Nu er det ikke længere nødvendigt at have mennesker bag rattet, når traktoren skal køre halmen i hus. Landbrugsmaskiner kan nemlig køre uden fører og tilmed med stor nøjagtighed og pålidelighed.
Europas største producent af landbrugsmaskiner, tyske Claas, har i et forskningssamarbejde med DTU Elektro udviklet et styresystem for landbrugsmaskiner, som integrerer bl.a. GPS-teknologi og stereokamerateknologi (også kaldet stereovision) i et samlet, optimeret system. Samarbejdet er foregået mellem virksomhedens danske afdeling, Claas Agrosystems, Rufus Blas, der var erhvervs-ph.d. og nu er ansat i Claas, samt professor Mogens Blanke, DTU Elektro. Netop kombinationen af teknologierne til brug for automatiske styresystemer og de grundlæggende koncepter bag systemet er nu patenteret. ”Det er første gang, nogen har kombineret stereovision og GPS i ét samlet system, hvorved vi også får adgang til hastighedsinformation, teksturinformation og højde- og afstandsinformation. Det er det, der har været udfordringen,” fortæller Mogens Blanke.
GPS eller kamera – hvad er mest pålideligt?
På området automation inden for store landbrugs- og industrimaskiner hersker to konkurrerende teknologier: GPS-styresystemer og stereokamerastyresystemer. Begge systemer er teknologier, som i vid udstrækning kan erstatte føreren af f.eks. en traktor, således at maskinerne selv kan navigere på markerne. Begge systemer har dog svagheder.
GPS-systemets svagheder
Global Positioning System (GPS) er i dag et velkendt redskab til at beregne geografiske lokationer. Brugeren af systemet har en GPS-modtager, der på baggrund af signaler fra GPS-satellitter kan opgive lokationsinformation, dvs. hvor f.eks. et køretøj befinder sig. Beregning af geografiske lokationer via satellit virker solidt, men GPSsystemer har også svagheder. Rufus Blas forklarer: ”GPS-systemer indeholder i sig selv komponenter, der gør systemet svært at bruge i landbrugssammenhæng. For det første er det nødvendigt at være i besiddelse af et meget præcist kort over, hvordan de pågældende marker ser ud, og hvor de ting, man gerne vil køre efter i marken, er henne. Det er ikke altid lige nemt.” ”Derudover har GPS’en den svaghed, at den kan miste signal. Man kunne forestille sig, at en traktor med et GPS-styresystem kørte ind under et træ. Træet skygger for satellitterne og gør hermed signalet svagt. Det kender man jo fra GPS-systemer til biler. Hvis man med en bil kører ned i en tunnel, mister man GPS-signalet, til man er ude af tunnelen igen,” fortsætter Rufus Blas. Professor Mogens Blanke tilføjer: ”Et signal fra en GPS kan også være upræcist. Et signal kan pludselig være 5-10 meter forkert, fordi GPS’en ’hopper’ (dvs. GPS’en får fat i nogle flere satellitter, hvorved traktorens position fejlbedømmes), og så kan en tonstung, førerløs traktor komme til at køre ud til siden eller ned i en grøft. Så GPS er ikke altid pålideligt.”
Stereokamera ’ser’ tekstur og afstand
Styresystemer, der afhænger af information afgivet fra stereokameraer, bygger på, at kameraerne skaber et 3D-billede af marken på baggrund af to forskudte billeder – samt at stereokameraer aflæser teksturer, eksempelvis halmens form og farve. Mogens Blanke forklarer: ”De fleste mennesker kan meget nemt med øjet se forskel på tekstur og uden problemer skelne mellem forskellige objekter ved hjælp af deres tekstur. Et stereokamera med tilhørende computeralgoritmer kan ligeledes skelne mellem teksturer. Udfordringen ligger i at udarbejde de rette algoritmer, som kan udtrække netop de informationer, der er retvisende i alle tilfælde. Det er straks ikke så nemt.” Kameraerne kan ’se’ teksturerne i marken, men der kan være tilfælde, hvor teksturen ikke kan aflæses tydeligt. Rufus Blas uddyber: ”Det kan f.eks. være i situationer, hvor der er vand på marken i det spor, som traktoren ellers skulle følge, eller det kan være lysforhold. Hvis lysforholdene er dårlige, kan kameraet producere billeder, som afgiver forkert teksturinformation. I disse tilfælde vil traktoren måske ikke samle halmen på marken op som ønsket. Det forringer kvaliteten.” Stereobilleder bliver dannet, ved at teksturen bliver genkendt i det venstre og det højre kameraøje. Når kameraet opfanger et træ i det venstre kameraøje, og det samme træ bliver opfanget og teksturgenkendt af det højre kameraøje, udregner en computer afstanden til træet, som landbrugsmaskinen hermed kan styre efter. Omvendt kan der opstå fejl, hvis der rent faktisk er to træer, men kameraøjnene opfanger det som et træ. Derved kan algoritmen tage fejl, og så måler og styrer computeren pludselig meget forkert. Hvis en situation bliver misfortolket på en måde, så den pågældende maskine stopper, er der ingen skade sket. Omvendt kan der opstå et alvorligt sikkerhedsproblem, hvis beregner, at et træ, som står lige foran traktoren, skulle være 50 meter væk, fremhæver Mogens Blanke. Derfor har det været vigtigt at finde frem til et styresystem, der ikke tager fejl. Det nye styresystem bygger på, at der er to informationskilder til positionen af eksempelvis halmen, nemlig GPS’en og kameraet, der igen bidrager med både 3D-afstandsbedømmelsen og teksturgenkendelsen.
Kombination er nøglen til succes
Et vigtigt koncept i forskningsprojektet er, er at der har været anvendt metoder, som bruges inden for området fejldiagnose af tekniske systemer. I stedet for udelukkende at benytte signalbilleder fra kameraerne er det nye system også i stand til at omdanne informationen til små statistikdiagrammer, som er nemmere at fortolke for computeralgoritmer. Når man kan udvinde statistisk information, bliver det også muligt at udlede ’den normale opførsel’ for et bestemt område. ”Så snart vi er inde på statistik, er vi på samme grund som inden for fejldiagnose af tekniske systemer. Der ser vi på ændringer i signaler. Så den type af information tillader, at vi kan kigge på klassifikationsmetoder og metoder til at detektere ændringer. Og vi kan faktisk finde fejl i selve den måde, stereokamera- algoritmerne virker på ved hjælp af kameraerne selv. Det er rigtig smart, at man kan bruge stereokameraerne på flere forskellige måder og dermed få redundant information,” forklarer Mogens Blanke. Det kombinerede system opfanger information fra både GPS-systemet og stereovision-systemet. Hvis informationerne ikke stemmer overens, kan systemet ud fra et redundans-tjek undersøge, hvad den fejlende komponent er. Systemet kan dermed finde ud af, om det f.eks. er stereokameraet, der tager fejl, og handle derefter, således at maskinen vil lade sig styre af GPS-systemet.
Forskningsresultatet på marken
Forskningsprojektets resultater har været succesfulde. Det lykkedes at udarbejde et system, som benyttede begge sensorer – fra stereokamera og GPS. Efterfølgende blev der udarbejdet en prototype af systemet – en GPS-modtager og to kameraer monteret på en traktor. Traktoren kørte herefter af sig selv efter græsskår – rækken af afskåret græs – udpeget på et kort ved hjælp af GPS’ens teknologi kombineret med den information, stereokameraerne afgav. Systemet fungerede fuldt ud efter hensigten. I nogle situationer, hvor græsskåret forsvandt pga. vand, og fordi teksturen i stereobillederne blev utydelige, tog GPS-systemet over som dominerende styreinstans. Rufus Blas erfarede ligeledes, at det nye system var i stand til at opfange de såkaldte ’GPS-hop’. Når et sådant ’hop’ opstår, er det kombinerede system i stand til at slå over til kamerafunktionen, som var i stand til at positionere korrekt i forhold til de forskellige input fra GPS-systemet. Ved at bruge det kombinerede system, slipper man for at skulle slå over til manuel styring på noget tidspunkt, hvilket er et stort fremskridt inden for automation af landbrugsmaskiner. Tommy Ertbølle, som er R&D manager i Claas, forventer, at systemet vil komme til at spille en rolle i virksomhedens produkter: “I fremtiden forestiller vi os, at det er denne type af teknologi for førerløse maskiner, som skal sikre, at maskinerne befinder sig det rigtige sted, selv ved ’GPS-hop’ eller andre fejl. computeren