Pulsweitenmodulation

Die beim Pflanzenschutz applizierte Menge ist eine Funktion der Geschwindigkeit und des Drucks in Abhängigkeit vom Volumenstrom der eingesetzten Düse. Zur Veränderung der applizierten Menge ist somit eine schnellere oder langsamere Fahrtgeschwindigkeit oder eine Anpassung des Arbeitsdrucks notwendig. Insbesondere letzteres hat einen Einfluss auf die Arbeitsqualität, da sich mit dem Druck auch das Tropfenspektrum ändert. Um bei konstantem Druck die applizierte Menge anzupassen ist in der Regel eine andere Düse notwendig. Einen alternativen Ansatz bietet die Pulsweitenmodulation. Durch elektrische Ventile wird die Düse in hoher Frequenz (bspw. 20-30 Hz) ein- und ausgeschaltet. Durch Variation der Länge der Öffnungszeit der Ventile kann mit einer Düse bei gleichem Druck die Ausbringmenge variiert werden. So lässt sich mit einem Düsensatz ein weites Spektrum unterschiedlicher Aufwandmengen abdecken [1].

Bild 1: Funktionsweise Pulsweitenmodulation. Linke Düse herkömmliche kontinuierliche Applikation. Rechte Seite Pulsweitenmodulation mit intermittierender Applikation [1]

Figure 1: Mode of operation pulse width modulation. Left nozzle conventional continuous application. Right side pulse width modulation with intermittent application [1]

Der Hauptvorteil der Technik liegt sicher in der Möglichkeit, sehr flexibel und präzise die ausgebrachte Menge an Pflanzenschutzmittel zu variieren. Des Weiteren bietet sie aber auch Möglichkeiten zur Pflanzenschutzmitteleinsparung. Zum einen durch die integrierte Einzeldüsenschaltung, zum anderen durch die mögliche Anpassung der Aufwandmenge an die Kurvengeschwindigkeit des Gestänges bei Kurvenfahrten.

Direkteinspeisung

Pflanzenschutzmittel werden oftmals in Kombination verschiedener Präparate appliziert. Die unabhängige Variation eines Mittels, wie es für die teilflächenspezifische Bewirtschaftung notwendig ist, ist somit nicht möglich. Eine technische Voraussetzung für den teilflächenspezifischen Pflanzenschutz ist die Pflanzenschutzmittel-Direkteinspeisung. Ein solch ausgestattetes Spritzgerät verfügt zusätzlich zum Haupttank über einen oder mehrere weitere Behälter, in denen sich nur Pflanzenschutzmittel befinden. Die Direkteinspeisung dosiert diese Pflanzenschutzmittel während der Applikation nach Bedarf direkt in den Flüssigkeitskreislauf des Spritzgeräts. Der Haupttank enthält dabei nur Wasser oder eine Grundmischung.

Bild 2: Funktionsschema Direkteinspeisung Raven Sidekick Pro [2; 3]

Figure 2: Function scheme of direct injection Raven Sidekick Pro [2; 3]

Die Direkteinspeisung ermöglicht es somit, das Pflanzenschutzmittel bedarfsorientiert und teilflächenspezifisch auszubringen. Dadurch können sich Einsparungen an Pflanzenschutzmitteln ergeben, die z.B. je nach Unkrautdruck zwischen 30 % bis 90 % liegen können.

Fahrgassenabschaltung

Die Aussparung der Fahrgasse bei der Applikation von Fungiziden, Insektiziden und Wachstumsregulatoren ist eine technisch leicht umzusetzende aber effektive Möglichkeit die ausgebrachte Menge an Pflanzenschutzmitteln zu reduzieren. Die technische Umsetzung erfolgt über zusätzliche Düsen an der Fahrspur, mit denen diese randscharf ausgespart werden kann (Bild 3). Die gesetzlichen Vorgaben bezüglich des Variationskoeffizienten werden dabei eingehalten. Die Fahrgassenschaltung lässt sich ein- und ausschalten, so dass auch weiterhin eine vollflächige Applikation möglich ist. Dies ist bei der Ausbringung von Herbiziden wichtig, da die Fahrgassenschaltung hier die Resistenzproblematik verschärfen kann [4]. Die möglichen Einsparpotenziale der Fahrgassenschaltung steigen mit der Reifenbreite und sinken mit zunehmender Gestängebreite. Bei praxisüblichen Reifen- und Gestängebreiten können sich somit Mitteleinsparungen zwischen 3 % bis 5 % realisieren lassen. Das System kann an jede vorhandene Spritze nachgerüstet werden und hat keine Mindestanforderungen an die Technik.

Bild 3: Veränderte Düsenkonstellation und -anordnung, 2 m Spurweite, 500 mm Reifenbreite, Spritzdruck 5 bar, Variationskoeffizient 5,82 % [4]

Figure 3: Modified nozzle constellation and arrangement, 2 m track width, 500 mm tyre width, spray pressure 5 bar, coefficient of variation 5.82 % [4]

Bandspritze in Kombination mit mechanischer Unkrautbekämpfung

Schon in den 1960er Jahren wurden bestehende Hackgeräte mit den damals neuen Pflanzenschutzspritzgeräten kombiniert und so die teuren Pflanzenschutzmittel (PSM) in einem Arbeitsgang gezielt dort ausgebracht, wo das Hackgerät keine Unkrautbekämpfung durchführen konnte. Während in den folgenden Jahren das Hackgerät durch geringe Flächenleistungen und der zusätzlichen Person zur Feinsteuerung immer mehr an Bedeutung verlor, wurde die Arbeitsbreite der Feldspritzgeräte immer größer und die PSM kostengünstiger. Mit zunehmenden Mittelkosten und der Entwicklung kameragesteuerter Hackgeräte ist in den letzten Jahren allerdings ein umgekehrter Trend zu erkennen: Die kombinierten Hacke-Bandspritz-Geräte werden vermehrt von unterschiedlichen Herstellern angeboten. Beim Einsatz von Bandspritzen kommen spezielle Bandspritzdüsen mit einem kleineren Spritzwinkel (meist 40°) zum Einsatz, wodurch sich bei einem Zielflächenabstand von 30 cm ein ca. 20 cm breites Spritzband ergibt. Hierdurch können, je nach Reihenweite, zwischen 50 und 70% PSM eingespart werden.

Die Kombination von Hacke und Bandspritze in einem Gerät (Bild 4) hat systembedingte Vor- und Nachteile: Ein Nachteil ist, dass der Einsatzzeitpunkt einen Kompromiss zwischen sonnigen, windigen Bedingungen zum Hacken und bedecktem, windstillem und ggf. leicht feuchten Bedingungen für die Herbizidapplikation darstellt. Auf der anderen Seite ist die Positionierung des Spritzbandes im Verhältnis zu den Hackscharen immer konstant, wodurch eine gleichmäßige geringe Überlappung von Spritzband und Hackbereich gewährleistet ist.

Bild 4: Kombination aus Hackgerät mit Bandspritzeinrichtung [5]

Figure 4: Combination of chipper with band spraying device [5]

Um beide Verfahren voneinander zu trennen und damit bei optimalen Einsatzbedingungen anzuwenden, wird von mehreren Herstellern eine Bandspritzausrüstung für konventionelle Flächenspritzgeräte angeboten, die getrennt von den Hackgeräten eingesetzt werden. Amazone bietet mit AmaSelect Row für 50 cm Reihenweite (mit Verlagerungssatz auch 75 cm) eine einfache Umschaltung zwischen Band- und Ganzflächenapplikation im Bedienterminal an [6]. Horsch geht einen Schritt weiter und stattet die Geräte mit einer zusätzlichen Kamera am Gestänge aus, wie sie auch an Hackgeräten zur Feinsteuerung verwendet wird. Die Kamera steuert das komplette Spritzgestänge über Eingriffe in die Achsschenkellenkung und richtet so die Düsen exakt über den Reihen aus. Hinzu kommen zwei unterschiedliche Winkeldüsenkappen, die eine zielgenaue Applikation auch bei z.B. 45 cm Reihenabstand ermöglichen [7]. Dammann (Bild 5) setzt bei der "Reihenspezifischen Düsenpositionierung" (RSD) ebenfalls auf eine Feinsteuerung, allerdings wird hier eine zusätzliche Düsenschiene an einem Parallelogramm unter dem Gestänge montiert. Ein schneller Wechsel zwischen Band- und Flächenapplikation ist so zwar nicht möglich, dafür aber eine individuelle angepasste Düseneinteilung. Zum Schutz vor Beschädigungen der Düsenschiene sowie für eine exakte Höhenführung sind im äußeren Bereich am Gestänge Stützräder montiert [8].

Bild 5: Dammann RSD im Einsatz [8]

Figure 5: Dammann RSD at work [8]

Für alle getrennten Bandspritzsysteme ist die Aussaat mit Spurführung und exakten Anschlussfahrten zwingende Vorrausetzung. Abweichungen bei der Aussaat führen sonst zwangsläufig zum Versatz von Pflanzenreihe und Spritzband. Beim RSD-System ist eine Anpassung auf die Drillbreite prinzipiell möglich. Dann wird aber für jede Drillbreite eine eigene Kamera benötigt, die die Feinsteuerung übernimmt [8]. Unter guten Bedingungen sind auch mit dem getrennten Verfahren Herbizideinsparungen zwischen 50 und 70% möglich. Mit zunehmender Arbeitsbreite der Flächenspritzgeräte steigen die Anforderungen an eine möglichst präzise Gestängeführung.

Spot-Spraying

Eine weitere Möglichkeit zur Einsparung von PSM ist die Spot-Applikation. Hierbei geht es darum, möglichst kleine Teilflächen (Spots) gezielt zu behandeln, wobei der Großteil der Fläche unbehandelt bleibt. Die Spot-Applikation ist nicht mit der oben bereits genannten teilflächenspezifischen Behandlung mittels Direkteinspeisung zu verwechseln. Anders als bei der Direkteinspeisung wird hier lediglich mit einer fertigen Tankmischung gefahren, die nach Bedarf ausgebracht wird. Eine selektive Zumischung einzelner Pflanzenschutzmittel im Sinne der Direkteinspeisung ist bei den Spotgrößen derzeit technisch nicht umsetzbar.

Unter dem Begriff Spot-Applikation werden sowohl Systeme mit angepassten konventionellen Feldspritzgeräten, die Unkrautnester als Gesamtheit behandeln, als auch Spezialgeräte und Roboter, die eine Einzelpflanzenbehandlung in wesentlich kleineren Spots durchführen, zusammengefasst. Beide Ansätze werden im Folgenden näher erläutert.

Spots

Die Spotapplikation mit angepassten Feldspritzgeräten erfolgt durch Einzeldüsenschaltung, wobei die Düsen entweder durch eine Kamera mit Bildauswertung oder durch angepasste Applikationskarten direkt angesteuert werden. Den Applikationskarten geht dabei eine Befliegung der zu behandelnden Flächen mit einer Drohne voraus, wobei eine präzise GPS-Ortung sowohl der Drohne, als auch der Pflanzenschutzspritze notwendig ist. Anschließend werden die Drohnenbilder an einem separaten Rechner "offline" zu Applikationsdaten verarbeitet und an die Pflanzenschutzspritze gesendet.

Sind auf der Pflanzenschutzspritze direkt Kameras mit Bildauswertung verbaut, so kann quasi in Echtzeit "online" ein Applikationsbefehl an die Düsen gegeben werden. Hierbei wird zwischen der "green-on-brown" und "green-on-green"- Erkennung unterschieden, wobei "green-on-brown" vornehmlich zur Unkrautregulierung im Vorauflauf bzw. bei Direktsaat vor der Aussaat eingesetzt werden kann. Es wird lediglich geschaut, ob eine grüne Pflanze wächst und diese ggf. behandelt.

Bei "green-on-green" hingegen werden die aufgenommenen Bilder von "künstlicher Intelligenz" ausgewertet und zwischen unterschiedlichen Pflanzen eine Differenzierung vorgenommen, welche Pflanzen behandelt werden sollen und welche nicht. Neben Amazone (Bild 6) und Dammann mit dem Smartsprayer sowie Agrifac mit AiCPlus bringt nun auch John Deere mit See & Spray seine Spotapplikation mit "green-on-green"-Erkennung auf den europäischen Markt [9]. Je nach Unkrautbesatz sind mit diesem System sehr hohe PSM-Einsparungen möglich. Es wird lediglich dort eine Herbizidmaßnahme durchgeführt, wo Unkraut wächst, ohne dass die gesamte Fläche eine (mechanische) Unkrautbekämpfung erfährt.

Bild 6: Applikationsbild Amazone UX Smartsprayer [10]

Figure 6: application of Amazone UX SmartSprayer [10]

Einzelpflanzenbehandlung

Die Einzelpflanzenbehandlung ist eine Art der Spotapplikation zur Unkrautbekämpfung, bei der die Zielpflanze nicht das Unkraut, sondern die Nutzpflanze darstellt. Zur Anwendung kann sie in den klassischen Hackfrüchten kommen. Ziel ist dabei eine überwiegend mechanische Unkrautbekämpfung sowohl zwischen den Reihen, als auch in der Reihe selbst, wobei der Pflanzenhof als Schutzzone nicht bearbeitet werden kann. Um diesen Bereich ebenfalls unkrautfrei zu halten, wird die Nutzpflanze und ihr Schutzbereich punktuell mit Herbizid behandelt. Vorrausetzung für eine präzise Applikation ist entweder eine sichere Detektion der Pflanzen in Echtzeit oder, wie in aktuellen Forschungsprojekten [11; 12], eine vorhergehende georeferenzierte Aussaat notwendig. Des Weiteren muss das Spritzgestänge in einem gleichmäßigen Abstand und möglichst schwingungsfrei geführt werden, damit die Pflanzen bei Spotgrößen von ca. 10x10 cm exakt getroffen werden. Hierfür sind autonome Kleinroboter prädestiniert, da sie auch bei kleinen Arbeitsbreiten ohne Bindung von Arbeitskräften ermüdungsfrei arbeiten können. Je nach Kulturart und Anbauverfahren kann damit die Herbizidaufwandmenge um 85% bis 95% reduziert werden.

Eine gesonderte Betrachtung erhalten in diesem Zusammenhang hochpräzise Applikationsgeräte mit optischer Bildverarbeitung über neuronale Netze (Künstliche Intelligenz) und einem engen Düsenabstand. Die vorwiegend für die Ampferbekämpfung im Grünland konzipierten Geräte mit Düsenabständen von 10 cm und weniger führen nach der Detektion eine möglichst kleinflächige und damit effiziente Behandlung durch (Bild 7). Auf einer Arbeitsbreite von 6 bis 8,8 m sind dafür 3 bis 6 Kameras verbaut, die die bis zu 156 Düsen punktgenau und einzeln ansteuern können. Eine Erkennung der Unkräuter und Unterscheidung der Nutzpflanze ist dabei im grünen Bestand "green-on-green" möglich [13 - 15].

Bild 7: Rumex Ampferspritzgerät [14]

Figure 7: Rumex Amphora sprayer [14]

Ecorobotix setzt sein System Ara dabei auch in unterschiedlichen Feldkulturen wie z.B. Zuckerrübe, Mais und Raps, aber auch Salat und Zwiebeln ein. Bei einer minimalen Spotgröße von 6x6 cm und der Wahlmöglichkeit, ob die Kulturpflanze oder das Unkraut besprüht werden soll, stellt dieses System eine Mischung der beiden oben betrachteten Spotdefinitionen dar. Sowohl eine Einzelpflanzenbehandlung, wie auch eine flächigere Spotbehandlung ist je nach Unkrautbesatz möglich [15].

Verdant Robotics ist dabei, ein Pflanzenschutzgerät zu entwickeln und zu testen, welches ebenfalls mittels optischer Bildverarbeitung und KI den Bewuchs in unterschiedlichen Wachstumsphasen unterscheiden kann. Dabei werden die Position und der Wachstumsfortschritt jeder einzelnen Kulturpflanze über die Bearbeitungsdurchgänge aufgezeichnet. Zusätzlich wird ein digitaler Zwilling jeder Pflanze erstellt. Während der Überfahrt unterscheidet das Gerät zwischen Kulturpflanze und Unkraut. Das Unkraut erhält daraufhin einen gezielten Spritzstrahl an Herbizid, die Kulturpflanze dagegen bei Bedarf eine kleine Portion Dünger [16].

Optimierte Pflanzenbausysteme, Digitalisierung und autonome Robotik

Die Digitalisierung der Landwirtschaft macht auch vor dem Pflanzenschutz nicht halt. Elektronisch gesteuerte Prozessabläufe wie z.B. die automatische Innenreinigung, bei denen mehrere Ventile nacheinander angesteuert werden, sind schon seit einigen Jahren ein fester Bestandteil im Sortiment der Hersteller. Weitere Entwicklungen im Bereich Digitalisierung und Robotik sollen es in Zukunft möglich machen, Pflanzenbestände selektiv bis runter zur Einzelpflanze zu behandeln und/oder zu düngen. Neben einer georeferenzierten Gleichstandsaat als Grundlage für die Möglichkeit einen Schlag in unterschiedliche Spots zu teilen und dementsprechend spezifisch zu bewirtschaften [17], sind aber auch die weiteren Entwicklungen im Bereich der Agrarroboter ein treibender Faktor.

Im Bereich der autonomen Robotik für den Pflanzenschutz sind in den letzten Jahren verschiedene Projekte und Konzepte entwickelt worden. Eine Übersicht wurde an dieser Stelle im letztjährigen Jahrbuch Agrartechnik erstellt. Gegenüber dieser Darstellung sind keine wesentlichen Neuerungen bekannt geworden.

Zusammenfassung

Dem Anwender moderner Pflanzenschutztechnik stehen heutzutage vielfältige Systeme zur Verfügung, um mit einem geringen Mindestmaß an Pflanzenschutzmittel ein Maximum an Wirkung zu erzielen. Dieses Ziel wird entweder durch den Einsatz umfangreicher Sensorik und Bildauswertung erreicht, durch eine Kombination mechanischer und chemischer Unkrautbekämpfung, oder aber durch einfaches Verstellen von Spritzwinkeln und Düsenabschaltung. Dabei überschneiden sich einige Systeme in ihrem Grundgedanken, unterscheiden sich aber in ihrer Ausführung grundlegend. Beispiel hierfür ist die teilflächenspezifische Zumischung einzelner PSM zu einer Grundmischung im Kontrast zur Spotapplikation. Andere Systeme hingegen bauen gewissermaßen aufeinander auf wie die Einzelpflanzenbehandlung auf der Band­applikation.

Literatur

[1]     Hörsten v., D.; Pohl, JP.; Wegener, J.K.: Laboruntersuchungen zur Längsverteilung beim Einsatz der Pulsweitenmodulation. DOI: https://doi.org/10.1007/s10343-019-00448-8. In: Gesunde Pflanzen 71, Suppl 1, 2019.

[2]     Raven (2015): Sidekick Pro™ Funktionsschema. http://ravenprecision.com/products/application-controls/side-kick-sidekick-pro/, Zugriff am 4.6.2015.

[3]     Wegener, J. K.; Krebs, M.; Rautmann, D.; Nordmeyer, H.: Teilflächenspezifische Applikation von Pflanzenschutzmitteln – Stand der Technik und aktuelle Herausforderungen. In: Tagungsband der Tagung Land.Technik für Profis 2016: Pflanzenschutz. Frankfurt am Main, S. 33-46. URL: https://www.researchgate.net/publication/295076334_Teilflachenspezifische_Applikation_von_Pflanzenschutzmitteln_-_Stand_der_Technik_und_aktuelle_Herausforderungen_Site_specific_application_of_pesticides_-_state_of_the_art_and_actual_challenges, Zugriff am 09.02.2023.

[4]    Bröring, J.; Hörsten v., D (2019): Düsenkombinationen und -anordnungen für den Einsatz mit einer Fahrgassenabschaltung bei Feldspritzgeräten. DOI: https://doi.org/10.1007/s10343-019-00449-7. In: Gesunde Pflanzen 71, Suppl 1, 2019.

[5]     N.N.: Hacktechnik. Amazonen-Werke H. Dreyer SE & Co. KG, URL: https://amazone.net/de/produkte-digitale-loesungen/landtechnik/pflanzenschutztechnik/hacktechnik, Zugriff am: 01.12.2022.

[6]     N.N.: AmaSelect Row. Amazonen-Werke H. Dreyer SE & Co. KG, URL: https://amazone.net/de/produkte-digitale-loesungen/digitale-loesung/amazone-4-0/uebersicht-amazone-4-0/intelligente-maschinentechnik-von-amazone/beispiele-aus-der-pflanzenschutztechnik/amaselect-row-994248, Zugriff am 01.12.2022.

[7]     N.N.: Bandspritzung mit einer Flächenspritze. Horsch Maschinen GmbH (Hrsg.), 2021, URL: https://terra.horsch.com/ausgabe-22-2021/aktuelles/bandspritzung-mit-einer-flaechenspritze, Zugriff am 01.12.2022.

[8]     N.N.: RSD - Reihenspezifische Düsenpositionierung. Herbert Dammann GmbH, URL: https://www.dammann-technik.de/blog/rsd/, Zugriff am 01.12.2022.

[9]     N.N.: See & Spary kommt nach Europa. Deere & Company, URL: https://www.deere.de/de/unser-unternehmen/news-und-medien/pressemeldungen/2022/november/See%26SprayTM-kommt-nach-europa%20.html, Zugriff am 01.12.2022.

[10]   N.N.: AMAZONE UX SmartSprayer. Amazonen-Werke H. Dreyer SE & Co. KG, URL: https://amazone.net/de/unsere-sima-neuheiten-2022/neuheiten-details/amazone-ux-smartsprayer-975158, Zugriff am 01.12.2022.

[11]   N.N.: Unkrautbekämpfung auf den Punkt gebracht. Amazonen-Werke H. Dreyer SE & Co. KG, URL: https://amazone.de/de-de/service-support/fuer-medien/pressemeldungen/aktuell/unkrautbekaempfung-auf-den-punkt-gebracht-968506, Zugriff am 01.12.2022.

[12]   N.N.: BMEL fördert JKI-Verbundprojekt OptiKult über Kombination von mechanischer und chemischer Unkrautbekämpfung. Julius Kühn-Institut, URL: https://www.julius-kuehn.de/aktuelles/aktuell/news/bmel-foerdert-jki-verbundprojekt-optikult-ueber-kombination-von-mechanischer-und-chemischer-unkrautbek/, Zugriff am 01.12.2022.

[13]   N.N.: Allgäu Automation RumboJet 880. Allgäu Automation GmbH, URL: https://allgaeuautomation.de/, Zugriff am 01.12.2022.

[14]   N.N.: Unser System. Rumex GmbH, URL: https://www.rumex-gmbh.de/index.html#features, Zugriff am 01.12.2022.

[15]   N.N.: ARA: Die intelligenteste Feldspritze auf dem Markt. ecoRobotix SA, URL: https://
ecorobotix.com/de/ara/, Zugriff am 01.12.2022.

[16]   N.N.: Agriculture´s most flexible farm tool. Verdant Robotics, URL: https://www.verdantrobotics.com/technology, Zugriff am 01.12.2022.

[17]   Kottmann, L.; Hegewald, H.; Feike, T.; Lehnert, H.; Keilwagen, J.; Hörsten v., D; Greef, J. M.; Wegener, J. K.: Standraumoptimierung im Getreideanbau durch Gleichstandsaat. DOI: 10.5073/JfK.2019.04.03 Journal für Kulturpflanzen. 71 Nr. 4 (2019), S. 90-94.

Autorendaten

Daniel Herrmann (M. Sc.), Jan-Uwe Niemann (M. Sc.), Jan Philip Pohl und Magnus Tomforde (M. Sc.) sind wissenschaftliche Mitarbeiter am Institut für Anwendungstechnik im Pflanzschutz des Julius Kühn-Instituts am Standort Braunschweig.

Prof. Dr. Jens Karl Wegener ist Leiter des Instituts für Anwendungstechnik im Pflanzenschutz des Julius Kühn-Instituts am Standort Braunschweig.