Pesticides Research, 97 – Autonomous Weeder for Christmas Trees – Basic Development and Tests

Autonomous Weeder for Christmas Trees – Basic Development and Tests

Sammenfatning

Robotlugning af juletræer er en realistisk mulighed

Robotlugning af juletræer er nu en realistisk mulighed

Udviklingsarbejde har vist, at det er muligt at udvikle en lille førerløs maskine, der effektivt kan bekæmpe ukrudt i juletræsplantager.

Baggrund og formål

Ukrudtsbekæmpelse i juletræsplantager er essentiel for god vækst og kvalitet. Den udføres oftest ved sprøjtning med herbicider, der kan have uønskede miljømæssige effekter. Nyere mekaniske bekæmpelsesmetoder er udviklet, men disse må udføres med specialmaskiner, som er dyre at anvende, især på grund af det høje arbejdskraftbehov.

Formålet med nærværende projekt har været at udvikle og afprøve en førerløs lugemaskine med henblik på løsning af disse problemer og gøre produktionen af juletræer mere bæredygtig. Udgangspunktet for arbejdet var forsøg, der viste, at det af hensyn til væksten er tilstrækkeligt at bekæmpe ukrudtet i cirkler af 40 cm radius omkring det enkelte træ, svarende til ca. 40 % af det totale areal i kulturer med normal planteafstand. Det ikke bekæmpede ukrudt på den øvrige del af arealet kan måske have både positive og negative virkninger på træerne.

Undersøgelsen

Den autonome maskine er opbygget på en platform fra en selvkørende 4-hjulet græsslåmaskine af en størrelse og udformning, der passer til færdsel mellem juletræer. Modificeringen af maskinen er udført med henblik på at opfylde definerede krav til autonom operation. Den har omfattet udskiftning af den originale centerplacerede klipperotor med en mindre enhed (diameter 320 mm). Denne nye enhed blev monteret på en arm, som kunne svinges ud til siden under træernes grene og således klippe omkring stammerne.

Maskinens betjeningshåndtag til aktivering af kobling/bremser, gear, styretøj, gasspjæld, klipperotorarm og klipperotorkobling blev erstattet med elektriske aktuatorer. Endvidere blev der monteret et antal sensorer, herunder et meget præcist RTK GPS (Real Time Kinematic Global Positioning System). Disse eksterne enheder blev forbundet til en indlejret computer, som sammen med det øvrige elektroniske udstyr er placeret i en beskyttende boks foran på maskinen. Brugeren kan kommunikere med computeren gennem en trådløs LAN-forbindelse. På maskinens sider, er der monteret skærme, som beskytter træerne mod beskadigelser.

I projektet er der udviklet et deterministisk kontrolsystem, hvor styringen af maskinen er baseret på et meget præcist kort over træernes positioner og plantagens afgrænsninger. Ud fra dette kort er der defineret en ruteplan for køretøjet i passende afstand fra rækkerne. Denne ruteplan er anvendt til styring af maskinen, medens træernes positioner kan anvendes til at styre den svingbare klipperotor i forhold til træerne. Plantagegrænserne er anvendt til at sikre, at maskinen kun kan arbejde i den plantage, som aktuelt er repræsenteret ved kortet i computerens hukommelse.

Den svingbare klipperotors positionering i forhold til træerne kan styres passivt og aktivt. Den passive styring fungerer på den måde, at rotorarmen holdes inde i rækken mod et stop af en fjeder. Når rotorenheden, hvis topplade har en lidt større diameter end selve rotoren, under kørslen får kontakt med en stamme, bliver den presset tilbage imod fjederkraften, glider udenom og svinger tilbage til den indstillede position.

Den aktive styring funger på den måde, at kontrolenheden løbende beregner afstanden mellem klipperotoren og det næste træ. Når afstanden kommer under en vis værdi svinges rotoren væk indtil træet er passeret. Denne styringsmetode er beregnet til nyplantede træer, der er mindre modstandsdygtige mod mekaniske påvirkninger.

Styresystemet er udviklet i programmerings- og simuleringsværktøjet Simulink fra MathWorks. Dette værktøj blev først anvendt til at bygge integrerede modeller af både køretøjet og kontrolsystemet. Disse modeller blev derefter benyttet til at simulere funktionen af delsystemer og derefter funktionen af det samlede system indtil den var tilfredsstillende. Da dette var opnået blev modellen af køretøjet populært sagt erstattet af det virkelige køretøj og derefter afprøvet med det udviklede styresystem. Denne afprøvning blev først foretaget i en fysisk model af en juletræsplantage og derefter i en egentlig juletræskultur med forskellige arter og størrelser. Afprøvningen har dog samlet set endnu kun været af begrænset omfang.

Hovedkonklusioner

Udviklingsarbejdet har vist, at det er teknisk muligt at bygge en robot til renholdelse af juletræsplantager og lignende kulturer. Det udviklede kontrolsystem er på jævn overflade i stand til alene på grundlag af information fra GPS-modtageren, at styre maskinen indenfor få cm fra ruteplanen. Men på ujævn overflade er der som ventet behov for korrektion med data fra et hældningsmeter.

Det udviklede klippeorgan, der kan arbejder under træernes grene, klippede i de bedste tilfælde helt ind til træernes stammer uden at forårsage observerbare skader.

Maskinen fungerede således godt, men driftssikkerheden var lang fra acceptabel. Det samme gælder sikkerheden i forhold til omgivelserne, idet der endnu ikke er udviklet nogen egentlig reaktiv adfærd. Arbejdet har imidlertid også vist, at der findes overskuelige løsninger til afhjælpning af disse problemer, og vi ved nu hvordan fuld autonom operation kan opnås.

Konceptet synes lovende for kommercialisering, idet denne type af maskiner også vil kunne anvendes i mange andre rækkekulturer og strukturer, der ligner. Metoden kan således bidrage væsentligt til begrænsning af brugen af herbicider, ligesom maskinen vil være et plus for arbejdsmiljøet.

Et økonomisk overslag indikerer, at maskinen med det nuværende prisniveau på komponenter kan blive konkurrencedygtig med den mekaniske renholdelse, der er forbundet med en omkostning på ca. 3000 kr./ha og år. Overslaget indikerer også, at formodede fremtidige prisreduktioner og forbedrede præstationer af komponenter på sigt vil kunne gøre maskinen konkurrencedygtig med kemisk renholdelse, hvilket har en omkostning på ca. 1500 kr./ ha og år).

Projektresultater

I modelplantagen, hvor overfladen var næsten vandret og jævn fulgte maskinen ruteplanen inden for få cm. Klipperotoren arbejdede helt ind til stammerne, når den blev styret på den passive måde, men mindre nøjagtigt når den aktive metode blev brugt.

I juletræsplantagen, hvor overfladen var mindre jævn, var maskinen ikke så god til at følge ruteplanen. Dette var forventet idet GPS-antennen som følge af ujævnhederne svingede i forhold til maskinens position og derfor ikke målte maskinens position korrekt. Dette gav en slingrende kørsel. Men kvaliteten af klipperotorens arbejde var alligevel fremragende, når den blev styret på den passive måde. Næsten alle ukrudtsplanter omkring træerne blev klippet af uden observerbare skadevirkninger på træerne.

Afprøvningerne viste også, at maskinens pålidelighed og sikkerhed må forbedres betydeligt før den er interessant til praktisk anvendelse. Således forekom der som forventet ret ofte stop som følge af utilstrækkelig kvalitet af GPS-signalet (antagelig som følge af radio skygge fra store træer eller simpelthen fordi der var for få "synlige" satellitter). For at undgå dette problem er det nødvendigt at supplere GPS-systemet med mindst én yderligere sensor. Foreløbige undersøgelser tyder på, at en laser afstandsskanner vil være egnet, idet den formentlig kan detektere rækkernes position og orientering i forhold til maskinen. Endvidere er det nødvendigt at sammensmelte signalet fra denne supplerende sensor med signalet fra GPS-modtageren i et Kalman-filter for at få ekstra nøjagtighed og pålidelighed. Der er også behov for en sensor, der kan detektere større forhindringer foran maskinen. Dette synes også muligt med laser afstandsskanneren. Endelig er der behov for kontaktsensorer, der kan detektere påkørsler.