DD264366A1 - Verfahren und anordnung der positionsbestimmung zu bearbeitungsgrenzen und pflanzenreihen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung der Positionsbestimmung zu Bearbeitungsgrenzen und Pflanzenreihen als geeignete Leitlinien, insbesondere zu Pflugfurchen, Daemmen, Spurrillen, Bestandsgrenzen, Grenzen mit Struktur- bzw. Feuchtigkeitsunterschieden sowie Pflanzenreihen. Sie ermoeglicht den Aufbau automatischer Lenkeinrichtungen zur Steuerung von mobilen landwirtschaftlichen Aggregaten und Werkzeugen. Ziel und Aufgabe der Erfindung ist es, in Verbindung mit der Automatisierungseinrichtung den Arbeitsbreitenanschluss und die Arbeitsqualitaet zu verbessern, die Flaechenleistung zu erhoehen, den Kraftstoffverbrauch zu senken und guenstigere ergonomische Arbeitsbedingungen fuer den Mechanisator zu schaffen. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass die von der Umgebung der Bearbeitungsgrenze oder Pflanzenreihe remittierte optische Strahlung nach Durchlaufen eines optischen Systems auf eine Anordnung optoelektronischer Elemente trifft, wo sie in analoge elektrische Signale gewandelt, nach entsprechender Signalaufbereitung in einem Speichersystem abgelegt und dann in einem angeschlossenen Informationsverarbeitungssystem die Position zu Bearbeitungsgrenzen und Pflanzenreihen on-line bestimmt wird.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung der Positionsbestimmung zu Bearbeitungsgrenzen und Pflanzenreihen als geeignete Leitlinien, insbesondere zu Pflugfurchen, Dämmen, Spurillen, Grenzen mit signifikanten Struktur- bzw. Feuchtigkeitsunterschieden sowie Pflanzenreihen, um den Aufbau automatischer Lenkeinrichtungen zur Steuerung von mobilen landwirtschaftlichen Aggregaten und Werkzeugen zu ermöglichen. /

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es sind zur Positionsbestimmung zu Bearbeitungsgrenzen und Pflanzenreihen verschiedene optische Verfahren und Anordnungen bekannt. Ihnen haften aufgrund der verwendeten optoelektronischen Elemente, ihrer Anordnung und Anpassung an die Meßaufgabe, der relativ einfachen Informationsgewinnung und -auswertung sowie der Ausführungsform entscheidende Mängel an, so daß eine zuverlässige Arbeitsweise unter den rauhen landwirtschaftlichen Einsatzbedingungen bisher noch nicht nachgewiesen werden konnte.

In DD PS 101260 wird eine Vorrichtung beschrieben, die drei optoelektronische Elemente verwendet, deren Parameterstreuung und Alterung aufwendige Koinpensationsverfahren erfordern, einen ungünstigen konstruktiven Aufbau bewirken, Schattenwürfe im optischon Abtastbereich eine Fehlinterpretation der Leitlinie hervorrufen und die Anwendung bei ungünstigen Beleuchtungsverhältnissen, z.B. Nachteinsatz, mehrere leistungsstarke und homogen ausleuchtende künstliche Lichtquellen erfordern.

In SU PS 169303 wird ein fotooptischer Geber beschrieben, derein optoelektronisches Element, dafür aber mechanisch bowegte Spiegel, Linsen oder Prismen verwendet, dessen meßprinzipbedingte enge Kopplung von Informationsgewinnung und -verarbeitung Leitlinien mit starken Kontrastunterschieden erfordern und bei denen zur Unterdrückung großer Beleuchtungsstärkeschwankungen eine leistungsstarke künstliche Lichtquelle erforderlich ist.

In Journal of agricultural engng. res — London 26 (1981) 1. — S.33-53 wird ein optischer Furchenfolger beschrieben, der die Position über der Furchenkante mit Hilfe des Prinzips der optischen Triangulation und zellenförmig angeordneter optoelektronischer Elemente unter Verwendung einer leistungsstarken Projektionslampe als künstliche Lichtquelle bestimmt.

Auch bei dieser Erfindung ist der Anwendungsbereich aufgrund nur geringfügig veränderbarer Abtastbedingungen auf gut ausgeprägte Furchenprofile mit einer Mindesttiefe eingegrenzt.

In SU PS 818517 ist ein optisches Verfahren bekannt geworden, das mehrere zellenförmig angeordnete optoelektronische Elemente verwendet und durch die Auswertung der Unterschiede der fahrgeschwindigkeitsabhängigen modulierten niederfrequenten Signale der remittierten Lichtenergie nur zur Erkennung von Pflanzen- oder Getreidobeständen in bezug auf Stoppeln geeignet ist.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung der Positionsbestimmung zu Bearbeitungsgrenzen und Pflanzen· einen zu entwickeln, das zu bisherigen technischen Lösungen genauer und zuverlässiger arbeitet sowie multivalenter einsetzbar ist, indem für dielnformationsgewinnung und -auswertung moderne mikroelektronische Bauelemente, leistungsstarke Softwarealgorithmen und ein konstruktiv einfacher Aufbau für das optische System vorgesehen sind.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrundo, die Position zu Bearbeitungsgrenzen und Pflanzenreihen, insbesondere für Pflugfurchen, Dämmen, Spurrillen, Grenzen mit signifikanten Struktur- bzw. Feuchtigkeitsunterschieden, Bestandsgrenzen sowie Pflanzenreihen berührungslos zu bestimmen, um den Aufbau automatischer LenkeinrichUingen zur Steuerung von mobilen landwirtschaftlichen Aggregaten und Werkzeugen zu ermöglichen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die von der Umgebung der Bearbeitungsgrenze oder Pflanzenreihe remittierte optische Strahlung ein oder mehrere optische Systeme durchläuft, welche ein Objektiv, eino veränderbare Blende und zusätzlich eine Farbfilteranordnung enthalten kann, so daß eine Anordnung von einer oder mehrerer zeilen- oder matrizenförmigen optoelektronischen Elementen die der jeweiligen Beleuchtungsstärke des Abtastbereiches entspiechenden analogen Signale abbildet. Eine günstige Ausführung wird durch Anordnung der optoelektronischen Elemente auf einer monolithisch integrierten Schaltung über der Bearbeitungsgrenze orthogonal zur Fahrtrichtung erreicht. Eine leistungsstarke künstliche Lichtquelle, die den Abtastbereich über der Leitlinie gleichmäßig ausleuchtet, erhöht die Zuverlässigkeit der Meßeinrichtung und erweitert ihren Anwendungsbereich. Die analogen Bildsignale werden nach entsprechender Signalaufbereitung in einem analogen oder digitalen Speichersystem abgelegt, um anschließend on-line in einem Spezial- oder Mikroprozessorsystem mit Hilfe ausgewählter Verarbeitungsalgorithmen, die eine analoge oder digitalisierte Grauwert- bzw. Farbbild- oder Binärbildauswertung verwenden, die Position zur Leitlinie ermitteln zu können. Wird ein zeilen- oder matrixförmiges binäres Abbild der Leuchtdichteverteilung in der Umgebung der Leitlinie ausgewertet, kann vorzugsweise eine feste Komperatorschwelle und eine von der Beleuchtungsstärke abhängige Belichtungszeit für die optoelektronischen Elemente verwendet werden, so daß der logische 1/0- oder O/1-Übergang der binären Signale der Leitlinie zugeordnet werden kann. Zur Erhöhung der Meßsicherheit und Zuverlässigkeit können vorteilhaft langzeitspeichernde und adaptive Verarbeitungsalgorithmen angewendet werden.

Die Erfindung verbindet somit bereits für andere optische Meßeinrichtungen genutzte Verfahren der Remissionsmessung an Leitlinien, indem als optoelektronische Elemente modernere monolithisch integrierte Anordnungen und eine leistungsstärkere Informationsverarbeitung mit Hilfe von Prozessor- oder Mikrorechnersystemen angewendet werden.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend am Ausführungsbeispiel eines Meßsystems für die Positionsbestimmung zu Pflugfurchen näher erläutert werden. Dieses System wurde für die automatische Lenkung von Traktoren beim Pflügen konzipiert. Es zeigt:

Fig. 1: Schema der Informationsgewinnung und -verarbeitung über Pflugfurchen

Das vom Teil des unbearbeiteten Ackerbodens 1, der Furchensohle 3 und vom Teil des bearbeiteten Ackerbodens 4 remittierte Licht gelangt in eine über der Furchenkante 2 geführte Sammellinse 5. Abstand und Brennweite sind so abgestimmt, daß orthogonal zur Fahrtrichtung die Umgebung der Furche erfaßt wird. Eine veränderbare Blende 6 soll den störendtn Einfluß der Beleuchtungsstärkeschwankungen des Tageslichtes reduzieren und einen optimalen Arbeitsbereich festlegen. Eine Farbfilteranordnung 7 kann zwischen den Beleuchtungsstärken des bearbeiteten und unbearbeiteten Ackerbodens den Kontrast erhöhen, wenn sich an der Bearbeitungsgrenze Bodenparameter, wie z. B. Bodenfeuchte, Humus- und Pflanzenrestanteile, signifikant unterscheiden. Die Lichtstrahlen treffen schließlich auf eine lineare Anordnung von z. B. 256 optoelektronischen Elementen als monolithisch integrierte Sensorzeile 8. Die der Beleuchtungsstärke proportionalen Spannungen der einzelnen optoelektronischen Elemente werden durch eine festo Komperatorschwelle mit variabler Integrationszeit binarisiert, in einer Auswerteschaltung 9 als Binärbilddaten seriell-parallel gewandelt und im Arbeitsspeicher 11 eines Prozessorsystems 10 abgelegt. Durch die Fahrbewegung des Traktors entsteht bei zellenförmiger Abtastung ein Binärbild des Furchenbereichs. Ist die Furchensohie der dunkelste Bildbereich, kann die feste Komperatoi schwelle für die Sensorzeile indirekt über die Integrationszeit so geregelt werden, daß nur wenige Sildpunkte als „schwarze" entstehen. Die Position der FurcheitXante wird dann durch die Auswertung des logischen 1/0- oder 0/1 -Überganges erfaßt. Das optische System ist über der Furche so einzurichten, daß 'die Furchenkante als Leitlinie bei optimalem Meßabstand in der Mitte der Zeile liegt, so daß der 1/0- oder O/1-Übergang des 127ten Bildpunktes die Regelabweichung Null repräsentiert. Befindet sich der 1/0- oder 0/1-Übergang auf Bildpunkten ungleich 127, liegt ein Maß für den Betrag der Abweichung von der Leitlinie nach links oder rechts vor. Unter Praxisbedingungtfn sind die Beleuchtungsverhältnisse und geometrischen Abtastbedingungen über der Furche ungünstiger, so daß eine Mittlung der Bildinformationsdaten zweckmäßigerweise so vorzunehmen ist, daß bei mehreren 1/0- oder 0/1-Übergängen der zuletzt die Leitlinie definierende aufbewahrt und mit den aktuellen verglichen wird. Der 1/0- oder O/1-Übergang mit der geringsten Abweichung zum Speicherwert kennzeichnet mit großer Sicherheit die Position der Leitlinie. Unter Berücksichtigung der Echtzeitanforderungen an das Verarbeitungssystem ist bei zu vielen 1/0- oder 0/1-Übergängen bzw. unsicheren Bilddaten die Auswertung abzubrechen und ein neues Bild einzulösen.

Wird als Prozessorsystem ein Einchipmikrorechner verwendet, kann durch ihn die Integratiotiszeit fremdgesteuert werden, so daß dadurch die Lage der Komperatorschwelle des analogen Video-Signals indirekt verändert werden kann. Die Bilddaten werden von der Sensorzeile übernommen, in Arbeitsspeicher abgelegt und jeder Bildpunkt anschließend auf den logischen Inhalt „schwarz" oder „weiß" getestet. Die schwarzen Bildpunkte werden gezählt und mit dem vorzugebenden Festwert verglichen und danach die Integrationszeit eingestellt. Bei einer zu geringen Anzahl muß im nächsten Belichtungszyklus die Integrationszeiv verkürzt werden oder umgekehrt. Im Auswertealgorithmus wird gleichzeitig getestet, ob ein 1 /0- oder 0/1-Übergang vorliegt. Ist das der Fall, wird die Adresse dieses Bildpunktes im Arbeitsspeicher für die zweite Auswertung abgelegt. Der Abstand zur Solladresse repräsentiert das Maß der Regelabweichung.

Claims (9)

1. Verfahren der Bestimmung der Position zu Bearbeitungsgrenzen und Pflanzenreihen für die Steuerung mobiler landwirtschaftlicher Aggregate und Werkzeuge, insbesondere an Pflugfurchen, Dämmen, Spurrillen, Bestandsgrenzen, Ährenhorizonten, Grenzen mit Struktur- bzw. Feuchtigkeitsunterschieden sowie an Pflanzenreihen, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Umgebung der Bearbeitungegrenze, die bei Pflugfurchen von dem unbearbeiteten Ackerboden (1), der Furchenkante (2), der Furchesohle (3) und dem bearbeiteten Ackerboden (4) gebildet wird, bzw. von der Umgebung der Pflanzenreihe remittierte optische Strahlung ein optisches System, bestehend aus der Linse (5), der veränderbaren Blende (6) und der Filteranordnung (7), durchläuft und von einer bestimmten Anordnung optoelektronischer Elemente (8) aufgenommen wird, daß die gewandelten analogen elektrischen Signale durch eine Auswerteschaltung (9) zyklisch abgerufen und nach entsprechender Signalaufbereitung in einem Speichersystem (11) abgelegt werden und daß anschließend in einem angeschlossenen Informationsverarbeitungssystem (10) die Position zu Bearbeitungsgrenzen und Pflanzenreihen on-line bestimmt sowie über eine Auswerteschaltung (12) das Steuersignal (13) ausgegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in den optoelektronischen Elementen (8) gewandelten analogen Signale nach entsprechender Signalaufbereitung in einem Speichersystem (11) analog oder digital abgelegt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein nachfolgend angeschlossenes Informationsverarbeitungssystem (10) bei analogen Signalen Grauwert- und/oder Farbinformationen auswertet bzw. daß durch eine Analog-Üigitalwandlung digitale Signale oder mit Hilfe eines Komperators mit fester oder veränderlicher Schwelle binäre Signale erzeugt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Informationsverarbeitungssystem (11) vorzugsweise aus einem oder mehreren Spezial- oder Mikroprozessoren besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Informationsverarbeitungssystem (11) bei Verwendung binärer Signale für die Anordnung optoelektronischer Elemente (8) eine feste Komperatorschwelle und eine von der Beleuchtungsstärke abhängige Belichtungszeit genutzt werden und daß der logische 1/0- bzw. 0/1-Übergang der binären Signale der Bearbeitungsgrenze oder Pflanzenreihe zugeordnet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Informationsverarbeitungssystem (11) an sich bekannte Algorithmen zur Erhöhung der Meßsicherheit, wie vorzugsweise Mittlungsverfahren, Verfahren der Langzeitspeicherung unsicherer Meßdaten und der Vergleich mit aktuellen Meßdaten sowie adaptive Verfahren, die ein Kennenlernen von Leitlinien bzw. ein Wiederauffinden kurzzeitig verlorengegangener Leitlinien ermöglichen, verwendet werden.

7. Anordnung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die optoelektronischen Elemente (8) einzeln- oder mehrfachzeilenförmig oder einzeln- oder mehrfachmatrizenförmig als monolithisch integrierte Schaltung orthogonal zur Fahrtrichtung über der Bearbeitungsgrenze oder Pflanzenreihe am fahrbaren Aggregat oder Werkzeug angeordnet sind.

8. Anordnung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System ein Objektiv, bestehend aus einer Linse (5) mit für die Meßaufgabe ausreichendem Abbildungsmaßstab und einer veränderbaren Blende (6) zur Anpassung an Beleuchtungsstärkeanderungen, sowie eine optische rarbfilteranordnung (7) zur Konstrasterhöhung der unterschiedlich remittierten optischen Strahlung an der Bearbeitungsgrenze oder Pflanzenreiho besitzt.

9. Anordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System beschriebener Art, bestehend aus (5), (6) und (7), zusätzlich eine leistungsstarke künstliche Lichtquelle (14), eine Linse (15) und einen Spiegel (16) besitzt, so daß die Umgebung der Bearbeitungsgrenze, die aus (1), (2), (3) und (4) bestehen kann, oder die Umgebung der Pflanzenreihe gleichmäßig ausgeleuchtet wird.