A robótica agrícola compreende o uso de sistemas de robôs em domínios semi-estruturados a não-estruturados, grandes domínios internos ou externos. Em Robôs de Serviços de Robótica Mundial, a robótica agrícola inclui cultivo, ordenha, outros tipos de criação de animais, e robótica agrícola. A robótica agrícola é uma área primária de pesquisa robótica e atividade empresarial, como é indicado por importantes centros de pesquisa, redes de pesquisa e negócios, e outros recursos.
Os tipos de robôs cobrem as áreas de:
- Agricultura, horticultura (especificamente hortaliças/frutas), todas as tarefas relacionadas, ou seja, gerenciamento, proteção de cultivos e colheita..
- Manejo pecuário para reduzir a carga de trabalho dos criadores de gado, especialmente na ordenha de vacas, pastoreio e manejo de estábulos.
- Silvicultura e silvicultura para cultivo, manejo e colheita. Entretanto, além da automação adicional das colheitadeiras existentes e do uso ampliado de drones, tem havido pouca atividade no manejo florestal.
Cultivo
Os robôs agrícolas receberam muita atenção nos últimos anos, particularmente nos veículos terrestres autônomos para melhorar a automação da agricultura, assim como todas as disciplinas da horticultura, tais como horticultura e fruticultura, floricultura e viveiros de árvores, tanto em estufas quanto no campo.
Além disso, o uso de veículos aéreos não tripulados (UAVs) para inspeção, vigilância, mapeamento e agricultura de precisão com base aérea tem alcançado resultados promissores. Exigências econômicas, escassez de mão-de-obra agrícola qualificada em regiões agrícolas, necessidades alimentares e de fibras de uma população mundial em crescimento, e padrões (políticos) rigorosos continuarão a impulsionar a necessidade comercial de robôs agrícolas.
As inovações em robótica e digitalização dependem de tecnologias avançadas e acessíveis, tais como uma grande variedade de sensores para várias aplicações, eletrônica relacionada e sistemas de comunicação. A robótica desempenha um papel central nos principais desafios da agricultura do futuro:
- Agricultura de precisão é um conceito de gestão agrícola que se concentra em cada planta para tratamento individual
- Interoperabilidade de novos sistemas robóticos e máquinas agrícolas convencionais
- Sensores que medem todos os parâmetros relevantes necessários para o manejo autônomo da cultura (por exemplo, detecção rápida e confiável em tempo real de nutrientes no solo com alta resolução)
- Automação de aplicações complexas, por exemplo, colheita de frutas e legumes
- Estabelecimento de sistemas de cultivo misto, ou cultivo entre culturas, para aumentar a biodiversidade e o rendimento através de soluções digitais e robóticas
- Automação e digitalização na agricultura hoje em dia significam principalmente gestão agrícola e telemetria. Empresas estabelecidas, como a BASF e Claas desenvolveram os sistemas Xarvio e 365Farmnet, respectivamente, com foco no suporte de gerenciamento de dados para agricultores. Uma revisão de última geração é mostrada na série da “American Society of Agricultural and Biological Engineers” (ASABE).
Tipos de operações realizadas pelos robôs
Os robôs agrícolas são utilizados principalmente em ambientes semi-estruturados. As estufas permitem a regulação das condições climáticas, de luz e do solo e, portanto, podem facilitar o uso de soluções robóticas. Os robôs em campos abertos utilizam o layout e a estrutura desses campos enquanto lidam com os problemas de luz e condições climáticas. Os pomares mostram o contexto mais complexo (declives íngremes, parcialmente não estruturados).
O escopo dos robôs agrícolas inclui:
- Agricultura de precisão: Estes tipos de robôs de campo são utilizados em pequenas fazendas ou vinhedos e permitem técnicas de agricultura de precisão. Muitas vezes, eles são usados para monitorar autonomamente o solo e as culturas, coletar dados e aplicar medidas precisas de proteção de culturas.
- Controle de ervas daninhas: Robôs autônomos para tarefas de erradicação de ervas daninhas, de preferência não químicas, como capina mecânica, água quente ou maçarico, ou através da entrega de sprays direcionados de herbicidas Nursery. Automação: Automação de viveiros de culturas, principalmente para mover plantas em grandes estufas para aumentar a eficiência e resolver a escassez de mão de obra.
- Colheita de frutas e culturas: A colheita das colheitas e frutas pode ser realizada 24 horas por dia, 7 dias por semana..
Além de veículos autônomos, manipuladores avançados em termos de manobrabilidade e sensibilidade podem ser úteis, bem como sistemas inteligentes de visão para identificação de culturas e frutas.
- Plantio e Semeadura: Uma aplicação emergente, os robôs de campo com sistemas de visão 3D podem agora plantar e semear com precisão para um crescimento ideal.
As implementações mais comuns de robôs de pequena escala são os robôs de ervas daninhas, portadores de ferramentas que são plataformas versáteis para múltiplas aplicações, plataformas de sensores e coletores. Além disso, são usados pulverizadores e combinações de pulverizadores e máquinas de capinar no campo, bem como plataformas para culturas especiais, como espargos ou lúpulo. Todos eles dependem muito da tecnologia de sensores e métodos de análise de imagem baseados em IA.
Uma pesquisa impressionante está em andamento para explorar a funcionalidade, robustez e custo-benefício de máquinas automatizadas em vários campos da automação agrícola por numerosos pesquisadores. O Comitê Técnico de Robótica e Automação Agrícola do IEEE mantém um site de avaliação detalhada do estado da arte em robótica agrícola.
O crescente interesse pela automação agrícola também pode ser visto em vários eventos internacionais, iniciativas de pesquisa e competições, por exemplo: na Austrália, nos EUA, na Europa e no Japão.
Além dos robôs terrestres, os drones terão um efeito transformador na automação agrícola. Os drones são usados e avaliados em projetos de pesquisa em áreas como análise de solo e campo, levantamento, semeadura aérea, pulverização de culturas, irrigação e avaliação fitossanitária. No futuro, os zangões poderão colaborar de forma autônoma em enxames para enfrentar tarefas coletivamente e até mesmo apoiar robôs baseados no solo com dados e informações.
Nível de distribuição
Sistemas de orientação autônoma de máquinas agrícolas, como tratores ou colheitadeiras, foram desenvolvidos na Europa, Austrália, Japão e EUA. Utilizando um sistema global de navegação por satélite (GNSS) e, em alguns casos, sensores ópticos (detecção de luz e câmeras de profundidade LiDAR, ou RGB-D) e computadores de bordo, estes sistemas seguem os limites do sulco anterior ou geram movimentos em sincronização com outras máquinas móveis, por exemplo, para transferir culturas. Máquinas em operação contínua e guiadas de forma autônoma têm o potencial de aliviar os trabalhadores de tarefas onerosas nas operações de campo. Máquinas agrícolas com auxiliares de orientação são padrão de fato em muitos fabricantes, mas ainda exigem que os operadores de máquinas monitorem os processos.
Transformação robótica de máquinas agrícolas convencionais
Com a ampla disponibilidade de sistemas precisos de cinemática em tempo real (RTK) GNSS que oferecem precisão de nível de centímetro, a localização no campo combinada com a detecção de safra baseada em sensores abre oportunidades para a semeadura, capina, pulverização e colheita automatizadas. Projetos de protótipos para tratores autônomos foram apresentados por quase todos os principais fabricantes de máquinas agrícolas: tratores sem condutor pela Case IH Magnum Series’ Veículo Conceito Autônomo, John Deere’s Autonomous Electric Tractor, Yanmar’s Robot Tractor, o Fendt ProbotIQ Xpert, New Holland’s NH Drive concept, ou a Autonomous Tractor Corporation e outros. Enquanto isso, vários sistemas de assistência ao motorista, um exemplo da Robot Makers GmbH, foram desenvolvidos como complementos tecnológicos para tratores, permitindo sistemas inteligentes de assistência e funções parcialmente autônomas para máquinas agrícolas comprovadas. Entretanto, levará algum tempo até que os tratores autônomos possam ser aplicados. Isto se deve, por um lado, aos desafios tecnológicos na percepção ambiental e, por exemplo, a localização segura associada, bem como a interação homem-máquina e animal-máquina e, por outro lado, a falta de diretrizes ou regulamentações por parte dos governos..
Agricultura arável e capina
A monda é uma tarefa óbvia a ser realizada por robôs devido ao procedimento de trabalho intensivo: se feita manualmente pelos trabalhadores ou para evitar o uso pesado de herbicidas. Além dos dispositivos adicionais para tratores convencionais, uma geração de robôs de pequena escala foi desenvolvida na última década. O BoniRob modular omnidirecional da robótica Deepfield é uma plataforma de pesquisa proeminente e um start-up de propriedade da Bosch. A localização é feita por medições GNSS e LiDAR. O controle de ervas daninhas é realizado com um manipulador que aperta as ervas daninhas no solo. A eficácia é estimada em 80%. Mais recentemente, novos conceitos foram mostrados pela AgroIntelli, ecoRobotix, ou Saga Robotics para capina e outras tarefas de proteção de cultivos. A fertilização precisa com um robô móvel, como um conceito de agricultura inteligente, foi demonstrada em plantações de milho pela ROWBOT. O Centro Australiano de Robótica de Campo projetou um robô de campo leve, omnidirecional e acionado por energia solar para várias aplicações. Esta plataforma de pesquisa, denominada LadyBird, é equipada com sensores para detecção de ervas daninhas, navegação autônoma e tarefas relacionadas, manipuladores para colheita, equipamentos de comunicação, bem como componentes de software relacionados. Um acessório robótico para tratores chamado ARA foi desenvolvido pela ecoRobotix. O sistema pode manipular grandes linhas de cultivo, hortaliças e pastagens. As ervas daninhas são detectadas usando sistemas de câmera e inteligência artificial e pulverizadas com precisão com uma pequena quantidade de herbicida. Ele permite: reduzir efetivamente a quantidade de herbicida utilizada. Além de novos robôs e tecnologias robóticas, são desenvolvidas ferramentas de software para a automação de máquinas agrícolas convencionais. Octinion e Autonomous Solutions Inc. introduziram os primeiros produtos de software. Para o manuseio de plantas em vasos em viveiros e estufas, foi desenvolvido um pequeno robô com rodas que realiza procedimentos de colheita e colocação, um trabalho pesado e demorado, geralmente feito por pessoal humano. Muitos fornecedores precisam contratar trabalhadores adicionais para mover e espaçar vasos em grandes campos ao cultivar plantas sem suporte robótico. Estes pequenos robôs usam o sensoriamento local para navegar, identificar vasos e medir e manter a distância correta entre eles.
Colheita de frutas e legumes
Há uma pesquisa abundante sobre detecção de imagem e planejamento de agarramento para robôs de colheita de frutas. Uma extensa avaliação do estado da arte da pesquisa recente & desenvolvimento (I&D) revelou que “em média, o sucesso da localização foi de 85%, o sucesso do descolamento foi de 75%, o sucesso da colheita foi de 66%, os danos à fruta foram de 5%, os danos ao pedúnculo foram de 45%, e o tempo de ciclo foi de 33 segundos”. Um documento sobre taxas de detecção de frutas e vegetais conclui que ainda nenhum dos sistemas de visão computadorizados pode igualar a capacidade do trabalho humano sem falhas, especialmente na visão e na capacidade de reconhecimento. A colheita robótica em tempo real e totalmente automática pode ainda estar muito longe do status de um protótipo final. Um fator essencial nos custos incorridos para a colheita automatizada é a velocidade de colheita: quanto mais rápido, melhor. Mas especialmente no caso de frutas macias, deve ser possível garantir uma colheita sem danos da fruta. A pré-estruturação das árvores ou arbustos pode contribuir significativamente para aumentar as taxas de detecção e colheita dos frutos, bem como simplificar o procedimento de colheita. Exemplos foram apresentados por Shibuya Harvesting, Harvest Croo, e Octinion para morangos. Robôs de colheita de frutas são fornecidos, por exemplo, por DBR Conveyor Concepts e Abundant Robotics para maçãs, Energid para frutas cítricas e Robotics Plus para kiwis e maçãs. Os robôs podem ser uma ajuda valiosa em tarefas relativamente simples na agricultura, tais como mapeamento de superfície, diagnóstico de plantas e detecção de doenças, particularmente para produtos sensíveis, tais como uvas. Por exemplo, o Vitirover sente a saúde dos vinhedos através da avaliação quantitativa da colheita, detectando sinais precoces de doenças, leituras meteorológicas, contagem da população de insetos, etc. A empresa Agribot apresentou um sistema de rastreamento semelhante como plataforma para várias tarefas agrícolas em pomares e plantações, especialmente a pulverização. O uso significativo de robôs em pomares e vinhedos é feito através de zangões. Estes dispositivos robóticos semi-autônomos são usados para monitorar plantas e auxiliar na aplicação de herbicidas. Exemplos de zangões desenvolvidos para a operação em áreas agrícolas são Agras T16 pelo DJI, SenseFly Ag 360 pelo senseFly, ou o Farmbird Mavic 2 Pro Hasselblad da Helm Software. Exemplos do uso de robôs de interior estão relacionados à automação de estufas. A maioria das soluções de automação se concentra na logística através de veículos guiados de forma autônoma para o transporte de frutas e plantas. Entretanto, com o projeto e agora spin-off, o Sweeper, um robô para colheita de pimenta em estufa, foi introduzido em 2018. Produtos comercialmente disponíveis também são vistos na proteção de cultivos, por exemplo, um robô de pulverização da Bogaerts.
Considerações de custo-benefício e desafios de marketing
Dentre os muitos benefícios da automação agrícola, destacam-se os seguintes:
- O Banco Mundial afirma que o mundo terá que produzir 70% mais alimentos até 2050 se a população mundial continuar crescendo em seu ritmo atual. O rendimento das culturas – o número de culturas colhidas por unidade de terra – terá que aumentar pelo menos tanto quanto a demanda de culturas para evitar uma nova invasão da terra de cultivo em habitats naturais.
- O Departamento de Agricultura dos EUA informa que a idade média dos produtores de produtos agrícolas era de 58 anos em 2017, em comparação com 55 em 2002, com outros países apresentando dados semelhantes. A incapacidade de fornecer à agricultura uma mão-de-obra bem remunerada e legal (por exemplo, nos EUA) tem sido uma das principais forças motrizes para a robótica e automação.
- Redução da pegada ecológica da agricultura através da agricultura de precisão, especialmente por causa do comportamento do cliente e das políticas alimentares.
O crescimento da produtividade no setor agrícola tem sido possível graças ao uso crescente da tecnologia nas últimas décadas. Isso se reflete no crescente grau de intensidade de capital na agricultura: Com €284K de capital para cada membro de sua força de trabalho, a agricultura é um dos setores mais intensivos em capital; além disso, o capital disponível por empresa é de €117,4K na Alemanha, dos quais, após dedução de retiradas, uma média de €32,9K/ano é deixado para despesas de capital.
Devido aos volumes limitados de investimento, as decisões de gastos em cada grande empreendimento agrícola serão feitas sistematicamente e com base na rentabilidade econômica. No que diz respeito aos investimentos em novas tecnologias, verificou-se que no setor agrícola, tais investimentos dependem não apenas da situação econômica da empresa, mas também de outros fatores qualitativos, particularmente do nível educacional e da idade dos tomadores de decisão. Este conjunto de fatores sócio-econômicos é comparável à maioria dos países industrializados, portanto, existe um interesse e um potencial significativo em investimentos em robôs em praticamente qualquer tipo de agricultura (laticínios, pecuária, colheitas, frutas, etc.)..
Os robôs coletores de frutas estão em desenvolvimento há muitos anos. Estes robôs são projetados para detectar e localizar frutas maduras em árvores (por exemplo, maçãs, uvas) ou no solo (por exemplo, morangos). Diferentes abordagens têm sido utilizadas, dependendo do tipo de fruta ou vegetal.
Os sensores quase infravermelhos (NIR) ou RGB-D geralmente podem fornecer informações suficientes para um algoritmo de classificação posterior, por exemplo, baseado em redes neurais convolucionais (CNN). Estes algoritmos já mostram taxas de sucesso para a classificação de mais de 90%. O fator crucial para o sucesso econômico, além dele e de sua localização, é o tempo de coleta.
O conceito subjacente de manipulação, agarramento e colheita parece ser o gargalo de um lançamento bem sucedido no mercado. Até o momento, muitos projetos de pesquisa foram realizados, mas pouco se infiltrou no mundo comercial. Um projeto de maior sucesso foi mostrado com um sistema de colheita de maçãs, utilizando sucção ao invés de um complexo processo de agarramento (Washington State University, EUA).
Como a maioria dos vegetais é cultivada e colhida em estufas, a desfolha das plantas ao redor dos vegetais é considerada uma tarefa entediante. A Kompano Deleaf-Line da Priva (Holanda) oferece aos produtores uma alternativa economicamente viável e totalmente automatizada para a desfolhada manual das culturas de tomate. O robô deve encontrar e remover o maior número possível de folhas com o mínimo de trabalho residual, cortar a folha com o mínimo risco de doenças, como a Botrytis, e remover as folhas com rapidez suficiente e, assim, com uma boa relação custo-benefício.
Além disso, equipamentos móveis suportados por GPS para tarefas específicas se tornaram disponíveis. Como exemplo desta categoria, um robô de plantação de arroz foi apresentado pela National Agriculture and Food Research Organization (NARO, Japão). O robô premiado foi projetado para ajudar os agricultores, trabalhando de forma autônoma para plantar arroz dentro de um kit de coordenadas programadas. O robô leva cerca de 50 minutos para semear 3.000 metros quadrados (0,75 acres) de terra. 45 O robô permite que os agricultores registrem facilmente a quantidade de fertilizante e pesticida utilizada em que partes do campo à medida que o arroz cresce. Portanto, espera-se: que ele contribua para garantir a segurança alimentar, ajude a sociedade a lidar com o envelhecimento e declínio da população agrícola e também contribua para aumentar a auto-suficiência do Japão's no campo de alimentos.
Entretanto, onde os ambientes são mais estruturados e protegidos contra condições climáticas, como em estufas, o uso do robô pode ser mais favorável. A automação das estufas com a ajuda de robôs pode garantir a estabilidade da força de trabalho, a eficiência da produção e o aumento dos lucros, de que a indústria de viveiros e estufas tanto necessita. Entretanto, apesar dos numerosos estudos, poucos produtos surgiram na prática até agora..
A alternativa a estas colhedoras robotizadas ainda é o trabalho manual com ou sem máquinas operadas. Em comparação com as soluções robóticas, isto se traduz em tendências para menores custos de investimento e maiores custos variáveis.
Além de tratores ou colheitadeiras parcialmente autônomas, o uso de drones foi quantificado em um estudo da Federação Americana de Bureau de Fazendas e da Informa Economics em 2016: Ele fornece a primeira ferramenta real que aborda os benefícios econômicos da tecnologia de drones em várias operações agrícolas. A Calculadora de Retorno do Investimento (ROI) pode ser utilizada por agricultores americanos de milho, soja e trigo para as seguintes aplicações de drone: prospecção de culturas, mapeamento de terrenos em 3D e seguro de colheitas. A Calculadora&trade ROI; estima que para agricultores que usam “ Drone como Serviço” para melhorar o reconhecimento de colheitas, por exemplo, o ROI é de USD 12 por acre para milho, USD 2,60 por acre para soja, e USD 2,30 por acre para trigo..
Como muitos robôs ainda não são capazes de oferecer valor econômico agregado, a aquisição de um robô muitas vezes parece ser interessante apenas para os primeiros adotantes. Entretanto, as perspectivas para uma maior automação na agricultura parecem ser geralmente brilhantes, como foi comprovado pela viabilidade econômica. Com o aumento dos custos de mão-de-obra e a crescente demanda por alimentos, os robôs agrícolas são vistos como uma fonte essencial de inovação no setor primário..