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20年后,農場將成為機器人的天下

發布時間: 2017-07-20 09:07:03 來源:新戰略機器人網

核心提示: 通常,農業機器人都是基于某種形式的機器人拖拉機平臺,輪式或帶式驅動,還有許多由電池,電動機和傳動系統驅動。

機器人已經發展的如火如荼,農業機器人領域的研究也進行得熱火朝天,然后真正大規模投入應用的農業機器人卻依然非常少見,但可以預見的是,不久的將來,將有一大波機器人從實驗室走向田間地頭,英國哈珀亞當斯大學教授Simon Blackmore預測,20年內,機器人將徹底變革農業生產。

無人駕駛汽車技術和機器人技術的進步正逐漸轉移到工業和商用汽車上,大約占電動汽車市場市值的6成左右。




在農業領域,未來十年,自主混合動力或全電動拖拉機、機器人和無人機的使用日益增加,將大大提高農場的生產效率,改變食品的生產方式。


雖然農業機器人的一些技術跟無人駕駛汽車非常相似,但它在播種、采摘蔬菜或水果以及農藥的本地化應用等方面有不同之處,它們具有單獨的感知、操作和處理要求。


促進農業機器人技術應用的因素包括提高生產率和效率,降低無人駕駛技術成本,降低農業勞動力的可用性和成本提高,以及需要為全球不斷增長的人口生產更多的糧食,而由于氣候變化,許多地區的作物產量下降。



拖拉機的電動化


大約20多年前,配備GPS輔助設備的拖拉機就可以在大型農場中根據預先規劃的路線行走。目前大多數高端拖拉機都配備無人駕駛技術,并與聯合收割機兼容。利用GPS,操作員可以引導拖拉機及聯合收割機在規劃定位的30cm之內運行,可以增加農田的作物,提高每畝地的生產力。根據市場研究公司IDTechEx的報告,2016年,配備自動駕駛和導航的拖拉機共銷售30多萬臺。

領先的歐洲和美國農業機械公司已經推出了完全自主的無人駕駛和無牽引車的原型車,配備GPS導航轉向和傳感器,包括雷達,激光和光成像,檢測和測距(激光雷達)。原始傳感器數據可用于創建室內和室外環境的精確地形圖,而車載攝像機通過檢測和避免靜止或移動障礙物來提高安全性。自主拖拉機也可以與其他有人駕駛的機器一起工作。

許多IEC技術委員會(TC)和小組委員會(SC)的標準化工作有助于提高無人駕駛拖拉機和其他自主農業機械中使用的攝像機和感測技術的性能。下面是一系列國際標準,IEC TC 47:半導體器件,IEC SC 47E:分立半導體器件,IEC SC 47F:微機電系統,使制造商能夠構建更可靠和高效的傳感器和微機電系統(MEMS),IEC TC 56:可靠性,涵蓋電子元件和設備的可靠性。

無人駕駛技術將使得農機可以24小時不間斷地進行播種、種植和耕作等工作。這樣,農民能夠解決農業勞動力短缺的問題,同時提高生產力和效率。IDTechEx指出,無人駕駛拖拉機之所以沒有大規模市場引入,主要原因在于無監管,傳感器成本高企,以及農民缺乏信任,而不是技術問題。

拖拉機也正在向電動過渡。美國領先的制造商今年早些時候推出的全電動拖拉機原型配備兩臺獨立的150 kW電動機,總功率達到300 kW(402馬力)。它由一個130 kWh的電池組供電,充電三小時后可以運行四小時。

在過渡到全電動拖拉機之前,有套件可以將柴油機轉換成混動機。此外,用四個電動輪馬達代替變速器,差速器和車軸的動力傳動系統可以精確控制驅動輪胎。

商用電動農用車的范圍已不只是拖拉機、自走式飼料攪拌機和輪式裝載機,所有這些都具有零排放、最小噪音和平穩的駕駛特性。

多個IEC技術委員會(TC)和小組委員會(SC)制定了電動自主車輛中無人駕駛技術使用的電子系統、傳感器、電機和電池的國際標準。

IEC TC 69:電動道路車輛和電動工業卡車,為電機和電機控制器,車載電力存儲系統,電源和充電器準備標準。

由于許多小型農業機器人車輛的能源通常由電池供電,TC 69和IEC TC 21的聯系比較緊密:蓄電池和電池及其小組委員會,為所有二次電池和電池準備國際標準。它們涵蓋電動汽車中使用的電池的安全安裝原理,性能,尺寸和標簽。這些電池可以是許多不同的技術類型,包括鉛酸,鋰離子,鎳金屬氫化物和磷酸鐵鋰。

雖然電動拖拉機比電動汽車需要更大的動力,但五年后當它們投入商業生產的時候,拖拉機電池的體積、持久力和成本都應該得到改善。

據英國農民聯盟2017年2月的報告,2020年初英國農場將同時使用油電混合動力和電池電動拖拉機。該報告預計,在不久的將來,自主和傳統的機器將配合使用,電動農用車將可以用太陽能充電,也能接入電力系統充電。


小型農業機器人讓精準農業成為現實

英國哈珀亞當斯大學工程主管,國家精細農業中心主任(NCPF)Simon Blackmore教授表示,大型拖拉機在大型農場里效率更高,而小型電動移動機器人為中小型農場提高生產率帶來了更大可能。他預測,“20年內,機器人將徹底變革農業生產。”農業機器人已經能完成播種、種植、耕作、采摘、收割、除草、分選以及包裝等工作,甚至還用于修剪葡萄藤。部分草莓采摘機器人已經進入商業試用階段,蘋果采摘機器人也已進入原型的后期階段。

這些輕型農業機器人可以部分晝夜、不論天氣好壞連續工作。他們還可以收集和傳送關于田間和作物狀況,發現疾病或寄生蟲和噴灑農藥的實時數據。

通常,農業機器人都是基于某種形式的機器人拖拉機平臺,輪式或帶式驅動,還有許多由電池,電動機和傳動系統驅動。

根據機器人的功能,機載傳感器包括生物(包括化學和氣體分析儀)、水、氣象、土壤呼吸或水分、光合作用或葉面積指數(LAI)傳感器,以及雜草探測器、植物生長測量儀和濕度計。其他組件還包括攝像機、無線通信、機器人手臂、夜間照明燈、為電池充電的太陽能電池板。

機器人技術的興起,加上精準農業的發展,意味著許多農業生產將會發生根本性變化。據IDTechEx2016年報告,在精準農業領域,“農場數據圖與機載GPS一起實現了可變速率農業技術,使得農民可以根據具體場所/補丁的需求(而不是整個農場)改變投入應用率”。

舉個栗子,傳感器可以檢測雜草或者其他需求,機器人可以只噴灑特定區域,而不需要覆蓋所有植物。 2017年底前,日本京都的一家公司將建成首個完全由機器人運營的農場,每天生產3萬棵生菜。機器人將參與從提供生菜苗,修剪和澆水到收獲和將完全種植的產品運送到包裝生產線的每個增長階段。該公司估計,使用機器人將降低運營成本約30%。

未來,小型拖拉機和機器人可以通過云計算方式在“群眾”中共同工作,并提供多種服務,從除草,種植和施肥到采收和包裝食品。

由歐盟(EU)資助的移動農業機器人集群(MARS)項目正在開發大量能夠自行種田的小型自主機器人。這些機器人是電動驅動的電池供電,并通過基于云的數字技術控制。每個種子的精確位置可以被記錄下來并保存在云中,以后使用這些數據可以非常精確地進行耕作或除草。

使用小型移動農業機器人可以有效減少對土壤的重壓,并可以減少使用高能耗的重型機械。

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