自动拖拉机、无人机以及播种、除草和收割机器人是正在开发的几项技术，这些技术将改变农业，并通过提高农业活动的可持续性和生产力来帮助缓解粮食短缺。所有类型的自动驾驶汽车将使人们摆脱驾驶拖拉机和其他机械，使他们能够执行更多增值活动。这些措施包括实施精准农业，通过解决与水资源短缺、劳动力短缺和其他限制相关的问题，提高产量，减少对环境的负面影响，并提高农业运营的可持续性。

　　虽然无人机和农业机器人代表了从头开始开发和部署的新系统，但拖拉机却有所不同。拖拉机的安装基数已经很大，而且它们的使用寿命往往很长。因此，除了开发全自动的新设计外，现有的拖拉机还将改装为电力驱动装置，并针对特定目的使用数字系统进行升级，即所谓的“数字拖拉机工具”。

　　本文着眼于数字拖拉机机具和新兴电动拖拉机(电动拖拉机)的发展。它回顾了部署自动拖拉机的挑战，并研究了无人机、拖拉机上的传感器以及人工智能和机器学习如何在精准农业中使用。它还研究了实现自主农用车辆开发所需的一些技术，以及 Digi-Key 如何广泛 产品供应， 包括机器视觉、电机和控制、电源转换器、传感器和开关、有线和无线通信接口以及一系列信号和电源线和连接器，可以帮助设计人员加快开发过程。本文最后简要展望了未来，完全自主的农场将由复杂的操作系统控制，这些操作系统可以管理混合车队，包括自主和标准农场设备，以最大限度地提高生产力和可持续性。

　　农具上了 ISO总线

　　与工业4.0一样，农业正朝着使用智能和互联机器的方向发展。这就是国际标准组织(ISO)11783，农业和林业串行数据网络总线的拖拉机和机械的用武之地。在农业中，它简称为ISObus。它基于汽车协会 (SAE) J1939 协议，该协议包括控制区域网络 (CAN) 总线，并已针对农业应用进行了优化。ISObus由农业工业电子基金会积极推动，该基金会致力于协调ISO 11783标准的增强认证测试。

　　在 ISObus 之前，农民拥有带有专有控制系统的拖拉机，这限制了灵活性、性能和互操作性。ISObus 包括标准化连接器、通信协议和操作指南，支持开发来自不同制造商的互连传感器和控制系统(图 1)。ISObus 还支持拖拉机机具的电气化，包括电动机械取力器 (PTO) 和额定电压高达 700 伏 (V) 和 100 千瓦 (kW) 的高压连接器，为电动机具供电。

　　图 1：ISObus 可以将来自不同制造商的传感器和机具集成到即插即用系统中。(图片来源：Armin Weigel/dpa(图片来源：Armin Weigel/图片联盟通过Getty Images)

　　ISObus正在发展，以开发拖拉机机具管理(TIM)系统。正如设想的那样，ISObus的高级版本将使机具能够向拖拉机提供反馈，支持拖拉机/机具组合系统的优化。它还将允许在支持精准农业的机具上实现更高水平的传感器集成。拖拉机将提供位置感知，组合系统将持续收集有关土壤和作物状况的数据。有了更详细的见解，产量和可持续性都可以提高。

　　电动拖拉机、改装和自动拖拉机

　　除了ISObus的持续发展外，拖拉机的电气化对于未来自动驾驶汽车的部署和提高农业可持续性非常重要。减排是一个重要的考虑因素。全球四分之一的温室气体排放来自农业和农业相关活动，一台拖拉机的排放量相当于14辆汽车。1

　　电动拖拉机开始出现。除了减少排放外，电动拖拉机还可以显着降低燃料成本。电动拖拉机目前仅限于较小的型号，因为大型大功率电动拖拉机需要的电池组尺寸大于它们将取代的传统拖拉机的尺寸。大型电动拖拉机的重量也更大，导致土壤压实增加，这是不希望的。最后，大型电池组的充电时间太长，无法在农业操作中实用。电机功率从25到70马力(HP)，约18.6至52千瓦的小型电动拖拉机和小型电池组已经在测试中。拖拉机电气化不仅仅是传动系统。它还涉及更换液压系统，为拖拉机机具提供动力和控制(图 2)。

　　图 2：电机功率为 25 至 70 马力的小型电动拖拉机正在测试并准备部署。(图片来源：Brizmaker通过Getty Images拍摄)

　　对于大型拖拉机，可提供混合动力改造套件。例如，一家公司提供了一个带有 250 kW 发电机的套件，该发电机可以代替液压泵连接到拖拉机现有的内燃机上。该套件还包括四个电动机，用于替换液压驱动系统和一个电动变速器，为现有机具提供动力。通过更换液压系统，改造套件降低了燃料和维护成本，提高了混合动力电动拖拉机的可用性和可靠性。

　　与自动驾驶汽车和卡车的推出一样，自动拖拉机的部署面临着不确定的未来。例如，加利福尼亚州的现行法规要求“所有自行式设备在自身动力和运动时，应有一名操作员驻扎在车辆控制装置上。完全自治将不得不等待。

　　飞越田野

　　无人机目前用于农业中的各种任务。示例包括：

　　成像植物健康。无人机在很大程度上取代了卫星图像来监测作物健康状况。无人机配备归一化差异植被指数(NDVI)成像设备，可提供详细的彩色图像，可用于监测植物健康状况。虽然卫星图像需要时间来检索并且可以提供仪表精度，但无人机可以为图像提供毫米级精度，并支持实时高度针对性地识别疾病、害虫或其他问题。

　　监控现场条件。无人机还可以监测整个田地的土壤和排水状况。这可以实现更高效和可持续的浇水计划。

　　种植。自动无人机播种机在林业中很常见，它们的使用正在扩展到一般农业。无人机可以快速种植树木或种子，更有效地到达无法进入的地区。例如，由两名操作员组成的团队每天可以使用多架无人机种植 400，000 棵树。

　　喷涂应用。使用无人机对化肥和杀虫剂进行喷雾处理是一种新兴应用，其用途因地区而异(图3)。例如，在韩国，无人机用于约30%的农业喷洒。在加拿大，使用无人机进行农业喷洒是不合法的。在美国，无人机喷洒需要联邦航空管理局 (FAA) 和州农业、商业和运输部门规定的许可和认证。

　　图3：已经开发出可用于喷洒化肥和杀虫剂的大型无人机。(图片：Baranozdemir通过Getty Images拍摄)

　　精度事半功倍

　　甚至在自动驾驶拖拉机实现之前，无人机以及拖拉机和拖拉机工具的电气化也有望支持精准农业并提高可持续性。

　　根据[农业]设备制造商协会(AEM)的一项研究，使用精准农业可以使作物产量增加4%，肥料放置效率提高7%，除草剂和杀虫剂使用减少9%，化石燃料使用减少6%。2.此外，通过精确灌溉，用水量可减少4%。

　　这些数字是基于当前的技术。随着连接系统和人工智能(AI)的加入，这些改进有望成倍增加。添加用于设备维护的机器学习 (ML) 可进一步节省成本并提高可持续性。

　　根据AEM的说法，如果同时考虑投入节省和产量提高，自主农场设备预计将带来24%的增量改进。这种改进的一个重要因素是假设自主机械将比它所取代的设备更轻，从而减少压实并改善土壤条件。

　　AI和ML对于开发针对特定任务优化的精密机器也至关重要。专用任务机器甚至可能比通用拖拉机更小。例如，正在开发小型任务机器，用于采摘需要机器视觉、细腻触感和精确灵巧性的作物。

　　杂草控制是另一个特定于任务的AI和ML机器有望做出重大贡献的领域。杂草控制困难，劳动密集型，如果不能有效实施，会导致更多的水和土壤养分的消耗。作物轮作是部分解决方案，但不能消除对除草剂或人工杂草控制的需求。将机器视觉与AI和ML相结合的杂草管理机器人正在接受测试。这些小型机器还可以最大限度地减少土壤压实(图 4)。

　　图4：将机器视觉与AI和ML相结合的自主机器人的收获示例(图片来源：onurdongel通过Getty Images拍摄)

　　农场操作系统和自主设备队列

　　农业行业正在展望一个未来，即完全自主的农场将由一个复杂的操作系统(OS)控制，该系统能够管理混合车队，包括自主和标准农场设备，以及陆基机器和无人机，以最大限度地提高生产力和可持续性(图5)。这些农业设备车队将协调运行，以帮助控制资本支出，最大限度地减少劳动力需求，并提供必要的大数据，以实现自主执行和精准农业。此外，未来的农场操作系统将进行标准化和优化，以支持来自众多供应商的各种设备。采用 ISObus 只是迈向开源和标准化农场自动化方法的第一步。

　　图5：成群的协调地面和飞行自主农业机械将导致更高水平的可持续性。(图片来源：Scharfsinn86 通过 Getty Images 绘制的插图)

　　拟议的农场操作系统预期的其他好处是减少二氧化碳排放、降低燃料消耗以及优化电池充电和管理。大数据分析也将在未来的农业中发挥重要作用。直接来自现场的大量实时数据将用于持续训练决策、控制和运营规划所需的 AI 和 ML 算法，以优化精准农业。

　　总结

　　自主农用车辆和可持续精准农业的发展仍处于早期阶段。该行业已经开始走上ISObus的道路。下一代ISObus将支持更高的互操作性，并有助于实现更复杂和相互连接的农业设备车队。目标是开发一个农场操作系统，可以采用这些农场设备机队，使用AI和ML算法将它们与大量实时传感器数据相结合，并将它们部署为协调的地面和飞行机器的编队，从而产生高水平的可持续性和生产力。