DD264366A1

DD264366A1 - PROCESS AND ARRANGEMENT OF POSITIONING PROVISIONS FOR PROCESSING LIMITS AND PLANT ROWS

Info

Publication number: DD264366A1
Application number: DD29627286A
Authority: DD
Inventors: Frank Ahrens; Reinhard Blumenthal; Norbert Bruemmer; Ladislaus Kollar; Gerhard Lueth; Andreas Schmidt
Original assignee: Traktoren Und Dieselmotorenwer
Priority date: 1986-11-14
Filing date: 1986-11-14
Publication date: 1989-02-01

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.The invention relates to a method and an arrangement of the position determination to processing limits and rows of plants as suitable guidelines, in particular plow furrows, Daemmen, ruts, inventory limits, boundaries with structural or moisture differences and plant rows. It enables the construction of automatic steering devices for the control of mobile agricultural aggregates and tools. The object and the object of the invention is to improve the working width connection and the working quality in connection with the automation device, to increase the surface performance, to reduce the fuel consumption and to provide more favorable ergonomic working conditions for the mechaniser. The essence of the invention is that the remitted from the vicinity of the processing boundary or plant row optical radiation after passing through an optical system meets an array of optoelectronic elements, where they converted into analog electrical signals, stored according to signal processing in a storage system and then in a connected information processing system, the position to processing limits and plant rows is determined on-line.

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing

Field of application of the invention

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. /The invention relates to a method and an arrangement of the position determination to processing limits and rows of plants as suitable guidelines, in particular plow furrows, dams, Spurillen, boundaries with significant structural or moisture differences and rows of plants to the structure of automatic steering devices for controlling mobile agricultural units and tools to enable. /

Characteristic of the known state of the art

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.Various optical methods and arrangements are known for determining the position of processing boundaries and rows of plants. Due to the optoelectronic elements used, their arrangement and adaptation to the measuring task, the relatively simple information acquisition and evaluation as well as the embodiment adhere to decisive deficiencies, so that reliable operation under harsh agricultural operating conditions could not yet be proven.

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 DD PS 101260 a device is described which uses three optoelectronic elements whose parameter dispersion and aging require elaborate co-pinning methods, cause unfavorable structural design, cause shadow dips in the optical scanning region to misinterpret the guideline, and which can be used under unfavorable illumination conditions, e.g. Night use, requiring multiple powerful and homogeneously lit artificial light sources.

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 SU PS 169303 a photo-optical encoder is described which uses an optoelectronic element, but mechanically bowegte mirrors, lenses or prisms whose principle principle close coupling of information acquisition and processing require guidelines with strong contrast differences and in which to suppress large illuminance fluctuations, a powerful artificial light source is required.

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.In Journal of agricultural engng. Res - London 26 (1981) 1.-S.33-53, an optical groove follower is described which determines the position above the groove edge using the principle of optical triangulation and cell optoelectronic elements using a powerful projection lamp as an artificial light source.

Auch bei dieser Erfindung ist der Anwendungsbereich aufgrund nur geringfügig veränderbarer Abtastbedingungen auf gut ausgeprägte Furchenprofile mit einer Mindesttiefe eingegrenzt.Also in this invention, the scope is limited due to only slightly variable scanning conditions on well-defined furrow profiles with a minimum depth.

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.In SU PS 818517 an optical method has become known which uses a plurality of cell-optoelectronic elements arranged and by the evaluation of the differences in the vehicle speed-dependent modulated low-frequency signals of the remitted light energy is only suitable for detecting plant or crop stands with respect to stubble.

Object of the invention

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.The aim of the invention is to develop a method and an arrangement of the position determination to processing limits and plants · one that works to previous technical solutions more accurate and reliable as well as multivalent use, for the information extraction and evaluation modern microelectronic components, powerful software algorithms and a structurally simple structure are provided for the optical system.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

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.The invention is based on the object to determine the position to processing limits and rows of plants, especially for plow furrows, dams, ruts, boundaries with significant structural or moisture differences, inventory limits and rows of plants contactless to the structure of automatic LenkeinrichUingen for controlling mobile agricultural units and To allow tools.

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.According to the invention the object is achieved in that the remitted from the environment of the processing boundary or plant row optical radiation passes through one or more optical systems, which may include a lens, a modifiable aperture and additionally a color filter array, so that an arrangement of one or more line or matrix-shaped optoelectronic elements which images the analogue signals corresponding to the respective illuminance of the scanning region. A favorable embodiment is achieved by arranging the optoelectronic elements on a monolithic integrated circuit above the processing limit orthogonal to the direction of travel. A powerful artificial light source that uniformly illuminates the scanning area above the guideline increases the reliability of the measuring device and widens its scope. The analog image signals are stored after appropriate signal conditioning in an analog or digital storage system, and then on-line in a special or microprocessor system using selected processing algorithms that use an analog or digitized gray value or color image or binary image evaluation, the position to the guideline to be able to determine. When evaluating a line or matrix binary image of the luminance distribution in the vicinity of the guideline, preferably a fixed comparator threshold and an illuminance dependent exposure time may be used for the optoelectronic elements such that the logical 1/0 or 0/1 transition the binary signals of the guideline can be assigned. Long-term storage and adaptive processing algorithms can advantageously be used to increase measurement reliability and reliability.

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.The invention thus combines methods of remission measurement with guidelines already used for other optical measuring devices, by using more modern monolithically integrated arrangements and more powerful information processing with the aid of processor or microcomputer systems as optoelectronic elements.

Ausführungsbeispielembodiment

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:The invention will be explained in more detail below on the embodiment of a measuring system for determining the position of plow furrows. This system was designed for automatic steering of tractors when plowing. It shows:

Fig. 1: Schema der Informationsgewinnung und -verarbeitung über PflugfurchenFig. 1: Scheme of information acquisition and processing on plow furrows

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.The remitted from the part of the unprocessed soil 1, the bottom of the furrow 3 and part of the processed field soil 4 light passes into a over the furrow edge 2 guided converging lens 5. Distance and focal length are tuned so that orthogonal to the direction of travel, the environment of the furrow is detected. A variable aperture 6 is intended to reduce the disturbing influence of the illuminance variations of daylight and to establish an optimum working range. A color filter arrangement 7 can increase the contrast between the illuminance levels of the processed and unprocessed field soil, if at the processing limit soil parameters such. B. soil moisture, humus and plant residues, significantly different. The light rays finally meet a linear arrangement of z. B. The 256 of the optoelectronic elements as a monolithic integrated sensor line 8. The illuminance proportional voltages of the individual optoelectronic elements are binarized by a festo comparator threshold variable integration time, converted serially-parallel in an evaluation circuit 9 as binary image data and stored in the main memory 11 of a processor system 10. The traversing movement of the tractor results in a binary image of the furrow area when scanning in a cell. If the furrow is the darkest image area, the fixed sensor threshold for the sensor line can be controlled indirectly over the integration time so that only a few foci are "black." The position of the FurcheitXante is then evaluated by evaluating the logical 1/0 or 0 The optical system should be set up over the groove in such a way that the groove edge is the guideline with the optimum measuring distance in the middle of the line so that the 1 / 0- or 0/1-transition of the 127th pixel is the control deviation If the 1/0 or 0/1 transition is to pixels not equal to 127, then there is a measure of the amount of deviation from the guideline to the left or to the right Under practical conditions, the lighting conditions and geometrical scanning conditions above the groove are less favorable , so that an averaging of the image information data is expediently to be carried out so that with multiple 1/0 or 0/1 transitions n the last one defining the guideline is kept and compared with the current one. The 1/0 or O / 1 transition with the least deviation from the memory value will most certainly indicate the position of the guideline. Taking into account the real-time requirements of the processing system, if there are too many 1/0 or 0/1 transitions or insecure image data, the evaluation must be aborted and a new image must be redeemed.

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.If a single-chip microcomputer is used as processor system, then the Integratiotiszeit can be externally controlled by him, so that thereby the position of the comparator threshold of the analog video signal can be changed indirectly. The image data are taken from the sensor line, stored in memory and then tested each pixel on the logical content "black" or "white". The black pixels are counted and compared with the preset fixed value and then set the integration time. If the number is too small, the integration time must be shortened in the next exposure cycle or vice versa. The evaluation algorithm simultaneously tests whether there is a 1/0 or 0/1 transition. If this is the case, the address of this pixel is stored in the main memory for the second evaluation. The distance to the target address represents the measure of the control deviation.

Claims

1. A method for determining the position to processing limits and rows of plants for the control of mobile agricultural aggregates and tools, in particular at plow furrows, dams, ruts, inventory limits, ear hori- zons, boundaries with structural or moisture differences and plant rows, characterized in that the Environment of the processing boundary formed at plow furrows of the untreated field soil (1), the furrow edge (2), the trench sole (3) and the processed field soil (4), or optical radiation remitted from the vicinity of the plant row, an optical system, consisting of the lens (5), the variable aperture (6) and the filter assembly (7), passes through and is recorded by a particular arrangement of optoelectronic elements (8) that the converted analog electrical signals cyclically retrieved by an evaluation circuit (9) and after appropriate signal conditioning in a memory system (11) are stored and that subsequently determines the position to processing limits and plant rows on-line in an attached information processing system (10) and via an evaluation circuit (12), the control signal (13) is output.

2. The method according to claim 1, characterized in that in the optoelectronic elements (8) converted analog signals after appropriate signal processing in a memory system (11) are stored analog or digital.

3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that a subsequently connected information processing system (10) evaluates gray value and / or color information for analog signals or that by an analog-Üigitalwandlung digital signals or by means of a comparator with fixed or variable threshold binary signals are generated.

4. The method according to claim 1 to 3, characterized in that the information processing system (11) preferably consists of one or more special or microprocessors.

5. The method according to claim 1 to 4, characterized in that in the information processing system (11) when using binary signals for the arrangement of optoelectronic elements (8) a fixed comparator threshold and an illuminance dependent exposure time are used and that the logical 1/0 or 0/1 transition of the binary signals is assigned to the processing limit or plant row.

6. The method according to claim 1 to 5, characterized in that in the information processing system (11) known per se algorithms for increasing the measurement reliability, such as averaging methods, methods of long-term storage of uncertain measurement data and the comparison with current measurement data and adaptive methods that get to know Guidelines or retrieval of short-term lost guidelines.

7. Arrangement according to claim 1 to 6, characterized in that the optoelectronic elements (8) individually or multi-row or single or multiple Matrices are arranged as a monolithic integrated circuit orthogonal to the direction of travel over the processing line or plant row on the mobile unit or tool.

8. Arrangement according to claim 1 to 7, characterized in that the optical system comprises a lens consisting of a lens (5) with sufficient for the measurement magnification and a variable aperture (6) for adaptation to illuminance changes, and an optical rarbfilteranordnung (7 ) has the Konstrasterhöhung the differently remitted optical radiation at the processing boundary or Pflanzenreiho.

9. Arrangement according to claim 1 to 8, characterized in that the optical system of the described type, consisting of (5), (6) and (7), in addition a powerful artificial light source (14), a lens (15) and a mirror (16), so that the vicinity of the machining boundary, which may consist of (1), (2), (3) and (4), or the environment of the plant row is uniformly illuminated.