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Die vorliegende Erfindung betrifft ein land- oder forstwirtschaftliches Gerät mit einem in seiner Lage steuerbar verstellbaren Bearbeitungswerkzeug nach Gattung des unabhängigen Anspruchs 1. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine für das land- oder forstwirtschaftliche Gerät vorgesehene Sensorvorrichtung gemäß dem nebengeordneten Anspruch 11. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Steuern des land- oder forstwirtschaftlichen Geräts nach Anspruch 13.
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Stand der Technik
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Im Bereich der Landwirtschaft und der Forstwirtschaft finden Geräte zur maschinellen Bearbeitung des Bodens und/oder der Pflanzen, beispielsweise in Rebstock-Plantagen, breite Anwendung. Derartige land- oder forstwirtschaftliche Geräte sind häufig an einem Mehrzweck-Fahrzeug, z.B einem Traktor, montiert und sind mit einem Bearbeitungswerkzeug zum maschinellen Bearbeiten der Pflanzen und/oder des Bodens versehen.
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Beispielhaft wird ein Szenario einer maschinellen Unterstockpflege einer Rebstock-Plantage mit in Reihen angeordneten Rebstöcken und möglichen Stützpfählen und Rankhilfe-Stützen betrachtet, bei der während einer Fortbewegung eines Fahrzeugs entlang der Rebstockreihen maschinell der Boden um die Rebstöcke herum durch Einsatz eines Pfluges beispielsweise von hohem Gras und Unkraut geräumt werden soll.
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Ein zu diesem Zweck an dem Fahrzeug montiertes landwirtschaftliches Gerät ist mit einem als Pflug bzw. Pflugschar ausgebildeten Bearbeitungswerkzeug versehen, das über ein hydraulisch verstellbares Gelenk aus dem Fahrzeug heraus, also nach außen, oder an das Fahrzeug heran schwenkbar ist. Die aktuelle Lage des Bearbeitungswerkzeugs, die dem Ausmaß der aktuellen seitlichen Auslenkung entspricht, wird durch einen verstellbaren Hydraulikdruck, mit dem das Gelenk versorgt bzw. betätigt wird, derart gesteuert, dass das Bearbeitungswerkzeug während der Bewegung des Fahrzeugs an Rebstöcke unter Einhaltung eines Mindestabstands zu diesen herangeführt und/oder an diesen vorbeigeführt oder zwecks Kollisionsvermeidung an einem Hindernis vorbeigeführt wird. Ohne Hydraulikdruck in dem Gelenk wird das Bearbeitungswerkzeug durch eine Kraft einer mechanischen Einschwenkfeder und eine Bodenwiderstandskraft, die während einer Bewegung des Fahrzeugs auf die in den Boden eingreifende Pflugschar einwirkt, seitlich an bzw. hinter das Fahrzeug geschwenkt, so dass die seitliche Auslenkung des Bearbeitungswerkzeugs minimiert wird. Wird das Gelenk hingegen mit Hydraulikdruck beaufschlagt, so wird das Bearbeitungswerkzeug aktiv nach außen geschwenkt bzw. ausgeschwenkt gehalten, wobei das Ausmaß der seitlichen Auslenkung von dem Wert des aufgebrachten Hydraulikdrucks abhängt.
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Um während der Bewegung des Fahrzeugs entlang der Rebstock-Reihen in einem Bearbeitungsnahbereich des Pfluges einen Rebstock oder ein anderes Hindernis zu detektieren, mit dem ein möglicherweise zu weit ausgeschwenkter Pflug kollidieren könnte, ist als eine mechanische Sensorvorrichtung in Fahrtrichtung vor dem Pflug ein schienen- oder bügelartig ausgebildeter Kontaktabtaster angebracht, der mechanisch oder elektrisch mit einem Hydraulikventil des Gelenks gekoppelt ist. Im Fall eines mechanischen Kontakts, also einer Berührung, zwischen dem Kontaktabtaster und einem Hindernis wird der Kontaktabtaster entgegengesetzt zur Fahrtrichtung gedrückt, und das Hydraulikventil wird dadurch mechanisch oder elektrisch so verstellt, dass der Hydraulikdruck in dem Gelenk verringert wird, und folglich der Pflug während einer fortgesetzten Fahrzeugbewegung fortschreitend seitlich hinter das Fahrzeug eingeschwenkt wird. Erst wenn der mechanische Kontakt, also die Berührung, zwischen dem Kontaktabtaster und dem Hindernis aufgehoben ist, erfolgt ein Hydraulikdruckaufbau in dem Gelenk, und das Bearbeitungswerkzeug wird aktiv nach außen geschwenkt.
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Derartige, wie oben beschriebene, konventionelle land- oder forstwirtschaftliche Geräte ermöglichen eine Vermeidung einer Kollision des Bearbeitungswerkzeug mit einem detektierten Hindernis während der Fahrzeugbewegung, ohne dass ein Operator des Geräts oder des Fahrzeugs einen Steuerungseingriff vornehmen muss. Die Detektion des Hindernisses erfordert aber, dass der Kontaktabtaster das Hindernis berührt. Die Vermeidung einer Kollision erfordert zudem, dass der Kontaktabtaster während der Fortbewegung des Fahrzeugs und des Geräts mit Berührung des Hindernisses an diesem entlang gleitet. Bei dieser Berührung kann der Kontaktabtaster die Rinde eines Stammes beschädigen und möglicherweise Krankheitserreger oder Schädlinge eines Rebstamms verbreiten. Die Gefahr und das Ausmaß einer Beschädigung der Stammrinde erhöhen sich zudem mit steigender Geschwindigkeit des Aufpralls des Kontaktabtasters auf der Stammrinde, die durch die Fortbewegungsgeschwindigkeit des Fahrzeugs vorgegeben ist.
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Daher darf das Fahrzeug bzw. das land- oder forstwirtschaftliche Gerät nur mit niedriger Fortbewegungsgeschwindigkeit bewegt werden, so dass das land- oder forstwirtschaftliche Gerät nur eine geringe Zeiteffizienz aufweist.
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In der Praxis zeigt sich außerdem häufig der Nachteil, dass das Ausschwenken des Pfluges hinter einem detektierten Rebstockstamm eine unterschiedlich lange Fortbewegungsstrecke des Fahrzeugs erfordert als beim Einschwenken des Pfluges vor dem detektierten Stamm, mit einem nur suboptimalen Ergebnis der beschriebenen Unterstockpflege.
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Ein weiteres Problem der berührungsbasierten Hindernisdetektion und Kollisionsvermeidung besteht bei dem beschriebenen Szenario darin, dass im Fall eines beschädigten oder fehlerhaft ausgerichteten Kontaktabtasters der Pflug zu nah an den Rebstock herangeführt und das Wurzelwerk des Rebstocks verletzt werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein land- oder forstwirtschaftliches Gerät, eine Sensorvorrichtung für ein derartiges Gerät und ein Verfahren zum Steuern eines land- oder forstwirtschaftlichen Geräts bereitzustellen, die es ermöglichen, die oben angeführten Nachteile zumindest zum Teil zu überwinden. Sofern einer der oben angeführten Nachteile nicht öffentlich bekannt sein sollte, sind dieser und zugehörige Merkmale nur als interner Stand der Technik der Anmelderin und somit als Teil der Offenbarung der Erfindung zu betrachten.
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Die oben dargestellte Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung wird durch das nachstehend im Detail vorgestellte, land- oder forstwirtschaftliche Gerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausführungsbeispiele des Geräts ergeben sich aus den zusätzlichen Merkmalen der abhängigen Ansprüche 2 bis 10. Außerdem wird die oben dargestellte Aufgabenstellung durch eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 sowie ferner durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst.
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Die vorliegende Erfindung ist auf ein land- oder forstwirtschaftliches Gerät gerichtet, das ein Bearbeitungswerkzeug und eine Sensorvorrichtung aufweist. Die Sensorvorrichtung ist ausgebildet, ein Hindernis in einem Bearbeitungsnahbereich des Bearbeitungswerkzeugs zu detektieren und im Fall eines detektierten Hindernisses eine Verstellung der Lage des Bearbeitungswerkzeugs zu veranlassen.
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Die Lösung der Aufgabe der Erfindung wird in einer geeignet ausgebildeten Sensorvorrichtung gesehen, die ein Hindernis in dem Bearbeitungsnahbereich des Bearbeitungswerkzeugs detektieren kann, ohne dass die Sensorvorrichtung das Hindernis berührt, also in einer für eine berührungslose Detektion ausgebildeten Sensorvorrichtung.
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Es wird eine Sensorvorrichtung vorgeschlagen, die ausgebildet ist zum berührungslosen Detektieren eines in dem Bearbeitungsnahbereich angeordneten Hindernisses, und die mindestens ein Kameramodul mit einer Lichtemittiereinheit und einem Bildsensor aufweist. Die Lichtemittiereinheit ist ausgebildet, Licht einer vorgegebenen Charakteristik in den Bearbeitungsnahbereich zu emittieren. Der Bildsensor des Kameramoduls ist aus einer Mehrzahl von Bildsensorelementen gebildet und ist ausgebildet, eine Abbildung zumindest eines Teils des Bearbeitungsnahbereichs mit bildsensorelementspezifischen Distanzinformationen auf Grundlage des emittierten und von einem Hindernis in dem Bearbeitungsnahbereich auf den Bildsensor reflektierten Lichts zu ermitteln. Die vorgeschlagene Sensorvorrichtung ist ferner ausgebildet, mittels Auswertung der ermittelten Distanzinformationen ein Hindernis in dem Bearbeitungsnahbereich berührungslos zu detektieren und im Fall eines detektierten Hindernisses Steuerungswerte und/oder Steuerungsdaten zum Verstellen der Lage des Bearbeitungswerkzeugs derart zu verändern oder zu erzeugen, dass eine andernfalls bevorstehende Kollision des Bearbeitungswerkzeugs mit dem in dem Bearbeitungsnahbereich detektierten Hindernis vermieden wird.
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Im Folgenden werden die oben angeführten Merkmale, die zur Lösung der Aufgabe der Erfindung beitragen, und die im Kontext der Merkmale verwendeten Begriffe näher vorgestellt.
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Das land- oder forstwirtschaftliche Gerät ist nicht auf das eingangs beispielhaft beschriebene Gerät zur Unterstockpflege von Rebstock-Plantagen beschränkt. Der Begriff des land- oder forstwirtschaftlichen Geräts umfasst hier beispielsweise ein Gerät, das für einen landwirtschaftlichen Einsatz, wie beispielsweise in Weinbergen, Obstbaumplantagen, und/oder Strauchobstplantagen (z.B. Himbeersträucher, Johannisbeerensträucher), und/oder für einen forstwirtschaftlichen Einsatz, wie beispielsweise in Baumschulen und/oder Weihnachtsbaumkulturen, vorgesehen ist, ohne Beschränkung auf die genannten Beispiele. Das Bearbeitungswerkzeug kann ein Bodenbearbeitungswerkzeug, wie beispielsweise ein Pflug oder eine Hacke, das mit Eingriff in den Erdboden arbeitet, oder ein Mulcher oder eine sensen- bzw. schneidwerkzeugbasierte Vorrichtung, die aus dem Boden herauswachsendes Unkraut oder Gras bearbeitet, oder ein Gewächsbearbeitungswerkzeug sein, wie beispielsweise ein Vorschneider, Entlauber, Laubschneider oder ein entsprechendes Bearbeitungswerkzeug für Nadelgewächse. Bei den letztgenannten Bearbeitungswerkzeugen, beispielsweise bei dem Vorschneider zum Schneiden der Zweige von Weinreben, kann es vorgesehen sein, dass die Sensorvorrichtung des vorgestellten Geräts Pfähle oder andere Stützen zwischen den Ästen der Rebstöcke als ein Hindernis detektiert, und die Lage des Bearbeitungswerkzeugs, beispielsweise Messer eines Vorschneiders, dahingehend verstellt, dass die Messer des Vorschneiders geöffnet werden, so dass der als ein Hindernis detektierte Pfahl nicht von den Messern des Vorschneiders getroffen wird.
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Ein durch die Sensorvorrichtung zu detektierendes Hindernis ist ein Objekt, welches nicht mit dem Bearbeitungswerkzeug kollidieren und welches mit der vorgestellten optischen Sensorvorrichtung nicht in Berührung kommen soll, und welches in einem durch das Bearbeitungswerkzeug zu bearbeitenden land- oder forstwirtschaftlichen Raum erhaben über der Bodenfläche angeordnet ist. Ein derartiges Hindernis bzw. Objekt ist beispielsweise ein Nutzgewächs einer land- oder forstwirtschaftlichen Fläche, so wie ein Rebstock, ein Obstbaum, ein Beerenstrauch, oder ein Nadelbaum, oder der Stamm eines solchen Nutzgewächses. Diese Nutzgewächse haben im Sichtfeld des Bildsensors im Allgemeinen einen Durchmesser im Bereich von 10 bis 200mm. Die Detektion als ein Hindernis kann auch für Pflanzstäbchen ab einem Durchmesser von 5mm vorgesehen sein. Strauchobst hat häufig mehrere kleine Stämme, die insgesamt als ein Strauch mit einem Durchmesser von 200mm und mehr detektiert werden sollen. Ein zu detektierendes Hindernis bzw. Objekt ist auch eine auf/in der land- oder forstwirtschaftlichen Fläche eingerichtete Stützstruktur für die Nutzpflanzen, so wie ein aus dem Erdboden hervorstehender Pfahl, Pfosten oder eine Vertikalstrebe einer netzartig aufgespannten Rankhilfe. Die Qualifizierung eines Objektes als ein durch die Sensorvorrichtung zu detektierendes Hindernis kann beispielsweise davon abhängen, dass das Objekt eine Mindesthöhe und/oder eine Mindestbreite aufweist und/oder seine Breite in einen vorgegebenen Breitenbereich fällt. Hinsichtlich der Mindesthöhe ist bevorzugt vorgesehen, dass die Sensorvorrichtung ein Objekt nur dann als Hindernis detektiert, falls das Objekt mindestens eine Höhe von 40cm über dem Erdboden hat. Hinsichtlich des vorgegebenen Breitenbereichs ist bevorzugt vorgesehen, dass die Sensorvorrichtung ein Objekt nur dann als Hindernis detektiert, falls seine Breite in dem oben für Nutzgewächse angegebenen Durchmesserspannen liegt.
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Der Bearbeitungsnahbereich des Bearbeitungswerkzeugs bezeichnet die aktuelle nähere Umgebung des Bearbeitungswerkzeugs, welche das Bearbeitungswerkzeug aufgrund seiner Bewegung durch das fahrende Fahrzeug und/oder aufgrund eines Änderns seiner Lage, beispielsweise einem Einfahren in oder einem Ausfahren aus dem Fahrzeug, in den nächsten Sekunden erreichen kann. Der Bearbeitungsnahbereich ist also nur ein sehr kleiner Teil des gesamten Bearbeitungsbereichs, der mit dem Bearbeitungswerkzeug im Laufe der Fortbewegung des land- oder forstwirtschaftlichen Geräts über ein land- oder forstwirtschaftliches Gebiet, beispielsweise einen Acker, ein Feld, eine Obstbaumplantage oder einen Weinberg, in einem Zeitraum vieler Minuten oder einiger Stunden bearbeitet wird.
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Das Bearbeitungswerkzeug ist in seiner Lage steuerbar verstellbar. Durch das Verstellen der Lage wird eine Position und/oder Ausrichtung zumindest eines Teils des Bearbeitungswerkzeugs relativ zu einem bezüglich des Verstellens stationären, vorgegebenen Bezugspunkt an dem Gerät oder einem zur Fortbewegung des Geräts vorgesehenen Fahrzeug verändert, an dem das Gerät montiert ist. Im Bereich der Landwirtschaft und der Forstwirtschaft finden Mehrzweck-Geräte und Mehrzweck-Fahrzeuge breite Verwendung, bei denen ein zeiteffizient auswechselbares Anbaugerät direkt oder mittels eines Geräteträgers an dem Mehrzweck-Fahrzeug montiert ist. Das Anbaugerät ist mit dem Bearbeitungswerkzeug ausgerüstet oder verkörpert selbst das Bearbeitungswerkzeug. Das Anbaugerät oder der Geräteträger kann an vielfältigen Montagepositionen des Mehrzweck-Fahrzeugs montierbar sein: beispielsweise an der rechten und/oder linken Fahrzeugseite, an der Front oder an dem Heck, als Aufbau auf einer Ladefläche, oder als Unterbau. Das Bearbeitungswerkzeug kann dann beispielsweise dadurch in seiner Lage verstellt werden, dass ein Teil des Anbaugerätes relativ zu einem anderen Teil des Anbaugeräts versetzt wird, dass das Anbaugerät relativ zu dem Geräteträger versetzt wird, und/oder dass der Geräteträger relativ zu dem Fahrzeug versetzt wird.
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Das Verstellen der Lage des Bearbeitungswerkzeugs kann mit einer beliebigen Kombination translatorischer und/oder rotatorischer Bewegungen erfolgen. Wichtig im Sinne der Erfindung ist, dass das Verstellen der Lage des Bearbeitungswerkzeugs derart erfolgt, dass eine Kollision zwischen dem Bearbeitungswerkzeug und einem Hindernis, das sich in dem Bearbeitungsnahbereich befindet und durch die Sensorvorrichtung mittels Auswertung der Distanzinformationen detektiert worden ist, vermieden wird, und dass die Kollision ohne Verstellen der Lage erfolgen würde.
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In dem beispielhaften Fall eines Fahrzeugs mit einem land- oder forstwirtschaftlichen Gerät mit einem seitlich aus dem Fahrzeug schrittweise oder stufenlos ausfahrbaren Bearbeitungswerkzeug ist die Lage des Bearbeitungswerkzeugs die durch das Aus- oder Einfahren bewirkte, aktuelle seitliche Auslenkung des Bearbeitungswerkzeugs. Das gesteuerte Verstellen der Lage des Bearbeitungswerkzeugs durch Ein- oder Ausfahren des Bearbeitungswerkzeugs verändert die Lage des Bearbeitungswerkzeugs. Das gesteuerte Verstellen der Lage erfolgt gemäß Steuerungswerten und/oder Steuerungsdaten, die in dem Fall eines durch die Sensorvorrichtung detektierten Hindernisses durch die Sensorvorrichtung geeignet verändert oder erzeugt werden.
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Die Lichtemittiereinheit ist ausgebildet, Licht mit einer vorgegebenen Charakteristik in das Sichtfeld des Bildsensors zu emittieren. Hierunter wird verstanden, dass die Lichtemittiereinheit nicht ein beliebiges Licht emittiert, sondern dass die Intensität, die Dauer und die Wellenlänge oder der/die Wellenlängenbereich(e) des von der Lichtemittiereinheit emittierten Lichts derart bestimmt sind, dass der Bildsensor Anteile des emittierten Lichts, die auf ein in dem Bearbeitungsnahbereich angeordnetes Hindernis treffen und auf den Bildsensor reflektiert werden, erfassen und auswerten kann. Das Spektrum bzw. die Wellenlänge des emittierten Lichts liegt bevorzugt in dem für das menschliche Auge nicht-sichtbaren Infrarot- (IR, infrared) oder Nahinfrarot- (NIR, near infrared) Lichtbereich. Anmelderseitig wurde festgestellt, dass eine Sensorvorrichtung mit einer Lichtemittiereinheit zum Emittieren von Licht mit einer Wellenlänge von 850nm sich sehr gut für erfindungsgemäße land- oder forstwirtschaftliche Geräte eignet. Die Lichtemittiereinheit ist ferner ausgebildet, das Licht der vorgegebenen Charakteristik gesteuert durch die Sensorvorrichtung zu emittieren. Das Licht der vorgegebenen Charakteristik kann, gesteuert durch die Sensorvorrichtung, als Lichtpulse oder als kontinuierliches Licht emittiert werden.
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Die Lichtemittiereinheit und der zugeordnete Bildsensor sind bevorzugt so ausgebildet und zueinander angeordnet, dass von der Lichtemittiereinheit emittiertes Licht nicht direkt auf den Bildsensor auftreffen und von diesem erfasst werden kann, sondern nur nach einer Reflektion des emittierten Lichts an einem sich in dem Bearbeitungsnahbereich und in dem Sichtfeld des Kameramoduls befindenden Hindernis auf zumindest eines der Bildsensorelemente des Bildsensors auftreffen und erfasst werden kann. Die Sensorvorrichtung bzw. das Kameramodul ist folglich bevorzugt derart ausgebildet, dass von der Lichtemittiereinheit emittiertes Licht nur nach einer Reflektion des emittierten Lichts außerhalb des Kameramoduls und nicht direkt von dem Bildsensor erfasst werden kann.
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Der Bildsensor des Kameramoduls ist aus einer Mehrzahl von Bildsensorelementen gebildet. Die Mehrzahl der Bildsensorelemente des Bildsensors ist zumindest zweidimensional verteilt angeordnet, beispielsweise in einer Breitenrichtung und in einer Höhenrichtung, bevorzugt derart, dass die Mehrzahl von Bildsensorelementen auf mehrere Zeilen verteilt ist, wobei in mindestens einer der Zeilen, bevorzugt in mehreren Zeilen, wiederum mehrere Bildsensorelemente des Bildsensors angeordnet sind. Es kann auch vorgesehen sein, dass zumindest einige der Bildsensorelemente des Bildsensors entlang einer Tiefenrichtung verteilt angeordnet sind. Die Mehrzahl der Bildsensorelemente des Bildsensors kann beispielsweise rasterartig oder wabenartig auf einer Fläche angeordnet sein.
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Der Bildsensor des Kameramoduls bzw. die Sensorvorrichtung ist ausgebildet zum Ermitteln einer Abbildung zumindest eines Teils des Bearbeitungsnahbereichs. Die ermittelte Abbildung enthält bildsensorelementspezifische Distanzinformationen, die auf Grundlage des emittierten und von einem Hindernis in dem Bearbeitungsnahbereich auf den Bildsensor bzw. dessen individuelle Bildsensorelemente reflektierten Lichts ermittelt werden. Die einem individuellen Bildsensorelement zugeordneten Distanzinformationen repräsentieren eine Länge einer Gesamtstrecke bzw. einer Distanz, die von der Lichtemittiereinheit emittiertes Licht bis zu einem Hindernis in dem Bearbeitungsnahbereich und nach einer Reflektion an diesem Hindernis zurück zu dem Kameramodul, konkret dessen Bildsensor, zurücklegt.
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Im Sinne einer exakten physikalischen Betrachtung wird verstanden, dass nur ein Anteil des in das Sichtfeld des Bildsensors emittierten Lichts bzw. dessen photonische Energie auf das Hindernis auftrifft, und dass ein noch geringerer Anteil des auftreffenden Lichts von dem Hindernis auf ein individuelles Bildsensorelement des Bildsensors reflektiert wird und in dem Bildsensorelement in eine messbare elektrische Ladung umgewandelt wird.
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Die Länge der Gesamtstrecke, die der Lichtanteil von der Lichtemittiereinheit zum Hindernis und schließlich bis zu dem Bildsensor zurücklegt, ist durch Messen einer Laufzeit des Lichtanteils von der Emittiereinheit bis zurück zu dem Bildsensor ermittelbar. Diese Laufzeit kann durch die Sensorvorrichtung direkt als eine Zeitdifferenz zwischen dem, der Sensorvorrichtung bekannten Startzeitpunkt des emittieren Lichts und dem durch die Sensorvorrichtung messbaren Zeitpunkt des Empfangs eines Anteils des emittierten und reflektierten Lichtanteils im Bildsensor gemessen werden. Die mit dem Bildsensorelement gemessene Zeitdifferenz ist eine bildsensorspezifische Distanzinformation oder kann in eine bildsensorspezifische Distanzinformation transformiert werden. Die Distanzinformationen können auch als Tiefeninformationen aufgefasst werden, da sie die räumliche Tiefe zwischen dem Bildsensor und dem Hindernis in dem Sichtfeld des Bildsensors repräsentieren. Bei einer zweidimensionalen Anordnung der Bildsensorelemente in Reihen und Spalten kann aus den ermittelten Distanzinformationen eine zweidimensionale Distanzdarstellung bzw. Tiefendarstellung für das Sichtfeld des Bildsensors erstellt werden.
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Die Ermittlung der Distanzinformationen ist abhängig von der vorgegebenen Charakteristik des emittierten Lichts. Wird das emittierte Licht als gepulstes Licht, also als separate Lichtpulse, emittiert, so kann die Sensorvorrichtung die Laufzeiten auf Grundlage des bekannten Startzeitpunktes eines jeweiligen Lichtpulses direkt messen. Wird das emittierte Licht hingegen kontinuierlich mit Anwendung einer CW- (Continuous Wave) Modulation emittiert, so kann die Sensorvorrichtung Phasenverschiebungen zwischen dem emittierten und dem reflektierten empfangenen Licht messen. Diese Phasenverschiebungen entstehen bei der Reflektion des emittierten Lichts an dem Hindernis im Sichtbereich, und das Ausmaß einer Phasenverschiebung entspricht der Distanz zu der Oberfläche des Hindernisses.
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Die einzelnen Sichtfelder der Bildsensoren der Sensorvorrichtung spannen ein Gesamtsichtfeld auf. Die Sensorvorrichtung ist ausgebildet, in dem Gesamtsichtfeld ein in dem Bearbeitungsnahbereich angeordnetes Objekt als Hindernis zu detektieren, und bildsensorelementspezifisch Distanzen zwischen der Sensorvorrichtung, genauso genommen dem jeweiligen Bildsensorelement, und dem detektierten Hindernis, genauso genommen einigen der Sensorvorrichtung zugewandten Reflektionsflächen des Hindernisses, auf die das von der jeweiligen Lichtemittiereinheit emittierte Licht auftritt, zu messen. Deshalb kann das Gesamtsichtfeld auch als ein Messfeld der Sensorvorrichtung aufgefasst bzw. bezeichnet werden.
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Die Bildsensorelemente eines jeweiligen Bildsensors sind bevorzugt auf einem Halbleiterchip angeordnet. So können beispielsweise insgesamt 16 Bildsensorelemente in 4 Reihen mit je 4 Bildsensorelementen einen sogenannten 4x4-Bildsensor bilden, oder in einem anderen Beispiel bilden 32 Bildsensorelemente in 4 Reihen mit je 8 Bildsensorelementen einen sogenannten 4x8-Bildsensor.
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Jedes Bildsensorelement erfasst an einem Objekt reflektiertes Licht, das zuvor von der Lichtemittiereinheit emittiert worden ist, in einem eigenem Bildsensorelement-Sichtfeld, das sich bei näherungsweiser Betrachtung kegelförmig ausgehend von dem Bildsensorelement mit einem Öffnungswinkel aufweitet. Es ist auch möglich, dass ein Bildsensorelement voneinander unterschiedliche horizontale und vertikale Öffnungswinkel aufweist. Die Gesamtheit der Bildsensorelement-Sichtfelder eines Bildsensors bildet das Sichtfeld des Bildsensors. Aufgrund der dichten Anordnung der Bildsensorelemente auf einer kleinen Fläche, insbesondere bei Integration in einen bzw. auf einem Halbleiterchip, sind die Öffnungswinkel der Bildsensorelemente relativ klein, beispielsweise im Bereich von 2 Grad und kleiner. Aufgrund dieser Randbedingungen, insbesondere im Fall einer Sensorvorrichtung mit mehreren Kameramodulen, deren Bildsensoren in einem jeweiligen Halbleiterchip integriert sind, kann es sein, dass die Sensorvorrichtung eine verzerrte Abbildung mit bildsensorelementspezifischen Distanzinformationen ermittelt. Dem entsprechend ist das physikalische Messfeld der Sensorvorrichtung verzerrt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist für den Fall einer derartigen verzerrungsbehafteten Abbildungsermittlung bevorzugt vorgesehen, dass die vorgestellte Sensorvorrichtung die Verzerrung berücksichtigt, insbesondere bei der Auswertung der ermittelten Distanzinformationen, um ein Hindernis berührungslos zu detektieren, und/oder bei dem Verändern oder Erzeugen von Steuerungswerten und/oder Steuerungsdaten zwecks Vermeidung einer andernfalls bevorstehenden Kollision des Bearbeitungswerkzeugs mit dem detektierten Hindernis. Wird aufgrund der physikalischen Gegebenheiten der Bildsensoren ein Rechteck verzerrt abgebildet, so ist für die vorgestellte Sensorvorrichtung vorgesehen, dass bei der Auswertung der ermittelten Distanzinformationen, ob oder ob nicht ein Hindernis detektiert werden muss, ein ellipsenförmiger Bereich als Idealbereich für eine Detektion verwendet wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die vorgestellte Sensorvorrichtung für eine optimale Detektionsdistanz, weiter unten auch unter dem Begriff Solldetektionsdistanz eingeführt, von vorzugsweise ca. 50cm (besonders bevorzugt mit einer Toleranz von ±5cm) ausgebildet, obwohl die vorgestellte Sensorvorrichtung ausschließlich Kameramodule bzw. Bildsensoren aufweist, die gemäß ihren Spezifikationen für ein Sichtfeld mit einer Reichweite von 5 Meter bis 10 Meter oder mehr geeignet und ausgebildet sind. Mit dieser Ausgestaltung ist es möglich, Objekte bzw. Hindernisse ab einem Durchmesser von 10mm in dem Bearbeitungsnahbereich zu detektieren.
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Mit dem vorgestellten land- oder forstwirtschaftlichen Gerät mit der vorgestellten Sensorvorrichtung kann ein Hindernis, beispielsweise ein Nutzgewächs, das in dem Bearbeitungsnahbereich eines Bearbeitungswerkzeugs des Geräts vorhanden ist, mit hoher Genauigkeit und ohne Gefahr einer Beschädigung des Hindernisses oder der Sensorvorrichtung detektiert werden. Außerdem ermöglicht das vorgestellte land- oder forstwirtschaftliche Gerät es, eine bevorstehende Kollision des Bearbeitungswerkzeugs und eines detektierten, sich in dem Bearbeitungsnahbereich befindenden Hindernisses zu vermeiden, ohne dass das Hindernis vor oder während der Kollisionsvermeidung durch einen Teil des Geräts berührt werden muss.
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In einer Weiterbildung des vorgestellten Geräts ist vorgesehen, dass die Sensorvorrichtung mehrere Kameramodule aufweist, die derart ausgebildet und angeordnet sind, dass die Sichtfelder der Kameramodule in unterschiedlichen Höhenabschnitten des Bearbeitungsnahbereichs liegen. Der Begriff des Höhenabschnitts bezieht sich auf einen Abschnitt zwischen einer unteren Höhe und einer oberen Höhe relativ zur Bodenfläche des Bearbeitungsnahbereichs. Zwei Höhenabschnitte sind unterschiedlich, wenn die jeweiligen unteren Höhen nicht identisch und auch die jeweiligen oberen Höhen nicht identisch sind. Bevorzugt grenzen bei einer näher erläuterten Solldetektionsdistanz die Höhenabschnitte ohne Überlappung aneinander. Bevorzugt liegt die untere Höhe des untersten Höhenabschnitts auf der Höhe der Bodenfläche.
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Da ein jeweiliges Sichtfeld eines Bildsensors bzw. Kameramoduls sich ausgehend von dem Bildsensor, an einer gedachten Spitze eines Kegels, in grober Näherung kegelartig, möglicherweise mit unterschiedlichen Aufweitungswinkeln in vertikaler und horizontaler Richtung, aufweitet, sind die untere Höhe und die obere Höhe auf eine Solldetektionsdistanz zu beziehen. Bei der Solldetektionsdistanz ist das aus allen Sichtfeldern der mehreren Bildsensoren zusammengesetzte Gesamtsichtfeld der Sensorvorrichtung in vertikaler Richtung am weitesten ohne Überlappung der jeweiligen Höhenabschnitte aufgespannt.
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Jedes dieser mehreren Kameramodule ist mit einem Bildsensor und einer Lichtemittiereinheit im Sinne der obigen Darstellung versehen. Eine derartige Weiterbildung umfasst beispielsweise drei Kameramodule, wobei das Sichtfeld des ersten, bevorzugt am nächsten zur Bodenfläche angeordneten Kameramoduls einen Höhenabschnitt des Bearbeitungsnahbereichs von der Bodenfläche bis 30cm, das Sichtfeld des zweiten, zwischen dem ersten und dem dritten Kameramodul angeordneten Kameramoduls einen Höhenabschnitt des Bearbeitungsnahbereichs von 30cm bis 60cm, und das Sichtfeld des dritten, oberhalb des zweiten Kameramoduls angeordneten Kameramoduls einen Höhenabschnitt von 60cm bis 90cm abdeckt, wobei diese Angaben für eine Solldetektionsdistanz von 50cm gelten, und alle Größenangaben einen Toleranzbetrag von 3cm aufweisen. Die genannten Zahlenwerte sind beispielhaft angeführt und können passend variiert werden, wobei das beispielhaft angeführte Prinzip beibehalten werden sollte, dass bei der Solldetektionsdistanz die Höhenabschnitte vertikal benachbarter Bildsensoren bzw. Kameramodule aneinandergrenzen sollten.
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In einer Fortbildung der oben beschriebenen, vorteilhaften Ausgestaltung sind die Kameramodule derart angeordnet, dass die optischen Achsen der Sichtfelder von Kameramodulen benachbarter Höhenabschnitte in der Vertikalebene auseinanderlaufen. Die optische Achse ist die Zentralachse bzw. Winkelhalbierende des sich ausgehend vom Bildsensor spreizenden Sichtfeldes. Die optischen Achsen der Sichtfelder von Kameramodulen benachbarter Höhenabschnitte laufen bevorzugt in einem Winkel im Bereich von 12 bis 16 Grad, besonders bevorzugt im Bereich von 13 bis 15 Grad, und sehr besonders bevorzugt in einem Winkel von 14 Grad auseinander.
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Erneut wird der oben beispielhaft angeführte Fall mit drei Bildsensoren bzw. Kameramodulen betrachtet, bei dem nun das zweite, mittlere Kameramodul so angeordnet ist, dass seine optische Achse des Sichtfeldes parallel zur Bodenebene verläuft, was einem vertikalen Neigungswinkel der optischen Achse von 0 Grad entspricht. Gemäß der Fortbildung ist dann die optische Achse des Sichtfeldes des ersten, unteren Kameramoduls um 14 Grad in Richtung der Bodenebene, also nach unten, geneigt. Die optische Achse des Sichtfeldes des dritten, oberen Kameramoduls ist hingegen um 14 Grad von der Bodenebene weg, also nach oben, geneigt. Dem entsprechend spannen die optischen Achsen der Sichtfelder des unteren und des oberen Kameramoduls in der Vertikalebene einen Winkel von 28 Grad auf, und die Winkelhalbierende dieses aufgespannten Winkels ist durch die optische Achse des Sichtfeldes des mittleren Kameramoduls gebildet. Die optische Achse des Sichtfeldes für den unteren Höhenabschnitt ist in Richtung der Bodenfläche geneigt, und die optische Achse des Sichtfeldes für den oberen Höhenabschnitt ist von der Bodenfläche weg geneigt.
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Diese zuletzt beschriebene Anordnung von drei Kameramodulen hat sich für das vorgestellte land- und forstwirtschaftliche Gerät und dessen Sensorvorrichtung als sehr vorteilhaft herausgestellt. Durch diese Anordnung kann die Sensorvorrichtung in einem kompakten Gehäuse aufgenommen sein, und zugleich kann ein Hindernis in einem großen Gesamtsichtfeld festgestellt werden.
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In weiterer Fortbildung der oben vorstehend erläuterten, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit mehreren Kameramodulen ist die Sensorvorrichtung ausgebildet, ein Hindernis auf Grundlage einer Prüfung zu detektieren, ob oder ob nicht durch die Distanzinformationen benachbarter Höhenabschnitte repräsentierte Distanzen innerhalb eines vorgegebenen Distanztoleranzbereichs liegen. Im Fall einer Sensorvorrichtung mit zwei Kameramodulen, denen einen unterer, bodennaher Höhenabschnitt von beispielsweise Ocm bis 30cm über der Bodenfläche bzw. ein oberer Höhenabschnitt von 30cm bis 60cm über der Bodenfläche zugeordnet ist, kann es bei dieser Fortbildung vorgesehen sein, dass ein Hindernis nur in dem Fall detektiert wird, dass in beiden Höhenabschnitten eine Distanz zu einem Hindernis innerhalb eines Toleranzbereichs von beispielsweise 5cm liegt. Wenn in dem oberen Höhenabschnitt eine Distanz von 50cm zu einem Hindernis, und in dem unteren Höhenabschnitt eine Distanz von 47cm ermittelt wird, wird demgemäß ein Hindernis in dieser Distanz detektiert. Ein derartiges Hindernis kann beispielsweise ein freistehender, krumm gewachsener Rebstock oder ein geneigt stehender Pfahl sein, welche nicht mit dem Bearbeitungswerkzeug kollidieren dürfen. Wird aber beispielsweise in dem unteren Höhenabschnitt eine Distanz von 20cm zu einem Hindernis und in dem oberen Höhenabschnitt eine Distanz von 50cm zu einem Hindernis ermittelt, so wird (zunächst) kein Hindernis detektiert, weil das nähere bodennahe Hindernis hohes Gras ist, das nicht als Hindernis umgangen, sondern mit dem Bearbeitungswerkzeug bearbeitet werden soll.
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In einer Fortbildung der oben beschriebenen Weiterbildung mit mehreren Kameramodulen ist die Sensorvorrichtung ausgebildet, eine bodennahe Distanz zu dem detektierten Hindernis auf Grundlage einer Auswertung der Distanzinformationen einer Anzahl von Kameramodulen zu schätzen, deren Sichtfelder nicht in einem bodennahen Höhenabschnitt des Bearbeitungsnahbereichs liegen, und die Steuerungswerte und/oder Steuerungsdaten auf der Grundlage der geschätzten bodennahen Distanz derart zu verändern oder zu erzeugen, dass eine andernfalls bevorstehende Kollision des Bearbeitungswerkzeugs mit dem in dem Bearbeitungsnahbereich detektierten Hindernis vermieden wird.
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In Anknüpfung an das obige Beispiel mit drei Kameramodulen mit Sichtfeldern in einem unteren, mittleren bzw. oberen Höhenabschnitt ermittelt die Sensorvorrichtung, die sich aktuell in Richtung eines sich in dem Bearbeitungsnahbereich befindenden Rebstocks mit davor aufgehäuften losen Zweigen oder hohem Gras bewegt, für die Höhenabschnitte die Distanzen 20cm, 50cm, 47cm. Die Sensorvorrichtung detektiert das Hindernis und schätzt auf Grundlage der Distanzinformationen des mittleren und des oberen Höhenabschnitts, die sich stark von der Distanzinformation des unteren Höhenabschnitts unterscheiden, dass die bodennahe Distanz des detektierten Hindernisses nicht in einer Distanz von 20cm sondern in einer Distanz von ca. 50cm besteht. Anschließend erzeugt oder verändert die Sensorvorrichtung Steuerungswerte und/oder Steuerungswerte zum Verstellen der Lage des Bearbeitungswerkzeugs, um damit eine Kollision des Bearbeitungswerkzeugs mit dem detektierten Hindernis zu vermeiden, das sich in einer geschätzten Distanz von ca. 50cm befindet.
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Eine für eine derartige Schätzung ausgebildete Sensorvorrichtung ist besonders geeignet für eine Vermeidung einer Kollision eines Bearbeitungswerkzeugs mit Hindernissen, die aus dem Boden treten und mit hohem Gras, losen Zweigen oder Dreck- oder Laubhaufen umgeben sind. Die zu der vorgestellten Schätzung ausgebildete Sensorvorrichtung ermöglicht es, das Bearbeitungswerkzeug nah an die detektierten Hindernisse heranzuführen und zugleich eine Kollision mit den detektierten Hindernissen zu vermeiden. Besonders vorteilhaft ist diese Schätzung, wenn es sich bei den detektierten Hindernissen, deren bodennahe Distanz geschätzt wird, um Stämme von Nutzgewächsen handelt. In diesem Fall schätzt die Sensorvorrichtung die Position des Bodenaustritts des Stamms des Gewächses, beispielsweise eines Rebstocks oder eines Obstbaums, und kann das Bearbeitungswerkzeug sicher und präzise an das Gewächs heran und um dieses herumführen.
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In einer Weiterbildung des vorgestellten Geräts ist die Sensorvorrichtung ausgebildet, das Auswerten der durch den Bildsensor oder die Bildsensoren ermittelten Abbildung oder Abbildungen mit den bildsensorspezifischen Distanzinformationen und das Detektieren des Hindernisses mit Verwendung eines einstellbaren und/oder adaptiven Algorithmus und/oder einer Datenbank durchzuführen.
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Der Algorithmus ist beispielsweise einstellbar bzw. parametrisierbar in Abhängigkeit von dem verwendeten Bearbeitungswerkzeug, dem Fahrzeug, der Nutzpflanzenart, Beschaffenheiten des Geländes, und/oder Wetterbedingungen. Der Algorithmus kann auch adaptiv ausgestaltet sein und sich während des fortlaufenden Betriebs des land- oder forstwirtschaftlichen Geräts an die aktuellen Bedingungen anpassen, um ein Hindernis präziser zu detektieren. Der Algorithmus kann ausgebildet sein, auf Grundlage der ermittelten Abbildungen mit Distanzinformationen eine Mustererkennung durchzuführen, um beispielsweise unterschiedliche Pflanzenarten zu erkennen und in Abhängigkeit der erkannten individuellen Pflanzenart das Verstellen der Lage des Bearbeitungswerkzeugs zu veranlassen, und/oder um beispielsweise Nutzpflanzen und Pfähle voneinander zu unterscheiden, so dass das Bearbeitungswerkzeug mit größerem Abstand oder einem anders ausgestalteten Abstandsverlauf an erkannten Nutzpflanzen als an erkannten Pfählen vorbeigeführt wird.
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Die Datenbank stellt Daten zum Abruf für den Algorithmus bereit und speichert beispielsweise Muster von Distanzinformationen für eine Erkennung von Nutzpflanzen und typischen anderen Hindernissen, wie beispielsweise Pfählen von Rankhilfen. Die in der Datenbank gespeicherten Muster können auch fotobasierte Muster von Nutzpflanzen und anderen Hindernissen sein, die für sich allein oder in Ergänzung zu den Mustern von Distanzinformationen von der Sensorvorrichtung zur Detektion von Hindernissen verwendet werden können. Die Datenbank kann auch Positionskoordinaten in dem gesamten Bearbeitungsbereich auftretender Hindernisse, die bereits bei früheren Bearbeitungen mit dem land- oder forstwirtschaftlichen Gerät detektiert worden sind oder nach einer Neuanpflanzung einer Plantage oder eines Weinbergs in die Datenbank eingepflegt wurden, speichern, beispielsweise als GPS-Koordinaten mit zugeordnetem Hindernistyp. Die Daten der Datenbank können lokal in der Sensorvorrichtung gespeichert sein oder können von der Sensorvorrichtung über eine Mobilfunk-Datenverbindung von einem zentralen Server abgerufen werden. Die Datenbank kann auch lokale Steigungen bzw. Hangneigungen speichern, damit die Sensorvorrichtung an einem Hang ermittelte Distanzinformationen genau so präzise wie in einer flachen Ebene ermittelte Distanzinformationen auswerten kann.
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In einer Weiterbildung des vorgestellten Geräts ist die Sensorvorrichtung ausgebildet, eine Hangneigung des Bearbeitungsnahbereichs als einen Parameter bei dem Auswerten der durch den Bildsensor oder die Bildsensoren ermittelten Informationen, dem Detektieren des Hindernisses und/oder dem Verändern oder Erzeugen von Steuerungswerten und/oder Steuerungsdaten zum Verstellen der Lage des Bearbeitungswerkzeugs zu berücksichtigen. Bei einer besonders einfachen Implementierung der Sensorvorrichtung kann die vorab bekannte durchschnittliche Hangneigung eines mit dem land- oder forstwirtschaftlichen Gerät zu bearbeitenden Weinbergs an der Sensorvorrichtung eingestellt bzw. eingegeben werden. In einer Fortbildung ist die Sensorvorrichtung mit einem Neigungssensor versehen und ist ausgebildet, während des Betriebs des land- oder forstwirtschaftlichen Geräts die aktuelle Hangneigung des Bearbeitungsnahbereichs zu messen und die aktuelle gemessene Hangneigung als den oben genannten Parameter zu verwenden.
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In einer Weiterbildung des vorgestellten Geräts ist die Sensorvorrichtung derart ausgebildet, dass die Lichtemittiereinheit und der Bildsensor jedes Kameramoduls der Sensorvorrichtung mit voneinander optisch getrennten Schutzabdeckungen ausgerüstet sind. Die Schutzabdeckungen sind zu dem Zweck vorgesehen, die Lichtemittiereinheit und den Bildsensor vor Staub, Feuchtigkeit und mechanischen Beanspruchungen zu schützen. Mit den optisch getrennten Schutzabdeckungen, durch die das von der Lichtemittiereinheit emittierte Licht aus der Sensorvorrichtung austreten bzw. das von einem Hindernis reflektierte Licht in die Sensorvorrichtung eintreten kann, wird erreicht, dass das von der Lichtemittiereinheit emittierte Licht nur nach einer Reflektion an einem im Bearbeitungsnahbereich angeordneten Hindernis, nicht aber wegen einer Reflektion des emittierten Lichts an der Schutzabdeckung, auf den Bildsensor auftreffen kann. Die optische Trennung wird durch eine lichtundurchlässige Trennschicht erreicht, die zwischen der Schutzabdeckung für die Lichtemittiereinheit und der Schutzabdeckung für den Bildsensor eingesetzt ist. Die lichtundurchlässige Trennschicht ragt vorsprungartig über die Schutzabdeckung für die Lichtemittiereinheit und die Schutzabdeckung für den Bildsensor hinaus. Dadurch wird verhindert, dass das emittierte Licht aufgrund einer Reflektion an Wasser oder Staub, die sich im Laufe des Betriebs des Geräts auf den Außenflächen der Schutzabdeckungen ansammeln, direkt in Richtung des Bildsensors zurückgeworfen wird. Die vorsprungartig ausgebildete lichtundurchlässige Trennschicht bewirkt auch eine optische Trennung der auf den Schutzabdeckungen möglicherweise anhaftenden Schmutz- und/oder Wasserschicht. Bevorzugt ist jeder Bildsensor zudem mittels mechanischer Abschirmung vor direkter Sonneneinstrahlung geschützt, um die Bildsensoren vor Störstrahlung der Sonne zu schützen.
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In einer Weiterbildung des vorgestellten Geräts ist die Sensorvorrichtung ferner ausgebildet, die Steuerungswerte und/oder Steuerungsdaten zum Verstellen der Lage des Bearbeitungswerkzeugs derart zu erzeugen, dass während einer Fortbewegung des land- oder forstwirtschaftlichen Geräts relativ zu dem detektierten Hindernis das Bearbeitungswerkzeug gemäß einem vorgegebenen Abstandsverlauf an dem detektierten Hindernis vorbeigeführt wird und/oder ein vorgegebener Mindestabstand zwischen dem Bearbeitungswerkzeug und dem detektierten Hindernis eingehalten und/oder nicht unterschritten wird. Der Abstandsverlauf kann abhängig von der maximal erreichbaren Geschwindigkeit des Verstellens der Lage des Bearbeitungswerkzeugs vorgegeben sein. Die Sensorvorrichtung kann aus den ermittelten Distanzinformationen mit geringem Aufwand den realen Abstand zwischen dem detektierten Hindernis und dem Bildsensor ermitteln. Da der Abstand zwischen dem Bildsensor und einer dem Hindernis zugewandten Außenkante des Bearbeitungswerkzeugs ebenfalls bekannt oder leicht bestimmbar ist, kann die Sensorvorrichtung den aktuellen Abstand des Hindernisses zu der Außenkante des Bearbeitungswerkzeugs ermitteln und die Lage des Bearbeitungswerkzeugs entsprechend verstellen, um den vorgegebenen Abstandsverlauf zu realisieren oder den vorgegebenen Mindestabstand einzuhalten. Somit ermöglicht die vorgestellte Sensorvorrichtung es im Gegensatz zu der konventionellen Sensorvorrichtung, einen vorgegebenen Mindestabstand oder Abstandsverlauf zwischen einem detektierten Hindernis und dem Bearbeitungswerkzeug präzise einzuhalten.
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In einer Weiterbildung des vorgestellten Geräts ist die Sensorvorrichtung ferner ausgebildet, eine aktuelle Fortbewegungsgeschwindigkeit des Geräts als einen Parameter bei dem Auswerten der durch den Bildsensor oder die Bildsensoren ermittelten Distanzinformationen, dem Detektieren des Hindernisses und/oder dem Verändern oder Erzeugen von Steuerungswerten und/oder Steuerungsdaten zum Verstellen der Lage des Bearbeitungswerkzeugs zu berücksichtigen. Dies ermöglicht es, den Abstand, in dem ein Bearbeitungswerkzeug des land- oder forstwirtschaftlichen Geräts an einem detektierten Hindernis vorbeigeführt wird, in Abhängigkeit von der Fortbewegungsgeschwindigkeit des Geräts vorzugeben. Dies kann beispielsweise derart erfolgen, dass ein mit hoher Geschwindigkeit bewegtes Bearbeitungswerkzeug bzw. Gerät mit einem aus Vorsichtsgründen zusätzlich vergrößerten Mindestabstand an einem detektierten Hindernis vorbeigeführt wird.
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Die Lösung der Aufgabe der Erfindung wird auch durch die Sensorvorrichtung gelöst, die oben im Zusammenhang mit dem vorgestellten land- oder forstwirtschaftlichen Gerät vorgestellt worden ist. Diese Sensorvorrichtung weist mindestens ein Kameramodul mit einer Lichtemittiereinheit und einem Bildsensor mit einer Mehrzahl von Bildsensorelementen auf. Die Lichtemittiereinheit ist ausgebildet, Licht einer vorgegebenen Charakteristik in den Bearbeitungsnahbereich zu emittieren. Der Bildsensor, dessen Sichtfeld in dem Bearbeitungsnahbereich liegt, ist ausgebildet, eine Abbildung zumindest eines Teils des Bearbeitungsnahbereichs mit bildsensorelementspezifischen Distanzinformationen auf Grundlage des emittierten und von einem Hindernis in dem Bearbeitungsnahbereich auf den Bildsensor reflektierten Lichts zu ermitteln. Die Sensorvorrichtung ist ferner ausgebildet, mittels Auswertung der ermittelten Distanzinformationen ein Hindernis in dem Bearbeitungsnahbereich berührungslos zu detektieren und im Fall eines detektierten Hindernisses Steuerungswerte und/oder Steuerungsdaten zum Verstellen der Lage des Bearbeitungswerkzeugs derart zu verändern oder zu erzeugen, dass eine andernfalls bevorstehende Kollision des Bearbeitungswerkzeugs mit dem in dem Bearbeitungsnahbereich detektierten Hindernis vermieden wird.
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Die Sensorvorrichtung ist mit einer Schnittstelleneinheit ausgerüstet, über welche die Sensorvorrichtung mit einer Schnittstelleneinheit des land- oder forstwirtschaftlichen Geräts koppelbar ist, um im Fall eines detektierten Hindernisses veränderte oder erzeugte Steuerungswerte und/oder Steuerungsdaten an das land- oder forstwirtschaftliche Gerät zu übertragen. Die Schnittstelleneinheit der Sensorvorrichtung kann auch ausgebildet sein, von dem land- oder forstwirtschaftlichen Gerät bzw. dessen Schnittstelleneinheit Steuerungswerte und/oder Steuerungsdaten, die durch die Sensorvorrichtung im Fall eines detektierten Hindernisses geändert werden sollen, zu empfangen. Ferner kann die Schnittstelleneinheit der Sensorvorrichtung ausgebildet sein, Parameter des Geräts und/oder Informationen über die aktuelle Geschwindigkeit des Geräts zu empfangen.
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In einer besonders aufwandsgünstigen Implementierung ist die Sensorvorrichtung ausgebildet, einen Strom zur Ansteuerung eines Proportionalventils des land- oder forstwirtschaftlichen Geräts zu verändern oder zu erzeugen. Das Proportionalventil ist vorgesehen, um einen Hydraulikdruck in dem oben beschriebenen Gelenk eines land- oder forstwirtschaftlichen Geräts in Abhängigkeit von dem Strom zu steuern, und somit auch das Ausmaß des Ausfahrens bzw. Einfahrens des Bearbeitungswerkzeugs zu steuern.
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In einer Weiterbildung der vorgestellten Sensorvorrichtung ist die Sensorvorrichtung ausgebildet zur Ankopplung an ein konventionelles land- oder forstwirtschaftliches Gerät, das mit einer konventionellen berührungsbasierten Sensorvorrichtung ausgerüstet oder ausrüstbar ist. Diese Sensorvorrichtung ist als besserer Ersatz oder Ergänzung für die konventionelle, berührungsbasierte Sensorvorrichtung des konventionellen Geräts vorgesehen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Verfahren zum Steuern des oben vorgestellten land- oder forstwirtschaftlichen Geräts gelöst. Gemäß dem Verfahren emittiert die Sensorvorrichtung Licht einer vorgegebenen Charakteristik in den Bearbeitungsbereich. Die Sensorvorrichtung ermittelt eine Abbildung zumindest eines Teils des Bearbeitungsnahbereichs des Bearbeitungswerkzeugs mit bildsensorelementspezifischen Distanzinformationen auf Grundlage des emittierten und von einem Hindernis in dem Bearbeitungsnahbereich auf den Bildsensor reflektierten Lichts. Die Sensorvorrichtung wertet die ermittelten Distanzinformationen aus und detektiert auf Grundlage der Auswertung ein Hindernis in dem Bearbeitungsbereich berührungslos. Im Fall eines detektierten Hindernisses verändert oder erzeugt die Sensorvorrichtung Steuerungswerte und/oder Steuerungsdaten zum Verstellen der Lage des Bearbeitungswerkzeugs derart, dass eine andernfalls bevorstehende Kollision des Bearbeitungswerkzeugs mit dem in dem Bearbeitungsnahbereich detektierten Hindernis vermieden wird.
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Die in dieser Anmeldung im Sinne einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, hier das Gerät und die Sensorvorrichtung, offenbarten Merkmale sollen auch im Sinne eines erfindungsgemäßen Verfahrens als offenbart gelten und beanspruchbar sein und umgekehrt.
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Die Merkmale des oben vorgestellten Geräts, der oben vorgestellten Sensorvorrichtung und des oben vorgestellten Verfahrens können im Sinne der Erfindung beliebig miteinander kombiniert werden, sofern eine derartige Kombination nicht offensichtlich widersprüchlich ist.
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Figurenliste
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Zur Verdeutlichung des vorgestellten Geräts, der vorgestellten Sensorvorrichtung und des vorgestellten Verfahrens werden nun Ausführungsbeispiele mit Verweis auf die folgenden Figuren vorgestellt.
- 1 veranschaulicht ein land- oder forstwirtschaftliches Gerät gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem voll ausgeschwenkten Bearbeitungswerkzeug in einer ersten Lage vor einer bevorstehenden Kollision mit einem Hindernis;
- 2 veranschaulicht das land- oder forstwirtschaftliche Gerät von 1 mit einem auf ca. 45 Grad eingeschwenkten Bearbeitungswerkzeug in einer zweiten Lage mit Vermeidung der in der ersten Lage bevorstehenden Kollision mit dem Hindernis;
- 3 veranschaulicht ein land- oder forstwirtschaftliches Gerät gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit drei Kameramodulen.
- 4A und 4B veranschaulichen in der Seitenansicht bzw. in der Draufsicht ein Messfeld einer Sensorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 5A und 5B veranschaulichen in der Seitenansicht bzw. in der Draufsicht ein Messfeld einer Sensorvorrichtung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 6 veranschaulicht ein von einer Sensorvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendetes Verfahren zur Detektion von Hindernissen.
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In den angeführten Figuren sind identische oder ähnliche Elemente, Komponenten, Werte und Intervalle figurenübergreifend mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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1 veranschaulicht ein land- oder forstwirtschaftliches Gerät gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Darstellungen in 1 und 2 sind nicht als maßstabsgetreu aufzufassen. Das land- oder forstwirtschaftliche Gerät 1 ist an seinem vorderen Ende mit einem Fahrzeug 10 gekoppelt und wird von diesem in Richtung des nach oben gerichteten Pfeils gezogen. Am hinteren Ende des Geräts 2 ist an einem durch Aufbringung bzw. Veränderung eines Hydraulikdrucks verstellbaren Gelenk 13 ein Bearbeitungswerkzeug 2 angebracht.
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In 1 ist das Bearbeitungswerkzeug 2 in einer ersten Lage L maximal ausgeschwenkt. Übliche Bearbeitungswerkzeuge stehen in voll ausgeschwenkter Lage ca. 40cm bis 60cm von dem Gerät hervor, und in vollständig eingeschwenkter Lage kann das Ausmaß des Vorstands auf null oder nahezu null reduziert sein. Auf der in Fahrtrichtung des Geräts 1 linken Seite sind Rebstöcke in einer Reihe angeordnet, von denen aus Gründen einer besseren Darstellung nur ein Rebstock 3 gezeigt ist. Das Bearbeitungswerkzeug 2 ist beispielhaft eine Pflugschar, die möglichst weit ausgeschwenkt betrieben und nah an den jeweiligen Rebstöcken der Reihe entlanggeführt werden soll, so dass der Abstand der Bodenbearbeitungsaußenkante der Pflugschar zu einem jeweiligen Rebstock klein gehalten wird. Außerdem ist in 1 in gestrichelter Form das Bearbeitungswerkzeug 2 in einer minimal ausgeschwenkten bzw. maximal eingeschwenkten Lage L dargestellt.
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Das Gerät 1 ist an seinem vorderen Ende und auf der den Rebstöcken zugewandten Seite mit einer Sensorvorrichtung 4 versehen, die ein Kameramodul 5 mit einer Lichtemittiereinheit und einem Bildsensor enthält. Das Sichtfeld 8 des Kameramoduls 5 ist auf die in einer Reihe angeordneten Rebstöcke gerichtet und ist ausgebildet, die Distanz zwischen dem Bildsensor und einem möglichen Hindernis, beispielsweise einem Rebstock, mit dem das voll ausgeschwenkte Bearbeitungswerkzeug kollidieren könnte, in dem Sichtfeld 8 zu ermitteln. Um eine Kollision zu vermeiden, muss das Sichtfeld 8 und somit auch das Kameramodul 5 mit einem geeignet gewählten Abstand in Fahrtrichtung vor dem Bearbeitungswerkzeug angeordnet sein. Die Anmelderin hat für eine Fortbewegungsgeschwindigkeit von ca. 8km/h einen Abstand von ca. 50cm als geeigneten Abstand ermittelt.
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Zeitlich vor der in 1 dargestellten Situation befand sich der in 1 abgebildete Rebstock 3 bereits in dem Sichtfeld 8 des Kameramoduls 5 der Sensorvorrichtung 4. Die Sensorvorrichtung 4 hatte zu diesem Zeitpunkt den Rebstock 3 als Hindernis in dem Bearbeitungsnahbereich des Bearbeitungswerkzeugs 2 detektiert und hatte auf Grundlage der ermittelten Distanzinformationen die Distanz von der Sensorvorrichtung 4 zu dem Rebstock 3 ermittelt. Auf Grundlage dieser ermittelten Distanz erzeugt die Sensorvorrichtung 4 Steuerungsdaten zum Verstellen der Lage L des Bearbeitungswerkzeugs 2, um eine andernfalls bevorstehende Kollision des Bearbeitungswerkzeugs 2 mit dem Hindernis zu vermeiden.
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In der in 1 dargestellten Situation wird das Gerät 1 noch mit maximal ausgeschwenktem Bearbeitungswerkzeug 2 durch die Vorwärtsbewegung des Fahrzeugs 10 in Richtung des Hindernisses 3 bewegt und befindet sich daher noch auf Kollisionskurs mit dem Hindernis 3. Die von der Sensorvorrichtung 4 in Abhängigkeit der Fortbewegungsgeschwindigkeit des Geräts 1 erzeugten Steuerungsdaten bewirken, dass das Bearbeitungswerkzeug 2 während seiner Fortbewegung durch das Gerät 1 schrittweise um ca. 45 Grad eingeschwenkt wird, und somit ohne Kollision mit dem Hindernis 3 an diesem vorbeigeführt wird (2). Nachdem das Bearbeitungswerkzeug 2 das Hindernis 3 ohne Kollision passiert hat, wird das Bearbeitungswerkzeug 2 unter Steuerung durch die Sensorvorrichtung 4 wieder maximal ausgeschwenkt, wie durch die Linie 12 der Bodenbearbeitungsaußenkante der Pflugschar veranschaulicht. Die Sensorvorrichtung 4 kann als Steuerungswerte zum Einschwenken und Ausschwenken des Bearbeitungswerkzeugs 2 einen geeigneten Ansteuerungsstrom für ein Proportionalventil bereitstellen, welches den Hydraulikdruck des Gelenks und somit auch das Ausmaß der Ausschwenkung einstellt.
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3 veranschaulicht ein land- oder forstwirtschaftliches Gerät 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit drei vertikal übereinander angeordneten Kameramodulen 5-U, 5-M und 5-0, die in einer Sensorvorrichtung 4 des nur auszugsweise dargestellten Geräts 1 aufgenommen sind. Die Sichtfelder 8-U, 8-M und 8-0 der Kameramodule 5-U, 5-M und 5-0 liegen in unterschiedlichen Höhenabschnitten H-U, H-M und H-0 und grenzen bei der oben beschriebenen Solldetektionsdistanz SDD von ca. 50cm aneinander. Die untere Grenze des unteren Höhenabschnitts H-U des Kameramoduls 5-U liegt bei der Solldetektionsdistanz SDD auf Bodenhöhe B.
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Die optische Achse Z-M des mittleren Kameramoduls 5-M verläuft parallel zur Bodenebene B. Die optische Achse Z-U des unteren Kameramoduls 5-U ist um 14 Grad gegenüber der optischen Achse Z-M nach unten zur Bodenebene B geneigt. Die optische Achse Z-0 des oberen Kameramoduls 5-0 ist um 14 Grad gegenüber der optischen Achse Z-M nach oben geneigt. Die Eigenschaft, dass die optischen Achsen Z-U und Z-0 die Winkelhalbierenden der das Sichtfeld 8-U bzw. 8-0 in vertikaler Richtung aufspannenden Sichtfeldgrenzen sind, ist in 3 nicht exakt, sondern nur grob dargestellt.
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Die jeweiligen Abstände der in der Sensorvorrichtung 4 aufgenommenen Kameramodule 5-U, 5-M und 5-0 zueinander müssen unter Berücksichtigung der Charakteristik der Sichtfelder 8-U, 8-M und 8-0 geeignet festgelegt werden. Die Kameramodule 5-U, 5-M und 5-0 sind vom gleichen Typ, beispielsweise aus der Klasse AFBR-S50MV85 von Broadcom, die gemäß ihren Spezifikationen für ein Sichtfeld mit einer Reichweite von 5 Meter bis 10 Meter oder mehr geeignet und ausgebildet sind. In jedem Kameramodul 5 ist eine eigene Lichtemittiereinheit 6 und ein eigener Bildsensor 7 untergebracht.
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4A und 4B veranschaulichen in der Seitenansicht bzw. in der Draufsicht ein Messfeld einer Sensorvorrichtung 4 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. 5A und 5B veranschaulichen in der Seitenansicht bzw. in der Draufsicht ein Messfeld einer Sensorvorrichtung 4 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Zahlenwerte sind in Millimeter angegeben. In beiden Ausführungsbeispielen sind die Kameramodule aus der Klasse AFBR-S50MV85 von Broadcom eingesetzt. Allerdings enthält die Sensorvorrichtung 4 von 4A und 4B Kameramodule, die gemäß ihren Spezifikationen für ein Sichtfeld mit einer Reichweite von 5m ausgelegt sind, wohingegen die Sensorvorrichtung 4 von 5A und 5B Kameramodule enthält, die gemäß ihren Spezifikationen für ein Sichtfeld mit einer Reichweite von 10m ausgelegt sind, einhergehend mit einem engeren Öffnungswinkel des Messfeldes. Bei beiden Sensorvorrichtungen von 4A, 4B und 5A, 5B sind die verwendeten Kameramodule gemäß dem in 3 veranschaulichten Ausführungsbeispiel angeordnet. Obwohl die Kameramodule gemäß ihren Spezifikationen für Reichweiten von 5 Meter bis 10 Meter ausgelegt sind, sind die Sensorvorrichtungen von 4A, 4B und 5A, 5B bezüglich der Detektion eines in dem Bearbeitungsnahbereich angeordneten Objekts bzw. Hindernisses beide für eine Solldetektionsdistanz von 500mm (mit einer Toleranz von ±50mm) ausgelegt. Die Sensorvorrichtung von 4A, 4B ist derart ausgestaltet, dass eine verzerrte Abbildung des Bearbeitungsnahbereichs ermittelt wird, so dass bei der Auswertung, ob oder ob nicht ein Hindernis in dem Bearbeitungsnahbereich ist, ein ellipsenförmiger Bereich als Idealbereich für die Detektion verwendet wird.
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6 veranschaulicht ein von einer Sensorvorrichtung 4 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendetes Verfahren zur Detektion von Hindernissen 3. Es wird eine in 3 veranschaulichte Sensorvorrichtung 4 mit drei vertikal untereinander angeordneten Kameramodulen 5-U, 5-M, 5-0 mit unterschiedlich angeordneten und bei der Solldetektionsdistanz aneinandergrenzenden Höhenabschnitten H-U, H-M und H-0 verwendet.
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Jeder Bildsensor 7 eines jeweiligen Kameramoduls 5-U, 5-M, 5-0 hat 4 Reihen mit jeweils 4 Bildsensorelementen, so dass jeder Bildsensor 7 als eine Abbildung mit bildsensorspezifischen Distanzinformationen eine 4x4-Tiefenkarte ermitteln kann. In 6 ist die gesamte Tiefenkarte bzw. das gesamte Tiefenprofil eines Rebstocks als in Zentimeter-Werten angegebene Distanzwerte veranschaulicht, welche mit den drei Kameramodulen 5-U, 5-M, 5-0 der in 3 veranschaulichten Sensorvorrichtung 4 ermittelt wurden.
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Um anhand der in der linken Hälfte von 6 veranschaulichten detaillierten Tiefenkarte mit geringem Verarbeitungsaufwand und mit hoher Verarbeitungsgeschwindigkeit ein Hindernis zu detektieren, wird zunächst für jede 4x4-Tiefenkarte eines jeweiligen Bildsensors 7 ein jeweiliger Mittelwert ermittelt. Diese drei Mittelwerte sind für das in 6 abgebildete Beispiel des Rebstocks in der rechten Hälfte von 6 dargestellt. Anschließend wird auf Grundlage dieser drei Mittelwerte geprüft, ob oder ob nicht ein Hindernis detektiert wird. In dem Fall, dass beide Mittelwerte des oberen und des mittleren Bildsensors 7-M, 7-0 höchstens um einen vorgegebenen Toleranzbetrag von beispielsweise ±5cm abweichen, wird dies als ein detektiertes Hindernis interpretiert. Da in dem gezeigten Beispiel beide Mittelwerte 52cm betragen, liegt die Abweichung innerhalb des vorgegebenen Toleranzbetrags. Folglich gilt damit ein Hindernis 3 in einer Distanz von 52cm zu der Sensorvorrichtung 4 als detektiert. Diese Distanz von 52cm kann die Sensorvorrichtung 3 in eine Distanz zwischen dem Bearbeitungswerkzeug 2 und dem Hindernis 3 umrechnen und entsprechend die Lage des Bearbeitungswerkzeugs 2 verstellen, damit eine Kollision zwischen dem Bearbeitungswerkzeug 2 und dem detektierten Rebstock 3 vermieden wird.
