自動(dòng)拖拉機(jī)、無(wú)人機(jī)以及播種、除草和收割機(jī)器人是正在開發(fā)的幾項(xiàng)技術(shù)，這些技術(shù)將改變農(nóng)業(yè)，并通過(guò)提高農(nóng)業(yè)活動(dòng)的可持續(xù)性和生產(chǎn)力來(lái)幫助緩解糧食短缺。所有類型的自動(dòng)駕駛汽車將使人們擺脫駕駛拖拉機(jī)和其他機(jī)械，使他們能夠執(zhí)行更多增值活動(dòng)。這些措施包括實(shí)施精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，通過(guò)解決與水資源短缺、勞動(dòng)力短缺和其他限制相關(guān)的問(wèn)題，提高產(chǎn)量，減少對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響，并提高農(nóng)業(yè)運(yùn)營(yíng)的可持續(xù)性。

　　雖然無(wú)人機(jī)和農(nóng)業(yè)機(jī)器人代表了從頭開始開發(fā)和部署的新系統(tǒng)，但拖拉機(jī)卻有所不同。拖拉機(jī)的安裝基數(shù)已經(jīng)很大，而且它們的使用壽命往往很長(zhǎng)。因此，除了開發(fā)全自動(dòng)的新設(shè)計(jì)外，現(xiàn)有的拖拉機(jī)還將改裝為電力驅(qū)動(dòng)裝置，并針對(duì)特定目的使用數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，即所謂的“數(shù)字拖拉機(jī)工具”。

　　本文著眼于數(shù)字拖拉機(jī)機(jī)具和新興電動(dòng)拖拉機(jī)(電動(dòng)拖拉機(jī))的發(fā)展。它回顧了部署自動(dòng)拖拉機(jī)的挑戰(zhàn)，并研究了無(wú)人機(jī)、拖拉機(jī)上的傳感器以及人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)如何在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中使用。它還研究了實(shí)現(xiàn)自主農(nóng)用車輛開發(fā)所需的一些技術(shù)，以及 Digi-Key 如何廣泛 產(chǎn)品供應(yīng)， 包括機(jī)器視覺(jué)、電機(jī)和控制、電源轉(zhuǎn)換器、傳感器和開關(guān)、有線和無(wú)線通信接口以及一系列信號(hào)和電源線和連接器，可以幫助設(shè)計(jì)人員加快開發(fā)過(guò)程。本文最后簡(jiǎn)要展望了未來(lái)，完全自主的農(nóng)場(chǎng)將由復(fù)雜的操作系統(tǒng)控制，這些操作系統(tǒng)可以管理混合車隊(duì)，包括自主和標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)場(chǎng)設(shè)備，以最大限度地提高生產(chǎn)力和可持續(xù)性。

　　農(nóng)具上了 ISO總線

　　與工業(yè)4.0一樣，農(nóng)業(yè)正朝著使用智能和互聯(lián)機(jī)器的方向發(fā)展。這就是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)11783，農(nóng)業(yè)和林業(yè)串行數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)總線的拖拉機(jī)和機(jī)械的用武之地。在農(nóng)業(yè)中，它簡(jiǎn)稱為ISObus。它基于汽車協(xié)會(huì) (SAE) J1939 協(xié)議，該協(xié)議包括控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò) (CAN) 總線，并已針對(duì)農(nóng)業(yè)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。ISObus由農(nóng)業(yè)工業(yè)電子基金會(huì)積極推動(dòng)，該基金會(huì)致力于協(xié)調(diào)ISO 11783標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)認(rèn)證測(cè)試。

　　在 ISObus 之前，農(nóng)民擁有帶有專有控制系統(tǒng)的拖拉機(jī)，這限制了靈活性、性能和互操作性。ISObus 包括標(biāo)準(zhǔn)化連接器、通信協(xié)議和操作指南，支持開發(fā)來(lái)自不同制造商的互連傳感器和控制系統(tǒng)(圖 1)。ISObus 還支持拖拉機(jī)機(jī)具的電氣化，包括電動(dòng)機(jī)械取力器 (PTO) 和額定電壓高達(dá) 700 伏 (V) 和 100 千瓦 (kW) 的高壓連接器，為電動(dòng)機(jī)具供電。

　　圖 1：ISObus 可以將來(lái)自不同制造商的傳感器和機(jī)具集成到即插即用系統(tǒng)中。(圖片來(lái)源：Armin Weigel/dpa(圖片來(lái)源：Armin Weigel/圖片聯(lián)盟通過(guò)Getty Images)

　　ISObus正在發(fā)展，以開發(fā)拖拉機(jī)機(jī)具管理(TIM)系統(tǒng)。正如設(shè)想的那樣，ISObus的高級(jí)版本將使機(jī)具能夠向拖拉機(jī)提供反饋，支持拖拉機(jī)/機(jī)具組合系統(tǒng)的優(yōu)化。它還將允許在支持精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的機(jī)具上實(shí)現(xiàn)更高水平的傳感器集成。拖拉機(jī)將提供位置感知，組合系統(tǒng)將持續(xù)收集有關(guān)土壤和作物狀況的數(shù)據(jù)。有了更詳細(xì)的見解，產(chǎn)量和可持續(xù)性都可以提高。

　　電動(dòng)拖拉機(jī)、改裝和自動(dòng)拖拉機(jī)

　　除了ISObus的持續(xù)發(fā)展外，拖拉機(jī)的電氣化對(duì)于未來(lái)自動(dòng)駕駛汽車的部署和提高農(nóng)業(yè)可持續(xù)性非常重要。減排是一個(gè)重要的考慮因素。全球四分之一的溫室氣體排放來(lái)自農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)相關(guān)活動(dòng)，一臺(tái)拖拉機(jī)的排放量相當(dāng)于14輛汽車。1

　　電動(dòng)拖拉機(jī)開始出現(xiàn)。除了減少排放外，電動(dòng)拖拉機(jī)還可以顯著降低燃料成本。電動(dòng)拖拉機(jī)目前僅限于較小的型號(hào)，因?yàn)榇笮痛蠊β孰妱?dòng)拖拉機(jī)需要的電池組尺寸大于它們將取代的傳統(tǒng)拖拉機(jī)的尺寸。大型電動(dòng)拖拉機(jī)的重量也更大，導(dǎo)致土壤壓實(shí)增加，這是不希望的。最后，大型電池組的充電時(shí)間太長(zhǎng)，無(wú)法在農(nóng)業(yè)操作中實(shí)用。電機(jī)功率從25到70馬力(HP)，約18.6至52千瓦的小型電動(dòng)拖拉機(jī)和小型電池組已經(jīng)在測(cè)試中。拖拉機(jī)電氣化不僅僅是傳動(dòng)系統(tǒng)。它還涉及更換液壓系統(tǒng)，為拖拉機(jī)機(jī)具提供動(dòng)力和控制(圖 2)。

　　圖 2：電機(jī)功率為 25 至 70 馬力的小型電動(dòng)拖拉機(jī)正在測(cè)試并準(zhǔn)備部署。(圖片來(lái)源：Brizmaker通過(guò)Getty Images拍攝)

　　對(duì)于大型拖拉機(jī)，可提供混合動(dòng)力改造套件。例如，一家公司提供了一個(gè)帶有 250 kW 發(fā)電機(jī)的套件，該發(fā)電機(jī)可以代替液壓泵連接到拖拉機(jī)現(xiàn)有的內(nèi)燃機(jī)上。該套件還包括四個(gè)電動(dòng)機(jī)，用于替換液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和一個(gè)電動(dòng)變速器，為現(xiàn)有機(jī)具提供動(dòng)力。通過(guò)更換液壓系統(tǒng)，改造套件降低了燃料和維護(hù)成本，提高了混合動(dòng)力電動(dòng)拖拉機(jī)的可用性和可靠性。

　　與自動(dòng)駕駛汽車和卡車的推出一樣，自動(dòng)拖拉機(jī)的部署面臨著不確定的未來(lái)。例如，加利福尼亞州的現(xiàn)行法規(guī)要求“所有自行式設(shè)備在自身動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)有一名操作員駐扎在車輛控制裝置上。完全自治將不得不等待。

　　飛越田野

　　無(wú)人機(jī)目前用于農(nóng)業(yè)中的各種任務(wù)。示例包括：

　　成像植物健康。無(wú)人機(jī)在很大程度上取代了衛(wèi)星圖像來(lái)監(jiān)測(cè)作物健康狀況。無(wú)人機(jī)配備歸一化差異植被指數(shù)(NDVI)成像設(shè)備，可提供詳細(xì)的彩色圖像，可用于監(jiān)測(cè)植物健康狀況。雖然衛(wèi)星圖像需要時(shí)間來(lái)檢索并且可以提供儀表精度，但無(wú)人機(jī)可以為圖像提供毫米級(jí)精度，并支持實(shí)時(shí)高度針對(duì)性地識(shí)別疾病、害蟲或其他問(wèn)題。

　　監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)條件。無(wú)人機(jī)還可以監(jiān)測(cè)整個(gè)田地的土壤和排水狀況。這可以實(shí)現(xiàn)更高效和可持續(xù)的澆水計(jì)劃。

　　種植。自動(dòng)無(wú)人機(jī)播種機(jī)在林業(yè)中很常見，它們的使用正在擴(kuò)展到一般農(nóng)業(yè)。無(wú)人機(jī)可以快速種植樹木或種子，更有效地到達(dá)無(wú)法進(jìn)入的地區(qū)。例如，由兩名操作員組成的團(tuán)隊(duì)每天可以使用多架無(wú)人機(jī)種植 400，000 棵樹。

　　噴涂應(yīng)用。使用無(wú)人機(jī)對(duì)化肥和殺蟲劑進(jìn)行噴霧處理是一種新興應(yīng)用，其用途因地區(qū)而異(圖3)。例如，在韓國(guó)，無(wú)人機(jī)用于約30%的農(nóng)業(yè)噴灑。在加拿大，使用無(wú)人機(jī)進(jìn)行農(nóng)業(yè)噴灑是不合法的。在美國(guó)，無(wú)人機(jī)噴灑需要聯(lián)邦航空管理局 (FAA) 和州農(nóng)業(yè)、商業(yè)和運(yùn)輸部門規(guī)定的許可和認(rèn)證。

　　圖3：已經(jīng)開發(fā)出可用于噴灑化肥和殺蟲劑的大型無(wú)人機(jī)。(圖片：Baranozdemir通過(guò)Getty Images拍攝)

　　精度事半功倍

　　甚至在自動(dòng)駕駛拖拉機(jī)實(shí)現(xiàn)之前，無(wú)人機(jī)以及拖拉機(jī)和拖拉機(jī)工具的電氣化也有望支持精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)并提高可持續(xù)性。

　　根據(jù)[農(nóng)業(yè)]設(shè)備制造商協(xié)會(huì)(AEM)的一項(xiàng)研究，使用精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)可以使作物產(chǎn)量增加4%，肥料放置效率提高7%，除草劑和殺蟲劑使用減少9%，化石燃料使用減少6%。2.此外，通過(guò)精確灌溉，用水量可減少4%。

　　這些數(shù)字是基于當(dāng)前的技術(shù)。隨著連接系統(tǒng)和人工智能(AI)的加入，這些改進(jìn)有望成倍增加。添加用于設(shè)備維護(hù)的機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 可進(jìn)一步節(jié)省成本并提高可持續(xù)性。

　　根據(jù)AEM的說(shuō)法，如果同時(shí)考慮投入節(jié)省和產(chǎn)量提高，自主農(nóng)場(chǎng)設(shè)備預(yù)計(jì)將帶來(lái)24%的增量改進(jìn)。這種改進(jìn)的一個(gè)重要因素是假設(shè)自主機(jī)械將比它所取代的設(shè)備更輕，從而減少壓實(shí)并改善土壤條件。

　　AI和ML對(duì)于開發(fā)針對(duì)特定任務(wù)優(yōu)化的精密機(jī)器也至關(guān)重要。專用任務(wù)機(jī)器甚至可能比通用拖拉機(jī)更小。例如，正在開發(fā)小型任務(wù)機(jī)器，用于采摘需要機(jī)器視覺(jué)、細(xì)膩觸感和精確靈巧性的作物。

　　雜草控制是另一個(gè)特定于任務(wù)的AI和ML機(jī)器有望做出重大貢獻(xiàn)的領(lǐng)域。雜草控制困難，勞動(dòng)密集型，如果不能有效實(shí)施，會(huì)導(dǎo)致更多的水和土壤養(yǎng)分的消耗。作物輪作是部分解決方案，但不能消除對(duì)除草劑或人工雜草控制的需求。將機(jī)器視覺(jué)與AI和ML相結(jié)合的雜草管理機(jī)器人正在接受測(cè)試。這些小型機(jī)器還可以最大限度地減少土壤壓實(shí)(圖 4)。

　　圖4：將機(jī)器視覺(jué)與AI和ML相結(jié)合的自主機(jī)器人的收獲示例(圖片來(lái)源：onurdongel通過(guò)Getty Images拍攝)

　　農(nóng)場(chǎng)操作系統(tǒng)和自主設(shè)備隊(duì)列

　　農(nóng)業(yè)行業(yè)正在展望一個(gè)未來(lái)，即完全自主的農(nóng)場(chǎng)將由一個(gè)復(fù)雜的操作系統(tǒng)(OS)控制，該系統(tǒng)能夠管理混合車隊(duì)，包括自主和標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)場(chǎng)設(shè)備，以及陸基機(jī)器和無(wú)人機(jī)，以最大限度地提高生產(chǎn)力和可持續(xù)性(圖5)。這些農(nóng)業(yè)設(shè)備車隊(duì)將協(xié)調(diào)運(yùn)行，以幫助控制資本支出，最大限度地減少勞動(dòng)力需求，并提供必要的大數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)自主執(zhí)行和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)。此外，未來(lái)的農(nóng)場(chǎng)操作系統(tǒng)將進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和優(yōu)化，以支持來(lái)自眾多供應(yīng)商的各種設(shè)備。采用 ISObus 只是邁向開源和標(biāo)準(zhǔn)化農(nóng)場(chǎng)自動(dòng)化方法的第一步。

　　圖5：成群的協(xié)調(diào)地面和飛行自主農(nóng)業(yè)機(jī)械將導(dǎo)致更高水平的可持續(xù)性。(圖片來(lái)源：Scharfsinn86 通過(guò) Getty Images 繪制的插圖)

　　擬議的農(nóng)場(chǎng)操作系統(tǒng)預(yù)期的其他好處是減少二氧化碳排放、降低燃料消耗以及優(yōu)化電池充電和管理。大數(shù)據(jù)分析也將在未來(lái)的農(nóng)業(yè)中發(fā)揮重要作用。直接來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)將用于持續(xù)訓(xùn)練決策、控制和運(yùn)營(yíng)規(guī)劃所需的 AI 和 ML 算法，以優(yōu)化精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)。

　　總結(jié)

　　自主農(nóng)用車輛和可持續(xù)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展仍處于早期階段。該行業(yè)已經(jīng)開始走上ISObus的道路。下一代ISObus將支持更高的互操作性，并有助于實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜和相互連接的農(nóng)業(yè)設(shè)備車隊(duì)。目標(biāo)是開發(fā)一個(gè)農(nóng)場(chǎng)操作系統(tǒng)，可以采用這些農(nóng)場(chǎng)設(shè)備機(jī)隊(duì)，使用AI和ML算法將它們與大量實(shí)時(shí)傳感器數(shù)據(jù)相結(jié)合，并將它們部署為協(xié)調(diào)的地面和飛行機(jī)器的編隊(duì)，從而產(chǎn)生高水平的可持續(xù)性和生產(chǎn)力。