自动电动拖拉机将人工智能带到现场- MATLAB和Simulink万博1manbetx

一款全新的全自动电动汽车已经出现在人们的视野中，但它不是在高速公路上巡航，也不是在社区中穿行。你会在野外找到这辆车，真的。这台拖拉机正在努力工作，帮助农场走向绿色，因为它将人工智能(AI)驱动的智能技术带到田地和葡萄园。

自动电动拖拉机提供了关于害虫和植物健康的见解，减少温室气体排放，并节约资源。

抵达加州利弗莫尔(Livermore)的家族企业温特葡萄园(Wente Vineyards)的拖拉机是一辆智能、联网、零排放、完全自主的车辆。就像牧羊犬一样，这款拖拉机可以听从指令，自动驾驶，不会撞到障碍物。设计和建造君主拖拉机该公司利用机器学习和人工智能分析机载摄像头和传感器的数据，并提供关于害虫、植物健康和其他对农业至关重要的问题的见解。放弃柴油可以节省资金，减少温室气体排放，而内置的智能目标喷洒，以节约资源。这种紧凑的40到70马力的拖拉机也可以作为远程电源。

农业的流动性转型早就成熟了。根据政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change)的一份报告，该行业占全球人类活动产生的温室气体排放总量的10%至12%。设计一台智能电动拖拉机需要一个敏捷的创业团队、对农业社区的深刻理解、基于模型的设计、健壮的工具和毅力。

驾驶员可选择的君主拖拉机。(图片来源:Monarch Tractor)

Monarch Tractor联合创始人兼首席执行官Praveen Penmetsa表示:“当你为工业自动化或制造业开发控制系统时，你可以控制90%到95%的变量。“在农业领域，我们控制了50%或更少。这甚至比开车还少。没有固定的地图。”

恶劣环境下的工程

Penmetsa来自印度西哥达瓦里地区的稻农世家。他对机械工程的兴趣将他带到了美国，在那里他获得了辛辛那提大学(University of Cincinnati)的MSME学位，然后在加州专攻汽车工业的电气化和自动化。2015年我回访印度时，停电了。一辆电动汽车为家里供电的画面浮现在脑海中，但彭梅特萨说，他认为这太不和谐了。拖拉机似乎更适合这种环境。

“我们最聪明的工程师，曾经致力于AI算法，现在正坐在田野中间的一个集装箱里，与一辆自动拖拉机日夜工作。”
Praveen Penmetsa, Monarch Tractor联合创始人兼首席执行官

回到加州后，Penmetsa试图将这个想法变成现实。他与自主系统专家Zachary Omohundro合作。很快，制造专家Mark Schwager和葡萄栽培专家Carlo Mondavi也加入了他们的行列。经验丰富的技术专家克里斯·惠特尼(Chris Whitney)后来成为这家初创公司的自动驾驶部门主管。尽管两位创始人都有汽车开发、人工智能、能源存储系统和农业方面的背景，但他们从未解决过类似的问题。2018年，这群人聚集在湾区，开始头脑风暴。

Penmetsa解释说，在某些方面，拖拉机的设计比汽车要复杂得多。它有一个12速变速箱和一个适用于喷雾器和分蘖机等各种农具的液压系统，而且在崎岖的地形上容易翻车。

“这些都是即使在原型级别，我们也不能想当然的东西，”Penmetsa说，并补充说原型阶段是广泛的。“我们最聪明的工程师，曾经致力于AI算法，现在正坐在田野中间的一个集装箱里，与一辆自动拖拉机日夜工作。”

一辆君主拖拉机用灌木猪旋转切割器清理植被。(图片来源:Monarch Tractor)

农业是一个特别有活力的环境，而且通常没有大量的基础设施。网络连接参差不齐，大片地区没有手机信号，甚至没有卫星信号。自给自足也延伸到了充电上。别指望在场地中间有能量。

所有这些因素决定了拖拉机的设计和发展。Penmetsa说:“我们正在进行机动性、能源、液压、机械动力等方面的研究，当你面对这些非常复杂的系统时，如果你只坚持实地测试或只是模拟测试，那就很难了。”“我们真的需要所有这些系统同步。”

基于模型的设计帮助团队做到了这一点。Penmetsa学分了为创业公司提供服务的项目可访问MATLAB^®和仿真软万博1manbetx件^®让君主牵引机在启动他们的初始车辆时获得帮助，开始用他们的发射车辆测试架构，并迅速将第一批拖拉机交付给农民。

软件的快速迭代带来了令人印象深刻的改进。例如，将车轮转动半径缩小30%是通过软件功能实现的，而不是增量拖拉机原型。

Penmetsa补充道，因为Monarch是一家只有不到100人的初创公司，所以拥有帮助业务扩大规模的工具非常重要。“我们不会选择基础设施密集型工具或占地面积大的工具。我们选择能够让我们快速开发和部署的工具。”Penmetsa说。

同步系统

Penmetsa在一次农业博览会上看到一只农场的狗有效地自己赶羊，这给了他灵感。如果一台拖拉机足够聪明能做这些工作呢?如果这种汽车也可以是电动的、可持续的，并将电力输出到动力配件呢?

同步拖拉机的所有系统——包括传感器、摄像头、照明和充电——并使它们完全自动化需要大量的控制、大量的固件和先进的软件。同样重要的是:连接能力，使拖拉机能够在短期内提供即时效益，并在长期内将数据反馈给农民。

如果一台拖拉机足够聪明，可以自动赶羊呢?如果这种汽车也可以是电动的、可持续的，并将电力输出到动力配件呢?

该团队使用MATLAB进行机器学习。每个牵引器收集的数据被发送到一个安全的云，在那里，Monarch的人工智能分析数据，得出可采取行动的见解。Penmetsa描述了一个相机图像的例子:“我们查看了所有的视觉数据，顺便说一下，这棵树有点不对劲，”他说。“你应该去看看。这是地点和时间戳图像。”他补充说，树木变色是由于缺陷，可以用某种肥料处理。

为电动汽车充电的拖拉机。(图片来源:Monarch Tractor)

在机械设计方面，Monarch团队从零开始创建了一个复杂的液压系统。借鉴飞行控制系统，他们开发了一种线控平台，以提高拖拉机的效率。“我们控制变速器、转向和刹车，就像自动驾驶汽车一样，”Penmetsa说。“该平台还可以控制汽车上没有的功能，比如汽车后部可以升降农具的三点结。”

为拖拉机选择合适的硬件是至关重要的。工程师对硬件进行A/B测试，权衡成本、可用性、性能和其他方面。他们想尝试两个电气控制单元(ecu)，一个具有更强的规格，另一个具有价格优势。

“现在，许多ECU制造商意识到，每个人都在做基于模型的设计，所以他们有Simulink的支持，”Penmetsa说。万博1manbetx万博1manbetx“他们提供所有的软件，让我们可以在他们的硬件上立即播放。我们选择的这款设备还支持空中闪烁，这样我们就可万博1manbetx以从Simulink环境一路快速切换到硬件，而不必让我们的人员跑到场地中央——尽管他们喜欢在那里。”万博1manbetx

在开发过程中，当一名工程师需要在尼日利亚远程工作几个月时，Monarch Tractor团队就依赖于这种连通性。“他仍然能够编写代码，并将其部署到拖拉机上，我们有一个人在农场测试拖拉机，”Penmetsa说。“所以，这实际上让我们能够为自己演示这项技术，并将其用于开发。”

加快农业的可持续性

我们正在进入一个可持续农业的新时代，正如Monarch Tractor的联合创始人所看到的那样。该拖拉机具有承诺减少排放和保护环境的能力。拖拉机安全喷洒的一个特点是，当遇到队列中的突然障碍时，车辆会完全停下来。当然，这就是自动驾驶汽车应该做的。但该功能与车辆平台和动力平台的集成意味着，这种情况下也会自动切断喷雾器的电源，立即关闭它。

“如果世界其他地方的农民可以用我们的拖拉机，赚更多的钱，同时更可持续地为我们提供更有营养的食物，我认为这是一个三赢的局面。”
Praveen Penmetsa, Monarch Tractor联合创始人兼首席执行官

Penmetsa指出，拖拉机防止化学品过度使用的另一种方法是通过实时可视化数据分析。例如，在果园中，当一棵树从果园中消失时，摄像系统就会识别出来，并在拖拉机移动时发出信号，在该位置关闭喷雾器。然后，当拖拉机看到另一棵树靠近时，喷雾器再次打开。

Penmetsa说:“这些综合特点为农民节省了大量的材料。”“否则，你只是在喷洒你不希望漂浮在环境中的化学物质和杀虫剂。”

给果园里的每棵树喷洒农药。(图片来源:Monarch Tractor)

农业的可持续性是一件大事，他继续说。“你可能会说，‘我为什么在乎?“你应该在意，因为你的食物来自那里。如果农药使用过度，或者我们的食物生态系统不可持续，就会影响地球的健康，影响你盘子里的食物。”

该公司的首款Pilot系列拖拉机于2021年4月在Wente葡萄园部署，比预期的要早得多。除了拥有加速设计和开发的工具，帝王拖拉机还获得了加州空气资源委员会农业农业替代措施减排(FARMER)计划的支持，这是一个由地方空气区管理的全州倡议。万博1manbetx该项目为降低温室气体排放的农业操作设备提供资金。

自从加州首次推出以来，Penmetsa接到了来自印度、法国、意大利、西班牙、挪威、英国、澳大利亚和新西兰农民的电话，表达了他们的兴趣。

他说:“如果世界其他地方的农民能买到我们的拖拉机，赚更多的钱，同时更可持续地为我们提供更有营养的食物，我认为这是一个三赢的局面。”