O movimento por trás dos sistemas de cultivadores robóticos

É necessário um sistema de visão de alta tecnologia, uma tecnologia de aprendizagem automática e os motores certos para produzir este sistema robótico de extirpação das ervas daninhas para o cultivo comercial de vegetais.

A Vision Robotics Corporation (VRC) e as suas subsidiárias desenvolvem sistemas robóticos para uma vasta gama de aplicações, utilizando as tecnologias mais recentes, através da aplicação de IA baseada na visão. Isto inclui sistemas de navegação, localização e mapeamento, assim como máquinas que interagem com objetos do mundo real. A IA envolve várias técnicas de aprendizagem automática, incluindo controlos modernos e de aprendizagem profunda para componentes de movimento, tais como o controlo de braço dinâmico. A abordagem robusta e rentável da empresa face às soluções permite aos seus robôs criar, de forma autónoma, mapas tridimensionais de áreas de interesse desconhecidas, quer se trate de mapear um edifício ou de modelar uma videira. Os mapas e modelos permitem aos robôs realizar uma miríade de tarefas de forma inteligente e precisa, quer seja aspirar um piso ou podar uma videira. 

A experiência e criatividade que equipa da Vision Robotics oferece aos seus clientes torna-os parceiros excelentes no desenvolvimento de sistemas robóticos. Os robôs da próxima geração exigem mobilidade e a capacidade de interagir com o mundo em constante mudança. A tecnologia de apoio e o software da VRC permitem aos robôs explorar, compreender e funcionar autonomamente e de forma fiável em ambientes complexos. A associação da tecnologia da VRC à atual geração de microprocessadores, câmaras de estado sólido, motores de alta tecnologia e outros componentes essenciais de alto desempenho e acessíveis, torna práticos os robôs móveis baseados na visão, com um nível de desempenho elevado e acessíveis.

Desafios de design para cultivadores de culturas

Os cultivadores incluíam, tradicionalmente, lâminas ou outros instrumentos rebocados atrás de um trator, para partir o solo num campo. No passado recente, os cultivadores e outras máquinas de extirpação das ervas daninhas incorporavam um dispositivo de deslocamento lateral secundário para que sua precisão não dependesse da qualidade do controlador ou do plantio — o arado de extirpação das ervas daninhas permanecia relativamente sobre o alvo com a planta, mesmo que o controlador desviasse ligeiramente. Mesmo assim, era necessária uma distância mínima entre o arado e a cultura, para que não fossem causados danos às folhas devido à tolerância a estes grandes sistemas. Além disso, estes cultivadores tradicionais não trabalhavam o solo entre as plantas ao longo da fileira.

Os cultivadores em linha existiram durante alguns anos. A concorrência utilizava um sistema de controlo hidráulico que funcionava de forma simétrica. Estes sistemas exigiam que a largura de operação e a velocidade das lâminas de cultivo — à medida que abriam e fechavam — tivessem um ponto de regulação específico, o qual era determinado previamente. Uma vez que as lâminas nos dois lados da fileira abriam e fechavam de forma simétrica, as plantas podiam ficar danificadas facilmente caso estas ou as condições do campo divergissem em demasia do considerado normal (ver Figuras 1A e 1B).

Figura 1: Os sistemas de controlo hidráulico padrão dos cultivadores que estão atualmente a ser utilizados funcionam a partir de uma velocidade e largura de abertura/fecho predeterminadas, o que significa que podem ocorrer danos nas plantas.

O VRC Crop Cultivator

O design mais recente da VRC tirou partido da utilização de motores elétricos independentes para a operação de cultivo. Isto significava que as lâminas de cada lado da planta podiam efetuar um contorno completamente personalizado, permitindo uma melhor precisão em torno das plantas (ver Figura 2). Esta estratégia de aplicação significava que a equipa da VRC precisava de encontrar motores que tivessem a aceleração e o binário necessários, de forma a suportar este tipo de condições de operação difíceis durante longos períodos de tempo e em todos os ambientes inimagináveis. Além disso, a empresa necessitava da IA e de redes neurais capazes de ativar o sistema. Neste caso, a empresa adicionou a deteção de plantas à categoria da aprendizagem profunda, o que simplificou a criação de um conjunto de treino de imagens, tanto da cultura como das ervas daninhas.

Figura 2: O valor acrescentado da utilização de um sistema acionado por motor elétrico em vez de um sistema hidráulico pode ser observado pela forma como os braços independentes conseguem manobrar melhor em torno da planta.

O VRC Cultivator é um cultivador em linha, que parte o solo à medida que extirpa as ervas daninhas entre fileiras de plantas, quer sejam alfaces, brócolos, couves-flores ou quaisquer outras. O sistema está programado com centenas a milhares de fotografias de plantas saudáveis, plantas mortas e ervas daninhas comuns, de forma a criar o algoritmo perfeito para a operação. O sistema incorpora um sistema de visão para captar imagens de plantas. O sistema de câmara “reconhece” automaticamente diferentes tamanhos e tipos de plantas, e a cobertura do solo sob uma grande variedade de condições de iluminação. As imagens são processadas em tempo real pelos circuitos de aprendizagem profunda de IA. É utilizada a aprendizagem profunda em vez de outras técnicas de aprendizagem automática devido à sua flexibilidade e facilidade de adaptação a condições futuras. O sistema identifica cada planta, assim como o seu local e tamanho precisos, tanto para as culturas como para as ervas daninhas. Os algoritmos resultantes convertem estas entradas em dados de tempo, utilizados para o controlo dinâmico do braço dos atuadores de lâminas operados com precisão (ver Figura 3).

O software é utilizado para calcular as trajetórias de abertura e de fecho necessárias para cada grupo de plantas. O operador determina a distância a atribuir às lâminas em torno das plantas, incluindo o alcance sob a copa. O sistema pode funcionar até 3 mph, mas funciona, por norma, a aprox. 1 mph. O operador determina a velocidade com base nas condições ambiente e nas condições das culturas. Quanto maior for a velocidade, maior é a quantidade e projeção de terra, o que pode danificar ou contaminar a cultura. Por exemplo, a alface cresce de forma folhosa e junto ao solo. Uma velocidade demasiado elevada por resultar na acumulação desnecessária de terra na planta, pelo que o robô de extirpação das ervas daninhas tem de funcionar a uma velocidade lenta, para não levantar muito pó. Por norma, a máquina de extirpação das ervas daninhas para alfaces consegue funcionar a aprox. 1,61 km/h e, mesmo assim, contribuir para um produto limpo e saudável no seu sulco.

Figura 3: Ao incorporar visão avançada, aprendizagem profunda e motores operados individualmente, este cultivador consegue remover ervas daninhas e torrões de terra junto a plantas, sem danificá-las.

Os motores EC-i sem escovas da maxon com enrolamentos em ferro oferecem uma densidade de binário muito elevada e um binário de retenção baixo. O rotor interno multipolos é extremamente dinâmico. O seu design sólido com caixa e flange em aço torna este motor adequado para uma vasta gama de aplicações.

Componentes do sistema de movimento

Como indicado acima, os motores elétricos com operação independente foram incorporados para a operação de extirpação das ervas daninhas, de modo que a lâmina em cada lado da planta pudesse efetuar um contorno completamente personalizado em torno da mesma, o que permitia uma melhor precisão durante a operação. As lâminas conseguiam aproximar-se da planta e efetuar uma remoção mais limpa das ervas daninhas, o que resultava numa vantagem significativa em termos de desempenho em relação a outros sistemas. A estratégia de aplicação da equipa significava que necessitavam de motores que tivessem o binário e a aceleração necessários para suportar este tipo de movimento altamente dinâmico.

Os motores selecionados pela VRC incluíam dois motores EC-i 52, concebidos e fabricados pela maxon. O EC-i 52 é um motor DC sem escovas de 420 W, comutado eletronicamente, com um sensor de Hall incorporado para feedback. Os motores respondem rapidamente e conseguem guiar as lâminas junto a cada planta, sem danificá-la. As principais características que diferenciam os motores EC comutados eletronicamente da maxon incluem o seu excelente desempenho de binário, elevada potência, gama de velocidade extremamente ampla e vida útil incomparável. A notável facilidade de controlo dos motores possibilita a criação de acionamentos de posicionamento de alta precisão.

Figura 4: Observe o local dos dois motores maxon EC-I 52 de elevado binário e dos redutores GP52 dentro da caixa para o cultivador VRC.

Para além dos motores, o sistema de movimento do cultivador VRC incorpora dois redutores GP52, também concebidos e fabricados pela maxon (ver Figura 4). Os redutores são necessários para os binários elevados que são precisos para partir torrões de terra durante o processo de extirpação das ervas daninhas em torno de plantas. Estes componentes cerâmicos oferecem um binário de até 30 Nm, dependendo do modelo utilizado. Cálculos de design necessários para ter em consideração o comprimento do braço robótico, a aceleração da operação e a especificação de binário necessária para operar no solo durante o respetivo funcionamento normal.

Conclusão

A Vision Robotics Corporation aborda cada aplicação com criatividade e experiência. Quando precisou de melhorar as capacidades dos mais recentes cultivadores para explorações agrícolas comerciais, a empresa recorreu à maxon. Os componentes maxon foram ao encontro dos elevados padrões em termos de binário e velocidade, o que permitiu ao cultivador da empresa manter a sua precisão e exatidão durante o funcionamento, assim como suportar os ambientes hostis encontrados no setor da agricultura comercial.