Spargelradar

Dammscanner zur Höhendetektion der Wurzelballen und Optimierung der Erntemenge

1. Lösungsansatz:

Eine zunehmende Industrialisierung des Spargelanbaus führt zu einem stetig wachsenden Anteil der maschinellen Spargelernte mit Hilfe von Vollerntern. Die von ai solution und Christiaens Agro Systems gebauten Maschinen tragen den Spargelwall auf einer zuvor fest eingestellten Höhe ab und befördern das Erdreich mit den darin befindlichen Spargelstangen über ein Band, von dem die Mitarbeiter die einzelnen Spargelstangen sammeln. Anschließend wird das Erdreich von Steinen und anderen Fremdkörpern befreit und der Wall automatisch neu aufgebaut.

Spargel-Vollernter der Firma ASM Dimatec / ai-solution
Abbildung 1: Spargel-Vollernter der Firma ASM Dimatec / ai-solution

Der Nachteil bei der Verwendung von Vollerntern ist, dass die unterschiedlichen Wachstumstiefen der Pflanzen nicht berücksichtigt und die Spargelstangen nicht in der optimalen Höhe abgeschnitten werden. Dies führt bei einer zu geringen Abtraghöhe dazu, dass zu kurze Stangen geerntet werden, die einen geringeren Preis als normal lange Stangen bringen.

Spargelfeld mit erntereifem Spargel
Abb.: Spargelfeld mit erntereifem Spargel
Funktionsprinzip Spargelwurzeldetektion (rote Linie)
Abb.: Funktionsprinzip Spargelwurzeldetektion (rote Linie)

Bei zu groß eingestellter Abtraghöhe besteht die Gefahr, dass die Wurzel der Spargelpflanze beschädigt wird, was dazu führt, dass sie keinen oder nur noch geringen Ertrag abwirft. Bei einer Lebensdauer von bis zu sieben Jahren und sieben Zyklen pro Saison kann bereits der Ausfall einer einzelnen Spargelpflanze einen Verlust von mehreren Dutzend Spargelstangen pro Saison bedeuten.
Die Wurzelhöhe wächst mit dem Alter der Spargelpflanzen. Siehe Foto.

Entwicklung der Spargelpflanze
Abb.: Entwicklung der Spargelpflanze

Spargelpflanze in real
Abb.: Spargelpflanze in real

Nach dem aktuellen Stand der Technik wird die Abtraghöhe durch einzelne Stichproben im Wall festgelegt (Wurzeltiefe einiger Spargelstangen bestimmen) und während der gesamten Ernte nicht verändert. Dies führt dazu, dass die Abtraghöhe nur sehr ungenau festgelegt werden kann. Eine Freilegung von größeren Wallabschnitten zur exakteren Bestimmung der Höhe ist allerdings vom Aufwand nicht zumutbar.

Aufgrund der genannten Nachteile war es unser Ziel im vorliegenden Projekt, ein berührungslos und in Echtzeit arbeitendes Verfahren zu entwickeln, mit dem in geeigneter Art und Weise fortlaufend ein individuelles Höhenprofil der Wurzelballen von Spargelpflanzen ermittelt werden kann. Für den Endanwender soll eine möglichst einfache Plug-and-Play-Lösung sein, sodass kein Mehraufwand bei der Ernte entsteht.

2. Funktionsbeschreibung und Entwicklungsverlauf

Die Neuheit dieses Lösungsansatzes besteht darin, dass erstmals ein Radar zur berührungslosen Erkennung von Wurzelwerk im Ackerboden entwickelt wird. Die ermittelten topographischen Daten werden anschließend zur automatischen Steuerung eines Vollernters verwendet, sodass jederzeit eine optimale Abtraghöhe erreicht werden kann.

Erste Versuchsanordnungen mit Radarantennen an einem Spargeldamm

Erste Versuchsanordnungen mit Radarantennen an einem Spargeldamm
Abb.: Erste Versuchsanordnungen mit Radarantennen an einem Spargeldamm

Zu diesem Lösungsansatz besteht eine Patentanmeldung der TU Braunschweig, welche gemeinsam mit ASM Dimatec / ai solution für diese Neuentwicklung genutzt wird.
Der größte Vorteil des neuen Sensorsystems besteht darin, dass das Risiko der Beschädigung von Spargelpflanzen minimiert wird und somit ein nachhaltiger Ernteablauf von Spargelpflanzen gelingt.
Der wirtschaftliche Vorteil für die Spargelbauern ergibt sich aus der Maximierung der Länge der geernteten Spargelstangen. So kann sowohl die Erntemenge maximiert als auch ein besserer Preis für den Spargel erzielt werden.

2.1 Entwicklung des Antennensystems

Während der Entwicklung wurden mehrere Antennenanordnungsvarianten untersucht und die beste Variante ausgewählt.

Verschiedene Breitbandantennen: "Vivaldi"-, "Loaded Bowtie" und Spiral-Antenne
Abbildung: Verschiedene Breitbandantennen: „Vivaldi“-, „Loaded Bowtie“ und Spiral-Antenne

Das Sensorsystem ermittelt per Radarwellen das Höhenprofil der Wurzelballen. Durch eine intelligente digitale Signalverarbeitung wird das Höhenprofil so aufbereitet, dass nutzbare Daten direkt an den Vollernter übergeben werden können.

Ausgehend von vorhandenen Loaded-Bowtie-Antennen-Strukturen, die sich aufgrund ihrer kompakten Größe bei gleichzeitig guter Bandbreite im Rahmen vorhergehender Arbeiten für Bodenradaranwendungen als sehr vorteilhaft erwiesen haben, wurde das elektronische Anpassnetzwerk der Antenne optimiert, um für die Spargeldetektion auch höhere Frequenzanteile von wenigstens bis zu 2…4 GHz einsetzen zu können (vormals bis zu ca. 1 GHz).

Mögliche Antennenkonfigurationen
Abb.: Mögliche Antennenkonfigurationen

Die Schaltung des optimierten Anpassnetzwerkes wurde designt und aufgebaut und mit neu hergestellten Loaded-Bowtie-Antenne verbunden und in Betrieb genommen. Die Antennen wurden im Laufe der Entwicklung charakterisiert und durch geeignete rückseitige Schirmung der Antennen wurde ein Abstrahlverhalten vorwiegend in Vorwärtsrichtung erreicht.

2.2 Entwicklung des Radarsystems

Für die Antennen wurden spezielle Vorrichtungen zur Ausrichtung entlang des Spargeldamms entwickelt, welche mit dem konstruierten Messfahrzeug verbunden werden und von diesem lateral entlang des Damms geführt werden. Später sind diese Teil der Anbauvorrichtung am Vollernter.

Die ersten Messungen erfolgten an einem Spargeldamm, der im Labor aufgebaut wurde. Hier wurde ein Stepped-Frequency-Radar-System eingesetzt, zusammen mit einer Messwagenkonstruktion von ASM Dimatec. Damit konnte die Ermittlung wesentlicher Parameter für die notwendige Bandbreite zur Spargeldetektion durchgeführt werden.

Simuliertes Radargramm der Spargelreflexionen für Antennenanordnung oberhalb Damm
Abbildung: Simuliertes Radargramm der Spargelreflexionen für Antennenanordnung oberhalb Damm

Gemessenes Radargramm am Freifeld-Spargeldamm [dicht bepflanzter Bereich mit Reflexionsschicht der Spargelpflanzen hier zu sehen zwischen 2..6 m]
Abbildung: Gemessenes Radargramm am Freifeld-Spargeldamm [dicht bepflanzter Bereich mit Reflexionsschicht der Spargelpflanzen hier zu sehen zwischen 2..6 m]
Auf Basis dieser Erfahrungen wurde ein neuer Pulsgenerator (Pulsbreiten von 1,5 ns möglich) nach individuellen Spezifikationen des IHF gefertigt. Damit wurde ein Pulsradarsystem aufgebaut und im Zusammenspiel mit den Antennen erfolgreich in Betrieb genommen.

Zur Optimierung und Durchführung zahlreicher Testläufe von Hardware + Software wurde ein etwa 9 m langer bepflanzter Freifeld-Spargeldamm errichtet. Damit wurde im Vorfeld ein bekanntes Szenario geschaffen, wodurch Unsicherheiten bei Auswertung von Messdaten reduziert werden, bevor man die Ergebnisse im Realumfeld vergleicht. Der Spargeldamm beinhaltete sowohl ein dicht bepflanzter Abschnitt (realistisch) als auch ein Abschnitt mit verringerter Pflanzendichte zur Untersuchung des Einflusses einer einzelnen Pflanze auf das Radarsignal.

Labor / Antennenanordnung A

In Praxistests wurde die Wirksamkeit der Radarmessungen mit der realen Wurzelhöhe verglichen und einen bereits sehr hohe Übereinstimmung ermittelt.

Spargeldetektion per Radar

2.3 Digitale Signalverarbeitung

Durch die Zugänglichkeit des Spargelwalls von drei Seiten, besteht die Möglichkeit, Messungen entweder in Reflexion (Sende- und Empfangsantennen auf derselben Wallseite) oder in Transmission (Sende- und Empfangsantennen auf verschiedenen Wallseiten) durchzuführen bzw. eine Kombination aus diesen beiden Modi zu wählen. Je nach Modus werden die empfangenen digitalisierten Signale anschließend mit unterschiedlichen Algorithmen der digitalen Signalverarbeitung weiterverarbeitet.

In jedem Fall wird aber das Nutzsignal mit der Höheninformation der Wurzelballen aus den Messdaten extrahiert, wozu zunächst die überlagerten Störeinflüsse beseitigt wird.
Letztere werden in nicht unerheblichem Umfang vom direkten Antennenübersprechen bzw. von internen Antennenreflexionen verursacht. Darüber hinaus tragen umgebende Reflexionsquellen (Landmaschinen, Personen), sowie Fremdkörpern im Spargelwall (etwa Steine und die Spargelstangen selbst) und andere Inhomogenitäten zu einer deutlichen Verschlechterung der Signalqualität bei.

Spargelradar-Rechnereinheit
Abb.: Spargelradar-Rechnereinheit

Alle vom System aufgezeichneten Messdaten stammen von Einflüssen unterschiedlicher Stärke, die sich zudem in unmittelbarer räumlicher Nähe zueinander befinden und daher zeitlich zusammenfallen. Sie werden zunächst getrennt, wozu geeignete Algorithmen zur Signalklassifikation eingesetzt werden, um zwischen gewünschten und unerwünschten Einflüssen zu unterscheiden. Insbesondere wurde auch der Einfluss unterschiedlicher Feuchtegrade sorgfältig untersucht und bei der Signalverarbeitung beachtet. Das vorverarbeitete Signal wird anschließend weiterverarbeitet, um daraus die notwendigen Informationen zu erhalten, aus welcher sich schlussendlich ein Höhenprofil erstellen lässt.

Recheneinheit als Versuchsaufbau hinter einen Schlepper
Abb.: Recheneinheit als Versuchsaufbau hinter einen Schlepper

Aufgrund der dreiseitigen Zugänglichkeit des Spargelwalls wurde im Projekt untersucht, ob neben dem Einsatz eines Radars auch eine Tomographie des Spargelwalls effektiv durchgeführt werden kann.

2.4 Sensorsystem am Spargelvollernter

Das neuartige Sensorsystems wurde in den aktuellen Vollernter der Firma ai solution integriert.
Ziel dabei war es, ein geeignetes Gehäuse und entsprechende Koppelstellen zwischen Ernter und Sensorsystem vorzusehen, um eine einfache Integration zu ermöglichen. Das Gehäuse schützt die empfindliche Radartechnik vor Schmutz und Wasser (IP 54). Der Vorteil des neu entwickelten Sensorsystems ist, dass die relativ unempfindlichen Antennen unabhängig von der Recheneinheit integriert wurden.

Die Koppelstellen lassen eine notwendige Verstellung des Systems zu, verhindern aber auch eine unbeabsichtigte Verstellung des Systems. Insbesondere beim Einsatz im Feld (Erschütterungen durch Unebenheiten) wird die Funktion des Radars dadurch gestört, so dass die Antennen nicht zu stark vibrieren oder sich die komplette Einheit verstellen kann.
Die Antennen werden an einer Drei-Punkt-Aufhängung am Vollernter verschraubt und entsprechend schwingungsgedämpft montiert.

Vollernter mit Sensoreinheit
Abb.: Vollernter mit Sensoreinheit

Die über das Sensorsystem gewonnenen Daten der Wurzelhöhe werden wegbezogen gespeichert. Nachdem das ganze Feld am Saisonanfang einmal vermessen wurde, werden diese Daten über eine Rechnereinheit extern in analoge Steuersignale umgerechnet. Eine Echtzeitauswertung der Daten ist aus Kostengründen aufgrund der dafür benötigten Rechenleistung momentan nicht sinnvoll. Die berechneten Daten werden per USB-Stick auf die Steuerung übertragen, die dann wegabhängig direkt auf die Höhenverstellung der Schneidscheiben wirkt – sobald ein GPS-System zur Datenerfassung und Abgleich integriert wurde.

3. Anforderungsparameter für das entwickelte Sensorsystem

Das Sensorsystem zur optimierten automatischen Spargelernte bzw. die damit ausgerüsteten Vollernter weist folgende Funktionen und relevante Parameter auf:

  • Berührungslose und kontinuierliche Detektion von Wurzelballen der Spargelpflanzen im Erdreich und automatische Überführung in topographische Informationen
  • Automatische Steuerung des Vollernters anhand der ermittelten topographischen Informationen
  • Höhensteuerung auf 20 mm genau
  • Hub des Stellers: 300 mm
  • Höhenverstellung: 20 mm auf 500 mm Fahrweg
  • Schutzklasse für das Radarsystem: IP 54 (max. IP 65)
  • Steuerung über CAN-Bus
  • Positionsbestimmung über GPS-Antennen (bei autarkem Sensorsystem)
  • Radarsystem im Bereich 300 MHz – 3 GHz
  • Ultra-Breitbandantennen mit +5 dB Gewinn bei Mittenfrequenz
  • Genauigkeit der Radaraufnahmen: je nach Boden 20 – 30 mm
  • Permittivität auf +/- 3 genau bestimmen
  • Messpunkte für Höhenprofil in 50-100 mm Intervallen
  • Erhöhung der Ernteausbeute um ca. 500 kg/ha

Reproduzierbare Ergebnisse