Lønnsomt og bærekraftig skogbruk med roboter

På midten av 1950-tallet var godt over 30 000 personer sysselsatt i skogbruket. På slutten av 1970-tallet kom hogstmaskinene for fullt, og i dag er det rundt 5000 mennesker som har sitt arbeid i skogen. De heltidsansatte kjører store maskiner, mens mange sesongarbeidere, blant annet fra Polen og Baltikum, tar seg av skogplanting og ungskogpleie. Siden 1980 har tømmerprisen blitt halvert, og store deler av norsk skogindustri lagt ned. Skogen vokser imidlertid som aldri før. Siden 1920 har tømmervolumet i norske skoger blitt tredoblet, og det nærmer seg nå 1 milliard kubikkmeter. Bare de siste ti årene har tømmervolumet økt med 20 prosent. Tross lav lønnsomhet er det en forventning om økt hogst i årene fremover, ikke minst i forbindelse med det grønne skiftet, der fornybare råvarer skal erstatte fossile råvarer.

Til tross for at så mye som 95 prosent av tømmeret i dag tas ut med hogstmaskiner: Kravet om økt avvirkning og bedre lønnsomhet, kombinert med strenge miljøkrav til skognæringen, øker behovet for kunnskap om hvordan tømmer tas ut i fremtiden. Utfordringen for skogbruket i det grønne skiftet, og i den nye bioøkonomien, blir å utvikle nye systemer for hogst, systemer som kanskje er førerløse, fjernstyrte og til og med selvgående. 

En av dem som forsker på fremtidens skogbruk er PhD-student Marek Pierzchała fra NIBIO - Norsk institutt for bioøkonomi på Ås. Vi ble med Marek ut i skogen for å lære mer om hvilke muligheter forskerne ser for seg når det gjelder automatisering av skogbruket.

Robot på skogstur – mer enn en enkel tur i parken

Noe kommer forsiktig og rykkvis trillende på stien mellom granleggene. Utseendemessig ikke helt som R2-D2 fra Star Wars, kanskje mer som en stereo-rack fra 1980-tallet med kamera og påmonterte hjul. Med litt velvilje ligner den Wall-E, Pixar Studios søte og litt keitete robot, der den triller fremover under kronetaket i skogen like ved Campus Ås. 

For selv om den foreløpig fjernstyrte farkosten virker noe bortkommen blant trestammene i granskogen er jobben dens nettopp å finne frem på egen hånd. Det langsiktige målet med forskningen er å utvikle en selvgående skogsrobot som kan kartlegge, stedfeste og posisjonere både seg selv og trærne den møter på sin vei.

Bak fjernkontrollen, noen meter unna, står Marek Pierzchała. Den polske skogbrukeren kom til Norge i 2013 og arbeider med automatiseringsprosesser i skogbruket ved NIBIOs avdeling for skogteknikk og økonomi.

- Vi trenger ikke nødvendigvis så dyrt utstyr, det viktigste er programvaren, forklarer Pierzchała. Roboten er utviklet ved NIBIO's Senter for presisjonsjordbruk på Apelsvoll.

Målet med denne skogens Wall-E er at den på egen hånd både skal navigere røtter, steiner og trestammer samtidig som den kartlegger trærne omkring, hvor de står, hvor store de er, og hele tiden, etter hvert som nye trær og nytt terreng dukker opp, oppdatere det tredimensjonale kartet som gradvis bygges opp.

Selve roboten består av programvare som samler inn og behandler data fra en tredimensjonal LIDAR, altså et laserlys som kartlegger overflaten på omgivelsene, slik som trestammer og røtter. I tillegg er den utstyrt med et stereokamera og en sensor som registrerer robotens bevegelser, en såkalt IMU, en «inertia measurement unit».

Pierzchała forklarer at han først lar skogens Wall-E kartlegge området. Deretter kan han la roboten kjøre selv. En av mange utfordringer for roboter på skogtur er at bakken ikke er asfaltert og plan. Terrenget er fullt av røtter, steiner og humper, noe som gjør det vanskelig for roboten å manøvrere. Dessuten er det lite informasjon om hvordan hjulene beveger seg. I tillegg er trærne svært like og slett ikke plassert på rekke og rad i et ordnet system. 

SLAM hjelper roboten til å finne frem og til å finne seg selv

I skogen vil det alltid være en utfordring å vite hvor man er når GPS-signalet mangler. På samme måte er det for roboter. SLAM («Simultaneous localization and mapping») er en av de vitenskapelige metodene robot-forskere som Marek Pierzchała benytter i arbeidet sitt. SLAM er de beregningene som skal til for å kartlegge de ukjente omgivelsene roboten beveger seg i samtidig som robotens egen posisjon i omgivelsene skal oppdateres. Denne algoritmen, altså instruksjonene i dataprogrammet til roboten, er både kompliserte og komplekse.

Roboten, eller rettere sagt robotens programvare, benytter både todimensjonale og tredimensjonale sensorer for å lage et kart over omgivelsene. Selve programmeringen utføres med programmeringsspråket C++ og Marek benytter for det meste programvare basert på åpen kildekode, noe som gjør der enklere å utvikle robotens egenskaper.

Blir det roboter i fremtidens skogbruk?

Så til det opplagte spørsmålet: Vil det bli roboter i skogen? Ser Marek Pierzchała for seg at det norske skogbruket vil benytte roboter i fremtiden, roboter som kanskje arbeider døgnet rundt?

Pierzchała svarer ja. Han tror det vil være mange muligheter for automatisering i skogbruket. Mange skogsmaskiner følger prosedyrer som kan beskrives som såkalte «finite-state machines», eller endelig tilstandsmaskin på norsk. En brusautomat er et eksempel på en såkalt endelig tilstandsmaskin. Du putter på 30 kroner og maskinen frigjør en brusflaske. Et annet eksempel er en heis som kjører til en bestemt etasje når du trykker på knappen, eller et trafikklys som skifter farge når det står biler og venter. Taubaner er et godt eksempel på en slik endelig tilstandsmaskin som vil kunne egne seg for automatisering. Taubaner benyttes som regel til å frakte tømmer i bratt terreng. Selve operasjonen med å frakte tømmeret, og med å sende katten som løper på taubanen opp igjen til der skogen hogges, kan ses på som en standard prosedyre, altså en operasjon som skal utføres gang på gang. I tillegg fraktes tømmeret på en egen line, noe som gjør taubaner egnet for automatisering.

Det samme gjelder ulike sensorer som kan monteres på hogstmaskinen eller på lassbæreren, den vogna som frakter tømmeret fra der det hogges og ut til veltplassen, lagringsplassen for tømmeret.

Et annet aktivt forskningsfelt er utviklingen av såkalte cobots («collaborative robots»), altså roboter som samarbeider andre roboter eller med mennesker i et delt arbeidsområde.

Pierzchała tror imidlertid ikke at disse endringene og automatiseringene av skogbruket er noe som vil skje med det aller første.

- Utviklingen kommer nok til å skje mer gradvis. I starten kan det være snakk om maskiner som blir fjernstyrt av operatører foran skjermer eller med VR-briller. Så, etter hvert som teknologien blir utviklet, og brukerne blir vant til å jobbe slik, så vil vi kunne få autonome roboter, kanskje på samme måten som vi får selvkjørende biler, avslutter Pierzchała.