Роботы идут… Роботы-тракторы

Современное сельское хозяйство становится все более технологичным и далеко не последнюю роль в его развитии играет применение автономных робототехнических систем. Сегодня некоторые из них уже доступны для коммерческого использования, отдельные находятся на стадии доработки и производственных испытаний. Кроме того, активно развиваются инновационные компании (start-up) по цифровизации и роботизации аграрной отрасли.

«ГлавПахарь» предлагает ознакомиться с наиболее проработанными и интересными проектами, связанными с сельскохозяйственными роботами для механизации процессов в растениеводстве.

Первый трактор, работающий без управления человека, был разработан еще в 1962 г. фермером-изобретателем Корнелиусом Силингом. Его модель автономного трактора Agri-Robot была предназначена для вспашки полей правильной формы и использовала для навигации систему контактных колесных двусторонних датчиков.

С тех пор прошло немало времени и современные автономные тракторы получили более продвинутые системы контроля и управления. Сегодня они оснащены функциями GPS, параллельного вождения и движения по поворотной полосе, имеют стандартные и мультиспектральные камеры, лазеры (лидары), датчики и другие высокотехнологичные компоненты. Несмотря на такую начинку, потребуется еще не менее 10-15 лет, чтобы полностью доверить выполнение полевых работ. Главными причинами здесь становятся не только вопросы законодательного характера и требования безопасности, но и достаточно высокая стоимость автоматических систем. 

Тем не менее, практически все производители сельскохозяйственной техники, прямо или косвенно работают над созданием и апробацией роботизированных комплексов. Наиболее либеральный подход в этой сфере демонстрирует Япония, где использование автономной сельскохозяйственной техники официально разрешено, правда с ограничениями по размеру и массе применяемых машин.

Большинство разработок, предлагаемых многочисленными start-up компаниями, ориентированы на выполнение малоэнергоемких операций, таких как посев, внесение удобрений или средств защиты растений, механическая прополка, проведение мониторинга. Как правило, такие модели предназначены для использования на подготовленных полях или в замкнутой рабочей среде: теплицы, сады, виноградники. Применение роботов для выполнения энергоемких операций основной обработки почвы является, в основном, прерогативой крупных производителей техники, которые уже на текущем этапе могут предложить концепт-модели беспилотных тракторов мощностью более 600 л.с.

В сентябре 2018 года компания Escorts Limited, владелец производителя техники Farmtrac в Индии, представила первый роботизированный трактор мощностью 75 л.с. В основу концепции заложена глубокая модернизация серийной модели трактора с целью возможности его работы без водителя.

Компания отмечает, что разработка является результатом сотрудничества с семью компаниями, включая AVL (технологии электроприводов), Trimble (датчики, органы управления и автопилот), Samvardhana Motherson (интеллектуальная кабина), Wabco (технологии автоматизации), Microsoft (облачные технологии и искусственный интеллект), Bosch (технологии снижения выбросов).

Индийский производитель ожидает, что такое партнерство с глобальными технологическими гигантами позволит ему в течение 2 лет разработать комплекс автономных энергетических средств мощностью от 50 до 110 л.с. с возможностью их дистанционного контроля и управления.

В настоящее время модели роботизированных тракторов Farmtrac недоступны для коммерческого использования, а также компания не сообщает о предполагаемых планах их выпуска и стоимости.

В 2016 году на выставке Farm Progress Show компания CNH Industrial впервые представила роботизированный трактор Magnum, имеющий все технические возможности для автономной работы. Трактор оснащен комбинацией из радара, лазерных дальномеров (LiDAR), цифровых камер RGB, ИК-датчиков и GPS позволяющих обнаруживать и распознавать практически любые препятствия. Мощность концептуальной модели трактора составляет 419 л.с., скорость — до 50 км/ч. 

Компания CNH Industrial имеет свое видение развития автономной сельскохозяйственной техники будущего, включающее 5 основных этапов: от автоматизации движения и координации взаимодействия машин до управляемой (контролируемой) и полной автономии.

В соответствие с данной концепцией роботизированный Magnum относится к перспективным полностью автономным машинам, применение которых в настоящее время ограничено законодательством.

Планы запуска роботизированного трактора Magnum в серийное производство и данные о его стоимости компанией не анонсировались.

Инновационная группа CNH Industrial совместно с Autonomous Solutions Incorporated рассматривает такие ограничения не как препятствия, а как дополнительные возможности и активно разрабатывает и внедряет элементы контролируемой автономии, например, применение систем точного земледелия и телематики AFS, возможности совместной работы двух тракторов под контролем одного оператора и др.

С 2018 года компания проводит производственное тестирование техники совместно с крупнейшим производителем моркови и оптовым продавцом продуктов питания Bolthouse Farms, который использует автономные тракторы на своих полях в четырех штатах США и Канады. Пилотная программа сосредоточена на основной обработке почвы, которую Bolthouse Farms выполняет практически круглогодично. Для тестирования задействован небольшой парк автономных тракторов Steiger Quadtrac с сельскохозяйственными машинами Case.

В конце 2018 года компания John Deere представила автономный электрический трактор, разработанный в рамках исследовательского проекта GridCON. Трактор имел полностью электрическую трансмиссию, питание которой осуществлялось непосредственно из электросети через фронтальный удлинитель с барабаном (мощностью 100 киловатт с кабелем на 2,5 километра или 300 киловатт с кабелем на 1 километр).

Важной частью целей проекта была концепция автоматизированной прокладки кабеля. Система была впервые испытана в полевых условиях инженерами Европейского центра инновационных технологий компании John Deere.

Новый автономный трактор, представленный John Deere в 2019 году, имеет мощность 500 кВт (680 л.с.), отличается компактностью и может быть оснащен либо колесами, либо гусеницами. Гибкая балластировка доступна в диапазоне от 5 до 15 тонн в зависимости от вариантов использования, что помогает снизить степень уплотнения почвы. Электропривод позволяет полностью исключить выбросы в атмосферу и обеспечивает чрезвычайно низкий уровень шума.

Особенностью трактора является шарнирно-сочлененная система рулевого управления, работающего в тандеме с агрегатируемой сельскохозяйственной машиной. Несмотря на уникальность такого дизайна, сдерживающим фактором с позиций практичности является необходимость разработки совершенно новой линейки сельскохозяйственной техники для работы с трактором. В целом, такая концепция похожа на направление, предлагаемое канадской компанией Dot Technology Corp.

В настоящее время концептуальная модель трактора проходит испытания и недоступна для коммерческого использования.

Первым роботизированным трактором компании New Holland стал T8 NH Drive, представленный на Farm Progress Show в 2016 году. Разработанная в сотрудничестве с Autional Solutions Incorporated (ASI), модель NH Drive стала полностью автономной и получила возможность управления и контроля через компьютер или планшет.

На экран отображается траектория работы трактора, трансляция с камер в режиме реального времени (две камеры спереди и две сзади), а также ключевые параметры агрегата. 

Трактор New Holland NH Drive в полной мере использует передовую технологию PLM (Precision Land Management) для точного земледелия, в соответствии с которой его маршрут автоматически оптимизируется с учетом размеров и формы поля, любых препятствий и ширины используемого оборудования. Также может быть спланирован маршрут движения к полю.

Благодаря комбинации радаров и камер LiDAR и RGB трактор NH Drive способен обнаруживать возникающие препятствия, после чего отправляется сообщение и оператор принимает решение о дальнейших действиях.

Следующим проектом стал T4.110F, который демонстрирует, что автономное технологическое решение от New Holland может быть реализовано во всей линейке тракторов бренда — от мощных тракторов до специализированной техники. В настоящее время модель проходит тестирование на полях компании Gallo Winery, крупнейшей винодельческой компании в Калифорнии. 

По аналогии с новым Case IH Magnum AFS Connect в 2019 году был представлен T8 Genesis PLM, оснащенный всеми элементами управления, позволяющими ему работать автономно.

Компанией New Holland предусматривается разработка решений для следующих уровней автономности: координируемая (оператор присутствует в кабине), контролируемая (оператор находится в поле), полная (не требующая присутствия специалиста). Возможно, что в будущих моделях автономных тракторов кабина будет полностью удалена.

Модели тракторов с технологиями PLM доступны для коммерческого использования, а стоимость техники зависит от ее мощности и оснащения.

Компания Kubota продемонстрировала свои первые автономные тракторы, разработанные в результате сотрудничества с компанией Topcon и Kansas State University, в 2017 году. Помимо самостоятельного выполнения технологических операций, роботизированные модели серии L или M могут использоваться для совместных работ, когда один или два дистанционно управляемых ведомых трактора следуют за ведущим трактором с оператором. Аналогичная технология была применена в том же году для самоходной рисовой сеялки и рисоуборочного комбайна.

В 2018 году компания достаточно активно реализовывала автономные тракторы в Японии, где закон уже разрешает использование подобных сельскохозяйственных машин и транспортных средств.

Логичным развитием линейки AgriRobo стала разработка новой концептуальной модели робота серии X, представленного в 2020 году на выставке в Киото.

Новый робот предполагает не просто автоматизацию управления, но и использование искусственного интеллекта для контроля погодных условий и динамики роста сельскохозяйственных культур. В дальнейшем он самостоятельно принимает решение о необходимости и целесообразности выполнения операций по обработке почвы, посеву, сбору урожая.

Робот оснащен системой GPS, бортовыми датчиками, камерами, что позволяет ему автономно работать на любых полях.

Робот Kubota X имеет электропривод от комбинации аккумуляторных литий-ионных и солнечных батарей, мощность которого производителем не сообщается, равно как и время работы до подзарядки. 

В качестве движителей выступают четыре независимых гусеничных механизма, обеспечивающие оптимальное сцепление с почвой на различных участках. Каждый из них имеет собственный электродвигатель, что позволяет регулировать скорость вращения каждой гусеницы и минимизировать радиус поворота. Также имеется возможность регулировки дорожного просвета для дополнительной устойчивости или обеспечения работы в высокорослых посевах.

В настоящее время компания Kubota не сообщает о планируемой дате постановки трактора серии X на производство.

В 2016 году российская компания Avrora Robotics продемонстрировала первый вариант системы AgroBot, созданный на технической платформе Владимирского завода тракторных агрегатов. Испытания робота были проведены в полевых условиях с целью отработки системы маневрирования, точности движения, работы с различным оборудованием.

Концепция проекта заключается в использовании существующих платформ тракторов, которые подвергаются определенной доработке.

С них снимается кабина, устанавливается соответствующий комплект программного обеспечения и оборудования для контроля и автономного управления. На начальном этапе все исследования и разработки проводились на тракторах малых тяговых классов, однако сегодня компания может автоматизировать тракторы класса 3-5.

Роботизированный трактор может быть укомплектован различным навесным оборудованием для выполнения таких работ, как посев, обработка почвы, внесение удобрений, опрыскивание и др.

Концепция AgroBot 2.0 предполагает использование нескольких роботов, когда техника работает во взаимодействии друг с другом, постоянно обмениваясь информацией о текущих условиях и объеме выполненных работ. Компьютер AgroBot передает информацию в диспетчерский центр центральному компьютеру, который может контролировать одновременную работу сразу нескольких десятков единиц техники.

Ориентировочная стоимость модели AgroBot класса 1,4 на платформе Беларус 80.1 составляет порядка 45 000 долл. США, класса 2 на платформе Беларус 1221 — 55 000 долл. США, класса 3 на платформе Беларус 2021 — 65 000 долл. США.

Компания ATC разрабатывала автономный роботизированный трактор Spirit с 2013 года. Модель имеет гусеничный ход и приводится в движение посредством дизель-электростанции, что исключает необходимость в трансмиссии и дифференциалах (схема работы аналогична принципу железнодорожного локомотива). Два дизельных двигателя Isuzu мощностью 202 л.с. каждый приводят в действие генераторы, которые обеспечивают питание четырех электродвигателей.

Мощность передается на резиновые гусеницы, имеющие повышенную площадь контакта с грунтом. В дополнение с относительно небольшой массой трактора — 11 300 кг, это позволяет минимизировать уплотнение почвы. Дополнительно 2250 кг массы может быть добавлено путем балластировки рамы трактора водой.

На Spirit установлены лазерная и радионавигационная системы, что позволило улучшить точность позиционирования в сравнении с традиционным GPS. Навигационная система робота использует два лазера, установленных на тракторе, которые отражают сигналы от трех или четырех мобильных транспондеров, установленных по периметру поля. Дополнительно имеются радиостанции на 150 МГц, которые больше необходимы для корректировки движения в случае возникновения проблем с лазерными системами.

Изначально тракторы Spirit предполагалось изготавливать по индивидуальным заказам, однако на текущий момент компания пересмотрела свои планы и в настоящее время сосредоточена на автоматизации самоходных опрыскивателей.