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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Höhenführung von Sensoren oder Aktoren
auf Landmaschinen, die an einem Sensoren- und Aktorenträger angeordnet
sind, der über
ein Viergelenk mit einer Montagefläche der Landmaschine verbunden und
mit einem auf der Bodenfläche
aufsetzenden Tastelement ausgerüstet
ist.
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In
landwirtschaftlichen und gartenbaulichen Produktionsverfahren werden
zunehmend Sensoren eingesetzt, um Boden- und Pflanzenparameter messtechnisch
zu erfassen. So sind z.B. die Pflanzenhöhe, der Bedeckungsgrad oder
die Menge an gewachsenem pflanzlichen Material wichtige Parameter
zur Beurteilung von Pflanzenbeständen.
Sie geben Auskunft über
die zu erwartende Erntemenge oder werden genutzt, um den Einsatz
von Dünge- und
Pflanzenschutzmitteln für
eine bedarfsgerechte, kleinräumige
Bewirtschaftung zu optimieren. Weiterhin können bei Erntemaschinen die
Betriebsparameter, wie Fahrgeschwindigkeit oder Drehzahlen von Maschinenbaugruppen,
der Pflanzenmenge angepasst werden.
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Es
gibt Sensoren zur Ermittlung von Bestandesparametern, die nur mit
hinreichender Genauigkeit arbeiten, wenn sie durch die Basismaschine
in konstanter Höhe über dem
Erdboden geführt
werden. Maschinenhöhen
in Form des Abstandes zur Bodenoberfläche können sich durch unterschiedliche Beladung
oder Fahrspurtiefen ändern.
Dieses trifft insbesondere beim Befahren von sogenannten Regelspuren
zu, die in definierten Abständen
entsprechend der Arbeitsbreite von Landmaschinen auf den Ackerflächen angelegt
werden.
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In
den Offenlegungsschriften
DE
103 29 472 A1 ,
DE
103 49 324 A1 und
DE
103 46 541 A1 werden Vorrichtungen zur Messung der Pflanzenbestandsdichte
beschrieben. Um die Pflanzenmassedichte zu messen, werden Laser-Triangulationssensoren
vorgeschlagen, die die Abstände
zu den reflektierenden Oberflächen
eines Pflanzenbestandes messen. Um zu verhindern, dass auftretende
unterschiedlich tiefe Fahrspuren oder Veränderungen hinsichtlich der Höhe des Sensors über der
Bodenoberfläche
das Messergebnis verfälschen,
muss der Abstand der Sensoren zur Bodenoberfläche gemessen werden können. Dieses
ist nur möglich,
wenn ausreichend und eindeutig interpretierbare Messsignale sowohl vom
Boden als auch von den Pflanzen gewonnen werden können.
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Auf
Grund vorliegender Erfahrungen ist davon auszugehen, dass diese
Voraussetzung nicht mit ausreichender Sicherheit erfüllt werden
kann, da in stark ausgebildeten Pflanzenbeständen der Boden durch die Stängel und
Blätter
der Pflanzen nahezu vollständig
verdeckt wird.
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Aus
der
DE 32 37 861 A1 ist
eine Vorrichtung zur Steuerung von Rübenerntemaschinen mit einer Impulse
auslösenden
Schalteinrichtung bekannt. Die Vorrichtung arbeitet mit einem Tastfühler, der
sowohl in der Höhe
als auch zur Seite bewegt werden kann. Der oder die Tastfühler sind
mit einem Parallelogrammgestänge
verbunden. Es fehlen jedoch Maßnahmen,
um das Tastelement um Hindernisse herum- bzw. herüberzuführen und
außerdem
auch ein Rückwärtsfahren
zu ermöglichen.
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Um
die Pflanzenmassedichte zu messen, ist z.B. ein mechanischer Sensor
entwickelt worden, der nach dem Prinzip der Auslenkung eines physikalischen
Pendels arbeitet, siehe Ehlert et al., Improvement of the pendulum-meter
for measuring crop biomass in Precision Agriculture, Proceedings
of the 4th European Conference an Precision
Agriculture, edited by J. Stafford and A. Werner, (Wageningen Academic
Publishers) 2003, pp 199–204.
Dieses Messprinzip ist daran gekoppelt, dass der Drehpunkt des Pendels
sich stets in konstanter Höhe über dem
Erdboden bewegt. Um die Fahrspurtiefe zu messen und das Führen des
Drehpunkts in konstanter Höhe
zu gewährleisten,
wird ein speziell geformter und in Gleitbuchsen geführter Taststab
verwendet, dessen Schleifkufe auf der Bodenoberfläche entlang
gleitet. Am oberen Ende des Taststabs befinden sich zwei Näherungsschalter, über die
im Zusammenwirken mit einem elektro-mechanischen Linearantrieb eine Dreipunkt-Lageregelung
ermöglicht
wird. Praxiserfahrungen haben gezeigt, dass diese Lösung nicht die
erforderliche Funktionssicherheit aufweist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben,
die es ermöglicht,
ohne elektrische und elektronische Komponenten Sensoren und/oder
Aktoren in konstanter Höhe über der Bodenoberfläche zu führen und
gleichzeitig die Lageveränderungen
gegenüber
dem Basisfahrzeug auszugleichen. Das soll insbesondere für Flächen gelten,
die mit Pflanzen bewachsen sind.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe gelöst durch
die Merkmale des Anspruchs 1. Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand
der Unteransprüche.
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Danach
ist das Tastelement um eine vertikale Achse drehbar gelagert und
in einem unteren Teil des Sensoren- und Aktorenträgers um
eine horizontale Achse schwenkbar gelagert, wobei es sich an einer
einstellbar vorgespannten, bei Vorwärtsfahrt über einen Kipphebel wirksamen
Feder abstützt.
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Die
Vorrichtung weist eine fahrzeugseitige Montagefläche auf, die über ein
Gelenkviereck in Form einer Parallelogrammführung mit dem Sensoren- und
Aktorenträger
schwenkbar verbunden ist. Der mit dem Gelenkviereck konstruktiv
vorzusehende Höhenausgleich
richtet sich insbesondere nach den zu erwarteten maximalen Spurtiefen
auf landwirtschaftlichen Ackerflächen.
Erfahrungsgemäß erreichen
diese Größenordnungen
von ca. 300 mm.
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Der
Sensoren- und Aktorenträger
stützt
sich auf dem Tastelement ab, das über den Boden gleitet und zweckmäßig um eine
vertikale Achse in einer Führungsbuchse
drehbar gelagert ist. Diese Form von Freiheitsgraden ist erforderlich,
um bei Kurven- und Rückwärtsfahrt
sich selbst ausrichten zu können.
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Zur
Reduzierung der Abstützkräfte und
damit des Verschleißes
des Tastelements sowie zur Schonung des Pflanzenbestandes wird zweckmäßig eine Zugfeder
diagonal im Gelenkviereck angebracht. Durch das abgestimmte Zusammenwirken
von Federkraft, vertikalen Abstützkräften, horizontal
wirkenden Reibkräften
(infolge der Fahrbewegung) und den spezifischen Kräfteverhältnissen
bei der Abstützung des
Sensoren- und Aktorenträgers über das
Gelenkviereck entstehen Abstützkräfte zum
Boden, die weitgehend unabhängig
von der Höhenposition
des Sensoren- und Aktorenträgers
sind.
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Um
das Tastelement vor Beschädigungen durch
Steine, Furchen, Erdwälle
und sonstige Hindernisse wirkungsvoll zu schützen und um beim Auftreffen
gleichzeitig Aushubkräfte
mit einer verstärkten vertikal
aufwärts
gerichteten Komponente zu erzeugen, ist das Tastelement zusätzlich um
eine horizontale Achse schwenkbar gelagert.
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Um
bei normaler Vorwärtsfahrt
zu verhindern, dass das Tastelement nach hinten gedrückt wird,
stützt
sich das Tastelement auf einem einstellbaren federbelasteten Kipphebel
ab. Beim Übergang in
Rückwärtsfahrt
vollführt
das Tastelement neben der Drehbewegung eine Schwenkbewegung um die horizontale
Achse ohne Gegenkraft, indem sich die schwenkbare Führungsbuchse
vom Kipphebel abhebt.
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Anhand
der beigefügten
Zeichnungen soll die Erfindung näher
veranschaulicht werden.
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Es
zeigt:
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1:
die perspektivische Ansicht der Vorrichtung in normaler Arbeitsstellung,
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2:
die perspektivische Ansicht der Vorrichtung bei Vorwärtsfahrt
mit Hindernis,
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3:
die perspektivische Ansicht der Vorrichtung bei Rückwärtsfahrt,
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4:
die perspektivische Ansicht der Vorrichtung in Transportstellung
und
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5:
ein Anordnungsbeispiel der Höhenführung an
einer Landmaschine in Arbeitsstellung.
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1 zeigt
die Vorrichtung zur Höhenführung in
der normalen Arbeitsstellung. Die Vorrichtung besteht aus einer Montagefläche 1,
die zur Befestigung der Vorrichtung an einem Basisfahrzeug dient. Ein
Sensoren- und Aktorenträger 2 ist
gegenüber
der Montagefläche 1 durch
eine Parallelogrammführung, bestehend
aus einem oberen Lenker 3 und einem unteren Lenker 4,
verbunden. Im unteren Bereich des Sensoren- und Aktorenträgers 2 ist
in einer Schwenk- und Führungsbuchse 5 ein
in vertikaler Achse drehbar gelagertes Tastelement 6 angeordnet.
Die Schwenk- und Führungsbuchse 5 ist
zusätzlich
um eine horizontale Achse 7 schwenkbar und stützt sich in
vorwärts
gerichteter Fahrt auf einer vorgespannten Druckfeder 8 über eine
Führungshülse 9 mit
einem Druckteller auf einem Kipphebel 10 ab. Das Tastelement 6 ist
vorzugsweise aus Rundstahl gefertigt und besitzt zusätzlich eine
angeschraubte Gleitkufe 12 aus besonders verschleißfestem
Material (z.B. Stahl), die sich auf dem Erdboden 13 abstützt. Sowohl
das Tastelement 6 als auch die Gleitkufe 12 besitzen
eine geneigte Anlaufkante 11 zur Überwindung von Hindernissen 16 (Steine,
Hügel,
Furchen und dergleichen). Um die Abstützkraft der Gleitkufe 12 auf
dem Erdboden 13 den Einsatzbedingungen anzupassen zu können, ist
im Bereich der Parallelogrammführung
eine Entlastungsfeder 14 angebracht, die vorzugsweise mit
einer innen angeordneten Gliederkette 15 kombiniert ist.
Durch das Einhängen
in entsprechende Glieder der Gliederkette 15 besteht die
Möglichkeit,
die Abstützkraft
des Tastelements 6 mit Gleitkufe 12 feinstufig
den Einsatzbedingungen optimal anzupassen. Die Gliederkette 15 wirkt
gleichzeitig wie eine Längenbegrenzung
und ist hinsichtlich ihrer Länge
so bemessen, dass der Schwenkwinkel des oberen Lenkers 3 und
des unteren Lenkers 4 auf maximal ca. 45° nach unten
begrenzt wird.
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2 zeigt
die Höhenführung für den Fall, dass
während
der Vorwärtsfahrt
ein Hindernis 16 im Bereich des Tastelements 6 auftritt.
Durch die Kraftwirkung des Hindernisses 16 auf das Tastelement 6 wird
ein Moment um die horizontale Achse 7 erzeugt. Dieses Moment
bewirkt, dass die Kraftwirkung der vorgespannten Druckfeder 8 überwunden
und diese zusammengedrückt
wird. Mit der Deformation der Druckfeder 8 vollführt die
Schwenk- und Führungsbuchse 5 mit
dem Tastelement 6 eine Schwenkbewegung um die horizontale
Achse 7 nach hinten und verhindert somit die Beschädigung des
Tastelements 6 durch ein zu hohes Biegemoment. Gleichzeitig
wird durch das in der Schwenk- und Führungsbuchse 5 gelagerte
Tastelement 6 eine verstärkte vertikale Kraftkomponente
erzeugt, die zu einem nach oben gerichteten Ausschwenken des gesamten
Sensoren- und Aktorenträgers 2 führt.
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Nach Überwinden
des Hindernisses drückt die
Druckfeder 8 über
den Kipphebel 10 die Schwenk- und Führungsbuchse 5 wieder
in die normale Arbeitsstellung zurück, die durch eine einstellbare
Längenbegrenzung
auf einem Führungsstab 17 exakt
reproduzierbar ist.
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3 zeigt
die Höhenführung für den Fall der
Rückwärtsfahrt.
Um zu verhindern, dass sich das Tastelement 6 bei dieser
Fahrtrichtung im Erdboden 13 oder an einem Hindernis 16 verfängt, kann
dieses frei nach vorn ausschwenken. In diesem Fall dreht sich das
Tastelement 6 infolge der Rückwärtsbewegung des Basisfahrzeugs
in der Schwenk- und Führungsbuchse 5 oder/und
die Schwenk- und Führungsbuchse 5 hebt
sich vom Kipphebel 10 ab. Nach Beendigung der Rückwärtsfahrt
wird das Tastelement 6 bei einer anschließenden Vorwärtsfahrt,
unterstützt
von dem zu durchdringenden Pflanzenbestand, infolge der eigenen
Schwerkraft wieder in die Arbeitsstellung zurückgeschwenkt. Dieser Schwenkvorgang
in die normale Arbeitsstellung entsprechend 1 ist beendet,
wenn die Schwenk- und Führungsbuchse 5 auf
dem federbelasteten Kipphebel 10 auftrifft.
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4 zeigt
die Vorrichtung beispielhaft in Transportstellung. Wird die Vorrichtung
an Fahrzeugen montiert, die nicht mit einem hydraulisch betriebenen
Front-Kraftheber
ausgestattet sind, so besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit, die erforderliche Bodenfreiheit
durch das Hochschwenken des Sensoren- und Aktorenträgers 2 bis
in die obere Endstellung zu erreichen. Sowohl Entlastungsfeder 14 als auch
Gliederkette 15 ermöglichen
infolge ihrer funktionellen Eigenschaften diese Schwenkbewegung
bis in die obere Endlage. Die konstruktive Ausführung von oberem Lenker 3 und
unterem Lenker 4 sowie die spezielle Anordnung der Druckfeder 8,
der Führungshülse 9 mit
Druckteller und dem Führungsstab 17 erfolgen
in der Weise, dass die obere Endlage der Schwenkbewegung vollständig erreicht
werden kann. Durch Verwenden z.B. eines selbsttätig sperrenden Klinkenmechanismus
kann verhindert werden, dass die Höhenführungseinrichtung wieder ungewollt
in die Arbeitsstellung zurück
schwenkt.
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5 zeigt
beispielhaft die Anordnung der Vorrichtung im Frontanbau an einem
Traktor 18, um Sensoren 19 für die Erfassung von Pflanzenbestandesparametern
einsetzen zu können.
Erfindungsgemäß führt die
Vorrichtung z.B. einen Laser-Abstandssensor
zur Erfassung von morphologischen Parametern (Bedeckungsgrad, Pflanzenhöhe, Pflanzenmassedichte)
exakt in gleicher Höhe über dem
Erdboden 13, so dass unterschiedliche Fahrzeughöhen oder variierende
Tiefen von Regelspuren 20 bei geringen technischen Aufwendungen
mit hoher Präzision
ausgeglichen werden können.
Durch die Kombination der Sensoren 19 mit Düngerstreuern
oder Pflanzenschutzspritzen ist es möglich, die teilflächenspezifische
Ausbringung von Dünge-
und Pflanzenschutzmitteln in Echtzeit technisch effektiv umzusetzen.
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- 1
- Montagefläche
- 2
- Sensoren-
und Aktorenträger
- 3
- oberer
Lenker
- 4
- unterer
Lenker
- 5
- Schwenk-
und Führungsbuchse
- 6
- Tastelement
- 7
- horizontale
Achse
- 8
- Druckfeder
- 9
- Führungshülse
- 10
- Kipphebel
- 11
- Anlaufkante
- 12
- Gleitkufe
- 13
- Erdboden
- 14
- Entlastungsfeder
- 15
- Gliederkette
- 16
- Hindernis
- 17
- Führungsstab
- 18
- Traktor
- 19
- Sensoren
- 20
- Regelspur