Architectuur van Agrarische Robots*

I. Inleiding

Onder architectuur verstaan we de organisatie van een systeem, gedefinieerd door de structurering van zijn componenten en hun interacties. Voor een agrarische robot is een intuïtieve benadering om deze te vergelijken met een mens, in het bijzonder de boer die zijn taken handmatig met gereedschap uitvoert. Deze analogie helpt om de functies te begrijpen die de robot automatisch moet reproduceren.

In dit artikel richten we ons specifiek op de architectuur van een agrarische robot. Eerst zullen we de verschillende functionele blokken belichten die zo'n robot vormen, door ze te vergelijken met de organen en functies van een boer. Vervolgens zullen we een softwarearchitectuur voorstellen die als basis kan dienen voor het ontwerp van agrarische robots.

II. Analogie met de mens

Een van de primaire missies van een agrarische robot is om de agrarische taak die een boer handmatig zou uitvoeren, te reproduceren of zelfs te verbeteren. Het gebruik van de mens als basis voor reflectie bij het ontwerp van de architectuur van een agrarische robot lijkt daarom zowel logisch als relevant.

Een boer, bij het uitvoeren van zijn agrarische taak, bijvoorbeeld het wieden met een machete, kan worden gezien als een systeem dat bestaat uit verschillende functionele blokken die met elkaar samenwerken om de taak nauwkeurig uit te voeren. Deze blokken kunnen als volgt worden beschreven:

Het menselijk lichaam: het vormt de mechanische basis waarop de andere elementen van het systeem rusten, evenals het gebruikte agrarische gereedschap (hier de machete). We zullen het de vector noemen.
De spieren: zij zorgen voor de beweging van de verschillende delen van het lichaam, zoals de voeten, handen of armen. In een robot wordt deze rol vervuld door motoren, cilinders en andere aandrijfmechanismen. We zullen spreken van actuatoren.
De zintuigen: de ogen, het gehoor of de tastzin stellen de boer in staat zijn omgeving waar te nemen. Op vergelijkbare wijze leveren de sensoren van een robot de benodigde informatie om zijn werkomgeving te begrijpen. Dit zijn de sensoren.
De hersenen: Dit is de controle-eenheid. Ze speelt een centrale rol in de coördinatie. Voor de operatie plant ze de uit te voeren taak; tijdens de uitvoering verzamelt ze de informatie van de sensoren, bepaalt de juiste bewegingen, analyseert het uitgevoerde werk en past de acties aan indien nodig. Dit blok wordt meestal opgesplitst in verschillende submodules, die samen de softwarearchitectuur vormen.

Samengevat kan een agrarische robot worden gemodelleerd als een systeem dat bestaat uit vier hoofdblokken:

een mechanische vector, die dient als ondersteuning voor de andere componenten en het agrarische gereedschap;
een blok van actuatoren, die voor de beweging zorgen;
een blok van sensoren, die de waarneming van de omgeving en de robot mogelijk maken;
een controle-eenheid, die het gehele proces orkestreert.

In het vervolg richten we ons meer specifiek op de softwarearchitectuur, die de interne organisatie van de controle-eenheid in detail beschrijft.

III. Softwarearchitectuur van een agrarische robot

De softwarearchitectuur maakt het mogelijk om de interne organisatie van de controle-eenheid van een agrarische robot weer te geven. De Figuur 1 hieronder illustreert de voorgestelde softwarearchitectuur, die uit de volgende blokken bestaat:

Perceptieblok: het verzamelt de algoritmen die verantwoordelijk zijn voor het verwerken van de gegevens van de sensoren om een representatie te bouwen van de omgeving waarin de robot zich bevindt, terwijl het zijn positie in deze omgeving schat. Aan de ingang ontvangt dit blok de informatie die door verschillende sensoren wordt verstrekt (beelden, GPS-positie, LIDAR-gegevens, enz.). Aan de uitgang levert het een modellering van de omgeving (bijvoorbeeld de locatie van de gewenste planten en onkruid) evenals de positie en oriëntatie van de robot.
Planningsblok: het ontvangt de informatie van het perceptieblok (bijvoorbeeld de huidige positie van de robot) en vergelijkt deze met het doel dat is gedefinieerd in de globale missie (zoals het volgen van een vooraf bepaalde traject). Aan de uitgang genereert dit blok een actie-instructie die wordt uitgedrukt als een resterende afwijking tussen de huidige situatie van de robot en het te bereiken doel (laterale en hoekafwijking ten opzichte van het traject).
Besturingsblok: het vertaalt de actie-instructie in elementaire commando's die begrijpelijk zijn voor de actuatoren (bijvoorbeeld motorsnelheden). Deze voeren vervolgens de nodige acties uit om het traject te corrigeren en de taak te voltooien.
Supervisieblok: het orkestreert de uitvoering van de verschillende algoritmen van de andere blokken en controleert het algemene verloop van de missie. Het analyseert belangrijke statistieken, zoals de laterale volgfout of het naleven van de grenzen van het werkgebied (geofencing), en kan beslissen om de missie te onderbreken in geval van een probleem. Dit blok kan ook informatie doorgeven aan een gebruikersinterface (computer, tablet, enz.), waardoor de operator de voortgang van de missie kan volgen en, indien nodig, corrigerende beslissingen kan nemen.

Figuur 1: Architectuur van een agrarische robot

De hardware is gebaseerd op die van een klassieke tractor, verrijkt met sensoren en een controle-eenheid die automatisering mogelijk maakt. Het softwaregedeelte beheert de robotisering door de verschillende modules en de informatie-uitwisselingen te orkestreren. Ten slotte stellen de supervisieterminals de gebruiker in staat om de missie te volgen, evalueren en ingrijpen.

IV. Conclusie

Samenvattend is een agrarische robot een conventionele tractor waaraan sensoren zijn toegevoegd voor de waarneming van de omgeving en de lokalisatie, evenals een controle-eenheid die, dankzij zijn verschillende softwareblokken, in staat is om de commando's te berekenen die naar de actuatoren moeten worden gestuurd om de agronomische taken uit te voeren zoals een mens dat zou doen.

*: De technische informatie in dit artikel wordt ter indicatie verstrekt. Ze vervangen niet de officiële handleidingen van de fabrikanten. Raadpleeg voor installatie, bediening of gebruik de productdocumentatie en volg de veiligheidsinstructies. De site Torque.works kan niet verantwoordelijk worden gehouden voor oneigenlijk gebruik of onjuiste interpretatie van de verstrekte informatie.