Kameragesteuerte mechanische Unkrautbekämpfung in Reihenkulturen

Produktbeschreibung

Die mechanische Unkrautregulierung innerhalb von Pflanzenreihen ist eine technische Herausforderung, deren Schwerpunkte die Online-Erkennung der einzelnen Pflanzenpositionen und die Differenzierung zwischen Unkraut und Nutzpflanze sind. In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene kamerabasierte Methoden der Pflanzenerkennung und die dazugehörigen Ergebnisse vorgestellt. Neben einer Farbkamera werden eine Multispektralkamera, ein Stereokameraaufbau und ein Laser-Lichtschnittverfahren in Verbindung mit einer Bilderkennungssoftware untersucht. Für die experimentelle Unkrautregulierung wird eine durch einen elektrischen Servomotor angetriebene Rotationshacke eingesetzt. Die Regelung erlaubt durch die Verwendung eines echtzeitfähigen FPGA eine positionsgenaue Werkzeugführung zwischen den Nutzpflanzen in
der Pflanzenreihe. Die Ergebnisse stellen den Behandlungserfolg in unterschiedlichen Wachstumsstadien dar.

Inhaltsverzeichnis ………………………………………………………………………………………………… V
Abkürzungs- und Symbolverzeichnis ………………………………………………………………………. IX
Kurzfassung …………………………………………………………………………………………………… XVIII
Abstract ………………………………………………………………………………………………………….. XIX
1. Einleitung …………………………………………………………………………………………………….. 1
1.1 Schäden und Ertragsverluste durch Unkräuter …………………………………………………. 1
1.2 Chemische Pflanzenschutzverfahren ………………………………………………………………. 3
1.2.1 Unerwünschte Wirkung von Pflanzenschutzmitteln ……………………………………. 4
1.2.1.1 Gefährdung des Menschen ………………………………………………………………… 4
1.2.1.2 Kontamination von Grund- und Oberflächenwasser ……………………………… 5
1.2.1.3 Entstehung herbizidresistenter Unkräuter …………………………………………… 6
1.2.2 Entwicklung und Zulassung von Pflanzenschutzmitteln ……………………………….. 6
1.3 Nicht-chemische Pflanzenschutzverfahren ………………………………………………………. 8
1.3.1 Thermische Unkrautbekämpfung ……………………………………………………………… 8
1.3.2 Manuelle Unkrautbekämpfung …………………………………………………………………. 9
1.3.3 Mechanische, reihenunabhängige Unkrautbekämpfung ……………………………. 10
1.3.4 Mechanische Unkrautbekämpfung zwischen den Reihen (inter-row) ………….. 11
2. Stand des Wissens ……………………………………………………………………………………….. 18
2.1 Hacken innerhalb der Reihe (intra-row) …………………………………………………………. 18
2.1.1 Passive Werkzeugführung ………………………………………………………………………. 19
2.1.2 Aktive Werkzeugführung ……………………………………………………………………….. 22
2.2 Pflanzenerkennung ……………………………………………………………………………………… 29
2.2.1 Tastsensoren ………………………………………………………………………………………… 30
2.2.2 Georeferenzierung ………………………………………………………………………………… 30
2.2.3 Lichtschranken ……………………………………………………………………………………… 31
2.2.4 Abstandssensoren …………………………………………………………………………………. 32
2.2.5 Bildverarbeitung …………………………………………………………………………………… 33

3. Problemstellung ………………………………………………………………………………………….. 39
4. Material und Methoden ……………………………………………………………………………….. 43
4.1 Aufbau der Versuchsträger ………………………………………………………………………….. 43
4.1.1 Versuchsträger für Laborversuche …………………………………………………………… 46
4.1.2 Versuchsträger für Feldversuche …………………………………………………………….. 48
4.1.2.1 Stromversorgung des Gesamtsystems ……………………………………………….. 49
4.1.2.2 Systemkommunikation und Informationsverarbeitung………………………… 49
4.1.2.3 Antrieb und Regelung der Rotationshacke …………………………………………. 51
4.1.2.4 Beleuchtung …………………………………………………………………………………… 55
4.2 Kameratechnik, Bildverarbeitung und Datenauswertung …………………………………. 57
4.2.1 Bildaufnahme ……………………………………………………………………………………….. 60
4.2.2 Farbkamera ………………………………………………………………………………………….. 60
4.2.3 Infrarotkamera ……………………………………………………………………………………… 65
4.2.4 Multispektralkamera …………………………………………………………………………….. 67
4.2.4.1 Erkennung der Pflanzen unabhängig von ihrer Gattung ……………………….. 69
4.2.4.2 Pflanzenunterscheidung anhand der Farbe ………………………………………… 74
4.2.4.3 Pflanzenerkennung anhand der Form, Größe und Lage ……………………….. 75
4.2.5 Stereo-Kamera ……………………………………………………………………………………… 77
4.2.6 Laser-Lichtschnittverfahren ……………………………………………………………………. 83
4.3 Computersimulation …………………………………………………………………………………… 86
4.3.1 CAD-Modell der Bodenrinne für Laborversuche ………………………………………… 87
4.3.2 CAD-Modell des Versuchsträgers für Feldversuche ……………………………………. 88
4.4 Versuche ……………………………………………………………………………………………………. 88
4.4.1 Gewächshausversuche ………………………………………………………………………….. 89
4.4.2 Versuche auf der Bodenrinne …………………………………………………………………. 90
4.4.3 Feldversuche ………………………………………………………………………………………… 90
5. Ergebnisse und Diskussion …………………………………………………………………………….. 94
5.1 Simulation …………………………………………………………………………………………………. 94
5.1.1 Einfluss der Motorausrichtung auf die Kinematik ……………………………………… 94
5.1.2 Einfluss der Werkzeuganzahl auf die Kinematik ………………………………………. 101
5.2 Bildverarbeitung und Pflanzenerkennung …………………………………………………….. 103
5.2.1 Analyse der zweidimensionalen, kamerabasierten Pflanzenerkennung ……… 103
5.2.1.1 Versuche mit Pflanzendummys ………………………………………………………. 103
5.2.1.2 Versuche mit Zuckerrüben im Zweiblattstadium ……………………………….. 105
5.2.1.3 Versuche mit Zuckerrüben im Vierblattstadium ………………………………… 109
5.2.1.4 Versuche mit Zuckerrüben im Sechsblattstadium ……………………………… 110
5.2.1.5 Versuche mit Zuckerrüben kurz vor Pflanzenschluss in der Reihe ……….. 112
5.2.1.6 Versuche mit Durchwachsener Silphie …………………………………………….. 115
5.2.1.7 Ergebnisübersicht der Pflanzenerkennung ……………………………………….. 116
5.2.1.8 Herausforderungen bei der Pflanzenerkennung ……………………………….. 118
5.2.2 Analyse der Pflanzenerkennung mit einer Stereo-Kamera ………………………… 119
5.2.3 Analyse der Pflanzenerkennung mit dem Laser-Lichtschnittverfahren ……….. 123
5.3 Ergebnisse zu den Feldversuchen mit der Rotationshacke ……………………………… 129
5.3.1 Genauigkeit der Bildverarbeitungs-Servomotor-Kette ……………………………… 129
5.3.2 Versuche mit unkrautregulierenden Werkzeugen ……………………………………. 131
5.3.2.1 Unkrautregulierung bei Zuckerrüben im Vierblattstadium …………………. 131
5.3.2.2 Unkrautregulierung bei Zuckerrüben im Sechsblattstadium ……………….. 132
6. Schlussfolgerungen und abschließende Diskussion ………………………………………….. 135
7. Ausblick ……………………………………………………………………………………………………. 139
8. Anhang …………………………………………………………………………………………………….. 140
8.1 EC Entwicklungsstadien der Zuckerrübe ………………………………………………………. 140
8.2 Morphologischer Kasten zur Lösungsfindung ……………………………………………….. 141
8.3 Technische Daten ……………………………………………………………………………………… 142
8.3.1 Beleuchtung ……………………………………………………………………………………….. 142
8.3.1.1 Halogenscheinwerfer …………………………………………………………………….. 142
8.3.1.2 LED-Modul Neutral-Weiß ……………………………………………………………….. 142
8.3.1.3 LED-Modul IR ……………………………………………………………………………….. 143
8.3.1.4 LED Strobe Controller ……………………………………………………………………. 143

Keywords: Zuckerrübe, Pflanzenerkennung, Mechanische Unkrautregulierung, intra-row, Bildverarbeitung, Multispektralkamera, Nahinfrarotbild, 3-D-Stereokamera, 3-D-Lichtschnittverfahren, Echtzeitsystem, Zuckerrübe, Pflanzenerkennung, Mechanische Unkrautregulierung, intra-row, Bildverarbeitung, Multispektralkamera, Nahinfrarotbild, 3-D-Stereokamera, 3-D-Lichtschnittverfahren, Echtzeitsystem