Drones en la granja: uso del reconocimiento facial para mantener a las vacas sanas(evitar la muerte de 2,500,000 vacas al año solo en EEUU)
Monitorear la salud del ganado de rebaño pequeño es un gran trabajo, pero los drones automatizados podrían ser el nuevo mejor amigo de un agricultor.
Cuando imagino escenas de la vida cotidiana llenas de drones en un futuro no muy lejano, mi mente se desplaza hacia centros de ciudades ultramodernos y suburbios modernos con entrega autónoma. No pienso en las granjas. Al menos no lo hice hasta que visité un proyecto de investigación en la Universidad de Kentucky.
La tecnología para la agricultura en las zonas rurales de América es una pieza muy importante de nuestro futuro rompecabezas, y juntos un equipo de profesores y estudiantes investigadores están trabajando para construir un sistema automatizado de drones que pueda monitorear la salud del ganado en el pasto.
La motivación para el proyecto está respaldada por algunas estadísticas bastante aleccionadoras. Según la investigación del equipo, 2.5 millones de bovinos estadounidenses mueren cada año por problemas de salud, lo que representa el 60% de las pérdidas de ganado. Compare eso con 220,000 perdidos por depredadores u otros accidentes y las estadísticas son un buen argumento para prestar más atención a la salud del ganado.
Un avión no tripulado de prueba se prepara para volar al pasto en el Centro de Investigación Animal.
Tyler Lizenby / CNET
El tipo de ganado que el equipo espera monitorear es el ganado en la producción de carne, una industria importante en los Estados Unidos y una exportación importante. Según el Instituto Norteamericano de la Carne , el valor de exportación de las exportaciones de carne de res y variedades de carne alcanzó un récord de $ 7.27 mil millones en 2017, un año en que el USDA informa que las compañías estadounidenses de carne produjeron 26.3 mil millones de libras de carne. Esas vacas individuales tienen un valor de alrededor de $ 550 , pero los valores pueden subir aún más, dependiendo de factores como la edad, el peso, la calidad y la demanda del mercado.
Estas reses pastan durante largos períodos de tiempo en el campo, lo que dificulta que los agricultores controlen el bienestar de cada uno de forma regular. Si los granjeros tuvieran una manera remota y autónoma de verificar la ubicación y la salud de cada vaca, pueden abordar los problemas de salud y seguridad del ganado mucho antes.
Ahí es donde entran los drones o vehículos aéreos no tripulados (UAV). El objetivo del sistema es identificar a cada vaca, ubicarla en un potrero y medir información vital de salud como peso, tamaño, características faciales y actividad física.
El sistema autónomo de UAV en desarrollo en el Reino Unido podría potencialmente localizar, reconocer y monitorear cada vaca. El proyecto, financiado con una subvención del USDA, comenzó en febrero de 2018 y está programado para continuar hasta febrero de 2021.
Dentro del laboratorio de vuelo de prueba de drones, estudiantes investigadores vuelan drones alrededor de una vaca modelo.
Tyler Lizenby / CNETAutomatización de drones
Así es como funciona el sistema multi-UAV. Un avión no tripulado observador se sitúa a 90-270 pies sobre la manada. Este dron utiliza cámaras estéreo orientadas hacia abajo para seguir el movimiento. Determina la ubicación y orientación del ganado. Tres drones trabajadores toman la información de ubicación proporcionada por el dron observador y la usan para rastrear una vaca específica. Los drones trabajadores luego realizan las tareas de monitoreo de salud.
Para probar drones autónomos en vuelo sincronizado, el equipo estableció un centro de vuelo de prueba en un laboratorio del sótano del edificio de ingeniería mecánica. Aquí, los techos altos permiten que las cámaras ubicadas sobre las paredes actúen como drones de observación, utilizando marcadores retrorreflectantes para triangular la posición de los drones y las vacas en el espacio.
El software ejecutado por una computadora cercana toma esa información y le da al trabajador las coordenadas de los drones y las instrucciones de vuelo con respecto a dónde está la vaca. No hay vacas reales en el laboratorio, pero hay un modelo de vaca. Se llama Chuck.
Chuck y un zángano trabajador miran los ojos durante un vuelo de prueba.
Tyler Lizenby / CNET
Zack Lippay es el Ph.D. estudiante trabajando liderando estos vuelos de prueba de drones. Un equipo de estudiantes maneja cada dron como medida de seguridad, pero la automatización está haciendo casi todo el trabajo. Durante nuestra visita, vimos que el controlador de drones tocaba solo unas pocas teclas en el programa de computadora y los drones despegaron, dieron vueltas y aterrizaron alrededor de Chuck, mientras un sistema de polea lo movía para simular el movimiento de una vaca viva.
"Estamos tratando de demostrar que este método es seguro antes de llevarlo afuera y trabajar con ganado real", dijo Lippay. "Todo es completamente autónomo, pero tenemos un sistema a prueba de fallas donde los pilotos pueden hacerse cargo si las cosas se ponen un poco inestables".
Los drones que Zach y sus compañeros de equipo están usando son drones 3DR Solo modificados con Raspberry Pi , una pequeña placa de computadora de bajo costo y un dongle que agrega conectividad inalámbrica para que puedan comunicarse entre sí. Un programa de software que el equipo ha personalizado le dice a los drones cuándo ejecutar maniobras para despegar, planear, regresar a casa y aterrizar.
Zach Lippay observa vuelos de drones en el Centro de Investigación Animal.
Tyler Lizenby / CNET
Algún día, los modelos de drones podrían actualizarse a algo un poco más sofisticado, pero estos modelos listos para usar están haciendo el trabajo en esta primera fase de prueba.
MOO para la cámara
Perfeccionar el vuelo automatizado con drones es solo una pieza del rompecabezas de monitoreo de vacas. El desafío es enseñar a los drones qué vaca es cuál. Ahí es donde entra en juego el software de aprendizaje automático y reconocimiento facial. El equipo necesita entrenar el software para reconocer el tamaño, la forma y los colores de una vaca, luego deberá aprender específicamente la cara de cada vaca. Para hacer esto, necesitan construir modelos 3D a partir de imágenes reales de vacas.
Michael Sama, profesor asociado de biosistemas e ingeniería agrícola, y Ruigang Yang, profesor de informática, lideran esta parte del proyecto.
"Lo que estamos tratando de hacer es descubrir si podemos tomar menos imágenes y obtener el mismo modelo". dijo Sama. "A partir de eso, podemos calcular el volumen de la vaca y, en última instancia, estimar su masa corporal".
Michael Sama trabaja en la recopilación de imágenes para crear un modelo 3D para el software de reconocimiento de vacas.
Tyler Lizenby / CNET
Eso significa recopilar el conjunto de datos correcto de imágenes para enseñar al software cómo debería ser una vaca. ¿Cómo se toma una imagen de 360 grados de una vaca? Me alegra que lo hayas preguntado.
En lo profundo de las entrañas del edificio agrícola, el equipo ha construido lo que equivale a un fotomatón de vaca. Es un corral de ganado estándar, pero cubierto con 40 cámaras espaciadas uniformemente a su alrededor. El equipo está pensando en duplicar la cantidad de cámaras para obtener ángulos aún mejores.
La idea es que una vaca sea llevada al corral, y cada cámara capturará simultáneamente una imagen, creando un conjunto de fotos desde más de 40 ángulos para crear un modelo de vaca 3D que el software puede usar para aprender qué buscar en el campo . Esta es la parte del proyecto que eventualmente podría conducir al reconocimiento facial. El fotomatón aún no se ha probado con vacas reales, pero debido a que las cámaras funcionan tan rápido, piensan que podría capturar imágenes de 360 grados de hasta 50 vacas por día.
El lápiz fotográfico para vacas incluye 40 cámaras para tomar imágenes simultáneas de una vaca desde todos los ángulos.
Tyler Lizenby / CNETVolando en la granja
Antes de que el equipo pueda llevar los drones de prueba y el prototipo de la pluma al campo, deben asegurarse de que no haya efectos adversos o tensiones en el ganado. Si los drones aumentan la frecuencia cardíaca de las vacas, esos datos no darán una imagen precisa de la salud diaria de la vaca.
Para probar cómo reaccionan las vacas a los vuelos de aviones no tripulados, el equipo vuela manualmente aviones no tripulados en el Centro de Investigación Animal de la universidad, una granja en las cercanías de Versalles, Kentucky, donde el ganado real se mantiene como parte del centro de investigación de producción de carne. Josh Jackson, profesor asistente de extensión de biosistemas e ingeniería agrícola, lidera esta parte del proyecto. Es el experto residente en el manejo del ganado y el control de los signos vitales.
"En realidad estamos tratando de cuantificar los cambios conductuales y fisiológicos", dijo Jackson. "Si queremos usar [UAV] como dispositivo de monitoreo, ¿cómo los afecta? ¿Es positivo, negativo o neutral?"
El monitoreo de salud actual que el equipo está usando para recopilar información sobre el rebaño es una correa de monitoreo del ritmo cardíaco del tamaño de una vaca, muy similar a lo que usa un atleta humano en el entrenamiento. De hecho, el modelo que Josh y su equipo usan son fabricados por Polar, un conocido fabricante de monitores de frecuencia cardíaca en la industria de la aptitud humana.
Cada monitor de frecuencia cardíaca y localizador GPS están conectados al correo electrónico personal y al dispositivo móvil de la vaca. Sí, estas vacas tienen teléfonos. Cada teléfono y correo electrónico está numerado para que coincida con la vaca que está monitoreando, y la vaca lleva todos esos dispositivos en un collar especial. Josh dice que sistemas como estos son caros y difíciles de administrar. Un equipo de drones podría hacerlo mejor.
El paquete actual de vacas de equipo de monitoreo de salud en el ARC se usa para recopilar datos.
Precio de Molly / CNET
La acción del drone y el ganado que ocurre actualmente en la granja es determinar qué tan estresante puede ser este proceso para el ganado. El equipo debe asegurarse de que la manada pueda tolerar los drones que vuelan a su alrededor. Durante tres días a la semana, el equipo realiza cinco vuelos de prueba de 5-10 minutos por día, dándole al ganado cuatro días de descanso.
"Una de las cosas clave sobre el uso de vehículos aéreos no tripulados alrededor de los animales para el monitoreo de la salud es que tenemos que entender qué tan cerca podemos llegar a ellos y cómo podemos maniobrar alrededor de ellos para evitar cualquier efecto adverso", dijeron Jesse Hoagg, Donald y Gertrude Lester. Profesor de Ingeniería Mecánica e investigador principal del proyecto.
Hasta ahora, no ha habido reacciones notables de las vacas. Las frecuencias cardíacas entre los rebaños rodeados por drones no aumentan ni muestran signos de estrés (la frecuencia cardíaca normal de una vaca es de alrededor de 70 lpm). Curiosamente, durante nuestra visita a la granja, las vacas estaban mucho más asustadas por nuestro equipo de cámaras que se acercaba que los cuatro zánganos que zumbaban ruidosamente por encima.
El dron observador despega.
Tyler Lizenby / CNET
Le pregunté al Dr. Steven Thomson, Líder del Programa Nacional del Instituto Nacional de Alimentos y Agricultura del USDA sobre la importancia del proyecto financiado por el USDA del Reino Unido.
"Este esfuerzo es uno de los primeros en monitorear rápidamente la salud de un rebaño de ganado", dijo Thomson. "Los sistemas de imágenes aéreas no tripuladas tienen el beneficio de monitorear grandes áreas de ganado, al igual que ya lo hacen para monitorear la salud de los cultivos. Esta práctica es una forma rentable de monitorear indicadores clave de salud del ganado mediante sensores e imágenes".
Si bien este proyecto no aborda otras preocupaciones relacionadas con la ganadería, como el metano y su impacto en el cambio climático, Jesse y Michael están trabajando en un proyecto financiado por la National Science Foundation que utiliza UAV para medir las concentraciones químicas en la capa límite atmosférica y predecir su dispersión. La medición de la dispersión de metano es una posible aplicación de ese proyecto.
El proyecto de drones autónomos que vimos aún está a años de completarse, pero cuando lo sea, será una prueba de concepto para mejorar la eficiencia en la granja y aligerar el trabajo físico de los pequeños agricultores.
"La esperanza es que algún día la tecnología que estamos desarrollando en este proyecto pueda ser comercializada y utilizada por pequeños productores de ganado en el estado de Kentucky, Estados Unidos en general y posiblemente en todo el mundo", dijo Hoagg.
El ganado en el Centro de Investigación Animal pasta mientras el equipo se prepara para las pruebas de drones.
Tyler Lizenby / CNET
La automatización, el reconocimiento facial y el aprendizaje automático son frases recurrentes en la tecnología actual. La mayoría de las veces, en historias y editoriales sobre el lado aterrador de la vigilancia. Hacer un viaje a esta granja de investigación de Kentucky me recordó que la tecnología se puede utilizar para mejorar nuestras industrias existentes y apoyar la producción responsable de carne de res.
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