Kurzbeschreibung
Hinter CALAHARI steht eine Vision für ein robotergestütztes, teilautonomes Holzernteverfahren. Die Synthese aus der Anforderungsanalyse für die erfolgreiche Umsetzung in der Forstwirtschaft und der Abschätzung, inwiefern bereits bestehende robotische Lösungen genutzt werden können, besteht in einem Konzept für ein automatisiertes Holzernteverfahren. Besonderes Interesse liegt bei dem vorzulegenden Konzept im sicheren Arbeiten durch funkferngesteuerte Forsttechnik und im schonenden Umgang mit dem Ökosystem in Sachen Bodenverwundung, Lärmbelastung und CO2- Fußabdruck.
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Forschungsgegenstand
Die angestrebte Vision setzt verschiedene Zwischenschritte in den Bereichen Robotik, Sensorik, Verfahrensplanung, Technikfolgenabschätzung, etc. voraus. Ein erster Schritt in Richtung automatisierter forsttechnischer Systeme soll im Rahmen des Vorhabens CALAHARI geleistet werden. Der aktuelle Stand in der Holzernte wird systematisch erfasst und daraus Anforderungen an automatisierte Systeme abgeleitet. Gleichzeitig werden bestehende robotische Lösungen hinsichtlich Lokomotionsapparat, Sensorik und (Teil-)Autonomie, wie auch Teleoperation und Telepräsenzsysteme untersucht. Die Synthese der Ergebnisse stellt dann erste Vorschläge für die weitere Entwicklung eines automatisierten Holzeinschlagssystems dar.
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Projektziel
Die Forstwirtschaft zählt in Deutschland immer noch zu den unfallträchtigsten Sektoren. Das hängt insbesondere mit dem schwierigen Gelände - Blocküberlagerungen, herumliegenden Ästen und Baumstämmen, Sichtbehinderungen, Hangneigungen, unebenem und teilweise stark nachgebendem Untergrund – zusammen. Dazu kommen die immer häufigen auftretenden hohen Temperaturen während der Sommermonate und die außerordentliche körperliche Aktivität der Forstwirte, hinzu, die vermehrt zu Hitzestress und abnehmender Leistungsfähigkeit führen können. Die Bodenverwundung durch Harvester und Forwarder ist bei schlechter Witterung ebenso problematisch, wie die Bodenverdichtung. Die Größe der Erntemaschinen verhindert zudem die flächige Befahrung des Bestandes. Durch die geringere zu erwartende Masse der Roboter nimmt die Bodenverwundung und die Bodenverdichtung ab. Da die Robotersysteme elektrisch betrieben werden können, kann somit der CO2-Ausstoß und Lärm vermieden werden.
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Methodik
Im ersten Arbeitspaket wird die aktuelle Situation in der Forstwirtschaft analysiert und daraus Anforderungen an die mobilen Systeme im Wald wie auch die Kontrollstrukturen und Kommunikationswege erstellt. Mit der Anforderungsdefinition beginnt die erste Entwicklung von Konzepten. Im letzten Arbeitspaket werden die Konzepte mit den Anforderungen abgeglichen und konkrete Einsatzszenarien erarbeitet. Hierdurch wird auch die Grundlage für die tatsächliche Umsetzung eines automatisierten Systems zur Holzernte in einem oder mehreren Folgevorhaben gelegt.
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Erkenntnisgewinn
Die beteiligten Projektpartner wollen die Chancen der Robotik und Digitalisierung nutzen, um eine mehrdimensionale Lösung für den Holzeinschlag zu entwickeln. Die erwarteten zunehmenden biotisch und abiotisch bedingten zufälligen Holznutzungen sollen unter höchsten Ansprüchen des Arbeitsschutzes aufgearbeitet werden. Ebenso sollen naturnah gestaltete Waldbestände mit stehendem und liegendem Totholz, starker Verjüngung, hoher Mischung bezüglich Baumart und Baumalter, gefahrlos beerntet werden. Dieses ist notwendig, um den wachsenden Holzverbrauch in Deutschland mit heimischem Holz zu bedienen und das Ökosystem Wald, wie auch seine CO2-Senkenwirkung, zu erhalten. Der angestrebte Roboter soll nur wenige hundert Kilogramm wiegen und somit bereits bei der Herstellung, aufgrund des geringen Bedarfs an Stahl und anderer Rohstoffe, den CO2-Fußabdruck der Waldbewirtschaftung entlasten.
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Ergebnisse
Als ersten Schritt wurde mittels einer Literaturrecherche der aktuelle Stand in der Holzernte systematisch erfasst und die Randbedingungen für den Einsatz von Robotern in der Forstwirtschaft definiert. Am 26. und 27.04.2023 wurde zu einem Innovationsworkshop ins KWF eingeladen, um weitere Ideen für den Einsatz der Robotertechnik zu evaluieren. Es nahmen 35 Personen, davon 30 externe, aus unterschiedlichen Institutionen teil. Um zusätzlich weitere Ideen für die Anforderungsdefinition von Experten zu erhalten, wurden 15 Interviews durchgeführt. Ziel war es, das bisher wenig erforschte Gebiet im Bereich Robotik in der Holzernte mithilfe der Erfahrungen, Meinungen und Einstellungen der Experten zu analysieren. Auf diese Weise wurde ein Fundament für weiterführende Forschungen für die Anforderungsanalyse gelegt. Mit den Ergebnissen der Literaturrecherche, der Interviews und des Workshops wurde eine Anforderungsanalyse (Arbeitspaket 1) verfasst und darauf aufbauend vier Konzepte für eine teil-autonome Holzernte entwickelt (Arbeitspaket 2).
Das Hauptziel von Arbeitspaket 2 war, verschiedene Konzepte für die automatisierte Holzernte zu entwickeln und dabei insbesondere die Prüfumgebung sowie das Design von Robotern und Fällgeräten zu berücksichtigen.
Basierend auf den definierten Anforderungen wurden Konzepte für die automatisierte Holzernte entwickelt. Dabei wurden verschiedene Aspekte wie die technische Umsetzbarkeit, die Effizienz der Holzernte, die Sicherheit der Arbeitsabläufe und mögliche Umweltauswirkungen berücksichtigt.
Das Ziel der Konzeptentwicklung war es, das am besten geeignete Konzept für die automatisierte Holzernte zu identifizieren, das sowohl den Anforderungen der Prüfumgebung als auch den Zielen des Projekts gerecht wird. Die entwickelten Konzepte wurden anschließend im Arbeitspaket 3 anhand einer Entscheidungsmatrix bewertet und das vielversprechendste Konzept für die weitere Umsetzung ausgewählt.
Das ausgewählte Konzept besteht aus zwei wesentlichen Komponenten. Zum einen wird ein digitaler Zwilling des Waldes erstellt und zum anderen ein Prototyp, der den Fällvorgang teilautonom durchführen soll. Ziel ist die Entwicklung eines teilautonomen Fällsystems, das eine sichere, bodenschonende und nachhaltige Holzernte ermöglicht. Wir schaffen die wichtigen Grundlagen für die weitere Digitalisierung der Prozesskette, der Waldzustandserhebung, Arbeitsplanung und dem Einschlag. Die an den Klimawandel angepasste Forstwirtschaft bekommt damit dringend benötigte Impulse zur Steigerung der Energie- und Kosteneffizienz sowie zur Ressourcenschonung. Kern des Vorhabens sind eine virtuelle 3D-Repräsentation des Baumbestandes, der sogenannte digitale Zwilling des Waldes, sowie seine Verknüpfung mit modernen Robotik- und KI-Technologien zur Steuerung des teilautonomen Holzeinschlags. Der zu entwickelnde Prototyp begegnet den Herausforderungen der Arbeitssicherheit, indem er in lebensgefährlichen Bestandssituationen eingesetzt werden kann, ohne dass sich der Forstwirt im Gefahrenbereich aufhalten muss.
