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Die Erfindung betrifft ein Regelsystem für ein landwirtschaftliches Nutzfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein landwirtschaftliches Nutzfahrzeug gemäß Anspruch 14, sowie die Verwendung eines Radarsensors für ein Regelsystem gemäß den Ansprüchen 15–18 und ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung eines landwirtschaftlichen Nutzfahrzeuges gemäß Anspruch 19.
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Derartige landwirtschaftliche Nutzfahrzeuge werden zur Ausbringung von Material, wie Düngemittel, Pflanzenschutzmittel oder Saatgut verwendet. Dazu weisen die Nutzfahrzeuge ein Verteilergestänge auf, welches eine Breite von bis zu 40m aufweisen kann. Das Verteilergestänge weist Sprühdüsen auf, die das Material auf den zu bearbeitenden Boden sprühen und in regelmäßigen Abständen am Verteilergestänge positioniert sind. Ziel dabei ist eine gleichmäßige Verteilung des Materials auf dem zu bearbeitenden Boden beziehungsweise dem vorhandenen Pflanzenbestand. Eine homogene Ausbringung des Materials ist sowohl aus ökologischer, als auch aus ökonomischer Sicht erwünscht, da der erforderliche Aufwand zur Materialausbringung und die Umweltbelastung reduziert werden kann. Für eine effiziente Ausbringung des Materials soll der Abstand zwischen dem Verteilergestänge und dem Boden über die gesamte Arbeitsbreite möglichst konstant bleiben. Problematisch ist es, wenn das landwirtschaftliche Nutzfahrzeug über Bodenunebenheiten, wie unterschiedlich tiefe Spurrillen oder Furchen fährt. Ebenso kann es bei Hang- oder Kurvenfahrten passieren, dass die Enden des Verteilergestänges in Bodenkontakt kommen und beschädigt werden. Durch die große Arbeitsbreite ist das Verteilergestänge generell schwingungsanfällig, wobei es zu Schwingungen in horizontaler, als auch in vertikaler Richtung kommen kann.
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Um unerwünschte Schwingungen und Bewegungen des Verteilergestänges vorzubeugen, sind Regel- und/oder Steuersysteme bekannt, welche über Stellantriebe das Verteilergestänge in gegenläufiger Richtung zu einer auftretenden Bewegung verschwenken können. Es wird beispielhaft auf die
DE 10 2013 214 469 A1 verwiesen. Hierbei erfolgt die Einstellung des Stellantriebs basierend auf einem Messsignal von Sensoren, welche am Verteilergestänge positioniert sind. Die Sensoren dienen der Überwachung der aktuellen Position des Verteilergestänges und der aktuellen Bewegungsart. Im Speziellen wird eine Geschwindigkeitsüberwachung eingesetzt, das heißt es wird ermittelt, ob das Verteilergestänge mit einer kontinuierlichen Geschwindigkeit bewegt wird, oder ob eine Beschleunigung oder Verzögerung vorliegt. Die durch die Sensoren ermittelten Werte werden anschließend an eine Regeleinheit übermittelt und von diesem ausgewertet. Die Regeleinheit steuert daraufhin den Stellantrieb derart an, dass das Verteilergestänge wieder in seine horizontale Ausgangslage zurückgebracht wird. Je größer aber die Arbeitsbreite der Feldspritze ist, umso schneller und präziser muss die Regeleinheit die Messsignale verarbeiten, damit der Stellantrieb effizient die korrigierende Gegenbewegung zu einer auftretenden Schwingung ausführen kann. Hierzu ist es aber nötig, nicht nur die Bewegungsart des Verteilergestänges zu bestimmen, sondern die Geschwindigkeit des Verteilergestänges zu jedem Zeitpunkt ganzheitlich zu kennen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Regelsystem für ein landwirtschaftliches Nutzfahrzeug anzugeben, welches eine verbesserte Regelung von auftretenden Bewegungen und/oder Schwingungen des Verteilergestänges ermöglicht. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zu Grunde, ein landwirtschaftliches Nutzfahrzeug, die Verwendung eines Radarsensors für ein Regelsystem, sowie ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung eines landwirtschaftlichen Nutzfahrzeuges anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Regelsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Im Hinblick auf das landwirtschaftliche Nutzfahrzeug wird die Aufgabe durch den Gegenstand des Anspruchs 14 gelöst. Ferner wird die Aufgabe im Hinblick auf die Verwendung eines Radarsensor durch den Gegenstand der Ansprüche 15–18 und im Hinblick auf das Verfahren durch den Gegenstand des Anspruchs 19 gelöst.
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Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, ein Regelsystem für ein landwirtschaftliches Nutzfahrzeug mit einem Verteilergestänge zum Ausbringen von Material, wie Düngemittel, Pflanzenschutzmittel oder Saatgut anzugeben. Das Regelsystem umfasst hierbei wenigstens einen Sensor zur Ermittlung der Bewegung des Verteilergestänges, welcher am Verteilergestänge positioniert ist, und eine Datenverarbeitungseinheit zur Verarbeitung der Signale des wenigstens einen Sensors. Der wenigstens eine Sensor ist durch einen Radarsensor gebildet und die Datenverarbeitungseinheit ist derart konfiguriert, dass mittels der Messsignale des Sensors der Absolutbetrag und/oder die Richtung der Geschwindigkeit des Verteilergestänges erfassbar ist.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass sich mittels des Radarsensors ein robuster Wert für den Betrag und/oder die Richtung der Geschwindigkeit des Verteilergestänges ermitteln lässt und sich daher eine Regelung des Verteilergestänges präziser und effizienter an auftretende Schwingungen anpassen lässt. Im Speziellen kann je nach Bauform des Radarsensors oder bei der Positionierung von mehreren Sensoren am Verteilergestänge nicht nur der Betrag der Geschwindigkeit, sondern auch simultan deren Richtung gemessen werden. Daher ist die gesamte Bewegung des Verteilergestänges allumfassend und ganzheitlich durch den Betrag und die Richtung erfasst. Mittels der Geschwindigkeitsmessung und unter Kenntnis der Richtung der Geschwindigkeit lassen sich somit effizient Beschleunigungen oder Verzögerungen des Verteilergestänges ermitteln, welche zu unerwünschten Schwingungen führen können. Die Datenverarbeitungseinheit kann daraufhin die Regelung des Verteilergestänges derart anpassen, dass es schnellstmöglich in eine Parallellage zum Boden gebracht oder gehalten werden kann, und damit das auszubringende Material homogen auf dem zu bearbeitenden Feldboden verteilt werden kann.
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Die Erfindung hat weiterhin den Vorteil, dass der Radarsensor sehr stabil gegenüber Umwelteinflüssen ist, wie beispielsweise Schmutz und Verunreinigungen, Regen, Nebel, Hitze oder Druck von außen. Daher kann der Radarsensor auch direkt in unmittelbarer Nähe oder auch innerhalb der Sprühdüsen angebracht werden. Des Weiteren kann das Radarsignal des Sensors Kunststoffe durchstrahlen, wodurch der Sensor auch unsichtbar und geschützt hinter einer Kunststoffabdeckung am Verteilergestänge angebracht werden kann, wodurch die Messung der Geschwindigkeit mittels des Radarsensors zusätzlich vor äußeren Einflüssen oder Störgrößen geschützt und daher sehr robust ist. Folglich kann der Sensor am landwirtschaftlichen Nutzfahrzeug sehr flexibel angebracht werden und sich optimal sowohl an dessen Ausstattung und Ausbildung, als auch an die optimale Lage zur Geschwindigkeitsmessung anpassen. Ferner besitzt das Radarsignal beispielsweise im Vergleich zum Ultraschall eine hohe Reichweite von über 1,5m bis hin zu circa 15m. Mittels Radarsensoren lassen sich sowohl Geschwindigkeits- als auch Abstandsmessungen durchführen. Damit kann man durch Radarsensoren sowohl die Präsenz eines Objektes erfassen, als auch dessen Abstand zum Verteilergestänge, sowie dessen Bewegungsrichtung und Entfernungswinkel ermitteln.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Absolutbetrag und/oder die Richtung der Geschwindigkeit des Verteilergestänges relativ zum Boden und/oder relativ zum Fahrzeug erfassbar. Auftretende Geschwindigkeitsänderungen am Verteilergestänge in horizontaler Richtung, also relativ zum Fahrzeug, und in vertikaler Richtung, also relativ zum Boden, bestimmen maßgebend die homogene Verteilung des auszubringenden Materials.
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Es ist daher von besonderem Vorteil nicht nur die Bewegungsart des Verteilergestänges mittels des Radarsensors zu ermitteln, sondern zusätzlich sowohl die Richtung als auch den Betrag von auftretenden Geschwindigkeitsänderungen zu erfassen. Durch die Richtung der Geschwindigkeit ist gleichzeitig auch die Schwingungsrichtung bekannt. Der Betrag der Geschwindigkeit bestimmt die Stärke der Schwingung, und daher die Auslenkung des Verteilergestänges. Somit kann unter Kenntnis der Richtung und des Betrages der Geschwindigkeit die auftretende Schwingung effektiver gedämpft und/oder getilgt werden.
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Vorzugsweise ist der Sensor derart am Verteilergestänge positioniert, dass eine Messung in Fahrtrichtung und/oder in Hochrichtung erfolgt. Die Positionierung des Sensors richtet sich demnach an die gewünschte Dämpfung und/oder Tilgung einer bevorzugten Art von Schwingungen, wie etwa Gierbewegungen des Verteilergestänges. Das Überfahren von Bodenunebenheiten, wir Spurrillen oder Furchen, Kurvenfahrten oder Hangfahrten, führt generell zu Beschleunigungen und daher zu Schwingungen am Verteilergestänge. Diese Schwingungen können in horizontaler oder vertikaler Richtung auftreten und sich auch überlagern. Zweckmäßigerweise kann ein Sensor an der Unterkante des Verteilergestänges positioniert sein, also senkrecht zur Fahrtrichtung, sodass vertikale Schwingungen, oder anders gesagt Neigungen des Verteilergestänges durch die Messung der Geschwindigkeit in Hochrichtung erfasst werden können. Alternativ kann der Sensor in Fahrtrichtung am Verteilergestänge positioniert sein. Dies hat den Vorteil, dass auch bewegliche Objekte in Fahrtrichtung des Verteilergestänges erfasst werden können. Eine Messung in Fahrt- und Hochrichtung ist beispielsweise möglich, wenn der Sensor in einem Winkel von 45° am Verteilergestänge positioniert ist. Es lassen sich daher sowohl vertikale Schwingungen als auch horizontal auftretende Schwingungen am Verteilergestänge ermitteln.
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Weiter vorzugsweise ist der wenigstens eine Sensor durch einen Dauerstrichradar oder Pulsradar gebildet. Die Funktionsweise des Radarsensors beruht auf dem Aussenden von hochfrequenten gebündelten elektromagnetischen Wellen im Mikrowellenlängenbereich und dem anschließenden Empfangen und Verstärken des reflektierten Echos eines zu detektierenden Objektes. Das bedeutet, dass die ausgesendete Welle an einem Objekt derart diffus gestreut wird, dass ein gewisser Anteil wieder zurück zum Sensor reflektiert wird. Damit lässt sich sowohl die Präsenz, als auch die Entfernung und die Bewegung des Objektes bestimmen. Radarsensoren sind generell sehr kompakt ausgebildet und leicht, sodass sie auch in den Sprühdüsen angeordnet sein können. Es ist daher eine sehr flexible Anbringung am Verteilergestänge möglich. Um die Geschwindigkeit eines ruhenden oder bewegten Objektes zu ermitteln, beruhen Radarsensoren auf dem Dopplereffekt.
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Beim Dauerstrichradar erfahren die Wellenfronten, welche von einem Sender des Sensors kontinuierlich emittiert werden, je nach Bewegungsrichtung eine Stauchung, oder anders gesagt eine Frequenzverschiebung. Das bedeutet, dass sich das Echosignal des reflektierenden Objektes, beispielsweise des Bodens, von der ursprünglich vom Sensor ausgesendeten Frequenz durch eine überlagerte Dopplerfrequenz unterscheidet. Die Dopplerfrequenz repräsentiert die Frequenzdifferenz zwischen Sendesignal und Echosignal. Das Echosignal kann dann in einem Mischer des Sensors durch eine Mischung mit dem unverfälschten Sendesignal ausgewertet werden, woraus sich in Abhängigkeit des ermittelten Winkels der Bewegung direkt die Geschwindigkeit des Objektes bestimmen lässt.
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Der Dauerstrichradar unterscheidet sich vom Pulsradar dadurch, dass der Sender des Dauerstrichradars während der gesamten Dauer des Messvorgangs kontinuierlich elektromagnetische Wellen aussendet. Der Pulsradarsensor emittiert hingegen ein kurz andauerndes impulsförmiges hochfrequentes Signal hoher Leistung. Anschließend folgt eine längere Pause, in der das Echo empfangen werden kann, bevor ein neues Sendesignal ausgesendet wird. Über die Laufzeit des Pulses lässt sich vorzugsweise die Entfernung zu einem Objekt bestimmen. Gleichbedeutend wie beim Dauerstrichradar lassen sich auch mittels eines Pulsradars, eines sogenannten Puls-Doppler-Radar, basierend auf dem Dopplereffekt Relativgeschwindigkeiten bestimmen. Wenn eine relative Bewegung zwischen dem Sensor und dem Objekt auftritt, ändert sich das reflektierte Frequenzspektrum gemäß dem Dopplereffekt. Über dessen Analyse kann die Relativgeschwindigkeit direkt bestimmt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Frequenzbereich des Sensors zwischen 10 und 150 GHz. Vorteilhafterweise liegt die Frequenz des Radarsensors im Bereich von 24 GHz. Diese Frequenz eignet sich generell besonders zur Durchdringung von Pflanzenbeständen zur effizienten Messung der Geschwindigkeit des Verteilergestänges relativ zum Feldboden und ist gleichzeitig eine international frei verwendbare Frequenz. Weiterhin sind je nach Pflanzenbestand auch Frequenzen im Bereich von circa 60Ghz oder 120Ghz denkbar. Generell emittiert der Sensor vorzugsweise elektromagnetische Strahlung in einem derartigen Wellenlängenbereich, dass der Pflanzenbestand nicht erfasst ist. Daher unterliegt die Messung der Geschwindigkeit relativ zum Boden keinen Störungen durch den Pflanzenbestand.
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Vorteilhafterweise ist der Sensor derart ausgebildet, dass mittels eines Dopplersignals sowohl der aktuelle Abstand des Verteilergestänges zum Boden und/oder Pflanzenbestand, als auch die Geschwindigkeit des Verteilergestänges relativ zum Boden und/oder relativ zum Fahrzeug erfassbar ist. Aus den empfangenen, vom Objekt reflektierten Wellen können generell Informationen, wie der Winkel beziehungsweise die Richtung zum betreffenden Objekt, die Entfernung zum Objekt sowie dessen Relativbewegung ermittelt werden. Hierzu kann vorzugsweise ein sogenannter Frequency Shift Keying(FSK)-Radar verwendet werden. Das bedeutet, dass ein modulierter Dauerstrichradar Eigenschaften annehmen kann, die einem Pulsradar ähneln. Die Modulation, also die Veränderung des Signals hinsichtlich Frequenz, Phase oder Amplitude lässt Rückschlüsse auf die Laufzeit des Signals schließen. Somit lassen sich mittels eines einzigen Sensors sowohl die Geschwindigkeit aus dem Dopplersignal, als auch die Entfernung zu dem reflektierenden Objekt bestimmen. Je nach Positionierung des Sensors am Verteilergestänge, beispielsweise in einem Winkel von 45°, lassen sich sowohl der Betrag und die Richtung der Geschwindigkeit in Hoch- und/oder Fahrtrichtung des Verteilergestänges bestimmen. Idealerweise kann der Sensor Strahlung in einem derartigen Wellenlängenbereich emittieren, dass der Pflanzenbestand transparent ist und vom Sensor nicht erfasst wird.
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In einer weiteren Ausführungsform liegt die Messrate des Sensors in einem Bereich zwischen 1 und 50 msec. Durch eine derartig hohe Messgeschwindigkeit kann der Wert der Geschwindigkeit des Verteilergestänges schnellstmöglich erfasst werden und daher auch die Regelung schnellstmöglich an auftretende Schwingungen aufgrund von Beschleunigungen oder Verzögerungen angepasst werden. Das Regelsystem weist daher eine hohe Regelgüte und Regelgenauigkeit auf.
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Vorzugsweise ist mittels des Sensors die Präsenz eines Objekts und/oder der Abstand zu einem Objekt und/oder der Winkel zu einem Objekt erfassbar. Dies ist besonders vorteilhaft zum Erfassen von Kleintieren oder Rehkitzen, welche sich nicht sichtbar innerhalb des Pflanzenbestandes aufhalten können. Durch Erfassung derartiger Objekte kann das Verteilergestänge, beziehungsweise das landwirtschaftliche Nutzfahrzeug rechtzeitig ausweichen und eine Beschädigung vermeiden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind mehrere Sensoren am Verteilergestänge unterschiedlich positioniert. Grundsätzliche Gesichtspunkte für die Sensorauswahl betreffen zweckmäßigerweise die dynamische Messgenauigkeit, eine geringe Trägheit des Sensors innerhalb des Regelkreises, und vorzugsweise eine hohe Messstabilität hinsichtlich Umweltbedingungen, wie beispielsweise Temperatur, Vibration des Verteilergestänges und Feuchtigkeit. Demnach kann es von besonderem Vorteil sein, mehrere Radarsensoren am Verteilergestänge für eine Geschwindigkeitsmessung in Fahrt- und/oder Hochrichtung anzubringen. Zusätzlich können die Radarsensoren auch mit weiteren unterschiedlichen Sensoren zur Abstandsmessung oder Schwingungserfassung, wie beispielsweise Ultraschallsensoren oder Beschleunigungssensoren kombiniert werden. Die Anbringung von mehreren Sensoren hat den Vorteil, dass die Datenverarbeitungseinheit beispielsweise die Messwerte aller Sensoren kombinieren kann, um bei Fehlmessungen oder dem Ausfall eines einzelnen Sensors, das Verteilergestänge nicht an einen fehlerhaften Messwert anzupassen. Des Weiteren können die Sensoren in einer unterschiedlichen Höhenlage am Verteilergestänge positioniert sein, und vorzugsweise eine horizontale und vertikale Messrichtung in Bezug auf die Fahrtrichtung aufweisen.
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Weiter vorteilhafterweise ist das Verteilergestänge mit einem Stellorgan gekoppelt, welches abhängig von den Messsignalen des wenigstens einen Sensors zur Regelung der Geschwindigkeit mittels der Datenverarbeitungseinheit ansteuerbar ist. Idealerweise bilden der Sensor, die Datenverarbeitungseinheit und das Stellorgan eine Einheit. Das bedeutet, dass eine direkte Verbindung zwischen dem Sensor, der Datenverarbeitungseinheit und dem Stellorgan besteht. Daher kann das von dem Sensor ermittelte Messsignal effizient und schnellstmöglich an die Datenverarbeitungseinheit übermittelt werden. Die Datenverarbeitungseinheit kann das Messsignal des Sensors auswerten und ein elektronisches Stellsignal generieren, welches zur Dämpfung und/oder Tilgung von auftretenden Schwingungen des Verteilergestänges an das Stellorgan übermittelt wird. Das Stellorgan ist hierbei vorzugsweise an einem Rahmen angebracht, an welchem das Verteilergestänge befestigt ist und gehalten wird. Das Stellorgan kann auch direkt mit dem Verteilergestänge selbst verbunden sein. Vorteilhafterweise übt damit das Stellorgan basierend auf dem Stellsignal eine mechanische Kraftauswirkung auf das Verteilergestänge aus, wodurch eine sichere und präzise Verstellung des Verteilergestänges gewährleistet werden kann. Somit kann einer auftretenden Schwingung und/oder Neigung des Verteilergestänges effizient entgegengewirkt werden und das Verteilergestänge allgemein in einer parallelen Lage zum bearbeitenden Feld gehalten werden.
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Vorzugsweise ist das Stellorgan durch einen hydraulisch oder pneumatisch arbeitenden Zylinder, insbesondere Hydraulikzylinder, gebildet. Derartige Zylinder bilden kostengünstige und einfache Mittel zur Rückführung des Verteilergestänges in seine parallele Ausgangslage zu dem bearbeiteten Feld und damit eine Beeinflussung seiner Bewegung in entgegengesetzter Richtung einer auftretenden Neigung oder Schwingung. Es sind generell verschiedene Arten von Stellorganen denkbar, wie beispielsweise elektrische, pneumatische, hydraulische oder kombinierte Stellmotoren, insbesondere Pneumatikzylinder oder Elektromotoren. Das Stellorgan kann zweckmäßigerweise als Aktor ausgebildet sein, um die elektrischen Stellsignale der Datenverarbeitungseinheit in eine mechanische Bewegung umzuwandeln, welche die Lage des Verteilergestänges derart verändert, dass dieses möglichst in einer Parallellage zum Boden gehalten wird.
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In einer weiteren Ausführungsform ist eine Regelung des Stellorgans an einen Sollwert, insbesondere der Geschwindigkeit, angepasst. Durch die Regelung kann fortwährend die über den Sensor gemessene Geschwindigkeit des Verteilergestänges über den Unterschied, beziehungsweise die Regeldifferenz, zum gewünschten Sollwert angeglichen werden. Die Regeldifferenz wird dadurch, auch bei vorhandenen Störeinflüssen, wie beispielsweise das Überfahren von Bodenunebenheiten oder Kurvenfahrten, effizient auf ein Minimum reduziert. Vorzugsweise kann der Sollwert für die Geschwindigkeit in Hochrichtung auf Null eingestellt werden, damit das Verteilergestänge effektiv in einer horizontalen Lage verweilt, und sich nicht unerwünscht in vertikaler Richtung bewegt. Für die horizontale Geschwindigkeit kann beispielsweise als Sollwert die aktuelle Fahrtgeschwindigkeit des landwirtschaftlichen Nutzfahrzeuges eingestellt werden. Sollte sich das Verteilergestänge beispielsweise schneller oder langsamer als das Nutzfahrzeug bewegen, kann dies auf vorhandene Schwingungen des Verteilergestänges hinweisen. Mittels der Anpassung an einen bestimmten Sollwert lässt sich die Bewegung des Verteilergestänges effizient regeln und damit die Gestängeführung insgesamt verbessern.
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Vorteilhafterweise ermittelt die Datenverarbeitungseinheit die Geschwindigkeit des Verteilergestänges vorausschauend, insbesondere mittels eines Kalman-Filter. Der Kalman-Filter stellt einen Beobachter des Systems des Verteilergestänges dar, welches hierzu als ein Modellsystem in einem Zustandsraum betrachtet werden kann. Dies hat den Vorteil, dass das Verhalten des Verteilergestänges, vor allem die auftretenden Neigungen und Schwingungen, in Abhängigkeit von verschiedenen Zuständen simuliert werden können, und daher generell Steuerungen und/oder Regelungen für das Verteilergestänge als Modellsystem ausgelegt werden können. Mittels des Kalman-Filters können damit zukünftige Zustände des Verteilergestänges anhand von den Messsignalen geschätzt und somit prognostiziert werden. Der Schätzwert wird anschließend kontinuierlich mit dem Messsignal verglichen und anhand dessen Abweichung kann eine Korrektur berechnet werden.
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Im Rahmen der Erfindung wird weiterhin ein landwirtschaftliches Nutzfahrzeug zum Ausbringen von Material, wie Düngemittel, Pflanzenschutzmittel oder Saatgut, mit einem Regelsystem nach einem der vorhergehenden Ausführungsformen offenbart.
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Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird ferner die Verwendung eines Radarsensors für ein Regelsystem für ein landwirtschaftliches Nutzfahrzeug zum Ausbringen von Material, wie Düngemittel, Pflanzenschutzmittel oder Saatgut zur Ermittlung des Absolutbetrages und/oder der Richtung der Geschwindigkeit des Verteilergestänges offenbart. Mittels der Geschwindigkeitsmessung und unter Kenntnis der Richtung der Geschwindigkeit lassen sich somit Beschleunigungen oder Verzögerungen des Verteilergestänges ermitteln, welche zu unerwünschten Schwingungen in horizontaler oder vertikaler Richtung führen können. Die Datenverarbeitungseinheit kann daraufhin die Regelung des Verteilergestänges derart anpassen, dass es effizient und schnellstmöglich in eine Parallellage zum Boden gebracht oder gehalten werden kann.
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Ferner wird die Verwendung wenigstens eines Radarsensors für ein Regelsystem für ein landwirtschaftliches Nutzfahrzeug zum Ausbringen von Material, wie Düngemittel, Pflanzenschutzmittel oder Saatgut zur aktiven Schwingungstilgung von auftretenden Schwingungen des Verteilergestänges in Fahrtrichtung beansprucht. Um die Kräfte, beziehungsweise die daraus resultierenden Schwingungsbewegungen, des Verteilergestänges aufzunehmen oder reduzieren zu können, sind passive und aktive Systeme zur Schwingungstilgung und/oder Schwingungsdämpfung des Verteilergestänges bekannt. Passive Systeme bewirken eine Energiedissipation in Form von Dämpfung oder Tilgung und verkleinern damit auftretende Schwingungsamplituden. Mit aktiven Regelsystemen ist es möglich die Schwingungsamplituden noch einmal deutlich stärker zu verkleinern als mit passiven Systemen, da diese Systeme der Schwingung aktiv entgegen wirken so lange, bis ein bestimmter Sollwert erreicht ist. Mittels des Radarsensors lassen sich robuste Werte für die Geschwindigkeit des Verteilergestänges und die Richtung der Geschwindigkeit ermitteln und somit bei auftretenden Beschleunigungen, welche zu Schwingungen führen, über die Regelung schnellstmöglich anpassen. Somit kann einer auftretenden Resonanz, welche besonders große Schwingungsamplituden des Verteilergestänges hervorruft, effizient entgegengewirkt werden.
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Weiterhin wird die Verwendung wenigstens eines Radarsensors für ein Regelsystem für ein landwirtschaftliches Nutzfahrzeug zum Ausbringen von Material, wie Düngemittel, Pflanzenschutzmittel oder Saatgut zur Detektion eines Objekts und/oder zur Messung des Abstandes zu einem Objekt und/oder des Winkels zu einem Objekt offenbart. Beispielsweise können daher allgemein auch von außen nicht sichtbare Objekte innerhalb des Pflanzenbestandes, wie beispielsweise Kleintiere oder Baumstümpfe, detektiert werden. Somit kann das landwirtschaftliche Nutzfahrzeug rechtzeitig abgebremst werden, bevor das Fahrzeug und/oder das Verteilergestänge Schaden nehmen kann. Mittels der Abstandsmessung zum Boden oder auch zum Pflanzenbestand kann das Verteilergestänge vorteilhafterweise in einer Parallellage zur bearbeitenden Fläche gehalten werden, wodurch eine homogene Ausbringung des Materials gewährleistet wird.
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Weiterhin wird die Verwendung wenigstens eines Radarsensors für ein Regelsystem für ein landwirtschaftliches Nutzfahrzeug zum Ausbringen von Material, wie Düngemittel, Pflanzenschutzmittel oder Saatgut zum Einsatz in einem Abstandskontrollsystem, welches den Abstand zum Boden und/oder die Geschwindigkeit des Verteilergestänges in Hochrichtung als Eingangsgröße aufweist, offenbart. Vorzugsweise kann der Radarsensor hierbei als Doppler-Pulsradar ausgebildet sein, wobei sowohl der Abstand des Verteilergestänges zum Boden als auch mittels des Dopplereffektes die Geschwindigkeit in Hochrichtung ermittelt werden kann. Beide Werte können im Abstandskontrollsystem kombiniert werden um einen robusten Wert für den Abstand zum Boden zu ermitteln und basierend darauf die gewünschte Neigungsstellung des Verteilergestänges zu regeln. Des Weiteren ist die Detektion von und auch der Abstand zu Hindernissen innerhalb des Pflanzenbestandes oder generell am zu bearbeitenden Boden denkbar, um das automatische Ausweichen des Verteilergestänges oder eine Notbremsung einzuleiten.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Steuerung und/oder Regelung eines landwirtschaftlichen Nutzfahrzeuges beansprucht, bei dem Material, wie Düngemittel, Pflanzenschutzmittel oder Saatgut, aus einem Vorratsbehälter durch ein Verteilergestänge ausgebracht wird, wobei das landwirtschaftliche Nutzfahrzeug ein Stellorgan und ein Regelsystem mit einer Datenverarbeitungseinheit und wenigstens einem Sensor umfasst. Der Sensor ist durch einen Radarsensor zur Ermittlung der Bewegung des Verteilergestänges gebildet, und das Stellorgan wird in Abhängigkeit von ermittelten Messsignalen des Sensors zur Regelung der Absolutbetrages und/oder die Richtung der Geschwindigkeit des Verteilergestänges angesteuert und/oder verstellt. Hierzu wird von dem Sensor der Absolutbetrag und/oder die Richtung der Geschwindigkeit des Verteilergestänges, beispielsweise relativ zum Boden und/oder relativ zum Fahrzeug erfasst und darauf basierend durch die Datenverarbeitungseinheit ein elektronisches Stellsignal für das Stellorgan generiert. Vorteilhafterweise lässt sich einer auftretenden Schwingung oder Neigung des Verteilergestänges, welche hauptsächlich für eine inhomogene Verteilung des auszubringenden Materials verantwortlich sein kann, effektiv entgegenwirken und daher das Verteilergestänge in einer parallelen Lage zum bearbeitenden Feldboden halten.
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Weiterhin wird die Geschwindigkeit des Verteilergestänges mittels des Regelsystems an einen Sollwert angepasst. Durch die Anpassung der Geschwindigkeit an einen Sollwert, wie beispielsweise die Fahrtgeschwindigkeit des Nutzfahrzeuges in Bezug auf die horizontale Richtung, können auftretende Störungen, wie etwa das Überfahren von Bodenunebenheiten oder Kurvenfahrten, welche zu unerwünschten Schwingungen des Verteilergestänges führen, effizient kontrolliert und eliminiert werden. Die Bewegung des Verteilergestänges kann hierdurch effizient geregelt und die Gestängeführung insgesamt verbessern werden.
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Vorzugsweise wird durch die Datenverarbeitungseinheit die Geschwindigkeit des Verteilergestänges vorausschauend, insbesondere mittels eines Kalman-Filter, ermittelt. Dies hat den Vorteil, dass das Verhalten des Verteilergestänges, vor allem die auftretenden Neigungen und Schwingungen, in Abhängigkeit von verschiedenen Zuständen prognostiziert werden können, und daher die Regelung robust auf mögliche auftretende Störungen angepasst werden kann.
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Die Erfindung wird nachstehend mit weiteren Einzelheiten unter Bezug auf die beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen
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1 eine Seitenansicht eines landwirtschaftlichen Nutzfahrzeuges mit einem Verteilergestänge und einem Regelsystem nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;
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2 eine Rückansicht des landwirtschaftlichen Nutzfahrzeuges gemäß 1 mit einem Verteilergestänge und einem Regelsystem nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;
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3 eine schematische Darstellung der von den Radarsensoren ermittelten Frequenzverschiebung gemäß 2 basierend auf dem Dopplereffekt;
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4 eine Seitenansicht eines landwirtschaftlichen Nutzfahrzeuges mit einem Verteilergestänge und einem Regelsystem nach einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel;
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5 eine frontale Ansicht eines Radarsensors nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel.
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1 und 2 zeigen jeweils eine Seitenansicht und eine Rückansicht eines landwirtschaftlichen Nutzfahrzeuges 103 mit einem Verteilergestänge 101 und einem Regelsystem nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel. Das landwirtschaftliche Nutzfahrzeug 103 kann für die Ausbringung von Material, wie Düngemittel, Pflanzenschutzmittel oder Saatgut verwendet werden. Das Verteilergestänge 101 weist zwei Radarsensoren 102 zur Ermittlung der Bewegung des Verteilergestänges 101 und eine nicht dargestellte Datenverarbeitungseinheit zur Verarbeitung der Signale der Radarsensoren 102 auf. Mittels der Datenverarbeitungseinheit kann basierend auf den Messsignalen der Radarsensoren der Absolutbetrag und/oder die Richtung der Geschwindigkeit des Verteilergestänges 101 erfasst werden.
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Das landwirtschaftliche Nutzfahrzeug 103 umfasst ein Antriebsfahrzeug 103a sowie einen Anhänger 103b, an dessen Rückseite das Verteilergestänge 101 an einem Rahmen befestigt ist. Das Verteilergestänge 101 weist mehrere Sprühdüsen 106 zur Ausbringung des Materials auf. In dem Anhänger 103b ist das auszubringende Material gelagert, welches mittels einer Pumpe in die Sprühdüsen 106 des Verteilergestänges 101 eingebracht wird. Das Verteilergestänge 101 ist wie in 1 dargestellt klappbar mit mehreren Gestängeabschnitten ausgebildet. Damit kann das Verteilergestänge 101 zum Befahren von Straßen oder engen Passagen in einen eingeklappten Zustand gebracht werden. 2 zeigt das Verteilergestänge 101 in einem ausgeklappten Zustand mit der vollen Arbeitsbreite.
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Am Verteilergestänge sind zwei Radarsensoren 102 positioniert. Die Radarsensoren 102 sind jeweils rechtsseitig und linksseitig vom landwirtschaftlichen Nutzfahrzeug 103 angeordnet. Da die Radarsensoren 102 generell robust gegen äußere Umwelteinflüsse sind, können sie generell flexibel am Verteilergestänge 101 positioniert sein.
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Da vorteilhafterweise die Geschwindigkeit des Verteilergestänges 101 relativ zum Boden erfasst werden soll, sind die Radarsensoren 102 in einem Wellenlängenbereich ausgebildet, so dass der Pflanzenbestand nicht erfasst wird. Mit anderen Worten ist in dem spezifischen Wellenlängenbereich der Radarsensoren 102 der Pflanzenbestand transparent und wird aus der Messung ausgeblendet. Die von den Radarsensoren 102 emittierte elektromagnetische Strahlung ist illustrativ durch die Wellenlinien an den Radarsensoren 102 dargestellt. Beispielhaft emittieren beide Radarsensoren 102 die elektromagnetische Strahlung derselben Wellenlänge. Alternativ können beide Radarsensoren 102 auch elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge emittieren. Die Radarsensoren 102 sind beispielhaft an der Unterkante 105 des Verteilergestänges 101 positioniert, um die Geschwindigkeit in Hochrichtung zu ermitteln.
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Beispielhaft tritt am Verteilergestänge 101 eine Neigung, oder anders gesagt eine vertikale Schwingung auf, welche über die beiden Pfeile angedeutet ist. Das bedeutet, dass sich das Verteilergestänge 101 rechtsseitig auf den Boden B zubewegt, und linksseitig vom Boden B wegbewegt. Es tritt daher am Verteilergestänge 101 eine Relativbewegung auf, welche zu einer Frequenzverschiebung der reflektierten Strahlung der Radarsensoren 102 führt. Die Frequenzverschiebung ist illustrativ durch die Dichte der reflektierten Linien in Bodennähe B gezeigt. Daher ist nicht nur veranschaulicht, dass sich die reflektierte Strahlung der Sensoren 102 jeweils von der emittierten Strahlung unterscheidet, sondern dass sich auch die reflektierte Strahlung beider Sensoren 102 je nach der Geschwindigkeit der rechten und linken Gestängeseite unterscheiden kann.
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3 zeigt eine schematische Darstellung der von den Radarsensoren 102 ermittelten Frequenzverschiebung gemäß 2 basierend auf dem Dopplereffekt. Wenn eine relative Bewegung, wie beispielhaft in 2 eine Neigung des Verteilergestänges 101, zwischen dem Sensor 102 und dem Boden B auftritt, ändert sich das vom Boden reflektierte Frequenzspektrum gemäß dem Dopplereffekt. Das Frequenzspektrum ist beispielhaft durch die Intensität bei einer bestimmten Frequenz dargestellt. Das vom Boden zurückreflektierte Frequenzspektrum bei einer horizontalen Ruhelage des Verteilergestänges 101 ist durch die gestrichelte Linie veranschaulicht. Es ist durch die Form eines Wellenbauchs illustrativ veranschaulicht.
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Wenn sich beispielsweise der linke Radarsensor 102 aufgrund einer auftretenden Neigung in Pfeilrichtung gemäß 2 vom Boden wegbewegt, bedeutet das, dass der Abstand des Sensors 102 zum Boden B kontinuierlich größer wird. Daher haben später abgesendete Wellenfronten des linken Radarsensors 102 einen längeren Weg zum Boden B. Deshalb wird die Wellenlänge der später abgesendeten Wellen größer und damit die Frequenz der reflektierten Wellen kleiner. Das zurückreflektierte Frequenzspektrum des geneigten linken Radarsensors 102 ist daher im Vergleich zu jenem der Ruhelage des Verteilergestänges zu einer niedrigeren Frequenz hin verschoben. Illustrativ ist der links dargestellte Wellenbauch im Frequenzspektrum bei einer niedrigeren Frequenz abgebildet.
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Im Gegensatz dazu, bewegt sich der rechte Radarsensor 102 aufgrund der Neigung auf den Boden B zu. Der Abstand des rechten Sensors 102 zum Boden wird daher kontinuierlich verkleinert. Das bedeutet, dass später abgesendete Wellenfronten einen kürzeren Weg zum Boden haben und deren Wellenlänge daher kleiner wird. Dementsprechend wird die Frequenz der reflektierten Wellen höher. Deshalb ist der in 3 rechts gezeigte Wellenbauch des geneigten rechten Radarsensors im Frequenzspektrum bei einer höheren Frequenz dargestellt, beziehungsweise im Vergleich zu jenem der Ruhelage des Verteilergestänges zu einer höheren Frequenz hin verschoben. Aus der auftretenden Frequenzänderung basierend auf dem Dopplereffekt lässt sich die Relativgeschwindigkeit des Verteilergestänges 101 ermitteln.
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4 zeigt eine Seitenansicht eines landwirtschaftlichen Nutzfahrzeuges 103 mit einem Verteilergestänge 101 und einem Regelsystem nach einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel. Das Nutzfahrzeug 103 umfasst wie in 1 dargestellt einen Anhänger 103b, an dessen Rückseite das Verteilergestänge 101 an einem Rahmen befestigt ist. Das Verteilergestänge ist hierbei in einem ausgeklappten Zustand dargestellt.
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Im Gegensatz zu 1 und 2 ist nur ein Radarsensor 102 an einer Unterkante des Verteilergestänges 101 angebracht. Der Radarsensor 102 ist in einem 45° Winkel in Bezug auf die Senkrechte Ausrichtung zum Boden B geneigt. Es ist daher sowohl eine Messung der Geschwindigkeit in Fahrt-, als auch in Hochrichtung möglich. Demnach können sowohl vertikale Schwingungen als auch horizontal auftretende Schwingungen am Verteilergestänge ermittelt werden.
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5 zeigt beispielhaft ein Ausführungsbeispiel eines Radarsensors 102, welcher an einem Verteilergestänge 101 zur Ermittlung des Absolutbetrages und der Richtung der Geschwindigkeit positioniert sein kann. Der Radarsensor 102 ist als K-Band Transceiver, also in einem Frequenzbereich von ungefähr 18–27 GHz, ausgebildet. Im Speziellen kann der Radarsensor 102 elektromagnetische Strahlung mit einer Frequenz von 24 GHz abstrahlen. Dazu weist der Radarsensor sowohl eine Sende- und Empfangsantenne und eine Sende- und Empfangseinheit auf. Diese Frequenz eignet sich besonders vorteilhaft zur Durchdringung des Pflanzenbestandes und ist gleichzeitig eine international frei verwendbare Frequenz. Der Radarsensor ist sehr kompakt ausgebildet, mit einem Durchmesser von ungefähr 2 cm und einer Tiefe von wenigen mm. Der Radarsensor kann sowohl als Dauerstrichradar als auch als Pulsradar verwendet werden, wodurch eine Abstands- und Geschwindigkeitsmessung möglich ist.
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Der Radarsensor weist Ansteckkontakte 110 zum Anlegen einer Betriebsspannung und eines Vorverstärkers auf, um die Reichweite und das Frequenzband des Sensors 102 auf für den Betrieb optimale Werte zu begrenzen. Durch die Begrenzung des Frequenzbandes wird störendes Rauschen minimiert und man erhält somit einen hochempfindlichen Sensor 102. Das Ausgangssignal des Radarsensors 102 ist bei einer gleichmäßigen Bewegung des Verteilergestänges 101 in Relation zum Boden B sinusförmig, hat jedoch eine sehr kleine Amplitude. Aus diesem Grund wird das Ausgangssignal des Sensors 102 mittels des Vorverstärkers rauscharm weiter verstärkt, damit es zur Geschwindigkeitsermittlung weiter verarbeitet werden kann. Dazu ist es erforderlich das verstärkte Ausgangssignal des Sensors 102, dessen Frequenz der Dopplerfrequenzverschiebung entspricht, zu digitalisieren. Dies kann über eine nicht dargestellte Datenverarbeitungseinheit erfolgen, wodurch das Ausgangssignal des Sensors 102 ausgewertet werden kann.
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Generell bildet der Radarsensor einen kompakten und leichten, sowie sehr robusten Sensor zur präzisen Erfassung des Betrages und der Richtung der Geschwindigkeit des Verteilergestänges. Der Sensor selbst beeinflusst dabei vorteilhafterweise nicht die Bewegungen des Verteilergestänges, weshalb er sehr flexibel positioniert werden kann. Gleichzeitig vereint der Radarsensor mehrere Funktionsweisen von unterschiedlichen Sensoren im einem, sodass er sowohl für die Geschwindigkeitserfassung als auch gleichzeitig für die Abstandsmessung verwendet werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 101
- Verteilergestänge
- 102
- Radarsensor
- 103
- Nutzfahrzeug
- 103a
- Antriebsfahrzeug
- 103b
- Anhänger
- 104
- Oberkante
- 105
- Unterkante
- 106
- Sprühdüse
- 110
- Ansteckkontakt
- B
- Boden
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013214469 A1 [0003]