Robotiker der Universität Würzburg haben eigenen Angaben zufolge für das Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie in Potsdam ein neuartiges 3D-Laserscannersystem für präzise Pflanzenanalysen im Freiland entwickelt.
„Es gibt zwar schon einige Prototypen, aber wirklich gut sind sie alle noch nicht“, sagt Robotik-Professor Andreas Nüchter von der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg.
Um die Sensorik von Feldrobotern weiter zu verbessern, hat das Team von Andreas Nüchter für das Leibniz-Institut für Agrartechnik und Bioökonomie (ATB) in Potsdam ein neuartiges 3D-Laserscannersystem entwickelt. Es ziele darauf ab, den Zustand der Pflanzen besser zu verstehen, bspw. auch den Wassergehalt von Früchten zuverlässig zu messen – ein Kriterium, das für den richtigen Erntezeitpunkt ausschlaggebend ist.
Ein Team um die ATB-Forscherin Dr. Manuela Zude-Sasse hat das System auf einer Versuchsfläche in Potsdam installiert; erste Tests verliefen erfolgreich. Der 3D-Laserscanner ist auf einer sogenannten Sensorförderstation befestigt, die um eine Anpflanzung aus 120 Spalier-Apfelbäumen kreist.
Die ersten Tests haben gezeigt: „Wir können die Pflanzen sinnvoll anmessen und abbilden“, sagt Professor Nüchter. Das ist für einen Einsatz auf Ernterobotern wichtig, weil diese dazu fähig sein müssen, die Apfelbäume und andere Gewächse richtig zu „lesen“ – schließlich sieht keine Pflanze genauso aus wie die andere.
„Für die Produktion gartenbaulicher Erzeugnisse ist das Wissen über das Reifestadium von großer Bedeutung, um Anbau, Erntezeitpunkt und Lagerung optimal steuern zu können“, erklärt Dr. Zude-Sasse. „Gerade vor dem Hintergrund zunehmend variabler Wachstumsfaktoren durch die globale Erwärmung werden präzise Daten zur Fruchtentwicklung immer wichtiger – für wissenschaftliche Modellierungen genauso wie für den zukünftigen Einsatz kommerzieller Ernteroboter.“
Das neue Sensorsystem wird auf der ATB-Versuchsfläche kontinuierlich bis November 2025 zum Monitoring der 120 Apfelbäume eingesetzt. Entsprechend robust ist der Pflanzenscanner konstruiert: Er widersteht Wind und Wetter und ist für Betriebstemperaturen zwischen 0 und 40 Grad Celsius ausgelegt.
Das Sensorsystem arbeite nach dem Prinzip des strukturierten Lichts: Es projiziert drei Wellenlängen (520 Nanometer, grün/660 Nanometer, rot/830 Nanometer, nahes Infrarot) auf die Pflanzen. Die reflektierten Signale liefern präzise räumliche Informationen über den Pflanzenbestand. Weil die Signale für jede Wellenlänge separat zur Verfügung stehen, eröffnen sie neue Möglichkeiten, auch physiologische Eigenschaften der Pflanzen wie den Wassergehalt zu erfassen.
Der 3D-Laserscanner wurde ausschließlich für den experimentellen Einsatz konzipiert. Er verwendet Laserlicht in einer Stärke, das die Augen des Menschen bei direktem Blickkontakt schädigen kann. Aus diesem Grund sei beim Betrieb des Systems im Freiland besondere Vorsicht geboten. Das ATB kontrolliere den Zugang zum Messbereich sehr strikt. So sei sichergestellt, dass sich keine ungeschulten Personen in der Nähe des Scanners aufhalten. Für die Pflanzen selbst bedeuten die Laser keine Gefahr.
Das Projekt knüpfe an die Kernkompetenzen der JMU-Robotik bei der Entwicklung optischer Geräte sowie an die langjährige Nutzpflanzenforschung des ATB an, wo bereits spektral-optische Methoden zur Fruchtqualitätsanalyse entwickelt und umfassende Infrastrukturen zur Pflanzenanalyse unter Feldbedingungen aufgebaut wurden. Mit dem neuen 3D-Pflanzenscanner sollen die Datengrundlage für Modellierungsarbeiten sowie die Spezifikationen für künftige Ernteroboter weiter verbessert werden.
Andreas Nüchter ist für das ATB ein sehr guter Kooperationspartner: Seine Gruppe entwickelt ganz ähnliche Methoden und Laserscanner auch für Weltraumanwendungen. „Bei Missionen zum Mond oder zum Mars wird ja immer auch nach Wasser gesucht. Das geht meiner Meinung nach mit Laserscannern besonders gut“, so der Professor. Die Europäische Weltraumagentur ESA hat einige seiner einschlägigen Projekte gefördert.
