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农业自动化越来越智能
BoniRob是一款农业应用的多用途机器人平台，具有独立转向驱动轮和可调节的履带宽度。
图片来源:博世Deepfield机器人
田间耕作是“世界上最古老的职业”，这不仅仅是因为食用植物已经被种植了1万多年。它的个体从业者也很老，随着年轻人放弃农业生活方式，中位数年龄迅速上升(美国农业部(U.S. Department of Agriculture)的报告显示，2012年中位数年龄为58岁，高于2002年的55岁，其他国家也有类似数据)。那些留下来的人面临着同样重复的播种、除草、喂食和收割的工作，随着农场的规模越来越大，每项任务的单调乏味也越来越多。
然而，今天的农业机器人擅长重复的任务，让农民倾向于更战略性的事情。
瓦赫宁根大学(Wageningen University)农业技术小组教授埃尔德特•范•亨顿(Eldert van Henten)表示:“当我们开发机器人时，人们总是说它们应该提高产量或降低成本，但事实并非总是如此。”“为农民提供时间专注于业务和管理的机器人也具有经济价值。”
农场管理公司家庭农场集团(Family Farms Group)的首席执行官艾伦·拉什(Allen Lash)认为，农业机器人将填补农业劳动力的萎缩。他说:“在我们很多小的农村社区，我们没有足够的劳动力来运行大型的、复杂的设备。”“有了自动设备，你需要更少的劳动力，尽管你拥有的人员将需要更多的计算机技术技能。他们将在很大程度上远程控制设备，从一个控制室，一直扫描至少三个摄像头。所以我们将以更有效的方式覆盖更多的土地;也许每个员工只有几千英亩土地，而不是现在的1000英亩。”
支持者认为，机器人农业还将有助于确保每个人都能从当地来源获得食物。悉尼大学澳大利亚野外机器人中心(ACFR)研究与创新主任Salah Sukkarieh说:“现在每个国家都在担心粮食安全，而隔壁国家有更便宜的劳动力。”
食品安全是“蔬菜工厂”(the Vegetable Factory)背后的驱动力之一，这是一家日本公司SPREAD Co. Inc.计划明年在京都开设的室内农场。除了计算机控制的光照、温度和湿度之外，植物从幼苗到收获的几乎每一个环节都将实现自动化。SPREAD全球营销经理J.J.普莱斯说:“我们希望自动化能减少人为失误，从而稳定生产的质量和数量。”“这种‘植物工厂’在未来将会增加，以解决农业问题、粮食短缺和环境问题。”
指挥和控制
农业自动化尤其困难，因为环境变化太大，特别是与干净的实验室相比。ACFR的Sukkarieh说:“计算机科学家需要多到户外活动。”“很多(计算机视觉)算法都是在非常结构化的数据上开发的，就像照相机聚焦在厨房里的物体上。但在田地里，风把树叶吹来吹去，光照条件发生变化，你会得到一点灰尘;这些都会影响算法。我们在实验室里尝试了一些东西，但之后不得不使用它们，因为它们在户外非结构化的环境中不太好用。”
自动拖拉机公司(ATC)总裁兼首席执行官克瑞格•舒尔茨在公司开始计划制造自动拖拉机时了解到，传统的农业设备也增加了这种混合的不可预测性。“传统的(驱动列车)供应商无法提供我们需要的东西，所以我们转向了电动驱动列车，就像谷歌和特斯拉为他们的汽车设计的那样。传统的传动系统很难控制;在驾驶员和地面之间有很多机械上的废话。但我可以把电动机控制在毫秒和几分之一英寸的范围内。”该公司随后发布了其“eDrive”系统，作为已投入使用的拖拉机的电动发动机替代品。
作为迈向自主农业的另一步，ATC接下来用一个名为AutoDrive的本地激光无线电系统补充了传统的GPS导航。“如果你和农民交谈，他们会说GPS很好，但远非完美。他们在非常偏远的地区，那里的信号接收不是很好，GPS往往会受到太阳黑子、反射和树木覆盖等问题的困扰，”舒尔茨说。“许多无人驾驶汽车使用光学设备和雷达等，因为它们周围有东西可以看到。当你在田野里的时候，什么都看不到!因此，你需要第二个或第三个数据源来获得该领域的相对位置。”该公司目前正在开发一种系统，该系统可以在任何带有eDrive的拖拉机上进行改装，增加了自动驾驶和自己的“FieldSmart”人工智能软件。
一个种植的“应用程序”
自主农业面临的另一个挑战是农业需要的各种任务。根据瓦赫宁根大学的范·亨滕的说法，最困难的是选择性收割。他说:“机器人现在可以以相对较慢的速度完成这项任务，而且不会完全成功。”“我们还有很长的路要走。但人类在眼手协调、智能、灵活性和对环境变化的鲁棒性方面更胜一筹。所以收割是由人类非常有效地完成的。”
他说，其中一个问题是，“由于缺水、缺水或缺乏营养，同一类型的植物会有很大差异。”从一种品种转换到另一种品种也很困难。“考虑到番茄;通常西红柿是红色的，但也有一些是黄色的。它们的形状也不同，牛排和圣女果的大小也非常不同。但机器人还是得把它们认出来。”
一个稍微简单的任务是除草，这是法国公司Naïo Technologies的职责所在。“我们从除草开始，因为这对农民来说非常辛苦，”该公司的国际业务开发人员朱利安·拉方特(Julien Laffont)说，“而且这是一项重复的任务，所以非常适合机器人。”该公司目前推出的“Oz”系统使用两个摄像头和一个激光，在身后拖着除草工具的同时引导自己在作物之间穿行。
奥兹只控制机器人，不控制它身后拖着的工具。拉方特表示，该公司未来的“恐龙”机器人还将控制这些工具本身，让它们做的不仅仅是避免伤害作物。“我们将使用相机分析图像来检测、圈定和计数作物。我们可能还会有分析图像的应用，比如疾病。”
另一种除草方法是美国蓝河科技公司(Blue River Technology)的产品“莴苣机器人”(Lettucebot)，它将智能融入到工具中，结合视觉技术和微喷雾，对杂草和过度种植的莴苣芽施用除草剂。据该公司称，Lettucebot每小时可以识别150万株植物，在一天内为40英亩的土地除草和间伐。对于业务发展副总裁Ben Chostner来说，速度只是这种精确方法的一个好处。“农场上的大多数投入物或化学品都是通过广播方式施用的，几乎没有任何传感器。这就像旧金山的某个人感染了疾病，唯一的解决办法就是给每个人都开抗生素;这将解决问题，但它将非常昂贵和低效，并将导致消极的后果，如抵抗。这和今天的杂草控制是一样的，因为这些是我们拥有的工具。”
ATC的舒尔茨期待着有一天，除草、种植和收获都被视为“应用程序”，一台机器(带有专门的附件)可以通过人工智能技术学习执行这些操作。“随着时间的推移，通过学习，计算机必须成为农民，就像人成为农民一样。这就是人工智能的用武之地。司机应该把拖拉机当成自己的儿子或女儿:它会观察农民在做什么，然后想:“这就是我要复制的东西。”牵引器将从小任务开始，并随着时间的推移而提高能力。它的耕作‘应用程序’与种植‘应用程序’非常不同，因为两者的控制方式根本不同，但学习过程可能是相似的。”
从自动化到自动化
久保田公司(Kubota Corp.)董事兼高级执行董事饭田聪(Satoshi Iida)将现代计算机驱动的代理与播种机等有数世纪历史的农业技术区分开来。“当一种农业机械具备这三个技术组成部分时，它就可以被定义为‘机器人’，”饭田说，他同时也是久保田研发(R&D)总部的总经理，也是该公司水和环境研发功能的负责人。“它必须有感知自身情况的传感器;自主决定和选择适当行动的智能和控制机制;以及推动实现既定目标的机制。”
蓝河科技的Chostner说:“机器人可以观察、决定和行动。然后它通过观察自己的行为和调整未来的行为来闭合这个循环。”另一方面，乔斯特纳表示:“我们更愿意专注于为客户创造价值的最简单工具，而不是公司愿景中的终极‘机器人’。机器人永远是未来才会出现的东西;自动化是今天已经存在的创造价值的东西。我们发现农民不喜欢买机器人;他们喜欢买好用的机器。”
除了“工作机器”的有限任务外，完全自动化的种植可能还需要数年时间。久保田的饭田认为，这项技术目前处于四个阶段中的第二个阶段:我们已经实现了个体功能的自动化和在操作员控制下的自动转向，但尚未掌握无引导操作和完全自主种植。
Sukkarieh认为，经济变化已经为进入最后阶段扫清了道路。“农业可能是最后一个关注自动化的主要第一产业，这是因为成本，”他说，“但技术成本已经大幅下降。即使是劳动力更便宜的地方也在考虑农业自动化。我认为在未来一两年，你会看到这个领域发生大量的活动。”
进一步的阅读
机器人与自动化学会，农业机器人与自动化技术委员会http://www.fieldrobot.com/ieeeras/
过去的IEEE农业机器人网络研讨会:http://www.fieldrobot.com/ieeeras/Events.html
Lettucebot视频:https://www.youtube.com/watch?v=yCPe9Sy0TFY
Robohub专注于农业机器人:http://robohub.org/tag/robohub-focus-on-agricultural-robotics/
澳大利亚野外机器人中心(农业项目):http://sydney.edu.au/acfr/agriculture
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