自動拖拉機、無人機以及播種、除草和收割機器人是正在開發(fā)的幾項技術(shù)，這些技術(shù)將改變農(nóng)業(yè)，并通過提高農(nóng)業(yè)活動的可持續(xù)性和生產(chǎn)力來幫助緩解糧食短缺。所有類型的自動駕駛汽車將使人們擺脫駕駛拖拉機和其他機械，使他們能夠執(zhí)行更多增值活動。這些措施包括實施精準農(nóng)業(yè)，通過解決與水資源短缺、勞動力短缺和其他限制相關的問題，提高產(chǎn)量，減少對環(huán)境的負面影響，并提高農(nóng)業(yè)運營的可持續(xù)性。

　　雖然無人機和農(nóng)業(yè)機器人代表了從頭開始開發(fā)和部署的新系統(tǒng)，但拖拉機卻有所不同。拖拉機的安裝基數(shù)已經(jīng)很大，而且它們的使用壽命往往很長。因此，除了開發(fā)全自動的新設計外，現(xiàn)有的拖拉機還將改裝為電力驅(qū)動裝置，并針對特定目的使用數(shù)字系統(tǒng)進行升級，即所謂的“數(shù)字拖拉機工具”。

　　本文著眼于數(shù)字拖拉機機具和新興電動拖拉機(電動拖拉機)的發(fā)展。它回顧了部署自動拖拉機的挑戰(zhàn)，并研究了無人機、拖拉機上的傳感器以及人工智能和機器學習如何在精準農(nóng)業(yè)中使用。它還研究了實現(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， 包括機器視覺、電機和控制、電源轉(zhuǎn)換器、傳感器和開關、有線和無線通信接口以及一系列信號和電源線和連接器，可以幫助設計人員加快開發(fā)過程。本文最后簡要展望了未來，完全自主的農(nóng)場將由復雜的操作系統(tǒng)控制，這些操作系統(tǒng)可以管理混合車隊，包括自主和標準農(nóng)場設備，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)機器的方向發(fā)展。這就是國際標準組織(ISO)11783，農(nóng)業(yè)和林業(yè)串行數(shù)據(jù)網(wǎng)絡總線的拖拉機和機械的用武之地。在農(nóng)業(yè)中，它簡稱為ISObus。它基于汽車協(xié)會 (SAE) J1939 協(xié)議，該協(xié)議包括控制區(qū)域網(wǎng)絡 (CAN) 總線，并已針對農(nóng)業(yè)應用進行了優(yōu)化。ISObus由農(nóng)業(yè)工業(yè)電子基金會積極推動，該基金會致力于協(xié)調(diào)ISO 11783標準的增強認證測試。

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

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

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

　　電動拖拉機、改裝和自動拖拉機

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

　　電動拖拉機開始出現(xiàn)。除了減少排放外，電動拖拉機還可以顯著降低燃料成本。電動拖拉機目前僅限于較小的型號，因為大型大功率電動拖拉機需要的電池組尺寸大于它們將取代的傳統(tǒng)拖拉機的尺寸。大型電動拖拉機的重量也更大，導致土壤壓實增加，這是不希望的。最后，大型電池組的充電時間太長，無法在農(nóng)業(yè)操作中實用。電機功率從25到70馬力(HP)，約18.6至52千瓦的小型電動拖拉機和小型電池組已經(jīng)在測試中。拖拉機電氣化不僅僅是傳動系統(tǒng)。它還涉及更換液壓系統(tǒng)，為拖拉機機具提供動力和控制(圖 2)。

　　圖 2：電機功率為 25 至 70 馬力的小型電動拖拉機正在測試并準備部署。(圖片來源：Brizmaker通過Getty Images拍攝)

　　對于大型拖拉機，可提供混合動力改造套件。例如，一家公司提供了一個帶有 250 kW 發(fā)電機的套件，該發(fā)電機可以代替液壓泵連接到拖拉機現(xiàn)有的內(nèi)燃機上。該套件還包括四個電動機，用于替換液壓驅(qū)動系統(tǒng)和一個電動變速器，為現(xiàn)有機具提供動力。通過更換液壓系統(tǒng)，改造套件降低了燃料和維護成本，提高了混合動力電動拖拉機的可用性和可靠性。

　　與自動駕駛汽車和卡車的推出一樣，自動拖拉機的部署面臨著不確定的未來。例如，加利福尼亞州的現(xiàn)行法規(guī)要求“所有自行式設備在自身動力和運動時，應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

　　無人機目前用于農(nóng)業(yè)中的各種任務。示例包括：

　　成像植物健康。無人機在很大程度上取代了衛(wèi)星圖像來監(jiān)測作物健康狀況。無人機配備歸一化差異植被指數(shù)(NDVI)成像設備，可提供詳細的彩色圖像，可用于監(jiān)測植物健康狀況。雖然衛(wèi)星圖像需要時間來檢索并且可以提供儀表精度，但無人機可以為圖像提供毫米級精度，并支持實時高度針對性地識別疾病、害蟲或其他問題。

　　監(jiān)控現(xiàn)場條件。無人機還可以監(jiān)測整個田地的土壤和排水狀況。這可以實現(xiàn)更高效和可持續(xù)的澆水計劃。

　　種植。自動無人機播種機在林業(yè)中很常見，它們的使用正在擴展到一般農(nóng)業(yè)。無人機可以快速種植樹木或種子，更有效地到達無法進入的地區(qū)。例如，由兩名操作員組成的團隊每天可以使用多架無人機種植 400，000 棵樹。

　　噴涂應用。使用無人機對化肥和殺蟲劑進行噴霧處理是一種新興應用，其用途因地區(qū)而異(圖3)。例如，在韓國，無人機用于約30%的農(nóng)業(yè)噴灑。在加拿大，使用無人機進行農(nóng)業(yè)噴灑是不合法的。在美國，無人機噴灑需要聯(lián)邦航空管理局 (FAA) 和州農(nóng)業(yè)、商業(yè)和運輸部門規(guī)定的許可和認證。

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

　　精度事半功倍

　　甚至在自動駕駛拖拉機實現(xiàn)之前，無人機以及拖拉機和拖拉機工具的電氣化也有望支持精準農(nóng)業(yè)并提高可持續(xù)性。

　　根據(jù)[農(nóng)業(yè)]設備制造商協(xié)會(AEM)的一項研究，使用精準農(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，通過精確灌溉，用水量可減少4%。

　　這些數(shù)字是基于當前的技術(shù)。隨著連接系統(tǒng)和人工智能(AI)的加入，這些改進有望成倍增加。添加用于設備維護的機器學習 (ML) 可進一步節(jié)省成本并提高可持續(xù)性。

　　根據(jù)AEM的說法，如果同時考慮投入節(jié)省和產(chǎn)量提高，自主農(nóng)場設備預計將帶來24%的增量改進。這種改進的一個重要因素是假設自主機械將比它所取代的設備更輕，從而減少壓實并改善土壤條件。

　　AI和ML對于開發(fā)針對特定任務優(yōu)化的精密機器也至關重要。專用任務機器甚至可能比通用拖拉機更小。例如，正在開發(fā)小型任務機器，用于采摘需要機器視覺、細膩觸感和精確靈巧性的作物。

　　雜草控制是另一個特定于任務的AI和ML機器有望做出重大貢獻的領域。雜草控制困難，勞動密集型，如果不能有效實施，會導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，但不能消除對除草劑或人工雜草控制的需求。將機器視覺與AI和ML相結(jié)合的雜草管理機器人正在接受測試。這些小型機器還可以最大限度地減少土壤壓實(圖 4)。

　　圖4：將機器視覺與AI和ML相結(jié)合的自主機器人的收獲示例(圖片來源：onurdongel通過Getty Images拍攝)

　　農(nóng)場操作系統(tǒng)和自主設備隊列

　　農(nóng)業(yè)行業(yè)正在展望一個未來，即完全自主的農(nóng)場將由一個復雜的操作系統(tǒng)(OS)控制，該系統(tǒng)能夠管理混合車隊，包括自主和標準農(nóng)場設備，以及陸基機器和無人機，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)設備車隊將協(xié)調(diào)運行，以幫助控制資本支出，最大限度地減少勞動力需求，并提供必要的大數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)自主執(zhí)行和精準農(nóng)業(yè)。此外，未來的農(nóng)場操作系統(tǒng)將進行標準化和優(yōu)化，以支持來自眾多供應商的各種設備。采用 ISObus 只是邁向開源和標準化農(nóng)場自動化方法的第一步。

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

　　擬議的農(nóng)場操作系統(tǒng)預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)分析也將在未來的農(nóng)業(yè)中發(fā)揮重要作用。直接來自現(xiàn)場的大量實時數(shù)據(jù)將用于持續(xù)訓練決策、控制和運營規(guī)劃所需的 AI 和 ML 算法，以優(yōu)化精準農(nóng)業(yè)。

　　總結(jié)

　　自主農(nóng)用車輛和可持續(xù)精準農(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，并有助于實現(xiàn)更復雜和相互連接的農(nóng)業(yè)設備車隊。目標是開發(fā)一個農(nóng)場操作系統(tǒng)，可以采用這些農(nóng)場設備機隊，使用AI和ML算法將它們與大量實時傳感器數(shù)據(jù)相結(jié)合，并將它們部署為協(xié)調(diào)的地面和飛行機器的編隊，從而產(chǎn)生高水平的可持續(xù)性和生產(chǎn)力。