Praktijkervaring rond elektrificatie

Deze gids bundelt de praktijkervaring die opgebouwd werd tijdens het CIMAT project omtrent elektrificatie voor autonome agro-voertuigen.

Prototype 1

Ontwerp Octinion

Gewicht: 500 kg
Aandrijfmotoren: 4 x 400 W (1.3 Nm) met 1:50 reductie
Stuurmotoren: 440 W (1.4 Nm) met 1:36 reductie
U-vormig start frame om implements tussen de machine te kunnen hangen. Dit komt controle, nauwkeurigheid en stabiliteit ten goede.

Foto: het eerste prototype dat in het CIMAT project gebruikt werd

Met dit eerste prototype werden testen uitgevoerd in semi-praktijkomgeving en daarbij kwamen direct verschillende problemen aan het licht. Het aandrijfkoppel van 65 Nm per wiel was onvoldoende, zelfs voor voortbeweging zonder extra gewicht of trekkracht van een implement. Bij een overschrijding van het maximum koppel gedurende een korte tijd gingen de motorendrives in veiligheid. Dit probleem trad al op bij het rijden op de aanhangwagen (piekbelasting) maar ook tijdens het rijden op een effen ondergrond zoals een vrij effen grasland of akkerland. De enige oplossing was een volledige reset van de drives. Deze manuele handeling vergde heel wat tijd omdat het volledige systeem gereboot moest worden.

Vermoedelijk werd de rolweerstand onvoldoende groot ingeschat bij de dimensionering van de aandrijfmotoren en de reductoren. Doordat het frame volledig star opgebouwd werd waardoor de elektrische aandrijving per wiel zo piekkoppels ontvangt bij het rijden over een onefen oppervlak. Ook bleken de stuurmotoren sterk onder gedimensioneerd (50 Nm koppel per motor), waardoor het platform zelfs op een gladde ondergrond problemen had om de wielen te draaien. Naast het wegvallen van de functionaliteit werkten hierdoor ongewone krachten in op het platform (bv. het ene wiel dat in verkeerde hoek staat werkt de andere tegen). Het U-vormig frame zorgt ervoor dat er niet tussen de wielen gewerkt kan worden, en vele bestaande werktuigen niet gekoppeld kunnen worden.

Lessons learned:

Zorg voor een voldoende grote dimensionering van zowel de aandrijf- als de stuurmotoren bij het ontwerp van de robot.

Prototype 2

Voor het tweede prototype werd een volledig nieuw ontwerp uitgewerkt:

Gewicht: 1500 kg
Aandrijfmotoren: 4 x 5500 W (17.5 Nm) met 1:40 reductie
Stuurmotoren: 400 W
Batterij capaciteit: 4 x 5 kWh

Foto: het volledig nieuwe prototype werd door de CIMAT partners ontworpen, met input van de landbouwers en enkele machinebouwers in een co-creatief traject

Vormgeving

De vormgeving van het nieuwe prototype werd gebaseerd op het frame van een werktuigendrager.

Foto: enkele types werktuigendrager die als inspiratie dienden voor de vormgeving van het nieuwe prototype.

Enkele belangrijke eigenschappen werden bepaald op basis van de vragen van de eindgebruikers:

Instelbare spoorbreedte: 1.2 m tot 1.8 m
Bodemvrijheid: 0.5 m
Lengte: 1.5 m ongeveer
3 driepuntshefinrichtingen
Wieldiameter van 0.7 m
Vierwielaandrijving met wielhubmotoren
Vierwielsturing met lineaire actuatoren

Al snel werden eerste schetsen gemaakt waarbij ook meteen een eerste inschatting van de benodigde elektronica voorzien werd: de voorkant van de robot werd ook pendelend opgehangen, zodat de wielen contact blijven houden met de ondergrond op oneffen ondergrond. Dit komt de tractie en de nauwkeurigheid ten goede en zal het voorkomen van piekkoppels reduceren.

Een volgende stap in het ontwerp betrof de selectie van elektrische componenten. Dimensionering van de componenten is uitdagend omdat de parameters moeilijk in te schatten zijn.

Voor de aandrijfmotor werd een type van Heinzmann geselecteerd:

En voor de stuurmotor kozen we voor een LINAK LA36 160 B (24V) gear G:

Tijdens de concreatiesessies met potentiële eingebruikers werd voornamelijk op onkruidbeheersing gefocust. Mede om die reden werd ook geen PTO (power take off) voorzien. Ook omdat PTO voor een 48V circuit te laag in vermogen zou zijn.

Omdat we ook standaard machines aan de robot willen kunnen koppelen, moeten er standaard hefinrichtingen voorzien worden. We kozen voor drie driepuntshefinrichtingen van categorie I, die vooraan, achteraan in in het midden van het prototype geplaatst werden. Om de heffen te bedienen werd een hydraulische eenheid toegevoegd die met een aparte 24V loodzuur batterij gevoed werd en via de robot PLC elektro-mechanisch bediend werd.

Lessons learned:

Tractiekoppel ruim voldoende, zelfs voor aanaardtoepassingen
Stuurmotoren goed gedimensioneerd
Batterijen trokken ongelijk leeg, ondanks 4x4 aandrijving. Dit leidt tot onderbenutting van de aanwezige capaciteit
Loodzuurbatterij voor de hydraulica trekt te snel leeg
4 Lithium-ion batterijen en 1 loodzuurbatterij apart opladen is veel werk.
Door de horizontale ligger als tussenframe is er onvoldoende ruimte voor implements in de middelste hefinrichting
Categori I hefinrichting is onvoldoende qua hefvermogen. Voor veel implements is Categorie II nodig
Dwars rijden om implements in middelste hefinrichting te koppelen zeer handig (software was in deze fase wel nog niet voorzien)

Finaal prototype

Voor het finale prototype werden vooral de pijnpunten van het tweede prototype aangepakt:

De centrale middenkoker werd opgehoogd.
De centrale driepuntshefinrichting werd verzwaard naar een categorie II hefinrichting.
De hydraulische unit werd vervangen door een snelheidgeregelde en efficiëntere pompmotor, gekoppeld aan het bestaande accupakket van 48V.
Het koppelen van de verschillende batterijen op een vermogensbus en het voorzien van mogelijkheid tot capaciteitsuitbreiding wat ook de autonomie van het platform ten goede komt.
Aanpassingen aan de software, bijvoorbeeld om ook te sturen tijdens het dwarsrijden voor eenvoudigere koppeling van implements.
Ook de user interface voor instellingen van de robot en real time parameters te visualiseren en aan te passen tijdens het rijden werd uitgewerkt en geïmplementeerd.

Via de onderstaande interactieve tekening kan je meer technische details vinden over verschillende onderdelen van het prototype. Klik een onderdeel aan op de tekening voor technische details.

In dit deel beschrijven we onze ervaringen bij de veldtesten, de validatieproeven en de feedback van de telers.

Chronologische opeenvolging van veldtesten:

Veldtesten

Datum: 20/06/2021 Doel: Testen van de drive train (sturing en aandrijving) Testen van elektronische integratie Testresultaten/bemerkingen: Fijnregelen, bijwerken elektronica en programmatie
Datum: 22/06/2021 Doel: Testen ophanging Testen sturen op afstandsbediening Testen van elektronische integratie Testen stuurkinematica Testresultaten/bemerkingen: Goed grondcontact door ophaning Sturing nog niet voldoende intuïtief
Datum: 07/07/2021 Doel: Testen ophanging Testen sturen op afstandsbediening Testen van elektronische integratie Testen stuurkinematica Testresultaten/bemerkingen: Wielbussen verlengen voor betere sturing
Datum: 05/08/2021 Doel: Nagaan van de sterkte van het robotframe bij het trekken van de schoffelmachine Nagaan van het dynamisch gedrag en de responsiviteit van de sturing bij een schoffelbewerking Testresultaten/bemerkingen: Ophanging achteraan niet goed, achterste bakken staan los Speling op middelste hefinrichting Tractie en sturing zijn goed
Datum: 23/09/2021 Doel: Testen communicatie penetrometer Testresultaten/bemerkingen: Aanpassingen gedaan voor demonstratie meetschema
Datum: 03/11/2021 Doel: Testen hydraulica schoffelmachine prototype v2 Testresultaten/bemerkingen: Aanpassingen aansturing hydrauliek vereist Versteviging hefinrichting

Validatieproeven

Datum: 30/06/2022 Locatie en teelt: Londerzeel- witloof Doel: Robot in gebruik gesteld op proefveld witloof van Praktijkpunt Lnadbouw in Herent en demonstratie tijdens Openvelddag op 29 juni Daag nadien volgde een eerste echte test op praktijkperceel witloof van Versaloff te Londerzeel Testen robot en hydraulica schoffelmachine prototype v2 in praktijkomstandigheden: schoffelmessen in middenhef, teler had al afgeaard. Testresultaten/bemerkingen: Test goed verlopen Ervaring van witloofteler Ward Sarens: "Met 4 tot 5 personen worden in de loop van het seizoen al onze witloofpercelen manueel gecorrigeerd op onkruid. Versalof teelt nu 70 hectare witloof. Door de overname van een biowitloofbedrijf zal de manuele arbeid nog sterk toenemen. Daar willen we met aangepaste mechanisatie op anticiperen. We investeerden in een cameragestuurde schoffel van het merk Steketee. De werkbreedte ervan hielden we gelijk met de zaaibreedte (3m). Bedoeling is immers om héél precies te kunnen schoffelen, ook bovenop de rug. Dat gaan we niet in het gangbare witloof proberen, wel in het biowitloof. Lukt ons dat met kleine schoffelmesjes links en rechts van de dubbele rij witloof bovenop de rug, dan is dat een flinke besparing op arbeid. We denken dat het bovenop de rug 1 à 2 keer kan alvorens het witloof te groot is – een eerste keer wanneer het witloof 4 à 5 blaadjes heeft." "Een robot die dat zou kunnen, kan voor ons interessant zijn. Onze percelen zijn gemiddeld 7 à 8 hectare groot en zijn verspreid gelegen, van regio Huldenberg tot in Wallonië (Mons en Ecausinnes). Stel dat je schoffelt met robot in plaats van tractor, dan moet je je tijd ter plekke nuttig invullen. Dat kan, want manueel hakken zal nodig blijven tegen het onkruid dat groeit tussen de dubbele rij witloof. Het gegeven dat de percelen van een witloofteler verspreid gelegen zijn, maakt het voor de robot wel lastiger concurreren tegen een tractor. Je moet als teler nog altijd mee met de robot naar het veld, dus zal die robot meer moeten kunnen." "Stel dat de robot 100.000 euro moet kosten. Dan is onze verwachting dat hij alle manuele arbeid doet wegvallen. Op de rug en tussen de rijen kunnen schoffelen – misschien zelfs tussen de planten in de rij onkruid aanpakken – is noodzakelijk. Al wat minder verregaand is, daar hopen we zelf volgend seizoen in te lukken met een cameragestuurde schoffel. Die kostte 38.000 euro, de investeringssteun (50% op 33.000 euro) buiten beschouwing gelaten. We hebben er goede hoop op dat het met die machine gaat lukken om op de witloofruggen te schoffelen met mini-mesjes. De bioteler van wie we het bedrijf overnemen, deed dat al met een ander sturingssysteem. Problemen met het oplichten of losduwen van de witloofplantjes ervaarde hij niet." QGis is niet eenvoudig, alsook de link met filezilla Suggestie voor aanpassingen in software: Iets langer maken van de lijnen zou met knop moeten kunnen, nu moet gans het traject hertekend worden. Knop om meer ruimte te geven tussen de ruggen zou nuttig zijn, alsook een shift van alles zoveel cm naar links of rechts.
Datum: 01/07/2022 Locatie en teelt: Opwijk- witloof Doel: Tweede test van de robot op witloofperceel waar gelijktijdig manueel met de hak doorgelopen werd op overblijvende onkruiden te verwijderen Testresultaten/bemerkingen: Test is goed verlopen. GPS-sturing was hier sneller in orde dankzij de eerdere ervaring. Met schoffel in middenhef loopt de robot het meest stabiel, maar dat heeft als nadeel dat de achterwielen de geschoffelde grond opnieuw aanrijden. Juiste formaat van schoffelmessen voor tussen de rug. Combineren met af- en aanaarders zou zowel het gewicht als de vereiste trekkracht wel aanzienlijk verhogen.
Datum: 06/07/2021 Locatie en teelt: Beitem - bio wortelen Doel: Testen robot en hydraulica schoffelmachine prototype v2 in praktijkomstandigheden: schoffelmessen in middenhef Proef in wortelen op een praktijkveld van het proefbedrijf voor biologische landbouw van Inagro Testresultaten/bemerkingen: Motoren en rem op relatief kleine wielen kunnen problemen vormen in ruggenteelt als de teelt wat groter is of als het nat is. Bij langere teelten: langere stelen op schoffelmessen om te vermijden dat de hefbalk schade aan het gewas toebrengt. Groot onkruid wordt meegesleept met de messen - zonder toezicht kan dit een probleem worden. Schoffelen in jonger onkruidstadium aangewezen. Instellen gaat vrij vlot. Verhogen en verlagen van rijsnelheid en hoogte schoffelmessen aanpassen vergt wel nog een PC, wat niet handig is. Na verlengen van de AB lijn met nieuwe knop in de applicatie liep het mis: de robot reed tot aan de geofence en stopte zonder te draaien. Na selectie van een ander veld en een reboot was het probleem verholpen. Tot twee keer toe hadden we het probleem dat de robot bij het keren niet tot in de nieuwe rij raakte en in een soort loop een beetje vooruit en weer achteruit reed. Manueel de robot weer goed zetten en herstarten, loste het probleem op.
Datum: 15/07/2021 Locatie en teelt: Bornem - bio prei Doel: Testen robot en hydraulica schoffelmachine prototype v2 in praktijkomstandigheden: schoffelmessen in middenhef Proef in prei op een praktijkveld van een bioteler in Bornem Testresultaten/bemerkingen: Spoorbreedte was niet optimaal. Veranderen complex. Daardoor kon enkel het autonoom rijden en draaien getest worden en moest in elke werkgang bijgestuurd worden (1 kant op het rijpad en het ander in de losse grond in het midden van de werkgang zorgde voor afwijkingen). Om te schoffelen is het het best om enkel met Ackermannsturing vooraan te werken? Anders te snel uitwijkingen? Voor de aanwezige telers mag het concept iets kleiner en vooral korter om zo wendbaarder te zijn. Enkel werken met vingerwieders en/of torsiewieders is dan voldoende voor onkruidbeheersing in de rij. Het grovere werk (schoffelen tussen de rijen) kan nog steeds vrij efficiënt gebeuren met gewone tractor. Over algemeen positieve ingesteldheid bij telers over het concept en de werking.