Hur autonoma fordon kommer att förbättra hållbarheten och produktiviteten inom jordbruket

Autonoma traktorer, drönare och robotar för sådd, ogräsrensning och skörd är några av de tekniker som håller på att utvecklas och som kommer att förändra jordbruket och bidra till att dämpa bristen på livsmedel genom att förbättra hållbarheten och produktiviteten inom jordbruket. Autonoma fordon av alla slag kommer att frigöra människor från att köra traktorer och andra maskiner och göra det möjligt för dem att utföra mer värdeskapande aktiviteter. Det handlar bland annat om att införa precisionsjordbruk för att öka avkastningen, minska negativ miljöpåverkan och förbättra hållbarheten i jordbruksverksamheten genom att ta itu med frågor som rör vattenbrist, arbetskraftsbrist och andra begränsningar.

Medan drönare och jordbruksrobotar är nya system som utvecklas och distribueras från grunden, så är det annorlunda med traktorer. Det finns redan en stor installerad bas med traktorer, och de tenderar att ha lång livslängd. Detta medför, att utöver utvecklingen av helt automatiserade nya konstruktioner, måste befintliga traktorer eftermonteras med elektriska drivsystem och uppgraderas med digitala system för särskilda ändamål, så kallade "digitala traktordrivna redskap".

Artikeln handlar om utvecklingen av digitala traktordrivna redskap och kommande elektriska traktorer (e-traktorer). Den går igenom utmaningarna med att ta fram autonoma traktorer och tittar på hur drönare, sensorer på traktorer samt AI och ML används inom precisionsjordbruk. Den undersöker även några av de tekniker som krävs för att förverkliga utvecklingen av autonoma jordbruksfordon och hur Digi-Keys omfattande produktutbud, inklusive maskinseende, motorer och styrenheter, kraftomvandlare, sensorer och strömbrytare, kabelanslutna och trådlösa kommunikationsgränssnitt samt en mängd signalkablar, kraftkablar och kontakter, kan hjälpa konstruktörer att skynda på sina utvecklingsprocesser. Artikeln avslutas med en kort inblick i framtiden, där helt autonoma jordbruk kommer att styras av sofistikerade operativsystem som kan hantera blandade vagnparker med både autonom och vanlig jordbruksutrustning, för att maximera produktiviteten och hållbarheten.

Jordbruksredskap hamnar på ISObus

På samma sätt som Industry 4.0, går jordbruket mot att använda intelligenta och sammankopplade maskiner. Det är här som International Standards Organization (ISO) 11783, den seriella bussen för datanätverk i traktorer och maskiner för jordbruk och skogsbruk, kommer in i bilden. Inom jordbruksindustrin kallas den helt enkelt för ISObus. Den är baserad på Society of Automotive (SAE) J1939-protokoll, som inkluderar CAN-bussen (Control Area Network) och har optimerats för jordbrukstillämpningar. ISObus främjas aktivt av Agricultural Industry Electronics Foundation, som arbetar för att samordna förbättrade certifieringstester för standarden ISO 11783.

Före ISObus hade lantbrukarna traktorer med egna styrsystem som begränsade flexibiliteten, prestandan och driftskompatibiliteten. ISObus innehåller standardiserade kontakter, kommunikationsprotokoll och riktlinjer för drift, vilket möjliggör utveckling av sammankopplade sensor- och styrsystem från olika tillverkare (figur 1). ISObus har även stöd för elektrifiering av traktorredskap, inklusive elektriskt drivna mekaniska kraftuttag (PTO) och högspänningskopplingar på upp till 700 V och en effekt på 100 kW för att driva elektriska redskap.

Figur 1: ISObus kan göra det möjligt att integrera sensorer och redskap från olika tillverkare i ett plug-and-play-system. (Bildkälla: Foto: Armin Weigel/dpa (Foto av Armin Weigel/picture alliance via Getty Images)

ISObus håller på att utvecklas till ett system för hantering av traktorredskap (TIM). Den avancerade versionen av ISObus kommer enligt planerna att göra det möjligt för redskap att ge återkoppling till traktorn och på så sätt optimera det kombinerade systemet med traktor och redskap. Den kommer även att möjliggöra högre nivåer av sensorintegration på redskap som har stöd för precisionsjordbruk. Traktorn kommer att tillhandahålla platsinformation, och det kombinerade systemet kommer kontinuerligt att samla in data om marken och grödornas förutsättningar. Med mer detaljerade insikter kan både avkastning och hållbarhet ökas.

e-traktorer, eftermontering och autonoma traktorer

Förutom den fortsatta utvecklingen av ISObus kommer elektrifieringen av traktorer att vara viktig för den framtida utvecklingen av autonoma fordon och ett mer hållbart jordbruk. Minskningar av utsläpp är en viktig aspekt. En fjärdedel av världens utsläpp av växthusgaser kommer från jordbruk och jordbruksrelaterad verksamhet, och en traktor motsvarar 14 bilars utsläpp.¹

E-traktorer börjar dyka upp. Förutom att minska utsläppen kan e-traktorerna minska bränslekostnaderna avsevärt. E-traktorer är för närvarande begränsade till mindre modeller eftersom stora, högeffektiva e-traktorer kräver batteripaket som är större än storleken på den konventionella traktor som de skulle ersätta. Stora e-traktorer väger också mer, vilket leder till ökad icke önskvärd packning av marken. Slutligen är laddningstiderna för stora batteripaket allt för långa för att vara praktiska i en jordbruksverksamhet. Mindre e-traktorer med motorer från 25 till 70 hk, cirka 18,6 till 52 kW, och små batteripaket testas redan. Elektrifiering av traktorer handlar om mer än drivlinan. Det handlar också om att ersätta hydrauliken för att driva och styra traktorns redskap (figur 2).

Figur 2: Små e-traktorer med motorer från 25 till 70 hk testas och förbereds för distribution. (Bildkälla: Foto av brizmaker via Getty Images)

För större traktorer finns det paket för eftermontering av hybrider. Ett företag erbjuder till exempel ett paket med en generator på 250 kW som kan anslutas till traktorns befintliga förbränningsmotor istället för hydraulpumpen. Satsen innehåller även fyra elmotorer som ersätter det hydrauliska drivsystemet och en elektrisk växellåda för att driva befintliga redskap. Genom att byta ut hydraulsystemen minskar eftermonteringssatsen bränsle- och underhållskostnaderna och ökar tillgängligheten och tillförlitligheten hos hybridtraktorerna.

Precis som distributionen av självkörande bilar och lastbilar går distributionen av autonoma traktorer en obestämd framtid till mötes. Enligt gällande bestämmelser i Kalifornien krävs till exempel att "all självgående utrustning ska, när den drivs av egen kraft och är i rörelse, ha en förare placerad vid fordonets reglage". Fullständig autonomi får vänta.

Flygturer över fälten

Drönare används för närvarande för ett stort antal uppgifter inom jordbruket. Exempel på detta är:

• Bildbehandling av växters hälsa. Drönare har till stor del ersatt satellitbilder för att övervaka grödornas hälsa. Drönarna är utrustade med NDVI-bildutrustning (Normalized Difference Vegetation Index) och ger detaljerade färgbilder som kan användas för att övervaka växternas hälsa. Medan satellitbilder tar tid att hämta och kan ge en meters noggrannhet, kan drönare ge bilder med millimeternoggrannhet och stödja en mycket målinriktad identifiering av sjukdomar, skadedjur eller andra problem i realtid.
• Övervakning av förhållandena på åkern. Drönare övervakar även mark- och dräneringsförhållandena på hela åkrar. Detta kan möjliggöra effektivare och mer hållbara bevattningsprogram.
• Plantering. Automatiserade drönare för fröplantering är vanliga inom skogsindustrin, och användningen av dem håller på att utvidgas till allmänt jordbruk. Drönare kan snabbt plantera träd eller frön och nå svåråtkomliga områden på ett effektivare sätt. Som exempel, kan 400 000 träd planteras per dag av ett team med två operatörer som använder flera drönare.
• Besprutningstillämpningar. Användning av drönare för att besprutning med gödselmedel och bekämpningsmedel är en ny tillämpning som varierar mellan olika regioner (figur 3). I Sydkorea används drönare till exempel för cirka 30 procent av besprutningen inom jordbruket. I Kanada är det inte lagligt att använda drönare för besprutning inom jordbruket. I USA kräver besprutning med drönare, en licens och certifiering enligt föreskrifter från Federal Aviation Administration (FAA) och delstaternas jordbruks-, näringslivs- och transportdepartement.

Figur 3: Stora drönare har utvecklats som kan användas för besprutning med gödsel och bekämpningsmedel. (Bild: Foto av baranozdemir via Getty Images)

Precision producerar mer med mindre

Redan innan autonoma traktorer förverkligas förväntas drönare och elektrifiering av traktorer och traktordrivna redskap stödja precisionsjordbruk och öka hållbarheten.

Enligt en undersökning av Association of [agricultural] Equipment Manufacturers (AEM) kan användning av precisionsjordbruk leda till en ökning av skördeproduktionen med 4 %, en förbättring av gödselplaceringens effektivitet med 7 %, en minskning av användningen av herbicider och bekämpningsmedel med 9 % och en minskning av användningen av fossila bränslen med 6 %². Dessutom kan vattenförbrukningen minskas med 4 % med hjälp av precisionsbevattning.

Siffrorna är baserade på nuvarande teknik. Med anslutna system och artificiell intelligens (AI) förväntas dessa förbättringar mångdubblas. Att lägga till maskininlärning för underhåll av utrustning ger ytterligare besparingar och förbättrar hållbarheten.

Enligt AEM förväntas autonom jordbruksutrustning leda till en ytterligare förbättring på 24 % när man beaktar både besparingar av insatsvaror och förbättrade skördar. En viktig faktor i denna förbättring är antagandet att autonoma maskiner kommer att vara lättare än den utrustning de ersätter, vilket leder till mindre kompaktering och bättre markförhållanden.

AI och ML kommer också att vara avgörande för att utveckla precisionsmaskiner som är optimerade för specifika uppgifter. Maskiner för särskilda uppgifter kan vara ännu mindre än traktorer för allmänna ändamål. Som exempel utvecklas maskiner för små arbetsuppgifter för att plocka grödor där det krävs maskinseende, fingertopsskänsla och noggrann fingerfärdighet.

Ogräsbekämpning är ett annat område där uppgiftsspecifika AI och ML-maskiner förväntas bidra avsevärt. Ogräsbekämpning är svårt och arbetsintensivt och bidrar till, om det inte genomförs på ett effektivt sätt, att mer vatten används och att markens näringsämnen utarmas. Växelbruk är en dellösning men kan inte eliminera behovet av herbicider eller manuell ogräsbekämpning. Robotar för ogräsbekämpning som kombinerar maskinseende med AI och ML testas. Dessa små maskiner minimerar även jordkomprimeringen (figur 4).

Figur 4: Exempel på autonoma skörderobotar som kombinerar maskinseende med AI och ML. (Bildkälla: Foto av onurdongel via Getty Images)

Operativsystem för jordbruk och autonoma vagnparker

Jordbruksindustrin har en framtid där helt autonoma jordbruk kommer att styras av sofistikerade operativsystem (OS) som kan hantera blandade vagnparker med både autonom och vanlig jordbruksutrustning, för att maximera produktiviteten och hållbarheten(Figur 5). Dessa flottor av jordbruksutrustning kommer att drivas samordnat för göra det lättare att kontrollera kapitalkostnader, minimera behovet av arbetskraft och tillhandahålla de stora datamängder som krävs för att möjliggöra autonomt utförande och precisionsjordbruk. Framtidens operativsystem för jordbruk kommer dessutom att vara standardiserat och optimerat för att stödja ett brett utbud av utrustning från många olika leverantörer. Att använda ISObus är bara det första steget mot öppen källkod och en standardiserad strategi för jordbruksautomation.

Figur 5: Svärmar av samordnade markbaserade och flygande autonoma jordbruksmaskiner kommer att leda till högre hållbarhetsnivåer. (Bildkälla: Illustration av Scharfsinn86 via Getty Images)

Ytterligare fördelar som förväntas av det föreslagna operativsystemet för jordbruk är minskade koldioxidutsläpp, lägre bränsleförbrukning och optimering av hantering och laddning av batterier. Analyser av stora datamängder kommer också att spela en viktig roll i jordbrukets framtid. Stora mängder realtidsdata direkt från fältet kommer att användas för att kontinuerligt träna de AI- och ML-algoritmer som krävs för beslutsfattande, styrning och driftsplanering för att optimera precisionsjordbruket.

Sammanfattning

Utvecklingen av autonoma jordbruksfordon och hållbart precisionsjordbruk är fortfarande i sin linda. Branschen har börjat använda ISObus. Nästa generation av ISObus kommer att ha stöd för ökad driftskompatibilitet och bidra till mer komplicerade och sammankopplade vagnparker med jordbruksutrustning. Målet är att utveckla ett operativsystem för jordbruket som kan ta dessa vagnparker med jordbruksutrustning, och kombinera dem med enorma mängder sensordata i realtid med hjälp av AI- och ML-algoritmer, och distribuera dem som formationer av samordnade markgående och flygande maskiner som producerar höga nivåer av hållbarhet och produktivitet.

1. Autonoma traktorer med robothjärnor kommer att ta över jordbruket, Autoweek
2. Miljöfördelarna med precisionsjordbruk kvantifierade, AEM