Tarım Robotları ve Faydaları

Tarımsal alanlarda yapılması gereken görevler için farklı robot türleri geliştirilmiştir. Bunlar arasında hava robotları, yer robotlarını, geleneksel kara veya hava araçları olmayan bazı özel robotlar ve çoklu robotlu sistemler bulunmaktadır. Bu yazıda bu robotlar ve yararları hakkında bilgiler bulunmaktadır.

Tarım Hava Robotları

Uluslararası İnsansız Araç Sistemleri Derneği (AUVSI) 2013 yılında, insansız hava araçlarının (İHA’lar) sivil kullanımının ABD ekonomisi üzerindeki gelecekteki etkisini vurgulayan ekonomik bir rapor yayınlanmıştır. Bu belge, birden çok alanda iki pazarı vurgulamaktadır: kamu güvenliği ve hassas tarımdır. Açık ara farkla bu son pazarın, ekonomi ve istihdam açısından önümüzdeki on yılda en büyük pazar olacağı sonucuna varmaktadır.
Son on yıllarda, tarımsal işletmelerden veri toplama, esas olarak insanlı hava araçları, uydular veya kat seviyesinde doğrudan uzmanlaşmış uzmanlar tarafından gerçekleştirilmiştir. Bu yöntemlerin kullanılabilirliği, bulutların varlığı, uzun veri teslim süreleri, özel izin ihtiyacı ve bazı ürünlerin ödülleri gibi bazı sınırlamalara sahiptir. Bunun aksine, İHA’lar verimli bir şekilde konuşlandırılabilir, birden fazla sensör türünü taşıyabilir, çok kısıtlayıcı izinler gerektirmez ve uygun maliyetli bir alternatif haline gelir. Bu avantajlar, dikey kalkış ve iniş (VTOL) araçlarının ve daha spesifik olarak dört tekerlekli araçların yükselişiyle güçlendirilmiştir.
İHA’ların hassas tarımdaki ilk uygulamalarından biri, tarımsal işletmelerdeki su stresini ölçmek için kullanılmasıydı. Günümüzde İHA’lar, termal ve hiperspektral kameraların yanı sıra floresan sensörlerle donatılmıştır. Araştırmacılar yazarların narenciye bahçesinde bir su stresi gradyanı oluşturmak için kontrollü bir sulama açığı ürettiklerini izlemişlerdir. Sabit kanatlı insansız bir uçağa bindirilen mikro-termal ve hiperspektral kameralarla elde edilen verileri yapraklardaki ölçümlerle karşılaştırdılar ve su stresini ölçmek için hava yöntemlerini doğruladılar. Bu vebenzer nitelikteki çalışmalarda sulamayı iyileştirmek için havadan termal görüntülerin fizibilitesini ve faydalarını tespir edilmiştir.
Hassas tarımda hava araçlarının bir başka kullanımı da, verimi tahmin etmek, fungisit ve gübre miktarını doğru şekilde hesaplamak ve patojeni tespit etmek için mahsullerin izlenmesidir. İki farklı nitrojen muamelesi altında bir arpa sömürülmesinin biyokütlesini tahmin etmek için bir RGB kamera kullanıldı. Sonuçlar, bitkinin yüksekliğine bağlı olarak beş farklı ekin yüzey modeliyle çapraz doğrulanmıştır. RGB görüntüleri aracılığıyla bir buğday sömürüsünün biyokütlesini tahmin etmek için kümeleme teknikleri uygulanmıştır. Yöntem, bitkinin yüksekliği doğrudan zeminde ölçülerek geliştirildi. Bu çalışmalar, bu aracın uygulanabilirliğini, uygulanabilirliğini ve hassasiyetini göstermektedir.
İzleme için bir başka ilginç parametre, yaprak yüzeyinin birim zemin alanına oranı olarak tanımlanan yaprak alanı indeksidir. Hiperspektral bir kamera kullanarak ve kanopilerin güneş modelini ters çevirerek mısır, patates ve ayçiçeği tarlalarının LAI’sini tahmin etmektedirler. Bir bağdaki LAI’yi tahmin etmek için görsel bir 3D modelleme tekniği kullanılmış ve yaklaşık % 57 daha az hassasiyet elde edilmiştir. Bu yöntem günümüzde daha az doğru gibi görünse de diğer yöntemlere göre hızlı, ucuz ve pratiktir. Bu teknikte dört kamera kullanılmaktadır ve LAI’yi buğday ve kolza tohumu mahsullerine göre ölçmek için karşılık gelen görüntülerle örtüşmektedir. Yöntemin ışık koşullarına bağımlılığını vurgulamalarına rağmen, zemin seviyesindeki ölçümlerle karşılaştırıldığında çok iyi bir korelasyon elde ederler.
Ayrıca İHA’lar, tarımsal işletmelerde hastalıkların önlenmesi için pratik bir araçtır. Bir İHA ve multispektral kameralarla donatılmış insanlı bir uçak kullanmaktadır. Hastalıkların izlerini tespit etmek ve sonuçları kesin gerçekle karşılaştırmak için dört sınıflandırma algoritması uygular. Narenciye ağaçlarındaki yapraklardaki hastalıkları tespit etmek için yeni bir havadan görsel sensör önermektedir ve deneyler % 93 doğruluk göstermektedir. Bu yöntemler sadece narenciye ağaçları için değil aynı zamanda zeytinler, avokado ağaçları, patatesler ve asmalar için de kullanılmıştır.
Pek çok ülkedeki kısıtlamalar nedeniyle bu kullanım dünya çapında yaygınlaşmamış olsa da, İHA’ların yerel gübre ve pestisit püskürtmesiyle ilgili bazı denemeler ve araştırmalar yapılmıştır. Örneğin sanal bir alan üzerine bir pestisit sensör ağı yerleştirilirken, bir İHA kimyasalları ihtiyaç duyulan yerlere püskürtür. Sensörler, İHA’ya en uygun rotayı ayarlayan ve pestisit israfını en aza indiren bir geri bildirim sağlar. Daha pratik ve kapsamlı bir çalışma pirinç mahsullerinin bulunduğu bir tarlada işlem yüksekliği, hızı ve bitkilerin farklı yüksekliklerinde biriken hacim gibi farklı püskürtme parametrelerinin test edildiği belirlenmiştir.
Hiperspektral ve termal kameralarla donatılmış İHA’lar, tarımsal işletmelerin performansını iyileştirmek, maliyetleri düşürmek ve verimliliği artırmak için uygun fiyatlı ve pratik bir sistemdir. Yeni sensörlerin geliştirilmesi ve yeni yasal çerçevelerin oluşturulmasıyla, genişlemeleri önümüzdeki on yıllarda devam edecektir.

Tarımda Yer Robotları

Sistematik tasarım yöntemleri araştırmacılara tasarım seçimlerinde yardımcı olurken, ekonomik analiz bir sistemin kabul edilebilir maliyetini dikkate alır. Gereksinim mühendisliğine dayalı tasarım süreçlerini rapor etmektedir. Donanımla ilgili kararlar, robot performansını, algoritmaların karmaşıklığını ve nihayetinde sistem maliyetlerini etkiler. Yer robotları için bazı yaklaşımlar, çeşitli tarım uygulamalarında uygulanan platforma, manipülatöre ve son efektöre özel ilgi gösterilerek gözden geçirilir.
Platformla ilgili olarak, özel mobil robotlar en yaygın seçimdir. Paletli ve paletli platformların sağlamlığı birkaç araştırmacı tarafından tanımlanmıştır, ancak tekerlekli robotlarda basitliklerinden dolayı iyi seçenekler olarak gösterilmiştir. Tüm bu platformlar, navigasyon stratejisi olarak GPS, odometri, hat rehberliği, yol planları ve insanlı yaklaşımlar gibi yaklaşımları entegre edebilir. Diğer robotlar, yer değiştirmelerini sağlamak için tarladaki sulama borularından veya raylardan yararlanır .
Manipülatörlerin en yaygın konfigürasyonu, ısmarlama bir geliştirmede 3 DoF’ye (Serbestlik Derecesi) yakındır. Bu durum, ticari manipülatörleri içeren uygulamaların yüksek maliyetiyle ilişkilendirilebilir. Manipülatörler genellikle özel olarak yapılsa da, seçilen DOF sayısı için ne analiz ne de açıklama genellikle yazarlar tarafından detaylandırılmıştır. Manipülatör hareketleri basitleştirilmiştir ve yüksek DOF sayıları önlenir.
Son olarak, çoğu uç efektör iki parmakla çalışacak şekilde tasarlanmıştır, çünkü kavramaların çoğu onlar tarafından gerçekleştirilebilir ve bunlar el cihazlarını kavramak için en küçük uygun mekanik mimarilerdir. Ek olarak, kavrama genellikle emme tutucularla elde edilir; bu nedenle, uç efektörler esas olarak elektrikli ve pnömatik sistemler tarafından çalıştırılır. Son efektörlerin büyük bir kısmı özel yapımdır. Bu tasarım tercihi, gerçekleştirilecek çok çeşitli görevlerin yanı sıra, işlenecek çeşitli meyve ve sebzelerle ilişkilendirilebilir. Ek olarak, mobil platformdan ve manipülatörden kaynaklanan sorunları son efektör davranışı yoluyla çözmeye çalışan yaygın bir uygulamadır; bu durum, kıskaçların daha fazla kişiselleştirilmesine yol açar.

Tarımsal Özel Robotlar

Geleneksel yer robotları, tekerlekli ve tırtıl hareketinin kısıtlamalarıyla ilgili çeşitli sınırlamalar sunar. Ek olarak, hava robotlarının kullanımı, özellikle görevin yüzeyde veya kapalı alanda gerçekleştirilmesi gerektiğinde her zaman mümkün değildir. Literatürdeki alternatif lokomasyon sistemlerine sahip robotların tarımsal görevlere uygulandığı bazı vakaları bulunmaktadır. Küre robotlar, hareketleri kararsızlıkla üretilen sistemlerdir. Bu tür robotlar, keşif ve gözetleme gibi çeşitli uygulama ve senaryolarda kullanılır. ROSPHERE, yazarları tarafından hassas tarımda toprak sıcaklığını ve nemini ölçmek için yeni bir düşük maliyetli küresel robot olarak tanımlanmaktadır. Benzer boyut ve yeteneklere sahip tekerlekli robotlara kıyasla ROSPHERE, düzensiz arazilerde çok daha hafif ve sağlamdır.
Birkaç robot, biyolojik evrimi kopyalamaya çalışan biyoilham ile tasarlanmıştır. Örneğin mühendisler, hexapod böceklerin her arazide yürüyebildiklerini, bu nedenle fizyognomilerini ve yürüme şekillerini kopyaladıklarını fark ettiler. Bu, otonom olarak ekebilen, bakım yapabilen ve hasat yapabilen bir hexapod robot prototipi olan Prospero’nun durumudur. Diğer bir örnek, arılardan esinlenen mikro hava robotları olan Harvard Üniversitesi RoboBees’idir. Bu robotlar, dağınık çevresel izleme ve mahsul tozlaşmasına yardım için uygulanıyor.

Tarımsal Çoklu Robot Sistemleri

Bazen, tek robotlar bazı karmaşık görevleri (örneğin, birden fazla yerde koordineli eylemler gerektiren) gerçekleştiremeyebilir veya gerekli zamanda basit görevleri gerçekleştiremez (örneğin, görevlerin geniş alanlarda gerçekleştirilmesi gerektiğinde). Bu durumlarda, robot ekipleri tek robotlara göre etkinlik, verimlilik, esneklik ve hata toleransı gibi bazı avantajlar sağlayabilir.
Literatür tarafından bildirilen tarımsal görevler için robot ekiplerinin çoğu vakası homojendir. Geniş alanlarda veri toplamak için tek bir İHA yerine bir İHA filosu kullanmak yaygındır ve alan dağıtımı ve yol planlaması için birçok teknik vardır. Örneğin, düşük maliyetli kameralara sahip küçük bir İHA ekibi, daha iyi bir kamera ile donatılmış tek bir İHA ile aynı sonuçları elde ederek ve daha sağlam bir operasyon sağlayarak, suyun kullanımını ve yönetimini kontrol etmek için uygulanabilir.
Bununla birlikte, bazı tarım uygulamaları, heterojen robot ekipleri gerektirir. En yaygın durum, görevin havadan daha etkili operasyonlardan ve diğerlerinden daha etkili olanlardan oluşmasıdır. Örneğin, hava robotları, resim çekerek ve veri toplayarak (ör. Suyun dağıtımı veya yabani otların konumu) geniş alanları verimli bir şekilde kaplayabilirken, yer robotları ekinler üzerinde daha sağlam ve hassas bir şekilde hareket edebilir (ör. Sulama veya arıtma uygulama) Bu nedenle, heterojen çoklu robot sistemleri genellikle avantajları birleştirir ve farklı robotların dezavantajlarını telafi eder.

Kaynakça:
builtin.com/robotics/farming-agricultural-robots
stanleyinnovation.com/agricultural-robotics-industry/

Yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu