c't-FarmBot: Erste Ernte mit dem Gartenroboter
Im Herbst begann c't, einen Hochbeet-Roboter zu bauen. Im Frühjahr war er der fertig und das erste Gemüse ist erntereif. Der Erfolg war von Problemen begleitet.
Beim Gärtnern fällt viel Arbeit an. Verspricht ein Roboter, das Gemüsebeet vollautomatisch zu versorgen, übersieht man gern die mechanische Komplexität des Unterfangens: Die Maschine ist ziemlich groß (1,5 × 3 Meter) und sie muss draußen funktionieren, bei Regen und Wind und auch wenn Spinnen und des Nachbars Katze mal dazwischenfunken.
Schon der Bau hat viel Zeit gefressen. Dank guter Anleitung hat er aber auch viel Spaß gemacht. Unser Einleitungsvideo gibt einen Eindruck:
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Danach ging es ans Testen: Wie oft klemmen die Achsen? Wann fällt die Software auf dem Raspberry Pi aus? Hält die Elektronik-Box dicht? Stellt die Kamera scharf? Gärtnert der Roboter mit unseren Programmen sorgsam genug? Unseren ersten Eindruck haben wir in c't 10 auf S. 108 veröffentlicht. Damals waren nur erste Ansätze des Frühlings zu erahnen und im Hochbeet keimten und wuchsen gerade die ersten Pflanzen.
Wenn Sie auf der Suche nach einer Zusammenfassung all unserer Erfahrungen zum FarmBot und zum smarten Gärtnern sind, finden Sie die Artikel gesammelt im Sonderheft c't-Projekte, das gerade neu am Kiosk und Online erschienen ist. Das Sonderheft liefert in weiteren Artikeln Kontext zu CNC-Maschinen wie dem FarmBot und zur Sprache G-Code, mit der im FarmBot ein Raspberry Pi und das Farmduino-Mainboard kommunizieren.
Seit dem Test im März sind die Pflanzen kräftig gewachsen und die ersten Radieschen und ein Teil des Pflücksalats sind erntereif. Unser kleines Ernte-Video lässt erahnen, wie gut das Gemüse gedeiht und schmeckt:
Beim Jäten versagt
Möglich war der Erfolg aber nur wegen mehr Handarbeit als erhofft. Wer sein Beet nämlich effizient plant, hat schnell weniger Platz zwischen den Pflanzen, als das Jätwerkzeug vom FarmBot breit ist. Deswegen ist im Beet inzwischen kaum ein Quadratzentimeter frei, an dem der FarmBot überhaupt jäten könnte. Dass die Software um alle Gemüse einen kreisförmigen Sicherheitsabstand hält, schränkt den Roboter zusätzlich ein. Manchmal hätte der Jätkopf doch zwischen den Blättern hindurchgepasst, trotzdem markierte der FarmBot die Unkräuter dort als „Safe-Remove Weed“, also als per Hand zu entfernendes Unkraut.
Wegen dieser Blockade stört es kaum, dass die Unkrauterkennung alles andere als verlässlich arbeitet: Dass ein vermeintliches Unkraut tatsächlich nicht nur eine Blattspitze vom Gemüse, ein Halm vom Schnittlauch oder eine Nussschale im Kompost ist, stellt die absolute Ausnahme da. Wir schätzen, dass die falsch-positiv erkannten Unkräuter mehr als 90 Prozent der erkannten Punkte ausmachen.
Inzwischen hätten wir uns eigentlich eine bessere Erkennungsrate erhofft. Immerhin haben wir seit dem ersten Test den Zeitpunkt optimiert, an dem die Kamera das Beet abfotografiert. Mit LED-Beleuchtung schießt sie nämlich kurz nach Sonnenuntergang verlässlich scharfe Bilder. Außerdem hilft das Kunstlicht, damit der Weißabgleich nicht pumpt. Mit den Zeitrafferaufnahmen der Pflanzen sind wir ziemlich zufrieden.
Am Prinzip, wie der FarmBot jätet, haben wir auch generelle Zweifel: Unkräuter mit Plastikmessern zurück in den Boden zu drücken, scheint nicht verlässlich zu funktionieren. Die Wurzel wird nicht geschädigt und selbst vom Grün der Pflanze bleibt oft etwas übrig. Wenn das Unkraut dann kurz darauf wieder sprießt, rückt der FarmBot erneut an und drückt an der gleichen Stelle. Mit der Zeit entsteht eine Vertiefung, in der das Plastikmesser kaum noch drückt. Automatisch kann man die Bodenhöhe so punktuell mit den Standardwerkzeugen des FarmBot nicht ausmessen, sodass der Roboter sich an seine eigenen Löcher nicht mehr anpassen kann. Letztlich muss man doch wieder per Hand jäten.
Mainboardtausch mit mäßigem Erfolg
Seit dem Test haben wir außerdem ein elektromechanisches Abenteuer gewagt. Bisher arbeiteten die Schrittmotortreiber im Farmduino 1.5, dem aktuellen Mainboard des Roboters im Vollschritt-Modus und daher mit singenden Geräuschen bei jeder Bewegung. Das Geräusch ist störend laut und vor allem vermeidbar, weil die Treiber eigentlich „StealthChop“, einen fast lautlosen Betriebsmodus beherrschen. Die Unterstützung dafür fehlt aber bislang in der Firmware.
Eine Generation früher beim Farmduino 1.4 hatte das Mainboard noch Steckplätze für separate Schrittmotortreiber, die sich unabhängig von der Firmware für den leisen Modus jumpern lassen. Das wollten wir testen und tauschten unseren Farmduino 1.5 gegen 1.4 und steckten TMC2208-Schrittmotortreiber in die Steckplätze. In der Motorkonfiguration aktivierten wir danach Microstepping und konnten unseren FarmBot wunderbar leise verfahren.
Der Umbau entpuppte sich aber als Pyrrhussieg: Plötzlich lieferten die Drehencoder hin und wieder völlig falsche Werte, was den Roboter so aus dem Konzept brachte, dass keine exakten Bewegungen mehr möglich waren. Wir meldeten den Fehler im FarmBot-Forum, in dem auch die amerikanischen Entwickler fleißig mitlesen, und deaktivierten die Encoder. Damit der FarmBot weiter selbstständig seinen Nullpunkt finden konnte, montierten wir Endschalter an die Achsen – ein Umbau, den seit frühen Prototypen scheinbar niemand mehr gemacht hatte. Firmware und Mainboard haben aber noch Unterstützung dafür. Auf der X-Achse mussten wir die Endschalter aber prompt wieder deaktivieren, weil die ungeschirmten Kabel elektromagnetische Störsignale empfingen. Die Bestellung für geschirmtes Energiekettenkabel ist noch auf dem Postweg.
Das Experiment offenbarte für uns, dass die Positionskontrolle über Encoder sehr sinnvoll ist. Der FarmBot schwingt bei manchen Bewegungen, was kurzzeitig die Reibung erhöht. Schrittverluste passieren zwar selten, bei den langen Verfahrwegen des Roboters aber oft genug, damit nach unserem Umbau Werkzeugwechsel öfter fehlschlugen und Gießprogramme teils mehrere Zentimeter verschoben abliefen. Das Deaktivieren der Encoder hat die Verlässlichkeit des Roboters enorm verschlechtert.
Leise Zukunft
Mit Spannung erwarten wir FarmBot OS 13, das einen Bugfix für die Encoder bringen soll. Außerdem arbeiten die Entwickler daran, StealthChop für den Farmduino 1.5 zu aktivieren. Sollten wir das neue Mainboard Farmduino 1.6 in die Finger kriegen, werden wir das natürlich auch testen. Außerdem nehmen wir uns das API vor, mit dem sich manches Programmieren lässt, wozu das Webinterface keinen Knopf vorsieht. Im Sommer könnte es also durchaus noch mehr News zum FarmBot geben, als dass der Kohlrabi reif wird.
Sonderheft c’t Projekte
Alle Artikel zum FarmBot, von der ersten Planung bis zum fertigen Roboter, finden Sie im aktuellen Sonderheft c’t Projekte – zusammen mit Tipps und Ideen für den Raspberry Pi, Elektronikprojekte mit Sensoren und Grundwissen zum Einstieg ins CNC-Fräsen.
Das Sonderheft c't Projekte gibt es sowohl auf Papier als auch in digitaler Form. Wer die Print-Ausgabe für 14,90 Euro bis einschließlich 1. Juni 2021 im heise shop bestellt, zahlt keine Versandkosten.
c't Projekte (7 Bilder)
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