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Project number   04.42.01.06
Research unit  ART (FAT)
Project title Elemente der Automatisierung in der Agrartechnik
Project title in English Elements of automation in agricultural engineering

Texts for this project

German French Italian English
Key words
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Short description
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Methods
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Project aims
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Description of results
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Transfer and application
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Knowlegde improvements / Publications
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Process / State of work
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Customers / Reporting
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Publications / Results
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Inserted texts


Category Text
 
Key words
(English)

automation, engineering, weed control equipment, robots, Rumex obtusifolius, sensors, dry matter content, roughage, measuring instruments, guidance systems


Short description
(German)

Ziel der technologischen Weiterentwicklung ist, agrartechnische Arbeitsprozesse durch den Einsatz von technischen Neuerungen zu vereinfachen, präziser auszuführen und/oder zu automatisieren.

Teilprojekt 1
Ampferroboter: Die nichtchemische, mechanische Ampferbekämpfung im biologischen Landbau erfordert einen hohen Arbeitsaufwand und bedeutet eine starke körperliche Belastung. Für eine Automatisierung sind ansatzweise einzelne Elemente vorhanden, die in eine Weiterentwicklung einfliessen könnten.
Der Automatisierungsgrad des gesamten Prozesses soll schrittweise erhöht werden, um die körperliche Belastung und den Arbeitszeitaufwand für die mechanische Ampferbekämpfung zu senken und die Erfolgsrate zu erhöhen.

Teilprojekt 2
Automatisches Lenk- und Fahrsystem: Traktoren mit angebauten Geräten müssen für Anbau und Pflegearbeiten sowohl in Fruchtfolgekulturen (z.B. Hackfrüchte) als auch in Dauerkulturen (z.B. Obst, Wein, Beeren) oft präzise geradeaus bzw. entlang von Reihen gelenkt werden. Vom Fahrpersonal verlangt dies eine hohe Konzentration - für weitere begleitende Tätigkeiten (z.B. Bonituren, Feineinstellung von Maschinen) fehlt die Kapazität. Bei nachfolgenden Arbeitsgängen werden dann aufgrund der niedrigen Arbeitsqualität (z.B. krumme Reihen) mehr Zeit und Hilfsstoffe (z.B. Spritzmittel) benötigt.

Teilprojekt 3
Trockensubstanzbestimmung bei Raufutter:In der Raufutterernte ist die Sofort-Feuchtemessung bzw. TS-Gehaltsbestimmung zunehmend wichtig. Vor allem bei der immer stärker verbreiteten Grossballentechnik hat der richtige TS-Gehalt zum Zeitpunkt des Pressens entscheidenden Einfluss auf die Futterqualität. Verschiedene messtechnische Systeme sind bekannt, die praktische Anwendung ist noch nicht gelöst und die Genauigkeit unklar.


Methods
(German)

Teilprojekt 1
In einer vorgängigen Machbarkeitsstudie mit Schwerpunkt auf der Detektion der Ampferpflanzen werden Lösungsmöglichkeiten für eine Automatisierung der Ampferbekämpfung untersucht. Dabei wird aufgezeigt, ob der eingeschlagene Weg zum Ziel führen kann.
Evtl. kann auf der Basis einer bereits entwickelten, händisch gesteuerten Maschine die Steuerung automatisiert werden.

Teilprojekt 2
Marktstudie über automatisierte Traktor- und Gerätesteuerungen erstellen. Evaluierung der noch vorhandenen Entwicklungslücken bestehender automatisierten Lenk- und Fahrsysteme für die vorgesehenen Einsatzbereiche. Entwickeln eines einsatzbereiten Systems, um die Möglichkeiten und Grenzen der automatisierten Traktor- und Maschinensteuerung aufzuzeigen.

Teilprojekt 3
Marktstudie über die erhältlichen Geräte zur TS-Bestimmung in Raufutter erstellen (unter Einbezug des Knowhow aus dem BIONORM Projekt). Auswahl der zu testenden Geräte. Evaluation der geeigneten Prüfmethodik und der Prüfparameter. Bestimmen der Prüfparameter in Feld- und Laborversuchen.


Project aims
(German)

Teilprojekt 1
Die körperliche Belastung und der Arbeitszeitaufwand bei der mechanischen Ampferbekämpfung sind durch Neuentwicklungen gesenkt.

Teilprojekt 2
Mit dem automatischen Lenk- und Fahrsystem können vorgegebene Parcours abgefahren werden. Das Fahrpersonal wird entlastet und die Arbeitsqualität erhöht.

Teilprojekt 3
Am Markt verfügbare TS-Bestimmungsgeräte sind geprüft, deren optimales Handling und die jeweiligen Einsatzmöglichkeiten beschrieben.


Description of results
(German)

Teilprojekt 1

Ampfererkennung
In Zusammenarbeit mit der Zürcher Hochschule für angewandte Wissenschaften ZHAW in Winterthur und der Eidgenössischen Technischen Hochschule ETH in Zürich wurde die Detektion von Ampfern initiiert. Die Stiftung Gebert Rüf, der Kanton Zürich und der Bund unterstützten das bei der ZHAW lokalisierte Projekt mit Fr. 550'000.-.

o Ein Messwagen bestehend aus einer 3D-Sensoreinheit, die mit einer vertikalen und horizontalen Auflösung von 0.2 mm arbeitet, einer Schnittstelle zu einer Bildanalyseeinheit und einer Schnittstelle zu einem Spritzbalken wurde von der ZHAW konstruiert.

o Das Zusammenspiel von 3D-Messung, Pflanzendetektion und Spritzbalkenansteuerung wurde von Mitarbeitern der ZHW am Messwagen hard- und softwaremässig umgesetzt. Zusätzliche Arbeiten gelten der Verfeinerung der Messtechnik und der Detektionsalgorithmen.

o Entwicklung der Mustererkennung von Blattadern von Ampfern zur Unterscheidung von andern Pflanzen. Zahlreiche von der Forschungsgruppe Pflanze und Energie (PE) aufgenommene 2D-Bilder der Ampfer dienen als Grundlage für die Mustererkennung, die durch die ETH (Institut für Bildwissenschaften) entwickelt wird.

Zur Beschreibung der Ampferkonturen wurden verschiedene Methoden untersucht. Zum Finden grösserer zusammenhängender Flächen (Segmentierung) eignen sich "Elliptic Fourier Descriptors (EFD)". Sie zeigten grundsätzlich gute Resultate für eine spätere Klassifizierung der detektierten Flächen anhand deren Umrisse. Der Segmentierungsalgorithmus der 3D-Daten wurde auf dem Erkennungsrechner in der Programmiersprache C++ implementiert.
Für die Navigation des Fahrzeugs, die Ansteuerung der Kamera und die Kommunikation mit dem Erkennungsrechner wurden auf einem Standard-PC das Echtzeitbetriebssystem QNX und eine Java-Echtzeitumgebung installiert sowie die Regelsoftware entwickelt.
Die generelle Funktionsfähigkeit des Gesamtsystems bestehend aus Detektion, Lokalisierung und beispielhafte Behandlung von grossen Pflanzenflächen mit Lebensmittelfarbe wurde erfolgreich demonstriert.
Basierend auf den qualitativ vielversprechenden Segmentierungsdaten sind weiterführende Datenauswertungen geplant. Einerseits soll die Blattform ausgewertet und andererseits die Anordnung verschiedener Blätter zueinander beurteilt werden. Zusätzlich dazu soll durch die Auswertung der Grauwertbilder der Kamera die Blatttextur erkannt werden, um so die Erkennungsquote zu erhöhen. In diesem Bereich soll weiterhin intensiv mit der ETHZ zusammengearbeitet werden.
Im Frühjahr 2008 soll dann die Machbarkeit dieser Technologie in einer ausgedehnten Testreihe auf dem Feld überprüft werden.

Ampferbekämpfung
Ampfer (Rumex obtusifolius, R. alpinus, R. crispus) ist in den Wiesen und Weiden der Schweiz ein permanentes Problemunkraut. Insbesondere im Biolandbau, bei dem die chemische Unkrautbekämpfung nicht erlaubt ist, beschränkt sich die Bekämpfung des Licht-, Platz- und Nährstoffkonkurrenten Ampfer meist auf die manuelle Entfernung von den Flächen. Diese physisch schwere und zeitintensive Arbeit soll durch den Einsatz von Mikrowellentechnologie effizienter gestaltet werden. Ein Hauptvorteil des Einsatzes von Mikrowellen zur Ampferbekämpfung ist im Vergleich beispielsweise zur Heisswasserbehandlung der Wegfall des Transportes von Wasser und im Vergleich zur maschinell-mechanischen Entfernung der Wegfall jeglicher Bodenbearbeitung. Dadurch soll erreicht werden, dass bereits im Boden befindliche Samen von unerwünschten Pflanzen (Rumex obtusifolius, Cirsium arverse, Agropyron repens) nicht zum Keimen angeregt werden.
Im Projektteil Ampferbekämpfung mittels Mikrowelle konnte gezeigt werden, dass das Prinzip grundsätzlich funktioniert. Insbesondere die Ergebnisse, die mit dem selbstfahrenden Prototypen I (4.8 kW) erzielt wurden, sind sehr ermutigend. Die Erfolgsquote mit dem Prototypen I war gut, die benötigte Heizdauer von >40 s aber zu lang. Daraufhin wurde mit den Projektpartnern Gigatherm AG, Grub, und Odermatt Landmaschinen, Hunzenschwil, der leistungsstärkere Prototyp II (18 kW) konzipiert und gebaut. Die Ergebnisse der Felduntersuchungen mit dem Prototype II fielen leider schlecht aus. Die angestrebte Absterberate der Ampferpflanzen von >80 % konnte bei keiner der eingestellten Heizzeiten (5 bis 30 s) erreicht werden. Auch waren keine eindeutige Tendenzen zwischen Absterberate und Heizdauer erkennbar. Die angestellten Laborversuche bezüglich erreichbarer Wurzeltemperaturen und Wärmeverteilung im Boden führten zum besseren Verständnis der Vorgänge während der Applikation und letztlich zur Revision der Mikrowelleneinheit. Dabei wurden ein defektes Magnetron ersetzt und leichte Modifikationen an der Hornantenne (Applikationsort) durchgeführt. Die Modifikationen sollen einen besseren Schutz vor Verschmutzung der Antenne und somit vor Leistungseinbussen bewirken.
Die nächste Messreihen unter Praxisbedingungen werden nach der Vegetationsruhe im Frühjahr 2008 durchgeführt.

Teilprojekt 2

Umfrage Lenksysteme
Unter Landwirten und Lohnunternehmern wurde eine Umfrage zum Thema Automatisiertes Lenksystem bei Traktoren durchgeführt. Neben dem Thema Lenksysteme wurden auch die Nutzung und Zufriedenheit von elektronischen Komponenten in Traktoren abgefragt.
Die Umfrage ergab einen guten Überblick einerseits über die Erwartungen von Praktikern an Parallelfahrsysteme, andererseits über die generelle Einstellung gegenüber Elektronik bei Traktoren. Die befragten technikerfahrenen Landwirte und Lohnunternehmer unterstützen den Trend zu mehr elektronischen Komponenten und auch automatischen Lenksystemen in Traktoren. Drei Viertel versprechen sich durch eine automatisierte Lenkung eine sinkende Beanspruchung des Fahrers, eine Einsatzmöglichkeit wird bei vielen Arbeiten gesehen. Die Genauigkeit sollte bei +/ 5cm liegen, der Preis bei 5000-10'000 Fr.

Lenksystem für Obstbau
Ein automatisches Lenksystem für Traktoren im Obstbau wurde in mehreren Schritten von der Messtechnik und im Rahmen einer Semesterarbeit entwickelt und erfolgreich in der Praxis getestet. Begleitend wurden Arbeitszeitmessungen für das Öffnen von Hagelschutznetzen in Apfelanlagen durchgeführt. Es stehen zwei identische Lenksysteme zur Verfügung. Das eine ist auf dem Same Dorado des Versuchsbetriebs Tänikon eingebaut, das andere auf einem Obstbau-Traktor des Obstbau-Versuchsbetriebs Güttingen.
Das automatische Lenksystem mit Laserabtastung ist für Arbeiten im Obstbau gut geeignet und steuert Traktoren mit einer für normale Mulcharbeiten zufriedenstellenden Genauigkeit (Standardabweichung 10 cm) durch die Reihen. Der Schwerpunkt liegt primär in der Fahrerentlastung, weniger in der Arbeitszeiteinsparung. Aus der Kombination des automatischen Lenksystems mit einem Traktor mit elektrisch ansteuerbarem, stufenlosem Fahrantrieb ergeben sich daher interessante Optionen für die partielle sowie komplette, führerlose Automatisierung von Arbeiten in Obstanlagen.


Transfer and application
(German)

Für spezifische Informationen kontaktieren Sie bitte die angegebene Person.


Transfer and application
(French)

Pour des informations supplémentaires veuillez contacter la personne indiquée.


Transfer and application
(Italian)

Per ulteriori informazioni vogliate contattore il responsabile menzionato.


Transfer and application
(English)

For more detailed information please contact the person in charge of the project


Knowlegde improvements / Publications
(German)

Dürr L., 2003. Machbarkeitsstudie "Ampferroboter".
Holpp M., 2003. Vorarbeit.
Herstellerunterlagen, BIONORM Projekt.


Process / State of work
(German)

Teilprojekt 1
Teil Ampfererkennung überführt in Projekt 08.34.4.2 Precision Agriculture
Teil Ampferbekämpfung überführt in Projekt 08.32.1.3 Unkräuter und Giftpflanzen

Teilprojekt 2
abgeschlossen

Teilprojekt 3
Bearbeitung zurückgestellt


Customers / Reporting
(German)

Kunden
Firmen, Forschung, Lehre und Beratung, Produzenten

Kundennutzen

Teilprojekt 1
Biolandwirte profitieren von einem Gerät für die erleichterte mechanische Ampferbekämpfung.
Teilprojekt 2
Traktorfahrer werden beim Lenken entlastet und können sich besser auf Geräteeinstellungen, Bonituren etc. konzentrieren.
Teilprojekt 3
Der Futterbauer kann die Raufutterqualität anheben dank einem Messgerät für die Schnellbestimmung des TS-Gehalts während der Ernte.

Berichterstattung
Publikationen, Presse, Tagungen, Vorführungen


Publications / Results
(German)

Teilprojekt 1

Dürr, L. (2004): Machbarkeitsstudie für einen Blackenroboter. Schlussbericht Auftrag BLW, Agroscope FAT Tänikon, 22 S.

Dürr, L., Anken, T., Bollhalder, H., Sauter, J., Burri, K.-G., Kuhn, D. (2005): Machine vision detection and microwave based elimination of Rumex obtusifolius L. on grassland. 5th European Conference on Precision Agriculture, S-Uppsala, 5 S.

Dürr, L., Anken, T., Bollhalder, H., Sauter, J., Burri, K.-G., Kuhn, D. (2005): Machine vision detection and microwave based elimination of Rumex obtusifolius L. on grassland. In: Swedish Institute of Agricultural and Environmental Engineering [Hrsg.]: Book of Abstracts, 5 ECPA 2 ECPLF. Uppsala, S. 73-74.

Kaufmann, R., Dürr, L. (2006): Automatisierte Blackenbekämpfung - Utopie oder Wirklichkeit? Schweizer Landtechnik, Juni/Juli 2006, S. 40-41.

Grüninger R., Seatovic D. (2007): Automatisches Unkrautbehandlungssystem basierend auf 3D Pflanzenerkennung. Tagungsband des Internationalen Forums Mechatronik, Winterthur, 11.-13.09.07.

Latsch, R., Sauter, J., Hermle, S., Dürr, L., Anken, T. (2007): Control of Rumex Obtusifolius L. in Grassland Using Microwave Technology. Tagung Landtechnik AgEng 2007, VDI-Verlag, Hannover, S. 501-506.

Teilprojekt 2

Holpp M., 2008: Entwicklung eines automatischen Lenksystems für Traktoren im Obstbau. Zeitschrift Landtechnik

Holpp M., 2008: Entwicklung eines automatischen Lenksystems für Traktoren im Obstbau. Zeitschrift Agrarforschung 15(2): 108-113, 2008

Holpp M., 2007: Entwicklung eines automatischen Lenksystems für Traktoren im Obstbau. Internationales Forum für Mechatronik 2007, Winterthur, 12.-13.09.2007, 8 S.

Holpp M., 2007: Work-Economics and Financial Aspects of Parallel Guidance Systems for Tractors. Book of Abstracts, 6. ECPLF Skiathos/Griechenland, 6 p.

Holpp M. & Dürr L., 2006. Automatic guidance system for tractors in fruit farming. Book of Abstracts, World Congress Agricultural Engineering for a Better World. VDI-Verlag, Düsseldorf. p. 207-208.

Holpp M., 2006. Parallelfahrsysteme für Traktoren. Technik und Wirtschaftlichkeit. ART-Berichte 659. 10 S. - Schweizer Landtechnik 9, 39-46. - Systèmes de guidage parallèle pour tracteur. Technique et rentabilité. Rapports ART 659. 11 p. - Technique Agricole 11, 23-30 (Version abrégée).

Holpp M., 2006. Tracteurs: Utilisation de composants électroniques. Technique Agricole 1, 20-23.

Holpp M., 2005. Automatisches Lenksystem für den Obstbau. Einsatz von elektronischen Komponenten in Traktoren. Schweizer Landtechnik 11, 26-29.



Zugehörige Dokumente:
  • TP2_DE_ART-Bericht-659_Parallelfahrsysteme.pdf [PDF] 699 kB
  • TP2_DE_AutoLenk_IFM2007.pdf [PDF] 1'280 kB
  • TP2_DE_Umfrage_AutoLenk_Diagramme.pdf [PDF] 55 kB
  • TP2_DE_Umfrage_AutoLenk_Kommentare.pdf [PDF] 127 kB

  • Publications / Results
    (French)

    Pour des informations supplémentaires veuillez contacter la personne indiquée.

    Zugehörige Dokumente:

  • TP2_FR_ART-Rapport-659_Syst_Guid_Parallele.pdf [PDF] 634 kB

  • Publications / Results
    (Italian)

    Per ulteriori informazioni vogliate contattore il responsabile menzionato.


    Publications / Results
    (English)

    For more detailed information please contact the person in charge of the project

    Zugehörige Dokumente:

  • TP1_EN_Rumex-Obtus_Detection-Elimination.pdf [PDF] 468 kB
  • TP1_EN_SmartWeeder.pdf [PDF] 584 kB
  • TP2_EN_Automatic-Guidance-Fruit-Farming.pdf [PDF] 1'048 kB
  • TP2_EN_Work-Economics_Financial-Aspects.pdf [PDF] 35 kB