20年后，农场将成为机器人的天下？

太空与网络 · 公众号 · 民航 · 2017-07-25 21:32

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机器人已经发展的如火如荼，农业机器人领域的研究也进行得热火朝天，然后真正大规模投入应用的农业机器人却依然非常少见，但可以预见的是，不久的将来，将有一大波机器人从实验室走向田间地头，英国哈珀亚当斯大学教授Simon Blackmore预测，20年内，机器人将彻底变革农业生产。

无人驾驶汽车技术和机器人技术的进步正逐渐转移到工业和商用汽车上，大约占电动汽车市场市值的6成左右。

在农业领域，未来十年，自主混合动力或全电动拖拉机、机器人和无人机的使用日益增加，将大大提高农场的生产效率，改变食品的生产方式。

虽然农业机器人的一些技术跟无人驾驶汽车非常相似，但它在播种、采摘蔬菜或水果以及农药的本地化应用等方面有不同之处，它们具有单独的感知、操作和处理要求。

促进农业机器人技术应用的因素包括提高生产率和效率，降低无人驾驶技术成本，降低农业劳动力的可用性和成本提高，以及需要为全球不断增长的人口生产更多的粮食，而由于气候变化，许多地区的作物产量下降。

拖拉机的电动化

大约20多年前，配备GPS辅助设备的拖拉机就可以在大型农场中根据预先规划的路线行走。目前大多数高端拖拉机都配备无人驾驶技术，并与联合收割机兼容。利用GPS，操作员可以引导拖拉机及联合收割机在规划定位的30cm之内运行，可以增加农田的作物，提高每亩地的生产力。根据市场研究公司IDTechEx的报告，2016年，配备自动驾驶和导航的拖拉机共销售30多万台。

领先的欧洲和美国农业机械公司已经推出了完全自主的无人驾驶和无牵引车的原型车，配备GPS导航转向和传感器，包括雷达，激光和光成像，检测和测距（激光雷达）。原始传感器数据可用于创建室内和室外环境的精确地形图，而车载摄像机通过检测和避免静止或移动障碍物来提高安全性。自主拖拉机也可以与其他有人驾驶的机器一起工作。

许多IEC技术委员会（TC）和小组委员会（SC）的标准化工作有助于提高无人驾驶拖拉机和其他自主农业机械中使用的摄像机和感测技术的性能。下面是一系列国际标准，IEC TC 47：半导体器件，IEC SC 47E：分立半导体器件，IEC SC 47F：微机电系统，使制造商能够构建更可靠和高效的传感器和微机电系统（MEMS），IEC TC 56：可靠性，涵盖电子元件和设备的可靠性。

无人驾驶技术将使得农机可以24小时不间断地进行播种、种植和耕作等工作。这样，农民能够解决农业劳动力短缺的问题，同时提高生产力和效率。IDTechEx指出，无人驾驶拖拉机之所以没有大规模市场引入，主要原因在于无监管，传感器成本高企，以及农民缺乏信任，而不是技术问题。

拖拉机也正在向电动过渡。美国领先的制造商今年早些时候推出的全电动拖拉机原型配备两台独立的150 kW电动机，总功率达到300 kW（402马力）。它由一个130 kWh的电池组供电，充电三小时后可以运行四小时。

在过渡到全电动拖拉机之前，有套件可以将柴油机转换成混动机。此外，用四个电动轮马达代替变速器，差速器和车轴的动力传动系统可以精确控制驱动轮胎。

商用电动农用车的范围已不只是拖拉机、自走式饲料搅拌机和轮式装载机，所有这些都具有零排放、最小噪音和平稳的驾驶特性。

多个IEC技术委员会（TC）和小组委员会（SC）制定了电动自主车辆中无人驾驶技术使用的电子系统、传感器、电机和电池的国际标准。

IEC TC 69：电动道路车辆和电动工业卡车，为电机和电机控制器，车载电力存储系统，电源和充电器准备标准。

由于许多小型农业机器人车辆的能源通常由电池供电，TC 69和IEC TC 21的联系比较紧密：蓄电池和电池及其小组委员会，为所有二次电池和电池准备国际标准。它们涵盖电动汽车中使用的电池的安全安装原理，性能，尺寸和标签。这些电池可以是许多不同的技术类型，包括铅酸，锂离子，镍金属氢化物和磷酸铁锂。

虽然电动拖拉机比电动汽车需要更大的动力，但五年后当它们投入商业生产的时候，拖拉机电池的体积、持久力和成本都应该得到改善。

据英国农民联盟2017年2月的报告，2020年初英国农场将同时使用油电混合动力和电池电动拖拉机。该报告预计，在不久的将来，自主和传统的机器将配合使用，电动农用车将可以用太阳能充电，也能接入电力系统充电。

小型农业机器人

让精准农业成为现实

英国哈珀亚当斯大学工程主管，国家精细农业中心主任（NCPF）Simon Blackmore教授表示，大型拖拉机在大型农场里效率更高，而小型电动移动机器人为中小型农场提高生产率带来了更大可能。他预测，“20年内，机器人将彻底变革农业生产。”

农业机器人已经能完成播种、种植、耕作、采摘、收割、除草、分选以及包装等工作，甚至还用于修剪葡萄藤。部分草莓采摘机器人已经进入商业试用阶段，苹果采摘机器人也已进入原型的后期阶段。

这些轻型农业机器人可以部分昼夜、不论天气好坏连续工作。他们还可以收集和传送关于田间和作物状况，发现疾病或寄生虫和喷洒农药的实时数据。

通常，农业机器人都是基于某种形式的机器人拖拉机平台，轮式或带式驱动，还有许多由电池，电动机和传动系统驱动。

根据机器人的功能，机载传感器包括生物（包括化学和气体分析仪）、水、气象、土壤呼吸或水分、光合作用或叶面积指数（LAI）传感器，以及杂草探测器、植物生长测量仪和湿度计。其他组件还包括摄像机、无线通信、机器人手臂、夜间照明灯、为电池充电的太阳能电池板。

机器人技术的兴起，加上精准农业的发展，意味着许多农业生产将会发生根本性变化。据IDTechEx2016年报告，在精准农业领域，“农场数据图与机载GPS一起实现了可变速率农业技术，使得农民可以根据具体场所/补丁的需求（而不是整个农场）改变投入应用率”。

举个栗子，传感器可以检测杂草或者其他需求，机器人可以只喷洒特定区域，而不需要覆盖所有植物。 2017年底前，日本京都的一家公司将建成首个完全由机器人运营的农场，每天生产3万棵生菜。机器人将参与从提供生菜苗，修剪和浇水到收获和将完全种植的产品运送到包装生产线的每个增长阶段。该公司估计，使用机器人将降低运营成本约30％。

未来，小型拖拉机和机器人可以通过云计算方式在“群众”中共同工作，并提供多种服务，从除草，种植和施肥到采收和包装食品。

由欧盟（EU）资助的移动农业机器人集群（MARS）项目正在开发大量能够自行种田的小型自主机器人。这些机器人是电动驱动的电池供电，并通过基于云的数字技术控制。每个种子的精确位置可以被记录下来并保存在云中，以后使用这些数据可以非常精确地进行耕作或除草。

使用小型移动农业机器人可以有效减少对土壤的重压，并可以减少使用高能耗的重型机械。

IEC标准支持数十亿美元的行业

IDTechEx在2016年9月份的报道中说，农业机器人的市场容量已经达30亿美元，2026年将增长到120亿美元。报告补充说：“拖拉机牵引机器人和自主除草机器人将在增长中发挥重要作用”。