Robotik ve Otomasyon ile Tarım 4.0

Geri besleme, farklı bilim dallarında farklı anlamlarda kullanılmaktadır. Otomasyon tanımı içerisinde yer alan bu terim sistem çıktısı hakkında otomasyon sistemi tarafından alınan bilginin denetleme elemanına iletilerek çıktıya etki edecek eylemlerin düzenlenmesi amacıyla kullanılması anlamına gelmektedir.

1. Bilginin elde edilmesi ve işlenmesi, 2. Karar verme, 3. Eylemin gerçekleştirmesi şeklindedir

1. Açık-Kapalı Kontrol (On/Off): İki pozisyonlu kontrol adı verilir; alınan sinyal değerine göre sistemin çalıştırılmasını veya durdurulmasını sağmaktadır. 2. Oransal Kontrol (P- Proportional): Kontrol değişkeni çıkıştaki sinyal ile orantılı olarak değiştirilir. Bu tip sistemlerde çıkış sinyalindeki hatanın büyüklüğü; düzeltme eyleminin büyüklüğünü etkilediği için geniş değerler arasında kontrol sağlanmaktadır. 3. Oransal İntegral Kontrol (PI- Proportional Integral): İntegral kontrol, hatanın zaman içindeki kümülatif toplamını kullanır. Kontrol değişkeni belirli bir zaman dilimi aralığında toplam hata değeri ve çıkıştaki sinyalle orantılı olarak değiştirilir. Bu yöntem, oransal kontrolün neden olduğu kalıcı hataları ortadan kaldırmaya yardımcı olur ve sistem çıktısını tam olarak istenen ayar değerine getirebilir. 4. Türevsel Kontrol (D-Derivative): Türevsel kontrol, hatanın değişim hızına göre düzeltme yapar. Bu kontrol, sistemin aşırı tepkisini önlemeye ve daha kararlı bir tepki sağlamaya yardımcı olur. Özellikle hızlı değişen sistemlerde etkilidir.

5. Oransal-İntegral-Türevsel Kontrol (PID- Proportional, Integral, Derivative): PID kontrolü, yukarıdaki üç yöntemin kombinasyonunu kullanır. Bu sayede hızlı, doğru ve kararlı bir kontrol sağlanır. Kontrol değişkeni belirli bir zaman dilimi aralığında toplam hata, hata değişim hızı ve çıkıştaki sinyalle orantılı olarak değiştirilir. Ayar değerine yakın bir çıkış sinyali elde edilebilmektedir. PID kontrolörü, farklı türdeki hataları etkin bir şekilde düzeltebilir ve çeşitli proses koşullarına uyum sağlayabilir.

Kanopi yansıma değerleri, bitki kanopisinin güneş ışığını ne kadar yansıttığını gösteren ölçümlerdir. Bu değerler, bitkilerin sağlığı, su durumu ve besin eksiklikleri gibi çeşitli çevresel faktörler hakkında bilgi sağlar ve tarımda verimliliği artırmak için kullanılır.

Ana gövde: Ana gövde, hareketli elemanları, elektronik elemanları, güç elemanlarının üzerine monte edildiği sabit taşıyıcı kısımdır.

Hareket birimi: Hareket birimine örnek olarak mobil robotlarda yer alan tekerlekler, paletli yürüme düzenleri gösterilebilir. Bunlar dışında böcekleri veya hayvanları örnek alarak yapılan robotlardaki bacaklar, uçan robotlardaki pervaneler gibi uygulamalar bulunmaktadır.

Manipülatör: Bir robotun programlandığı işlevi yerine getirmek için hareket eden ve cisimleri hareket ettirmesini sağlayan bağlantılar, eklemler ve diğer yapısal elemanlardan oluşan birimdir.

Uç efektör: Bu parça, genellikle nesneleri tutan, diğer makinelerle bağlantı kuran veya gerekli görevleri yerine getiren bir manipülatörün son eklemine bağlanmaktadır. Çoğu durumda, basit bir kavrayıcı el gibi görev yapan bir parça olarak tasarlanmaktadır. Uç efektörün hareketi ya robotun kontrolörü tarafından doğrudan kontrol edilir ya da kontrolör, uç efektörün kontrol cihazıyla iletişim kurarak bu hareketi yönetir.

Aktüatörler: Aktüatörler manipülatörlerin hareket etmesini sağlayan birimlerdir. Kontrolör aktüatörlere sinyaller gönderir ve bunlar da robot eklemlerini ve bağlantılarını hareket ettirir. Yaygın türleri servo motorlar, step motorlar, pnömatik aktüatörler ve hidrolik aktüatörlerdir. Aktüatör, bağlantıları hızlandırmak, yavaşlatmak ve yükleri taşımak için yeterli güce sahip olmalıdır. Aynı zamanda hafif, ekonomik, doğru, duyarlı, güvenilir ve bakımı kolay olmalıdır.

Pnömatik, gaz basıncını mekanik harekete dönüştüren uygulamalı bir bilim dalıdır. Pratik olarak negatif (vakum) ve pozitif hava basıncı ile çalışan sistemler ve kullanılan devre elemanları pnömatiğin kapsamı içerisinde değerlendirilir. Farklı bir tanım olarak da “yararlı bir iş yapabilmek için sıkıştırılmış hava olarak depolanan enerjiyi kullanan sistemlere pnömatik sistemler denir.”

• Sınıf 1-Elle Taşıma Cihazı: Bir operatör tarafından çalıştırılan, birden fazla serbestlik derecesine sahip bir cihaz. • Sınıf 2-Sabit Sıralı Robot: Bir görevin birbirini izleyen aşamaları önceden belirlenmiş, değişmeyen bir yönteme göre gerçekleştiren ve yöntemin değiştirilmesi zor olan bir cihaz. • Sınıf 3-Değişken Sıralı Robot: Sınıf 2 ile aynı ancak değişiklik yapılması kolaydır. • Sınıf 4-Oynatma Robotu: Bir insan operatörün görevi gerçekleştirirken kaydettiği hareketleri; daha sonra robotun kaydedilen bilgilere göre aynı hareketleri tekrarlaması. • Sınıf 5-Sayısal Kontrol Robotu: Operatör robota görevi manuel olarak öğretmek yerine robotu yapması gereken hareketler için programlar. • Sınıf 6-Akıllı Robot: Çevresini anlama ve bir görevi yerine getireceği ortam koşullarındaki değişikliklere rağmen başarıyla tamamlama becerisine sahiptir.

• Tip A: Operatörün uzaktan kontrol ettiği taşıma cihazları. • Tip B: Önceden belirlenmiş döngülere sahip otomatik taşıma cihazları. • Tip C: Sürekli veya noktadan noktaya yörüngelere sahip programlanabilir, servo kontrollü robotlar. • D tipi: C ile aynı ancak çevresi hakkında bilgi edinme kabiliyetine sahip robotlar.

• Tek fonksiyonlu • Çok amaçlı robotlar Çalışma şekillerine göre; • Tek başına çalışan robotlar • Ekip olarak çalışan robotlar

• Toprak analizi için geliştirilmiş robotlar • Tohum ekimi ve fide dikimi amacıyla geliştirilmiş robotlar  • Bitki koruma işlemleri için geliştirilmiş robotlar • Hasat amacıyla geliştirilmiş robotlar• Hayvancılık faaliyetlerinde kullanılmak için geliştirilmiş robotlar

Toprak penetrometresi, toprağın penetrasyon direncinin ölçülmesi amacıyla kullanılan bir ölçü aletidir. Penetrasyon direnci, toprağın bir nesneye karşı gösterdiği direnç miktarını ifade eder. Bu direnç, genellikle toprağın sıkışıklığı, yapısı ve nem düzeyi gibi faktörlere bağlı olarak değişir. Toprağın penetrasyon direncini ölçmek, toprağın fiziksel özelliklerini ve sağlığını anlamada önemli bir araçtır.

Bu alanda yapılan çalışmaların birinde, “BoniRob” isimli otonom bir mobil robot üzerine entegre edilmiş otomatik bir toprak penetrometresi geliştirilmiştir (Scholz, vd., 2014). Saha ölçümleri robot tarafından iki farklı modda yapılabilmektedir. Bunlar, kullanıcının sistemi bir uzaktan kumanda paneli aracılığıyla kontrol ettiği “manuel” mod ve robotun tamamen bağımsız bir şekilde hareket ettiği “otomatik” moddur. Ölçüm örnekleri için bir penetrometre modülü tasarlanmıştır. Toprak yüzeyinin 80 cm altına kadar ölçüm yapabilen bu modülde yer alan bir basınç sensörü ile ölçülen değer belirli bir sınır değeri aştığında seviye ölçümü aktüatör aracılığıyla otomatik olarak durdurulmaktadır. Ölçüm alınamayan bu noktanın sürüş yönünde 60 cm ilerisinde ölçüm tekrarlanacak şekilde bir algoritmaya sahiptir. Ayrıca, toprak örneği alınan noktada yüzey nemi ve sıcaklığı eş zamanlı olarak ölçülmektedir. Robota takılı bir RTK-DGPS birimi, ölçüm verilerinin hassas bir şekilde konumlandırılmasını ve coğrafi bilgi sistemi (CBS) tabanlı dokümantasyonunu sağlamaktadır. Geliştirilen robotun fonksiyonunu doğrulamak için ölçüm verileri ticari bir penetrometrenin verileriyle karşılaştırılmıştır. Yapılan değerlendirme sonucunda iki farklı yöntemle elde edilen değerlerin istatistiksel olarak birbirine yakın olduğu belirtilmiştir (R2=0,94).

Propriyoseptif, bir nesneyi oluşturan eklem ve uzuvların üç boyutlu uzaydaki konumlarının ve bu konumların zaman içinde nasıl değiştiğini algılayabilme yeteneğidir.

Jiroskop sensörü, sabit bir nesnenin, üç dikey eksende açısal oranlar karşılaştırılarak dönüş yönü ve hızını belirleyen bir sensördür. Algıladığı verileri işlemcisi üzerinde işleyerek elektriksel sinyale çevirir. Jiroskop, yön ölçümü veya ayarlamasında kullanılan, açısal dengenin korunması ilkesiyle çalışır. Sensörün gerçekleştirdiği hareket, fizik kurallarına ve merkezkaç ilkesine göre çalışmaktadır (Süzen vd., 2017).

Huang ve diğerleri (2020) tatlı su yetiştiriciliği ortamının su kalitesi tespiti amacıyla bir robot tasarlamışlardır. Robot, tatlı su akuakültür ortamında su sıcaklığı, pH değeri ve çözünmüş oksijen içeriği gibi parametreleri gerçek zamanlı olarak sabit noktalardan toplayabilmektedir. Ayrıca, tasarlanan robot, üç pervaneli tahrik sistemiyle şeffaf bir görünüme sahiptir ve bu üç adet pervanesi sayesinde serbest dönüş yapabilmektedir. Geliştirilen prototipin performans testi sonuçları; navigasyon kontrolü, dalış kontrolü, su kalitesi tespiti ve su parametrelerini toplama açısından robotun çalışma gereksinimlerini başarıyla karşıladığını göstermektedir.

Artan Üretkenlik 

İş Güvenliği ve Kalite Kontrolü 

Tutarlılık ve Hassasiyet 

Çalışma Koşullarındaki Esneklik 

Geliştirilebilirlik 

Ekonomik ve Sosyal Etkiler

Acil Durum Reaksiyon Yeteneği

Yüksek Maliyetler

Teknik Sınırlamalar 

Güvenlik Sorunları

Otonom pivot sistemleri , tarımsal sulama için kullanılan ve sulama ekipmanlarının belirli bir alanda otomatik olarak ilerlemesini ve suyun eşit şekilde dağılmasını sağlayan sistemlerdir. Bu sistemler genellikle güneş enerjisiyle çalışır ve sulama için gerekli hareketleri, belirlenmiş alanlardaki bitki ihtiyaçlarına göre programlanmış algoritmalar kullanarak gerçekleştirirler.

PLC (Programmable Logic Controller), endüstriyel otomasyon sistemlerinde yaygın olarak kullanılan bir tür kontrol cihazıdır. MODBUS, endüstriyel iletişim protokollerinden biridir. Temel olarak cihazlar arasında veri iletimi için kullanılan bir seri iletişim protokolüdür. SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), büyük ölçekli endüstriyel sistemlerin kontrolünü ve veri toplama işlevlerini gerçekleştiren bir tür otomasyon sistemidir. Bir PLC, bir SCADA sistemine veya bir bilgisayara MODBUS protokolü üzerinden veri aktarabilir veya başka bir MODBUS uyumlu cihazla doğrudan iletişim kurabilir.

RTK (Real-Time Kinematic) gerçek zamanlı kinematik terimini ifade eden, hassas konumlandırma sistemlerinden biridir.