Gerätemanagement und Fernzugriffsplattform für Agrarroboter

95 Prozent geringerer Herbizideinsatz

Das norwegische Unternehmen Kilter hat einen autonomen Agrarroboter entwickelt, mit dessen Hilfe Landwirte den Herbizideinsatz um bis zu 95 Prozent reduzieren können. Das intelligente System scannt das Feld mit Hilfe von Kameras, die am Roboter angebracht sind, und klassifiziert die Pflanzen anschließend mit maschinellen Lernalgorithmen als Nutzpflanzen oder Unkraut. Für das Geräte-Management kommt eine Softwarelösung von Qbee zum Einsatz.

Das norwegische Unternehmen Kilter hat einen autonomen Agrarroboter entwickelt, mit dessen Hilfe Landwirte den Herbizideinsatz um bis zu 95 Prozent reduzieren können. (Bild: Kilter AS)

Der Agrarroboter AX-1 von Kilter setzt ein Netz von Hochgeschwindigkeits- und Präzisionsdüsen ein, die das Unkraut besprühen können und gleichzeitig verhindern, dass Herbizide die Pflanzen oder den Boden erreichen, auf denen sich kein Unkraut befindet. „Am einfachsten ist es, sich das Gerät als einen großformatigen Tintenstrahldrucker mit mehreren parallelen Druckköpfen vorzustellen“, erklärt der leitende Softwarearchitekt bei Kilter, Jarle Dørum.

Algorithmus zur Bildklassifizierung

Die Sprüheinheit erhält auf der Grundlage der Ergebnisse des Bildklassifizierungsalgorithmus Informationen darüber, wann und wo Herbizidtropfen gesprüht bzw. gedruckt werden sollen. All das funktioniert, während sich der Roboter per GPS autonom über das Feld bewegt. Die Präzision dieses in Eigenregie entwickelten Düsensystems beträgt selbst bei höheren Geschwindigkeiten bis zu 6mm und stellt sicher, dass nur das Unkraut seinen Anteil an Chemikalien erhält.

Der AX-1 Roboter im Einsatz auf einem Feld. (Bild: Kilter AS)

Vorteile autonomer intelligenter Landwirtschaftsroboter

Dabei handelt es sich um einen Durchbruch bei der Vermeidung des unnötigen Einsatzes von Herbiziden. Denn diese neue Methode ist wesentlich umweltverträglicher und schont sowohl die Flora und Fauna als auch das Wasserökosystem vor übermäßigem Herbizideinsatz. Gleichzeitig können die Landwirte einen hohen Ernteertrag erzielen und Ausgaben für Herbizide sowie für manuelle Arbeit sparen. Und der Endverbraucher kann letztlich geerntete Produkte verzehren, die keinen direkten Kontakt mit Herbiziden hatten.

Ein weiterer interessanter Aspekt des intelligenten Landwirtschaftsroboters von Kilter ist sein Gewicht. Im Gegensatz zu einem traktorbasierten System wiegt der Roboter nur etwa 300kg einschließlich der Herbizidladung. Dadurch wird der Boden weniger stark verdichtet, was zu besseren Wachstumsbedingungen beiträgt und den Roboter zudem mobiler macht. Inzwischen sind mehrere Einheiten in Deutschland und Norwegen im Einsatz, viele weitere Länder sollen folgen.

Intelligentes Geräte-Management unter Linux

Eine weitere große Herausforderung für dieses Projekt ist die folgende Frage: Wie lässt sich eine ganze Flotte von weltweit eingesetzten Robotern verwalten und warten, während gleichzeitig wichtige Entwicklungs- und Verbesserungsarbeiten von Norwegen aus durchgeführt werden?

Kilter musste eine Lösung finden, die die folgenden, zentralen Herausforderungen bewältigen konnte:

• SSH-Fernzugriff und vollständige Tunnelfunktionen über ein 4G-Mobilfunknetz mit wechselnden IP-Adressen
• Ermöglichung des Fernzugriffs auf die Web-UI des Roboters
• Verlässliche Bereitstellung neuer Software-Updates, auch wenn die Geräte oft für längere Zeit ausgeschaltet sind
• Herunterladen und Untersuchen von Log Files
• Auslesen der Telemetriedaten des Geräts
• Template-Bearbeitung von Konfigurationsdateien

An dieser Stelle kommt die Embedded-Linux-Geräteverwaltungssoftware und Remote-VPN-Lösung Qbee ins Spiel. Kilter hatte herausgefunden, dass sich mit Qbee.io alle oben genannten Herausforderungen umsetzen lassen. Das im Lieferumfang enthaltene VPN ermöglicht sowohl den SSH-Fernzugriff über die Web-UI als auch über einen Entwickler-Laptop mit dem lokalen Terminal. Das geschieht über die Desktop-Anwendung Qbee-Connect, die für alle gängigen Betriebssysteme verfügbar ist. Die VPN- und Tunnel-Funktionen sind im Qbee-Agent enthalten und es ist sogar möglich, aus der Ferne auf die Edge-Webanwendung zuzugreifen. All das trägt dazu bei, dass der Aufwand für die Einrichtung und den Betrieb einer VPN-Infrastruktur komplett vermieden werden kann.

Der Agrarroboter setzt ein Netz von Hochgeschwindigkeits- und Präzisionsdüsen ein, die das Unkraut besprühen. (Bild: Kilter AS)

„Wir betreiben unsere Geräte über mobile Netzwerke mit wechselnden IP-Adressen. Außerdem ist die Wartung von VPN-Zertifikaten und die Unterhaltung der VPN-Netzwerkinfrastruktur nichts, was uns wirklich interessiert. Unsere Kernkompetenz liegt im gesamten Roboterdesign und in der Entwicklung fortschrittlicher maschineller Lernalgorithmen. Wir arbeiten kontinuierlich an der Verbesserung unserer Produkte und stellen regelmäßig neue Software bereit. Gerätemanagement gehört für uns zum Service. Mit Qbee können wir uns auf unsere wertschöpfenden Funktionen konzentrieren und haben gleichzeitig eine leistungsstarke Geräteverwaltungs- und Automatisierungssoftware, auf der wir aufbauen können.“ so Dørum.

Global auf dem aktuellen Stand

Sobald eine aktualisierte Version der Robotersoftware fertiggestellt ist, kann sie per Funk als Update für eine bestimmte Gruppe oder alle Roboter überall auf der Welt bereitgestellt werden. Das Gleiche gilt für sicherheitskritische Betriebssystem-Updates. Da es sich bei Qbee um ein Pull-basiertes Automatisierungssystem handelt, das den Zustand definiert, anstatt Befehle auszusenden, erhalten die Roboter auch nach längerer Inaktivität die neueste Aktualisierung und Konfiguration und wechseln in den aktuellen Zustand. Ein Landwirtschaftsroboter ist die meiste Zeit ausgeschaltet, muss aber sofort einsatzbereit sein, wenn die Wetter- und Pflanzenbedingungen die Behandlung zulassen.

Bei der Dateiverteilung können Remote-Skripte ausgeführt werden, um Protokolle auszulesen, oder diese können auf dem Gerät mit Hilfe von Datei-Browsern untersucht werden. Der SSH-Fernzugriff ermöglicht umfassende Debugging-Möglichkeiten. Darüber hinaus sammelt der Qbee-Agent auch eine Vielzahl von Telemetriedaten, wie CPU-Last, Speicher oder Festplattenstatus. Das hilft bei der proaktiven Erkennung potenzieller Probleme, wie z.B. Speicherlecks in Anwendungen oder dass Speichermedien mit Logfiles volllaufen.

Entwicklung auf verschiedenen Hardware-Architekturen

Während der Entwicklungsphase wurden sowohl x86- als auch ARM-basierte Architekturen unter Linux eingesetzt. Da die Lösung Linux auf allen Plattformen unterstützt, war es kein Problem, im Laufe der Entwicklung zwischen diesen Hardware-Architekturen zu wechseln.