ที่มาและความจำเป็น

อ้อยจัดว่าเป็นหนึ่งในพืชเศรษฐกิจที่สำคัญต่อการพัฒนาเศรษฐกิจ และสังคมของประเทศไทย สามารถสร้างรายได้มหาศาลจากการแปรรูป และจำหน่ายทั้งในประเทศ และต่างประเทศ

ทั้งยังมีการคาดการณ์อีกด้วยว่าอุตสาหกรรมอ้อย และน้ำตาลจะมีการขยายตัวทั้งในแง่กำลังการผลิต และมูลค่าทางเศรษฐกิจอย่างต่อเนื่อง ส่งผลให้พื้นที่เพาะปลูกและอุปสงค์ที่เกี่ยวข้องกับการผลิตโดยเฉพาะการใช้สารเคมีกำจัดวัชพืชเพิ่มมากขึ้น การเพิ่มขึ้นของการใช้สารเคมีกำจัดวัชพืชนี้ส่งผลกระทบให้ประเทศไทยต้องเสียดุลการค้าปีละหลายหมื่นล้านบาทไปกับการนำเข้าสารเคมีกำจัดวัชพืช ถึงแม้ว่ามูลค่าการนำเข้า และปริมาณการใช้สารเคมีกำจัดวัชพืชในประเทศไทยจะสูง แต่อย่างไรก็ตามหากพิจารณาถึงประสิทธิผลของการใช้สารเคมีกำจัดวัชพืชจะพบว่าประสิทธิผลในการกำจัดวัชพืชโดยการฉีดพ่นสารเคมีนั้นอยู่ในระดับต่ำมาก กล่าวคือมากกว่าร้อยละ 95 ของสารเคมีกำจัดวัชพืชตกค้างอยู่ในดิน น้ำ และอากาศ สร้างมลภาวะให้กับสิ่งแวดล้อม ส่งผลเสียโดยตรงต่อเกษตรกร ผู้คน และสัตว์ที่ต้องอยู่อาศัยใกล้ชิดกับแหล่งที่มีการใช้สารเคมีกำจัดวัชพืชด้วยเหตุนี้

กลุ่มมิตรผลซึ่งเป็นกลุ่มที่ดำเนินธุรกิจเกี่ยวกับอุตสาหกรรมอ้อย และน้ำตาลได้ตระหนักปัญหาดังกล่าว และพยายามเฟ้นหาแนวทางแก้ไขเพื่อบรรเทาความรุนแรงของปัญหาดังกล่าว จึงได้ร่วมมือกับสำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์ และเทคโนโลยีแห่งชาติ (สวทช.) โดยมีคณะผู้วิจัยสังกัดศูนย์เทคโนโลยีโลหะ และวัสดุแห่งชาติ (เอ็มเทค) เป็นผู้ดำเนินการหลักในการร่วมวิจัยเพื่อพัฒนาต้นแบบแพลตฟอร์มหุ่นยนต์เคลื่อนที่อัตโนมัติทางการเกษตรสำหรับการควบคุมวัชพืชในไร่อ้อย โดยความร่วมมือนี้ได้รับความสนับสนุนจากกองทุนพัฒนาดิจิทัลเพื่อเศรษฐกิจ และสังคม สำนักงานคณะกรรมการดิจิทัลเพื่อเศรษฐกิจ และสังคมแห่งชาติ (สดช.) กระทรวงดิจิทัลเพื่อเศรษฐกิจ และสังคม แพลตฟอร์มหุ่นยนต์เคลื่อนที่อัตโนมัตินี้ได้ถูกพัฒนาขึ้นเพื่อให้การควบคุมวัชพืชในไร่สามารถกระทำได้อย่างแม่นยำ และเฉพาะจุด โดยบริเวณด้านหน้าของแพลตฟอร์มหุ่นยนต์ มีการติดตั้งระบบกล้องเพื่อถ่ายภาพแปลงอ้อย โดยภาพถ่ายที่ได้ได้ถูกนำมาประมวลผลภาพเพื่อตรวจสอบว่า ในแปลงมีวัชพืชหรือไม่ หากตรวจพบวัชพืชระบบจะวิเคราะห์ต่อว่า วัชพืชอยู่ตำแหน่งใดในแปลง

เมื่อทราบตำแหน่งแล้วระบบฉีดพ่นสารเคมีกำจัดวัชพืชจะถูกสั่งการให้ฉีดพ่นสารเคมีตรงไปยังจุดเฉพาะที่มีวัชพืชเท่านั้น หากอ้างอิงจากข้อมูลจากงานวิจัยที่ได้สืบค้นมาพบว่า การฉีดพ่นสารเคมีในลักษณะแม่นยำ และเฉพาะจุดนี้สามารถช่วยลดปริมาณการใช้สารเคมีกำจัดวัชพืชได้อย่างมีนัยสำคัญและช่วยลดปัญหาการใช้สารเคมีกำจัดวัชพืชแบบผิดวิธี ซึ่งจะส่งผลให้ประสิทธิภาพการใช้สารเคมีเพิ่มสูงขึ้น และลดโอกาสเกิดการดื้อหรือต้านทานต่อยาของวัชพืชได้อีกด้วย

การพัฒนาแพลตฟอร์มหุ่นยนต์สำหรับการควบคุมวัชพืชในไร่อ้อยไม่เพียงช่วยลดต้นทุนทางตรงที่เกี่ยวเนื่องกับปริมาณการใช้สารเคมีกำจัดวัชพืช แต่ยังช่วยลดความเสี่ยงการขาดแคลนแรงงานในอนาคต
ลดการใช้ทรัพยากรต่าง ๆ ลดความเสี่ยงต่อการเกิดโรคที่มีสาเหตุจากการใช้สารเคมีกำจัดวัชพืชของ ผู้ฉีดพ่นยา และประชาชนที่อาศัยในบริเวณที่มีการใช้สารเคมี ยิ่งไปกว่านั้นองค์ความรู้ด้านต่าง ๆ ที่ถูกพัฒนาขึ้นจากเทคโนโลยีหุ่นยนต์อัตโนมัติในโครงการวิจัยนี้สามารถนำมาต่อยอดประยุกต์ใช้ในการเก็บข้อมูลการเพาะปลูก การติดตามการเจริญเติบโตของพืช การเก็บข้อมูลตัวอย่างของดินสำหรับการวิเคราะห์คุณภาพดินในไร่ การเฝ้าระวังการเกิดโรคพืช และแมลงได้อีกด้วย ข้อมูลต่าง ๆ เหล่านี้สามารถถูกนำมาวิเคราะห์ และสังเคราะห์เพื่อหาปัจจัยที่ส่งผลต่อการเพิ่มมูลค่าของผลผลิตในระยะยาว
ฐานข้อมูลดังกล่าวมีความสำคัญที่จะช่วยเตรียมความพร้อมให้เกษตรกรชาวไร่อ้อยสามารถปรับตัวเข้ากับสภาพดินฟ้าอากาศที่แปรปรวนมากขึ้น ซึ่งความรู้แบบดั้งเดิมในการบริหารการจัดการผลิตอาจไม่สามารถทำได้อย่างมีประสิทธิภาพการใช้เทคโนโลยีการเกษตรสมัยใหม่นี้ยังช่วยเสริมสร้างศักยภาพในการแข่งขันของเกษตรกรได้อย่างยั่งยืนในอนาคตอีกด้วย

วัตถุประสงค์

เพื่อพัฒนาต้นแบบแพลตฟอร์มหุ่นยนต์เคลื่อนที่อัตโนมัติทางการเกษตรสำหรับการควบคุมวัชพืชในไร่อ้อย ต้นแบบดังกล่าวเป็นหุ่นยนต์เคลื่อนที่ (mobile robot) ที่สามารถนำร่องในไร่อ้อยได้อย่างอัตโนมัติบันทึกข้อมูลภาพ ตรวจหาวัชพืช รวมถึงสามารถฉีดพ่นสารเคมีกำจัดวัชพืชไปยังวัชพืชที่ตรวจพบได้อย่างแม่นยำ และเฉพาะจุด โดยในการทำงานในรูปแบบอัตโนมัตินี้ หุ่นยนต์เคลื่อนที่ไปตามพิกัดตามที่ได้กำหนดไว้แบบอัตโนมัติโดยอาศัยระบบระบุพิกัดแบบ real-time-kinematic global navigation satellite systems (RTK GNSS)

คุณลักษณะของแพลตฟอร์มหุ่นยนต์เคลื่อนที่อัตโนมัติทางการเกษตรสำหรับการควบคุมวัชพืชในไร่อ้อย

แพลตฟอร์มหุ่นยนต์เคลื่อนที่อัตโนมัติทางการเกษตรสำหรับการควบคุมวัชพืชในไร่อ้อยเป็นหุ่นยนต์ขับเคลื่อนสี่ล้ออิสระ และเลี้ยวสี่ล้ออิสระ มีความกว้างและความยาวของฐานล้อ 90 เซนติเมตรและ 110 เซนติเมตรตามลำดับ น้ำหนักตัวเปล่าประมาณ 310 กิโลกรัม มีระบบรองรับการสั่นสะเทือนแบบสี่ล้ออิสระรองรับโครงสร้างของหุ่นยนต์ไว้เพื่อให้เหมาะสมสำหรับการเคลื่อนที่ไปในแปลงอ้อยที่มีพื้นผิวไม่ราบเรียบมากนัก และมีพื้นที่ระหว่างแถวปลูกที่ค่อนข้างจำกัด บริเวณด้านหลังของหุ่นยนต์เป็นพื้นที่สำหรับติดตั้งถังบรรจุสารเคมีกำจัดวัชพืชขนาด 50 ลิตรใช้สำหรับบรรจุสารเคมีกำจัดวัชพืชเพื่อฉีดพ่นในไร่โดยอาศัยหัวฉีดพ่นจำนวน 19 ชุดที่ติดตั้งอยู่บนสเปรย์บูม (spray boom) ที่มีความกว้าง 190 เซนติเมตร จากการทดสอบการเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์ในแปลง พบว่าหุ่นยนต์สามารถเคลื่อนที่ไปในไร่อ้อยได้ดีด้วยความเร็วสูงสุด 2 ชั่วโมงต่อชั่วโมงตามที่ออกแบบไว้ สามารถข้ามสิ่งกีดขวางจำพวกก้อนหินขนาดเล็ก เนินดินขนาดเล็ก กิ่งไม้ หรือกอซากวัชพืชได้ หุ่นยนต์สามารถทำงานต่อเนื่องได้มากกว่า 4 ชั่วโมง

การทำงานของหุ่นยนต์ถูกควบคุมด้วยซอฟท์แวร์ที่ติดตั้งไว้ในเครื่องคอมพิวเตอร์ ซอฟท์แวร์ควบคุมถูกพัฒนาขึ้นมาจาก Robot Operating System (ROS) ซึ่งเป็น middleware ที่ทำงานบนระบบปฏิบัติการลิกซ์ (Linux operating system) การควบคุมหุ่นยนต์ให้เคลื่อนที่สามารถกระทำได้ทั้งการควบคุมแบบระยะไกลโดยอาศัยอุปกรณ์ควบคุมระยะไกล และการควบคุมแบบอัตโนมัติ โดยในการควบคุมแบบอัตโนมัตินั้นจะอาศัยการคำนวณพิกัด และทิศทางของหุ่นยนต์โดยอาศัยการประมาณ (estimation) ค่าพิกัดร่วมกันจากค่าพิกัดที่ได้จากก RTK GNSS เซนเซอร์ไจโร (gyro sensor) และเอนโคดเดอร์ (encoder)
การประมาณค่าพิกัดร่วมกันจากเซนเซอร์ต่าง ๆ นี้ทำให้ค่าพิกัดที่ได้มีความแม่นยำมากขึ้น ช่วยให้หุ่นยนต์สามารถเคลื่อนที่ไปตามเส้นทางที่กำหนดไว้ในไร่อ้อยได้อย่างแม่นยำ โดยมีความคลาดเคลื่อนของเส้นทางการเคลื่อนที่ของหุ่นยนต์สูงสุดอยู่ที่ 0.092 เมตร ซึ่งความคลาดเคลื่อนระดับนี้ถือว่าน้อยมากและพอเพียงสำหรับการทำงานในลักษณะนี้

นอกจากนี้ บริเวณด้านหน้าของหุ่นยนต์ ยังได้มีการติดตั้งกล้องไว้จำนวน 3 ตัวสำหรับถ่ายภาพแปลงอ้อย ภาพดังกล่าวได้ถูกนำมาประมวลผลเพื่อทำการคำนวณหาตำแหน่งของพืชที่มีสีเขียวในภาพ และตำแหน่งของพืชในภาพได้ถูกนำมาควบคุมการฉีดพ่นสารเคมีกำจัดวัชพืชอีกต่อหนึ่ง ช่วยให้การฉีดพ่นสารเคมีกำจัดวัชพืชทำได้เฉพาะจุดมากขึ้น เป็นการช่วยลดการใช้สารเคมีกำจัดวัชพืช จากการทดสอบการทำงานของการประมวลผลภาพ และระบบฉีดพ่นในแปลงอ้อย พบว่าอัลกอริทึมที่ถูกพัฒนาขึ้นสามารถตรวจหาพืช และตำแหน่งของพืชได้อย่างแม่นยำ และมีเสถียรภาพ สามารถทำงานในสภาพแวดล้อมที่มีความเข้มแสงแตกต่างกันได้ แต่อย่างไรก็ตามอัลกอริทึมนี้ยังมีการทำงานไม่ซับซ้อน ยังไม่สามารถแยกแยะความแตกต่างระหว่างอ้อยกับวัชพืชที่ไม่ต้องการได้ โดยข้อจำกัดนี้ คณะผู้วิจัยมีแผนที่จะพัฒนาปัญญาประดิษฐ์ (artificial intelligence) ด้วย convolutional neural network (CNN) ที่มีความสามารถในการแยกแยะความแตกต่างระหว่างอ้อยกับวัชพืชในการพัฒนาระยะถัดไป