DE102013010491B4 - Method and device for determining the topography of a plant - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Bestimmung der Topographie und/oder Tomographie von Wurzeln wenigstens einer Spargelpflanze (12, 14), die sich innerhalb eines Erdwalls (10) befinden, wobei elektromagnetische Strahlung in Richtung der Pflanze (12, 14) gesendet und elektromagnetische Strahlung aus Richtung der Pflanze (12, 14) empfangen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die empfangene elektromagnetische Strahlung in Abhängigkeit von der gesendeten elektromagnetischen Strahlung ausgewertet und daraufhin ein Steuersignal (s) erzeugt wird, dessen Wert ein Maß ist für die Topographie der Wurzeln der Spargelpflanze (12, 14).Method for determining the topography and/or tomography of roots of at least one asparagus plant (12, 14), which are located within an earth bank (10), electromagnetic radiation being sent in the direction of the plant (12, 14) and electromagnetic radiation being sent from the direction of the plant (12, 14) is received, characterized in that the received electromagnetic radiation is evaluated as a function of the transmitted electromagnetic radiation and a control signal (s) is then generated, the value of which is a measure of the topography of the roots of the asparagus plant (12, 14 ).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, das zur Bestimmung der Topographie und/oder Tomographie von Pflanzen innerhalb eines Erdbodens eingesetzt werden kann. Die Erfindung betrifft außerdem eine Radarvorrichtung, die das erfindungsgemäße Verfahren durchführen kann sowie eine Erntevorrichtung und eine Dünge- bzw. Bewässerungsvorrichtung, die anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens gesteuert werden können.The present invention relates to a method that can be used to determine the topography and/or tomography of plants within a soil. The invention also relates to a radar device that can carry out the method according to the invention as well as a harvesting device and a fertilizer or irrigation device that can be controlled using the method according to the invention.
Eine solche Topographie- bzw. Tomographie-Bestimmung umfasst bevorzugterweise Pflanzenteile, wie beispielsweise Wurzeln oder Erntegut, wie beispielsweise Spargelstangen, Kartoffeln, Zwiebeln, Radieschen oder dergleichen. Weiterhin ist es möglich, neben den Pflanzen auch das sie umgebende Erdreich zu analysieren, wie beispielsweise Erdwälle oder dergleichen. Obwohl die Erfindung im Folgenden im Wesentlichen anhand von Spargelpflanzen beschrieben wird, ist sie jedoch keinesfalls darauf beschränkt.Such a topography or tomography determination preferably includes plant parts, such as roots or crops, such as asparagus spears, potatoes, onions, radishes or the like. Furthermore, it is possible to analyze not only the plants but also the soil surrounding them, such as earth walls or the like. Although the invention is essentially described below using asparagus plants, it is by no means limited to this.
Spargelpflanzen sind üblicherweise größtenteils unterhalb der Erdoberfläche, welche eben sein oder auch die Form eines Erdwalls - im Folgenden auch Spargelwall genannt - haben kann. Erst kurz vor der Ernte stechen einzelne Spargelstangen aus dem Erdreich hervor und können auf diese Weise optisch wahrgenommen werden.Asparagus plants are usually mostly below the surface of the earth, which can be flat or have the shape of an earth wall - hereinafter also referred to as an asparagus wall. Only shortly before harvest do individual asparagus spears emerge from the ground and can thus be visually noticed.
Zum gegenwärtigen Zeitpunkt ist eine gezielte Überwachung des Wachstumsprozesses einer jeden Spargelstange eines Spargelwalls nicht möglich, da die wiederholte Freilegung eines jeden einzelnen Gewächses zwecks der Inspektion wirtschaftlich nicht sinnvoll erscheint. Aus diesem Grund können die Ergebnisse der während des Wachstumsprozesses durchgeführten Maßnahmen (Düngen, Bewässern, etc.) erst vor bzw. bei der Ernte ganzheitlich und ohne Differenzierung („welche Maßnahme hat welches Ergebnis gebracht?“) festgestellt werden. Außerdem kann der Einsatz von z.B. Düngemitteln nicht selektiv gesteuert werden, sondern erfolgt für den gesamten Spargelwall einheitlich, wodurch unnötig Kosten für den Erzeuger und eine unnötige Belastung des Bodens und des Gewächses - und damit letzten Endes für den Konsumenten - entstehen.At the present time, targeted monitoring of the growth process of each asparagus spear in an asparagus wall is not possible, as the repeated exposure of each individual plant for the purpose of inspection does not appear to make economic sense. For this reason, the results of the measures carried out during the growth process (fertilization, irrigation, etc.) can only be determined holistically and without differentiation (“which measure brought which result?”) before or during the harvest. In addition, the use of fertilizers, for example, cannot be controlled selectively, but is carried out uniformly for the entire asparagus wall, which results in unnecessary costs for the producer and unnecessary strain on the soil and the crop - and ultimately for the consumer.
Es ist daher sinnvoll, bereits während des Wachstumsprozesses Hinweise darauf zu erhalten, wie die Ausbildung der Pflanze voranschreitet, um dann gezielt durch geeignete Maßnahmen - ggf. auch lokal bei der jeweiligen Spargelpflanze - eingreifen zu können, wie durch Düngen, Bewässern, usw.It therefore makes sense to obtain information about how the plant's development is progressing during the growth process in order to then be able to intervene in a targeted manner through appropriate measures - if necessary also locally on the respective asparagus plant - such as fertilization, irrigation, etc.
Des Weiteren ist die Spargelernte nicht selten ein aufwändiger Vorgang, bei dem jede einzelne Spargelstange manuell per Hand freigelegt und, sofern sie den nötigen Reifegrad besitzt, gestochen wird. Neben dem an sich schon mühsamen Prozess müssen jene Pflanzen, die noch nicht erntereif sind, wieder vergraben und durch das beschriebene Prozedere zu einem späteren Zeitpunkt abermals kontrolliert werden. Wenn hingegen auf das Freilegen einer jeden Spargelpflanze verzichtet wird, so läuft der Stechprozess „blind“ ab, so dass ein zielgerichteter Erntevorgang durch den Erntehelfer nicht gewährleistet werden kann. Dann besteht die Gefahr, dass die betreffende Spargelstange entweder zu kurz gestochen wird und/oder benachbarte Spargelstangen in Mitleidenschaft gezogen werden, da sie versehentlich von dem Erntemesser erfasst werden.Furthermore, harvesting asparagus is often a complex process in which each individual stalk of asparagus is manually exposed and, if it has the necessary degree of ripeness, pierced. In addition to the already laborious process, those plants that are not yet ready for harvest must be buried again and checked again at a later date using the procedure described. If, on the other hand, each asparagus plant is not uncovered, the piercing process takes place “blindly”, so that a targeted harvesting process by the harvester cannot be guaranteed. There is then a risk that the asparagus spear in question will either be cut too short and/or neighboring asparagus spears will be affected because they are accidentally caught by the harvesting knife.
Die auf dem Markt verfügbaren Spargelerntemaschinen machen zwar die händische Arbeit beim Ernten teilweise obsolet, bringen aber eine Reihe von signifikanten Nachteilen mit sich, weshalb sie bisher die Spargelernte per Hand nicht zu ersetzen vermocht haben.The asparagus harvesting machines available on the market make the manual work involved in harvesting partially obsolete, but they bring with them a number of significant disadvantages, which is why they have not yet been able to replace asparagus harvesting by hand.
Eine Möglichkeit der automatisierten Spargelernte ist es, den gesamten Spargelwall abzutragen und die darin enthaltenen Spargelstangen heraus zu sieben. Eine entsprechende maschinelle Spargelernte ist beispielsweise bekannt aus
Aus
Weiter ist aus
Die
Die
Die
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Die
Die
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Die JP H08- 292 253 A betrifft einen Mikrowellen-Scatterometer.JP H08-292 253 A relates to a microwave scatterometer.
Eine andere Methode zur automatisierten Spargelernte ist ein optisches Verfahren, bei dem die Oberfläche des Spargelwalls optisch (z.B. mittels eines Lasers und/oder einer Kamera, etc.) überwacht wird. An den Stellen, an denen eine Spargelstange durch den Wall bricht, ist diese damit detektierbar. Daraufhin kann ein entsprechendes Signal an einen Roboterarm oder an eine Person gegeben werden, sodass daraufhin das Ernten durchführt wird.Another method for automated asparagus harvesting is an optical method in which the surface of the asparagus wall is monitored optically (e.g. using a laser and/or a camera, etc.). This means that it can be detected at the points where an asparagus spear breaks through the wall. A corresponding signal can then be given to a robot arm or to a person so that the harvesting is then carried out.
Ganz gleich, ob nun der Spargel zur Detektion und / oder Lagebestimmung zunächst elektrisch kontaktiert werden muss, oder in Kontakt mit Fühlern kommen muss, oder von einer optischen Vorrichtung erfasst werden muss. Offensichtlicher Nachteil all dieser Methoden ist es, dass nur solche Spargelstangen detektiert werden können, welche bereits durch den Wall gebrochen sind, oder im Begriff sind ebendies zu tun.It doesn't matter whether the asparagus must first be electrically contacted for detection and/or position determination, or must come into contact with sensors, or must be detected by an optical device. The obvious disadvantage of all of these methods is that only asparagus spears can be detected that have already broken through the wall or are about to do so.
Ein weiterer Nachteil der beschriebenen automatisierten selektiven Ernte-Methoden ist, dass die genaue Lage und räumliche Orientierung der Spargelstangen im Wall nicht bekannt ist und damit beispielsweise ein Roboterarm nur vergleichsweise ungezielt hantieren kann. Dies birgt die Gefahr, dass zumindest einzelne der Spargelstangen beim Erntevorgang beispielsweise verfehlt werden, und/oder mehrere Anläufe zum Ernten unternommen werden müssen, ehe das Ernten erfolgreich durchgeführt worden ist. Oder aber es besteht etwa die Gefahr, dass zumindest einzelne der Spargelpflanzen falsch (beispielsweise zu kurz) gestochen und/oder während des Ernteversuchs beschädigt werden. All dies kostet entweder Zeit (und damit Geld etwa durch verlängerte Arbeitszeiten) und/oder Geld durch ungeerntete Spargelpflanzen und/oder einen geschmälerten Verkaufspreis.Another disadvantage of the automated selective harvesting methods described is that the exact position and spatial orientation of the asparagus spears in the wall is not known and therefore, for example, a robot arm can only handle them in a comparatively untargeted manner. This poses the risk that at least some of the asparagus spears will be missed during the harvesting process, for example, and/or several attempts to harvest will have to be made before harvesting has been carried out successfully. Or there is a risk that at least some of the asparagus plants will be pricked incorrectly (for example too short) and/or damaged during the harvest attempt. All of this costs either time (and therefore money, for example through extended working hours) and/or money through unharvested asparagus plants and/or a reduced selling price.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu vermeiden.It is the object of the present invention to avoid the disadvantages known from the prior art.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1. Durch die Unteransprüche sind vorteilhafte Ausgestaltungen angegeben.This task is solved by a method according to claim 1. Advantageous embodiments are specified in the subclaims.
Der vorliegenden Erfindung liegen insbesondere folgende Erkenntnisse zugrunde.
- - Spargelstangen und -wurzeln enthalten Wasser und gelöste Salze, was eine hohe Leitfähigkeit und damit eine gute Reflexion elektromagnetischer Wellen, beispielsweise im Mikro- bis Millimeterwellenbereich bedingt.
- - Gleichzeitig heben sich Spargelstangen und -wurzeln dielektrisch sehr gut von ihrer künstlich geschaffenen Umgebung (Spargelwall aus Erde/Sand) ab, was zu einer optimalen Ausgangssituation für seine Detektion führt.
- - Die Größe von Spargelstangen (Länge, Durchmesser) und die Ausdehnung der Wurzeln führen zu gut detektierbaren und lokalisierbaren Reflexionen in einem technisch gut handhabbaren Frequenzbereich.
- - Die sandige Umgebung ist recht homogen und vergleichsweise trocken. Somit werden die elektromagnetischen Wellen durch die Umgebung in einer reproduzierbaren Weise beeinflusst, die sich in der nachfolgenden Signalauswertung vergleichsweise einfach berücksichtigen oder heraus rechnen lässt.
- - Der Spargelwall ist im Allgemeinen von drei Seiten zugänglich, was gute Voraussetzungen für Messungen sowohl in Reflexion als auch in Transmission darstellt (auch Tomographie).
- - Die Spargelstangen sind länglich, daher gibt es eine starke Polarisationsabhängigkeit der Reflexion.
- - Die hier notwendigen Signal-Leistungen werfen keine moralisch/ethischen Bedenken auf. Und weder die (Arbeits-) Sicherheit, noch die Gesundheit von Erntehelfern und/oder Verbrauchern wird gefährdet. - Ganz im Gegensatz zu oben beschriebenen Verfahren mittels Röntgenstrahlung.
- - Ein Radar kann Spargelstangen und -wurzeln kontaktlos detektieren und die Spargelwallparameter feststellen. Es ist nicht nötig, umständlich Sonden in den Spargelwall einzuführen und dazu den Spargel selbst womöglich noch kontaktieren zu müssen, wie es das oben erwähnte, nachteilige Verfahren erfordert. Der Spargel muss beim Einsatz eines Radars auch noch nicht durch den Wall gebrochen sein, wie es etwa die oben beschriebene, nachteilige, Methode mit den Fühlern verlangt. Die Antennen brauchen den Spargelwall nicht direkt zu berühren, sondern können sich in einem gewissen Abstand befinden.
- - Asparagus spears and roots contain water and dissolved salts, which results in high conductivity and therefore good reflection of electromagnetic waves, for example in the micro to millimeter wave range.
- - At the same time, asparagus spears and roots stand out dielectrically very well from their artificially created environment (asparagus wall made of earth/sand), which leads to an optimal starting situation for its detection.
- - The size of asparagus spears (length, diameter) and the extent of the roots lead to easily detectable and localized reflections in a frequency range that is technically easy to handle.
- - The sandy environment is quite homogeneous and comparatively dry. The electromagnetic waves are thus influenced by the environment in a reproducible manner, which can be taken into account or calculated comparatively easily in the subsequent signal evaluation.
- - The asparagus wall is generally accessible from three sides, which provides good conditions for measurements in both reflection and transmission (including tomography).
- - The asparagus spears are elongated, so there is a strong polarization dependence of the reflection.
- - The signal services required here do not raise any moral/ethical concerns. And neither the (occupational) safety nor the health of harvest workers and/or consumers is endangered. - Completely in contrast to the procedures described above using X-rays.
- - A radar can detect asparagus spears and roots without contact and determine the asparagus wall parameters. It is not necessary to laboriously insert probes into the asparagus wall and possibly have to contact the asparagus itself, as the disadvantageous method mentioned above requires. When using a radar, the asparagus does not have to have broken through the wall, as is required with the disadvantageous method with sensors described above. The antennas do not need to touch the asparagus wall directly, but can be at a certain distance.
Das erfindungsgemäße Verfahren sendet elektromagnetische Strahlung aus in Richtung der zu untersuchenden Pflanze und empfängt außerdem elektromagnetische Strahlung, die aus deren Richtung kommt. Durch Vergleich der beiden Strahlungen zueinander wird ein Steuersignal erzeugt, dessen Wert ein Maß ist für die Topographie der Pflanze bzw. von deren Teilen. Bei dem Vergleich von gesendeter und empfangener Strahlung können verschiedene Parameter berücksichtigt werden, wie insbesondere Unterschiede in der Amplitude, in der Laufzeit und/oder in der Phase.The method according to the invention sends out electromagnetic radiation in the direction of the plant to be examined and also receives electromagnetic radiation that comes from its direction. By comparing the two radiations with each other, a control signal is generated, the value of which is a measure of the topography of the plant or its parts. When comparing transmitted and received radiation, various parameters can be taken into account, such as, in particular, differences in amplitude, transit time and/or phase.
Dabei ist es bevorzugt, dass die empfangene elektromagnetische Strahlung durch Reflexion an der zu untersuchenden Pflanze bzw. an der sie umgebenden Erde entsteht. Dafür ist bevorzugterweise ein Radarverfahren vorgesehen. Besonders bewährt hat sich ein Radarsystem, das nach dem Prinzip des modulierten Dauerstrichradars arbeitet, beispielsweise als Stepped Frequency Continuous Wave (SFCW) Radar.It is preferred that the received electromagnetic radiation arises from reflection on the plant to be examined or on the earth surrounding it. A radar method is preferably provided for this. A radar system that works according to the principle of modulated continuous wave radar, for example as Stepped Frequency Continuous Wave (SFCW) radar, has proven particularly useful.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat es sich bewährt, dass die ausgesendete elektromagnetische Strahlung im Bereich von 100 Mhz bis 4 GHz liegt, wobei sich der Bereich von 300 MHz bis 2 GHz besonders bewährt hat. Wesentliche Kriterien für die Auswahl der genannten Frequenzbereiche sind einerseits die Antennengröße (für die untere Bereichsgrenze) und andererseits die Dämpfung im Erdreich (für die obere Bereichsgrenze).To carry out the method according to the invention, it has proven useful that the emitted electromagnetic radiation is in the range from 100 MHz to 4 GHz, with the range from 300 MHz to 2 GHz being particularly useful. The main criteria for selecting the frequency ranges mentioned are, on the one hand, the antenna size (for the lower range limit) and, on the other hand, the attenuation in the ground (for the upper range limit).
Die Durchführung von Fensterung und Zero-Padding (Anhängen von Nullen) ist vor allem für Radarverfahren sinnvoll, die im Frequenzbereich arbeiten, sodass auch dort die Daten entstehen. Dies ist für SFCW-Radarsysteme der Fall. Für Radarverfahren wie Pulsradar, die komplett im Zeitbereich arbeiten sind dies üblicherweise keine Standardverfahren, die auf die Daten angewendet werden. Fensterung und Zero-Padding können jedoch auch auf Daten angewendet werden, die im Zeitbereich vorliegen (Pulsradar), ehe man sie in den Frequenzbereich transformiert, um diese dort zu verarbeiten. Mögliche Verfahren einer geeigneten Transformation sind Fouriertransformation, Laplacetransformation und sonstige Verfahren, die dem Fachmann bekannt sind.Carrying out windowing and zero padding (appending zeros) is particularly useful for radar methods that work in the frequency range, so that the data is also generated there. This is the case for SFCW radar systems. For radar methods such as pulse radar, which work entirely in the time domain, these are usually not standard methods that are applied to the data. However, windowing and zero padding can also be applied to data that is available in the time domain (pulse radar) before it is transformed into the frequency domain in order to be processed there. Possible methods of a suitable transformation are Fourier transform, Laplace transform and other methods known to those skilled in the art.
Das durch das erfindungsgemäße Verfahren erzeugte Steuersignal kann verwendet werden zur Steuerung bzw. Regelung von Erntemitteln, wie einem Schneidewerk zum schonenden Abtragen eines Spargelwalls, einem Stech- und Schneidemesser oder dergleichen. Das Steuersignal kann außerdem dazu verwendet werden, um eine Maschine zu steuern, die die Pflanzen bewässern und/oder düngen kann.The control signal generated by the method according to the invention can be used to control or regulate harvesting equipment, such as a cutting unit for gently removing an asparagus wall, a piercing and cutting knife or the like. The control signal can also be used to control a machine that can water and/or fertilize the plants.
Es ist zusätzlich oder stattdessen ebenfalls möglich, dass das Steuersignal . verwendet wird zur Erzeugung einer grafischen Darstellung, die mittels einer Anzeigeeinheit, wie einem Monitor, einem Benutzer dargestellt werden kann. Dadurch kann dem Benutzer die Topographie und/oder das Wachstum der untersuchten Pflanzen gezeigt werden. Es ist weiterhin denkbar, dass zusätzlich oder stattdessen eine optische Projektion (zum Beispiel mittels Laser) auf das Erdreich und/oder eine Darstellung mittels einer Datenbrille erfolgt, wodurch ein Erntehelfer in seiner Ernte-Tätigkeit unterstützt werden kann (Augmented Reality).It is also possible, in addition or instead, for the control signal. is used to generate a graphical representation that can be displayed to a user using a display unit, such as a monitor. This allows the user to be shown the topography and/or growth of the plants being examined. It is also conceivable that, in addition or instead, an optical projection (for example using a laser) onto the ground and/or a display using data glasses takes place, which can support a harvester in his harvesting activity (augmented reality).
Das Steuersignal kann auch dazu verwendet werden, eine Signalvorrichtung anzusteuern, die einem Nutzer anhand optischer und/oder akustischer Mittel signalisiert, wenn die untersuchte Pflanze bzw. der untersuchte Bereich des Erdwalls bearbeitet werden müssen, wie insbesondere bewässert und/oder gedüngt. Dafür werden gemessene Parameter mit Schwellwerten verglichen und bei deren Über- bzw. Unterschreiten werden entsprechende Signale ausgegeben.The control signal can also be used to control a signaling device that signals to a user using optical and/or acoustic means when the examined plant or the examined area of the earth wall needs to be processed, in particular irrigated and/or fertilized. For this purpose, measured parameters are compared with threshold values and if they are exceeded or fallen below, corresponding signals are output.
Es versteht sich, dass das Steuersignal bei den genannten Anwendungen direkt den nachgeschalteten Vorrichtungen - wie den Erntemitteln, den Maschinen, der Anzeigeeinheit, der Signalvorrichtung - zugeführt werden kann. Es ist jedoch auch möglich, dass das Steuersignal bzw. dessen Werte zunächst auf einem Datenträger abgespeichert wird, der später von den genannten nachgeschalteten Vorrichtungen ausgelesen wird. Geeignete Datenträger sind beispielsweise entsprechende Halbleiterbausteine, magnetische Speicher und/oder opto-magnetische Speicher.It is understood that in the applications mentioned, the control signal can be supplied directly to the downstream devices - such as the harvesting equipment, the machines, the display unit, the signaling device. However, it is also possible for the control signal or its values to be initially stored on a data carrier, which is later read out by the downstream devices mentioned. Suitable data carriers are, for example, corresponding semiconductor components, magnetic memories and/or opto-magnetic memories.
Eine Radarvorrichtung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders geeignet ist, lässt sich mit einer Transportvorrichtung verbinden, die wiederum in der Lage ist, die Radarvorrichtung entlang des Erdreichs zu bewegen, wo sich die zu untersuchenden Pflanzen befinden. Dafür weist die erfindungsgemäße Radarvorrichtung entsprechende Verbindungsmittel auf.A radar device, which is particularly suitable for carrying out the method according to the invention, can be connected to a transport device, which in turn is able to move the radar device along the ground where the plants to be examined are located. For this purpose, the radar device according to the invention has corresponding connecting means.
Für die Realisierung der Erfindung ist grundsätzlich eine Vielzahl verschiedener Antennentypen verwendbar, die dem Fachmann allgemein bekannt sind. Bei der bevorzugten Ausführungsform haben sich Loaded Bowtie Antennen besonders bewährt. Derartige Antennen sind beispielsweise beschrieben in
Die vorliegende Erfindung hat somit insbesondere folgende Vorteile und Einsatzmöglichkeiten.The present invention therefore has the following advantages and possible uses in particular.
Durch eine fortlaufende Kontrolle des Wachstumsprozesses einer jeden Spargelpflanze ist es möglich, - ggf. individuell bei jeder Pflanze lokal - durch gezielte Bewässerung und den Einsatz von Düngemitteln regulierend einzugreifen, was beispielsweise sowohl eine Unterdüngung, als auch eine Überdüngung vermeidet, und damit Kosten sowie Umwelt- und Produkt-Belastung minimiert.By continuously monitoring the growth process of each asparagus plant, it is possible to intervene - if necessary locally for each plant - through targeted irrigation and the use of fertilizers, which, for example, avoids both under-fertilization and over-fertilization, and thus costs and the environment - and product load minimized.
Parameter des Spargelwalls können ermittelt werden, wie dessen Feuchte, dessen Dielektrizitätszahl und dessen Leitfähigkeit. Aus einzelnen oder mehreren dieser Parameter können Rückschlüsse auf notwendige Aktionen hinsichtlich der Bewirtschaftung des Spargelwalls gezogen werden, nämlich etwa Bewässerung oder Düngung.Parameters of the asparagus wall can be determined, such as its moisture, its permittivity and its conductivity. From one or more of these parameters, conclusions can be drawn about necessary actions regarding the management of the asparagus wall, namely irrigation or fertilization.
Durch die fortlaufende Ermittlung der Größe der Spargelstangen kann der richtige Zeitpunkt für die Ernte bestimmt werden. Dabei muss also nicht abgewartet werden bis der Spargel durch den Wall bricht, wie es etwa die oben beschriebene, nachteilige, optische Methode erfordert. Der Erzeuger kann daher in jedem Fall den vollen Marktpreis für sein Gemüse erzielen, da Kontakt mit Sonnenlicht nicht erfolgt und damit auch keine Verfärbungen stattfinden.By continuously determining the size of the asparagus spears, the right time for harvesting can be determined. There is no need to wait for the asparagus to break through the wall, as is required with the disadvantageous optical method described above. The producer can therefore always achieve the full market price for his vegetables, as there is no contact with sunlight and therefore no discoloration.
Durch Ermittlung der Spargelstangen-Topographie (Position, Größe und RichtungsVerlauf) kann der Arm eines Ernteroboters - oder einer sonstigen geeigneten Erntevorrichtung - gesteuert werden.By determining the asparagus topography (position, size and direction), the arm of a harvesting robot - or other suitable harvesting device - can be controlled.
Weitere Vorteile und Details der vorliegenden Erfindung ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen. Dabei zeigen:
-
1 eine Radaranordnung zur Bestimmung der Wurzeltopographie (Querschnittsdarstellung) -
2 die Anordnung gemäß1 im Längsschnitt -
3 eine Radaranordnung zur Bestimmung der Permittivität ξ des Spargelwalls -
4 eine Radaranordnung zur gleichzeitigen Bestimmung von Pflanzen-Topographie und Permittivität ξ des Spargelwalls.
-
1 a radar arrangement for determining the root topography (cross-sectional view) -
2 according to the order1 in longitudinal section -
3 a radar arrangement for determining the permittivity ξ of the asparagus wall -
4 a radar arrangement for the simultaneous determination of plant topography and permittivity ξ of the asparagus wall.
Die bevorzugten Ausführungsbeispiele betreffen verschiedene Radarsysteme, die üblicherweise mit einer Spargelerntemaschine zusammen arbeiten. Dabei werden durch die Radarsysteme aufgrund von Radarmessungen, die unten näher beschrieben werden, Steuersignale erzeugt, die zur Ansteuerung einer Spargelerntemaschine verwendet werden können. Die Radarsysteme der bevorzugten Ausführungsbeispiele sind - zumindest während des Erntebetriebs - fest mit einer der Spargelerntemaschinen verbunden und werden mit dieser entsprechend bewegt, um eine Spargelernte durchzuführen. Da die genannten Spargelerntemaschinen an sich bekannt sind, sind sie in den Figuren nicht dargestellt.The preferred embodiments relate to various radar systems that usually work together with an asparagus harvester. The radar systems generate control signals based on radar measurements, which are described in more detail below, which can be used to control an asparagus harvester. The radar systems of the preferred exemplary embodiments are - at least during harvesting operation - firmly connected to one of the asparagus harvesting machines and are moved accordingly in order to carry out an asparagus harvest. Since the asparagus harvesting machines mentioned are known per se, they are not shown in the figures.
Oberhalb des Erdwalls 10 befindet sich eine Radaranordnung, die eine Sendeantenne 20, eine Empfangsantenne 22 sowie ein Radargerät 24 umfasst. Das Radargerät 24 enthält eine an sich bekannte Sendeeinheit 26 zur Erzeugung und Aussendung von hochfrequenten Radarsignalen mit üblichen Stufen, wie insbesondere Oszillatoren, Modulator, Treiber, Endstufen und Filter, sowie eine Empfangseinheit 28 zum Empfang solcher Radarsignale mit üblichen Stufen, wie insbesondere Filter, Vorstufen und dergleichen. Weiterhin enthält das Radargerät 24 auch eine Recheneinheit 30, die insbesondere dazu dient, die Sendesignale in geeigneter Weise zu modulieren und die empfangenen Signale auszuwerten.Above the
Die beiden Antennen 20, 22 sind bevorzugterweise als Loaded Bowtie Antennen ausgebildet mit einem Abstand voneinander von ca. 0,1 m. Sie sind hier mittig zu dem Erdwall 10 angeordnet und zwar mit einem nahezu gleichen vertikalen Abstand DE von der Oberfläche 16. DE beträgt bevorzugterweise ca. 0,1 m. Der vertikale Abstand zwischen den Antennen 20, 22 und dem oberen Punkt 18 des Wurzelballens 12 ist mit DW bezeichnet. Zwischen den beiden Antennen 20, 22 kann außerdem eine geeignete Abschirmung angeordnet sein (hier nicht dargestellt), um das direkte Antennen-Übersprechen zu verringern und damit den Dynamikbereich der Radaranordnung erhöhen zu können. Eine solche Abschirmung kann auf einfache Weise durch entsprechendes Absorbermaterial realisiert werden.The two
Das Radargerät 24 ist in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel derart gestaltet, dass es als moduliertes Dauerstrichradar arbeitet, wobei sich das Verfahren des Stepped Frequency Continuous Wave (SFCW) Radars besonders bewährt hat. Die Antennen 20, 22 werden entlang des Erdwalls 10 mittels eines Erntefahrzeuges (hier nicht dargestellt) bewegt, was in
Für die Bestimmung der Topographie der Wurzelballen 12, also insbesondere von deren Anordnung, Form und Größe, werden an jedem Messpunkt bevorzugterweise Messungen an etwa 100 diskreten Frequenzpunkten im Bereich von 300 MHz bis 2 GHz durchgeführt und entsprechende Messwerte aufgezeichnet. Diese Rohdaten werden durch die Recheneinheit 30 zunächst verschiedenen Vorverarbeitungsschritten unterworfen. Diese beinhalten bei der bevorzugten Ausführung zunächst eine Fensterung und dann ein Anhängen mit Nullen (Zero-Padding). Anschließend werden die Daten mittels einer diskreten Fourier Transformation in den Zeitbereich überführt. Von diesen derart verarbeiteten Messdaten werden Daten aus einer sogenannten Hintergrundaufnahme abgezogen. Dabei handelt es sich um eine vorab durchgeführte Radaraufnahme, die nur die statischen Einflüsse enthält, nicht aber veränderliche Reflexionen, wie etwa von Spargelpflanzen. Dadurch können bei allen Messungen statische Einflüsse eliminiert werden, die sich insbesondere ergeben aus dem direkten Antennenübersprechen, aus Reflexionen am Transportfahrzeug und dergleichen. Derartige Hintergrundaufnahmen können beispielsweise durchgeführt werden, indem an einem Erdwall 10 ohne Spargelpflanzen Radarmessungen durchgeführt werden.To determine the topography of the
Bei weiteren Berechnungen durch das Rechenwerk 30 erfolgt die Detektion der direkten Reflexion an der Oberfläche 16 nach einer Zweiwege-Signallaufzeit tE in Luft. Als nächstes kann die dominante Reflexion an dem Wurzelballen 12 nach der Zweiwege-Laufzeit tW ermittelt werden. Unter Berücksichtigung der Permittivität ξ des Materials des Erdwalls 10 kann der Abstand DW zwischenDuring further calculations by the
Wurzelballenoberfläche 18 und den Antennen 20, 22 nach folgender Gleichung bestimmt werden:
- c0 Vakuumlichtgeschwindigkeit
- tE 2-wege Signallaufzeit in Luft
- tW 2-wege Signallaufzeit zum Wurzelballen 12
- ξ Permittivität des Erdwall-Materials
- c 0 vacuum speed of light
- t E 2-way signal transit time in air
- t W 2-way signal transit time to the
root ball 12 - ξ Permittivity of the earth embankment material
Bevorzugterweise werden derartige Messungen und Auswertungen fortwährend durchgeführt, während das Radarsystem entlang des Erdwalls 10 bewegt wird. Dadurch kann die Topographie - wie insbesondere Anordnung, Form und Größe - der Wurzelballen 12 ermittelt werden.Such measurements and evaluations are preferably carried out continuously while the radar system is being moved along the
Die Permittivität ξ des Erdwall-Materials kann geschätzt oder auch gemessen werden. Ein dafür mögliches Messverfahren wird unten mit Hilfe von
Die Recheneinheit 30 erzeugt ein Steuersignal s, deren Wert ein Maß ist für den Abstand DW. Das Steuersignal s wird weiter geleitet an eine Spargelvollerntemaschine (beispielweise Modell KIRPY DE.21 der Firma aisolution), die mittels eines Schneidwerks den gesamten Erdwall 10 in einem vorgegebenen Abstand oberhalb der Wurzelballen 12 aufnimmt. Die dabei abgeschnittenen Spargelstangen 14 werden selektiert, was üblicherweise manuell geschieht, und anschließend wird der Erdwall 10 wieder aufgebaut. Das Steuersignal s dient also in einem solchen Fall insbesondere dazu, die Höhe des Schneidwerks in Abhängigkeit von der Topographie der Wurzelballen 12 entlang des Erdwalls 10 zu steuern bzw. zu regeln.The
Der wesentliche Unterschied bei der Radaranordnung nach
Das Radargerät 24 führt Messungen an seinen beiden Ports (Antennenanschlüssen) durch, und zeichnet dabei an etwa 100 diskreten Frequenzpunkten im Bereich von ungefähr 300 MHz bis 2 GHz komplexwertige Datenpunkte auf, und zwar für alle Konfigurationen, nämlich dass
Antenne 120 zum Senden und Antenne 120 zum Empfangen (S11),
Antenne 120 zum Senden und Antenne 122 zum Empfangen (S21),
Antenne 122 zum Senden und Antenne 120 zum Empfangen (S12), und
Antenne 122 zum Senden und Antenne 122 zum Empfangen (S22) verwendet wird.The
Analog wie bei dem oben beschriebenen Verfahren (zu
Durch Auswertung von Reflexionsmessungen - entsprechend der Parameter S11, S22 - können die Abstandswerte Dli und Dre folgendermaßen bestimmt werden:
- tli: 2-wege Signallaufzeit zwischen
Antenne 120 und der linken Seite des Erdwalls 10 - tre: 2-wege Signallaufzeit zwischen
Antenne 122 und der rechten Seite des Erdwalls 10 - c0: Vakuumlichtgeschwindigkeit
- tli: 2-way signal transit time between
antenna 120 and the left side of theearth wall 10 - tre: 2-way signal transit time between
antenna 122 and the right side of theearth wall 10 - c 0 : speed of light in vacuum
Für eine derartige Messung arbeiten beide der Antennen 120, 122 jeweils sowohl als Sende- als auch als Empfangsantenne.For such a measurement, both
Durch Auswertung der S21-Messung kann die 1-wege Signallaufzeit tges der elektromagnetischen Welle von der linken Antenne 120 durch den Erdwall 10 hin zur rechten Antenne 122 ermittelt werden (Luft - Erdwall - Luft). In Kombination aller drei Messungen kann bei bekanntem Antennenabstand Dges die Permittivität ξ des Erdwall-Materials folgendermaßen bestimmt werden:
- c0: Vakuumlichtgeschwindigkeit
- tges: 1-wege Gesamtlaufzeit der elektromagnetischen Welle
- Dli: Abstand zwischen linker
Antenne 120 und linker Seite des Erdwalls 10 - Dre: Abstand zwischen rechter
Antenne 122 und rechter Seite des Erdwalls 10 - Dges: Abstand zwischen
120, 122.den Antennen
- c 0 : speed of light in vacuum
- tges: 1-way total transit time of the electromagnetic wave
- Dli: Distance between
left antenna 120 and left side ofearth wall 10 - Dre: Distance between
right antenna 122 and right side ofearth wall 10 - Dges: Distance between
120, 122.antennas
Damit ist es möglich, dass bei einem einzigen Messdurchlauf für ausgewählte Positionen entlang des Erdwalls 10 zunächst dessen Permittivität ξ ermittelt wird und anschließend die Topographie der Wurzelballen 12, wobei die so ermittelte Permittivität unmittelbar zur Berechnung der Topographie herangezogen wird.This makes it possible for a single measurement run for selected positions along the
Eine Antennenanordnung mit mehreren um den Erdwall 10 herum angeordneten Antennen ist auch besonders dafür geeignet zur Erstellung von Tomographie-Aufnahmen.An antenna arrangement with several antennas arranged around the
Um die Signale der beiden Antennenpaare getrennt auswerten zu können, ist innerhalb des Radargeräts 24 zusätzlich ein elektrischer Antennenschalter vorgesehen (nicht dargestellt), durch dessen Ansteuerung die beiden Antennenpaare separat betrieben werden können.In order to be able to evaluate the signals from the two pairs of antennas separately, an electrical antenna switch (not shown) is additionally provided within the
Alternativ ist es natürlich auch möglich, dass das Radargerät 24 derart gestaltet ist, dass beide der Antennenpaare gleichzeitig betrieben werden können.Alternatively, it is of course also possible for the
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung wird die Topographie der Spargelstangen 14 ermittelt, was insbesondere deren Position, Lage und/oder Orientierung innerhalb des Erdwalls 10 umfasst. Das kann zusätzlich oder stattdessen zur Ermittlung der Wurzelballentopographie erfolgen. Dabei ist es in beiden Fällen (Spargelstangen und Wurzelballen) auch möglich, dass die Polarisationsabhängigkeit der Reflexion ausgewertet wird. Bevorzugterweise wird dafür die Antennenanordnung nach
Die beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele können in vielfältiger Weise abgewandelt werden, wie beispielsweise:
- -
20, 22, 120, 122 kann sowohl zum Senden als auch zum Empfangen von elektromagnetischen Wellen verwendet werden.Jede der Antennen - -
20, 22, 120, 122 kann dabei prinzipiell auch gleichzeitig für beides (Senden und Empfangen) eingesetzt werden.Jede der Antennen - - Es ist der Einsatz von einer einzigen Antenne möglich, die sowohl zum Senden der elektromagnetischen Wellen als auch zum Empfangen der gestreuten Wellen dient.
- - Beim Einsatz einer Gruppenantenne / eines Antennenarrays mit mehr als einer Antenne kann etwa auch durch Strahlformung der von den Antennen (parallel und/oder sequenziell) ausgestrahlten Wellen gezielt die gestreute Welle eines bestimmten Bereiches aus dem Observationsvolumen (
Erdwall 10 und Umgebung) durch geeignete Fokussierung ermittelt werden. Dadurch ist es weiter möglich, den Bereich, in dem Spargelpflanzen erwartet werden, voxelweise abzurastern, und anhand der Messdaten über das Vorhandensein eines Spargels an der jeweiligen Stelle zu entscheiden, um seine Position, seine Lage und seinen Verlauf im Spargelwall zu ermitteln. Die erwähnte Fokussierung kann dabei erfolgen- ◯ mittels analoger und/oder digitaler Phasenschieber im Sende- und/oder Empfangszweig und/oder
- ◯ mittels mechanischer Mittel, elektrischer Mittel und/oder digital mittels geeigneter (dielektrischer) Linsen und/oder
- ◯ durch digitale Signalverarbeitung auf Basis der über die einzelnen Sende-Antennen gesendeten Signale und die über die einzelnen Empfangs-Antennen empfangenen (und ggf. in ein Zwischenfrequenz- oder Basisband herab gemischte und/oder mittels eines A/D-Wandlers abgetasteten) Signale.
- - Each of the
20, 22, 120, 122 can be used both for transmitting and receiving electromagnetic waves.antennas - - Each of the
20, 22, 120, 122 can in principle be used for both (transmitting and receiving) at the same time.antennas - - It is possible to use a single antenna, which is used both to transmit electromagnetic waves and to receive scattered waves.
- - When using a group antenna/an antenna array with more than one antenna, the scattered wave of a specific area from the observation volume (
earth wall 10 and surroundings) can be targeted by beam shaping of the waves emitted by the antennas (parallel and/or sequentially) through suitable focusing be determined. This makes it possible to scan the area in which asparagus plants are expected voxel by voxel and to use the measurement data to decide on the presence of asparagus at the respective location in order to determine its position, location and course in the asparagus wall. The aforementioned focusing can take place- ◯ by means of analog and/or digital phase shifters in the transmission and/or reception branch and/or
- ◯ by mechanical means, electrical means and/or digitally by means of suitable (dielectric) lenses and/or
- ◯ through digital signal processing based on the signals sent via the individual transmitting antennas and the signals received via the individual receiving antennas (and possibly mixed down to an intermediate frequency or baseband and/or sampled using an A/D converter).
Beim Einsatz einer Gruppenantenne bzw. eines Antennenarrays ergibt sich neben der Möglichkeit, das Observationsvolumen auf Vorhandensein, Position, Lage und Verlauf eines begehrten Streukörpers (hier: Spargel) hin zu prüfen, als weitere Möglichkeit, das Observationsvolumen durch eine Tomographie zu rekonstruieren oder mittels einer anderen Möglichkeit der Rekonstruktion eine Darstellung des Spargelwalls im Ortsraum zu gewinnen. Wobei hier als Rekonstruktion jede solche Darstellung verstanden werden kann, die etwa einem menschlichen Betrachter die Darstellung eines im Spargelwall 10 vorhandenen Spargels in geeigneter Art und Weise vermittelt, beispielsweise auf einem Kontrollmonitor, auf dem das „Innenleben“ des Spargelwalls dargestellt wird. Dabei sollen wenigstens auf einer, vorzugsweise aber auch auf zwei oder gar drei Seiten des Spargelwalls 10 jeweils wenigstens eine Antenne zum Senden und Empfangen angebracht sein.
- - Die Antennen können bei allen Ausführungsbeispielen so angeordnet bzw. eingesetzt sein, dass Messungen in Reflexion und/oder in Transmission durchgeführt werden. Allgemein gesprochen kann aber jede der eingesetzten Antennen die durch eine anderen Antenne, oder sie selbst, ausgestrahlte und von einem Streukörper (etwa Spargel, Wurzelwerk, Wall-Material, aber auch Störobjekte wie beispielsweise Steine) gestreute elektromagnetische Welle empfangen.
- - Die Wahl der Polarisation kann für jede Antenne im Voraus fest oder auch während des Betriebes veränderlich (diskret und/oder kontinuierlich) einstellbar erfolgen. Dabei kann die jeweilige Polarisation der von jeder eingesetzten Antenne abgestrahlten und empfangenen elektromagnetischen Wellen beispielsweise durch die Wahl und/oder Ausrichtung der Antennen bestimmt werden. Es ist auch denkbar, die Polarisation durch geeignete elektrische (Be-) Schaltung der Antenne einstellen zu können. Ein Ausführungsbeispiel hierfür ist z.B. ein quadratisches Patch-Element, das zwei orthogonale, voneinander entkoppelte Eigenschwingungen aufweist, die mit entsprechend orientierten Polarisationen abstrahlen. Beide Eigenschwingungen können durch jeweils separate Speisestrukturen (z.B. Koaxialspeisung) näherungsweise unabhängig voneinander angeregt werden. Im Empfangsbetrieb verhält sich die Antenne entsprechend reziprok.
- - In all exemplary embodiments, the antennas can be arranged or used in such a way that measurements are carried out in reflection and/or in transmission. Generally speaking, however, each of the antennas used can receive the electromagnetic wave emitted by another antenna, or itself, and scattered by a scattering body (such as asparagus, roots, wall material, but also disruptive objects such as stones).
- - The choice of polarization can be fixed in advance for each antenna or can be adjusted (discretely and/or continuously) during operation. The respective polarization of the electromagnetic waves emitted and received by each antenna used can be determined, for example, by the choice and/or orientation of the antennas. It is also conceivable to be able to adjust the polarization by suitable electrical (charging) switching of the antenna. An exemplary embodiment of this is, for example, a square patch element that has two orthogonal, mutually decoupled natural oscillations that radiate with correspondingly oriented polarizations. Both natural oscillations can be excited approximately independently of each other by separate feed structures (e.g. coaxial feed). In reception mode, the antenna behaves reciprocally.
Die Variation der Polarisation ist grundsätzlich auch durch eine mechanisch verstell- und/oder drehbare Antennenhalterung vorstellbar. Dabei müssen Empfangs- und Sendeantenne nicht die gleiche Polarisation aufweisen, sie können es aber.
- - Es kann eine Sendeeinheit 26 vorgesehen werden, welche das Sendesignal erzeugt (und ggf. über einen D/A-Wandler als Analog-Signal zur Verfügung stellt, das ggf. über eine Mischerstufe mit einem Lokaloszillator in den gewünschten Frequenzbereich umgesetzt wird) und damit die jeweilige Sendeantenne speist, wobei im Zuge der Signal-Auswertung, unabhängig vom tatsächlich gewählten Verfahren, von der gesendeten elektromagnetischen Welle die Kenndaten zu ihrer Frequenz f_s, Phase Φ_s, Polarisation p_s, Amplitude a_s und Antennen-Hauptstrahl-Richtung, ihrerseits definiert durch einen Horizontalwinkel x_s und einen Vertikalwinkel y_s, sowie Antennengewinn g_s und physikalischer Position der Sendeantenne (u_s,v_s,w_s) und physikalischer Orientierung der Sendeantenne (beschrieben durch einen Vektor r_s, \vec{r_s}) im Raum, verwendet werden können. Dabei können alle Parameter ihrerseits von der Zeit t und wiederum allen anderen Parametern abhängen.
Die Sendeeinheit 26 kann dabei sowohl im Zeit- wie auch im Frequenzbereich arbeiten. - - Es kann eine Empfangseinheit 28 vorgesehen werden, die auch mit der Sendeeinheit 26 zusammenfallen kann, welche die an jeder Empfangsantenne empfangene elektromagnetische Welle (welche ggf. über eine Mischerstufe mit einem Lokaloszillator in einen anderen Frequenzbereich, z.B. Basisband, umgesetzt wird und ggf. über einen AD-Wandler als abgetastetes Digitalsignal vorliegt) auswertet und im Zuge der Signal-Auswertung, unabhängig vom tatsächlich gewählten Verfahren, von der empfangenen elektromagnetischen Welle die Kenndaten zu ihrer Frequenz f_e, Phase Φ_e, Polarisation p_e, Amplitude a_e und Antennen-Hauptstrahl-Richtung, ihrerseits definiert durch einen Horizontalwinkel x_e und einen Vertikalwinkel y_e, sowie Antennengewinn g_e und physikalischer Position der Empfangsantenne (u_e,v_e,w_e) und physikalischer Orientierung der Empfangsantenne (beschrieben durch einen Vektor r_e, \vec{r_e}) im Raum, verwendet werden können. Dabei können alle Parameter ihrerseits von der Zeit t und wiederum allen anderen Parametern abhängen.
Die Empfangseinheit 28 kann dabei sowohl im Zeit- wie auch im Frequenzbereich arbeiten. - - Es kann eine Prozessoreinheit bzw.
Recheneinheit 30 vorgesehen werden, in welcher die Weiterverarbeitung aller Sende- und Empfangssignale erfolgt. Hierbei können alle bekannten, nämlich entweder aufgrund Vorgabe und/oder durch Messung, Informationen f_s, f_e, Φ_s, Φ_e, p_s, p_e a_s, a_e, x_s, x_e, y_s, y_e und t von sowohl Sende- (Index „s“) als auch Empfangssignalen (Index „e“) und Polarisation p_s, p_e, Gewinn g_s, g_e, Position (u_s,v_s,w_s), (u_e,v_e,w_e) und physikalischer Orientierung der Antennen (beschrieben durch einen Vektor r_s, r_e, \vec{r_s}), \vec{r_e}) im Raum von sowohl Sende- (Index „s“) wie auch Empfangsantennen (Index „e“) dazu herangezogen werden können, die Radardaten von den ungewünschten Störeinflüssen („Noise“, „Clutter“) zu befreien und die gewünschten Information aus den Radardaten zu extrahieren, und/oder um die Radardaten geeignet weiterverarbeiten zu können. - - Die durch eine geeignete Auswertung und Signalverarbeitung der Daten der Radaraufnahmen gewonnenen Informationen können beispielsweise, aber nicht abschließend, sein: Position, Lage, Orientierung und Größe der Spargelstangen 14, ein- oder mehrdimensional rekonstruierte
Bilder der Spargelstangen 14 und ihrer Umgebung (Wurzelwerk, Spargelwall, etc.), Rekonstruiertes Bild, das einen Schnitt durchden Erdwall 10 darstellt,Wassergehalt der Spargelstangen 14, und Spargel-Wall-Parameter wie Wasser- und Feuchtegehalt des Erdwalls 10,Dichte der Spargelstangen 14zueinander im Erdwall 10, usw. - - Messungen mit verschiedenen Polarisationen können dabei, ggf. auch unterstützend zu einem der vorstehend erläuterten Verfahren, dazu eingesetzt werden, die Orientierung des Spargels zu ermitteln. Denn beispielsweise wird die Reflexion / Frequenzantwort des Spargels bei einer gewählten Polarisation von seinem tatsächlichen Verlauf abhängen.
- - Wie für Radar typisch lässt sich auch problemlos eine Abstandsmessung durchführen, welche, ggf. auch unterstützend zu einem der vorstehend erläuterten Verfahren, dazu eingesetzt werden kann, den Abstand der Spargelpflanze von einer jeden einzelnen Antenne zu ermitteln und damit seine Positionsbestimmung durchzuführen.
- - Bei allem Vorgenannten kann das konkret zugrundeliegende Radarsystem entweder im Zeit- und/oder im Frequenzbereich arbeiten. Vertreter für ein System im Zeitbereich wären beispielsweise das Puls-, oder auch das PN-Radar („Pseudo Noise Radar“). Im Frequenzbereich wäre der Einsatz von Stepped-Frequency-, oder FMCW-Radare prominente Vertreter. Bei Radarsystemen, die im Frequenzbereich arbeiten, kann direkt durch Wahl der Frequenzen, bei denen Daten aufgezeichnet werden, der Frequenzbereich sowie die Bandbreite der Messung festgelegt werden. Bei Radarsystemen, die im Zeitbereich arbeiten, kann dies prinzipiell nach einer Messung dadurch erfolgen, dass nach einer geeigneten Transformation der Zeitbereichsdaten in den Frequenzbereich dort eine Frequenzselektion stattfindet, ggf. gefolgt von einer geeigneten Rücktransformation in den Zeitbereich. Die Auswertung der Daten im Frequenzbereich kann dabei, ggf. auch unterstützend zu einem der vorstehend erläuterten Verfahren, dazu eingesetzt werden, frequenzspezifische Antwort-Eigenschaften des Spargels auf elektromagnetische Wellen für seine Detektion und Lagebestimmung auszunutzen. Gleiches gilt für denkbare Verfahren zur Messung der genannten Erdwall-Parameter.
- - Grundsätzlich kann die Weiterverarbeitung der Radar-Rohdaten im Frequenz- und/oder im Zeitbereich erfolgen. Wobei eine Transformation der Daten zwischen beiden Räumen etwa mittels der Fourier Transformation möglich ist. Im jeweils geeigneten mathematische Raum können sodann Rekonstruktions-/Migrations-Algorithmen wie etwa Delay-and-Sum, FK-Algorithmus (Frequenz-Wellenzahl-Algorithmus), oder andere Methoden, etwa solche, die der Rekonstruktion ein physikalisches Modell der Wellenausbreitung zugrunde legen, angewendet werden, um aus den Radardaten ein ein- oder mehrdimensionales (Teil-) Bild des, bzw. einen Schnitt durch das Observationsvolumen zu erhalten. Auch eine Mikrowellen-Tomographie des gesamten Volumens, oder eines Teils davon, ist denkbar. Ebenfalls denkbar ist die Anwendung hochauflösender Verfahren auf die Radardaten, wobei als Vertreter der MUSIC-, ESPRIT- und Maximum-Likelihood-Algorithmus, sowie Verfahren aus dem Kontext des space-time adaptive processing zu nennen sind. Mittels statistischer Verfahren können die Radardaten auf bestimmte Merkmale hin untersucht werden und die Ergebnisse entweder eigenständig, oder aber unterstützend zu einem der vorstehenden Verfahren eingesetzt werden.
- - Die Weiterverarbeitung der Radardaten lässt sich jedoch nicht nur per Software durchführen. Es ist auch denkbar, die beschriebenen Signalverarbeitungsprozesse der Radardaten entweder ganz, oder aber wenigstens zum Teil, in Hardware (beispielsweise in einem FPGA oder dezidierten Signalprozessor) zu realisieren, was etwa eine beschleunigte Berechnung ermöglicht.
- - Anstatt das Radarsystem während des Erntebetriebs ständig mit der (nicht dargestellten) Spargelerntemaschine zu verbinden ist es auch möglich, dass das Radarsystem durch eigene Transportmittel im Bereich der Erdwälle 10 bewegt oder nur zeitweise mit der Erntemaschine verbunden ist. In einem solchen Fall wird die Topographie des Spargels (Stangen und/oder Wurzeln) zunächst ermittelt und die zugehörigen Werte des Steuersignals s werden in einem Speichermedium abgespeichert, das beispielsweise als HalbleiterBauelement, als magnetischer und/oder als opto-magnetischer Speicher gestaltet sein kann. Diese abgespeicherten Werte können danach zur Steuerung bzw. Regelung verwendet werden, wie für Vorrichtungen einer Erntemaschine, für Vorrichtungen einer Düngemaschine und/oder zur Anzeige der Topographien auf einer Anzeigeeinheit für einen Nutzer.
- - A
transmission unit 26 can be provided, which generates the transmission signal (and possibly via a D/A converter as an analog signal which, if necessary, is converted into the desired frequency range via a mixer stage with a local oscillator) and thus feeds the respective transmitting antenna, whereby in the course of the signal evaluation, regardless of the method actually selected, the characteristics of the transmitted electromagnetic wave are obtained Frequency f_s, phase Φ_s, polarization p_s, amplitude a_s and antenna main beam direction, in turn defined by a horizontal angle x_s and a vertical angle y_s, as well as antenna gain g_s and physical position of the transmitting antenna (u_s,v_s,w_s) and physical orientation of the transmitting antenna ( described by a vector r_s, \vec{r_s}) in space, can be used. All parameters can in turn depend on time t and all other parameters. The transmittingunit 26 can work in both the time and frequency domains. - - A
receiving unit 28 can be provided, which can also coincide with the transmittingunit 26, which converts the electromagnetic wave received at each receiving antenna (which may be converted into another frequency range, e.g. baseband, via a mixer stage with a local oscillator) and, if necessary, via an AD converter is present as a sampled digital signal) and in the course of the signal evaluation, regardless of the method actually selected, the characteristics of the received electromagnetic wave for its frequency f_e, phase Φ_e, polarization p_e, amplitude a_e and antenna main beam direction , in turn defined by a horizontal angle x_e and a vertical angle y_e, as well as antenna gain g_e and physical position of the receiving antenna (u_e,v_e,w_e) and physical orientation of the receiving antenna (described by a vector r_e, \vec{r_e}) in space can. All parameters can in turn depend on time t and all other parameters. The receivingunit 28 can work in both the time and frequency domains. - - A processor unit or
computing unit 30 can be provided, in which the further processing of all transmission and reception signals takes place. Here, all known information f_s, f_e, Φ_s, Φ_e, p_s, p_e a_s, a_e, x_s, x_e, y_s, y_e and t from both transmission (index "s") can be used, either based on specification and/or through measurement. as well as received signals (index "e") and polarization p_s, p_e, gain g_s, g_e, position (u_s,v_s,w_s), (u_e,v_e,w_e) and physical orientation of the antennas (described by a vector r_s, r_e, \vec{r_s}), \vec{r_e}) in the space of both transmitting (index "s") and receiving antennas (index "e") can be used to separate the radar data from unwanted interference ("noise", “Clutter”) and to extract the desired information from the radar data, and/or to be able to further process the radar data appropriately. - - The information obtained through suitable evaluation and signal processing of the data from the radar recordings can be, for example, but not exhaustive: position, position, orientation and size of the
asparagus spears 14, one- or multi-dimensionally reconstructed images of theasparagus spears 14 and their surroundings (root system, asparagus wall , etc.), reconstructed image that shows a section through theearth bank 10, water content of theasparagus spears 14, and asparagus wall parameters such as water and moisture content of theearth bank 10, density of theasparagus spears 14 relative to one another in theearth bank 10, etc. - - Measurements with different polarizations can be used, possibly also in support of one of the methods explained above, to determine the orientation of the asparagus. For example, the reflection / frequency response of asparagus will depend on its actual course with a selected polarization.
- - As is typical for radar, a distance measurement can also be carried out without any problems, which, if necessary in support of one of the methods explained above, can be used to determine the distance of the asparagus plant from each individual antenna and thus determine its position.
- - With all of the above, the specific underlying radar system can work either in the time and/or frequency domain. Representatives of a system in the time domain would be, for example, the pulse or PN radar (“pseudo noise radar”). In the frequency range, the use of stepped frequency or FMCW radars would be prominent representatives. For radar systems that work in the frequency range, the frequency range and the bandwidth of the measurement can be determined directly by selecting the frequencies at which data is recorded. In the case of radar systems that work in the time domain, this can in principle be done after a measurement in that, after a suitable transformation of the time domain data into the frequency domain, a frequency selection takes place there, possibly followed by a suitable inverse transformation into the Time range. The evaluation of the data in the frequency range can be used, if necessary in support of one of the methods explained above, to exploit frequency-specific response properties of the asparagus to electromagnetic waves for its detection and position determination. The same applies to conceivable methods for measuring the earth wall parameters mentioned.
- - In principle, the raw radar data can be further processed in the frequency and/or time domain. A transformation of the data between the two spaces is possible, for example using the Fourier transformation. Reconstruction/migration algorithms such as delay-and-sum, FK algorithm (frequency-wavenumber algorithm), or other methods, such as those that base the reconstruction on a physical model of wave propagation, can then be used in the appropriate mathematical space. can be used to obtain a one- or multi-dimensional (partial) image of, or a section through, the observation volume from the radar data. Microwave tomography of the entire volume, or part of it, is also conceivable. It is also conceivable to apply high-resolution methods to the radar data, examples of which include the MUSIC, ESPRIT and maximum likelihood algorithms, as well as methods from the context of space-time adaptive processing. Using statistical methods, the radar data can be examined for specific characteristics and the results can be used either independently or to support one of the above methods.
- - However, further processing of the radar data cannot only be carried out using software. It is also conceivable to implement the described signal processing processes of the radar data either entirely or at least in part in hardware (for example in an FPGA or dedicated signal processor), which enables accelerated calculation.
- - Instead of constantly connecting the radar system to the asparagus harvester (not shown) during harvesting, it is also possible for the radar system to be moved in the area of the
earthworks 10 using its own means of transport or to be only temporarily connected to the harvester. In such a case, the topography of the asparagus (stalks and/or roots) is first determined and the associated values of the control signal s are stored in a storage medium, which can be designed, for example, as a semiconductor component, as a magnetic and/or as an opto-magnetic memory. These stored values can then be used for control or regulation, such as for devices of a harvesting machine, for devices of a fertilizer machine and/or for displaying the topographies on a display unit for a user.
ReferenzzeichenlisteReference character list
- 1010
- Erdwallearth wall
- 1212
- Wurzelballenroot ball
- 1414
- SpargelstangenAsparagus spears
- 1616
- Oberfläche des ErdwallsSurface of the earth wall
- 1818
- Oberer Punkt des WurzelballensTop point of the root ball
- 2020
- Sendeantennetransmitting antenna
- 2222
- Empfangsantennereceiving antenna
- 2424
- RadargerätRadar device
- 2626
- SendeeinheitTransmitting unit
- 2828
- EmpfangseinheitReceiving unit
- 3030
- RecheneinheitComputing unit
- 120120
- linke Antenneleft antenna
- 122122
- rechte Antenne right antenna
- DEEN
- vertikaler Abstand zwischen Antennen und Erdwallvertical distance between antennas and earth wall
- DWDW
- vertikaler Abstand zwischen Antennen und Wurzelballenvertical distance between antennae and root ball
- DgesDges
-
horizontaler Abstand zwischen den Antennen (
3 )horizontal distance between antennas (3 ) - DliDli
- horizontaler Abstand zwischen linker Antenne und Erdwallhorizontal distance between left antenna and earth wall
- DreDr
- horizontaler Abstand zwischen rechter Antenne und Erdwallhorizontal distance between right antenna and earth wall
- PP
- PfeilArrow
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-
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