Architektur von Agrarrobotern*

I. Einführung

Unter Architektur versteht man die Organisation eines Systems, definiert durch die Strukturierung seiner Komponenten und deren Interaktionen. Für einen Agrarroboter besteht ein intuitiver Ansatz darin, ihn mit einem Menschen gleichzusetzen, insbesondere mit dem Landwirt, der seine Aufgaben manuell mit Werkzeugen erledigt. Diese Analogie hilft, die Funktionen zu verstehen, die der Roboter automatisiert reproduzieren muss.

In diesem Artikel befassen wir uns speziell mit der Architektur eines Agrarroboters. Zunächst werden wir die verschiedenen Funktionsblöcke hervorheben, die einen solchen Roboter bilden, indem wir sie den Organen und Funktionen eines Landwirts gegenüberstellen. Anschließend werden wir eine Softwarearchitektur vorschlagen, die als Grundlage für die Konstruktion von Agrarrobotern dienen kann.

II. Analogie mit dem Menschen

Eine der Hauptaufgaben eines Agrarroboters besteht darin, die landwirtschaftliche Aufgabe, die ein Landwirt manuell ausführen würde, zu reproduzieren oder sogar zu verbessern. Den Menschen als Grundlage für die Überlegungen zur Gestaltung der Architektur eines Agrarroboters zu verwenden, erscheint daher sowohl logisch als auch sinnvoll.

Ein Landwirt, der seine landwirtschaftliche Aufgabe ausführt, zum Beispiel das Jäten mit einer Machete, kann als ein System wahrgenommen werden, das aus mehreren Funktionsblöcken besteht, die miteinander interagieren, um die Aufgabe präzise zu erfüllen. Diese Blöcke können wie folgt beschrieben werden:

Der menschliche Körper: Er bildet die mechanische Basis, auf der die anderen Elemente des Systems sowie das verwendete landwirtschaftliche Werkzeug (hier die Machete) ruhen. Wir nennen ihn den Vektor.
Die Muskeln: Sie sorgen für die Bewegung der verschiedenen Körperteile, wie Füße, Hände oder Arme. In einem Roboter übernehmen Motoren, Zylinder und andere Antriebsvorrichtungen diese Rolle. Man spricht von Aktoren.
Die Sinnesorgane: Augen, Gehör oder Tastsinn ermöglichen es dem Landwirt, seine Umgebung wahrzunehmen. Analog dazu liefern die Sensoren eines Roboters die notwendigen Informationen, um seine Arbeitsumgebung zu verstehen. Es handelt sich um die Sensoren.
Das Gehirn: Es handelt sich um die Steuereinheit. Sie spielt eine zentrale Rolle bei der Koordination. Vor der Operation plant sie die auszuführende Aufgabe; während der Ausführung sammelt sie die Informationen der Sensoren, definiert die geeigneten Bewegungen, analysiert die durchgeführte Arbeit und passt die Aktionen bei Bedarf an. Dieser Block wird in der Regel in mehrere Untermodule unterteilt, die die sogenannte Softwarearchitektur bilden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein Agrarroboter als ein System modelliert werden kann, das aus vier Hauptblöcken besteht:

ein mechanischer Vektor, der als Träger für die anderen Komponenten und das landwirtschaftliche Werkzeug dient;
ein Aktorenblock, der die Bewegung sicherstellt;
ein Sensorblock, der die Wahrnehmung der Umgebung und des Roboters ermöglicht;
eine Steuereinheit, die den gesamten Prozess orchestriert.

Im Folgenden werden wir uns insbesondere mit der Softwarearchitektur befassen, die die interne Organisation der Steuereinheit detailliert.

III. Softwarearchitektur eines Agrarroboters

Die Softwarearchitektur ermöglicht die Darstellung der internen Organisation der Steuereinheit eines Agrarroboters. Die Abbildung 1 unten zeigt die vorgeschlagene Softwarearchitektur, die sich aus den folgenden Blöcken zusammensetzt:

Wahrnehmungsblock: Er umfasst die Algorithmen, die für die Verarbeitung der Sensordaten zuständig sind, um eine Darstellung der Umgebung zu erstellen, in der sich der Roboter bewegt, während seine Position in dieser Umgebung geschätzt wird. Am Eingang erhält dieser Block die von verschiedenen Sensoren bereitgestellten Informationen (Bilder, GPS-Position, LIDAR-Daten usw.). Am Ausgang liefert er eine Modellierung der Umgebung (z. B. die Lokalisierung von Nutzpflanzen und Unkraut) sowie die Position und Orientierung des Roboters.
Planungsblock: Er erhält die Informationen aus dem Wahrnehmungsblock (z. B. die aktuelle Position des Roboters) und vergleicht sie mit dem in der Gesamtmission definierten Ziel (wie dem Folgen einer vorgegebenen Trajektorie). Am Ausgang generiert dieser Block eine Handlungsvorgabe, die als verbleibende Abweichung zwischen der aktuellen Situation des Roboters und dem zu erreichenden Ziel ausgedrückt wird (seitliche und winklige Abweichung zur Trajektorie).
Steuerblock: Er übersetzt die Handlungsvorgabe in elementare Befehle, die von den Aktoren verstanden werden können (z. B. Motorgeschwindigkeiten). Diese führen dann die notwendigen Aktionen aus, um die Trajektorie zu korrigieren und die Aufgabe zu erfüllen.
Überwachungsblock: Er orchestriert die Ausführung der verschiedenen Algorithmen der anderen Blöcke und kontrolliert den gesamten Ablauf der Mission. Er analysiert Schlüsselmetriken wie den seitlichen Verfolgungsfehler oder die Einhaltung der Grenzen des Arbeitsbereichs (Geofencing) und kann bei Problemen entscheiden, die Mission zu unterbrechen. Dieser Block kann auch Informationen an eine Benutzeroberfläche (Computer, Tablet usw.) übermitteln, die es dem Bediener ermöglicht, den Fortschritt der Mission zu verfolgen und gegebenenfalls Korrekturentscheidungen zu treffen.

Abbildung 1: Architektur eines Agrarroboters

Die Hardware basiert auf einem klassischen Traktor, der mit Sensoren und einer Steuereinheit zur Automatisierung ausgestattet ist. Die Softwarekomponente steuert die Robotisierung, indem sie die verschiedenen Module und den Informationsaustausch orchestriert. Schließlich ermöglichen die Überwachungsterminals dem Benutzer, die Mission zu verfolgen, zu bewerten und einzugreifen.

IV. Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ein Agrarroboter ein herkömmlicher Traktor ist, dem Sensoren zur Wahrnehmung der Umgebung und zur Lokalisierung hinzugefügt werden, sowie eine Steuereinheit, die dank ihrer verschiedenen Softwareblöcke die Berechnung der Befehle ermöglicht, die an die Aktoren gesendet werden müssen, um die agronomischen Aufgaben wie ein Mensch auszuführen.

*: Die in diesem Artikel präsentierten technischen Informationen werden zu Informationszwecken bereitgestellt. Sie ersetzen nicht die offiziellen Anleitungen der Hersteller. Vor jeder Installation, Handhabung oder Nutzung konsultieren Sie bitte die Produktdokumentation und beachten Sie die Sicherheitsanweisungen. Die Website Torque.works kann nicht für eine unsachgemäße Verwendung oder eine falsche Interpretation der bereitgestellten Informationen verantwortlich gemacht werden.