DE19858157C2

DE19858157C2 - Vorrichtung und Verfahren zur berührungslosen Ermittlung des Pflanzenbewuchses eines Feldabschnittes

Info

Publication number: DE19858157C2
Application number: DE1998158157
Authority: DE
Inventors: Andreas Hilker
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-12-16
Filing date: 1998-12-16
Publication date: 2002-07-18
Anticipated expiration: 2018-12-17
Also published as: DE19858157A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Ermittlung des Pflanzenbewuchses eines Feldabschnittes nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren hierzu.

Aus der DE 195 30 356 A1 ist ein Ackersensor bekannt, dessen Sender einen Lichtstrahl auf den Stiel einer dykotilen Pflanze ausstrahlt und dessen Empfänger den von der Pflanze reflektierten Teil des Lichtstrahles wieder erfasst. Dabei sind der Sender und der Empfänger in einem spitzen Winkel zueinander angeordnet. Die Erkennung der Pflanze erfolgt dann über das Reflexionsmuster des von der Pflanze reflektierten Lichtes. Mit einer derartigen Vorrichtung kann zwar die Art der Pflanze erkannt werden, es ist jedoch nur bedingt möglich über die Anzahl und die Größe der Pflanzen Informationen zu erhalten.

Aus der DE 40 04 247 A1 und aus der DE 42 20 913 C2 und Vorrichtungen und Verfahren zur Ermittlung des Pflanzenbewuchses eines Feldabschnittes bekannt, bei denen eine Lichtquelle und ein Bildaufnehmer derart auf ein und derselben optischen Achse angeordnet sind, dass die zu erwartende Pflanze zwischen der Lichtquelle und dem Bildaufnehmer angeordnet ist. In beiden Fällen wird über das Ankommen des Lichtstrahles im Bildaufnehmer auf das Vorhandensein einer Pflanze geschlossen. Hierdurch muss die Vorrichtung rechts und links bzw. oberhalb und unterhalb der Pflanze geführt werden, so dass die Vorrichtung sehr viel Platz wegnimmt und über sehr kostenaufwendige Halteeinrichtungen befestigt werden muss. Hiermit können nur in einer Reihe angeordnete Pflanzen ermittelt werden, nicht jedoch etwaiges Unkraut oder wild angeordnete Pflanzen.

Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung des Pflanzenbewuchses eines Feldabschnittes zu schaffen, welche kostengünstig herstellbar und einsetzbar sind und mit denen sowohl in Reihe als auch wild angeordnete Pflanzen erkannt werden.

Als technische Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschla gen die eingangs genannte Vorrichtung durch eine verstellbar gelagerte Reflexionsoptik weiterzubilden, die den Lichtstrahl zu vorbestimmten Zeiten an verschiedene vorbestimmte Stellen auf den Ackerboden reflektiert.

Eine nach dieser technischen Lehre ausgebildete Vorrichtung hat den Vorteil, dass durch schrittweises Verstellen der Reflexionsoptik die Lichtstrahlen jeweils an einem anderen Ort auf dem Ackerboden abgebildet werden können, so dass innerhalb kürzester Zeit verschiedene Stellen des zu untersuchenden Feldabschnittes erfasst werden können. Folglich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr viel mehr Messungen vornehmen, bzw. folglich kann auf den Einsatz von weiteren Lichtquellen und Bildaufnehmern verzichtet werden, was zu einer effektiveren und somit kostengünstigen Ausführungsform führt.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die jeweilige Position des reflektierten Lichtstrahles auf dem Ackerboden bekannt ist. Hierdurch kann die Information, ob eine Pflanze vorhanden ist oder nicht, einem bestimmten Ort zugeordnet werden. Aus der Summe dieser Informationen kann die elektronische Auswerteeinheit dann ein flächendeckendes Bild des Pflanzenbewuchses erstellen. Dabei ist Position der normalerweise in einer Reihe gepflanzten Nutzpflanze bekannt, so daß die Schlußfolgerung zulässig ist, daß alle anderen Pflanzen Unkraut sind. Dementsprechend kann die zu spritzende Flüssigkeit dosiert und zielgerichtet appliziert werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Lichtstrahlen derart auf den Ackerboden projiziert, dass über die Breite des zu beobachteten Feldabschnittes eine nahezu gerade Linie entsteht. Hierdurch ist es möglich, die gesamte Breite des Feldabschnittes mit nur einer einzigen Vorrichtung zu erfassen. Durch mehrfaches Wiederholen dieser Messung kann der zu untersuchende Feldabschnitt somit quasi linienweise erschlossen werden.

In der Praxis hat sich das als vorteilhaft erwiesen, sowohl die Lichtquelle als auch den Bildaufnehmer mit einer Frequenz von 50 Hz zu takten, so dass innerhalb kürzester Zeit eine Vielzahl von Messungen durchgeführt werden kann. Obwohl der Traktor und somit auch der Ackersensor sich in Fahrt befindet, bilden die einzelnen auf den Ackerboden projizierten Lichtpunkte nahezu eine gerade Linie, da der vom Traktor zurückgelegte Weg bei einer Frequenz von 50 Hz nur minimal ist.

In noch einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform ist die Reflexions optik als ein rotierbarer, exzentrisch gelagerter Ring oder als eine rotierbare, exzentrisch gelagerte Walze ausgebildet. Hierdurch ist es in sehr kosten günstiger Weise möglich, den Lichtstrahl auf den Ackerboden zu projizieren. Insbesondere durch die exzentrische Lagerung wird der Lichtstrahl dann an unterschiedliche Stellen auf den Ackerboden reflektiert.

Als weitere Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe wird ein Verfahren zur berührungslosen Ermittlung des Pflanzenbewuches eines Feldabschnittes vorgeschlagen, welches die in Anspruch 4 genannten Schritte (a) bis (g) umfasst.

Ein derartiges Verfahren hat den Vorteil, dass mit einer kostengünstigen Vorrichtung isolierte Informationen über das Vorhandensein einer Pflanze erhalten werden können. Durch Wiederholen der Schritte (a) bis (e) zu nachfolgenden Zeitpunkten erhält man Angaben über Anzahl, Größe, Art und Anordnung der Pflanze, da die nacheinander ausgesendeten Lichtlinien in Fahrtrichtung jeweils voreinander abgebildet werden und somit den gesamten Feldabschnitt erfassen. Dabei ist es vorteilhaft, den Lichtstrahl jeweils an benachbarte Orte auf den Ackerboden zu projizieren, so dass quasi eine sich über die Breite erstreckende Lichtlinie gebildet wird. Sofern die Anzahl der erzeugten Lichtpunkte im Vergleich zur Fahrtgeschwindigkeit des Traktors groß bleibt, ist die hier geschaffene Linie nahezu gerade.

Ein Vorteil der Erfindung ist, dass ein relativ schwacher Laser (z. B. Schutzklasse II) verwendet werden kann. Dieser darf (vgl. Laserpointer) im Freien verwenden werden. Er ist stromsparend.

In einer bevorzugten Weiterbildung des zuvor genannten Verfahrens wird der Lichtstrahl taktweise, vorzugsweise mit einer Taktfrequenz von 50 Hz, ausgesendet. Dies führt zur einer Senkung des Energiebedarfes.

In einer bevorzugten Weiterbildung wird der Bildaufnehmer der Frequenz des Lichtstrahls synchronisiert und ebenfalls taktweise betrieben, was zu einer weiteren Stromersparnis führt.

In einer weiteren ganz bevorzugten Ausführungsform wird der Bildauf nehmer mit der doppelten Frequenz betrieben, so dass der Bildaufnehmer mehr Auswertungen vornimmt, als Lichtstrahlen ausgesendet werden. Das heißt zu einem bestimmten Zeitpunkt misst der Bildaufnehmer lediglich die Umgebungshelligkeit und kann diesen Wert als Sollwert speichern. Im nächsten Moment wird dann ein Lichtstrahl ausgesendet und der Bildauf nehmer erfasst die Helligkeit erneut. Ist die Helligkeit erhöht, so wird der Logikwert I abgespeichert, ist die Helligkeit nicht erhöht so wird kein oder der Logikwert 0 abgespeichert. Durch die momentane und fortlaufende Kalibrierung des Bildaufnehmers können hierdurch exakte und fehlerfreie Messungen durchgeführt werden, was zu einer sehr präzisen Ermittlung des Pflanzenbewuchses des zu untersuchenden Feldabschnittes führt.

Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich aus der beigefügten Zeichnung und ist nachfolgend beschrieben. Die Figur zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ackersensors und den zu erfassenden Feldabschnitt.

Die in der Figur dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung wird üblicherweise zur Erfassung des Pflanzenbewuches eines bestimmten Feldabschnittes eingesetzt. Hierzu wird die Vorrichtung beispielsweise an einem Spritzgestänge angebracht, welches von einem Traktor über das Feld gezogen wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Bildaufnehmer, der als lichtintensitätsempfindlicher Detektor 10 ausgebildet ist, eine Lichtquelle, die als Laserdiode 12 ausgebildet ist, und eine als exzentrisch gelagerte Walze ausgebildete Reflexionsoptik 14. Dabei wird die Reflexionsoptik 14 von einem hier nicht dargestellten Stellmotor um die Längsachse 16 rotiert.

Die Reflexionsoptik 14 ist so eingestellt, dass die von der Laserdiode 12 ausgesandten Lichtstrahlen 18, 20 stets in einem vom Detektor 10 erfassten Feldabschnitt 22 auf den Ackerboden 24 auftreffen. Durch die exzentrische Lagerung der Reflexionsoptik 14 wird der Lichtstrahl 18 auf verschiedene Punkte entlang einer Lichtlinie 26 auf den Ackerboden 24 projiziert.

Der in einem spitzen Winkel auf den Ackerboden 26 auftreffende Lichtstrahl 18 wird von dem lichtintensitätsempfindlichen Detektor 10 immer dann erkannt, wenn er nicht von einer Pflanze abgedeckt wird bzw. nicht von einer Pflanze am Auftreffen auf den Ackerboden gehindert wird. Die Licht strahlen 18 werden mit einer Frequenz von 50 Hz getaktet ausgesendet, wobei die Reflexionsoptik 14 mit einem Stellmotor ebenfalls mit einer Frequenz von 50 hz weitergedreht wird, so dass der Lichtstrahl mit jedem Takt auf eine andere Stelle des Ackerbodens 26 projiziert wird.

Dabei ist die Reflexionsoptik 14 so ausgerichtet, dass die einzelnen Lichtstrahlen 18 derart benachbart zueinander abgebildet werden, dass auf dem Ackerboden eine gerade Lichtlinie 26 erzeugt wird, sofern der Traktor stillsteht. Ist der Traktor in Fahrt, so ist die erzeugte Lichtlinie 26 leicht gekrümmt, aber dennoch als eine quasi gerade Linie anzusehen, da die Anzahl der Lichtpunkte im Vergleich zur Fahrtgeschwindigkeit sehr groß ist, so dass nur eine minimale Krümmung auftritt.

Nachdem die Reflexionsoptik 14 einmal komplett um ihre Längsachse 16 rotiert ist, wird eine nächste Lichtlinie auf dem Ackerboden abgebildet, die nahezu parallel zur ersten Lichtlinie angeordnet ist. Hierdurch ist es möglich, über den zu untersuchenden Feldabschnitt eine Vielzahl von Lichtlinien zu projizieren, so dass der Feldabschnitt flächendeckend erfasst wird. Durch Auswahl der jeweiligen Stellschritte, des Durchmessers und der Form der Reflexionsoptik können die Messpunkte auf dem Ackerboden bestimmt und im Einzelnen optimiert werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform arbeitet der Detektor 10 mit einer doppelt so hohen Frequenz wie die Laserdiode 12 und misst in dem Takt, in dem kein Lichtstrahl ausgesandt wird, lediglich das Umgebungslicht. Die hierbei gemessene Lichtintensität des Umgebungslichtes wird dann als sogenannter Sollwert abgespeicht und mit der Lichtintensität des Lichttaktes verglichen.

Ist bei einem Messtakt die gemessene Lichtintensität höher als der Sollwert, so wird in der elektronischen Auswerteeinheit ein Logikwert I abgespeichert. Ist die gemessene Lichtintensität ungefähr gleich dem Sollwert, so wird ein Logikwert 0 gespeichert. Zu jedem gespeicherten Logikwert wird auch der Meßzeitpunkt zugeordnet, so dass jedem Logikwert auch eine Position auf dem zu untersuchenden Feldabschnitt zugeordnet werden kann. Im Rahmen der Auswertung dieser gemessenen Logikwerte durch die elektronische Auswerteeinheit kann dann beispiels weise ein prozentualer Überdeckungsgrad des gesamten zu untersuchenden Feldabschnittes 22 ermittelt werden. Es ist aber elektronisch auch möglich, den Feldabschnitt 22 in bestimmte Unterabschnitte einzuteilen und für jeden dieser Unterabschnitte die vorhandenen Logikwerte auszuwerten.

Hierdurch ist es möglich, für jeden Unterabschnitt Informationen über die Größe und die Position der Pflanzen zu erhalten, so dass eine Zusammen schau mehrerer oder sämtlicher Unterabschnitte Rückschlüsse auf Art, Größe und Position der Pflanze zulassen.

Claims

1. Vorrichtung zur berührungslosen Ermittlung des Pflanzenbewuchses eines Feldabschnittes (22) mit einer einen Lichtstrahl (18) aussendenden Lichtquelle (12), mit einem eine optische Achse aufweisenden Bildaufnehmer (10) und mit einer elektronischen Auswerteeinheit, wobei der Lichtstrahl (18) zur optischen Achse einen Winkel α zwischen 5° und 85°, vorzugsweise von 45°, bildet, gekennzeichnet durch eine verstellbar gelagerte Reflexionsoptik (14), die den Lichtstrahl (18) zu vorbestimmten Zeiten an verschiedene vorbestimmte Stellen auf den Ackerboden (24) reflektiert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den Ackerboden (24) projizierten Lichtstrahlen (18) eine nahezu gerade Lichtlinie (26) bilden.

3. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsoptik (14) ein rotierbarer, exzentrisch gelagerter Ring oder eine rotierbare, exzentrisch gelagerte Walze ist.

4. Verfahren zur berührungslosen Ermittlung des Pflanzenbewuchses eines Feldabschnittes, insbesondere mit einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

a) Erfassen des zu untersuchenden Feldabschnittes (22) durch einen Bildaufnehmer (10);
b) Aussenden eines Lichtstrahles (18) in einem Winkel α zwischen 5° und 85°, vorzugsweise von 45°, zur optischen Achse eines Bildaufnehmers (10) in den zu untersuchenden Feldabschnitt (22);
c) Messen der Lichtintensität im zu untersuchenden Feldabschnitt (22) durch den Bildaufnehmer (10);
d) Bestimmen eines Logikwertes I oder O durch Vergleichen der gemessenen Lichtintensität mit dem gespeicherten Sollwert, wobei einer erhöhten Lichtintensität der Logikwert I zugeordnet wird;
e) Speichern des Logikwertes;
f) Wiederholen der Schritte (a) bis (e) zu nachfolgenden Zeitpunkten, wobei der Lichtstrahl (18) jeweils auf einen anderen Ort im zu untersuchenden Feldabschnitt (22) durch Reflexion projiziert wird;
g) Vergleich Anzahl der Logikwerte I mit der Anzahl der gemessenen Zeitpunkte zur Bestimmung des relativen Pflanzenbewuchses.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahl (18) im Schritt (f) an jeweils benachbarte Orte projiziert wird.

6. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (b) der Lichtstrahl (18) taktweise, vorzugsweise mit einer Taktfrequenz von 50 Hz, ausgesendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (c) der Bildaufnehmer (10) den zu untersuchenden Feldabschnitt (22) taktweise misst, wobei der Bildaufnehmer (10) mit dem Lichtstrahl (18) bzw. mit jeder Lichtlinie (26) synchronisiert ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (c) unterteilt ist in die folgenden Schritte:

1. der Bildaufnehmer (10) misst den zu untersuchenden Feldabschnitt (22) taktweise mit der doppelten Frequenz, wobei der Bildaufnehmer (10) in jedem Takt, in dem kein Lichtstrahl (18) ausgesendet wird, die Umgebungshelligkeit misst;
2. Speichern der momentan gemessenen Umgebungshelligkeit als neuen Sollwert.