自動駕駛車將如何提升農業的永續性和生產力

自駕曳引機、無人機以及播種、除草和收割機器人是目前正在開發的技術，將帶動農業轉型，並透過提升農業活動的永續性和生產力來幫助緩解糧食短缺。所有類型的自動駕駛車終將讓人擺脫駕駛曳引機和其他機具，就可執行更多加值活動。這些活動包括實施精準農業，可因應與水資源短缺、勞動力短缺和其他限制相關的問題，藉此提高產量、減少對環境的負面影響，並提升農業經營的永續性。

無人機和農業機器人代表的是從頭開始開發和部署的新系統，但曳引機則不是。曳引機已經有相當龐大的安裝基數，而且其使用壽命往往很長。因此，除了開發全自動的新型設計外，現有的曳引機還可用電子驅動機改裝，並針對特定用途使用數位系統進行升級，即所謂的「數位曳引機機具」。

本文將探討數位曳引機機具和新興電動曳引機的發展。也會瞭解自駕曳引機的實務挑戰，並探討無人機、曳引機上的感測器以及 AI 與 ML 如何運用到精準農業。此外，也會探討一些為了開發農用自駕車所需的技術，並介紹 DigiKey 豐富的品項，如何協助設計人員加速開發，包括機器視覺、馬達和控制、電源轉換器、感測器和開關、有線和無線通訊介面，以及多種訊號和電源纜線與連接器。本文最後會概述未來展望，屆時完全自主的農場將由複雜的作業系統控制，不僅可管理混合式機隊，包括自駕和標準型農場設備，以發揮最大的生產力和永續性。

農機跟上 ISObus 潮流

如同工業 4.0，農業也逐漸採用智慧型和互聯式機器。因此國際標準組織 (ISO) 就以 11783 標準，針對農業和林業用曳引機和農機的序列數據網路匯流排進行規範。在農業產業中，此匯流排簡稱為 ISObus。此匯流排以汽車協會 (SAE) 的 J1939 協定為基礎，其中包括控制區域網路 (CAN ) 匯流排，且已針對農業應用進行最佳化。ISObus 受到農業產業電子基金會積極推廣，其更致力於協調 ISO 11783 標準的增強型認證測試。

在 ISObus 問世前，務農者的曳引機皆搭載專有的控制系統，會限制其靈活性、效能和互通性。ISObus 則含有標準化連接器、通訊協定和操作指南，可促使不同製造商開發互連的感測器和控制系統 (圖 1)。ISObus 也支援曳引機機具的電氣化，包括電動機械式動力輸出 (PTO ) 和額定電壓高達 700 V 和 100 kW 的高電壓連接器，可供電給電動機具。

圖 1：ISObus 可促使不同製造商的感測器和機具整合到隨插即用系統中。(圖片來源： Armin Weigel/dpa (Photo by Armin Weigel/picture alliance via Getty Images)

ISObus 不斷演進中，更開發出一套曳引機機具管理 (TIM) 系統。正如願景所呈現，ISObus 的進階版本可促使機具向曳引機提供反饋，支援曳引機／機具複合式系統的最佳化。還可在機具上達到更高階的感測器整合，以便支援精準農業。曳引機將提供定位感知能力，複合式系統也會持續收集有關土壤和作物情況的資料。有了更深入的見解後，就可提高產量和永續性。

電動曳引機、改裝和自駕曳引機

除了 ISObus 持續發展外，曳引機的電氣化對於未來自駕車的部署，以及提高農業永續性來說也非常重要。減排更是關鍵的考量因素之一。全球有四分之一的溫室氣體排放來自農業和農業相關活動；一台曳引機的排放量相當於 14 輛汽車¹。

電動曳引機陸續問世。除了減少排放外，電動曳引機還可大幅降低燃料成本。電動曳引機目前僅限於較小的型號，因為大型的大功率電動曳引機所需的電池尺寸，會比起其要取代的傳統曳引機還要大。大型電動曳引機的重量也更大，會導致土壤壓實度提高，而這是不樂見的情況。最後，大型電池組的充電時間太長，在農業作業中並不實用。搭載 25 至 70 馬力 (HP) (約 18.6 至 52 kW) 的較小型電動曳引機，以及小型電池組已經進入測試。曳引機的電氣化不僅影響傳動系統。還涉及更換液壓系統，對曳引機機具提供動力和控制 (圖 2)。

圖 2：搭載 25 至 70 馬力馬達的小型電動曳引機已進入測試且準備好展開部署。(圖片來源： Photo by brizmaker via Getty Images)

針對較大型的曳引機，則有提供混合動力改裝套件。舉例來說，有家公司提供的套件含有 250 kW 發電機，可裝載到曳引機既有的內燃式引擎，取代液壓泵。該套件還包括四個電動馬達，可取代液壓驅動系統，還有一個電動變速器，能為現有機具提供動力。透過取代液壓系統，改裝套件可減少燃料使用和維護成本，並且提高混合式電動曳引機的可用性和可靠性。

如同自動駕駛汽車和卡車的推出一樣，自駕曳引機的部署也面臨著不確定的未來。例如，加州現行的法規就要求「所有自行推動式設備在自身動力下運動期間，應有一名操作人員執掌車輛控制」。全自動駕駛尚須等待。

飛越田野

無人機目前已用於多種農業任務。範例包括：

• 植物健康成像。在作物健康監測層面，無人機已經大幅取代衛星影像。無人機配備常態化差異植生指標 (NDVI) 成像設備，可提供詳細的彩色影像，以便監測植物健康情況。衛星影像需花費時間取得，可提供公尺程度的精度；無人機的影像可提供公釐程度的精度，並可針對疾病、害蟲或其他問題提供即時且高度目標性的識別。
• 現場情況監測。無人機還可以監測整個田地的土壤和排水狀況。如此即可促成更有效且永續的澆水計劃。
• 栽種。自動化無人機播種機在林業中很常見，目前更逐漸拓展到一般農業。無人機可以快速種植樹木或種子，更有效地到達無法進入的地區。例如，由兩名操作人員組成的團隊，每天可以運用多架無人機種植 400,000 棵樹。
• 噴灑應用。使用無人機噴灑肥料與殺蟲劑是一種新興應用，此用途因地區而異 (圖 3)。例如，在南韓就有大約 30% 的農業噴灑作業透過無人機進行。在加拿大，使用無人機進行農業噴灑尚未合法。在美國，則需取得聯邦航空管理局 (FAA ) 和該州的農業、商業和運輸部門的執照與認證才可進行無人機噴灑。

圖 3：已經開發出可用於噴灑肥料與殺蟲劑的大型無人機。(圖片： Photo by baranozdemir via Getty Images)

精度越細，成果越豐碩

即便在自駕曳引機問世之前，無人機及曳引機和曳引機機具的電氣化就已預期可支援精準農業並提高永續性。

根據 (農業) 設備製造商協會 (AEM) 的研究，實施精準農業可以讓作物產量增加 4%、施肥效率提高 7%、除草劑和殺蟲劑使用量減少 9%、化石燃料使用量減少 6%²。此外，通過精準灌溉，用水量可減少 4%。

這些數字都是以當前的技術為基礎計算。在新增連線系統和人工智慧 (AI) 後，這些改進有望成倍增加。添加設備維護用的機器學習 (ML) 技術，可進一步節省成本並提高永續性。

根據 AEM 的資料，如果將投入成本的節省和產量的提高都納入考量，自主農場設備預計將帶來 24% 的增量改進。此改進當中有個重要因素在於，假設自主機械會比其所取代的設備更輕，因此可減少壓實度並改善土壤條件。

AI 和 ML 對於開發針對特定任務最佳化的精密機器來說也相當重要。專用型任務機器甚至比一般用途的曳引機更小。例如，正在開發的作物揀取用小型任務機器，就需具備機器視覺、細微觸動和精確靈巧性。

雜草控制則是特定任務型 AI 和 ML 機器有望做出重大貢獻的另一個領域。雜草控制並不簡單且需耗費許多勞力，如果不能有效實施，會導致用水量增加且土壤養分耗盡。作物輪作只是解決方案的一部分，但不能消除除草劑或人工控制雜草的需求。結合機器視覺、AI 和 ML 的雜草管理機器人已經進入測試。這些小型機器還將土壤壓實程度降至最低 (圖 4)。

圖 4：結合機器視覺、AI 和 ML 的自主機器人運用範例。(圖片來源： Photo by onurdongel via Getty Images)

農場作業系統和自主設備機隊

農業產業的未來展望，是達到全自主的農場，由一套複雜的作業系統 (OS) 控制，不僅能管理混合機隊，包括自主和標準農場設備，還可管理陸上機器和無人機，以便達到最大化的生產力和永續性 (圖5)。這些農業設備機隊將協調運行，協助控制資本支出、將勞力需求降至最低，並提供必要的大數據，以促成自主執行和精準農業。此外，未來的農場作業系統將進行標準化和最佳化，以支援來自眾多供應商的各種設備。採用 ISObus 只是邁向農業自動化開源和標準化措施的第一步。

圖 5：成群和諧運作的陸上與空中自主農業機械將可帶來更高程度的永續性。(圖片來源： Illustration by Scharfsinn86 via Getty Images)

擬議的農場作業系統預計還有其他優勢，就是減少二氧化碳排放、降低燃料消耗以及達到最佳化電池充電和管理。大數據分析在未來農業中也舉足輕重。直接來自現場的大量即時數據將可用於持續訓練 AI 與 ML 演算法，以便進行決策、控制和營運規劃，達到最佳化的精準農業。

結論

農用自駕車和永續的精準農業發展仍處於早期階段。產業已經開始朝 ISObus 的運用邁進。新一代的 ISObus 將支援更高的互通性，有助於促成更複雜且互連的農業設備機隊。目標是開發一套農場作業系統，可以管理農業設備機隊，並透過 AI 和 ML 演算法，結合大量的即時感測器數據，將機隊部署成成群和諧運作的陸上與空中機器，達到高程度的永續性和生產力。

1. 擁有機器人智慧的自駕曳引機即將掌管農場 - Autoweek
2. 精準農業的環境效益量化表現 - AEM