Development of a novel mechatronic system for mechanical weed ...

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Abstract real centre positions, in experiments conducted with RGB sensor, was 31 mm whereby 50% of the samples were inside the interval 0 to 5 mm and 90% of the samples were inside the interval 0 to 16.9 mm. The maximum deviation of the estimated centre positions from the plant real centre positions, in experiments conducted with laser sensor, was 25 mm whereby 50% of the samples were inside the interval 0 to 3 mm and 90% of the samples were inside the interval 0 to 6.9 mm. The servo system built in the physical prototype was operated in a mode with direct software control providing rotational speed adjustment according to the forward speed of the carrier, intra-row distance between successive crop plants and the observed angular position of the arms. The controlling algorithm and software solution were developed in the Labview® environment. The main task of the controlling software was permanent calculation, checking and change of the recent rotational speed of the hoeing tool in real time. The software solution used an extended version of the software previously developed for detection of the plants’ centre position. Tests have proved that depending on the angular adjustment of the arms carrying the duckfoot knives an uncultivated area big enough to avoid damaging of the plants can be left around the plants during the intra-row weeding with the developed system. The system is able to autonomously adapt the rotational speed of the hoeing tool in case of non-intensive forward speed change. After rapid forward speed change, several plants can be damaged while the system stabilises its work, but stable state can be reached immediately after the stabilisation period. The presented concept of the intra-row hoeing system can fulfil the requirements; it has sufficient degrees of freedom to allow full adaptation to different crop and vegetable species, different plant intra-row distances and plant growth stages. In combination with an inter-row hoe or installed on an autonomous vehicle, the developed robotic system could be a solution for accurate and rapid mechanical weed control.
Kurzfassung Entwicklung eines neuartigen mechatronischen Systems für die mechanische Unkrautbekämpfung in der Reihe basierend auf der Erkennung von Einzelpflanzen und adäquaten Regelung der Hackwerkzeuge in Echtzeit Als ein Bestandteil einer erfolgreichen nicht chemischen Unkrautbekämpfung soll die Unkrautbekämpfung in der Reihe das Verfahren vervollständigen und nicht als eine primäre Methode angesehen werden. Die konventionelle Maschinenhacke zwischen den Reihen deckt ca. 80 % der Fläche in Reihenfrüchten ab. Unkräuter treten jedoch in der Reihe zwischen den Pflanzen (intra-row) und nahe bei den Pflanzen auf (close-to- crop) und haben dort einen größeren Einfluss auf die Entwicklung der Nutzpflanzen. Die Online Erkennung der Position einzelner Pflanzen und die Unterscheidung Nutzpflanze-Unkraut sind die Hauptprobleme einer mechanischen Unkrautbekämpfung in der Reihe. Auf Grund der umfangreichen Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten in diesem Bereich wird jedoch erwartet, dass solche Systeme in naher Zukunft verfügbar sein werden. In der Zwischenzeit kann die Weiterentwicklung von universellen Hackgeräten für den Bereich in der Reihe, die für unterschiedliche Pflanzenabstände und Entwicklungsstadien eingesetzt werden können, stattfinden. Es wurde ein virtueller Prototyp für die Unkrautbekämpfung in der Reihe entwickelt, der die Bewegung der manuellen Hacke im Boden imitiert. Das Hackwerkzeug besteht aus einem Armträger und drei oder mehr daran befestigten Armen, die um die horizontale Achse, die sich oberhalb der Pflanzenreihe befindet, rotieren. Tests und Simulationen der Bewegungsbahnen der Hackwerkzeuge, die mit dem virtuellen Prototyp durchgeführt wurden, haben den Entwicklungsprozess zunehmend verbessert und den Entwicklungsweg von der Idee zum Prototyp erheblich beschleunigt. Ein physikalischer Prototyp wurde mit einem Servomotor, der über die Betriebssoftware die Drehzahl in Abhängigkeit von der Vorfahrtsgeschwindigkeit, dem Pflanzenabstand in der Reihe und der Winkelposition der Hackarme regelt, realisiert. Zusätzlich wurde eine Methode und ein System zur Erkennung der Position der Nutzpflanzen basierend auf deren spektralen Eigenschaften, kombiniert mit der Information über die Geometrie der Saatgutablage entwickelt und getestet. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass die Kombination eines RGB Sensors für Ermittlung den spektralen Eigenschaften Laser Sensor für Ermittlung der Pflanzenhöhe, für eine präzise Erkennung der Mittelpunktsposition der Nutzpflanzen
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