Architektura Robotów Rolniczych*

I. Wprowadzenie

Przez architekturę rozumiemy organizację systemu, zdefiniowaną przez strukturę jego komponentów i ich interakcje. Dla robota rolniczego intuicyjnym podejściem jest porównanie go do istoty ludzkiej, w szczególności rolnika, który wykonuje swoje zadania ręcznie za pomocą narzędzi. Ta analogia pomaga zrozumieć funkcje, które robot musi automatycznie odtworzyć.

W tym artykule skupimy się na architekturze robota rolniczego. Najpierw podkreślimy różne bloki funkcjonalne, które składają się na takiego robota, porównując je do organów i funkcji rolnika. Następnie zaproponujemy architekturę oprogramowania, która może stanowić podstawę do projektowania robotów rolniczych.

II. Analogia z istotą ludzką

Jednym z głównych zadań robota rolniczego jest odtworzenie, a nawet ulepszenie zadania rolniczego, które rolnik wykonałby ręcznie. Użycie istoty ludzkiej jako podstawy do projektowania architektury robota rolniczego wydaje się zatem zarówno logiczne, jak i trafne.

Rolnik, wykonując swoje zadanie rolnicze, na przykład odchwaszczanie za pomocą maczety, może być postrzegany jako system składający się z kilku bloków funkcjonalnych, które współdziałają ze sobą w celu precyzyjnego wykonania zadania. Te bloki można opisać w następujący sposób:

Ciało ludzkie: stanowi mechaniczną podstawę, na której opierają się inne elementy systemu, a także używane narzędzie rolnicze (tutaj maczeta). Nazwiemy to wektorem.
Mięśnie: zapewniają ruch różnych części ciała, takich jak stopy, ręce czy ramiona. W robocie tę rolę pełnią silniki, siłowniki i inne urządzenia napędowe. Nazywamy je aktuatorami.
Narządy zmysłów: oczy, słuch czy dotyk pozwalają rolnikowi postrzegać swoje otoczenie. Analogicznie, czujniki robota dostarczają niezbędnych informacji do zrozumienia jego środowiska pracy. Są to czujniki.
Mózg: Jest to jednostka kontrolna. Pełni centralną rolę koordynacyjną. Przed operacją planuje zadanie do wykonania; podczas wykonywania zbiera informacje z czujników, definiuje odpowiednie ruchy, analizuje wykonane zadanie i dostosowuje działania w razie potrzeby. Ten blok jest zazwyczaj podzielony na kilka podmodułów, tworząc to, co nazywamy architekturą oprogramowania.

Podsumowując, robot rolniczy można modelować jako system składający się z czterech głównych bloków:

wektor mechaniczny, służący jako podpora dla innych komponentów i narzędzia rolniczego;
blok aktuatorów, zapewniający ruch;
blok czujników, umożliwiający percepcję otoczenia i robota;
jednostka kontrolna, koordynująca cały proces.

W dalszej części skupimy się szczególnie na architekturze oprogramowania, która szczegółowo opisuje wewnętrzną organizację jednostki kontrolnej.

III. Architektura oprogramowania robota rolniczego

Architektura oprogramowania pozwala przedstawić wewnętrzną organizację jednostki kontrolnej robota rolniczego. Rysunek 1 poniżej ilustruje proponowaną architekturę oprogramowania, która składa się z następujących bloków:

Blok percepcji: zawiera algorytmy odpowiedzialne za przetwarzanie danych z czujników w celu stworzenia reprezentacji środowiska, w którym porusza się robot, jednocześnie szacując jego pozycję w tym środowisku. Na wejściu ten blok otrzymuje informacje dostarczane przez różne czujniki (obrazy, pozycja GPS, dane LIDAR itp.). Na wyjściu dostarcza modelowanie środowiska (na przykład lokalizację roślin interesujących i chwastów) oraz pozycję i orientację robota.
Blok planowania: otrzymuje informacje z bloku percepcji (na przykład aktualną pozycję robota) i porównuje je z celem zdefiniowanym w misji globalnej (takim jak podążanie za zdefiniowaną trajektorią). Na wyjściu ten blok generuje polecenie działania wyrażone w postaci różnicy resztkowej między aktualną sytuacją robota a celem do osiągnięcia (odchylenie boczne i kątowe względem trajektorii).
Blok sterowania: tłumaczy polecenie działania na elementarne komendy zrozumiałe dla aktuatorów (na przykład prędkości silników). Te ostatnie wykonują następnie niezbędne działania, aby skorygować trajektorię i wykonać zadanie.
Blok nadzoru: koordynuje wykonanie różnych algorytmów innych bloków i kontroluje przebieg całej misji. Analizuje kluczowe metryki, takie jak błąd boczny śledzenia czy przestrzeganie granic strefy pracy (geofencing), i może zdecydować o przerwaniu misji w przypadku problemu. Ten blok może również przesyłać informacje do interfejsu użytkownika (komputer, tablet itp.), umożliwiając operatorowi śledzenie postępu misji i, jeśli to konieczne, podejmowanie decyzji korygujących.

Rysunek 1: Architektura robota rolniczego

Architektura robota rolniczego: sprzęt opiera się na klasycznym traktorze, wzbogaconym o czujniki i jednostkę kontrolną umożliwiającą automatyzację. Część oprogramowania zarządza robotyzacją, koordynując różne moduły i wymianę informacji. Wreszcie, terminale nadzoru pozwalają użytkownikowi śledzić, oceniać i interweniować w misji.

Sprzęt opiera się na klasycznym traktorze, wzbogaconym o czujniki i jednostkę kontrolną umożliwiającą automatyzację. Część oprogramowania zarządza robotyzacją, koordynując różne moduły i wymianę informacji. Wreszcie, terminale nadzoru pozwalają użytkownikowi śledzić, oceniać i interweniować w misji.

IV. Wnioski

Podsumowując, robot rolniczy to konwencjonalny traktor, do którego dodano czujniki do percepcji środowiska i lokalizacji, a także jednostkę kontrolną, która dzięki różnym blokom oprogramowania pozwala obliczać polecenia do wysłania do aktuatorów w celu wykonania zadań agronomicznych tak, jak zrobiłby to człowiek.

*: Informacje techniczne przedstawione w tym artykule są podane wyłącznie w celach informacyjnych. Nie zastępują one oficjalnych instrukcji producentów. Przed instalacją, obsługą lub użyciem należy zapoznać się z dokumentacją produktu i przestrzegać zaleceń bezpieczeństwa. Strona Torque.works nie ponosi odpowiedzialności za niewłaściwe użycie lub błędną interpretację dostarczonych informacji.