DE102009041646A1

DE102009041646A1 - Landwirtschaftliche Maschine mit Autopilot

Info

Publication number: DE102009041646A1
Application number: DE102009041646A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Fischer; Uwe Arnold
Original assignee: Claas Selbstfahrende Erntemaschinen GmbH
Current assignee: Claas Selbstfahrende Erntemaschinen GmbH
Priority date: 2009-09-17
Filing date: 2009-09-17
Publication date: 2011-03-24

Abstract

Eine selbstfahrende landwirtschaftliche Arbeitsmaschine (1) umfasst ein Aufnahmewerkzeug (12) zum Aufnehmen von Erntegut von einem Feld, einen eine Bestandskante (13) des Ernteguts auf dem Feld erfassenden berührungslosen Umgebungssensor (8), eine Autopiloteinheit (19) zum Lenken der Maschine (1) anhand der erfassten Bestandskante (13) derart, dass eine Kante (16) des Aufnahmewerkzeugs (12) der Bestandskante (13) folgt, und einen Auswurfkrümmer (3), an dem der Umgebungssensor (8) montiert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine selbstfahrende landwirtschaftliche Arbeitsmaschine mit einem Umgebungssensor, der eingerichtet ist, um eine Bestandskante von von einem Feld aufzunehmendem Erntegut zu erfassen, und einer Autopiloteinheit, die eingerichtet ist, anhand der Erfassungsergebnisse des Umgebungssensors die Arbeitsmaschine selbsttätig an der Bestandskante entlang zu lenken. Eine derartige Arbeitsmaschine mit einem mechanischen Abtaster als Umgebungssensor ist zum Beispiel aus EP 0 136 557 B1 und DE 10 2006 051 618 A1 bekannt. Die Abtaster streichen während der Fahrt an zu erntenden Pflanzen entlang und werden von diesen ausgelenkt. Aus dem Ausmaß der Auslenkung kann die Autopiloteinheit das Ausmaß einer eventuell erforderlichen Kurskorrektur der Arbeitsmaschine ermitteln. Wenn der Abtaster im Gebrauch verbiegt, sind die Abtastungsergebnisse fehlerhaft, und eine exakte Lenkung der Arbeitsmaschine ist nicht mehr möglich.
Um ein brauchbares Signal liefern zu können, müssen diese herkömmlichen Tastsensoren in Kontakt mit dem Erntegut kommen, bevor es geschnitten wird. Folglich müssen die Sensoren über ein die Pflanzen schneidendes Aufnahmewerkzeug vorspringend montiert sein und sind einer erheblichen Gefahr mechanischer Beschädigung ausgesetzt.
EP 1 862 049 A1 schlägt eine selbstfahrende landwirtschaftliche Arbeitsmaschine mit einem Aufnahmewerkzeug zum Aufnehmen von Erntegut von einem Feld und einem berührungslosen Umgebungssensor zum Erfassen einer Bestandskante des Ernteguts vor. Dieser akustisch arbeitende Sensor ist an einer Außenkante des Aufnahmewerkzeugs montiert und dadurch ebenfalls gefährdet, im Gebrauch beschädigt oder durch Verschmutzung in seiner Funktionsfähigkeit beeinträchtigt zu werden.
Aus DE 10 2005 025 318 A ist eine landwirtschaftliche Arbeitsmaschine mit einem Auswurfkrümmer bekannt, an dem eine Kamera montiert ist. Die Kamera ist vorgesehen, um Hindernisse, mit denen der Auswurfkrümmer zusammenstoßen könnte, zu erkennen und im Falle eines drohenden Zusammenstoßes den Fahrer der Maschine zu warnen oder einen Nothalt herbeizuführen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine selbstfahrende landwirtschaftliche Arbeitsmaschine mit einer Autopiloteinheit und einem Umgebungsssensor, der die Autopiloteinheit mit Umgebungsinformationen versorgt, zu schaffen, bei dem die Gefahr einer Beschädigung oder Dejustierung des Umgebungssensors im Erntebetrieb verhindert und dementsprechend die Zuverlässigkeit der Autopiloteinheit verbessert ist.
Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einer selbstfahrenden landwirtschaftlichen Arbeitsmaschine, die ein Aufnahmewerkzeug zum Aufnehmen von Erntegut von einem Feld, einen eine Bestandskante des Ernteguts auf dem Feld erfassenden berührungslosen Umgebungssensor, eine Autopiloteinheit zum Lenken der Maschine anhand der erfassten Bestandskante derart, dass eine Kante des Aufnahmewerkzeugs der Bestandskante folgt, und einen Auswurfkrümmer umfasst, der Umgebungssensor an dem Auswurfkrümmer montiert ist. Durch diese hohe Einbaulage ist der Umgebungssensor vor dem unmittelbaren Kontakt mit Erntegut und daraus resultierendem Reibverschleiß bzw. vor dem Zusammenstoß mit eventuell im Erntegut verborgenen Fremdkörpern geschützt.
Vorzugsweise ist der Umgebungssensor in einem größeren Abstand von einer Längsmittelebene des Fahrzeugs platziert oder platzierbar als die Kante des Aufnahmewerkzeugs. So kann der Umgebungssensor nicht nur die Positionen des vorderen Endes der Bestandskante relativ zu der Arbeitsmaschine erfassen, sondern die Orientierung der gesamten Bestandskante, was für ein präzises, nicht nur punktuelles Abfahren der Bestandskante von großem Vorteil ist.
Der Auswurfkrümmer kann in an sich bekannter Weise aus mehreren Abschnitten zusammengefügt sein. Daher ist vorzugsweise zwischen einem karosserienahen und einem den Umgebungssensor tragenden Abschnitt des Auswurfkrümmers wenigstens ein Verlängerungsabschnitt einfügbar, um eine gewünschte Platzierung des Umgebungssensors relativ zu einer Kante des Aufnahmewerkzeugs auch dann zu realisieren, wenn verschiedene Typen von Aufnahmewerkzeug mit unterschiedlichen Arbeitsbreiten an der Arbeitsmaschine einsetzbar sind.
Vorzugsweise ist der Auswurfkrümmer um eine vertikale Achse schwenkbar, und die Ausrichtung des Umgebungssensor ist in Bezug auf den Auswurfkrümmer gekoppelt an die Schwenkbewegung des Auswurfkrümmers verstellbar, um eine Ausrichtung des Umgebungssensors nach vorn unabhängig davon gewährleisten zu können, ob der Auswurfkrümmer an der Arbeitsmaschine in Bezug zur Fahrtrichtung nach links oder nach rechts ausgeschwenkt ist.
Vorzugsweise ist die Kopplung derart, dass der Um gebungssensor gegen den Auswurfkrümmer gegenläufig zur Schwenkbewegung des Auswurfkrümmers rotiert, so dass die Orientierung des Umgebungssensors in Bezug zur Karosserie der Arbeitsmaschine gleich bleibt. Dadurch ist das von dem Umgebungssensor erfasste Signal weitgehend unabhängig von der Schwenkbewegung des Auswurfkrümmers und kann ohne Berücksichtigung von dessen Stellung ausgewertet werden.
Der Umgebungssensor kann außerdem in Längsrichtung des Auswurfkrümmers bewegbar sein. Dadurch ist es möglich, bei einer Schwenkbewegung des Auswurfkrümmers den Abstand des Umgebungssensors von der Längsmittelebene der Maschine bzw. von der Ebene der Bestandskante konstant zu halten. Dies kann die Auswertung des Ausgangssignals des Sensors weiter vereinfachen.
Alternativ besteht die Möglichkeit, dass die Autopiloteinheit eingerichtet ist, für die Orientierung des Auswurfkrümmers repräsentative Daten zu empfangen und diese beim Auswerten des Signals des Umgebungssensors bzw. bei dem auf dieser Auswertung basierenden Lenken der Maschine zu berücksichtigen.
Bei dem Umgebungssensor kann es sich insbesondere um einen bildgebenden Sensor wie etwa eine Videokamera handeln.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
1 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Feldhäckslers;
2 eine Draufsicht auf den Feldhäcksler im Feldeinsatz;
3 ein typisches von der Kamera des Feldhäckslers im Einsatz aufgezeichnetes Bild;
4 eine Draufsicht auf den Feldhäcksler gemäß einer zweiten Ausgestaltung; und
5 eine Draufsicht auf den Feldhäcksler gemäß einer dritten Ausgestaltung.
1 zeigt einen Feldhäcksler als Beispiel einer erfindungsgemäßen Arbeitsmaschine in perspektivischer Ansicht schräg von hinten. Die vom Betrachter abgewandte Vorderseite des Feldhäckslers 1 weist eine an sich bekannte Kupplung auf, an der unterschiedliche Typen von Erntegut-Aufnahmewerkzeugen austauschbar montiert werden können, die sich in der Art des Erntegutes, an das sie angepasst sind, und/oder in ihrer Arbeitsbreite unterscheiden.
Das Aufnahmewerkzeug führt das Erntegut einem Häckselwerk im Innern der Karosserie 2 des Feldhäckslers zu. An der Oberseite der Karosserie 2 ist ein Auswurfkrümmer 3 um eine vertikale Achse drehbar montiert. Der Auswurfkrümmer 3 dient zum Überladen des gehäckselten Erntegutes in ein parallel zum Feldhäcksler 1 fahrendes Begleitfahrzeug. Da der Abstand, den das Begleitfahrzeug vom Feldhäcksler 1 einhalten muss, von der Breite des von diesem verwendeten Aufnahmewerkzeugs abhängt, ist die Länge des Auswurfkrümmers 3 veränderbar. Der Auswurfkrümmer 3 kann zu diesem Zweck mehrere teleskopisch ineinander eingreifende und kontinuierlich gegeneinander verschiebbare Abschnitte umfassen, die eine stufenlose Längenverstellung ermöglichen; einer einfacheren Ausgestaltung zufolge ist er aus mehreren jeweils an ihren Enden miteinander verschraubten oder in anderer geeigneter Weise miteinander verbundenen Abschnitten 4, 5, 6 zusammengefügt. Der proximale Abschnitt 4 ist drehbar mit der Karosserie 2 verbunden, der distale Abschnitt 6 trägt an seinem karosseriefernen Ende eine Auswurfklappe 7. Die Verbindungen aller Abschnitte untereinander sind identisch, so dass der distale Abschnitt 6 mit dem proximalen Abschnitt 4 unmittelbar, über einen Zwischenabschnitt 5, wie in der 1 gezeigt, oder über mehrere Zwischenabschnitte 5 verbunden sein kann. Durch eine geeignete Wahl der Zahl der Zwischenabschnitte 5 kann sichergestellt werden, dass der Auswurfkrümmer 3 seitlich weiter ausgreift als das Aufnahmewerkzeug, so dass ein Begleitfahrzeug neben dem Aufnahmewerkzeug herfahren und sich dabei unter der Auswurfklappe 7 befinden kann.
An dem distalen Abschnitt 6 ist benachbart zur Auswurfklappe 7 eine auf das in 1 nicht dargestellte Aufnahmewerkzeug ausgerichtete Kamera 8 montiert. Die Kamera 8 ist mit dem distalen Abschnitt 6 über ein Drehgelenk 9 mit vertikaler Drehachse verbunden. Ein an dem Drehgelenk 9 angebrachter Motor ist an einen Drehantrieb des Auswurfkrümmers 3 gekoppelt, um die Kamera 8 jeweils gegenläufig zu einer Drehung des Auswurfkrümmers 3 um seine Achse zu rotieren, so dass die optische Achse der Kamera 8 stets den gleichen Winkel in Bezug zur Fahrtrichtung des Feldhäckslers 1 bildet und die Kamera somit stets im Wesentlichen aus der gleichen Richtung auf vor dem Aufnahmewerkzeug anstehendes Erntegut blickt.
Die Kamera 8 ist hier oben auf dem Auswurfkrümmer 3 montiert. Dies hat den Vorteil, dass die Kamera 8 auch im Durchstichbetrieb nach vorn blicken kann, d. h. wenn ein Begleitfahrzeug, auf das das gehäckselte Erntegut übergeladen wird, hinter dem Feldhäcksler 1 herfährt und der Auswurfkrümmer 3 entgegen der Fahrtrichtung ausgerichtet ist. Eine Anbringung der Kamera an der Unterseite des Auswurfkrümmers 3 hätte den Vorteil, dass der Auswurfkrümmer in zur Seite ausgerichteter Stellung die Sicht der Kamera auf das Feld nicht einschränkt; im Falle der Ausrichtung des Auswurfkrümmers 3 entgegen der Fahrtrichtung würde er das Blickfeld der Kamera jedoch stark einschränken.
2 zeigt eine Draufsicht auf den Feldhäcksler 1 und ein Begleitfahrzeug 10 im Ernteeinsatz. Eine schraffierte Fläche symbolisiert noch zu bearbeitendes Erntegut. Ein bezogen auf die Fahrtrichtung linker Rand 16 des in 2 mit 12 bezeichneten Aufnahmewerkzeugs des Feldhäckslers 1 ist auf eine Bestandskante 13 des Ernteguts 11 ausgerichtet, und die Fahrtrichtung des Feldhäckslers 1 ist parallel zu der Bestandskante 13. Die Kamera 8 ist von einer Längsmittelebene 14 des Feldhäckslers 1 weiter entfernt als der linke Rand 16 des Aufnahmewerkzeugs 12, so dass sie schräg von außen vor die Bestandskante 13 blickt.
In der gezeigten Konfiguration befindet sich die Auswurfklappe 7 am Ende des Auswurfkrümmers 3 zentral über der Ladefläche eines Anhängers 15 des Begleitfahrzeugs 10. Um für eine gleichmäßige Verteilung des Ernteguts auf der gesamten Ladefläche des Anhängers 15 zu sogen, schwenkt der Auswurfkrümmer 3 zwischen jeweils als gestrichelte Umrisse gezeichneten Stellungen hin und her. Indem die Kamera 8 dabei jeweils gegensinnig zum Auswurfkrümmer 3 rotiert, bleibt der Winkel α, unter dem sie auf die Bestandskante 13 blickt, unabhängig von der Orientierung des Auswurfkrümmers 3 gleich. Um einen korrekten Kurs des Feldhäckslers 1 entlang der Bestandskante 13 sicherzustellen, genügt es daher, wenn eine Autopiloteinheit 19 des Feldhäckslers 1 in den von der Kamera 8 aufgezeichneten Bildern die Bestandskante 13 identifiziert, den Winkel α zwischen ihr und der Blickrichtung der Kamera 8 auf einem Sollwert hält sowie den Rand 16 des Aufnahmewerkzeugs 12 identifiziert und dessen Abweichung von der Bestandskante 13 innerhalb vorgegebener Grenzen hält.
3 zeigt ein typisches von der Kamera 8 im Feldeinsatz erfasstes Bild. Im Vordergrund ist schematisch das Aufnahmewerkzeug 12, z. B. ein Maisgebiss, zu sehen. Die Bestandskante 13 füllt im Bild eine im Wesentlichen dreieckige oder trapezförmige Fläche. Die Autopiloteinheit 19 des Feldhäckslers ist eingerichtet, diese Fläche im Bild zu identifizieren und die Entfernung zu den Pflanzen der Bestandskante 13 an mehreren Stellen zu messen. Aus der gemessenen Entfernung dieser Stellen und der Position ihrer Bildpunkte im Bild ist die Lage der Bestandskante 13 in einem in Bezug auf die Kamera 8 festen dreidimensionalen Koordinatensystem berechenbar. Es genügt, den Winkel α zwischen der Bestandskante 13 und der Blickrichtung der Kamera 8 mit einem konstanten Sollwert zu vergleichen. Wird eine übermäßige Abweichung festgestellt, führt die Autopiloteinheit 19 ein Lenkmanöver durch, um den Feldhäcksler 1 wieder auf Kurs parallel zur Bestandskante 13 zu bringen.
Die Autopiloteinheit 19 identifiziert ferner im Bild einen vorgegebenen Bezugspunkt 17 des Aufnahmewerkzeugs 12. Anhand der Lage des Bezugspunkts 17 im Bild und einer Messung seiner Entfernung von der Kamera 8 wird die Position des Bezugspunkts 17 in dem kamerafesten Bezugssystem und schließlich der Abstand des Bezugspunkts 17 von der Ebene der Bestandskante 13 berechnet. Anhand dieses Abstands entscheidet die Autopiloteinheit 19, ob die Position des Feldhäckslers 1 quer zur Fahrtrichtung korrigiert werden muss, und führt gegebenenfalls ein entsprechendes Lenkmanöver aus.
Einer abgewandelten Ausgestaltung zufolge ist die Kamera 8 in Bezug auf den Auswurfkrümmer 3 nicht nur um eine vertikale Achse drehbar, sondern auch in radialer Richtung verstellbar, zum Beispiel durch Verfahren der Kamera 8 entlang einer sich in Längsrichtung des Auswurfkrümmers 3 erstreckenden Schiene oder indem die Abschnitte 4, 5, 6 des Auswurfkrümmers 3 teleskopisch ineinander greifen und der die Kamera 8 tragende distale Abschnitt 6 relativ zu den anderen Abschnitten 5, 6 verschoben wird. Durch eine geeignete Kopplung der Längsverschiebung und der Drehung der Kamera 8 kann erreicht werden, dass wenn der Auswurfkrümmer 3 hin und zurück schwenkt, die Kamera 8 sich exakt parallel zur Fahrtrichtung des Feldhäckslers 1 hin und her bewegt, wie in 4 gezeigt. Die Folge dieser Kamerabewegung ist, dass, solange der Feldhäcksler exakt auf dem vorgesehenen Kurs ist, der untere Rand der Bestandskante 13 sich immer an genau derselben Stelle in den von der Kamera 8 aufgenommenen Bildern befindet. Dies vereinfacht die Identifizierung der Bestandskante 13 in den Bildern. Eine Abweichung zwischen Soll- und Istposition des unteren Randes der Bestandskante 13 in den Bildern kann auch unmittelbar als Hinweis auf die Korrekturbedürftigkeit des Kurses des Feldhäckslers 1 gewertet werden und die Autopiloteinheit 19 zu entsprechenden Eingriffen in die Lenkung veranlassen.
Einer in 5 gezeigten mechanisch besonders einfachen Ausgestaltung zufolge ist die Kamera 8 am Auswurfkrümmer 3 fest und blickt in radialer Richtung des Auswurfkrümmers auf einen Spiegel 18. Der Spiegel 18 ist zwischen zwei diskreten Stellungen klappbar, um den Blick der Kamera 8 aus schräg seitlicher Richtung auf die Bestandskante 13 richten zu können, egal ob sich diese, wie in der Figur gezeigt, am linken Rand 16 des Aufnahmewerkzeugs 12 befindet und der Auswurfkrümmer 3 nach links absteht, oder die Bestandskante auf den rechten Rand des Aufnahmewerkzeugs zuläuft und der Auswurfkrümmer 3 nach rechts übersteht. Wenn der Auswurfkrümmer 3 eine Pendelbewegung ausführt, um das Häckselgut gleichmäßig auf die Ladefläche eines Begleitfahrzeugs zu verteilen, schwenkt die Blickrichtung der Kamera mit dem Auswurfkrümmer 3 und dementsprechend ändert sich der von der Autopiloteinheit 19 ermittelte Winkel α zwischen der Blickrichtung der Kamera 8 und der Bestandskante 13. Die Autopiloteinheit 19 empfängt für die Schwenkausrichtung des Auswurfkrümmers 3 repräsentative Winkelwerte von einem Winkelsensor 20 oder von einer Steuereinheit des Auswurfkrümmers 3. Die Differenz zwischen diesen Winkelwerten und dem Winkel α ist repräsentativ für den tatsächlichen Kurs des Feldhäckslers 1, so dass die Autopiloteinheit 19 die Fahrtrichtung des Feldhäckslers 1 korrigiert, wenn diese Differenz von einem vorgegebenen Sollwert abweicht.
Bezugszeichenliste

1: Feldhäcksler
2: Karosserie
3: Auswurfkrümmer
4: Abschnitt
5: Abschnitt
6: Abschnitt
7: Auswurfklappe
8: Kamera
9: Drehgelenk
10: Begleitfahrzeug
11: Erntegut
12: Aufnahmewerkzeug
13: Bestandskante
14: Längsmittelebene
15: Anhänger
16: Rand
17: Bezugspunkt
18: Spiegel
19: Autopiloteinheit
20: Winkelsensor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0136557 B1 [0001]
DE 102006051618 A1 [0001]
EP 1862049 A1 [0003]
DE 102005025318 A [0004]

Claims

Selbstfahrende landwirtschaftliche Arbeitsmaschine (1) mit einem Aufnahmewerkzeug (12) zum Aufnehmen von Erntegut von einem Feld, einem eine Bestandskante (13) des Ernteguts auf dem Feld erfassenden berührungslosen Umgebungssensor (8), einer Autopiloteinheit (19) zum Lenken der Maschine (1) anhand der erfassten Bestandskante (13) derart, dass eine Kante (16) des Aufnahmewerkzeugs (12) der Bestandskante (13) folgt, und einem Auswurfkrümmer (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Umgebungssensor (8) an dem Auswurfkrümmer (3) montiert ist.
Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umgebungssensor (8) in einem größeren Abstand von einer Längsmittelebene (14) der Maschine (1) platzierbar ist als die Kante (16) des Aufnahmewerkzeugs (12).
Arbeitsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Auswurfkrümmer (3) aus mehreren Abschnitten (4, 5, 6) zusammengefügt ist und dass zwischen einem karosserienahen Abschnitt (4) und einem den Umgebungssensor (8) tragenden Abschnitt (6) wenigstens ein Verlängerungsabschnitt (5) einfügbar ist.
Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Auswurfkrümmer (3) um eine vertikale Achse schwenkbar ist, und dass der Umgebungssensor (8) in Bezug auf den Auswurfkrümmer (3) gekoppelt an die Schwenkbewegung des Auswurfkrümmers (3) verstellbar ist.
Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umgebungssensor (8) gegen den Auswurfkrümmer (3) gegenläufig zur Schwenkbewegung des Auswurfkrümmers (3) drehbar ist.
Arbeitsmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Umgebungssensor (8) in Längsrichtung des Auswurfkrümmers (3) bewegbar ist.
Arbeitsmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Autopiloteinheit (19) eingerichtet ist, für die Orientierung des Auswurfkrümmers (3) repräsentative Daten zu empfangen und beim Lenken der Arbeitsmaschine (1) zu berücksichtigen.
Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umgebungssensor (8) ein bildgebender Sensor ist.