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Doctoral Thesis
2018
Entwicklung einer selektiv arbeitenden Reihenhackmaschine mit elektrisch angetriebenem Werkzeug zur Unkrautregulierung im ökologischen Zuckerrübenanbau
Entwicklung einer selektiv arbeitenden Reihenhackmaschine mit elektrisch angetriebenem Werkzeug zur Unkrautregulierung im ökologischen Zuckerrübenanbau
Abstract (English)
Weed control within the planted rows continues to present a major challenge to organic sugar beet farmers. As sugar beet is very susceptible to competition from weeds during its early development, it is essential that farmers ensure that the soil is kept weed-free until row closure. Mechanical hoeing is available for the soil between the rows, but often only manual hoeing can be used for weed control within the row, with the exception of a small number of non-selective row hoeing techniques. Depending on the level of weed infestation in the field, its use can fluctuate within a range of 60 to 340 Akh/ha.
A project for the development of a selectively working row hoeing machine was jointly started in 2009 at Universität Hohenheim with the Baden-Wuerttemberg Ministry for Nutrition and Rural Affairs, the Association of Baden-Wuerttemberg Sugar Beet Growers and Schmotzer, based in Bad Windsheim, to support organic sugar beet cultivation.
The project was based on a single-row hoeing machine prototype from a previous project, which already had an image processing algorithm for the selection and positioning of sugar beets. There were also two tool shapes for weed control within a row of sugar beets. These hoeing tools were powered by a hydraulic motor, the speed of which was regulated by a PWM solenoid valve based on driving speed and image processing.
Field tests were carried out with both at the start of the follow-on project, and a new design of hoeing tool was also tested. The quality of work performed by the three tools was then compared. The extent of the worked and unworked area within a simulated row of sugar beets was examined, among other aspects, and the method of operation and susceptibility of the tool to becoming blocked when it met larger weeds were also assessed. A mobile electric high-voltage drive was also designed with Ludwigsburg-based Jetter AG, in parallel to the field experiments, in view of problems experienced with the control dynamics of the hydraulic drive. Field experiments were then conducted with the advanced prototype under practical conditions on two test sites in Hohenheim during the following vegetation period. The row hoeing machine was compared with various methods, including manual hoeing combined with a standard hoeing machine for the soil between the rows, and also compared to the results achieved by using conventional chemical weed control. Following the initial practical experiments and the findings obtained from them, the row hoeing machine was further revised and a second row was added. The field experiments were then repeated in the same arrangement as in the previous year, again at two sites, using this two-row hoeing machine.
After a two-year long test phase, it is clear that the use of a selectively working row hoeing machine reduces manual work by up to 40 %, depending on the extent of the weeds. Manual weed control continues to be indispensable for removing weeds in the immediate vicinity of the sugar beet plants, which can have an adverse impact on the yield if not removed.
Furthermore, the use of the row hoeing machine leads to an unavoidable loss of plants, which, to a certain extent, neither affects the technical quality nor overall harvest of the sugar beets. In contrast, later weeding after row closure can cause significant loss of yield.
In conclusion, it is worth mentioning that image processing reaches its limits under difficult conditions of up to 400 weeds per m2. The image processing algorithm also requires further improvement. By contrast, the mobile electrical high-voltage drive and the continuously moving shape of the hoeing tool both fulfill all requirements.
Future developments should focus on the further improvement and optimisation of plant recognition and thus the differentiation between cultivated plants and weeds and their position in front of the hoeing machine. The working speed could be increased to more than 3.6 km/h with a faster and more precise image processing method, and damage to plants, or even loss of sugar beet plants, could then be prevented or minimised.
Abstract (German)
Nach wie vor stellt die Unkrautregulierung innerhalb der Kulturreihe im ökologischen Zuckerrübenanbau eine große Herausforderung für die Landwirte dar. Da die Zuckerrübe während ihrer Jugendentwicklung sehr anfällig gegenüber Konkurrenz von Unkräutern ist, muss bis zum Reihenschluss darauf geachtet werden, dass sie möglichst unkrautfrei gehalten wird. Für den Zwischenreihenbereich ist ausreichend mechanische Hacktechnik verfügbar. Für die Regulierung innerhalb der Reihe bleibt, mit Ausnahme einiger nicht selektiv arbeitender Reihenhacktechnik, oftmals nur die Handhacke übrig. Deren Einsatz kann je nach Unkrautbesatz des Feldes in einem Bereich von 60 bis 340 AKh/ha schwanken.
Um den ökologischen Zuckerrübenanbau zu unterstützen, wurde ab 2009 an der Universität Hohenheim gemeinsam mit dem Ministerium für Ernährung und Ländlichen Raum Baden-Württemberg, dem Verband Baden-Württembergischer Zuckerrübenanbauer und der Firma Schmotzer, Bad Windsheim, ein Projekt zur Entwicklung einer selektiv arbeitenden Reihenhackmaschine durchgeführt.
Als Grundlage für das Projekt diente ein aus einem vorherigen Projekt stammender, einreihiger Hackmaschinen-Prototyp. Dieser verfügte bereits über einen Bildverarbeitungsalgorithmus für die Selektierung und Positionierung von Zuckerrüben. Zudem waren zwei Werkzeugformen für die Unkrautkontrolle innerhalb einer Zuckerrübenreihe vorhanden. Angesteuert wurden diese Hackwerkzeuge über einen Hydraulikmotor, dessen Drehzahl in Abhängigkeit von der Fahrtgeschwindigkeit sowie der Bildverarbeitung über ein PWM-Magnetventil geregelt wurde.
Zu Beginn des weiterführenden Projekts wurden zunächst Feldversuche mit den beiden vorhandenen sowie einer neu konstruierten Hackwerkzeugvariante durchgeführt. Hierbei wurde die Arbeitsgüte der drei Werkzeuge miteinander verglichen. Es wurde unter anderem die Größe der bearbeiteten und unbearbeiteten Fläche innerhalb einer simulierten Zuckerrübenreihe untersucht. Darüber hinaus wurden Arbeitsweise und Verstopfungsanfälligkeit beim Auftreten größerer Unkräuter bewertet. Parallel zu den Freilandversuchen wurde aufgrund auftretender Probleme der Regeldynamik des hydraulischen Antriebs gemeinsam mit der Firma Jetter AG, Ludwigsburg, ein mobiler elektrischer Hochvoltantrieb konzipiert. In der darauffolgenden Vegetationsperiode erfolgten mit dem erweiterten Prototyp auf zwei Versuchsstandorten in Hohenheim Freilandversuche unter Praxisbedingungen. Dabei wurde die Reihenhackmaschine mit unterschiedlichen Verfahren wie beispielsweise der Handhacke und einer Standardhackmaschine für den Zwischenreihenbereich kombiniert beziehungsweise mit dem Regulierungserfolg einer konventionell chemischen Unkrautkontrolle verglichen. Im Anschluss an die ersten Praxisversuche und anhand der damit gewonnenen Erkenntnisse fanden eine weitere Überarbeitung sowie ein zweireihiger Ausbau der Reihenhackmaschine statt. Mit der zweireihigen Maschine wurden die Freilandversuche in derselben Versuchsanordnung wie im Vorjahr und ebenfalls an zwei Standorten wiederholt.
Nach zweijähriger Testphase ist festzuhalten, dass sich durch den Einsatz einer selektiv arbeitenden Reihenhackmaschine eine Verringerung des Handarbeitsaufwands, in Abhängigkeit von der Verunkrautung, von bis zu über 40 % erzielen lässt. Die manuelle Unkrautkontrolle ist nach wie vor für die Dezimierung der Unkräuter im unmittelbaren Radius um die Zuckerrübenpflanzen herum unerlässlich. Diese können sich bei nicht Entfernen negativ auf den Ertrag auswirken.
Des Weiteren entsteht durch den Einsatz der Reihenhackmaschine ein nicht zu vermeidender Kulturpflanzenverlust. Bis zu einem gewissen Maß wirkt dieser sich jedoch weder auf die technische Qualität noch auf den Masseertrag der Zuckerrüben aus. Dahingegen kann eine einsetzende Spätverunkrautung nach Reihenschluss deutliche Ertragseinbußen verursachen.
Abschließend ist zu erwähnen, dass die Bildverarbeitung unter schwierigen Bedingungen mit bis zu 400 Unkräutern/m² an ihre Grenzen stößt. Zudem bedarf der Bildverarbeitungsalgorithmus weiterer Optimierung. Dahingegen erfüllen der mobile, elektrische Hochvoltantrieb sowie das Hackwerkzeug durch seine kontinuierliche Bewegungsform die Anforderungen.
Zukünftige Entwicklungen sollten ihren Fokus auf die weitere Verbesserung und Optimierung der Pflanzenerkennung und somit der Unterscheidung von Kultur- und Unkrautpflanze sowie deren Positionierung im Vorfeld der Hackmaschine legen. Durch einen schnelleren und präziseren Bildverarbeitungsprozess könnte die Arbeitsgeschwindigkeit auf jenseits der 3,6 km/h gesteigert und zudem die Beschädigung oder gar der Verlust von Zuckerrübenpflanzen verhindert beziehungsweise minimiert werden.
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Faculty
Faculty of Agricultural Sciences
Institute
Institute of Agricultural Engineering
Examination date
2017-07-26
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Language
German
Publisher
Publisher place
Classification (DDC)
630 Agriculture
Collections
Original object
Free keywords
Standardized keywords (GND)
Sustainable Development Goals
BibTeX
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url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/6244},
author = {Bucher, Ulrich Paul},
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