树莓派！干农活！

农作物种植是一个需要精准操作的行业，而农业的长期趋势是朝着机械化方向发展。Directed Machines公司的土地护理机器人（Land Care Robot），基于Raspberry Pi4和RP2040构建，是解放稀缺人力资本的一种经济高效方式。

解决方案	Raspberry Pi 4，RP2040
企业规模	中小型
行业	农业机器人

随着全球人口的稳步增长，优化农业生产力和土地利用以种植足够的食物成为一个越来越紧迫的问题。农作物种植不仅要求精准，而且农民还不断面临压力，要在有限的土地上提高产量以满足对食物的需求，同时保持成本竞争力，以维持与主要客户——超市之间的合作关系。最大限度地减少农药和化肥的使用对于保持利润和防止土壤退化至关重要，而播种和收割作物的劳动力却越来越短缺。虽然可以通过从其他州或国家引进临时工来缓解季节性劳动力短缺问题，但更大的趋势是农业机械化和工业化的增加。

Directed Machines是日益增长的农业机器人领域中的一个虽小但重要的参与者，为各种垂直市场开发并销售土地护理机器人（LCRs）。Raspberry Pi是公司成功设计中的一个关键部分。

挑战

在拥有21年软件开发成功经验的乔治·克里斯安塔科普洛斯（George Chrysanthakopoulos）渴望利用他对机器人技术的深入了解进行创业。在加入VMware并成为研究员之前，他曾是微软一个大型、秘密的消费者机器人项目的技术负责人。在退出行业后，他开始设计太阳能驱动的机器人，以帮助应对每年的降雪。与邻近的小型农民交谈后，乔治很快意识到机器人在农业中有无数的潜在用途，而且市场上对能够帮助解决农药和植物管理问题的低成本机械化助手有着巨大的需求。小农场的利润空间尤其狭窄，农民需要他们的机器人能够执行多项任务，并能够在现场进行维修，这意味着必须采用易于获得的部件和相当简单但坚固的硬件。尽管如此，市场对相对低成本、重型、太阳能驱动的自主机器似乎仍有需求。

机器人在整个生长季节中可以有多种用途——整地、施肥和喷洒农药、播种、除草、将幼苗从一地运往另一地准备种植，以及收割作物。为了证明机器人的成本合理，并真正成为难以找到的季节性人力的替代品，这些任务中的每一项都需要精确执行。在农业行业中，维修权是一个大问题，因此对于复杂机械的维护和保养有重要的考虑。

解决方案

克里斯安塔科普洛斯着手开发一种模块化机器人，可用于各种农业任务。Directed Machines品牌的首款产品——激光引导的自主除草机器人——的原型机在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——Directed Machines模块化产品的基础单元。

除了Raspberry Pi4之外，土地护理机器人还使用了一块带有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。

为何选择 Raspberry Pi ？

土地护理机器人采用Raspberry Pi构建，主要出于成本考虑以及硬件的可靠性和可用性。公司认为，由于Raspberry Pi拥有庞大的用户基础和活跃的社区，因此在Raspberry Pi单元中发现错误的可能性极小。这对于可能位于偏远地区且需要客户自行更新或更换的机器来说至关重要。“如果你能在Raspberry Pi上实现，那么这样做有巨大的优势，”Directed Machines的联合创始人兼首席运营官丹·艾布拉姆森（Dan Abramson）表示，“你已经售出了数百万台设备，出现错误的可能性真的非常低。”他还提到了“Raspberry Pi生态系统的丰富性”以及相对较低的能耗要求。“因此，如果你能在Raspberry Pi上实现，那么有充分的理由选择它。”

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能力来解决工程问题，而是利用问题内部的结构来降低与这些问题相关的计算要求……Raspberry Pi是一个很好的工具，一个很好的合作伙伴，用于执行我们需要执行的计算。”

“使用Raspberry Pi生态系统的成本效益比，”艾布拉姆森说，“是无与伦比的。”

结果

Directed Machines过去两年一直在北美市场以有限的方式销售，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适合每个客户的需求。开发过程完全在公司内部进行，仅用了两年时间就完成了机械开发、电气开发和所有软件开发。过去两年中，Directed Machines一直在市场上销售并部署土地护理机器人平台，“在各种有趣的使用案例和垂直领域中，”艾布拉姆森说，“它是一款自主机器人，你可以在我们的机器人上安装不同的工具，使其能够执行不同的任务。你可以给机器人安装一个割草机，让它割草；你可以安装一个除雪机，让它铲雪；你还可以安装一个拖车，让它拉你想拉的任何东西。”

“我们的客户包括高尔夫球场、太阳能发电厂、农村地产和需要拖运大量盆栽植物的苗圃。LCR可以在各种地形环境中部署，从我们需要执行任务的非常平坦的地方，到我们在南加州的一个俯瞰太平洋、地形坡度达55度的地点。”

除了能够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，能够无需用户干预地完成多项任务。“我们一直在为我们所做的添加新功能，并继续提高我们工程的鲁棒性，以及试验新的传感器。我们越来越多地使用Raspberry Pi生态系统中找到的传感器。”

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，该农场是一家遵循可持续原则的有机蓝莓农场，同时他也是“定向机械”（Directed Machines）的投资者。“定向机械”两年前找到了弗莱彻，希望将“叛军湾”作为测试其太阳能机器人机器的试验场。“土地护理机器人”（Land Care Robot）能够在不使用汽油的情况下，对结构化的成排环境以及许多开放区域进行除草，同时解放出一个农场工人去处理更困难的任务，这让我很容易就决定加入，”他说。在高风险的结构化环境中工作可能是一个特别的挑战，但土地护理机器人根据反馈进行更新以提高精度，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：“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本。”

2021年，Blueweave Consulting估计智能农业市场的价值约为115亿美元，并预测到2028年这一数字将几乎翻一番，达到243亿美元，原因是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创业型农场企业。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给农民带来了沉重打击。“我认为解决这些挑战的答案在于机器人技术和科技。自从我有机会使用我的土地护理机器人以来，我已经能够窥见一个不太遥远的现实，这个现实非常依赖这种技术来满足我们今天在农业中面临的挑战。‘定向机械’一直是应对这一挑战的绝佳伙伴。”

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