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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Befahrbarkeitskarte eines Umgebungsbereiches eines Fahrzeuges.
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Stand der Technik
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Ein Verfahren zur Steuerung eines landwirtschaftlichen Nutzfahrzeuges ist aus der
DE 102 50 694 B3 bekannt. Dort ist ein Navigationsverfahren bereitgestellt, wobei Daten einer angekoppelten Last oder eines Anbaugerätes ermittelt werden und zeitnah und/oder weg- und/oder positions- und/oder ereignisrelevant im Bordcomputer gespeichert und ausgewertet werden. Das landwirtschaftliche Nutzfahrzeug ist mit GPS- oder Radargeräten zur Erfassung seiner Position und zur Erkennung von festen und/oder beweglichen Hindernissen ausgerüstet. Die einzelnen Fahr- und Steuerungsdaten sowie Bedienfunktionen werden optisch und/oder akustisch angezeigt.
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Auf dem Markt erhältliche Systeme für autonome Navigation und Fahrassistenz von Nutzfahrzeugen auf landwirtschaftlichen Anbauflächen verwenden hochgenaue aber teure Navigationssatellitensysteme zur Positionsbestimmung. Dafür müssen die Navigationspfade entweder zuvor mittels eines Geoinformationssystems geplant werden oder durch das vorherige Abfahren des Feldes aufgenommen werden, um diese Routen später wieder nachfolgen zu können.
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Es sind auch Systeme bekannt, bei denen die Feldgrenzen einmal abgefahren werden müssen und innerhalb dieser Grenzen vom System ein Pfad geplant wird, welcher das komplette Feld abdeckt. Häufig wird lediglich eine Fahrassistenz-Funktion angeboten, welche das Fahrzeug auf einer geradlinigen Spur hält.
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Die GPS-gestützte Navigation setzt dabei auf hochgenaue Geräte bzw. wird für Arbeiten, wie die Aussaat, bei der kein bestehender Pflanzenbestand beschädigt werden kann, oder für die Ernte eingesetzt, bei welcher der Pflanzenbestand vom Nutzfahrzeug aufgenommen wird.
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Aus der Robotik sind Methoden bekannt, die sich mit dem Aufbau von Umgebungskarten für die Navigation von Robotern beschäftigen. Dabei wird unter anderem festgestellt, welche Bereiche durch die Roboter befahrbar sind und welche nicht. Die bekannten Anwendungen beschäftigen sich mit der Navigation von Robotern im Innen- und Außenbereich.
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In der Agrarwirtschaft werden bereits Karten für die Aussaatpositionen bei der Aussaat auf den Feldern und für weitere Arbeiten auf dem Feld eingesetzt, wie beispielsweise dem Ausbringen von Düngemitteln oder von Schädlingsbekämpfung auf die Kulturpflanzen. Die ermittelten Aussaatpositionen der Kulturpflanzen kommen aber nicht für die Navigation des Fahrzeuges oder die Ermittlung der Befahrbarkeit des Ackers zum Einsatz.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Erzeugen einer Befahrbarkeitskarte eines Umgebungsbereiches eines Fahrzeuges mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Befahrbarkeitskarte eines Umgebungsbereiches eines Fahrzeuges mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 bereitgestellt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren realisiert auf der Basis geeigneter Daten eine Befahrbarkeitskarte, wobei ein Erfassen eines Abbildes des Umgebungsbereiches des Fahrzeuges mittels einer Bildsensoreinrichtung erfolgt, ein Berechnen eines Grades einer Befahrbarkeit eines oder mehrerer Bereiche des Umgebungsbereiches anhand des erfassten Abbildes durchgeführt wird und ein Erzeugen der Befahrbarkeitskarte des Umgebungsbereiches des Fahrzeuges anhand des berechneten Grades der Befahrbarkeit des einen oder der mehreren Bereiche vorgenommen wird.
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Ferner wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung bereitgestellt, welche eine am Fahrzeug angeordnete Bildsensoreinrichtung aufweist, welche dazu ausgelegt ist, ein Abbild des Umgebungsbereiches des Fahrzeuges zu erfassen. Ferner umfasst die Vorrichtung eine Speichereinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, die erzeugte Befahrbarkeitskarte und/oder weitere Befahrbarkeitskarten und/oder Muster in einer Datenbank abzuspeichern, wobei die Befahrbarkeitskarte eine Befahrbarkeit des Umgebungsbereiches des Fahrzeuges definiert, und eine Steuereinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, einen Grad der Befahrbarkeit eines oder mehrerer Bereiche des Umgebungsbereiches anhand des erfassten Abbildes zu berechnen und die Befahrbarkeitskarte des Umgebungsbereiches des Fahrzeuges anhand des berechneten Grades der Befahrbarkeit des einen oder der mehreren Bereiche zu erzeugen.
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Diese Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Minimierung der Beschädigung von Kulturpflanzen auf landwirtschaftlich genutzten Anbauflächen während der Bearbeitung durch Fahrzeuge mittels einer Erkennung von befahrbaren und nicht-befahren Bereichen erfolgt. Durch den Aufbau einer Befahrbarkeitskarte der befahrbaren und nicht-befahren Bereiche wird ein optimaler Pfad für das Fahrzeug geplant, welcher die Beschädigung der Kulturpflanzen minimiert. Der Pfad wird derart geplant, so dass keine Kulturpflanzen beschädigt werden oder die Kulturpflanzen so wenig wie möglich beschädigt werden.
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Ein Vorteil der Erfindung ist, dass die Kulturpflanzen auf der zu bearbeitenden Arbeitsfläche nicht bzw. so wenig wie möglich beschädigt werden. Dadurch lässt sich der Ertragsverlust minimieren, der durch die Nutzfahrzeuge entsteht.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das Erfassen des Abbildes des Umgebungsbereiches mittels einer Kamera, einer Infrarotkamera, einer TOF-Kamera, einer 3D-Kamera, eines bildgebender Vegetationssensors oder mittels eines bildgebenden Ultraschallsensors ausgeführt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das Berechnen des Grades der Befahrbarkeit des einen oder der mehreren Bereiche des Umgebungsbereiches durch ein Zusammenfügen von mehreren Abbildern vorgenommen, welche vorherige Abbilder der Bildsensoreinrichtung umfassen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens werden der eine oder die mehreren Bereiche des Umgebungsbereiches durch ein Gitternetz gebildet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das Gitternetz aus sich im gleichen Abstand schneidenden Linien gebildet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das Berechnen des Grades der Befahrbarkeit durch ein Klassifizieren des einen oder der mehreren Bereiche des Umgebungsbereiches hinsichtlich eines Pflanzenbewuchses oder eines Untergrunds des einen oder der mehreren Bereiche vorgenommen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das Klassifizieren des einen oder der mehreren Bereiche des Umgebungsbereiches zum Berechnen des Grades der Befahrbarkeit hinsichtlich der Art des in dem jeweiligen Bereich vorherrschenden Pflanzenbewuchses durchgeführt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das Klassifizieren des einen oder der mehreren Bereiche des Umgebungsbereiches zum Berechnen des Grades der Befahrbarkeit hinsichtlich der Art des in dem jeweiligen Bereich vorherrschenden Untergrunds vorgenommen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist die Bildsensoreinrichtung als eine Kamera, eine Infrarotkamera, eine TOF-Kamera, eine 3D-Kamera, ein bildgebender Vegetationssensor oder als eine bildgebende Ultraschallsensoreinrichtung ausgeführt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung weist die Bildsensoreinrichtung mehrere Sensoren auf.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Erzeugen einer Befahrbarkeitskarte eines Umgebungsbereiches eines Fahrzeuges gemäß einer möglichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 ein Flussdiagramm des Verfahrens zum Erzeugen einer Befahrbarkeitskarte eines Umgebungsbereiches eines Fahrzeuges gemäß einer möglichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3 eine Höhenkarte eines Umgebungsbereiches eines Fahrzeuges; und
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4 eine Befahrbarkeitskarte eines Umgebungsbereiches eines Fahrzeuges.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 10 zum Erzeugen einer Befahrbarkeitskarte 40 eines Umgebungsbereiches UB eines Fahrzeuges 20 gemäß einer möglichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Die Vorrichtung 10 zum Erzeugen der Befahrbarkeitskarte 40 des Umgebungsbereiches UB des Fahrzeuges 20 umfasst eine am Fahrzeug 20 angeordnete Bildsensoreinrichtung 23, eine Speichereinrichtung 21 und eine Steuereinrichtung 22.
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Beispielsweise wird das Fahrzeug 20 zum Bearbeiten eines landwirtschaftlich genutzten Feldes LF eingesetzt.
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Die Speichereinrichtung 21 ermöglicht die erzeugte Befahrbarkeitskarte 40 und/oder weitere Befahrbarkeitskarten und/oder Muster in einer Datenbank abzuspeichern, wobei die Befahrbarkeitskarte 40 eine Befahrbarkeit des Umgebungsbereiches UB des Fahrzeuges 20 definiert. Die in der Datenbank abgespeicherten Muster können beispielsweise unterschiedliche Arten von Kulturpflanzen und Unkrautpflanzen klassifizieren.
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Das Fahrzeug 20 weist eine Vorderradachse 13 sowie eine Hinterradachse 12 auf. Die Vorderradachse 13 sowie die Hinterradachse 12 des Fahrzeuges 20 sind beispielsweise mit Rädern in Form von Breitreifen oder Pflegereifen bereift.
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Das Fahrzeug 20 ist beispielsweise als ein Kraftfahrzeug, als ein Nutzfahrzeug, als ein Lastkraftwagen, als ein Traktor, ein Schlepper oder als eine Zugmaschine ausgeführt. Ferner kann das Fahrzeug 20 als landwirtschaftliches Zugfahrzeug, als Mähdrescher, als Drillmaschine oder Saatmaschine, als Pflanzmaschine oder als Düngerstreuer ausgeführt sein.
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Als Speichereinrichtung 21 kann ein Datenspeicher, ein Halbleiterspeicher, ein magnetisches Speichermedium oder ein optischer Datenträger verwendet werden.
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Die Steuereinrichtung 22 ist beispielsweise als ein Digitalrechner mit Bildauswertesoftware zur Steuerung der Vorrichtung 10, zur Bildspeicherung und zur Bildauswertung der aufgenommenen Abbilder des Umgebungsbereiches UB vorgesehen.
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Die Bildsensoreinrichtung 23 ist dazu ausgelegt, ein Abbild des Umgebungsbereiches UB des Fahrzeuges zu erfassen. Das Abbild des Umgebungsbereichs UB ist durch Sichtfeldgrenzen SFG beschränkt. Die Bildsensoreinrichtung 23 ist beispielsweise als eine Kamera, eine Infrarotkamera, eine TOF-Kamera, eine 3D-Kamera, ein bildgebender Vegetationssensor oder als eine bildgebende Ultraschallsensoreinrichtung ausgeführt.
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Die Bildsensoreinrichtung 23 kann auch mehrere verschiedenartige bildgebende Sensoren umfassen und ein Abbild durch eine gleichzeitige Verwendung der verschiedenartigen bildgebenden Sensoren erzeugen.
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Die Bildsensoreinrichtung 23 erzeugt aus Messgrößen des Umgebungsbereiches UB ein Abbild, wobei die Messgröße oder eine daraus abgeleitete Information ortsaufgelöst und über Helligkeitswerte oder Farben kodiert visualisiert werden kann.
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Beispielsweise ist die Bildsensoreinrichtung 23 als eine TOF-Kamera oder ein sonstiges 3D-Kamerasystem ausgeführt, wobei mit dem Laufzeitverfahren (englisch "time of flight", TOF) Distanzen gemessen werden. Dazu wird der Umgebungsbereich UB mittels eines von der Bildsensoreinrichtung 23 ausgesendeten Lichtpulses ausgeleuchtet und die TOF-Kamera misst für jeden Bildpunkt die Zeit, die das Licht bis zum Objekt und wieder zurück braucht.
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Die Steuereinrichtung 22 ist dazu ausgelegt, einen Grad der Befahrbarkeit eines oder mehrerer Bereiche 32 des Umgebungsbereiches UB anhand des erfassten Abbildes 30 zu berechnen und die Befahrbarkeitskarte 40 des Umgebungsbereiches UB des Fahrzeuges anhand des berechneten Grades der Befahrbarkeit des einen oder der mehreren Bereiche 32 zu erzeugen.
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Die Steuereinrichtung 22 ist beispielsweise mit einem mobilen Navigationssystem ausgestattet, welches eine satellitengestützte Ortsbestimmung und eine Ermittelung einer Position des Fahrzeuges 20 ermöglicht. Beispielsweise ist das mobile Navigationssystem mit einem Global Positioning System, GPS-System, als ein globales Navigationssatellitensystem zur Positionsbestimmung ausgeführt.
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Die Steuereinrichtung 22 liest beispielsweise Daten von der Bildsensoreinrichtung 23 ein und generiert eine Befahrbarkeitskarte 40. Die neu generierte Befahrbarkeitskarte 40 und/oder weitere, zu einem früheren Zeitpunkt aufgenommene Befahrbarkeitskarte können in der Speichereinrichtung 21 abgelegt werden. Diese Befahrbarkeitskarten und die ermittelte Position des Fahrzeugs 20 werden von der Steuereinrichtung 22 für die Navigation des Fahrzeuges 20 verwendet.
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In der Speichereinrichtung 21 können zusätzliche Karten des Straßennetzes abgespeichert werden. Dadurch kann die Steuereinrichtung 22 eine Fahrtroute zu einem Zielort mittels eines Algorithmus zur Pfadplanung berechnen. Ferner können in der Speichereinrichtung 21 Muster und Abbilder von Kulturpflanzen gespeichert werden, um eine Klassifizierung eines Bewuchses von Kulturpflanzen eines oder mehrerer Bereiche 32 des Umgebungsbereiches UB durch die Steuereinrichtung 22 zu ermöglichen.
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Die 2 zeigt ein Flussdiagramm des Verfahrens zum Erzeugen einer Befahrbarkeitskarte 40 eines Umgebungsbereiches UB eines Fahrzeuges 20 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In einem Schritt S1 erfolgt ein Erfassen eines Abbildes 30 des Umgebungsbereiches UB des Fahrzeuges 20 mittels einer Bildsensoreinrichtung 23. Beispielsweise wird das Abbild 30 mittels umgebungserfassender Sensoren als Bildsensoreinrichtung 23 aufgenommen, wie beispielsweise einem Laserscanner oder einer Kamera.
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In einem Schritt S2 wird durch die Steuereinrichtung 22 ein Grad einer Befahrbarkeit eines oder mehrerer Bereiche 32 des Umgebungsbereiches UB anhand des erfassten Abbildes 30 berechnet. Der Grad der Befahrbarkeit wird durch die Steuereinrichtung 22 entweder direkt aus dem Abbild oder nach einem Zusammenfügen von mehreren Abbildern von vorherigen Aufzeichnungen berechnet.
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In dem Schritt S2 wird ferner beispielsweise durch die Steuereinrichtung 22 eine Klassifizierung der Sensordaten des Umgebungsbereiches UB bezüglich der Befahrbarkeit vorgenommen. Für die Erkennung und die Klassifizierung des vorherrschenden Pflanzenbewuchses und des Untergrunds in befahrbare oder nicht-befahrbare Regionen des Umgebungsbereiches UB werden in der Steuereinrichtung 22 implementierte Bilderkennungsalgorithmen verwendet. In diesem Schritt S2 können auch die Abbilder von verschiedenen Sensoren der Bildsensoreinrichtung 23 kombiniert werden.
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In einem Schritt S3 wird durch die Steuereinrichtung 22 die Befahrbarkeitskarte 40 des Umgebungsbereiches UB des Fahrzeuges 20 anhand des berechneten Grades der Befahrbarkeit des einen oder der mehreren Bereiche 32 erzeugt. Beispielsweise wird die Umgebung durch ein regelmäßiges Gitter in eine Vielzahl von Zellen aufgeteilt und die Befahrbarkeit, wie im Schritt S2 ermittelt, den entsprechenden Zellen zugewiesen. Die Größe der Zellen ist abhängig von der Anwendung.
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Es können bei dem Verfahren aber auch unterschiedlich große Zellen abhängig von der Dichte der Messungen verwendet werden. Falls in einer Zelle schon ein Wert für die Befahrbarkeit eingetragen ist, wird der alte und der neue Wert für die Befahrbarkeit mittels vorgegebener Verfahren kombiniert. Die Befahrbarkeit wird mit einem kontinuierlichen Wert angegeben. Dieser Wert gibt an, wie sicher eine Zelle durch das Fahrzeug 20 befahrbar, bzw. nicht befahrbar ist.
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Für Zellen, die Kulturpflanzen beinhalten, wird ein sehr geringer Wert der Befahrbarkeit angenommen, Un- oder Beikraut wird ein Wert abhängig von der Sicherheit der Erkennung des Unkrauts verwendet, andere Bereiche werden abhängig von der Ebenheit des Untergrunds mit einem vorbestimmten Befahrbarkeitswert bewertet.
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Ferner wird durch die Steuereinrichtung 22 eine Wegplanung des Fahrzeuges 20 ermittelt. Für die Wegplanung werden die ermittelte Befahrbarkeitskarte 40 und die der Steuereinrichtung 22 durch Eingabe oder Fahrzeugtyp bekannte Fahrzeuggeometrie des Fahrzeuges 20 verwendet. Beispielsweise wird mittels dieser Informationen ein Pfad für das Fahrzeug 20 durch die Steuereinrichtung 22 berechnet, der verhindert, dass Kulturpflanzen beschädigt werden, bzw. der gewährleistet, dass diese Beschädigungen minimiert werden. Beispielweise werden durch die Steuereinrichtung 22 Wegplanungsalgorithmen für die Navigation des Fahrzeuges 20 verwendet.
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Es kann eine Befahrbarkeitskarte 40 für die Befahrbarkeit erstellt werden, welche die Daten eines bzw. auch von mehreren Sensoren verwendet, oder es können auch mehrere Befahrbarkeitskarten für die jeweiligen Sensoren erstellt und/oder später zu einer Befahrbarkeitskarte 40 kombiniert werden.
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Bei Reihenkulturen werden die Räder der Vorder- und Hinterachsen 12, 13 möglichst zwischen den Reihen der Kulturpflanzen gehalten, bei flächigem Pflanzenanbau der Kulturpflanzen die Flächen des landwirtschaftlich genutzten Feldes LF mit schon befahrenen Bereichen oder bereits vorhandenen Fahrspuren von vorherigen Bearbeitungsschritten bevorzugt.
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Durch die Verwendung der Befahrbarkeitskarte 40 werden beispielsweise auch Situationen berücksichtigt, in denen auf dem landwirtschaftlich genutzten Feld LF Pflanzenreihen von Kulturpflanzen zusammenlaufen und/oder Kulturpflanzen durch das Fahrzeug 20 überfahren werden müssen.
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Die Befahrbarkeitskarte 40 wird beispielsweise mittels einer Kombination von umgebungsumfassenden Sensoren und/oder mittels auf dem landwirtschaftlich genutzten Feld LF angebrachten Positionsmarkierungen aufgebaut, wie beispielsweise Laserreflektoren oder Barcodes.
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Die Befahrbarkeitskarte 40 kann aber auch durch ein durch die Steuereinrichtung 22 berechnetes Zusammenfügen der gemessenen Umfelddaten, ohne globale Positionssensoren erstellt werden.
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Die Befahrbarkeitskarte 40 kann für die Navigationsplanung von autonom gesteuerten Fahrzeugen aber auch für die Unterstützung eines Fahrers verwendet werden.
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Die 3 zeigt eine Höhenkarte eines Umgebungsbereiches eines Fahrzeuges 20. Beispielsweise ist die Höhenkarte als eine Karte eines Reliefs 31 oder als eine topografische Karte des Abbildes 30 ausgebildet, wobei die topographische Karte das Relief 31 in einer zweidimensionalen Darstellung wiedergibt. Die Zellen oder Bereiche 32 des Umgebungsbereiches UB des Fahrzeuges 20 sind beispielsweise durch ein Gitternetz aus sich im gleichen Abstand schneidenden Linien gebildet.
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Der Abstand der Linien ist abhängig von der Anwendung oder von dem jeweiligen Einsatzes des Fahrzeuges 20.
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Die 4 zeigt eine Befahrbarkeitskarte 40 eines Umgebungsbereiches UB. Die Abbildung zeigt die Befahrbarkeitskarte 40 mit einer Zellengröße von beispielsweise 10 cm auf 10 cm, wobei die Zellengröße einem Bildpunkt der 4 entspricht. Die Helligkeit kodiert die Befahrbarkeit des Umgebungsbereiches, wobei hell für befahrbar steht und dunkel für nicht befahrbar steht.
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Beispielsweise ist ein Bereich 41 eines Vorgewendes eines landwirtschaftlich genutzen Feldes LF in der Befahrbarkeitskarte 40 durch einen hohen Helligkeitswert als gut befahrbar ausgewiesen. Hingegen sind die Feldreihen 42 von Kulturpflanzen als nicht-befahrbar in der Befahrbarkeitskarte 40 durch einen dunklen Farbton gekennzeichnet.
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Falls dreidimensionale Geodaten verfügbar sind, kann zusätzlich zur Unterscheidung zwischen Vegetation in Form von Kulturpflanzen und befahrbaren Bereichen ein Höhenprofil der Umgebung erstellt werden, welches zusätzliche Informationen zur Befahrbarkeit des Umgebungsbereiches UB liefert.
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Für die Bestimmung der Befahrbarkeit können die gemessenen Sensordaten mit in den Zellen der Befahrbarkeitskarte 40 gesammelten Informationen verglichen werden. Jede Zelle kann dann mit Verfahren für die Erkennung von Befahrbarkeit bzw. Vegetation Klassifiziert werden. Dabei können alle Daten gesammelt werden aber auch veraltete Daten durch neue ersetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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