DE4413739C2 - Einrichtung zum Erkennen und Unterscheiden von Pflanzen und Bodenbereichen sowie zum Unterscheiden von Kultur- und Wildpflanzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Erkennen und Unterscheiden von Bodenbereichen und Pflanzen sowie zum Unterscheiden von Kultur- und Wildpflanzen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein gärtnerische bzw. landwirtschaftliche Behandlung von Kultur- und Wildpflanzen geschieht derzeit weitgehend unspezifisch; Wasser, Düngemittel, Pestizide, Wachstumshemmer usw. werden ungezielt auf der gesamten Anbaufläche verteilt. Hierbei ist nachteilig, daß zwangsläufig nur ein Teil der eingesetzten Mittel seiner vorgesehenen Bestimmung zugeführt wird, während der andere Teil ungenutzt bleibt und den Boden sowie das Grundwasser belastet und obendrein bei dem Anwender noch unnötig hohe Kosten verursacht. Weiterhin ist nachteilig, daß die ungenutzt zurückgebliebenen Wirkstoffe die Qualität von erzeugten Produkten, nämlich Nahrungsmittel für den Menschen oder für vom Menschen zur Ernährung genutzte Tiere, nachteilig beeinflussen können und schädliche Wirkungen auf den Menschen haben können. Erwünscht ist ein gezieltes, spezifisches Ausbringen von Nähr- und Pflegemitteln. Hierbei sollten Wasser und Dünger nur die Kulturpflanzen erreichen; Wachstumshemmer und Pflanzenschutzmittel sollten nur die Wildpflanzen erreichen. Auf diese Weise ließen sich die Mengen an eingesetzten Mitteln reduzieren, wodurch die Kosten - bei gleichzeitiger Schonung von Böden und damit der Umwelt - für die Pflegemaßnahmen niedriger würden. Die minimale Wirkstoff-Belastung hätte ein qualitativ höherwertiges Produkt zur Folge.

Aus der DE 41 32 637 A1 ist eine Vorrichtung zur gesteuerten Unkrautbekämpfung mit mehreren in einer Reihe angeordneten Sensoren bekannt, die infrarot- oder grünempfindlich sind. Mit Hilfe dieser Vorrichtung wird der Grad der Verunkrautung festgestellt und in Abhängigkeit hiervon wird ein Spritzen von Herbiziden eingeleitet. Hierbei erfolgt eine Flächenbetrachtung, d. h. ein Ermitteln des mit Pflanzen bedeckten Bodenbereichs unabhängig von der Art der Pflanzen. Überschreitet die Dichte der Pflanzen einen vorgegebenen Grenzwert wird davon ausgegangen, daß dies auf Unkraut zurückzuführen ist, so daß in einem Bereich mit zu hoher Pflanzendichte Herbizide aufgebracht werden. Ein Erkennen unterschiedlicher Pflanzenarten ist bei dieser Vorrichtung jedoch nicht möglich.

Ferner ist aus der DE 40 39 797 A1 eine sensorgesteuerte Pflegetechnik und Unkrautregulation mit einem Sensor oder einer Sensorkombination zur Erkennung von Nutzpflanzen bekannt, bei der die erhaltenen Daten von einem Rechner weiterverarbeitet werden und zu Steuerung eines Aktors dienen. Mit dieser Einrichtung ist zwar ein Differenzieren verschiedener Pflanzenarten möglich; es ist jedoch bauartbedingt nur für relativ große Pflanzen einsetzbar.

Des weiteren ist in der DE 37 02 811 A1 ein farbempfindlicher Geber zur Pflanzenerkennung beschrieben, der einen Fotoempfänger für den sichtbaren und einen Fotoempfänger für den nahen infraroten Spektralbereich aufweist. Bei Einsatz dieses Gebers ist allerdings das Mitführen einer Beleuchtungseinrichtung erforderlich.

Beim Ernten von Kulturpflanzen, wie Gemüse (Kohl, Salat) und Heilkräutern ist eine gezielte Ernte nur von reifen bzw. entsprechend großen Exemplaren erwünscht oder sinnvoll, was sich jedoch über einen längeren Zeitraum erstrecken kann und personalaufwendig ist, da reife und entsprechend große Früchte nur von erfahrenem Personal erkannt und geerntet werden können. Somit ist diese Ernteweise insgesamt aufwendig und teuer.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Einrichtung zu schaffen, mit welcher Bodenbereiche und Pflanzen erkannt und unterschieden werden können und bei welcher darüber hinaus Kulturpflanzen von Wildpflanzen unterschieden werden können. Ferner soll gemäß der Erfindung die Größe von Pflanzen bzw. Früchten automatisch erkannt werden können, um ein gezieltes, automatisches Ernten zu ermöglichen.

Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe bei einer Einrichtung zum Erkennen und Unterscheiden von Bodenbereichen und Pflanzen sowie zum Unterscheiden von Kultur- und Wildpflanzen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merkmale in dessen kennzeichnendem Teil gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtung sind Gegenstand der auf den Anspruch 1 rückbezogenen Unteransprüche.

Insbesondere ist gemäß der Erfindung der Einsatz von Fresnellinsen in einer Multisegment-Anordnung vorteilhaft, da dadurch eine Linsenzeile aus nebeneinander angeordneten Einzellinsen entsteht, von denen jede nur ein schmales Strahlenbündel zum Detektor lenkt. Dies hat ein kleines Gesichtsfeld zur Folge, das ein Erkennen kleiner Pflanzen, ein genaues Lokalisieren und ein Bestimmen der Größe beispielsweise einer Frucht ermöglicht.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung ist die Kombination des nahen infraroten und sichtbaren Spektralbereichs, da sich ergänzende Informationen genutzt werden, wobei eine Kombination der Reflektion im sichtbaren und der Emission im nahen infraroten Bereich den Einsatz der erfindungsgemäßen Einrichtung sowohl bei starker Sonneneinstrahlung als auch bei schwacher Beleuchtung ermöglichen, so daß eine Beleuchtungseinrichtung nicht mitgeführt zu werden braucht. Ein weiterer Vorteil der somit erhaltenen redundanten Information ist die sichere Diskriminierung und Klassifizierung von Pflanzenarten.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine Vorderansicht einer an einem Ackergerät anzubringenden Einrichtung;

Fig. 2 eine gegenüber der Darstellung in Fig. 1 um 90° gedrehte Seitenansicht einer Ausführungsform der Einrichtung;

Fig. 3A eine schematisch stark vereinfachte perspektivische Darstellung von Strahlenverläufen von unten nach oben d. h. von dem Boden bzw. den dort zu detektierenden Pflanzen in Richtung eines Detektor der in Fig. 1 wiedergegebenen Anordnung;

Fig. 3B Strahlungsbündel quer zur Fahrtrichtung analog der Darstellung in Fig. 1 für eine Detektor/Linsenanordnung;

Fig. 3C ein Strahlungsbündel in Fahrtrichtung des mitführenden Geräts;

Fig. 4 einen vertikalen Schnitt durch einen Detektor mit einer diesem zugeordneten Linsenanordnung und

Fig. 5 eine vergrößerte schematische Darstellung einer Schnittansicht eines Detektors mit nachgeordneter Linsenanordnung mit einem an der Linsenanordnung vorgesehenen Tubusblende.

Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird, wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, eine Einrichtung zum Einsatz gebracht, bei welcher Kulturpflanzen 4a und Wildpflanzen 4b in der Anbaufläche beim Darüberhinwegfahren erkannt und lokalisiert werden; dadurch wird es möglich, die erkannten und lokalisierten Kulturpflanzen 4a und Wildpflanzen 4b gezielt zu behandeln. Hierzu wird in der Sensoreinheit ein Infrarot-Sensor (siehe Fig. 1 und 2) verwendet, der auf Infrarot-Strahlung d. h. Wärmestrahlung anspricht und mit welchem Pflanzen erkannt werden können, da deren Strahlung sich in der Intensität von derjenigen des Bodens 5 unterscheidet. Die Unterschiede in der Intensität der abgegebenen Strahlung sind einerseits in der unterschiedlichen Temperatur von Boden 5 und Kulturpflanzen 4a und Wildpflanzen 4b begründet, da sich bei Sonnenbestrahlung der Boden 5 stärker aufheizt als lebende Kulturpflanzen 4a und Wildpflanzen 4b, andererseits im unterschiedlichen Emissions- und Reflexionsgrad von Bonden 5 und Kulturpflanzen 4a und Wildpflanzen 4b, da bei gleicher Temperatur, beispielsweise bei völlig bedecktem Himmel, Boden und Pflanzen Strahlung unterschiedlicher Intensität abgeben und darüber hinaus die aus ihrer Umgebung auf sie auftreffende Strahlung unterschiedlich stark reflektieren.

In der Sensoreinheit 1 wird neben einem Infrarot-Sensor ein Sensor verwendet, der bezüglich sichtbaren Lichts im grünen Spektralbereich empfindlich ist. Mit einem derartigen Sensor können zusätzlich Unterschiede in der Intensität des grünen Anteils des von den Objekten reflektierten Sonnenlichts registriert werden. Dieser Unterschied ist beispielsweise besonders stark zwischen unbewachsenem Boden 5 und Kulturpflanzen 4a bzw. Wildpflanzen 4b. Daher ergibt sich bei der Bewegung des Sensors bei einem Übergang von unbewachsenem Boden 5 zu einer Kulturpflanze 4a oder Wildpflanze 4b eine hohe Signaländerung, anhand derer die Pflanze erkennbar ist.

Hierbei besteht jeder Infrarot-Sensor aus einer für Infrarot-Strahlung geeigneten Optik 11, einem Infrarot-Detektor 10 und einer nachgeordneten (nicht näher dargestellten) Signalverarbeitungselektronik (Fig. 3A und 3B). Eine Optik 11 in Form einer einfachen Sammellinse, einer Fresnell-Linse oder auch einer Spiegelanordnung nimmt die vom Boden 5 bzw. den Kulturpflanzen 4a und Wildpflanzen 4b ausgehende Infrarot-Strahlung auf und bündelt sie auf den Infrarot-Detektor 10. Der Infrarot-Detektor 10 wiederum erzeugt ein elektrisches Signal, dessen Amplitude von der Intensität der auf ihn treffenden Strahlung abhängt. Dieses Signal wird dann in bekannter Weise in einer elektronischen Signalverarbeitungseinheit verstärkt und gefiltert.

Der Sensor für sichtbares Licht ist ebenso aufgebaut.

Ferner weist die Einrichtung eine elektronische Steuereinheit und einen Aktuator auf, der mit einer Einrichtung zum Ausbringen von Wirkstoffen in Verbindung steht. Die Sensoreinheit 1 und die Einrichtung 2 zum Ausbringen von Wirkstoffen sind einander so zugeordnet, daß sie in einer durch einen Pfeil in Fig. 2 angedeuteten Fahrtrichtung eines schematisch angedeuteten Gestänges 3 einer Bearbeitungsmaschine hintereinander liegen. (Siehe Fig. 2). Dadurch "überfährt" zuerst die Sensoreinheit 1 die Kulturpflanzen 4a und anschließend die Einrichtung 2 zum Ausbringen von Wirkstoffen. Wird im Betrieb die Sensoreinheit 1 über die Bewuchsfläche geführt, so erreicht diese ein Strahlungssprung, wenn im Gesichtsfeld der Optik 11 ein Übergang vom Boden 5 zur Kulturpflanze 4a erfolgt. Dieser Strahlungssprung bewirkt in der nachgeordneten Verarbeitungseinheit einen elektrischen Signalsprung, der an eine Steuereinheit weitergegeben wird, durch welche dann der Aktuator zum Ausbringen eines Wirkstoffs in Gang gesetzt wird. Hierbei werden Zeitpunkt und Zeitdauer der Ansteuerung des Aktuators an die tatsächliche Fahrtgeschwindigkeit sowie an die Geometrie der Anordnung angepaßt, so daß ein Ausbringen von Wirkstoffen örtlich und zeitlich optimal erfolgt.

Die gemäß der Erfindung verwendeten Infrarot-Detektoren 10 arbeiten vorzugsweise im Spektralbereich von 8 µm bis 14 µm, da in diesem Spektralbereich das Maximum der emittierten Strahlung für Objekte liegt, deren Temperatur sich im Bereich natürlicher Temperaturen zur Frühjahrs- und Sommerzeit befindet. Ferner ist die Atmosphäre im Bereich von 5 µm bis 8 µm und von 14 µm bis 30 µm über längere Wegstrecken für Infrarot-Strahlung undurchlässig, so daß diese Bereiche ohnehin ungeeignet sind.

Der mechanische Aufbau, der im Prinzip demjenigen bekannter Spritzgeräte entspricht, wird in seiner Geometrie den Verhältnissen in der Anbaufläche angepaßt. In der Regel stehen heranwachsende Kulturpflanzen 4a in parallelen Reihen, die einen gleichen Abstand a voneinander und innerhalb einer Reihe ebenfalls gleiche Abstände haben. Der Boden 5 zwischen den einzelnen Reihen und zwischen den Kulturpflanzen 4a ist unbewachsen, bzw. sollte frei von Wildpflanzen 4b sein.

Wie aus Fig. 1 zu ersehen, sind Sensoreinheiten 1 und Einrichtungen 2 zum Ausbringen von Wirkstoffen an einem schematisch angedeuteten Gestänge 3 in demselben Abstand a wie die Pflanzenreihen und damit wie die in den Reihen angeordneten Kulturpflanzen 4a angebracht bzw. in gleichen Abständen wie die zwischen den Reihen bzw. Reihenzwischenräumen zu bekämpfenden Wildpflanzen 4b.

In der gesamten Arbeitsbreite befindet sich über jeder Pflanzenreihe eine Sensoreinheit 1 einschließlich einer Steuereinheit, eines Aktuators und einer Einrichtung 2 zum Wirkstoff-Ausbringen. Die Strahlungserfassung durch die Sensoreinheiten 1 erfolgt vorzugsweise senkrecht oder unter steilen Blickwinkeln von oben. Hierbei wird das Gesichtsfeld durch Abstimmung der Brennweite einer Optik 11 und der Größe der verwendeten Infrarot-Detektoren 10 so ausgelegt, daß der Gesichtsfeldwinkel α von der üblichen Größe einer Kulturpflanze 4a bzw. Wildpflanze 4b vollständig ausgefüllt wird. Entsprechend der typischen Größe der jeweiligen Pflanzenart wird auch die Betriebshöhe der Sensoreinheiten 1 über dem Bewuchs abgestimmt und eingestellt.

Durch schaukelnde und ungleichmäßige Fahrtbewegungen wird ebenfalls die Blickrichtung der Sensoren und auch der Wirkstoffe ausbringenden Einrichtung 2 bzw. in Form einer Spritz- oder Auswurfeinrichtung beeinflußt. Diesem unerwünschten Einfluß wird einerseits durch eine entsprechend größere Bemessung des Gesichtsfeldes jedes Sensors begegnet, wodurch dann ein größeres Flächensegment als das von der Kulturpflanze 4a bzw. Wildpflanze 4b überdeckte erfaßt wird. Andererseits wird der Einfluß solcher ungleichmäßiger Fahrbewegungen dadurch gering gehalten, daß die Sensoreinheiten 1 und die einzelnen Einrichtungen 2 Wirkstoff-Ausbringen möglichst nahe über den Kulturpflanzen 4a bzw. Wildpflanzen 4b angeordnet und damit über sie hinweg bewegt werden, so daß ein präzises Wirkstoff-Ausbringen gewährleistet ist. Gleichzeitig ist durch ein entsprechend sicheres Montieren der einzelnen Einheiten sichergestellt, daß auch im rauhen Betrieb weder die Pflanzen noch der Boden von Teilen der Einrichtung oder der Einrichtung selbst berührt werden.

Wenn beispielsweise in einem Maisfeld Pflanzen in den einzelnen Reihen bei einem Abstand a der Reihen von 40 cm etwa 30 cm hoch sind, so soll jede Pflanze, von oben gesehen, eine Bodenfläche mit einem Durchmesser von etwa 10 cm überdecken. In einem solchen Fall ist dann beispielsweise die Anordnung der Sensoren der Einrichtung folgendermaßen zu bemessen:

Abstand a der einzelnen Sensoren 1 an einem von dem Ackergerät mitgeführten Gestänge 3: 40 cm
Höhe der einzelnen Sensoren über Grund/Boden: 40 bis 45 cm
Brennweite der Optik 11 (Fresnellinsen): 8 mm
Durchmesser eines Infrarot-Detektors 10 bzw. eines Detektors 10′: 4 mm
Gesichtsfeldwinkel (Pflanze): 12,6 bis 14,3°
Gesichtsfeldwinkel α (insgesamt): 28°
Durchmesser einer erfaßten Bodenfläche: 20 cm

Während die Pflanze nur einen Durchmesser von 10 cm hat, beträgt der Durchmesser der erfaßten Bodenfläche 20 cm. Damit ist eine sichere Detektion der Pflanze gewährleistet, selbst wenn - innerhalb der vorgegebenen Grenzen - die Anordnung schwankt oder das Fahrzeug ungenau geführt wird.

Als Infrarot-Detektoren 10 eignen sich prinzipiell alle derzeit verfügbaren Detektoren, die in dem Wellenbereich von 8 bis 14 µm arbeiten. Die Verwendung und der Einsatz thermoelektrischer Detektoren wird wegen deren vergleichsweise geringen Preises, deren standardisierten Aufbaus (TO5 Gehäuse), deren einfachen Betriebs, da keine Kühlung erforderlich ist, sowie wegen deren Zuverlässigkeit bevorzugt. Thermoelektrische Detektoren sind beispielsweise das Thermoelement, in Form einer "Thermosäule", ein Termistor bzw. ein Thermowiderstand und pyro-elektrische Detektoren. Unter den zuletzt angeführten Elementen ist wiederum das zuletzt genannte besonders preiswert und hat vor allem eine kleine Zeitkonstante, was einer hohen Ansprechgeschwindigkeit entspricht. Mit diesen Elementen ist ein sicherer Betrieb der erfindungsgemäßen Anordnung auch bei schneller Fahrt einer Bearbeitungsmaschine möglich, und sie werden daher bei der Erfindung bevorzugt verwendet. Da pyroelektrische Detektoren auch piezo-elektrisch reagieren, und sie deshalb mehr oder weniger stark vibrationsempfindlich sind, ist bei der Auswahl geeigneter Detektoren auch dieser Aspekt zu beachten. Zur Zeit sind Detektoren erhältlich, die eine sehr geringe Vibrationsempfindlichkeit aufweisen.

Es gibt ferner piezo-elektrische Detektorausführungen, die zwei elektrisch gegenpolig gekoppelte, strahlungsempfindliche Elemente in ein und demselben Gehäuse aufweisen, von welchen eines die Strahlung empfängt und das andere "abgedunkelt" angebracht ist. Dadurch ist erreicht, daß nur ein Element auf einfallende Strahlung reagiert und folglich ein Signal liefert, während beide in gleicher Weise auf Vibration reagieren. Beide Elemente liefern daher identische Vibrationssignale, die sich wegen der gegenpoligen Kopplung gegenseitig eliminieren. Derartige Detektoren werden daher bevorzugt verwendet. Ferner können durch bekannte, mechanische Dämpfungsmaßnahmen die Einflüsse von Fahrzeugvibrationen auf den Sensor 1 noch weiter gedämpft und damit gemildert werden.

Als Optik 11 zur Strahlenbündelung werden bevorzugt Fresnellinsen verwendet, und zwar in einer Multisegment-Anordnung 11a, wie in Fig. 3A schematisch in einer unmaßstäblichen Ansicht von unten gezeigt ist. Eine derartige Multisegment-Anordnung 11a besteht aus einer Anzahl von n meist rechteckförmigen Einzellinsen 11b, die nebeneinander angeordnet sind und dadurch eine Linsenzeile bilden. Die Einzellinsen 11b sind eben oder auch gewölbt vor einem schematisch angedeuteten Infrarot-Detektor 10 angebracht.

Da jede Einzellinse 11b nur ein schmales Strahlenbündel 11c zum Infrarot-Detektor 10 lenkt, wie aus Fig. 3B zu ersehen ist, erfaßt der Infrarot-Detektor 10 Strahlung von n benachbarten Strahlenbündeln 11c, die gemeinsam einen Streifen bilden. Dabei hängt die Geometrie jedes einzelnen Strahlenbündels 11c und damit des Streifens von den Abmessungen des Infrarot-Detektors 10 und der Multisegment-Anordnung 11a der Linsen ab.

In Fig. 3A ist beispielsweise eine Linsenanordnung mit acht Einzellinsen 11b verwendet, die jeweils eine Brennweite von 3 cm haben. Wenn der Infrarot-Detektor 10 quadratisch ist und eine Kantenlänge von 1,5 mm hat, ergibt sich damit ein Raumwinkel von 2,5 mrad für ein Linsenelement. Wenn eine solche Anordnung in einer Anbringungshöhe h von 125 cm über dem Boden 5 montiert ist, wird mit einer solchen Anordnung etwa ein Streifen mit einer Breite b von 50 cm und einer Tiefe t von 4 cm erfaßt (Hierbei ist die Apertur der Einzellinse 11b von etwa (4×4)cm² berücksichtigt).

Wie aus Fig. 3C zu ersehen ist, ist in der durch einen nach rechts weisenden Pfeil angedeuteten Fahrtrichtung der erfaßte Streifen schmal, wodurch ein hoher Signalsprung erreicht wird, wenn im Einsatz Bodenstrukturen mit wechselnden Strahlungseigenschaften überfahren werden; hierbei beruhen die wechselnden Strahlungseigenschaften auf dem Wechsel von Boden 5 zu Vegation. Quer zur Fahrtrichtung wird, wie aus Fig. 3B zu ersehen ist, ein erheblich breiterer Streifen erfaßt, welcher bei den vorstehend angeführten Abmessungen der einzelnen Elemente eine Breite b von 50 cm hat. Da zwischen der Anbringungshöhe h und der Breite b des erfaßten Streifens ein linearer Zusammenhang besteht, braucht, wenn der zu überwachende Streifen nur 25 cm breit ist, das Gerät lediglich in einer Höhe h′ von 62,5 cm angebracht zu werden. In diesem Fall ist dann der Streifen in Fahrtrichtung nur noch 2 cm tief, was jedoch in keiner Weise nachteilig ist.

In Fig. 4 ist eine Anordnung aus einem Detektor 10′ und einer Optik 11 in Form einer Fresnellinse mit 26 Elementen dargestellt, welche als Massenartikel preiswert zu erhalten sind. Die in Fig. 4 dargestellte Anordnung hat einen Gesichtsfeldwinkel α = 90. Wie in Fig. 5 gezeigt, wird der unmaßstäblich wiedergegebene Gesichtsfeldwinkel α′ mit einer entsprechend dimensionierten Tubusblende Tb auf einen Winkel von etwa 40 reduziert. Die Tubusblende Tb in Fig. 5 hat die Form eines im Querschnitt zylindrischen oder rechteckigen Metall- bzw. Kunststoffrohrs, das sowohl für infrarote als auch für sichtbare Strahlung undurchlässig ist. Insbesondere ist die Tubusblende Tb vorgesehen, um Wind oder Fahrtwind von der Linse bzw. der Linsenanordnung 11′ und auch von der dem Detektor 10′ zugewandten Gehäuseseite fernzuhalten. Durch Wind, welcher dem Detektor 10′ zugewandte Elemente bzw. Komponenten (z. B. der Linsenanordnung 11′) erreicht, wird deren Temperatur verändert, wodurch am Detektor 10′ ein Signal erzeugt und ein Fehlalarm ausgelöst werden kann. Darüber hinaus schützt die Tubusblende Tb die Linse bzw. die Linsenanordnung 11′ vor einer Kontaminierung durch Pollen, Tau oder Regen von hochstehenden Gewächsen bzw. Gräsern.

Im Einsatz wird eine Bearbeitungsmaschine, an welcher das Gestänge 3 angebracht ist, so geführt, daß die Sensoreinheiten 1 sowie die Einrichtungen 2 zum Wirkstoff-Ausbringen immer über einer zugeordneten Reihe von Kulturpflanzen 4a angeordnet sind. Jede Sensoreinheit 1 erkennt dann für sich die Kulturpflanzen 4a in seiner Reihe und steuert unabhängig von den übrigen Sensoreinheiten 1 das ihm zugeordnete Wirkstoff-Ausbringen. Hierbei sind Zeitpunkt, Zeitdauer und Geometrie der Ausbringung so gestaltet, daß der Wirkstoff in gewünschter Menge nur an den gewünschten Ort gelangt. Das bedeutet in der Praxis, daß beispielsweise Sprühdüsen mit einem engeren Sprühkegel auszustatten sind als bei einer flächendeckenden Sprühung oder aber auch, daß Streugut nicht nahezu horizontal herausgeschleudert wird, sondern senkrecht zum Boden 5 rieseln muß, bzw. beispielsweise mittels Preßluft herausgeschleudert wird.

Mit Hilfe der bisher beschriebenen Ausführungsformen können Kulturpflanzen 4a auf sonst unbewachsenem Boden 5 erkannt werden. Nachfolgend werden weitere Ausführungsformen beschrieben, mit welchen sowohl Pflanzen in nichtdeckend bewachsenem Boden erkannt werden, als auch Kultur- und Wildpflanzen 4a bzw. 4b voneinander unterschieden werden. Bei einer ersten Ausführungsform wird dieses Problem in zwei Teillösungen behandelt. Diese Ausführungsform kann bei der vorstehend beschriebenen Anbauform von Kulturpflanzen 4a in parallelen Reihen gleichen Abstands a angewendet werden, wobei die Kenntnis ausgenutzt wird, daß Pflanzen zwischen den Reihen praktisch nur Wildpflanzen 4b sein können. Gemäß der Erfindung wird eine der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet, die jedoch mit weiteren Sensoren 1 und Einrichtungen 2 zum Ausbringen von Wirkstoff versehen sind, so daß sowohl die Kulturpflanzen 4a in den Reihen als auch zwischen den Reihen der Kulturpflanzen 4a vorhandenen Wildpflanzen 4b erkannt und lokalisiert werden. Die so zwischen den Reihen erkannten Wildpflanzen 4b können dann mit geeigneten Mitteln bekämpft werden und zwar analog der vorstehend beschriebenen Behandlung von Kulturpflanzen 4a. Je nach flächenhafter Ausdehnung der zu erkennenden Wildpflanzen 4b kann es notwendig sein, mehr Sensoren nebeneinander zum Überwachen eines jeden Reihenzwischenraums anzuordnen. Es ist auch möglich, dazu einen Mehrelementdetektor in nur einem Sensor zu verwenden. Ferner kann auch ein Mehrelementdetektor in nur einem Sensor verwendet werden.

Aus der Position des Signal abgebenden Detektorelements kann dabei auf die Lage der Wildpflanze 4b in dem Zwischenraum zwischen den Reihen geschlossen werden und es können die notwendigen Maßnahmen entsprechend gezielt durchgeführt werden. Dazu ist es auch möglich, dem Sensor mit Mehrelementdetektor eine Ausbringeinheit mit mehreren Düsen bzw. Ausbringöffnungen zuzuordnen, die von dem zugehörigen Detektorelement gesteuert werden. Die Anzahl der Detektorelemente, deren optische Auslegung und deren mechanische Geometrie, sowie die Ausbringeinheiten sind so aufeinander abzustimmen, daß der gesamte Reihenzwischenraum in der gewünschten geometrischen Auflösung, d. h. der Größe der unabhängig voneinander erfaßten Bodensegmente, überwacht und bearbeitet werden kann.

Es werden mittels der Sensoreinheiten 1, welche die Reihen der Kulturpflanzen 4a überwachen, Wildpflanzen 4b zwischen den Kulturpflanzen 4a innerhalb der Reihen erkannt; d. h. es werden Kultur- und Wildpflanzen 4a bzw. 4b unterschieden. Mit den Infrarot-Sensoren werden die unterschiedlichen Intensitäten der Infrarot-Strahlungen von Kultur- und Wildpflanzen genutzt. Beispielsweise ist die Intensität der Infrarot-Strahlung von Blattpflanzen und Gräsern unterschiedlich stark und ermöglicht damit deren Unterscheidung. Um dies zu erreichen, ist in der Regel eine sogenannte "Einlernphase" für die Sensoreinheit bzw. Einheiten durchzuführen; das bedeutet, zu Beginn jedes Einsatzes wird mit der Sensoreinheit 1 die spektrale Signatur von Kultur- 4a und Wildpflanzen 4b getrennt aufgenommen. Der Signalelektronik wird dann über eine Eingabeeinheit mitgeteilt, ob die aufgenommenen Signaturen von Kultur- 4a oder Wildpflanzen 4b stammen. Der optimale Algorithmus zur Klassifikation (Differenz-Quotientenbildung, usw.) wird dann von der Auswerteeinheit automatisch oder in einem Dialog mit dem Anwender ermittelt und in einem anschließend durchgeführten Einsatz angewendet.

In gleicher Weise ist auch der Farbton des Pflanzengrüns ein Indikator für die Pflanzenart. Unterschiedliche Pflanzen lassen sich an ihrem Grün aufgrund der unterschiedlichen Reflexionseigenschaften erkennen. Dies gilt in analoger Weise für die Farben der Pflanzen und des Bodens 5 im gesamten Spektrum des sichtbaren Lichts. Besonders stark ausgeprägt sind die Unterschiede des Reflexions-Emissions-Verhalten auch im Spektralbereich Nahes-Infrarot.

Diese Tatsachen werden zur Unterscheidung von Kultur- 4a und Wildpflanzen 4b mit einem optischen Sensor genutzt, der mehrere Kanäle im Spektralbereich von 0,4 m bis etwa 2,8 m aufweist. Beispielsweise hat ein Sensor drei Maßkanäle, nämlich zwei Kanäle in den Chlorophyll-Absorptionsbanden bei 0,45 m und 0,65 m und einen dritten Kanal bei etwa 1 m. Die Signale dieser drei Kanäle werden gleichzeitig erfaßt, digitalisiert und einer dem Sensor nachgeschalteten, digitalen Auswerteeinheit in Form digitaler Datenworte übergeben. Als digitale Auswerteeinheit kann ein Rechner, beispielsweise in Mikroprozessor verwendet werden. In einer solchen Auswerteeinheit werden dann aus den digitalen Daten aller Kanäle mittels bekannter Algorithmen zur Klassifikation die Arten der erfaßten Daten identifiziert.

Da die genutzten Reflexionseigenschaften der Pflanzen von deren Alter, Reifegrad, Ernährungszustand sowie von der Beschaffenheit und der Feuchte des Standortes und außerdem ihre spektrale Signatur von der jeweiligen Einstrahlung bei Sonne, Bewölkung, Nebel, Dunst, u. ä. abhängen, kann mit der erfindungsgemäßen Einrichtung ein sogenannter "Einlernzyklus" durchgeführt werden. (Im übrigen hängt auch die Signatur des Bodens von dessen Zusammensetzung, Feuchte und Bestrahlung ab).

Hierzu wird zu Beginn eines Einsatzes mit Hilfe der Sensoreinheit die spektrale Signatur von Kultur- und Wildpflanzen getrennt aufgenommen. Der Auswerteeinheit wird dann über eine Eingabeeinheit mitgeteilt, ob die aufgenommenen Signaturen von Kultur- oder Wildpflanzen stammen. Der optimale Algorithmus zur Klassifikation wird dann von der Auswerteeinheit automatisch oder im Dialog mit dem Anwender ermittelt und im anschließend durchgeführten Einsatz angewendet.

Alle bisher beschriebenen Ausführungsbeispiele können auch dazu verwendet werden, um den Durchmesser der erfaßten Pflanzen, d. h. den Durchmesser in Fahrtrichtung der landwirtschaflichen Maschine zu bestimmen. Die optischen Sensoren registrieren ein Signalwechsel, wenn eine Pflanze in ihr Gesichtsfeld gelangt und einen weiteren Signalwechsel, wenn die Pflanze das Gesichtsfeld wieder verläßt. Die Zeitdauer zwischen den beiden Signalwechselvorgängen wird in der Auswerteeinheit bestimmt; außerdem wird dort auch die tatsächliche Geschwindigkeit der Maschine (schlupfkorrigiert) registriert. Die Auswerteeinheit bildet das Produkt aus Zeitdauer und Geschwindigkeit. Die so erhaltene Information über die Größe, d. h. den Durchmesser der Pflanze wird mit der in der Auswerteeinheit gespeicherten Größe einer erntereifen Pflanze der jeweiligen Art verglichen. Als Resultat wird dann das Kommando "Ernten" bzw. "Nicht-Ernten" an die zugehörige automatische Ernteeinheit der Maschine gegeben, welche analog der Ausführungsform in Fig. 2 bezüglich der Einrichtung 2 zum Wirkstoff-Ausbringen in Fahrtrichtung hinter der Sensoreinheit 1 angebracht wird und da entsprechend verfährt.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Einrichtung ist es bezüglich der Pflanzenpflege möglich, Kulturpflanzen in einer landwirtschaftlich oder gärtnerisch genutzten Anbaufläche zu erkennen und obendrein auch noch Kultur- 4a von Wildpflanzen 4b zu unterschieden. Indentifizierte Pflanzen können dann gezielt behandelt werden, so beispielsweise werden Kulturpflanzen 4a gewässert, gedüngt oder mit Schädlings-Bekämpfungsmitteln behandelt, während Wildpflanzen 4b mechanisch, chemisch oder thermisch vernichtet werden. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Einrichtung werden die eingesetzten Wirkstoffe ausschließlich an den für sie bestimmten Orten in der minimal notwendigen Menge ausgebracht, so daß ihr Einsatz auf diese Weise ökonomisch und ökologisch optimiert ist. Der finanzielle Aufwand, insbesondere hinsichtlich der Kosten der auszubringenden Wirkstoffe, wird durch eine sparsame Verwendung verringert; gleichzeitig wird die unerwünschte Belastung von Boden, Grundwasser und Kulturpflanzen minimal gehalten. Obendrein wird die Qualität der erzeugten Kulturpflanzen gesteigert. Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß in einem Arbeitsgang verschiedene Bearbeitungsschritte gleichzeitig vorgenommen werden können: so können die Kulturpflanzen 4a gedüngt und bewässert werden, während gleichzeitig die Wildpflanzen 4b bekämpft werden. Dadurch werden Arbeitszeit und Arbeitsenergie (z. B. Treibstoff) eingespart. Obendrein kann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Einrichtungen die bisher nur aufwendig durchzuführende Ernte einzelner Pflanzen automatisiert und damit wirtschaftlicher durchgeführt werden.

Claims (4)

1. Einrichtung zum Erkennen und Unterscheiden von Bodenbereichen und Pflanzen sowie zum Unterscheiden von Kultur- (4a) und Wildpflanzen (4b), bei welcher eine Sensoreinheit (1) mit einer Optik (11), ein Infrarot-Detektor (10) oder ein Detektor (10′) für sichtbares Licht sowie eine elektronische Signalverarbeitungseinheit vorgesehen sind, so daß die vom Boden (5) oder einer Pflanze ausgehende Strahlung durch die Optik (11) auf dem Detektor (10, 10′) gebündelt wird, der ein elektrisches Signal erzeugt, dessen Höhe von der Intensität der auftreffenden Strahlung abhängt, das Signal mittels einer elektronischen Signalverarbeitung zu einem Steuersignal verarbeitet wird, und der elektronischen Signalverarbeitungseinheit eine elektronische Steuereinheit und ein Aktuator, der mit einer Einrichtung (2) zur Wirkstoff-Ausbringung in Verbindung steht, nachgeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß
die Sensoreinheit (1) je einen Sensor für sichtbares Licht und für infrarote Strahlung aufweist,
daß zum Erkennen der Pflanzen und zum Unterscheiden der Kultur- (4a) und Wildpflanzen (4b) mit Hilfe der Unterschiede in den Strahlungseigenschaften (Reflexion, Emission) unterschiedlicher Pflanzenarten und des Bodens (5) im gesamten Spektrum sichtbaren Lichts und im Spektralbereich Nahes-Infrarot ein optischer Sensor mit mehreren Meßkanälen im Spektralbereich von 0,4 µm bis etwa 2,8 µm, nämlich zwei Kanälen in Chlorophyll-Absorptionsbanden bei 0,45 µm oder 0,65 µm und einem dritten Kanal bei etwa 1 µm vorgesehen ist,
daß der Infrarot-Detektor (10) ein pyroelektrischer Detektor für einen Wellenbereich von 8 bis 14 µm ist, der zur Kompensation von mechanischen Schwingungen mit einem zweiten, gegenpolig geschalteten, abgedunkelten Detektorelement ausgerüstet ist,
daß die Optik (11) eine streifenförmige Multisegment-Anordnung (11a) aus einer Anzahl Einzellinsen (11b) aufweist, die quer zur Fahrtrichtung ausgerichtet und somit in Fahrtrichtung schmal ist, so daß ein hoher Signalsprung dann erreicht wird, wenn im Einsatz Bodenstrukturen wie ein Wechsel von Boden (5) und Vegetation (4a, 4b) mit wechselnden Strahlungseigenschaften überfahren werden,
daß die Signale aller drei Kanäle gleichzeitig erfaßt, digitalisiert und einer dem optischen Sensor nachgeschalteten, digitalen Auswerteeinheit in Form digitaler Datenworte übergeben werden, wobei
in der Auswerteeinheit aus den digitalen Daten aller drei Kanäle mittels bekannter Algorithmen zur Klassifikation die Arten der erfaßten Pflanzen identifiziert werden, indem zu Beginn eines Einsatzes mit der Sensoreinheit spektrale Signaturen von Kultur- (4a) und Wildpflanzen (4b) getrennt aufgenommen werden und der Auswerteeinheit über eine Eingabeeinheit mitgeteilt wird, ob die aufgenommene Signatur von Kultur- (4a) oder Wildpflanzen (4b) stammt, wobei der optimale Algorithmus zur Klassifikation von der Auswerteeinheit automatisch oder im Dialog mit einem Anwender ermittelt und im anschließend durchgeführten Einsatz angewendet wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Optik (11) zur Strahlungssammlung Fresnellinsen in der Multisegment-Anordnung (11a) vorgesehen sind, die aus einer Anzahl von n rechteckigen oder quadratischen Einzellinsen (11b) gebildet sind, welche nebeneinander angeordnet sind und in etwa eine Zeilenlinse bilden, sowie plan oder auch gewölbt vor dem Detektor (10) angebracht sind, wobei jede Einzellinse (11b) nur ein schmales Strahlenbündel zum Detektor (10) lenkt, welcher wegen der n Einzellinsen die Strahlung aus einem Streifen von n benachbarten Bündeln empfängt.

3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der Linsenanordnung (11′) eine Tubusblende (Tb) aus einem zylindrischen oder rechteckigen Rohr aus einem für Infrarot-Strahlung und sichtbare Strahlung undurchlässigen Material vorgesehen ist.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auswerteeinheit aus erfaßten Signalen Information über Durchmesser von Kulturpflanzen (4a) gewonnen wird, indem die zeitliche Dauer des von einer Kulturpflanze (4a) stammenden Signals und die tatsächliche Fahrgeschwindigkeit des Ackergeräts erfaßt werden, aus diesen beiden Größen in der Auswerteeinheit der Durchmesser der Kulturpflanze (4a) errechnet und mit den gespeicherten Durchmesser-Daten von Kulturpflanzen verglichen wird.