כיצד כלי רכב אוטונומיים ישפרו קיימות ופרודוקטיביות בחקלאות

טרקטורים אוטונומיים, רחפנים ורובוטים לשתילת זרעים, עישוב וקצירה הם חלק מהטכנולוגיות בפיתוח שישנו את החקלאות ויעזרו להקל על מחסור במזון על ידי שיפור הקיימות והפרודוקטיביות של פעילויות חקלאיות. כלי רכב אוטונומיים מכל הסוגים ישחררו אנשים מנהיגת טרקטורים ומכונות אחרות, ובכך יאפשרו להם לבצע פעילויות בעלות ערך-מוסף גבוה יותר. פעילויות אלו כוללות יישום חקלאות מדייקת‏ שיגדיל תפוקה, יקטין השפעות סביבתיות שליליות וישפר את הקיימות של פעולות חקלאיות על ידי טיפול בנושאים הקשורים למחסור במים, מחסור בכוח-אדם ומגבלות אחרות.

בעוד רחפנים ורובוטים חקלאיים מייצגים מערכות חדשות בשלבי פיתוח ופריסה מאפס, טרקטורים הם שונים. כבר קיים בסיס מותקן גדול של טרקטורים, והם נוטים להיות בעלי אורך חיי עבודה ארוכים. כתוצאה מכך, בנוסף לפיתוח תכנים חדשים אוטומטיים לחלוטין, טרקטורים קיימים ישובחו עם מערכות הנעה חשמליות וישודרגו עם מערכות דיגיטליות עבור מטרות ספציפיות, מה שנקרא “מכשירי טרקטור דיגיטליים”.

מאמר זה מסתכל על הפיתוח של מכשירי טרקטור דיגיטליים והופעת טרקטורים חשמליים (e-tractors). הוא סוקר את האתגרים בהתמודדות עם טרקטורים אוטונומיים ומסתכל על הדרך שבה משתמשים ברחפנים, חיישנים בטרקטורים ובבינה מלאכותית (AI) ולימוד מכונה‏ (ML) בחקלאות מדייקת. המאמר גם בוחן חלק מהטכנולוגיות הדרושות כדי לממש את הפיתוח של כלי רכב חקלאיים אוטונומיים וכיצד היצע המוצרים הנרחב של DigiKey, כולל ראיית מכונה, מנועים ובקרים, ממירי כוח, חיישנים ומתגים, ממשקי תקשורת אלחוטית ומגוון כבלי אותות ואספקת-כוח יכולים לעזור למתכננים לזרז את תהליכי הפיתוח שלהם. המאמר מסתיים בהתבוננות קצרה אל העתיד, בו חוות אוטונומיות לחלוטין יהיו מבוקרות על ידי מערכות הפעלה מתוחכמות היכולות לנהל ציים מעורבים, כולל ציוד חקלאי אוטונומי כמו גם סטנדרטי, כדי למקסם פרודוקטיביות וקיימות.

מכשירים חקלאיים (Farm implements) עוברים ל-ISObus

כמו Industry 4.0, חקלאות נעה בכיוון שימוש במכונות חכמות ובעלות חיבוריות-בינית. זה היכן שנכנס לתמונה International Standards Organization (ISO) 11783, הטרקטורים והמכונות עבור אפיק רשת נתונים טורית של חקלאות ויערנות. בתעשיית החקלאות, זה פשוט נקרא ה-ISObus. הוא מבוסס על פרוטוקול ה-Society of Automotive (SAE) J1939, שכולל את אפיק ה-control area network‏ (CAN) והותאם עבור יישומים חקלאיים. ה-ISObus מקודם אקטיבית על ידי ה-Agricultural Industry Electronics Foundation, שעובד לתאם מבחני הסמכה משופרים עבור תקן ה-ISO 11783.

לפני ISObus, לחקלאים היו טרקטורים עם מערכות בקרה קנייניות שהגבילו גמישות, ביצועים ותפעוליות-בינית (Interoperability). ה-ISObus כולל מחברים, פרוטוקולים של תקשורת והנחיות הפעלה מתוקננים ומאפשר את הפיתוח של מערכות חיישן ובקרה בעלות חיבוריות-בינית מיצרנים שונים (איור 1‏). ISObus גם תומך בחשמול של מכשירי טרקטור, כולל מכשירי power take off ‏(PTO) מכניים מונעים חשמלית ומחברי מתח גבוה מדורגים עד 700 וולט (V) ו-100 קילו-ואט (kW‏‏) כדי להזין מכשירים מונעים חשמלית.

איור 1‏: ISObus יכול לאפשר את האינטגרציה של חיישנים ומכשירים מיצרנים שונים לתוך מערכת חבר-והפעל (plug-and-play). (מקור תמונה: Armin Weigel/dpa (תמונה על ידי Armin Weigel/picture alliance דרך Getty Images‏)

ה-ISObus מתפתח לפיתוח מערכת ניהול מכשירי טרקטור (TIM). כמצופה, הגרסה המתקדמת של ה-ISObus תאפשר למכשירים לספק משוב לטרקטור, לתמוך במיטוב של המערכת המשולבת טרקטור/מכשיר. היא גם תאפשר רמה גבוהה יותר של אינטגרציית חיישנים במכשירים התומכים בחקלאות מדייקת. הטרקטור יספק מודעות מיקום והמערכת המשולבת תאסוף נתונים באופן שוטף אודות תנאי הקרקע והיבול. עם תובנות מפורטות יותר, ניתן להגדיל יבול כמו גם קיימות.

טרקטורים חשמליים, השבחות וטרקטורים אוטונומיים

בנוסף להמשך הפיתוח של ה-ISObus, החשמול של טרקטורים יהיה חשוב בפריסה העתידית של כלי רכב אוטונומיים וקיימות חקלאית מוגדלת. הפחתת פליטות היא שיקול‏ חיוני. רבע מפליטות גז החממה העולמיות באות מחקלאות ומפעילויות קשורות לחקלאות, ופליטת טרקטור אחד שווה לפליטת 14 מכוניות.¹

טרקטורים חשמליים מתחילים להופיע. בנוסף להפחתת פליטה, טרקטורים חשמליים יכולים להקטין משמעותית עלויות דלק. טרקטורים חשמליים מוגבלים כרגע לדגמים קטנים יותר, מאחר וטרקטורים חשמליים גדולים, בעלי הספק גבוה, דורשים מארזי סוללה גדולים יותר מהגודל של טרקטור קונבנציונלי אותו הם אמורים להחליף. טרקטורים חשמליים גדולים גם שוקלים יותר, וכתוצאה מכך האדמה נדחסת יותר, דבר שאינו רצוי. לבסוף, זמני טעינה של מארזי סוללה גדולים הם ארוכים מדי בפעילות‏ חקלאית. כבר נמצאים בבדיקה טרקטורים חשמליים קטנים יותר עם מנועים מ-25 עד 70 כוח-סוס (HP), בערך 18.6 עד ‎52 kW‏‏, ומארזי סוללה קטנים. חשמול טרקטור הוא מעבר למערכת ההינע. הוא גם כולל החלפת הידראוליקה עבור הזנת ובקרת מכשירי טרקטור (איור 2‏).

איור 2‏: טרקטורים חשמליים קטנים עם מנועים מ-25 עד 70‎ HP נמצאים בבדיקה ומכינים אותם לפרישה. (מקור תמונה: תמונה על ידי brizmaker דרך Getty Images)

עבור טרקטורים גדולים יותר, קיימות ערכות השבחה היברידיות. לדוגמה, חברה אחת מציעה‏ ערכה עם גנרטור של 250‎ kW‏ הניתנת לצרוף למנוע הבעירה הפנימי הקיים של הטרקטור במקום המשאבה ההידראולית. הערכה גם כוללת ארבעה מנועים חשמליים להחלפת מערכת ההינע ההידראולית ותמסורת חשמלית להניע מכשירים קיימים. על ידי החלפת המערכת ההידראוליות, ערכת ההשבחה מקטינה עלויות דלק ותחזוקה ומגדילה את הזמינות והאמינות של הטרקטור החשמלי ההיברידי.

בדומה להשקה של מכוניות ומשאיות אוטונומיות, הפרישה של טרקטורים אוטונומיים מתמודדת עם עתיד לא מוגדר. לדוגמה, תקנות קיימות בקליפורניה דורשות שכל "ציוד עם הנעה-עצמית, כשנמצא בתנועה תחת כוחו העצמי, יהיה נוכח מפעיל ליד אמצעי בקרת הרכב". אוטונומיה מלאה תצטרך לחכות.

ריחוף מעל השדות

רחפנים משמשים כעת עבור מגוון רחב של משימות בחקלאות. הדוגמאות כוללות:

• דימות בריאות צמחים. רחפנים החליפו במידה רבה תצלומי לווין כדי לנטר בריאות יבול. מצוידים עם ציוד דימות Normalized Difference Vegetation Index‏ (NDVI), רחפנים מספקים תמונות צבע מפורטות היכולות לשמש לניטור בריאות צמחים. בעוד שלוקח זמן לשלוף תמונות לווין והן מספקות דיוק של מטר, רחפנים יכולים לספק תמונות עם דיוק של מילימטר ולתמוך בזיהוי ממוקד מאוד של מחלות, מזיקים או בעיות אחרות בזמן-אמת.
• ניטור מצב שדה. רחפנים גם מנטרים את מצב האדמה והניקוז בשדות שלמים. זה יכול לאפשר תוכניות השקיה יעילות וברות-קיימה יותר.
• שתילה. רחפנים אוטומטיים שותלי זרעים נפוצים בתעשיות הייעור ושימושם מתרחב לחקלאות כללית. רחפנים יכולים לשתול במהירות עצים או זרעים‏ ולהגיע לאזורים בלתי נגישים יותר ביעילות. לדוגמה, 400,000 עצים ניתנים לשתילה ליום על ידי צוות של שני מפעילים המשתמשים במספר רחפנים.
• יישומי ריסוס. השימוש ברחפנים כדי להעניק טיפולי ריסוס של דשנים וחומרי הדברה הוא יישום עולה ששימושו משתנה לפי אזור (איור 3‏). לדוגמה, בקוריאה הדרומית, משתמשים ברחפנים עבור כ-30% מהריסוס החקלאי. בעוד שבקנדה, איננו חוקי להשתמש ברחפנים עבור ריסוס חקלאי. בארה"ב, ריסוס רחפנים דורש הרשאה והסמכה כמחויב על ידי ה-Federal Aviation Administration‏ (FAA) ומחלקות החקלאות, העסקים והתובלה של המדינה.

איור 3: פותחו רחפנים גדולים שניתן להשתמש בהם עבור טיפולי ריסוס של דשנים ומדבירים. (תמונה: תמונה על ידי baranozdemir דרך Getty Images)

דיוק מייצר יותר עם פחות

אפילו לפני מימוש טרקטורים אוטונומיים, רחפנים וחשמול של טרקטורים ומכשירי טרקטור צפויים לתמוך בחקלאות מדייקת ולהגדיל קיימות.

בהתאם למחקר של איגוד יצרני הציוד [החקלאי] (AEM), השימוש בחקלאות מדייקת יכול להוביל לגידול של 4% ביבול, גידול של %‏7 ביעילות פיזור דשן, הפחתה של 9% בשימוש בקוטלי עשבים וקוטלי מזיקים, והפחתה של 6% בשימוש בדלקים פוסיליים^(2‏). נוסף לכך, עם השקיה מדייקת ניתן להפחית שימוש במים ב-4%.

מספרים אלה מבוססים על טכנולוגיה עכשווית. עם ההוספה של מערכות מחוברות ובינה מלאכותית (AI), שיפורים אלו צפויים להיות מוכפלים. הוספת למידת מכונה (ML‏) עבור תחזוקת ציוד מספקת חיסכון נוסף ושיפורים בקיימות.

בהתאם ל-AEM, שימוש בציוד חקלאי אוטונומי צפוי להביא לשיפור‏ אינקרמנטלי של 24% כשלוקחים בחשבון חסכונות השקעה כמו גם שיפורי יבול. גורם‏ משמעותי בשיפור זה הוא ההנחה שמכונות אוטונומיות יהיו קלות יותר מהציוד שהן מחליפות, והתוצאה מכך היא פחות דחיסה ותנאי אדמה משופרים.

בינה מלאכותית (AI) ולמידת מכונה (ML‏) יהיו גם קריטיות עבור פיתוח מכונות מדויקות ממוטבות עבור משימות ספציפיות. מכונות למשימה מיוחדת יכולות להיות אפילו קטנות יותר מטרקטורים לשימוש כללי. לדוגמה, מכונות קטנות למשימה מיוחדת מפותחות עבור קטיף, היכן שנדרשים ראיית מכונה, מגע עדין ומיומנות מדויקת.

הדברת עשבים שוטים היא תחום נוסף היכן שמכונות AI ו-ML מיוחדות למשימה מצופות לתרום משמעותית. הדברת עשבים שוטים היא קשה, עתירת עבודה, ואם לא מיושמת ביעילות, תורמת לשימוש בכמות גבוהה יותר של מים ולירידה בחומרי הזנת קרקע. מחזור זרעים הוא פתרון חלקי אך אינו יכול למנוע את הצורך בקוטלי עשבים או הדברת עשבים ידנית.‏ נמצאים תחת בדיקה רובוטים לניהול עשבים המשלבים ראיית מכונה (MV) עם AI ו-ML. מכונות קטנות אלו גם מקטינות למינימום דחיסת קרקע (איור 4‏).

איור 4: דוגמה של רובוטים אוטונומיים של קצירה המשלבים ראיית מכונה עם AI ו-ML. (מקור תמונה: תמונה על ידי onurdongel דרך Getty Images)

מערכת הפעלה (OS) חקלאית וציי ציוד אוטונומי

תעשיית החקלאות מביטה אל עתיד בו חוות אוטונומיות לחלוטין יהיו מבוקרות על ידי מערכת הפעלה (OS) מתוחכמת המסוגלת לנהל ציים מעורבים, כולל ציוד חקלאי אוטונומי כמו גם סטנדרטי, ועוד מכונות יבשתיות ורחפנים, כדי למקסם פרודוקטיביות וקיימות (איור 5). ציים אלו של ציוד חקלאי יופעלו בקואורדינציה כדי לעזור לבקר הוצאות הון, להקטין למינימום צורכי עבודה, ולספק את הביג דאטה הדרוש כדי לאפשר ביצוע אוטונומי וחקלאות מדייקת. נוסף לכך, מערכת ההפעלה (OS) החקלאית העתידית תהיה מתוקננת וממוטבת לתמוך‏ במגוון רחב של ציוד מספקים רבים. אימוץ ה-ISObus הוא הצעד הראשון בלבד בכיוון גישה מתוקננת, מקור-פתוח, לאוטומציה חקלאית.

איור 5: מספר גדול של מכונות חקלאיות אוטונומיות יבשתיות ומרחפות יוביל לרמות גבוהות יותר של קיימות. (מקור תמונה: תמונה על ידי Scharfsinn86 דרך Getty Images)

יתרונות נוספים המצופים ממערכת ההפעלה (OS) החקלאית הם‏ פליטות CO2 מופחתות, צריכת דלק נמוכה יותר ואופטימיזציה של טעינת וניהול סוללה. ניתוח נתונים של ביג דאטה גם כן ישחק תפקיד‏ חשוב בעתיד החקלאות. כמויות גדולות של נתוני זמן-אמת ישר מן השדה ישמשו לאימון שוטף של האלגוריתמים AI ו-ML הדרושים עבור קבלת החלטות, בקרה ותכנון תפעולי כדי למטב חקלאות מדייקת.

סיכום

אנחנו עדיין בימיה הראשונים של הפיתוח של כלי-רכב אוטונומיים לחקלאות מדייקת ברת-קיימא. התעשייה התחילה במורד השביל עם ISObus. הדור הבא של ISObus יתמוך בתפעוליות-בינית (Interoperability) מוגברת ויעזור להוביל לציים מורכבים יותר ובעלי חיבוריות-בינית רבה יותר של ציוד חקלאי. המטרה היא הפיתוח של מערכת הפעלה (OS) חקלאית היכולה לקחת ציים אלו של ציוד חקלאי, לשלבם עם נתוני חיישן זמן-אמת מסיביים תוך שימוש באלגוריתמים AI ו-ML ולפרוש אותם כמערכי קואורדינטות קרקע ומכונות מרחפות המיצרים רמות גבוהות של קיימות ופרודוקטיביות.

1. טרקטורים אוטונומיים עם מוחות של רובוט באים להשתלט על החקלאות, Autoweek
2. היתרונות הסביבתיים של חקלאות מדייקת מכמתת, AEM