La robotica agricola comprende l'uso di sistemi robotici in domini semi-non strutturati o non strutturati, interni o esterni di grandi dimensioni. In World Robotics Services Robots, la robotica agricola comprende la coltivazione, la mungitura, altri tipi di allevamento di animali e la robotica agricola. La robotica agricola è un'area primaria della ricerca robotica e dell'attività imprenditoriale, come indicato da importanti centri di ricerca, reti di ricerca e commerciali e altre risorse.
I tipi di robot coprono le aree di:
- Seminativi, orticoltura (in particolare coltivazione di ortaggi/frutta), tutti i compiti correlati, cioè gestione, protezione delle colture e raccolta.
- Gestione del bestiame per ridurre il carico di lavoro degli allevatori, specialmente nella mungitura delle mucche, nella pastorizia e nella gestione delle stalle.
- Silvicoltura e silvicoltura per la coltivazione, la gestione e la raccolta. Tuttavia, a parte l'ulteriore automazione delle mietitrici esistenti e l'uso esteso dei droni, c'è stata poca attività nella gestione delle foreste.
Coltivazione
I robot agricoli hanno ricevuto molta attenzione negli ultimi anni, in particolare nei veicoli autonomi a terra per migliorare l'automazione dell'agricoltura, così come tutte le discipline dell'orticoltura, come la coltivazione di ortaggi e frutta, la floricoltura e i vivai, sia nelle serre che sul campo.
Inoltre, l'uso di veicoli aerei senza equipaggio (UAV) per l'ispezione, la sorveglianza, la mappatura e l'agricoltura di precisione a base aerea ha ottenuto risultati promettenti. Le richieste economiche, le carenze di manodopera agricola qualificata nelle regioni agricole, il cibo e le esigenze di fibre di una popolazione mondiale in crescita e le norme (politiche) rigorose continueranno a guidare il bisogno commerciale di robot agricoli.
Le innovazioni nella robotica e nella digitalizzazione dipendono da tecnologie avanzate e accessibili come una grande varietà di sensori per varie applicazioni, l'elettronica correlata e i sistemi di comunicazione. La robotica gioca un ruolo centrale nelle principali sfide dell'agricoltura del futuro:
- L'agricoltura di precisione è un concetto di gestione agricola che si concentra su ogni pianta per un trattamento individuale
- Interoperabilità dei nuovi sistemi robotici e delle macchine agricole convenzionali
- Sensori che misurano tutti i parametri rilevanti necessari per la gestione autonoma delle colture (per esempio, rilevamento veloce e affidabile in tempo reale dei nutrienti nel suolo con alta risoluzione)
- Automazione di applicazioni complesse, per esempio la raccolta di frutta e verdura
- Stabilire sistemi di coltura mista, o intercropping, per aumentare la biodiversità e la resa attraverso soluzioni digitali e robotiche
- L'automazione e la digitalizzazione in agricoltura oggi significano principalmente gestione dell'azienda agricola e telemetria. Aziende affermate, come BASF e Claas hanno sviluppato i sistemi Xarvio e 365Farmnet, rispettivamente incentrati sul supporto alla gestione dei dati per gli agricoltori. Una rassegna dello stato dell'arte è mostrata nella serie da “American Society of Agricultural and Biological Engineers” (ASABE).
Tipi di operazioni effettuate dai robot
I robot agricoli sono principalmente utilizzati in ambienti semi-strutturati. Le serre permettono la regolazione del clima, della luce e delle condizioni del suolo e quindi possono facilitare l'uso di soluzioni robotiche. I robot nei campi aperti utilizzano il layout e la struttura di questi campi mentre affrontano i problemi di luce e condizioni climatiche. I frutteti mostrano il contesto più complesso (pendii ripidi, in parte non strutturati).
Il campo di applicazione dei robot agricoli comprende:
- Agricoltura di precisione: Questi tipi di robot da campo sono utilizzati in piccole fattorie o vigneti e permettono tecniche di agricoltura di precisione. Spesso, sono utilizzati per monitorare autonomamente il suolo e le colture, raccogliere dati e applicare misure precise di protezione delle colture.
- Controllo delle erbacce: Robot autonomi per compiti di eradicazione delle erbacce, preferibilmente non chimici, come il diserbo meccanico, acqua calda, o torcia, o consegnando spruzzi mirati di erbicidi Vivaio. Automazione: Automazione dei vivai di colture, principalmente per spostare le piante nelle grandi serre per aumentare l'efficienza e affrontare la carenza di forza lavoro.
- Raccolta di raccolti e frutta: La raccolta delle colture e dei frutti può essere condotta 24 ore su 24, 7 giorni su 7.
Oltre ai veicoli autonomi, possono essere utili manipolatori avanzati in termini di manovrabilità e sensibilità, così come sistemi di visione intelligente per l'identificazione di colture e frutti.
- Piantare e seminare: Un'applicazione emergente, i robot da campo con sistemi di visione 3D possono ora piantare e seminare accuratamente le colture per una crescita ottimale.
Le implementazioni più comuni dei robot su piccola scala sono i robot per il diserbo, i portattrezzi che sono piattaforme versatili per applicazioni multiple, le piattaforme per i sensori e i raccoglitori. Inoltre, gli irroratori e le combinazioni di irroratori e diserbatori sono utilizzati nei campi, così come le piattaforme per colture speciali, come gli asparagi o il luppolo. Tutte si basano molto sulla tecnologia dei sensori e sui metodi di analisi delle immagini basati sull'intelligenza artificiale.
Numerose ricerche sono in corso per esplorare la funzionalità, la robustezza e l'efficacia dei costi delle macchine automatizzate in vari campi dell'automazione agricola da parte di numerosi ricercatori. Un sito dettagliato di valutazione dello stato dell'arte nella robotica agricola è mantenuto dal comitato tecnico IEEE sulla robotica e l'automazione agricola.
Il crescente interesse per l'automazione agricola può essere visto anche in diversi eventi internazionali, iniziative di ricerca e concorsi, per esempio: in Australia, Stati Uniti, Europa e Giappone.
Oltre ai robot di terra, i droni avranno un effetto trasformativo sull'automazione agricola. I droni sono utilizzati e valutati in progetti di ricerca in aree: come l'analisi del suolo e del campo, il rilevamento, la semina aerea, l'irrorazione delle colture, l'irrigazione e la valutazione della salute delle piante. In futuro, i droni potrebbero collaborare autonomamente in sciami per affrontare i compiti collettivamente e anche sostenere i robot a terra con dati e informazioni.
Livello di distribuzione
Sistemi per la guida autonoma di macchine agricole, come trattori o mietitrici, sono stati sviluppati in Europa, Australia, Giappone e Stati Uniti. Utilizzando un sistema globale di navigazione satellitare (GNSS) e, in alcuni casi, sensori ottici (Light detection and ranging LiDAR, o telecamere di profondità RGB-D) e computer di bordo, questi sistemi seguono il confine del solco precedente o generano movimenti in sincronizzazione con altre macchine mobili, ad esempio, per trasferire i raccolti. Le macchine a funzionamento continuo e a guida autonoma hanno il potenziale di sollevare i lavoratori da compiti gravosi nelle operazioni sul campo. Le macchine agricole con assistenti di guida sono di fatto uno standard presso molti produttori, ma richiedono ancora operatori per monitorare i processi.
Trasformazione robotica di macchine agricole convenzionali
Con l'ampia disponibilità di precisi sistemi GNSS in tempo reale (RTK) che offrono una precisione a livello centimetrico, la localizzazione sul campo combinata con il rilevamento delle colture basato su sensori apre opportunità per la semina automatizzata, il diserbo, l'irrorazione e il raccolto. Prototipi di trattori autonomi sono stati presentati da quasi tutti i principali produttori di macchine agricole: trattori senza conducente di Case IH Magnum Series’ Autonomous Concept Vehicle, John Deere’s Autonomous Electric Tractor, Yanmar’s Robot Tractor, Fendt ProbotIQ Xpert, New Holland’s NH Drive concept, o Autonomous Tractor Corporation e altri. Nel frattempo, diversi sistemi di assistenza alla guida, un esempio di Robot Makers GmbH, sono stati sviluppati come add-on tecnologici per i trattori, consentendo sistemi di assistenza intelligente e funzioni parzialmente autonome per macchine agricole collaudate. Tuttavia, ci vorrà del tempo prima che i trattori autonomi possano essere applicati. Ciò è dovuto, da un lato, alle sfide tecnologiche nella percezione dell'ambiente e, per esempio, la localizzazione sicura associata, così come l'interazione uomo-macchina e animale-macchina, e, dall'altro, la mancanza di linee guida o regolamenti da parte dei governi.
Semina e diserbo
Il diserbo è un compito ovvio per essere eseguito dai robot a causa della procedura ad alta intensità di lavoro: se fatto manualmente dai lavoratori o per evitare l'uso pesante di erbicidi. A parte i dispositivi aggiuntivi per i trattori convenzionali, nell'ultimo decennio è stata sviluppata una generazione di robot su piccola scala. Il modulare omnidirezionale BoniRob di Deepfield Robotics è un'importante piattaforma di ricerca e una start-up di proprietà di Bosch. La localizzazione avviene tramite misurazioni GNSS e LiDAR. Il controllo delle erbacce viene effettuato con un manipolatore che colpisce le erbacce nel terreno. L'efficacia è stimata all'80%. Più recentemente, nuovi concetti sono stati mostrati da AgroIntelli, ecoRobotix, o Saga Robotics per il diserbo e altri compiti di protezione delle colture. La concimazione precisa con un robot mobile, come concetto di agricoltura intelligente, è stata dimostrata nei campi di mais da ROWBOT. L'Australian Centre of Field Robotics ha progettato un robot da campo leggero, omnidirezionale e ad energia solare per varie applicazioni. Questa piattaforma di ricerca, soprannominata LadyBird, è dotata di sensori per il rilevamento delle erbacce, la navigazione autonoma e i compiti correlati, manipolatori per il raccolto, apparecchiature di comunicazione, nonché componenti software correlati. Un accessorio robotico per trattori chiamato ARA è stato sviluppato da ecoRobotix. Il sistema può gestire grandi colture a file, colture vegetali e pascoli. Le erbacce vengono rilevate con sistemi di telecamere e intelligenza artificiale e spruzzate accuratamente con una piccola quantità di erbicida. Permette: di ridurre efficacemente la quantità di erbicida utilizzato. Oltre ai nuovi robot e alle tecnologie robotiche, vengono sviluppati strumenti software per l'automazione delle macchine agricole convenzionali. Octinion e Autonomous Solutions Inc. hanno introdotto i primi prodotti software. Per la manipolazione delle piante in vaso nei vivai e nelle serre, Harvest Automation ha sviluppato un piccolo robot su ruote che esegue procedure di pick-and-place, un lavoro ingombrante e dispendioso in termini di tempo, solitamente svolto da personale umano. Molti fornitori devono assumere lavoratori aggiuntivi per spostare e spaziare i vasi in grandi campi quando coltivano le piante senza supporto robotico. Questi piccoli robot usano il rilevamento locale per navigare, identificare i vasi e misurare e mantenere la giusta distanza tra loro.
Raccolta di frutta e verdura
Sono disponibili numerose ricerche sul rilevamento delle immagini e sulla pianificazione della presa per i robot di raccolta della frutta. Un'ampia valutazione dello stato dell'arte della recente ricerca & sviluppo (R&D) ha rivelato che “in media, il successo della localizzazione era dell'85%, il successo del distacco era del 75%, il successo della raccolta era del 66%, il danno alla frutta era del 5%, il danno al peduncolo era del 45%, e il tempo del ciclo era di 33 secondi”. Un articolo sui tassi di rilevamento di frutta e verdura conclude che ancora nessuno dei sistemi di visione del computer può eguagliare la capacità del lavoro umano in modo impeccabile, specialmente nella visione e nella capacità di riconoscimento. La mietitrice robotica in tempo reale, economica e completamente automatica potrebbe essere ancora molto lontana dallo stato di un prototipo finale. Un fattore essenziale nei costi sostenuti per la raccolta automatizzata è la velocità di raccolta: più veloce è, meglio è. Ma soprattutto nel caso di frutti morbidi, deve essere possibile assicurare una raccolta senza danni alla frutta. La pre-strutturazione degli alberi o degli arbusti può contribuire significativamente ad aumentare i tassi di rilevamento e di raccolta della frutta, oltre a semplificare la procedura di raccolta. Esempi sono stati presentati da Shibuya Harvesting, Harvest Croo, e Octinion per le fragole. I robot per la raccolta della frutta sono forniti, per esempio, da DBR Conveyor Concepts e Abundant Robotics per le mele, Energid per gli agrumi e Robotics Plus technologies per kiwi e mele. I robot possono essere un valido aiuto in compiti relativamente semplici in agricoltura, come la mappatura delle superfici, la diagnosi delle piante e il rilevamento di malattie, in particolare per prodotti sensibili come l'uva. Per esempio, il Vitirover rileva la salute dei vigneti attraverso la valutazione quantitativa del raccolto, rilevando i primi segni di malattia, le letture del tempo, contando la popolazione di insetti, ecc. Un sistema cingolato simile come piattaforma per vari compiti agricoli in frutteti e piantagioni, in particolare l'irrorazione, è stato presentato dalla società Agribot. Un uso significativo dei robot nei frutteti e nei vigneti è fatto attraverso i droni. Questi dispositivi robotici semi-autonomi sono utilizzati per monitorare le piante e assistere nell'applicazione di erbicidi. Esempi di droni sviluppati per il funzionamento in aree agricole sono Agras T16 di DJI, SenseFly Ag 360 di senseFly, o il Farmbird Mavic 2 Pro Hasselblad di Helm Software. Esempi di utilizzo di robot interni riguardano l'automazione delle serre. La maggior parte delle soluzioni di automazione si concentrano sulla logistica attraverso veicoli a guida autonoma per il trasporto di frutta e piante. Tuttavia, con il progetto e ora spin-off, Sweeper, è stato introdotto nel 2018 un robot per la raccolta di peperoni in serra. Prodotti disponibili in commercio si vedono anche nella protezione delle colture, per esempio, un robot di irrorazione di Bogaerts.
Considerazioni costi-benefici e sfide di marketing
Tra i molti vantaggi dell'automazione agricola, spiccano i seguenti:
- La Banca Mondiale afferma che il mondo dovrà produrre il 70% in più di cibo entro il 2050 se la popolazione globale continua a crescere al ritmo attuale. Le rese delle colture, il numero di colture raccolte per unità di terreno, dovranno aumentare almeno quanto la domanda di colture per evitare un'ulteriore invasione di terreni coltivati negli habitat naturali.
- Il Dipartimento dell'Agricoltura degli Stati Uniti riporta un'età mediana dei produttori di prodotti agricoli di 58 anni nel 2017, rispetto ai 55 del 2002, e altri paesi mostrano dati simili. L'incapacità di fornire all'agricoltura una forza lavoro legale e ben pagata (ad esempio, negli Stati Uniti) è stata una delle principali forze trainanti della robotica e dell'automazione.
- Riduzione dell'impronta ecologica dell'agricoltura attraverso l'agricoltura di precisione, soprattutto a causa del comportamento dei clienti e delle politiche alimentari.
La crescita della produttività nel settore agricolo è stata resa possibile dal maggiore uso della tecnologia negli ultimi decenni. Si riflette nel crescente grado di intensità di capitale in agricoltura: Con €284K di capitale per ogni membro della sua forza lavoro, l'agricoltura è una delle industrie a più alta intensità di capitale; inoltre, il capitale disponibile per impresa è €117.4K in Germania, di cui, dopo la deduzione dei prelievi, una media di €32.9K/anno rimane per le spese di capitale.
A causa dei volumi di investimento vincolanti, le decisioni di spesa in ogni grande impresa agricola saranno fatte sistematicamente e basate sulla redditività economica. Per quanto riguarda gli investimenti in nuove tecnologie, si è scoperto che nel settore agricolo, tali investimenti dipendono non solo dalla situazione economica dell'impresa, ma anche da altri fattori qualitativi, in particolare dal livello di istruzione e dall'età dei decisori. Questo insieme di fattori socio-economici è paragonabile alla maggior parte dei paesi industriali, per cui c'è un interesse e un potenziale significativo negli investimenti robotici praticamente in qualsiasi tipo di agricoltura (lattiero-casearia, allevamento, coltura, frutta, ecc.).
I robot per la raccolta della frutta sono stati sviluppati per molti anni. Questi robot sono progettati per rilevare e localizzare i frutti maturi sugli alberi (ad esempio, mele, uva) o sul terreno (ad esempio, fragole). Sono stati utilizzati diversi approcci, a seconda del tipo di frutta o verdura.
I sensori nel vicino infrarosso (NIR) o RGB-D possono solitamente fornire informazioni sufficienti per un successivo algoritmo di classificazione, ad esempio, basato su reti neurali convoluzionali (CNN). Questi algoritmi mostrano già tassi di successo per la classificazione di oltre il 90%. Cruciale per il successo economico, oltre ad esso e alla posizione, è il tempo di raccolta.
Il concetto sottostante di manipolazione, presa e raccolta sembra essere il collo di bottiglia di un lancio sul mercato di successo. Finora sono stati eseguiti molti progetti di ricerca, ma poco è filtrato nel mondo commerciale. Un progetto di maggior successo è stato mostrato con un sistema di raccolta per le mele, utilizzando l'aspirazione invece di un complesso processo di presa (Washington State University, USA).
Altre ricerche hanno un approccio olistico verso la raccolta della frutta attraverso la coltivazione di speciali culture di piante, cercando di far crescere le piante in modo prevedibile per una facile manutenzione e raccolta. Esempi sono i cetrioli, i peperoni e i pomodori.
Poiché la maggior parte degli ortaggi viene coltivata e raccolta in serra, la sfogliatura delle piante intorno agli ortaggi è considerata un compito noioso. Il Kompano Deleaf-Line di Priva (Paesi Bassi) offre ai coltivatori un'alternativa economicamente valida e completamente automatizzata per la sfogliatura manuale delle colture di pomodoro. Il robot dovrebbe trovare e rimuovere il maggior numero possibile di foglie con il minimo lavoro residuo, tagliare la foglia con il minimo rischio di malattie, come la Botrytis, e rimuovere le foglie abbastanza velocemente e, quindi, in modo economico.
Inoltre, sono diventate disponibili attrezzature mobili supportate da GPS per compiti specifici. Come esempio di questa categoria, un robot per piantare il riso è stato presentato dalla National Agriculture and Food Research Organization (NARO, Giappone). Il robot premiato è progettato per assistere gli agricoltori lavorando autonomamente per piantare il riso entro un kit di coordinate programmate. Il robot impiega circa 50 minuti per seminare 3.000 metri quadrati (0,75 acri) di terreno. 45 Il robot permette agli agricoltori di registrare facilmente quanto fertilizzante e pesticida sono stati usati in quali parti del campo mentre il riso cresce. Pertanto, si prevede: che contribuirà a garantire la sicurezza alimentare, aiutare la società a far fronte all'invecchiamento e al declino della popolazione agricola, e contribuirà anche ad aumentare l'autosufficienza del Giappone nel campo del cibo.
Tuttavia, dove gli ambienti sono più strutturati e protetti dalle condizioni climatiche, come nelle serre, l'uso del robot può essere più favorevole. L'automazione delle serre con l'aiuto dei robot può garantire la stabilità della forza lavoro, l'efficienza della produzione e l'aumento dei profitti, di cui l'industria dei vivai e delle serre ha tanto bisogno. Tuttavia, nonostante i numerosi studi, pochi prodotti sono apparsi finora nella pratica.
L'alternativa a queste mietitrici robotizzate è ancora il lavoro manuale con o senza macchine operatrici. Rispetto alle soluzioni robotiche, questo si traduce in tendenze verso costi di investimento più bassi e costi variabili più alti.
A parte i trattori o le mietitrici parzialmente autonome, l'uso dei droni è stato quantificato in uno studio di American Farm Bureau Federation e Informa Economics nel 2016: Esso fornisce il primo vero strumento che affronta i benefici economici della tecnologia dei droni in varie operazioni agricole. Il Return on Investment (ROI) Calculator™ può essere utilizzato dagli agricoltori statunitensi di mais, soia e grano per le seguenti applicazioni di droni: scouting del raccolto, mappatura 3D del terreno e assicurazione del raccolto. Il ROI Calculator™ stima che per gli agricoltori che usano “Drone as a Service” per migliorare lo scouting del raccolto, per esempio, il ROI è USD12 per acro per il mais, USD 2.60 per acro per la soia e USD 2.30 per acro per il grano..
Poiché molti robot non sono ancora in grado di fornire un valore economico aggiunto, l'acquisto di un robot spesso sembra essere interessante solo per gli early adopters. Tuttavia, le prospettive per un'ulteriore automazione in agricoltura sembrano essere generalmente brillanti, come è stato dimostrato dalla fattibilità economica. Con l'aumento del costo del lavoro e la crescente domanda di cibo, i robot agricoli sono visti come una fonte chiave di innovazione nel settore primario.