Projekt 04450/01

Entwicklung einer sensorisch gesteuerten Maschine (Querhacke) für die mechanische Beikrautregulierung innerhalb der Reihen von Pflanzenkulturen im Land- und Gartenbau sowie in der Forstwirtschaft

Projektdurchführung

Prof. Dr. Erhard Mielenhausen
49076 Osnabrück

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Entwicklung und Erprobung einer sensorgesteuerten Maschine (Querhacke) zur mechanischen Beikrautregulierung innerhalb der Reihen von Pflanzenkulturen im Land- und Gartenbau sowie in der Forstwirtschaft zur Reduktion des Konkurrenzdrucks um Wachstumsfaktoren und zur Substitution chemischer Applikationstechniken.


Ergebnisse und Diskussion

Das Ziel des Forschungsvorhabens bestand in der Entwicklung einer sensorgesteuerten Hackmaschine, die innerhalb einer Reihenkultur Beikräuter hackt.
Bisher galten sowohl die sensorische on-line Unterscheidung von Nutzpflanzen und Beikräutern als auch die lokale mechanische Beikrautregulierung als ungelöste technische Fragestellungen im Umfeld des precision farmings. Für beide Bereiche wurden im Rahmen des Vorhabens neue Lösungskonzepte entwickelt und in einer praxisorientierten interdisziplinären Zusammenarbeit der Fachbereiche Elektrotechnik und Informatik, Maschinenbau, Agrarwissenschaften und Wirtschaft der Fachhochschule Osnabrück und des Industriepartners Amazone umgesetzt.
Das Entwicklungskonzept der sensorgesteuerten Querhacke basiert auf einer pflanzenbaulichen Charakterisierung der Nutzpflanzen Technologien entstanden im Rahmen des Projektes : Multisensorsystem und Zykloidenhacke. Die in Projektphase 1 entwickelten pflanzenbaulichen, sensorischen, mechanischen und landtechnischen Komponenten wurden in Phase 2 kombiniert und parallel weiterentwickelt oder optimiert. Die in Phase 1 aufgebaute Infrastruktur für Labor-, Gewächshaus- und Feldversuche ermöglichte eine schnelle Umsetzung neuer Entwicklungen von der Idee bis zum Einsatz im Maisfeld.
Eine intensivere Zusammenarbeit der Bereiche Agrarwissenschaften, Elektrotechnik/Informatik und Maschinenbau war in Projektphase 2 erforderlich, da hier die mechanischen und sesorischen Komponenten in Versuchen auf dem Feld sowie im Gewächshaus erprobt wurden. Die Komplexität des Projektablaufes wurde auch durch die logistischen Randbedingungen deutlich erhöht. Dies betrifft beispielsweise den Transport der Geräte oder die Verfügbarkeit einzelner Komponenten, auch im Zusammenspiel mit laufenden Diplomarbeiten. Durch die Einführung eines Projektplanungssystems in Phase 2 wurden die neuen Anforderungen an die Projektorganisation unterstützt.
Nach unserem Kenntnisstand wurden sowohl die sensorischen als auch die mechanischen Komponen-ten und deren Kombination erstmals konzipiert, realisiert und in einem landwirtschaftlichen Prototyp eingesetzt.
Damit wurde die Grundlage für die Entwicklung von Geräten zur Beikrautregulierung gelegt, die zu einer deutlichen Reduktion des Herbizideinsatzes führen können oder sogar auf deren vollständigen Verzicht. Die Geräte stehen für die Messung landwirtschaftlicher Parameter und die Erprobung zur Praxistauglichkeit zur Verfügung. Methodisch wurde ein Konzept zur Anwendung auf andere Reihenkulturen entwickelt. Durch die Breite der Sensorikentwicklung ergaben sich weiterhin - als Nebenprodukte des Vorhabens - zahlreiche Kontakte und neue Projekte mit Industriepartnern und Instituten in dem Themenbereich Sensorsysteme in der Landwirtschaft.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Konzepte und die Ergebnisse wurden durch mehrere Veröffentlichungen, Vorträge und Ausstellungen sowohl national (z.B.: Unkrauttagungen Stuttgart-Hohenheim, 1998/2000 oder VDI-MEG Jahrestagung für Landtechnik 1999) als auch international (z.B.:Weeds 99, Brighton-Conference oder 13th International Scientific and Technical Conference of IFOAM 2000, Basel) zur Diskussion gestellt. Weiterhin wurde das Projekt durch die Einbeziehung von 34 DiplomandINNen unterstützt, die durch die entsprechenden Dokumentationen und Präsentationen Teilaspekte des Projektes in die Hochschulöffentlichkeit transportiert haben. Die Materialien sind zusammen den technischen Abschlußberichten sowie zahlreichen Bildern und Movies auf einer CD Sensorgesteuerte Querhacke dokumentiert.
Im Projekt wurde von Beginn an eine Zusammenarbeit mit hoher interner Transparenz und Kommunikation mit externen Fachleuten verfolgt. Die Praxisnähe wurde durch mehrere Treffen und Symposien mit Industrievertretern sichergestellt. Ein Erfahrungsaustausch mit anderen in dem Forschungsbereich tätigen Instituten hat stattgefunden, wobei insbesondere die Universität Bonn, das Institut für Agrartechnik Bornim, die Arbeitsgemeinschaft Ökologischer Baumschulen sowie die FAL Braunschweig zu nennen sind. Durch die Veröffentlichungen und Konferenzbeiträge wurden die Konzepte und Ergebnisse einer breiteren Fachöffentlichkeit zur Diskussion gestellt. Die Resonanz auf den im Projekt verfolgten interdisziplinären Ansatz war ausgesprochen positiv.
Weiterhin wurde die Öffentlichkeit durch zahlreiche Aktivitäten innerhalb und außerhalb der Hochschule über den Entwicklungsstand informiert. Das Spektrum der Veranstaltungen reicht von Laborbesichtigungen für Studentengruppen bis zur Messeausstellung bei der Agritechnica 99.


Fazit

Das Projektziel wurde durch die Verfügbarkeit eines Prototyps der sensorgesteuerten Querhacke für den Feldeinsatz sowie mehrerer Testaggregate für praxisorientierte Versuche am Beispiel Mais in vollem Umfang erreicht. Dieses technisch-wissenschaftliche Ziel konnte trotz der außerordentlich hohen Komplexität der sensorischen und mechanischen Komponenten als auch deren Zusammenspiel in einer durch Störgrößen dominierten landwirtschaftlichen Umgebung gelöst werden. Hierdurch wurde die Basis für die Entwicklung eines Prototypen für eine Produktentwicklung gelegt, wobei zur Entwicklung eines marktfähigen Gerätes durch ein Industrieunternehmen weitere Vorarbeiten erforderlich sind. Hierzu zählen insbesondere die Softwareentwicklung für eine erweiterte Pflanzen/Sensorik-Datenbank, Lebensdaueruntersuchungen für sensorische und mechanische Komponenten sowie weitere Feldversuche zum Einfluss von Störgrößen.
Die im Projekt getestete Verwendung einer Spritze als Aktor stellt einen alternativen Lösungsansatz dar, bei dem gegenüber der mechanischen Bearbeitung ein Vorteil bzgl. der Entwicklungskosten eines Gerätes gesehen wird. Die Umweltbelastung könnte dadurch gegenüber einer flächendeckenden Bearbeitung reduziert werden, allerdings wäre die Reduzierung im Fall der sensorgesteuerten Hacke erheblich größer.
Im Bereich der Sensorik war neben dem Multisensorkonzept die Einführung von CMOS-Kameras von großer Bedeutung und Resonanz, wobei hierfür ein europäisches Patent angemeldet wurde. Die Verwendung mehrerer low-cost CMOS-Kameras in Verbindung mit spektralen Signaturen erscheint als eine mögliche zukünftige Variante zur on-line Unterscheidung von Nutzpflanzen und Beikräutern.