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Ultraschall Fahrautopilot für landwirtschaftliche Fahrzeuge
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Die Erfindung betrifft ein mit Ultraschall arbeitendes Verfahren zur
Vermessung der Fahrkante bei landwirtschaftlichen Mäh- und Feldfahrzeugen.
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Der Einsatz eines solchen Verfahrens ermöglicht die automatische Steuerung
(Autopilot) von selbstfahrenden landwirtschaftlichen Fahrzeugen entlang von Mähkanten.
Hierdurch wird der Fahrer entlastet, der ansonsten durch das Entlangfahren an Reihen
und Mähkanten in seiner Konzentrationsleistung stark beansprucht wird.
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Es ist bekannt, Fahr-Autopiloten bei selbstfahrenden Feldhäckslern
und Mähdreschern zu verwenden. Es handelt sich hierbei um speziell geformte mechanische
Fühler zum Erfassen von Maisreihen (z. B. Firmenprospekt Deutz/Fahr, Autopilot für
Mähdrescher und selbstfahrende Häcksler). Diese mechanischen Fühler sind jedoch
wegen ihrer speziellen Form nicht für jedes Erntegut geeignet.
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Außerdem besteht bei solchen mechanischen Fühlern an meist exponierten
Stellen eine erhöhte Beschädigungsgefahr.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Autopilotsystem zur
Verfolgung von Mähkanten auf Erntefeldern zu schaffen, das sich durch eine universelle
und robuste Einsetzbarkeit auszeichnet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst, daß die zu verfolgenden Kanten von in ihrer Sende- und Empfangs richtung
um 180 Grad versetzten Ultraschallsendern und -empfängern und vorzugsweise dabei
über eine gestaffelt angeordnete Anzahl von Ultraschallsendern und -empfängern oder
durch nicht örtlich, jedoch in ihrer Abstandsempfindlichkeit zur Mähkante gestaffelte
Empfänger-/Senderanordnungen abgetastet wird und hieraus auf elektronischem Wege
ein Steuersignal für das Fahrzeug erzeugt wird.
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Ultraschallsender und -empfänger sind Billigstprodukte, so daß ein
Vorteil der Erfindung in der kostengünstigen Gestaltung des Autopiloten besteht.
Ein weiterer Vorteil ist die Unempfindlichkeit gegenüber Verschmutzungen, da ja
gerade Ultraschallverfahren
zur Reinigung von Verschmutzungen eingesetzt
werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird im folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen Figur 1 das Prinzip der mechanischen Anordnung örtlich gestaffelt
angeordneter Ultraschall-Sender/Empfänger am Fahrzeug Figur 2 eine andere Ausführungsform
der Anordnung, bei der anstelle der örtlich gestaffelten Anordnung eine gestaffelte
Meßempfindlichkeit verwendet wird.
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In Fig. 1 ist schematisch eine zu erfassende Mähkante 1 des Mähgutes
2 dargestellt, bei der auf der rechten Seite des Mähgut bereits abgeschnitten ist
und auf der linken Seite noch steht. Fährt ein Fahrzeug parallel dieser Kante, so
bewegt sich links für einen auf der Höhe des Mähgutes sitzenden Beobachter Mähgut
vorbei, während sich rechts kein Mähgut an ihm vorbeibewegt.
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Dies kann in Form des Dopplereffektes in Verbindung mit einem einfachen
Ultraschall-Sende- und Empfangssystem für einen Autopilot ausgenutzt werden.
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Beim Dopplereffekt, der auch im Ultraschallbereich auftritt, ergibt
sich eine Frequenzverschiebung zwischen gesendetem und empfangenen Schallsignal,
wenn entweder die Schallquelle oder der Empfänger oder beide in relativer Bewegung
sind.
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Ein vom Fahrzeug beim Entlangfahren an der Mähkante in Richtung des
Mähgutes ausgesandtes Schallsignal wird am vorbeibewegten Mähgut reflektiert und
in seiner Frequenz verändert und kann von einem ebenfalls am Fahrzeug angebrachten
Empfänger aufgenommen werden. Die durch Interferenz der beiden Ultraschallsignale
entstehende Amplitudenschwankung der Sender-Grundwelle kann elektronisch detektiert
werden. Dieses Prinzip wird bei
Alarm- und Uberwachungsanlagen bereits
angewandt.
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Sehr vorteilhaft und üblich ist es, für das Sende- und Empfangssystem
das gleiche Ultraschallelement zu verwenden.
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Diese Elemente sind äußerst preiswerte keramische Bauelemente, die
käuflich erworben werden können.
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Die Beschreibung der Meßanordnung zur Kantenerfassung erfolgt anhand
der Draufsicht Fig. 1.
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An der schematisch als gestricheltes Dreieck dargestellten Vorderseite
3 des Fahrzeuges 4 sind senkrecht zur Fahrtrichtung in einer zur Fahrtrichtung parallelen
Ebene nach beiden Seiten Ultraschall-Sender und -Empfänger 5,5' angebracht. In beiden
Sender-Empfänger-Reihen sind die einzelnen Elemente so angeordnet, daß sie bezüglich
einer gedachten Mittellinie 6 seitlich versetzt sind. Hierbei nehmen die seitlichen
Abstände der Sender-Empfängeranordnungen 5,5' von der gemeinsamen Mittellinie 6
umso mehr zu, je näher sie sich am Fahrzeug 4 befinden.
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Die Sender- und Empfängerreihen sind bezüglich ihres Bodenabstandes
so angeordnet, daß sie sich vorzugsweise in der Mitte der Wuchshöhe des Mähgutes
befinden.
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Bewegt sich nun das Fahrzeug 4 mit seiner Vorderseite 3 entlang der
Mähkante 1 des Mähgutes 2, so befinden sich im Idealfall, d. h. bei Ubereinstimmung
der Mähkante 1 mit der Mittellinie 6 der Sender-Empfängerreihen 5,5', alle Sender-Empfänger
5 im Mähgut und alle Sender-Empfänger 5 außerhalb des Mähgutes.
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Die Sende- und Empfangsrichtungen des Ultraschalls der Sender-Empfängerreihen
5 bzw. 5' sind zur Verdeutlichung durch Doppelpfeile 8,8' gekennzeichnet. In diesem
eben erläuterten Idealfall bewegt sich das Mähgut 2 an den Sender-Empfängern 5'
vorbei. Durch die Relativbewegung zwischen Fahrzeug 3, 4 und Mähgut 2 entsteht in
den Anordnungen 5,5' aufgrund des beschriebenen Dopplereffektes eine Frequenzverschiebung
zwischen gesendetem und empfangenen Signal. Dies tritt bei den Sender-Empfänger-Anordnungen
5 im eben geschilderten Idealfall nicht auf. Stimmt
nun die Mittellinie
6 zwischen beiden Sender-Empfänger-Anordnungen 5,5' und die Richtung der Mähkante
1 nicht überein, so befindet sich entweder ein Teil der Sender-Empfänger 5 außerhalb
des Mähgutes oder ein Teil der Sender-Empfänger 5 innerhalb des Mähgutes. Beide
Fälle lassen sich anhand der Signale der einzelnen Sender-Empfängerreihen 5,5' unterscheiden.
Aus den Signalen der einzelnen Sender-Empfängerreihen läßt sich ein Steuersignal
ableiten, nach dem der Mähkante 1 genau dann ideal gefolgt wird, wenn alle Sender-Empfänger
5' auf Grund des Doppler-Effektes des vorbeistreifenden Mähgutes ein Signal erzeugen
und alle Sender-Empfänger 5 kein Signal erzeugen, da sie sich gerade außerhalb des
Mähgutes befinden. Die Sende- und Empfangsempfindlichkeit der Ultraschallgeber ist
vorzugsweise so eingestellt, daß sie nur in einem kleinen Abstandsbereich zwischen
Geber und Mähgut ein Signal einer Bewegung erzeugen.
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In einer anderen Version müssen die einzelnen Geber nicht gegenüber
einer gedachten Mittellinie seitlich versetzt sein. Den gleichen Effekt erreicht
man, wenn die Geber auf unterschiedliche Ansprechempfindlichkeiten bezüglich des
Abstandes zwischen Geber und Mähgut eingestellt sind. In Fig. 2 haben die in gleichem
Abstand zur Mittellinie 6 angeordneten Empfänger/Sendersysteme 5,5' unterschiedlich
gestaffelte Reichweiten bei der Abstandsmessung wie dies schematisch durch die Länge
der Pfeile 9,9' angedeutet ist.
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Weiterhin muß nicht notwendigerweise der Doppler-Effekt mit einer
Frequenzverschiebung zwischen gesendetem und empfangenen Signal als Meßeffekt ausgenutzt
werden. In gleicher Weise ist es möglich, eine reine Abstandsmessung zwischen dem
Geber und dem Mähgut durchzuführen. Hierbei wird die Laufzeit zwischen gesendetem
und empfangenen Schallsignal elektronisch gemessen. In einer vorzugsweise einfach
aufgebauten Version ist die genaue Auswertung des Dopplereffektes bzw. des Abstandes
unnötig. Es genügt völlig, die Anwesenheit des Echos festzustellen. Hierbei kann
es günstig sein, statt einer gemeinsamen Sende-Empfangsanordnung jeweils ein getrenntes
Sende- und Empfängerpaar als Geber zu verwenden.
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In einer weiteren sehr einfachen Version, die insbesondere dann eingesetzt
werden kann, wenn das reflektierende Mähgut sehr homogen ist, benötigt der Autofahrpilot
für jede Gruppe nur ein Sender/Empfangssystem. Durch Variation des Abstandes der
beiden Systeme läßt sich die Ansprechempfindlichkeit variieren.
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Die elektronische Auswertung sowohl des Doppler-Effektes als auch
des Abstandes bzw. des Vorhandenseins des Echosignals erfolgt mit bekannten elektronischen
Mitteln. Ist zu einem Sendesignal auch ein Empfangssignal vorhanden, so befindet
sich das entsprechende Ultraschall-Sende/Empfangssystem im Mähgut selbst oder in
seitlichem Abstand zum Mähgut. Aus der Kombination der Signale derjenigen Sende/Empfangssysteme
mit und ohne Empfangssignal läßt sich auf einfache Weise ein eindeutiges Steuersignal
zur Verfolgung der Mähkante ableiten.
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Dies wird anhand des Systems Fig. 1 erläutert. Liefern alle der Mähkante
zugewandten Sende/Empfangssysteme 5' ein Signal und keines der Mähkante abgewandten
Systeme 5 ein Signal, so befindet sich die Mittellinie 3 zwischen den zu- und abgewandten
Systemen, d.h. genau auf der Mähkante 1. Liefern auch solche Sende/Empfangssysteme,
die bei dem eben geschilderten Fall nicht ansprechen, ein Signal, so befindet sich
die Mittellinie 3 links von der Mähkante 1 im Mähgut 2. Betrag und Richtung der
Abweichung von Mittellinie 3 zwischen den Sende- und Empfängersystemen und der Mähkante
1 ergibt sich aus der Lage bzw. Anzahl der signalliefernden Sende/Empfangssysteme
5,5'.
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Dies gilt in entsprechender Weise für die örtlich nicht gestaffelt
zur Mittellinie angeordneten Systeme gemäß Fig. 2.
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Die Empfindlichkeit der Anordnung läßt sich sowohl über die örtliche
Staffelung als auch über die Staffelung der Meßempfindlichkeit als auch über die
Anzahl der zur Auswertung herangezogenen Sende-Empfänger-Systeme auswählen.