Automatische Spurführung von Landmaschinen Systeme, Einsatzbereiche, Wirtschaftlichkeit

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1 Automatische Spurführung von Landmaschinen Systeme, Einsatzbereiche, Wirtschaftlichkeit Dr. Markus Demmel Bayerische Landesanstalt für Landwirtschaft Institut für Landtechnik, Bauwesen und Umwelttechnik Landtechniktag Januar 2007 Landmaschinenschule Landshut Schönbrunn Demmel ILT1 071 Dm001-1

2 Gliederung 1. Aufgaben und Ziele 2. Historische Entwicklung von Lenkhilfen und Lenkautomaten in Landmaschinen 3. Stand der Technik Spurführungshilfen und Lenkautomaten 4. Aufbau und Funktion von Spurführungshilfen, Lenkassistenzsystemen und automatische Lenksystemen mit DGPS 5. Effekte von Spurführungshilfen, Lenkassistenzsystemen und automatische Lenksystemen 6. Zusammenfassung und Ausblick Demmel ILT1 071 Dm001-2

3 ? Quelle: Prospekt CLAAS D 9/90 Demmel ILT1 071 Dm001-3

4 Fehler beim Anschlussfahren Aussaat / Anlegen von Fahrgassen Quelle: GERL 1994 Demmel ILT1 071 Dm001-4

5 Aufgaben und Ziele der automatischen Spurführung 1. Steigerung der Genauigkeit beim Anschlussfahren 2. Möglichkeit des exakten Anschlussfahrens bei widrigen Bedingungen (Staub, Nebel, Dunkelheit) 3. Steigerung der Arbeitsgeschwindigkeit bei gleichbleibend hoher Genauigkeit 4. Entlastung des Fahrers bei/von der Aufgabe des genauen Anschlussfahrens Demmel ILT1 071 Dm001-5

6 Historische Entwicklung Lenkhilfen und Lenkautomaten Schema einer automatischen Pflugmaschine nach MITTELBACH Dieselmotor 2 Pflugrahmen 3 Stützrad 4 Tastrahmen 5 Furchenrad 6 Tastrad 7 Scheibensech 8 Scheibensech zur Korrektur der Furchenbögen 9 Impulsrad 10Querfurche Mechanische Führung entlang der Pflugfurche (Ungarn) Fotoarchiv Landtechnik Weihenstephan Automatische Lenkung (elektrohydraulisch) beim Pflügen, Untersuchungen nach BATEL 1968 Demmel ILT1 071 Dm001-6

7 Stand der Technik - Spurführungshilfen ohne DGPS Die heute überwiegend zum Einssatz kommenden Spurführungshilfen sind: Spuranreißer bei Sä-,, Lege- und Pflanzmaschinen Peilhilfen unterschiedlichster Art Schaummarkierungssysteme an Feldspritzen Demmel ILT1 071 Dm001-7

8 Stand der Technik - Spurführungshilfen ohne DGPS Quelle: Fotoarchiv Landtechnik Weihenstephan, SIMA Paris 1990 Quelle: Prospekt Amazonen Werke Dreyer Quelle: Prospekte John Deere USA 1998 / Hardi International 1995 Demmel ILT1 071 Dm001-8

9 Stand der Technik - Lenkautomaten ohne DGPS Die heute überwiegend zum Einssatz kommenden Lenkautomaten sind: Lenksysteme mit Reihentastern bei Erntemaschinen Lenksysteme mit optischen Sensoren bei Erntemaschinen Demmel ILT1 071 Dm001-9

10 Stand der Technik Lenkautomaten ohne DGPS AUTO PILOT von CLAAS für die Führung eines Feldhäckslers (oder Mähdreschers) entlang von stabilen Pflanzenreihen (Mais). Funktionsprinzip Abtasten. Wird auch bei Zuckerrüben und Kartoffeln angewendet. LASER PILOT von CLAAS für die Führung eines Mähdrescher entlang der Bestandeskante von Getreide. Funktionsprinzip Laserscanner mit Entfernungsmessung Quelle: Prospekt CLAAS Lexion /02 Demmel ILT1 071 Dm001-10

11 Automatische Spurführung / Parallelfahrsysteme mit DGPS Spurführungshilfen Lenkassistenzsysteme Automatische Lenksysteme Lenkart bzw. Lenkeingriff manuell automatisch, manuelles Wenden und hinführen zur Fahrspur automatisch, manuelles Einleiten des Wendevorganges Spur zu Spur Genauigkeit cm mit einfachem DGPS (EGNOS oder Küstenfunk) cm mit einfachem DGPS, 5-20 cm mit Wide Area Zwei Frequenz DGPS 5-10 cm mit Wide Area Zwei Frequenz DGPS 1-5 cm mit RTK DGPS andere Bezeichnungen, teilweise herstellerspezifisch Lenkassistenzsystem Parallelführungssystem Leitsystem Parallel Guidance Parallel Tracking Parallel Swathing automatische Spurführung Auto Tracking Auto Guidance Auto Pilot Auto Steer Demmel ILT1 071 Dm001-11

12 Funktionsweise der Satellitenortung GPS Demmel ILT1 071 Dm001-12

13 GPS und DGPS Konfigurationen I GPS DGPS Einfaches Global Positioning System, Empfangsgeräte zumeist mit 12 Empfangskanäle, Preise Genauigkeit immer besser ± 10 m, oft besser ± 5 m Differentielles GPS, Codemessung, Pseudo-Range Korrekturverfahren Referenzdienst erforderlich, vielfältige Dienste verfügbar Preise , Referenzdienst teilweise kostenpflichtig Genauigkeit immer besser ± 3 m, oft besser ± 1 m Demmel ILT1 071 Dm001-13

14 GPS und DGPS Konfigurationen II Wide Area 2 Frequenz DGPS, trägergeglättete Codemessung, Omnistar High Performance DGPS,John Deere Starfire II DGPS, spezielle Zweifrequenzempfänger, Phasenauswertung, Preise , Referenzdienste /a Genauigkeit immer besser ± 0,5 m, oft besser ± 0,1 m RTKDGPS Realtime Kinematic DGPS, Trägerphasenmessung, hochgenaues DGPS mit Zweifrequenzempfängern, Phasenauswertung und eigener Referenzstation mit Telemetrie innerhalb eines Radius von 25 km Preise Genauigkeit immer besser ± 0,05 m, oft besser ± 0,02 m Demmel ILT1 071 Dm001-14

15 Spurführungshilfen mit DGPS Spurführungshilfen mit DGPS sind aufgebaut aus: 1. DGPS Empfänger für Spurführung mit Antenne 2. Bedienoberfläche am Empfänger oder Bedienteil 3. Anzeigeeinheit am Empfänger oder separat DGPS Empfänger für die Spurführungshilfe besitzen eine spezielle Software, die in der Lage ist die Ausgangsspur = Startspur aufzuzeichnen und auf der Anzeige die Anschlussspuren im vorgegebenen Abstand darzustellen. Als Anzeigen kommen Leuchtdiodenketten und Flachbildschirme oder eine Kombination aus beiden Elementen in Frage. Demmel ILT1 071 Dm001-15

16 Spurführungshilfen Anzeigen (Mensch-Maschine Maschine-Schnittstelle) Quellen: Firmenprospekte Demmel ILT1 071 Dm001-16

17 Parallelfahrsysteme Führungsmöglichkeiten Quelle: Prospekt TRIMBLE geo-konzept Demmel ILT1 071 Dm001-17

18 Automatische Fahrzeugführung mit DGPS Automatische Fahrzeugführungen mit DGPS sind aufgebaut aus: 1. DGPS (RTK oder HP) Empfänger mit Antenne 2. Navigationsrechner mit Zusatzsensoren (Kreisel,...) 3. Anzeigeeinheit mit Bedienoberfläche 4. Aktoren für Lenkung und Lenkwinkelgeber DGPS Empfänger für die automatische Fahrzeugführung müssen die Position mindestens 10 mal pro Sekunde updaten. Für eine hohe Genauigkeit wird Real Time Kinematik (RTK) DGPS (Fehler wenige Zentimeter) bzw. Wide Area 2 Frequenz DGPS (Fehler Zentimeter) verwendet. Demmel ILT1 071 Dm001-18

19 Automatische Fahrzeugführung mit DGPS Zwei- oder dreiachsige Stützungssysteme (Faserkreisel, Beschleunigungs- bzw. Neigungssensoren) kompensieren die Neigung der Maschine und stützen das Navigationssystem bei Abweichungen, Sprüngen und kurzzeitigem Ausfall des DGPS Signals. Navigationsrechner verarbeiten die Ortungs- und die Sensorsignale und geben bei Abweichung von der Soll-Spur Lenkbefehle (elektronisch, elektrisch, hydraulisch). Je nach Ausstattung des Traktors bzw. des Lenkungssystems wirkt die automatische Lenkung über zusätzliche elektrische Ventile auf die Lenkung oder direkt auf die Traktorelektronik (steer by wire). Demmel ILT1 071 Dm001-19

20 Automatische Fahrzeugführung mit DGPS Quelle: Prospekt TRIMBLE geo-konzept Demmel ILT1 071 Dm001-20

21 Automatische Fahrzeugführung mit DGPS - Bestellung Quelle: Bildarchiv AGCO Fendt Demmel ILT1 071 Dm001-21

22 Automatische Fahrzeugführung mit DGPS - Bestellung Quelle: Website BEELINE Australien Demmel ILT1 071 Dm001-22

23 Automatische Fahrzeugführung mit DGPS ZR-Saat + Hacke Quellen: geo-konzept, LfL-ILT Demmel ILT1 071 Dm001-23

24 Automatische Fahrzeugführung mit DGPS - Ernte Quelle: Bildarchive John Deere und Krone Demmel ILT1 071 Dm001-24

25 Lenkassistenzsysteme mit DGPS Lenkassistenzsysteme stellen zumeist einen kostengünstigen Übergang zwischen Spurführungshilfen und automatischen Lenksystemen mit DGPS dar. Sie sind oft Ausbaustufen der Spurführungshilfen. Sie sind aufgebaut aus: 1. DGPS (Pseudo Range oder HP) Empfänger mit Antenne 2. Navigationsrechner (eventuell mit Zusatzsensoren) 3. Anzeigeeinheit mit Bedienoberfläche 4. Zumeist externer Aktuator am Lenkrad für Lenkung Ein wichtiges Kriterium zur Unterscheidung von Lenkassistenzsystemen und automatischen Lenksystemen ist der Wendevorgang. Während beim Lenkassistenzsystem bis nahe an die neue Fahrspur heran manuell gelenkt werden muss, reicht bei automatischen Lenksystemen das Einleiten des Wendevorgangs. Ab Überschreiten eines Winkels > 90 zur neuen Fahrspur kann das System das Fahrzeug selbstständig auf die neue Spur führen. Demmel ILT1 071 Dm001-25

26 Lenkassistenzsysteme mit DGPS - Aktoren Quellen: Bildarchive Trimble geo-konzept, John Deere und AutoFarm Demmel ILT1 071 Dm001-26

27 Parallelfahrsysteme mit optischen / Mikrowellen Sensoren Reichhardt Ultra Guidance PSR Ultraschallsensoren Quelle: agrartechnik 11/2006 agrocom Eye Drive Stereokamerasystem Quelle: profi 10/2006 Demmel ILT1 071 Dm001-27

28 Einsatzbereiche Parallelfahrsysteme mit DGPS Spurführungshilfen Lenkassistenzsysteme Automatische Lenksysteme Lenkart bzw. Lenkeingriff manuell automatisch, manuelles Wenden und hinführen zur Fahrspur automatisch, manuelles Einleiten des Wendevorganges Spur zu Spur Genauigkeit cm mit einfachem DGPS (EGNOS oder Küstenfunk) cm mit einfachem DGPS, 5-20 cm mit Wide Area Zwei Frequenz DGPS 5-10 cm mit Wide Area Zwei Frequenz DGPS 1-5 cm mit RTK DGPS Einsatzbereiche Verteilarbeiten mit großen Arbeitsbreiten, mineralische und organische Düngung Bodenbearbeitung und Verteilarbeiten, teilweise Aussaat, Ernte, mit großen bzw. mittleren Arbeitsbreiten Alle Arbeiten, auch Säen, Pflanzen, Hacken und Erntearbeiten, auch geringe Arbeitsbreiten Investitionsbedarf Demmel ILT1 071 Dm001-28

29 Effekte Parallelfahrsysteme mit DGPS - Arbeitswirtschaft Erwartete / mögliche arbeitswirtschaftliche Effekte beim Einsatz von Parallelfahrsystemen: 1. Einsparungen beim Arbeitszeitbedarf wegen Reduzierung der Überlappungen Reduzierung der Wendezeiten 2. Verminderung der Arbeitsbelastung bei schlechten Sichtbedingungen an langen Arbeitstagen Demmel ILT1 071 Dm001-29

30 Effekte Parallelfahrsysteme mit DGPS - Arbeitswirtschaft Vergleich der relativen Überlappung zwischen manueller Lenkung und Parallelfahrhilfen (Kalkulationen, nach HOLPP 2006). Negative Werte = mit manueller Lenkung kommt es zu geringerer Überlappung als mit Parallelfahrhilfe Positive Werte = mit Parallelfahrhilfe kommt es zu geringerer Überlappung als mit manueller Lenkung Theoretische Arbeitsbreite Relative Unterschiede in der Überlappung zwischen manueller Lenkung* und Parallelfahrsystemen Genauigkeit Genauigkeit Genauigkeit ±0,30 m ±0,15 m ±0,05 m 3 m -6,7 % -1,7 % 1,7 % 4 m -2,5 % 1,3 % 3,8 % 6 m 1,7 % 4,2 % 5,8 % * Bei manueller Lenkung wird angenommen, dass 90% der theoretischen Arbeitsbreite genutzt werden. Demmel ILT1 071 Dm001-30

31 Effekte Parallelfahrsysteme mit DGPS - Arbeitswirtschaft Reduzierung der Wendezeiten durch veränderte Fahr-/Wendestrategien (Auslassen jeder zweiten Fahrspur mit Vermeidung der Schwalbenschwanzwendung, eigene Messungen 2004). Verringerung der Wendezeiten um 35 %, Auswirkung auf Gesamtarbeitszeit umso größer, je höher der Wendezeitanteil ist (je kleiner und kürzer der Schlag) Demmel ILT1 071 Dm001-31

32 Kosten Parallelfahrsysteme mit DGPS Kostenberechnung für Parallelfahrsysteme (Stand 10/2006) Spurführungshilfe Lenkassitenzsystem A Lenkassitenzsystem B autom. Lenksystem A autom. Lenksystem B DGPS System EGNOS Beacon EGNOS Beacon Wide Area Zwei-Frequenz DGPS Wide Area Zwei-Frequenz DGPS RTK DGPS Spur zu Spur Genauigkeit ± cm ± cm ± 5-20 cm ±5-10 cm ±2-5 cm Lenkeingriff manuell automatisch/ manuell automatisch/ manuell automatisch automatisch Investitionsbedarf Fixe Kosten /a /a /a /a /a Korrekturservice /a /a ---- Gesamtkosten 700 /a /a /a /a /a 1 Fixe Kosten = Abschreibung 17 %, Zinssatz 6% Demmel ILT1 071 Dm001-32

33 Kosten Parallelfahrsysteme mit DGPS Kostenberechnung für Parallelfahrsysteme (Stand 10/2006) Jährlicher Einsatzumfang ha/a Spurführungshilfe Lenkassitenzsystem A Kosten /ha*a Lenkassitenzsystem B autom. Lenksystem A autom. Lenksystem B 100 7,00 18,00 41,00 55,00 80, ,50 9,00 20,50 27,50 40, ,40 3,60 8,20 11,00 16, ,70 1,80 4,10 5,50 8, ,35 0,90 2,05 2,25 4,00 Demmel ILT1 071 Dm001-33

34 Effekte Parallelfahrsysteme mit DGPS - Betriebswirtschaft Die betriebswirtschaftlichen Auswirkungen von Parallelfahrsystemen beruhen auf einer Reihe unterschiedlicher Effekte, die bisher nur teilweise exakt untersucht und erfasst wurden bzw. nur schwer monetär zu bewerten sind: 1. Arbeitszeitbedarf: Einsparungen Ackerbau 0,05-0,15 h/ha*a (HOLPP 2006) Einsparungen Grünland 0,2-1,0 h/ha*a (HOLPP 2006) Einsparungen 5-10 % (KLÖPFER 2005) Reduzierung Wendezeiten um 35 % (eigene Messungen) 2. Arbeitsbelastung: Reduzierung der Arbeitsbelastung besonders unter schwierigen Einsatzbedingungen 3. Aufwand bei Saatgut, Dünge- und Pflanzenschutzmitteln: Einsparungen 1,3-5,8% (HOLPP 2006) Einsparungen 5-10 % (KLÖPFER 2005) Demmel ILT1 071 Dm001-34

35 Rückblick + Ausblick autonome Fahrzeuge Finnland 1993 Demmel ILT1 071 Dm001-35

36 Rückblick + Ausblick autonome Fahrzeuge Bayern 1999 Demmel ILT1 071 Dm001-36

37 Ausblick autonome Fahrzeuge Reisanbau Japan 2000 Demmel ILT1 071 Dm001-37

38 Rückblick + Ausblick Regelfahrspurverfahren Israel und England Ab 1960 erste Diskussionen über Vorteile von Regelfahrspurverfahren Controlled Traffic Farming (CTF). Ab 1980 Realisation in Versuchen mit Hilfe von Portal- / Brückenfahrzeugen (Wide-Span oder Gantry Vehicles) Einziges kommerzielles Produkt: Field Power Unit (F.P.U.) von Ashot Ashkelon Industries, Israel. F.P.U. bei der Mulchsaat F.P.U. mit Pflanzenschutzspritze Quelle: Chamen 1990 Demmel ILT1 071 Dm001-38

39 Ausblick Controlled Traffic Farming Australien Einsatz auf mehr als 2 Millionen Hektar Ackerfläche in Australien Quelle: Queensland Government Australien Demmel ILT1 071 Dm001-39

40 Ausblick Controlled Traffic Farming Australien 2003 Demmel ILT1 071 Dm001-40

41 Fazit Parallelfahrsysteme - Parallelfahrsysteme werden in unterschiedlichen Ausbau- und Ausstattungsniveaus von vielen Traktoren-, Erntemaschinenund Agrarelektronikherstellern angeboten. - Die zum Einsatz kommenden DGPS Systeme bestimmen die erreichbare Genauigkeit und auch den Preis. - Es besteht Einigkeit darüber, dass Parallelfahrsysteme Einsparungen bei der Arbeitszeit und bei Betriebsmitteln und eine Arbeitserleichterung ermöglichen. - Die Quantifizierung dieser Effekte, besonders auch deren betriebswirtschaftliche Bewertung, ist uneinheitlich und lückenhaft. - Für eine Investitionsentscheidung ist die genaue Betrachtung der betrieblichen Situation, die Festlegung der Einsatzbereiche und die Gegenüberstellung möglicher Einsparungen, zusätzlicher positiver Effekte und der Kosten notwendig. Demmel ILT1 071 Dm001-41

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