DE102021124478A1

DE102021124478A1 - Verfahren zur Fruchtartunterscheidung von Pflanzen innerhalb eines Feldbestandes

Info

Publication number: DE102021124478A1
Application number: DE102021124478.1A
Authority: DE
Inventors: Jannik Redenius
Original assignee: Claas E Systems GmbH
Current assignee: Claas E Systems GmbH
Priority date: 2021-09-22
Filing date: 2021-09-22
Publication date: 2023-03-23

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fruchtartbestimmung von Pflanzen (3) innerhalb eines Feldbestands (2, 2a, 2b) auf einer von einer landwirtschaftlichen Arbeitsmaschine (1) zu bearbeitenden Fläche (25), wobei die Arbeitsmaschine (1) eine Sensoranordnung (7) umfasst, durch die periodisch Sendepulse (8) aus elektromagnetischen Sendestrahlen (9) in mindestens einer Senderichtung (10) auf die zu bearbeitende Fläche (25) ausgesendet werden, wobei die Sendepulse (8) von den Pflanzen (3) reflektiert und als Echopulse (11) von der Sensoranordnung (7) empfangen und an eine Steuerungseinheit (6) der Arbeitsmaschine (1) zur Auswertung übertragen werden, wobei für zumindest einen Teil der von der als Laserscanner (7a) ausgeführten Sensoranordnung (7) ausgesendeten Sendepulse (8) unterschiedliche Teilstrahlen (12, 13) ein und desselben Sendestrahls (9) von in der jeweiligen Senderichtung (10) auf im Feldbestand (2, 2a, 2b) befindlichen Pflanzen (3) reflektiert werden, wobei mittels der Steuerungseinheit (6) basierend auf einer Pulsweite (15) des Echopulses (11) und/oder einer Pulsform (26) des Echopulses (11) sowie einer laufzeitbasierten Distanzbestimmung eines Abstandswertes (22) zur jeweiligen Pflanze (3) zwischen Pflanzen (3) unterschiedlicher Fruchtarten unterschieden wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fruchtartunterscheidung von Pflanzen innerhalb eines Feldbestandes auf einer von einer landwirtschaftlichen Arbeitsmaschine zu bearbeitenden Fläche gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine landwirtschaftliche Arbeitsmaschine zur Durchführung eines solchen Verfahrens gemäß dem Anspruch 13.
Das Einstellen von Betriebsparametern für Arbeitsaggregate einer landwirtschaftlichen Arbeitsmaschine erfolgt in Abhängigkeit von einer Fruchtart, die durch eine Bedienperson der Arbeitsmaschine manuell vorgegeben wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art weiterzubilden, bei welchem das Erkennen und Unterscheiden von Fruchtarten auf einer von einer landwirtschaftlichen Arbeitsmaschine zu bearbeitenden Fläche automatisiert durchgeführt wird.
Die vorstehende Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1 gelöst. Weiterhin wird diese Aufgabe aus vorrichtungstechnischer Sicht ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 13 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die hierauf jeweils folgenden, abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Gemäß dem Anspruch 1 wird ein Verfahren zur Fruchtartbestimmung von Pflanzen innerhalb eines Feldbestands auf einer von einer landwirtschaftlichen Arbeitsmaschine zu bearbeitenden Fläche vorgeschlagen, wobei die Arbeitsmaschine eine Sensoranordnung umfasst, durch die periodisch Sendepulse aus elektromagnetischen Sendestrahlen in mindestens einer Senderichtung auf die zu bearbeitende Fläche ausgesendet werden, wobei die Sendepulse von den Pflanzen reflektiert und als Echopulse von der Sensoranordnung empfangen und an eine Steuerungseinheit der Arbeitsmaschine zur Auswertung übertragen werden, wobei für zumindest einen Teil der von der als Laserscanner ausgeführten Sensoranordnung ausgesendeten Sendepulse unterschiedliche Teilstrahlen ein und desselben Sendestrahls von in der jeweiligen Senderichtung auf im Feldbestand befindlichen Pflanzen reflektiert werden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mittels der Steuerungseinheit basierend auf einer Pulsweite des Echopulses und/oder einer Pulsform des Echopulses sowie einer laufzeitbasierten Distanzbestimmung eines Abstandswertes zur jeweiligen Pflanze zwischen Pflanzen unterschiedlicher Fruchtarten unterschieden wird.
Dabei wird unter einer Fruchtartbestimmung verstanden, dass ein von der als Laserscanner ausgeführten Sensoranordnung im Umfeld der Arbeitsmaschine befindlicher Feldbestand an Pflanzen als solcher erkannt und zudem zwischen verschiedenen Fruchtarten durch Klassifikation unterschieden wird.
Wesentlich ist die grundsätzliche Überlegung, dass durch das Verarbeiten und Auswerten der zeitlichen Signalform der Echopulse, die von der als Laserscanner ausgeführten Sensoranordnung bereitgestellt werden, zwischen Pflanzen unterschiedlicher Fruchtarten unterschieden wird.
Hierbei kann die Unterscheidung zwischen verschiedenen Fruchtarten anhand eines Streuungsmaßes der Reflexionshöhe und/ oder der Signatur der Pulsform durch einen Vergleich mit Referenzkurven durchgeführt werden. Bevorzugt können die Referenzkurven in einer Speichereinheit der Steuerungseinheit abrufbar hinterlegt sein. Denkbar ist aber auch, dass die Referenzkurven von einer externen Datenquelle abgerufen werden.
Dabei kann als Streuungsmaß eine Varianz, eine Standardabweichung oder ein Quantil, insbesondere ein 10%-Quantil, verwendet werden, um zwischen Fruchtarten im Umfeld der Arbeitsmaschine unterscheiden zu können.
Insbesondere kann die Unterscheidung zwischen verschiedenen Fruchtarten anhand der Pulsweite bezogen auf einen vorgegebenen Schwellwert für eine Akkumulation von Messwerten in einem räumlich begrenzten Segment innerhalb des Feldbestands durchgeführt werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung können Zonen von Fremdbewuchs innerhalb eines im Wesentlichen homogenen Feldbestands bestimmt werden. Die zusätzliche Unterscheidung zwischen dem abzuerntenden Feldbestand einer spezifischen angebauten Fruchtart und dem Fremdbewuchs ermöglicht beispielsweise eine Kartierung des Fremdbewuchses im Feldbestand, um zu einem späteren Zeitpunkt durch geeignete Maßnahmen auf den Fremdbewuchs zu reagieren. Gemäß einer Weiterbildung kann mittels des Verfahrens zudem die Art des Fremdbewuchses bestimmt werden, um darauf abgestimmte Maßnahmen ableiten zu können.
Insbesondere kann aus den Abstandswerten die Bestandshöhe des Feldbestands bestimmt werden. Die Kenntnis der Bestandhöhe ist insbesondere bei einem Erntevorgang relevant, um Erntegutverluste zu vermeiden, die aus einer unangepassten Einstellung an einem der Aufnahme des Erntegutes dienenden Vorsatzgerätes resultieren können. Beispielhaft sei ein Getreideschneidwerk als Vorsatzgerät der Arbeitsmaschine genannte, dessen unangepasste Einstellung, beispielsweise der eingestellten Schnitthöhe, der Ausfahrlänge des Schneidwerkstischs und/oder der vertikalen und/oder horizontalen Positionierung der Haspel, zu Erntegutverlusten führen kann. Insbesondere Fruchtarten wie Raps oder andere trockene Hülsenfrüchte reagieren auf bereits geringe Erschütterungen bzw. leichtes Anstoßen, was zum Ausfallen der reifen Körner führt.
Bevorzugt kann basierend auf der Bestimmung der Fruchtart der im Feldbestand befindlichen Pflanzen zumindest eine Handlungsanweisung durch die Steuerungseinheit generiert werden, um den Betrieb der Arbeitsmaschine zu beeinflussen. Eine den Betrieb der Arbeitsmaschine beeinflussende Handlungsanweisung ist eine Reaktion auf die Bestimmung der Fruchtart, welche im Vorfeld der landwirtschaftlichen Arbeitsmaschine identifiziert wurde.
Insbesondere kann als zumindest eine Handlungsanweisung eine Vorgabe und/oder eine Auswahl von initialen Betriebsparametern, wobei es sich um zumindest einen initialen Betriebsparameter handeln kann, für zumindest ein Arbeitsaggregat der landwirtschaftlichen Arbeitsmaschine durchgeführt werden. So kann die landwirtschaftliche Arbeitsmaschine ein Fahrerassistenzsystem umfassen, welches dazu eingerichtet ist, das zumindest eine Arbeitsaggregat automatisch vollumfänglich zu regeln. Durch die erfindungsgemäße Fruchtartbestimmung können bereits unmittelbar vor der Aufnahme des eigentlichen Erntebetriebs die initialen Betriebsparameter des zumindest einen Arbeitsaggregates fruchtartspezifisch ausgewählt und eingestellt werden. Das Fahrerassistenzsystem kann weiter dazu eingerichtet sein, auf Grundlage der automatisch bestimmten Fruchtart der Bedienperson der Arbeitsmaschine geeignete Einstellhinweise zu geben.
Insbesondere kann mittels des Verfahrens die Fruchtartbestimmung durchgeführt werden, insbesondere unmittelbar, bevor die Arbeitsmaschine in den Feldbestand einfährt. Durch eine vorausschauende Detektion mittels der als Laserscanner ausgeführten Sensoranordnung lassen sich im Idealfall die Betriebsparameter des zumindest einen Arbeitsaggregates vorgeben und einstellen, bevor dieses mit dem Feldbestand in Kontakt kommt.
Bevorzugt können die Reflexionsintensität des jeweiligen resultierenden Echopulses, die Wellenlänge und/oder Umgebungslichtverhältnisse durch den Laserscanner bestimmt werden. Hierzu kann der Laserscanner dazu eingerichtet sein, Signale bereitzustellen, durch die neben der Pulsweite und/oder der Pulsform, d.h. der zeitlichen Signalform der Echopulse, eine Auswertung der Reflexionsintensität, bestehender Umgebungslichtverhältnisse und/oder der Wellenlänge der reflektierten Sendepulse ermöglicht wird. Mittels der Reflexionsintensität kann die Oberflächenfarbe und/oder die Oberflächenrauheit bestimmt werden. Die Auswertung der Wellenlänge kann ebenfalls zur Bestimmung der Oberflächenfarbe und/oder der Oberflächenrauheit herangezogen werden. Darüber hinaus kann anhand der Wellenlänge der reflektierten Sendepulse auf die Zusammensetzung des Objektes geschlossen werden. Hierdurch lässt sich die Bestimmung der Fruchtart weiter verbessern bzw. verfeinern.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung kann zumindest eine zusätzliche, von einem Laserscanner abweichende, optische Sensoranordnung zur Klassifikation der Fruchtart und/oder des Fremdbewuchses verwendet werden. Eine Einbeziehung einer zusätzlichen optischen Sensoranordnung, die nicht als Laserscanner ausgeführt ist, kann zu einer Verbesserung des Analysevorgangs bei der Klassifikation beitragen. Beispielsweise kann eine Kamera als optische Sensoranordnung vorgesehen sein, welche Bilder im sichtbaren Spektralbereich generiert. Alternativ kann eine Kamera als optische Sensoranordnung vorgesehen sein, welche Bilder im Nahinfrarotbereich generiert. Durch das Einbeziehen von RGB-Kamerabildern oder Infrarotkamerabildern sowie zusätzlicher spezifischer Merkmale des Pflanzenbestandes und/oder des Fremdbewuchses, wie Form, Farbe, Struktur und dergleichen, kann das Ergebnis der Klassifikation verbessert werden.
Bevorzugt können zur Analyse des jeweiligen resultierenden Echopulses statistische oder adaptive Schwellwertverfahren oder nicht-analytische Verfahren verwendet werden. Lediglich beispielhaft seien hierfür das Gaußsche Eliminationsverfahren, Support Vector Machine oder künstliche neuronale Netzwerke genannt, mittels der eine Klassifizierung durchgeführt werden kann.
Nach einer Lehre gemäß dem Anspruch 13, welcher eigenständige Bedeutung zukommt, wird eine landwirtschaftliche Arbeitsmaschine, insbesondere eine selbstfahrende Erntemaschine oder ein Traktor, zur Durchführung des vorschlagsgemäßen Verfahrens als solches beansprucht. Auf alle Ausführungen zu dem vorschlagsgemäßen Verfahren, die geeignet sind, die Arbeitsmaschine zu erläutern, darf verwiesen werden.
Bevorzugt kann der Laserscanner als ein Solid-State LiDAR, ein Geiger-mode Lidar, ein Scanning LiDAR oder ein Single Photon LiDAR ausgeführt sein. Diese LiDAR-Sensoren zeichnen sich durch eine hohe Auflösung aus, was die Eindeutigkeit der Zuordnung der zeitlichen Signalform der Echopulse, beispielsweise mittels klassischer statischer oder adaptiver Schwellwertverfahren oder künstlicher neuronaler Netzwerke verbessert.
Darüber hinaus können unterschiedliche Methoden der digitalen Bildverarbeitung zur Auswertung projizierter Sensordaten des Laserscanners zur Anwendung kommen. Entsprechend kann die Steuerungseinheit zur Bildverarbeitung und Bildauswertung eingerichtet sein.
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine Arbeitsmaschine zur Durchführung eines vorschlagsgemäßen Verfahrens mit einer Sensoranordnung während des Aberntens eines Feldbestands a) in einer Seitenansicht und b) in einer Draufsicht,
2 den Feldbestand gemäß 1 in einer Ansicht entlang der Fahrtrichtung der Arbeitsmaschine;
3 a) einen Sendepuls der Sensoranordnung gemäß 1 und b) der dem Sendepuls zugeordnete, resultierende Echopuls einer Pflanze;
4 a) exemplarisch einen Querschnitt von Höhenwerten eines Feldbestandes eines Maisfeldes und b) exemplarisch eine Pulsform der Bestandsreflexion von Maispflanzen und einer Bodenreflexion;
5 a) exemplarisch einen Querschnitt von Höhenwerten eines Feldbestandes eines Weizenfeldes und b) exemplarisch eine Pulsform der Bestandsreflexion von Weizenpflanzen und einer Bodenreflexion; und
6 exemplarisch zwei Diagramme einer Wertehäufigkeitsausprägung von Pulsweiten für die Fruchtarten Mais, Raps und Weizen bei unterschiedlichen Auflösungen.

Die in 1 dargestellte, vorschlagsgemäße Arbeitsmaschine 1, die als selbstfahrende Erntemaschine ausgeführt ist, dient dem Bearbeiten einer landwirtschaftlich genutzten Fläche 25, hier dem Abernten eines Feldbestands 2 auf der Fläche 25, der aus einer Mehrzahl von Pflanzen 3 besteht. Die Pflanzen 3 des Feldbestands 2 befinden sich auf einem Feldboden 4, wie ebenfalls der Darstellung gemäß 1 zu entnehmen ist. Die Arbeitsmaschine 1 kann auch als Traktor mit daran angeordnetem oder gezogenem Anbaugerät ausgeführt sein.
Während des Erntebetriebs befindet sich der Feldbestand 2 in Fahrtrichtung 5 der Arbeitsmaschine 1 gesehen vor der Arbeitsmaschine 1. Von der Arbeitsmaschine 1 aus gesehen existieren die vordersten Pflanzen 3a und die bestandsinneren Pflanzen 3b.
Die Arbeitsmaschine 1 weist eine Steuerungseinheit 6 und eine Sensoranordnung 7 auf, wobei mittels der Sensoranordnung 7 periodisch Sendepulse 8 aus elektromagnetischen Sendestrahlen in mindestens einer Senderichtung 10 auf den Feldbestand 2 ausgesendet werden. Die Sendepulse 8 werden am Feldbestand 2 sowie vom tieferliegenden Boden 4 reflektiert und als Echopulse 11 von der Sensoranordnung 7 empfangen.
Eine Zusammenschau der 1 und 2 zeigt, dass für zumindest einen Teil der Sendepulse 8 unterschiedliche Teilstrahlen 12, 13 von in der jeweiligen Senderichtung 10 hintereinanderliegenden Pflanzen 3a, 3b des Feldbestands 2 zueinander zeitversetzt reflektiert werden. Der Grund hierfür besteht darin, dass der Teilstrahl 13 in 1a) verglichen mit dem Teilstrahl 12 einen zusätzlichen Weg, nämlich das Zweifache des Weges ΔE, durchlaufen muss. Der Zeitversatz ergibt sich entsprechend aus der Division des zusätzlichen Weges durch die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Sendestrahls 9.
2 zeigt, dass dem Sendestrahl 9 an der Pflanze 3a ein Messfleck M zugeordnet ist, der durch den Strahlquerschnitt des Sendestrahls 9 definiert ist. Die Pflanzen 3 des Feldbestands 2 sind hier und vorzugsweise mit Ähren 14 ausgestattet, wobei die Ähre 14a der vorderen Pflanze 3a die Reflexion des ersten Teilstrahls 12 bewirkt, während die Ähre 14b der hinteren Pflanze 3b die Reflexion eines zweiten Teilstrahls 13 bewirkt.
Bei der Darstellung des Sendestrahls 9 sowie der Teilstrahlen 12, 13 in der Zeichnung handelt es sich um einen idealisierten Zustand. In einer realen Umgebung ergeben sich meist eine Vielzahl von Teilstrahlen 12, 13 aus ein und demselben Sendestrahl 9, auf die das vorschlagsgemäße Grundprinzip jeweils analog anwendbar ist. Insoweit gelten alle Ausführungen zu den Teilstrahlen 12, 13 für alle anderen, eventuell auftretenden Teilstrahlen entsprechend.
2 zeigt, dass der Strahlquerschnitt des Sendestrahls 9 eine gewisse Mindesterstreckung aufweisen muss, um die vorschlagsgemäße Mehrfachreflexion des Sendestrahls 9 zu ermöglichen. Hier und vorzugsweise ist es so, dass der Sendestrahl 9 an den bezogen auf die jeweilige Senderichtung vordersten Pflanzen 3a einen rundlichen Strahlquerschnitt ausbildet.
Bei Pflanzen 3 mit länglichen Ähren 14 ist der Messfleck vorzugsweise so ausgelegt, dass der Sendestrahl 9 an der betreffenden Ähre 14 vorbeistrahlen kann. Im Einzelnen ist es vorzugsweise so, dass die Pflanzen 3 längliche Ähren 14 mit einer mittleren Breitenerstreckung 19 ausbilden, wobei dem Sendestrahl 9 an den Ähren 14 der bezogen auf die jeweilige Senderichtung 10 vordersten Pflanzen 3a auf Grund seines Strahlquerschnitts ein Messfleck M zugeordnet ist, dessen Durchmesser 20 zumindest in einer Richtung größer, insbesondere um das mindestens zweifache größer, als die Breitenerstreckung 19 der Ähren 14 ist. Dieser Zusammenhang ist in 2 schematisch angedeutet. 2 zeigt weiter, dass der Messfleck M' im Bereich der bestandsinneren Pflanze 3b einen ausgenommenen Bereich 21 ausbildet, der sich aus der Reflexion des Teilstrahls 12, also durch die resultierende Abstrahlung, ergibt.
Aus der zeitversetzten Reflexion der Teilstrahlen 12, 13 ergibt sich, dass sich der jeweils resultierende Echopuls 11 aus entsprechend zeitversetzten Teil-Echopulsen 11a, 11b zusammensetzt, wie der Darstellung gemäß 3 zu entnehmen ist. Dabei zeigt 3a) zunächst den Sendepuls 8, der von der Sensoranordnung 7 in einer Senderichtung 11 auf den Feldbestand 2 ausgesendet wird. In 3a) ist der Sendepuls 8 durch seine Lichtleistung I über der Zeit t dargestellt.
Die Darstellung in 3b) zeigt einen dem Sendepuls 8 zugeordneten, resultierenden Echopuls 11 einer der Pflanzen 3. Eine entsprechende Darstellung des resultierenden Echopulses 11 findet sich in 3b). Hier zeigt sich, dass sich der jeweils resultierende Echopuls 11 aus entsprechend zeitversetzten Teil-Echopulsen 11 a, 11b zusammensetzt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel heißt dies, dass sich der resultierende Echopuls 11 aus einer Addition der beiden Teil-Echopulse 11 a, 11b ergibt. Der Zeitversatz ΔT_V entspricht der oben genannten Zeit, die der Sendestrahl 9 für das zweifache Durchlaufen der Strecke ΔE benötigt. Aus dem in 3b) gezeigten Verlauf ergibt sich, dass die beiden Teil-Echoimpulse 11a, 11b im Zeitbereich ineinander übergehen. Je nach Struktur des Feldbestands 3 kann es aber auch sein, dass die Teil-Echoimpulse 11 a, 11b im Zeitbereich voneinander separiert sind.
Eine Zusammenschau der 1, 2 und 3 ergibt, dass die Strecke ΔE, die vorliegend auch als „Eindringtiefe“ bezeichnet wird, Aufschluss über die Bestandsdichte geben kann. Interessant dabei ist die Tatsache, dass sich die Eindringtiefe ΔE aus dem Zeitversatz ΔT_V ableiten lässt. Mittels der Steuerungsanordnung 6 wird basierend auf einem zeitlichen Zusammenhang innerhalb des resultierenden Echopulses 11 ein Wert für die Bestandsdichte ermittelt wird. Bei dem obigen zeitlichen Zusammenhang handelt es sich um den oben angesprochenen Zeitversatz ΔT_V zwischen zwei Teil-Echopulsen 11a, 11b, hier zwischen dem ersten Teil-Echopuls 11a und dem letzten Teil-Echopuls 11b, die einem Sendepuls 8 zugeordnet sind.
3b) zeigt, dass der Zeitversatz ΔT_V aus dem resultierenden Echopuls 11 gewissermaßen abgeleitet werden kann. Vorzugsweise ist es so, dass der Zeitversatz ΔT_V aus einer Pulsweite 15 des resultierenden Echopulses 11 ermittelt wird, wobei die Pulsweite 15 durch den zeitlichen Abstand zwischen der ersten ansteigenden Pulsflanke 16 und der letzten abfallenden Pulsflanke 17 des resultierenden Echopulses 11 definiert ist.
Weiterhin ist es vorgesehen, dass der Zeitversatz ΔT_V ermittelt wird, indem von der Pulsweite 15 eine Normierungsweite 18 subtrahiert wird, wobei die Normierungsweite 18 vorzugsweise definiert ist durch eine Pulsweite 15a des resultierenden Echopulses 11a, die sich bei einer unterstellten Einfachreflexion des Sendestrahls 9 an einer Pflanze 3a des Feldbestands 2 ergeben würde. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Normierungsweite 18 also um die Pulsweite 15a des ersten Teil-Echopulses 11a. Dabei wird der Einfachheit halber unterstellt, dass die Pulsweiten 15a, 15b der beiden Teil-Echopulse 11a, 11b zueinander identisch sind.
Wie oben angesprochen, lässt sich der Wert für die Bestandsdichte grundsätzlich aus der Eindringtiefe ΔE ermitteln. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass der Wert für die Bestandsdichte ermittelt wird, indem der Kehrwert der Eindringtiefe ΔE des Sendestrahls 9 in den Feldbestand 2 gebildet wird und dass die Eindringtiefe ΔE aus dem Produkt des Zeitversatzes ΔT_V mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit und ggf. mit einem Normierungsfaktor ermittelt wird. Dieser Kehrwert ist dann noch mit einem Proportionalitätsfaktor zu multiplizieren, um je nach Definition der Bestandsdichte zu dem jeweils gewünschten Wert für die Bestandsdichte zu gelangen.
Für die Auslegung der Sensoranordnung 7 sind verschiedene vorteilhafte Varianten denkbar. Hier und vorzugsweise ist es so, dass die elektromagnetischen Strahlen optische Strahlen, insbesondere Laserstrahlen, sind, deren Senderichtung 10 mittels der Steuerungseinheit 6 einstellbar ist. In besonders bevorzugter Ausgestaltung handelt es sich bei der Sensoranordnung 7 um einen Laserscanner 7a, der den Feldbestand 2 respektive die Fläche 25 in horizontal ausgerichteten Zeilen abscannt. Hierfür lässt sich der Neigungswinkel α des Sendestrahls 9 um die Horizontale und der Scanwinkel β um die Vertikale mittels der Steuerungsanordnung 6 einstellen.
Vorzugsweise ist die Sensoranordnung 7 als optischer Abstandssensor ausgestaltet, wobei mittels der Sensoranordnung 7 aus dem zeitlichen Abstand des Sendezeitpunkts T_S eines Sendepulses 8 zu dem Empfangszeitpunkt T_E des zugeordneten Echopulses 11 ein Abstandswert 22 zwischen der Sensoranordnung 7 und der jeweils reflektierenden Pflanze 3a ermittelt wird. Wie weiter oben angesprochen, handelt es sich bei der Sensoranordnung 7 vorzugsweise um eine Time-of-Flight-Sensoranordnung.
Bei der als Laserscanner 7a ausgeführten Sensoranordnung 7 ist es vorzugsweise so, dass die Senderichtung 10 der Sensoranordnung 7 mittels der Steuerungseinheit 6 fortlaufend in horizontaler Richtung und/oder in vertikaler Richtung modifiziert wird. In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass mittels der Steuerungseinheit 6 aus den Abstandswerten und/oder den Werten für die Bestandsdichte eine Bestandshöhe 23 ermittelt wird. Im Falle des oben angesprochenen Laserscanners 7a ist dabei ein zeilenweises Abtasten des Feldbestands 2 vorgesehen, wobei der Neigungswinkel α zunehmend flacher gewählt wird. Beim Erreichen der oberen Kammlinie des Feldbestands 2 ändern sich nicht nur die oben angesprochenen Abstandswerte, sondern auch die Werte für die Bestandsdichte sprunghaft, woraus sich die Lage der Kammlinie automatisiert erfassen lässt.
Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass mittels der Steuerungseinheit 6 aus den Abstandswerten und/oder den Werten für die Bestandsdichte die Lage einer seitlichen Bestandskante 24 ermittelt wird. Auch dies lässt sich durch die automatisierte Erfassung einer sprunghaften Änderung in den betreffenden Werten bewerkstelligen.
Alternativ oder zusätzlich ist es weiter vorgesehen, dass mittels der Steuerungseinheit 6 aus den Abstandswerten und/oder den Werten für die Bestandsdichte die Lage eines Hindernisses ermittelt wird. Auch diese Ermittlung lässt sich auf die automatisierte Erfassung einer sprunghaften Änderung der betreffenden Werte zurückführen.
In 4 a) ist exemplarisch ein Querschnitt von Höhenwerten eines Feldbestandes 2a eines Maisfeldes und in 4 b) exemplarisch eine Echopulsform 26 einer Feldbestandsreflexion von Maispflanzen und einer Bodenreflexion dargestellt. In 4 a) ist lediglich die Position des an der Arbeitsmaschine 1 angeordneten Laserscanners 7a angedeutet sowie nur ein ausgesandter Sendestrahl 9 exemplarisch dargestellt, der zunächst auf den aus den Maispflanzen bestehenden Feldbestand 2a und dann auf den Boden 4 trifft und jeweils zeitversetzt teilreflektiert wird.
Die im Fall von Maispflanzen als Feldbestand 2a resultierenden Echopulsverläufe 28, 29 der Feldbestandsreflexion der Maispflanzen und der Bodenreflexion, wobei der Echopulsverlauf 30 der Feldbestandsreflexion der Maispflanzen und der Echopulsverlauf 31 der Bodenreflexion entspricht, sind in 4 b) dargestellt. Aufgrund des gegenüber anderen Fruchtarten geringeren Abstands der Kammlinie des Feldbestands 2 zum Laserscanner 7a werden zunächst die Teilechopulse 11a der Maispflanzen und, mit einem deutlichen zeitlichen Versatz aufgrund der Bestandshöhe 23, anschließend die Teilechopulse 11b der Bodenreflexion detektiert. Eine zwischen dem Laserscanner 7a und der Kammlinie des Feldbestands 2a bestehende erste Distanz 30 ist die von dem Sendepuls 8 und dem reflektierten Teilechopuls 11a zurückzulegende Wegstrecke und eine zwischen der Kammlinie und dem Feldboden 4 bestehende zweite Distanz 31 ist die zusätzliche Wegstrecke, welche der Sendepuls 8 und der vom Boden 4 reflektierte Teilechopuls 11b darüberhinausgehend zurückzulegen haben. Der daraus resultierende zeitliche Abstand der Teilechopulse 11a, 11b ermöglicht eine klare Unterscheidung zwischen dem Feldbestand 2a und dem Boden 4 einerseits und aufgrund der Pulsform 27 eine Identifikation der Fruchtart der Pflanzen innerhalb des Feldbestandes 2a, hier der Maispflanzen, anhand zumindest einer für die Fruchtart Mais spezifischen Referenzkurve.
In 5 a) ist exemplarisch ein Querschnitt von Höhenwerten eines Feldbestandes 2b eines Weizenfeldes und in 5 b) exemplarisch eine Echopulsform 27 einer Feldbestandsreflexion von Weizenpflanzen und einer Bodenreflexion dargestellt. Wie in 4 a) auch, ist in 5 a) lediglich die Position des an der Arbeitsmaschine 1 angeordneten Laserscanners 7a angedeutet sowie nur ein ausgesandter Sendestrahl 9 exemplarisch dargestellt, der zunächst auf den aus den Weizenpflanzen bestehenden Feldbestand 2b und dann auf den Boden 4 trifft und jeweils zeitversetzt teilreflektiert wird.
Der aus Weizenpflanzen bestehende Feldbestand 2b weist eine geringere Bestandshöhe 23 als der aus Maispflanzen bestehende Feldbestand 2a auf, so dass der Unterschied zwischen der ersten Distanz 30 zur zweiten Distanz 31 und den damit verbundenen Signallaufzeiten in Relation zum aus Maispflanzen bestehenden Feldbestand 2a erheblich geringer ist. Entsprechend stellt sich eine abweichende Echopulsform 27 der Feldbestandsreflexion ein, wie in 5b) dargestellt.
Die Darstellung in 6 zeigt exemplarisch zwei Diagramme 32, 33 einer Wertehäufigkeitsausprägung von Pulsweitenverläufen 34, 35, 36 für die Fruchtarten Mais, Raps und Weizen bei unterschiedlichen Auflösungen respektive unterschiedlichen Abtastraten. Die Diagramme 32, 33 zeigen jeweils einen Pulsweitenverlauf 34 von Mais, einen Pulsweitenverlauf 35 von Raps und einen Pulsweitenverlauf 36 von Weizen. Die zeitlichen Signalformen der dargestellten Pulsweitenverläufe 34, 35, 36 des jeweiligen Diagramms 30, 31 variieren deutlich voneinander, was einen Vergleich mit entsprechenden Referenzkurven für die verschiedenen Fruchtarten ermöglicht. Diese fruchtartenspezifischen Referenzkurven können in einer Speichereinheit der Steuerungseinheit 6 abrufbar hinterlegt sein. Die Pulsweitenverläufe 34, 35, 36 des zweiten Diagramms 33 sind aufgrund der höheren Auflösung prägnanter, was einen Vergleich mit entsprechenden Referenzkurven zur Fruchtartbestimmung vereinfacht.
Es können unterschiedliche Methoden der digitalen Bildverarbeitung zur Auswertung projizierter Sensordaten des Laserscanners 7a zur Anwendung kommen. Entsprechend kann die Steuerungseinheit 6 auch zur Bildverarbeitung und Bildauswertung eingerichtet sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung können Zonen von Fremdbewuchs innerhalb eines im Wesentlichen homogenen Feldbestands 2, 2a, 2b bestimmt werden. Die zusätzliche Unterscheidung zwischen dem abzuerntenden Feldbestand 2, 2a, 2b einer spezifischen Fruchtart und dem Fremdbewuchs ermöglicht beispielsweise eine Kartierung des Fremdbewuchses im Feldbestand 2, 2a, 2b, um zu einem späteren durch geeignete Maßnahmen auf den Fremdbewuchs zu reagieren. Gemäß einer Weiterbildung kann mittels des weiter oben beschriebenen Verfahrens zur Fruchtartunterscheidung zudem die Art des Fremdbewuchses bestimmt werden, um darauf abgestimmte Maßnahmen ableiten zu können.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung kann zumindest eine zusätzliche, von einem Laserscanner 7a abweichende, optische Sensoranordnung zur Klassifikation der Fruchtart und/oder des Fremdbewuchses verwendet werden. Eine Einbeziehung einer zusätzlichen optischen Sensoranordnung, die nicht als Laserscanner ausgeführt ist, kann zu einer Verbesserung des Analysevorgangs bei der Klassifikation beitragen. Beispielsweise kann eine Kamera als zusätzliche optische Sensoranordnung vorgesehen sein, welche Bilder im sichtbaren Spektralbereich generiert. Alternativ kann eine Kamera als zusätzliche optische Sensoranordnung vorgesehen sein, welche Bilder im Nahinfrarotbereich generiert. Durch das Einbeziehen von RGB-Kamerabildern oder Infrarotkamerabildern sowie zusätzlicher spezifischer Merkmale des Pflanzenbestandes und/oder des Fremdbewuchses, wie Form, Farbe, Struktur und dergleichen, kann das Ergebnis der Klassifikation verbessert werden.
Bevorzugt kann basierend auf der Bestimmung der Fruchtart der im Feldbestand 2 befindlichen Pflanzen zumindest eine Handlungsanweisung durch die Steuerungseinheit 6 generiert werden, um den Betrieb der Arbeitsmaschine 1 zu beeinflussen. Eine Handlungsanweisung ist eine Reaktion auf die Bestimmung der Fruchtart, welche im Vorfeld der landwirtschaftlichen Arbeitsmaschine 1 identifiziert wurde.
Insbesondere kann als zumindest eine Handlungsanweisung eine Vorgabe und/oder eine Auswahl von initialen Betriebsparametern für zumindest ein Arbeitsaggregat der landwirtschaftlichen Arbeitsmaschine 1 durchgeführt werden. So kann die landwirtschaftliche Arbeitsmaschine 1 ein Fahrerassistenzsystem umfassen, welches dazu eingerichtet ist, das zumindest eine Arbeitsaggregat automatisch vollumfänglich zu regeln. Durch die erfindungsgemäße Fruchtartbestimmung können bereits unmittelbar vor der Aufnahme des eigentlichen Erntebetriebs die initialen Betriebsparameter des zumindest einen Arbeitsaggregates fruchtartspezifisch ausgewählt und eingestellt werden. Beispielsweise kann im Fall der als Mähdrescher ausgeführten Arbeitsmaschine 1 das Fahrerassistenzsystem zur automatischen Einstellung von Dreschvorrichtung und/oder Abscheidevorrichtung und/oder Reinigungsvorrichtung als Arbeitsaggregate mit den initialen Betriebsparametern eingerichtet sein, nachdem die Fruchtart des zu bearbeitenden Feldbestandes 2, 2a, 2b bestimmt wurde. Das Fahrerassistenzsystem kann auch zur Einstellung einer Fahrgeschwindigkeit eingerichtet sein. Das Fahrerassistenzsystem kann weiter dazu eingerichtet sein, aufgrund der automatisch bestimmten Fruchtart der Bedienperson der Arbeitsmaschine 1 darüber hinaus Einstellhinweise zu geben. Ein weiteres Arbeitsaggregat der Arbeitsmaschine 1 bildet das Vorsatzgerät, welches der Aufnahme der zu erntenden Pflanzen 3 dient. Auch hier kann das Fahrerassistenzsystem zur Einstellung und/oder zur Ausgabe von Einstellhinweisen vorsatzgerätespezifischer Einstellparameter eingerichtet sein, die sich aus der erfindungsgemäßen Fruchtartbestimmung ergeben können.
Der Laserscanner 33 kann als ein Solid-State LiDAR, ein Geiger-mode Lidar, ein Scanning LiDAR oder ein Single Photon LiDAR ausgeführt sein. Zur Auswertung und Klassifizierung werden unterschiedliche in den LiDAR-Sensor-Signalen enthaltene Informationen herangezogen. So kann für die Klassifizierung von geometrischen Umfeld- und Objekteigenschaften ein von dem Laserscanner 7a erzeugte Punktwolke ausgewertet werden. Die Auswertung der Amplitude bzw. Intensität des resultierenden Echopulses 11 und/oder der Teilechopulse 11a, 11b kann eine Bestimmung der Oberflächenfarbe und/oder einer Oberflächenrauheit ermöglichen. Das Detektieren von Oberflächen- und/oder Objekt- und/oder Umfeldstrukturen kann durch das Umgebungslicht (ambient light) beeinflusst werden. Somit kann bei der Auswertung der LiDAR-Sensor-Signale der Einfluss des Umgebungslichts (ambient light) berücksichtigt werden, um Verfälschungen beim Klassifizieren der Oberflächen- und/oder Objekt- und/oder Umfeldstrukturen zu vermeiden. Die Eindringtiefe bzw. Eindringdichte kann anhand der Pulsweite 15 ausgewertet werden. Die Auswertung der zeitlichen Signalform bzw. Wellenform des resultierenden Echopulses 11 und/oder der Teilechopulse 11a, 11b kann zur Bestimmung der Oberflächen- und/oder inneren Objektstruktur verwendet werden. Die Auswertung der Wellenlänge des ausgesendeten Sendepulses 8 kann zur Bestimmung einer Oberflächenfarbe und/oder einer Oberflächenrauheit und/oder einer Zusammensetzung verwendet werden. Die vorstehend aufgeführten in den LiDAR-Sensor-Signalen enthaltenen unterschiedlichen Informationen können teilweise mit dem gleichen Ziel, bspw. dem Bestimmen der Oberflächenstruktur, Oberflächenfarbe oder Oberflächenrauheit, ausgewertet werden.
Bezugszeichenliste

1: Arbeitsmaschine
2: Feldbestand
2a: Feldbestand Mais
2b: Feldbestand Weizen
3: Pflanze
3a: Vordere Pflanze
3b: Hintere Pflanze
4: Feldboden
5: Fahrtrichtung
6: Steuerungseinheit
7: Sensoranordnung
7a: Laserscanner
8: Sendepuls
9: Sendestrahl
10: Senderichtung
11: Echopuls
11a: Teilechopuls
11b: Teilechopuls
12: Teilstrahl
13: Teilstrahl
14: Ähre
14a: Vordere Ähre
14b: Hintere Ähre
15: Pulsweite
15a: Pulsweite
15b: Pulsweite
16: Pulsflanke
17: Letzte abfallende Pulsflanke
18: Normierungsweite
19: Breitenerstreckung
20: Durchmesser
21: Ausgenommener Bereich
22: Abstandswert
23: Bestandshöhe
24: Bestandskante
25: Fläche
26: Pulsform
27: Pulsform
28: Echopulsverlauf
29: Echopulsverlauf
30: Erste Distanz
31: Zweite Distanz
32: Diagramm
33: Diagramm
34: Pulsweitenverlauf
35: Pulsweitenverlauf
36: Pulsweitenverlauf
M: Messfleck vorne
M': Messfleck hinten

Claims

Verfahren zur Fruchtartbestimmung von Pflanzen (3) innerhalb eines Feldbestands (2, 2a, 2b) auf einer von einer landwirtschaftlichen Arbeitsmaschine (1) zu bearbeitenden Fläche (25), wobei die Arbeitsmaschine (1) eine Sensoranordnung (7) umfasst, durch die periodisch Sendepulse (8) aus elektromagnetischen Sendestrahlen (9) in mindestens einer Senderichtung (10) auf die zu bearbeitende Fläche (25) ausgesendet werden, wobei die Sendepulse (8) von den Pflanzen (3) reflektiert und als Echopulse (11) von der Sensoranordnung (7) empfangen und an eine Steuerungseinheit (6) der Arbeitsmaschine (1) zur Auswertung übertragen werden, wobei für zumindest einen Teil der von der als Laserscanner (7a) ausgeführten Sensoranordnung (7) ausgesendeten Sendepulse (8) unterschiedliche Teilstrahlen (12, 13) ein und desselben Sendestrahls (9) von in der jeweiligen Senderichtung (10) auf im Feldbestand (2, 2a, 2b) befindlichen Pflanzen (3) reflektiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuerungseinheit (6) basierend auf einer Pulsweite (15) des Echopulses (11) und/oder einer Pulsform (26) des Echopulses (11) sowie einer laufzeitbasierten Distanzbestimmung eines Abstandswertes (22) zur jeweiligen Pflanze (3) zwischen Pflanzen (3) unterschiedlicher Fruchtarten unterschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterscheidung zwischen verschiedenen Fruchtarten anhand eines Streuungsmaßes der Reflexionshöhe und/ oder der Signatur der Pulsform (26) durch einen Vergleich mit Referenzkurven durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Streuungsmaß eine Varianz, eine Standardabweichung oder ein Quantil verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Unterscheidung zwischen verschiedenen Fruchtarten anhand der Pulsweite (15) bezogen auf einen vorgegebenen Schwellwert für eine Akkumulation von Messwerten in einem räumlich begrenzten Segment innerhalb des Feldbestands (2, 2a, 2b) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Zonen von Fremdbewuchs innerhalb eines im Wesentlichen homogenen Feldbestands (2, 2a, 2b) detektiert werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Abstandswerten (22) die Bestandshöhe (23) des Feldbestands (2, 2a, 2b) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass basierend auf der Bestimmung der Fruchtart der im Feldbestand (2, 2a, 2b) befindlichen Pflanzen (3) zumindest eine Handlungsanweisung durch die Steuerungseinheit (6) generiert wird, um den Betrieb der Arbeitsmaschine (1) zu beeinflussen.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als zumindest eine Handlungsanweisung eine Vorgabe und/oder eine Auswahl von initialen Betriebsparametern für zumindest ein Arbeitsaggregat der landwirtschaftlichen Arbeitsmaschine (1) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Verfahrens die Fruchtartbestimmung durchgeführt wird, insbesondere unmittelbar, bevor die Arbeitsmaschine (1) in den Feldbestand (2, 2a, 2b) einfährt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsintensität des jeweiligen Echopulses (11), die Wellenlänge und/oder Umgebungslichtverhältnisse durch den Laserscanner (7a) bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine zusätzliche, von einem Laserscanner (7a) abweichende, optische Sensoranordnung zur Klassifikation der Fruchtart und/oder des Fremdbewuchses verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Analyse des jeweiligen resultierenden Echopulses (11) statistische oder adaptive Schwellwertverfahren oder nicht-analytische Verfahren verwendet werden.
Landwirtschaftliche Arbeitsmaschine (1), insbesondere selbstfahrende Erntemaschine oder Traktor, zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Landwirtschaftliche Arbeitsmaschine (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserscanner (7a) als ein Solid-State LiDAR, ein Geiger-mode Lidar oder ein Single Photon LiDAR ausgeführt ist.