Fahrspur- und Routenplanung für teilautonome, GNSS-gestützte Landmaschinen

Abstract

Die Entwicklungen in der Landwirtschaft sind durch Automatisierung und Informationstechnologie geprägt. Parallelfahrsysteme sind zu einem wichtigen Werkzeug geworden, um die Maschine mit einer Spurgenauigkeit von wenigen Zentimetern auf dem Feld zu navigieren.<br /> Die vorliegende Arbeit beschreibt ein Planungsprogramm, mit dem ein automatisches Lenksystem zu einem teilautonomen Feldroboter ohne Mehrmaschinenkooperationen weiterentwickelt wurde. Hierfür sind fünf notwendige Planungsschritte konzipiert worden. Im ersten Schritt werden die notwendigen Eingabeparameter Feldgrenze und Hindernisse aufgezeichnet und nachbearbeitet, die notwendigen Maschinenparameter wurden ebenfalls in das System eingegeben. Das Feld wird in Bereiche unterteilt und Bearbeitungsrichtungen für die Teilbereiche bestimmt. Die Fahrspuren werden mithilfe der eingegebenen Daten flächendeckend generiert und Wendeflächen vorgesehen. Im Anschluss wird eine Teilfeld- sowie Fahrspurreihenfolge mittels Methoden des Operations Research berechnet. <br /> Es wird gezeigt, dass die verwendeten Algorithmen für eine Feldteilung, Auswahl einer Abarbeitungsrichtung und für eine Spurerstellung die Arbeitszeit um durchschnittlich 5 % minimieren können. Ein Modell zur Arbeitszeitabschätzung für ein gegebenes Feld wird gebildet und verifiziert. Das Sequenzieren der Teilfelder und Fahrspuren wird ebenfalls durch das Programm vorgeplant. Durch eine solche Fahrstrategieplanung wird die Wendezeit um ca. 50 % verringert. Ein weiterer wichtiger Baustein für das System ist die Überwachung. Neben den Neuberechnungen der Routen aufgrund von situationsbedingten, von den Landwirten angestoßenen Planänderungen werden auch Wendemanöver geplant und ausgeführt.<br /> Teilautonome Landmaschinen sind in einer Forschungsphase und haben aufgrund der Menge an noch zu lösenden Entwicklungsaufgaben die Marktreife nicht erreicht. In dieser Arbeit wird ein Assistenzsystem und kein autonomer, mobiler Roboter vorgestellt. Es werden Vorschläge für jeden Planungsschritt generiert und diese - nach Bestätigung oder Änderung durch den Anwender - ausgeführt. Der Vorteil ist somit, dass jeder automatisch generierte Schritt manuell geändert werden kann. <br /> Das System ist modular aufgebaut und Erweiterungen des Systems sind möglich, sodass auch andere nicht betrachtete Feldprozesse teilautonom gefahren werden können. Alle Algorithmen sind auf einen minimalen Rechenzeitbedarf ausgelegt. Analysen bestätigen die Anwendbarkeit auf einem Maschinenterminal.

<strong>Path and route planning for semi-autonomous, GNSS-based agricultural machinery</strong><br /> The presented work shows a strategy how semi-autonomous driving on the field can be realised. The focus is on the application in an agricultural vehicle with integration of a GNSS guidance system and its functionalities. Weather and situation dependent driving routes and limited computational resources during field process result in an important requirement of a planning system, an agile and fast recomputation. Further savings were realised by computer-aided optimisation algorithms. The system has a modular structure and it is shown how it can be extended for planning steps with special restrictions. <br /> The field process is modeled based on machine data, thus working time and route length can be estimated. With recorded real data, the model is verified. The working time minimisation is implemented by defined cost function. New algorithms for field division and track generation can save up to 5 percent working time. Also the track order was optimised, so that the turning time can be reduced up to 50 percent. In addition, also recomputation because of plan deviation was implemented. The software scope contained a method to generate turning manoeuvres so that the connection of two field tracks can be computed with the shortest possible path length drivable for GNSS steering systems.<br /> Semi-autonomous agricultural machines based on a GNSS steering system are still in focus of research and predevelopment phases developed. In this work, an assistance system and not an autonomous, mobile robot is presented. There are proposals for each planning step generated and - after confirmation or amendment by the user - executed. The advantage is that any auto-generated step can be changed manually.<br /> A general modular system is designed. Extensions are possible so that further not considered field processes can be operated semi-autonomously. For several processes, such as combine harvesting, the machine-utilisation shall be optimised. This thesis deals with working time minimisation, while Multi-machine communication was not subject of the thesis.