Il movimento dietro i sistemi per coltivatori robotizzati

Per creare questo sistema robotizzato di sarchiatura per la coltivazione commerciale di vegetali sono necessari un sistema di visione high-tech, la tecnologia di machine learning e i motori giusti.

La Vision Robotics Corporation (VRC) e le sue filiali sviluppano sistemi robotizzati per una vasta gamma di applicazioni usando le ultime tecnologie che implementano l'AI basata sulla visione. Questa comprende sistemi di mappatura, localizzazione e navigazione oltre a macchine che interagiscono con gli oggetti del mondo reale. L'AI coinvolge diverse tecniche di machine learning tra cui deep learning e comandi moderni per i componenti responsabili del movimento come il controllo dinamico dei bracci. L'approccio solido ed efficiente in termini di costi dell'azienda permette ai loro robot di creare autonomamente mappe tridimensionali di aree di interesse sconosciute, che si tratti della mappatura di un edificio o della modellazione di una vigna. Le mappe e i modelli consentono ai robot di eseguire una miriade di mansioni in modo intelligente e preciso, come ad esempio aspirare un pavimento o potare una vigna.

L'esperienza e la creatività apportata dal team di Vision Robotics ai clienti li rende dei partner eccellenti nello sviluppo di sistemi robotizzati. I robot di prossima generazione richiedono mobilità e capacità di interagire con un mondo in continuo cambiamento. Il software di VRC e la tecnologia di supporto permettono ai robot di esplorare, comprendere e lavorare in modo autonomo e affidabile in ambienti complessi. Abbinando la tecnologia di VRC all'attuale generazione di microprocessori ad alte prestazioni e basso costo, telecamere a stato solido, motori high-tech e altri componenti essenziali è possibile creare robot portatili sostenibili, ad alte prestazioni e basati sulla vision.

Le sfide della progettazione dei coltivatori

I coltivatori solitamente sono composti da lame o altri attrezzi trainati dietro un trattore per rompere il terreno di un campo. Nel recente passato, i coltivatori e le altre macchine per sarchiatura comprendevano un sistema di spostamento laterale secondario in modo che la precisione non fosse legata alle capacità conducente o alla semina: l'erpice rimaneva relativamente centrato sulla coltura anche se il trattore deviava leggermente. Ciononostante, era comunque presente un gioco minimo tra erpice e coltura in modo da non causare danni alle foglie a causa della tolleranza tra questi sistemi di grandi dimensioni. Inoltre i coltivatori classici non lavoravano il terreno tra le piante lungo il filare.

I coltivatori in linea esistono da anni. I concorrenti utilizzano un sistema di controllo idraulico per il funzionamento simmetrico. Per l'uso di questi sistemi è necessario che la larghezza di funzionamento e la velocità delle lame del coltivatore durante l'apertura e la chiusura abbiano un punto di impostazione specifico precedentemente definito. Poiché le lame sui due lati della fila si aprivano e chiudevano in modo simmetrico, le piante venivano facilmente danneggiate se le piante o le condizioni del campo erano molto diverse dal solito (vedere le figure 1A e 1B).

Fig. 1: I sistemi di controllo idraulico dei coltivatori attualmente in uso funzionano con velocità e larghezza di apertura/chiusura determinate e possono danneggiare le piante.

Il coltivatore VRC

L'ultima progettazione di VRC si è avvantaggiata dell'uso di motori elettrici indipendenti per l'operazione di coltivazione. Le lame su ogni lato della pianta potevano percorrere un contorno completamente personalizzato consentendo una migliore precisione attorno alle piante (vedere la figura 2). Questa strategia applicativa ha fatto sì che il team VRC ha dovuto trovare motori che avessero la coppia e l'accelerazione necessarie per gestire condizioni operative così difficili per lunghi periodi di tempo in ogni ambiente possibile. Inoltre l'azienda necessita dell'AI e di reti neurali capaci di attivare il sistema. In questo caso l'azienda ha accorpato il rilevamento nelle piante nel bucket di deep learning semplificando la creazione di un set di immagini per l'apprendimento della coltura e delle erbacce.

Fig. 2: Il valore aggiunto dell'uso di un motore elettrico azionato elettricamente invece di un sistema idraulico è evidente nel modo in cui i bracci indipendenti riescono a muoversi meglio attorno alla coltura.

Il coltivatore VRC è un modello in linea che arieggia il suolo mentre diserba tra le file di lattuga, broccoli, cavolfiori o qualsiasi altra pianta. Il sistema è impostato su 100 - 1000 fotografie di piante sane, piante morte ed erbacce comuni per creare l'algoritmo perfetto per il funzionamento e comprende un sistema di visione per acquisire le immagini delle piante. Il sistema di telecamere “riconosce” le diverse dimensioni delle piante, tipi e copertura del suolo con un'ampia gamma di condizioni di illuminazione. Le immagini vengono elaborate in tempo reale dal circuito di deep learning dell'AI. Il deep learning viene utilizzato invece di altre tecniche di machine learning per la sua flessibilità e la facilità di adattamento alle condizioni future. Il sistema identifica ogni pianta con le dimensioni e posizione precise di colture ed erbacce. Gli algoritmi risultanti convertono questi input in dati di sincronizzazione utilizzati per il controllo dinamico dei bracci di precisione per gli attuatori delle lame (vedere la figura 3).

Il software viene utilizzato per calcolare le traiettorie di apertura e chiusura necessarie per ogni gruppo di piante. L'operatore determina quanto gioco devono avere le lame attorno alle piante compreso lo spazio sotto la copertura. Il sistema può operare fino a 3 mph ma solitamente funziona a circa 1 mph. L'operatore sceglie la velocità in base alle condizioni ambientali e della coltura. Maggiore è la velocità, maggiore è la sporcizia lanciata che può danneggiare o contaminare la coltura. Ad esempio, la lattuga ha molte foglie e cresce vicino al terreno. Una velocità eccessiva può causare l'accumulo superfluo di sporco sulla pianta, quindi un robot per la sarchiatura della lattuga deve operare abbastanza lentamente e non sollevare molta polvere. In genere una macchina per la sarchiatura della lattuga può lavorare a circa un miglio all'ora e avere comunque prodotti sani e puliti.

Fig. 3: incorporando visione avanzata, deep learning e motori azionati singolarmente, questo coltivatore è in grado di rimuovere erbacce e sporco vicino alle piante senza danneggiarle.

I motori EC-i brushless di maxon con avvolgimenti in ferro offrono una densità di coppia molto elevata e una ridotta coppia di cogging. Il rotore interno multipolo è estremamente dinamico. Il robusto design con flangia e alloggiamento in acciaio rendono il motore adatto a un'ampia gamma di applicazioni.

Componenti dei sistemi di movimento

Come indicato sopra, i motori elettrici ad azionamento indipendente sono stati incorporati per l'operazione di sarchiatura in modo che la lama su ogni lato della coltura possa percorrere un contorno personalizzato completo consentendo così una migliore precisione durante il funzionamento. Le lame dei coltelli si avvicinano maggiormente alla pianta e forniscono una rimozione più ordinata delle erbacce per un significativo vantaggio prestazionale rispetto ad altri sistemi. La strategia applicativa del team richiedeva motori con coppia e accelerazione necessarie per gestire questo movimento altamente dinamico.

I motori scelti dal team VRC comprendevano due motori EC-i 52 progettati e prodotti da maxon. L'EC-i 52 è un motore DC brushless con commutazione elettronica da 420 watt con un sensore di Hall integrato per il feedback. I motori reagiscono rapidamente e sono in grado di guidare la lama del coltello vicino a ogni pianta senza danneggiarla. Le funzioni chiave che contraddistinguono i motori EC a commutazione elettronica di maxon comprendono le eccellenti prestazioni di coppia, l'elevata potenza, la gamma di velocità estremamente ampia e la vita utile senza rivali. L'eccezionale controllabilità di questi motori consente la realizzazione di azionamenti di posizionamento di alta precisione.

Fig. 4: posizione dei due motori EC-I 52 maxon a coppia elevata e dei riduttori GP52 all'interno dell'involucro del coltivatore VRC.

Oltre ai motori, il sistema di movimento del coltivatore VRC comprende due riduttori GP52, anch'essi progettati e prodotti da maxon (vedere la figura 4). I riduttori sono indispensabili per le coppie elevate che sono necessarie per rompere le zolle di sporco durante la sarchiatura delle piante. Questi componenti in ceramica offrono fino a 30 Nm di coppia in base al modello su cui sono utilizzati. I calcoli di progettazione sono necessari per determinare la lunghezza del braccio robotico, la velocità di funzionamento e le specifiche di coppia per l'uso nel terreno durante il normale funzionamento.

Conclusioni

Vision Robotics Corporation affronta ogni applicazione con creatività ed esperienza. Quando hanno dovuto migliorare le funzionalità degli ultimi coltivatori professionali, si sono rivolti a maxon. I componenti maxon sono riusciti a soddisfare gli standard elevati di coppia e velocità che hanno permesso al coltivatore dell'azienda di mantenere precisione e accuratezza durante il funzionamento e resistere agli ambienti difficili presenti nelle attività di agricoltura professionale.