2017年7月5日

我们可以走多远?北海道农业机器人研究前沿的报告。

在65岁以上的劳动人口中,65%的人口平均年龄为66.8岁,日本农业对劳动力有着迫切的需求。其劳动力主要由老年化的职业农民组成,因此面临人力资源短缺的挑战。为了解决这一问题,全国正在进行“农业机器人”的研究。

农林水产省已经设定了2018年之前实现农田自主驾驶系统和2020年之前实现无人远程监控系统商业化的目标。未来已经不再遥远。那么,农业机器人研究前沿的进展情况如何?

北海道大学研究生院农学研究所的野口伸教授带领我们参观了验证试验现场。我们向野口教授询问了他关于机器人技术推动农业未来发展的观点。

野口伸(Shin Noguchi)
野口教授于1961年出生于北海道的三笠市。他是北海道大学研究生院农学研究所的教授,专门从事农业信息技术和农业机器人工程的研究工作。他还担任跨部门战略创新推进计划(SIP)“下一代农林水产业创新技术”的项目主任,“日本科学理事会”合作委员,“日本农业、生物和环境工程师及科学家学会”的董事会主席。

请在北海道大学见证农业机器人的未来!

北海道大学广阔的校园约有三分之一被两个农场所占据。此次,我们参观了占地约35公顷的“1号农场”。野口向我们展示了野口研究实验室正在推广的三项“农业无人机器人技术”。我们将从“多机器人(协作式机器人)”的演示开始。

采用小型拖拉机耕作的大农场
全球第一台“协作式机器人拖拉机”

四台机器人拖拉机在田野中待命。操作员是一名手持平板电脑的研究生。点击屏幕上的“开始”按钮,拖拉机逐一开始移动。不久,四台拖拉机开始耕田,同时保持均匀的距离。当然,所有的机器人拖拉机都是无人驾驶的。拖拉机配有高精度GPS接收装置,可以在5 cm范围内精确地执行不同的预编程任务。多台机器通过“协作”了解其他机器的进度和距离,无缝执行联合作业流程。

这些机械以这种方式展现了全球首创的,以协作形式联合作业的无人驾驶机器人拖拉机技术。除了无人操控作业的程序,每台机器人均配有协作通信系统。理论上说,可以联合协作任何数量的机器。

尽管无人在今天的展示中驾驶拖拉机,但通常会有一名操作员乘坐其中一台拖拉机,监控每台拖拉机的工作,并在需要时操作拖拉机。最困难的技术是让它们转向而不发生碰撞。在现阶段,当其判断难以无缝转向时,则必须停下并按顺序转向。而这将导致停工。事实上,我们目前关注的问题之一是如何减少这种停工现象。

无人操控往返!
最先进的“自主导引”同样具有很大的夜间作业潜力

注:以倍速进行播放

接着,我们观看了机器人拖拉机的演示。这些机器人拖拉机已被编程,从农业大棚到田间进行无人自主式作业。尽管针对农田作业进行优化的农业机器人尚处于商业化阶段,因为这项研究的初衷在于节省劳力,但主旨仍然是充分了解该领域以外的自动化。而要达到这一目的,仍有一些非技术性问题需要解决。然而,正如您所看到的那样,这项技术本身已经相当精确了!

它们到田里去作业,然后重新返回来。到目前为止,目前全球尚无制造商销售能够自主、自动行走的机器人拖拉机。由于这些机器人拖拉机在需要夜间作业的农业季节非常有用,所以农民们对此很感兴趣。除了正在开发的协作领域的自动化之外,我们还致力于在各个领域实现移动自动化。可以说,这也是未来农业的一种形式。

配有前/后/左/右障碍物检测传感器。安全系统的开发已经取得进展,例如可以发出警报、放慢速度,以及在指定距离内检测到障碍物时停止前进等。然而,要将这些付诸实践,还存在许多障碍,如通过弯曲的农场道路和解决交通法涉及的问题等。

“无人机”可将作物生长条件转化为数据
从空中提高农业生产力

无人飞机现在已经家喻户晓。它们同样也被应用到农业领域。除了用于农药喷洒外(以前由农用直升机进行喷洒),还将其重点用于获取空中图像数据。在野口的研究实验室,摄像头和“骑手”测量组件被安装到无人机上。在这里,研究人员正在收集图像和高度数据并将其转换为3D图像以确定作物的生长条件。无人机的飞行高度可达100米以上,可在田野上空沿着非常精确的飞行路线来回飞行。

无人机可以完全自动飞行,飞行速度、高度以及飞行路线取决于无人机中预先设定的程序。手动操作无人机会使其变得不稳定。当然,无人机依赖于飞行条件并受到风的影响。然而,它们能够按照高度精确的设定飞行路线飞行,因此比手动操作具有明显的优势。

随着职业用户的老龄化和数量的减少,采用无人机技术可以解决转向大规模农业和监测更大面积的问题。

“自动灭虫船”可以精确地自动喷洒农药
同样适用于大型稻田

陆地,天空,接下来是水上。在野口实验室,研究人员正在进行实验,通过无线电遥控操作农药和除草剂自动喷洒船。程控导航路线设置在这些通常需要手动操作的无线电遥控喷洒船上。同样,这项研究旨在通过机器人作业达到节省劳力目的。尽管这项研究才刚刚起步,但市场情景似乎非常乐观。

目前用于防治虫害的无线电遥控船主要用于大型稻田。为了避免出现问题,例如碰撞混凝土堤等,操作人员必须步行跟随遥控船进行操纵。

因此,尽管遥控船可以更快地行驶,但必须按照人的步速前进。如果遥控船可以无人驾驶和自主航行,则可以充分发挥船的速度。因此,这样可以让农民在执行其他任务(如剪草等)的同时,从堤岸照看船只。自主化和自动化有助于发挥技术所具有的全部优势,尽管有时需要人类的协作。

技术已经发展到何种程度?“当前的”农业机器人技术

陆地/天空/水上农业机器人。虽然这些工作仍正在进行之中,但人们可以真切感觉到农业机器人对未来的影响。自野口教授开始研究农业机器人起,已经过去了25个年头。如今,农业机器人的研究到底进展到什么程度?为了说明目前的情况,我们向野口教授询问他对未来的预测。

— 尽管我们之前问过您同样的问题,但我们还是想知道,在理想的状况下,农业机器人的研究已经进展到何种程度?

目前,我们的农业机器人仍然只能执行简单的任务。因此,下一步我们将使用人工智能,将农业机器人本身转变为智能机器人。例如,便于最佳施肥和定点杀虫剂喷洒的系统,运用在此展示的无人机来解读作物的生长数据。可以使用IoT(物联网),将这些机器人收集的数据与地球观测卫星获得的天气数据作进一步的组合,从而实现机器人的智能化。最终,农民自己积累的专业知识将被转移到机器人上。我认为这是一副未来的景象。

— 确实如此。机器人将会变得更加聪明。智能机器人的研发活动是否正在推广?

当然。使用机器人技术和大数据的IoT具有很强的亲和力。机器人通过收集信息,可以在根据累积数据进行工作的同时得到改进。也就是说,由于每年只能执行一至两项耕作任务,所以将所有的技术知识转化为大数据需要很长的时间。为了在短时期内将人工智能应用于实际,有必要将大幅压缩的信息转化为编码知识,以达到控制最佳任务的目的。

此外,将多种功能整合到机器人农业设备则是我们面临的另一个挑战。另一个设想是在用于耕地、种植和种子施肥的拖拉机的原始功能中增加收获和搬运重物的功能。我们还可以将当前的机器人拖拉机作为支脚,将数据链接的附件变为机械手,并使其具有智能化的灵活性。例如,人工智能还可以使用类似无人机的技术,通过影像识别作物的状态,从而可以非常有效地同步执行筛选和指定的任务。

— 农业机器人将变得更加聪明,它们可以自行收集农作物的数据,并在解读数据的同时加快完成任务。一旦智能农业的未来变为寻常之事,农业将会如何改变?

随着传感和数据分析技术的发展,人们将有可能精确地确定田间耕作状态的差异,并可检测人类肉眼无法观察到的害虫迹象。因此,人均生产率和单位面积产量将会增加,同时还可以节省肥料等物质的投入,使农业生产更加高效。通过缓解劳动力短缺并通过数据传承技术熟练的农民的智慧,机器人技术对建立农业的可持续发展和抑制粮食自给率下降将作出重大的贡献。

目前,我们正在考虑与北海道内的自治区进行合作,建立无人农业的验证试验基地。我们可以在封闭的空间,自由进行田间移动和远程监控机器人的验证试验。通过不同行业(如农业设备制造商,当然还有车辆制造商等)的参与,在不受限制的条件下进行尽可能多的试验,将会加快开发的速度。

目前在日本参与这项研究的我们,同样将其视为一个非常重要的机会。由于所有国家的农业工人的数量正在不断减少,因此经营更大规模的农场是农民未来的发展趋势。然而,如果我们仅仅是增加拖拉机的规模,那么农业生产将会变得异常昂贵,因为农民将不得不更换其所有的作业机械。由于安全方面的问题,大型拖拉机难以转换为无人操作的机械。此外,土壤也将无法支撑体型过大的拖拉机。因此,现实的选择是将小型拖拉机转换为无人操作机械,并采用协同作业技术。未来,也可能出现向海外大规模农业综合企业模式的重大转变,届时,日本的小型机器人技术将会横扫全球市场。

采用远程监控的无人作业,由多台机器人拖拉机协同完成的作业,以及智能机器人的作业优化……我们在北海道大学看到的农业机器人的确让我们感觉到,机器人的农耕时代即将来临。闻听未来的前景令人非常兴奋。

由于劳动力短缺以及进入该行业的年轻人数量的减少,农业机器人是否能在面临巨大挑战的行业,通过振兴日本的农业和提高国际竞争力赢得“救世主”的称号?

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