Der Landwirtschaftsroboter als autonomer Feldarbeiter – das kann er wirklich

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An der ETH Zürich wurde ein Roboter entwickelt, der Unkraut zwischen Ackerpflanzen mechanisch vernichtet. Rowesys wird bequem via Fernsteuerung gestartet – und macht den Einsatz von Herbizid hinfällig.

Gefährdete Artenvielfalt, überbelastete Ökosysteme und zu hohe Pestizidwerte im Grundwasser sowie in der Luft: Die Welt braucht dringend eine nachhaltigere Landwirtschaft. Und dass diese Transformation möglich ist, beweisen immer mehr innovative Ansätze wie Landwirtschaftsroboter – so wie das an der ETH Zürich entwickelte Robotic-Weeding-System, kurz Rowesys.

Landwirtschaftsroboter im Einsatz für eine bessere Zukunft

Das Fokusprojekt zeigt, dass der Verzicht auf Unkraut-, Pilz- und Schädlingsvernichter nicht mit Ertragseinbussen verbunden sein muss. Der Prototyp von Rowesys eignet sich spezifisch für die Anwendung auf Zuckerrübenfeldern, die eine besonders intensive Unkrautbekämpfung bedingen. Während sich andere Lösungen nur auf eine Reduktion von Pflanzenschutzmitteln konzentrieren, beispielsweise durch präzisere Sprühmethoden, macht der ETH-Roboter den Herbizid-Einsatz hinfällig: Er reißt das Unkraut zwischen den Pflanzenreihen aus dem Boden, dreht sich am Ende des Feldes und steuert in die nächste Reihe.

Selbst im Morast oder bei Steinen im Weg bleibt der selbständige Helfer nicht stecken. Pascal Lieberherr, Initiator des Projekts und Masterstudent in Robotics, Systems & Control an der ETH Zürich, wurde schon während seiner Lehre im Bereich der Lebensmittelverarbeitung auf die Herausforderungen der Nahrungsmittelkette aufmerksam. Heute interessiert ihn vor allem eine zentrale Frage: Wie können wir die Menschheit ernähren, ohne dabei die Natur unseres Planeten zu belasten?

Effiziente Ackerpflege

Das Team, bestehend aus Maschinenbau- und Elektrotechnik-Studierenden der ETH Zürich und Industriedesign-Studierenden der FHNW Basel, entwickelte ein robustes Fortbewegungskonzept. Angetrieben wird das Gefährt durch vier E-Scooter-Rad­nabenmotoren, die aufgrund des geringen Reihenabstands der Nutzpflanzen kompakt übersetzt sind.

Ein mechanisches Feder-Dämpfer-System stellt sicher, dass die einzeln steuerbaren Räder immer Bodenkontakt haben und etwa auch bei versenkten Pflugscharen zuverlässig funktionieren. Das ist einerseits wichtig, da ein fehlerhafter Betrieb die Nutzpflanzen beschädigen und den Ertrag reduzieren würde. Andererseits vermindert die ausgeglichene Gewichtsverteilung eine lokale Bodenverdichtung.

Neben der Prozesssicherheit legten Pascal Lieberherr und sein Team auch großen Wert auf die Anwenderfreundlichkeit. So kommt Rowesys ohne GPS-Navigation aus und lässt sich bequem via Fernsteuerung starten. Eine spätere Version des Roboters soll selbständig vom Hof zum Feld und wieder zurückfinden. Zwei leistungsfähige Batterien sorgen für eine achtstündige Einsatzdauer.

Wind, Krankheit und Schädlinge

Für die Navigation auf dem Feld sorgen zwei visuelle Sensoren. Während die Frontkamera die Pflanzenreihen erkennt, unter­scheidet die auf den Boden gerichtete ­Kamera zwischen Unkraut und Nutzpflanze. Die eigens programmierte Software analysiert das Frontbild auf grüne Farbanteile und erkennt dabei die Richtung der Pflanzenreihe. Es ist geplant, für die Analyse des Bodenbildes eine lernfähige Software zu implementieren. Dadurch soll sich der Einsatz auf andere Nutzpflanzen wie beispielsweise Mais ausweiten lassen.

Bei der Entwicklung der Software hat es einige Herausforderungen gegeben. Dazu gehören beispielsweise starke Windstöße, welche die Nutzpflanzen von einer Sekunde auf die andere verwehen. Das System muss dann die sich schnell verändernden Bilder unmittelbar interpretieren und ange­messen reagieren. Auch die Erkennung kranker oder von Schädlingen zerfressenen Pflanzen ist noch nicht ausgereift.

Als das Fokusprojekt im Sommer 2020 präsentiert wurde und auf beträchtliche Resonanz stieß, stand für Pascal Lieberherr fest: Die Entwicklung des intelligenten Landwirtschaftshelfers wird weitergeführt. Im Juni 2021 steht der Wettbewerb „Agri-food Competition for Robot Evaluation“ (ACRE) bevor, eine Initiative, die vom EU-Rahmenprogramm für Forschung und Innovation „Horizon“ gefördert wird. Dabei treten mobile Roboter für den Ackerbau gegeneinander an – die perfekte Gelegenheit für Rowesys, seine Stärken international unter Beweis zu stellen.

Der leistungsstarke DC-Motor RE 50 im Landwirtschaftsroboter

Jede Radachse des Rowesys ist auf beiden Seiten um 180 Grad drehbar und wird gesteuert durch eine Antriebseinheit. Diese besteht aus einem DC-Motor RE 50 von Maxon, der über ein Planetengetriebe GP 62 untersetzt wird und mit einem ­Encoder verbunden ist. Der RE 50-Motor, besitzt einen hohen Wirkungsgrad, ist energieeffizient und sehr leistungsstark.

Der ACRE-Wettbewerb

Bei der ACRE (Agri-Food Competition for Robot Evaluation) müssen sich autonome Roboter bei landwirtschaftlichen Aufgaben (wie das Entfernen von Unkraut oder das Vermessen von Nutzpflanzen bis hin zur Einzelpflanzenauflösung) beweisen. Dabei sind autonome Fähigkeiten erforderlich, zum Beispiel das Unterscheiden von Nutzpflanzen von Unkraut, ohne die Pflanzen zu schädigen. Diese Fähigkeiten sind entscheidend für den Übergang Europas zur Landwirtschaft 4.0, bei der die Landwirtschaft durch künstliche Intelligenz und Robotik unterstützt wird.

Autonome Roboter erledigen mühsame Aufgaben und bieten neue und „grüne“ Wege, landwirtschaftliche Tätigkeiten durchzuführen, indem sie den Einsatz von Ressourcen wie Wasser, Düngemitteln und Pestiziden stark reduzieren und optimieren. Autonome Roboter, die rund um die Uhr ohne Aufsicht und mit hoher Präzision arbeiten, können die Landwirtschaft effizienter und nachhaltiger machen.

ACRE ist ein Benchmarking-Wettbewerb, bei dem die Roboter in realen landwirtschaftlichen Aktivitäten getestet und die Roboterleistung nach strengen wissenschaftlichen und messtechnischen Kriterien bewertet wird, um objektive und wiederholbare Ergebnisse zu liefern.

Der Autor Stefan Roschi ist verantwortlich für die Corporate Marketing Communication der Maxon Group, Sachseln, Schweiz.

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