Selectief onkruid bestrijden met optische sensoren

Rometron in Steenderen is een wereldspeler op het gebied van precisie-spuittechnologie voor onkruidbestrijding in de landbouw. Hart van deze technologie is een sensor- en regelsysteem dat op basis van gedetecteerd onkruid de spuitdoppen op de tot wel 48 meter lange spuitbomen aanstuurt. Hierdoor wordt alleen op die plekken gespoten waar onkruid aanwezig is. Met inmiddels ruim 2000 operationele installaties levert dat ten opzichte van niet-selectief spuiten een besparing op van jaarlijks 30 miljoen liter aan onverdunde herbiciden.

Chlorofyl of bladgroen, hebben we allemaal geleerd op de middelbare school, is een essentiële schakel in de fotosynthese. Het absorbeert bepaalde delen van het zonlichtspectrum en induceert met die energie een keten van chemische reacties die leiden tot de vorming van glucose. Wat de biologieboeken niet vermelden is dat het chlorofyl van het geabsorbeerde licht een klein deel (circa 2 procent) niet kan gebruiken, en in de vorm van fotonen in het nabij-infrarood spectrum actief ‘ins Blaue hinein’ terugstuurt.

Basis

Dit fenomeen, dat bekend staat als chlorofylfluorescentie, staat aan de basis van het WEED-IT sensor- en regelsysteem van Rometron, waarmee selectief onkruid kan worden bespoten. Door de fotonen in een sensor op te vangen kan je op basis van het sensorsignaal besluiten om niet of wel (en daarbij ook nog weinig of veel) te spuiten. Als er geen levend onkruid aanwezig is (om precies te zijn: geen groene bladeren van het onkruid) zullen er geen fotonen worden gedetecteerd en is het dus niet nodig om te spuiten. Is er wel een sensorsignaal, dan wordt afhankelijk van de intensiteit (veel of groot onkruid bij een hoog signaal) de spuitduur aangepast.

Waarom geen vision?

In de 25-jarige historie van Rometron heeft de focus altijd gelegen op chlorofylfluorescentie en optische detectie. Een alternatieve benadering op basis van vision en beeldherkenning ligt volgens productmanager Albert Bosscha, die tot vorig jaar bij R&D werkte en zich daar vooral met systeemintegratie bezighield, om verschillende redenen niet voor de hand. “Een nadeel van vision is dat je veel dataverwerking nodig hebt om de beelden te analyseren. Daarbij moet je een uitgebreide referentiebibliotheek hebben met verschillende gewassen en onkruiden, en dat ook nog eens voor verschillende groeistadia. Het beeld van onkruid dat net opkomt is bijvoorbeeld heel anders dan onkruid dat er al een tijdje staat. Al met al zit er veel onderhoud en werk aan de ontwikkeling van de algoritmes, die voor ieder gewas, voor ieder soort onkruid weer anders zijn. Dan moet zo’n systeem ook nog eens razendsnel, in de orde van enkele tientallen milliseconden, een beslissing nemen. En mocht dat haalbaar zijn, dan is ook de prijs van de AI-chips die je hierbij nodig hebt nog wel een dingetje…”

Van stoep..

Roel de Jong, oprichter en eigenaar van Rometron, legde de basis voor WEED-IT tijdens zijn PhD-onderzoek aan de Universiteit Wageningen, eind vorige eeuw. Hij ontwikkelde een prototype van een machine die nog het meeste weg had van een uit de kluiten gewassen duwmaaier, waarmee je stoepen en straten van onkruid kunt ontdoen. Dit concept bleek zo kansrijk dat hij in 1999 Rometron oprichtte en het prototype doorontwikkelde tot twee generaties (de MK-I in 1999 en de MK-II in 2006), waarbij een minitractor is uitgerust met een soort van balk waarin de sensoren, regeltechniek en spuitdoppen zijn verwerkt.

..naar steppe

Twee ontwikkelingen maakten dat Rometron niet lang na de introductie van de MK-II de marktfocus verlegde van bestratingen naar de grootschalige landbouw. Ten eerste kwam er in Nederland (en ook andere landen) een verbod op het spuiten van herbiciden in openbare ruimtes, waardoor die markt feitelijk wegviel. Vanuit Australië kwam in diezelfde tijd de vraag naar een oplossing om selectief onkruid te spuiten.

In deze zogeheten dryland farming areas, die je niet alleen daar, maar ook in onder meer Argentinië, de Verenigde Staten, Kazachstan en Canada vindt, is relatief weinig neerslag en vindt minimale grondbewerking plaats (zo wordt er niet geploegd). Na de oogst blijven de uitgestrekte percelen dus braak liggen totdat voor het volgende seizoen wordt ingezaaid. Tijdens de zomerregens grijpt het onkruid echter zijn kans en kan zomaar een tiende van het oppervlak bedekken; uiteraard onregelmatig verdeeld.

Omdat, zeker op die enorme percelen, 100 procent bespuiten veel te duur is (en ook nog eens extra slecht voor het milieu) was er behoefte aan een systeem waarmee selectief en effectief met een aanvaardbare rijsnelheid (tot zo’n 25 km/uur) kan worden gespoten. Bestaande oplossingen voldeden niet, waarop Rometron, met succes, in dat gat is gesprongen. In 2009 werden de eerste spuitsystemen met het WEED-IT Ag sensorsysteem in gebruik genomen. Deze eerste generatie is in 2019 opgevolgd door de WEED-IT Quadro.

Knipperlicht

Het detectiesysteem is zodanig geoptimaliseerd dat het chlorofyl zo goed mogelijk wordt geactiveerd en dat de sensor zo specifiek mogelijk de uitgestraalde fotonen detecteert en geen storende signalen uit andere golflengtegebieden ontvangt. De keuze voor de led’s om het chlorofyl aan te stralen is illustratief voor het innovatieproces van Rometron, dat gelijke tred houdt met ontwikkelingen in de elektronica.

Albert vertelt dat hiervoor aanvankelijk rode led’s werden gebruikt. “Bij het golflengtegebied rond 660 nm zit een forse piek in het absorptiespectrum van chlorofyl A, de meest voorkomende vorm van chlorofyl. Dat levert ten opzichte van andere delen in het absorptiespectrum de meeste fotonen, dus het sterkste sensorsignaal. Het sensorsysteem is voorzien van filters, zodat de optische sensor alleen licht binnen een specifiek golflengtegebied in het nabij-infraroodgebied kan detecteren. Dat signaal wordt vervolgens versterkt voor verdere verwerking in het regelsysteem.”

Sensor en regeling in één

De IP67-beschermde groene behuizing van de Quadro bevat een PCB met daarop vier fotodiodes. De optiek is zodanig uitgevoerd dat elk van de sensoren fotonen ontvangt uit een aangestraald gebied van 25 cm in de breedte, loodrecht op de rijrichting. “Met dat werkgebied van viermaal 25 cm sluiten we naadloos aan bij de opbouw van spuitmachines, die in de regel een dopafstand van 25 cm hebben. Door om de meter zo’n sensorsysteem te monteren kan je de hele spuitboom afdekken, die tot wel 48 meter breed kan zijn. De crux van ons systeem is dat iedere spuitdopklep individueel wordt aangestuurd op basis van de gemeten fotonen door de corresponderende sensor. Dat moet razendsnel gebeuren, want de tractor rijdt gewoon door. Om de tijd tussen meten en het activeren van de spuitklep zo kort mogelijk te houden vindt het regelgedeelte op dezelfde PCB plaatst. Het analoge sensorsignaal wordt hiertoe eerst versterkt, waarna in de microcontroller op basis van een zelf ontwikkeld algoritme aan de geïntegreerde solenoid-besturing een ‘go’ of ‘no go’ wordt gegeven om de corresponderende klep open te zetten om het herbicide te spuiten. Onafhankelijk van de rijsnelheid vindt deze exercitie om de mm plaats”, legt Albert uit.

Pulsbreedtemodulatie

Het sensorsysteem voorziet in een universele regeling, waar je als gebruiker weinig omkijken naar hebt. Je kunt wel via pre-sets aangeven hoe gevoelig het systeem moet werken. Wil je alleen grote onkruiden detecteren (en spuiten) dan kies je voor een lagere gevoeligheid dan wanneer het systeem zelfs het kleinste stukje groen niet links mag laten liggen.

Om onafhankelijk van de rijsnelheid de juiste dosering van het herbicide te kunnen waarborgen wordt voor de individuele regeling van iedere spuitdop gebruik gemaakt van pulsbreedtemodulatie. Rometron hanteert 50 Hz voor de PWM-regeling wat voldoende is voor de gewenste precisie van het doseren bij snelheden tot circa 25 km/uur. De bijbehorende on-off cyclustijden van 20 ms maken het mogelijk om meerdere doseringen op hetzelfde onkruid af te geven. Het individueel kunnen compenseren voor de rijsnelheid is ook van voordeel bij het maken van een bocht, waarbij de buitenste spuitdoppen zich veel sneller over het land bewegen dan de binnenste. Overigens is de druk in de spuitdop constant, wat betekent dat je altijd dezelfde druppelgrootte spuit. Met de regeling zeg je alleen: hij spuit wel of hij spuit niet.

Met moderne PWM-techniek zou ook kunnen worden geopteerd voor 200 Hz. “Voor onze ‘green on brown’-toepassingen is dat niet nodig. We zijn met ons systeem in staat om onkruiden van slechts 1 cm² te detecteren, wat leidt tot bestrijdingseffiencies van wel 99 procent. Bovendien moet je ook rekening houden met de kleppen van de spuitdoppen. Met een verhoging van je regelfrequentie moeten ze ook harder werken, wat eerder tot slijtage en (mechanische) storingen kan leiden”, aldus Albert.

HMI

De engineers van Rometron (onder de kleine 50 medewerkers zijn vijf system integrators, drie hardware- en elf software-engineers) leggen momenteel de laatste hand aan een nieuwe HMI, waarvan de uitlevering voor begin volgend jaar staat gepland. Net als bij het sensorsysteem heeft de hard- en softwareontwikkeling hiervan volledig in eigen beheer plaatsgevonden. “We hebben bij de start van het ontwikkeltraject, een kleine drie jaar geleden, tientallen displays en schermen geëvalueerd. Op dat moment was er echter niets voorhanden dat volledig aan onze eisen voldeed. Inmiddels is met de nieuwe processoren voor grafische verwerking, zoals de NXP i.MX 8, wel de voor ons benodigde verbetering gemaakt in dat aanbod en zouden we met off-the-shelf hardware aan de slag kunnen. Maar dan ben je weer jaren verder voordat de software is aangepast en getest.”

“Met de nieuwe HMI maken we een forse verbeterslag ten opzichte van de LCD, die nu nog in de tractorcabine is te vinden”, vervolgt Albert. “De afstandscontrollerDashQom 10, zoals wij hem noemen, is een kleuren touchscreen met 3D-weergave. Behalve informatie over snelheid, flow, druk en de individuele sensoren, die nu ook al beschikbaar is, kunnen we hiermee de verzamelde informatie koppelen aan locatiegegevens. Die gegevens zijn live beschikbaar, maar kunnen ook in een later stadium voor agronomisch advies worden gebruikt.”

Een ander voordeel van het nieuwe systeem is de mogelijkheid om op afstand te updaten. Dat moet to nu toe nog ter plekke door een servicemonteur worden gedaan. “In de corona-periode was dat een probleem wegens reisbeperkingen. Dat is ook een reden waarom het hele project in een stroomversnelling is gekomen en we niet wilden wachten op de beschikbaarheid van geschikte OTC-hardware.”

Eigen productie

Sinds kort vindt ook de assemblage van de PCB’s intern plaats. Rometron heeft hiertoe geïnvesteerd in een productielijn voor het bestukken en testen van de PCB’s. Dat begint met een stencilmachine voor het aanbrengen van soldeerpasta op de kale printplaat, die nog wel elders wordt geproduceerd. Vervolgens worden de SMD-componenten geplaatst en in een reflow-oven vastgesoldeerd. Na een optische inspectie worden de through-hole componenten geplaatst en gesoldeerd. Dat gaat bij de PCB van het sensorsysteem volledig machinaal.

Behalve de PCB van het sensorsysteem zullen op den duur ook de PCB’s voor de powerconverter, de bedieningseenheid en de nieuwe controller met de HMI op diezelfde lijn worden bestukt. Bij de powerconverter komt daar nog wat handmatig soldeerwerk bij kijken: de specifieke converter-componenten zijn te groot voor machinale verwerking.

Honderden meters kabel

Voor iedere spuitboom is er een centrale powerconverter voor het hele sensor- en regelsysteem. Die is er in drie modulaire varianten: 400, 800 en 1200 W. De 400 W versie kan tot 18 m aan, 800 W is voldoende voor 40 m en voor 48 m moet je naar 1200 W. Deze converter zet de in de landbouw nog gebruikelijke 12 V om naar 48 V, waarmee het hele systeem wordt gevoed. Voordeel van die hogere spanning is dat je kabels met een kleinere diameter kunt gebruiken.

De voedingskabels gaan samen met de bekabeling voor de communicatie en solenoid-besturing naar de afzonderlijke decentrale sensor- en actuatorpunten. In die hoedanigheid fungeert de converter ook als centrale sensorinput. De sensorgegevens stuurt hij samen met data over snelheid, flow en druk naar de centrale bedieningskast in de cabine.

Gegeven de 26-polige connector voor aansluiting van de sensorsystemen kom je bij een ‘kleine’ spuitboom van 18 meter al gemakkelijk tot enkele honderden meters aan bekabeling. Bij 48 meter is het meer dan een kilometer.

Insteek kwaliteitsverbetering

Het besluit om de PCB-productie naar binnen te halen was ingegeven door ervaringen tijdens de corona-periode. Toelevering van componenten was toen zeer problematisch en de kwaliteit van de geassembleerde PCB’s was wisselend. Andere initiatieven om minder afhankelijk te zijn van de grillen van de markt zijn zodanig ontwerpen dat je voor iedere component tenminste twee alternatieven hebt, en daarbij alleen componenten gebruiken die niet te snel obsolete worden.

De kabelproductie was al eerder naar binnen gehaald, sinds 2018. Ook hier was de insteek kwaliteitsverbetering, vertelt Albert. “Als er eens een probleem was met een spuitinstallatie, dan had dat te maken met de bekabeling. Bijvoorbeeld een kabel met twisted pairs en een shield er omheen, die net te ver is ingeknipt, waardoor de shield af en toe contact maakt met een communicatiedraad. Dat zijn hele rare storingen, die je in het veld amper kunt traceren. Bij de ontwikkeling van het Quadro-systeem kwam allerlei nieuwe, complexere bekabeling kijken. Om deze bekabeling zelf te confectioneren hebben we fors geïnvesteerd in training van de productiemedewerkers en high-end machines, waaronder een automatische knip-strip-krimplijn. Op die manier kunnen we tot nog meer betrouwbare en robuuste systemen komen!”