CN113396340A - 安全的自主式农用机械 - Google Patents

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Abstract

一种系统(100)包括自主行驶的农用机械(105)和沿农业种植区(110)的边界(115)安装的一系列转换器(120)。转换器(120)被配置成响应于输入的第一信号而发出第二信号。自主行驶的农用机械(105)包括：用于在农用机械(105)的周围环境中发出第一信号的发送装置(130)、用于接收响应于第一信号而发出的第二信号的接收装置(135)以及处理装置，处理装置被配置成基于所接收的第二信号来确定农用机械(105)相对于边界(115)的位置。在此，转换器(120)在边界(115)的第一区段(150)上的布置和/或转换特性被设计成与在边界(115)的第二区段(155)上不同。

Description

安全的自主式农用机械
本发明涉及一种自主式农业设备。本发明尤其涉及一种对可自主行驶的农用机械的控制。
在现代农业中使用自主行驶的农用机械来播种、照料或收割作物。例如，自动联合收割机可以很大程度上自主地收割完谷物田。在此，自动联合收割机自动地转向并且精确地沿着谷物的收割棱边行驶。自主式拖拉机可以伴随联合收割机，并且持续地在挂车中接纳收获的谷物。
与公共道路交通中的自主式机动车辆不同的是，自主式农用机械通常不必考虑其他车辆或交通参与者，并且也通常无关乎交通规则。另一方面可能出现障碍物，例如沟渠、坑洼或斜坡，在公共道路交通中是不必考虑这些障碍物的。此外，农用机械的控制必须根据农业功能进行，该农业功能例如涉及对种植的作物进行处理。必须确保自主式农用机械不容易离开预先确定的农业种植区。
为了确保这一点，通常确定农用机械的绝对位置并且将该绝对位置与农用机械应在其中进行操作的预先确定的地理区域进行比较(“地理围栏”)。如果存在农用机械离开该区域的危险，则可以使该农用机械转向或停止。这种方案的可靠性主要取决于正确的位置确定。如果为此目的使用基于卫星的全球导航系统(GNSS)，则干扰或系统误差可能导致错误地确定位置。在特定的条件下(例如在信号路径被阻断时)，位置确定可能完全失效。
本发明所基于的目的之一在于，提供一种用于可靠地运行可自主行驶的农用机械的经改进的技术。本发明借助于独立权利要求的主题来实现该目的。从属权利要求给出优选的实施方式。
根据本发明的第一方面，一种系统包括自主行驶的农用机械和沿农业种植区的边界安装的一系列转换器。转换器被配置成响应于输入的第一信号而发出第二信号。自主行驶的农用机械包括：用于在所述农用机械的周围环境中发出所述第一信号的发送装置、用于接收响应于所述第一信号而发出的所述第二信号的接收装置、以及处理装置，所述处理装置被配置成基于所接收的第二信号来确定所述农用机械相对于所述边界的位置。在此，转换器在所述边界的第一区段上的布置和/或转换特性被设计成与在所述边界的第二区段上不同。
农用机械接近边界一般表示尚不能明确地确定农用机械的位置的信息。在常见的系统中，转换器大多是统一实施并且等距地布置的，因此这些转换器不允许做出关于农用机械的位置的其他论断。通过所选择的布置和/或转换特性，除了转换器存在于扫描区域中之外还可以提供附加的信息。由此可以区分边界的不同区段。农用机械也可以根据特定的区段来控制。因此，例如可以标记边界的特殊位置，例如用于自主行驶的起点或终点。当接近起点或终点时，农用机械例如可以停止，而在接近其余边界时则改变其路线。
系统不依赖于从卫星辅助的导航系统(例如GPS、GLONASS或GALILEO)接收信号。即使在卫星信号接收条件困难的条件下，也能够通过转换器确保农用机械不离开种植区。因此，能够提高农用机械、种植区的周围环境、种植区外的人或物体的安全性。通过转换器的布置和/或设计所提供的附加位置信息可以用于位置的一阶近似或者与其他信息相融合，以便更准确或更可靠地确定农用机械的位置。农用机械可以在不同区段上对边界做出不同的反应。
所述转换特性优选涉及所述第二信号相对于所述第一信号的强度。如果转换器是反射器，则该反射器可以具有预先确定的形状或大小，以便相应地更强地或不那么强地发出第二信号。如果该转换器是应答器，则该应答器也可以改变频率、调制或者施加到第二信号上的消息，以便提供指配给该转换器的特征信息。在农用机械方面可以已知转换器与其位置之间的指配关系。
所述转换特性可以取决于所述第一信号的类型。例如，转换器可以将可见光、红外光和雷达信号以不同的方式转换成第二信号。其他类型的信号也是可能的。对于n种不同类型的第一信号，可以发出相同数量的第二信号，并且因此彼此区分多达2n个转换器。为此，转换器也可以是多个单个转换器的组合，这些单个转换器分别被指配给一种类型的第一信号。
布置方案可以涉及转换器与相邻转换器间的距离。例如，相应相邻的转换器间的距离可以沿边界严格单调增大，使得两个转换器之间的确定的距离可以指示沿着边界的位置。如果相邻转换器间的距离成对地彼此不同，则已经可以实现该确定。可以任意选择沿边界的距离序列。
布置方案也可以涉及转换器尤其相对于限定的高度或地面的竖直高度。转换器的预先确定的位置可以与某一高度相关联，使得已经可以通过确定唯一的转换器的高度来确定该农用机械的位置。
在还另一个实施方式中，在沿所述边界的至少一个位置处，多个转换器被布置成竖直偏移。该变体可以与本发明所描述的其它变体很好地组合。通过组合由竖直偏移的转换器提供的信息，可以更好地确定转换器的水平位置。
第一信号优选包括电磁波。该波可以处于预先确定的频率范围内并且例如包括可见光、红外光或者雷达信号。在第一变体中，转换器被设计为反射器并且第二信号基本上与第一信号相对应。反射器能够简单、稳定并且成本有效地构造并且不需要自身的能量供应装置。在第二变体中，第一信号和第二信号包括彼此不同的电磁波并且转换器被设计为应答器。转换器例如可以借助RFID或NFC技术来实现。在此，转换器可以具有自己的能量供应装置或者由第一信号的能量馈电。特别优选的是，第二信号承载有应答器的唯一标识。转换器的标识可以分别被指配给位置，使得可以在了解其标识的情况下确定该转换器的位置。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于确定农用机械相对于农业种植区的边界的位置的方法。沿所述边界安装有一系列转换器，其中转换器被配置成响应于输入的第一信号而发出第二信号。该方法优选包括以下步骤：在所述农用机械的周围环境中发出至少一个第一信号；接收已响应于所述至少一个第一信号而发出的至少一个第二信号；以及基于所接收的所述至少一个第二信号来确定所述位置。
尤其可以在本发明所描述的农用机械上执行该方法。应当注意的是，在第一变体中仅发出一个第一信号，在该第一信号的响应中可以不接收第二信号、接收一个或多个第二信号。在第二变体中发出多个第一信号，在该多个第一信号的响应中同样可以不接收第二信号、接收一个或多个第二信号。
根据本发明的第三方面，被配置成用于在农业种植区上自主行驶的农用机械的控制装置包括：发送装置，所述发送装置用于在所述农用机械的周围环境中发出至少一个第一信号；接收装置，所述接收装置用于接收已响应于所述至少一个第一信号而发出的多个第二信号；存储装置，所述存储装置用于存储所述第一信号到所述第二信号的转换器沿所述种植区的边界的位置；以及处理装置。在此，所述处理装置被配置成基于所接收到的第二信号中的一个或多个第二信号来确定所述农用机械相对于所述边界的位置。
通过藉由转换器接收(或没有接收)一个或多个第二信号所能收集到的信息优选可以借助于存储在存储装置中的指配关系来映射到相关转换器的位置上。
处理装置可以被配置成用于全部或部分实施本发明所描述的方法。为此，处理装置可以包括可编程的微型计算机或微型控制器，并且该方法可以以具有程序代码媒介的计算机程序产品的形式存在。计算机程序产品还可以被存储在计算机可读的数据载体上。该方法的特征或优点可以转移至装置或系统，或者反之亦然。
根据本发明的再另一方面，农用机械包括本发明所描述的控制装置。在此，所述农用机械优选地被配置成基于其确定的位置来确定即将驶过所述边界。随后可以提供相应的警告信号。在另外的设计方案中，可以允许或防止驶越。
现在将参照附图对本发明进行更详细的描述，在附图中：
图1示出具有可在种植区上自主行驶的农用机械的示例性系统；
图2示出在转换器中对位置信息进行编码的各种示例性方式；
图3示出示例性方法的流程图；
图4示出处于可自主行驶的农用机械上的示例性处理系统的示意图；以及
图5示出系统的示例性应用的可视化。
图1示出具有可在农业种植区110上自主行驶的农用机械105的示例性系统100。农用机械105尤其可以包括自动的加工机器、拖拉机或运输车辆。种植区110具有边界115，该边界优选是封闭和矩形的，但也可以任意地不同地成形。农产品通常被分配给种植区110，该农产品实际上可以涉及任何可种植的作物，例如谷物、甜菜、生菜、玉米、浆果或水果。农产品或农产品的特性可能影响在种植区110上控制农用机械105的方式。在任何情况下都要防止农用机械105无意中离开种植区。
转换器120是沿边界115分布的，其中优选的是，在相应相邻的转换器120之间的距离分别遵循预先确定的最大距离。在农用机械105上安装有控制装置125，该控制装置包括发送装置130、接收装置135和处理装置140。附加地，可以设有存储装置145和/或定位设备160。
控制装置125被配置成借助于发送装置130发出尤其可以包括电磁波的第一信号。可以至少部分地沿农用机械105的行驶方向来发出第一信号。如果第一信号到达转换器120中的一个转换器，则该转换器可以响应于该第一信号来发出第二信号，可以借助控制装置125的接收装置135来接收该第二信号。在此，可以确定第二信号相对于第一信号的类型、方向或强度和/或第二信号相对于农用机械125或该农用机械的行驶方向的方向。该方向可以沿水平方向和/或竖直方向来确定。第二信号可以携带信息(尤其是调制的消息)，同样可以对该信息进行评估。
相邻的转换器120之间的最大距离可以根据发送装置130的发送特性和/或接收装置135的接收特性来选择。最大距离例如可以根据发送装置130的射出角或接收装置135的接收角确定，其方式为使得在驶过边界115时始终可以为控制装置125检测到预先确定的数量的转换器120。
处理设备140优选地被配置成基于第一和第二信号来检测农用机械105的区域中的转换器120。基于所检测到的转换器120，农用机械105可以更好地确定自身位置。位置确定例如可以用于对里程表、惯性系统或其它位置确定装置进行校准或改进。如果农用机械105即将驶过边界115，则可以输出相对应的信号。
优选的是，可以借助转换器120的不同特性通过控制装置125来对边界115的不同区段进行相互区分。例如，转换器120可以被设计为反射器并且在第一区段150上较小而在第二区段155上较大。当第一信号在转换器120处被反射时，第一信号与第二信号之间的比率在第一区段150的区域中可以是较大的并且在第二区段155的区域中可以是较小的。在另一个实施方式中，转换器120被配置成用于沿不同的方向以不同的强度发出其第二信号。由此，例如可以确定农用机械105位于边界115的哪一侧。
图2示出在转换器120中对位置信息进行编码的各种示例性方式，其中所提及的方式也可以部分或完全地彼此组合。
图2a示出第一变体，其中多个转换器120被布置在相同的水平位置上。在此，转换器120是易于接收不同的第一信号的。下面提到的信号类型是纯示例性质的。
第一转换器120.1被插入到地面205中并且被配置为用于转换雷达信号。为此，针对第一信号尤其可以使用微波频带中的雷达频率，该雷达频率使第一信号穿透到地面205中直至第一转换器120.1最大所处的、预先确定的深度。
第二转换器120.2被配置成对可见光范围内的光做出反应。例如可以使用光学滤波器来将转换器120.2的敏感区域限制为可见光。在另一个实施方式中，转换器120.1也可以被限制为预先确定的颜色，例如处于可见光谱的远端处的红色或蓝色。
第三转换器120.3被配置成对红外范围中的光做出反应。第四转换器120.4被配置成响应于预先确定的波长的激光。只有当第一信号具有预先确定的相干性并且/或者不超过预先确定的带宽时，才可以提供第二信号。
转换器120分别响应于不同的第一信号并且还优选提供可相互区分的第二信号。在沿边界115的不同位置上可以安装有转换器120的不同组合。如果以二进制系统的方式在水平位置上设置或不设置转换器120，则可以用四个不同的转换器120形成24＝16种不同的组合，这些组合可以在不同的位置实现。如果在一个位置处(同时或依次)以所有设置的第一信号来激励转换器120的组合，则可以根据证实到的或缺失的第二信号来确定涉及哪种组合。可以给组合指配有位置，从而可以更好地确定农用机械105的位置。某些限制可以适用所使用的组合，例如可以排除组合0(缺失来自所有转换器120的第二信号)，该组合还指示没有设有转换器120的位置、例如在距边界115的某个距离处。还可能需要在每个水平位置上设置一定数量的转换器120(例如至少两个或三个转换器)。
在另一个变体中也可以确定各个转换器120处于哪个竖直高度。如果假定三个可相互区分的竖直高度，则三个地面上的转换器120能够以3！＝6个组合进行安装，这些转换器可以借助其第二信号彼此进行区分。
图2b示出第二变体，其中相邻的转换器120之间的距离210取决于位置而变化。在所展示的实施方式中，相对距离从左到右严格单调减小。可以给某一距离指配有沿着边界115的位置。图2c示出第三变体，其中转换器120在地面120上方的高度215是变化的。在此，高度215从左向右严格单调地升高。在图2b和图2c的变体中，不必存在距离210、215的单调的序列，而是可以给距离210、215指配位置并且能够任意选择彼此相继的距离210、215(在需要时也随机地选择)。
图3示出方法300的流程图。方法300尤其可以借助于控制装置125来实施并且可以用于确定农用机械105的位置并且/或者用于控制该农用机械。
在步骤305中，可以在农用机械105的区域中发出第一信号。在随后或与其并行实施的步骤310中，可以接收已由转换器120响应于第一信号而发出的第二信号。在不同的实施方式中，可以依次或同时发出多个第一信号并且/或者依次或同时接收多个第二信号。在一些实施方式中，也可以响应于所发出的第一信号来确定第二信号缺失。
在步骤315中，可以针对第二信号来确定强度、水平方向(方位角)、竖直方向(仰角)、调制和/或所传输的信息。转换器120所影响的信号特性可以指示转换器120的转换特性。第二信号的方向信息可以指示转换器120的沿边界115的布置。
在步骤320中，可以基于所确定的信息来确定农用机械105的位置。为此，可以确定转换器120的哪种组合处于装置130、135的检测区域中，并且可以确定被指配给该组合的位置。第二信号的某些特性的组合也可以被指配给转换器120的位置并且例如可以通过在存储装置145中查找来确定。
基于该至少一个第二信号(或其缺失第二信号)而确定的信息也可以是在外部提供的，以便例如将其与其他信息进行比较、融合或验证，从而确定农用机械105的位置。
在步骤325中，可以确定农用机械105是否即将驶过边界115。尤其当农用机械的路线和速度可能在预先确定的时间内越过边界115时，是这种情况。在进行确定时可以考虑农用机械105的在预计驶过之前所计划(尤其关于方向变化或速度变化)的操作。可以根据装置130、135的最大检测距离来选择预先确定的时间。该距离通常为几米，例如为大约20m、大约10m或大约5m。
如果陆地车辆105即将驶过边界115，则可以输出相对应的信号。该信号可以被传送给控制农用机械105运动的设备。例如也可以从触觉上、听觉上或视觉上将该信号输出给人员。此外，信号可以立即迫使农用机械105减小速度并且/或者进行规避操作。
在陆地车辆105自主地在种植区110上行驶期间，优选连续执行方法300。
图4示出处于可自主行驶的农用机械105上的处理系统400的示意图。处理系统400被配置成在农用机械105上使用并且可以补充或包括控制装置125。图4的图示也可以被理解为相应的处理方法的流程图。各个功能块可以相互组合或整合。
处理系统400包括一个或多个传感器405，其中传感器405中的一个传感器优选包括接收装置135，进一步优选地包括所指配的发送装置130。传感器405所提供的值可以借助于检测装置410来处理，该检测装置包括转换检测装置415(参见处理装置140)、路径识别装置420、SLAM确定装置425以及障碍物识别装置430中的至少一个装置。
转换检测装置410优选对可以根据响应于发出的第一信号所接收到的第二信号来确定的信息进行确定。路径识别装置420优选确定农用机械105通常在种植区110上运动的路径。农用机械105一般来说以这样的路线驶经种植区110，即，该路线引导农用机械尽可能经济地从所有种植的作物旁经过。尤其当作物与农用机械105相比相对较小时，路线通常是曲折的。如果农用机械105多次驶过该路径(例如每年两次或三次)，则可以在该区域中将地面205压实，使得能够从视觉上识别出该地面。如果农用机械105应重新驶经该路径，则可以尝试遵循先前驶过的路径。
SLAM确定装置425优选在同时创建地图(“同时定位和匹配”)的情况下执行位置确定。在一个实施方式中，在此评估所检测到的、已知其位置或卫星星座的地标。障碍物识别装置430可以与其他确定装置415-425并行地执行，以便能够尽可能随时确定农用机械105是否即将与障碍物相撞。障碍物例如可以包括大石头、沼泽地段、井、栅栏、建筑物、电线杆、停放的设备或人。可以避免与障碍物的碰撞，以避免损坏农用机械105或损坏障碍物。不同的障碍物可以以不同的方式来处理。
检测装置410可以被配置成用于确定农用机械105的位置。里程表装置415优选被配置成基于农用机械105所经过的路径来确定该农用机械的位置。例如可以借助于转速传感器通过农用机械105的车轮的旋转运动来确定路径，或者借助于惯性系统基于随时间的加速度变化曲线来确定路径。借助于检测装置410所确定的位置可以用来校准里程表装置435。
装置415-425的确定可以与里程表装置435的信息合并到融合装置440中，以便最终确定农用机械105的位置。为此，也可以优选考虑已借助于GNSS接收器445确定的绝对地理位置。借助于GNSS接收器445确定的位置也可以用来校准里程表装置435。然而，应当注意的是，该位置在某些情况下不可以可靠或连续使用。
运动控制装置450可以基于所确定的位置来控制农用机械105的运动。运动控制装置450可以影响纵向控制和/或横向控制，并且该运动控制装置优选被配置成沿预先确定的路径来控制农用机械105，该预先确定的路径进一步优选地是根据驶过的种植区110来预先确定的。可以基于碰撞避免装置430的确定来将运动控制成避免与障碍物碰撞。
图5基于图1的系统100示出系统100的示例性应用的可视化。农用机械105处于种植区110上，该种植区包括两个相邻的种植区110.1和110.2。种植区110的外边界115.1是以一系列的第一转换器120.1来标示出的，并且种植区110.1与110.3之间的内边界115.2是以一系列的第二转换器120.2来标示出的。转换器115.1和115.2以任意的方式来区分，即，该方式能够以基于响应于发出的第一信号而由转换器接收的第二信号来确定。所选择的标记120.1-120.3不一定与图2的标记相对应。
农用机械105可以以连续的方式对整个种植区110进行处理，其方式为：该农用机械遵循预先确定的、在此示例性地曲折的路径405。安装在农用机械105上的控制装置125可以被配置成：不横穿第一边界115.1，而是针对要执行的工作忽略第二边界115.2。
在图5中示出的第二应用中，在种植区110上存在已知的障碍物510。障碍物510可以是永久性的并且例如包括建筑物或电线杆，或者该障碍物可以是临时性的并且例如与草地或存储区有关。为了防止农用机械105驶过障碍物510，可以沿着围绕障碍物510的边界115.3安装一系列另外的转换器120.3。控制装置125可以被配置成用于以本发明所描述的方式防止农用机械105驶过边界115.3。如上更准确地阐述的，转换器120.3可以被配置成用于基于其响应于第一信号而发出的第二信号而与其它转换器120进行区分。
如图5所示，转换器120的定位通常不受高精度要求的影响。出于实际目的，由转换器120限定的边界115可以与预先确定的边界115偏离一定量，该量可以处于约1m的范围内。农用机械105相对于转换器120的定位的精度可以主要取决于所提供的有关转换器120的位置信息的精度。
附图标记清单
100 系统
105 农用机械
110 种植区
115 边界
120 转换器
125 控制装置
130 发送装置
135 接收装置
140 处理装置
145 存储装置
150 第一区段
155 第二区段
160 定位设备
205 地面
210 水平距离
215 高度
300 方法
305 发出第一信号
310 接收第二信号
315 确定信号强度/位置/方向/距离/类型
320 确定位置
325 输出保持信号
400 处理系统
405 传感器
410 检测装置
415 转换检测装置
420 路径识别装置
425 SLAM(“同时定位和匹配”)确定装置
430 障碍物识别装置
435 里程表装置
440 融合装置
445 GNSS接收器
450 运动控制装置
505 路径
510 障碍物

Claims (11)

1.一种系统(100)，包括：沿农业种植区(110)的边界(115)安装的一系列转换器(120)，其中转换器(120)被配置成响应于输入的第一信号而发出第二信号；自主行驶的农用机械(105)，所述农用机械具有：用于在所述农用机械(105)的周围环境中发出所述第一信号的发送装置(130)、用于接收响应于所述第一信号而发出的所述第二信号的接收装置(135)、处理装置(140)，所述处理装置被配置成基于所接收的第二信号来确定所述农用机械(105)相对于所述边界(115)的位置，
其特征在于，转换器(120)在所述边界(115)的第一区段(150)上的布置和/或转换特性被设计成与在所述边界(115)的第二区段(155)上不同。
2.根据权利要求1所述的系统(100)，其中所述转换特性涉及所述第二信号相对于所述第一信号的强度。
3.根据权利要求2所述的系统(100)，其中所述转换特性取决于所述第一信号的类型。
4.根据前述权利要求之一所述的系统(100)，其中所述布置涉及转换器(120)与相邻的转换器(120)的距离(210)。
5.根据前述权利要求之一所述的系统(100)，其中所述布置涉及转换器(120)的竖直高度(215)。
6.根据前述权利要求之一所述的系统(100)，其中在沿所述边界(115)的至少一个位置处，多个转换器(120)被布置成竖直偏移。
7.根据前述权利要求之一所述的系统(100)，其中这两个信号包括彼此相对应的电磁波并且所述转换器(120)被设计为反射器。
8.根据前述权利要求之一所述的系统(100)，其中这两个信号包括不同的电磁波并且所述转换器(120)被设计为应答器。
9.一种用于确定农用机械(105)相对于农业种植区(110)的边界(115)的位置的方法(300)，其中沿所述边界(115)安装有一系列转换器(120)，其中转换器(120)被配置成响应于输入的第一信号而发出第二信号；并且所述方法包括以下步骤：在所述农用机械(105)的周围环境中发出(305)至少一个第一信号；接收(310)已响应于所述至少一个第一信号而发出的至少一个第二信号；基于所接收的所述至少一个第二信号来确定(315)所述位置。
10.一种用于农用机械(105)的控制装置(125)，所述农用机械被配置为用于在农业种植区(110)上自主行驶，其中所述装置包括以下各项：发送装置(130)，所述发送装置用于在所述农用机械(105)的周围环境中发出至少一个第一信号；接收装置(135)，所述接收装置用于接收已响应于所述至少一个第一信号而发出的多个第二信号；存储装置(145)，所述存储装置用于存储所述第一信号到所述第二信号的转换器(120)沿所述种植区(110)的边界(115)的位置；处理装置(140)，所述处理装置被配置成基于所接收的第二信号中的一个或多个第二信号来确定所述农用机械(105)相对于所述边界(115)的位置。
11.一种农用机械(105)，所述农用机械包括根据权利要求10所述的控制装置(125)，其中所述农用机械(105)被配置成基于所述农用机械的确定的位置来确定即将驶过所述边界(115)。
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