農作物種植是一個需要精準操作的行業，而農業的長期趨勢是朝著機械化方向發展。Directed Machines公司的土地護理機器人（Land Care Robot），基于Raspberry Pi4和RP2040構建，是解放稀缺人力資本的一種經濟高效方式。

隨著全球人口的穩步增長，優化農業生產力和土地利用以種植足夠的食物成為一個越來越緊迫的問題。農作物種植不僅要求精準，而且農民還不斷面臨壓力，要在有限的土地上提高產量以滿足對食物的需求，同時保持成本競爭力，以維持與主要客戶——超市之間的合作關系。最大限度地減少農藥和化肥的使用對于保持利潤和防止土壤退化至關重要，而播種和收割作物的勞動力卻越來越短缺。雖然可以通過從其他州或國家引進臨時工來緩解季節性勞動力短缺問題，但更大的趨勢是農業機械化和工業化的增加。

Directed Machines是日益增長的農業機器人領域中的一個雖小但重要的參與者，為各種垂直市場開發并銷售土地護理機器人（LCRs）。Raspberry Pi是公司成功設計中的一個關鍵部分。

挑戰

在擁有21年軟件開發成功經驗的喬治·克里斯安塔科普洛斯（George Chrysanthakopoulos）渴望利用他對機器人技術的深入了解進行創業。在加入VMware并成為研究員之前，他曾是微軟一個大型、秘密的消費者機器人項目的技術負責人。在退出行業后，他開始設計太陽能驅動的機器人，以幫助應對每年的降雪。與鄰近的小型農民交談后，喬治很快意識到機器人在農業中有無數的潛在用途，而且市場上對能夠幫助解決農藥和植物管理問題的低成本機械化助手有著巨大的需求。小農場的利潤空間尤其狹窄，農民需要他們的機器人能夠執行多項任務，并能夠在現場進行維修，這意味著必須采用易于獲得的部件和相當簡單但堅固的硬件。盡管如此，市場對相對低成本、重型、太陽能驅動的自主機器似乎仍有需求。

機器人在整個生長季節中可以有多種用途——整地、施肥和噴灑農藥、播種、除草、將幼苗從一地運往另一地準備種植，以及收割作物。為了證明機器人的成本合理，并真正成為難以找到的季節性人力的替代品，這些任務中的每一項都需要精確執行。在農業行業中，維修權是一個大問題，因此對于復雜機械的維護和保養有重要的考慮。

解決方案

克里斯安塔科普洛斯著手開發一種模塊化機器人，可用于各種農業任務。Directed Machines品牌的首款產品——激光引導的自主除草機器人——的原型機在2018年初進行了田間試驗，隨后推出了功能更強大的基于Raspberry Pi的土地護理機器人——Directed Machines模塊化產品的基礎單元。

除了Raspberry Pi4之外，土地護理機器人還使用了一塊帶有Raspberry Pi旗艦微控制器RP2040的板，以及Adafruit IMU作為傳感器協處理器，以支持自主導航。第二塊RP2040微控制器板作為低功耗電子協處理器，監測和調節太陽能充電。

為何選擇 Raspberry Pi ？

土地護理機器人采用Raspberry Pi構建，主要出于成本考慮以及硬件的可靠性和可用性。公司認為，由于Raspberry Pi擁有龐大的用戶基礎和活躍的社區，因此在Raspberry Pi單元中發現錯誤的可能性極小。這對于可能位于偏遠地區且需要客戶自行更新或更換的機器來說至關重要。“如果你能在Raspberry Pi上實現，那么這樣做有巨大的優勢，”Directed Machines的聯合創始人兼首席運營官丹·艾布拉姆森（Dan Abramson）表示，“你已經售出了數百萬臺設備，出現錯誤的可能性真的非常低。”他還提到了“Raspberry Pi生態系統的豐富性”以及相對較低的能耗要求。“因此，如果你能在Raspberry Pi上實現，那么有充分的理由選擇它。”

艾布拉姆森補充說：“Raspberry Pi與我們的第一原則、算法架構哲學非常契合。我們不是通過蠻力計算能力來解決工程問題，而是利用問題內部的結構來降低與這些問題相關的計算要求……Raspberry Pi是一個很好的工具，一個很好的合作伙伴，用于執行我們需要執行的計算。”

“使用Raspberry Pi生態系統的成本效益比，”艾布拉姆森說，“是無與倫比的。”

結果

Directed Machines過去兩年一直在北美市場以有限的方式銷售，這意味著進行了大量前期研究，以確保土地護理機器人能夠適合每個客戶的需求。開發過程完全在公司內部進行，僅用了兩年時間就完成了機械開發、電氣開發和所有軟件開發。過去兩年中，Directed Machines一直在市場上銷售并部署土地護理機器人平臺，“在各種有趣的使用案例和垂直領域中，”艾布拉姆森說，“它是一款自主機器人，你可以在我們的機器人上安裝不同的工具，使其能夠執行不同的任務。你可以給機器人安裝一個割草機，讓它割草；你可以安裝一個除雪機，讓它鏟雪；你還可以安裝一個拖車，讓它拉你想拉的任何東西。”

“我們的客戶包括高爾夫球場、太陽能發電廠、農村地產和需要拖運大量盆栽植物的苗圃。LCR可以在各種地形環境中部署，從我們需要執行任務的非常平坦的地方，到我們在南加州的一個俯瞰太平洋、地形坡度達55度的地點。”

除了能夠應對極具挑戰性的地形外，土地護理機器人還具備完全自主的能力，能夠無需用戶干預地完成多項任務。“我們一直在為我們所做的添加新功能，并繼續提高我們工程的魯棒性，以及試驗新的傳感器。我們越來越多地使用Raspberry Pi生態系統中找到的傳感器。”

布里特·弗萊徹（Britt Fletcher）是華盛頓州“叛軍灣藍莓農場”（Mutiny Bay Blues）的擁有者，該農場是一家遵循可持續原則的有機藍莓農場，同時他也是“定向機械”（Directed Machines）的投資者。“定向機械”兩年前找到了弗萊徹，希望將“叛軍灣”作為測試其太陽能機器人機器的試驗場。“土地護理機器人”（Land Care Robot）能夠在不使用汽油的情況下，對結構化的成排環境以及許多開放區域進行除草，同時解放出一個農場工人去處理更困難的任務，這讓我很容易就決定加入，”他說。在高風險的結構化環境中工作可能是一個特別的挑戰，但土地護理機器人根據反饋進行更新以提高精度，這意味著“叛軍灣”現在擁有一臺弗萊徹信任的無監督工作機器：“成本大約是原來的四分之三，更重要的是，它解放了日益稀缺的人力資本。”

2021年，Blueweave Consulting估計智能農業市場的價值約為115億美元，并預測到2028年這一數字將幾乎翻一番，達到243億美元，原因是精準農業的需求是推動這一增長的關鍵因素。達倫·里奇恩斯（Daren Richins）在猶他州經營著一家創業型農場企業。他認為農業的發展方向“相當明顯”，勞動力短缺和資本支出增加給農民帶來了沉重打擊。“我認為解決這些挑戰的答案在于機器人技術和科技。自從我有機會使用我的土地護理機器人以來，我已經能夠窺見一個不太遙遠的現實，這個現實非常依賴這種技術來滿足我們今天在農業中面臨的挑戰。‘定向機械’一直是應對這一挑戰的絕佳伙伴。”

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