DE102005051407B4 - Device for ground clearance measurement, in particular on an agricultural machine - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur Bodenabstandsmessung, insbesondere an einer Landmaschine, deren Teil sie ist und die mit dem Bodenabstandsmesssignal (BAS) funktionsgesteuert ist, wobei der Bodenabstandsmesser einen in einem vorgegebenen Abstandsbereich auf den Boden (B) zu richtenden periodisch angeregten Ultraschallgeber/Sensor (2) umfasst, von dessen jeweils zuerst eintreffenden Echosignal eine jeweilige Antwortzeit bestimmt wird und solche Antwortzeiten, die in einem Zeitfenster (OG-UG) liegen, das die doppelte Schalllaufzeit in dem Abstandsbereich (A) einschließt, einer kontinuierlich über jeweils eine vorgegebene Anzahl gemessener Antwortzeiten arbeitenden ersten Glättungsschaltung (G1), die einen jeweils ersten Glättungswert (1.G) erzeugt, zugeführt werden und diejenigen Antwortzeiten, die zwischen dem jeweils ersten Glättungswert (1.G) und der vorgegebenen oberen Zeitfenstergrenze (OG) liegen, einer zweiten Glättungsschaltung (G2) zugeführt werden, deren von ihr erzeugter zweiter Glättungswert (2.G) mit der Schallgeschwindigkeit multipliziert oder skaliert als das Bodenabstandsmesssignal (BAS) ausgegeben wird.Device for measuring ground clearance, in particular on an agricultural machine of which it is part and which is function-controlled with the ground clearance measurement signal (BAS), the ground distance meter comprising a periodically excited ultrasound transmitter / sensor (2) to be directed to the ground (B) in a predetermined distance range, whose respective first echo signal determines a respective response time, and those response times which lie in a time window (OG-UG) which includes twice the sound propagation time in the distance range (A), a first smoothing circuit operating continuously over a respective predetermined number of measured response times (G1), which generates a respective first smoothing value (1.G), and those response times, which lie between the respective first smoothing value (1.G) and the predetermined upper time window border (OG), are fed to a second smoothing circuit (G2) whose second smoothness they produce value (2.G) is multiplied by the speed of sound or scaled as the ground distance measurement signal (BAS) is output.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bodenabstandsmessung, insbesondere an einer Landmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Bestandsdichtemessgerät nach Anspruch 19.The The invention relates to a device for ground clearance measurement, in particular on an agricultural machine, according to the preamble of claim 1 and an inventory density meter according to claim 19.
Bekannt ist eine derartige Vorrichtung, die aus einem mechanischen schräg auf den Boden gerichteten Bodenabtaster mit einer Schleifkufe, die hohem Verschleiß unterliegt, und einem Winkelgeber besteht. Aus dem Gebersignal wird eine Höhenverstellvorrichtung zur Einhaltung eines konstanten Bodenabstandes gesteuert. Solche mechanischen Abtaster finden sich z. B. an Mähwerken, um eine konstante Schnitthöhe zu steuern, auch wenn der Boden wellig, uneben, hängig oder geneigt ist. Auch ein Bestandsdichtemesser mit einem Kufenabtaster ist bekannt, dessen Abstandsmeßsignal einen vertikalen Schlitten so verfährt, daß ein daran an einem Galgen pendelnd aufgehängter Bewuchsfühler in konstantem Bodenabstand aufgehängt ist, so daß der Pendelausschlagswinkel ein Maß für die Bestandsdichte ist, deren Maß zur Steuerung der örtlichen Ausbringungsmenge von Spritzmitteln oder Dünger genutzt wird. Das Problem der Bodenabstandsmessung der landwirtschaftlichen Geräte ist, insbesondere durch die Ausbildung von Fahrspuren auf den Feldern, die je nach der Bodenart und der Vorbenutzung sehr unterschiedliche Tiefen aufweisen, von immer größerer Bedeutung, weil dadurch die seitlich angeordneten funktionalen Baugruppen, wie Pflugschar, Fräse, Sämaschinenschare, Pflanzensetzer, Hackmesser, Schneidwerk, Kartoffelroder, Rübenroder, Streuvorrichtung, Sprühwerk häufig sehr unzureichend arbeiten und das Arbeitsergebnis gefährdet ist, z. B. weil das Spritzmittel nur in bestimmter Höhe den Pilz- oder Schädlingsbefall treffen kann, oder ein unnötig hoher Materialverbrauch entsteht und durch zu hohen Spritzmittelverbrauch eine Umweltschädigung eintritt.Known is such a device, which consists of a mechanical oblique on the Ground-based ground scanner with a sanding pad, the high Wear is subject and an angle encoder. The encoder signal becomes a height adjustment device controlled to maintain a constant ground clearance. Such mechanical scanner can be found z. B. mowers to a constant cutting height even if the ground is wavy, uneven, or pending is inclined. Also an inventory density meter with a skid scanner is known whose distance measuring signal a vertical slide so that a pendulum on a gallows suspended fouling probe suspended at a constant ground clearance, so that the pendulum deflection angle is a measure of population density, their measure of Control of the local Application rate of sprays or fertilizer is used. The problem the ground clearance measurement of agricultural equipment is in particular through the formation of lanes in the fields, depending on the type of soil and the previous use very different Have depths, of ever greater importance, because this causes the laterally arranged functional assemblies, like ploughshare, tiller, Sämaschinenschare, Plant teaser, cleaver, cutting unit, potato harvester, beet harvester, spreading device, Sprühwerk often work very poorly and the work result is endangered, z. B. because the spray only at a certain height the fungal or pest infestation can meet, or an unnecessarily high Material consumption arises and too high consumption of spray an environmental damage occurs.
Weiterhin sind aus dem Prospekt „Ultraschall-Sensoren-Multitalente für den industriellen Einsatz", microsonic GmbH, 2002, Ultraschall-Sensoren bekannt, die periodisch Schallimpulspakete mit einer schwingungserregten Membran aussenden und anschließend die von der Membran aufgenommenen Echosignale elekrisch gewandelt auswerten.Farther are from the brochure "Ultrasonic sensors multi-talented for industrial use", microsonic GmbH, 2002, ultrasound sensors are known, which periodically sound pulse packets send out with a vibrationally excited membrane and then the evaluated by the membrane recorded echo signals elekrisch converted.
Durch geeignete Erregungsmuster und Abmessungen der Membran wird für bestimmte Anwendungen die Strahlungscharakteristik vorgegeben. Durch Filterung der empfangenen Signale wird eine Stöhrsignalunterdrückung vorgenommen. Mit einem Zeitfenster kann ein Entfernungsmeßbereich vorgegeben werden. Bei beengten Einbauverhältnissen wird die Strahlungscharakteristik mit einem ebenen Reflektor um 90° umgelenkt.By suitable excitation patterns and dimensions of the membrane will be for certain Applications specified the radiation characteristics. By filtering the received signals a Stöhrsignalunterdrückung is made. With a time window, a distance measuring range can be specified. In cramped conditions is The radiation characteristic with a flat reflector deflected by 90 °.
In einem hohen und/oder dichten Pflanzenbestand treten je nach Lage und Verzweigung der Stängel und Blätter so starke Nebenechos auf, daß keine ausreichend genaue Bodenabstandsmessung für einen gesteuerten Betrieb einer Landmaschine, insbesondere einer Bestandserfassungsvorrichtung mit der bekannten Ultraschallmeßvorrichtung möglich war. Auch kann durch Streuung zur Seite und/oder Absorption des Schalles oft kein Signalecho empfangen werden.In a high and / or dense plant population occur depending on the location and branching of the stems and leaves so strong side echoes on that no sufficiently accurate ground clearance measurement for controlled operation an agricultural machine, in particular a stock detection device with the known Ultraschallmeßvorrichtung possible was. Also, by scattering to the side and / or absorption of the Sound often no signal echo can be received.
Die bekannte Ultraschall-Sensorvorrichtung sendet in kurzen Zeitabständen Ultraschallsignale aus und nimmt die Echosignale anschließend auf, worauf das Echosignal verstärkt einer Schwellwertschaltung, z. B. einer Schmitt-Triggerschaltung, zur Digitalisierung zugeführt wird. Mit der Aussendung des Schallimpulses wird ein Zeitzähler gestartet und mit dem digitalisierten Echosignal wird er gestoppt, so daß der Zählerinhalt ein Maß für die Schallaufzeit und somit für die Entfernung des Hindernisses im Schallfeld ist. Der jeweilige Zählerstand wird entweder mit einem vorgegebenen Zählwert einem Vergleich unterzogen, dessen Ergebnis als Binärsignal ausgegeben oder zu einer Weiterverarbeitung bereitgestellt, oder in ein analoges Ausgangssignal gewandelt wird.The known ultrasonic sensor device emits ultrasound signals at short intervals and then picking up the echo signals, whereupon the echo signal reinforced a threshold circuit, z. B. a Schmitt trigger circuit, supplied for digitization becomes. With the transmission of the sound pulse, a time counter is started and with the digitized echo signal it is stopped so that the counter content a measure of the sound time and thus for the distance of the obstacle in the sound field is. The respective meter reading is compared either with a predetermined count, whose result is output as a binary signal or provided for further processing, or in an analogous manner Output signal is converted.
Später eintreffende Echosignale werden nicht beachtet, wodurch Mehrfachechos unterdrückt werden.Arriving later Echo signals are ignored, which suppresses multiple echoes.
Wird in einem Pflanzenbestand mit einem derartigen, dem Stand der Technik entsprechenden Ultraschall-Sensor gegen den Boden gemessen, so treffen zeitlich nacheinander mehrere Echos von unterschiedlich weit entfernten Halmen, Blättern oder anderen Gegenständen, die innerhalb der Schallkeule des Ultraschall-Sensors liegen, ein. Dadurch führt die Auswertung jeweils des ersten Echos nach dem Stand der Technik nicht zu einem brauchbaren Meßwert für den Abstand des tieferliegenden Bodens. Auch ein Halmteiler, der die Halme jeweils um die Schallkeule seitlich auseinanderhält, erbringt keine ausreichende Vermeidung von Echos am Bodenbewuchs.Becomes in a plant stock with such, the prior art corresponding ultrasonic sensor measured against the ground, so hit successively several echoes from differently far away Stalks, leaves or other objects, which lie within the sound lobe of the ultrasonic sensor, a. This leads the Evaluation of each of the first echo according to the prior art not to a usable reading for the Distance of the lower ground. Also a Halmteiler, the Halme each apart around the sound beam side yields insufficient avoidance of echoes on the soil cover.
Zum
weiteren Stand der Technik wird auf die
Es ist Aufgabe der Erfindung eine berühungslos arbeitende Vorrichtung zur Bodenabstandsmessung zu schaffen, die somit einem wesentlich geringeren Verschleiß als ein mechanischer Abtaster unterworfen ist und bei den unterschiedlichen Boden- und Bewuchsverhältnissen so zuverlässig arbeitet, daß eine abstandsgemäße Maschinensteuerung möglich ist.It The object of the invention is a contactlessly operating device to provide ground clearance measurement, which thus a significant less wear than a mechanical scanner is subjected and at the different Soil and fouling conditions so reliable works that one spaced machine control possible is.
Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bzw. mit einem Bestandsdichtemessgerät nach Anspruch 19 gelöst. Bei dieser Vorrichtung umfasst der Bodenabstandsmesser einen in einem vorgegebenen Abstandsbereich auf den Boden zu richtenden periodisch angeregten Ultraschallsensor, von dessen jeweils zuerst eintreffenden Echosignal eine jeweilige Antwortzeit bestimmt wird und nur solche Antwortzeiten, die in einem Zeitfenster liegen, das die doppelte Schallaufzeit in dem Abstandsbereich einschließt, einer kontinuierlich über jeweils eine vorgegebene Anzahl gemessener Antwortzeiten arbeitenden ersten Glättungsschaltung, die einen jeweils ersten Glättungswert erzeugt, zugeführt werden und diejenigen Antwortzeiten, die zwischen dem jeweils ersten Glättungswert und der vorgegebenen oberen Zeitfenstergrenze liegen, einer zweiten Glättungsschaltung zugeführt werden, deren von ihr erzeugter zweiter Glättungswert mit der Schallgeschwindigkeit multipliziert oder skaliert als das Bodenabstandsmeßsignal ausgegeben wird.The task is ge with a device according to claim 1 or with an inventory density meter according to claim 19. In this device, the ground distance measuring device comprises a periodically excited ultrasound sensor to be directed to the ground in a predetermined distance range, from whose respective first echo signal a respective response time is determined and only those response times which lie in a time window which includes twice the sound transit time in the distance range , a first smoothing circuit operating continuously over a respective predetermined number of measured response times, which generates a respective first smoothing value, and those response times lying between the respective first smoothing value and the predetermined upper time window boundary are fed to a second smoothing circuit, the first one generated by it second smoothing value is multiplied by the speed of sound or scaled as the ground distance measuring signal is output.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.advantageous Embodiments are specified in the subclaims.
Vorteilhaft wird der Glättungsvorrichtung jeweils anstelle der eliminierten Antwortzeit ein Stützwert zugeführt, der z.B. der letzte zugehörige Glättungswert oder die letzte zugelassene Antwortzeit ist.Advantageous becomes the smoothing device in each case, instead of the eliminated response time, a reference value is supplied, which e.g. the last associated smoothing value or the last allowed response time is.
Die so vervollständigte Anzahl von Antwortzeiten wird bevorzugt einer Mittelwertbildung oder einer Medianglättung zur Erzeugung des Glättungswertes unterzogen.The so completed Number of response times is preferably averaging or a median smoothing for generating the smoothing value subjected.
Die Anzahl der Messwerte, über die laufend gemittelt wird, wird mit etwa 4 bis 8 maximal 16 vorgegeben, damit einerseits eine möglichst geringe Verzögerung bis zur Meßwertausgabe auftritt und andererseits eine erträgliche Meßwertstreuung nicht überschritten wird. Je mehr Messwerte in die Glättung einbezogen werden, um so genauer wird der Mittelwert, jedoch vermindert sich die Detailgenauigkeit und somit die Reaktionsgeschwindigkeit der Bodenabstandsmessung.The Number of readings, over which is continuously averaged, is set at about 4 to 8 maximum 16, on the one hand one possible little delay until the measured value output occurs and on the other hand, a bearable Meßwertstreuung not exceeded becomes. The more readings are included in the smoothing the more accurate the mean, but the level of detail decreases and thus the reaction rate of the ground clearance measurement.
Aus den gemessenen und/oder den gemittelten Echozeiten wird der Bodenabstand durch Multiplikation mit der Schallgeschwindigkeit errechnet. Hierbei wird vorteilhaft die Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit berücksichtigt, indem die Temperatur laufend gemessen und vom Meßprozessor ausgewertet wird.Out the measured and / or the averaged echo times becomes the ground distance calculated by multiplication with the speed of sound. in this connection becomes advantageous the temperature dependence of the speed of sound considered, by continuously measuring the temperature and evaluating it by the measuring processor.
Angenähert beträgt die Schallgeschwindigkeit in Luft 331,6 + 0,6 t [°C] m/s.Approximately the speed of sound is in air 331.6 + 0.6 t [° C] m / s.
Eine weitere Verbesserung der Meßergebnisse erbringt ein Halmteiler, der den Ultraschallsensor umgibt. Dieser legt die Schallkeule weitestgehend von Halmen frei und schützt den Sensor vor Beschädigungen.A further improvement of the measurement results provides a Halmteiler, which surrounds the ultrasonic sensor. This sets the sound lobe as far as possible free from stalks and protects the Sensor from damage.
Bevorzugt wird der Sensor horizontal in einem Halmteilergehäuse untergebracht, in dem ein Reflektor den Schall um 90° aus einer bodenseitigen Öffnung zum Boden ablenkt.Prefers the sensor is placed horizontally in a Halmteilergehäuse, in which a reflector the sound by 90 ° from a bottom opening to Deflects the ground.
Vorzugsweise ist der Reflektor konkav ausgebildet, so daß die Schallkeule ihren Brennpunkt in Bodennähe hat.Preferably the reflector is concave, so that the sound beam is its focal point near the ground Has.
Der Bodenabstandsmeßwert wird vorzugsweise in analoger Form zu Steuerzwecken ausgegeben, indem jeweils der aktuelle digital gebildete Wert in einem Analogwandler gewandelt und gehalten wird.Of the Bodenabstandsmeßwert is preferably issued in analogue form for tax purposes, by giving each of the current digitally formed value in an analog converter is changed and held.
Eine bevorzugte Anwendung des Abstandsmeßsignals ist die Steuerung eines Vertikallagerreglers des Sensors selbst, so daß er stets annähernd gleichen Bodenabstand hat und somit unter stets konstanten akustischen Grundbedingungen arbeitet.A preferred application of the Abstandsmeßsignals is the controller a vertical positioner of the sensor itself, so that he always approximately the same Ground clearance and thus under constant acoustic basic conditions is working.
Mit dem Vertikallagerregler wird mittelbar oder unmittelbar die tiefengesteuerte Maschinenfunktion geregelt, z. B. die Höhe eines Mähwerktisches oder die Tiefe einer Hackmaschine oder eines Roders auf seinem Fahrwerk. Eine unmittelbare Einstellung erfolgt vorteilhaft bei einem Bestandsdichtemesser, dessen Galgen mit dem Pendel an der Hubvorrichtung angebracht ist, die auch den Halmteiler mit dem Ultraschallsensor trägt.With the vertical bearing controller is directly or indirectly the depth-controlled Machine function regulated, z. As the height of a mowing table or the depth a chipper or a Roders on his chassis. An immediate one Adjustment is advantageously carried out with an inventory density meter, whose gallows is attached to the pendulum on the lifting device, which also carries the Halmteiler with the ultrasonic sensor.
Die Steuerung weiterer Maschinenfunktionen erfolgt desweiteren mit einem Höhensignal des Vertikallagerreglers, das von diesem abgenommen wird. Zudem erfolgt im Falle der Verwendung eines Bestandsdichtemessers eine Auswertung von dessen Meßsignal, z. B. zur Steuerung einer Dünger- oder Spritzmittel-Austragsrate, wobei die Spritzmittel-Höhenapplikation in Bezug auf das Vertikallagesignal der Vertikallagerregler ebenfalls gesteuert wird.The Control of further machine functions is done with a height signal of the vertical positioner, which is removed from this. moreover in the case of using an inventory densitometer, a Evaluation of its measuring signal, z. B. to control a fertilizer or Spray-discharge rate, the sprayer height application with respect to the vertical-position signal of the vertical bearing controller also is controlled.
Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den
Die
Säule
Immer
dann, wenn eine Zeitsteuervorrichtung
Die
Auswerteschaltung
Gleichzeitig wird diese Meßwertfolge einem ersten Zwischenspeicher D1 zugeführt, der mehrere Meßwerte aufnimmt und jeweils die Messwerte einem Eingang der ersten Glättungsschaltung G1 zuführt, so daß immer über die letzten Meßwerte die Glättung ausgeführt wird, die in dem gebildeten Saldo und in dem ersten Zwischenspeicher D1 enthalten sind.simultaneously becomes this sequence of measurements a first latch D1, which receives a plurality of measured values and in each case the measured values an input of the first smoothing circuit G1 feeds, so that always over the last measured values the smoothing accomplished which is in the balance formed and in the first cache D1 are included.
Der ersten Glättungsschaltung ist ein Komparator CP nachgeschaltet, der die vorgeglätteten Meßwerte mit den ungeglätteten Messwerten aus dem Begrenzer LIM vergleicht und nur dann, wenn der ungeglättete Wert aus dem Begrenzer LIM größer ist, diesen ungeglätteten Wert der zweiten Glättungsschaltung G2 zuführt und im anderen Fall den letzten plausibel gefundenen Messwert oder den zuletzt gebildeten Mittelwert 1.G als einen zweiten Stützwert ST2 nutzt, wie zur anderen Glättungsvorrichtung bereits beschrieben ist.Of the first smoothing circuit is followed by a comparator CP, the pre-smoothed measured values with the unsmoothed Measured values from the limiter LIM compares and only if the unsmoothed Value from the limiter LIM is larger, this unsmoothed Value of the second smoothing circuit G2 feeds and in the other case the last plausibly found measured value or the last-formed mean value 1.G as a second support value ST2 uses, as to the other smoothing device already described.
Auch diese zweite Glättungsschaltung G2 ist ein Summierer der Meß- bzw. Stützwerte, dem ein zweiter Zwischenspeicher D2 für eine Anzahl von Meßwerten zugeordnet ist, dessen jeweiligen Werte der zweiten Glättungsschaltung G2 zugeführt werden.Also this second smoothing circuit G2 is a summer of the measuring or support values, a second buffer D2 for a number of measured values whose respective values are the second smoothing circuit G2 supplied become.
Die in der zweiten Glättungsschaltung G2 nachgeglättete Wertefolge wird mit der Schallgeschwindigkeit multipliziert und einem Digital-Analogwandler D/A zugeführt, dessen Ausgangssignal in einer Halteschaltung H gespeichert und dem Ausgang als ein Bodenabstandssignal BAS zugeführt wird. Die Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit wird durch Auswertung eines Temperaturmeßsignals eines Temperatursensors T in der Kennlinie des Digital-Analogwandlers D/A dabei berücksichtigt.The in the second smoothing circuit G2 smoothed Value sequence is multiplied by the speed of sound and fed to a digital-to-analog converter D / A whose output signal stored in a latch circuit H and the output as a ground distance signal BAS supplied becomes. The temperature dependence The speed of sound is determined by evaluating a temperature measurement signal Temperature sensor T in the characteristic of the digital-to-analog converter D / A taken into account.
Alle
Werte in den
Der
Komplex der Auswerteschaltung
Der
Reflektor
- 11
- Säulepillar
- 1010
- Galgengallows
- 1111
- Pendelpendulum
- 1212
- Winkelsensorangle sensor
- 1313
- Halmteilerdividers
- 1414
- Vertikalschlittenvertical slide
- 1515
-
Stangen
(an
13 )Rods (on13 ) - 22
- Ultraschallgeber/SensorUltrasound transmitter / sensor
- 2020
- Sensor/GeberelementSensor / transmitter element
- 2121
- Reflektorreflector
- 2222
- Schutzblechmudguard
- 3131
- ZeitsteuervorrichtungTiming controller
- 3232
- ZeitimpulszählerTime pulse counter
- 3333
- Auswerteschaltungevaluation
- BB
- Ackerbodenarable land
- AA
-
Bodenabstand
(zu
2 )Ground clearance (to2 ) - FF
- Fahrtrichtungdirection of travel
- GG
- Generatorgenerator
- V(t)V (t)
- Verstärkeramplifier
- SS
- SchmitttriggerSchmitt trigger
- TT
- Temperatursensortemperature sensor
- ARAR
- AuswerteregisterAuswerteregister
- LIMLIM
- Begrenzerlimiter
- OGOG
- ObergrenzeUpper limit
- UGUG
- Untergrenzelower limit
- OKOK
- Signal (innerhalb der Grenze)signal (within the limit)
- NOKNOK
- Signal (außerhalb der Grenze)signal (outside the border)
- D1D1
- 1. Zwischenspeicher1. cache
- D2D2
- 2. ZwischenspeicherSecond cache
- CPCP
- Komparatorcomparator
- G1G1
- 1. Glättungsschaltung1. smoothing circuit
- G2G2
- 2. GlättungsschaltungSecond smoothing circuit
- D/ATHERE
- Digital-AnalogwandlerDigital to analog converter
- HH
- Halteschaltunghold circuit
- BASBAS
- BodenabstandssignalGround clearance signal
- 1.G1.G
- vorgeglätteter erster Glättungswertpre-smoothed first smoothing value
- 2.G2.G
- nachgeglätteter zweiter Glättungswertsecond smoothed smoothing value
- ST1ST1
- erster Stützwertfirst support value
- ST2ST2
- zweiter Stützwertsecond support value
- TT
- Temperatursensortemperature sensor
Claims (19)
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