Hvordan autonome køretøjer vil forbedre bæredygtigheden og produktiviteten i landbruget

Autonome traktorer, droner og robotter til såning, lugning og høst af frø er flere af de teknologier under udvikling, der vil ændre landbruget og bidrage til at afhjælpe fødevaremangel ved at forbedre bæredygtigheden og produktiviteten af landbrugsaktiviteterne. Autonome køretøjer af alle typer vil frigøre folk fra at køre traktorer og andre maskiner og give dem mulighed for at udføre mere værdiskabende aktiviteter. Det drejer sig bl.a. om at gennemføre præcisionslandbrug, der vil øge udbyttet, reducere negative miljøpåvirkninger og forbedre bæredygtigheden af landbrugsaktiviteterne ved at løse problemer i forbindelse med vandknaphed, mangel på arbejdskraft og andre begrænsninger.

Mens droner og landbrugsrobotter er nye systemer, der udvikles og implementeres fra bunden, er traktorer anderledes. Der er allerede et stort antal traktorer installeret, og de har ofte en lang levetid. Som følge heraf vil eksisterende traktorer ud over at udvikle nye fuldt automatiserede konstruktioner blive eftermonteret med elektriske drev og opgraderet med digitale systemer til specifikke formål, såkaldte "digitale traktorredskaber".

Denne artikel omhandler udviklingen af digitale traktorredskaber og nye elektriske traktorer (e-traktorer). Den gennemgår udfordringerne i forbindelse med indførelsen af autonome traktorer og ser på, hvordan droner, sensorer på traktorer samt AI og ML anvendes i præcisionslandbrug. Den undersøger også nogle af de teknologier, der er nødvendige for at realisere udviklingen af autonome landbrugskøretøjer, og hvordan DigiKey's omfattende produktudbud, herunder maskinsyn, motorer og styringer, strømomformere, sensorer og switche, kablede og trådløse kommunikationsgrænseflader samt en række signal- og strømkabler og stik, kan hjælpe designere med at fremskynde deres udviklingsprocesser. Artiklen afsluttes med et kort kig ind i fremtiden, hvor fuldt autonome landbrug vil blive styret af sofistikerede driftssystemer, der kan styre blandede flåder, herunder både autonomt og standard landbrugsmaskiner, for at maksimere produktiviteten og bæredygtigheden.

Landbrugsredskaber kommer på ISObus

Ligesom Industri 4.0 bevæger landbruget sig i retning af at bruge intelligente og sammenkoblede maskiner. Det er her, at International Standards Organization (ISO) 11783, den serielle datanetværksbus for traktorer og maskiner til landbrug og skovbrug, kommer ind i billedet. I landbruget kaldes den ganske enkelt ISObus. Den er baseret på Society of Automotive (SAE) J1939-protokollen, som omfatter CAN-bussen (Control Area Network) og er optimeret til landbrugsapplikationer. ISObus fremmes aktivt af Agricultural Industry Electronics Foundation, som arbejder for at koordinere forbedrede certificeringstests for ISO 11783-standarden.

Før ISObus havde landmændene traktorer med proprietære styresystemer, som begrænsede fleksibilitet, ydeevne og interoperabilitet. ISObus omfatter standardiserede stik, kommunikationsprotokoller og operationelle retningslinjer og gør det muligt at udvikle sammenkoblede sensor- og kontrolsystemer fra forskellige producenter (figur 1). ISObus understøtter også elektrificering af traktorredskaber, herunder elektrisk drevne mekaniske kraftudtag (PTO'er) og højspændingsforbindelser med en nominel effekt på op til 700 volt (V) og 100 kilowatt (kW) til at drive elektrisk drevne redskaber.

Figur 1: ISObus kan gøre det muligt at integrere sensorer og redskaber fra forskellige producenter i et plug-and-play-system. (Billedkilde: Foto: Armin Weigel/dpa (Foto af Armin Weigel/picture alliance via Getty Images)

ISObus er i gang med at udvikle et system til forvaltning af traktorredskaber (TIM). Som det er planlagt, vil den avancerede version af ISObus gøre det muligt for redskaberne at give feedback til traktoren og dermed støtte optimeringen af det kombinerede system af traktor og redskab. Det vil også muliggøre en højere grad af sensorintegration på redskaber til støtte for præcisionslandbrug. Traktoren vil give dig viden om stedet, og det kombinerede system vil løbende indsamle data om jordbunds- og afgrødeforhold. Med en mere detaljeret indsigt kan både udbyttet og bæredygtigheden øges.

e-traktorer, eftermontering og selvkørende traktorer

Ud over den fortsatte udvikling af ISObus vil elektrificering af traktorer være vigtig for den fremtidige udbredelse af autonome køretøjer og øget bæredygtighed i landbruget. Emissionsreduktioner er en væsentlig faktor. En fjerdedel af verdens drivhusgasemissioner stammer fra landbruget og landbrugsrelaterede aktiviteter, og en traktor svarer til 14 bilers emissioner^.1

E-traktorer er begyndt at dukke op. Ud over at reducere emissionerne kan e-traktorer også reducere brændstofomkostningerne betydeligt. E-traktorer er i øjeblikket begrænset til mindre modeller, da store, kraftige e-traktorer kræver batteripakker, der er større end størrelsen på den konventionelle traktor, de skal erstatte. Store e-traktorer vejer også mere, hvilket resulterer i øget jordpakning, hvilket er uønsket. Endelig er opladningstiden for store batteripakker for lang til at være praktisk anvendelig i et landbrug. Mindre e-traktorer med motorer fra 25 til 70 hestekræfter (HP), ca. 18,6 til 52 kW, og små batteripakker er allerede ved at blive afprøvet. Elektrificering af traktorer handler om mere end drivlinjen. Det drejer sig også om at erstatte hydraulik til at drive og styre traktorredskaber (Figur 2).

Figur 2: Små e-traktorer med motorer på mellem 25 og 70 hk testes og gøres klar til at blive taget i brug. (Billedkilde: Foto af brizmaker via Getty Images)

Til større traktorer fås der hybrid eftermonteringssæt. Et firma tilbyder f.eks. et sæt med en 250 kW-generator, som kan monteres på traktorens eksisterende forbrændingsmotor i stedet for hydraulikpumpen. Sættet omfatter også fire elmotorer til erstatning af det hydrauliske drivsystem og en elektrisk transmission til at drive eksisterende redskaber. Ved at udskifte de hydrauliske systemer reducerer eftermonteringssættet brændstof- og vedligeholdelsesomkostningerne og øger hybrid e-traktorens tilgængelighed og pålidelighed.

Ligesom udrulningen af autonome biler og lastbiler står udbredelsen af autonome traktorer over for en ubestemt fremtid. For eksempel kræver de nuværende regler i Californien, at "alt selvkørende udstyr skal, når det drives af egen kraft og er i bevægelse, have en operatør placeret ved køretøjets betjening." Fuldstændig autonomi må vente.

Flyvning over markerne

Droner anvendes i dag til en lang række opgaver i landbruget. Eksempler herpå er:

• Afbildning af planters sundhed. Droner har i vid udstrækning erstattet satellitbilleder til overvågning af afgrødernes tilstand. Udstyret med NDVI-billedudstyr (Normalized Difference Vegetation Index) giver dronerne detaljerede farvebilleder, der kan bruges til at overvåge planters sundhed. Mens satellitbilleder tager tid at hente og kan give en meters nøjagtighed, kan droner give billederne millimeterpræcision og støtte en meget målrettet identifikation af sygdomme, skadedyr eller andre problemer i realtid.
• Overvågning af feltforhold. Droner overvåger også jordbunds- og drænforhold over hele marker. Det kan give mulighed for mere effektive og bæredygtige vandingsprogrammer.
• Udplantning. Automatiserede dronefrøsåmaskiner er almindelige i skovbrugsindustrien, og deres anvendelse er ved at blive udvidet til at omfatte det almindelige landbrug. Droner kan hurtigt plante træer eller frø og nå utilgængelige områder mere effektivt. F.eks. kan 400.000 træer plantes om dagen af et team bestående af to operatører, der bruger flere droner.
• Sprøjteanvendelse. Anvendelse af droner til sprøjtning af gødning og pesticider er en ny anvendelse, hvis anvendelse varierer fra region til region (figur 3). I Sydkorea anvendes droner f.eks. til ca. 30 % af sprøjtningen i landbruget. I Canada er det ikke lovligt at bruge droner til sprøjtning i landbruget. I USA kræver sprøjteflyvning med droner licens og certificering som krævet af Federal Aviation Administration (FAA) og delstaternes landbrugs-, erhvervs- og transportministerier.

Figur 3: Der er blevet udviklet store droner, som kan bruges til at sprøjte gødning og pesticider. (Billede: Foto af baranozdemir via Getty Images)

Præcision producerer mere med mindre

Selv før autonome traktorer bliver realiseret, forventes droner og elektrificering af traktorer og traktorredskaber at støtte præcisionslandbrug og øge bæredygtigheden.

Ifølge en undersøgelse foretaget af Association of [agricultural] Equipment Manufacturers (AEM) kan brugen af præcisionslandbrug føre til en stigning på 4 % i afgrødeproduktionen, en stigning på 7 % i effektiviteten af gødningsanbringelsen, en reduktion på 9 % i brugen af herbicider og pesticider og en reduktion på 6 % i forbruget af fossilt brændstof². Desuden kan vandforbruget reduceres med 4 % med præcisionsvanding.

Disse tal er baseret på den nuværende teknologi. Med tilføjelsen af forbundne systemer og kunstig intelligens (AI) forventes disse forbedringer at blive mangedoblet. Tilføjelse af maskinlæring (ML) til vedligeholdelse af udstyr giver yderligere besparelser og forbedringer i bæredygtighed.

Ifølge AEM forventes autonomt landbrugsudstyr at resultere i en yderligere forbedring på 24 %, når både besparelser på input og udbytteforbedringer tages i betragtning. En væsentlig faktor i denne forbedring er antagelsen om, at autonome maskiner vil være lettere end det udstyr, de erstatter, hvilket resulterer i mindre komprimering og bedre jordbundsforhold.

AI og ML vil også være afgørende for udviklingen af præcisionsmaskiner, der er optimeret til specifikke opgaver. Maskiner til særlige opgaver kan være endnu mindre end traktorer til generelle formål. Der udvikles f.eks. maskiner til små opgaver til plukning af afgrøder, hvor maskinsyn, en delikat berøring og præcise fingerfærdigheder er nødvendige.

Ukrudtsbekæmpelse er et andet område, hvor opgavespecifik AI og ML-maskiner forventes at bidrage væsentligt. Ukrudtsbekæmpelse er vanskelig og arbejdskrævende og bidrager, hvis den ikke gennemføres effektivt, til et større vandforbrug og til udtømning af jordens næringsstoffer. Sædskifte er en delvis løsning, men kan ikke fjerne behovet for herbicider eller manuel ukrudtsbekæmpelse. Ukrudtshåndteringsrobotter, der kombinerer maskinsyn med AI og ML, er ved at blive afprøvet. Disse små maskiner minimerer også jordkomprimering (figur 4).

Figur 4: Eksempel på autonome høstrobotter, der kombinerer maskinsyn med AI og ML. (Billedkilde: Foto af onurdongel via Getty Images)

Farm OS og flåder af autonomt udstyr

Landbrugsindustrien ser frem mod en fremtid, hvor fuldt autonome landbrug vil blive styret af et sofistikeret operativsystem, der er i stand til at styre blandede flåder, herunder både autonomt og standard landbrugsmaskiner samt landbaserede maskiner og droner, for at maksimere produktiviteten og bæredygtigheden (figur 5). Disse flåder af landbrugsudstyr vil blive drevet i koordination for at hjælpe med at kontrollere kapitaludgifterne, minimere behovet for arbejdskraft og levere de store data, der er nødvendige for at muliggøre autonom udførelse og præcisionslandbrug. Desuden vil fremtidens operativsystem for landbrug blive standardiseret og optimeret til at understøtte en bred vifte af udstyr fra mange forskellige leverandører. Vedtagelsen af ISObus er kun det første skridt i retning af en open source og standardiseret tilgang til automatisering af landbruget.

Figur 5: Sværme af koordinerede autonome landbrugsmaskiner på jorden og i luften vil føre til større bæredygtighed. (Billedkilde: Illustration af Scharfsinn86 via Getty Images)

Yderligere fordele, der forventes af det foreslåede driftssystem på gården, er reducerede CO2-emissioner, lavere brændstofforbrug og optimering af batteriopladning og -styring. Big data-analyser vil også spille en vigtig rolle i fremtidens landbrug. Store mængder realtidsdata direkte fra marken vil blive brugt til løbende at træne de AI- og ML-algoritmer, der er nødvendige for beslutningstagning, kontrol og driftsplanlægning for at optimere præcisionslandbruget.

Sammenfatning

Udviklingen af autonome landbrugskøretøjer og bæredygtigt præcisionslandbrug er stadig i sin vorden. Industrien er begyndt på denne vej med ISObus. Den næste generation af ISObus vil støtte øget interoperabilitet og bidrage til at skabe mere komplekse og sammenkoblede flåder af landbrugsudstyr. Målet er at udvikle et operativsystem til landbruget, der kan tage disse flåder af landbrugsudstyr, kombinere dem med massive sensordata i realtid ved hjælp af AI- og ML-algoritmer og anvende dem som formationer af koordinerede jord- og flyvemaskiner, der producerer et højt niveau af bæredygtighed og produktivitet.

1. Autonome traktorer med robothjerner er på vej til at overtage landbruget, Autoweek
2. De miljømæssige fordele ved præcisionslandbrug kvantificeret, AEM