L'occhio elettronico conquista l'agricoltura
Con telecamere semplici, 3D, a infrarossi, visione artificiale si moltiplicano gli obiettivi puntati su strade, colture, parti di mezzi agricoli. Servono per facilitare le manovre, ridurre i rischi di collisione ma anche per rendere autonome alcune operazioni o l’intera macchina
E' un occhio elettronico – sarebbe meglio dire migliaia di occhi elettronici – che spia costantemente campagne, capezzagne e piazzali delle nostre aziende agricole. Mostra immagini, raccoglie dati, si attiva quando registra un movimento oppure dietro comando dell’operatore. Può vedere di notte, distinguere una pianta coltivata da un’infestante o anche guidare un mezzo senza conducente. Da qualche anno, con sempre maggior frequenza, la telecamera è diventata un’alleata preziosa del lavoro in agricoltura, a vari livelli. Complice la riduzione delle dimensioni (e dei costi) e l’aumento delle performance, sta conoscendo un evidente successo in svariati ambiti. Dai più semplici e immediati, quali la sorveglianza di ambienti e locali, al controllo di angoli ciechi sui mezzi, fino ad arrivare alle più recenti, e spesso ancora sperimentali, applicazioni in automazione e robotica. Cerchiamo allora di conoscere meglio questo componente sempre più presente sulle macchine agricole di ogni tipo e dimensione.
Telecamere tradizionali. Partiamo con un accenno alle funzioni di controllo, che accomunano l’uso agricolo a impieghi in ambito industriale, commerciale o civile. Visto il basso costo, l’ottima funzionalità e a fronte anche di sempre nuove minacce, da parte di umani o animali, reti di telecamere sono ormai comuni nelle aziende agricole e zootecniche. Servono a sorvegliare piazzali, ingressi, ricoveri attrezzi ma anche stalle e ovili. Dispongono di visione notturna e sensori di movimento, che si attivano soltanto quando si avvicina qualcosa o qualcuno. Sicuramente di maggior interesse, per una rivista di meccanica agricola, le camere montate su attrezzi e macchinari di vario tipo, essenzialmente per facilitare il lavoro degli operatori, rendendo visibili punti ciechi o momenti della lavorazione che richiedono un controllo specifico. L’esempio più classico è quello della telecamera fissata dietro a mezzi voluminosi come carri, mietitrebbie, trinciacaricatrici, scavabietole/cavapatate e simili. Si attiva automaticamente, all’innesto della retromarcia, e permette al conducente di fare manovre con maggior serenità e minori rischi di incidenti. Similmente, una camera di questo tipo può essere fissata sulla zavorra o su un eventuale serbatoio (per concime o cereale) portato dal sollevatore anteriore. In questo caso, con l’obiettivo di facilitare sia i passaggi in punti a rischio – cancelli, accessi ai terreni agricoli su passi carrai particolarmente stretti – sia l’uscita da strade secondarie durante i trasferimenti, quando la visibilità dalla cabina è ostacolata da edifici o mezzi parcheggiati. Una terza opportunità d’impiego, molto in voga negli ultimi tempi, è su parti di macchina che compiono attività particolarmente delicate o fuori dalla visuale diretta dell’operatore. Troviamo regolarmente telecamere, ormai, sul tubo di scarico delle mietitrebbie e sul tubo di lancio delle trinciacaricatrici, per esempio, ma anche sul tappeto di scarico delle scavabietole o di altre macchine da raccolta. Passando ad attrezzi meno impegnativi, una telecamera può essere utile sul posteriore della pressa, per controllare la qualità delle balle prodotte, o di una sarchiatrice, in modo da mantenere gli elementi sarchianti tra le file di piante senza la presenza di un secondo operatore o senza che il conducente sia costretto a guardare costantemente indietro.
Abbiamo poi applicazioni meno comuni, ma non meno utili, come l’installazione nei serbatoi del cereale di una mietitrebbia, o in vicinanza delle cosiddette giostre, ossia i piatti rotanti che favoriscono la pulizia delle bietole da terra e sassi. In ambito contiguo a quello agricolo, le telecamere si usano sui movimentatori telescopici, per avere una chiara visione di dove si va a posizionare il carico. Possono essere fissate in testa al braccio telescopico ma anche sulle forche, come avviene con i carrelli elevatori. In quel caso, l’operatore vede con esattezza dove sta andando a depositare il pallet e qual è lo spazio di manovra a sua disposizione.
Telecamere per automazione. Nella moderna agricoltura digitale, non tutte le telecamere sono destinate all’occhio umano. Le immagini raccolte da molte di esse, al contrario, non saranno mai visionate se non da algoritmi o dall’intelligenza artificiale. Queste videocamere servono infatti per i vari livelli di automazione oggi possibili: guida, controllo di alcune fasi di lavoro particolarmente delicate, fino ad arrivare alle macchine autonome. Oggi si tratta principalmente di prototipi, ma in qualche caso sono già al lavoro nei campi di tutto il mondo. Partiamo da una delle operazioni più comuni: la guida automatica. Si ottiene, generalmente, con una connessione satellitare, ma in alcuni casi un sistema di telecamere può coadiuvare o sostituire il segnale Gps. Avviene per esempio quando si lavora tra i filari, o su particolari colture, come quelle a file (mais, per esempio). In questi casi, sistemi laser o di visione artificiale sono più immediati e precisi del posizionamento satellitare. Una telecamera fissata sulla barra di taglio, per esempio, permette facilmente di guidare la mietitrebbia, occupando tutta la testata e liberando il conducente dal costante controllo della direzione. Interessante, in questo ambito, una recente applicazione, proposta da John Deere: un sistema di telecamere per mantenere il trattore tra le file della coltura qualora essa non sia stata seminata con l’ausilio del satellite. Una semina realizzata dall’uomo non ha mai linee perfettamente rette e utilizzando una successiva applicazione con guida automatica – per esempio, la sarchiatura – si finirebbe per danneggiare le piante che escono dallo schema. La telecamera, invece, segue diligentemente le file, anche se irregolari, mantenendo le ruote del trattore nell’interfila e gestendo anche gli attrezzi posteriori. In altri casi, la telecamera ha una funzione di sorveglianza su determinate attività che non possono essere controllate dall’occhio umano. Per esempio, una telecamera posta nel canale elevatore della mietitrebbia è in grado di analizzare sia l’entità del recupero (granella sfuggita alla prima trebbiatura), sia delle rotture di granella, che rappresentano ovviamente un difetto della lavorazione. Nessun occhio umano potrebbe contare le cariossidi spezzate in un flusso continuo e impetuoso di cereale, ma un occhio elettronico può farlo. Allo stesso modo, si usano speciali telecamere sulle macchine per la raccolta di pomodori: basandosi sul colore delle bacche, riescono a scartare quelle acerbe, scaricandole in campo durante la raccolta. È sempre necessaria una selezione manuale al termine del processo, ma il compito degli operatori risulta fortemente agevolato dalla prima cernita. In alcuni casi, le telecamere sono utilizzate per localizzare la vegetazione durante particolari lavorazioni, come trattamenti con agrofarmaci o erbicidi. Per il costo e la pericolosità dei prodotti utilizzati, è di estrema importanza che l’irrorazione vada il più possibile a segno e alcune macchine utilizzano la visione artificiale per attivare e disattivare automaticamente gli ugelli. Va anche detto che, in alternativa, è possibile utilizzare per questi compiti sistemi radar, meno influenzati dalla nebbia creata dalla vaporizzazione degli agrofarmaci.
A un livello di tecnologia ancora superiore, le telecamere sono in grado, assieme a un apposito software e ad attuatori elettrici, di rendere possibili particolari operazioni, come l’aggancio della testata di mungitura alle mammelle di una vacca, il diserbo puntuale o la sarchiatura di orticole. In questo caso, la telecamera individua posizione e forma della mammella, oppure la pianta infestante, che sarà poi irrorata dall’ugello, o – ancora – è in grado di far muovere una lama sarchiante tra una pianta e l’altra su una fila di orticole, in modo da eradicare le malerbe senza danneggiare la coltivazione. Un’altra automazione recente, legata alle telecamere, è la funzione di riempimento automatico del carro su alcune macchine da raccolta (tipicamente le trinciacaricatrici). La telecamera controlla dove cade il prodotto e muove il tubo di scarico avanti e indietro per riempire automaticamente e omogeneamente tutto il carro.
Gli occhi dei robot. Dal riempimento automatico alla guida autonoma il passo non è molto breve: si deve passare da una singola operazione ripetitiva a un’attività complessa, che prevede di muoversi liberamente nello spazio, evitare ostacoli, trovare il campo di lavoro e, soprattutto, prendere decisioni non programmate. Tuttavia i primi Agv (sigla che sta per Automatic guided vehicle) sono già sul mercato e molti altri sono in fase di prototipo, più o meno avanzato. Terrestre o aereo che sia, un veicolo autonomo ha necessità di orientarsi nello spazio. Ciò può avvenire in diversi modi. Con il sistema satellitare, per esempio, utilizzando ovviamente correzioni che permettano di raggiungere un ridotto margine di errore. Oppure con dispositivi laser, i ben noti Lidar (acronimo per Light Detection and Ranging), che funzionano un po’ come un radar: emettono onde luminose che, rimbalzando sugli oggetti, forniscono informazioni su forma e distanza di questi ultimi.
I veicoli robot possono utilizzare anche le telecamere. Queste ultime, se applicate alla guida autonoma, sono perlopiù di tipo 3D o stereoscopiche: in sostanza due telecamere abbinate, esattamente come due sono gli occhi umani, perché dalla composizione di due immagini, tramite un apposito algoritmo, è possibile far riconoscere alla macchina non soltanto gli oggetti che la circondano, ma anche la loro distanza e spessore. Un primo impiego delle telecamere è per la sicurezza: istruendo l’intelligenza artificiale (gli addetti ai lavori parlano di reti neurali) con migliaia e migliaia di immagini, si può "insegnare" alla macchina a riconoscere un essere umano. Se ne occupa, per esempio, Aitronik, startup pisana specializzata in software per Agv. «Usando telecamere tridimensionali, i nostri software riconoscono gli esseri umani in ambienti misti, riuscendo anche a individuarne particolari e profondità», spiega Alessandro Procopio, ingegnere di Aitronik, aggiungendo che i sistemi di telecamera sono particolarmente utili per il riconoscimento di ostacoli, sia all’aperto sia al chiuso. Come comportarsi nel caso vi sia un umano nel suo raggio d’azione, lo stabilisce il software abbinato ai dispositivi di visione. Il mezzo – supponiamo un trattore – può per esempio fermarsi, o rallentare, o cambiare percorso, a seconda della distanza dalla persona inquadrata e del comportamento di quest’ultima. Informazioni di questo tipo sono più facilmente ottenute con una camera tridimensionale, mentre le classiche telecamere monoscopiche si limitano a riconoscere la presenza di un essere umano, senza molti altri dati. Hanno però il vantaggio di costare anche un decimo rispetto a una buona telecamera stereoscopica.
Per la guida autonoma si può impiegare la telecamera già montata a bordo per ragioni di sicurezza o anche per rilevamento di vegetazione o vigoria della medesima. Questa soluzione, alternativa al Lidar, porta ad abbassare i costi di fabbricazione delle macchine autonome. In altre parole, tenendo conto del costo di questi dispositivi, si punta a renderli multi-funzionali, ossia in grado di svolgere più compiti assimilabili: controllo dell’ambiente, guida, individuazione di ostacoli o piante-bersaglio. Ad ogni modo, parlando con gli addetti ai lavori una cosa appare certa: nel giro di pochi anni – da tre a cinque – il numero di telecamere sul mercato è destinato a moltiplicarsi. Non passa mese senza che dall’estremo oriente arrivi qualche nuova realtà, che propone telecamere di vario tipo, e anche le aziende europee, forti di una reputazione sicuramente di alto livello, che per ora le fa preferire ai concorrenti orientali, spingono forte su questi prodotti. Che sia a due o tre dimensioni, in bianco e nero o a infrarossi, l’età dell’oro della telecamera sembra essere soltanto agli inizi.
Crescono le telecamere montate in fabbrica
Oem o after market? Fuori dalle sigle e dagli inglesismi: meglio le telecamere montate dal costruttore o quelle acquistate e successivamente installate dall’utente? In realtà, entrambe hanno pregi e difetti. Una prima discriminante è l’età del trattore: su quelli più recenti, soprattutto se di fascia alta o con allestimenti full optional, è sempre più comune trovare almeno una telecamera pre-installata (solitamente considerata optional e come tale pagata a parte). Praticamente d’obbligo, invece, le telecamere sui mezzi più grandi, come mietitrebbie e macchine da raccolta varie. Il pregio principale di un accessorio Oem è la piena integrazione con il sistema operativo della macchina. Nel caso della telecamera per visione posteriore, per esempio, si ha l’attivazione automatica all’innesto della retromarcia. Inoltre le immagini sono visualizzate sul monitor principale del trattore, che spesso si può suddividere in più schermate per avere le riprese video sempre a disposizione. Una ripartizione classica, per esempio, può essere guida automatica-telecamera-schermata di riepilogo delle prestazioni-schermata ISOBUS dell’attrezzo utilizzato. Il mercato offre poi decine di soluzioni per telecamere di controllo da acquistare e montare a parte, vendute dai più noti gruppi. L’installazione può essere fatta direttamente presso il concessionario, al momento della consegna della macchina, oppure dal proprietario: montarle è infatti diventato semplicissimo. Come si dice, ancora con un anglicismo, plug and play. Le telecamere di ultima generazione sono infatti wireless, ovvero senza fili. Si collegano in Wi-fi a un monitor da installare in cabina con ventosa o fissandolo a un supporto e sono alimentate da batterie ricaricabili, spesso con annesso power bank, ossia una batteria di grande capacità, che assicura una ventina di ore di autonomia, sufficienti per qualche giorno di lavoro. Il montaggio non richiede talvolta nemmeno un cacciavite, dal momento che si possono fissare al mezzo grazie a un magnete. È chiaro quindi che queste soluzioni possono essere utilizzate da tutti e su tutte le macchine. Si possono per esempio agganciare all’attrezzo per poi staccarle e spostarle su un altro quando si è finito quel tipo di lavoro. A questo scopo, alcuni kit sono forniti in valigetta, per una più semplice conservazione e trasporto. Non sempre, però, la telecamera wireless rappresenta la soluzione ideale. Non lo è, per esempio, per alcune attrezzature particolari, come le botti per liquami che, essendo voluminose e completamente in acciaio, potrebbero schermare il segnale, impedendogli di raggiungere il display. In questo caso, occorre quindi una telecamera più tradizionale, dotata di fili che la colleghino alla cabina e di alimentazione connessa all’impianto elettrico del trattore.
Scoprire frutti e problemi con la visione artificiale
Un’interessante applicazione delle telecamere all’agricoltura è il controllo della vigoria vegetativa, attraverso camere multispettrali, che contribuiscono a fornire un indice Ndvi (Normalized Difference Vegetation Index) da cui dedurre le zone di coltura con problemi di sviluppo (per scarsità di acqua o nutrienti, terreno soggetto di allagamenti o altro ancora). Questi strumenti possono essere montati su un drone o anche su un trattore o altro mezzo fuoristrada che percorre il campo, mappandone la vigoria. In alcuni casi, la telecamera è abbinata a uno spandiconcime, che adegua in tempo reale il dosaggio alla vigoria rilevata dal sistema di visione artificiale. Più sofisticati ancora i sistemi – ora in fase prototipale – per l’individuazione dei frutti, premessa indispensabile per la costruzione di robot in grado di raccogliere autonomamente le bacche.
