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Zukunft :

„Die Cloud ist ein Dinosaurier“

Landtechnikhersteller, Wissenschaftler und Praktiker diskutierten in Berlin über Zukunftstechnologien in der Landwirtschaft. Themen waren dabei auch die Funkvernetzung automatisierter Arbeitsmaschinen und deren Anbindung an die Cloud.

Zukunft: „Die Cloud ist ein Dinosaurier“

Die Landwirtschaft 4.0 ermöglicht zum Beispiel durch den kombinierten Einsatz von moderner Spritztechnik und Agrardrohnen eine hohe Ressourceneffizienz, erfordert aber auch eine flächendeckende digitale Infrastruktur.

Eine nachhaltige und im Hinblick auf die weltweite Ernährungssituation zugleich effiziente Landwirtschaft muss nach Ansicht von Agrarexperten zukünftig neue Wege beschreiten. Wohin diese führen könnten und welche Maschinen als auch Infrastruktur dafür gebraucht wird, diskutierten die Teilnehmer der Tagung „Landtechnik der Zukunft“ während der Internationalen Grünen Woche in Berlin.

Eine der dabei entwickelten Visionen sind autonom arbeitende Maschinen im Pflanzenbau. Sie stellen den Gegenentwurf zu den immer leistungsstärkeren aber auch gewichtigeren Großgeräten auf dem Acker dar, die gegenwärtig noch die Entwicklung der Landtechnik bestimmen. In Berlin präsentierten sich die beiden in Deutschland auf diesem Gebiet laufenden Projekte. Beide basieren auf der gleichen Grundidee, nämlich die Aufsplittung der Arbeitsaufgaben auf kleine, elektrisch angetriebene und autonom agierende Einheiten. Doch es gibt auch Unterschiede.

Beim Konzept Feldschwarm, das im Sommer vergangenen Jahres von einem Konsortium sächsischer Unternehmen und Forschungseinrichtungen sowie dem in Kaiserslautern ansässigen Europäischen Technologie- und InnovationsCentrums (ETIC) des Herstellers John Deere gestartet wurde, kommunizieren die Module zwar untereinander sowie mit dem Farmmanagementsystem, das die Aufgabenplanung steuert. Aber der Geräteschwarm arbeitet nicht vollkommen autark. Sondern ein Bediener führt die mobilen hochautomatisierten Arbeitsgeräte in seinem als Zentrale fungierenden Traktor praktisch wie ein aufgefächertes Gespann. Anders bei den im Schwarm auf dem Feld arbeitenden Robotereinheiten, die im Forschungsprojekt MARS (Mobile Agricultural Robot Swarms) von AGCO und Fendt zusammen mit der Hochschule Ulm entwickelt wurden. Hier ist der Mensch nach Planung der Arbeitsaufgabe und Drücken des Startknopfes höchstens noch Kontrolleur oder Beobachter. Alle Informationen, die die Geräte für die Feldarbeit im Schwarm brauchen, holen sie sich „Over-the-Air“ aus der Cloud.

Christoph Zecha, bei AGCO als Product Owner zuständig für die Sicherung und Systemintegration von Maschinendaten, informierte darüber, dass das Projekt jetzt unter der Bezeichnung Xaver weiter bis zur Serienreife geführt wird. Die Namenswahl sei eine Hommage an den Unternehmens-Mitbegründer Xaver Fendt. Das Motto des Entwicklerteams laute Pflanzenbau statt Maschinenbau. Denn nicht die Ausreizung aller technischen Raffinessen und teure Sensorik ständen im Mittelpunkt, sondern die agronomischen Anforderungen.

Jede der Robotereinheiten wiegt etwa 70 kg. Die vier elektrischen Einzelradantriebe bewegen jedes Fahrzeug per Satellitennavigation mit einer Geschwindigkeit von 3,5 bis 4 km/h übers Feld. Bei voll aufgeladenem Lithium-Akkumulator steht eine Leistung von 500 W zur Verfügung. Für den Transport gibt es je nach Schwarmgröße eine oder mehrere Logistikeinheiten. Sie dienen zugleich als mobiler Speicher für Saatgut und Energie sowie als Kommunikations- und Navigationsbasis.

„Wir testen das Gesamtsystem zunächst mit der Aussaat von Mais. Dieses Verfahren verbraucht relativ wenig Energie und eine Akkuladung reicht für gut zweieinhalb Stunden“, informiert Zecha. Später sei eine Ausweitung auf weitere energiearme Arbeiten geplant, etwa die einzelpflanzenbezogene Düngung, Kontrollfahrten zur Erkennung von Pflanzenkrankheiten oder die Unkrautbekämpfung in einem frühen Stadium. Während der Fahrt auf den Pfaden, die das System für den ausgewählten Schlag berechnet hat, speichern die Roboter agronomische Informationen für die nachfolgende Bestandspflege, zum Beispiel zur Position der Saatgutablage, Bodenbeschaffenheit und zu den Wetterverhältnissen und hinterlegt die Daten in der Cloud. Die Planung sowie die Live-Überwachung des Schwarmeinsatzes erfolgt am Hofrechner bzw. Smartphone oder Tablet mit Hilfe der Xaver-App.

„Um es mit einer 8-reihigen Einzelkorndrille aufnehmen zu können, die 2,5 ha pro Stunde schafft, braucht man etwa 15 Roboter“, sagt Zecha. Allerdings könnten diese Tag und Nacht arbeiten und wenn ein Gerät ausfalle, übernähmen die anderen in Eigenregie die vorgesehenen Arbeiten auf diesem Feldareal. Überhaupt sieht der Agrarwissenschaftler neben dem geringen Bodendruck, der einen Schwarmeinsatz bei fast jedem Wetter ermöglicht, die Skalierbarkeit des Robotersystems Xaver als großen Vorteil. So bestehe die Möglichkeit, zunächst ein oder zwei Einheiten zu kaufen oder zu mieten und dann den Schwarm Stück für Stück zu erweitern. Oder Landwirte und Dienstleister tauschen Roboter untereinander aus. In der Software seien solche Geschäftsmodelle bereits vorgesehen.

Auch an den Diebstahlschutz hat man bei Fendt gedacht. „Es braucht zwei Personen, um die 70 kg schweren Fahrzeuge vom Acker zu tragen“, gibt Zecha zu bedenken. Zusätzlich werde der Besitzer sofort per SMS benachrichtigt, wenn ein Gerät das Einsatzgebiet ungeplant verlässt (Geofencing). Außerdem sei der Xaver nur bei Kontakt mit der Cloud funktionsfähig. Meldet er sich dort an, werde sein Standort sofort registriert. Auch als Ersatzteillager sei ein gestohlener Roboter nicht geeignet. In diesem Fall macht eine elektronische Verschlüsselung die Baugruppen unbrauchbar.

Insgesamt setzt Fendt nach Aussage von Zecha bei der Produktentwicklung auf ein Zusammenspiel von softwareunterstützter manueller Bedienung, Teilautomatisierung und Vollautomatisierung. Auf die Frage eines Tagungsteilnehmers, ob die auf der Agritechnica 2011 mit einer Neuheiten-Goldmedaille ausgezeichnete Idee „Elektronische Deichsel“ (GuideConnect) weiter verfolgt werde, verwies der Referent auf noch ungeklärte Haftungsfragen bei einem Schaden, den der zweite fahrerlose Traktor verursacht. Dieser folgt dem bemannten Führungstraktor, mit dem er über Funk verbunden ist, und führt räumlich versetzt die Steueranweisungen des Fahrers aus. So kann ein Bediener zwei Maschinen führen.

Der 70 kg schwere Feldroboter Xaver bewegt sich per elektrischem Einzelradantrieb mit 3,5 bis 4 km/h.

Der 70 kg schwere Feldroboter Xaver bewegt sich per elektrischem Einzelradantrieb mit 3,5 bis 4 km/h.

Der Xaver von AGCO/Fendt wird in den Tests auf dem Acker zunächst für die Aussaat von Mais eingesetzt.

Der Xaver von AGCO/Fendt wird in den Tests auf dem Acker zunächst für die Aussaat von Mais eingesetzt.

800.000 km ohne Fahrfehler

Das Thema Sicherheit nahm auch breiten Raum im Vortrag von Prof. Matthias Klingner ein. Der Leiter des Fraunhofer-Instituts für Verkehrs- und Infrastruktursysteme (IVI) sprach für das sächsische Konsortium Feldschwarm, wollte sich aber wegen der kurzen Zeit seit dem Kick-off nicht zur geplanten Maschinenkonfigurationen der Schwarmeinheiten äußern.

Die Sicherheit spiele beim autonomen Fahren eine herausragende Rolle. Das in der Forschung anvisierte Level liege bei einer Fehlerwahrscheinlichkeit von 10-9. Ein autonomes Testfahrzeug müsste demnach 800.000 km fehlerfrei fahren, also ohne dass der Sicherheitsfahrer eingreifen muss. Würde allerdings der Sicherheitsfahrer ständig am Steuer sitzen, liege die auf der Grundlage von Unfallstatistiken ermittelte Wahrscheinlichkeit eines Crashs bei etwa 10-4. Google schaffe mittlerweile knapp 3.000 km ohne Fahrereingriff. Der weltweite Durchschnitt bei wissenschaftlichen Einrichtungen, die an autonomen Fahrzeugen tüfteln, liege bei 5 km.

Eine Herausforderung sei weiterhin die Versorgung mit elektrischer Energie. Der Wissenschaftler machte dies an einem Vergleich mit Verbrennungsmotoren deutlich: Mobile Arbeitsmaschinen in der Landwirtschaft benötigen bei einer Geschwindigkeit von 4 bis 5 km/h pro Meter Arbeitsbreite eine Prozessleistung von 30 bis 60 kW. Ein mit 900 l gefüllter Traktor-Dieseltank beinhaltet ein Äquivalent an elektrischer Energie von 9 MW. Dies entspräche bei Batterien mit einer Energiedichte von 200 Wh/kg, wie sie zum Beispiel Tesla einsetzt, einem Batterie-Gesamtgewicht von 60 t.

Als Alternativen nennt Klingner eine Strom-anbindung über Kabel sowie konduktive Schnellladesysteme am Fahrzeugboden, die ein „Auftanken“ an Elektroenergie innerhalb von fünf Minuten für eine Arbeitszeit von bis zu 30 Minuten ermöglicht.

Das Innenleben des auf der Agritechnica 2017 vorgestellten Feldroboters Xaver von AGCO/Fendt.

Das Innenleben des auf der Agritechnica 2017 vorgestellten Feldroboters Xaver von AGCO/Fendt.

Digitale Messfühler im Pflanzenbau, wie der P3-Sensor von Agri Con für den Pflanzenschutz im Getreide, erzeugen große Datenmengen, die eine Farmmanagementsoftware in einem räumlich oft weit entfernten Cloudserver interpretiert. Im Gegensatz zum autonomen Fahren spielt hierbei die Latenz eine untergeordnete Rolle.

Digitale Messfühler im Pflanzenbau, wie der P3-Sensor von Agri Con für den Pflanzenschutz im Getreide, erzeugen große Datenmengen, die eine Farmmanagementsoftware in einem räumlich oft weit entfernten Cloudserver interpretiert. Im Gegensatz zum autonomen Fahren spielt hierbei die Latenz eine untergeordnete Rolle.

Computing-Power auf jedem Traktor

Was steckt hinter dem neuen Mobilfunkstandard 5G und warum ist er so wichtig für die Automatisierung landwirtschaftlicher Prozesse. Darauf gab Prof. Frank Fitzek Antworten. Er leitet den Lehrstuhl für Kommunikationsnetze der Deutschen Telekom an der Technischen Universität Dresden, der das 5G Lab Germany koordiniert. Das 5G Lab ist ein Zusammenschluss von Professoren und Experten aus der Industrie, der die Einführung von 5G in Deutschland forciert, darunter die Professur Agrarsystemtechnik und des Landtechnikherstellers Claas.

„5G ist viel mehr als nur superschnelles Internet“, betont Fitzek. Das würden in hohem Maße bereits die modernen Standards 802.11p und LTE-V bieten. Bedeutsamer an der fünften Generation des Mobilfunkstandards sei vielmehr die Fähigkeit, blitzschnell, selbstständig und der jeweiligen Situation angepasst temporäre Kommunikationsnetze zwischen mobilen Endgeräten aller Art aufzuspannen und dabei verschiedene Übertragungswege via 5G aber auch UMTS, LTE, Bluetooth oder W-LAN zu nutzen. Fachleute sprechen von Multi-hop-Communication und Ad-hoc-Networking. Dagegen würden die heutigen Ende-zu-Ende-Systeme etwa von der Cloud zum Traktor geradezu behäbig anmuten. „Die Cloud ist ein Dinosaurier, der mit einem dicken Server in Kalifornien sitzt“, so Fitzek. Da sich Funkwellen maximal mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, seien mit einer weit entfernten Cloud viele künftige Anwendungen nicht machbar. Das betreffe insbesondere den Bereich Steuern und Regeln, etwa die Koordinierung mehrerer Sensordrohnen über einem Feld untereinander und zu den Landmaschinen am Boden, oder der direkte Eingriff vom Hofrechner aus in die Lenkung eines Traktors. Die 5G-Technologie und die dahinter liegende Software ermöglichen es, dass zum Beispiel in einer Erntekette der Mähdrescher die aktuellen schlagbezogenen Apps für die Prozessoptimierung beim Verlassen des Hofes herunter lädt. Diese stellt er dann in dem Ad-hoc-Netz bereit, das sich selbständig auf dem Feld zwischen allen Erntefahrzeugen, einschließlich Drohnen, Smartphones, ggf. dem Computer in einem Windrad, und was sonst noch an Rechenpower in der Nähe verfügbar ist, entfaltet. Dadurch entsteht in diesem Gebiet eine sogenannte mobile Edge Cloud (Rand-Cloud), die Übertragungsraten im Gigabitbereich pro Sekunde und eine geringe Verzögerung (Latenz) von etwa einer Millisekunde gewährleistet. Eine Latenz von einer Millisekunde entspricht dem menschlichen Tastempfinden. Daher taucht im Zusammenhang mit 5G oft der Begriff taktiles Internet auf. Um das ganze noch zu beschleunigen, werden nicht wie bisher Datenpakete versendet, sondern mathematische Formeln, aus denen die Software in den Knoten der Edge Cloud dann beispielsweise Position und Farbe der Pixel in einem Bild oder Video errechnet.

„Allerdings muss man sich auch bei 5G entscheiden: Entweder hohe Bandbreite oder geringe Latenz. Beides gleichzeitig geht nicht“, erläutert Fitzek. Dieses Problem werde durch Network Slicing (zerschnittene Netzwerke) gelöst. Ein Netzwerk sichert dann zum Beispiel, dass alle Smartphones der Teilnehmer einer Großveranstaltung gleichzeitig superschnelles Internet haben und das andere sorgt auf der am Veranstaltungsort vorbeiführenden Schnellstraße für geringe Latenz zur Steuerung der autonom fahrenden Autos.

Podiumsdiskussion während der Tagung „Landtechnik der Zukunft“ in Berlin mit (v. l.) Prof. Dr.-Ing. Matthias Klingner (Fraunhofer IVI Dresden), Prof. Dr. Frank Fitzek (TU Dresden), Christoph Zecha (AGCO) und Moderator Paul Kho.

Podiumsdiskussion während der Tagung „Landtechnik der Zukunft“ in Berlin mit (v. l.) Prof. Dr.-Ing. Matthias Klingner (Fraunhofer IVI Dresden), Prof. Dr. Frank Fitzek (TU Dresden), Christoph Zecha (AGCO) und Moderator Paul Kho.

Tiefere Gestängeführung reduziert Verluste

Autonom sind die in der Horsch Leeb Application Systems GmbH entwickelten Spritzen noch nicht auf dem Feld unterwegs. Innovationen gehören bei dem Spritztechnikspezialisten aber durchaus zum Tagesgeschäft.

Die Mähdrescherposition live auf dem Smartphone. Treiber bei der Digitalisierung des Pflanzenbaus ist der Datenaustausch von Maschinensystemen untereinander sowie mit Softwareapplikationen in der Cloud und mobilen Endgeräten.

Die Mähdrescherposition live auf dem Smartphone. Treiber bei der Digitalisierung des Pflanzenbaus ist der Datenaustausch von Maschinensystemen untereinander sowie mit Softwareapplikationen in der Cloud und mobilen Endgeräten.

Von denen, die Geschäftsführer Theodor Leeb auf der Berliner Landtechniktagung vorstellte, stach die Idee einer tieferen Gestängeführung besonders heraus. „Eigentlich ist der Gedanke ja naheliegend, dass sich Spritzverluste, die durch Abdrift und Verdunstung entstehen, bei einem geringeren Abstand zur Zielfläche reduzieren lassen“, so der Pflanzenschutzexperte. Dass der Unterschied signifikant ist, konnte eine Forschungsarbeit nachweisen. So beträgt die Abdrift bei Düsen, die auf dem Gestänge im Abstand von 50 cm montiert sind, und in einer Höhe von 50 cm über die Fläche geführt werden, bei einer Windstärke von 2 m/s etwa 22 % und bei 5 m/s fast ein Drittel der Spritzmenge. Bei einem Düsen-Abstand und einer Düsen-Höhe von jeweils 25 cm wurde dagegen nur eine Abdrift von maximal 5 % registriert. „Eine gleichmäßig tiefere Führung des Spritzgestänges über die gesamte Breite erfordert allerdings eine Anpassung an die Bodenkontur. Aber das ist technisch lösbar“, sagt Leeb. Praxistests von Landwirten hätten zudem ergeben, dass es bei einer Düsenteilung und -höhe von 25 cm am günstigsten ist, wenn sich auf dem Gestänge Düsen mit Doppelflachstrahl und Einfachflachstrahl abwechseln. Dies habe sich auch bei Versuchen mit einem Prüfrahmen, in dem Spezialpapier die Benetzung durch Blaufärbung anzeigt, bestätigt. „Von Bedeutung ist eine möglichst gleichmäßige Benetzung vor allem beim Herbizideinsatz. Hier wiegen Spritzschatten, die durch die schräge Flugbahn des Strahls etwa hinter Kluten entstehen, besonders schwer“, erläutert Leeb.

Tiefere Gestängeführung durch elektronische Steuerung spart Pflanzenschutzmittel.

Tiefere Gestängeführung durch elektronische Steuerung spart Pflanzenschutzmittel.


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