Autonomer Roboter zum Ernten von Äpfeln

Mess- und Sensorlösungen von SIKO finden sich nicht nur in etablierten industriellen Anwendungen, die SIKO GmbH unterstützt aktuell auch ein landwirtschaftliches Forschungs- und Entwicklungsprojekt mit zwei Drehgebern aus ihrem Programm für mobile Ar

„AurOrA“ (Autonomous Orchard Assistant Altes Land) ist ein kleines autonomes Fahrzeug, das sich zukünftig selbstständig durch Obstplantagen bewegt und volle Obstkisten erkennt, aufnimmt und zu einer definierten Abladestelle bringt. Der Roboter entlastet die Erntehelfer und ermöglicht ihnen, sich auf anspruchsvollere Aufgaben zu konzentrieren. Technik und Automatisierung sollen zunehmend dazu beitragen, eintönige, ermüdende Tätigkeiten zu vermeiden und die Arbeit der Obstbauern erheblich erleichtern. Die Idee zu dem Projekt kommt aus der Praxis: Obstbauer Johann Schröder aus Jork im Alten Land südwestlich von Hamburg bat die hochschule 21 in Buxtehude um Hilfe bei der Entwicklung eines solchen autonom fahrenden Fahrzeugs. Das Projekt wurde in Zusammenarbeit mit dem Landmaschinenhersteller PWH aus Jork im Februar 2020 gestartet. Die Nachfrage nach technischer Unterstützung ist bei den Obstbauern hoch und das Projekt soll daher mittelfristig zu einem marktreifen, rentablen Produkt werden. Konkretes Ziel des Projekts ist es jedoch, bis Januar 2023 zunächst einen funktionsfähigen Prototypen zu liefern, der die Praxistauglichkeit demonstriert. Das Projekt wird durch das ZIM-Förderprogramm des Bundeswirtschaftsministeriums gefördert.

Zweiter Meilenstein: Roboter fährt autonom

Das Projekt befindet sich derzeit im letzten Drittel der Planungsphase und hat seinen zweiten Meilenstein erreicht: Der Roboter kann bereits weitgehend autonom in einer Obstplantage agieren. An der Vermeidung von Kollisionen und der Erkennung der Bodenbeschaffenheit wird noch gearbeitet, um zum Beispiel zu vermeiden, dass die Räder in matschigem Untergrund stecken bleiben oder vom Kurs abdriften und in einen Graben geraten. Meilenstein Nummer drei wird dann tatsächlich sein, eine Kiste abzuholen und zu transportieren.

Ein solches Entwicklungsprojekt ist immer mit besonderen Herausforderungen verbunden, angefangen bei der Abstimmung der Interessen verschiedener Obstbauern, die oft sehr unterschiedliche Ernteprozesse haben, über Probleme mit der Infrastruktur, wie etwa einem stabilen Mobilfunkstandard, damit der Roboter GPS empfangen kann Daten und Kommunikation mit dem Bediener bis hin zu praktischen Schwierigkeiten im täglichen Außeneinsatz (Wetterverhältnisse, Schnee, Regen, Sonnenschein, Bodenbeschaffenheit).

SIKO unterstützt zukunftsorientierte Projekte

Für ein autonom fahrendes Fahrzeug werden Sensoren benötigt, die verschiedene Messaufgaben übernehmen. Für die Lenkwinkelerkennung und Positionierung der Boxenhalter wurde der Mess- und Sensorspezialist SIKO hinzugezogen. Mit langjähriger Erfahrung in der mobilen Arbeitsmaschinen- und Landmaschinentechnik konnte SIKO sein Know-how in die Planungsphase einbringen und schließlich zwei passende Drehgebertypen finden, die diese wichtigen Funktionen unterstützen. Alexander Kammann, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der hochschule 21, schätzt die Arbeit der SIKO-Experten: „Wir waren positiv überrascht von der Bereitschaft und dem Engagement von SIKO, zukunftsorientierte Projekte zu unterstützen und beratend zur Seite zu stehen. Am Anfang waren wir uns nicht einmal sicher, welche Anforderungen wir eigentlich an die Sensoren haben. Das alles haben wir gemeinsam erarbeitet und definiert.“

Robuster Drehgeber für raue Umgebungsbedingungen

Zunächst einmal müssen potenzielle Sensoren extrem robust und widerstandsfähig gegenüber harten Außenbedingungen (Matsch, Staub, Regen, starke Sonneneinstrahlung, Bodenunebenheiten) sein. Komponenten der Sensormodulreihe PURE.MOBILE von SIKO eignen sich besonders für den Einsatz in mobilen Arbeitsmaschinen unter rauen Umgebungsbedingungen. An der Rückseite des Fahrzeugs ist ein Doppelrad angebracht, das sich drehen und so die Lenkung steuern kann. Der Lenkwinkel wird vom magnetischen Drehgeber WV5800M erfasst, verarbeitet und an die Steuerung gesendet. Hierbei handelt es sich um einen Multiturn-Drehgeber, mit dem auch Mehrfachdrehungen absolut erfasst werden können. Wird die Stromversorgung unterbrochen, weil z. B. die Batterien leer sind, bleibt der zuvor eingestellte Lenkwinkel erhalten. Ohne Absolutwertgeber würde dieser beim Wiederanfahren des Fahrzeugs fälschlicherweise als Null-Grad-Winkel eingestellt werden. Das magnetische Messprinzip erfüllt die Anforderungen an Robustheit und Belastbarkeit. Auch die hohe Präzision und Zuverlässigkeit des Drehgebers überzeugte das Team, sodass das Fahrzeug seinen Lenkwinkel immer so anpasst, dass es seine definierte Bahn einhält – ohne Ausfälle oder unzulässige Abweichungen von Toleranzen. Um die Sicherheit im Zusammenspiel mit den im Obstgarten arbeitenden Menschen noch weiter zu erhöhen, wird für zukünftige Fahrzeuge die Safety-Variante des Drehgebers WV58MR mit redundanter Positionserfassung eingesetzt, um Ausfällen zuverlässig vorzubeugen. In der Entwicklungsphase stand zunächst die technische Machbarkeit im Vordergrund, sodass der Drehgeber ohne Sicherheitsstandard ausreichte. Der Pluspunkt der SIKO-Modelle: Die beiden Drehgeber sind baugleich, sodass beim Austausch keine mechanischen Anpassungen an die Anwendung vorgenommen werden müssen. Auch für die Lenkwinkelerkennung wurde eine CANopen-Schnittstelle gefordert, um möglichst viele Standard-Elektronikkomponenten verwenden, schnell austauschen und in den Systembus integrieren zu können.

Positionssensoren für die „Flipper“

Der zweite SIKO Drehgeber, der AH25S, ist noch kleiner und kompakter, aber nicht weniger robust. Dabei handelt es sich um einen Singleturn-Drehgeber, der die Position der Kistenhalter, der sogenannten Flipper, überwacht. Die gefüllte Fruchtkiste wird an vier Punkten von je einem Flipper aufgenommen. Wenn der Roboter über die Kiste fährt und die gefederten Halterungen diese berühren, schwenken die Flipper zur Seite, öffnen sich dann automatisch und liegen dann unter den vier Ecken der Kiste zum Aufnehmen. Um die Box sicher transportieren zu können, muss die Position jedes Flippers bekannt sein: Ist er wirklich zurückgeschwenkt oder hat er sich verklemmt? Sind alle vier Flipper unter der Box, um sicherzustellen, dass sie richtig aufgenommen wird? Die Platzverhältnisse sind sehr beengt, daher wurde ein Miniatur-Drehgeber benötigt, der ohne spezielle Halterung direkt eingesetzt werden kann. Hier reicht ein analoger Encoder aus, da die Daten weniger kritisch sind als die des Lenkwinkelsensors.

Ein Erntewerkzeug mit echtem Mehrwert

In einem solchen Entwicklungsprojekt müssen viele Rädchen ineinander greifen, um aus einer vagen Idee ein technisch perfektes Produkt zu machen, das künftig mit einem ausgewogenen Kosten-Nutzen-Verhältnis in zahlreichen Obstanlagen zum Einsatz kommen kann. Um den Betrieben einen echten Mehrwert zu bieten, soll „AurOrA“ auch für andere Pflegearbeiten wie Mulchen und Mähen oder als Unterstützung beim Pflanzen neuer Bäume eingesetzt werden. Somit ist ein praktisch ganzjähriger effektiver Einsatz möglich und nicht nur auf die Erntezeit beschränkt.

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