農(nóng)作物種植是一個需要精準(zhǔn)操作的行業(yè)，而農(nóng)業(yè)的長期趨勢是朝著機(jī)械化方向發(fā)展。Directed Machines公司的土地護(hù)理機(jī)器人（Land Care Robot），基于Raspberry Pi4和RP2040構(gòu)建，是解放稀缺人力資本的一種經(jīng)濟(jì)高效方式。

隨著全球人口的穩(wěn)步增長，優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和土地利用以種植足夠的食物成為一個越來越緊迫的問題。農(nóng)作物種植不僅要求精準(zhǔn)，而且農(nóng)民還不斷面臨壓力，要在有限的土地上提高產(chǎn)量以滿足對食物的需求，同時保持成本競爭力，以維持與主要客戶——超市之間的合作關(guān)系。最大限度地減少農(nóng)藥和化肥的使用對于保持利潤和防止土壤退化至關(guān)重要，而播種和收割作物的勞動力卻越來越短缺。雖然可以通過從其他州或國家引進(jìn)臨時工來緩解季節(jié)性勞動力短缺問題，但更大的趨勢是農(nóng)業(yè)機(jī)械化和工業(yè)化的增加。

Directed Machines是日益增長的農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域中的一個雖小但重要的參與者，為各種垂直市場開發(fā)并銷售土地護(hù)理機(jī)器人（LCRs）。Raspberry Pi是公司成功設(shè)計中的一個關(guān)鍵部分。

挑戰(zhàn)

在擁有21年軟件開發(fā)成功經(jīng)驗的喬治·克里斯安塔科普洛斯（George Chrysanthakopoulos）渴望利用他對機(jī)器人技術(shù)的深入了解進(jìn)行創(chuàng)業(yè)。在加入VMware并成為研究員之前，他曾是微軟一個大型、秘密的消費(fèi)者機(jī)器人項目的技術(shù)負(fù)責(zé)人。在退出行業(yè)后，他開始設(shè)計太陽能驅(qū)動的機(jī)器人，以幫助應(yīng)對每年的降雪。與鄰近的小型農(nóng)民交談后，喬治很快意識到機(jī)器人在農(nóng)業(yè)中有無數(shù)的潛在用途，而且市場上對能夠幫助解決農(nóng)藥和植物管理問題的低成本機(jī)械化助手有著巨大的需求。小農(nóng)場的利潤空間尤其狹窄，農(nóng)民需要他們的機(jī)器人能夠執(zhí)行多項任務(wù)，并能夠在現(xiàn)場進(jìn)行維修，這意味著必須采用易于獲得的部件和相當(dāng)簡單但堅固的硬件。盡管如此，市場對相對低成本、重型、太陽能驅(qū)動的自主機(jī)器似乎仍有需求。

機(jī)器人在整個生長季節(jié)中可以有多種用途——整地、施肥和噴灑農(nóng)藥、播種、除草、將幼苗從一地運(yùn)往另一地準(zhǔn)備種植，以及收割作物。為了證明機(jī)器人的成本合理，并真正成為難以找到的季節(jié)性人力的替代品，這些任務(wù)中的每一項都需要精確執(zhí)行。在農(nóng)業(yè)行業(yè)中，維修權(quán)是一個大問題，因此對于復(fù)雜機(jī)械的維護(hù)和保養(yǎng)有重要的考慮。

解決方案

克里斯安塔科普洛斯著手開發(fā)一種模塊化機(jī)器人，可用于各種農(nóng)業(yè)任務(wù)。Directed Machines品牌的首款產(chǎn)品——激光引導(dǎo)的自主除草機(jī)器人——的原型機(jī)在2018年初進(jìn)行了田間試驗，隨后推出了功能更強(qiáng)大的基于Raspberry Pi的土地護(hù)理機(jī)器人——Directed Machines模塊化產(chǎn)品的基礎(chǔ)單元。

除了Raspberry Pi4之外，土地護(hù)理機(jī)器人還使用了一塊帶有Raspberry Pi旗艦微控制器RP2040的板，以及Adafruit IMU作為傳感器協(xié)處理器，以支持自主導(dǎo)航。第二塊RP2040微控制器板作為低功耗電子協(xié)處理器，監(jiān)測和調(diào)節(jié)太陽能充電。

為何選擇 Raspberry Pi ？

土地護(hù)理機(jī)器人采用Raspberry Pi構(gòu)建，主要出于成本考慮以及硬件的可靠性和可用性。公司認(rèn)為，由于Raspberry Pi擁有龐大的用戶基礎(chǔ)和活躍的社區(qū)，因此在Raspberry Pi單元中發(fā)現(xiàn)錯誤的可能性極小。這對于可能位于偏遠(yuǎn)地區(qū)且需要客戶自行更新或更換的機(jī)器來說至關(guān)重要。“如果你能在Raspberry Pi上實(shí)現(xiàn)，那么這樣做有巨大的優(yōu)勢，”Directed Machines的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席運(yùn)營官丹·艾布拉姆森（Dan Abramson）表示，“你已經(jīng)售出了數(shù)百萬臺設(shè)備，出現(xiàn)錯誤的可能性真的非常低。”他還提到了“Raspberry Pi生態(tài)系統(tǒng)的豐富性”以及相對較低的能耗要求。“因此，如果你能在Raspberry Pi上實(shí)現(xiàn)，那么有充分的理由選擇它。”

艾布拉姆森補(bǔ)充說：“Raspberry Pi與我們的第一原則、算法架構(gòu)哲學(xué)非常契合。我們不是通過蠻力計算能力來解決工程問題，而是利用問題內(nèi)部的結(jié)構(gòu)來降低與這些問題相關(guān)的計算要求……Raspberry Pi是一個很好的工具，一個很好的合作伙伴，用于執(zhí)行我們需要執(zhí)行的計算。”

“使用Raspberry Pi生態(tài)系統(tǒng)的成本效益比，”艾布拉姆森說，“是無與倫比的。”

結(jié)果

Directed Machines過去兩年一直在北美市場以有限的方式銷售，這意味著進(jìn)行了大量前期研究，以確保土地護(hù)理機(jī)器人能夠適合每個客戶的需求。開發(fā)過程完全在公司內(nèi)部進(jìn)行，僅用了兩年時間就完成了機(jī)械開發(fā)、電氣開發(fā)和所有軟件開發(fā)。過去兩年中，Directed Machines一直在市場上銷售并部署土地護(hù)理機(jī)器人平臺，“在各種有趣的使用案例和垂直領(lǐng)域中，”艾布拉姆森說，“它是一款自主機(jī)器人，你可以在我們的機(jī)器人上安裝不同的工具，使其能夠執(zhí)行不同的任務(wù)。你可以給機(jī)器人安裝一個割草機(jī)，讓它割草；你可以安裝一個除雪機(jī)，讓它鏟雪；你還可以安裝一個拖車，讓它拉你想拉的任何東西。”

“我們的客戶包括高爾夫球場、太陽能發(fā)電廠、農(nóng)村地產(chǎn)和需要拖運(yùn)大量盆栽植物的苗圃。LCR可以在各種地形環(huán)境中部署，從我們需要執(zhí)行任務(wù)的非常平坦的地方，到我們在南加州的一個俯瞰太平洋、地形坡度達(dá)55度的地點(diǎn)。”

除了能夠應(yīng)對極具挑戰(zhàn)性的地形外，土地護(hù)理機(jī)器人還具備完全自主的能力，能夠無需用戶干預(yù)地完成多項任務(wù)。“我們一直在為我們所做的添加新功能，并繼續(xù)提高我們工程的魯棒性，以及試驗新的傳感器。我們越來越多地使用Raspberry Pi生態(tài)系統(tǒng)中找到的傳感器。”

布里特·弗萊徹（Britt Fletcher）是華盛頓州“叛軍灣藍(lán)莓農(nóng)場”（Mutiny Bay Blues）的擁有者，該農(nóng)場是一家遵循可持續(xù)原則的有機(jī)藍(lán)莓農(nóng)場，同時他也是“定向機(jī)械”（Directed Machines）的投資者。“定向機(jī)械”兩年前找到了弗萊徹，希望將“叛軍灣”作為測試其太陽能機(jī)器人機(jī)器的試驗場。“土地護(hù)理機(jī)器人”（Land Care Robot）能夠在不使用汽油的情況下，對結(jié)構(gòu)化的成排環(huán)境以及許多開放區(qū)域進(jìn)行除草，同時解放出一個農(nóng)場工人去處理更困難的任務(wù)，這讓我很容易就決定加入，”他說。在高風(fēng)險的結(jié)構(gòu)化環(huán)境中工作可能是一個特別的挑戰(zhàn)，但土地護(hù)理機(jī)器人根據(jù)反饋進(jìn)行更新以提高精度，這意味著“叛軍灣”現(xiàn)在擁有一臺弗萊徹信任的無監(jiān)督工作機(jī)器：“成本大約是原來的四分之三，更重要的是，它解放了日益稀缺的人力資本。”

2021年，Blueweave Consulting估計智能農(nóng)業(yè)市場的價值約為115億美元，并預(yù)測到2028年這一數(shù)字將幾乎翻一番，達(dá)到243億美元，原因是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的需求是推動這一增長的關(guān)鍵因素。達(dá)倫·里奇恩斯（Daren Richins）在猶他州經(jīng)營著一家創(chuàng)業(yè)型農(nóng)場企業(yè)。他認(rèn)為農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向“相當(dāng)明顯”，勞動力短缺和資本支出增加給農(nóng)民帶來了沉重打擊。“我認(rèn)為解決這些挑戰(zhàn)的答案在于機(jī)器人技術(shù)和科技。自從我有機(jī)會使用我的土地護(hù)理機(jī)器人以來，我已經(jīng)能夠窺見一個不太遙遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)，這個現(xiàn)實(shí)非常依賴這種技術(shù)來滿足我們今天在農(nóng)業(yè)中面臨的挑戰(zhàn)。‘定向機(jī)械’一直是應(yīng)對這一挑戰(zhàn)的絕佳伙伴。”

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