System zur
Erntevermessung

Im Rahmen eines Forschungsprojekts gemeinsam mit der Wintersteiger AG realisierte die Linz Center of Mechatronics GmbH (LCM) ein eigenes Messverfahren und einen physischen Prototyp, die verschiedene Getreidearten bereits während des Erntevorgangs auf Trockendichte, Masse und relative Feuchtigkeit vermessen können.

Das Ziel des Forschungsprojekts war ein eigenes Messverfahren zu entwickeln, das im Realbetrieb unterschiedliche Getreidesorten wie Gerste, Raps oder Mais in einem integrierten Messbehälter messen kann, ohne dabei den vorgegebenen Ernteablauf einzuschränken.

Der Nutzen daraus ist einerseits, dass Getreidezüchter wissen, inwiefern sie ihr Korn weiterentwickeln sollen, um zum optimalen Feldertrag zu kommt. Andererseits, dass die landwirtschaftlich Beschäftigten mit diesem Saatgut einen höchstmöglichen Ernteertrag erzielen können.

Im Zuge dieses Forschungsprojektes wurde umfangreiches Wissen über das Thema per se aufgebaut, darüber hinaus entstand auch ein Prototyp für Probemessungen.

Hohe Anforderungen

Sämtliche Messprinzipien wie Masse, Feuchtigkeit und Volumen sollten in einem gemein- samen Messbehälter erfolgen, der in einem Versuchsmähdrescher integriert ist. Außerdem war Vorgabe, dass während der Fahrt gemessen wird, und die Ergebnisse dürfen nicht von den starken Vibrationen (Losfahren, Anhalten, unwegsames Gelände) verfälscht werden.
Darüber hinaus war zu klären, welche Sensorik notwendig ist, um diese und weiterer Störfaktoren wie Temperaturschwankungen, Feuchtigkeit, Staub, etc. erfassen und kompensieren zu können. Eine knifflige Aufgabe waren auch Größe sowie Einbauhöhe des Messbehälters am Versuchsmähdrescher.

Damit die Anwendung während des Erntens effektiv ist, wurde ein Durchsatz von bis zu 5 t Getreide pro Stunde gefordert, wobei abhängig von der Ernte Massen zwischen 0,5 kg und 30 kg mit einer Genauigkeit von ±80 g zu erfassen waren.

Minimales Zeitfenster, um Ernte effizient zu messen

Die Masse wurde über eine in der freien Richtung des Messbehälters positionierten dynamische Wiegezelle mit patentierter Aufhängung (mit Kraft- sowie Neigungssensor) und einem ausgewählten 3-Achsen-Beschleunigungssensor gemessen. Sowohl Wintersteiger als auch LCM halten das Patent auf die Aufhängung.

Das Volumen wurde im Inneren über die Form des Schüttkegels nach dem Lichtschnittverfahren (10 parallel angeordnete Laserlinien, die ein Raster über das Getreide zeichnen, eine 90 Grad versetzte Kamera fotografiert) mit einem Embedded Board und optimierten Algorithmen in C++ berechnet. Mit einem eigens entwickelten großem Sensorelement wurde die Feuchtigkeit kapazitiv eruiert.

Die große Herausforderung war, 30 Kilogramm Getreide in einem Messzyklus von nur sechs Sekunden effektiv zu messen, denn das Zeitfenster ist mit nur zwei Sekunden zum Einfüllen, eine Sekunde zur Beruhigung, eine Sekunde zum Messen und zwei Sekunden zum Entleeren eng bemessen. Das machte eine spezielle Konstruktion notwendig, da die Messung auch im Non-Stop-Betrieb funktionieren muss. Essenziell für in der Getreidezucht Tätige ist, dass die komplette Ernte möglichst zeitnah abgewickelt wird, da es sonst zu veränderten Bedingungen kommen kann.

Angewandte Forschung der LCM gelungen

Die Messergebnisse waren dem Entwicklungsstadium entsprechend genau. Die geforderten Toleranzbereiche konnten jedoch nur mit kombinierter Sensorik, einem optimierten mechanischen Konzept, geeigneten Kalibriervorgängen und innovativen Auswertealgorithmen erreicht werden. Die angepeilte Genauigkeit wurde letztendlich erreicht. Für Getreidezüchter sind vor allem die Volumen- und Feuchtigkeitsmessung immer wieder heikel, da Getreideart/Fruchtsorte, die Messbehälterform, die Dichte des Getreides bei der Messung, der Messzeitpunkt und die Temperatur Einfluss auf den Messvorgang nehmen.

Wie genau eine Messung schlussendlich wird, hängt stark von der Kompensation der Störeinflüsse ab. Die von LCM entwickelten Algorithmen können diese verbessern. Die Vorgegebenen maximal zulässigen Verzögerungszeiten zwischen Beginn der Messung und An- zeige des Ergebnisses können z. B. mit herkömmlichen Methoden wie Mittelwertbildung, Medianfilter o. Ä. nicht eingehalten werden.

Von LCM umgesetzt

Im Forschungsprojekt wurden von LCM folgende Parameter umgesetzt:

• Entwicklung des Messkonzepts unter Berücksichtigung der Stör- und Fehlereinflussgrößen
• Mechanischer Aufbau von Systemen (Patent angemeldet von Wintersteiger, Patentnummer: WO002014146152A1; Erfinder [LCM] Thomas Buchegger, Gerhard Kaineder und [Wintersteiger] Johann Auer)
• Entwicklung der Elektronik (Analogschaltungen, Embedded) und Software
• Entwicklung von Signalverarbeitungs- und Kalibrieralgorithmen