DE4220913A1

DE4220913A1 - Vorrichtung und Verfahren zur berührungslosen Erfassung der relativen seitlichen Lage einer Pflanzenreihe zu einer landwirtschaftlichen Arbeitsmaschine in Reihenkulturen

Info

Publication number: DE4220913A1
Application number: DE19924220913
Authority: DE
Inventors: Juergen Binder
Original assignee: Individual
Current assignee: BINDER, JUERGEN, DIPL.-ING. (FH), 91413 NEUSTADT,
Priority date: 1992-06-25
Filing date: 1992-06-25
Publication date: 1994-01-05
Anticipated expiration: 2012-06-26
Also published as: DE4220913C2

Description

Die Erfindung kann Anwendung finden bei sämtlichen Arbeits maschinen, die zur Pflanzenproduktion in Form von Reihenkulturen eingesetzt werden. Diese Erfindung wurde speziell für den Mais anbau konzipiert, sie kann aber leicht auch für andere Pflanzenarten ausgelegt werden.

In Reihenkulturen ist es üblich, daß man das Unkraut zwischen den Pflanzenreihen auf nichtchemische Weise bekämpft. Am häufigsten trifft man eine mechanische Form der Unkrautbe kämpfung, nämlich das Hacken in den Reihenzwischenräumen, an. Dazu ist es notwendig, daß das Hackgerät möglichst exakt an der Pflanzenreihe entlanggeführt wird. Das Hacken muß aus pflan zenbaulichen Gründen schon zu einem Zeitpunkt erfolgen, zu dem die Kulturpflanze noch sehr klein und sehr empfindlich gegenüber mechanischen Verletzungen ist. Die schon bekannte mechanische Abtastung einer weiterentwickelten und daher mechanisch stärker belastbaren Pflanzenreihe kann hier nicht eingesetzt werden. Da es bisher (nach Kenntnis des Erfinders) keine automatische Seitenführung für Arbeitsmaschinen an Pflanzenreihen im sehr frühen Wachstumsstadium gibt, fährt man bis jetzt solche Hackmaschinen mit einem relativ großen Abstand von der Pflanzen reihe, damit bei ungenauer Führung keine Nutzpflanzen verletzt werden, oder die Hackmaschine besitzt eine Feinsteuereinrichtung, die von einer zweiten Person bedient werden muß.

In jedem Fall ist das exakte Führen einer Arbeitsmaschine an einer Pflanzenreihe für den Menschen eine auf Dauer anstrengende, monotone und ermüdende Tätigkeit.

Der Erfinder hat sich die Aufgabe gestellt, das berührungslose Erfassen der seitlichen Lage einer Pflanzenreihe relativ zur Arbeitsmaschine und das Führen einer Maschine an einer Pflanzen reihe zu automatisieren.

Die relative seitliche Lage einer Pflanzenreihe zu einer beliebi gen Arbeitsmaschine in einer Maiskultur wird aus der zeitlichen Abfolge von Unterbrechungssignalen zweier Strahlschranken ermittelt.

Die Strahlschranken sind dazu in einer zum Erdboden parallelen Ebene in einer vom Entwicklungsstadium der Pflanze und von der Pflanzenart abhängigen Höhe h über dem Erdboden überkreuz unter einen spitzen Winkel α angeordnet (Bild 1). Die Winkelhalbierende des Winkels α steht senkrecht zur Fahrtrichtung. Der Schnittpunkt der optischen Achsen, der jeweils durch eine Strahlungsquelle S und einen Strahlungsempfänger E gebildeten Strahlschranken 1 und 2, ist an der Soll-Lage der Pflanzenreihe in seitlicher Richtung bezüglich der Arbeitsmaschine an derselben fest anzuordnen. Dies wird einerseits dadurch erreicht, daß die Strahlschranken in ein Tragegestell eingebaut werden, welches die geometrisch feste Zuordnung der Sender und Empfänger zueinander gewährleistet. Andererseits ist das Tragegestell an einem Element der Arbeitsmaschine zu befestigen, das im Betrieb einen konstanten Abstand zum Boden einnimmt und seitlich nicht beweglich ist. Beim Überfahren der Reihe in der Soll-Lage unterbrechen die Pflanzen die beiden Strahlschranken idealerweise exakt zum selben Zeitpunkt, da die Schranken in ihrem gemeinsamen Schnittpunkt unterbrochen werden. Weicht aber die Pflanzenreihe von der Soll-Lage ab, so werden die beiden Schranken zeitlich versetzt unterbrochen.

Die Reihenfolge der Unterbrechungssignale gibt Aufschluß über die Richtung der Abweichung. Aus dem zeitlichen Abstand der Unter brechungssignale wird zusammen mit der momentanen Fahrgeschwin digkeit der Betrag der Abweichung ermittelt.

Darstellung von typischen Unterbrechungssignalfolgen

Beschreibung von typischen Unterbrechungssignalfolgen

Die Darstellung I in Bild 2 zeigt typische Unterbrechungssignal- Verläufe für den Fall daß keine Abweichung von der Soll-Lage vorliegt.

zu a) Idealfall, bei dem nur der Maisstengel zu jeweils einer Unterbrechung an den Strahlschranken geführt hat. Die Unterbrechungen finden exakt im selben Augenblick statt.

zu b) bis d) Der am meisten auftretende Fall, daß die Pflanze in einer Höhe abgefahren wurde, in der sich neben dem Stengel ein oder mehrere ( d) ) seitliche Blätter befanden. An die Stelle des Einzelsignales ( Fall a) ) tritt hier ein zu sammengehöriges Paket von mehreren Einzelsignalen.

Die Darstellung II in Bild 2 unterscheidet sich von Darstellung I lediglich dadurch, daß hier eine Abweichung der Pflanzenreihe von der Soll-Lage vorliegt.

zu a) Im Idealfall der Signalform berechnet sich die zeitliche Differenz zwischen den Signalen der beiden Strahlschranken aus der zeitlichen Differenz Δt der Signalmitten.

Durch Anwendung der Sinusbeziehung auf den Winkel α erhält man den Proportionalitätsfaktor zur Umrechnung der Zeitdifferenz Δt in die seitliche Lageabweichung Δ1:

zu b) bis d) In den meisten Fällen treten Unterbrechungssignale in dieser Form auf. Das Problem hierbei ist, daß jeweils nur ein Einzelsignal eines Paketes den Stengel der Pflanze re präsentiert und nur mit diesem die Lage der Pflanze richtig berechnet werden kann (Dies gilt auch für die Fälle b) bis

d) bei Darstellung I) . . Eine Lösung für dieses Problem liefert ein Verfahren nach Anspruch 2. Es wird darauf hingewiesen, daß dieses Verfahren nur in Einheit mit nach Anspruch 1 gewonnenen Signalfolgen gültig ist und auf diese anwendbar ist.

Beschreibung des Verfahrens nach Anspruch 2 Rechnerinterne Darstellung der Signalfolgen

Die Ausgangssignale der Empfänger sind als TTL-Pegel zu gestal ten. Dabei soll zum Beispiel die logische

"1" = "high" = H für "Strahlschranke unterbrochen" und
"O" = "low" = L für "Strahlschranke nicht unterbrochen" stehen.

Die Zustände der Empfängerausgänge liest man über zwei Eingabe leitungen eines Mikrocontrollers in dessen Speicher ein. Die logische Darstellung der Daten im Rechner erfolgt in einem etwas abgewandelten, aus der digitalen Bildverarbeitung bekannten, Lauflängenformat:
Zu einem Zeitpunkt, wo man erwarten kann, daß bald eine Pflanze von den Strahlschranken erfaßt wird und beide Ausgangssignale "low" sind, startet man einen Zähler. Der Zähler ist durch einen Weggeber zu takten, der beispielsweise pro Millimeter gefahrener Wegstrecke einen Zählimpuls abgibt. Auf diese Weise ist bereits die Fahrgeschwindigkeit in die Berechnung einbezogen und der Zählerstand kann somit als eine Strecke in Millimetern interpretiert werden.

Sobald eine der Schranken unterbrochen wird, erkennt eine digitale Schaltung, daß sich der Zustand an einem Empfänger ausgang gegenüber dem letzten Abtastpunkt geändert hat. Der Mikrocontroller wird dadurch veranlaßt, den momentanen Wert des Zählers in einem Feld, das dem auslösenden Empfänger zugeordnet ist, abzuspeichern. Das gleiche geschieht auch, wenn ein Übergang von "unterbrochen" nach "nicht unterbrochen" vorliegt. Beide Empfängersignale werden auf diese Art verarbeitet.

Das Abspeichern der Zähler-Werte bei jedem Zustandswechsel wiederholt sich solange, bis eine vorgegebene Erfassungsinter vallänge erreicht ist. Die Intervallänge ist so zu wählen, daß nach Möglichkeit genau eine Pflanze von beiden Strahlschranken erfaßt wird.

In den beiden Speicherfeldern des Mikrocontrollers sammelt sich auf diese Weise je eine Zahlenkolonne an, die jeweils folgende Bedeutung hat:

1. Zahl : Anfang der 1. Unterbrechungsphase
2. Zahl : Ende der 1. Unterbrechungsphase
3. Zahl : Anfang der 2. Unterbrechungsphase
4. Zahl : Ende der 2. Unterbrechungsphase
usw.

Zur Berechnung der Mitten der Unterbrechungssignale eines Feldes addiert man den Anfangswert und den Endwert und dividiert durch zwei. Das Ergebnis stellt den Abstand der Signalmitte vom Start punkt dar. Nach derselben Vorschrift werden alle aufeinanderfol genden Anfangs- und Endwerte verrechnet.

Beispiel eines Signalverlaufes

Anstatt eines Unterbrechungssignales mit einer bestimmten Ausdehnung wird anschließend nur noch der Wert für seine Signalmitte verwendet.

Nur Intervall I:
Zur Ermittlung der seitlichen Lage der Maispflanze muß nun die Differenz zwischen dem Signal von (1) und dem Signal von (2) gebildet werden, welche jeweils durch den Maisstengel ausgelöst wurden. Da zum momentanen Zeitpunkt nicht bekannt ist, welche Signale dies sind, geht man davon aus daß alle möglichen Differenzwerte zutreffen können und man berechnet alle (hier 4) Differenzwerte für Intervall I:

2-26 = -24
16-26 = -10
2-32 = -30
16-32 = -16

Ein richtig berechneter Differenzwert kann einen durch die geometrische Anordnung der Strahlschranken gegebenen Grenzwert (Max in Bild 1) nicht überschreiten. Werte, die größer sind als der Wert Max, sind offensichtlich falsch und werden im weiteren Ablauf ignoriert.

Um zu entscheiden, welcher der theoretisch möglichen Werte dem wahren Wert für den Maisstengel entspricht, nimmt man die Signal folgen des unmittelbar folgenden Intervalles II auf und verrech net diese in gleicher Weise wie die Signale des Intervalles I bisher.

Errechnete Differenzwerte für II: -11 -1 -20 -10
Dazu die Werte für I: -24 -10 -30 -16

Es wird nun davon ausgegangen, daß die Positionen der Mais stengel zweier benachbarter Pflanzen in seitlicher Richtung nahezu identisch sind (Im Rahmen der erreichbaren Genauigkeit sind diese Werte identisch).

Das bedeutet, daß sich unter den Differenzwerten des Intervalles I wenigstens ein Wert befindet, der auch im Intervall II er scheint. Da im Beispiel nur ein Wert erscheint, der diese Bedingung erfüllt (→ -10 ), hat man den richtigen Differenzwert gefunden.

Dieser Wert ist nur noch mit dem Faktor 0,5 sin^-1 (α/2) zu multiplizieren und man erhält die seitliche Abweichung der Pflanzenreihe vom Schnittpunkt der Strahlschranken (Schnittpunkt = Soll-Lage).

Für den Fall, daß sich nach zwei Erfassungsintervallen noch kein Wert als der gesuchte erweist, muß ein drittes oder vielleicht sogar ein viertes Intervall in die Auswertung mit einbezogen werden. Den gleichen Effekt erhält man, wenn die Intervallänge vergrößert wird: Die gesuchten Differenzwerte treten dann inner halb eines Intervalles mehrfach auf.

Um die Datenmenge und die Anzahl der Rechenschritte zu ver ringern ist es sinnvoll, die von den Strahlungsempfängern abgegebenen Signale zu filtern.

Für den jeweils zu bearbeitenden Maisbestand läßt sich ein durchschnittlicher Mindeststengeldurchmesser angeben. Wenn ein Einzelsignal in seiner Breite nicht mindestens diesen Grenzwert erreicht und somit nicht vom Stengel einer Mais pflanze erzeugt werden konnte, so unterdrückt man dieses Signal schon bevor es den Mikrokontroller erreicht und abge speichert wird. Die Filterung erfolgt für beide Signalwege.

Erreichbare Vorteile aufgrund dieser Erfindung

1. Das optische Erfassungssystem arbeitet vollkommen berührungs los und kann somit auf mechanisch beliebig empfindliche Pflanzenarten und Wachstumsstadien angewendet werden.
2. Willkürlich vorkommende Unkräuter und Ungräser beeinflussen die Lageermittlung nicht.
3. Der mit Hilfe dieser Erfindung ermittelte Wert für die Abweichung der Pflanzenreihe von der Soll-Lage bezüglich der Maschine kann als Regeldifferenz einer Regeleinrichtung zugeführt werden. Die Regeleinrichtung kann daraus mittels eines beliebigen Reglerverhaltens eine Stellgröße ermitteln, die, beispielsweise mittels eines hydraulischen Hubzylinders, dafür sorgt, daß der Regelabweichung entgegengewirkt wird und somit die Soll-Lage hergestellt wird.
4. Der Führer einer Arbeitsmaschine in Reihenkulturen wird von einer sehr monotonen und ermüdenden Tätigkeit befreit. Die bei einer Feinsteuereinrichtung benötigte, zweite Arbeitskraft entfällt.
5. Eine automatische Führung dieser Art ermöglicht im Dauer einsatz bei hohen Fahrgeschwindigkeiten und bei gleichbleibend guter Führungsqualität eine Flächenleistung, wie sie bei einer manuellen Führung nicht möglich wäre. Aus betriebswirtschaft licher Sicht kann damit die mechanische Unkrautbekämpfung eine ernsthafte Alternative zur chemischen Unkrautbekämpfung im Maisanbau (und zwar nicht nur in Sonderfällen!) werden.

Claims

1. Vorrichtung und Verfahren zur berührungslosen Erfassung der relativen seitlichen Lage einer Pflanzenreihe zu einer landwirtschaftlichen Arbeitsmaschine in Reihenkulturen
Das System zeichnet sich dadurch aus,
daß die relative seitliche Lage einer Pflanzenreihe zur Arbeits maschine aus der zeitlichen Abfolge von Unterbrechungssignalen, zweier sich im spitzen Winkel schneidender und quer zur Pflanzen reihe geführter Strahlschranken ermittelt wird.
Die beiden Strahlungssender und -empfänger sind dabei in einer zum Erdboden parallelen Ebene in der für die vorliegende Kulturart und für das jeweilige Wachstumsstadium günstigsten Höhe über dem Erdboden angeordnet.

2. Verfahren zur Ermittlung der seitlichen Lage aus den nach Anspruch 1 erhaltenen Signalfolgen.
Das Verfahren zeichnet sich aus,
durch ein schnelles Rechenschema, durch welches in Kombination mit der in Anspruch 1 beschriebenen Anordnung von Strahlschranken aus der zeitlichen Aufeinanderfolge der Unterbrechungssignale beider Strahlschranken die relative Lage der Pflanzenreihe zur Arbeitsmaschine berechnet wird,
und dadurch, daß Unterbrechungsimpulse, die von seitlich am Maisstengel befindlichen Blättern oder von Unkräutern herrühren, erkannt werden und somit das Ergebnis der Berechnung nicht beeinflussen.