Quali sono le considerazioni tecniche fondamentali e le sfide che i progettisti di robot agricoli devono comprendere?
I metodi di coltivazione tradizionali sono messi a dura prova da una combinazione di fattori quali la popolazione in crescita, la diminuzione di terreni arabili e la limitatezza delle risorse. Tuttavia, incorporando soluzioni intelligenti che sfruttano tecnologie all’avanguardia come la robotica agricola, è possibile affrontare di petto questi problemi persistenti e garantire una produzione alimentare sostenibile e continuativa. Così come il settore che essa si sforza di sostenere, anche la robotica agricola deve affrontare numerose sfide. Le fattorie possono essere ambienti difficili per l’attrezzatura elettronica sensibile a causa di fattori come la polvere, l’umidità e la pioggia. Inoltre, spesso le risorse economiche e l’elettricità sono limitate. In questo articolo, approfondiremo gli ostacoli associati allo sviluppo dei robot agricoli, delineando le considerazioni tecniche fondamentali e le sfide che i progettisti devono comprendere per garantire il successo.
Considerazioni fondamentali sulla progettazione
A differenza dei robot da costruzione, nei quali si dà la priorità alla longevità, e dei robot per uso medico, che si concentrano sulla precisione, i robot agricoli richiedono un equilibrio unico di entrambe le caratteristiche per maneggiare i prodotti senza danneggiarli. Devono essere anche intelligenti, sicuri nell’affrontare compiti complessi vicino alle persone e agli animali e devono essere progettati per un utilizzo ottimale dell’energia.
Efficienza energetica
L’efficienza energetica è fondamentale per i robot agricoli, che devono funzionare in modo autonomo per lunghi periodi di tempo, spesso potendo contare su batterie o ricariche di carburante limitate. Affinché la robotica agricola come i robot per la raccolta (figura 1) abbia successo, deve soddisfare questi criteri ed essere economicamente sostenibile da gestire, considerando le restrizioni economiche di molte fattorie. Fare della conservazione dell’energia un valore fondamentale è cruciale nella progettazione della robotica agricola. Incorporare funzioni come le modalità sleep, che si attivano in modo intelligente in caso di movimento, o le modalità di funzionamento a basso consumo energetico, che limitano le funzionalità per ridurre i consumi, può aumentare la durata della batteria o ridurre il consumo di carburante. Per garantire la creazione di robot intelligenti, i progettisti devono dare la priorità allo sviluppo di queste strategie oppure all’integrazione di componenti che incorporano già questi metodi.
Longevità
Per realizzare robot adatti all’ambiente difficile delle fattorie, sono necessari componenti e materiali resistenti. I connettori devono essere resistenti all’acqua, con guarnizioni pensate apposta per evitare l’ingresso di umidità. Gli involucri devono essere realizzati in materiali durevoli e resistenti ai raggi UV, in modo da fornire protezione contro gli urti e le condizioni climatiche difficili. Le antenne devono essere progettate in modo da garantire elevata affidabilità e prestazioni di segnale ottimali in condizioni climatiche difficili. Per garantire l’affidabilità, i progettisti possono utilizzare componenti intrinsecamente robusti con elevato grado di protezione IP, oppure optare per componenti standard alloggiati in involucri protettivi per garantire la longevità. Le schede PCB, ad esempio, possono essere dotate di rivestimenti conformali per proteggere i componenti dall’umidità e dalla polvere. Inoltre, è possibile aggiungere dissipatori di calore per dissipare l’eccesso di calore generato dai componenti elettronici o da condizioni ambientali come il sole, ed è possibile progettare involucri in modo da schermare i componenti dal calore e dall’ingresso dell’acqua. Se progettati con una costruzione robusta, i robot agricoli possono raggiungere l’affidabilità e la longevità necessarie per le applicazioni outdoor.
Elaborazione in tempo reale e intelligenza di bordo
Affidarsi all’intelligenza o all’elaborazione basata sul cloud nella robotica agricola può essere problematico per via delle potenziali perdite di comunicazione. La copertura cellulare limitata nelle aree di coltivazione estensiva rappresenta una sfida, e la spesa per l’installazione di una rete locale wi-fi e dei servizi cloud è considerevole. Inoltre, la comunicazione basata su cloud prosciuga la durata della batteria dei robot a bassa potenza come i raccoglitori di prodotti (figura 2) e i diserbanti. L’intelligenza artificiale periferica o l’elaborazione ad apprendimento automatico (ML), in cui i dati vengono analizzati direttamente nel dispositivo piuttosto che nel cloud, risolvono efficacemente questi problemi. Mantenendo l’intelligenza a bordo, i robot agricoli possono realizzare analisi in tempo reale e prendere decisioni immediate senza dipendere dalla rete esterna. Questo approccio riduce il consumo energetico e la dipendenza dalle reti di comunicazione. L’elaborazione periferica aumenta significativamente l’efficienza e la sicurezza in compiti come il rilevamento di ostacoli, la semina di precisione e il monitoraggio in tempo reale della salute delle colture, funzionando con un ritardo minimo rispetto alle operazioni basate su cloud.
La scelta dei sensori corretti
L’integrazione dei sensori è vitale per la robotica agricola. Sensori come i lidar, telecamere e rilevatori di umidità del suolo aumentano l’efficienza e le prestazioni ma hanno un costo: i progettisti devono scegliere tecnologie che bilancino le restrizioni economiche, energetiche e di packaging per garantire che il loro progetto soddisfi le aspettative del mercato.
Creare un robot agricolo affidabile e ad alte prestazioni
Il successo di un qualsiasi robot agricolo dipende largamente dalle prestazioni dei componenti sottostanti. Tecnologie a basso consumo: Le modalità sleep o a basso consumo nei componenti come i sensori, l’elettronica di controllo e i moduli di comunicazione possono aiutare a ottimizzare la durata della batteria di un robot o il consumo di carburante. I sensori d’immagine, come il modello onsemi AR0830 Hyperlux LP, sono un elemento fondamentale dei robot agricoli. L’AR0830 è progettato appositamente per offrire prestazioni eccellenti con un consumo minimo di energia. Con una velocità di trasmissione di 60 fps, è ideale per applicazioni di visione artificiale per l’agricoltura come l’identificazione della frutta matura o l’individuazione di parassiti e infestanti. Oltre al funzionamento a bassa potenza, include anche funzioni come il wake-onmotion e modalità di sottocampionamento che riducono ulteriormente la larghezza di banda necessaria per la trasmissione dei dati, aumentando l’efficienza. Queste modalità ottimizzano le prestazioni per varie applicazioni agricole bilanciando la risoluzione, la sensibilità, la velocità di trasmissione e il consumo di energia. Il ruolo dell’elettronica di controllo è cruciale nella progettazione della potenza dei robot agricoli, in quanto supervisiona le operazioni essenziali e guida la funzionalità e l’efficienza energetica dei robot. La serie STM32U5 di unità a microcontrollore a bassissima potenza (MCU) di STMicroelectronics, basata sulla piattaforma Arm Cortex-M33, è ideale per i sottosistemi robotici agricoli come le interfacce uomo-macchina (HMI) e il controllo dei sensori. La serie STM32U5 supporta temperature ambiente fino a 125 °C e integra funzionalità fondamentali come le funzioni di sicurezza dell’hardware, le periferiche di comunicazione e la memoria flash. La sua modalità autonoma in background a basso consumo (Lpbam) permette alle periferiche di rimanere attive mentre il dispositivo è in modalità di arresto, conservando energia in modo significativo. Il maggior livello di funzionalità integrate e modalità di potenza intelligenti rende possibili operazioni più efficienti rispetto alle soluzioni tradizionali. Componenti robusti: I robot agricoli si affidano alla loro abilità di resistere alle difficili condizioni delle fattorie e richiedono componenti robusti. Soluzioni come la serie di antenne outdoor IPW di TE Connectivity/Linx Technologies offrono un intervallo di frequenza da 617 MHz a 7,1 GHz, adatto per la comunicazione cellulare, wi-fi e Lpwa/ISM. Le antenne forniscono un guadagno fino a 8,7 dBi e un grado di protezione IP67, che garantiscono una connessione potente nelle vaste aree rurali, oltre a una protezione su lungo termine contro l’ingresso di polvere e acqua. Nella robotica agricola, queste antenne possono essere combinate con moduli di comunicazione LoRaWAN come le soluzioni Microchip Technology LoRa. Rispetto agli altri protocolli wireless, queste soluzioni LoRaWAN offrono connettività a bassa potenza utilizzando bande di frequenza radio a lungo raggio, inferiori al gigahertz, che permettono la comunicazione su distanze che superano i 15 chilometri in aree rurali e suburbane. L’affidabilità dei connettori è fondamentale nella robotica agricola, in quanto essi fungono da punti potenziali per l’ingresso di acqua e sporcizia. Scegliere i connettori giusti per il cablaggio interno, la comunicazione esterna e le porte di ricarica è cruciale per prevenire guasti sul campo. La serie M di Lemo è rinomata per la sua longevità nella robotica industriale e nel settore automotive, ed è adatta per l’utilizzo agricolo. Questi connettori presentano da 2 a 114 contatti, un’eccellente resistenza alle vibrazioni e un grado di protezione dall’acqua IP68, capace di resistere a 15 ore di immersione a 2 metri di profondità. Combinare l’apprendimento automatico con l’elaborazione periferica: La precisione e l’elaborazione rapide e affidabili sono vitali nella robotica agricola. Integrare soluzioni AI o ML avanzate è diventato essenziale per aumentare la funzionalità, ottimizzare le prestazioni, garantire l’adattabilità a differenti compiti e ambienti. Edge Impulse è una piattaforma versatile progettata su misura per lo sviluppo e l’impiego di soluzioni AI periferiche, ideale per i robot agricoli. Riduce al minimo la dipendenza dalla comunicazione costante con il cloud, conserva la durata della batteria e permette di prendere decisioni in tempo reale in ambienti difficili dal punto di vista della connettività e della sicurezza. Come piattaforma hardware-agnostica, Edge Impulse permette di utilizzare una gamma quasi infinita di hardware. La piattaforma supporta anche il toolkit Nvidia Train Adapt Optimize (TAO). Nvidia TAO semplifica la creazione di modelli AI personalizzati attraverso l’apprendimento per trasferimento, consentendo agli sviluppatori di perfezionare i modelli pre-addestrati per compiti specifici con un inserimento minimo di dati. È ideale per le applicazioni agricole, dove i modelli AI possono essere progettati su misura per compiti come la raccolta della frutta, il monitoraggio del suolo o l’individuazione di parassiti e può aiutare a costruire soluzioni più potenti ed efficienti.
Riepilogo
Se da una parte i robot agricoli condividono molte funzionalità e aspetti con i loro equivalenti industriali, la scelta dei componenti è fondamentale per garantire che siano all’altezza degli ambienti agricoli. L’integrazione di tecnologie robuste, efficienti e innovative può aiutare a creare prodotti che aumentano l’efficienza della produzione, assicurano la sostenibilità e mitigano le sfide agricole, in ultima istanza garantendo il futuro della produzione alimentare in un mondo con risorse limitate.
Mouser Electronics – www.mouser.it