Autonom styrning för förbättrad växtproduktion

Automation technology is developing rapidly, not least in agriculture. Several of the biggest challenges in vehicular automation technology, such as complex interactions with other road users, are less problematic for agricultural vehicles than for road vehicles. There is therefore potential for comparatively rapid development and market introduction.
The purpose of this project is to develop important elements for automation of field work for plant cultivation and verify them in real operation on an existing agricultural machine. This includes, in addition to control systems for vehicle propulsion, also control of implements, security, computer communication and interfaces with other hardware and software. The goal is to make open source code available for systems that can be used as a software platform for autonomous agricultural vehicles, which can then be used to develop systems that are increasingly powerful, cheap and environmentally friendly plant cultivation systems.

Automationstekniken utvecklas snabbt, inte minst inom jordbruket. Flera av de största utmaningarna inom fordonsområdet, såsom komplexa interaktioner med andra trafikanter, är mindre problematiska för jordbruksfordon än för vägfordon. Det finns därför potential för en relativt snabb utveckling och marknadsintroduktion.
Syftet med detta projekt är att utveckla viktiga element för automatisering av fältarbetet för odling av växter och verifiera dem i verklig drift på en befintlig jordbruksmaskin. Detta inkluderar, förutom styrsystem för framdrivning av fordon, även styrning av redskap, säkerhet, datorkommunikation och gränssnitt med annan hårdvara och programvara. Målet är att göra öppen källkod tillgänglig för system som kan användas som en mjukvaruplattform för autonoma jordbruksfordon, som sedan kan användas för att utveckla system som blir allt kraftfullare, billiga och miljövänligare växter.

Resultat per område:
• Personidentifiering med hjälp av ett allmänt tillgängligt system (ZDK) har bra prestanda på 5 meters avstånd. På 10 meters avstånd får avståndsbedömning problem. Starkt solljus och vattendroppar på kameran utgör potentiella utmaningar.
• En proof-of-concept-applikation med ROS utvecklades och testades. Den kan styra ett relä baserat på fordonets position. Detta kan användas för att styra ett verktyg baserat på position, till exempel för att starta eller stoppa ett verktyg så snart fordonet går in i eller lämnar ett odlingsfält.
• En liten traktor har utrustats med ett självkörande styrsystem. Styrsystemet visade sig ge god noggrannhet och mycket god repeterbarhet.
• Två autonoma fordon (50 kW) har ungefär samma kostnad och nytta som en människostyrd (250 kW) ur företagarens perspektiv. Ingår samhällsekonomiska kostnader blir det autonoma systemet mer lönsamt.

Säkerhet/identifiering av personer.
Ett system som använder en stereokamera (ZDK), enkelkortsdator och allmänt tillgänglig programvara (ZDK SDK) utvärderades. En stereokamera användes för att göra det möjligt att få data om avstånd (något som är av avgörande betydelse för fordon), utan att använda (dyrare) LIDAR. På avstånd större än 10 meter är avståndsuppskattningen svår. På ett avstånd av 5 meter är suverän prestanda mycket bra. Faktorer som starkt solljus och vattendroppar på kameran utgör potentiella utmaningar. För att öka tillförlitligheten kan följande åtgärder vara användbara: komplettera avståndsuppskattning med persondetektering utan avståndsuppskattning för avstånd > 10 meter, förbättra kameraskyddet för att skydda den från elementen, kompletterande sensorer som identifierar personer som använder annan information som den visuella spektrum till exempel med infraröd.

ROS
En proof-of-concept-applikation med ROS utvecklades och testades. Den kan styra ett relä baserat på fordonets position. Ett område definierades av kantkoordinaterna för en polygon och reläet aktiverades när fordonet gick in i polygonen. Detta kan användas för att styra ett verktyg baserat på position, till exempel för att starta eller stoppa ett verktyg så snart fordonet går in i eller lämnar odlingsfältet, starta en registrering från andra sensorer eller kontrollera utsädet eller gödseltillförseln baserat på var i området fordonet är.
• En liten traktor har utrustats med ett styrsystem för självkörning. Systemet har anpassats till traktorn och för jordbruksbruk genom att komplettera befintlig programvara med funktioner och algoritmer som är relevanta för jordbruket, i synnerhet en algoritm för att returnera körbara rutter utifrån en polygon (dvs. ett jordbruksfält). Styrsystemet visade sig ge god noggrannhet och mycket god repeterbarhet. Genomsnittlig absolut avvikelse från en rak bana över ett jordbruksfält mättes med hjälp av GPS till 2-5 cm beroende på testförhållandena. GPS i sig har dock en mätosäkerhet på ca 2 cm. När tester utfördes med skivor fästa på fordonet (liknande en harv) producerades repeterbara spår på samma plats även vid en stor mängd överkörningar.
• Under utvärderingen inkluderade viktiga faktorer för att minska tiden som krävs för uppstart och stillestånd under testerna: minskat antal (eventuellt missade) steg under uppstart, minimerad värmebelastning på elektroniken och maximal kommunikationsförmåga.
• Vid en jämförelse mellan en människostyrd förbränningsmotorstraktor (250 kW) och batteridrivna autonomt fordon (50) är de autonoma fordonen lönsamma ur företagarens perspektiv om max två autonoma fordon används. Om även samhällsekonomiska kostnader ingår är det lönsamt även med tre autonoma fordon.

Verktyg för jordbrukssektorn
• Programvara med öppen källkod underlättar snabb utveckling och spridning av mjukvarusystem. Eftersom programvaran är öppet tillgänglig och släppt under en fri licens är den möjlig att använda med relativt liten ansträngning på andra fordon. Under projektets gång har den, utöver fordonet som huvudsakligen användes ("MacTrac", en liten traktor med midjestyrning), testatspå ett fordon som var radikalt annorlunda i sin fysiska struktur ("Drängen", en mindre plattform). I andra projekt tillämpas den på en stor redskapsbärare ("Drevern") och på en mindre foderbärare för inomhusbruk. Tiden som krävs för att genomföra de fysiska förändringar som krävs (för forskningsprojekt) är kort, cirka tre dagar för Drängen och två veckor för MacTrac. Detta gör det enkelt att applicera programvaran på andra fordon. Dessutom pågår arbete av RISE för att göra mjukvaran modulär och för att begränsa den hårdvara som krävs för styrningen till komponenter som är lättillgängliga och producerade i stora volymer, vilket ytterligare underlättar spridning.
• Nära kontakter med tillverkare (av autonoma fordon) underlättar denna spridning. Deltagarna i projektgruppen har återkommande möten med andra aktörer inom den växande autonoma lantbruksfordonssektorn i Sverige, såsom Ekobot, Tegbot, Agrodroids, Texactor).
• Utrustningen som används under projektet kommer inom en snar framtid (våren 2022) att utvärderas inom områden som är vanliga kompletterande aktiviteter för jordbrukstraktorer, såsom snöskottning av cykelvägar (projekt ”Barmark III”).
• Körningarna har visat att det är möjligt att uppnå det som är repeterbart med millimeterprecision med den befintliga konfigurationen. En så hög precision underlättar mycket lantbruksarbete då det framför allt ställer krav på hög repeterbarhet (när ett frö sås på en viss plats måste andra operationer utföras i förhållande till detta för att säkerställa att t.ex. plantan från god tillgång till gödsel, men tas inte för ogräs vid ogräsbekämpning).