Манодж Карки (в центре), доцент кафедры инженерии биологических систем Университета штата Вашингтон; Джек Малджаарс (слева) и Грант Де Врис из Vine Tech Equipment на фоне оборудования для прореживания побегов (середина июня 2022 года). Сотрудничество проходит в рамках партнерства между WSU и Vine Tech и финансируется Комиссией по виноделию штата Вашингтон.
Винодельческая промышленность штата Вашингтон сотрудничает с исследователями и частным сектором, чтобы воплотить в жизнь технологию, которая изменит ситуацию на виноградниках. Исследователям, работающим при поддержке Комиссии по виноделию штата Вашингтон, потребовалось три года, чтобы разработать механическое устройство для прореживания зеленых побегов на виноградниках.
После внедрения новой автоматизированной технологии, производители смогут сэкономить около 625 долларов на гектар, так как механическое прореживание побегов будет проведено точно и последовательно.
Потенциальным препятствием для сельскохозяйственных исследований является передачи результатов исследования пользователям для внедрения, поэтому комиссия по виноделию штата Вашингтон финансирует интеграцию новых исследовательских технологий с коммерчески доступным оборудованием. В данном случае речь идет об автоматизированном механическом устройстве для точного прореживания побегов, над которым работали инженеры и ученые из Университета штата Вашингтон в сотрудничестве с Vine Tech Equipment of Prosser, штат Вашингтон.
Исследованиями по разработке точного механического решения для прореживания побегов на виноградниках руководят Цинь Чжан из WSU, директор университетского Центра точных и автоматизированных сельскохозяйственных систем; Манодж Карки, инженер биологических систем и робототехник из CPAAS. Сафал Кшетри, научный сотрудник WSU, работает над интеграцией технологий.
Проект финансируется комиссией по виноделию и программой Specialty Crop Block Grant Министерства сельского хозяйства штата Вашингтон. Работы проводятся уже в течение трех лет.
Кшетри (слева) и Де Врис обсуждают особенности роста виноградной лозы, которые затрудняют коммерциализацию автоматизации.
От механизации к автоматизации.
Прореживание побегов на виноградниках проводится для улучшения равномерности, расстояния и направления роста побегов; лучшего проникновения света и движения воздуха; регулирования нагрузки; корректировки соотношения площади листьев к урожаю. В настоящее время практически все работы на виноградниках механизированы. Но, несмотря на широкий выбор инструментов и оборудования для прореживания побегов, этот метод имеет ограничения и не получил широкого распространения для производства технических сортов винограда. Обычно побеги удаляют вручную. Это трудоемкий и дорогостоящий процесс и в штате Вашингтон часто проводиться в период высокого спроса на сотрудников для выращивания плодовых деревьев.
Механизированное прореживание побегов потенциально сэкономит около 625 долларов США на гектар. Однако эффективность имеющихся механических прореживателей побегов зависит от мастерства специалиста. Во время движения трактора по ряду виноградника специалист использует джойстик, чтобы следовать траектории формировки, и должен постоянно перемещать прореживающие головки вверх или вниз, внутрь или наружу, при этом на реакцию остаются считанные секунды. Прореживающие головки представляют собой цилиндрические вальцы с гибкими пластиковыми хлыстами — как те, что используются для прополки сорняков, но на стероидах. Интенсивность прореживания определяется скоростью трактора и углом наклона прореживающей головки. Хотя коммерческие устройства эффективны при использовании для удаления побегов, результат прореживания зависит от человеческого фактора.
Система визуализации.
Сложность автоматизации прореживания побегов заключается в том, чтобы камера (на фото в центре) постоянно отслеживала траекторию формировки куста и перемещала прореживающие хлысты вверх, вниз, внутрь и наружу, соответственно, в режиме реального времени.
Для решения проблемы необходимо автоматизировать регулировку высоты для точного позиционирования прореживающих головок. Для этого Чжан, Карки и их исследовательская группа сначала разработали систему машинного зрения, состоящую из камер, анализа изображений и методов глубокого обучения, чтобы определить местоположение и траекторию кордона и ствола, а также плотности побегов вдоль кордона. Как только система технического зрения смогла увидеть и проследить за кордоном, к прототипу машины были добавлены пневматические приводы — для быстрой регулировки высоты, ориентации и скорости роликов, чтобы точно удалять требуемые побеги на основе данных, полученных от системы визуализации.
Исследовательская группа построила экспериментальный прототип и установила его на автомобиль. Прототип отслеживает высоту и ширину кордона и побегов, чтобы автоматизировать прореживание побегов. В настоящее время WSU дорабатывает эту систему, чтобы прототип мог непрерывно наблюдать за зеленым пологом и повысить скорость обработки данных.
Сотрудничество.
Последний этап, в который вмешалась комиссия по виноделию, — это поддержка интеграции исследовательской технологии с коммерческим подразделением. На этом этапе новая технология часто «ожидает» пока не найдется покупатель, заинтересованный в коммерциализации. Поддержав эту интеграцию, мы сможем довести исследование до конца и передать их виноградарям.
Инженер-исследователь WSU Сафал Кшетри (слева) и Джакомо Толомелли из WSU проводят испытания прототипа автоматизированной технологии прореживания побегов на исследовательском винограднике университета Роза.
Vine Tech с самых первых дней участвовала в проекте WSU, поэтому исследовательская группа хорошо ориентируется в потребностях производителей и нацелена на коммерциализацию. Vine Tech в настоящее время работает над интеграцией данных, полученных от прототипа WSU, и их сопоставлением с уже доступным механическим прореживателем побегов. Vine Tech также планирует внести изменения в прототип, например, использовать гидравлику вместо пневматики, потому что пневматические системы могут работать нестабильно.
Самым большим изменением конструкции Vine Tech станет разработка двухрядной машины для прореживания побегов. Это позволит сделать прореживатель побегов более эффективным и доступным для больших и малых виноградников. Двухрядный механический прореживатель побегов был бы практически невозможен без автоматизации движения прореживающей головки. Vine Tech работает над тем, чтобы к 2023 году была готова двухрядная коммерческая установка, что станет переломным моментом для винодельческой промышленности Вашингтона.
— Мелисса Хансен, goodfruit.com
