Questo articolo analizza lo sviluppo degli attrezzi digitali per trattori e i trattori elettrici emergenti, esamina le sfide legate alla messa in campo di trattori autonomi e le modalità di utilizzo dei droni, dei sensori sui trattori, di AI e ML nell’agricoltura di precisione
Trattori autonomi, droni e robot per la semina, il diserbo e il raccolto sono alcune delle tecnologie in fase di sviluppo che trasformeranno l’agricoltura e contribuiranno ad alleviare la carenza di cibo, migliorando la sostenibilità e la produttività delle attività agricole. I veicoli autonomi di ogni genere daranno alle persone il tempo di svolgere attività a maggior valore aggiunto piuttosto che dedicarsi alla guida di trattori e macchinari. Tra questi, l’implementazione dell’agricoltura di precisione, che aumenterà la resa, ridurrà l’impatto ambientale negativo e migliorerà la sostenibilità delle attività agricole affrontando i problemi legati alla scarsità d’acqua, alla mancanza di manodopera e altre limitazioni. Mentre i droni e i robot agricoli sono nuovi sistemi sviluppati e implementati da zero, i trattori sono diversi. Esiste già un’ampia gamma di trattori in campo, e tutti tendono ad avere una lunga vita operativa. Di conseguenza, oltre allo sviluppo di nuovi modelli completamente automatizzati, i trattori esistenti saranno dotati di azionamenti elettrici e aggiornati con sistemi digitali destinati a scopi specifici, i cosiddetti ‘attrezzi digitali per trattori’.
Gli attrezzi agricoli salgono sull’ISObus
Come l’Impresa 4.0, anche l’agricoltura si sta muovendo verso l’utilizzo di macchine intelligenti e interconnesse. È qui che entra in gioco l’International Standards Organization (ISO) 11783, il bus di rete dati seriale per trattori e macchine agricole e forestali. Nel settore agricolo, viene semplicemente chiamato ISObus. Si basa sul protocollo J1939 della Society of Automotive (SAE), che comprende il bus CAN (Controller Area Network) ottimizzato per le applicazioni agricole. ISObus è promosso attivamente dalla Agricultural Industry Electronics Foundation, che lavora per coordinare i test di certificazione avanzati per lo standard ISO 11783. Prima di ISObus, gli agricoltori disponevano di trattori con sistemi di controllo proprietari che limitavano la flessibilità, le prestazioni e l’interoperabilità. ISObus comprende connettori standardizzati, protocolli di comunicazione e linee guida operative e consente lo sviluppo di sistemi di sensori e controllo interconnessi di diversi produttori (figura 1). ISObus supporta anche l’elettrificazione degli attrezzi dei trattori, comprese le prese di forza meccaniche (PTO) ad azionamento elettrico e i connettori ad alta tensione fino a 700 V e 100 kW per alimentare gli attrezzi ad azionamento elettrico. ISObus si sta evolvendo per sviluppare un sistema di gestione degli attrezzi per trattori (TIM). Come previsto, la versione avanzata di ISObus consentirà agli attrezzi di fornire feedback al trattore, favorendo l’ottimizzazione del sistema combinato trattore/attrezzo. Inoltre, consentirà di integrare più sensori negli attrezzi per l’agricoltura di precisione. Il trattore fornirà la cosiddetta ‘location awareness’ e il sistema combinato raccoglierà continuamente dati sulle condizioni del suolo e delle colture. Grazie a informazioni più dettagliate, è possibile aumentare la resa e la sostenibilità.
Trattori elettrici, riqualificati e trattori autonomi
Oltre allo sviluppo continuo di ISObus, l’elettrificazione dei trattori sarà importante per la futura diffusione di veicoli autonomi e per una maggiore sostenibilità dell’agricoltura. La riduzione delle emissioni è una considerazione essenziale: un quarto delle emissioni mondiali di gas serra proviene dall’agricoltura e dalle attività correlate, basti pensare che un trattore emette gas per un equivalente di 14 automobili. Ecco, quindi, all’orizzonte i trattori elettrici che, oltre a ridurre le emissioni, possono ridurre significativamente i costi di carburante. I trattori elettrici sono attualmente limitati a modelli piccoli, poiché quelli di grandi dimensioni e ad alta potenza richiedono batterie di dimensioni superiori a quelle del trattore convenzionale che andrebbero a sostituire: i trattori elettrici di grandi dimensioni pesano molto di più compattando maggiormente il terreno e i tempi di ricarica delle batterie di grandi dimensioni sono troppo lunghi per essere pratici per un’azienda agricola. Si stanno già testando trattori elettrici più piccoli con motori da 25 a 70 CV, da 18,6 a 52 kW circa, con batterie compatte. L’elettrificazione dei trattori non riguarda solo la trasmissione. Si tratta anche di sostituire i componenti idraulici per l’alimentazione e il controllo degli attrezzi del trattore (figura 2). Per i trattori più grandi sono disponibili kit di riqualificazione ibridi, ad esempio, con un generatore da 250 kW che può essere collegato al motore a combustione interna esistente del trattore al posto della pompa idraulica. Un kit che comprende anche quattro motori elettrici per sostituire il sistema di trasmissione idraulico e una trasmissione elettrica per alimentare gli attrezzi esistenti. Sostituendo i sistemi idraulici, il kit di riqualificazione riduce i costi di carburante e manutenzione e aumenta la disponibilità e l’affidabilità del trattore elettrico ibrido. Come l’introduzione di automobili e camion autonomi, anche la diffusione di trattori autonomi si trova di fronte a un futuro incerto. Ad esempio, le normative vigenti in California prevedono che ‘tutte le attrezzature semoventi, quando sono in movimento azionato per forza propria, devono avere un operatore al comando del veicolo’: la piena autonomia dovrà aspettare.
Sorvolare i campi
I droni sono attualmente utilizzati per un’ampia gamma di attività in campo agricolo. Gli esempi includono:
• Acquisizione di immagini sulla salute delle piante. I droni hanno ampiamente sostituito le immagini satellitari per monitorare la salute delle colture. Dotati di apparecchiature di acquisizione immagini Ndvi (indice di vegetazione differenziale normalizzato), i droni forniscono immagini a colori dettagliate che possono essere utilizzate per monitorare la salute delle piante. Mentre le immagini satellitari richiedono tempo per l’analisi e possono fornire una precisione di un metro, i droni possono fornire immagini in tempo reale con una precisione millimetrica e supportare l’identificazione altamente mirata di malattie, parassiti o altri problemi.
• Monitoraggio delle condizioni dei campi. I droni monitorano anche le condizioni del suolo e del drenaggio di interi campi. Questo può consentire di mettere a punto programmi di irrigazione più efficienti e sostenibili.
• Piantumazione. Le seminatrici automatizzate con droni sono comuni nel settore forestale e il loro uso si sta estendendo all’agricoltura in generale. I droni possono piantare rapidamente alberi o semi e raggiungere aree inaccessibili in modo più efficiente. Ad esempio, un team di due operatori può piantare 400.000 alberi al giorno utilizzando più droni.
• Applicazioni a spruzzo. L’uso di droni per trattamenti spray di fertilizzanti e pesticidi è un’applicazione emergente il cui utilizzo varia a seconda della regione (figura 3). In Corea del Sud, ad esempio, i droni sono utilizzati per il 30% circa delle irrorazioni agricole. In Canada invece è illegale utilizzare i droni per l’irrorazione agricola. Negli Stati Uniti, l’irrorazione con droni richiede licenze e certificazioni, come richiesto dalla Federal Aviation Administration (FAA) e dai ministeri statali di agricoltura, economia e trasporti.
La precisione produce di più con meno
Ancor prima che i trattori autonomi siano una realtà, si prevede che i droni e l’elettrificazione dei trattori e degli attrezzi da lavoro supporteranno l’agricoltura di precisione e aumenteranno la sostenibilità. Secondo uno studio dell’Association of (agricultural) Equipment Manufacturers (AEM), l’uso dell’agricoltura di precisione può portare a un aumento del 4% della produzione di colture, a un aumento del 7% dell’efficienza di posizionamento dei fertilizzanti, a una riduzione del 9% dell’uso di erbicidi e pesticidi e a una riduzione del 6% dell’uso di combustibili fossili. Inoltre, il consumo di acqua può essere ridotto del 4% con l’irrigazione di precisione. Questi numeri si basano sulla tecnologia attuale. Con l’aggiunta dei sistemi connessi e dell’intelligenza artificiale (IA), si prevede che questi miglioramenti saranno ancora maggiori. L’aggiunta dell’apprendimento automatico (ML) per la manutenzione delle apparecchiature realizza ulteriori risparmi e miglioramenti della sostenibilità. Secondo l’AEM, le attrezzature agricole autonome dovrebbero portare a un miglioramento incrementale del 24% se si considerano i risparmi sui fattori produttivi e gli aumenti in termini di resa. Un fattore significativo di questo miglioramento è l’ipotesi che le macchine autonome siano più leggere di quelle che sostituiscono, con conseguente riduzione della compattazione e miglioramento delle condizioni del suolo. AI e ML saranno fondamentali anche per sviluppare macchine di precisione ottimizzate per attività specifiche. Queste macchine possono essere ancora più piccole dei trattori generici. Ad esempio, sono in fase di sviluppo macchine di piccole dimensioni per la raccolta di colture che richiedono la visione artificiale, una manipolazione delicata e una destrezza precisa. Il controllo delle erbe infestanti è un’altra area in cui si prevede un contributo significativo da parte delle macchine che integrano AI e ML. Il controllo delle erbe infestanti è difficile, richiede molta manodopera e, se non efficiente, aumenta l’utilizzo dell’acqua e impoverisce di nutrienti il suolo. La rotazione delle colture è una soluzione parziale, ma non può eliminare la necessità di utilizzare erbicidi o il controllo manuale delle erbe infestanti. Si stanno testando robot per la gestione delle erbe infestanti, che combinano la visione artificiale con AI e ML e che, se di piccole dimensioni, riducono al minimo la compattazione del terreno (figura 4).
Sistemi operativi agricoli e flotte di attrezzature autonome
Il settore agricolo guarda a un futuro in cui le aziende agricole completamente autonome saranno controllate da un sofisticato sistema operativo (OS) in grado di gestire flotte miste, comprendenti attrezzature agricole autonome e standard, oltre a macchine terrestri e droni, per massimizzare la produttività e la sostenibilità (figura 5). Queste flotte di attrezzature agricole saranno gestite in modo coordinato per aiutare a controllare le spese, ridurre al minimo il fabbisogno di manodopera e fornire i Big Data necessari per l’esecuzione autonoma e l’agricoltura di precisione. Inoltre, il sistema operativo delle aziende agricole del futuro sarà standardizzato e ottimizzato per supportare una vasta gamma di attrezzature di numerosi fornitori. L’adozione di ISObus è solo il primo passo verso un approccio open-source e standardizzato all’automazione delle aziende agricole. Ulteriori vantaggi previsti dal sistema di gestione aziendale proposto sono la riduzione delle emissioni di CO2, il minor consumo di carburante e l’ottimizzazione della carica e della gestione delle batterie. Anche l’analisi dei big data avrà un ruolo importante nel futuro dell’agricoltura. Grandi quantità di dati in tempo reale provenienti direttamente dal campo saranno utilizzati per addestrare continuamente gli algoritmi di IA e ML necessari per il processo decisionale, il controllo e la pianificazione operativa finalizzati a ottimizzare l’agricoltura di precisione.
Conclusione
Lo sviluppo di veicoli agricoli autonomi e di un’agricoltura di precisione sostenibile ancora agli albori. Il settore ha iniziato a percorrere questa strada con ISObus, ma la prossima generazione di ISObus supporterà una maggiore interoperabilità e contribuirà alla creazione di flotte di macchine agricole più complesse e interconnesse. L’obiettivo è lo sviluppo di un sistema operativo per le aziende agricole in grado di prendere queste flotte di attrezzature agricole, combinarle con i dati massicci di sensori in tempo reale utilizzando algoritmi di AI e ML e distribuirle come formazioni di macchine terrestri e aeree coordinate che producono alti livelli di sostenibilità e produttività.
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