Elektronische Erntehelfer: Flugdrohnen und fahrende Roboter ackern

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Der heutige Ackerbau hat voraussichtlich noch einige Stufen der Digitalisierung und Automatisierung vor sich. Erst wenn die exakte Zahl der Pflanzen und der genaue Nährstoffgehalt auf jedem Quadratmeter bekannt sind, kann der Landwirt bedarfsgerecht düngen. Und nur wenn Unkrautnester und Schädlingsbefall einzeln verzeichnet sind, bringen punktuell eingesetzte Spritzmittel Erfolg. Ein weiteres Problem: Mit jedem Arbeitsgang verdichten Traktor und schweres Arbeitsgerät den Boden und behindern damit das Wachstum auf dem Acker.

Flugdrohnen und leichte, autonom fahrende Roboter könnten die Arbeit auf den Feldern grundlegend verändern. GPS-geführt und ausgestattet mit Kameras und KI sollen sie in Zukunft jede Nutzpflanze einzeln betreuen und dabei Gift- und Düngemitteleinsatz stark verringern. Das ist der Grundgedanke des sogenannten Precision Farming. Die Feldroboter können säen, Unkraut gezielt vernichten und Pilz- oder Schädlingsbefall bekämpfen. Sie sollen schneller eingreifen, als es der Bauer auf dem Traktor jemals könnte, und damit die Felderträge deutlich steigern.

Felder überwachen per Drohne und Kamera

Einfache Flugdrohnen mit Kameras sind bereits heute über Ackerflächen zu sehen. Der Landwirt kann mit ihnen Wildtierschäden oder Wasserlachen erkennen oder auch ein Rehkitz finden, bevor der Mähdrescher losfährt. Bei Raupenbefall können Drohnenpiloten Trichogramma-Schlupfwespen abwerfen, die die Schädlinge gezielt befallen.

Drohnen des Dienstleisters geo-konzept streifen im automatisierten Überflug über die Felder. Eine Multispektralkamera schießt dabei überlappende Aufnahmen, mit denen sich das Pflanzenwachstum und damit auch der Stickstoffbedarf ermitteln lässt. Daraus kann der Landwirt die unterversorgten Abschnitte seines Ackers besser erkennen als auf Satellitenbildern – und punktuell nachdüngen. Zu dem Zweck erzeugt eine eigene Software des Dienstleisters sogenannte Applikationskarten, mit denen der Landwirt die bedarfsgerechte Düngung planen kann.

Nutzpflanze oder Unkraut?

Aus der Luft erkennen Drohnen aber noch viel mehr: Mithilfe von KI können sie Schädlingsbefall ausmachen und Unkraut von Nutzpflanzen unterscheiden. Damit lassen sich detaillierte Spritzkarten erstellen, um Insektizide oder Herbizide da einzusetzen, wo Unkrautnester entstehen. Auch das Spritzen übernehmen immer häufiger die Drohnen selbst. Der chinesische Hersteller X AG vertreibt international Drohnen mit Spritzmitteltanks für 10, 16 und 20 Liter. John Deere zeigte auf der Agritechnica Mitte November in Hannover das Konzept einer Drohnenstation aus stapelbaren Containern. Wie zu einem Bienenstock fliegen die Drohnen zu dieser Station, um aufzuladen und beispielsweise neues Spritzmittel aufzutanken. Gemeinsam mit Volocopter bietet John Deere sogar eine Flugdrohne mit einem Durchmesser von über 9 Meter und einer Nutzlast von 150 Kilogramm an.

Allerdings ist das Spritzen aus der Luft in Deutschland und den meisten europäischen Ländern derzeit nicht erlaubt. „Sicherlich hat der Gesetzgeber bei der Schaffung des Pflanzenschutzgesetzes an Spritzflugzeuge mit ihren Streuverlusten gedacht oder an Hubschrauber, aber noch nicht an Flugdrohnen, die sich punktuell einsetzen lassen“, sagt Peter Pickel, Professor an der Technischen Universität Kaiserslautern und stellvertretender Leiter des europäischen Innovation Center von John Deere. Er hofft, dass sich die Gesetzeslage hierzulande ändern wird.

Die Firma Haip aus Hannover will es Landwirten in Zukunft ermöglichen, Unkraut und Krankheiten sowie Pilz- und Schädlingsbefall bei autonomen Feldüberflügen zu erkennen. Dazu setzt das Unternehmen auf hyperspektrale Kameras, die bis zu 500 Farbnuancen unterscheiden können. „Jede Krankheit, jede Störung setzt die Pflanze unter Stress und lässt sich durch ein spezifisches spektrales Muster genau identifizieren“, erläutert Co-Founder Tobias Kreklow. So könne ein trainiertes System Mehltau auf Weizen ebenso gut ausmachen wie Trockenstress. Krankheiten oder Schädlingsbefall ließen sich auf diese Weise wahrscheinlich schneller diagnostizieren, als das heute möglich ist. Derzeit sammelt das junge Unternehmen Aufnahmedaten und trainiert eine KI, um mehr und mehr Belastungen der Pflanzen auf dem Acker zu erkennen. Auf diese Weise soll es in fünf bis zehn Jahren möglich sein, auf Pflanzenschäden viel früher als heute zu reagieren und mit weniger Mitteleinsatz mehr Pflanzen zu retten.

Auch am Boden deutet sich ein Wandel an. „Im Precision Farming stoßen die großen Maschinen an ihre Grenzen“, sagt Professor Ludger Frerichs von der Technischen Universität Braunschweig. Damit sieht er nach den Universalmaschinen, die möglichst viele Arbeitsschritte zusammengefasst haben, für die Zukunft eine Aufteilung der Einzelfunktionen voraus. „Es werden kleinere, autonome Fahrroboter auf den Feldern arbeiten und miteinander kooperieren, ungefähr im Format des 11er Deutz oder kleiner.“ Es geht also um Fahrzeuge bis zur Größe eines Aufsitzrasenmähers.

Roboter auf dem Feld

Bereits vor drei Jahren hat Bosch einen Fahrroboter vorgestellt, der autonom das Feld beackert und Unkraut optisch erkennt. Dieser Roboter verbraucht allerdings kein Spritzmittel und er verzeichnet das Unkraut auch nicht auf einer Karte. Er bekämpft es mechanisch, beispielsweise indem er es durch einen schnellen Stoß mit schmalen Stempeln in die Erde rammt. Der Chemieeinsatz und die damit verbundene Umweltbelastung entfällt.

Heute entwickelt die Bosch-Tochter Deepfield Robotics das System weiter. Auf Testfeldern patrouillieren inzwischen Roboter in Schubkarrengröße, die den Ackerboden mit ihrem Gewicht nur unwesentlich belasten. Sie folgen mit ihrem KI-Steuersystem der ausgesäten Pflanzenreihe und erkennen Unkräuter, die sie mit mehreren steuerbaren rotierenden Messern tief abschneiden. So merzen die Fahrroboter alle unerwünschten Pflanzen bereits früh aus, die Nutzpflanze kann unbeeinträchtigt gedeihen.

Auch an der TU Braunschweig wird an künstlicher Intelligenz für landwirtschaftliche Helfer geforscht. Den Input liefern ihnen Laserscanner und einfache RGB-Kameras. Die autonomen Fahrzeuge könnten beispielsweise die Bodenbeschaffenheit des Ackers analysieren, Höhen und Senken ermitteln oder Arbeitsgänge kontrollieren, etwa ob Stroh effektiv untergepflügt worden ist oder noch auf dem Acker liegt.

Universeller Agrarroboter

Eine neue Plattform für diverse Einsatzfälle hat Continental auf der jüngsten Agritechnica vorgestellt. Ab 2020 sollen die ersten Feldtests mit dem neuen Contadino starten. Dieses E-Fahrzeug ist modular aufgebaut und für unterschiedliche Anbaugeräte konzipiert. Der Agrarroboter ist in einem Frontmodul mit einer breiten Palette an Sensorik ausgestattet, von der Kamera bis zum sogenannten Lidar (Laser Detection and Ranging), einem 3D-Laserscanner zur optischen Abstandsmessung. Ein Ultraschallsystem macht Hindernisse in unmittelbarer Nähe aus, während ein Radarsystem hilft, Hindernisse in der weiteren Entfernung zu erkennen.

Zur Bestimmung der Positionskoordinaten auf wenige Zentimeter genau kann der Roboter sogar die RTK-Vermessung einsetzen (Real-Time-Kinematik), bei der mithilfe der eigenen Antenne und einer exakt eingemessenen Referenzstation am Feldrand sowie ungestörtem Signal von fünf oder mehr GPS-Satelliten die Position extrem genau berechnet wird. Neben GPS können die Roboter auch andere globale Navigationssatellitensysteme wie Galileo oder das russische Glonass nutzen.

Für die Agrarroboter ist sowohl die Kommunikation mit der Cloud vorgesehen als auch die Nutzung eines lokalen KI-Systems. So findet sich Contadino bereits heute auf dem Feld zurecht und kann der Saatspur sicher folgen. Für künftige Einsätze sollen nun Partner diverse Anbaugeräte entwickeln. Bei Continental sieht man vielerlei Anwendungsmöglichkeiten: Die Roboter könnten aussäen, Unkraut jäten, gegen Schädlinge und Pilzbefall spritzen oder gezielt düngen.

Command Cabin statt Führerhaus

Zunehmend autonom fahren mittlerweile auch die Traktoren und Mähdrescher über die Felder. „Wir haben bei John Deere bereits autonomes Fahren gemäß Level 3 nach SAE J3016 erreicht“, berichtet Peter Pickel. Die SAE-Stufe 3 sieht vor, dass der Fahrer bei Bedarf eingreifen muss. Bei Standardaufgaben ist damit aber nicht zu rechnen.

Entsprechend hat der Hersteller eine Fahrerkabine der Zukunft vorgestellt, in der der Landwirt nicht auf ein Lenkrad schaut, sondern auf mehrere große Touchscreens. Darüber kann er sich per Videotelefonie mit Mitarbeitern absprechen, Kameraaufnahmen von Drohnen begutachten oder sogar autonome Begleitfahrzeuge überwachen. Ebenso gut kann er die sogenannte Command Cabin nicht als Leitstand, sondern als seinen Büroarbeitsplatz ansehen und diverse administrative Arbeiten erledigen. Muss er tatsächlich einmal die Fahrzeugsteuerung übernehmen, dann kommen ein kleiner Joystick und ein Bedienpanel an der rechten Armlehne zum Einsatz. Als kleines Bonbon haben die Ingenieure noch eine Massagefunktion in den Fahrersitz eingebaut.

Auch die großen Maschinen könnten in Zukunft auf die präzisere RTK-Satellitennavigation setzen. John Deere bietet dafür eigens eine Zusatzantenne für den Feldrand. „Das Ziel der digitalen Landwirtschaft ist es, jede einzelne Pflanze als ein Individuum zu betrachten“, doziert Professor Pickel. Das hilft dem Landwirt, Wasser, Nährstoffe und Pflanzenschutz bedarfsgerecht zu optimieren, den Ressourceneinsatz gering zu halten und den Ertrag zu maximieren. Dementsprechend bleibt der Traktor nicht nur zentimetergenau in der Spur, auch die gezogenen Zusatzmaschinen lassen sich seitlich um wenige Zentimeter versetzen, um beispielsweise akkurat eine Furche zu ziehen oder exakt auszusäen.

Wie düngt man akkurat mit Gülle? Ein Problem ist, dass die Gülle im Tank ein sehr heterogener Stoff ist, der Gehalt an Stickstoff und anderen Nährstoffen variiert Liter für Liter stark. Mit der Analyse einer Stichprobe erhält der Landwirt nur einen Mittelwert, viel zu ungenau für Präzisionslandwirtschaft. Nahinfrarotspektroskopie bietet eine Möglichkeit, direkt auf dem Feld auf diese Schwankungen einzugehen. Kurz vor der Ausbringung analysiert das Harvest Lab 3000, ein Anbaugerät von John Deere, den Nährstoffgehalt im Güllestrom. Ist der Gehalt sehr hoch, so gibt das Messgerät ein Signal an die Traktorsteuerung. Diese erhöht kurzzeitig die Geschwindigkeit und streckt damit den Nährstoffeintrag auf eine größere Fläche.

Ein Schwarm auf dem Feld

Ein weitgreifendes neues Konzept namens Feldschwarm entwickeln derzeit sieben Unternehmen und vier Institute, darunter die Fakultät Maschinenwesen an der TU Dresden. Die Idee hinter Feldschwarm: Eine Reihe von hochautomatisierten Feldmaschinen kooperiert und wird von nur einem Fahrer auf einer der Maschinen überwacht. Dazu haben die Forscher mehrererlei Konzepte entwickelt: Eine robuste Sensorik erkennt Hindernisse auf dem Feld. Bei Bedarf soll das Fahrzeug dann ausweichen oder sein Arbeitsgerät anheben. So wird es vor Beschädigungen geschützt. Dynamische Schwarmkarten werden die Routenplanung der Feldschwarm-Einheiten unterstützen.

Ein weiterer Forschungsschwerpunkt ist die Entwicklung einer robusten Mensch-Maschine-Schnittstelle, mit der der Anwender die Steuerung zwischen den unterschiedlichen Schwarmmitgliedern umschalten kann. Voraussetzung dafür ist aber, dass die Einzelmaschinen schon weitgehend autonom handeln, also beispielsweise schwarmgerecht navigieren und eigenständig Werkzeugwechsel vornehmen. Die Kommunikation soll über Mobilfunk auf Basis von 5G erfolgen, insbesondere die Kontrolle einer Einzelmaschine durch den Schwarmführer.

Doch der Weg zu dieser Zukunftsvision ist noch weit. Die ersten Versuche mit einem Testschwarm auf Versuchsfeldern bei Köllitsch in Nordsachsen sind für 2021 geplant. Eventuell muss das Schwarmmanagement bis dahin schon um Komponenten erweitert werden, die die Kooperation mit Drohnen und kleineren Feldrobotern regeln.

Dieser Artikel stammt aus c't 26/2019. (agr)