使用树莓派提升农业效率的土地护理机器人

农业种植是一个要求高度精准的行业，而机械化是农业发展的长期趋势。Directed Machines公司的土地护理机器人（Land Care Robot）基于Raspberry Pi 4和RP2040构建，成为解放人力资源的一种经济高效方案。

随着全球人口的持续增长，如何优化农业生产力和土地利用以满足日益增长的食物需求变得愈发紧迫。农业不仅要求精准操作，农民们还面临在有限土地上提高产量的压力，以满足超市等主要客户的需求，保持成本竞争力。减少农药和化肥的使用对维持利润和防止土壤退化至关重要。然而，农业劳动力日益短缺。尽管可以通过从其他地区引进季节性工人来应对这一问题，但是更大的趋势是向农业机械化与工业化迈进。

Directed Machines在快速发展的农业机器人市场中虽处于小型但重要的角色，为多个垂直市场开发并销售土地护理机器人（LCR）。Raspberry Pi是公司成功设计中的核心组件。

面临的挑战

在拥有21年软件开发经验的乔治·克里斯安塔科普洛斯（George Chrysanthakopoulos）希望利用他对机器人技术的深厚理解进行创业。在加入VMware并成为研究员之前，他曾担任微软一个大型秘密消费者机器人项目的技术负责人。离开行业后，他开始设计太阳能驱动的机器人，以应对每年的降雪。在与邻近的小型农民交谈后，乔治意识到机器人在农业中有着无数潜在的应用，同时市场对能够解决农药和植物管理问题的低成本机械助手有着巨大的需求。小农场的利润空间狭窄，农民们希望机器人能够执行多种任务并具备现场维修的能力，这要求使用易于获取的部件和相对简单但坚固的硬件。尽管如此，市场对相对低成本、重型、太阳能驱动的自主机器人仍存在需求。

机器人在整个生长季节中可以执行多样化的任务，包括整地、施肥、喷洒农药、播种、除草、移动幼苗以及收割作物。为了证明机器人的性价比并真实替代难以获取的季节性劳动力，这些任务的每一项都需要高精度执行。在农业行业中，维护权问题尤为重要，因此复杂机械的保养和维护是一个关键考量。

创新解决方案

克里斯安塔科普洛斯开始开发一种模块化机器人，以适应各种农业任务。Directed Machines的首款产品——激光引导的自主除草机器人——在2018年初进行了田间试验，随后推出了功能更强大的基于Raspberry Pi的土地护理机器人，成为Directed Machines模块化产品的基础单元。

除了Raspberry Pi 4，土地护理机器人还配备了一块带有Raspberry Pi旗舰微控制器RP2040的板，以及Adafruit IMU作为传感器协处理器，以支持自主导航。第二块RP2040微控制器板作为低功耗电子协处理器，监测和调节太阳能充电。

选择Raspberry Pi的原因

土地护理机器人基于Raspberry Pi构建，主要考虑到成本、可靠性和可用性。公司认为，由于Raspberry Pi拥有庞大的用户基础和活跃社区，发现错误的可能性极小，这对可能位于偏远地区并需客户自行更新或更换的设备至关重要。“如果你能在Raspberry Pi上实现，那将会有巨大的优势，”Directed Machines的联合创始人兼首席运营官丹·艾布拉姆森（Dan Abramson）表示，“数百万台设备的销量让错误发生的可能性降至最低。”他还提到“Raspberry Pi生态系统的丰富性”和相对较低的能耗需求。“因此，如果你能在Raspberry Pi上实现，那么选择它是有充分理由的。”

艾布拉姆森补充说：“Raspberry Pi与我们的第一原则、算法架构哲学非常契合。我们不是通过蛮力计算解决工程问题，而是利用问题内部的结构降低计算要求……Raspberry Pi是一个出色的工具，一个理想的合作伙伴，可以执行我们需要完成的计算。”

“Raspberry Pi生态系统的成本效益比无与伦比，”艾布拉姆森总结道。

成果与未来

过去两年内，Directed Machines在北美市场的销售逐步进行，这意味着进行了大量前期研究，以确保土地护理机器人能够满足每个客户的需求。开发过程完全在公司内部进行，仅用两年时间便完成了机械、电气和软件的开发。在过去两年中，Directed Machines已经在市场上销售并部署了土地护理机器人平台，“它是一款自主机器人，能够安装不同的工具以执行多种任务。你可以给机器人装上割草机让它割草，装上除雪机让它铲雪，或是安装拖车以拉动所需物品。”

“我们的客户包括高尔夫球场、太阳能发电厂、乡村地产，以及需要拖运大量盆栽植物的苗圃。LCR能够在多种地形环境中部署，从极其平坦的地方到南加州一个俯瞰太平洋、坡度达55度的地点。”

除了应对极具挑战性的地形外，土地护理机器人还具备完全自主的能力，能够在无需用户干预的情况下完成多项任务。“我们不断为所做的项目添加新功能，并提升工程的鲁棒性，同时测试新的传感器。我们越来越多地利用Raspberry Pi生态系统中的传感器。”

布里特·弗莱彻（Britt Fletcher）是华盛顿州“叛军湾蓝莓农场”（Mutiny Bay Blues）的拥有者，亦是“定向机械”（Directed Machines）的投资者。两年前，“定向机械”找到弗莱彻，希望将“叛军湾”作为其太阳能机器人测试平台。“土地护理机器人”能够在不使用汽油的情况下，对结构化的农田和开放区域进行除草，同时解放一名农场工人处理更复杂的任务，这让他轻松决策加入。“在高风险的结构化环境中工作可能是特别的挑战，但土地护理机器人能够根据反馈更新系统以提高精度，这意味着‘叛军湾’现在拥有一台弗莱彻信任的无监督工作机器人，‘成本大约是原来的四分之三，更重要的是，它解放了日益稀缺的人力资源。’”

根据2021年Blueweave Consulting的估计，智能农业市场价值约为115亿美元，并预测到2028年将几乎翻一番，达到243亿美元，精准农业的需求是推动这一增长的关键因素。达伦·里奇恩斯（Daren Richins）在犹他州经营着一家初创型农业企业，他认为农业的发展方向“相当明显”，劳动力短缺和资本支出增加对农民造成沉重打击。“我认为解决这些挑战的答案在于机器人技术和科技。自从我使用土地护理机器人以来，我已经看到了一个不远的未来，这个未来非常依赖这种技术来应对当今农业中的挑战。‘定向机械’一直是应对这一挑战的绝佳伙伴。”