Un robot inteligente con una cámara industrial uEye+ elimina la necesidad de herbicidas

Adiós a las malas hierbas (y a los herbicidas)

Un robot inteligente con una cámara industrial uEye+ elimina la necesidad de herbicidas

Los productos fitosanitarios son parte integrante de la agricultura actual. Su objetivo es proteger los cultivos evitando la presencia de malas hierbas y plagas. Según la Agencia Federal de Medio Ambiente de Alemania, el 50,6% de los productos fitosanitarios utilizados en 2019 fueron herbicidas. Lamentablemente su acción protectora va asociada a numerosos riesgos para el ser humano y el medio ambiente, y ponen en peligro la biodiversidad y la calidad del agua de las zonas adyacentes. La biodiversidad está disminuyendo. El proyecto Rowesys de estudiantes de la Escuela Politécnica Federal (ETH) de Zúrich arrancó en el verano de 2019 con el objetivo de desarrollar un robot para lograr una agricultura más sostenible que evitara el uso excesivo de herbicidas. El robot incorpora en su parte inferior una cámara industrial uEye+ con interfaz de visión GigE de IDS Imaging Development Systems GmbH.

Aplicación

El equipo, formado por diez estudiantes de ingeniería electrónica, ingeniería mecánica y diseño industrial, construyó un primer prototipo funcional llamado Rosie en sólo nueve meses. El robot dispone de una carcasa exterior que protege todos los componentes del interior: dos potentes baterías y una caja de control que contiene la mayoría de los componentes eléctricos del sistema. Una estructura de perfiles de aluminio forma el esqueleto del robot. Con la ayuda de cuatro pequeñas rejas de arado con sendos muelles, Rosie elimina las malas hierbas de entre las plantas sembradas de forma exclusivamente mecánica. Las rejas se arrastran por el suelo detrás del robot a la izquierda y a la derecha de las hileras de plantas. Esto significa que se puede prescindir del uso de herbicidas perjudiciales para el medio ambiente. Como el robot se desplaza de forma autónoma por el campo, el esfuerzo del agricultor se reduce al mínimo. También se puede de controlar de forma suave e intuitiva mediante un joystick.

Rosie en acción: el objetivo es hacer un seguimiento a largo plazo de las plantas
Rosie en acción: el objetivo es hacer un seguimiento a largo plazo de las plantas

El equipo está trabajando en el desarrollo y la optimización del sistema. El plan de la jornada es realizar varias tareas de seguimiento. El objetivo es observar las plantas a largo plazo para proporcionar al agricultor o al ganadero, entre otras cosas, información sobre la evolución de su crecimiento. Para ello se equipó a Rosie con una robusta cámara industrial IDS. "Utilizando las imágenes, distinguimos entre la planta cultivada y las malas hierbas para eliminar estas últimas sin herbicidas" Esto permite a una herramienta situada debajo del robot eliminar la maleza que rodea las plantas. "En el futuro se podrá extraer mucha más información gracias al procesamiento inteligente de imágenes, desde datos para calcular el rendimiento hasta la detección temprana de enfermedades de las plantas", explica Timo Schönegg, de la ETH de Zúrich - proyecto Rowesys focus.

Mientras el robot recorre el campo registra las plantas del maíz desde arriba.
Mientras el robot recorre el campo registra las plantas del maíz desde arriba.

Cámara

El modelo de cámara utilizado debe cumplir unos requisitos especiales para poder trabajar en el campo. "Para los análisis que hacemos necesitamos una cámara con un sensor de color de alta resolución y un tiempo de exposición bajo que permita obtener imágenes nítidas a pesar del movimiento constante del robot. Dado que va a exponerse a la intemperie y las condiciones pueden ser duras en función del clima, también tiene que estar protegida contra el polvo y las salpicaduras de agua", explica Timo Schönegg. Otros criterios de selección fueron la compatibilidad con Linux/ROS, un diseño compacto y una transmisión de datos rápida para obtener tiempos de respuesta cortos. También era necesaria la posibilidad de utilizar objetivos gran angular.

El equipo Rowesys eligió una uEye+ modelo GV-5040FA-C-HQ.

Estamos muy satisfechos con la cámara que hemos elegido. Ha cumplido con creces nuestros elevados requisitos y nos ha permitido recopilar muchos datos en los últimos meses, que nos permitirán seguir entrenando a nuestro software.

— Timo Schönegg, ETH Zúrich - Proyecto Rowesys —

Este modelo forma parte de la familia uEye FA, por lo que es especialmente robusto y resulta ideal para entornos exigentes gracias a su protección IP65/67. Las funciones internas de la cámara como el preprocesamiento de píxeles, LUT o gamma reducen al mínimo el rendimiento necesario del ordenador.

Los datos de las imágenes proporcionan información, por ejemplo, para calcular el rendimiento o para la detección temprana de enfermedades de las plantas
Los datos de las imágenes proporcionan información, por ejemplo, para calcular el rendimiento o para la detección temprana de enfermedades de las plantas

La GV-5040FA-C-HQ incorpora el sensor CMOS con obturador global IMX273 de la gama Pregius de Sony para obtener una excelente calidad de imagen incluso con poca luz y captar objetos que se mueven rápidamente. Destaca especialmente por su grado de sensibilidad y su alto rango dinámico. La resolución del sensor es de 1,58 MP (1456 x 1088 píxeles) con una frecuencia de imagen de 78,0 fps.

El control del robot y la lectura de los sensores se llevan a cabo mediante la Robot Operating System Library, ROS, en el lenguaje de programación C++. Dado que ya existe un controlador ROS funcional para la cámara IDS, su integración fue sencilla y requirió poco esfuerzo. Para el procesamiento posterior de las imágenes, el equipo de la ETH utiliza algoritmos desarrollados internamente para distinguir entre las malas hierbas y los cultivos, como se ha descrito anteriormente. "Actualmente se están planificando algoritmos de aprendizaje automático para el cálculo del rendimiento y la detección de enfermedades con los datos registrados ahora", afirma Timo Schönegg.

Perspectiva

Los robots agrícolas desempeñarán un papel cada vez más importante en el futuro. Para poder realizar con fiabilidad las distintas tareas en cualquier entorno y en distintas condiciones de luz y climáticas, no sólo necesitan un buen software de procesamiento de imágenes sino también, y sobre todo, cámaras fiables. El uso de estos sistemas de cámaras en los futuros robots será muy variado: desde cámaras 3D hasta cámaras multiespectrales. El equipo de Rowesys seguirá trabajando, en particular, en soluciones inteligentes basadas en cámaras y contribuirá a una agricultura más sostenible y eficiente con tecnologías innovadoras. ¡Adiós a las malas hierbas! ¡Adiós a los herbicidas! ¡Hola medio ambiente!

GigE uEye FA: fuerte y robusta

Rowesys - Robotic Weeding System