Bis Schwarmroboter tatsächlich das Roden übernehmen, werden noch einige Jahre vergehen. Wie es zukünftig funktionieren kann, zeigt das Projekt 5G.Natural.
Das Forschungs- und Entwicklungsprojekt 5G.Natural hatte die Vernetzung eines Schwarms von autonomen Landmaschinen zum Ziel. Die Firma Schmiede.one rüstete den Harvey.one der Grimme-Tochter Asa-Lift zum autonomen Roder auf und baute den autonomem Kistenabholer Logan.one.
5G für Echtzeitübertragung
Voraussetzung für eine gute und vor allem kollisionsfreie Zusammenarbeit mehrerer Roboter ist, dass sie Daten in Echtzeit austauschen können. Nur so ist sichergestellt, dass jeder Schwarmteilnehmer zu jeder Zeit weiß, wo der andere gerade ist und was er macht.
Das Forschungs- und Entwicklungsprojekt 5G.Natural hatte die Vernetzung eines Schwarms von autonomen Landmaschinen zum Ziel. Die Firma Schmiede.one rüstete den Harvey.one der Grimme-Tochter Asa-Lift zum autonomen Roder auf und baute den autonomem Kistenabholer Logan.one.
5G für Echtzeitübertragung
Voraussetzung für eine gute und vor allem kollisionsfreie Zusammenarbeit mehrerer Roboter ist, dass sie Daten in Echtzeit austauschen können. Nur so ist sichergestellt, dass jeder Schwarmteilnehmer zu jeder Zeit weiß, wo der andere gerade ist und was er macht.
Hier kommt der Mobilfunkstandard 5G ins Spiel. Mit 5G können wesentlich größere Datenpakete ohne Datenverluste in kürzerer Zeit versandt werden als mit 4G. Mit 5G kommen die Daten quasi in Echtzeit an.
Die Aufgabe des Harvey.one ist, empfindliche Knollen- und Wurzelfrüchte wie Süßkartoffeln, Zwiebeln, Möhren usw. möglichst schonend zu roden. Ausgestattet mit Sensoren, Kameras und einem Lenksystem kann der Harvey.one entlang der Dämme autonom fahren und roden. Für die Dammerkennung ist vorne eine RGB-Stereokamera montiert. Sie nimmt mit ihren zwei Linsen 3D-Bilder vom Damm auf und sendet sie zur Bildverarbeitung auf der Maschine. Mittels KI erkennt die Software die Dammkontur und errechnet die Dammmitte. Daran orientiert sich das Lenksystem des Roders und navigiert ihn autonom durch die Reihen.
Herzschlag senden
Beim Harvey.one sind für das vollständig autonome Arbeiten im Schwarm weitere acht Stereokameras installiert, die das Umfeld betrachten und den Roboter zur Not beim Auftauchen eines Hindernisses zum Stehen bringen. Des Weiteren sind auf dem Dach des Protoyps zwei kleine Patch-Antennen, je eine vorne und hinten. Sie empfangen die Satellitensignale für das GNSS-Lenksystem. Vom Korrekturdatendienst Sapos kommen die RTK-Korrekturdaten für das präzise Navigieren über das Internet. Zusätzlich liefern 3D-Beschleunigungssensoren Informationen über die Ausrichtung und Neigung der Maschine.
Eine weitere Antenne mit integriertem 5G-Router sendet Daten aus dem Roder an eine zentrale Basisstation, die für das Schwarmmanagement zuständig ist. Von dort erhält jeder einzelne Roder des Schwarms seine Aufträge und Befehle. Jeder Schwarmroder sendet in Echtzeit die Live-Videos der Kameras sowie die Navigationsinformationen mit Geschwindigkeit, Position und Orientierung. Außerdem senden sowohl die Basisstation als auch die Schwarmroder alle paar Millisekunden einen sogenannten Heartbeat (zu Deutsch Herzschlag), um allen Teilnehmern des 5G-Schwarmnetzes mitzuteilen „…ich bin da — ich bin da — ich bin da…“. So wird kontinuierlich überprüft, ob die 5G-Funkverbindung steht. Sollte diese Verbindung unterbrochen sein, stoppt der Schwarmroboter seinen Betrieb.
Routenplanung in der Zentrale
Das IT-Unternehmen Infosys entwickelte in dem Projekt 5G.Natural das Schwarmmanagement. Die darin integrierte automatisierte Routenplanung ist ein lernendes System. Der Anwender gibt lediglich die Randbedingungen vor, z. B. die Anzahl Roder und die Breite des Vorgewendes. Außerdem müssen die Feldgrenze, die Ausrichtung der Reihen sowie ihr Abstand zueinander bekannt sein.
Dann berechnet das Programm selbstständig, in welchem Spurrhythmus die Roder ernten und wie sie am besten ohne Kollision aneinander vorbeikommen. Das System berücksichtigt dabei automatisch, ob am Vorgewende genug Platz ist. Wenn nicht, lässt die Kommandozentrale die Roder zeitversetzt fahren und auch eine Maschine warten, bis eine andere das Wenden abgeschlossen hat.
Während des Rodens im Schwarm lernt das Schwarmmanagement dazu und optimiert die Routen für die Roder, damit das Roden im Schwarm möglichst effektiv ohne lange Wartezeiten abläuft. Dabei gilt, je länger der Auftrag schon läuft und je mehr Reihen die Schwarmroder bereits gerodet haben, desto besser wird das Ergebnis der KI-basierten Routenplanung.
Bei unserem Probeeinsatz wurde nichts geerntet, und es gab auch keine Dämme. Aufgabe des Harvey.one war, die geplante Route autonom abzufahren, den autonomen Abholer zu rufen, dann zu warten, bis dieser kommt und wieder weggefahren ist, um danach seine autonome Fahrt fortzusetzen. Außerdem sollte er autonom wenden und in die nächste virtuelle Spur hineinfahren.
Eine farbige Lampe an der Maschine zeigt an, in welchem Automatikmodus sie gerade unterwegs ist. Grünes plus oranges Licht am Harvey.one bedeutet, dass der automatische Erntemodus aktiv ist und der Roder automatisch gelenkt durch die Reihen fährt. Beim autonomen Wenden leuchtet das rote Licht.
Am Ende der fiktiven Reihe wendete der Harvey.one in drei Zügen direkt in die Nachbarreihe. Dann rief der Roder den Kistenabholer Logan.one. Denn das Erntegut wird beim jetzigen Konzept in Big Boxen oder in Gemüsekisten gesammelt. Sobald sie voll sind, holt der autonom fahrende Logan.one diese ab. Ansonsten wartet der Kistenabholer am Feldrand.
Der Logan.one ist ein umgebauter Minibagger von Doosan mit 36-kW-Dieselmotor, der Europaletten transportieren kann. Das Umladen von Paletten, Kisten oder Big Boxen vom Roder auf die Ladeplattform des Logan.one erfolgt derzeit noch manuell. Ein zentimetergenaues Heranfahren für ein automatisches Übergeben der Ladung auf einem mehr oder weniger unebenen Acker gilt es noch zu entwickeln.
Nachdem der Logan.one bei unserer Vorführung gerufen worden war, kam dieser, fuhr um den wartenden Harvey.one herum, um dahinter an dessen Ladeplattform zu halten. Danach fuhr Logan.one selbstständig zur Ausgangsposition zurück.
Das Land Nordrhein-Westfalen finanzierte das zweijährige Projekt 5G.Natural. Ende Dezember 2023 endet es. Daran beteiligt sind die Forschungseinrichtung FIR an der RWTH Aachen sowie die Firmen Schmiede.one und Infosys.
Das Projekt 5G.Natural mit den Schwarmroder Harvey.one und dem autonomen Kistenabholer Logan.one gibt einen Ausblick, wie die Ernte von Wurzel- und Knollenfrüchten in fünf oder zehn Jahren aussehen könnte. Die Aufgabe, zwei oder mehr Maschinen im Schwarm zusammenarbeiten zu lassen, ist eine komplexe Aufgabe, aber — wie die ersten Vorführungen zeigten — durchaus lösbar.
