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Steuerung für einen Stelzenschlepper mit Hybridantrieb

01 Der Stelzenschlepper ermöglicht die biologische Schädlingsbekämpfung im Maisfeld (Bild: Biocare GmbH)

01 Der Stelzenschlepper ermöglicht die biologische Schädlingsbekämpfung im Maisfeld (Bild: Biocare GmbH)

02 Die Höhe und die Spurweite des Stelzenschleppers lassen sich an Wuchshöhe und Reihenabstand im Maisfeld anpassen (Bild: Biocare GmbH)

02 Die Höhe und die Spurweite des Stelzenschleppers lassen sich an Wuchshöhe und Reihenabstand im Maisfeld anpassen (Bild: Biocare GmbH)

03 Installation der Antriebe in der Institutswerkstatt

03 Installation der Antriebe in der Institutswerkstatt

04 Die Steuerung des Stelzenschleppers ist mit einem Bedien- und Steuergerät von Typ D1520 realisiert, an das ein analoger Joystick angeschlossen ist

04 Die Steuerung des Stelzenschleppers ist mit einem Bedien- und Steuergerät von Typ D1520 realisiert, an das ein analoger Joystick angeschlossen ist

Landmaschinen müssen jeweils optimal an die Einsatzbedingungen angepasst sein. Da für die biologische Schädlingsbekämpfung auf Maisfeldern keine passende Maschine verfügbar war, hat eine Arbeitsgruppe des Instituts für mobile Systeme der Otto-von-Guericke-Universität, Magdeburg, in Zusammenarbeit mit der Firma Biocare einen speziellen Leichtstelzenschlepper entwickelt. Bei der Steuerung der Maschine setzen die Maschinenbauer auf ein Steuer- und Bediengerät von Graf-Syteco.
Der Maiszünsler ist ein Kleinschmetterling, der als einer der bedeutendsten Schädlinge im Maisanbau von Landwirten gefürchtet ist. Schätzungen zufolge vernichtet er jedes Jahr bis zu 4 % der Maisernte. Eine umweltverträgliche biologische Methode der Bekämpfung des Maiszünslers durch die Schlupfwespenart Trichogramma brassicae hat sich als Alternative zum Einsatz von Insektiziden seit vielen Jahren bewährt. Die Schlupfwespen sind Parasiten, die ihre Eier in denen des Maiszünslers ablegen und deren Entwicklung zur Raupe so wirkungsvoll verhindern.
Das Unternehmen Biocare bietet zur Anwendung auf dem Maisfeld sogenannte Trichosafe-Kugeln an, in denen von den Schlupfwespen parasitierte Eier in verschiedenen Entwicklungsstadien enthalten sind. Nach der Ausbringung auf dem Feld entwickeln sich daraus über einen Zeitraum von bis zu drei Wochen die nützlichen Schlupfwespen, die den Maiszünsler bekämpfen. Die effektive Wirkung der biologischen Schädlingsbekämpfung hängt allerdings davon ab, dass die Kugeln zum richtigen Zeitpunkt ausgebracht werden. Und zu diesem Zeitpunkt hat der Mais bereits eine Höhe von etwa 1,80 m erreicht – die Ausbringung der Kugeln mit einem herkömmlichen Ackerschlepper ist dann nicht mehr möglich, da die Pflanzen dabei beschädigt würden. Da die Wirkmenge des biologischen Mittels nur etwa 100 g/ha beträgt, können auch Drohnen eingesetzt werden, um die Kugeln auszubringen. Für größere Anbauflächen hat Biocare einen pneumatischen Kugelwerfer als Anbaugerät entwickelt, der sich auf einen hochbeinigen Selbstfahrspritzer montieren lässt. Diese sind allerdings für die geringen Mengen deutlich überdimensioniert und daher für diese Anwendung zu teuer.
Kleine Spezialmaschine
An einer praktikablen und kostengünstigen Lösung arbeitet die Arbeitsgruppe von Jun.-Prof. Stephan Schmidt vom Institut für mobile Systeme der Otto-von-Guericke-Universität, Magdeburg. Die Maschinenbauer haben ein leichtes Fahrzeug entwickelt, das die Anforderungen der Anwendung optimal erfüllt und gleichzeitig kostengünstig ist (Bild 1). Da die benötigte Nutzlast des sogenannten Stelzenschleppers und damit die benötigte Fahrleistung sehr gering sind, kann statt eines hydraulischen ein elektromechanischer Antrieb zum Einsatz kommen. Da ein rein elektrischer Antrieb die Anforderung nach einem Betrieb von 16 Stunden pro Tag nicht abdecken kann, wird ein variables Konzept aus Pufferbatterie und einem Verbrennungsmotor als Range-Extender verwendet. Der verwendete Verbrennungsmotor in diesem seriellen Hybridantrieb hat nur eine kleine Leistung, was eine zusätzliche Gewichtsreduktion bedeutet. „Der Antriebsstrang ist vergleichsweise einfach. Insgesamt konnten wir so eine sehr effiziente Spezialmaschine realisieren“, erklärt S. Schmidt.
Die geometrischen Anforderungen an den Stelzenschlepper resultieren aus dem Einsatz im Maisfeld bei einer Höhe der Pflanzen von bis zu 2 m. Der Fahrzeugaufbau mit dem Fahrersitz und den übrigen Komponenten, wie dem pneumatischen Kugelwerfer, muss sich oberhalb der Maisreihen befinden. Die Spurweite der schmalen Stelzen mit den Rädern und den Antrieben muss sich so verstellen lassen, dass sie an verschiedene Reihenabstände der Maisreihen anpassbar ist (Bild 2). Um zu verhindern, dass der Stelzenschlepper in hügeligem Gelände kippt, ist eine maximale Spurbreite von 4 m notwendig. Auf der anderen Seite muss sich das Fahrzeug auf Transportmaße von 3,5 m × 2 m × 3 m zusammenklappen lassen. „Dadurch stellen wir sicher“, erklärt S. Schmidt, „dass der Anwender es einfach auf einem Standardfahrzeuganhänger von einem Maisfeld zum anderen transportieren kann.“ Die Pufferbatterie und der Range-Extender lassen sich für den Transport einfach vom Fahrzeug abnehmen. Bei einer Fahrgeschwindigkeit von 12 km/h und einer Arbeitsbreite des pneumatischen Kugelwerfers von 30 m hat der Stelzenschlepper eine Flächenleistung von bis zu 30 ha pro Stunde.
Verschiebbare Kastenprofile als Basis
Das Team um S. Schmidt hat den Prototyp des Stelzenschleppers mit einem klassischen vierrädrigen Fahrzeugkonzept, mit Einzelradlenkung vorn und Einzelradantrieb hinten realisiert. Der Antrieb muss wegen des hohen Fahrwiderstands auf Ackerböden und der niedrigen Fahrgeschwindigkeit ein hohes Drehmoment bei niedriger Drehzahl aufweisen (Bild 3). Die beiden Hinterräder werden jeweils von einer Synchronmaschine mit zweistufigem Getriebe, das aus Planetengetriebe und Kettengetriebe besteht, angetrieben. Die Vorteile dieses Antriebskonzept erläutert S. Schmidt: „Drehzahl und Drehmoment können optimal angepasst werden und außerdem schaffen wir es so, den Antrieb sehr schmal zu konstruieren.“
Um die Verstellung der Breite und der Höhe des Fahrzeugs zu ermöglichen, kommt eine Grundrahmenstruktur auf Basis von Kastenprofilen zum Einsatz, die sich einfach ineinanderschieben lassen. Externe Hubeinrichtungen bzw. Linearaktuatoren sorgen für eine teilautomatisierte Verstellung. Auf dem Grundrahmen sind die Fahrerkabine sowie die verschiedenen Anbauteile montiert.
Modernes Touchbediengerät
Die Ansteuerung der verschiedenen Komponenten innerhalb des Stelzenschleppers ist über CAN-Bus realisiert. Die Komponenten der Antriebe, der Lenkung und der Energieversorgung sind dazu mit CAN-Schnittstellen ausgestattet. Als CAN-Bus-Master fungiert ein Steuergerät vom Typ D1520 (Bild 4) von Graf-Syteco. Das kompakte Gerät mit einem 7-Zoll-Touchdisplay und einer Auflösung von 800 Pixel × 480 Pixel ist optimal für den Einsatz in mobilen Arbeitsmaschinen geeignet. Der Hauptvorteil des D1520 für dieses Projekt ist laut S. Schmidt die hohe Schutzart: „IP65 findet man bei diesen Geräten relativ selten – insbesondere, wenn man ein Display haben möchte.“ Auf dem Display sind die wesentlichen Informationen dargestellt, die zum Betrieb des Fahrzeugs notwendig sind. Dazu gehören neben der aktuellen Geschwindigkeit auch Informationen zum Energiemanagement etwa dem Ladezustand der Batterien. Auch die horizontale und vertikale Position der verschieb baren Rahmenprofile wird angezeigt.
Das leuchtstarke Display lässt sich auch bei direkter Sonneneinstrahlung gut ablesen. Das D1520 hat zwei CAN-Bus-Schnittstellen, über die mit allen Komponenten am Fahrzeug kommuniziert werden kann. Eine USB-Schnittstelle dient als Programmier-Interface, und zusätzliche Schnittstellen erlauben den Anschluss weiterer Peripheriegeräte. „Hierüber haben wir beispielsweise den analogen Joystick angeschlossen, mit dem der Bediener das Fahrzeug lenken, beschleunigen und bremsen kann“, erklärt S. Schmidt. Andere Funktionen, wie die Wahl der Fahrtrichtung, ist über das Touchdisplay realisiert.
Der ARM9-Prozessor stellt ausreichend Rechenleistung zur Verfügung, um sämtliche Steuerungs- und Visualisierungsaufgaben für den Stelzenschlepper zu erledigen. Neben den Fahrfunktionen ist dies vor allem das Energiemanagement. Die Steuerung überwacht dabei den Ladezustand der Batterien und die Funktionen des Range-Extenders. Bei kritischen Zuständen, wenn beispielsweise die Batterie entladen ist, stoppt die Steuerung die Maschine. Um die Visualisierung für das D1520 zu programmieren, verwendeten die Studenten der Magdeburger Arbeitsgruppe das von Graf-Syteco mitgelieferte Softwaretool GSE-Visu. Die Steuerungsaufgaben wurden in C programmiert. „Die Unterstützung durch das Support-Team bei Graf-Syteco war bei der Softwareentwicklung eine große Hilfe“, erinnert sich S. Schmidt.
Vollautomatisches Fahren als Zukunftsprojekt
Aktuell muss der Fahrer den Stelzenschlepper noch rein manuell steuern. Die Arbeitsgruppe um S. Schmidt arbeitet aber bereits daran, das Fahrzeug mit assistierten und automatischen Fahrfunktionen auszustatten. Dazu müssen geeignete Sensoren das Umfeld beobachten können. Insbesondere die Detektion der einzelnen Reihen ist vorrangig, da dann eine assistierte Lenkunterstützung zur Reihenverfolgung realisierbar ist. Dies soll die ermüdungsfreie Bedienung der Maschine ermöglichen. Im nächsten Schritt ist eine Funktion zum automatischen Wenden im Vorgewende geplant, für die allerdings eine exakte Ortsbestimmung des Stelzenschleppers notwendig ist. Das langfristige Zukunftsprojekt der Maschinenbauer aus Magdeburg ist das vollautomatische Fahren mit automatischer Reihenverfolgung, Wendefunktion sowie Mechanismen zum Ausweichen bei Hindernissen im Feld. (mh)

Dr. Jörg Lantzsch ist freier Fachjournalist und Inhaber der Agentur Dr. Lantzsch in Wiesbaden. j.lantzsch@drlantzsch.de

Dr. Jörg Lantzsch ist freier Fachjournalist und Inhaber der Agentur Dr. Lantzsch in Wiesbaden. j.lantzsch@drlantzsch.de