Grundlagen, Chancen und Hürden autonomer Fahrzeuge

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1 Grundlagen, Chancen und Hürden autonomer Fahrzeuge Smart Farming und Nachhaltigkeit Chancen und Herausforderungen 4. Agroscope-Nachhaltigkeitstagung, Agroscope in Tänikon Prof. Dr. Hans W. Griepentrog Institut für Agrartechnik, Stuttgart Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

2 Wie sieht die Zukunft aus? Source: thechinainvestors.com Hans W. Griepentrog / / Folie 2 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

3 GRUNDLAGEN Agrartechnische Systeme, Definitionen Mechanisierung ist die Anwendung von Arbeitsmitteln (Werkzeug) zur Steigerung der Produktivität und Qualität (Steigerung der Produktivität) heute 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) zukünftig Hans W. Griepentrog / / Folie 3 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

4 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) Hans W. Griepentrog / / Folie 4 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

5 GRUNDLAGEN Prozessparameter Mechanisierung Arbeitskosten Aufwand Mittel Investition Komplexität Automatisierung Robotik Kapazität Flexibilität Produktqualität Servicekosten Hans W. Griepentrog / / Folie 5 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

6 GRUNDLAGEN Robotik, Einteilung nach Einsatzbereiche Umwelt Strukturiert Unstrukturiert Objekte Strukturiert Industriefertigung Militär, Raumfahrt, Bergbau Unstrukturiert Medizin Agrarbereich (Freiland) Source: Bechar & Vigneault 2016 Hans W. Griepentrog / / Folie 6 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

7 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) Hans W. Griepentrog / / Folie 7 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

8 GRUNDLAGEN Robotik, Niveau der Autonomie 100 % Human Interaction 100 % Autonomy 50 % 50 % 0 % 0 % Manuell Fernsteuerung Autonom deterministisch Maschinensystem Autonom reaktiv Source: Granot 2001, modified Hans W. Griepentrog / / Folie 8 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

9 GRUNDLAGEN Sensorik, Systemevolution von Sensorsystemen Data mining / big data / algorithm Source: Becker 2006 Hans W. Griepentrog / / Folie 9 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

10 CHANCEN Potenziale, Precision Farming Konventionelle oder traditionelle Verfahren Schlag Einheitliche Dosiermenge Precision Farming kartenbasiert Offline / Teilschlag Variable Dosierung sensorbasiert Echtzeit / Spot Variable Dosierung Einzelpflanzenbehandlung Einzelpflanze Individuelle Behandlung Hans W. Griepentrog / / Folie 10 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

11 CHANCEN ROBOTIK, 3D-Rahmen Kartierung & Applikationen Hans W. Griepentrog / / Folie 11 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

12 CHANCEN Sensorik in Mais - LIDAR Hans W. Griepentrog / / Folie 12 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

13 CHANCEN ROBOTIK Indiviuelle Pflanzenbehandlungen Hans W. Griepentrog / / Folie 13 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

14 CHANCEN Einzelpflanzenbehandlung, Effizienz, Micro-Sprayer - Solanum nigrum - Two-leaf stage Array matrix ca. 10 x 10 cm Dosierung 1 [µg] pro UK-Pflanze UK-Dichte 100 [pro m 2 ] = 1 [g/ha] Source: Soegaard & Lund, 2006 Hans W. Griepentrog / / Folie 14 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

15 CHANCEN Welche Hürde bleibt? Automatisierte Funktion Datenerfassung (Sensoren) Information- Analyse (Algorithmen) Entscheidungsunterschützung (Human Support) Ausführung (Applikation) Automatisiert Smart Farming Automationsniveau Manuell Source: Parasuraman et al. 2000, modified Hans W. Griepentrog / / Folie 15 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

16 HÜRDEN Vernetzung Intern: Betrieb Prozesse Maschinen Extern: Betrieb Geschäftspartner Internet Kommerzielle Daten- Plattformern (z.b. Cloud) Sensoren Echtzeitbeurteilung Betriebs- Datenbank (FMIS) Betrieb Schlagdatenerfassung Bedingung: Gute Tele- Kommunikationsstrukturen Einhaltung Standards Source: FutureFarm Lohnunternehmer/ Berater Landwirtschaftsministerium Hans W. Griepentrog / / Folie 16 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

17 HÜRDEN Vernetzung, zukünftiger Betrieb Source: VDMA 2016 Landwirtschaft 4.0 Hans W. Griepentrog / / Folie 17 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

18 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 Hans W. Griepentrog / / Folie 18 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

19 FAZIT Robotik, Systeme und Automationsniveau Komplexität Betrieb ? Wann? Produktionsprozess Maschine Alt Manuell Steuerung Adaptiv Entscheidung Regelung Assoziativ Planung Automationsniveau Hans W. Griepentrog / / Folie 19 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion

20 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 Hans W. Griepentrog / / Folie 20 Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion