-
Die
Erfindung betrifft eine Sensoranordnung gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruches 1.
-
Derartige
Sensoranordnungen werden beispielsweise in der Landwirtschaft eingesetzt,
um mittels eines Appliktations- oder Sensorkopfes Pflanzenparameter,
wie den Stickstoffgehalt, die Pflanzenmasse und die Bestandshöhe
von Kulturpflanzen berührungslos zu erfassen, so dass beispielsweise
die Düngermenge in Abhängigkeit von diesen Parametern
bemessen werden kann. Insbesondere die Dosierung von Stickstoffdünger
ist problematisch, da bei einer Überdüngung das
Grundwasser durch ausgeschwemmtes Nitrat belastet wird und bei zu
geringer Düngerzugabe der Ertrag und die Qualität
der Ernteprodukte sinken. Prinzipiell kann der Applikationskopf
auch verwendet werden, um eine Höhennachführung
eines Spritzkopfs zum Beaufschlagen der Pflanzen mit einem Wirkstoff
durchzuführen.
-
Von
der Anmelderin wird eine gattungsgemäße Sensoranordnung
mit dem Produktnamen "MiniVeg" hergestellt und vertrieben, bei der
zur Erfassung von Pflanzenparametern ein miniaturisierter Laser
niedriger Energie verwendet wird. Einzelheiten dieses Lasers sind
der Druckschrift
WO
2000025114 A1 entnehmbar, so dass unter Hinweis auf diese Druckschrift
hier nur die zum Verständnis der Technologie erforderlichen
Ausführungen gemacht werden. Dieser Laser regt das Pflanzenchlorophyll (Blattgrün)
zur Fluoreszenz an. Das daraus resultierende, für jede
Pflanzenart charakteristische Leuchten wird von hochempfindlichen
Detektoren empfangen und erlaubt Rückschlüsse
auf den Nährstoffversorgungs- bzw. Stresszustand der Pflanze.
Diese detektierten Messsignale werden einzig und allein von chlorophyllhaltigem
Material geliefert, so dass Störeinflüsse wie
zum Beispiel unterschiedliche Sonnenstände oder Bewölkungssituationen
praktisch keinerlei Einfluss auf das Messergebnis haben.
-
Bei
der von der Anmelderin vertriebenen Sensoranordnung ist ein Geräteträger
vorgesehen, der beispielsweise an einen Frontkraftheber einer Landmaschine
montiert wird. Dieser Geräteträger hat zwei horizontal
ausschwenkbare Tragarme, die jeweils zwei zueinander beabstandete
Messköpfe zur Fluoreszenzmessung tragen. Diese Messköpfe
sollen in einem vorbestimmten Abstand, beispielsweise 3 cm oberhalb
des Pflanzenbestandes geführt werden. Um dies zu gewährleisten,
ist der Geräteträger mit einer Höhennachführung
versehen, über die die Messköpfe in diesem vorbestimmten
Abstand zu den Pflanzen gehalten werden. Diese Abstandsmessung erfolgt
bei der bekannten Lösung dadurch, dass ein Messsignal,
beispielsweise ein Infrarotstrahl oder Ultraschall etwa in Vertikalrichtung
auf die Pflanzenoberfläche gerichtet wird und aus dem von
den Pflanzen reflektierten Signal der Abstand zur Pflanzenoberkante
bestimmt wird. In Abhängigkeit von diesem Abstandssignal
wird dann die Höhennachführung der Sensoranordnung
angesteuert, um die Messköpfe in den vorbestimmten Abstand
zu den Pflanzen zu bringen. Alternativ hierzu könnte auch
ein anderes Applikationssystem (z. B. Spritzdüse) in einem
vorbestimmten Abstand zur Bestandesoberkante geführt werden,
das an einem Trägersystem am Heck der Landmaschine montiert
ist.
-
Beim
praktischen Einsatz zeigte es sich, dass eine präzise Höhennachführung
nur mit einem hohen Aufwand realisiert werden kann, da der von oben
auf die Pflanzen gerichtete Messstrahl häufig auch eine
Lücke zwischen den Pflanzen oder zwischen Pflanzenreihen
trifft, so dass das Messsignal von einem Rauschen überlagert
ist, das nur mit hohem rechnerischen Aufwand herausgerechnet werden
kann.
-
Demgegenüber
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Sensoranordnung zu
schaffen, bei der die Qualität des Messsignals verbessert
ist, so dass eine zuverlässige Führung des Applikationssystems
(Chlorophyll-Sensor bzw. Spritzdüse) in einer vorgegebenen
Eintauchtiefe im Pflanzenbestand bzw. in einem vorgegebenen Abstand über
den Pflanzen gewährleistet ist.
-
Diese
Aufgabe wird durch eine Sensoranordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches
1 gelöst.
-
Erfindungsgemäß hat
die Sensoranordnung zumindest einen Sensorkopf zum berührungslosen Erfassen
von Pflanzenparametern oder einen Applikationskopf, der beispielsweise
eine Spritzdüse trägt, wobei dieser zumindest
eine Sensor-/Applikationskopf an einem Tragarm gehalten ist und
mittels eines Höhennachführsystems mit Bezug zur
Oberfläche eines Pflanzenbestandes positioniert werden
kann. Das Höhennachführsystem hat einen Sender
zum Aussenden eines Messsignals, beispielsweise von Lichtstrahlen
oder Schallwellen und einen Detektor zum Empfangen eines vom Pflanzenbestand
reflektierten bzw. transmittierten Signals. Im Unterschied zum Stand
der Technik wird das Messsignal jedoch nicht in der Vertikalen ausgerichtet,
sondern in der Horizontalen, so dass es einen Bereich oberhalb einer
Oberkante eines Pflanzenbestandes abtastet. Falls der Pflanzenbestand
in diesem Abtastbereich hineinragt, wird aufgrund des entsprechenden
Antwortsignals das Höhennachführsystem angesteuert, um
den Tragarm mit dem Applikationskopf/Sensorkopf anzuheben, so dass
dieser im vorbestimmten Abstand oberhalb des Pflanzenbestandes angeordnet
ist.
-
Da
das Messsignal, d. h. ein Messstrahl bzw. die Schallwellen, in der
Praxis eine kegelförmige Messkeule ist, wird diese so ausgerichtet,
dass die pflanzenseitige Begrenzung der Messkeule etwa parallel
zur Oberfläche ausgerichtet ist. D. h. die Achse der Messkeule
verläuft dann etwas schräg angestellt zur Pflanzenbestandoberkante.
-
Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist
die Messstrahlachse quer zur Fahrtrichtung angeordnet, sie kann
jedoch auch schräg, vorzugsweise um etwa 45° zur
Fahrtrichtung angestellt sein.
-
Bei
Verwendung eines Ultraschallsystems ist die Messung besonders einfach,
wenn innerhalb des Messbereiches eine den Messstrahl reflektierende Referenzfläche
angeordnet ist, so dass aus dem Abstand des Senders zur Referenzfläche
eine Standardlaufzeit berechnet werden kann. Falls der Detektor
eine kürzere Laufzeit erfasst, kann davon ausgegangen werden,
dass sich eine Pflanze im Bereich zwischen Sender und Referenzfläche
befindet, so dass der Sensorkopf angehoben werden muss. Prinzipiell
kann jedoch auch ohne eine derartige Referenzfläche gearbeitet
werden. Solange sich der Sender zum Aussenden des Messsignal oberhalb
des Pflanzenbestandes befindet, wird dann kein Signal reflektiert,
so dass die Sensoranordnung über das Höhennachführsystem
abgesenkt wird bis eine Reflektion an den Pflanzen erfolgt. Die
Genauigkeit bei diesem System ist jedoch geringer als bei einem
System mit Referenzfläche, da aufgrund einer Streuung oder
Absorption des Messsignals durch die Pflanzen erhebliche Messfehler
auftreten können.
-
Zur
Erhöhung der Messgenauigkeit können der Sender
und der Detektor des Höhennachführsystems im Bereich
des Applikationskopfs/Sensorkopfs angeordnet werden.
-
Dabei
ist es besonders bevorzugt, wenn Sender und Detektor in Fahrtrichtung
gesehen vor dem Kopf angeordnet sind.
-
Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind
zwei zueinander beabstandete Sensorköpfe zum berührungslosen
Erfassen von Pflanzenparametern an einem Tragarm angeordnet, wobei
beiden Sensorköpfen ein Höhennachführsystem
zugeordnet ist. Die Messung lässt sich besonders schnell
und effektiv durch führen, wenn das Nutzfahrzeug zwei Tragarme
mit jeweils zwei Sensorköpfen und einem Höhennachführsystem
trägt.
-
Erfindungsgemäß wird
es bevorzugt, wenn der Applikations-/Sensorkopf ein Lasersensor
zur Bestimmung des Chlorophyllgehaltes ist. Als Sender zum Aussenden
des Messstrahls des Höhennachführsystems wird
vorzugsweise ein Ultraschallgeber verwendet. Derartige Sensorköpfe
sind mechanisch äußerst robust ausführbar
und weitestgehend unempfindlich gegen äußere Einflüsse
(Tau, Staub, Regen). Alternativ zur Ultraschall-Laufzeitmessung
ist ein System geeignet, das elektromagnetische Strahlung auf einen
Detektor sendet, wobei es keine Rolle spielt, ob sich Sender und
Empfänger gegenüber liegen oder ein Retroreflektor
die ausgesendete Strahlung an den Empfänger, der beispielsweise
im selben Gehäuse untergebracht sein kann wie der Sender, zurück
reflektiert.
-
Anstelle
eines Sensorkopfs kann das System auch einen eine Spritzdüse
oder eine andere Applikation ermöglichenden Applikationskopf
haben.
-
Im
Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
-
1 eine
Vorderansicht eines landwirtschaftliches Nutzfahrzeugs mit einer
erfindungsgemäßen Sensoranordnung;
-
2 eine
Draufsicht auf das landwirtschaftliche Nutzfahrzeug;
-
3 eine
Detaildarstellung in Frontansicht einer Höhenmesseinheit
der Sensoranordnung aus 1 und
-
4 eine
Variante der Höhenmesseinheit aus 3.
-
1 zeigt
eine schematisierte Vorderansicht einer erfindungsgemäßen
Sensoranordnung 1, die an einem Frontkraftheber 2 eines
landwirtschaftlichen Nutzfahrzeuges angekoppelt ist. 2 zeigt eine
Draufsicht auf die Front des Nutzfahrzeuges 4. Demgemäß hat
die Sensoranordnung 1 zwei seitlich auskragende Tragarme 6, 8,
an denen jeweils zwei Sensorköpfe 10, 12 angeordnet
sind. Jedem Tragarm 6, 8 ist eine Höhenmesseinheit 16 zur
Erfassung des Höhenabstandes der Sensorköpfe 10, 12 zur Pflanzenoberfläche
zugeordnet. Die Sensorköpfe 10, 12 und
Höhenmesseinheit 16 sind jeweils an einer Konsole 18 bzw. 20 gelagert,
die ihrer seits am jeweils zugeordneten Tragarm 6 bzw. 8 angelenkt
sind. In der Darstellung gemäß 1 sind
die beiden Tragarme 6, 8 seitlich in ihre Messposition
ausgefahren, wobei sie sich dann etwa quer zur Längsachse
(senkrecht in der Zeichenebene gemäß 1)
des Nutzfahrzeuges 4 erstrecken. Zur Vereinfachung des Transportes
können die beiden Tragarme 6, 8 jeweils um
eine Schwenkachse 22 bzw. 24 nach vorne verschwenkt
und zusammengeklappt werden, so dass die Gesamtbreite der Sensoranordnung
verringert wird. Bei Kontakt mit einem Hindernis können
die Tragarme 6, 8 bis zu einer gewissen Winkelstellung nach
hinten ausweichen, ohne dass die Sensoranordnung oder das Applikationssystem
beschädigt wird (siehe 2). Die
Höhe der Tragarme 6, 8 lässt sich über
eine Parallelogrammlenkeranordnung 26, 28 hydraulisch
verstellen, wobei das Hydraulikaggregat und die Steuerung der Sensoranordnung
in einem Geräteträger 30 aufgenommen
ist, das von dem Frontkraftheber 2 getragen wird, und an
dem die Parallelogrammlenker 26, 28 angelenkt
sind. Über den Frontkraftheber 2 kann dann eine
grobe Voreinstellung der Höhe der Tragarme 6, 8 oberhalb
der Pflanzen eingestellt werden, die individuelle Feineinstellung
erfolgt dann durch Ansteuerung der Parallelogrammlenker 26, 28.
Die Sensorköpfe 10, 12 lassen sich aus
der in 1 dargestellten Messposition heraus nach hinten
wegschwenken, um die Beschädigungsgefahr bei eventuellem
Bodenkontakt während der Messung zu verringern. Bei dem
in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel können
die beiden Tragarme 6, 8 individuell in der Höhe
verstellt werden. Anstelle der hydraulischen Verstellung der vorbeschriebenen
Trag- und Stützelemente können diese prinzipiell
auch elektromotorisch verstellt werden.
-
3 zeigt
eine Detaildarstellung des am Tragarm 6 angeordneten Sensorkopfes 10.
Der Grundaufbau dieses Sensorkopfes 12 ist vom MiniVeg-Laser-System
bekannt, so dass unter Hinweis auf die diesbezügliche Beschreibung
unter www.fritzmeier.com auf eine Detailbeschreibung
des Sensorkopfes 12 verzichtet werden kann. Dieser besteht aus
einem Messkammergehäuse 34, in dem Sende- und
Detektionsoptik 32 integriert und über Lichtwellenleiter
mit einem Signalprozessor zur Signalverarbeitung verbunden sind.
Der Prozessor ist für alle Belange der Signalerfassung,
Auswertung und Archivierung ausgelegt und das Sensorpaket ist mit
einem integrierten Kalibrations- und Überwachungssystem ausgeführt.
Der Sensorkopf 10 ist um eine Horizontalachse 36 schwenkbar
an der Konsole 18 gelagert. Wie oben beschrieben, kann
der Sensorkopf 10 bei unbeabsichtigtem Bodenkontakt um
die Horizontalachse 36 herum nach hinten (in 3)
verschwenkt werden. Weitere Einzelheiten zur Elektronik und Wirkweise
des Sensorpaketes können den vorgenannten Dokumenten entnommen
werden.
-
Wie
bereits eingangs erwähnt, ist es äußerst wichtig,
den Sensor- oder Applikationskopf 12 in einem vorbestimmten
Abstand zur Oberkante des Pflanzenbestandes zu halten. Dieser Abstand
wird durch die Höhenmesseinheit 16 erfasst, die
am Sensorkopf befestigt ist. Diese Höhenmesseinheit 16 hat einen
Ultraschallkopf 46, mit einem Ultraschallgeber, der Ultraschallwellen
aussendet und einen Ultraschalldetektor zum Empfangen des reflektierten
Signals. Derartige Ultraschallköpfe sind bekannt, so dass
Erläuterungen zur Technik entbehrlich sind. Die vom Ultraschallgeber,
beispielsweise einem piezoelektrischen Wandler generierten Schallwellen
breiten sich in Form einer sich vom Geber weg erweiternden Messkeule
aus, wobei in der Darstellung gemäß 3 in
idealisierender Weise die Messkeule 48 zylinderförmig
dargestellt ist. Diese Messkeule 48 ist so ausgerichtet,
dass ihr unterer, zur Oberkante des Pflanzenbestandes weisender
Bereich etwa im Parallelabstand zu den Pflanzen verläuft.
D. h. das Messsignal ist nicht – wie beim Stand der Technik – senkrecht
nach unten auf die Pflanzen gerichtet, sondern ertastet quer zur
Fahrtrichtung Reflexionen bzw. Transmissionsänderungen,
die dadurch bedingt sind, dass sich Pflanzenteile zwischen Sender
und Empfänger befinden. Bei dem in 3 dargestellten
Ausführungsbeispiel ist in einem vorbestimmten Messabstand
zum Ultraschallkopf 46 ein Referenzstab 52 angeordnet,
an dem die Ultraschallwellen reflektiert werden, so dass in Abhängigkeit
von diesem Abstand eine Referenzlaufzeit vorgegeben ist. Gelangt
nun eine Pflanze in die Messkeule 48, so stellt sich aufgrund
der Reflektion des Ultraschalls an dieser Pflanze eine kürzere
Laufzeit ein, so dass ein Signal an das Stellglied des zugeordneten
Parallelogrammlenkers 28 abgegeben wird, um Höhenmesseinheit 16 soweit
nach oben zu verfahren, dass keine vorzeitige Reflektion des Ultraschalls
erfolgt und sich entsprechend der vorbestimmte Abstand des Laserstrahlaustrittfensters
in einem Gehäuse zur Oberkante des Pflanzenbestandes einstellt.
Bei der bevorzugten Lösung ist die Achse der Messkeule 48 etwa
rechtwinklig zur Fahrtrichtung (senkrecht in 1) angeordnet.
Prinzipiell könnte die Messkeulenachse 48 auch schräg
nach vorn zur Fahrzeuglängsachse hin angestellt werden.
-
Bei
einer vereinfachten Ausführung wird auf den Referenzstab 52 verzichtet.
Bei einer derartigen Variante wird erst dann ein Signal reflektiert,
wenn eine Pflanze in die Messkeule 48 hineinragt. Die Nachteile
eines derartigen Messsystems wurden bereits eingangs erläutert.
-
Die
Abstandsmessung kann auch mittels elektromagnetischer Wellen oder
Lichtwellen, beispielsweise Infrarotlicht erfolgen. Vorteil der
Ultraschallsensoren ist deren erläuterte Robustheit. Die Relativanordnung
zwischen dem Austrittsfenster des Laserstrahls 40 und der
Messkeule 48 ist individuell einstellbar. So ist es beispielsweise
möglich mit dem Sensorkopf in ausgewählten Blattetagen
zu messen. Alternativ lässt sich beispielsweise eine Spritzdüse zur
Ausbringung von Pflanzenschutzmittel in einem gewünschten
Abstand knapp über der Bestandesoberkante zu führen.
-
Für
eine weitere Verfeinerung der Nachführung eines Applikationssystems
entlang der Bestandesoberkante eines Feldes während der
Fahrt sorgt die nach 4 zusätzliche Anbringung
eines weiteren Höhenmesssystems in einem geeigneten festen Abstand
unterhalb des ersten Höhenmesssystems. Während
bei vorgenanntem System eine aktive Regelung nach oben oder unten
permanent erfolgt, kann man eine Höhenverstellung des Systems
mit weniger Ausschlägen realisieren, wenn das Applikationssystem
möglichst in einer Höhe gehalten wird, bei der
die obere Messkeule 48 möglichst nicht durch eine
Pflanze unterbrochen wird, während die untere Messkeule 68 möglichst
permanent durch Pflanzen unterbrochen wird. Das System wird dadurch
nur dann aktiv bzw. regelt nur dann nach, wenn entweder beide Messkeulen 48, 68 durch
Pflanzen nicht unterbrochen sind (dann werden die Tragarme 6, 8 nach unten
gefahren, bis die Messkeule 68 wieder unterbrochen ist)
oder beide Messkeulen 48, 68 durch Pflanzen unterbrochen
sind (dann werden die Tragarme 6, 8 nach oben
gefahren, bis Messkeule 48 wieder frei von Unterbrechungen
ist).
-
Offenbart
ist eine Sensoranordnung mit einem Sensorkopf zum berührungslosen
Erfassen von Pflanzenparametern oder einem Applikationskopf, wobei
dieser Kopf auf einem Tragarm angeordnet ist und mittels eines Höhennachführsystems
mit Bezug zur Oberfläche eines Pflanzenbestandes positioniert ist.
Eine Höhenmesseinheit des Höhennachführsystems
hat einen Sender zum Aussenden eines Messsignals und einen Detektor
zum Empfangen eines vom Pflanzenbestand reflektierten bzw. transmittierten
Signals, aus dem über eine Auswerteeinheit eine Information über
die Höhe des Kopfes mit Bezug zum Pflanzenbestand ableitbar
ist. Erfindungsgemäß ist das vom Sender abgegebene
Messsignal (Schallwellen, Lichtstrahlen) innerhalb eines vorbestimmten Messbereiches
(etwa 1 m) etwa parallel zur Oberfläche des Pflanzenbestandes
ausgerichtet.
-
- 1
- Sensoranordnung
- 2
- Frontkraftheber
- 4
- Nutzfahrzeug
- 6
- Tragarm
- 8
- Tragarm
- 10
- Sensorkopf
- 12
- Sensorkopf
- 16
- Höhenmesseinheit
- 18
- Konsole
- 20
- Konsole
- 22
- Schwenkachse
- 24
- Schwenkachse
- 26
- Parallelogrammlenker
- 28
- Parallelogrammlenker
- 30
- Geräteträger
- 32
- Sende-
und Detektionsoptik
- 34
- Messkammergehäuse
- 36
- Horizontalachse
- 40
- Austrittsfenster
Laserstrahl Sensorkopf
- 46
- Ultraschallkopf
mit Sender und Empfänger bzw. Lichtquelle
- 48
- Messkeule
- 52
- Referenzstab
bzw. Empfänger bzw. Retroreflektor
- 62
- Referenzstab
bzw. Empfänger bzw. Retroreflektor 2
- 66
- Ultraschallkopf
mit Sender und Empfänger bzw. Lichtquelle 2
- 68
- Messkeule 2
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - WO 2000025114
A1 [0003]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - www.fritzmeier.com [0023]