PORTFOLIO

In der schweizerischen Landwirtschaft gilt der Ampfer (Blacken, Rumex obtusifolius) auf Grünlandbetrieben als das wichtigste Unkraut. Durch gehäuftes Auftreten verdrängt er als Platzräuber hochwertiges Grundfutter für das Rindvieh und verursacht so grosse wirtschaftliche Verluste. Mit dem sensorgeführten Unkrautbehandlungssystem "SmartWeeder" soll eine wirtschaftlichere und ökologischere Ampferbekämpfung bereitgestellt werden. Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung und prototypische Realisierung eines sensorgeführten modularen Unkrautbehandlungssystems, das die chemische Behandlungsmethode gezielt auf Einzelpflanzen anwendet. Es besteht aus einem Versuchsfahrzeug mit optischem Messsystem - ein Laser-Kamerasystem, das mittels Lichtschnittverfahren dreidimensionale Bilder der Wiesenoberfläche generiert - zur Detektion der Pflanze und einem daran montierten Spritzbalken für die gezielte Vernichtung der detektierten Ampferpflanzen. Parallel dazu wird ein thermisches Behandlungsmodul entwickelt, welches an einem eigenen, manuell bedienbaren Versuchsfahrzeug demonstriert werden kann.
Das sensorgeführte Unkrautbehandlungssystem soll eine wirtschaftlichere und ökologischere Ampferbekämpfung bewirken. Während die Systemlösung mit chemischer Bekämpfung in der integrierten Landwirtschaft Anwendung findet, adressiert die physikalische Bekämpfungsmethode Anwendungsfelder in der Biolandwirtschaft.
Der zu realisierende Prototyp soll die Machbarkeit und Wirksamkeit einer automatisierten einzelstockweisen Ampferbekämpfung aufzeigen. Dadurch wird eine Grundlage für die allgemeine sensorgeführte Unkrautbehandlung geschaffen. Dies soll die Entstehung von "intelligenten" Unkrautbehandlungssystemen und ein Technologieschub im "Precision Farming" bewirken. Ausserdem soll damit die schweizerische Position in der Agrartechnologie gestärkt werden.

In der schweizerischen Landwirtschaft gilt der Ampfer auf Grünlandbetrieben als das wichtigste Unkraut. Durch gehäuftes Auftreten verunmöglicht er als Platzräuber die Produktion von hochwertigem Grundfutter für die Raufutterverzehrer und verursacht grosse wirtschaftliche Verluste.
Mit der Unterstützung dieses Projekts ermöglicht die Gebert Rüf Stiftung die Entwicklung einer Alternative zur heute angewandten chemischen Flächenbehandlung, der manuellen Einzelstockbehandlung oder des körperlich anstrengenden und zeitintensiven mechanischen Ausstechens mit einem "Ampfereisen". Zudem wird der noch wenig verbreitete Ansatz gefördert, mit mechatronischen Systemen landwirtschaftliche Prozesse wirtschaftlich und ökologisch zu optimieren.

Der Prototyp "SmartWeeder" erkennt und bekämpft unter Feldbedingungen einzelpflanzenweise Ampferpflanzen. Im Gegensatz zum standardisierten industriellen Umfeld weist das agronomische Umfeld eine sehr hohe Variabilität und Komplexität auf. Blattgrössen, Formen und Farben der Pflanzen sind nicht einheitlich und lassen sich nur durch die Kombination unterschiedlicher Merkmale beschreiben. Dabei erwies sich der Einbezug der dritten Dimension als sehr wichtiger Schritt, da sich so im Raum stehende Blätter in die Ebene transformieren lassen, was die Formenvariabilität vermindert und die Erkennungsrate der einzelnen Flächen stark verbessert. Die grösste Herausforderung des Projektes war es, aus den dreidimensionalen Bildern die Ampferpflanzen zu extrahieren. Dies erfolgt mittels verschiedener Algorithmen aus den Bereichen der Geodäsie und der zweidimensionalen Bildanalyse.
Nach verschiedenen Abklärungen wurde der Laserscanner "Ranger C" von Sick für die dreidimensionale Datenerfassung eingesetzt. Dieser nach dem Lichtschnittverfahren funktionierende Sensor erlaubt bis zu 1000 Messungen pro Sekunde mit einer Auflösung von 1536 Pixeln. Auf diese Weise ergibt sich bei einer Fahrgeschwindigkeit von 1m/s eine Auflösung von 1 mm. Die Datenauswertung erfolgt mittels eines Vierkernrechners in Echtzeit und Algorithmen aus der Geodäsie sowie der Bilderkennung. Die Softwareumgebung ist in C++ programmiert. Das Optimieren der unterschiedlichen Algorithmen weist noch ein hohes Potential auf. Es gilt für die sehr variablen und heterogenen Pflanzen noch bessere arithmetische Beschreibungen zu erarbeiten und zu implementieren.
Wird eine Ampferpflanze durch den Auswertungsrechner erkannt, gibt dieser die Positionsdaten an einen zweiten Rechner weiter. Dieser steuert die gesamte Hardware und führt die Behandlung aus. Aus der Kombination mit der Odometrie (Sensorik an Laufrädern) wird errechnet, wann welche Spritzdüsen für die einzelpflanzenweise Ampferbehandlung zu öffnen sind.
Der Tatbeweis, dass die automatische Erkennung von Ampferpflanzen möglich ist, wurde erbracht. In einfachen Situationen (Ampfer zwischen Gräsern) funktioniert das System zuverlässig. Nun gilt es, die Detektion unter komplexeren Situationen (Ampfer in dichtem Klee, Löwenzahn) zu verbessern.
Das Projekt zeigt auf, dass in dem vorgestellten Verfahren ein grosses Potential steckt. Dieses gilt es nun auszuschöpfen und es ist zu hoffen, dass damit Gelder für die Weiterentwicklung akquiriert werden können.
Parallel zu den Arbeiten für die Ampfererkennung wurde an der Methode der Unkrautbehandlung mittels Mikrowellen gearbeitet. Zu diesem Zweck wurden zwei Prototypen auf Fahrzeuge (Kleintraktor und Wendetraktor) aufgebaut. Der Fahrzeugführer kann mittels bedienbarer Linearachsen die Mikrowelleneinheit gezielt auf das Unkraut absetzen. Die Wirksamkeit dieses Unkrautbekämpfungsverfahrens erwies sich als sehr gut, allerdings ist der benötigte Energiebedarf beträchtlich.
Noch ist die Praxisreife der Erkennung sowie der biolandbautauglichen Bekämpfung nicht erreicht. Es wurden aber wichtige Erkenntnisse gewonnen und erste Erfolge erzielt. Das Institut für mechatronische Systeme (IMS) der ZHAW Winterthur sowie Agroscope ART in Tänikon werden das Projekt fortsetzen und die implementierten Technologien weiterentwickeln.

siehe Projekt-Webseite

keine