Assistenzsysteme in der Kartoffel- produktion

Technik
Assistenzsysteme in der Kartoffelproduktion
Die ökonomischen Anforderungen für moderne landwirtschaftliche Maschinen steigen aufgrund der
hohen Nachfrage und des starken globalen Wettbewerbs bei der Produktion von Lebensmitteln und
Biomasseerzeugnissen stetig an. Damit sich die landwirtschaftlichen Produzenten am Markt optimal
positionieren können, werden von diesen immer effizientere Maschinensysteme nachgefragt, die eine
hohe Schlagkraft in Verbindung mit einer bestmöglichen Arbeitsqualität kombinieren und dazu geringe Kosten generieren.
Dr. Johannes Sonnen und Dr. Michael Klindtworth, Grimme Landmaschinenfabrik GmbH & Co. KG, Damme
D
ie Neuentwicklungen und Innovationen im Bereich der Landtechnik
lassen sich derzeit grundsätzlich in zwei
Kategorien aufteilen [1]. Auf der einen
Seite stehen die konstruktiven Weiterentwicklungen von mechanischen Maschinensystemen. Aufgrund des hohen
technischen Reifegrades der Systeme unterliegen diese Weiterentwicklungen dabei in der Regel einem evolutionären Prozess und fokussieren sich auf Detailoptimierungen und Vergrößerungen bereits
bekannter Maschinensysteme. Zudem
sind revolutionäre konstruktive Neuentwicklungen auch anzutreffen, allerdings eher in der Unterzahl. Infolge der
wachsenden Maschinendimensionen
werden schon heute, speziell im europäischen Raum, die Grenzen des gesetzlich
und strukturell Möglichen ausgereizt.
Da der europäische Markt einen Anteil
von ca. 33 % am weltweiten Produktionsvolumen von ca. 80 Milliarden Euro für
Landmaschinen und Traktoren besitzt,
Abb. 1: Spurassistenzsystem RowRunner Abb. 2: Ausnutzungsgrad des Maschinenpotenzials
Ausnutzungsgrad des verfügbaen Potenzials der
Maschine durch den Fahrer, Schätzung [%]
100
ungenutztes Potenzial
50
Phase des
„Neu“-Erlernens
Phase der
gewohnten Nutzung
Phase der
Ermüdung
(mangelnde
Konzentration)
Ende der Saison
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hat das beginnende Ende des Größenwachstums der Maschinen auf dem europäischen Markt einen erheblichen globalen Einfluss [2].
Auf der anderen Seite werden die landtechnischen Innovationen mittlerweile
maßgeblich durch die Weiterentwicklungen im Bereich der Elektronik, Sensorik und Software geprägt. Dabei steht
die Betrachtung einer Landmaschine
bzw. eines Landmaschinengespanns als
mechatronisches Gesamtsystem im Mittelpunkt, mit dem Ziel, den bestehenden
Arbeitsprozess durch die Erweiterung
um intelligente Funktionen hinsichtlich
Effizienz, Präzision, Umwelt und Kosten
zu optimieren (siehe Abb. 1). Die Moti-
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Automatisierung bzw. Teil-Automatisierung von Arbeitsprozessen
Dadurch wird der Fahrer von dauerhaft oder häufig auszuführenden Eingriffen befreit und kann damit eine Überwachungstätigkeit über den übergeordneten
Arbeitsprozess einnehmen, wobei die jeweilige Maschinenfunktion durch eine
Regelung in einem optimalen Betriebspunkt gehalten wird. Somit können Fehlbedienungen des Fahrers auf ein Minimum reduziert werden.
Vor dem Hintergrund des in einigen
Bereichen limitierten Größenwachstums
bietet dieses Vorgehen die Möglichkeit,
die Leistungsfähigkeit bei gleichbleibender Maschinengröße deutlich zu erhöhen und damit trotzdem die o. g. Anforderungen der landwirtschaftlichen Produzenten an die Landtechnikhersteller
Tab. 1: Gruppierung Assistenzsysteme
Nr. Beschreibung
Beispiel
A
Maschineninterne Assistenzsysteme
Rodetiefenregelung
B
Assistenzsysteme für Maschinen im Verbund
Traktor-Geräte-Automatisierung
C
Maschinenexterne Assistenzsysteme
Berechnungstools/Entscheidungstools
Entwicklungszeit
vation der Landtechnik für dieses Vorgehen begründet sich darin, dass die Fahrer mit steigender Komplexität von Landmaschinen und dem dafür notwendigen
Fachwissen heute häufig nicht in der Lage sind, das Potenzial eines Landmaschinensystems in vollem Umfang auszunutzen. Besonders bei nur saisonal eingesetzten Maschinen mindern das jährliche
Neuerlernen des Maschinenumgangs sowie die zum Ende einer Saison mangelnde Konzentration den Ausnutzungsgrad
(siehe Abb. 2).
erfüllen zu können. Des Weiteren entstehen in der Regel Kostenvorteile, da
die identische Leistungssteigerung eines
bestehenden Maschinensystems auf diesem Wege günstiger zu realisieren ist, als
durch eine konstruktive Vergrößerung.
Erweitert wird die beschriebene maschineninterne Arbeitsprozessoptimierung
um innovative Datenmanagementsysteme, die den gesamten übergreifenden
Verfahrensprozess mit öffentlichen und
betrieblichen Informationsquellen verknüpfen und damit neue Möglichkeiten
der Bestands- und Betriebsführung eröffnen. Bei konsequenter Anwendung
lässt sich dadurch in Zukunft die gesamte Prozess- und Verfahrenskette vom Anbau bis zum Endverbraucher in einer vernetzten Struktur abbilden und optimieren (in Anlehnung an [3]).
ne Hersteller arbeiten in Bezug auf den
dargestellten Hintergrund seit ca. 15
Jahren intensiv an der Entwicklung von
Assistenzsystemen, um dem Fahrer die
kontinuierlichen Einstell- und Überwachungsaufgaben, bedingt durch wechselnde Umgebungsbedingungen wie beispielsweise der Bodenart, der Bodenfeuchte, der Außentemperatur, den Erntebedingungen und den Schlaggeometrien, abzunehmen. Die Assistenzsysteme
lassen sich wie in Tab. 1 gruppieren.
Entwicklungstendenzen in
der Hackfruchtproduktion
Ertragserfassung und
Ertragskartierung
Die beschriebenen Entwicklungstendenzen sind auch im Bereich der Hackfruchtproduktion angekommen. Einzel-
Bedingt durch schärfere gesetzliche
Sanktionen der Transportfahrzeuge hat
die Firma Grimme für zweireihig gezogene Kartoffelroder und für den selbst
fahrenden Rübenroder Maxtron 620 ein
Bunkerwiegesystem entwickelt, mit dem
die Zuladung kontrolliert werden kann.
Vereinzelt wurde von der Kundschaft neben der Ertragserfassung (wie viel Tonnen sind im Bunker/wie viel Tonnen
wurden auf dem Feld gerodet) eine Ertragskartierung gefordert, um die ermittelten Ertragswerte Teilflächen auf dem
Tab. 2: Auflistung Assistenzsysteme Grimme Landmaschinenfabrik
Name
Beschreibung
Wesentlicher Nutzen
Visual Protect
Ereignisabhängige Einblendung von
Videobildern
Maschinenschonung, Fahrerentlastung
A
Terra Control
Konstanter Dammdruck unter allen
Erntebedingungen
Produktschonung
A
Clever Planting
Veränderte Legeabstände neben den
Fahrgassen
Pflanzenbauliche Anforderung/homogene Kartoffelgrößen
A
Speedtronic
Füllstandsabhängige Drehzahlregelung
eines Überladeelevators
Produktschonung
A
BanddrehzahlRegelung
Lastabhängige Drehzahlregelung der
Trennorgane
Produktschonung/Verringerung der
Standzeiten
A
Wiegebunker
Ertragserfassung
Optimierung der Transporte
A
Section Control
Automatischer Start/Stopp der Legeelemente am Vorgewende/automatische
Fahrgassenschaltung
Pflanzenbauliche Anforderungen
A
Traktor u.
‚Geräte
Automatische Lenkung des angehängten
Gerätes und/oder des Traktors/keine
Dammüberfahrt/exaktes Anschlussfahren
Fahrerentlastung/Effizientere
Flächenausnutzung
B
Traktor-Implement-Management (TIM)
Automatische Tiefenregelung Legemaschine (Hitch Control)/automatische maximale
Fahrerentlastung/
Auslastung eines zweireihigen Roders
Höhere Maschinenauslastung
(Speed Control)/automatische Spurführung
des Schleppers (RowRunner)
B
Grimme-Tools
Applikation (App) für Tablets und Smartphones/Fahrgassenkalkulator (CalcMyTrack)/Kalkulator zur Bestimmung des
Pflanzgutbedarfs (CalcMyPlants)
C
Optimierung des Anbaus
Tab. 1
Die Tab. 2 listet die aktuell verfügbaren
Assistenzsysteme mit einer Zuordnung
zu den in Tab. 1 aufgelisteten Gruppen
an Beispielen der Grimme Landmaschinenfabrik auf. Im Nachgang der Tabelle
werden einzelne Assistenzsysteme näher
erläutert.
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Abb. 3: Section Control-Hauptbedienoberfläche
Feld zuordnen zu können. Die Landwirte nutzen diese Informationen, um
zu wissen, wie sich ihre Ressource Boden in Verbindung mit dem eingesetzten
Pflanzgut, dem Dünger, der Beize, der
Niederschlagsmenge, der Sonneneinstrahldauer und weiteren Faktoren ausgewirkt hat.
Es lässt sich aktuell ein Trend feststellen, dass Anbieter von externen Lenksystemen, die bald jeder Schlepperhersteller
optional vom Werk aus anbietet, die Anbauberatung und damit verbundene Erstellung von Applikationskarten als neues Geschäftsfeld ausbaut. Zur Umsetzung
der erstellten ISO-genormten Applikationskarten bietet Grimme auf dem CCITerminal ein System an, mit dem eine
entsprechend ausgestattete Legemaschine (Becher- als auch Riemenlegemaschinen) ihren Legeabstand oder die auszu-
Abb. 4: Bedienoberfläche Legemaschine mit Clever-Planting
bringende Düngermenge örtlich auf dem
Feld variieren kann. Das Assistenzsystem Section Control (Abb. 3) ermöglicht
das automatische Anlegen von Fahrgassen und das automatische Abschalten der Legeelemente an einer virtuellen
Abschaltlinie (u. a. auf keilförmigen Flächen). Das System Clever-Planting reduziert prozentual den Legeabstand in der
Reihe neben den Fahrgassen (Abb. 4).
Zur örtlichen Bestimmung nutzen die
Systeme das GPS-RTK-Signal des Traktor-Lenksystems.
So kann die vermarktungsfähige Ware
gesteigert werden, da die enger gelegten
Kartoffelpflanzen neben den Fahrgassen
mehr kleinere Knollen ansetzen und so
das Angebot von mehr Licht ausgeglichen ist.
Abb. 5: Hitch Control automatische Tiefenführung am Beispiel einer getragenen Legemaschine.
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Geräte-Lenksysteme
An alle Maschinen von Grimme, die
mit einer Lenkachse bzw. einer Verschiebeeinrichtung ausgestattet sind, können
externe Geräte-Lenksysteme direkt an
ein optional erhältliches hydraulisches
Proportionalventil elektrisch gekoppelt
werden. Vermehrt ist der Einsatz von Geräte-Lenksystemen in Verbindung mit
Schlepperlenksystemen in Hanglagen
bzw. bei Kurvenfahrten zu erkennen. Erste Schlepperhersteller bieten erstmalig die
Möglichkeit, den Lenkzylinder der angehängten Geräte direkt an ein freies Hecksteuerventil des Schleppers zu koppeln.
Assistenzsysteme für im Verbund arbeitende Maschinen
Neuere Technologien und StandardDatenaustauschformate (ISO-Norm) ermöglichten besonders in den letzten 5
Jahren die Entwicklung von Assistenzsystemen für im Verbund arbeitende
Maschinen. Bei Grimme wurde erstmalig bei der einphasigen Rübenernte via
ISOBUS mit dem RootRunner-System
die Möglichkeit geschaffen, den Schlepper mithilfe eines Blatttasters an einem
Fronthäcksler und einer ElektronikEinheit automatisch zwischen den Rübenreihen zu lenken [8]. Aufbauend auf
dem RootRunner-Lenksystem für den
gezogenen Rübenroder Rootster wurde in 2013 das Lenksystem RowRunner
(Abb. 1) für seitengezogene Kartoffelroder entwickelt. Mithilfe einer Tasteinheit
in der Front des Schleppers wird neben
dem Schlepper das Dammtal abgetastet.
Die erzeugten Signale werden zu Lenkbefehlen für den Schlepper umgerechnet. Um diese genormten Lenkbefehle
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(John Deere ISOBUS / Fendt CAN-BUS)
ausführen zu können, muss der Schlepper mit einer Lenkvorrüstung ausgestattet sein.
Die Assistenzsysteme, die im Verbund
mit dem Schlepper agieren, werden unter
dem Begriff Tractor-Implement-Management (TIM) zusammengefasst. Den angebauten bzw. angehängten Geräten wird
dabei die Möglichkeit gegeben, folgende
Funktionen des Schleppers in definierten
Verstellbereichen zu beeinflussen:
• Hubwerksposition
• Fahrgeschwindigkeit
• Lenkung
• Volumenstrom der hydraulischen Zusatzsteuerventile
• Ein- und Ausschalten der Zapfwelle
• Zapfwellendrehzahl
Die getragene Legemaschine GL420
Exacta ist mit Hilfe der Funktion Hitch
Control in der Lage die notwendige Hubwerksposition anhand der Signale eines
Sensors (Abb. 5/1) zu bestimmen und
diese über ISOBUS an den Traktor zu
übermitteln (Abb. 5/2). Somit kann sichergestellt werden, dass die Legemaschine unabhängig vom Füllstand des
Pflanzgutbehälters die Bearbeitungstiefe (Abb. 5/3) des integrierten Bodenbearbeitungsgerätes einhält, um unter
den Pflanzkartoffeln eine gleichmäßige
Schichthöhe aufgelockerter Erde zu erzeugen.
Abb. 6: Positionierung der Sensoren zur Bestimmung der Vorgabe von Fahrgeschwindigkeit
und Zapfwellendrehzahl.
zahl des 1. und 2. Siebbands (ZapfwellenBei der 2-reihigen gezogenen Kartofdrehzahl) genutzt werden.
felvollerntemaschine SE 150/60 wird seit
2011 ein System zur Teilautomatisierung
In den Jahren 2011 bis 2013 durchgedes Arbeitsprozesses stufenweise rubrikentitel
ausführte Feldtests konnten unter gleichen
gebaut. Neben der Automatisierung der
Rodebedingungen und unter Einhaltung
Lenkung (RowRunner) standen die Steider Rodequalität auf demselben Feld ergerung der Effizienz und die damit verhebliche Leistungssteigerungen des teilbundene Steigerung der Flächenleistung
automatisierten Kartoffelroders in Verim Vordergrund. Zur Ermittlung der
bindung mit dem maschineninternen
Maschinenauslastung werden drei verAssistenzsystem Banddrehzahl-Regelung
schiedene Betriebsparameter messtech(Tab. 2) gegenüber dem manuell betrienisch erfasst (siehe Abb.6), die von der
benen Gespann von bis zu 25 % gemesFunktion Speed Control zur Regelung
sen werden [10]. Eine Ursache liegt darin,
der Fahrgeschwindigkeit und der Dreh-
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Abb. 7: Bedienoberflächen ausgewählter Grimme-Tools
dass manuell betriebene Gespanne vorwiegend defensiv betrieben werden, um
möglichen Verstopfungen der Trennorgane und damit Stillstandszeiten präventiv entgegenzuwirken. In Verbindung mit
den RowRunner Lenksystem wird das
Traktor-Kartoffelroder-Gespann somit
zu einem „Quasi-Selbstfahrer“.
Apps für Smartphones
und Tablets
Neben den elektronisch geprägten Assistenzsystemen wurden besonders in
den letzten 2 Jahren Assistenzsysteme
auf Basis von Smartphones bzw. Tablets
entwickelt. Diese Apps (Anwendungen)
helfen dem Landwirt bei seiner täglichen
Arbeit. Im Bereich der Kartoffelproduktion hat Grimme die App Grimme-Tools
vorgestellt (Abb. 7).
Die Apps helfen dem Landwirt bei der
Anlage von Fahrgassen bei 2-, 4-, 6- oder
8-reihigen Legemaschinen (CalcMyTrack) sowie CalcMyPlants zur Berech-
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nung des Pflanzgutbedarfs bei konventionellem sowie Beetanbau. Die App ist
kostenlos im App-Store von Apple für
die Geräte iPhone und iPad verfügbar.
Zeitnah werden weitere Grimme-Tools
in diese App integriert [11].
Die stetig fortschreitenden Entwicklungen bei Assistenzsystemen fördern
die Effizienz beim Anbau von Kartoffeln. Schon jetzt wird sichtbar, dass verfügbare Reserven durch den Einsatz von
Elektronik und Software in erheblichem
Umfang mobilisiert werden können (siehe Abb. 2).
Wirtschaftbericht+2012+Oeffentlichkeit.
pdf?MOD=AJPERES&CACHEID=9187c
80047028aa88305cb4e47be3951
[3] Köller, Landtechnische Innovationen auf der Agritechnica 2011, [Online] 02.08.2013: http://www.dlg.org/40.
html?detail/dlg.org/1/1/4461
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[8] RootRunner, [Online] 08.01.2014:
http://www.grimme.com/de/products/assistenzsysteme-1/rootrunner
[9] RowRunner, [Online] 08.01.2014: http://www.grimme.com/de/products/assistenzsysteme-1/tim-row-runner
[10] Speed Control, [Online] 08.01.2014:
http://www.grimme.com/de/products/assistenzsysteme-1/tia-tractor-implementautomation
[11] S p e e d C o n t r o l , [O n l i n e]
08.01.2014:http://www.grimme.com/de/
news/iphone-app-grimme-tools-im-appstore.118.html<<
Literatur
[1] Sonnen, Schweers, Grimme Landmaschinenfabrik GmbH & Co. KG, A modular self-propelled semi-autonomously
potato harvester, VDI-MEG Landtechnik
AgEng 2013, S.433-438
[2] VDMA Landtechnik, Wirtschaftsbericht 2012, [Online] 02.08.2013: http://
www5.vdma.org/wps/wcm/connect/9187c
80047028aa88305cb4e47be3951/VDMA+
■
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