Antriebstechnik Autonomer Feldroboter rupft Unkraut

Quelle: Maxon

Ein Roboter vernichtet Unkraut zwischen Ackerpflanzen mechanisch. „Rowesys“ wird bequem via Fernsteuerung gestartet – und macht den Einsatz von Herbizid hinfällig.

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Unkrautvernichtung heute und gestern: Mit einer blauen Signalisierung und LED-Farben wird der Landwirt über den Status des selbständigen Erntehelfers informiert. Früher musste das Unkraut ohne robotische Hilfe per Hand ausgerissen oder mit Gift besprüht werden.
Unkrautvernichtung heute und gestern: Mit einer blauen Signalisierung und LED-Farben wird der Landwirt über den Status des selbständigen Erntehelfers informiert. Früher musste das Unkraut ohne robotische Hilfe per Hand ausgerissen oder mit Gift besprüht werden.
(Bild: Steffem Immanuel Denker/Maxon)

Gefährdete Artenvielfalt, überbelastete Ökosysteme und zu hohe Pestizidwerte im Grundwasser sowie in der Luft: Die Welt braucht dringend eine nachhaltigere Landwirtschaft. Und dass diese Transformation möglich ist, beweisen immer mehr Ansätze – so wie das an der ETH Zürich entwickelte Robotic Weeding System, kurz Rowesys. Das Fokusprojekt zeigt, dass der Verzicht auf Unkraut-, Pilz- und Schädlingsvernichter nicht mit Ertragseinbussen verbunden sein muss.

Der Prototyp von Rowesys eignet sich spezifisch für die Anwendung auf Zuckerrübenfeldern, die eine besonders intensive Unkrautbekämpfung erfordern. Während andere Lösungen nur Pflanzenschutzmittel nur reduzieren, beispielsweise durch präzisere Sprühmethoden, macht der ETH-Roboter den Herbizideinsatz hinfällig: Er reißt das Unkraut zwischen den Pflanzenreihen aus dem Boden, dreht sich am Ende des Feldes und steuert in die nächste Reihe. Selbst im Morast oder bei Steinen im Weg bleibt der selbständige Helfer nicht stecken.

Pascal Lieberherr, Initiator des Projekts und Masterstudent in Robotics, Systems & Control an der ETH Zürich, wurde schon während seiner Lehre im Bereich der Lebensmittelverarbeitung auf die Herausforderungen der Nahrungsmittelkette aufmerksam. Heute interessiert ihn vor allem eine zentrale Frage: Wie können wir die Menschheit ernähren, ohne dabei die Natur unseres Planeten zu belasten?

Den Acker effizient pflegen

Das Team, bestehend aus Maschinenbau- und Elektrotechnik-Studierenden der ETH Zürich und Industriedesign-Studierenden der FHNW Basel, entwickelte ein robustes Fortbewegungskonzept. Angetrieben wird das Gefährt durch vier E-Scooter-Radnabenmotoren, die aufgrund des geringen Reihenabstands der Nutzpflanzen kompakt übersetzt sind.

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Leistungsstarker DC-Motor für den Radantrieb

Jede Radachse von Rowesys ist auf beide Seiten um 180 Grad drehbar und wird gesteuert durch eine Antriebseinheit bestehend aus einem DC-Motor RE 50 von Maxon, der über ein Planetengetriebe GP 62 untersetzt wird und mit einem Encoder verbunden ist. Dieser Motor besitzt einen hohen Wirkungsgrad, ist energieeffizient und sehr leistungsstark.

Ein mechanisches Feder-Dämpfer-System stellt sicher, dass die einzeln steuerbaren Räder immer Bodenkontakt haben und etwa auch bei versenkten Pflugscharen zuverlässig funktionieren. Das ist einerseits wichtig, da ein fehlerhafter Betrieb die Nutzpflanzen beschädigen und den Ertrag reduzieren würde. Andererseits vermindert die ausgeglichene Gewichtsverteilung eine lokale Bodenverdichtung.

Neben der Prozesssicherheit legten Pascal Lieberherr und sein Team auch großen Wert auf die Anwenderfreundlichkeit. So kommt Rowesys ohne GPS-Navigation aus und wird bequem via Fernsteuerung gestartet. Eine spätere Version des Roboters soll selbständig vom Hof zum Feld und wieder zurückfinden. Zwei leistungsfähige Batterien ermöglichen einen achtstündigen Einsatz.

Wind, Krankheit und Schädlinge fordern die Software-Entwicklung heraus

Für die Navigation auf dem Feld sorgen zwei visuelle Sensoren. Während die Frontkamera die Pflanzenreihen erkennt, unterscheidet die auf den Boden gerichtete Kamera zwischen Unkraut und Nutzpflanze. Die eigens programmierte Software analysiert das Frontbild auf grüne Farbanteile und erkennt dabei die Richtung der Pflanzenreihe. Es ist geplant, für die Analyse des Bodenbildes eine lernfähige Software zu implementieren. Dadurch soll der Einsatz auf andere Nutzpflanzen wie beispielsweise Mais ausgeweitet werden.

Bei der Entwicklung der Software hat es einige Herausforderungen gegeben. Dazu gehören beispielsweise starke Windstöße, die die Nutzpflanzen von einer Sekunde auf die andere verwehen. Das System muss dann die sich schnell verändernden Bilder unmittelbar interpretieren und angemessen reagieren. Auch die Erkennung kranker oder von Schädlingen zerfressenen Pflanzen ist noch nicht ausgereift.

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Roman Berger: Agrarrobotermarkt erreicht 12,4 Milliarden Euro bis 2025

Roman Berger ist Head of Business Development Robotics bei Maxon.
Roman Berger ist Head of Business Development Robotics bei Maxon.
( Bild: Maxon )

„Der Druck, Pestizide zu reduzieren, wird sich in den nächsten Jahren dramatisch erhöhen, denkt man beispielsweise an die Diskussion um Glyphosat. Angesichts des Klimawandels wird zudem immer mehr Wert darauf gelegt, die Bodenverdichtung zu reduzieren, um den Boden als natürlichen Wasserspeicher besser nutzen beziehungsweise erhalten zu können. Diese Entwicklung zeigt sich auch darin, dass große Unternehmen wie Bosch, Continental, BASF oder Fendt die Forschung in diesem Bereich vorantreiben. Experten rechnen damit, dass sich der Agrarrobotermarkt bis zum Jahr 2025 auf 12,4 Milliarden Euro entwickelt. Den wesentlichen Anteil werden hier Softwareprodukte wie Smart-Farming-Lösungen inklusive Roboter-Fleet-Management einnehmen. Aber auch elektromechanische Antriebslösungen haben einen signifikanten Anteil, der auf 1 bis 2 Milliarden Euro geschätzt wird.“

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Als das Fokusprojekt im Sommer 2020 präsentiert wurde und auf beträchtliche Resonanz stieß, stand für Pascal Lieberherr fest: Die Entwicklung des intelligenten Landwirtschaftshelfers wird weitergeführt, mit dem Ziel das gesamte System stabiler und robuster zu machen. Aktuell liegt der Fokus auf der zentimetergenauen Lokalisierung von Rowesys im Feld.

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