Planung in der Landwirtschaftsrobotik

I. Einführung

Planen bedeutet, im Voraus die notwendigen Schritte zu organisieren, um ein Ziel zu erreichen.

In der Robotik ermöglicht dies dem Roboter zu entscheiden, welche Aufgabe er ausführen soll und in welcher Reihenfolge. Fragen wie welchen Weg er nehmen soll, wann Werkzeuge gehoben oder gesenkt werden sollen oder wie ein Hindernis überwunden werden kann, werden durch die Planung beantwortet.

So macht die Planung den Roboter autonom und effizient in seinen Handlungen.

In diesem Artikel wird die Frage beantwortet: Wie erfolgt die Planungsaufgabe für einen landwirtschaftlichen Roboter? Wir beginnen mit einer Klassifizierung der Planungsarten, was uns ermöglicht, auf die beiden Hauptmethoden einzugehen: die Offline-Planung und die Online-Planung.

II. Die verschiedenen Arten der Planung

Für einen Roboter kann die Planung auf zwei verschiedene Arten erfolgen:

Die Offline-Planung: Sie wird vor Beginn der Mission durchgeführt. Sie besteht darin, mit Hilfe eines Mediums (zum Beispiel einer Datei) alle Operationen festzulegen, die der Roboter ausführen muss. Im Fall eines landwirtschaftlichen Roboters bedeutet dies beispielsweise, die zu verfolgende Trajektorie sowie die genauen Momente zu bestimmen, in denen die Werkzeuge während der Fahrt gehoben oder gesenkt werden müssen. Wie in der Abbildung 1 nebenstehenden Abbildung gezeigt, wird die Mission vollständig im Voraus geplant und dann vor der Ausführung an den Roboter übermittelt. Im Inneren des Roboters ist ein spezieller Funktionsblock dafür verantwortlich, diese Planung zu interpretieren und in Anweisungen für den Steuerblock umzuwandeln, der dann die Aktuatoren steuert.

Die Online-Planung: Sie erfolgt während der Ausführung der Mission, während der Roboter in Aktion ist. Sie ermöglicht es dem Roboter, in Echtzeit Entscheidungen zu treffen, basierend auf den Informationen seiner Sensoren und seiner aktuellen Position. Dank dieses Mechanismus kann der Roboter seine Trajektorie anpassen. Diese Art der Planung macht den Roboter flexibler und autonomer, fähig, dynamisch auf Veränderungen in seiner Umgebung zu reagieren. In der Darstellung der Abbildung 1 nebenstehenden Abbildung erscheint die Missionsdatei nicht mehr, da die Mission in Echtzeit generiert wird. Der Planungsblock verwendet spezifische Algorithmen, wie den A*-Algorithmus, um die Planungselemente (zum Beispiel die zu verfolgende Trajektorie) zu erstellen. Diese Elemente werden dann als Anweisungen vom Steuerblock interpretiert, der die Aktuatoren des Roboters steuert.

Abbildung 1: Prinzip der Offline-Planung

Die Offline-Planung besteht darin, die Mission vor ihrer Ausführung vorzubereiten. Die Mission wird im Voraus definiert und über eine Datei an den Roboter übermittelt. Ein Planungsblock ist dafür verantwortlich, die Mission zu interpretieren. Je nach Zustand des Roboters und seiner Umgebung generiert er Anweisungen, die dann an den Steuerblock gesendet werden. Dieser berechnet die notwendigen Befehle, um die Anweisungen zu erfüllen und die Mission durchzuführen.

III. Praktisches Beispiel einer Offline-Planung: das JSONAgriFormat

Ein konkretes Beispiel für Offline-Planung in der Landwirtschaftsrobotik ist das Dateiformat JSONAgriFormat, entwickelt von SABI AGRI.

Wie in der Abbildung 2 untenstehenden Abbildung gezeigt, ermöglicht dieses Dateiformat die vollständige Beschreibung der Mission eines landwirtschaftlichen Roboters vor dessen Ausführung.

Es enthält insbesondere:

die zu verfolgende Trajektorie,
die Spezifikation der Arbeitsbereiche, die den Bereichen entsprechen, in denen die Werkzeuge gesenkt werden müssen,
die Vorwärtsgeschwindigkeit in diesen Bereichen,
die Geofencing-Zone, die die geografischen Grenzen definiert, die nicht überschritten werden dürfen,
sowie verschiedene Metadaten in Bezug auf das landwirtschaftliche Grundstück.

All diese Informationen sind in einem Standardformat (dem JSON-Format) strukturiert, was den Austausch und die Kompatibilität zwischen verschiedenen robotischen Systemen erleichtert.

Abbildung 2: Beschreibung des JSONAgriFormat

Dieses Format ermöglicht es, eine zu verfolgende Trajektorie für landwirtschaftliche Operationen zu spezifizieren. Für jeden Punkt der Trajektorie können zusätzliche Informationen zugeordnet werden, wie z.B.:

die Geschwindigkeit an diesem Punkt,
der Zustand der Werkzeuge (gesenkt oder gehoben).

Das Format ermöglicht auch die Einbeziehung von Metadaten, wie z.B. den Namen des Grundstücks oder andere relevante Informationen.

IV. Praktisches Beispiel der Online-Planung: das Robotik-Abkommen

Ein konkretes Beispiel für Online-Planung in der Landwirtschaftsrobotik ist das Konzept des Robotik-Abkommens, entwickelt von SABI AGRI.

Dieses Prinzip ähnelt dem Konzept des Platooning, das es mehreren Robotern oder Fahrzeugen ermöglicht, koordiniert in einem Schwarm zu agieren.

Im Fall des Robotik-Abkommens ist der Roboter so programmiert, dass er einem von einem menschlichen Bediener gesteuerten Traktor folgt, entweder versetzt oder hintereinander, um den Arbeitsdurchsatz zu erhöhen und die Gesamtleistung zu optimieren.

Wie in der Abbildung 3 untenstehenden Abbildung gezeigt, wird der Traktor, ausgestattet mit einem GNSS-Ortungssystem, manuell gesteuert.

Seine Position wird in Echtzeit an den nachfolgenden Roboter übermittelt, der sie zur Erstellung seiner eigenen Trajektorie verwendet.

So erfolgt die Planung des vom Roboter zu verfolgenden Weges in Echtzeit, also „online“, während der Mission.

Robotik-Abkommen: In diesem Konzept erfolgt die Planung der Aufgaben des Roboters in Echtzeit während der Mission. Der Roboter B nutzt die vom führenden Fahrzeug A, das von einem Menschen gesteuert wird, übermittelten Informationen, wie seine GPS-Position, den Zustand seiner Werkzeuge und andere Parameter, um seine eigenen Aktionen zu planen: zu verfolgender Weg, Werkzeugverwaltung usw.

Abbildung 3: Robotik-Abkommen

In diesem Konzept erfolgt die Planung der Aufgaben des Roboters in Echtzeit während der Mission. Der Roboter B nutzt die vom führenden Fahrzeug A, das von einem Menschen gesteuert wird, übermittelten Informationen, wie seine GPS-Position, den Zustand seiner Werkzeuge und andere Parameter, um seine eigenen Aktionen zu planen: zu verfolgender Weg, Werkzeugverwaltung usw.

V. Fazit

Abschließend lässt sich sagen, dass die Planung einen wesentlichen Schritt in der Landwirtschaftsrobotik darstellt, da sie direkt zur Autonomie und Effizienz der Roboter beiträgt.

Diese Planung kann auf zwei Arten durchgeführt werden:

Offline, vor Beginn der Mission, durch eine Beschreibungsdatei wie das JSONAgriFormat, entwickelt von SABI AGRI, das es ermöglicht, alle Missionsparameter festzulegen.

Online, wie im Fall des Robotik-Abkommens, ebenfalls entwickelt von SABI AGRI, bei dem der Roboter seinen Weg in Echtzeit basierend auf den Bewegungen eines manuell gesteuerten Traktors plant.

So veranschaulichen diese beiden Ansätze die Komplementarität zwischen vorausschauender Vorbereitung und dynamischer Anpassung, zwei grundlegende Säulen der modernen Landwirtschaftsrobotik.

*: Die in diesem Artikel präsentierten technischen Informationen werden als Hinweis bereitgestellt. Sie ersetzen nicht die offiziellen Anleitungen der Hersteller. Vor jeder Installation, Handhabung oder Nutzung konsultieren Sie bitte die Produktdokumentation und beachten Sie die Sicherheitsanweisungen. Die Website Torque.works kann nicht für eine unangemessene Nutzung oder eine falsche Interpretation der bereitgestellten Informationen verantwortlich gemacht werden.