DE102016001353A1

DE102016001353A1 - System und Verfahren zur örtlich genauen Ausbringung von Feststoffen und Flüssigkeiten sowie deren Gemischen in der Land- und Forstwirtschaft

Info

Publication number: DE102016001353A1
Application number: DE102016001353.2A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-02-05
Filing date: 2016-02-05
Publication date: 2017-08-10
Anticipated expiration: 2036-02-06
Also published as: US20190047703A1; EP3411768A1; DE112017000651A5; DE102016001353B4; CN108780327A; WO2017133719A1; AU2017214169A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein System zur örtlich genauen Ausbringung von Substanzen auf land- und forstwirtschaftlichen Nutzflächen und ein entsprechendes Verfahren bereit. Das System umfasst mindestens einen Mehrfachdrehflügler, welcher mindestens eine elektronische Steuerungsvorrichtung zur Steuerung der Flugbewegungen enthält, die den Mehrfachdrehflügler autark auf vorgegebenen Flugbahnen lenkt. Die elektronische Steuerungsvorrichtung enthält zumindest eine Verarbeitungseinheit, zumindest einen Empfänger für Signale eines globalen Satellitennavigationssystems zur Positionsbestimmung und eine inertiale Messeinheit zur Erfassung von Bewegungsdaten des Mehrfachdrehflüglers. Die Verarbeitungseinheit verrechnet die Daten des Empfängers nach dem Verfahren der Echtzeitkinemazik mit den Daten einer Basisstation sowie mit den Messdaten der inertialen Messeinheit zur Verbesserung der Genauigkeit der Positionsmessdaten, damit die elektronische Steuerungsvorrichtung den Mehrfachdrehflügler zur Ausbringung von Substanzen auf landwirtschaftliche Flächen ausreichend genau lenken kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Ausbringung von Stoffen, wie zum Beispiel flüssigen oder festen Pflanzenschutzmitteln, flüssigen oder festen Düngemitteln oder Saatgut auf landwirtschaftliche Nutzflächen mittels eines unbemannten Fluggerätes mit mehreren einzeln angetriebenen Rotoren (Mehrfachdrehflügler), welche so angeordnet sind, dass sie durch den erzeugten Schub genügend Auftrieb erzeugen um das Fluggerät in der Luft zu halten und zu bewegen. Das Steuern des Fluggerätes geschieht über die Variation der Drehzahl und damit des Schubes jedes Rotors anhand bestimmter Regelungsvorgänge, die von einer auf dem Fluggerät befindlichen elektronischen Steuerungseinheit durchgeführt werden.
Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung die Nutzung eines globalen Satellitennavigationssystemes (GNSS) und inertialer Sensoren durch die auf dem Fluggerät eingebaute elektronische Steuerung zur Positionsbestimmung.
In der modernen Landwirtschaft versprühen üblicherweise bodengebundene fahrende Spritzgeräte Pflanzenschutz- und Schädlingsbekämpfungsmittel mit Hilfe von Spritzdüsen auf den Boden oder den Pflanzenbestand.
Mehrfachdrehflügler zum Ausbringen von Pflanzenschutzmitteln werden ebenfalls bereits angewendet. Sie bringen flüssige Pflanzenschutzmittel mittels Spritzdüsen am Fluggerät auf den Boden oder den Pflanzenbestand aus. Sie fliegen entweder autark mit Hilfe einer elektronischen Steuerung und eines GNSS selbstständig vorgegebene Strecken ab, oder werden von einem Piloten per Funkfernsteuerung gelenkt.
Pilzbefall an den Nutzpflanzen lässt sich vielfach kurz nach der ursächlichen Regenperiode am effizientesten bekämpfen. Eine zeitnahe Behandlung nach starken Regenfällen ist aufgrund der mangelnden Befahrbarkeit aufgeweichter Böden mit fahrenden Feldspritzen problematisch. Nicht optimale Anwendungszeitpunkte führen zu einer Erhöhung von Pilzgiften an der Nutzpflanze. Eine Überschreitung der Grenzwerte schließt die Nutzung als Nahrungs- oder Futtermittel aus. Der Mehrfachdrehflügler hingegen kann bei jeder beliebigen Beschaffenheit des Bodens oder des Pflanzenbestandes auf der landwirtschaftlichen Nutzfläche eingesetzt werden.
Das Behandeln von landwirtschaftlichen Nutzflächen mit Pflanzenschutzmitteln im Sprühverfahren durch fahrende Feldspritzen erfolgt gewöhnlich durch das lückenlose Aneinanderreihen paralleler Bearbeitungsstreifen mit konstruktiv bedingter Arbeitsbreite. Über die gesamte Arbeitsbreite hinweg wird eine möglichst gleichmäßige Ausbringdichte des Pflanzenschutzmittels angestrebt. Jede Spritzdüse besprüht eine Teilbreite, jedoch nicht scharf abgegrenzt zu benachbarten Teilbreiten, da dies technisch nicht möglich ist. Der abfallende Gradient der Ausbringmenge der jeweils äußersten Spritzdüse an den Rändern des gesamten Bearbeitungsstreifens addiert sich mit der Ausbringmenge der äußersten Spritzdüse des anschließenden Bearbeitungsstreifens im Überlappungsbereich, so dass dort, abhängig von der Spurgenauigkeit der Bearbeitungsstreifen zueinander, Schwankungen in der Ausbringmenge entstehen.
Bezogen auf die gesamte Arbeitsbreite von typisch 10 m bis 40 m bei fahrenden Feldspritzen sind Schwankungen tolerierbar, da der Überlappungsbereich nur einen sehr geringen Anteil der Gesamtfläche ausmacht. Bei beispielsweise nur 1,5 m Arbeitsbreite eines unbemannten Mehrfachdrehflüglers zum Versprühen von Pflanzenschutzmitteln muss hingegen für eine hinreichend genaue Bearbeitung von Anschlussbahnen die Spurgenauigkeit der Bearbeitungsstreifen zueinander im Bereich von wenigen Zentimetern, typischerweise weniger als 20 cm, bevorzugt weniger als 5 cm, liegen, um den Anteil ungenau dosierter Pflanzenschutzmittel in den Überlappungsbereichen zwischen den Bearbeitungsstreifen bezogen auf die Gesamtfläche so gering wie bei einer fahrenden Feldspritze zu halten. Die dafür erforderliche Positionierungsgenauigkeit setzt eine noch höhere Positionsmessgenauigkeit voraus. Vergleichbare Bedingungen für die Überlappungsbereiche zwischen Bearbeitungsstreifen gelten auch für die Ausbringung von Feststoffen, beispielsweise Düngemitteln, mittels einer Streuvorrichtung.
Globale Satellitenavigationssysteme mit Echtzeitkinematik (RTK) bieten zum aktuellen Stand der Technik eine Positionsmessgenauigkeit wenigen Zentimetern an, jedoch mit geringer Verfügbarkeit, da die Phasenlage des Satellitenfunksignals nicht eindeutig einem konkreten Vielfachen der Wellenlänge zuordenbar ist (Integer Ambiguity), und somit eine permanente dynamische Positionsbestimmung bei bewegter Antenne nicht sicher durchführbar ist.
Positionsbestimmung durch inertiale Navigation beispielsweise durch zweifache Integration von Beschleunigungen für ein bewegtes Fluggerät ist kontinuierlich möglich, allerdings sind die Abweichungen von der tatsächlichen Position durch Integration von Messfehlern nach wenigen Sekunden zu groß für die gegebene praktische Anwendung auf einem Fluggerät.
Durch Verknüpfung von RTK-Messwerten mit den Messwerten inertialer Sensorik werden die Integrationsfehler der Beschleunigungsmesswerte regelmäßig korrigiert und die Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit zentimetergenauer RTK-GNSS-Positionen verbessert.
Die vorliegende Erfindung, ein Mehrfachdrehflügler zur Ausbringung von Pflanzenschutzmitteln mit Positionsbestimmung durch die Verknüpfung von RTK-Messwerten mit den Messwerten inertialer Sensorik durch eine auf dem Fluggerät befindliche Auswerteeinheit, ermöglicht hohe Verfügbarkeit genauer Positionsdaten und somit Ausbringung von Pflanzenschutzmitteln mit einer Genauigkeit von wenigen Zentimetern in einem kontinuierlichen Prozess.
In einer Ausführungsform gemäss 1 und 2 besitzt der Mehrfachdrehflügler 1 acht einzeln elektrisch angetriebene Rotoren 2, welche an einem Gestänge 3 befestigt sind. In der Mitte des Gestänges sind auf einer Montagefläche 4

– ein Vorratsbehälter 5 für auszubringende Substanzen,
– eine elektronische Steuerungsvorrichtung 6,
– eine Fördereinheit 7 für auszubringende Substanzen, beispielsweise eine Pumpe
– Akkumulatoren 8 zur Energieversorgung der Rotorantriebe 9, der elektronischen Steuerungsvorrichtung 6 und der Pumpe 7,
– Verteilungsleitungen 10 und Düsen 11 für die auszubringenden Substanzen und
– ein Landegestell 12

In einer Ausführungsform gemäss 3 enthält die elektronische Steuerungsvorrichtung 6

– eine Regelungseinheit 13 zur Erzeugung von Steuerbefehlen für den Mehrfachdrehflügler,
– einen Empfänger 14 mit Antenne 15 für Signale von globalen Satellitennavigationssystemen,
– eine inertiale Messeinheit 16 zur Erfassung von Bewegungsdaten des Mehrfachdrehflüglers und
– eine Verarbeitungseinheit 17 zur Verrechnung der Satellitensignale und der Bewegungsdaten, wobei diese die zur Berechnung der Echtzeitkinematik erforderlichen Daten einer Basisstation 18 über Funk 19 erhält.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung verrechnet ein Kalman-Filter die Messwerte der inertialen Sensoren und die Rohdaten

– Pseudolänge,
– Trägerphase,
– Dopplerverschiebung

Claims

System und Verfahren zur örtlich genauen Ausbringung von Feststoffen und/oder Flüssigkeiten und/oder deren Gemischen in der Land- und Forstwirtschaft, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbringung mittels mindestens eines Mehrfachdrehflüglers erfolgt, welcher zur Bearbeitung von Anschlussbahnen und/oder zur koordinatengestützten Einzelpflanzenbehandlung hinreichend genau positioniert wird, wobei die Positionierung mittels Positionsbestimmung durch die Verrechnung von Messwerten inertialer Sensoren und Messwerten mindestens eines Empfängers für Signale globaler Satellitennavigationssysteme (GNSS-Empänger) unter Verwendung von Echtzeitkinematik auf wenige Zentimeter genau erfolgt.
System und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der verwendete GNSS-Empfänger ein Einfrequenzempfänger ist.
System und Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den verwendeten inertialen Sensoren um Sensoren handelt, mit welchen die Linearbeschleunigungen in drei linear unabhängigen Raumrichtungen und die Drehgeschwindigkeiten um drei linear unabhängige Drehachsen bestimmt werden.
System und Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Messdaten zumindest eines Sensors für Magnetfeld und/oder Ultraschall und/oder Luftdruck verrechnet werden, und zur weiteren Verbesserung der Positionsbestimmung genutzt werden.
System und Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Daten eines globalen Satellitennavigationssystems zur Korrektur der Messfehler der inertialen Sensoren genutzt werden, wobei es sich bei diesen Daten sowohl um reine Positionsinformationen als auch um Messwerte wie Pseudolänge, Trägerphase und Dopplerverschiebung handeln kann, als auch die inertiale Navigation zur Verbesserung der Lösungsfindung der Echtzeitkinematik genutz wird.
System und Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verrechnung der Daten der Satellitennavigation und der Daten der inertialen Navigation mindestens ein Kalman-Filter verwendet wird.
System und Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das System eine elektronische Verarbeitungseinheit umfasst, welche zumindest einen Teil der Datenverarbeitungsschritte ausführt.
System und Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Mehrfachdrehflügler vorgegebene Bahnen im Raum mit vorgegebenen Geschwindigkeiten autark fliegen kann.
System und Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Flugbahn aufgrund von Abstandsmessungen zum Boden oder zum Pflanzenbestand modifiziert wird.
System und Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der auszubringende Stoff Pflanzenschutzmittel oder Schädlingsbekämpfungsmittel oder Düngemittel oder Saatgut oder ein Gemisch aus diesen ist.
System nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Energie, Betriebsstoffe und auszubringende Substanzen dem Mehrfachdrehflügler automatisiert zugeführt und/oder ausgetauscht werden.