlesszenek (1. ábra). Az ISObus támogatja a traktorok munkagépeinek villamosítását is, beleértve a villanymotorral hajtott mechanikus erőleadó tengelyeket (PTO, power take off) és villannyal hajtott munkagépeket árammal ellátó, akár 700 V feszültségre és 100 kW teljesítményre méretezett nagyfeszültségű csatlakozókat is.

1. ábra: Az ISObus lehetővé teszi a különböző gyártók érzékelőinek és munkagépeinek összekapcsolását egy plug-and-play (csatlakoztatás után azonnal használható) rendszerbe (kép: Armin Weigel/dpa (fénykép: Armin Weigel/képszövetség, a Getty Images képtárából)

Az ISObus a traktorok munkagépkezelő rendszerének (TIM, tractor implement management) kifejlesztése irányába fejlődik tovább. Az elképzelések szerint az ISObus továbbfejlesztett változata lehetővé teszi majd, hogy a munkagépek visszajelzést küldjenek a traktornak, támogatva ezzel a kombinált traktor–munkagép rendszer optimalizálását. Ez a megoldás a precíziós gazdálkodást támogató munkagépek érzékelőinek magasabb szintű összekapcsolását is lehetővé teszi. A traktor szolgáltatja a helyismeretet, a kombinált rendszer pedig folyamatosan adatokat gyűjt a talaj és a termés állapotáról. Részletesebb adatok birtokában egyaránt növelhető a terméshozam és javítható a fenntarthatóság.

Villanytraktorok (e-traktorok), utólagos továbbfejlesztések és önvezető traktorok

Az ISObus folyamatos fejlesztése mellett a traktorok villamosítása is fontos szerepet játszik majd az önvezető járművek jövőbeni bevezetésében és a mezőgazdaság fenntarthatósághoz való hozzájárulásának növelésében. A károsanyag-kibocsátás csökkentése alapvető szempont. A világ üvegházhatásúgáz-kibocsátásának negyede a mezőgazdaságból és a mezőgazdasághoz kapcsolódó tevékenységekből származik, és egy traktor károsanyag-kibocsátása 14 személygépkocsiénak felel meg.¹

Napjainkban kezdenek megjelenni a villanytraktorok vagy más néven e-traktorok. A károsanyag-kibocsátás csökkentése mellett a villanytraktorok jelentősen csökkenthetik a tüzelőanyag-költségeket is. A villanytraktorok jelenleg csak kisebb típusokra korlátozódnak, mivel a nagy méretű, nagy teljesítményű villanytraktorokhoz a hagyományos traktorok méreténél nagyobb méretű akkumulátorokra lenne szükség. A nagy villanytraktorok tömege is nagyobb, ami a talaj nagyobb mértékű tömörödését eredményezi, az pedig nem kívánatos. Végül pedig a nagy méretű akkumulátorok töltési ideje túl hosszú, ami a mezőgazdasági tevékenységek során nem praktikus. Kisebb, 25 és 70 LE (kb. 18,6 és 52 kW) közötti teljesítményű villanymotorokkal és kis akkumulátorokkal felszerelt villanytraktorokat már tesztelnek. A traktorok villamosítása többről szól, mint pusztán a hajtásláncról, itt a traktorok munkagépeinek meghajtására és vezérlésére szolgáló hidraulika helyettesítéséről is szó van (2. ábra).

2. ábra: Már zajlik néhány 25 és 70 LE közötti teljesítményű motorral rendelkező kis méretű villanytraktor tesztelése, amelyek hamarosan készen állnak a bevetésre (kép: fénykép: brizmaker, a Getty Images képtárából)

Egyes nagyobb traktorokhoz hibrid utólagos továbbfejlesztő készleteket lehet beszerezni. Az egyik vállalat például egy 250 kW-os generátort tartalmazó készletet kínál, amely a traktor meglévő belső égésű motorjához csatlakoztatható a hidraulikaszivattyú helyére. A készlet négy villanymotort is tartalmaz a hidraulikus működtetőrendszer kiváltásaként, valamint egy villamos közlőművet a meglévő munkagépek meghajtására. Azzal, hogy lecseréli a hidraulikarendszereket, az utólagos továbbfejlesztő készlet csökkenti a tüzelőanyag- és karbantartási költségeket, valamint növeli a hibrid villanytraktor rendelkezésre állását és megbízhatóságát.

Az önvezető személygépkocsik és teherautók bevezetéséhez hasonlóan az önvezető traktorok bevezetése is bizonytalan jövő előtt áll. A jelenlegi kaliforniai szabályozás például előírja, hogy „minden saját erővel hajtott önvezető szerkezet esetében kezelőszemélyzetnek kell tartózkodnia a jármű kezelőszerveinél, amikor a jármű mozgásban van”. A teljes önvezetésre még várni kell.

Repülés a szántóföldek felett

A drónokat (pilóta nélküli légi járműveket) jelenleg is számos feladatra használják a mezőgazdaságban. Például a következőkre:

• A növények állapotának feltérképezése. A termés állapotának nyomon követésében a drónok jórészt felváltották a műholdas felvételeket. Az NDVI (normalizált vegetációs index, Normalized Difference Vegetation Index – pontosabb és magyarosabb fordítással normalizált spektrumeltéréses növényzetfelmérő mutató) képalkotó berendezéssel felszerelt drónok részletes színes képeket készítenek, amelyek a növényzet állapotának figyelésére használhatók. Míg a műholdfelvételek lekérése időbe telik, és legfeljebb méteres pontosságra képesek, addig a drónok milliméteres pontosságú képeket tudnak készíteni, és valós időben támogatják a betegségek, kártevők vagy más problémák célzott azonosítását.
• A szántóföldek állapotának figyelése. Drónokkal ellenőrizhető a talaj állapota és a vízelvezetés helyzete is az egész táblán. Ez hatékonyabb és a fenntarthatóságot jobban segítő öntözési programokat tesz lehetővé.
• Ültetés. Az automatizált drónos ültetőgépek az erdészet területén már elterjedtek, és használatuk egyre inkább kiterjed majd a mezőgazdaságra egészére. A drónok gyorsan tudnak fákat és magokat elültetni, és hatékonyabban képesek elérni a megközelíthetetlen területeket. Például egy több drónt használó kétfős csapat naponta akár 400 000 fát is elültethet.
• Permetezési munkák. A drónok műtrágyák és növényvédő szerek permetezéssel történő kijuttatására való felhasználása egy újonnan megjelenő terület, amelynek használata régiónként eltérő (3. ábra). Dél-Koreában például a mezőgazdasági permetezések mintegy 30%-át már drónokkal végzik, Kanadában ellenben nem legális a drónok mezőgazdasági permetezésre való használata. Az Amerikai Egyesült Államokban a drónos permetezéshez a Szövetségi Légügyi Hatóság (FAA, Federal Aviation Administration), valamint az egyes államok mezőgazdasági, üzleti és közlekedési minisztériumai által előírt engedély és tanúsítvány szükséges.

3. ábra: Kifejlesztettek olyan nagy méretű drónokat, amelyeket műtrágyák és növényvédő szerek permetezéssel történő kijuttatására lehet használni (kép: fénykép: baranozdemir, a Getty Images képtárából)

A precizitás révén kevesebb ráfordítással jobb termés érhető el

A drónok használata, valamint a traktorok és a traktormunkagépek villamosítása várhatóan már az önvezető traktorok elterjedése előtt támogatni fogja a precíziós mezőgazdaságot, és jobban segíti a fenntarthatóságot.

Az AEM (Association of [agricultural] Equipment Manufacturers, mezőgazdaságigép-gyártók szövetsége) egyik tanulmánya szerint a precíziós mezőgazdaságra való áttérés 4%-kal növelheti a terméshozamot és 7%-kal a műtrágya-felhasználás hatékonyságát, valamint 9%-kal csökkentheti a gyomirtó és növényvédő szerek használatát és 6%-kal a fosszilis tüzelőanyagok felhasználását ². Ezenkívül a precíziós öntözéssel 4%-kal csökkenthető a vízfelhasználás is.

Ezek a számok a jelenlegi technikán alapulnak. Az internetre kapcsolt rendszerek és a mesterséges intelligencia (AI) használatával ezek az eredmények várhatóan megsokszorozódnak. A berendezések karbantartását gépi tanulással (ML) kiegészítve további megtakarításokat lehet elérni, és javul a fenntarthatóság is.

Az AEM szerint az önvezető mezőgazdasági gépek várhatóan 24%-os javulást eredményeznek, ha mind a ráfordítások terén elért megtakarítást, mind a terméshozam növekedését figyelembe vesszük. A javulás egyik jelentős tényezője az a feltételezés, hogy az önvezető gépek könnyebbek lesznek, mint az általuk felváltottak, ami kisebb talajtömörödést és jobb talajviszonyokat eredményez.

A mesterséges intelligencia és a gépi tanulás az egyedi feladatokra optimalizált precíziós gépek kifejlesztésében is kulcsfontosságú lesz. A konkrét feladatokra készült gépek még kisebbek lehetnek, mint az általános célú traktorok. Például kis méretű célirányos gépeket fejlesztenek ki a termények betakarítására, ahol gépi látásra, finom tapintásra és nagy kézügyességre van szükség.

A gyomirtás egy másik olyan terület, ahol a mesterséges intelligenciával és a gépi tanulással felruházott célirányos gépek várhatóan jelentős előrelépést hoznak majd. A gyomirtás nehézkes, munkaigényes, és ha nem hatékonyan végzik, akkor hozzájárul a vízfelhasználás növekedéséhez és a talajban lévő tápanyagok kimerüléséhez. A vetésforgó részleges megoldást jelent, de nem tudja kiküszöbölni a gyomirtó szerek vagy a kézi gyomirtás szükségességét. Jelenleg tesztelés alatt állnak olyan gyomirtó robotok, amelyek a gépi látást mesterséges intelligenciával és gépi tanulással ötvözik. Ezek a kis méretű gépek a talaj tömörödését is minimálisra csökkentik (4. ábra).

4. ábra: Példa a gépi látást mesterséges intelligenciával és gépi tanulással ötvöző önjáró betakarítórobotokra (kép: fénykép: onurdongel, a Getty Images képtárából)

Mezőgazdasági operációs rendszer és önműködő gépek

A mezőgazdaság egy olyan jövő felé tekint, ahol a teljesen önálló gazdaságokat olyan kifinomult operációs rendszer (OS, operating system) fogja irányítani, amely a termelékenység és a fenntarthatóság maximalizálása érdekében képes lesz kezelni a vegyes flottákat, beleértve az önvezető és a hagyományos mezőgazdasági gépeket, valamint a földhöz kötött gépeket és a drónokat (5. ábra). Ezek a mezőgazdasági eszközparkok összehangoltan lesznek üzemeltetve, hogy segítsék a tőkeráfordítás kézben tartását, minimálisra csökkentsék a munkaerőigényt, és biztosítsák az önálló működéshez és a precíziós mezőgazdasághoz szükséges nagy mennyiségű adatot. Ezen túlmenően a jövő mezőgazdasági operációs rendszere szabványosított és optimalizált lesz, hogy sok különböző gyártó sokféle berendezését támogassa. Az ISObus elfogadása csak az első lépés a gazdaságok automatizálásának nyílt forráskódú és szabványosított megközelítése felé.

5. ábra: Az összehangolt önvezető földi és légi mezőgazdasági gépek rajaival a fenntarthatóság magasabb szintjét lehet elérni (kép: grafika: Scharfsinn86, a Getty Images képtárából)

A javasolt mezőgazdasági operációs rendszer további előnyei közé tartozik a szén-dioxid-kibocsátás csökkentése, a kisebb tüzelőanyag-fogyasztás, valamint az akkumulátorok töltésének és felügyeletének optimalizálása. A nagy mennyiségű adat elemzése szintén fontos szerepet játszik majd a mezőgazdaság jövőjében. A közvetlenül a szántóföldekről származó nagy mennyiségű valós idejű adatot a precíziós mezőgazdaság optimalizálása érdekeit szolgáló döntéshozatalhoz, ellenőrzéshez és a tevékenységek tervezéséhez szükséges mesterséges intelligenciás és gépi tanulási algoritmusok öntanítással történő folyamatos fejlesztésére fogják felhasználni.

Összegzés

Az önvezető mezőgazdasági járművek és a fenntarthatóságot segítő precíziós mezőgazdaság fejlesztése még az elején tart. Az ágazat az ISObus protokollal elindult ezen az úton. Az ISObus következő generációja támogatni fogja a fokozott átjárhatóságot és együttműködést, és hozzájárul a mezőgazdasági gépek összetettebb és egymással összekapcsolt flottáinak kialakításához. A cél egy olyan mezőgazdasági operációs rendszer kifejlesztése, amely képes kezelni a mezőgazdasági gépek ilyen jellegű flottáit, mesterséges intelligenciás és gépi tanulási algoritmusok segítségével felhasználni az irányításukra az érzékelőktől kapott hatalmas mennyiségű valós idejű adatot, és földi és légi gépekből álló összehangolt, magas szintű termelékenységet és a fenntarthatóság magasabb szintjét biztosító gépcsoportokként használni azokat.

1. Autonomous Tractors with Robot Brains Are Coming to Take Over the Farm (A jövőben robotagyú önvezető traktorok veszik át az uralmat a mezőgazdaságban), Autoweek
2. The Environmental Benefits of Precision Agriculture Quantified (A precíziós mezőgazdaság környezeti előnyei számszerűsítve), AEM