Agrorobootika töörühm

Agrorobootika töörühm on välja kasvanud põllundustehnika töörühmast, mille varasemate arengute hulka kuulub kultuurmustika masinviljelustehnoloogia väljatöötamine ammendunud freesturbaväljadele. Eelmisel kümnendil töötati välja ja võeti kasutusele mehitatud masinad ning seadmed, mis lõid aluse edasistele innovatsioonidele. 

2018. aastal tehti esimesed katsetused mehitamata masinate arendamiseks ning kahe aasta pärast, 2020. aastal, esitati arengufondi projektitaotlus kultuurmarjade täppisviljelustehnoloogia väljatöötamiseks. Hindamiskomisjon andis projektile positiivse hinnangu ning otsustas seda rahastada nelja aasta jooksul (PM210001TIBT).

2021. aastal algas tehnoloogiliste seadmete arendamine, mille keskmes oli tehnoloogiliste operatsioonide robotiseerimine. Peamiseks eesmärgiks sai robotväeturi ja selleks vajaliku taristu väljatöötamine. Tänaseks on agrorobootika töörühma teadus- ja arendustegevuse fookuses täppisviljelus ning robottehniliste süsteemide arendamine, mis võimaldab põllumajanduses suuremat efektiivsust ja täpsust.

Agrorobootika töörühma liikmed.

Agrorobootika töörühma moodustavad:

Töörühma juht on professor Jüri Oltlink opens in new page. 

Töörühmaga on seotud mitmed bakalaureuse (tehnika- ja tehnoloogia), rakenduskõrgharidusõppe (tehnotroonika) ning magistriastme (tootmistehnika) üliõpilased, kes on koostanud ja kaitsnud 33 lõputööd.

Agrorobootika töörühma liikmed.
Väetisegraanulite kompuutertomograafiga modelleeritud mudelid Substral, Agro Organic ja Agro NPK.
Väetisegraanulite kompuutertomograafiga modelleeritud mudelid Substral, Agro Organic ja Agro NPK.

Mustikaistandiku robotväeturi täppisväetusseadme projekteerimiseks vajalikud põhifunktsioonid:

  1. marjaistandikus on istikud istutatud ridadesse sammuga ehk vahekaugusega 0,9 m kuni 1,5 m ja sama või mis tahes muu laiusega ning seetõttu peab robotväetur liikuma põllul piki taimerida sirgjooneliselt optimaalse liikumisrežiimiga vm;
  2. marjataimi tuleb vegetatsiooniperioodi jooksul väetada 2 kuni 3 korda, annustades väetist ette nähtud koguse, täpsemalt 15 kuni 80 grammi ühe taime kohta, esimestel aastatel vähem, hiljem rohkem, mistõttu peab robotväeturi annusti olema seadistatav ette nähtud väetuskoguste annustamiseks. Dosaatori seadistamisvõimalus peab olema tagatud arvestusega, et taimede erinevatel vegetatsiooniperioodidel ehk aastaaegadel, kevadel, suvel ja sügisel kasutatakse väetamiseks erinevaid väetisi, mis kõik on tehniliselt erinevate granulomeetriliste parameetritega (Joonis 1);
  3. autonoomse robotväeturi põhifunktsioonide hulka kuulub lisaks väetise täpsele annustamisele veel taimede ja taimerea tuvastamine ning keskkonnamõju minimeerimiseks väetise suunamine ette nähtud kohta taime lähedusse, täpsemalt taime võra alla.

Joonis 1. Väetisegraanulite kompuutertomograafiga modelleeritud mudelid Substral, Agro Organic ja Agro NPK.

Mustikaväetiste mahu ja massi vaheline sõltuvus
Joonis 2. Mustikaväetiste mahu ja massi vaheline sõltuvus (Lillerand et al., 2022).
Väetiste graanulite keskmiste läbimõõtude jaotuskõverad
Joonis 3. Väetiste graanulite keskmiste läbimõõtude jaotuskõverad (Lillerand et al., 2021).
Kompuutertomograafi YXLON FF35 CT abil skaneeritud reaalne mustikataim

Joonis 4. Kompuutertomograafi YXLON FF35 CT abil skaneeritud reaalne mustikataim.

Ette nähtud väetisekoguse suunamiseks õigesse kohta taime (joonis 4) võra alla, peab robot olema varustatud masinnägemise ja taimetuvastamise süsteemiga, mis tugineb tehisintellekti (AI), masinõppe ja pilditöötluse võimekusele. See võimaldab tuvastada põllul väetatavat taime, määrata selle täpne asukoht ja tervislik seisund ning optimeerida masina tööd (joonised 5 ja 6).

Kompuutertomograafi YXLON FF35 CT abil skaneeritud reaalne mustikataim
Mustikataime võra YOLOv5 põhise tuvastamise protsess
Joonis 5. Mustikataime võra YOLOv5 põhise tuvastamise protsess (Zaman et al., 2024).
YOLOv5 võrgu arhitektuur
Joonis 6. YOLOv5 võrgu arhitektuur (Zaman et al., 2024).
Robotväetur

Joonis 7. Robotväeturi prototüüp.

Modelleeriti ja valmistati robotväeturi (joonis 7) prototüüp ning varustati see soonrulltüüpi annustiga (joonis 8).

Robotväetur
Mustikaväetise graanulite paiknemine soonrulldosaatoris
Joonis 8. Mustikaväetise graanulite paiknemine soonrulldosaatoris.
Roboti aku prototüüp

Joonis 9. Robotväeturi aku prototüüp.

Vähendamaks keskkonna saastamist heitgaasidega peab robotväetur (joonis 7) olema varustatud elektriajamiga. Elektriajam aga vajab oma toimimiseks elektrienergiat, mis saadakse akust (joonis 9).

Töö tegemise ajal roboti aku tühjeneb. Tühjenenud akut ei ole võimalik laadida hetkega, see nõuab palju aega, mis mõjutab negatiivselt tööaja kasutamist ning seoses sellega põllundusroboti tootlikkust. Selle probleemi lahendamiseks tuli välja arendada aku kiirvahetamise ja laadimise seade (joonis 10). Aku vahetamise tsükkel vältab 3,2 minutit. 

Roboti aku prototüüp
aku kiirvahetamise ja laadimise seadme mudel
Joonis 10a. Aku kiirvahetamise ja laadimise seadme mudel.
Roboti aku kiirvahetamise ja laadimise seade
Joonis 10b. Roboti aku kiirvahetamise ja laadimise seade.
Elektriauto laadimine energiatootmisjaamas
Elektriauto laadimine energiatootmisjaamas

Joonis 11. Elektriauto laadimine energiatootmisjaamas.

Selleks, et põllundusrobot saaks põldudel, mille ääres enamasti pole statsionaarseid elektriliine, efektiivselt ja tõrgeteta töötada, peab selle tööd toetama lokaalne energiatootmisjaam (joonis 11), mille põhifunktsioonid on järgmised:

  1. elektrienergia, eelistatult rohenergia, tootmine;
  2. toodetud energia salvestamine;
  3. autonoomse põllundusroboti töö käigus tühjenenud aku laadimine;
  4. autonoomse põllundusroboti tühjenenud aku kiire vahetamine energiatootmisjaamas laetud akuga.
Energiatootmisjaam transpordiasendis

Joonis 12. Energiatootmisjaam transpordiasendis.

Selline energiatootmisjaam on autonoomne ja teisaldatav, sisaldades šassiid, šassiile paigutatud pealisehitist, selle peale kinnitatud juhitamatut elektrienergia allikat päikesepaneele sisaldavat tasapinnalist päikesejaama ja juhitavat elektrienergiaallikat generaatori näol, energiasalvestit, toodetud elektrienergia salvestamiseks, laadimisseadist roboti tühjenenud aku laadimiseks ja kontrollerit jaama täiturite juhtimiseks. Energiatootmisjaam sisaldab täiendavalt rõhtse tasapinnalise katusega varustatud pealisehitise ülemise serva külge liigendiliselt kinnitatud eesmist ja tagumist pööratavat otsa ning vasakut ja paremat pööratavat külge, mille välispinnale on kinnitatud kohtkindlalt päikesepaneelid ja mille kaldne asend on asendi ajami abil tööasendis muudetav. Transpordiasendis on jaama otsad ja küljed kokku pakitult vertikaalses asendis pealisehitise alumise serva külge lukustatud, moodustades kompaktse ja liikluskõlbliku üksuse (joonis 12).

Energiatootmisjaam transpordiasendis
Joonis 13. Energiatootmisjaama osade vaheline suhtlus.
Joonis 13. Energiatootmisjaama osade vaheline suhtlus.
Agrorobootika töörühma logo
Agrorobootika töörühma logo

Agrorobootika töörühma olulisemad arendused:

  1. Autonoomne elektriline robotväetur (patent EE 05841 B1link opens in new page),
  2. Robotväeturi täppisväetusseade (patenditaotlus P202400027)
  3. Energiatootmisjaam (patendidokument EE 202300003 Alink opens in new page)
  4. Aku kiirvahetusseade (patent EE 05874 B1link opens in new page)
  5. Generaatori ajam – mebraanmootor (patenditaotlus P202400023).

Arendustöödega seotud laborid

Robotväetur

Agrorobootika labor

Agrorobootika labor on...

Põllundustehnika labor

Meestudeng mootorite katselaboris

Mootorite katselabor

Meestudeng mõõtelaboris.

Mõõtelabor

Mõõtelabor on..

Kompuutertomograafia labor

Kompuutertomograafia labor

Kompuutertomograafia labor on..

Õppe- ja eksperimentaalne töökoda

Publikatsioonid

Olt, J., Liivapuu, O., Virro, I., Lillerand, T. 2024. Designing a Fertilizing Robot Application Considering Energy Effinciency. Environmental and Climate Technologies, vol. 28, no 1, pp. 258-268. DOI: 10.2478/rtuect-2024-0021link opens in new page.

Olt, J., Ihnatiev, Y., Lillerand, T., Virro, I. 2024. Development of a Battery Swapping and Charging Unit in Servicing Station for Farming Robot: A Review.  In: Lorencowicz, E., Huyghebaert, B., Uziak, J. (eds) Farm Machinery and Processes Management in Sustainable Agriculture. FMPMSA 2024. Lecture Notes in Civil Engineering, vol 609, pp. 333-345. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-031-70955-5_37link opens in new page.

Zaman, AGM., Roy, K., Olt, J. 2024. Normalized Difference Vegetation Index Prediction for Blueberry Plant Health from RGB Images: A Clustering and Deep Learning Approach. AgriEngineering, 6(4), 4831–4850. https://doi.org/10.3390/agriengineering6040276link opens in new page.

Mahmoud, N T A., Virro, I., Zaman, A G M., Lillerand, T., Chan, W T., Liivapuu, O., Roy, K., Olt, J. 2024. Robust Object Detection Method under Smooth Perturbations in Blueberry Farming. AgriEngineering, 6(4), 4570–4584. https://doi.org/10.3390/agriengineering6040261link opens in new page.

Zaman, AGM., Mahmoud, N., Virro, I., Liivapuu, O., Lillerand, T., Roy, K., Olt, J. 2024. Learning with small data: A novel framework for blueberry root collar detection, Proceedings of the 35th DAAAM International Symposium, pp. 0312-0321, B. Katalinic (Ed.), Published by DAAAM International, ISBN 978-3-902734-44-0, ISSN 1726-9679, Vienna, Austria. DOI: 10.2507/35th.daaam.proceedings.043link opens in new page.

Lillerand, T., Reinvee, M., Virro, I., Olt, J. 2022. Feasibility analysis of fluted roller dispenser application for precision fertilization. INMATEH - Agricultural Engineering, 68 (3), 415−423. DOI: 10.35633/inmateh-68-41link opens in new page.

Virro, I., Lillerand, T., Olt, J. 2022. Mobile Robot Cobot Manipulator Mounting Direction Adjustment Dependant on Gravity Vector. In: Proceedings of the 33rd International DAAAM Symposium 2022. (0390−0396). DAAAM International. (DAAAM Proceedings; 1), B. Katalinic (Ed.). DOI: 10.2507/33rd.daaam.proceedings.055link opens in new page.

Lillerand, T., Virro, I., Maksarov, V., Olt, J. 2021. Granulometric Parameters of Solid Blueberry Fertilizers and Their Suitability for Precision Fertilization. Agronomy, 11 (8), 1576. DOI: 10.3390/agronomy11081576link opens in new page.

Soots, K., Lillerand, T., Jõgi, E., Virro, I., Olt, J. 2021. Feasibility analysis of cultivated berry field layout for automated cultivation. Proceedings of 20th International Scientific Conference ENGINEERING FOR RURAL DEVELOPMENT, 20: 20th International Scientific Conference Engineering for Rural Development, May 26-28, 2021. Jelgava, Latvia: Latvia University of Life Sciences and Technologies, 1003−1008. DOI: 10.22616/ERDev.2021.20.TF222link opens in new page.

Virro, I., Arak, M., Maksarov, V. Olt, J. 2020. Precision fertilisation technologies for berry plantation. Agronomy Research, 18 (S4), 2797−2810. DOI: 10.15159/AR.20.207link opens in new page.

Arak, M., Olt, J. 2020. Technological description for automating the cultivation of blueberries in blueberry plantations established on depleted peat milling fields. Proceedings of the 9th International Scientific Conference Rural Development 2019: 9th International Scientific Conference Rural Development 2019. Research and Innovation for Bioeconomy. Ed. Asta Raupeliene. Kaunas: Vytautas Magnus University, 98−103. DOI: 10.15544/RD.2019.024link opens in new page.

Olt, J.; Bulgakov, V.; Adamchuk, V.; Kuvachov, V.; Liivapuu, O. 2024. Theoretical study of the movement of the wide span machine in quasi-static turning mode. Agronomy Research, 22 (1), 217−226. DOI: 10.15159/AR.24.042link opens in new page.