DE102023103252B3

DE102023103252B3 - Weed control module and device and method for laser-based weed control

Info

Publication number: DE102023103252B3
Application number: DE102023103252.6A
Authority: DE
Inventors: Philipp Allgeuer; Viktor Gaus; Ragith Ayyappan Kutty; Eike Christian Muhra; Julio Cesar Pastrana Perez
Original assignee: Escarda Tech GmbH; Escarda Technologies GmbH
Current assignee: Escarda Tech GmbH; Escarda Technologies GmbH
Priority date: 2023-02-10
Filing date: 2023-02-10
Publication date: 2024-03-21
Anticipated expiration: 2043-02-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein laserbasiertes Unkrautbekämpfungsmodul (1) sowie eine Vorrichtung und ein Verfahren zur laserbasierten Unkrautbekämpfung, die eine gezielte Bekämpfung von Unkrautpflanzen (17) auf Agrarflächen (15) mit hoher Effektivität und gleichzeitig hoher Effizienz ermöglichen. Das Unkrautbekämpfungsmodul (1) weist eine Bilderkennungseinheit zur Bereitstellung dreidimensionale Bilddaten, eine Lasereinheit (4) zur Erzeugung und Ausrichtung eines Laserstrahls (5) und eine Datenverarbeitungs- und Steuerungseinheit (6) auf, wobei die Datenverarbeitungs- und Steuerungseinheit (6) eine trainierte künstliche Intelligenz beinhaltet, die Unkrautpflanzen (17) erkennt, überlebenswichtige Pflanzenbereiche der Unkrautpflanzen (17) identifiziert und die Unkrautpflanzen (17) durch gezielte Laserbestrahlung der überlebenswichtigen Pflanzenbereiche der Unkrautpflanzen (17) umweltschonend und chemikalienfrei bekämpft. Der erzeugte Laserstrahl (5) besitzt eine Lichtwellenlänge (λ) im Bereich von 955 nm bis 995 nm.The invention relates to a laser-based weed control module (1) and a device and a method for laser-based weed control, which enable targeted control of weed plants (17) on agricultural land (15) with high effectiveness and at the same time high efficiency. The weed control module (1) has an image recognition unit for providing three-dimensional image data, a laser unit (4) for generating and aligning a laser beam (5) and a data processing and control unit (6), the data processing and control unit (6) being a trained artificial Intelligence includes intelligence that recognizes weed plants (17), identifies plant areas of the weed plants (17) that are important for survival and fights the weed plants (17) in an environmentally friendly and chemical-free manner by targeted laser irradiation of the plant areas of the weed plants (17) that are important for survival. The laser beam (5) generated has a light wavelength (λ) in the range from 955 nm to 995 nm.

Description

Die Erfindung betrifft ein laserbasiertes Unkrautbekämpfungsmodul sowie eine Vorrichtung und ein Verfahren zur laserbasierten Bekämpfung von Unkrautpflanzen auf einer zum landwirtschaftlichen Anbau von Nutzpflanzen dienenden Agrarfläche. Die vorgeschlagene Technologie ermöglicht es, Unkraut auf landwirtschaftlichen Anbauflächen umweltschonend und chemikalienfrei zu bekämpfen.The invention relates to a laser-based weed control module and a device and a method for laser-based control of weed plants on an agricultural area used for the agricultural cultivation of crops. The proposed technology makes it possible to combat weeds on agricultural land in an environmentally friendly and chemical-free manner.

Die Verfahren zur laserbasierten Unkrautbekämpfung beruhen grundsätzlich darauf, dass Unkrautpflanzen auf Agrarflächen durch gezielte Bestrahlung mittels eines energiereichen Laserstrahls ausgemerzt werden. Der Beschuss durch die Laserstrahlung führt zu einer thermischen Zersetzung der Pflanzensubstanz und in der Folge zu deren biologischer Beseitigung. Beschrieben ist ein solches Unkrautbekämpfungsverfahren beispielsweise in WO 00/03589 A1 .The methods for laser-based weed control are basically based on eradicating weed plants on agricultural land through targeted irradiation using a high-energy laser beam. The bombardment by laser radiation leads to thermal decomposition of the plant substance and, as a result, to its biological elimination. Such a weed control method is described, for example, in WO 00/03589 A1 .

Um Unkraut durch zielgerichteten Laserbeschuss bekämpfen zu können, ist es verfahrensgemäß zunächst erforderlich, das Unkraut zwischen den auf den Agrarflächen angebauten Nutzpflanzen zu erkennen. Dies erfolgt regelmäßig durch eine Bilderfassungs- sowie eine Bildverarbeitungsvorrichtung, mittels denen ein Teilstück der Agrarfläche fotografisch erfasst und das erfasste Bild auf charakteristische Pflanzenmerkmale analysiert wird. Die erkannten Pflanzen werden so in Nutz- und Unkrautpflanzen unterschieden. Im weiteren Schritt wird dann die erkannte Unkrautpflanze mittels einer Lasereinheit, die in ihrer Laseroptik entsprechende Ablenk- und Fokussiereinheiten beinhaltet, anvisiert und die Bestrahlung bzw. der Beschuss der Unkrautpflanze mit einem energiereichen Laserstrahl ausgelöst. Die als Nutzpflanzen erkannten Pflanzen bzw. nicht als Unkraut erkannte Objekte werden von der Laserbestrahlung ausgespart.In order to be able to combat weeds through targeted laser bombardment, it is first necessary to identify the weeds between the crops grown on the agricultural land. This is regularly done by an image capture and image processing device, by means of which a portion of the agricultural area is photographed and the captured image is analyzed for characteristic plant features. The identified plants are thus differentiated into useful plants and weed plants. In a further step, the identified weed plant is then targeted using a laser unit, which contains corresponding deflection and focusing units in its laser optics, and the irradiation or bombardment of the weed plant is triggered with a high-energy laser beam. The plants that are recognized as useful plants or objects that are not recognized as weeds are excluded from the laser irradiation.

Aufgrund der benötigten Leistungsdichte werden für die laserbasierte Unkrautbekämpfung in der Praxis derzeit bevorzugt Lasersysteme auf Basis von Kohlendioxidlasern eingesetzt. Diese sind jedoch vergleichsweise ineffizient, erfordern großen Bauraum und benötigen eine aufwendige Sicherheitsarchitektur. Die aufgrund dieser Randbedingungen zudem meist schweren Geräte führen bei landwirtschaftlicher Nutzung zu mechanischen Bodenbelastungen, die vor allem während der Wachstumsphase der Nutzpflanzen, in der zweckmäßigerweise auch die Unkrautbekämpfung stattfindet, möglichst zu vermeiden sind. Im Unterschied zu schwerem landwirtschaftlichen Erntegerät sollten Vorrichtungen zur Unkrautbekämpfung insofern möglichst wenig bodenbelastend ausgeführt sein. Dies ist bei Verwendung von Kohlendioxidlasern zur Unkrautbekämpfung allerdings nur bedingt realisierbar.Due to the power density required, laser systems based on carbon dioxide lasers are currently preferred for laser-based weed control in practice. However, these are comparatively inefficient, require a lot of space and require a complex security architecture. When used in agriculture, the equipment, which is usually heavy due to these boundary conditions, leads to mechanical stress on the soil, which should be avoided as far as possible, especially during the growth phase of the crops, in which weed control also expediently takes place. In contrast to heavy agricultural harvesting equipment, weed control devices should have as little impact on the soil as possible. However, this can only be achieved to a limited extent when using carbon dioxide lasers to combat weeds.

Zur Vermeidung der Nachteile von Kohlendioxidlasern können alternative Lasertypen, wie zum Beispiel Halbleiterlaser, für die laserbasierte Unkrautvernichtung zum Einsatz kommen. Die Vorteile der Halbleiterlaser gegenüber Kohlendioxidlasern bestehen insbesondere im geringeren gerättechnischen Aufwand, in der Möglichkeit der Strahlführung durch flexible Lichtleiter und im besseren Wirkungsgrad. Beschrieben sind Vorrichtungen und Verfahren zur laserbasierten Unkrautbekämpfung mit Halbleiterlasern beispielsweise in EP 2 848 120 A1 oder US 2022/0117218 A1 . Jedoch bestehen auch innerhalb der halbleiterbasierten Lasersysteme große Unterschiede in Bezug auf Effektivität, Effizienz, Robustheit und Zuverlässigkeit.To avoid the disadvantages of carbon dioxide lasers, alternative laser types, such as semiconductor lasers, can be used for laser-based weed destruction. The advantages of semiconductor lasers over carbon dioxide lasers are, in particular, the lower expenditure on equipment, the possibility of beam guidance through flexible light guides and better efficiency. Devices and methods for laser-based weed control with semiconductor lasers are described, for example, in EP 2 848 120 A1 or US 2022/0117218 A1 . However, even within semiconductor-based laser systems there are major differences in terms of effectiveness, efficiency, robustness and reliability.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine kompakte und robuste halbleiterlaserbasierte Unkrautbekämpfungsvorrichtung sowie ein Verfahren zu deren Betrieb bereitzustellen, die bei landwirtschaftlicher Nutzung mit hoher Effektivität und gleichzeitig hoher Effizienz eine gezielte Unkrautbekämpfung ermöglichen.The object of the invention is to provide a compact and robust semiconductor laser-based weed control device and a method for its operation, which enable targeted weed control in agricultural use with high effectiveness and at the same time high efficiency.

Diese Aufgabe wird durch ein Unkrautbekämpfungsmodul mit den Merkmalen nach Anspruch 1, eine Vorrichtung zur laserbasierten Unkrautbekämpfung nach Anspruch 6 sowie ein Verfahren zur laserbasierten Unkrautbekämpfung nach Anspruch 9 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 5, 7, 8 und 10 aufgeführt.This task is achieved by a weed control module with the features according to claim 1, a device for laser-based weed control according to claim 6 and a method for laser-based weed control according to claim 9. Appropriate developments of the invention are listed in claims 2 to 5, 7, 8 and 10.

Nach Maßgabe der Erfindung weist das Unkrautbekämpfungsmodul zur selektiven Bekämpfung von Unkrautpflanzen auf einer zum landwirtschaftlichen Anbau von Nutzpflanzen dienenden Agrarfläche eine Bilderkennungseinheit, eine Lasereinheit sowie eine Datenverarbeitungs- und Steuerungseinheit auf, wobei die Lasereinheit ihrerseits eine Laserdiodeneinheit zur Erzeugung eines Laserstrahls sowie eine über einen Lichtleiter mit der Laserdiodeneinheit gekoppelte Laseroptik zur Strahlablenkung und Strahlfokussierung des Laserstrahls umfasst. Die Laseroptik beinhaltet unter anderem Ablenkeinheiten, wie zum Beispiel bewegliche Spiegel, sowie Fokussiereinheiten, wie zum Beispiel Linsen- und Spiegelanordnungen. Das Unkrautbekämpfungsmodul umfasst ferner ein Gehäuse, das die Bilderkennungseinheit, die Lasereinheit sowie die Datenverarbeitungs- und Steuerungseinheit aufnimmt und umschließt.According to the invention, the weed control module for the selective control of weed plants on an agricultural area used for the agricultural cultivation of crops has an image recognition unit, a laser unit and a data processing and control unit, the laser unit in turn having a laser diode unit for generating a laser beam and one via a light guide includes laser optics coupled to the laser diode unit for beam deflection and beam focusing of the laser beam. Laser optics include, among other things, deflection units, such as movable mirrors, as well as focusing units, such as lens and mirror arrangements. The weed control module further includes a housing that accommodates and encloses the image recognition unit, the laser unit and the data processing and control unit.

Die Bilderkennungseinheit weist eine Stereokamera auf bzw. ist als solche ausgebildet. Die Stereokamera ist so im Gehäuse angeordnet, dass ihre optische Achse bzw. ihr Blickfeld bei bestimmungsgemäßem Betrieb auf die Agrarfläche ausgerichtet ist. Die Stereokamera ist eingerichtet, Bilder in einem vorgegebenen Bilderfassungsbereich auf und über der Agrarfläche fotografisch aufzunehmen und zu dreidimensionale Bilddaten zu verarbeiten. D. h., die Bilddaten liegen als Bildpunkte mit dreidimensionaler Koordinatenzuordnung vor. Die Bilderfassungsrate der Stereokamera liegt im Regelfall im Bereich von 60 Hz bis 90 Hz. Die Stereokamera erfasst bevorzugt Licht im sichtbaren Spektralbereich, kann aber ebenfalls dazu ausgebildet sein, andere oder weitere Spektralbereiche zu erfassen, zum Beispiel infrarotes oder ultraviolettes Licht.The image recognition unit has a stereo camera or is designed as such. The stereo camera is arranged in the housing so that its optical axis or its field of vision is aligned with the agricultural area when used as intended. The stereo camera is set up to photograph images in a specified image capture area on and above the agricultural area and to process them into three-dimensional image data. This means that the image data is available as image points with three-dimensional coordinate assignment. The image capture rate of the stereo camera is usually in the range of 60 Hz to 90 Hz. The stereo camera preferably captures light in the visible spectral range, but can also be designed to capture other or further spectral ranges, for example infrared or ultraviolet light.

Die Stereokamera und die Laseroptik sind vorzugsweise an der Gehäusebodenseite des Gehäuses angeordnet, sodass sowohl das Blickfeld der Stereokamera als auch das Blickfeld der Laseroptik den der Gehäusebodenseite gegenüberliegenden Bereich, d. h. bei bestimmungsgemäßer Aufstellung eine Teilfläche der Agrarfläche, erfasst. Diese durch den Bilderfassungsbereich definierte Teilfläche der Agrarfläche wird auch als Arbeitsfläche bezeichnet.The stereo camera and the laser optics are preferably arranged on the housing bottom side of the housing, so that both the field of view of the stereo camera and the field of view of the laser optics are the area opposite the housing bottom side, i.e. H. When installed as intended, a portion of the agricultural area is recorded. This partial area of the agricultural area defined by the image capture area is also referred to as the working area.

Erfindungsgemäß ist die Datenverarbeitungs- und Steuerungseinheit eingerichtet, anhand der mit der Stereokamera bereitgestellten dreidimensionalen Bilddaten mittels einer in der Datenverarbeitungs- und Steuerungseinheit integrierten, anhand von Unkraut- und Nutzpflanzenbilddaten trainierten künstlichen Intelligenz die Unkrautpflanzen zu erkennen und von den Nutzpflanzen und anderen Objekten im Bilderfassungsbereich zu unterscheiden. Die Datenverarbeitungs- und Steuerungseinheit ist zudem dazu eingerichtet, mittels der in der Datenverarbeitungs- und Steuerungseinheit integrierten, trainierten künstlichen Intelligenz bei jeder erkannten Unkrautpflanze mindestens einen überlebenswichtigen Pflanzenbereich zu identifizieren und dessen Positionsdaten zu bestimmen. Solche zu identifizierenden, überlebenswichtigen Pflanzenbereiche sind beispielsweise die bodennahen Verzweigungsstellen der Pflanzentriebe im Übergangsbereich zur Wurzel. Bei keimenden Unkrautpflanzen ist dieser Bereich, an dem sich die Keimblätter verzweigen, durch Meristem oder Bildungsgewebe verbunden, welches ein besonders empfindlicher und überlebenswichtiger Bereich der Unkrautpflanze ist.According to the invention, the data processing and control unit is set up to recognize the weed plants based on the three-dimensional image data provided by the stereo camera using an artificial intelligence integrated in the data processing and control unit and trained on the basis of weed and crop image data and to detect the crops and other objects in the image capture area differentiate. The data processing and control unit is also set up to use the trained artificial intelligence integrated in the data processing and control unit to identify at least one plant area that is important for survival for each recognized weed plant and to determine its position data. Such plant areas that need to be identified and are important for survival are, for example, the branching points of the plant shoots close to the ground in the transition area to the roots. In germinating weed plants, this area where the cotyledons branch is connected by meristem or educational tissue, which is a particularly sensitive and vital area of the weed plant.

Ferner ist die Datenverarbeitungs- und Steuerungseinheit dazu ausgebildet, den identifizierten überlebenswichtigen Pflanzenbereich jeder erkannten Unkrautpflanze mittels der Laseroptik anzuvisieren, wobei die Ansteuerung der Laseroptik auf Basis der Positionsdaten des identifizierten überlebenswichtigen Pflanzenbereichs erfolgt, und schließlich - nach Abschluss des Anvisierens des überlebenswichtigen Pflanzenbereichs jeder erkannten Unkrautpflanze - den Laserstrahl für eine vorgegebene Bestrahlungsdauer zur Bekämpfung der jeweiligen Unkrautpflanze auszulösen.Furthermore, the data processing and control unit is designed to target the identified vital plant area of each recognized weed plant using the laser optics, the laser optics being controlled on the basis of the position data of the identified vital plant area, and finally - after completion of the targeting of the vital plant area of each recognized weed plant - trigger the laser beam for a predetermined irradiation period to combat the respective weed plant.

Die Laserdiodeneinheit beinhaltet mindestens eine Laserdiode (auch Halbleiterlaser bezeichnet), die das Laserlicht bzw. den Laserstrahl generiert. Der mittels der Laserdiodeneinheit erzeugte hochenergetische Laserstrahl weist erfindungsgemäß eine Lichtwellenlänge im Bereich von 955 nm bis 995 nm, vorzugsweise im Bereich von 965 nm bis 985 nm, auf. Als besonders geeignet hat sich die Lichtwellenlänge von 976 nm erwiesen. Die Laserleistung sollte bei mindestens 300 W liegen.The laser diode unit contains at least one laser diode (also referred to as a semiconductor laser), which generates the laser light or the laser beam. According to the invention, the high-energy laser beam generated by the laser diode unit has a light wavelength in the range from 955 nm to 995 nm, preferably in the range from 965 nm to 985 nm. The light wavelength of 976 nm has proven to be particularly suitable. The laser power should be at least 300 W.

Die Vorrichtung zur laserbasierten Unkrautbekämpfung umfasst mindestens eine, vorzugsweise aber mehrere, der beschriebenen Unkrautbekämpfungsmodule. Die Vorrichtung kann darüber hinaus zum Beispiel Träger- oder Verfahreinheiten beinhalten, die dazu dienen, die Vorrichtung auf der Agrarfläche zu bewegen.The device for laser-based weed control includes at least one, but preferably several, of the weed control modules described. The device can also contain, for example, carrier or traversing units that serve to move the device on the agricultural area.

Das Verfahren zur laserbasierten Unkrautbekämpfung ist mit einem der vorstehend beschriebenen Unkrautbekämpfungsmodule oder mit der beschriebenen Vorrichtung zur laserbasierten Unkrautbekämpfung durchführbar bzw. wird mit diesen durchgeführt.The method for laser-based weed control can be carried out or is carried out with one of the weed control modules described above or with the device described for laser-based weed control.

Das Unkrautbekämpfungsmodul bzw. die Vorrichtung mit den Unkrautbekämpfungsmodulen wird hierbei kontinuierlich oder schrittweise über die Agrarfläche bewegt, wobei das Blickfeld der Stereokamera jedes der Unkrautbekämpfungsmodule auf die Agrarfläche gerichtet ist. Während der Überfahrbewegung bewegt sich der Bilderfassungsbereich der Stereokamera kontinuierlich weiter, sodass stets neue Bereiche der Agrarfläche, in denen sich neben den Nutz- und Unkrautpflanzen auch andere feldtypische Objekte befinden, in das Blickfeld der Stereokamera gelangen. Die Verfahrrichtung wird zweckmäßigerweise so gewählt, dass die Laseroptik in Bewegungsrichtung hinter der Stereokamera liegt.The weed control module or the device with the weed control modules is moved continuously or gradually over the agricultural area, with the field of view of the stereo camera of each of the weed control modules being directed towards the agricultural area. During the overtravel movement, the image capture area of the stereo camera moves continuously, so that new areas of the agricultural area, in which, in addition to the crops and weeds, there are also other objects typical of the field, come into the field of view of the stereo camera. The direction of travel is expediently chosen so that the laser optics are behind the stereo camera in the direction of movement.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die nachfolgend beschriebene Reihenfolge von Verfahrensschritten zyklisch wiederholend während der Bewegung über die Agrarfläche durchgeführt:

Zunächst werden dreidimensionale Bilddaten aus dem momentanen Bilderfassungsbereichs der Stereokamera ermittelt, d. h., in der Stereokamera werden die aus den verschiedenen Blickwickeln aufgezeichneten Bilder der Agrarfläche zu den dreidimensionalen Bilddaten verarbeitet, und an die Datenverarbeitungs- und Steuerungseinheit übermittelt.

According to the method according to the invention, the sequence of method steps described below is carried out cyclically while moving over the agricultural area:

First, three-dimensional image data is determined from the current image capture area of the stereo camera, that is, in the stereo camera, the images of the agricultural area recorded from the various viewing areas are processed into three-dimensional image data and transmitted to the data processing and control unit.

Mittels der in der Datenverarbeitungs- und Steuerungseinheit integrierten, anhand von Unkraut- und Nutzpflanzenbilddaten trainierten künstlichen Intelligenz werden auf Basis der dreidimensionalen Bilddaten alle Unkrautpflanzen im Bilderfassungsbereichs erkannt - und mithin von Nutzpflanzen und anderen Objekten im Bilderfassungsbereich unterschieden. Zu jeder erkannten Unkrautpflanze wird mindestens ein überlebenswichtiger Pflanzenbereich der erkannten Unkrautpflanze, zum Beispiel das Meristem an einer boden- bzw. wurzelnahen Verzweigungsstelle, auf Basis der dreidimensionalen Bilddaten mittels der in der Datenverarbeitungs- und Steuerungseinheit integrierten, trainierten künstlichen Intelligenz identifiziert und die räumlichen Positionsdaten des identifizierten überlebenswichtigen Pflanzenbereichs für jede der erkannten Unkrautpflanzen bestimmt. D. h., die Datenverarbeitungs- und Steuerungseinheit erkennt alle Unkrautpflanzen im Bilderfassungsbereich in einem Schritt und verfolgt diese gleichzeitig in Form der ermittelten Positionsdaten.Using the artificial plants integrated in the data processing and control unit and trained using weed and crop image data Intelligence, all weed plants in the image capture area are recognized based on the three-dimensional image data - and are therefore differentiated from crops and other objects in the image capture area. For each identified weed plant, at least one vital plant area of the identified weed plant, for example the meristem at a branching point near the ground or roots, is identified based on the three-dimensional image data using the trained artificial intelligence integrated in the data processing and control unit and the spatial position data of the identified vital plant area for each of the identified weed plants. This means that the data processing and control unit detects all weed plants in the image capture area in one step and simultaneously tracks them in the form of the determined position data.

Die erkannten Unkrautpflanzen werden nun iterativ zur zielgerichteten Bekämpfung selektiert. Die Positionsdaten des identifizierten überlebenswichtigen Pflanzenbereichs der selektierten Unkrautpflanze werden als Zielkoordinaten an die Laseroptik zu deren Steuerung, d. h. zum Anvisieren des identifizierten überlebenswichtigen Pflanzenbereichs der selektierten Unkrautpflanze, übermittelt.The identified weed plants are now iteratively selected for targeted control. The position data of the identified plant area of the selected weed plant that is important for survival is sent as target coordinates to the laser optics for their control, i.e. H. for targeting the identified plant area of the selected weed plant that is important for survival.

Nach dem Anvisieren wird schließlich die Laserbestrahlung bzw. der Laserbeschuss mittels der Datenverarbeitungs- und Steuerungseinheit ausgelöst, d. h., der identifizierte überlebenswichtige Pflanzenbereich der selektierten Unkrautpflanze wird mittels des Laserstrahls über die vorgegebene Bestrahlungsdauer bestrahlt. Die bevorzugte Bestrahlungsdauer liegt bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Bereich von 10 ms bis 50 ms.After targeting, the laser irradiation or laser bombardment is finally triggered by the data processing and control unit, i.e. i.e., the identified plant area of the selected weed plant that is important for survival is irradiated using the laser beam for the specified irradiation period. The preferred irradiation duration when carrying out the method according to the invention is in the range from 10 ms to 50 ms.

Die Bekämpfung aller im Bilderfassungsbereich erkannten Unkrautpflanzen erfolgt iterativ bzw. in den Schritten Selektieren der nächstens zu bekämpfenden, erkannten Unkrautpflanze, nachfolgendendes Anvisieren und abschließendes Bestrahlen, bis alle erkannten Unkrautpflanzen bestrahlt bzw. beschossen wurden. Die Selektion bzw. Auswahl der jeweils nächsten zu bekämpfenden Unkrautpflanze erfolgt anhand von Eignungskriterien, zum Beispiel anhand der räumlichen Nähe zur vorangehend bekämpften Unkrautpflanze oder anhand eines momentan geeigneten Einstrah lwi nkels.The control of all weed plants identified in the image capture area is carried out iteratively or in the steps of selecting the identified weed plant to be controlled next, subsequent targeting and final irradiation until all identified weed plants have been irradiated or bombarded. The selection or selection of the next weed plant to be controlled is based on suitability criteria, for example based on the spatial proximity to the previously controlled weed plant or based on a currently suitable radiation angle.

Die vorgeschlagene laserbasierte Unkrautbekämpfungstechnologie nutzt Laser höherer Leistungsdichte, nämlich Halbleiter-Diodenlaser mit einer Lichtwellenlänge im Bereich von 955 nm bis 995 nm, in Verbindung mit der gezielten Erkennung und Laserbestrahlung von überlebenswichtigen Pflanzenbereichen der Unkrautpflanzen - bei gleicher Wirkung, aber höherer Effizienz als bei kohlendioxidlaserbasierten Lasersystemen. Mit dieser eingriffsarmen Unkrautbekämpfungstechnologie wird eine technisch einfache, energieeffiziente und umweltschonende Unkrautbekämpfungstechnologie bereitgestellt.The proposed laser-based weed control technology uses lasers of higher power density, namely semiconductor diode lasers with a light wavelength in the range of 955 nm to 995 nm, in conjunction with the targeted detection and laser irradiation of plant areas of the weed plants that are important for survival - with the same effect but higher efficiency than carbon dioxide laser-based laser systems . This low-intrusion weed control technology provides a technically simple, energy-efficient and environmentally friendly weed control technology.

Im ausgewählten Bereich der Lichtwellenlänge von 955 nm bis 995 nm liegt die Eindringtiefe eines Laserstrahls in Wasser bei ca. 10 mm bis 20 mm. Da Unkrautpflanzen regelmäßig zu einem wesentlichen Teil aus Wasser bestehen, entspricht diese Eindringtiefe in Wasser in etwa der Eindringtiefe in die Pflanzensubstanz. Einer der Vorteile des ausgewählten Lichtwellenlängenbereichs besteht darin, dass die Eindringtiefe des Laserstrahls im gleichen Größenbereich, wie die übliche Größe des thermisch zu zersetzenden überlebenswichtigen Pflanzenbereichs liegt. Der Laserstrahl erfasst bei Bestrahlung insofern in etwa den gesamten überlebenswichtigen Pflanzenbereich der Unkrautpflanze. Bei Anwendung von Lasern mit niedrigerer Lichtwellenlänge wird regelmäßig ein zu großer Pflanzenbereich erfasst, d. h., der Laserstrahl durchdringt die Unkrautpflanze und schädigt ggf. dahinter bzw. darunter befindliche Objekte. Bei höherer Lichtwellenlänge ist dagegen die Eindringtiefe klein (zum Beispiel 0,01 - 0,02 mm bei einem Kohlendioxidlaser). Die geringe Eindringtiefe in die Pflanzensubstanz der Unkrautpflanze ist bei Anwendung von Lasern mit höherer Lichtwellenlänge daher durch eine ineffizientere längere Bestrahlungsdauer oder Mehrfachbestrahlung zu kompensieren.In the selected range of light wavelengths from 955 nm to 995 nm, the penetration depth of a laser beam in water is approximately 10 mm to 20 mm. Since weed plants generally consist largely of water, this depth of penetration into water roughly corresponds to the depth of penetration into the plant substance. One of the advantages of the selected light wavelength range is that the penetration depth of the laser beam is in the same size range as the usual size of the vital plant area to be thermally decomposed. When irradiated, the laser beam covers approximately the entire plant area of the weed plant that is important for survival. When using lasers with lower wavelengths of light, too large an area of plants is regularly captured, i.e. i.e., the laser beam penetrates the weed plant and may damage objects behind or below it. At higher wavelengths of light, however, the penetration depth is small (for example 0.01 - 0.02 mm for a carbon dioxide laser). When using lasers with a higher light wavelength, the low penetration depth into the plant substance of the weed plant must therefore be compensated for by an inefficient longer irradiation period or multiple irradiation.

Neben dieser für die Unkrautbekämpfung aufgrund der ausgewählten Lichtwellenlänge günstigen Eindringtiefe zeichnet sich der ausgewählte Lichtwellenlängenbereich zudem dadurch aus, dass ein lokales Maximum der Energieabsorption in Wasser vorliegt. Die schnellere Erwärmung des Wassers in der bestrahlten Pflanzensubstanz führt zur schnelleren Zerstörung derselben. Folglich können kürzere Bestrahlungsdauern gewählt und ein Höchstmaß an Energieeffizienz bei der Unkrautbekämpfung erreicht werden.In addition to this penetration depth, which is favorable for weed control due to the selected light wavelength, the selected light wavelength range is also characterized by the fact that there is a local maximum of energy absorption in water. The faster heating of the water in the irradiated plant substance leads to its faster destruction. Consequently, shorter irradiation durations can be selected and maximum energy efficiency can be achieved in weed control.

Mit der erfindungsgemäßen Unkrautbekämpfungstechnologie wird im Vergleich zur Anwendung von Kohlendioxidlasern beispielsweise 85-90 % weniger Energie benötigt, um die gleiche Energiemenge in die Pflanzensubstanz einzubringen.With the weed control technology according to the invention, compared to the use of carbon dioxide lasers, for example, 85-90% less energy is required to introduce the same amount of energy into the plant substance.

Gemäß einer Ausgestaltung des Unkrautbekämpfungsmoduls besitzt dessen größenbestimmendes Gehäuse eine räumliche Ausdehnung, die innerhalb der geometrischen Dimensionen eines gedachten Quaders von 80 cm Länge, 80 cm Breite und 80 cm Höhe liegt. Vorzugsweise ist das Gehäuse quaderförmig ausgebildet und weist eine Größe mit einer Länge von 40 bis 60 cm Länge, 20 cm bis 25 cm Breite und 40 bis 60 cm Höhe auf. Diese Dimensionen sind vergleichbar mit handelsüblichen Tower-PCs. Das so ausgebildete Unkrautbekämpfungsmodul kann insofern leicht gehandhabt werden; es lässt sich zudem in vielen anderen Vorrichtungen einfach integrieren.According to one embodiment of the weed control module, its size-determining housing has a spatial extent that lies within the geometric dimensions of an imaginary cuboid of 80 cm length, 80 cm width and 80 cm height. The housing is preferably cuboid and has a size a length of 40 to 60 cm long, 20 cm to 25 cm wide and 40 to 60 cm high. These dimensions are comparable to standard tower PCs. The weed control module designed in this way can be easily handled; it can also be easily integrated into many other devices.

Es kann ferner vorgesehen sein, dass an der äußeren Gehäusebodenseite des Unkrautbekämpfungsmoduls ein Bodenbeleuchtungspaneel angebracht ist, welches mit Leuchtmitteln, vorzugsweise mit einer Vielzahl möglichst gleichmäßig verteilter Leuchtelemente, ausgestattet ist. Die Leuchtelemente sind vorzugsweise Leuchtdioden, die Licht im Erfassungsspektrum der Stereokamera, d. h. insbesondere Licht im sichtbaren Spektralbereich, emittieren. Um Helligkeitsmuster in den aufgenommenen Bildern zu vermeiden, sind die Leuchtmittel vorzugsweise so auszuwählen, dass sie nicht inhärent mit Frequenzen nahe der Kamera-//Verschlussfrequenz flackern. Die Abstrahlrichtung der Leuchtelemente ist bevorzugt senkrecht zur Gehäusebodenseite ausgerichtet. Vorteilhafterweise ist die Anordnung der Leuchtmittel so gewählt, dass eine weitestgehend homogene und diffuse Lichtabstrahlung von der Gehäusebodenseite ausgeht.It can also be provided that a floor lighting panel is attached to the outer housing bottom side of the weed control module, which is equipped with lighting devices, preferably with a large number of lighting elements that are distributed as evenly as possible. The lighting elements are preferably light-emitting diodes that emit light in the detection spectrum of the stereo camera, i.e. H. especially light in the visible spectral range. To avoid brightness patterns in the captured images, the bulbs should preferably be selected so that they do not inherently flicker at frequencies close to the camera/shutter frequency. The radiation direction of the lighting elements is preferably aligned perpendicular to the bottom side of the housing. Advantageously, the arrangement of the lamps is chosen so that a largely homogeneous and diffuse light emission emanates from the bottom side of the housing.

Am Unkrautbekämpfungsmodul kann ferner ein Schutzvorhang zur Abschirmung von Laserstrahlung angebracht sein. Der Schutzvorhang deckt hierbei den Bereich zwischen Gehäusebodenseite des Unkrautbekämpfungsmoduls und der Agrarfläche ab. Der Schutzvorhang kann höhenverstellbar, gegebenenfalls auch adaptiv höhenverstellbar, ausgebildet sein, um eine optimale Abschirmung des Bereichs zwischen Gehäusebodenseite und Agrarfläche einzustellen. In Kombination mit den an der Gehäusebodenseite angebrachten Leuchtmitteln trägt der Schutzvorhang zudem dazu bei, dass nur das von den Leuchtmitteln ausgesandte Licht bei der Bilderfassung mittels der Stereokamera genutzt wird. Störende Fremdlichteinflüsse aus der Umgebung werden hierdurch unterdrückt.A protective curtain to shield laser radiation can also be attached to the weed control module. The protective curtain covers the area between the bottom side of the housing of the weed control module and the agricultural area. The protective curtain can be designed to be height-adjustable, if necessary also adaptively height-adjustable, in order to achieve optimal shielding of the area between the bottom side of the housing and the agricultural area. In combination with the lamps attached to the bottom of the housing, the protective curtain also helps ensure that only the light emitted by the lamps is used when capturing images using the stereo camera. This suppresses disruptive external light influences from the environment.

Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Unkrautbekämpfungsmodul ein Wasserkühlsystem aufweist. Mit dem Wasserkühlsystem wird insbesondere die Laserdiodeneinheit gekühlt.It can also be provided that the weed control module has a water cooling system. The laser diode unit in particular is cooled with the water cooling system.

Die Vorrichtung zur laserbasierten Unkrautbekämpfung kann neben den Unkrautbekämpfungsmodulen ein Fahrgestell aufweisen. Das Fahrgestell kann fremdgetrieben, zum Beispiel in Form eines Anhängers für ein landwirtschaftliches Zugfahrzeug, oder auch eigengetrieben ausgebildet sein; durch integrierte Photovoltaikelemente ist Autarkie bzw. Teilautarkie möglich. Bei Anbringung mehrerer der Unkrautbekämpfungsmodule auf dem Fahrgestell werden diese vorzugsweise in einer parallelen Reihe quer zur Fahrtrichtung des Fahrgestells installiert.The device for laser-based weed control can have a chassis in addition to the weed control modules. The chassis can be externally driven, for example in the form of a trailer for an agricultural towing vehicle, or self-driven; Integrated photovoltaic elements make self-sufficiency or partial self-sufficiency possible. If several of the weed control modules are attached to the chassis, they are preferably installed in a parallel row transverse to the direction of travel of the chassis.

Die Unkrautbekämpfungsmodule können an oder in einer Vorrichtung zur laserbasierten Unkrautbekämpfung so angeordnet sein, dass die Bilderkennungsbereiche der Stereokameras nebeneinander angeordneter Unkrautbekämpfungsmodule sich überlappen oder berühren. Vorzugsweise erfolgt diese Anordnung in Paaren aus jeweils zwei Unkrautbekämpfungsmodulen. Die Überlappung der Bilderfassungsbereiche ermöglicht es beispielsweise, dass ein und dieselbe Unkrautpflanze im Überlappungsbereich von jedem der beiden Unkrautbekämpfungsmodule erkannt wird. Dadurch kann die Unkrautpflanze von beiden Unkrautbekämpfungsmodule bekämpft werden. Je nach Ausrichtung und Positionierung der Unkrautpflanze zur jeweiligen Laseroptik, kann eine der beiden Unkrautbekämpfungsmodule die Unkrautpflanze effektiver bekämpfen, zum Beispiel wenn der Laserstrahl einer der Laseroptiken den identifizierten überlebenswichtigen Pflanzenbereich der Unkrautpflanze unter einem günstigeren Einstrahlwinkel trifft als der Laserstrahl der anderen Laseroptik. Die Anordnung der Unkrautbekämpfungsmodule mit sich berührenden Bilderfassungsbereichen ermöglicht es dagegen, eine geschlossene, möglichst breite Abdeckung der zu behandelnden Agrarfläche bei einer Überfahrt zu realisieren.The weed control modules can be arranged on or in a device for laser-based weed control in such a way that the image recognition areas of the stereo cameras of weed control modules arranged next to one another overlap or touch one another. This arrangement is preferably carried out in pairs of two weed control modules. The overlap of the image capture areas makes it possible, for example, for one and the same weed plant in the overlap area to be recognized by each of the two weed control modules. This means that the weed plant can be controlled by both weed control modules. Depending on the alignment and positioning of the weed plant in relation to the respective laser optics, one of the two weed control modules can combat the weed plant more effectively, for example if the laser beam from one of the laser optics hits the identified vital plant area of the weed plant at a more favorable angle of incidence than the laser beam from the other laser optics. The arrangement of the weed control modules with touching image capture areas, on the other hand, makes it possible to achieve a closed, as broad as possible coverage of the agricultural area to be treated during a crossing.

Die platzsparenden, kompakten Unkrautbekämpfungsmodule sind - im Unterschied zu Kohlendioxidlasersystemen - in breiter Reihe auf einem Fahrmodul installierbar. Die Unkrautbekämpfungstechnologie kann so in entsprechend breiten Streifen auf der Agrarfläche erfolgen. Das geringere Gewicht verhindert Boden- und Nutzpflanzenbeeinträchtigungen beim Überfahren; bei breiter Abdeckung durch eine geschlossene Reihe von Unkrautbekämpfungsmodulen sind weniger Überfahrungen der Agrarflächen erforderlich. Die geringe Masse des Unkrautbekämpfungsmodule ermöglicht auch die Installation an Schwerlastdrohnen.The space-saving, compact weed control modules - in contrast to carbon dioxide laser systems - can be installed in a wide range on a driving module. The weed control technology can thus be carried out in appropriately wide strips on the agricultural area. The lower weight prevents damage to the soil and crops when driving over; With broad coverage through a closed series of weed control modules, fewer passes over agricultural areas are required. The low mass of the weed control module also allows it to be installed on heavy-duty drones.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen sind; dazu zeigen

1: das Verfahrensprinzip der laserbasierten Unkrautbekämpfung in Schnittdarstellung,
2: ein Diagramm des Verlaufs der Energieabsorption von Laserstrahlung in Wasser in Abhängigkeit der Lichtwellenlänge,
3: das Unkrautbekämpfungsmodul ohne Seitenwände in einer ersten perspektivischen Ansicht
4: das Unkrautbekämpfungsmodul ohne Seitenwände in einer zweiten perspektivischen Ansicht,
5: das Unkrautbekämpfungsmodul ohne Seitenwände in einer dritten perspektivischen Ansicht,
6: das Unkrautbekämpfungsmodul mit Schutzvorhang in perspektivischer Ansicht,
7: zwei Unkrautbekämpfungsmodule mit überlappenden Bilderfassungsbereichen in perspektivischer Ansicht,
8: zwei Unkrautbekämpfungsmodule mit aneinandergrenzenden Bilderfassungsbereichen in perspektivischer Ansicht, und
9. eine Ausführung der Unkrautbekämpfungsvorrichtung auf einem landwirtschaftlichen Fahrzeuganhänger in perspektivischer Ansicht.

The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments and with reference to the schematic drawings, where the same or similar features are provided with the same reference numerals; show this

1 : the process principle of laser-based weed control in a sectional view,
2 : a diagram of the course of energy absorption of laser radiation in water depending on the wavelength of light,
3 : the weed control module without side walls in a first perspective view
4 : the weed control module without side walls in a second perspective view,
5 : the weed control module without side walls in a third perspective view,
6 : the weed control module with protective curtain in perspective view,
7 : two weed control modules with overlapping image capture areas in a perspective view,
8th : two weed control modules with adjacent image capture areas in a perspective view, and
9 . an embodiment of the weed control device on an agricultural vehicle trailer in a perspective view.

Das Verfahren zur laserbasierten Unkrautbekämpfung wird in 1 verdeutlicht: Auf einer Agrarfläche 15 befinden sich neben den Nutzpflanzen 16 die zu bekämpfenden Unkrautpflanzen 17. Zur Beseitigung der Unkrautpflanzen 17 wird das Unkrautbekämpfungsmodul 1 bzw. die Vorrichtung zur laserbasierten Unkrautbekämpfung, die in 1 durch drei ihrer Komponenten, nämlich die Stereokamera 2, die Datenverarbeitungs- und Steuerungseinheit 6 und die Lasereinheit 4, repräsentiert sind, kontinuierlich über die Agrarfläche 15 bewegt bzw. verfahren.The process for laser-based weed control is in 1 clarified: On an agricultural area 15, in addition to the crops 16, there are the weed plants 17 to be controlled. To eliminate the weed plants 17, the weed control module 1 or the device for laser-based weed control, which is in 1 represented by three of its components, namely the stereo camera 2, the data processing and control unit 6 and the laser unit 4, are continuously moved or moved over the agricultural area 15.

Im momentanen Bilderfassungsbereich 3 der Stereokamera 2 gemäß 1 befinden sich eine Nutzpflanze 16 und eine Unkrautpflanze 17. Mittels der Stereokamera 2 werden im Bilderfassungsbereich 3 Bilder aus zwei Blickwinkeln erfasst, zu dreidimensionalen Bilddaten verarbeitet und die dreidimensionalen Bilddaten an die Datenverarbeitungs- und Steuerungseinheit 6 übermittelt. Die Datenverarbeitungs- und Steuerungseinheit 6 ist eingerichtet, mittels der trainierten künstlichen Intelligenz die Nutzpflanze 16 ebenso wie die Unkrautpflanze 17 im momentanen Bilderfassungsbereich 3 zu erkennen und zu unterscheiden. Ferner ist die in der Datenverarbeitungs- und Steuerungseinheit 6 integrierte künstliche Intelligenz dazu ausgebildet, überlebenswichtige Pflanzenbereiche der Unkrautpflanze 17 zu identifizieren. Hierbei handelt es sich insbesondere um die wurzelnahen, aus Meristem bzw. Bildungsgewebe bestehenden Verzweigungsstellen der Unkrautpflanze 17. Die Datenverarbeitungs- und Steuerungseinheit 6 ist ferner eingerichtet, aus den von der Stereokamera 2 bereitgestellten dreidimensionalen Bilddaten die Position des identifizierten überlebenswichtigen Pflanzenbereichs der erkannten Unkrautpflanze 17 zu ermitteln und an die Lasereinheit 4 zu übermitteln.In the current image capture area 3 of the stereo camera 2 according to 1 There is a crop 16 and a weed plant 17. Using the stereo camera 2, images are captured from two angles in the image capture area 3, processed into three-dimensional image data and the three-dimensional image data is transmitted to the data processing and control unit 6. The data processing and control unit 6 is set up to recognize and distinguish the crop 16 as well as the weed plant 17 in the current image capture area 3 using the trained artificial intelligence. Furthermore, the artificial intelligence integrated in the data processing and control unit 6 is designed to identify plant areas of the weed plant 17 that are important for survival. These are in particular the branching points of the weed plant 17 that are close to the roots and consist of meristem or educational tissue. The data processing and control unit 6 is also set up to determine the position of the identified plant area of the recognized weed plant 17 that is important for survival from the three-dimensional image data provided by the stereo camera 2 determine and transmit it to the laser unit 4.

Die Ablenk- und Fokussiereinheiten in der Laseroptik 4.1 der Lasereinheit 4 werden nach Abschluss der Bilddatenerfassung und -verarbeitung mittels der Datenverarbeitungs- und Steuerungseinheit 6 so angesteuert, dass der identifizierte überlebenswichtige Pflanzenbereichs der Unkrautpflanze 17 anvisiert wird. Sobald die Einstellung der Lasereinheit 4, d. h. das Anvisieren, abgeschlossen ist, wird der Laserstrahl 5 für die vorgegebene Bestrahlungsdauer - von zum Beispiel 30 ms - aktiviert. Die Unkrautpflanze 17 wird hierdurch im Bereich des anvisierten überlebenswichtigen Pflanzenbereichs thermisch zersetzt; die Unkrautpflanze 17 ist dadurch biologisch nicht mehr lebensfähig. Durch die Bestrahlung bzw. den Beschuss mit dem Laserstrahl 5 wird die Unkrautpflanze 17 zudem optisch regelmäßig so verändert, dass sie durch die trainierte künstliche Intelligenz nicht mehr als Unkrautpflanze 17 erkannt wird. Sollte die Unkrautpflanze 17 nach einem eventuell unpräzisen Laserstrahlbeschuss noch immer als Unkrautpflanze 17 erkannt werden, wird erneut ein Beschuss mit dem Laserstrahl 5 ausgelöst (eventuell auch erst nach einer weiteren Überfahrt). Die Unkrautbekämpfung erfolgt auf dieser Weise bis alle Unkrautpflanzen 17 in dem während der Verfahrbewegung der Unkrautbekämpfungsvorrichtung über die Agrarfläche 15 fortschreitenden Bilderfassungsbereich 3 bekämpft sind. Durch diese verfahrensinhärente Kontrolle wird sichergestellt, dass alle lebensfähigen Unkrautpflanzen 17 auf der Agrarfläche 15 beseitigt werden.After the image data acquisition and processing has been completed, the deflection and focusing units in the laser optics 4.1 of the laser unit 4 are controlled by means of the data processing and control unit 6 in such a way that the identified plant area of the weed plant 17 that is important for survival is targeted. As soon as the setting of the laser unit 4, i.e. H. the targeting is completed, the laser beam 5 is activated for the specified irradiation duration - for example 30 ms. The weed plant 17 is thereby thermally decomposed in the area of the targeted plant area that is important for survival; The weed plant 17 is therefore no longer biologically viable. Due to the irradiation or bombardment with the laser beam 5, the weed plant 17 is also regularly optically changed in such a way that it is no longer recognized as a weed plant 17 by the trained artificial intelligence. If the weed plant 17 is still recognized as a weed plant 17 after a possibly imprecise laser beam bombardment, another bombardment with the laser beam 5 is triggered (possibly only after another pass). Weed control is carried out in this way until all weed plants 17 in the image capture area 3, which progresses over the agricultural area 15 during the movement of the weed control device, have been controlled. This process-inherent control ensures that all viable weed plants 17 on the agricultural area 15 are eliminated.

Die 2 zeigt den Verlauf des Absorptionskoeffizienten α der Energieabsorption von Laserstrahlung in Wasser in Abhängigkeit der Lichtwellenlänge λ. Die Lichtwellenlänge λ von 955 nm bis 995 nm des mittels der Laserdiodeneinheit 4.2 erzeugten Laserstrahls 5 liegt innerhalb des im Diagramm eingekreisten Feldes. Wie ersichtlich, liegt die erfindungsgemäß ausgewählte Lichtwellenlänge λ im Bereich eines lokalen Maximums des Absorptionskoeffizienten α. D. h., von dem in der bestrahlten Pflanzensubstanz enthaltenen Wasser wird mehr Energie absorbiert als in der unmittelbaren Umgebung des ausgewählten Wellenlängenbereichs. Die damit verbundene schnellere Pflanzenwassererwärmung führt an der mit dem Laserstrahl 5 bestrahlten Position zu einer schnelleren thermischen Zersetzung der Pflanzensubstanz. Zu Vergleichszwecken ist die Lichtwellenlänge λ eines Kohlendioxidlasers als Strich-Punkt-Linie in 2 eingezeichnet.The 2 shows the course of the absorption coefficient α of the energy absorption of laser radiation in water as a function of the light wavelength λ. The light wavelength λ from 955 nm to 995 nm of the laser beam 5 generated by the laser diode unit 4.2 lies within the field circled in the diagram. As can be seen, the light wavelength λ selected according to the invention lies in the range of a local maximum of the absorption coefficient α. This means that more energy is absorbed by the water contained in the irradiated plant substance than in the immediate surroundings of the selected wavelength range. The associated faster heating of plant water leads to faster thermal decomposition of the plant substance at the position irradiated with the laser beam 5. For comparison purposes, the light wavelength λ from a carbon dioxide laser is shown as a dash-dot line in 2 drawn.

Das Unkrautbekämpfungsmodul 1 gemäß der Abbildungen in den 3 bis 5 besitzt ein quaderförmiges Gehäuse 9 mit einer Länge von 50 cm, einer Breite von 22 cm und einer Höhe von 42 - 43 cm, d. h. ein Format ähnlich dem von handelsüblichen Midi-Tower-PCs. Bei bestimmungsgemäßem Gebrauch ist das Gehäuse allseitig verkleidet; in den Darstellungen der 3 bis 5 ist das Unkrautbekämpfungsmodul 1 zur Sichtbarmachung des inneren Aufbaus ohne Seitenwände bzw. Seitenverkleidungen dargestellt.The weed control module 1 according to the illustrations in the 3 to 5 has a cuboid housing 9 with a length of 50 cm, a width of 22 cm and a height of 42 - 43 cm, ie a format similar to that of commercially available midi tower PCs. When used as intended, the housing is covered on all sides; in the representations of the 3 until 5 is this Weed control module 1 is shown without side walls or side panels to make the internal structure visible.

Bodeninnenseitig im Gehäuse 9 sind die Stereokamera 2 und die Laseroptik 4.1 angebracht. Die optischen Hauptachsen der Stereokamera 2 und der Laseroptik 4.1 sind in einer Reihe und senkrecht zum Gehäuseboden ausgerichtet, d. h. bei bestimmungsgemäßem Gebrauch senkrecht auf die Agrarfläche 15 gerichtet. Der mittels der Laserdiodeneinheit 4.2 erzeugte Laserstrahl 5 wird in die Laseroptik 4.1 über den Lichtleiter 7 eingekoppelt. Die Datenverarbeitungs- und Steuerungseinheit 6 ist in bekannter Weise über Daten- bzw. Stromleitungen mit den anderen Komponenten, insbesondere der Stereokamera 2, der Laseroptik 4.1 und der Laserdiodeneinheit 4.2, verbunden. Die Laserdiodeneinheit 4.2 und gegebenenfalls weitere Komponenten werden mittels eines Wasserkühlsystems gekühlt; die Versorgung des Wasserkühlsystems erfolgt über den Wasserkühlungsanschluss 8 im Gehäuse 9.The stereo camera 2 and the laser optics 4.1 are mounted on the inside of the housing 9. The main optical axes of the stereo camera 2 and the laser optics 4.1 are aligned in a row and perpendicular to the bottom of the housing, i.e. H. When used as intended, it is directed vertically towards the agricultural area 15. The laser beam 5 generated by the laser diode unit 4.2 is coupled into the laser optics 4.1 via the light guide 7. The data processing and control unit 6 is connected in a known manner via data or power lines to the other components, in particular the stereo camera 2, the laser optics 4.1 and the laser diode unit 4.2. The laser diode unit 4.2 and possibly other components are cooled using a water cooling system; The water cooling system is supplied via the water cooling connection 8 in the housing 9.

Die Laserdiodeneinheit 4.2 besitzt eine Laserdiode, die einen Laserstrahl 5 mit einer Lichtwellenlänge λ von 976 nm erzeugt; die Laserleistung liegt bei ca. 400 W.The laser diode unit 4.2 has a laser diode that generates a laser beam 5 with a light wavelength λ of 976 nm; the laser power is approx. 400 W.

Die Darstellung der sichtbaren äußeren Gehäusebodenseite des Unkrautbekämpfungsmoduls 1 in 5 veranschaulicht die Anordnung der Stereokamera 2 und der Laseroptik 4.1. Der Pfeil gibt die Bewegungsrichtung des Unkrautbekämpfungsmoduls 1 bei bestimmungsgemäßem Gebrauch an. Am Gehäuseboden ist zudem das Bodenbeleuchtungspaneel 10 angebracht, das eine Vielzahl von Leuchtelementen 11, im Beispiel Leuchtdioden, trägt.The representation of the visible outer housing bottom side of the weed control module 1 in 5 illustrates the arrangement of the stereo camera 2 and the laser optics 4.1. The arrow indicates the direction of movement of the weed control module 1 when used as intended. The floor lighting panel 10, which carries a large number of lighting elements 11, in the example light-emitting diodes, is also attached to the bottom of the housing.

Die bestimmungsgemäße Aufstellung des Unkrautbekämpfungsmoduls 1 bei Durchführung der Unkrautbekämpfung veranschaulicht 6. Das Unkrautbekämpfungsmodul 1 besitzt zur leichteren Handhabung zwei Griffelemente an der Oberseite. Die Gehäusebodenseite des Unkrautbekämpfungsmoduls 1 ist horizontal ausgerichtet und mit einem Abstand von ca. 50 cm über der Agrarfläche 15 angeordnet. Der Bilderfassungsbereich 3 erstreckt sich auf der Agrarfläche 15 über eine rechteckige Fläche, d. h. die Arbeitsfläche, deren Kantenlängen jeweils im Bereich von 30 cm bis 40 cm liegen.The intended installation of the weed control module 1 when carrying out weed control is illustrated 6 . The weed control module 1 has two handle elements on the top for easier handling. The bottom side of the housing of the weed control module 1 is aligned horizontally and arranged at a distance of approximately 50 cm above the agricultural area 15. The image capture area 3 extends on the agricultural area 15 over a rectangular area, ie the work area, the edge lengths of which are each in the range of 30 cm to 40 cm.

Um ein Austreten des Laserstrahls 5 bei Bestrahlung der Unkrautpflanzen 17 in der Arbeitsfläche zu verhindern, ist am Unkrautbekämpfungsmodul 1 der Schutzvorhang 12 angebracht, der den Bereich zwischen der Gehäusebodenseite des Unkrautbekämpfungsmoduls 1 und der Agrarfläche 15 gegen den Austritt von Laserstrahlung in die Umgebung abschirmt.In order to prevent the laser beam 5 from escaping when the weed plants 17 are irradiated in the work area, the protective curtain 12 is attached to the weed control module 1, which shields the area between the bottom side of the housing of the weed control module 1 and the agricultural area 15 against the escape of laser radiation into the environment.

Die 7 und 8 zeigen zwei mögliche Anordnungen von Unkrautbekämpfungsmodulen 1 innerhalb einer Vorrichtung zur Unkrautbekämpfung. Die beiden Unkrautbekämpfungsmodule 1 sind jeweils mit ihren Längsseiten parallel zueinander ausgerichtet. In 7 kontaktieren sich die Unkrautbekämpfungsmodule 1, wodurch es zu einer Überlappung der beiden Bilderfassungsbereiche 3 kommt. Dies ermöglicht es beispielsweise, dass Unkrautpflanzen 17, die sich im Überlappbereich befinden, aus unterschiedlichen Winkeln erfasst und bestrahlt werden können. In 8 dagegen sind die Unkrautbekämpfungsmodule 1 beabstandet zueinander und so nebeneinander angeordnet, dass die Bilderfassungsbereiche 3 gerade aneinandergrenzen. Durch diese Anordnung ist die maximale Flächenabdeckung bei in Reihe angeordneten Unkrautbekämpfungsmodulen 1 gegeben.The 7 and 8th show two possible arrangements of weed control modules 1 within a weed control device. The two weed control modules 1 are each aligned with their long sides parallel to one another. In 7 the weed control modules 1 contact each other, which causes the two image capture areas 3 to overlap. This makes it possible, for example, for weed plants 17 that are located in the overlap area to be detected and irradiated from different angles. In 8th On the other hand, the weed control modules 1 are spaced apart from one another and arranged next to one another in such a way that the image capture areas 3 just border one another. This arrangement ensures maximum area coverage when weed control modules 1 are arranged in a row.

Eine für den landwirtschaftlichen Einsatz als Fahrzeuganhänger ausgebildete Vorrichtung zur Unkrautbekämpfung ist in 9 dargestellt. Auf dem Fahrgestell 13 des Anhängers sind zehn paarweise in einer Reihe angeordnete (nicht sichtbare) Unkrautbekämpfungsmodule 1 installiert. Jeweils ein Paar der Unkrautbekämpfungsmodule 1 befindet sich unter einem der Modulprotektoren 14, die die Unkrautbekämpfungsmodule 1 vor den üblichen Umwelteinwirkungen aus dem landwirtschaftlichen Betrieb, wie Schmutz, Staub, Spritzwasser, etc., schützen.A weed control device designed for agricultural use as a vehicle trailer is available 9 shown. Ten (not visible) weed control modules 1 arranged in pairs in a row are installed on the chassis 13 of the trailer. Each pair of weed control modules 1 is located under one of the module protectors 14, which protect the weed control modules 1 from the usual environmental influences from the agricultural operation, such as dirt, dust, splash water, etc.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11: UnkrautbekämpfungsmodulWeed control module
22: StereokameraStereo camera
33: BilderfassungsbereichImage capture area
44: LasereinheitLaser unit
4.14.1: LaseroptikLaser optics
4.24.2: LaserdiodeneinheitLaser diode unit
55: Laserstrahllaser beam
66: Datenverarbeitungs- und SteuerungseinheitData processing and control unit
77: Lichtleiterlight guide
88th: WasserkühlungsanschlussWater cooling connection
99: GehäuseHousing
1010: BodenbeleuchtungspaneelFloor lighting panel
1111: LeuchtelementLighting element
1212: SchutzvorhangProtective curtain
1313: Fahrgestellchassis
1414: ModulprotektorModule protector
1515: AgrarflächeAgricultural area
1616: Nutzpflanzeuseful plant
1717: Unkrautpflanzeweed plant
αα: AbsorptionskoeffizientAbsorption coefficient
λλ: LichtwellenlängeLight wavelength

Claims

Weed control module (1) for the selective control of weed plants (17) on an agricultural area (15) used for the agricultural cultivation of crops (16), comprising an image recognition unit, a laser unit (4) and a data processing and control unit (6), whereby - the Laser unit (4) comprises a laser diode unit (4.2) for generating a laser beam (5) and laser optics (4.1) coupled to the laser diode unit (4.2) via a light guide (7) for beam deflection and beam focusing of the laser beam (5), and - the weed control module (1) further has a housing (9) accommodating and enclosing the image recognition unit, the laser unit (4) and the data processing and control unit (6), characterized in that - the image recognition unit has a stereo camera (2) which is set up to be three-dimensional - the laser beam (5) generated by the laser diode unit (4.2) has a light wavelength (λ) in the range from 955 nm to 995 nm, and - the Data processing and control unit (6) is set up to recognize weed plants (17) using the three-dimensional image data provided by the stereo camera (2) - by means of an artificial intelligence integrated in the data processing and control unit (6) and trained on the basis of weed and crop image data and to distinguish from useful plants (16), - using the trained artificial intelligence integrated in the data processing and control unit (6) to identify at least one plant area that is important for survival in each recognized weed plant (17) and to determine its position data, - the identified plant area that is important for survival to target each identified weed plant (17) using the laser optics (4.1) by controlling the laser optics (4.1) based on the position data of the vital plant area, and - after targeting the identified vital plant area of each recognized weed plant (17) the laser beam (5) for one to trigger a predetermined irradiation period to combat the respective weed plant (17).

Weed control module (1). Claim 1 , characterized in that the laser beam (5) generated by the laser diode unit (4.2) has a power of at least 300 W.

Weed control module (1). Claim 1 or 2 , characterized in that the laser beam (5) generated by the laser diode unit (4.2) has a light wavelength (λ) in the range from 965 nm to 985 nm.

Weed control module (1) according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the size-determining housing (9) of the weed control module (1) lies within the geometric dimensions of a cuboid of 80 cm length, 80 cm width and 80 cm height.

Weed control module (1) according to one of the Claims 1 until 4 , characterized in that the stereo camera (2) detects light in the visible spectral range.

Device for laser-based weed control, characterized in that the device has several of the weed control modules (1) according to one of the Claims 1 until 5 having.

Device for laser-based weed control Claim 6 , characterized in that the weed control modules (1) are installed on a self-propelled or externally driven chassis (13) parallel to each other and in a row transverse to the direction of travel of the chassis (13).

Device for laser-based weed control Claim 6 or 7 , characterized in that two weed control modules (1) are positioned next to each other in such a way that the image recognition areas (3) of the stereo cameras (2) of these two weed control modules (1) overlap or touch each other.

Method for laser-based weed control, characterized in that the method with a weed control module (1) according to one of Claims 1 until 5 or a device according to one of the Claims 6 until 8th is carried out, wherein the weed control module (1) or the device with the respective stereo camera (2) of the weed control module or modules (1) directed at the agricultural area (15) is moved over the agricultural area (15), and the subsequent steps are continuously repeated : (a) photographically recording images of the Agricultural area (15) in the current image capture area (3) of the stereo camera (2) and processing the images into three-dimensional image data, (b) transmitting the three-dimensional image data to the data processing and control unit (6), (c) recognizing weed plants (17) in the three-dimensional image data by means of the artificial intelligence integrated in the data processing and control unit (6) and trained on the basis of weed and crop image data, (d) identifying a plant area of each recognized weed plant (17) that is important for survival by means of the artificial intelligence in the data processing and control unit (6) integrated, trained artificial intelligence, (e) determining the position data of the identified vital plant area of each recognized weed plant (17), and (e) combating all recognized weed plants (17) in the cyclically repeated substeps: (e1) selecting one of the recognized weed plants (17 ) for combat purposes, (e2) transmitting the position data of the identified vital plant area of the selected weed plant (17) as target coordinates to the laser optics (4.1), (e3) targeting the identified vital plant area of the selected weed plant (17) using the laser optics (4.1), and (e4) irradiating the identified vital plant area of the selected weed plant (17) using the laser beam (5) for a predetermined irradiation period.

Methods for laser-based weed control Claim 9 , characterized in that the irradiation duration for irradiating the vital plant area of the selected weed plant (17) is in the range from 10 ms to 50 ms.