Autonomous solutions for harvesting Typha latifolia seed fluff

Abstract

In order to mitigate climate change, greenhouse gas (GHG) emissions that originate from agriculture should be reduced as they account for 30-40 percent of the total GHG emissions in the world. Paludiculture is the sustainable production of biomass on wet peatlands, and compared to agricultural farming methods based on drained peatlands, it reduces the total GHG emissions by 8-35 tons of CO2 equivalents per hectare of farmed land. On wet peatlands, paludicrops such as Typha latifolia, the common cattail, can be cultivated for profit. The seed fluff of Typha latifolia can be produced to be used as textile filling, however the harvesting that is currently done manually is ineffective and no agricultural robots have been developed for the task. In an effort to effectivize the harvesting of Typha latifolia seed fluff, we developed and tested two harvesting prototypes based on suction. Additionally, we reviewed agricultural robot systems and their feasibility in paludiculture. It was concluded that a tracked mobile robot or a drone could realistically traverse and navigate the waterlogged environment of a Typha latifolia plantation while detecting the plants' flower pistons containing the harvested seed fluff. It could be used to harvest the seed fluff, provided that a feasible fluff harvesting system was available. We compared the harvesting speed and material loss of the two prototypes to manually harvesting the seed fluff. Prototype 2 achieved similar speeds and material loss as harvesting the fluff by hand. Many environmental variables, such as the plant’s flower piston ripeness and limited movement in the testing terrain affected the test results and further research should be made to verify them. The suction harvesting method could also be evaluated and compared to other methods of harvesting such as cutting. We concluded that harvesting based on suction needs to be made simpler in order to be a feasible method for autonomous harvesting of Typha latifolia seed fluff. Harvesting with the prototypes causes the plant stalks to bend and move, moving the flower pistons. This creates additional requirements for the detection of the flower pistons as well as the harvesting of the seed fluff.

För att motverka klimatförändringen bör utsläppen av växthusgaser från jordbruket minskas, eftersom de orsakar 30 - 40 procent av de totala utsläppen av växthusgaser i världen. Paludikultur betyder hållbar produktion av biomassa på våta torvmarker, och jämfört med jordbruksmetoder som bygger på dränerade torvmarker minskar paludikultur de totala växthusgasutsläppen med 8 - 35 ton koldioxidekvivalenter per hektar odlad mark. Växter såsom Typha latifolia, bredkaveldun, kan odlas lönsamt på våta torvmarker. Fröluddet från Typha latifolia kan produceras för att användas som textilfyllning, men skördandet, som för närvarande görs för hand, är ineffektivt och inga jordbruksrobotar har ännu utvecklats för uppgiften. I ett försök att effektivisera skörden av Typha latifolias fröludd har vi utvecklat och testat två prototyper som bygger på sugning. Dessutom har vi granskat jordbruksrobotsystem och deras användbarhet inom paludikultur. Slutsatsen blev att en drönare eller en mobilrobot med spår skulle realistiskt kunna färdas genom samt navigera sig i den vattentäckta miljön på ett Typha latifolia-plantage samtidigt som den upptäcker växternas blomkolvar som innehåller det skördade fröluddet. Roboten skulle kunna användas för fröluddsskörd, förutsatt att det finns ett fungerande system för fröluddsskördandet. Vi jämförde skördehastigheten och förlusten på skördat material för de två prototyperna med fröluddsskörd för hand. Prototyp 2 uppnådde liknande hastigheter och materialförluster som vid skörd för hand. Många variabler i miljön, såsom växtens blomkolvs mognad och begränsad rörelse i testterrängen, påverkade testresultaten och ytterligare forskning bör göras för att verifiera dem. Sugskördemetoden skulle också kunna utvärderas och jämföras med andra skördemetoder, som t.ex. klippning. Vi drog slutsatsen att skörd baserad på sugning måste göras enklare för att vara en genomförbar metod för autonom skörd av Typha latifolia fröludd. Skörden med prototyperna gör att växtstjälkarna böjer sig och rör sig, vilket flyttar på blomkolvarna. Detta skapar ytterligare krav för att upptäcka kolvarna och för att skörda fröluddet.