CSA-robot zal mechanische onkruidbestrijding vereenvoudigen in biologische beddenteelt

De landbouw, en zeker de kleinschalige landbouw, staan nu én in de toekomst voor heel wat uitdagingen. Op het vlak van klimaat en milieu wordt de sector onder steeds grotere druk gezet, terwijl financiële rendabiliteit van het eigen bedrijf eigenlijk op de eerste plaats moet staan. Duurzaam omgaan met je land, en inspelen op technologische smart farming innovaties zoals robots om arbeidsintensieve, repetitieve taken te automatiseren, kan deel van de oplossing zijn.

Simon Cool, coördinator van het ILVO living lab Agrifood Technology en projectleider van het CSA-robot project binnen ILVO, ziet een sterke vraag bij de kleinschalige biolandbouw: “In de gangbare landbouw kiezen landbouwers voor grotere en zwaardere machines om zo de performantie en arbeidsefficiëntie te verhogen. Kleinere biotelers, waaronder meer en meer Community Supported Agriculture (CSA) bedrijven, hebben vaak minder financiële mogelijkheden om grote investeringen te doen en bijhorende risico’s te dragen. Bovendien is bij veel teelten de vraag naar handenarbeid nog steeds groot”. Robots kunnen bepaalde arbeidsintensieve taken automatiseren, wat een aanzienlijke besparing aan personeelskost kan betekenen. Uit een rondvraag bij biologische groentetelers, blijkt dat vooral het verder automatiseren van mechanische onkruidbestrijding een grote stap vooruit zou betekenen.

Op dit moment zijn er al enkele robots op de markt die specifiek op deze taak zijn gericht. De kostprijs en beperkte flexibiliteit vormt echter vaak nog een belangrijk struikelblok, zeker voor de kleinere telers. Een multi-inzetbare robot, die naast onkruid wieden bijvoorbeeld ook kan gebruikt worden om te zaaien, bemesten en oogsten, zou soelaas bieden.” Cool weet dat landbouwers best vindingrijk zijn wat betreft tools en machines: “Ik weet dat sommige telers in de bioteelt veel zelf bouwen, of machines aanpassen aan eigen noden of taken, op maat van hun bedrijf. In Frankrijk is L’Atelier Paysan hier een mooi voorbeeld van. Ook in België zijn er initiatieven: in februari organiseerde het Coördinatiecentrum praktijkgericht onderzoek en voorlichting voor de biologische teelt (CCBT) bijvoorbeeld de bricoleursweek waarbij elektrische rolstoelen werden omgebouwd tot wiedbed.” Tegelijk erkent hij dat voor het ontwikkelen van een volautomatisch systeem als een robot veel specifieke kennis nodig is. De landbouwer moet niet alleen kennis hebben over agronomie, maar ook van mechanica, elektronica, regeltechniek, controletheorie,… Cool: “Niet elke landbouwer heeft die kennis, waardoor pogingen er vaak niet in slagen de overstap te doen naar effectieve implementatie binnen het bedrijf.”

Bij de projectpartners is die kennis er wel. “Er is technologisch heel wat mogelijk en die mogelijkheden willen we inzetten voor de landbouwer. We willen een stuk expertise overdragen vanuit de betrokken kennisinstellingen naar de doelgroep en op die manier bijdragen tot een duurzamere en efficiëntere toekomst voor de sector”, klinkt het vastberaden.

Vanuit de praktijk

Om de robot zo functioneel en efficiënt mogelijk te maken, is dialoog met de landbouwer broodnodig. Cool: “De partners in het project, waaronder UGent - AIRO en het ILVO, hebben de technische kennis rond hardware en software, maar de landbouwer heeft als eindgebruiker ook expertise die we willen benutten. We hebben binnen het project contact met 6 biotelers die we via ons living lab vanaf het begin bij het ontwikkelingsproces betrekken”, klinkt het. “Door die samenwerking kunnen we garanderen dat wat ontwikkeld wordt ook effectief een meerwaarde kan betekenen in de praktijk”.

Eén van de zaken die door de nauwe betrokkenheid van de telers naar boven kwamen, is mechanische onkruidbestrijding, en dan vooral de correctiebehandeling in de rij. “Landbouwers hebben schrik om hun gewassen te beschadigen, wat een verlies betekent in opbrengst. Bovendien is manueel onkruid wieden niet ergonomisch en heel repetitief werk”, aldus Cool. Een ander belangrijk aspect voor de telers is het onderhoud en aanpasbaarheid van het robotplatform. “Ze wensen een hoge flexibiliteit, zodat ze de onderdelen zelf kunnen herstellen moest er iets kapot gaan of zodat ze aanpassingen kunnen doen op maat”. Ten slotte en niet onbelangrijk, is de inzetbaarheid. “Hoe meer taken de robot kan, hoe hoger de rendabiliteit van de investering. Daarom geloven we in een breed inzetbaar, flexibel platform dat taakspecifieke werktuigen kan aansturen. Werktuigen die even goed door de telers zelf geconstrueerd kunnen worden.”

Ontworpen voor beddenteelt

Het project rond de CSA-robot is al even bezig en de eerste fase is al achter de rug. Het mechanisch ontwerp, dat gestart is vanuit eenvoudige schetsen (zie foto), is zo uitgegroeid tot een heus prototype, voorzien van de nodige sensoriek en actuatoren. De vormgeving is ingesteld op de biologische beddenteelt, waarbij momenteel wordt gefocust op rode biet als proof of concept. “Rode biet is een ideaal modelgewas, enerzijds omwille van praktijkrelevantie maar ook omwille van de fysiologie en kleur, zo kan de robot goed het onderscheid zien tussen het gewas en de onkruidplanten.” Op termijn is uitbreiding naar andere gewassen zeker mogelijk. “Het principe blijft immers hetzelfde”, klinkt het.

Naast de breedte van de bedden moest ook rekening worden gehouden met de hoogte van het gewas, het oneffen terrein en andere technische vereisten die werden afgetoetst met de telers. “Zo moet het gewicht van de robot minimaal zijn om bodemcompactie te reduceren en transport eenvoudig per aanhangwagen kan gebeuren, maar tegelijkertijd moet het ontwerp robuust genoeg zijn voor de ruwe veldomstandigheden. De ophanging is gebaseerd op het ontwerp van de mars rover, met een differentiële ophanging zodat de wielen zoveel mogelijk contact blijven houden met de grond. Doordat slechts twee motoren worden gebruikt voor zowel aandrijving als sturing, wordt de kost van het platform zo laag mogelijk gehouden. Daarnaast moet ook aandacht besteed worden aan gebruiksvriendelijkheid en energie-efficiëntie”, vertelt Cool.

Autonoom rijden

In een tweede fase wordt momenteel gefocust op de sturing en autonome navigatie, zodat het robotplatform zelfstandig rond kan rijden. Prof. Francis Wyffels van de UGent: “We hebben rtk-gps toegevoegd, waarmee de positie van de robot op aarde met centimeternauwkeurigheid kan bepaald worden. Door twee antennes te gebruiken kan bovendien ook de oriëntatie tegenover het noorden worden bepaald”. Deze sensordata dienen vervolgens als input voor een controlealgoritme dat de motoren aanstuurt en de robot autonoom doet navigeren. Op deze manier kan de robot van punt a naar punt b kan rijden, of een specifiek traject volgen.”

Praktisch gezien zijn er twee manieren om de robot dit traject ‘aan te leren’. Enerzijds kunnen de groeibedden via een manuele rtk gps worden ingelezen. Een tweede, in de praktijk meer haalbare manier is de ‘teach and playback’ methode. Hierbij wordt de robot eenmaal via afstandsbediening over het traject gestuurd, hierbij wordt het traject opgeslagen en weet de robot exact waar de groeibedden liggen voor de uit te voeren acties later in het groeiseizoen. Omdat gebruikgemaakt wordt van rtk gps wordt snel aan een hoge kostprijs gedacht, maar dat is “onterecht” klinkt het, “Multi-band GNSS modules zijn tegenwoordig zeer betaalbaar. Bovendien kan in Vlaanderen gratis gebruikgemaakt worden van de Flemish Positioning Service (FLEPOS), een dienstverlening van Informatie Vlaanderen waarbij correctiesiginalen via mobiel internet worden verspreid”.

De robot eveneens voorzien van sensoren om obstakels te detecteren, die toelaten de robot tijdig en op een veilige manier te stoppen. De snelheid van de robot hangt sterk af van de applicatie en is traploos instelbaar. “Dat heeft zijn voor- en nadelen. Hoe sneller je gaat, hoe meer rekening je moet houden met veiligheid en hoe groter de zone moet zijn om tijdig te kunnen remmen bij een obstakel”, klinkt het.

Taakspecifiek gereedschap

In een derde en laatste fase die in juli is gestart, wordt gewerkt aan taakspecifieke werktuigen die aan het multi-inzetbaar platform kunnen worden gekoppeld. Belangrijk hierbij is een gestandaardiseerde communicatie tussen de robot en het werktuig, beide moeten immers op een gebruiksvriendelijke manier gekoppeld kunnen worden en informatie kunnen uitwisselen. Binnen het project wordt een robotarm ontwikkeld die de onkruidplantjes via een end-effector aanpakt nadat een camera ze heeft herkend als onkruid. In een eerste stap is het de bedoeling om opkomende onkruiden in het witte dradenstadium met een stempel in de grond te drukken zodat ze niet meer kunnen uitschieten, maar ook andere methodes worden onderzocht. Er zijn immers heel wat mogelijkheden om onkruid aan te pakken: via stoom, branden, met een schoffelmes, een roterende actuator of een grijper,... Het type onkruid en hun groeistadium bepaalt de meest optimale bestrijding. “Het zou dus ook mooi zijn als we via artificiële intelligentie het type en het ontwikkelingsstadium kunnen herkennen om de bestrijding erop af te stemmen.

Data verzamelen

Naast het koppelen van een bepaalde actie, is het mogelijk om de robot te gebruiken om data te verzamelen op het veld. “Een robot die regelmatig over het gewas rijdt, kan veel gedetailleerde data verzamelen die kunnen resulteren in nuttige informatie voor de landbouwer”, klinkt het. Dit kan de landbouwer helpen in zijn teeltbeslissingen. “Zo kan de robot op termijn plagen, ziekten of droogtesymptomen herkennen. Ook kan hij er de groei van de planten mee opvolgen”, gaat hij verder. Het dataluik als het detecteren van anomalieën via semi- en niet-gesuperviseerde artificiële intelligentie wordt momenteel in twee doctoraatstudies door het ILVO en UGent onderzocht, parallel met dit project.

En de prijs?

Over de kostprijs hebben de onderzoekers nog geen zekerheid. “Het is een uitdaging om een goed evenwicht te vinden tussen kostprijs enerzijds en multi-inzetbaarheid, robuustheid, duurzaamheid en veiligheid anderzijds”, geeft hij mee. Als de oplossing door een commerciële partner wordt vermarkt, zal alles afhangen van de uiteindelijke componentkeuze en de ontwikkelingskost. “Veel hangt ook af van het gekozen businessmodel: kopen of leasen? Kant-en-klaar of bouwpakket? Dat zijn ook zaken die de prijs bepalen.”

Voor de landbouwer is rendabiliteit uiteraard belangrijk. “Op dit moment proberen we alvast naar manieren te zoeken om de kost te drukken zonder de flexibiliteit te beïnvloeden. Door te kiezen voor een tweewielaangestuurde differentiële robot worden slechts twee motoren gebruikt voor de actuatie van de robot.”, zegt Cool. “In ieder geval zal de robot niet meer mogen kosten dan de duurste machine op het bedrijf momenteel”, erkent hij. “Later in het project zullen we een meer genuanceerd beeld kunnen geven van de prijs”.

Het project loopt nog tot juli volgend jaar. “Omdat we er echt mogelijkheden in zien, willen we zeker inzetten op een vervolgtraject”, geeft de expert mee, “Op basis van de kennis die we opdoen, willen we een open ecosysteem creëren, waarbij zowel geïnteresseerde telers als constructeurs betrokken kunnen worden om op een flexibele manier robots en werktuigen op maat van kleinschalige bio-bedrijven te ontwikkelen”.

Marlies Vleugels