Europese partners ontwikkelen automatische aspergesteker

Asperge steken is een arbeidsintensief klusje. Een aantal Europese bedrijven en kennisinstellingen stak de koppen bij elkaar om een oplossing te bedenken. Het eerste prototype was niet marktwaardig maar inmiddels staat er een tweede versie die sneller, lichter en betrouwbaarder is. Fred Hugen van projectpartner Imix vertelt over het ontwikkeltraject.

Asperges worden wel het ‘witte goud’ genoemd. Een mooi agrarisch product met een goede prijs. Zeker tijdens het seizoen is het een delicatesse in Duitsland, Nederland, België en Frankrijk. Restaurants prijzen het product langs de weg aan met vette letters. Maar het is niet alles goud dat er blinkt. Het oogsten van de asperges is arbeidsintensief en zwaar werk in weer en wind. Voor dit seizoenswerk zijn nauwelijks Nederlandse arbeidskrachten te vinden. Het wordt dan ook vaak door Poolse arbeiders verricht. Momenteel verschuift dit zelfs naar arbeiders uit landen als de Oekraine. Het organiseren, huisvesten en begeleiden van de seizoenswerkers vergt veel tijd en energie van aspergetelers en is een bron van zorg en ergernis.

Al jaren wordt er daarom gezocht naar een oplossing voor het automatiseren van de aspergeoogst. Dit varieert van het zo goed mogelijk imiteren van de menselijke handelingen tot lompe-krachtmethodes waarbij een shovel bijvoorbeeld de aspergedam opgraaft, de asperges eruit worden gezeefd en de grond weer wordt gedeponeerd. Dat leidde echter niet tot bruikbare machines voor telers.

In 2006 is onder leiding van de Duitse machinebouwer Strauss en ingenieursbureau Centiv een initiatief gestart om een betere automatische oogstmachine te ontwikkelen. Strauss is gespecialiseerd in sorteermachines en verpakkingslijnen voor asperges. Deze markt is zeker in Europa bijna verzadigd en meer een vervangingsmarkt aan het worden. Vandaar dat het bedrijf zich ook wilde richten op een nieuwe, aanpalende markt: die van het oogsten.

Autonoom

Vanaf begin af aan was duidelijk dat een machine ontwikkelen voor het precisiekarwei om asperges te oogsten uit een zanderige akker in de buitenlucht geen sinecure zou zijn. Om de juiste expertise en financiering voor het project te vinden, is een Europees FP7-project opgestart. De aard van de gekozen projectvorm is dat kennisinstellingen het R&D-werk doen in opdracht van het mkb.

Voor technische expertise op het gebied van mechatronica is de universiteit van Bremen gevraagd. Daar heeft de afdeling Bremen Centrum für Mechatronik (BCM) veel ervaring met de ontwikkeling van mechatronische systemen en camerasystemen voor automatisering. Het Spaanse PFYSE bracht de expertise in voor de realtime aansturing van de gehele machine onder Windows CE.

Ondanks dat Strauss zelf camerasystemen ontwikkelt voor het sorteren van asperges, was van meet af aan duidelijk dat het herkennen van de asperges in de grond een andere expertise vergt. Daarvoor is contact gezocht met het Apeldoornse Imix Vision Support Systems, dat veel ervaring en kennis heeft met camerasystemen voor zowel agro en food als buitenluchttoepasingen. Om domeinkennis in te brengen, zijn ook drie aspergetelers aan het projectteam toegevoegd.

In 2007 startte het project onder de naam Autospar. Uitgangspunt was het oogsten van 95 procent van de asperges met een capaciteit van zes asperges per minuut. De machine zou grotendeels autonoom kunnen werken zodat één medewerker een aantal machines op het veld tegelijkertijd kan beheren. De apparaten zouden idealiter elektromechanisch worden aangedreven. En uiteraard hadden de partijen in het achterhoofd dat de uiteindelijk fabricagekosten van de machine binnen redelijke grenzen moesten blijven.

Frettchen

Het project had drie ontwikkellijnen: het voertuig dat over de akker rijdt en alle apparatuur bevat, het oogstmechaniek en de herkenning van de asperges. Strauss heeft het voertuig ontwikkeld op basis van zijn bestaande Spargel Spinner-machine die voor aspergestekers automatisch het folie op het veld optilt en teruglegt. Om alle apparatuur te kunnen dragen, heeft het bedrijf het frame versterkt. Ook zijn krachtige motoren ingepast. De andere twee lijnen hadden wat meer voeten in de aarde.

Door de jaren heen zijn er diverse werktuigen voor de ondersteuning van de handmatige oogst ontworpen. Meestal gebruiken arbeiders een soort breekijzer dat schuin naast de asperge wordt gestoken. Op een diepte van een centimeter of twintig snijden ze de asperge door met de onderzijde van dit werktuig. Daarna duwen ze op het uiteinde waardoor de asperge iets omhoog wordt gedrukt en ze hem voorzichtig met de hand uit de grond kunnen trekken. Het goed steken van het werktuig gaat vaak op basis van intuïtie en gevoel, is moeilijk te reproduceren en dus ook moeilijk te automatiseren.

Gereedschap dat zich beter leende voor de oogstmachine, is het frettchen. Dat is een staaf met aan de onderzijde een krom draaibaar mes dat je vlak naast de asperge verticaal in de grond steekt. Twintig centimeter onder de grond wordt het mes gedraaid en de asperge afgesneden. Daarna draait het mes half terug zodat het snijvlak zich onder de asperge bevindt. Door de buis uit de grond te trekken wordt de asperge met wat grond geoogst.

Voor arbeiders is het nadeel van het frettchen dat het erg veel kracht vergt, zowel voor het duwen van de buis in de grond als voor het roteren van het mes. Voor een machine is dat uiteraard minder een probleem. Centiv en BCM hebben een aangepaste versie van het frettchen gebouwd en handmatig getest op diverse velden van de deelnemende telers. Er zijn de nodige verschillen in grondsoort, zoals de dichtheid en korrelgrootte maar ook de mate waarin keien en grind voorkomen. De tests waren dermate positief dat het frettchen-principe is genomen als uitgangspunt voor het oogsten.

Ledstrip

Om een asperge te kunnen oogsten, is het niet alleen noodzakelijk om de asperge te herkennen maar dient ook de positie op vijf millimeter nauwkeurig te worden bepaald. Omdat de dam en de rijgoot van de akker niet gelijkmatig zijn, is dit een complex 3D-probleem. BCM heeft een aantal 3D-technieken getest, waaronder stereometrie en lasertriangulatie. In samenspraak met Imix kwam stereometrie als beste uit de bus. Een belangrijke reden om hiervoor te kiezen, was de kostprijs voor de hardware (camera, optiek en belichting).

De donkere bodem heeft als vervelende eigenschap dat het relatief veel licht absorbeert. Je hebt dus een lichtbron nodig met een hoge opbrengst en een goede diffuse uitstraling. Het meest voor de hand liggende alternatief is de tl-buis. Die heeft echter als nadelen dat de levensduur beperkt is en dat hij niet gemakkelijk kan schakelen. Bij een vermogen van 900 W zou de tl de accu’s te snel leegtrekken. Leds hebben deze nadelen niet, maar toentertijd waren er nog weinig low-cost power-leds op de markt die een goede diffuse belichting konden leveren. Voor dit project ontwikkelde Imix daarom een lichtbak met ledstrips die een flits genereert waarbij de leds gedurende vijf milliseconden met tien keer de toegestane continue stroom worden aangestuurd.

Klauw

Om de asperge op een willekeurige plek uit de dam te kunnen halen, hebben de partners het oogstmechanisme gemonteerd op een xyz-systeem. Zo kunnen ze het naar de juiste xy-positie manoeuvreren en vervolgens in de grond duwen. Uit tests bleek dat asperges meestal kaarsrecht omhoog groeien. Om recht naar beneden te kunnen steken, moest het dus mogelijk zijn om de xyz-aandrijving automatisch waterpas te stellen.

Bij aanvang heeft de projectgroep lang gediscussieerd over de wijze waarop de machine het oogstwerk zou gaan uitvoeren. Op voorhand is het uit oogpunt van capaciteit logisch om de asperges al rijdend te oogsten. Synchronisatie van het mechaniek met de grond (machine beweegt maar het oogstmechaniek beweegt niet ten opzichte van de bodem) leek echter niet realistisch. Slip van de wielen, oneffenheden in de grond en vering van het voertuig zouden een volgfout introduceren die veel groter is dan vijf millimeter. Het mechaniek aansturen door het camerasysteem is een optie maar complex in uitvoering en programmering.

Als alternatief is de keus gemaakt om het voertuig nog anderhalve meter te laten doorrijden zodra het camerasysteem een asperge herkent. Vervolgens beweegt dit systeem over de lengte van de dam en scant. Uit deze beelden worden met stereometrie de 3D-posities van herkende asperges berekend en doorgegeven aan de machinebesturing.

Uiteindelijk worden de asperges een voor een geoogst. Het automatische frettchen tilt echter niet de asperge met grond en al omhoog. Na twee centimeter pakt een klauw de asperge onder de kop vast en trekt hem omhoog. Doordat het mes is teruggedraaid, wordt geen grond meegenomen en blijft de dam intakt.

Rubberen asperges

Na bijna twee jaar ontwikkeling volgde in juni 2009 de eerste veldtests met de gehele machine. Het resulteerde in het succesvol oogsten van een aantal asperges. Daarmee was het werkingsprincipe van het prototype aangetoond maar de lijst met gebreken en aandachtspunten paste niet op een A4’tje. Belangrijkste knelpunten waren een beperkte actieradius vanwege het hoge verbruik, zeer lage capaciteit mede door een te log xyz-systeem en slechte aspergeherkenning door te zwakke belichting. Ook zag de machine ronde kiezels soms aan voor asperges.

Er stond zeker nog geen marktwaardige machine. Vanuit de EU was echter veel waardering voor het eindresultaat en de inspanningen van alle partners. De betrokken project officer suggeerde om een aanvraag voor een demonstratieproject in te dienen. Zo’n project heeft tot doel om een prototype te vervolmaken, demonstraties van de technologie voor eindgebruikers te organiseren alsmede deelname te regelen aan relevante vakbeurzen om de machine te promoten.

Eind 2011 startte het demonstratieproject onder de naam Dash. Deelnemers zijn nu Strauss en BCM voor het redesign van het xyz-systeem, Imix voor de aspergeherkenning, Omron voor de aandrijving en besturing, en Centiv voor het projectmanagement en het oogstmechanisme. Alle verbeterpunten uit het Autospar-project werden opgenomen in een actieplan. BCM ontwikkelde een lichter xyz-systeem op basis van een coulisseprincipe waarbij de motoren niet worden meebewogen. Het gehele systeem is daardoor ook veel sneller. Strauss realiseerde een geheel nieuw voertuig met mechanica en besturingskast met een dieselaggregaat als energiebron. Imix bouwde een nieuwe verlichtingsunit op basis van zes power-leds met een lichtopbrengst van elk 125 W en voorzien van een asferische lens. De herkenningsalgoritmes zijn verbeterd om onderscheid te kunnen maken tussen ronde kiezels en aspergetoppen.

Uiteindelijk was in juni vorig jaar vlak voor het einde van het oogstseizoen het nieuwe prototype gereed voor veldtests. Met af en toe een helpende hand werden binnen dertig minuten de eerste twintig asperges geoogst. Dat was dermate positief dat de partners besloten om het prototype afgelopen november te demonstreren op de ExpoSE in Karlsruhe. Dit is de grootste vakbeurs voor de aarbeien- en aspergeteelt. Toeschouwers konden zelf rubberen asperges onder de machine zetten, waarna die ze oogstte en aflegde. Volgens het vakblad Groenten & Fruit was de Autospar-machine ‘zonder twijfel het opvallendste nieuwtje’.

Komend oogstseizoen gaat de machine snel het veld op voor de laatste tests en zullen naar verwachting ook demonstraties worden gehouden. De projectpartners denken rond 2016 te kunnen beginnen met de productie van een nulserie.

Rooskleurig

In 2011 is tevens een EU-project gestart voor het oogsten van groene asperges, met ongeveer dezelfde opzet en partners als het Autospar-project. Ook hier is het doel om de basistechnologie voor dit oogstprobleem te ontwikkelen. De kostprijs van het manueel oogsten van groene asperges ligt veel lager dan die van witte asperges omdat ze boven de grond groeien.

De doelstelling van dit project is dan ook om de asperges al rijdende te oogsten. Dit stelt eisen aan het mechaniek, dat de asperge snel moet snijden en pakken, maar ook aan de cameraherkenning. Om kosten en gewicht te besparen, heeft dit systeem geen eigen belichting en afscherming tegen zonlicht. De cameraoplossing is wederom gebaseerd op stereometrie en gebruikt twee cmos-camera’s met een zeer hoog dynamisch bereik.

Het is uit de drie projecten gebleken dat de ontwikkeling en de realisatie van complexe machines voor landbouwproducten in de buitenlucht een eigen complexiteit hebben. Het beperkte seizoen waarin reallife tests kunnen worden uitgevoerd, is lastig. Voor Strauss is de periode vlak voor en tijdens het seizoen juist de drukste tijd van het jaar met de uitlevering van machines en het leveren van service. Na het seizoen zijn de mogelijkheden beperkt voor wat betreft praktijktests terwijl het juist elementen zoals buitenlucht, zand, zon en vochtigheidsgraad zijn die zwakheden in de gekozen oplossingen blootleggen.

De keuze om in een multidisciplinair projectteam samen te werken is een goede geweest. Alle displicines hebben door intensief overleg bijgedragen aan goede mechatronische oplossingen. Door een horizon van enkele jaren aan te houden, was er ook de rust om voldoende creativiteit te ontwikkelen, te leren van de uitkomsten van veldtests en de moed te hebben om terug te komen op eerdere besluiten. Al met al is er nu wel zicht op een marktwaardige oogstmachine en ziet de toekomst er rooskleurig uit.

Fred Hugen is salesdirecteur bij Imix Vision Support Systems in Apeldoorn.