Hackroboter – die digitale Alternative zur Handhacke
Seit einiger Zeit sind auf deutschen Äckern vermehrt Roboter anzutreffen. Sie kombinieren das Wissen aus Elektrotechnik, Sensorfusion, Automatisierung und autonomer Steuerung mit der Möglichkeit einer gelernten Intelligenz zur Erkennung und Differenzierung zwischen Nutzpflanze und Unkraut. Das Unkraut kann sodann möglichst präzise mit Hacken, Fräsen, Spot/Band-Applikation oder auch neuen Ansätzen wie Laser oder elektronischen Impulsen beseitigt werden.
In FarmerSpace führt das Institut für Zuckerrübenforschung als einer der vier Projektpartner gemeinsam mit dem Pflanzenzüchtungs- und Biotechnologie-Unternehmen KWS SAAT SE & Co. KGaA im mittlerweile dritten Jahr die sogenannte „Weeding Challenge“ in Zuckerrüben durch. Ziel dieser ist es u. a., unterschiedliche autonome Hackroboter auf ihre Wirksamkeit bei der Unkrautregulierung zu untersuchen. Dabei kommen unterschiedliche Typen von Robotern zum Einsatz, die grundsätzlich in zwei Arten unterschieden werden können: Zum einen Roboter, die die RTK-GPS-Position der Rübe zum Hacken nutzen (Abbildung 1), zum anderen solche, die auf Basis von Bilderkennung die Hackmaßnahmen durchführen (Abbildung 2).
Systeme wie der FarmDroid drillen die Rübenpillen mithilfe von RTK-GPS selbst und merken sich die Position der Ablage hochgenau. Sie antizipieren die abgelegte Pille als auflaufende Zuckerrübenpflanze und sind dadurch in der Lage, später innerhalb der Reihen genau dort zu hacken, wo keine Rübe steht.
Kamerabasierte Systeme hingegen nutzen RGB- oder multispektral-messende Kameras und interpretieren die aufgenommenen Bilder. Grundlage dafür ist ein trainiertes Modell basierend auf maschinellen Lernmethoden. Diese Modelle sind vorab mit sehr großen Beispieldatensätzen trainiert, die eine Unterscheidung zwischen Unkraut und Nutzpflanze ermöglichen.
Beide Systeme können zur Unkrautregulierung genutzt werden, zeigen aber unterschiedliche Vor- und Nachteile. Während Systeme wie der FarmDroid nicht erkennen, ob eine Rübe wirklich aufgelaufen ist, ist ein Nachteil des kamerabasierten Ansatzes die Abhängigkeit vom Umfang des zugrundeliegenden Trainingsdatensatzes.
Neben der Möglichkeit, den Hackvorgang automatisiert durchführen zu lassen, ermöglicht diese Art der Unkrautregulierung eine Reihe neuer Denk- und Arbeitsansätze. Während aktuell die Unkrautbehandlung an einzelnen Terminen mit hoher Flächenleistung durchgeführt wird, sind automatisiert arbeitende Roboter in der Lage, die Arbeit auch in der Nacht zu verrichten und so ihre geringere Flächenleistung (durch die wiederholte Überfahrt des Feldes) auszugleichen. Dieses permanente Behandeln der Unkräuter ermöglicht - im Vergleich zur aktuell gängigen Praxis - die Nutzung kleinerer Hackwerkzeuge, da die Zielpflanzen schon im recht jungen Stadium gehackt werden. Werden die Unkräuter im kamerabasierten Ansatz erkannt und in Arten unterschieden, können diese – theoretisch – individuell behandelt werden. Dies ermöglicht neue Ansätze zur Förderung der Biodiversität in Agrarlandschaften oder die angepasste Behandlung von resistenten Unkräutern.
Die Entwicklung der Hackroboter befindet sich in einem dynamischen Prozess. Neue Entwicklungen werden in FarmerSpace fortlaufend recherchiert und diskutiert (Abbildung 3).
Roboter eignen sich nicht nur zur selbständigen Durchführung von Arbeitsschritten auf dem Feld, sondern auch als Träger von Sensorik im Feld. Durch ihr hohes Ladevermögen kann eine Vielzahl von Sensoren inklusive der passenden Beleuchtung ins Feld gebracht werden. Hochpräzise können Einzelpflanzen angesteuert werden und dann mit unterschiedlichen Sensoren Messungen an diesen erfolgen. Auch am IfZ wurde ein Roboter als Versuchsplattform angeschafft. Die Trägerplattform wird elektrisch betrieben und besitzt die Möglichkeit Mess-Setups über drei Reihen mittig mitzuführen. Aktuell erfolgt die Integration eines Multispektrallaserscanners zur automatisierten, zentimetergenauen Bonitur. Damit ist die Ableitung von unterschiedlichen Pflanzenmerkmalen zur geometrischen und spektralen Verfolgung der Pflanzenentwicklung über die Vegetationsperiode hinweg möglich.
Roboter werden die Zukunft der Landwirtschaft entscheidend verändern. Wie und in welchem Maße ist noch offen. Sicher jedoch ist, dass viele Arbeitsschritte in Zukunft automatisiert durchgeführt werden und Landwirt*innen dann deren Abläufe und Kombination planen, statt sie durchzuführen. Die eingeführten Systeme werden fortlaufen in FarmerSpace evaluiert und für den Einsatz in Praxisbetrieben getestet.
Abbildung 1: Der Hackroboter FarmDroid FD 20 des dänischen Herstellers FarmDroid ApS nutzt die Information der Pillenablage für die Steuerung der Hackwerkzeuge. Damit ist es möglich, unabhängig von der Beleuchtung zwischen und in der Reihe zu hacken (Bild: IfZ; Sebastian Streit).
Abbildung 2: Der Hackroboter Farming GT (Modellvariante 2021) der Firma Farming Revolution GmbH im Einsatz in der Zuckerrübe. Ein Kamerasystem gekoppelt mit Algorithmen zur Bilderkennung steuert die Hackwerkzeuge zwischen und in der Reihe. (Bild: Farming Revolution GmbH).
Abbildung 3: Die Einsatzmöglichkeiten autonomer Hacktechnik werden auch im Feld mit verschiedenen Akteuren der Agrarbranche rege diskutiert (Bild: IfZ, Friederike Heise).
Autoren:
Dr. Stefan Paulus (IfZ Göttingen) und
Sebastian Streit (IfZ Göttingen)
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Kontakt - Sebastian Streit: streit@ifz-goettingen.de