潮科技 |农业机器人行业应用报告

石亚琼 · 2019-01-16
中国下一次产业革命将在农业领域进行

编者按:本文是36氪“边界计划”的转载内容,来自微信公众号“唐朝机器人”,文:ChinaRobot,美编、校对 :李涵;36氪经授权转载。

潮科技 |农业机器人行业应用报告

机器人在田间“劳作”

农业,作为国民经济的支柱产业,被誉为“母亲产业”。在信息技术高速发展的背景下,农业也正处于转型期。这种转变因国而异,因州而异,因地区而异,也因耕作方式而异。世界各地的农业技术都在经历变革,但总的趋势是采用精准农业以及机器人等先进技术。在自动化发展的浪潮中,农业的自动化、智能化趋势无法阻挡。

机器人在农业领域的应用机遇

农业劳动生产率亟待提高

20世纪以来,全世界范围内农业劳动生产率提升了150%,但却呈现出国家、地区的不平衡。据相关数据表明,中国农业劳动生产率约为世界平均值的47%,约为高收入国家平均值的2%,约为美国和日本的1%。专家预测,中国下一次产业革命将在农业领域进行,也就是说从2020年起未来30年将是大农业的天下。而这次产业革命的显著特点之一就是以高科技为支撑。

根据十二五规划和政府提出的目标,2020年,农业机械化水平将提高70%,2030年将提高82%。如果这种情况发生,农业将成为中国机械行业增长第二快的行业,仅次于工业机器人。

劳动力短缺

世界各地的农民都在老龄化,愿意在农场工作的人越来越少。仅在日本,农民数量就从2004年的220万下降到2014年的170万。到2016年,日本农民的平均年龄为67岁。同时,对于新一代的年轻人而言,务农并不是一种有吸引力的职业,这加剧了农民的短缺。

在美国,美国劳工统计局(Bureau of Labor Statistics)报告称,2012年有74.94万名农业工人,比2011年下降了3%(2.5万人)。美国总统特朗普修建边境围墙的计划,正在影响来自墨西哥的季节性农场工人。劳动力短缺每年使农作物产量减少约31亿美元。

在所谓的“脱欧”之后,随着东欧移民工人离开或避开英国,机器人正代替人来进行农业劳作。

粮食需求急剧增长

农业是我们最重要的产业之一。它提供我们生存所必需的食物、饲料和燃料。到2050年,全球人口预计将达到90亿,农业生产必须翻一番才能满足需求。由于耕地有限,生产力必须提高25%才能帮助实现这一目标。生产力的提高必须依赖于高科技应用。

机器人核心技术的进步

专门的传感器,包括机器视觉、全球定位系统(GPS)实时动态测量技术(RTK)、基于激光的设备和惯性设备、致动器(液压缸、直线电机和旋转电机)和电子设备(嵌入式计算机、工业PC和PLC)使农业机器人能够集成,这些自动/半自动系统为机器人提供了精确的定位和导航,如果配备适当的工具(农业工具或器具),它们能够精准的执行农业任务。

市场潜力巨大

农业机器人市场预计将从2016年的27.5亿美元增长到2022年的128亿美元。对农业效率和生产力的日益关注预计将推动农业机器人市场的增长。

许多研究人员认为,到2022年,农业机器人市场的复合年增长率应该会超过20%。最终,它的市值将达到130亿美元。

除了全球人口增长、劳动力成本以及技术进步等原因之外,水资源总量下降和成本上升、有限的可耕种的面积等共同促进了机器人技术的研发和应用。

各国的农业机器人政策

中国

2018年,一个为期7年的农业机器人试点项目在中国江苏省启动,试点项目希望通过机器人来取代农户的工作,该项目主要应用了无人拖拉机、无人农药喷洒机、无人水稻插秧机等,而这些技术都是尚未在中国普及的。

据《彭博社》报道,这一项目可以让中国数百万个低产的、有污染的农场实现现代化。

美国

2018年,美国农业部(USDA)国家食品和农业研究所(NIFA)宣布通过国家机器人联合计划(NRI-2.0)支持在农业领域研发和使用协作机器人。NIFA的使命是投资和推进农业研究、教育和推广,以解决社会挑战。

法国

法国是世界上最大的农业生产国之一,通过其国家农业和研究机构IRSTEA,已于2017年11月宣布创建加速器项目“RobAgri”,它的目标是“强化未来机器人的概念、验证和传播”。 

RobAgri是世界上最大的关于这一主题的政府项目之一,它召集了近50个公共和私人利益相关者,以推动一个充满活力的集体构想出适合农民和市场需求的机器人系统。

除了工作组之外,RobAgri还与Naio Technologies合作,组织每年一次的农业机器人大会。

英国

英国政府于 2013 年 7 月发布了一份《农业技术战略》政策报告,旨在解决英国农业科技成果 转化的瓶颈问题,以提高英国农业产业竞争力。同时,政府还投入7000万英镑建立农业技术 孵化中心,支持接近市场的农业创新“概念验证” 的发展和研究成果向市场转化。

日本

2016年,日本政府宣布投资3700万美元开发20种协助农民工作自动化的机器人。

农业机器人应用领域及种类

农业机器人可以应用到农业生产过程的方方面面。按照机器人作业空间划分,可分为农业室内机器人和农业室外机器人,室内机器人主要应用在温室以及大棚等场景中,主要包括室内收获机器人和温室自动化控制系统;室外机器人可应用到大型农田、牧场等环境中,主要包括无人机、收获和牵引车、苗圃作业机器人、喷洒和除草机器人、水果采摘机器人等。

按照农业生产流程,可分为播种、种植、采摘、除草以及施药机器人。按照农业管理类别可分为收获、采集管理机器人、田间(野外)制图机器人、奶牛场管理机器人、土壤管理机器人、灌溉管理机器人、修剪管理机器人、天气追踪及预报管理平台、库存管理平台等。

除此之外,还包括一系列农林产品包装、农业物流等农业自动化软硬件平台。

世界代表性农业机器人创业公司

1、 无人机、航空摄图设备

无人机是农民采用的首批机器人应用程序之一,它可以帮助农民节省大量时间和劳动力,而无需外出查看作物。这些无人机配备了多光谱和照相机,可监测作物的潜在威胁、植物的生长和预测产量,更先进的无人机能够携带和运送有效载荷,如除草剂,肥料和水。

大疆(中国)

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大疆在农业领域的布局从农作物监测、农业咨询、灌溉管理到喷洒设备都有涉及。其精灵系列无人机可分别完成苗圃、温室农作物实时监测,获取重要的农作物信息等任务。

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经纬M600可为农业研究提供大量精确的环境和植被数据,帮助农学家解决包括增加产量,提高食物安全性,管控农业生产对环境的影响以及作物处理等问题。

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M-200无人机可为用户管精准呈现水量信息,帮助他们进一步优化灌溉策略

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MG-1S农业植保机集成大疆最新技术,全新的 A3 飞控和雷达感知系统为飞行可靠性保驾护航,水泵喷洒系统和流量传感器让植保作业更精准,配合全新 MG智能规划作业系统和大疆农业管理平台,可实现作业规划、飞行实时管理和工作统计。

Aerobotics(南非)

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位于南非的Aerobotics使用常规卫星图像和无人机飞行来监测作物,并警告用户果园中潜在的风险,可准确的统计包括树木健康状况,树木数量,树木尺寸和树冠面积等数据。2018年8月,Aerobotics获得了由南非最大银行旗下风投Nedbank CIB风险投资领投的200万美元A轮融资。

American Robotics(美国)

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American Robotics公司是美国一家专注于农业自动化的无人机开发公司。一旦安装即可按照预先设定的时间按需飞行,自动处理和上传搜集到的数据到云端,使用团队专利算法,智能和有效地监测农田和识别作物各项指数。提供多种植被指数、数据类型和作物分析,及早发现和纠正植物胁迫。

Cainthus(美国)

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来自美国的Cainthus 公司在每个谷仓大约安装20个摄像头,平台可对牧群进行全面的分析和可视化的数据采集,在短短几秒钟内,其成像技术就可以识别和记忆单个奶牛的独特特征,如它们的皮毛图案、耳标和面部特征。每只动物都安装有传感器,该公司的技术每秒捕捉10张图像,每只动物每天总共捕捉864k个数据点,根据这些数据点绘制出每个奶牛一天的“姿态”变化,农户也可以依据这些可视化数据来跟踪奶牛乃至整个农场的生产力。

Hummingbird Technologies(英国)

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Hummingbird Technologies是一家人工智能公司,利用卫星、无人机、飞机和机器人技术的图像和数据分析,以及专有算法,为农民提供农作物在关键决策节点的高分辨率地图。蜂鸟采用最先进的机器学习和计算机视觉技术,直接向农户提供田间作物健康方面的可操作建议。

TellusLabs(美国)

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2018年底,Indigo Agriculture收购了TellusLabs,称该公司为“世界粮食供应状态的活地图”。TellusLabs建立了自己的卫星图像分析平台,最初的目的是向大宗商品交易商、政府和保险公司等非农业客户销售数据。公司依靠各种中分辨率和粗分辨率卫星,使用机器学习算法,通过实时跟踪农场管理决策和农艺参数(包括农田边界、作物类型、种植和收获日期以及作物的总体表现)来预测全球作物产量。

根据IDTechEx的数据,无人机行业在2026年将达到4.8亿美元。无人机的主要功能是构建农场的详细航拍地图。IDTech的数据显示,无人机可以装载多光谱传感器,测量植物健康、产量、水分压力水平和缺氮等关键指标。这是精准农业的一部分。

2、喷洒和除草机器人

这些公司利用杂草图像数据库训练他们的机器人探测和清除杂草,或者直接在杂草本身而不是植物上施用杀虫剂。随着越来越多的杂草对杀虫剂产生抗药性,使用除草机器人将为农民节约大量的成本,也对环境产生巨大的促进作用。

Blue River Technology(美国)

Blue River利用机器视觉和机器学习技术开发植物/杂草定位机器人,并可根据情况对每颗识别的植物进行管理(依情况“决定”是否喷药)。公司曾荣获美国农业与生物工程师学会最具创新的50家农业公司,并被Inc.Magazine评为2017年25家最具颠覆性的公司。2017年,Blue River被全球最大农业机械制造商约翰迪尔公司以3.05亿美元收购。

EcoRobotix(瑞士)

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机器人搭载的太阳能面板,可提供12小时太阳能动力而无需充电。EcoRobotix可实现自动工作,无需人工操作,在机器人前端的摄像头发现杂草后,可准确对杂草定位并喷洒除草剂,使用的除草剂比传统机器少20倍。EcoRobotix也因此获得2018年环境经济奖。

FarmWise(美国)

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FarmWise为蔬菜农场开发了一种除草机器人,它利用计算机视觉识别杂草,并利用机器人在不使用除草剂的情况下清除杂草。

Ibex Automation(英国)

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Ibex自动化有限公司为农民开发了自主农业机器人系统,包括用于草原的自主精确杂草检测和喷洒系统。

3、自动驾驶和自动导航系统

使用自动驾驶和自动导航系统,农民们现在可以让他们的拖拉机和其他农业设备在农田里自动运行。这些设备有很高的精度,可自动适应丘陵地形。

Augmenta(希腊)

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Augmenta是由希腊创业公司研发的一款可配备于拖拉机的即插即用设备,允许农民基于摄像机进行作物分析和自动施肥控制。

Trimble(美国)

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提供配备自动导航和驾驶系统的高精度车辆。可应用于喷洒农药、精确灌溉,排水和土地平整,为农户增加收成和进行产量监测。

Autonomous Solutions, Inc.(美国)

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Autonomous Solutions, Inc.研发的一款无人驾驶拖拉机可应用于果园、葡萄园,每一辆无人驾驶农用车都配备了一系列硬件和软件组件,允许用户在手动控制和机器人控制之间进行切换。这些部件与现有的有线、机械或液压控制系统一起工作,并将车辆连接到中央指挥站,从而允许单个操作员管理多辆无人驾驶卡车。

目前,大多数该领域的机器人仍处于研究或半商业化的试验阶段。据预计,2026年以后,配备制导技术的拖拉机将以每年66万辆的速度增长。这些拖拉机使用RTK GPS技术自动跟踪预定的路径,具有厘米级的精度。

4、水果采摘机器人

目前,在美国加州等地以机器人收割为主的农作物包括草莓、黄瓜和苹果等水果。仅2016年一年,美国就有超过700万吨的苹果是人工采摘的,工资的上涨和劳动力的短缺使得果园经营者面临巨大挑战。这些结合图像处理和机械臂的机器人为农户提高收入、节约成本带来了希望。

Abundant Robotics(美国)

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Abundant Robotics是美国一家前沿的农业机器人公司。在硬件方面,该公司的机器人已经解决了控制或处理易碎水果的挑战,它们使用真空而不是爪子或类似机械爪等工具从树枝上拉苹果。Abundant Robotics 已于2017年获得由Google Adventure领投的1000万美元投资。其产品也计划于近期商业化并推向市场。

Agrobot(西班牙)

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Agrobot可由一人单独操作。Agrobot在轮子及机械臂等处都配备了公司自主研发的传感器。基于摄像头的视觉系统可以对每个草莓进行单独分析,检查其形状和颜色,在发现成熟的浆果时,“指导”机械臂进行精确的切割动作,再把把水果放通向包装区的传送带上。操作人员可以直接选择水果并将其包装。

FFrobotics(以色列)

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FFrobotics专利的多水果采摘解决方案结合了精确而简单的机器人控制,快速和准确的图像处理,以及先进的算法技术,可采摘和区分可用的农产品和损坏、患病以及未成熟的果实。

Four Growers(美国)

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由两位匹兹堡大学毕业生创办的Four Growers, 主要开发温室农场的自动收获和分析系统。到目前为止,该公司已经为机器人开发了其独特的视觉系统以及人工智能算法,团队正在完善番茄采摘机器人原型,并将在温室进行测试。团队目前已获准进入世界最优秀的加速器Y Combinator,Y Combinator以12万美元获得了该公司7%的股权。

博田自动化(中国)

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博田的果蔬采摘机器人是利用多传感器融合技术,对采摘对象进行信息获取、成熟度判别、并确定收获目标的三维空间信息及视觉标定,引导机械手与末端执行器完成抓取、切割、回收任务的高度协同自动化系统。除了果蔬采摘机器人,博田还提供地面+天空的整套农业自动化解决方案。

5、其他农业机器人及自动化系统

除了上述两大类机器人外,还有应用于大型牧场和家庭农田以及室内环境的农业自动化解决方案

Swag Bot(澳大利亚)

主要应用于大型牧场的Swag Bot, 能够独立监视牛(可能还有羊),能够轻松地在崎岖不平的地形上行驶,帮助引导奶牛前往牧场,远离潜在的危险。

Harvest Automation(美国)

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Harvest Automation由iRobot前员工于2009年创建,其旗舰产品HV-100用于在非结构化的户外环境中执行物料处理任务,例如商业种植操作环境。HV-100适用于温室和苗圃环境,位置精度高,可处理最常见大小的容器,快速更换可充电电池,不需要进行编程,可完全自主的在室内和室外移动。Harvest Automation也曾于2012年开始研发仓储机器人,但由于缺乏在仓储方面的经验和相应的资源支持,其仓储机器人产品宣告失败。2016年,Harvest Automation的仓储机器人及其相关专利都被卖给NextShift Robotics。如今,Harvest Automation仍专注于农业机器人研发与制造。

FarmBot(美国)

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FarmBot是一个开源的精准农业种植平台,包括一个笛卡尔坐标机器人种植机械臂,软件和农业数据储存平台。FarmBot 平台可在2.9米*1.4米的农田内种植包括土豆、豌豆、南瓜等30多种蔬菜,可进行播种、浇水、收割等多种操作。

CIBO(美国)

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CIBO是一家美国农业软件创业公司,公司基于软件平台对世界各地复杂的农业生态系统进行建模和模拟,为客户提高吞吐量、优化生产、提高资本效率、减少浪费和提高可持续性: 可实时跟踪作物需求,建立作物对病虫害反应的科学模型、对新农产品目标市场进行评估、协助用户采购高质量的原材料、进行虚拟田间试验以及识别和管理供应链风险。CIBO被福布斯评为“2018年最具创新力的25家农业科技创业公司”。

SproutsIO(美国)

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SproutsIO是一家位于美国麻省剑桥市的创业公司,专门研发室内种植设备。该公司研发出一款类似台灯的设备,可种植生菜、西红柿和茄子等植物。该设备的灯是专门设计来适应各种植物的整个生命周期的。设备上的摄像头和环境传感器可全天候监测植物生长状态。在水池的内部,有一个电子系统循环水和营养物质,同时传感器监测关键环境因素,如水位和温度。

恩茁智能(中国)

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东莞恩茁智能创立于2016年,是一家致力于开发各种农林业自动化设备与配套技术的高科技公司。经过两年的研发、生产、客户反馈及改进,现有一款适用于蔬菜、花卉、苗木且具备自动灌装、热封、切断等多功能为一体的AGI纸钵机(又名轻基质育苗容器灌装机)系列成熟产品,以及组培灌装机GZJ系列产品。灌装机灌装速度可达每小时7000瓶。

当下,我们仍处于农业机器人革命的早期阶段,大多数产品仍处于早期试验阶段和研发模式,这也意味着,农业领域蕴藏着巨大的市场机会等待机器人从业者去开拓。

(文中图片摘自各机器人公司网站,版权归其所有。如有版权疑问,请联系唐朝机器人。) 

参考文献

https://www.postscapes.com/agriculture-robots/#autosteering

https://www.automation.com/automation-news/article/robots-and-drones-addressing-agricultures-long-term-structural-challenges

https://www.businessinsider.com/china-farming-jobs-risk-rise-automated-agriculture-2018-8;

https://www.businesswire.com/news/home/20181012005211/en/Global-Agricultural-Robots-Market-2018-2023-Set-Expand

https://www.therobotreport.com/are-ag-robots-ready-27-companies-profiled/

https://www.disruptordaily.com/10-companies-using-robotics-disrupt-agriculture-industry/

https://www.prnewswire.com/news-releases/agricultural-robots-market-report-2017---expected-to-reach-271-billion-by-2023---research-and-markets-300454126.html

https://www.bls.gov/ooh/farming-fishing-and-forestry/agricultural-workers.htm。

https://www.bls.gov/opub/mlr/2014/article/agriculture-occupational-employment-and-wages.htm。

https://www.robotshop.com/community/blog/show/is-the-future-of-agriculture-in-robotics

https://www.roboticsbusinessreview.com/unmanned/agriculture-robots-four-global-trends-watch/

https://www.proagri.co.za/en/robotics-agriculture-future-farming/

https://www.robotics.org/blog-article.cfm/Robotics-in-Agriculture-Types-and-Applications/74

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