| dc.description.abstract | Jordens befolkning øker stadig og dermed også behovet for mat. Jordens ressurser er begrenset og klimaet endrer seg raskt. På områder som før var egnet til matvareproduksjon, opplever man at det blir stadig vanskeligere å utføre landbruket på samme måte som før. Stadig mer landbruksareal blir gjort om til industritomter, hyttetomter og vei. Dette fører til at bonden må tenke nytt og unytte gode jordbruksarealer på en mest mulig effektiv måte.
Landbruket er i stadig utvikling, med det også behovet for økt effektivitet. Effektivisering har vært en naturlig del av landbruket helt siden menneskene begynte å kultivere land. Bruk av redskap gjør at man kan oppnå større avlinger, med mindre arbeid. Siden den industrielle revolusjonen har utviklingen vært preget av at redskapene øker i størrelse. Det er derimot en grense for hvor stort et redskap kan være, før det dukker opp negative sider som følge av dette. Ved bruk av tunge redskap vil jorden pakkes, noe som kan føre til mangel på drenering og at vannet ikke kommer igjennom det øverste laget av pakket jord. Plantene kan få problemer med å danne skikkelige røtter og jorden mister mange av sine naturlige egenskaper som er viktige for plantenes vekst. For store redskaper vil også kunne være upraktisk på trange plasser og steder hvor man må kjøre presist for å utføre en arbeidsoppgave. Mindre traktorer og redskaper kan i mange tilfeller være nødvendig. Mindre redskaper og traktorer fører til at man må bruke mer tid på arbeidet. Løsningen er da ofte flere traktorer, som fører til økt arbeidsbehov og økte kostnader.
I tillegg til endringer i klima og redusert jordbruksareal, sees det også en økende interesse i dagens samfunn for bærekraftige praksiser og regenerativt jordbruk, som ikke bare fokuserer på økt produksjon, men også på å opprettholde helse og fruktbarhet i jorda over tid. På sikt er det også mer bærekraftig med tanke på å bevare ressursene på et levedyktig nivå så lenge som mulig, noe som er mer sentralt enn noen gang. Økologisk landbruk vil i mange tilfeller være bedre for menneske og bedre for naturen, men avlingene kan bli mindre og arbeidsmengden øker. Særlig når det kommer til bekjempelse av ugress uten bruk av plantevernmidler er arbeidsmengden stor. Det er derfor behov for løsninger som kan effektivisere, uten at det går på bekostning av matvaren, miljøet og menneskene som spiser og arbeider med den.
Teknologisk utvikling med økologisk landbruk i sentrum er derfor en sentral del av fremtidens jordbruk. Alt fra presisjonsjordbruk og automatisering til bruk av droner og sensorer for å overvåke avlinger og optimalisere ressursbruk, er løsninger som bidrar til å øke produktiviteten og redusere kostnadene. Autonome løsninger reduserer arbeidsmengden og vil på sikt kunne senke kostnadene for bonden. Ved introduksjon av autonome roboter er også bruken av elektrisk energi en naturlig del av utviklingen mot et mer bærekraftig jordbruk.
I denne sammenhengen er prosjektets mål å utvikle et redskap som kan integreres på en autonom robot og tar hensyn til behovene i økologisk jordbruk. Dette arbeidet danner grunnlaget for gradsoppgaven. Utviklingen tar utgangspunkt i å brukes med en liten elektrisk radiostyrt bil. En liten robot vil bruke mindre energi og generelt ha lavere miljøavtrykk. Ved å gå for en liten robot vil kostnadene holdes lave slik at det er mulig å bruke de i sverm. Dette sammen med at robotene kan arbeide døgnet rundt vil bidra til økt effektivitet. På grunn av robotens størrelse, er det fokusert på ugressbekjempelse etter at jorden er bearbeidet av større redskap. Rotugress som er etablert, vil kreve en større redskapsbærer enn den radiostyrte bilen for å bekjempes effektivt. En lett elektrisk robot med lang driftstid som holder jorden fri for ugress, er derfor det spesifikke målet i prosjektet. Arbeidet i prosjektet er begrenset til utviklingen av ugressverktøyet, det vil derfor ikke bli gått inn på utvikling av den autonome og elektriske delen av roboten.
Arbeidet i prosjektet er delt opp i fire hovedfaser. Første fase gikk ut på å analysere oppdragsgivers krav, sette opp målsetninger, fremdriftsplan, litteraturgransking og markedsanalyse. Gjennom litteraturgranskingen og markedsanalysen ble det klart at autonome roboter innenfor landbruket har fått god fart i utviklingen de siste årene. Robotene derimot ofte har høy pris. Videre gikk arbeidet til utforskning av aktuelle metoder og redskaper som kunne være aktuelle for roboten. En seleksjonsmatrise ble brukt for å skille ut de ulike alternativenes positive og negative sider. Noe enkel testing ble også gjort. En løsning som baserer seg på harvende tinder ble valgt, og arbeidet gikk videre med skissering og modellering. I denne fasen ble det utført flere tester underveis med prototyper laget ved hjelp av 3D-skriver. Etter ferdigstilling av fungerende prototype ble det så utført testing og loggføring av harvens effektivitet med ulike konfigurasjoner og hastigheter. I den siste fasen ble det utført endelig materialvalg, levetidsanalyse, valg av produksjonsmetoder og kostnadsoverslag.
Gjennom prosjektets faser er det utviklet en ugress-harv som bruker sideveis utslag for å øke effektiviteten. Utslaget drives av en elektrisk motor med vinkeldrev som er montert på bilens ramme. Utslaget overføres ved hjelp av stålstang påmontert et glidende kuleledd. Dette sikrer tilstrekkelig «slingring» i konstruksjonen uten at bevegelsen er ukontrollert. På denne måten oppnås en slitesterkt og holdbar mekanisme, med lang levetid.
Det er gjennom hele prosjektet jobbet med å holde vekten på redskapet så lav som mulig. Selv om økt vekt kan gi bedre grep til bilen og dypere arbeidsdybde, vil en lettest mulig løsning være mer energieffektivt. Vektbesparelsen kan også brukes til å øke driftstiden per lading ved å øke størrelsen eller antallet batterier. Materialene er også valgt med hensyn til god korrosjonsbestandighet. Aluminiumslegeringene 6105 og 6061 er i hovedsak brukt, i tillegg til festemidler og motor-brakket av AISI 304/A2 (EN 1.4301) stål.
Harvens ramme er konstruert av T-spor aluminium-profiler, som gir en løsning som er lett, modulær og enkel å tilpasse ulike ønsker under produksjon. De modulære løsningene bidrar også til at det blir enklere for brukeren å utføre reparasjoner og justeringer selv. Antall tinder og tindeavstand kan enkelt varieres og man er ikke begrenset av faste monteringshull. Det er også konstruert en monteringsramme for montering av utslagsmotor til bilen. Monteringsrammen danner også en god base for montering av andre fremtidige komponenter. Da T-spor profiler er brukt også her, vil tilpasning til de autonome komponentene være enkel. Et forslag til beskyttende deksel som monteres på rammen over bilen er også konstruert. Det er også utviklet et forslag til løftemekanisme for harven. Denne vil kunne brukes til å løfte harven over bakken, slik at man kan kjøre uten at harven går i jorden og på den måten spare energi. Løftemekanismen vil også gjøre det mulig for roboten å rygge uten av tindene låser seg fast i jorden.
Testing og kartlegging av harvens effekt var en sentral del av prosjektet. Da prosjektet fant sted i vintermånedene var det ikke mulig å utføre utendørs tester. Et innendørs jordbed ble derfor brukt i kombinasjon med kunstige ugress. Som kunstige ugress ble golf-pegger av plast brukt. Under forsøkene ble jorden raket, pakket og de kunstige ugressene ble satt opp med likt mellomrom og dybde. Ulike parameter som hastighet på bilen, tindeavstand, tindeantall, utslagshastighet, utslagsstørrelse og harvtype ble variert mellom hver runde. Det ble også utført tester for måling og kartlegging av bilens trekk-kapasitet og strømforbruk med de ulike harvkombinasjonene. Resultatet av testingen var at den konstruerte ugress-harven med utslag, ga økt effektivitet på rundt 10% sammenliknet Terrateck harvens energiforbruk. Arbeidet med testingen var tidkrevende og møysommelig, men ga nyttig data og innsikt i hva som påvirket redskapenes effektivitet og energiforbruk. Det er på bakgrunn av testingen gitt anbefalinger for innstillinger som kan gi best resultat ved bruk av ugressredskapet.
Da utviklingen av ugressredskapet kun er en del av den komplette autonome roboten, vil det være naturlig at det gjenstår arbeid knyttet til utviklingen av den autonome og elektriske delen. Testing av endelig komponentkonfigurasjon på naturlige ugress, er også sentralt før ferdigstilling. Harven og de tilhørende komponentene som er utviklet, danner samlet sett et godt grunnlag for videre utvikling av en autonom ugressrobot. | |
| dc.description.abstract | The world's population is continually increasing, and thus the need for food is also rising. Earth's resources are limited, and the climate is changing rapidly. In areas once suitable for food production, it's becoming increasingly difficult to farm in the same manner as before. More agricultural land is being converted into industrial sites, holiday home plots, and roads. This necessitates farmers to think innovatively and utilize good agricultural land as efficiently as possible.
Agriculture is constantly evolving, along with the need for increased efficiency. Efficiency has been a natural part of agriculture since humans began cultivating land. The use of tools enables larger yields with less labor. Since the industrial revolution, the trend has been towards larger tools. However, there is a limit to how large a tool can be before negative consequences emerge. The use of heavy machinery can compact the soil, leading to poor drainage and water not penetrating the top layer of packed soil. Plants may struggle to develop proper roots, and the soil loses many of its natural properties crucial for plant growth. Additionally, large machinery may be impractical in tight spaces and areas requiring precise maneuvering. In many cases, smaller tractors and tools are necessary, albeit requiring more time for the work to be done. The solution often involves employing more tractors, leading to increased labor requirements and costs.
In addition to climate change and reduced agricultural land, there is a growing interest in today's society for sustainable practices and regenerative agriculture, which focuses not only on increased production but also on maintaining soil health and fertility over time. In the long run, it's more sustainable to preserve resources at a viable level for as long as possible, which is more critical than ever. Organic farming, in many cases, may be better for both humans and nature, but yields may decrease, and the workload increases. Particularly, weed control without the use of pesticides entails significant labor. Hence, there is a need for solutions that can streamline processes without compromising on food, the environment, and the people who consume and work with it.
Technological development centered around organic farming is, therefore, a key aspect of future agriculture. Everything from precision farming and automation to the use of drones and sensors to monitor crops and optimize resource utilization contributes to increasing productivity and reducing costs. Autonomous solutions reduce the workload and can eventually lower costs for farmers. With the introduction of autonomous robots, the use of electric energy is also a natural part of the progression towards more sustainable agriculture.
In this context, the project's goal is to develop a tool that can be integrated into an autonomous robot, considering the needs of organic farming. This work forms the basis of the thesis project. The development starts with the use of a small electric remote-controlled car. A small robot consumes less energy and generally has a lower environmental footprint. Opting for a small robot keeps costs low, allowing for their use in swarms. This, coupled with the robots' ability to work around the clock, will contribute to increased efficiency. Due to the robot's size, the focus is on weed control after the soil has been prepared by larger machinery. Established root weeds will require a larger tool carrier than the radio-controlled car for effective eradication. A lightweight electric robot with long battery life, keeping the soil free from weeds, is therefore the specific goal of the project. The project's scope is limited to the development of the weed tool; therefore, there will be no focus on the development of the autonomous and electric parts of the robot.
The project is divided into four main phases. The first phase involved analyzing the client's requirements, setting objectives, developing a schedule, conducting literature review, and market analysis. Through literature review and market analysis, it became evident that autonomous robots in agriculture have seen significant development in recent years, albeit often at a high cost. The work then progressed to exploring relevant methods and tools that could be suitable for the robot. A selection matrix was used to assess the pros and cons of various alternatives, accompanied by some preliminary testing. A solution based on weeding tines was chosen, and work continued with sketching and modeling. Several tests were conducted during this phase using prototypes created with a 3D printer. After completing a functional prototype, testing and logging of the harrow's effectiveness with different configurations and speeds were conducted. In the final phase, final material selection, lifespan analysis, choice of production methods, and cost estimation were performed.
Throughout the project, efforts were made to keep the weight of the tool as low as possible. Although increased weight could provide better traction for the vehicle and deeper working depth, a lighter solution would be more energy-efficient. Weight savings could also be utilized to increase battery size or number, thus extending the operating time per charge. Materials were also selected with good corrosion resistance in mind. Aluminum alloys 6105 and 6061 were predominantly used, along with fasteners and motor brackets made of AISI 304/A2 (EN 1.4301) steel.
The harrow's frame is constructed of T-slot aluminum profiles, providing a lightweight, modular, and easily adaptable solution. The modular design facilitates user repairs and adjustments, with variable numbers and spacing of tines without being restricted by fixed mounting holes. A mounting frame for attaching the actuator motor to the vehicle was also designed, serving as a sturdy base for mounting future components. The use of T-slot profiles simplifies adaptation to autonomous components. Additionally, a protective cover proposal mounted on the frame above the vehicle was developed. A lifting mechanism for the harrow was also devised, allowing it to be raised above the ground to conserve energy during transit and enabling the robot to reverse without the tines becoming lodged in the soil.
Testing and evaluation of the harrow's efficacy were central to the project. Since outdoor testing was not feasible during the winter months, an indoor soil bed was utilized in combination with artificial weeds. Plastic golf tees served as artificial weeds, placed at consistent intervals and depths after the soil was raked and packed. Various parameters such as vehicle speed, tine spacing, tine count, actuator speed, stroke size, and harrow type were varied between each round of testing. Tests were also conducted to measure the vehicle's traction capacity and power consumption with different harrow configurations. The results showed that the developed weeding harrow with actuation provided approximately 10% increased efficiency compared to the Terrateck harrow's energy consumption. Testing was labor-intensive but provided valuable data and insights into factors affecting tool efficiency and energy consumption. Recommendations for optimal settings based on testing results were provided.
Since the development of the weeding tool is only a part of the complete autonomous robot, further work related to the development of the autonomous and electrical components is expected. Testing of the final component configuration on natural weeds is also crucial before completion. The harrow and associated components developed collectively provide a solid foundation for further development of an autonomous weeding robot. | |
