Article in yearbook 2021

Digitization and Automation Exemplary development projects for automation

Abstract:

The article describes two development projects for semi-autonomous machines that are representative of the automation trend supported by digitalisation. Characteristics of these trends are described, which do not primarily aim at a general replacement of the workforce, but enable the change of work tasks away from routine activities that can be automated towards management and problem-solving skills. In this context, potential is seen for meeting current challenges in agricultural technology much better than possible with existing machine concepts. The first example – a semi-autonomous platform for fruit- and vineyards – shows how process-unspecific tasks such as navigation can be combined with process-specific tasks such as spraying. The energy supply is modularised, diesel-electric on the one hand and battery-electric with fuel cell on the other. The second example shows the development and the basic idea of the field swarm.

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Long version

Allgemeine Entwicklung

Ein Einsatz autonomer Systeme ist dann sinnvoll, wenn durch die Automatisierung die Arbeit in der Landwirtschaft vereinfacht und Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit der landwirtschaftlichen Produktion gesteigert werden. Neben zahlreichen Vorteilen für teilautonome Maschinen gibt es auch Nachteile, wie hohe Investitionskosten, Ausfallwahrscheinlichkeiten durch wechselnde Umweltfaktoren, rechtliche Unsicherheiten oder nicht auf autonome Agrarmaschinen ausgelegte Betriebsstrukturen, die verstanden werden müssen. Bei der Betrachtung hoch automatisierter Agrarsysteme muss die Bewertung des Nutzens differenziert nach Anwendungsbereichen erfolgen, wobei auch Arbeitsinhalt und Sozialaspekte zu berücksichtigen sind. Prinzipiell geht es bei Automatisierung / Autonomie primär nicht um einen Ersatz der Arbeitskräfte, sondern um die gewandelte Rolle der Arbeitsaufgaben weg von Routinetätigkeiten und hin zu Management- und Problemlösungskompetenz [1].

In der Landwirtschaft wird aktuell kontrovers über den Einsatz teilautonomer Agrarsysteme diskutiert. In den nächsten Jahren wird eine deutlich gesteigerte Verbreitung automatisierter und autonomer Landtechnik in der Praxis erwartet. Deshalb gilt es, die vielfältigen offenen Fragen hinsichtlich Nutzen, Zuverlässigkeit, Sicherheit, Verantwortlichkeit oder Rechtssicherheit zu analysieren. Um die Nutzbarkeit der Technik zu steigern, sind systemische Lösungen sowie praxistaugliche Systemintegration auf Verfahrens- und Betriebsebene wichtig. Vollständig autonome Systeme sind im freien Feld kurz- bis mittelfristig nicht realisierbar und möglicherweise auch nicht erstrebenswert und wirtschaftlich darstellbar. Im Gegensatz zum Straßenverkehr, der sechs Stufen auf dem Weg zur Autonomie definiert, muss die Landtechnik einen abgeleiteten eigenen Ansatz verwenden, weil zwischen verschiedenen Zuständen des Fahrens und der Prozessfunktionen unterschieden werden muss. Die Diskussion um autonome Maschinen hat sich in den letzten Jahren so in den Mittelpunkt geschoben, weil einerseits die notwendigen Technologien schrittweise verfügbar werden und weil das Potenzial gesehen wird, aktuellen Herausforderungen an Landtechnik deutlich besser zu begegnen zu können als das mit bestehenden Maschinenkonzepten gelingt. Die Technologietreiber sind besonders a) Sensor- und Aktuatortechnik, b) Bildverarbeitung und KI, c) drahtlose Kommunikationstechnologien und d) elektrifizierte Antriebe, während die anwendungsrelevanten Treiber folgende sind: a) Klimawandel, veränderte Anbausysteme und Fruchtfolgen, b) Verfahrenskostenmanagement und Profitabilität, c) Vertrauen und Akzeptanz der Landwirte in hoch automatisierte Technologien und d) politische Rahmenbedingungen und Regularien einschließlich der Einschränkungen in Düngerapplikation und Pflanzenschutz.

Produktivitätssteigerung durch Automatisierung

Automatisierung hilft heute, die technische installierte Prozessleistung besser abrufen zu können, und steigert damit Produktivität und senkt Verfahrenskosten, konnte aber den Trend zu immer weiterem Größenwachstum von Maschinen weder stoppen noch umkehren. Charakteristisch für Landtechnik ist eine kontinuierliche Produktivitätssteigerung verbunden mit wachsendem Leistungsbedarf; Gewicht und Größe bei gleichzeitigem Aufspreizen des Abstandes zwischen unterer und oberer Leistungsklasse. Allgemein setzt sich aber in der Fachwelt immer mehr die Erwartungshaltung durch, dass sich in den kommenden zwanzig Jahren Maschinenkonzepte in Richtung hochautomatisierter, flexibel und teilautonom einsetzbarer Gerätesysteme mit vermehrt elektrifizierten Antriebssystemen ändern werden [2 - 9]. Wie in Bild 1 gezeigt, könnten die bedienergeführten Traktor-Geräte-Systeme wie wir sie kennen in 10 bis 15 Jahren ernsthafte Konkurrenz durch überwachte autonome Maschinen bekommen.

Bild 1: Expertenbefragung zu Entwicklungstrends in der Maschinenautonomie [10]

Figure 1: Expert survey about trends in machine autonomy [10]

 

Während die vollständig menschengesteuerten Systeme der heutigen Form ähnlich bleiben werden, sind für die anderen drei Klassen erhebliche Veränderungen zu erwarten. Assistierte Systeme werden in der Lage sein, komplexere Aktionen zu unterstützen und mit mehr Kameras und mehr Sicherheitsfunktionen ausgestattet sein. Die Klasse der überwachten autonomen Maschinen wird sich weiterentwickeln, wobei die Anforderungen an die Anwesenheit und Qualifikation des überwachenden Personals im Laufe der Zeit sinken werden und eine Zunahme von feld- und anwendungsspezifischen autonomen Aktionen hin zu universelleren Aktionen zu verzeichnen ist. Die Klasse der vollständig autonomen Maschinen entwickelt sich von Nischensystemen über Systeme, die mit definierten Plänen autonom auf dem Feld agieren, sobald sie dort sind, hin zu Systemen, die eine Grobplanung über andere Systeme erhalten und dann vollständig autonom agieren. Produktivität in hoch automatisierten Maschinensystemen ist dann nicht mehr alleine durch die Maschinengröße definiert, sondern kann bei verkleinerter Leistung der einzelnen Systeme durch die Anzahl der verwendeten Einheiten für den konkreten Einsatzfall konfigurierbar werden. Das seit Beginn der Mechanisierung der Agrarproduktion geltende Paradigma des kontinuierlichen Wachstums der Produktivität in einer Einheit (Maschine) könnte durch modulare Maschinensysteme in kleineren Einheiten und hohem Autonomiegrad abgelöst werden, wodurch Produktivität wieder skalierbar wird und besser an Verfahrensketten und Betriebsstrukturen angepasst werden kann. Bei der Erfassung von Informationen zu Boden- und Pflanzeneigenschaften besteht deshalb weiter großer Entwicklungsbedarf. Für eine vollständige Verfahrensautomatisierung ist der derzeitige Entwicklungsstand zur Umfeld- und Prozess-Sensorik noch unzureichend, weshalb kollaborative Automatisierung und Shared Control [11; 12] sinnvolle Lösungsansätze sind, die die Rolle des Bedieners zwar grundlegend in Richtung der Mehrmaschinenbedienung und der Überwachung und Diagnose des Systems [13] ändern, aber eben nicht abschaffen werden.

Beispielprojekt Robotik im Obst- und Weinbau elWObot / H2Bot

Der wachsende Wettbewerb im Wein- und Obstbau führt zu großem Druck auf die Erzeuger, welche immer weniger Menschen finden, die bereit sind körperlich anstrengende, monotone und mit gesundheitlichen Risiken verbundene Arbeiten zu übernehmen. Ziel des Projektes ist es daher, ein modular aufgebautes Roboterfahrzeug so zu entwickeln, dass Robotik im Obst- und Gartenbau für einen ökonomischen Einsatz als geeignet demonstriert werden kann. Das Projekt wird durchgeführt von den Professuren Agrarsystemtechnik und Technisches Design der TU Dresden sowie vom Fraunhofer Institut für Verkehrs- und Infrastruktursysteme in Dresden. Das Fahrzeug ist für eine Nutzlast von 1500 kg ausgelegt. Das Fahrwerk basiert auf einem modular aufgebauten elektrischen System mit vier elektrischen Einzelradantrieben und Einzelradlenkung (Bild 2). Die vier permanent erregten Synchronmaschinen sind luftgekühlt und haben jeweils eine installierte Leistung von 7 kW. Das modulare und skalierbare Konzept des Fahrzeuges ermöglicht es, dieses an die Erfordernisse in der Obstplantage und im Weinberg anzupassen. Elektrische Antriebe wurden vor allem für bessere Steuer- und Regelbarkeit und für die Modularität der Energiequelle ausgewählt. Die Primärenergieerzeugung hat zwei Module:

  • vorhanden aus dem Vorprojekt elWObot [14; 15] – ein dieselelektrisches Konzept mit einem an den Dieselmotor angeflanschten, wassergekühlten Generator bei einer elektrischen Leistung von 30 kW,
  • zusätzlich zu entwickeln – ein elektrisches, emissionsfreies Powermodul bestehend aus einem Batteriesystem mit automatisierter Schnellladeeinrichtung, einer Brennstoffzelle oder der Kombination von beiden.

 

Bild 2: Trägerplattform H2Bot

Figure 2: Platform H2Bot

 

Die Elektrifizierung mittels Batteriesystemen von großen Agrarfahrzeugen, wie Ackerschleppern und Mähdreschern, ist nach heutigem Stand nicht ohne große Einschränkungen und Kosten darstellbar. Dazu ist der Leistungsbedarf der Maschinen zu groß und die Energiedichte der verfügbaren Akkumulatoren zu klein. Bei Fahrzeugen kleinerer Leistungsklassen ist eine Elektrifizierung eher vorteilhaft. Der Vorteil eines batterieelektrischen Antriebskonzeptes liegt in dem einfachen Aufbau und dem hohen Systemwirkungsgrad von bis zu 80 %. Noch unbedeutsam ist die Brennstoffzellentechnologie für landwirtschaftliche Anwendungen. Obgleich sie aufgrund der hohen Leistungsdichte für den Einsatz in der Landwirtschaft einem Batteriesystem überlegen ist, gibt es kaum Forschungsprojekte und keine serienreifen Fahrzeuge. Die Dynamik der Brennstoffzelle ist für landwirtschaftliche Anwendungen meist nicht ausreichend. Das wird im Projekt mit einem Batteriesystem von 10 kWh umgangen, das Lastspitzen abfangen kann. Eine Erweiterung des Batteriesystems und die Verwendung einer automatisierten Schnelladeeinrichtung erlaubt längeren vollelektrischen Betrieb. Besondere Herausforderungen sind die Kühlung von Brennstoffzelle und Batterie, der Wasserstofftank mit Befüllsystem sowie das Luftfiltersystem mit Wasserabscheider. Im Projekt soll das Antriebskonzept nicht nur für den hier vorliegenden konkreten Anwendungsfall H2bot entwickelt werden, sondern die Übertragbarkeit auf eine Vielzahl von elektrifizierten landwirtschaftlichen Geräten ist zu betrachten, sodass im Nachgang zum Projekt weitere Geräte nach gleichem Prinzip mit Brennstoffzellensystemen ausgestattet werden könnten.

 

Bild 3: Seitenansicht und Abmessungen des Brennstoffzellensystems

Figure 3: Side view and dimensions of the fuel cell system

 

Das Herzstück der Brennstoffzelle (45 kW elektrisch) ist ein PM 400 Stack Modul der Fa. Proton Motors. Bild 3 zeigt das Brennstoffzellen-Modul und die zum Betrieb des Brennstoffzellenstacks notwendigen Baugruppen. Das Stack arbeitet mit einem elektrischen Wirkungsgrad von 37 bis 52 %, was eine Kühlleistung von 60 kW erfordert. Die Kühlmitteltemperatur am Einlass des Stacks soll 45°C nicht übersteigen, was eine Herausforderung für die Auslegung des Kühlsystems ist, das deshalb für den Prototyp nur bis 35°C Umgebungstemperatur ausgelegt wurde. Das Wasserstoff-Tanksystem, bestehend aus zwei Tanks mit je 78 l Fassungsvermögen bei 350 bar, kann nur 3,8 kg Wasserstoff speichern, was bei Volllast für 2 h Betrieb reicht.

Beispiel Feldschwarm

Mit dem Fokus auf zukünftige Herausforderungen und Technologietrends in der Agrarindustrie startete 2012 ein Team der TU Dresden, des Fraunhofer IVI und des Fraunhofer IWU gemeinsam mit acht Industriepartnern das Projekt Feldschwarm. Nach separaten Vorprojekten zur Elektrifizierung von Fahr- und Funktionsantrieben bildete sich ein vom BMBF gefördertes Konsortium, das von 2017 bis 2021 ein prototypisches System entwickelt und gebaut hat. Dies waren in alphabetischer Reihenfolge BITSz electronics GmbH, EIDAM Landtechnik GmbH, IAV Automotive Engineering GmbH, ILEAG e.V.-Institut für leichte elektrische Antriebe und Generatoren, IndiKar Individual Karosseriebau GmbH, John Deere GmbH & Co.KG, Raussendorf Maschinen- und Gerätebau GmbH, Reichhardt Steuerungstechnik GmbH. Aktuell läuft eine vom Freistaat Sachsen geförderte Felderprobungsphase und Anträge zur Projektfortsetzung sind eingereicht. Bild 4 veranschaulicht den Ablauf und die erreichten Technology Reifegrade (TRL) auf System- und Komponentenebene. Das aktuelle Auffächern des TRL ist in den Förderumständen des sächsischen Landwirtschaftsministeriums für die Erprobung begründet, die keine Ressourcen für Weiterentwicklung, sondern nur für Feldtests in landwirtschaftlichen Betrieben bereitstellt.

Bild 4: Entwicklungsgeschichte und Technologiereifegrad des Feldschwarm-Projekts

Figure 4: History and technology readiness level of the Feldschwarm development

 

Ziel der Feldschwarm Erprobung ist es, eingebettet in den normalen Betriebsablauf repräsentativer landwirtschaftlicher Betriebe, Grenzen und Potenziale einer maschinenübergreifenden Automatisierung im Mix von konventioneller und Feldschwarmtechnologie aufzuzeigen. Der erste Anwendungsbereich sind landwirtschaftliche Bodenbearbeitungs-, Aussaat- und mechanische Pflegeverfahren, bei denen Prozesswerkzeuge, Antriebe und Rahmen als modulare Komponenten mit gemeinsamen Schnittstellen für ein Geräteträgerkonzept konzipiert wurden, das später auch für Pflanzenschutz und Ernte geeignet ist. Die Module sind untereinander oder mit herkömmlichen Traktoren kombinierbar und werden in prozessspezifische und prozessunspezifische Komponenten unterteilt (Bild 5).

Bild 5: Modulares Konzept. Links: Werkzeugmodule erlauben eine prozessspezifische Konfiguration, Rechts: anstelle des Triebkopfes kann auch ein TIM-kompatibler Traktor benutzt werden

Figure 5: Modular concept. Left: different tool modules allow a process-specific configuration, Right: Instead of the power head a TIM-compatible tractor can be used

 

Ziel ist es, prozessspezifische Anforderungen und typische Prozessvariabilität landwirtschaftlicher Produktion durch eine spezifische Konfiguration für jede Prozessaufgabe bestmöglich abzudecken. Die Feldbearbeitung erfolgt mit einem weit höheren Automatisierungsgrad und bei deutlich geringerem spezifischen Leistungsbedarf, als es die heutige Gerätetechnik zulässt. Das Feldschwarm®-System, mit kleinteilig segmentieren Arbeitsbreiten, hoher Manövrierfähigkeit, präziser Navigation und integrierter Prozesssensorik bietet für zukünftige teilflächenspezifische Feldbearbeitung und Spot Farming notwendige Voraussetzungen.

Neben der autonomen selbstfahrenden Feldschwarmeinheit (FSE II) kommt dabei auch eine automatisierte traktorgebundene Einheit (FSE I) zum Einsatz. Bei der FSE I werden die erforderliche Zugkraft und Energie durch einen konventionellen Traktor bereitgestellt. Eine weitere im Projekt entwickelte Variante ist der vollelektrische Triebkopf, der extern mit elektrischer Leistung versorgt wird [16]. Der Arbeitsprozess selbst wird von der FSE I gesteuert. Die Arbeitsaufgaben und -parameter werden über eine drahtlose Datenverbindung ähnlich einer Applikationskarte auf die Feldschwarmeinheiten übertragen. Über eine ISOBUS-Verbindung und das TIM-Protokoll (Tractor Implement Management) steuert die FSE I ihren Traktor. Alle FSE werden von der Schwarmmanagement Software im automatischen Betrieb überwacht. Der Schwarmbediener im Traktor der FSE I überwacht das Gesamtsystem und übernimmt die Kontrolle vom Schwarmmanagementsystem, wenn die Prozessautomatisierung an ihre Grenzen gelangt oder wenn Störungen vorliegen.

Zusammenfassung

Am Beispiel von zwei Entwicklungsprojekten für hochautomatisierte mobile Plattformfahrzeuge, die für verschiedene Prozessapplikationen verwendbar sind, wird anschaulich gemacht, welche Antworten auf die Fragen des allgemeinen Umbruchs von Maschinenkonzepten in der Landtechnik gegeben werden könnten. Der allgemeine und immer noch aktuelle Trend von „Größer und Stärker“ schwenkt in Richtung „Intelligenter und Vernetzt“. Die große Mehrzahl der bekannten Prototypen und Entwicklungsstudien setzt auf kleinere Maschinen mit elektrifizierten Antriebssträngen, so auch die beiden gezeigten Beispiele. Wenn es sich um geförderte Projekte handelt, muss man sich in den Projektkonsortien auf wechselnde Beteiligungen und eine strategisch sinnvolle Verteilung von Zwischenzielen auf die verschiedenen möglichen Förderszenarien einstellen, weil der Entwicklungsumfang sehr interdisziplinär und komplex ist. Da es sich um neue Märkte handelt, in denen Anwenderanforderungen noch auf vielen Annahmen basieren, sind der wirtschaftliche Nutzen und die Wettbewerbsfähigkeit neuer Maschinenkonzepte und hochautomatisierter Maschinensysteme erst noch zu bestätigen. Von besonderer Bedeutung ist es, sich frühzeitig mit der neuen Rolle der Bediener zu befassen und das Automatisierungskonzept menschzentriert aufzubauen. Nur wenn die neuen Systeme den Menschen weder unter- noch überfordern werden sie akzeptiert werden und ihr Potenzial entfalten können.

Literatur

[1]     Lorenz, S.; Krzywinski, J.; Schreiber, C.: Feldschwarm‐HMI – a semistationary user interface for operating and monitoring highly automated systems. 77. International Conference on Agricultural Engineering. Hanover, 2019.

[2]     Böttinger, S.: Mähdrescher. In: Frerichs, L. (Hrsg.): Jahrbuch Agrartechnik 2015, Bd. 27, 2016, S. 158 – 170.

[3]     Karner, J.; Baldinger, M.; Schober, P.; Reichl, B.; Prankl, H.: Hybridsysteme für die Landtechnik. Agricultural Engineering, Bd. 68 H.1, pp. 22–25, 2013.

[4]     Gaus, C.; Minßen, T.; Urso, L.; de Witte, T.; Wegener, J.: Mit autonomen Landmaschinen zu neuen Pflanzenbausystemen. Abschlussbericht FKZ 2814NA012, BMEL (BÖLN), Braunschweig, 2017.

[5]     Bangert, W.; Kielhorn, A.; Rahe, F.; Albert, A.; Biber, P.; Grzonka, S; Haug, S.; Michaels, A.; Mentrup, D.; Hänsel, M.; Kinski, D.; Möller, K.; Ruckelshausen, A.; Scholz, A.; Sellmann, F.; Strothmann, W.; Trautz, D.: Field-Robot-Based Agriculture. In: Land.Technik, AgEng, Hannover, 2013.

[6]     Griepentrog, H. W.; Blackmore, B. S.: Autonomous Crop Establishment and Control System. Agricultural Engineering, Hannover, 2007.

[7]     Underwood, J.; Wendel, A.; Schofield, B.; McMurray, L.: Efficient in-field plant phenomics for row-crops with an autonomous ground vehicle. Field Robotics, Bd. 34 (6), S. 1061–1083, 2017.

[8]     Herlitzius, T.; Fehrmann, J.: Gutachten Stand und Tendenzen der Roboteranwendungen im Bereich der Pflanzen- und Tierproduktion. Wissenschaftlicher Dienst des Deutschen Bundestages, 2017.

[9]     Ruckelshausen, A.: Autonome Feldroboter. KTLB-Schrift 480 (pp. 146-155), 2010.

[10]   Dörr, J.; Fairclough, B.; Henningsen, J.; Jahić, J.; Kersting, S.; Menning, P.; Peper, C.; Scholten-Buschhoff, F.: Scouting the Autonomous Agricultural Machinery Market. IESE-Report Nr. 041.19/E, Kaiserslautern, 2019.

[11]   Kalyuga, S.: Instructional designs for the development of transferable knowledge and skills: A cognitive load perspective. Computers in Human Behavior 25(2), pp. 332-338, 2009.

[12]   Kirschner, P. A.: Do learners really know best? Urban legends in education in Educational Psychologist, 48(3), pp. 169-183, 2013.

[13]   Karkee, M.; Qin, Z.: Fundamentals of Agricultural and Field Robotics. Springer Nature, S. 387 - 414, 2021.

[14]   Herlitzius, T.; Ruckelshausen, A.; Krzywinski, J.: Mobile Cyber Physical System concept for controlled agricultural environments in Land-Technik, AgEng (2015).

[15]   Linz, A.; Brunner, D.; Fehrmann, J.; Herlitzius, T.; Keicher, R.; Ruckelshausen, A.; Schwarz, H.-P.: Modelling environment for an electrical driven selective sprayer robot in orchards. Advances in Animal Biosciences, 8(2), S. 848 - 853, 2017. DOI: 10.1017/S2040470017000723.

[16]   Pfaffmann, S.; Tarasinski, N.; de Moraes Boos, F.: Development of a Fully Electric Agricultural Machine with External Power Supply. 7th International Conference on Agricultural Engineering. Hanover, 2019.

Autorendaten

Prof. Dr.-Ing. habil. Thomas Herlitzius ist Inhaber der Professur für Agrarsystemtechnik und Direktor des Instituts für Naturstofftechnik in der Fakultät Maschinenwesen der Technischen Universität Dresden. Dipl.-Ing. Martin Hengst und Dipl.-Ing. Jens Fehrmann sind wissenschaftliche Mitarbeiter der Professur für Agrarsystemtechnik, Institut für Naturstofftechnik, Fakultät Maschinenwesen der Technischen Universität Dresden.

Keywords:
field robots, autonomous machines, machine concepts, modular systems
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Herlitzius, Thomas; Fehrmann, Jens; Hengst, Martin: Exemplary development projects for automation. In: Frerichs, Ludger (Hrsg.): Jahrbuch Agrartechnik 2021. Braunschweig: Institut für mobile Maschinen und Nutzfahrzeuge, 2022. – pp. 1-10

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