CN110651285B - 农业系统 - Google Patents

Abstract

一种系统，其包括雷达传感器(210)，该雷达传感器(210)被配置为获取表示农用田地(102)中的条带(104)的雷达数据(212)；该系统还包括被配置为基于雷达数据(212)确定条带属性数据(216)的控制器(214)。

Description

农业系统

技术领域

本发明涉及一种用于农业的系统。

背景技术

确定要由诸如打捆机(baler)、草料收割机(forage harvester)或割晒机(windrower)之类的农用交通工具收集/拾取的条带(swath)的属性对于改善条带收集的操作会是有益的。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种系统，包括：

雷达传感器，雷达传感器被配置为获取表示农用田地中的条带的雷达数据；以及

控制器，控制器被配置为基于雷达数据确定条带属性数据(swath-property-data)。

有利的是，由雷达传感器生成的雷达波能够穿透通常在农业环境中存在的诸如尘土的遮蔽物。以这种方式，雷达传感器能够生成更好地表示条带的雷达数据。

雷达传感器可以包括定向雷达传感器。条带属性数据可以包括表示条带的横截面面积的条带面积数据(swath-area-data)。

控制器可以被配置为：

处理雷达数据以确定：

(i)条带轮廓数据(swath-profile-data)，条带轮廓数据表示条带的外表面的位置；以及

(ii)地面轮廓数据(ground-profile-data)，地面轮廓数据表示地面的位置；以及

处理条带轮廓数据和地面轮廓数据，以确定条带面积数据。

条带属性数据可以包括表示条带的体积的条带体积数据(swath-volume-data)。

条带属性数据可以包括异物指示符数据(foreign-object-indicator-data)。控制器可以被配置为：如果如由雷达数据表示的反射雷达信号的功率大于功率阈值水平，则将异物指示符数据设置为表示检测到异物。

条带属性数据可以包括表示条带的湿度和/或密度的条带湿度数据(swath-moisture-data)和/或条带密度数据(swath-density-data)。

控制器可以被配置为基于雷达数据的相位和/或振幅来设置条带湿度数据和/或条带密度数据。

雷达传感器可以与农用交通工具相关联，并且可以被配置为获取表示农用交通工具附近的农用田地中的条带的雷达数据。

控制器可以被配置为基于条带属性数据来确定用于农用交通工具的交通工具控制指令。

交通工具控制指令可以包括：用于自动控制农用交通工具的行驶的方向的交通工具转向指令；和/或用于自动控制农用交通工具的速度的交通工具速度指令。

交通工具控制指令可以被配置为使输出设备向农用交通工具的操作员提供指令以设置农用交通工具的速度和/或行驶的方向。

该系统还可以包括被配置为根据交通工具控制指令操作的农用交通工具。农用交通工具可以包括拖拉机、打捆机、草料收割机或割晒机。

可以提供一种计算机程序，当该计算机程序在计算机上运行时，使计算机配置包括本文公开的控制器、处理器、机械、交通工具或设备的任何装置或执行本文公开的任何方法。计算机程序可以是软件实现，并且计算机可以被认为是任何适当的硬件，作为非限制性示例，包括数字信号处理器、微控制器以及在只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)或电子可擦除可编程只读存储器(EEPROM)中的实现。

可以在计算机可读介质上提供计算机程序，该计算机可读介质可以是物理计算机可读介质，诸如盘或存储器设备，或者可以被实施为瞬态信号。这样的瞬态信号可以网络下载，包括互联网下载。

附图说明

现在将通过示例的方式并参考附图来描述本发明的实施例，在附图中：

图1a示出了农用田地的示例；

图1b示意性地示出了条带的横截面；

图2示意性地示出了与确定条带属性数据相关联的系统；

图3a和图3b示出了其中雷达传感器可以定位在农用交通工具上的位置的示例；

图4示出了通过雷达传感器如何可以对条带进行成像的示例；

图5示出了通过雷达传感器如何可以对条带进行成像的另一个示例；以及

图6示意性地示出了可以基于条带属性数据确定用于农用交通工具的交通工具控制指令的系统。

具体实施方式

图1a示意性地示出了农用田地102。田地102包括作物材料的行，其可以是干草、稻草或以条带104的形式已被留在田地102中的类似产物。条带104是所讨论的产物的细长行，其堆积在横向中心并且趋于在各自的横向边缘处变平。典型地，如图1a所示，已经过收获的田地102包含许多基本上相互平行的条带104。条带104彼此间隔开基本一致的间隙。作为非限制性示例，条带104中的作物材料可以由诸如打捆机、草料收割机或割晒机之类的农用机械来拾取。

图1b示意性地示出了在地面106上的条带的行104的横截面。

图2示意性地示出了用于确定条带属性数据216的系统，条带属性数据216表示田地中的条带的一个或多个属性。该系统包括雷达传感器/雷达系统210，其可以获取表示农用田地中的条带的雷达数据212。如下面将更详细讨论的，雷达传感器210可以安装在农用机械(未示出)上，并且可以在农用机械正在从田地拾取条带时操作。即，雷达传感器210可以具有包含要拾取的条带的部分的视野。

该系统还包括控制器214，控制器214可以基于雷达数据212来确定条带属性数据216。将认识到的是，控制器214可以位于农用机械上，或者远离农用机械。例如，控制器214的功能可以在远程服务器上(诸如“云中”的服务器)上执行。

有利的是，由雷达传感器210生成的雷达波能够穿透通常在农业环境中存在的诸如尘土之类的遮蔽物。因此，与光学传感器系统相比，使用雷达传感器210可以被认为是有益的。这是因为雷达传感器210可以使用具有足够长的波长的电磁波，使得由遮蔽物导致的散射低。以这种方式，雷达传感器210能够生成比用光学传感器能够生成的更好地表示感兴趣的物体(如将在下面讨论的，包括条带和/或地面)的雷达数据212。因此，可以在具有挑战性的环境条件下提高可靠性。

还有利的是，雷达传感器210可以在夜晚和有雾的条件下使用，这对于光学系统可能是不可能的或不方便的。

雷达数据212可以表示：(i)到检测到的物体的距离；以及可选地(ii)反射的雷达信号的功率/振幅；和/或(iii)发射的雷达信号和接收到的雷达信号之间的相位差。本文描述的任何雷达传感器可以是二维雷达传感器或三维雷达传感器。

在一些示例中，雷达传感器210包括定向雷达传感器。即，它可以生成表示以下两者的雷达数据212：(i)到检测到的物体的距离；以及(iv)从雷达传感器210到该检测到的物体的方向。雷达数据212可以被提供为表示已从其接收到反射雷达信号的位置的多个坐标，并且在这个示例中，它们被提供为极坐标。

定向雷达传感器可以被实现为MIMO(多入多出)雷达传感器或相控阵雷达传感器。两者都是本领域众所周知的。可以实现相控阵雷达传感器：用于对由雷达发射天线发射的信号进行波束成形；和/或用于对在雷达接收天线处接收到的信号进行波束成形。(如本领域中已知的，雷达发射天线可以是与雷达接收天线相同的物理天线)。(此外，对于MIMO雷达，也可以执行波束成形)。

条带属性数据216可以包括表示条带的横截面面积的条带面积数据。横截面可以在横向于条带的细长行的纵向方向的方向上，该方向也可以横向于要拾取条带的农用交通工具的移动的方向。这样的横截面在图1b中示出。

条带属性数据216可以包括表示条带的横向宽度的条带宽度数据(swath-width-data)。

条带属性数据216可以包括表示条带高度的条带高度数据(swath-height-data)。

条带属性数据216可以包括表示条带的中心的条带中心数据(swath-center-data)。条带中心数据可以是一维的，因为它可以表示条带的横向中心(如图1b所示的条带的从一侧到另一侧)或条带的高度中心(如图1b所示的条带的从上到下)，或者条带中心数据可以是二维的，因为它可以表示条带的横向中心和条带的高度中心两者。

条带属性数据216可以包括表示条带的末端的位置的条带末端数据(swath-extremity-data)。条带末端数据可以是一维的，因为它可以表示条带的横向末端或条带的高度末端。此外，条带末端数据可以是二维的，因为它可以表示条带的横向末端和高度末端两者。条带属性数据也可以包括条带轮廓数据，该条带轮廓数据表示条带的周长。

条带属性数据216可以包括表示条带的体积的条带体积数据。下面将参考图4描述控制器214如何能够确定条带面积数据以及条带体积数据的一个示例的进一步细节。

在一些示例中，条带属性数据216包括异物指示符数据，其表示是否已检测到异物。有利的是，通过适当地选择雷达波的频率，雷达数据212可以表示条带内的物体。即，在条带内部存在的物体可以提供由雷达数据212表示的附加反射。因此，可以提前识别条带内部异物的存在，并且在农用交通工具拾取包含异物的条带之前可以对农用交通工具采取适当的动作。

如果反射的雷达信号的功率/振幅大于功率阈值水平，则控制器214可以将异物指示符数据设置为表示异物存在。这对于检测金属异物尤其是有用的，因为已知金属物体会提供具有高功率的反射雷达信号。

有利的是，控制器214可以处理雷达数据212以检测非铁磁异物的存在。因此，雷达传感器210可以用于检测金属检测器无法检测到的物体，诸如铟和铝物体。如将认识到的，拾取此类异物可能对拾取条带的农用机械和/或随后例如处置以草捆形式的已处理的条带的任何机械或人造成极大伤害。

此外，控制器214可以基于到检测到的物体的距离来将异物指示符数据设置为表示异物。特别地，基于检测到的物体与到地面和/或条带的距离之间的差异，如将在下面参考图5描述的。

在一些示例中，条带属性数据216可以包括表示条带的湿度的条带湿度数据。控制器214可以基于雷达数据212的相位和/或振幅来设置条带湿度数据。例如，可以执行一个或多个校准操作来确定条带的湿度如何影响反射的雷达信号的相位和/或振幅，使得算法参数值可以存储在存储器中，或者数据库可以加载有适当的参考值。然后，在使用时，控制器214可以应用适当的算法(具有设定的参数值)，或者使用存储在数据库中的数据，以基于接收到的雷达数据来确定条带湿度数据。

在一些示例中，条带属性数据216可以包括表示条带的湿度的条带密度数据。控制器214可以以与如上所讨论的条带湿度数据相同的方式基于雷达数据212的相位和/或振幅来设置条带密度数据。

图3a和图3b示出了雷达传感器310a、310b可以定位在农用交通工具上的位置的示例。在这个示例中，农用交通工具是牵引打捆机的拖拉机。在其它示例中，农用交通工具可以是打捆机、草料收割机、拖拉机或割晒机。这些交通工具中的任何一种都可以是或可以不是自推进的。

在图3a中，雷达传感器310a位于农用交通工具的下部，使得其具有低视野318a。在图3b中，雷达传感器310b位于农用交通工具的上部，使得其具有高视野318b。将雷达放在较高位置的优点是可以增加视野。但是，这可能涉及与降低横向范围(cross-range)分辨率的折衷，横向范围分辨率是在垂直于波的平面中检测物体的能力。横向范围分辨率可以取决于角度分辨率和距离。

雷达传感器可以以任何方式与农用交通工具相关联，使得其获取表示农用交通工具附近的农用田地中的条带的雷达数据。如图3a和图3b所示，雷达传感器的视野318a、318b位于农用机械的前面(在交通工具拾取条带时正在移动的方向上)，使得雷达数据表示农用交通工具的前面的条带。在其它示例中，雷达传感器可以具有在农用机械的侧面的视野(在横向于交通工具拾取条带时正在移动的方向的方向上)，使得雷达数据表示农用交通工具的侧面的条带。这样的示例可以用于扫描将由农用交通工具随后拾取的条带的平行行。即，可以获取与由农用交通工具正在拾取的过程中的行不同的条带行的条带属性数据。这可以允许在农用机械拾取条带的平行行之前确定计划和未来的控制操作。

在一些示例中，雷达传感器可以位于另一个交通工具(未示出)上，该另一个交通工具与要拾取条带的农用机械不同，但是仍然可以被认为与农用机械相关联。例如，因为另一个交通工具可以被控制为使得它采取与农用机械相关联的路线，或者以其它方式相对于农用交通工具定位。另一个交通工具可以是有人驾驶或无人驾驶交通工具，并且可以是陆地或空中飞行器(无人驾驶飞行器可以被称为无人驾驶飞机(drone))。飞行器的使用可以使得能够在相对高的高度处从雷达传感器获取雷达数据，以获得田地的概况，从而提供广泛的视野。随后或替代地，飞行器可以与农用交通工具一起保持在较低的高度。例如，通过在农用交通工具上方或前方飞行。收集到的雷达数据可以被流传输到控制器和/或“云”。

图4示出了用于获取表示土壤上的条带的雷达数据的定向雷达传感器410的示例。雷达数据表示两个截然不同的轮廓：(i)条带轮廓404(如由雷达数据的可以被视为条带轮廓数据的部分所表示的)，其表示条带的外表面的位置；以及(ii)地面轮廓406(如由雷达数据的可以视为地面轮廓数据的部分所表示的)，其表示地面/土壤的表面的位置。通过适当地选择雷达信号422、424的操作频率，雷达波可以穿透条带。以这种方式，可以检测到由于条带轮廓和土壤两者被反射的雷达信号423、425。

因此，控制器可以处理条带轮廓数据和地面轮廓数据，以便确定表示条带的横截面积的条带面积数据。此外，在使用三维雷达传感器410的示例中，条带轮廓数据和地面轮廓数据可以表示三维轮廓，并且控制器可以处理条带轮廓数据和地面轮廓数据，以便确定表示条带的体积的条带体积数据。

图5示出了定向雷达传感器510的示例，定向雷达传感器510用于获取表示土壤上的条带的雷达数据，其中异物位于该条带中。以与图4相同的方式，雷达数据表示条带轮廓504和地面轮廓506。在这个示例中，雷达数据还包括如由反射雷达信号527所表示的异物数据，该反射雷达信号527由条带内的异物526反射回雷达传感器510。如以上所讨论的，如果反射雷达信号527的功率/振幅大于功率阈值水平，则控制器可以将雷达数据的部分确定为异物数据(并因此相应地设置异物指示符数据)。

在一些示例中，控制器可以基于到检测到的物体526的距离将雷达数据的部分确定为异物数据(并因此相应地设置异物指示符数据)。例如，控制器可以针对特定方向确定到地面506和/或条带504的外表面的距离。控制器可以基于反射的雷达信号与在其它方向上接收到的雷达信号的相关性(例如在距离/功率/相位中的一个或多个方面)将反射的雷达信号关联为与地面或条带相关联。然后，如果雷达数据还包括与条带轮廓数据或地面轮廓数据没有足够相关的反射雷达信号527，则控制器可以确定反射雷达信号527与异物相关联。在一个示例中，如果反射雷达信号527表示来自距条带轮廓504和/或地面轮廓506超过阈值距离的物体的反射，则反射雷达信号527可以被认为不足以与条带轮廓数据或地面轮廓数据相关。

在一些示例中，控制器可以应用不同的功率阈值水平来确定是否将检测到的物体分类为异物。例如，如果反射雷达信号527表示来自物体的反射，该物体：

·如果距条带轮廓504或地面轮廓506小于阈值距离，则控制器可以将反射雷达信号527的功率与第一功率阈值进行比较；以及

·如果距条带轮廓504和/或地面轮廓506大于阈值距离，则控制器可以将反射雷达信号527的功率与第二功率阈值进行比较。

(当潜在的异物不在条带外部附近时应用的)第二功率阈值可以低于第一功率阈值，这是基于反射雷达信号527不太可能来自条带或地面的表面中的不连续性(discontinuity)。

图6示意性地示出了可以基于条带属性数据616来确定用于农用交通工具630的交通工具控制指令628的系统。

该系统包括雷达传感器610，雷达传感器610可以是本文所述的任何雷达传感器。雷达传感器610将雷达数据612提供给控制器614。控制器614处理雷达数据612并确定条带属性数据616，条带属性数据616可以是本文所述的任何类型的条带属性数据616。控制器614还处理条带属性数据616，以便确定农用机械630的交通工具控制指令628。如以上所讨论的，作为非限制性示例，农用机械630可以是打捆机、草料收割机、拖拉机或割晒机，并且可以是或可以不是自推进的。

交通工具控制指令628可以包括用于自动控制农用机械630的行驶的方向的交通工具转向指令。以这种方式，如果控制器614确定农用机械630未在条带上处于中心(例如通过识别(i)如由例如条带中心数据定义的条带的横向中心与(ii)农用机械630的拾取器/头部的横向中心之间的偏移)，那么控制器614可以提供交通工具控制指令628，交通工具控制指令628使得调节农用机械630的转向以便相对于条带使农用交通工具630处于中心(例如以减少偏移)。在一些示例中，控制器614可以通过利用雷达传感器610的视野与农用机械630的拾取器/头部的中心之间的已知关系来确定农用机械630的拾取器/头部的中心和/或偏移。例如，雷达传感器610的视野的横向中心可以与农用机械630的拾取器/头部的横向中心对应。

以这种方式，农用机械630可以被自主地控制，使得它以改进的方式(例如，导致浪费/错过更少条带的方式)拾取条带。即，例如可以通过识别条带轮廓来提供条带指导。

交通工具控制指令628可以还包括或替代地包括用于自动控制农用机械630的速度的交通工具速度指令。例如，控制器614可以确定作物面积数据或作物体积数据(作为条带属性数据616)，并且基于作物面积数据或作物体积数据提供交通工具速度指令。在一个示例中，当雷达数据612表示作物面积数据或作物体积数据的值减小时，控制器614可以提供自动使农用机械630的速度增大的交通工具速度指令，反之亦然。在一些示例中，控制器614可以将算法应用于作物面积数据或作物体积数据以便确定交通工具速度指令。在其它示例中，控制器614可以基于作物面积数据或作物体积数据使用数据库或查找表来确定交通工具速度指令。

以这种方式，可以例如基于条带的体积或横截面积来执行对农用交通工具630(其可以是拖曳打捆机的拖拉机)的速度的前馈控制。

在一些示例中，控制器614可以基于异物指示符数据(其是条带属性数据616的示例)来确定交通工具控制指令628。例如，控制器614可以确定用于在检测到的异物前面自动停止农用交通工具630的交通工具速度指令。在一些示例中，控制器614可以还使输出设备(诸如显示器或音频设备)向农用交通工具630的操作员提供表示检测到的异物的信息。例如，它在条带中的位置或其大小，或将有助于操作员清除异物的任何其它信息。

在一些示例中，控制器614可以确定用于自动使农用交通工具630围绕检测到的异物转向的交通工具转向指令。此外，在一些示例中，控制器614可以确定用于自动控制农用机械630的拾取器/头部使得它不拾取异物附近的条带的交通工具拾取指令。例如，交通工具拾取指令可以自动控制拾取器/头部，使得在检测到的异物前面拾取器/头部被升高(或者农用交通工具630以其它方式置于非拾取模式)；并且随后在检测到的异物后面拾取器/头部被降下(或农用交通工具630以其它方式置于拾取模式)。

在一些示例中，交通工具控制指令628可以使输出设备(诸如农用交通工具630的驾驶室中的显示器或音频设备)向农用交通工具630的操作员提供指令以设置农用交通工具630的行驶速度和/或行驶方向。

以这种方式，可以在异物(诸如石头或金属物体)被收割之前执行异物检测。在铟或铝物体可能无法被金属检测系统检测到的情况下，这对于自推进的草料收割机尤其是有用的。在收割这些异物之前对其进行检测是特别有利的，因为与从农用机械内部相比，农用机械的操作员能更快、更容易地从条带中去除异物。因此，与异物被放入到农用机械630中的情况相比，这可以使得作物的收割操作高效得多。

从以上描述中将认识到的是，通过对雷达数据进行适当的后处理，可以理解与每次反射相关的距离。此外，通过使用MIMO雷达，还可以从反射点的空间位置(距离和到达的角度)获取信息。此外，通过处理雷达信号波形的形状(例如，振幅、相位)，控制器可以确定关于条带的物理和/或化学信息(例如，密度、湿度)。

将认识到的是，本文公开的任何控制操作，诸如设置打捆机或相关联的拖拉机的行驶速度或行驶方向，可以通过将数据与一个或多个阈值进行比较、将算法应用于数据或基于接收到的/确定的数据使用查询表/数据库确定控制值来执行。

Claims (13)

1.一种农业系统，包括：

雷达传感器，被配置为获取表示农用田地中的条带的雷达数据；以及

控制器，被配置为基于所述雷达数据确定条带属性数据，其中条带属性数据包括表示条带的横截面积的条带面积数据，

其中所述条带属性数据包括异物指示符数据，异物指示符数据表示条带内的异物；以及

其中当物体距条带轮廓小于阈值距离，控制器被配置为如果由所述雷达数据表示的反射雷达信号的功率大于第一功率阈值则将异物指示符数据设置为表示检测到异物。

2.如权利要求1所述的系统，其中当物体距条带轮廓大于阈值距离，控制器被配置为如果由所述雷达数据表示的反射雷达信号的功率大于第二功率阈值则将异物指示符数据设置为表示检测到异物，第二功率阈值低于第一功率阈值。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述雷达传感器包括定向雷达传感器。

4.如权利要求1所述的系统，其中所述控制器被配置为：

处理所述雷达数据以确定：

(i)条带轮廓数据，条带轮廓数据表示所述条带的外表面的位置；以及

(ii)地面轮廓数据，地面轮廓数据表示所述地面的表面的位置；以及

处理所述条带轮廓数据和所述地面轮廓数据，以便确定所述条带面积数据。

5.如权利要求3所述的系统，其中所述条带属性数据包括表示所述条带的体积的条带体积数据。

6.如权利要求1所述的系统，其中所述条带属性数据包括表示条带的湿度和/或密度的条带湿度数据和/或条带密度数据。

7.如权利要求6所述的系统，其中所述控制器被配置为基于所述雷达数据的相位和/或振幅来设置所述条带湿度数据和/或条带密度数据。

8.如权利要求1所述的系统，其中所述雷达传感器与农用交通工具相关联，并且被配置为获取表示所述农用交通工具附近的农用田地中的条带的雷达数据。

9.如权利要求8所述的系统，其中所述控制器被配置为基于所述条带属性数据来确定用于所述农用交通工具的交通工具控制指令。

10.如权利要求9所述的系统，其中所述交通工具控制指令包括：

用于自动控制所述农用交通工具的行驶方向的交通工具转向指令；和/或

用于自动控制所述农用交通工具的速度的交通工具速度指令。

11.如权利要求9所述的系统，其中所述交通工具控制指令被配置为使输出设备向所述农用交通工具的操作员提供指令以设置所述农用交通工具的行驶速度和/或行驶方向。

12.如权利要求9所述的系统，其中所述系统还包括被配置为根据所述交通工具控制指令进行操作的农用交通工具。

13.如权利要求12所述的系统，其中所述农用交通工具包括拖拉机、打捆机、草料收割机或割晒机。