Ein Beitrag zur koordinatengesteuerten Aussaat von Rübenpflanzen mittels Multi-Sensor-System und Filteransatz

Abstract

Die Bestandspflege von landwirtschaftlichen Kulturen, maßgeblich geprägt durch die Unkrautkontrolle, wird heutzutage überwiegend mit chemischen Pflanzenschutzmitteln betrieben. Der gestiegene Bedarf an Bioprodukten erfordert jedoch ökologische Konzepte, die eine umfassende und wirtschaftliche Bestandspflege gewährleisten. Eine Lösung kann die Erweiterung des klassischen mechanischen Hackens auf eine umfassendere Beseitigung darstellen. Das zusätzliche Hacken, rechtwinklig zur Fahrtrichtung, ermöglicht ein Beseitigen von Unkräutern auch innerhalb der Pflanzenzwischenräume. Befahrbare Längs- und Querreihen in Form eines Rechteckverbandes sind die Voraussetzung.<br /> Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein Lösungskonzept zur Erzeugung eines Rechteckverbands durch eine koordinatengesteuerte Aussaat von Reihenkulturen entwickelt. Eine bekannte Methode zur Erfassung von Fahrzeugbewegungen aus dem Kfz-Bereich wird auf das landwirtschaftliche Problem übertragen und an dessen Rahmenbedingungen angepasst. Aufgrund der Komplexität des Gesamtsävorgangs, gleichabständige Aussaat in Längsrichtung und Wendevorgänge, beschränken sich die Ausführungen dieser Arbeit im Wesentlichen auf die Entwicklung einer Lösung zur koordinatengesteuerten Saatkornablage in Längsrichtung durch konventionelle Einzelkornsämaschinen. Es soll kein autonom agierendes landwirtschaftliches Spezialfahrzeug geschaffen werden.<br /> Als Grundlage eines Lösungskonzepts wird zunächst der Stand der Forschung bei der Automation von landwirtschaftlichen Prozessen und die Nutzung von geodätischen Multi-Sensor-Systemen in Kombination mit echtzeitfähigen Filteransätzen betrachtet. Eine Erörterung der unterschiedlichen Rahmenbedingungen zeigt, dass eine Genauigkeit von σ < 2 cm für die Ablage erreicht werden muss.<br /> Der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit besteht somit in der Erarbeitung eines geeigneten Lösungskonzepts und einer anschließenden Verifikation durch verschiedene Versuchsfahrten. Zunächst wird das eingesetzte Multi-Sensor-System unter Beachtung eines einheitlichen Koordinatenbezugs aufgezeigt und die Echtzeitfähigkeit der Datenerfassung analysiert. Dabei zeigt sich, dass nicht alle Datenquellen in ausreichender Echtzeit erfasst und verarbeitet werden können (u.a. Verzögerung bei den GPS-Koordinaten). Die Berechung einer Führungsgröße zur koordinatengesteuerten Aussaat spaltet sich somit in einen echtzeitfähigen und einen zweiten verzögerten Teil auf. Für die echtzeitfähige Berechnung in Form einer KALMAN-Filterung ist die Modellierung des Bewegungsverhaltens des Fahrzeugs notwendig. Durch eine experimentelle Ermittlung des Modellansatzes wird gezeigt, dass das funktionale Modell einer gleichmäßig beschleunigten Bewegung für Längsfahrten ausreichend ist. Eine zusätzliche Abschätzung des Systemrauschens mit ca. 0,01 m/s² und die Bildung des stochastischen Modells der Messgleichungen ist durch die Quantifizierung gegeben. Die Übertragbarkeit des bekannten Filteransatzes aus dem Kfz-Bereich auf die landwirtschaftliche Bewegung ist hiermit bestätigt.<br /> Die Funktionalität der koordinatengesteuerten Saatkornablage im Rechteckverband, unter Einhaltung der landwirtschaftlichen Rahmenbedingungen, wird durch eine Verifikation der KALMAN-Filterung gezeigt. Unter Nutzung der Ergebnisse der individuellen Sensorkalibrierungen können bei Geschwindigkeiten zwischen 1,5 - 2 m/s und einem Saatabstand von 0,3 m gleichabständige Ablageweiten mit einer Standardabweichung von <0,01 m erreicht werden. Die Abweichungen der absoluten Ablagepositionen über die Gesamtlänge der Längsfahrt fallen mit bis zu 0,02 m höher aus. Die Gründe liegen u.a. in der maximalen Messgenauigkeit der absoluten Positionierung (RTK-GPS) von 1 - 2 cm. Das vorgestellte Lösungskonzept ist somit funktionsfähig.

<strong>Coordinate steered sowing of beets by means of a multi-sensor-system and filter algorithm</strong><br /> The maintenance of agricultural cultivation in Western Europe is significantly affected by weed control. Currently weed control is achieved predominantly by using chemical herbicides. The extended demand for bio-products requires ecological concepts which guarantee extensive and economical maintenance. A solution to be considered is the extension of the traditional, mechanical hoeing for an extensive maintenance. Additional hoeing laterally to the sowing direction allows the control of weeds in-between the individual plants. Driveable longitudinal and lateral lines in a rectangle grid are a precondition.<br /> In the context of this dissertation a concept for the solution is developed producing a rectangular grid by coordinate steered sowing in strip farming. A known method used in the automotive sector for recording vehicle movements is transferred into the agriculture domain adapted to the basic conditions. The content of this dissertation is limited to developing a solution for coordinate steered sowing in longitudinal lines with conventional single-seeders, due to the complexity of the whole seeding procedure, equidistant sowing positions in longitudinal lines and turns. Not an autonomous special purpose vehicle is the subject of this research.<br /> The basis for the solution concept taken into consideration is state of the art research from automation of agriculture processes and the use of geodetic multi-sensor-systems in combination with real-time filter algorithms. According to the analysis of the different basic conditions an accuracy for the sowing position of σ < 2 cm must be achieved.<br /> This dissertation focuses on the realization of a suitable precise solution concept and thereafter verifying it by means of several test drives. The used multi-sensor-system will be presented taking a uniform coordinate reference into account and the real-time data acquisition capability will be analyzed. Resulting from this analysis, not all data sources could be recorded and processed in real-time (amongst others the deceleration by GPS-coordination). The calculation of a reference variable for the coordinate steered sowing process is thus separated firstly into a real time and secondly into a delayed part. For the real-time calculation in form of a KALMAN-filtering the modelling of the vehicle motion is necessary. By experimentally determining the model approach, it is shown that the functional model of a uniformly accelerated motion for longitudinal tracks is sufficient. An additional estimate for the system noise by approximately 0,01 m/s² and the stochastic model of the measurement equations are achieved with the quantification. Thus transferring the known filter attachment from the automotive scenario into the movement of agricultural vehicles is confirmed.<br /> Verifying the KALMAN-filtering demonstrates the functionality of the coordinate steered sowing within a rectangular grid, in compliance with the agricultural conditions. Using the results of individual sensor-calibration, equidistant sowing positions of 0,3 m with a standard deviation of <0,01 cm can be achieved at speeds between 1,5 - 2 m/s. The deviation from the absolute sowing position along the whole distance of the longitudinal track is up to 0,02 m, which is slightly higher. The primary contributor to this inaccuracy is the maximum accuracy of measuring the positions of 1 - 2 cm (RTKGPS). Therefore the presented concept for the solution is proven to be viable.<br /> Against the background of the whole sowing procedure (longitudinal track + turns) for this purpose first solution aspects based on the presented concept of the longitudinal track are considered further at the end of the dissertation.