Flugobjekt, Bild: Headwall Photonics/Polytec

Flugobjekt von Headwall Photonics: Für die Feldinspektion stehen zahlreiche Drohnen-Typen zur Verfügung, von einfachen Modellen, die fast wie Hobby-Ausstattung anmuten, bis zu ausgefeilten Systemen mit verschiedenartigen Sensoren, spezifischer Auswertesoftware und weiterem Zubehör. Bild: Headwall Photonics/Polytec

Precision Farming wird derzeit als Zukunft der Landwirtschaft gehandelt. Informationen zu einzelnen Pflanzen und genaue Kenntnis des Ackers sollen helfen, den Ertrag zu erhöhen und die Menge des verwendeten Pflanzenschutzmittels zu verringern. Zu den wirtschaftlichen Effekten gesellt sich also eine geringere Belastung der Umwelt mit Pestiziden. Eine mögliche Umsetzung dieser Vision ist der Einsatz von Robotern, aber auch von Drohnen: Letztere könnten sowohl die benötigten Daten vom Feld sammeln, als auch gezielte Maßnahmen, etwa gegen Insekten- oder Unkrautbefall, einleiten. Weit entfernt ist diese Zukunft nicht mehr, wie ein Blick auf aktuelle Prototypen und verfügbare Systeme zeigt.

Drohnen für die Feldinspektion

Grafik Drohnen-Schwarms, Bild: Echord
Noch im Forschungs-Stadium ist die Idee eines Drohnen-Schwarms, bei dem mehrere, eher günstige Flugobjekte zusammenarbeiten. Bild: Echord

Auf dem Markt sind momentan verschiedene Drohnen-Modelle für die Landwirtschaft erhältlich, mit feststehenden Flügeln oder als Multicopter. Sie unterscheiden sich in Funktion und Preis sehr stark. Ein Beispiel ist das Drohnen-Inspektions-System von Headwall Photonics. Das Komplettsystem besteht aus einem Multicopter mit angepasstem Gimbal, wie in Fachkreisen die Kamera-Aufhängung mit Bildstabilisierung genannt wird. Das Paket enthält eine Positionssensorik zur Flugparametersteuerung sowie eine VNIR- oder SWIR-Hyperspektral-Bildsensorik. Enthalten ist außerdem Software zur Flugplanung, zur Nachbearbeitung der Daten und zur Bildkorrektur, Analyse und der Verknüpfung mit Geo-Daten. 

Je nachdem, was die Drohne erfassen soll, wird sie ausgestattet mit einem Nano-Hyperspec-VNIR-Sensor für den sichtbaren und nah-infraroten Wellenlängenbereich oder mit einem Micro-Hyperspec-Sensor für SWIR, also den kurzwelligen Infrarotbereich. Als Option kann zusätzlich ein Lidar-Modul integriert werden.  Auf Knopfdruck lassen sich Parameter wie Vegetationsindizes erfassen. Aber auch andere Kenngrößen wie beispielsweise Pflanzenbefall durch Krankheiten oder Schädlinge sollen sich mit geeigneten Modellen bestimmen lassen.

Die Einheit schafft nach Auskunft des Vertriebspartners Polytec pro Akkuladung etwa 15 bis 25 Minuten Flugzeit. Welche Fläche sie in dieser Zeit erfasst, hängt davon ab, welche Auflösung gewünscht wird. Diese lässt sich einstellen, von zentimetergenauer Messung zur Erfassung einzelner Blätter bis zu mehreren Metern pro Pixel. Diese Daten speichert die Drohne intern. Mit der einfachsten Ausstattung ist sie ungefähr ab 75.000 Euro erhältlich.

Drohnenschwarm statt Solitär

Einen anderen Ansatz verfolgt das Forschungsprojekt Saga: Ein einzelnes, kleines Flugobjekt werde auf sehr großen Feldern möglicherweise an seine Grenzen stoßen, so die Überlegung. Die Lösung ist ein Drohnen-Schwarm. Aus der Arbeit im Team ergeben sich noch weitere Möglichkeiten: An besonders pflegebedürftigen Stellen des Feldes könnten beispielsweise besonders viele Einheiten arbeiten. Außerdem ließe sich über den Schwarm eine höhere Genauigkeit der Daten erreichen, da verschiedene Individuen zu unterschiedlichen Zeiten und aus verschiedenen Perspektiven Informationen sammeln.

Die Qualität der Daten ist ein wichtiger Punkt, wenn sich die Flugobjekte bei der Unkrautbekämpfung nützlich machen sollen. Denn schließlich müssten die Drohnen Nutzpflanzen von Unkraut unterscheiden und eventuell sogar identifizieren, um welche Art es sich bei einer als unerwünscht eingestuften Pflanze handelt.

Beim Saga-Projekt modifizierten Forscher für die Unkrauterfassung kleine, günstige Drohen. Die Flugobjekte planen ihre Routen autonom. Der Schwarm erstellt eine Karte des gesamten Felds, wobei die Drohnen Prinzipien der Schwarmintelligenz nutzen. Die Verteilung der Individuen über Zonen mit hoher Unkrautdichte regelt ein Algorithmus, der von den Flugmustern schwärmender Bienenvölker inspiriert wurde.

In Zukunft sollen die Drohnen mit bodengängigen Robotern kollaborieren und so heterogene Schwärme als Basis für eine dezentralisierte Bewirtschaftung der Äcker bilden.

Das Saga-Experiment stellten die Forscher auf der Automatica in Halle B4 aus. Es gehört zum EU-Projekt Echord++ (The European Coordination Hub for Open Robotics Development). Dieses Projekt umfasst verschiedene Experimente und technologische Innovationen. Es soll die wissenschaftliche Basis für neue Produkte liefern. Teil des Projektes sind außerdem Einrichtungen, welche es erlauben, Geschäftsideen auszuprobieren und Feldtests durchzuführen. Zu den Teilnehmern gehören verschiedene Forschungseinrichtungen und Unternehmen.

Roboter sammelt Gurken ein

Ein weiteres Echord++-Experiment, das ebenfalls auf der Automatisierungsmesse in München präsentiert wurde, ist der Gurkensammelroboter Catch (Cucumber Gathering – Green Field Experiments). Er wurde insbesondere für die Ernte von Einlegegürkchen konzipiert und soll das jetzige, arbeitsintensive Verfahren ablösen. Dabei liegen bis zu 50 Erntehelfer bäuchlings auf einem sogenannten Gurkenflieger, der sie über das Feld fährt. Durchschnittlich pflückt jede Person 13 Gurken pro Minute. Bis zu 30 Erntedurchgänge werden in einer Saison etwa gefahren. Das Problem der Landwirte ist, dass einerseits die Einzelhändler Druck auf die Preise ausüben, andererseits die Personalkosten steigen. Automatisierung soll den Gurkenanbau in Deutschland rentabel halten, so die Überlegung hinter dem Projekt. Wissenschaftler aus Deutschland und Spanien haben daher aus Leichtmodulen ein günstiges Dual-Arm-Robotersystem gebaut. Beteiligt waren das Fraunhofer IPK, das Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie und das CSIC-UPM Centre for Automation and Robotics in Madrid.

Gurkensammelroboter Catch, Bild: Echord
Die Forscher testeten beim Gurkensammelroboter Catch verschiedene Greifsysteme. Bild: Echord

Die Entwicklungsziele sind hoch gesteckt: Das Erntesystem soll erstens nicht nur für Gurken, sondern auch andere Feldfrüchte zu gebrauchen sein. Und zweitens muss es das Gemüse finden, zuverlässig erkennen, ob es reif ist, es dann schonend pflücken und ablegen – egal bei welcher Witterung. Die Forscher testeten verschiedene Gurkensorten im Freilandversuch. Untersucht wurden unter anderem die Qualität der geernteten Früchte und die Abrisskräfte zum Trennen der Gurke von der Ranke.

Die Ernte ist für Roboter nicht so einfach, wie man als Außenstehender vielleicht denken würde. Denn die Früchte sind oft hinter Blättern versteckt. Zudem ändern sich die Lichtverhältnisse ständig und die Gurken wachsen unregelmäßig angeordnet an den Ranken. Mit ihrer grünen Farbe heben sie sich zudem kaum von den umgebenden Blättern ab. Ein gutes Kamerasystem mit entsprechender Software sind also entscheidende Faktoren.

Wie seine menschlichen Vorbilder hat der Gurkensammler zwei Arme, die aus dem Robolink-Programm von Igus stammen und je fünf Freiheitsgrade aufweisen. Die Steuerung baut auf einer Dual-Arm-Robotersteuerung auf, welche die Forscher für das Projekt weiterentwickelten. Der Roboter ahmt menschliche Such- und Greifbewegungen nach. Für die Greifer entwickelten und testen die Forscher drei Prototypen: Vakuumtechnisch, mit bionischen Greifbacken und basierend auf der Openbionics-Robot-Hand.

Mit ihren Ideen sind die Wissenschaftler im Echord++-Projekt nicht alleine. Viele Unternehmen und Forschungsinstitute arbeiten an Robotern für die Landwirtschaft. Zur Marktreife schafft es selbstredend nur ein Bruchteil der Konzepte. Auch für den Gurkenernteroboter Catch und die Saga-Schwärme ist es bis dahin noch ein weiter Weg.

Spargelernte ohne Rückenschmerzen

Zu den automatisierten Erntehelfern, die es kürzlich zur Marktreife gebracht haben, gehört die Spargelerntemaschine Sparter: Im März 2018 verkaufte das niederländische Unternehmen Cerescon den ersten der selektiven Spargelernte-Roboter an einen Betrieb in Frankreich. Die Markteinführung begann, gefördert mit EU-Mitteln, im Juli 2018. Entwickelt wurde die Maschine von einem eigens gegründeten Familienunternehmen in enger Zusammenarbeit mit Spargelanbaubetrieben in Deutschland und den niederländischen Provinzen Nordbrabant und Limburg. Die Maschine erfasst während der Fahrt unterirdisch den Spargel, sticht ihn, handhabt die Plastikfolie und setzt den Spargel-Damm wieder instand.

Die Kosten für das Spargelstechen mit Roboter-Unterstützung sollen im Vergleich zum Stechen von Hand nur die Hälfte betragen. Laut Hersteller erzielt die Maschine nicht nur einen höheren Ertrag, weil Schäden am Spargel weitestgehend vermieden werden, sondern verbessert auch die Qualität des geernteten Gemüses: Denn da die Maschine die Stangen aufspürt, bevor sie die Erdoberfläche durchbrechen, verfärben sich die Triebe nicht. Damit erhalten die Betreiber besonders hochwertige Ware, denn jeder Zentimeter, den die Stangen aus der Erde wachsen, mindert ihren Preis.

Für die Ernte 2019 plant der Hersteller, bereits sechs Exemplare für den Verkauf zu produzieren. Mehrere Anbaubetriebe haben diesbezüglich Fördermittel beantragt, von denen einige bereits bewilligt wurden. In den folgenden Jahren will das Unternehmen dann jährlich die Verkaufszahlen verdoppeln bis zu einer Höchstzahl von 65 Maschinen im Jahr.

Automatisierte Obsternte

Ein interessanter Prototyp, der ebenfalls mit Roboterarmen arbeitet, ist der SW 6010 des spanischen Herstellers Agrobot. Diese Maschine erntet automatisiert Erdbeeren. Um die Reife der Früchte zu bestimmen, prüft ein Kamerasystem vor dem Abschneiden jede einzelne Beere. Die E-Serie wurde so konzipiert, dass sie autonom innerhalb der Reihen verschiedener Erdbeerfarmen eingesetzt werden kann. Sie hat bis zu 24 eingebaute Roboterarme. Diese greifen nicht die Frucht selbst, sondern den Stängel der Erdbeere, schneiden ihn von der Pflanze und setzen die Frucht in einen Feldcontainer. Eingebaut wurden hier die elektrischen Winkelgreifer der Serie MPBM 1640 des Herstellers Gimatic.

Für andere Obstsorten sind weitere Prototypen in der Erprobung, für Äpfel zum Beispiel von den Firmen FF Robotics und Abundant Robotics.

Aussaat im Schwarm

Sähroboter Xaver, Bild: Fendt
Fendt entwickelt auf Basis des Forschungsprojektes Mars die elektrisch angetriebenen Schwarmroboter Xaver für die Aussaht zu einer marktreifen Lösung weiter. Bild: Fendt

Der Einsatz künstlicher Schwärme ist auch am Boden möglich: Die Säh-Einheiten Xaver von Fendt arbeiten als Team auf dem Feld. Sie navigieren per Satellit und sind mit einer Cloud verbunden. Das ermöglicht es ihnen, für jedes Saatkorn Ablageort und Saatzeitpunkt festzuhalten. Damit ist der Standort der ausgesäten Einzelpflanzen von Beginn an bekannt. Eine Datenbasis für die Unkrautbekämpfung oder Düngung im Sinne von Precision Farming steht damit gleich nach der Aussaat zur Verfügung. Das System basiert auf dem Forschungsprojekt Mars (Mobile Agricultural Robot Swarms), welches Fendt und Agco zusammen mit der Hochschule Ulm und der EU Forschungsförderung durchführten.

All das zeigt: Es ist nur noch eine Frage der Zeit, bis Roboter die Erntehelfer auf vielen Feldern ersetzen können. Auch in der Aussaht und Pflege der Pflanzen deuten sich Umbrüche durch Flugdrohnen und Roboter an.