Verbesserung der Nachhaltigkeit und Produktivität in der Landwirtschaft durch autonome Fahrzeuge

Autonome Traktoren, Drohnen sowie Pflanz-, Jät- und Ernteroboter sind einige der in der Entwicklung befindlichen Technologien, die die Landwirtschaft verändern und zur Linderung der Nahrungsmittelknappheit beitragen werden, indem sie die Nachhaltigkeit und Produktivität der landwirtschaftlichen Tätigkeiten verbessern. Autonome Fahrzeuge aller Art werden die Menschen vom Fahren von Traktoren und anderen Maschinen befreien und es ihnen ermöglichen, mehr wertschöpfende Tätigkeiten auszuüben. Dazu gehört die Einführung einer Präzisionslandwirtschaft, die die Erträge steigert, die negativen Auswirkungen auf die Umwelt verringert und die Nachhaltigkeit der landwirtschaftlichen Betriebe verbessert, indem sie Probleme im Zusammenhang mit Wasserknappheit, Arbeitskräftemangel und anderen Einschränkungen angeht.

Während Drohnen und Agrarroboter neue Systeme darstellen, die von Grund auf neu entwickelt und eingesetzt werden, ist das bei Traktoren anders. Es gibt bereits einen großen Bestand an Traktoren, die in der Regel eine lange Nutzungsdauer haben. So werden neben der Entwicklung vollautomatisierter Neukonstruktionen auch bestehende Traktoren mit elektrischen Antrieben nachgerüstet und mit digitalen Systemen für bestimmte Zwecke, so genannte „digitale Traktorimplantate“, aufgerüstet.

Dieser Artikel befasst sich mit der Entwicklung digitaler Traktorimplantate und neuer Elektrotraktoren (E-Traktoren). Der Bericht befasst sich mit den Herausforderungen beim Einsatz autonomer Traktoren und zeigt auf, wie Drohnen, Sensoren an Traktoren sowie KI und ML in der Präzisionslandwirtschaft eingesetzt werden. Außerdem werden einige der Technologien untersucht, die für die Entwicklung autonomer landwirtschaftlicher Fahrzeuge benötigt werden, und es wird gezeigt, wie Digi-Keys umfangreiches Produktangebot, einschließlich Bildverarbeitung, Motoren und Steuerungen, Stromwandler, Sensoren und Schalter, verdrahtete und drahtlose Kommunikationsschnittstellen sowie eine Reihe von Signal- und Stromkabeln und Steckern, den Entwicklern helfen kann, ihre Entwicklungsprozesse zu beschleunigen. Der Artikel schließt mit einem kurzen Blick in die Zukunft, in der völlig autonome landwirtschaftliche Betriebe von hochentwickelten Betriebssystemen gesteuert werden, die gemischte Flotten, die sowohl autonome als auch herkömmliche landwirtschaftliche Geräte umfassen, verwalten können, um die Produktivität und Nachhaltigkeit zu maximieren.

Landwirtschaftliche Geräte kommen in den ISObus

Wie die Industrie 4.0 bewegt sich auch die Landwirtschaft auf den Einsatz intelligenter und vernetzter Maschinen zu. Hier kommt die International Standards Organization (ISO) 11783, der serielle Datennetzbus für Traktoren und Maschinen für die Land- und Forstwirtschaft, ins Spiel. In der Landwirtschaft wird er einfach als ISObus bezeichnet. Er basiert auf dem J1939-Protokoll der Society of Automotive (SAE), das den CAN-Bus (Control Area Network) umfasst und für landwirtschaftliche Anwendungen optimiert wurde. Der ISObus wird aktiv von der Agricultural Industry Electronics Foundation gefördert, die sich für die Koordinierung verbesserter Zertifizierungstests für die Norm ISO 11783 einsetzt.

Vor ISObus hatten die Landwirte Traktoren mit proprietären Steuerungssystemen, die die Flexibilität, Leistung und Interoperabilität einschränkten. Der ISObus umfasst standardisierte Steckverbinder, Kommunikationsprotokolle und Betriebsrichtlinien und ermöglicht die Entwicklung miteinander verbundener Sensor- und Steuersysteme verschiedener Hersteller (Abbildung 1). ISObus unterstützt auch die Elektrifizierung von Traktorimplantaten, einschließlich elektrisch angetriebener mechanischer Zapfwellen und Hochspannungsanschlüsse für bis zu 700 Volt (V) und 100 Kilowatt (kW), um elektrisch angetriebene Anbaugeräte zu betreiben.

Abbildung 1: ISObus kann die Integration von Sensoren und Geräten verschiedener Hersteller in ein Plug&Play-System ermöglichen. (Bildquelle: Armin Weigel/dpa (Foto: Armin Weigel/picture alliance via Getty Images)

Der ISObus ist dabei, ein System zur Verwaltung von Zugmaschinen (TIM) zu entwickeln. Wie geplant, wird die erweiterte Version des ISObus es ermöglichen, dass Anbaugeräte eine Rückmeldung an den Traktor geben können, was die Optimierung des kombinierten Systems Traktor/Gerät unterstützt. Sie wird auch eine stärkere Integration von Sensoren in Anbaugeräte für die Präzisionslandwirtschaft ermöglichen. Der Traktor sorgt für die Standortbestimmung, und das kombinierte System sammelt kontinuierlich Daten über die Boden- und Erntebedingungen. Mit detaillierteren Erkenntnissen können sowohl die Erträge als auch die Nachhaltigkeit gesteigert werden.

E-Traktoren, Nachrüstungen und autonome Traktoren

Neben der Weiterentwicklung des ISObus wird die Elektrifizierung von Traktoren eine wichtige Rolle für den künftigen Einsatz autonomer Fahrzeuge und für mehr Nachhaltigkeit in der Landwirtschaft spielen. Die Reduzierung der Emissionen ist ein wesentlicher Aspekt. Ein Viertel der weltweiten Treibhausgasemissionen stammen aus der Landwirtschaft und landwirtschaftlichen Tätigkeiten, und ein Traktor entspricht in seinen Emissionen 14 Autos.¹

Die ersten E-Traktoren erscheinen bereits auf dem Markt. Neben der Verringerung der Emissionen können E-Traktoren auch die Kraftstoffkosten erheblich senken. E-Traktoren sind derzeit auf kleinere Modelle beschränkt, da große, leistungsstarke E-Traktoren Batteriepakete benötigen, die größer sind als die Größe des konventionellen Traktors, den sie ersetzen würden. Große E-Traktoren haben auch ein höheres Gewicht, was zu einer erhöhten Bodenverdichtung führt, die unerwünscht ist. Schließlich sind die Ladezeiten für große Akkupacks zu lang, um in einem landwirtschaftlichen Betrieb praktikabel zu sein. Kleinere E-Traktoren mit Motoren von 25 bis 70 Pferdestärken (PS), etwa 18,6 bis 52 kW, und kleinen Batteriepaketen werden bereits getestet. Bei der Elektrifizierung von Traktoren geht es um mehr als nur den Antriebsstrang. Es geht auch darum, die Hydraulik für den Antrieb und die Steuerung von Traktoranbaugeräten zu ersetzen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Kleine E-Traktoren mit Motoren von 25 bis 70 PS werden getestet und für den Einsatz vorbereitet. (Bildquelle: Foto von brizmaker via Getty Images)

Für größere Traktoren sind Hybrid-Nachrüstsätze erhältlich. Ein Unternehmen bietet zum Beispiel ein Kit mit einem 250-kW-Generator an, der anstelle der Hydraulikpumpe an den vorhandenen Verbrennungsmotor des Traktors angeschlossen werden kann. Das Kit enthält außerdem vier Elektromotoren, die das hydraulische Antriebssystem ersetzen, sowie ein elektrisches Getriebe, das die vorhandenen Arbeitsgeräte antreibt. Durch den Austausch der Hydrauliksysteme senkt der Nachrüstsatz die Kraftstoff- und Wartungskosten und erhöht die Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit des E-Hybrid-Traktors.

Wie die Einführung autonomer Autos und Lastwagen steht auch der Einsatz autonomer Traktoren vor einer ungewissen Zukunft. In Kalifornien beispielsweise schreiben die geltenden Vorschriften vor, dass „alle selbstfahrenden Geräte, wenn sie mit eigener Kraft in Bewegung sind, einen Bediener an der Fahrzeugsteuerung haben müssen“. Die vollständige Autonomie wird warten müssen.

Fliegen über die Felder

Drohnen werden derzeit für eine breite Palette von Aufgaben in der Landwirtschaft eingesetzt. Beispiele sind:

• Darstellung der Gesundheit der Pflanzen. Drohnen haben die Satellitenbilder zur Überwachung der Pflanzengesundheit weitgehend ersetzt. Ausgestattet mit Bildgebungsgeräten für den Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) liefern die Drohnen detaillierte Farbbilder, die zur Überwachung der Pflanzengesundheit verwendet werden können. Während der Abruf von Satellitenbildern viel Zeit in Anspruch nimmt und nur metergenaue Bilder liefert, können Drohnen die Bilder millimetergenau liefern und eine sehr gezielte Identifizierung von Krankheiten, Schädlingen oder anderen Problemen in Echtzeit ermöglichen.
• Überwachung des Zustands der Felder. Drohnen überwachen auch die Boden- und Entwässerungsbedingungen auf ganzen Feldern. Dies kann effizientere und nachhaltigere Bewässerungsprogramme ermöglichen.
• Bepflanzung. Automatisierte Drohnen zur Saatgutausbringung sind in der Forstwirtschaft weit verbreitet und werden zunehmend auch in der allgemeinen Landwirtschaft eingesetzt. Drohnen können schnell Bäume oder Samen pflanzen und unzugängliche Gebiete effizienter erreichen. So können beispielsweise 400.000 Bäume pro Tag von einem Team aus zwei Mitarbeitern mit mehreren Drohnen gepflanzt werden.
• Sprühanwendungen. Der Einsatz von Drohnen zur Sprühbehandlung mit Düngemitteln und Pestiziden ist eine neue Anwendung, die je nach Region unterschiedlich eingesetzt wird (Abbildung 3). In Südkorea zum Beispiel werden Drohnen für etwa 30 % der landwirtschaftlichen Sprüharbeiten eingesetzt. In Kanada ist der Einsatz von Drohnen zum Sprühen in der Landwirtschaft jedoch nicht legal. In den USA ist für das Sprühen mit Drohnen eine Lizenz und Zertifizierung erforderlich, die von der Federal Aviation Administration (FAA) und den Landwirtschafts-, Wirtschafts- und Verkehrsministerien der Bundesstaaten vorgeschrieben ist.

Abbildung 3: Es wurden große Drohnen entwickelt, die zur Sprühbehandlung mit Düngemitteln und Pestiziden eingesetzt werden können. (Bild: Foto von baranozdemir via Getty Images)

Präzision produziert mehr mit weniger

Noch bevor autonome Traktoren realisiert werden, dürften Drohnen und die Elektrifizierung von Traktoren und Traktorimplantate die Präzisionslandwirtschaft unterstützen und die Nachhaltigkeit erhöhen.

Laut einer Studie der Association of [agricultural] Equipment Manufacturers (AEM) kann der Einsatz von Präzisionslandwirtschaft die Ernteproduktion um 4 % steigern, die Effizienz des Düngereinsatzes um 7 % erhöhen, den Einsatz von Herbiziden und Pestiziden um 9 % senken und den Verbrauch fossiler Brennstoffe um 6 % reduzieren². Darüber hinaus kann der Wasserverbrauch durch Präzisionsbewässerung um 4 % gesenkt werden.

Diese Zahlen beruhen auf dem aktuellen Stand der Technik. Mit dem Einsatz von vernetzten Systemen und künstlicher Intelligenz (KI) werden sich diese Verbesserungen voraussichtlich vervielfachen. Die Einführung von maschinellem Lernen (ML) für die Anlagenwartung ermöglicht weitere Einsparungen und Verbesserungen der Nachhaltigkeit.

Der AEM zufolge dürften autonome landwirtschaftliche Geräte zu einer zusätzlichen Verbesserung von 24 % führen, wenn man sowohl die Einsparungen bei den Betriebsmitteln als auch die Ertragsverbesserungen berücksichtigt. Ein wichtiger Faktor für diese Verbesserung ist die Annahme, dass autonome Maschinen leichter sein werden als die Geräte, die sie ersetzen, was zu einer geringeren Verdichtung und besseren Bodenbedingungen führt.

KI und ML werden auch für die Entwicklung von Präzisionsmaschinen entscheidend sein, die für bestimmte Aufgaben optimiert sind. Spezialisierte Arbeitsmaschinen können sogar noch kleiner sein als Allzwecktraktoren. So werden beispielsweise kleine Arbeitsmaschinen für die Ernte entwickelt, bei denen maschinelles Sehen, Fingerspitzengefühl und präzise Geschicklichkeit gefragt sind.

Die Unkrautbekämpfung ist ein weiterer Bereich, in dem aufgabenspezifische KI und ML-Maschinen einen wichtigen Beitrag leisten dürften. Die Unkrautbekämpfung ist schwierig, arbeitsintensiv und trägt, wenn sie nicht effizient durchgeführt wird, zu einem höheren Wasserverbrauch und einer Verarmung der Bodennährstoffe bei. Die Rotation der Nutzpflanzen ist eine Teillösung, kann aber den Einsatz von Herbiziden oder die manuelle Unkrautbekämpfung nicht überflüssig machen. Es werden Unkrautbekämpfungsroboter getestet, die maschinelles Sehen mit KI und ML kombinieren. Diese kleinen Maschinen minimieren auch die Bodenverdichtung (Abbildung 4).

Abbildung 4: Beispiel für autonome Ernteroboter, die maschinelles Sehen mit KI und ML kombinieren. (Bildquelle: Foto von onurdongel via Getty Images)

Farm-OS und Flotten autonomer Geräte

Die Landwirtschaft sieht einer Zukunft entgegen, in der völlig autonome landwirtschaftliche Betriebe von einem hochentwickelten Betriebssystem gesteuert werden, das in der Lage ist, gemischte Flotten zu verwalten, die sowohl autonome als auch herkömmliche landwirtschaftliche Geräte sowie landgestützte Maschinen und Drohnen umfassen, um die Produktivität und Nachhaltigkeit zu maximieren (Abbildung 5). Diese Flotten von landwirtschaftlichen Geräten werden koordiniert betrieben, um die Kapitalkosten zu kontrollieren, den Arbeitsaufwand zu minimieren und die für eine autonome Ausführung und Präzisionslandwirtschaft erforderlichen großen Datenmengen (Big Data) zu liefern. Darüber hinaus wird das Betriebssystem für landwirtschaftliche Betriebe der Zukunft standardisiert und optimiert sein, um eine breite Palette von Geräten zahlreicher Anbieter zu unterstützen. Die Einführung des ISObus ist nur der erste Schritt auf dem Weg zu einem offenen und standardisierten Ansatz für die Automatisierung der Landwirtschaft.

Abbildung 5: Schwärme von koordinierten autonomen Landmaschinen am Boden und in der Luft werden zu einem höheren Maß an Nachhaltigkeit führen. (Bildquelle: Illustration von Scharfsinn86 via Getty Images)

Weitere Vorteile des vorgeschlagenen Betriebssystems für landwirtschaftliche Betriebe sind die Verringerung der CO2-Emissionen, der geringere Kraftstoffverbrauch und die Optimierung der Batterieladung und des Batteriemanagements. Auch die Big-Data-Analytik wird in der Zukunft der Landwirtschaft eine wichtige Rolle spielen. Große Mengen an Echtzeitdaten direkt vom Feld werden verwendet, um die KI- und ML-Algorithmen, die für die Entscheidungsfindung, Steuerung und Betriebsplanung erforderlich sind, kontinuierlich zu trainieren und die Präzisionslandwirtschaft zu optimieren.

Zusammenfassung

Die Entwicklung autonomer landwirtschaftlicher Fahrzeuge und nachhaltiger Präzisionslandwirtschaft steckt noch in den Kinderschuhen. Die Industrie bereitet aber bereits den Weg mit dem ISObus. Die nächste Generation des ISObus wird die Interoperabilität verbessern und zu komplexeren und vernetzten Flotten von Landmaschinen beitragen. Das Ziel ist die Entwicklung eines landwirtschaftlichen Betriebssystems, das diese Flotten von landwirtschaftlichen Geräten mit massiven Echtzeit-Sensordaten unter Verwendung von KI- und ML-Algorithmen kombinieren und als Formationen von koordinierten Boden- und Flugmaschinen einsetzen kann, die ein hohes Maß an Nachhaltigkeit und Produktivität erzeugen.

1. Autonome Traktoren mit Robotergehirnen werden bald die Landwirtschaft übernehmen, Autoweek
2. Quantifizierung der Vorteile der Präzisionslandwirtschaft für die Umwelt, AEM