機器人灌溉降低農(nóng)業(yè)成本

大田作物生產(chǎn)是勞動和能源密集型的。種植玉米、小麥、大豆、棉花、紫花苜蓿、蔬菜或水果等商品的傳統(tǒng)方法通常需要用人力驅(qū)動的柴油動力拖拉機拉動各種農(nóng)具在田間進行多次遍歷。這些工具執(zhí)行諸如犁地、整地、播種、栽培、施用農(nóng)藥和收割等功能。一年的紫花苜蓿生長（每塊田地收獲多種作物）可能需要 15 次或更多次拖拉機通過，可能會使用數(shù)千加侖的化石燃料和數(shù)百小時的勞動力。自動駕駛拖拉機實驗曾試圖減少勞動力投資，但收效甚微。為拖拉機供電的嘗試被證明是困難的，因為可用的電池技術(shù)沒有能量密度來提供近半兆瓦（大型現(xiàn)代拖拉機的額定功率超過 600 馬力）以進行 10 小時或更長時間的輪班。這是特斯拉 Model S 電動汽車電池容量的 50 倍左右。用一根長延長線將電動拖拉機拴在電網(wǎng)上存在嚴重的可靠性、安全性和實用性問題。

物聯(lián)網(wǎng)進入農(nóng)場

但是，如果我們可以通過采用機器人技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 技術(shù)完全消除拖拉機呢？一種有趣的方法可以從中心樞軸灌溉系統(tǒng)中得到啟發(fā)，其中一個中央塔供水，一長串管道的一端通過一個樞軸連接到它，而另一端緩慢移動以形成一個大圓圈。管段由一系列塔架之間的桁架懸掛，變速驅(qū)動輪受控以保持管道筆直。沿管道分布的噴頭灌溉下面的農(nóng)作物。典型的中心樞軸系統(tǒng)的半徑為四分之一英里（400 米）。要了解這項技術(shù)的實際應(yīng)用，請查看內(nèi)布拉斯加州奧加拉拉地區(qū)農(nóng)田的衛(wèi)星圖像。

這里建議的機器人系統(tǒng)加強了桁架和輪式塔架，使重型工具可以懸掛在傳統(tǒng)中心樞軸系統(tǒng)中水管所在的軌道上。機動車在軌道的整個長度上移動，承載著一個轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤又承載著可互換的工具。為了將工具放置在系統(tǒng)命令的現(xiàn)場準確位置，塔的輪子以協(xié)調(diào)的速度驅(qū)動以將軌道旋轉(zhuǎn)到正確的角度，托架從中心樞軸移動所需的徑向距離，并且轉(zhuǎn)盤定向?qū)嵤?，以便它能夠完成所需的工作，并且可以跟隨一排排植物，無論它們在田地中的方向如何。欄桿可以高出地面 10 英尺（3 米）或更高，以容納高大的作物。

該系統(tǒng)有多項技術(shù)創(chuàng)新。與軌道平行的電氣母線將電力從樞軸傳輸?shù)较到y(tǒng)的所有元件——大約 100kW（千瓦）、440V（伏）、3 相。托架上的滑動觸點將母線連接到機具上，支持超過 100hp（馬力）的電力負載。數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將機具、托架、電機、閥門和傳感器互連到中央樞軸，光纖鏈路連接到互聯(lián)網(wǎng)和基于云的控制。水管灌溉田地，但單個閥門和機器人灑水頭可以比傳統(tǒng)灌溉系統(tǒng)更精確地澆水。輸送機系統(tǒng)可以在軌道頂部運行，以將種子和農(nóng)用化學(xué)品輸送到農(nóng)具，并運走收獲的農(nóng)作物。

用例

這是該系統(tǒng)的一個用例。首先，中心支點固定在場地中央，各種電力、計算機網(wǎng)絡(luò)、輸送機和供水系統(tǒng)都埋得相當(dāng)深以供其供電。然后，將樞軸組裝到軌道段和輪式驅(qū)動塔上，以達到覆蓋場地所需的半徑。平整工具連接到平整和平整土地的軌道上，將土壤從高點移到低點。犁和土壤調(diào)節(jié)器翻耕土壤，準備種植床。接下來，連接一個播種工具，定期用高架傳送帶上的種子重新填充。它精確種植整個田地。如果不同的模式（例如六邊形網(wǎng)格）更適合特定作物，則不需要成行種植。隨著農(nóng)作物的生長，中耕機具通過控制雜草和害蟲。這項任務(wù)可以是機械的或化學(xué)的，也可以使用視頻分析和高科技解決方案（例如激光、水射流或冰鏢）來選擇性地消滅雜草和有害昆蟲。灌溉由機器人系統(tǒng)根據(jù)需要根據(jù)傳感器完成，這些傳感器以平方米的精度測量土壤濕度并準確施加所需的水量。

在收割時節(jié)，將適合作物的工具安裝在軌道上，收集作物、清洗和分類，然后將收獲物輸送到輸送系統(tǒng)，然后輸送到中央樞軸，然后運往倉庫或市場。與傳統(tǒng)的收割實踐不同，該系統(tǒng)可以有效地支持多道收割機具，這些機具使用復(fù)雜的視覺系統(tǒng)來分析作物和機器人，以僅采摘已達到最佳成熟度的部分。

結(jié)論

與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)技術(shù)相比，該系統(tǒng)具有多項優(yōu)勢。這一切都是電動的，避免了排放、碳和石油成本的波動。它需要人力驅(qū)動的拖拉機所需勞動力的一小部分。它可以有效地利用種子、水和農(nóng)藥。它支持選擇性收獲以提高產(chǎn)品質(zhì)量?？梢源蟠鬁p少土壤板結(jié)和侵蝕。它可以通過消除有利于先進的雜草和害蟲控制措施的化學(xué)品來實現(xiàn)有機農(nóng)業(yè)。隨著全球人口的增加，這些電子、機器人和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在提高農(nóng)業(yè)效率、生產(chǎn)力和環(huán)境責(zé)任方面應(yīng)該很有價值。

CHARLES C. BYERS 是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟的副首席技術(shù)官，現(xiàn)在加入了 OpenFog。他致力于邊緣霧計算系統(tǒng)、通用平臺、媒體處理系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)和實施。此前，他是思科的首席工程師和平臺架構(gòu)師，以及阿爾卡特朗訊的貝爾實驗室研究員。在電信網(wǎng)絡(luò)行業(yè)的三十年中，他在語音交換、寬帶接入、融合網(wǎng)絡(luò)、VoIP、多媒體、視頻、模塊化平臺、邊緣霧計算和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域做出了重大貢獻。他還是多個標(biāo)準機構(gòu)的領(lǐng)導(dǎo)者，包括擔(dān)任工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟和 OpenFog 聯(lián)盟的首席技術(shù)官，并且是 PICMG 的 AdvancedTCA、AdvancedMC、

Byers 先生在威斯康星大學(xué)麥迪遜分校獲得電氣和計算機工程學(xué)士學(xué)位以及電氣工程碩士學(xué)位。在業(yè)余時間，他喜歡旅行、烹飪、騎自行車和在他的工作室里修修補補。他擁有 80 多項美國專利。

審核編輯黃宇