Kameraschutzgehäuse für autonomen Roboter in der Landwirtschaft
Ein Pilotprojekt der ETH Zürich hat mit einer Kombination aus Bildverarbeitung und mechanischer Unkrautvernichtung eine Alternative für den massiven Herbizideinsatz in der Landwirtschaft entwickelt. Für die sichere Navigation des Agrarroboters Rowesys sind die bordeigenen Kameras mit passenden Schutzgehäusen verantwortlich.
Bild 1 | Der Agrarroboter Rowesys zieht auf dem Feld vier kleine Pflugschare in 2 bis 3cm Tiefe durch den Boden, welche die Unkrautwurzeln zum Austrocknen an die Oberfläche befördern. Mit an Bord ein Schutzgehäuse von AutoVimation für die bordeigenen Kameras. (Bild: autoVimation GmbH)
Das im September 2019 initiierte Fokusprojekt Rowesys (Robotic Weeding System) der ETH Zürich zeigt, wie eine nachhaltige und zukunftsfähige Alternative zu dem massiven Herbizideinsatz in der Landwirtschaft aussehen könnte und sich Schäden für Mensch und Natur mithilfe intelligenter Bildverarbeitung und autonomer Maschinen minimieren lassen. ´Rosie´ wurde gemeinschaftlich von zehn Studierenden entwickelt, auf dem Feld erprobt und kontinuierlich optimiert. Fakultätsübergreifend setzt sich das Team aus acht Maschinenbauern und Elektrotechnikern der ETH Zürich sowie zwei Industrial Designern der FHNW Basel zusammen. Ziel war es, Landwirte mit Hilfe eines praxistauglichen und wirtschaftlichen Unkrautentferners von der nachhaltigen Investition in einen geländegängigen Agrarroboter zu überzeugen. Die Arbeitsgruppe konzipierte den voll funktionsfähigen Prototypen speziell für Zuckerrübenfelder, weil diese bisher einen hohen Einsatz von Herbiziden erfordern. Außerdem ähnelt die Kulturpflanze vielen anderen Nützlingen, sodass die eingesetzte Software schnell auf andere Saaten angepasst werden kann. Rosie zieht zwischen den Reihen vier kleine Pflugschare in 2 bis 3cm Tiefe durch den Boden, welche die Unkrautwurzeln zum Austrocknen an die Oberfläche befördern. „Mit jeder autonom gejäteten Reihe rückt das Ziel einer herbizidfreien Landwirtschaft ein Stück näher.“ konstatiert Nico Burger vom Software/Controls Team des Rowesys-Projektes.
Futuristisches Design
Während der praxisbezogenen Entwicklung der Apparatur haben die Konstrukteure der ETH viel Wert auf eine einfache und intuitive Bedienung gelegt. Das System wechselt bedarfsgerecht zwischen autonomem Regelbetrieb und manueller Fernbedienung per Joystick. Statuslichter und eine Sprachausgabe informieren jederzeit über den aktuellen Zustand. Um ihren 210x94x120cm großen Roboter vor wetterbedingten Widrigkeiten zu schützen, haben die Industrie Designer eine futuristisch anmutende Karosserie entwickelt. Zusammen mit einer Elektronikbox schützt es die sensiblen Komponenten vor Regen und Staub. Das gesamte System ist gemäß IP54 spritzwasser- und staubgeschützt. Vier batteriebetriebene Radnabenmotoren mit einer Gesamtleistung von 2kW treiben den Feldroboter an und ziehen die Pflugscharen mühelos durch den Boden. Das 300kg schwere Fahrzeug überwindet Steigungen bis zu 15° und erreicht eine durchschnittliche Arbeitsgeschwindigkeit von 0,2m/s bei einer Akkulaufzeit von 5h. Die individuell lenkbaren Räder verleihen Rosie maximale Flexibilität. Die selbstentwickelten Stoßdämpfer garantieren den kontinuierlichen Bodenkontakt der Reifen und ermöglichen das Überwinden von Hindernissen. So kann der Roboter nicht steckenbleiben und verteilt zur Verminderung der Bodenkompression sein Gewicht gleichmäßig auf die vier Räder.
Die 500g leichten Kameraschutzgehäuse der XS-Baureihe wurden extra für die Kameras Intel RealSense entworfen. (Bild: AutoVimation GmbH) (Bild: autoVimation GmbH)
Tiefenkameras als Auge
Neben den eingebauten Tiefenkameras Intel RealSense D435i zur Reihenerkennung sowie einer T265 Kamera für die genaue Bestimmung der Position unterscheidet Rosie mit Hilfe eines weiteren Kameramoduls zuverlässig zwischen Zuckerrüben und Unkraut. Zur Hinderniserkennung kann zusätzlich ein 3D-Modell der Umgebung erstellt werden. Die Sensoren lassen Rowesys autonom durch die Reihen navigieren und automatisch das Ende des Feldes erkennen, um dort in die nächste unbearbeitete Pflanzenreihe zu manövrieren. Dieser Prozess wird wiederholt, bis das Ende der Anbaufläche erreicht ist. Um den Aufwand für den Landwirt auf ein Minimum zu reduzieren und Rosie unabhängig arbeiten zu lassen, werden keine GPS-Positionen der Setzlinge oder vorprogrammierte Routen benötigt. Langfristig wird es als Ergänzung ein GPS-System mit den entsprechenden Seeding-Maps geben. In der Regel kann der Bauer seinen Helfer mit den Kameras als Auge aber einfach laufen lassen.
Spezielle Kameragehäuse
Zum Schutz des empfindlichen Kamerasystems steuerte AutoVimation ein passendes Schutzgehäuse mit passiver Kühlung sowie eine schwenk- und neigbare Montagevorrichtung bei. Die Firma gehört zu den wenigen Herstellern von hochwertigen Kameraschutzgehäusen für den Innen- und Außenbereich. Der Marktführer aus Rheinstetten entwickelt auf Basis von Standardkomponenten individuelle Schutzgehäuse für besondere Einsatzzwecke. Zudem realisiert AutoVimation Gehäuse mit speziellen, verschattungsfreien Fensteranordnungen. Die 500g leichten Modelle der Chamäleon XS-Baureihe wurden extra für die RealSense entworfen und haben sich in der Praxis bewährt. Die pulverbeschichteten Aluminium-Gehäuse mit Fenstern aus BK7-Glas und beidseitiger Antireflex-Beschichtung sind äußerst robust und vibrationssicher. Mit ihren kompakten Abmessungen (150x64x34mm) und Schutzart IP66/67 gehen sie eine perfekte Symbiose mit dem Agrarroboter ein. AutoVimation Geschäftsführer Peter Neuhaus war von den motivierten Studenten und ihren Engagement sehr angetan: „Als wir die Anfrage der ETH bekamen, waren wir begeistert – und haben das erfolgreiche Projekt gerne mit unserem Knowhow und dem passenden Gehäuse unterstützt.“
