Hoe autonome voertuigen de duurzaamheid en productiviteit in de landbouw zullen verbeteren

Autonome tractoren, drones en robots voor het planten, wieden en oogsten van zaden zijn enkele van de technologieën die in ontwikkeling zijn en die de landbouw zullen transformeren en voedseltekorten zullen helpen verlichten door de duurzaamheid en productiviteit van landbouwactiviteiten te verbeteren. Autonome voertuigen van alle types zullen mensen bevrijden van het besturen van tractoren en andere machines, zodat ze meer activiteiten met toegevoegde waarde kunnen uitvoeren. Deze omvatten de toepassing van precisielandbouw die de opbrengst verhoogt, de negatieve milieueffecten vermindert en de duurzaamheid van landbouwactiviteiten verbetert door problemen in verband met waterschaarste, arbeidstekorten en andere beperkingen aan te pakken.

Terwijl drones en landbouwrobots nieuwe systemen zijn die vanaf nul worden ontwikkeld en ingezet, zijn tractoren anders. Er is reeds een groot aantal tractoren geïnstalleerd, en deze hebben doorgaans een lange levensduur. Als gevolg hiervan zullen niet alleen volledig geautomatiseerde nieuwe ontwerpen worden ontwikkeld, maar zullen ook bestaande tractoren achteraf worden uitgerust met elektrische aandrijvingen en worden opgewaardeerd met digitale systemen voor specifieke doeleinden, de zogenaamde "digitale tractorwerktuigen".

In dit artikel wordt ingegaan op de ontwikkeling van digitale tractorwerktuigen en opkomende elektrische tractoren (e-tractoren). Het bespreekt de uitdagingen bij de invoering van autonome tractoren en bekijkt hoe drones, sensors op tractoren en AI en ML worden gebruikt in precisielandbouw. Het onderzoekt ook enkele van de technologieën die nodig zijn om de ontwikkeling van autonome landbouwvoertuigen te realiseren en hoe het uitgebreide productaanbod van DigiKey , waaronder machine vision, motoren en besturingen, stroomomzetters, sensoren en schakelaars, bedrade en draadloze communicatie-interfaces en een reeks signaal- en stroomkabels en connectoren, ontwerpers kan helpen hun ontwikkelingsprocessen te versnellen. Het artikel sluit af met een korte blik in de toekomst, waar volledig autonome landbouwbedrijven zullen worden bestuurd door geavanceerde besturingssystemen die gemengde vloten kunnen beheren, met zowel autonome als standaard landbouwmachines, om de productiviteit en duurzaamheid te maximaliseren.

Landbouwwerktuigen komen op de ISObus

Net als Industrie 4.0 evolueert de landbouw naar het gebruik van intelligente en onderling verbonden machines. Dat is waar International Standards Organization (ISO) 11783, de seriële datanetwerkbus voor tractoren en machines voor land- en bosbouw, om de hoek komt kijken. In de landbouwsector wordt het gewoon de ISObus genoemd. Het is gebaseerd op het J1939-protocol van de Society of Automotive (SAE), dat de CAN-bus (Control Area Network) omvat en is geoptimaliseerd voor landbouwtoepassingen. De ISObus wordt actief gepromoot door de Agricultural Industry Electronics Foundation, die werkt aan de coördinatie van verbeterde certificeringstests voor de ISO 11783-norm.

Vóór ISObus hadden landbouwers tractoren met eigen besturingssystemen die de flexibiliteit, prestaties en interoperabiliteit beperkten. De ISObus omvat gestandaardiseerde connectoren, communicatieprotocollen en operationele richtsnoeren en maakt de ontwikkeling van onderling verbonden sensor- en besturingssystemen van verschillende fabrikanten mogelijk (Afbeelding 1). ISObus ondersteunt ook de elektrificatie van tractorwerktuigen, met inbegrip van elektrisch aangedreven mechanische aftakassen en hoogspanningsconnectors tot 700 volt (V) en 100 kilowatt (kW) om elektrisch aangedreven werktuigen aan te drijven.

Afbeelding 1: ISObus kan de integratie van sensors en instrumenten van verschillende fabrikanten in een plug-and-play systeem mogelijk maken. (Bron afbeelding: Armin Weigel/dpa (Foto door Armin Weigel/picture alliance via Getty Images)

De ISObus werkt aan de ontwikkeling van een systeem voor het beheer van tractoren (TIM). Zoals gepland zal de geavanceerde versie van de ISObus werktuigen in staat stellen feedback te geven aan de tractor, waardoor de optimalisering van het gecombineerde tractor/werktuigsysteem wordt ondersteund. Het zal ook hogere niveaus van sensorintegratie mogelijk maken op werktuigen die precisielandbouw ondersteunen. De tractor zal zorgen voor locatiekennis en het gecombineerde systeem zal voortdurend gegevens verzamelen over de bodem- en gewasomstandigheden. Met meer gedetailleerde inzichten kunnen zowel de opbrengsten als de duurzaamheid worden verhoogd.

e-tractors, retrofits en autonome tractoren

Naast de verdere ontwikkeling van de ISObus zal de elektrificatie van tractoren belangrijk zijn voor de toekomstige inzet van autonome voertuigen en voor meer duurzaamheid in de landbouw. Emissiereductie is een essentiële overweging. Een kwart van de wereldwijde uitstoot van broeikasgassen is afkomstig van de landbouw en landbouwgerelateerde activiteiten, en één tractor staat qua uitstoot gelijk aan 14 auto's^.1

E-tractoren beginnen te verschijnen. Naast een vermindering van de uitstoot kunnen e-tractoren de brandstofkosten aanzienlijk verlagen. E-tractoren zijn momenteel beperkt tot kleinere modellen, aangezien grote, krachtige e-tractoren accu's vereisen die groter zijn dan de afmetingen van de conventionele tractor die zij zouden vervangen. Grote e-tractoren wegen ook meer, wat leidt tot meer bodemverdichting, wat ongewenst is. Ten slotte zijn de oplaadtijden voor grote batterijpakketten te lang om praktisch te zijn in een landbouwbedrijf. Kleinere e-tractoren met motoren van 25 tot 70 paardenkracht (PK), ongeveer 18,6 tot 52 kW, en kleine batterijpakketten worden al getest. Elektrificatie van tractoren gaat over meer dan alleen de aandrijving. Het gaat ook om het vervangen van hydrauliek voor het aandrijven en bedienen van tractorwerktuigen (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Kleine e-tractoren met motoren van 25 tot 70 pk worden getest en klaargemaakt voor inzet. (Bron afbeelding: Foto door brizmaker via Getty Images)

Voor grotere tractoren zijn hybride retrofit kits beschikbaar. Eén bedrijf biedt bijvoorbeeld een kit met een generator van 250 kW die in plaats van de hydraulische pomp aan de bestaande verbrandingsmotor van de tractor kan worden gekoppeld. De kit bevat ook vier elektromotoren ter vervanging van het hydraulische aandrijfsysteem en een elektrische transmissie om bestaande werktuigen aan te drijven. Door de hydraulische systemen te vervangen verlaagt de retrofit kit de brandstof- en onderhoudskosten en verhoogt het de beschikbaarheid en betrouwbaarheid van de hybride e-tractor.

Net als de invoering van autonome auto's en vrachtwagens, gaat de invoering van autonome tractoren een onzekere toekomst tegemoet. De huidige voorschriften in Californië schrijven bijvoorbeeld voor dat "alle zelfrijdende apparatuur, wanneer deze op eigen kracht rijdt, een bediener aan de bedieningsorganen van het voertuig moet hebben". Volledige autonomie zal moeten wachten.

Vliegend over de velden

Drones worden momenteel gebruikt voor allerlei taken in de landbouw. Voorbeelden zijn:

• Beeldvorming van de gezondheid van planten. Drones hebben grotendeels satellietbeelden vervangen om de gezondheid van gewassen te monitoren. Uitgerust met apparatuur voor de Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) leveren drones gedetailleerde kleurenbeelden die kunnen worden gebruikt om de gezondheid van planten te controleren. Terwijl het opvragen van satellietbeelden tijd kost en een nauwkeurigheid van een meter kan bieden, kunnen drones de beelden millimeternauwkeurigheden geven en een zeer gerichte identificatie van ziekten, plagen of andere problemen in realtime ondersteunen.
• Controle van de veldomstandigheden. Drones monitoren ook de bodemgesteldheid en drainage over hele velden. Dat kan efficiëntere en duurzamere besproeiingsprogramma's mogelijk maken.
• Planten. Automatische dronezaaimachines zijn gebruikelijk in de bosbouw, en het gebruik ervan wordt uitgebreid naar de algemene landbouw. Drones kunnen snel bomen of zaden planten en ontoegankelijke gebieden efficiënter bereiken. Er kunnen bijvoorbeeld 400.000 bomen per dag worden geplant door een team van twee operators die meerdere drones gebruiken.
• Spuittoepassingen. Het gebruik van drones om spuitbehandelingen van meststoffen en pesticiden uit te voeren is een opkomende toepassing waarvan het gebruik per regio verschilt (Afbeelding 3). In Zuid-Korea bijvoorbeeld worden drones gebruikt voor ongeveer 30% van de landbouwbespuitingen. Terwijl het in Canada niet legaal is om drones te gebruiken voor landbouwbesproeiing. In de VS zijn voor het sproeien met drones vergunningen en certificaten vereist, zoals voorgeschreven door de Federal Aviation Administration (FAA) en de landbouw-, bedrijfs- en transportafdelingen van de staten.

Afbeelding 3: Er zijn grote drones ontwikkeld die kunnen worden gebruikt om spuitbehandelingen van meststoffen en pesticiden uit te voeren. (Afbeelding: Foto door baranozdemir via Getty Images)

Precisie produceert meer met minder

Nog voordat autonome tractoren zijn gerealiseerd, zullen drones en de elektrificatie van tractoren en tractorwerktuigen naar verwachting de precisielandbouw ondersteunen en de duurzaamheid vergroten.

Volgens een studie van de Association of [agricultural] equipment manufacturers (AEM) kan het gebruik van precisielandbouw leiden tot een verhoging van de gewasproductie met 4%, een verhoging van de efficiëntie van de bemesting met 7%, een vermindering van het gebruik van herbiciden en pesticiden met 9% en een vermindering van het gebruik van fossiele brandstoffen met ^6%2. Bovendien kan het waterverbruik met 4% worden verminderd met precisie-irrigatie.

Deze cijfers zijn gebaseerd op de huidige technologie. Met de toevoeging van gekoppelde systemen en kunstmatige intelligentie (AI) zullen die verbeteringen naar verwachting worden verveelvoudigd. Het toevoegen van machine learning (ML) voor het onderhoud van apparatuur zorgt voor verdere besparingen en verbeteringen in de duurzaamheid.

Volgens de AEM zal autonome landbouwuitrusting naar verwachting leiden tot een incrementele verbetering van 24% wanneer zowel besparingen op productiemiddelen als opbrengstverbeteringen in aanmerking worden genomen. Een belangrijke factor in die verbetering is de veronderstelling dat autonome machines lichter zullen zijn dan de machines die zij vervangen, wat leidt tot minder verdichting en betere bodemomstandigheden.

AI en ML zullen ook van cruciaal belang zijn voor de ontwikkeling van precisiemachines die voor specifieke taken zijn geoptimaliseerd. Speciale machines kunnen nog kleiner zijn dan tractoren voor algemeen gebruik. Er worden bijvoorbeeld machines voor kleine taken ontwikkeld voor het plukken van gewassen waarbij machinevisie, een delicate aanraking en precieze handigheid vereist zijn.

Onkruidbestrijding is een ander gebied waar taakspecifieke AI en ML-machines naar verwachting een aanzienlijke bijdrage zullen leveren. Onkruidbestrijding is moeilijk, arbeidsintensief en draagt, indien niet efficiënt uitgevoerd, bij tot het gebruik van meer water en de uitputting van voedingsstoffen in de bodem. Gewasrotatie is een gedeeltelijke oplossing, maar kan de noodzaak van herbiciden of handmatige onkruidbestrijding niet wegnemen. Onkruidbeheersrobots die machine vision combineren met AI en ML worden getest. Deze kleine machines minimaliseren ook de bodemverdichting (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Voorbeeld van autonome oogstrobots die machine vision combineren met AI en ML. (Bron afbeelding: Foto door onurdongel via Getty Images)

Farm OS en vloten van autonome apparatuur

De landbouwsector kijkt uit naar een toekomst waarin volledig autonome landbouwbedrijven worden bestuurd door een geavanceerd besturingssysteem (OS) dat in staat is gemengde vloten te beheren, waaronder zowel autonome als standaard landbouwmachines, plus machines op het land en drones, om de productiviteit en duurzaamheid te maximaliseren (Afbeelding 5). Die vloten van landbouwmachines zullen gecoördineerd worden gebruikt om de kapitaaluitgaven te helpen beheersen, de behoefte aan arbeidskrachten te minimaliseren en de big data te leveren die nodig zijn om autonome uitvoering en precisielandbouw mogelijk te maken. Bovendien zal het bedrijfsbesturingssysteem van de toekomst gestandaardiseerd en geoptimaliseerd zijn om een grote verscheidenheid aan apparatuur van talrijke leveranciers te ondersteunen. De goedkeuring van de ISObus is slechts de eerste stap naar een open source en gestandaardiseerde aanpak van de landbouwautomatisering.

Afbeelding 5: Zwermen gecoördineerde autonome landbouwmachines op de grond en in de lucht zullen leiden tot meer duurzaamheid. (Bron afbeelding: Illustratie door Scharfsinn86 via Getty Images)

Bijkomende voordelen die van het voorgestelde OS worden verwacht zijn een lagere CO2-uitstoot, een lager brandstofverbruik en optimalisering van het opladen en het beheer van de batterijen. Big data analytics zal ook een belangrijke rol spelen in de toekomst van de landbouw. Grote hoeveelheden realtimegegevens rechtstreeks van het veld zullen worden gebruikt om voortdurend de AI- en ML-algoritmen te trainen die nodig zijn voor besluitvorming, controle en operationele planning om precisielandbouw te optimaliseren.

Samenvatting

De ontwikkeling van autonome landbouwvoertuigen en duurzame precisielandbouw staat nog in de kinderschoenen. De industrie is de weg ingeslagen met ISObus. De volgende generatie ISObus zal een grotere interoperabiliteit ondersteunen en bijdragen tot complexere en onderling verbonden vloten van landbouwmachines. Het doel is de ontwikkeling van een landbouwbesturingssysteem dat die vloten landbouwmachines kan nemen, ze met behulp van AI- en ML-algoritmen kan combineren met massale real-time sensorgegevens en ze kan inzetten als formaties van gecoördineerde grond- en vliegmachines die hoge niveaus van duurzaamheid en productiviteit produceren.

1. Autonome tractoren met robothersenen komen de boerderij overnemen, Autoweek
2. De milieuvoordelen van precisielandbouw gekwantificeerd, AEM