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Automatically harvesting cauliflower
Blumenkohl automatisch ernten


Germany
April 28, 2016

Machines that harvest vegetables pick everything at once – even unripe heads when harvesting cauliflower. This is why human helpers often perform this tedious job. In the future, a machine will make selective harvesting possible fully automatically. Fraunhofer researchers are developing this smart harvester together with industry partners.

Der »Spargelpanther«, in einem vorangegangenen Projekt entwickelt, soll künftig auch Blumenkohl und Feldsalat ernten.The “Spargelpanther”, developed in a previous project, will also be harvesting cauliflower and leaf lettuce in the future.

Harvesting cauliflower is a science unto itself because the white heads are hidden beneath numerous leaves. This means that pickers have to pull back the protective leaves head for head to look at the cauliflower and decide whether it is ripe for harvesting. Pickers comb a field approximately four to five times in intervals of two to three days until the very last head of cauliflower has been harvested. This work is strenuous and backbreaking. Another challenge for farmers is their need for numerous pickers at once for a short time when harvest season is pending. Finding enough hands for this hard work is often difficult, though. Machines on the other hand would harvest the entire field at once and, since cauliflower heads ripen at different rates, thus even heads that are still too small or unripe. 

A Smart Harvester

In the future, a machine will harvest cauliflower just as selectively as human workers would. This machine is called VitaPanther. It is being developed by researchers at the Fraunhofer Institute for Factory Operation and Automation IFF and and their colleagues at ai-solution GmbH together with five other partners: Gottfried Wilhelm Leibniz University Hannover, Steig GmbH, Beutelmann Gemüseanbau, König Sondermaschinenbau GmbH and Inokon GmbH. A prototype of VitaPanther will be finished and tested in 2017.

This machine will benefit farmers in several ways: It will harvest cauliflower heads significantly faster than human pickers and could additionally work at night, too. Another plus is that farmers will be able to dispense with troublesome searches for workers. Martin Steig, farmer and CEO of Steig GmbH and and one of the future potential users of the harvester is convinced it is needed. “Farming is the last profession in which the necessary profits can only be made with a large workforce. Automation is essential for us farmers, because the minimum wage is making vegetable harvesting unfeasible. Harvesting is sustained by two components: the availability of a seasonal workforce and the pay. A shift in one of these components jeopardizes the structure. The demand for technology is thus very great.”

A Hyperspectral Camera Detects Ripeness

How can a machine detect the vegetable’s ripeness without seeing its “whiteness”, without weighing it, without knowing its size? These are the questions on which the researchers at the Fraunhofer IFF are working. They are researching and developing the necessary sensor systems along with the software that analyzes and preprocesses the data obtained so that the machine receives clear information on whether to harvest or to wait. “We are taking advantage of an effect we discovered in preliminary tests: The leaves of ripe cauliflower have a different biochemical composition than those covering unripe heads,” explains Prof. Udo Seiffert, Manager of the Biosystems Engineering Expert Group at the Fraunhofer IFF.

Hyperspectral cameras mounted on the harvester scan the heads of cauliflower. Whereas a conventional camera only works with visible light and produces a color picture consisting of red, green and blue tones, a hyperspectral camera scans a defined range of wavelengths beyond human vision and also encompassing infrared and ultraviolet light. Applying a mathematical model, the researchers can determine the biochemical composition of the leaves and thus the ripeness of the cauliflower based on the intensity of the light reflected in the different wavelengths scanned.

The researchers are not analyzing the exact biochemical composition of the leaves, however, because the machine is only supposed to receive a yes-no command to harvest. The mathematical model that decodes the camera images into exactly this command is based on algorithms that originated with machine learning. The researchers are using examples to teach it. They “show” the camera different heads of cauliflower, which are simultaneously being inspected by a human expert. Following such a teaching phase, the system is able to decide autonomously which cauliflower should be harvested or not, even when the heads of cauliflower are unfamiliar.

A Harvester for Different Vegetables

While the researchers from the Fraunhofer IFF are attending to the sensor systems and data analysis, their colleagues from ai-solution GmbH in Wolfsburg are working on the harvester unit that will be harvesting cauliflower heads in the future. They are building upon their asparagus harvester “Spargelpanther” for this. “We also intend to use this this asparagus harvester for other vegetables – cauliflower and head and leaf lettuce. Then, other harvester modules for other vegetables could be added in the future,” says Christian Bornstein, CEO of ai-solution GmbH. “Our goal is to build a module that can be adapted to the existing unit.” Farmers will only have to purchase one “vegetable harvester” in the future.


Blumenkohl automatisch ernten

Wenn Maschinen Gemüse ernten, fahren sie alles auf einen Schlag ein – bei Blumenkohl würden sie auch unreife Köpfe ernten. Daher übernehmen menschliche Helfer diese mühsame Aufgabe. Künftig soll eine Maschine die selektive Ernte vollautomatisch ermöglichen. Fraunhofer-Forscher entwickeln die intelligente Erntemaschine gemeinsam mit Industriepartnern.

Der »Spargelpanther«, in einem vorangegangenen Projekt entwickelt, soll künftig auch Blumenkohl und Feldsalat ernten.Der »Spargelpanther«, in einem vorangegangenen Projekt entwickelt, soll künftig auch Blumenkohl und Feldsalat ernten.

Blumenkohl zu ernten, ist eine Wissenschaft für sich: Denn der weiße Kohlkopf versteckt sich unter mehreren Blättern. Für die Erntehelfer heißt das: Pflanze für Pflanze müssen sie die schützenden Blätter zur Seite biegen, und entscheiden, ob der Kopf reif ist. Im Abstand von zwei bis drei Tagen durchkämmen sie etwa vier bis fünf Mal das Feld, bis auch der letzte Kohlkopf abgeerntet ist. Die Tätigkeit ist mühsam und belastet den Rücken. Eine weitere Herausforderung für die Landwirte: Steht die Erntezeit an, brauchen sie viele Helfer. Oft ist es jedoch schwierig, genügend Hände für die schwere Arbeit zu finden. Maschinen wiederum würden das gesamte Feld auf einmal abernten. Da die Blumenkohlköpfe unterschiedlich schnell reifen, jedoch auch solche, die noch zu klein oder unreif sind.

Intelligenter Erntehelfer

Künftig soll eine Maschine den Blumenkohl ernten – und zwar ebenso selektiv, wie die menschlichen Helfer es tun. Die Maschine trägt den Namen VitaPanther: Sie wird von Forschern am Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF und ihren Kollegen der ai-solution GmbH entwickelt, gemeinsam mit fünf weiteren Partnern: der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover, der Steig GmbH, Beutelmann Gemüseanbau, der König Sondermaschinenbau GmbH und der Inokon GmbH. Ein Protyp von VitaPanther wird 2017 fertig sein und erprobt werden.

Für Landwirte bringt die Maschine mehrere Vorteile: Sie erntet die Kohlköpfe wesentlich schneller als Menschen, zudem könnte sie über Nacht arbeiten. Ein weiteres Plus: Die Landwirte können sich die mühsame Suche nach Helfern sparen. Martin Steig, Landwirt und Geschäftsführer der Steig GmbH und einer der späteren potenziellen Anwender des Erntegeräts, ist von der Notwendigkeit überzeugt: »Die Landwirtschaft ist das letzte Berufsfeld, wo man die nötigen Umsätze nur mit vielen Arbeitskräften erreichen kann. Doch die Automatisierung ist essenziell für uns Landwirte, denn mit dem Mindestlohn ist die Gemüseernte nicht mehr umsetzbar. Die Ernte wird getragen von zwei Komponenten: Der Verfügbarkeit der Saisonarbeitskräfte und der Bezahlung. Kippt eine Komponente, ist die Struktur in Gefahr. Der Bedarf an Technologie ist also sehr hoch.«

Hyperspektrale Kamera erkennt den Reifegrad

Doch wie kann eine Maschine den Reifegrad des Gemüses erkennen, ohne das Weiße zu sehen, ohne ihn zu wiegen, ohne seine Größe zu kennen? Mit dieser Fragestellung beschäftigen sich die Wissenschaftler des IFF. Sie erforschen und entwickeln die nötige Sensorik samt der Software, die die gewonnenen Daten analysiert und so aufbereitet, dass die Maschine einen klaren Hinweis erhält: ernten oder stehenlassen. »Wir nutzen einen Effekt, den wir in Voruntersuchungen entdeckt haben: Die Blätter von einem reifen Blumenkohl setzen sich biochemisch anders zusammen als diejenigen, die die unreifen Köpfe einhüllen«, erklärt Prof. Udo Seiffert, Leiter der Abteilung »Biosystems Engineering« am IFF.

An die Erntemaschine montierte Hyperspektralkameras nehmen die Blätter der Kohlköpfe auf. Doch während eine übliche Kamera nur mit sichtbarem Licht arbeitet und ein Farbbild aus roten, grünen und blauen Anteilen erstellt, misst die Hyperspektralkamera in einem definierten Wellenlängenbereich, der über den Bereich des menschlichen Sehens hinausgeht. Er umfasst auch das infrarote und das ultraviolette Licht. Anhand der Intensität des reflektierten Lichts bei den verschiedenen aufgenommenen Wellenlängen können die Forscher über ein mathematisches Modell auf die biochemische Zusammensetzung der Blätter schließen und damit auf den Reifegrad des Kohls.

Wie sich die Blätter biochemisch genau zusammensetzen, untersuchen die Forscher dagegen nicht. Die Maschine soll ja nur eine entsprechende Ja-Nein-Anweisung für die Ernte erhalten. Das mathematische Modell, das die Aufnahmen der Kamera in eben diese Anweisung übersetzt, basiert auf Algorithmen, die aus dem maschinellen Lernen stammen. Die Forscher trainieren es anhand von Beispielen. Sie zeigen der Kamera verschiedene Blumenkohlköpfe, die gleichzeitig von einem menschlichen Experten begutachtet werden. Nach einer solchen Trainingsphase kann das System dann auch bei unbekannten Kohlköpfen selbstständig entscheiden, welcher Blumenkohl geerntet werden soll.

Eine Erntemaschine für verschiedene Gemüse

Während die Wissenschaftler des Fraunhofer IFF sich um die Sensorik und die Datenanalyse kümmern, widmen sich ihre Kollegen der ai-solution GmbH in Wolfsburg der Ernteeinheit, die die Kohlköpfe später ernten soll. Dafür setzen sie auf ihrem Spargelernter »Spargelpanther« auf. »Diesen Spargelernter wollen wir auch für anderes Gemüse nutzen – für Blumenkohl, Kopf- und Feldsalat. Später könnten dann noch andere Ernteeinheiten für weitere Gemüsesorten dazukommen«, sagt Christian Bornstein, Geschäftsführer der ai-solution GmbH. »Unser Ziel ist es, ein Modul zu bauen, das man an das vorhandene Gerät adaptieren kann.« Der Landwirt bräuchte sich künftig nur einen Gemüseernter anschaffen.



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Website: http://www.fraunhofer.de

Published: April 28, 2016

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