Projekt 06331/01

Verminderung des Aufwandes an Herbiziden in der Pflanzenproduktion durch zielflächenorientierte Applikation

Projektdurchführung

Bundesforschungsanstalt für Landwirtschaft (FAL)Institut für Betriebstechnik und Bauforschung
Bundesallee 50
38116 Braunschweig

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Aus ökologischen und ökonomischen Gründen ist die weitere Reduzierung des Aufwandes an Herbiziden erforderlich. Dies ist nur möglich, wenn gezielt dort Herbizide ausgebracht werden, wo sich Unkräuter befinden. Dazu ist die Unkrauterkennung Voraussetzung. Mit Hilfe optoelektonischer Systeme ist eine Pflanzenerkennung, d.h. die Unterscheidung von grünen Pflanzen und von Boden, online möglich. Ziel ist es, solche optisch arbeitenden Systeme für den Einsatz unter den Bedingungen der europäischen Landwirtschaft anzupassen und zu optimieren, um somit für eine weitreichende Umweltentlastung zu sorgen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEs werden zwei optoelektronische Systeme zur Pflanzenerkennung (Detectspray und Selectspray) eingesetzt, welche das gleiche Erkennungsprinzip nutzen, sich aber bezüglich der Hardware- und Soft-ware-Ausstattung unterscheiden (24h-Betrieb durch eigene Lichtquelle, Anpassung an die Fahrge-schwindigkeit mechanisch oder elektronisch).
Für die Optimierung und Weiterentwicklung werden zunächst auf einem Versuchsfeld Versuche auf verschiedenen Feldfrüchten durchgeführt. Dafür sind die Zeiträume Frühjahr bis Herbst vorgesehen. In den Zwischenmonaten, aber auch begleitend zu den Feldversuchen, werden unter simulierten konstanten Umgebungsbedingungen Funktionstests durchgeführt und die Optimierungsschritte im Labor auf ihren Erfolg überprüft sowie Kalibrierungen der Sensoren vorgenommen. Mit Unterstützung einer Herstellerfirma von Feldspritzen wird parallel dazu die mechanische Anpassung an herkömmliche Spritzgestänge durchgeführt.
Die Weiterentwicklung beinhaltet die automatische Anpassung an die Fahrgeschwindigkeit durch Einsatz eines Radarsensors, die Konstanthaltung der gewünschten zu erkennenden Pflanzengröße auch bei veränderter Sichtfeldgröße der Sensoren infolge Abstandsveränderungen zum Boden (hervorgerufen durch trotz Pendelausgleich auftretende vertikale Spritzgestängeschwankungen), den Einzelabgleich (Nullabgleich) der Sensoren über der Spritzbalkenbreite, die einfache und sichere Handhabung des Systems bei unterschiedlichen Feldfrüchten sowie die Berechnung der verbrauchten Spritzbrühe und auf dieser Basis die Abschätzung der behandelbaren Restfläche. Die gesamte Systembedienung wird über-wiegend automatisiert und bedienerfreundlich gestaltet.
Alle Optimierungsschritte werden in gezielten Feldversuchen unter Praxisbedingungen überprüft.


Ergebnisse und Diskussion

Um die vorgesehenen Optimierungen durchführen zu können, wurde zunächst die Hard- und Software des Systems DETECTSPRAY analysiert. Da dieses System die erforderlichen Erweiterungen nicht er-möglicht, wurden zunächst mit Ausnahme der Analogelektronik des Spritz-Sensors bzw. des Umgebungslicht-Sensors alle Hardwarekomponenten neu entwickelt und die zu ihrem Betrieb nötige Software neu geschrieben. Das Ergebnis ist ein z. T. modular aufgebautes Entwicklungssystem, auf dessen Basis alle beabsichtigten Erweiterungen realisiert werden konnten.
Die automatische Berücksichtigung der Fahrgeschwindigkeit mit Hilfe eines Radarsensors wurde implementiert und bei Feldversuchen erfolgreich getestet. Jetzt ist es möglich, bei einem Abstand von 11 cm zwischen dem Spritz-Sensor und dem ihm zugeordneten Magnetventil ohne Abgleichmaßnahmen mit einer beliebigen Geschwindigkeit zwischen 0,4 und 10 km/h zu fahren. Dabei werden die Zielflächen exakt getroffen, wobei aufgrund der jetzt erhöhten systeminternen Übertragungsraten das System mit einer deutlich höheren zeitlichen Auflösung arbeitet.
Die bisherigen Probleme hinsichtlich der Inbetriebnahme bzw. des Abgleichs des Systems konnten wesentlich entschärft werden. Der Anwender hat jetzt die Möglichkeit, über den neuen Kontroll-Monitor per Knopfdruck einen automatischen Nullpunktabgleich durchführen zu können. Bestehende Unter-schiede zwischen den Spritz-Sensoren im Zusammenhang mit der Ansprechempfindlichkeit sind hiermit beseitigt. Da der manuelle Abgleich anhand des unempfindlichsten Spritz-Sensors entfällt, kann das System jetzt mit der maximal möglichen Ansprechempfindlichkeit betrieben werden. Allerdings traten noch Abweichungen von dem idealen Systemverhalten bei stärker schwankenden Umgebungslichthelligkeiten auf, für welche die Analogelektronik der Spritz-Sensoren bzw. des Umgebungslicht-Sensors verantwortlich ist. Deshalb wurde jetzt auch die Analogelektronik des Spritz- und des Um-gebungslichtsensors vollkommen neu aufgebaut. Es wird nun über den gesamten Einsatzbereich (Tageslichtintensität) linear verstärkt, was eine exakte Funktion auch bei wechselnden Lichtbedingungen gewährleistet. Gleichzeitig wurde damit auch die Empfindlichkeit der Sensoren erhöht, womit der Ein-satz auch bei sehr geringer Helligkeit (etwa 2000 lx Beleuchtungsstärke) möglich ist. Ebenso zeigte sich, daß die Funktionalität des Umgebungslichtsensors verbessert ist, wenn auch er das Umgebungslicht in-direkt über Jute oder Boden empfängt.
Bei dem Ursprungssystem konnten lediglich Daten von dem Kontroll-Monitor an die Spritz-Sensoren übertragen werden. Jetzt besteht zwischen diesen Systemkomponenten eine bidirektionale Kommunikation. In Verbindung mit einem Sensor-Auswahlverfahren können nun alle Sensoren einzeln getestet und in frei wählbare Gruppen funktional zusammengefasst werden (elektronische Teilbreitenschaltung), sowie der Spritzmittelverbrauch und die benötigte Restmenge anhand der akkumulierten Spritzzeiten für jeden Spritz-Sensor ermittelt bzw. abgeschätzt werden.
Für die Erfassung der Spritzgestänge-Schwankungen wurde ein Inklinometer-Sensor in das weiterentwickelte System eingebunden. Die Funktion im Labor war einwandfrei, die Praxistests wiesen auf die Notwendigkeit eines speziellen Spritzkalküls hin, welches in einfachen Feldversuchen bereits mit Erfolg getestet wurde.
Der Vergleich des weiterentwickelten Systems mit dem System Selectspray wurde an Bahndämmen durchgeführt. Hier zeigte sich, daß das System Selectspray aufgrund seiner großen Abstandstoleranz zum Boden besser geeignet ist, während das System Detectspray™ zu häufig spritzt.
Der Einsatz solcher Systeme nach dem Feldaufgang ist nur möglich, wenn der Spritzsensor zwischen Nutzpflanzen und Unkräutern unterscheiden kann. Um diesem Ziel näher zu kommen, wurde ein mit fünf Fotodioden und Filtern ausgestatteter Sensor aufgebaut, mit dem unter idealen Bedingungen im Labor schon mehrere Unkräuter und Nutzpflanzen online unterschieden werden konnten.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Vorführung auf der Agritechnica 1995 und 1997; Seminare über Sensorsysteme zus. mit der FHS Osnabrück in 1997 und 1998
Beiträge u.a. in Focus Extra, Phytomedizin, KTBL-Arbeitspapier in 1996; in Landtechnik, VDI-Berichte, LU-Journal in 1997,
in Agrartechnische Forschung, J. of Agric. Engng. Res., Forschungsreport in 1998; in Proc. 3rd Int. Sc. Conf. on Microproc. Syst. in Agric. (Polen), DLZ Agrarmag. in 1999
Vorträge u.a. in Stuttgart-Hohenheim, Berlin, Madrid in 1996; in Warwick (UK), Braunschweig, Hannover in 1997; in Avalon (NSW, Australien), Staufen, Braunschweig, Guthmannshausen in 1998; in Plock (Po-len), Hannover, Lehrte, Braunschweig in 1999


Fazit

Die angestrebten Projektziele wurden nahezu vollständig erreicht. Ein umfassender Praxiseinsatz mit dem Inklinometer steht noch aus wie auch der Aufbau eines Prototyps. Das weiterentwickelte System gestattet eine Erweiterung hin zu einem System für die Pflanzenunterscheidung für den Einsatz nach dem Feldaufgang. Der hierfür entwickelte Sensor muß noch in der Praxis untersucht werden.