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Prof. Dr. Hans W. Griepentrog
Institut für Agrartechnik, StuttgartVerfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion
Grundlagen, Chancen und Hürden autonomer FahrzeugeSmart Farming und Nachhaltigkeit – Chancen und Herausforderungen 4. Agroscope-Nachhaltigkeitstagung, Agroscope in Tänikon
© Hans W. Griepentrog / 20.01.2017 / Folie 2 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion
Wie sieht die Zukunft aus?
Source: thechinainvestors.com
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zukünftig
heute
GRUNDLAGEN –Agrartechnische Systeme, Definitionen
■ Mechanisierungist die Anwendung von Arbeitsmitteln (Werkzeug) zur Steigerung der Produktivität und Qualität(Steigerung der Produktivität)
■ Automatisierung (Automation)ist die mit Hilfe von Maschinen realisierte Übertragung von Arbeit vom Menschen auf Automaten(Reduzierung der Arbeitskosten)
■ Roboter und autonome Maschinen (Autonomik)sind komplexe, intelligente und flexible Systeme(Künstliche Helfer)
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GRUNDLAGEN –Warum Roboter?
■ Arbeitserleichterung in den Produktionsverfahren■ Steigerung der Ressourceneffizienz (Precision-Farming-Prinzip)■ Ertragssteigerung durch Optimierung der Wachstumsbedingungen■ Lebensmittelsicherheit (Food Safety)■ Mechanisierung passt sich der Natur an, nicht umgekehrt■ Geringere Investitionskosten durch skalierbare kleine Maschinen■ Vorteile für Ökonomie und Umwelt durch Minimierung von Betriebsmitteln
(Dünger & Pestizide)
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GRUNDLAGEN –Prozessparameter
■ Mechanisierung
■ Automatisierung
■ Robotik
Kapazität
Investition
Service-kosten
AufwandMittel
Arbeits-kosten
Flexibilität
Komplexität
Produkt-qualität
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GRUNDLAGEN –Robotik, Einteilung nach Einsatzbereiche
Umwelt
Strukturiert Unstrukturiert
Objekte
Strukturiert Industriefertigung Militär, Raumfahrt, Bergbau
Unstrukturiert Medizin Agrarbereich(Freiland)
Source: Bechar & Vigneault 2016
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GRUNDLAGEN –Produktionsbedingungen
■ Industrie 4.0□ Hochkomplex, aber Produktionsbedingungen konstant und steuerbar
(deterministisch)■ Landwirtschaft
□ Hochkomplex, aber Produktionsbedingungen nicht konstant und z.T. schwer vorhersehbar (nur teilweise deterministisch & hoher Anteil stochastisch)
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GRUNDLAGEN –Robotik, Niveau der Autonomie
ManuellFernsteuerung
100 %
HumanInteraction
Autonomy
100 %
0 % 0 %Autonom
deterministischAutonomreaktiv
Maschinensystem
50 % 50 %
Source: Granot 2001, modified
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GRUNDLAGEN –Sensorik, Systemevolution von Sensorsystemen
■ Data mining / big data / algorithmSource: Becker 2006
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CHANCEN –Potenziale, Precision Farming■ Konventionelle oder
traditionelle Verfahren
■ Precision Farming□ kartenbasiert
□ sensorbasiert
■ Einzelpflanzen-behandlung
SchlagEinheitliche Dosiermenge
Offline / TeilschlagVariable Dosierung
EinzelpflanzeIndividuelle Behandlung
Echtzeit / SpotVariable Dosierung
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CHANCEN –ROBOTIK, 3D-Rahmen Kartierung & Applikationen
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CHANCEN –Sensorik in Mais - LIDAR
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CHANCEN –ROBOTIK – Indiviuelle Pflanzenbehandlungen
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CHANCEN –Einzelpflanzenbehandlung, Effizienz, Micro-Sprayer
Source: Soegaard & Lund, 2006
Dosierung 1 [µg] pro UK-Pflanze UK-Dichte 100 [pro m2] =
1 [g/ha]
- Solanum nigrum- Two-leaf stage
Array matrixca. 10 x 10 cm
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Automatisiert
Automationsniveau
Manuell
CHANCEN –Welche Hürde bleibt?
Source: Parasuraman et al. 2000, modified
Smart Farming
Datenerfassung(Sensoren)
Information-Analyse
(Algorithmen)
Entscheidungs-unterschützung
(Human Support)
Ausführung(Applikation)
Automatisierte Funktion
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HÜRDEN –Vernetzung
■ Intern:□ Betrieb□ Prozesse□ Maschinen
■ Extern:□ Betrieb□ Geschäftspartner□ Internet
■ Bedingung:Gute Tele-Kommunikations-strukturen
Betrieb
KommerzielleDaten-Plattformern(z.B. Cloud)
Sensoren Schlagdaten-erfassung
Echtzeit-beurteilung
Betriebs-Datenbank
(FMIS)
EinhaltungStandards
Lohnunternehmer/Berater
Landwirtschafts-ministerium
Source: FutureFarm
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HÜRDEN –Vernetzung, zukünftiger Betrieb
Source: VDMA 2016 Landwirtschaft 4.0
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HÜRDEN –Datenschutz, Beispiel Ertragskartierung
■ Lohnunternehmer drischt für Landwirt Piepenbrink. Maschine ist mobil vernetzt mit Herstellerserver. Schlag- und Ertragsdaten werden erfasst.
■ Wem gehören die (Ertrags-)Daten?□ Dem Landmaschinenhersteller,
Betriebsdaten von Maschinen werden genutzt für Diagnose und Wartung.□ Dem Mähdrescherfahrer,
da personenbezogene Daten (‚Recht auf informationelle Selbstbestimmung‘)
□ Dem Landwirt,sein Betriebsgeheimnis, seine Betriebs- und Geschäftsdaten
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Alt
Wann?
FAZIT –Robotik, Systeme und Automationsniveau
Manuell Steuerung Adaptiv EntscheidungRegelung Assoziativ Planung
Betrieb
Produktions-prozess
Maschine
2017 2037?
Komplexität
Automationsniveau
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FAZIT –Autonome Fahrzeuge in der Landwirtschaft
■ Steigerung der Effizienz der Ressourcennutzung□ Effekte auf Umwelt, Ökonomie und Produktqualität (Food Safety)
■ Robotik wird kommen□ … zunächst insbesondere in Kombination mit den Sonderkulturen und
dem Ökolandbau
■ Der Landwirt bleibt trotz der Automation ein wichtiger Teil des Managementsystems□ … durch Automatisierung mehr Zeit für das Wesentliche
■ Hürden der Daten- & Informationsvernetzung□ Datensicherheit muss gegeben sein□ Datenschutz evtl. vom Gesetzgeber nachgebessert