DE60132018T2

DE60132018T2 - Verfahren zur schätzung des ernteertrages

Info

Publication number: DE60132018T2
Application number: DE60132018T
Authority: DE
Inventors: Koen Maertens
Original assignee: CNH Belgium NV
Current assignee: CNH Industrial Belgium NV
Priority date: 2000-11-24
Filing date: 2001-11-22
Publication date: 2008-04-10
Anticipated expiration: 2021-11-23
Also published as: EP1349443B1; US20040194442A1; ATE381252T1; WO2002041687A2; GB0028665D0; US7089117B2; EP1349443A2; DK1349443T3; WO2002041687A3; DE60132018D1; AU2002235738A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schätzen des Ernteertrages während des Erntens eines Feldes unter Verwendung einer Erntemaschine, wie zum Beispiel, jedoch ohne Beschränkung hierauf, durch einen Mähdrescher, der zum Mähen und/oder Sammeln von Erntematerial betrieben wird. Eine derartige Maschine kann typischerweise das Erntematerial nach dem Mähen verarbeiten.
Andere Arten von Erntemaschinen, wie zum Beispiel Rüben- oder Kartoffel-Erntemaschinen, graben Wurzeln und Knollen aus dem Boden aus. Ballenpressen sammeln Heu, das vorher unter Verwendung einer Mähmaschine oder eines Schnitters gemäht wurde; und Flachs-Erntemaschinen ziehen Flachs aus dem Boden. In manchen Ländern wird Weizen-Erntematerial gemäht und einen Tag auf dem Feld gelassen, bevor es von einem Mähdrescher aufgesammelt wird, der mit einem Rechenhaspel-Vorsatzgerät ausgerüstet ist.
In einem Mähdrescher werden gemähte Ähren des Erntematerials in das Innere der Maschine gefördert, wo das Korn von dem Rest des biologischen Materials in einem Dreschmechanismus getrennt wird.
Das resultierende gereinigte Korn wird zu einem Tank für reines Korn in dem Mähdrescher gefördert, während kurze Teile von Stroh, Spreu, Überkehr, Spelzen, Staub usw. (hier „Sekundärprodukte") zum Feld zurückgeliefert werden.
Diese Ausdrücke werden in dieser gesamten Beschreibung hauptsächlich aus Gründen der Bequemlichkeit verwendet, und es sollte verständlich sein, dass diese Ausdrücke nicht beschränkend sein sollen. Somit bezieht sich „Korn" auf den Teil des Erntematerials, der gedroschen und von dem zu verwerfenden Teil des Erntematerials getrennt wird, der als „Stroh" bezeichnet wird. Unvollständig gedroschene Ähren sind als „Überkehr" bekannt. Weiterhin werden die Ausdrücke „vorwärts", „rückwärts", „oben", „unten", „links", „rechts" usw. bei ihrer Verwendung in Verbindung mit dem Mähdrescher und/oder Teilen hiervon unter Bezugnahme auf den Mähdrescher in dessen normalen Betriebszustand bestimmt, und sie können sich entweder auf die Richtung der Betriebs-Vorwärtsbewegung des Mähdreschers oder die Richtung des normalen Materialflusses durch deren Bestandteile beziehen. Diese Ausdrücke sollten nicht als beschränkend ausgelegt werden.
Nicht alle Ähren des Getreides werden vollständig in dem Dreschmechnanismus gedroschen, so dass ein Mähdrescher typischerweise einen Vorwärts-Korn-Pfad (das heißt den normalen Pfad zwischen seinem Mähbalken und Tank für reines Korn) und einen Rücklauf-Pfad einschließt, das heißt einen mechanischen Rückführungs-Pfad, über den unvollständig gedroschene Ähren zu dem Anfang des Dreschprozesses für ein Nachdreschen zurückgeführt werden.
In den letzten Jahren wurde es zunehmend wichtig, in der Lage zu sein, den Ertrag eines Erntematerial erzeugenden Feldes mit hoher Genauigkeit aufzuzeichnen. Eine der vielen Gründe, warum eine derartig Aufzeichnung wünschenswert ist, besteht darin, dass ein Landwirt wissen möchte, welche Teile eines Feldes einen hohen Ernteertrag erzeugen, und welche Teile einen niedrigen Ernteertrag. Der Landwirt kann dann eine Ertragskarte des Feldes verwenden, die durch Speichern von Ertragsdaten, die zum Zeitpunkt des Erntens des Feldes aufgezeichnet wurden, in digitaler Form hergestellt wird, um beispielsweise einen computergesteuerten Düngerstreuer zu steuern, der an einem Traktor angebracht ist, um die Fruchtbarkeit von einen niedrigen Ertrag aufweisenden Abschnitten zu verbessern. Die Ertragskarte kann weiterhin beispielsweise zur Identifikation von Feldabschnitten verwendet werden, an denen eine verstärkte Unkrautkontrolle erforderlich ist.
Weil Agrikultur-Chemikalien üblicherweise einen wichtigen Kostenfaktor darstellen, ist es aus wirtschaftlichen Gründen wichtig, dass der Landwirt nicht mehr auf ein Feld sprüht, als dies erforderlich ist.
Eine korrekte Dosierung für unterschiedliche Teile eines Feldes ist auch aus Umweltgründen wichtig. Beispielsweise verringern manche Agrikultur-Chemikalien tatsächlich die Boden-Fruchtbarkeit, wenn sie in einer zu hohen Konzentration aufgebracht werden, und Landwirte sind selbstverständlich dauernd bestrebt, die Regenwasser-Auswaschung von Agrikultur-Chemikalien in Drainage-Kanäle und dann in die örtliche Umgebung zu einem Minimum zu machen.
Ein Mähdrescher ist im Prinzip ideal für die Aufzeichnung von Feld-Ertragsdaten, weil er sich über das Feld bewegt, während er das Erntmaterial erntet, wodurch die gleichzeitige Aufzeichnung von ortsspezifischen Ertragsdaten erleichtert wird. Verschiedene von Natur aus vorgegebene Merkmale der Mähdrescher-Konstruktionen machen jedoch die Ertragsdaten, die während des Erntevorganges aufgezeichnet werden, weniger genau, als sie anderenfalls sein könnten.
Ein wichtiger Faktor besteht darin, dass es weder möglich noch wünschenswert ist, den Ernteertrag am Mähbalken des Mähdreschers aufzuzeichnen. Dies ergibt sich teilweise daraus, dass die Breite, über die der Mähbalken das Erntematerial mäht, es unmöglich macht, das gesamte Erntematerial aufzuzeichnen, ohne in schwerwiegender Weise die Erntematerial-Strömung zu behindern und damit die Arbeitsgeschwindigkeit der Erntemaschine zu verringern. Außerdem befindet sich selbstverständlich der Ort des Mähbalkens in einer rauhen Umgebung. Entsprechend schließen die Ausgangssignale von am Mähbalken befestigten Wandlern mit großer Wahrscheinlichkeit beträchtliche Störungen ein.
Weiterhin ist es selbstverständlich wesentlich wertvoller, den Korn-Ertrag zu kennen, im Gegensatz zu dem Ertrag an Korn plus sekundären Ernteprodukten, die üblicherweise als anderes Material als Korn (hier „MOG") bezeichnet werden. Die erstgenannte Art von Ertragsdaten ist an dem Mähbalken nicht verfügbar, weil an dieser Stufe keine Trennung des Korns von dem MOG auftritt.
Aus diesem und anderen Gründen wird der geerntete Ernteertrag in einem Mähdrescher unter Verwendung eines Korn-Massenstrom-Ratensensors gemessen, der sich an dem Ende des Vorwärts-Korn-Pfades befindet, jenseits des Zweiges, der den Rücklauf-Pfad definiert.
Die Messung des Korn-Ertrags an einer derartigen Stelle in einem Mähdrescher ist weniger genau, als er sein könnte, und zwar aus den folgenden Gründen:

1. Es gibt eine Zeitverzögerung von Δt Sekunden, typischerweise 9 ≤ Δt ≤ 20s, zwischen dem Mähen des Erntematerials an dem Mähbalken und dem Auftreffen des gereinigten Korns auf dem Massenstroms-Sensor;
2. Die Dynamiken der Vorwärts- und Rücklauf-Korn-Pfade führen Störungen ein, die aus jedem Modell beseitigt werden müssen, das zum Schätzen des wahren Ernteertrages aus dem Korn-Massenstrom-Sensorausgang verwendet wird.

Es gibt derzeit zwei Lösungen für die Berechnung von Ertrag-Schätzwerten aus dem Ausgangssignal des Korn-Massenstrom-Sensors.
Die sogenannte „klassische Lösung" für Ertrags-Kartierungssysteme leitet den Ertrag aus der folgenden Gleichung ab:
Darin ist y ^(t) das abgeleitete Ertragsverhältnis (kg/m²),
ist die gemessene Massenströmungs-Rate (kg/s), die von dem Ausgangssignal von dem Massenstrom-Raten-Sensor abgeleitet wird, v ^(t) ist die Vorwärts-Geschwindigkeit (m/s) des Mähdreschers, die unter Verwendung beispielsweise eines Radar-Doppler-Sensors oder eines äquivalenten Gerätes bestimmt wird, w ^(t) oder die Arbeitsbreite ist die effektive Breite (m) des Mähbalkens der Erntemaschine, das heißt die Breite des Mähbalken-Abschnittes, die tatsächlich mit dem Erntematerial in Eingriff kommt und dieses mäht oder schneidet. Die Geschwindigkeits- und Breiten-Faktoren können in eine einzige geschätzte Oberflächen-Rate s ^(t) (m²/s) kombiniert werden.
Das Ertrags-Ergebnis für jeden Zeitpunkt kann nicht direkt auf den Ort bezogen werden, an dem sich der Mähdrescher zum Zeitpunkt der Ertragsmessung befand. Wie dies vorstehend erwähnt wurde, gibt es eine erhebliche Zeitverzögerung zwischen dem Zeitpunkt, zu dem die Getreide-Stängel gemäht werden, und dem Zeitpunkt, zu dem das gedroschene Korn durch den Massenstrom-Raten-Sensor hindurchläuft. Diese Verzögerung hängt von der Art der Erntemaschine und dem Ort des Sensors ab.
Entsprechend wird das Massenstrom-Raten-Signal zur Zeit t(x) durch die Geschwindigkeits- und Mähbalken-Arbeitsbreiten-Werte zur Zeit t(x-Δt) dividiert. Der resultierende Ertrags-Schätzwert wird dem Ort des Mähdreschers zum Zeitpunkt t(x-Δt) zugeordnet, wenn die gesammelten Daten in einer Speichervorrichtung gespeichert oder zur Erzeugung einer Feld-Ertragskarte verwendet werden.
Diese klassische Lösung wird in der EP-A-0 960 558 verwendet, die weiterhin vorschlägt, die Ertragsdaten zu ignorieren, die nicht in zuverlässiger Weise die aktuelle Ertragsrate des Feldes wiedergeben, beispielsweise weil sich der Mähdrescher mit einer übermäßig hohen oder niedrigen Geschwindigkeit bewegt, weil der Mähdrescher auf einem vorher abgeernteten Feld-Streifen fährt, wie zum Beispiel einem Wendebereich, oder weil das Erntematerial lagernd ist.
Das klassische System berücksichtigt nicht die Filter- oder Glättungswirkung, die sich aus dem Dreschprozess ergibt. Eine steile Änderung der Rate der Aufnahme des Erntematerials in den Einlass des Vorsatzgerätes (beispielsweise beim Einfahren in ein Feld) führt, nicht zu einer steilen Stufenfunktion an den Massenstrom-Raten-Sensor. Es gibt einen gewissen „Schmier"-Effekt.
Es wurde daher bereits vorgeschlagen, den geschätzten Korn-Ertrag y ^₁(t) zum Zeitpunkt t durch eine Technik zu modellieren (die hier als eine „inverse dynamische" Filterung bezeichnet wird), die das Filtern des Korn-Massenstrom-Sensor-Ausgangssignals mit dem inversen Wert einer Funktion P(s) beinhaltet, die die Dynamiken der Vorwärts- und Rücklauf-Korn-Pfade modelliert.
Es wurde festgestellt, dass eine derartige Technik sehr gut die Änderungen der Korn-Zuführungs-Rate modelliert, die sich von Änderungen in den Feldbedingungen ableiten, auf die der Mähdrescher trifft. Das verfügbare Ausganssignal enthält jedoch sehr starke Hochfrequenz-Störungen, so dass es auch erforderlich ist, ein Tiefpassfilter auf das Signal anzuwenden. In Abhängigkeit von der Wahl der Grenzfrequenz des Tiefpassfilters können viele wertvolle Daten während der Tiefpassfilterung verloren gehen, mit dem Ergebnis, dass die inverse dynamische Filterung insgesamt im Sinne einer zu niedrigen Schätzung des wahren Korn-Ertrages unter bestimmten Umständen wirkt. Weiterhin weist die Funktion P(s) als solche gewisse Tiefpass-Charakteristiken auf, so dass die inverse Funktion im Sinne einer Verstärkung des Einflusses von zufälligen Änderungen des Ausgangssignals wirkt. Daher ergibt die Verwendung der „inversen Dynamiken" nicht notwendigerweise ein wahres Bild der tatsächlichen Feld-Raten.
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verbesserung der Qualität von Ertragskarten und der Erzeugung von Ertragsdaten zu schaffen, das die Dynamiken der Erntemaschine berücksichtigt, das jedoch nicht an unannehmbar vergrößerten Effekten von zufälligen Störungen leidet.
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zum Schätzen des momentanen Ernteertrages y ^₂(t) zur Zeit t in einem Feld während des Erntens mit einer Erntemaschine geschaffen, die durch Mähen des Erntematerials arbeitet und einen Erntematerial-Massenstrom-Sensor aufweist, der die Massenstrom-Rate von von der Maschine verarbeitetem Erntematerial an einer Stelle misst, die von der Stelle entfernt ist, an der die Erntemaschine das Erntematerial mäht und/oder sammelt, und der ein diese anzeigendes Signal
erzeugt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

(i) Erzeugen der genannten Massenstrom-Raten-Signals
unter Verwendung des Massenstrom-Sensors; und
(ii) Erzeugen eines Flächen-Raten-Signals s ^(t), das Zeitdomänen-Änderungen der Fläche des Feldes anzeigt, die pro Zeiteinheit abgeerntet wird; dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin die folgenden Schritte umfasst:
(iii) Filtern des Flächen-Raten-Signals s ^(t) unter Verwendung einer Funktion P(s), die die Dynamiken der Erntemaschine darstellt, um ein gefiltertes Flächen-Raten-Signal s ^₂(t) zu erzeugen; und
(iv) Verwenden des gefilterten Flächen-Raten-Signals s ^₂(t) zum Ableiten eines Ertrags pro Flächeneinheit aus dem Massenstrom-Raten-Signal

Wie dies hier verwendet wird, steht
für die tatsächliche Massenstrom-Rate entlang des Massenstrom-Sensors, und
steht für die Massenstrom-Rate, wie sie durch den Massenstrom-Sensor festgestellt wird (Messergebnisse).
Dieses Verfahren vermeidet die Notwendigkeit eines Tiefpassfilters derart, wie es bei der „Inversen Dynamiken"-Technik verwendet wird, wie dies weiter oben erläutert wurde. Entsprechend besteht eine geringere Wahrscheinlichkeit, dass das Verfahren der Erfindung eine zu niedrige oder zu hohe Schätzung des Korn-Ertrages in den Perioden unmittelbar vor und nach einer scharfen Änderung der Massenstrom-Rate ergibt, die sich aus einer Änderung der Rate der Fläche des Feldes ergibt, die zum Zeitpunkt t abgeerntet wird.
Änderungen der abgeernteten Fläche des Feldes können sich beispielsweise aus Folgendem ergeben:

1. Anheben des Vorsatzgerätes, um ein Wenden der Erntemaschine an kein Erntematerial aufweisenden Wendebereichen zu ermöglichen;
2. Anheben des Vorsatzgerätes zum Verhindern der Aufnahme von gemähten sekundären Produkten, wenn die Erntemaschine einen Teil eines Feldes überquert, der vorher abgeerntet wurde;
3. Stoppen und Umkehren der Erntemaschine, wobei zu diesen Zeiten die Aufnahme des Erntematerials beendet wird;
4. Kontinuierliche Änderung der gemähten Breite des Feldes, wenn der Mähdrescher den Rand eines dreieckigen Feldes erreicht; und
5. Geschwindigkeits-Reduzierungen, um eine bessere Aufnahme von gelagertem Erntematerial zu erzielen, und Geschwindigkeits-Vergrößerungen, wenn die Erntemaschine zu einer Fläche mit stehendem Erntematerial zurückkehrt.

Derartige Änderungen der pro Zeiteinheit abgeernteten Fläche des Feldes sind, selbst wenn sie durch starke Änderungen an dem Mähbalken verursacht werden (beispielsweise wenn das Vorsatzgerät abrupt angehoben oder abgesenkt wird) von der Art, die unmittelbare Änderungen der Menge an aufgenommenem Erntematerial hervorruft, die jedoch nicht unmittelbar aus dem Massenstrom-Ratensignal erkennbar ist, und zwar aufgrund des oben genannten „Schmier"-Effektes. Entsprechend führen sie nicht zu steilen Änderungen der Massenstrom-Rate des gereinigten Korns, die von dem Massenstrom-Sensor ermittelt wird.
Die sogenannte klassische Lösung, die vorstehend erläutert wurde, berücksichtigt ein derartiges „Schmieren" nicht, während das Verfahren gemäß der Erfindung in vorteilhafter Weise den „Schmier-Effekt" von scharfen Änderungen der pro Zeiteinheit abgeernteten Fläche des Feldes in dem Modell wiedergibt, das zum Schätzen des momentanen Ertrages verwendet wird. Entsprechend sind die Ertragsdaten, die unter Verwendung des Verfahrens der Erfindung gewonnen werden, genauer, wenn Änderungen der Massenstrom-Rate von Korn betrachtet werden, die sich aus Änderungen in der pro Zeiteinheit abgeernteten Fläche des Feldes ableiten, als bei irgendwelchen der bekannten Verfahren.
Vorzugsweise wird der momentane Ertrag y ^₂(t) (kg/m²) unter Verwendung des folgendes Ausdruckes geschätzt:
Worin S ^(s) die Laplace-Transformation der gemessenen Flächen-Rate s ^(t) und P(s) die Laplace-Transformation der Dynamiken des Erntematerial-Pfades in der Erntemaschine darstellt.
Die Verwendung von Laplace-Transformationen zum Modellieren der Filterung des Massenstrom-Raten-Signals nutzt die Linearität der Laplace-Transformationen aus und erleichtert entsprechend die Signalverarbeitung, wenn das Verfahren unter Verwendung eines Computers ausgeführt wird.
Besonders bevorzugt schließt das Verfahren noch den weiteren Schritt (v) des Verschiebens des resultierenden geschätzten Ertrags-Wertes y ^₂(t) um eine Periode Δt ein, die eine Verzögerung zwischen dem Mähen des Erntematerials durch die Erntemaschine und der Messung der Massenstrom-Rate durch den Erntematerial-Massenstrom-Sensor darstellt.
Dies ermöglicht die Verknüpfung des Ertrags-Schätzwertes mit einer Zeit t-Δt, zu der das betreffende Erntematerial geerntet wurde, wodurch eine positionsgenaue Aufzeichnung eines Feldes für den Zweck der Erzeugung einer Ertragskarte ermöglicht wird.
Entsprechend schließt das Verfahren vorzugsweise den Schritt der Abbildung von zeitverschobenen Erntematerial-Ertrags-Werten für einen Bereich von Werten von t ein, um auf diese Weise eine Ertragskarte eines Feldes oder eines Teils hiervon zu gewinnen.
Die jeweiligen Schritte (ii)–(iv) des Filterns des Flächen-Raten-Signals, der Anwendung des gefilterten Signals auf das Massenstrom-Raten-Signal
und die Verknüpfung der gefilterten Ergebnisse mit der Zeit t-Δt können in Echtzeit von einem Computer ausgeführt werden, der von der Erntemaschine mitgeführt oder betriebsmäßig mit dieser verbunden ist.
Dies erleichtert den optionalen Verfahrensschritt der Aufzeichnung einer Serie der Erntematerial-Ertrags-Werte in einem Speicher.
Andererseits ist es vorzuziehen, dass der Schritt (vi) der Abbildung der zeitverschobenen Erntematerial-Ertrags-Werte zur Gewinnung einer Feld-Ertragskarte off-line von dem Computer erfolgt, der von der Erntemaschine mitgeführt oder betriebsmäßig mit dieser verbunden ist, wobei die in dem Speicher gespeicherten Erntematerial-Ertrags-Werte verwendet werden.
Dieser Schritt ist vorteilhaft, weil die an der Erzeugung der Ertragskarte beteiligten Schritte eine erhebliche Verarbeitungsleistung erfordern und entsprechend eine lange Zeit zu ihrem Abschluss erfordern würden, wenn ein von der Erntemaschine getragener mobiler Computer verwendet wird.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens der Erfindung schließt die Funktion P(s) Funktionen F₁(s), F₂(s) und F₃(s) ein, die jeweils die Dynamiken von unterschiedlichen Teilsystemen in dem Vorwärts-Pfad des Erntematerials über die Erntemaschine modellieren.
Jede der Funktionen F₁(s), F₂(s) und F₃(s) kann, falls gewünscht, die Form von diskreten Näherungen zu den nichtlinearen Teilsystemen haben, die einen Teil des Vorwärts-Korn-Pfades eines Mähdreschers bilden.
Wahlweise bevorzugte Merkmale des Verfahrens sind in den Ansprüchen 9 bis 15 definiert.
Es wird weiterhin bevorzugt, dass die Funktion P(s) eine Funktion R(s) einschließt, die die Strömung von unvollständig verarbeitetem Erntematerial über einen in der Erntemaschine gebildeten Rücklauf-Pfad zur weiteren Verarbeitung modelliert.
Es ist besonders vorzuziehen, dass die Funktion R(s) im wesentlichen nicht-dynamisch ist, wodurch in genauer Weise der Rücklauf-Pfad für unvollständig gedroschene Ähren (Überkehr) modelliert wird.
Typischerweise beruht die Lösung von R(s) auf einer diskreten Näherung des Teils des Erntematerials in der Erntemaschine, der über diesen Rücklauf-Pfad strömt.
Dies ergibt sich daraus, dass sich das Verhalten des algebraischen Modells, das bei der Durchführung des Verfahrens der Erfindung verwendet wird, teilweise in Abhängigkeit von dem Wert der ausgewählten Lösung von R(s) ändert.
Entsprechend ist es wünschenswert, bei der Ausführung des Verfahrens in einem bestimmten Mähdrescher die Lösung von R(s) als ein diskreten Wert des prozentualen Anteils von Überkehr und MOG zu programmieren, der über den Rücklauf-Pfad zurückkehrt. Ein derartiger diskreter Wert kann durch Experimentieren unter Verwendung eines Mähdreschers vom gleichen Typ ermittelt werden, wie der, bei dem die Verfahrensschritte auftreten.
In zweckmäßiger Weise ist die Abtast-Rate, mit der das Verfahren wiederholt wird, 1 Hz. Dies ist die gleiche wie die typische Abtast-Rate einer Massenstrom-Rate in einem Mähdrescher.
Wie dies hier festzustellen ist, ist das Verfahren gemäß der Erfindung insbesondere zur Modellierung von Änderungen des Ernteertrages geeignet, die sich aus Änderungen in Zeitdomänen-Änderungen hinsichtlich der Fläche des Feldes ergeben, die zur Zeit t geerntet wird. Daher schließt das Verfahren optional die folgenden Schritte ein:

(ix) Abschätzen, ob Änderungen der Strömung des Erntematerials durch die Erntemaschine sich überwiegend aus Zeitdomänen-Änderungen des zum Zeitpunkt t abgeernteten Gebietes des Feldes ergeben; und
(x) Ausführen des Verfahrens, wenn das Ergebnis dieser Schätzung eine Bestätigung ist.

Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zum Schätzen des momentanen Ernteertrages in einem Feld während des Erntens unter Verwendung einer Erntemaschine geschaffen, das durch Mähen des Erntematerials arbeitet und einen Ernte-Massenstrom-Sensor aufweist, der die Massenstrom-Rate des durch die Erntemaschine hindurchlaufenden Erntematerials misst und ein diese anzeigendes Signal
erzeugt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte einschließt:

(xi) Abschätzen, ob Änderungen der Strömung des Erntematerials durch die Erntemaschine überwiegend von Zeitdomänen-Änderungen in den Feldbedingungen abgeleitet sind;
(xii) Wenn das Ergebnis der Schätzung eine Bestätigung ist, Erzeugen eines Massenstrom-Raten-Signals
unter Verwendung des Sensors, Filtern des Signals unter Verwendung einer Funktion P^–1(s), die die inversen Dynamiken der Strömung des Erntematerials durch die Erntemaschine modelliert, und zusätzliches Filtern des Signals unter Verwendung einer Funktion F(s), die ein Tiefpassfilter ist, um eine Schätzung
₁(t) des momentanen Ernteertrages zur Zeit t ist; und
(xiii) Wenn das Ergebnis der Schätzung negativ ist, Durchführen des Verfahrens gemäß Anspruch 1.

Das Verfahren nach dem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung ermöglicht es in vorteilhafter Weise, eine Auswahl zwischen dem Filterverfahren mit „inversen Dynamiken" und dem Verfahren gemäß dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung in Abhängigkeit davon zu treffen, ob Änderungen in dem Ernteertrag überwiegend von Zeitdomänen-Flächenänderungen oder Zeitdomänen-Feldbedingungs-Änderungen abzuleiten sind.
Vorzugsweise y ^₁(t) durch den folgenden Ausdruck bestimmt:
worin s ^(t) die zum Zeitpunkt t abgeerntete Feldfläche ist.
In einer speziellen Ausführungsform des Verfahrens des zweiten Gesichtspunkts der Erfindung ist die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters F(s) gleich 0.2 Hz.
Das Verfahren des zweiten Gesichtspunktes der Erfindung kann wahlweise die Durchführung von einem oder mehreren der Schritte einschließen, die in den Ansprüchen 2 bis 12 definiert sind.
Gemäß einem dritten Gesichtspunkt der Erfindung wird eine Erntemaschine geschaffen, die durch Mähen und/oder Sammeln des Erntematerials arbeitet und einen Erntematerial-Massenstrom-Sensor aufweist, der die Massenstrom-Rate des von der Maschine verarbeiteten Erntematerials an einer Stelle misst, die von der entfernt ist, an der die Erntemaschine das Erntematerial mäht oder sammelt, wobei die Erntemaschine einen Computer einschließt, der so programmiert ist, dass er die Verfahrensschritte (i) bis (iv) des Anspruchs 1 ausführt.
Wahlweise ist der Computer der Erntemaschine nach dem dritten Gesichtspunkt der Erfindung zusätzlich so programmiert, dass er die Verfahrensschritte von einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 19 ausführt.
Gemäß einem vierten Gesichtspunkt der Erfindung wird eine Erntemaschine geschaffen, die durch Mähen und/oder Sammeln von Erntematerial arbeitet und einen Erntematerial-Massenstrom-Sensor aufweist, der die Massenstrom-Rate des von der Maschine an einer Stelle verarbeiteten Materials misst, die von der entfernt ist, an der die Erntemaschine das Erntematerial mäht oder sammelt, wobei die Erntemaschine einen Computer einschließt, der zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 21 programmiert ist.
Wahlweise ist der Computer der Erntemaschine nach dem vierten Gesichtspunkt der Erfindung zusätzlich so programmiert, dass der die Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 22 bis 25 ausführt.
Es folgt nunmehr eine Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung in Form eines nicht-beschränkenden Beispiels, wobei auf die beigefügten Figuren Bezug genommen wird, in denen:
1 eine schematische Darstellung der Vorwärts- und Rückwärts-Körner-Pfade in einem Mähdrescher ist, wobei diskrete Teilsysteme der jeweiligen Pfade durch Übertragungsfunktionen F₁(s), F₂(s), F₃(s) und R(s) modelliert sind;
2 eine Reihe von Kurven ist, die die Konstruktion eines momentanen Ernteertrags-Wertes gemäß dem Verfahren nach dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung ist;
3 eine Darstellung der Änderungs-Koeffizienten ist, die die Robustheit des Verfahrens nach dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung gegenüber der sogenannten klassischen Lösung vergleichen;
4a und 4b Ertragskarten sind, die unter Verwendung der klassischen Lösung beziehungsweise dem Verfahren nach dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung konstruiert wurden; und
5 eine schematische Darstellung ist, die zur Modellierung des Effektes einer von Null abweichenden zurücklaufenden Kornströmung in einem Mähdrescher verwendet wird.
1 der Zeichnungen zeigt in schematischer Form ein Modell der Dynamiken der Vorwärts- und Rücklauf-Korn-Pfade in einem Mähdrescher.
Die Laplace-Transformation der Gesamt-Übertragungsfunktion der Maschinen-Dynamik ist P(s), wie dies durch die gestrichelte Umrandung 10 in 1 angegeben ist.
Innerhalb der Umrandung 10 sind drei Vorwärts-Korn-Pfad-Teilsysteme durch die Übertragungsfunktionen F₁(s), F₂(s), und F₃(s) modelliert. In einem typischen Mähdrescher kann F₁(s) die Dynamiken des Vorsatzgerätes und der Drescheinheit modellieren, F₂(s) kann die Dynamiken der Korn-Reinigungseinheit und der Siebe modellieren, und F₃(s) kann die Förderschnecken und Höhenförderer modellieren, die Korn zu dem Speicher für reines Korn fördern.
Die Übertragungsfunktion P(s) schließt weiterhin eine Funktion R(s) ein, die den Rücklauf-Strömungspfad von Überkehr und MOG modelliert. Typischerweise können die Funktionen, die die Gesamt-Übertragungsfunktion der Maschinen-Dynamiken P(s) bilden, experimentell bestimmt werden. Die Komponenten der Maschinen-Dynamiken P(s) können aus experimentellen Ergebnissen für Abschnitte des Systems abgeleitet werden, die dann in ein globales Modell kombiniert werden.
Die Funktion des R(s) ist typischerweise nicht-dynamisch. Sie kann daher als eine Kombination der Verstärkung p und einer festen Transport-Verzögerung ΔT_{Rückführung} modelliert werden. Die Verstärkung steht für den Bruchteil t der Vorwärts-Strömung, der in die Rücklauf-Schleife eintritt. Typischerweise beträgt dieser Bruchteil ungefähr 10% während der Ernte vom Getreide. Unter anderen Bedingungen können sich diese Verstärkungen beträchtlich ändern (Mais: 0%, Getreide und eng eingestelltes Korn-Sieb 30%).
Ein Wert des Rücklauf-Bruchteils p, der sich für einen bestimmten Mähdrescher als brauchbar herausgestellt hat, ist eine Rücklauf-Strömung von 20%.
Die Parameter der Übertragungsfunktionen F₃(s), F₂(s), F₁(s) können als beste lineare Näherungen der intrinsischen nichtlinearen Systeme bestimmt werden.
Entsprechend können die Gesamt-Maschinen-Dynamiken P(s) als eine Kombination einer algebraischen Rücklauf-Strömungs-Kompensation und einer besten linearen Näherung der Dynamiken in den Vorwärts-Korn-Pfad modelliert werden.
Der durch die Funktion P(s) modellierte Mähdrescher schließt einen Korn-Massenstrom-Sensor ein, der in 1 schematisch durch die Bezugsziffer 20 dargestellt ist. Der Mähdrescher schließt zusätzlich vielfältige andere (in 1 nicht gezeigte) Sensoren zur Feststellung (von zumindest) der Fahrzeuggeschwindigkeit und Fahrzeugposition und des Status des Vorsatzgeräte-Mähbalkens ein.
Das Verfahren gemäß der Erfindung zur Abschätzung des momentanen Ernteertrages y ^₂(t) zur Zeit t während des Erntens in einem Feld unter Verwendung eines Mähdreschers, der schematisch durch die Bezugsziffer 10 in 1 bezeichnet ist und der durch Mähen des Erntematerials arbeitet und einen Erntematerial-Massenstrom-Sensor hat, der die Massenstrom-Rate m ._out(t) des Erntematerials misst, das von der Maschine an einem Ort verarbeitet wird, der entfernt von dem angeordnet ist, an dem die Erntemaschine das Erntematerial mäht und der ein Signal
erzeugt, das diese Massenstrom-Rate anzeigt, umfasst die folgenden Schritte:

(i) Erzeugen des Massenstrom-Ratensiganls
unter Verwendung des Sensors;
(ii) Erzeugen eines Flächen-Ratensignals s ^(t), das Zeitdomänen-Änderungen der Fläche des Feldes anzeigt, die pro Zeiteinheit abgeerntet wird;
(iii) Filtern des Flächen-Ratensignals s ^(t) unter Verwendung einer Funktion P(s), die die Dynamiken der Erntemaschine darstellt, um ein gefiltertes Flächen-Ratensignal s ^₂(t) zu erzeugen; und
(iv) Verwenden des gefilterten Flächen-Ratensignals s ^₂(t) zur Ableitung eines Ertrages pro Flächeneinheit
₂(t) aus dem Massenstrom-Ratensignal

Diese Schritte werden unter Verwendung eines Computers ausgeführt, der von dem Mähdrescher mitgeführt wird oder mit diesem betriebsmäßig verbunden ist (beispielsweise über eine drahtlose Infrarot-Verbindungsstrecke) und der im Einzelnen mit den verschiedenen Sensoren verbunden ist. Alternativ kann der Mähdrescher eine einfache Speichereinrichtung zum Aufzeichnen der Massenstrom- und Flächen-Ratendaten einschließen. Derartige Daten können, falls erwünscht, auf einen entfernt angeordneten Computer heruntergeladen werden, um am Ende eines Erntevorganges die Schritte (iii) und (iv) auszuführen.
Wie dies hier angegeben wurde, wird y ^₂(t) gemäß der folgenden Gleichung abgeschätzt:
Die Funktion S ^(s) kann aus Daten bestimmt werden, die mit der Abtastfrequenz beispielsweise des oben genannten Computer aufgezeichnet werden, der von dem Mähdrescher mitgeführt wird oder betriebsmäßig mit diesem verbunden ist.
Unter regelmäßigen Intervallen (beispielsweise 1 Sekunde) wird ein Satz von Daten von dem Computer untersucht und in einen internen oder externen Speicher geladen. Typischerweise schließen diese Daten die Position des Mähdreschers (aus dem Ausgang eines GPS-Sensors bestimmt); die Geschwindigkeit der Maschine; die von dem Massenstrom-Raten-Sensor in der Nähe des Tanks für reines Korn gemessene Massenströmung; und den Status des Vorsatzgerätes ein.
Wahlweise können die Probendaten weiterhin Daten über die momentane Mähbreite des Mähbalkens, wie er von einem kontaktlosen Abstands-Sensor gemessen wird; und die Menge der Rücklauf-Strömung, wie sie von einem Rückwärts-Strömungs-Sensor gemessen wird, einschließen.
Die Geschwindigkeitsdaten s ^(t) können in ein Register für verarbeitete Geschwindigkeitsdaten umgewandelt werden, dass zur Bestimmung von s ^₂(t) verwendet wird.
Für einen Mähdrescher, der eine Rücklauf-Strömung von Null hat, ist die Gleichung zur Gewinnung des verarbeiteten Geschwindigkeitsdaten-Registers wie folgt: s ^2(t) = 0.0376·s ^(t – 10) + 0.0304·s ^(t – 11) + 0.002·s ^(t – 12) + 2·s ^2(t – 1) – 1.6·s ^2(t – 2) + 0.63·s ^2(t – 3) – 0.1·s ^2(t – 4) (4)worin s ^(t) die unbehandelten aufgezeichneten Geschwindigkeitsdaten und s ^₂(t) die gefilterten Ergebnisse darstellen. Wenn sowohl Geschwindigkeits- als auch Mähbreiten-Daten verfügbar sind, so kann das gleiche Filter auf die Oberflächen-Ratendaten angewandt werden, die hieraus ableitbar sind (Mähbreite·Geschwindigkeit).
Die Übertragungsfunktion, auf der die Gleichung beruht, wurde für eine Rücklauf-Rate von Null für unvollständig gedroschene Überkehr berechnet. Wenn in einem bestimmten Mähdrescher die Rücklauf-Rate von Null abweicht, und das Verhältnis p des gemähten Erntematerials, das zurückgeliefert wird, ungefähr bekannt ist, so ist es möglich, die gemessenen Massenstrom-Ratensignale, die einem von Null abweichenden Rücklauf-Strömungsbruchteil entsprechen, in den Bezugsfall zu transformieren, bei dem keine Rücklauf-Strömung vorhanden ist. In einem derartigen Fall gilt die oben erwähnte Gleichung. Die Transformation der von Null abweichenden Rücklauf-Strömungs-Fraktion kann unter Verwendung eines Computers ausgeführt werden, der so programmiert ist, dass er einen Algorithmus ausführt.
Es folgt nunmehr eine in den Schutzumfang des Verfahrens gemäß der Erfindung fallende Beschreibung verschiedener Techniken zur Transformation eines von Null abweichenden Rücklauf-Strömungs-Verhältnisses ρ:
Anpassen der Übertragungsfunktion-Parameter auf sich ändernde Erntemaschinen-Bedingungen.
Gemäß dem Verfahren der Erfindung, wie sie hier definiert ist. wird die momentane Ertragsraten-Messung
(die von dem Massenstrom-Sensor gemessen wird) mit einer gefilterten Flächen-Rate s ^₂(t) verglichen. Unter normalen Arbeitsbedingungen, bei denen die Arbeitsbreite des Vorsatzgerätes konstant ist, kann die Ertragsrate mit dem Produkt dieser Arbeitsbreite und einer gefilterten Geschwindigkeits-Rate verglichen werden. Das Filter, das auf die Geschwindigkeits-Rate angewandt wird, stellt die Dynamiken des Erntematerial-Verarbeitungssystems dar.
Die Dynamiken können durch eine Übertragungsfunktion P(s) für eine bestimmte Maschineneinstellung dargestellt werden. Die Parameter der Übertragungsfunktion ändern sich jedoch, wenn die Maschineneinstellungen geändert werden. Die Übertragungsfunktion wird durch Änderungen der Dreschtrommel-Drehzahl, des Dreschkorb-Abstandes, der Reinigungsgebläse-Drehzahl, der Spreu- und Korn-Sieb-Öffnung, usw. beeinflusst. Dennoch ist es möglich, die Filterparameter automatisch an die Maschineneinstellung anzupassen.
Derartige Parameter können von den Einstellungen selbst abgeleitet werden, die mit Hilfe von dedizierten Sensoren überwacht werden können. Beispielsweise sind Mähdrescher üblicherweise mit Dreschtrommel- und Gebläse-Drehzahlsensoren ausgerüstet, die Signale liefern, die für die Anpassung der Prozess-Parameter verwendet werden können.
Es ist weiterhin möglich, die Modifikation der Parameter aus Messungen an der Erntematerial-Strömung selbst abzuleiten. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, wird von dem Einfluss der sich ändernden Rücklauf-Strömung abgeleitet, das heißt der Fraktion des geernteten und (unvollständig) gedroschenen Erntematerials, das nicht aus dem Mähdrescher ausgeblasen wird, und das das Ende des Spreusiebes erreicht, von wo aus es über den oben genannten Rücklauf-Korn-Pfad, der eine Nachdresch-Einrichtung einschließt, zu dem Reinigungssystem zurückgeführt wird. Die Menge an zurückgeliefertem Material hängt hauptsächlich von der Einstellung der Sieböffnung ab, kann jedoch auch durch die Einstellung des Dreschkorb- Abstandes beeinflusst werden: eine aggressivere Dreschkorb-Einstellung erzeugt mehr kurzes Stroh und Spreu, wodurch die Sieb-Last und damit die Strömung zu den Rücklauf-System vergrößert wird.
Die Gesamtmenge des zurückgelieferten Materials (Körner + MOG) kann durch einen Rücklauf-Strömungs-Sensor überwacht werden, beispielsweise von der Art, wie sie in der EP-A-0 463 240 beschrieben ist. Als eine erste Näherung kann die Menge an zurückgeliefertem Korn als eine feste Fraktion dieser Gesamtmenge angenommen werden. Entsprechend kann ein Schätzwert x ^(t) der Menge an zurückgelieferten Korn aus dem Signal des Rücklauf-Strömungs-Sensors abgeleitet werden. Der Divisions-Faktor ρ ist das Verhältnis der Rücklauf-Körner-Strömung x(t) zu der Reinigungssystem-Strömung, das heißt die Summe der Rücklauf-Korn-Strömung x(t) und der direkten Korn-Strömung y_R(t) (das heißt das Korn, das direkt dem Korn-Tank und dem Korn-Strömungs-Sensor zugeführt wird). Sobald ein stetiger Zustand erreicht wurde, kann die Fraktion ρ aus der folgenden Gleichung abgeleitet werden:
Die Fraktion x(t) wird dem Rücklaufsystem zugeführt, das den Überkehr-Schneckenförderer, die Nachdrescheinrichtung, den Überkehr-Höhenförderer und das Gebläse umfasst, und das durch die Übertragungsfunktion R(s) in 1 modelliert ist. Weil diese Komponenten eine hohe Geschwindigkeit vorsehen, wenn sie mit dem Einfluss ihrer eigenen Dynamiken verglichen werden, kann die Übertragungsfunktion durch eine einfache Zeitverzögerung ΔT_Rücklauf angenähert werden. Es wird angenommen, dass das Rückführungssystem nur einen geringen „Schmier"-Effekt auf die Erntematerial-Strömung x(t) hat, die diesem zugeführt wird.
Das nachgedroschene Erntematerial wird dem vorderen Ende der Siebe zugeführt, wo es mit dem frischen Erntematerial von dem Dresch- und Trennsystem gemischt wird. Die Dynamiken der Siebe sind durch F₂(s) in 1 angezeigt. Sie fördern das Korn und die Spreu mit einer stetigen Rate nach hinten. Entsprechend ist es möglich, sie durch eine weitere Zeitverzögerung ΔT_Sieb zu modellieren. Das resultierende Modell des Reinigungssystems ist in 5 gezeigt. In 5 stellt u_R(t) die frische Erntematerial-Strömung von dem Dresch- und Trennsystem, das heißt den Ausgang des Übertragungsfunktion F₁(s) nach 1 dar.
Aus diesem Modell kann der Einfluss der Änderungen des Rücklauf-Verhältnisses ρ auf das Maschinen-Modell P(s) sehr einfach bestimmt werden. Der Wert von ρ kann von den Rücklauf- und Korn-Strömungs-Sensoren in der vorstehend beschriebenen Weise abgeleitet werden. Die Anwendung der Anpassungs-Übertragungsfunktion P(s) auf die Geschwindigkeit (oder Fläche) ergibt eine bessere Abschätzung des Ertragsraten-Schätzwertes y ^₂(t) gemäß der vorstehenden Gleichung (2).
Aus dem Modell nach 5 können die folgenden Gleichungen abgeleitet werden:
Diese Gleichungen können kombiniert werden, um die Ausgangswerte y_R(t) aus den Eingangswerten u_R(t) und dem Rücklauf-Verhältnis-Wert ρ abzuleiten: yR(t) = (1 – ρ)uR(t – ΔTVorsieb) + ρ·yR(t – ΔRücklauf – ΔTVorsieb) (d)
Aus der Kombination der Gleichungen (b) und (c) kann man weiterhin den Eingang u_R(t) des Reinigungssystems aus dem Ausgang y_R(t) und dem Wert von ρ ableiten:
Es ist nunmehr möglich, den Ausgang y'_R(t) für den Fall vorherzusagen, dass kein Rücklauf zugelassen würde (ρ = 0): y'R(t) = uR(t – ΔTvorsieb) (f)
Entsprechend ist:
Diese Gleichung ergibt die Möglichkeit zur Ableitung, aus dem aktuellen Ausgangs-Ratendaten, der theoretischen Ausgangsrate, die in dem Fall erreicht würde, in dem keine Rücklauf-Strömung zugelassen würde.
Typische Werte für die Zeitverzögerungen sind 10 Sekunden für ΔT_Rücklauf und 2.75 Sekunden für ΔT_Sieb.
Wenn diskrete Massenstrom-Ratenmessungen mit einer Häufigkeit von 1 Hz. gemacht werden, so kann die theoretische Massenstrom-Ratenmessung
für einen Rücklauf von Null aus der folgenden Gleichung berechnet werden:

I. Es wurde gezeigt, dass eine Übertragungsfunktion P(s) für eine Maschine ausgebildet werden kann, bei der kein Rücklauf zugelassen wird. Die invertierte Gleichung kann zur Rekonstruktion eines Massenstrom-Schätzwertes y ^₁(t) auf der (Null-Rücklauf-)Massenstrom-Rate
an dem Sensor verwendet werden. Die Werte der Null-Rücklauf-Massestrom-Rate
können aus den aktuell gemessenen Massenstrom-Ratenate
und dem Rücklauf-Strömungsverhältnis ρ unter Verwendung der vorstehenden Gleichung (h) abgeleitet werden.
II. Wenn man das Invertierungs-Verfahren nicht verwenden möchte, so kann man die hier definierte Flächen-Filterlösung in Betracht ziehen. Um den momentanen Ertragsraten-Wert zu bestimmen, wird die berechnete Null-Rücklauf-Massenstrom-Rate
mit dem gefilterten Flächen-/Geschwindigkeits-Raten-Wert s ^₂(t) verglichen, wobei das auf die gemessenen Geschwindigkeits-Werte s ^₂(t) angewandte Filter die bekannten Maschinen-Dynamiken für eine Konfiguration mit einem Rücklauf von Null darstellt: s ^2(t) = L–1(P(s)S ^(s)) (i)

In einer speziellen Ausführungsform kann der zweite Schritt die folgende Form annehmen: s ^2(t) = 0.0376·s ^(t – 10) + 0.0304·s ^(t – 11) + 0.002·s ^(t – 12) + 2·s ^2(t – 1) – 1.6·s ^2(t – 2) + 0.63·s ^2(t – 3) – 0.1·s ^2(t – 4) (j)(das heißt Gleichung 4).
Diese Ausführungsform sieht entsprechend zunächst die Anpassung der gemessenen Erntematerial-Strömungswerte auf einen Zustand mit einem Rücklauf von Null als erste und die nachfolgende Filterung der Flächen-Raten-Werte unter Verwendung eines Filters vor, das die Dynamiken für eine Konfiguration mit einem Rücklauf von Null darstellt. Dieses Verfahren ist möglich, wird jedoch nicht bevorzugt, weil es die Neuberechnung von zwei Sätzen von Daten vorsieht.

III. Das bevorzugte Verfahren sieht die Anwendung eines Filters auf die aufgezeichneten Flächen-(oder Geschwindigkeits-)Raten-Werte allein vor. Das verwendete Filter ist die Übertragungsfunktion der Korn-Strömung in der Erntemaschine. Diese Übertragungsfunktion kann als die Kombination einer Übertragungsfunktion für die Erntematerial-Strömung bei einem Rücklauf von Null (Gleichungen (h) und (i)) und der Übertragungsfunktion betrachtet werden, die die Effekte der Rücklauf-Strömung darstellt.

Entsprechend können zur Ausbildung der gefilterten Werte s ^₂(t) zwei Filter-Schritte vorgesehen werden:

– Ein erster Schritt zum Simulieren des Einflusses der Maschinen-Dynamiken unter Verwendung bekannter Dynamiken für einen Prozess mit einer Rücklauf-Strömung von Null: s ^3(t) = L–1(P(s)S ^(s)) (i)Die vorstehende Gleichung ist für eine bestimmte Ausführungsform geeignet.
– Ein zweiter Schritt zum Simulieren des Einflusses des Rücklauf-Strömungs-Verhältnisses ρ. Zu diesem Zweck kann ein geeignetes Filter aus der vorstehenden Gleichung (d) abgeleitet werden: s ^2(t) = (1 – ρ)s ^3(t – ΔTVorsieb) + ρ·s ^3(t – ΔTRücklauf – ΔTVorsieb) (k)Die gemessene Korn-Massenströmungs-Rate
kann dann durch die resultierenden Werte s ^₂(t) dividiert werden, um den gewünschten Ertragsraten-Schätzwert zu bestimmen. Auf diese Weise müssen lediglich die aufgezeichneten Geschwindigkeits-/Flächen-Daten behandelt werden, während die Massenstrom-Ratendaten so verwendet werden können, wie sie aufgezeichnet werden. Dies führt dazu, dass diese Ausführungsform gegenüber der Ausführungsform nach Absatz II bevorzugt wird.

Es ist festzustellen, dass das vorstehend verwendete Modell auf Übertragungsfunktionen F₁(s), F₂(s), F₃(s) und R(s) beruhte. Die Anpassung des Filters gemäß Änderungen des Rücklauf-Verhältnisses ρ führt zu einer Änderung der Übertragungsfunktion F₂(s) und R(s). Auf diese Stufe folgt immer noch die abschließende Übertragungsfunktion F₃(s). Dieses vorstehende Verfahren scheint die dynamische Effekte von F₃(s) auf den Ausgang y_R(t) von F₂(s) zu vernachlässigen. Eine derartige Lösung ist jedoch zulässig, weil F₃(s), die die Förderer und Höhenförderer zwischen dem Reinigungssystem und dem Korntank modelliert, hauptsächlich durch eine einfache Zeitverzögerung gebildet ist, mit geringen anderen dynamischen Effekten auf die Verteilung der Erntematerial-Strömung. Entsprechend ist kein zusätzlicher Filterungsschritt erforderlich, um das zusätzliche „Verschmieren" des Ausganges von F₂(s) durch F₃(s) zu berücksichtigen.
Das vorstehende Beispiel erläutert, wie das auf die Fläche angewandte Filtern gemäß dem gemessenen Rücklauf-Verhältnis-Wert ρ modifiziert werden kann, der von dem Ausgang einer Rücklauf-Strömungs-Überwachungseinrichtung abgeleitet ist. Ähnliche Modelle können für die Anpassung des dynamischen Modells der Erntemaschine auf strömungsbezogene Sensoren an anderen Stellen der Erntemaschine entwickelt werden. Beispiele hiervon sind die Kornverlust-Sensoren am Ende der Siebe oder des Trennsystems, Massen- oder Volumen-Strömungs-Sensoren an einem der Höhenförderer, Drehmoment-Sensoren in einer der Antriebsstrecken für Bauteile des Dresch- und Reinigungssystems usw..
2 zeigt in einer graphischen Form die Stufen des Verfahrens des ersten Gesichtspunktes der Erfindung zur Schätzung von y ^₂(t) (das heißt den momentanen Ernteertrag zur Zeit t in einem Feld, wobei Zeitbereichs-Änderungen hinsichtlich der abgeernteten Fläche des Feldes zu der Zeit t überwiegen).
2 ist eine Zeit-basierte Darstellung, die zunächst (Linie 11) die gemessene Flächenrate s ^(t) zeigt, die zur Zeit t abgeerntet wird. Die Oberflächenrate wird durch Multiplizieren der gemessenen Geschwindigkeit v ^(t) des Mähdreschers mit der bekannten Arbeitsbreiten-Messung ww ^((t) des Mähdrescher-Vorsatzgerätes berechnet.
Die Linie 13 ist die Kurve für die gefilterte Oberflächenrate s ^₂(t). Diese Rate wird einfach unter Verwendung einer Gleichung, wie zum Beispiel der vorstehenden Gleichung 4 berechnet.
Die Linie 11 zeigt klar die Stellen 11a, an denen die abgeerntete Oberfläche zu Null an Stellen wird, an denen kein Erntematerial in dem Mähdrescher aufgenommen wird. Derartige Ereignisse treten beispielsweise während des Anhebens des Vorsatzsgerätes, während des Stoppens oder Reversierens der Maschine und bei vielen der anderen Flächen-Variationen auf, die hier erläutert wurden.
Die Linie 12 nach 2 ist eine Kurve des Ausganges des Massenstrom-Ratensensors benachbart zu dem Tank für reines Korn des Mähdreschers. Entsprechend ist dies eine direkte Kurve von
wie dies in der Gleichung verwendet wird.
Dies zeigt die Zeitverzögerung in der Wirkung der nach unten gerichteten Spitzen in der s ^(t)-Kurve 11.
Wenn der Korn-Ertrag y ^(t) unter Verwendung der klassischen Lösung abgeschätzt würde, so würde
einfach durch s ^(t) dividiert, was zu unendlichen Werten für kurze Leer-Hübe und insgesamt zu einer Unter-Schätzung des Ertrages y ^(t) vor und nach abrupten Änderungen der Massenstrom-Rate führen würde, die sich aus Änderungen der abgeernteten Oberfläche ergeben.
Die Linie 13 des der 2 ist eine Kurven-Darstellung der gefilterten Oberflächenraten-Werte s ^(t) nach der Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung, beispielsweise durch einen Bordcomputer, der sich in den Sensoren des Mähdreschers befindet oder mit diesen verbunden ist. Alternativ kann ein entfernt angeordneter Computer verwendet werden, um die von dem Mähdrescher aufgezeichneten Daten zu verarbeiten. Unabhängig von der genauen Anordnung der Computer wird die Oberflächenrate durch P(s) gefiltert, der Gesamt-Übertragungsfunktion der Maschinen-Dynamiken (unter Einschluss einer Kompensation für eine von Null abweichende Rücklaufströmung von unvollständig gedroschener Überkehr).
Wie dies gezeigt ist, ist die Linie 13 nach 2 ein Bezugssignal, das ebenfalls die aufgespreizten Spitzen enthält, die den Änderungen in dem Ertrag entsprechen, die sich aus dem nach unten gerichteten Spitzen in dem s ^(t)-Signal ergeben. Die Spitzen sind gegenüber den nach unten gerichteten Hüben 11a um eine Periode Δt verschoben, die der Zeitverzögerung zwischen dem Mähen des Erntematerials und der Messung der Massenstrom-Rate an dem Sensor innerhalb des Mähdreschers entspricht.
Die Oberflächen-Schätzwerte s ^₂(t) der Linie 13 ermöglichen eine robuste und unverfälschte Schätzung
₂(t) des örtlichen Korn-Ertrags vor und nach abrupten Zuführungsraten-Änderungen. Es gibt keine Unter-Abschätzung der Zuführungsrate, die sich aus dem nach unten gerichteten Spitzen 11a ergibt.
Wenn es keine Änderung von s ^(t) (das heißt die Flächengröße, die pro Zeiteinheit abgeerntet wird, konstant ist) gibt, so ergibt das Verfahren gemäß der Erfindung keine wahrnehmbare dynamische Kompensation.
Dennoch kann sich der Ertrag als Ergebnis von sich ändernden Feldbedingungen ändern. Das Verfahren gemäß der Erfindung kann daher zusätzlich den Schritt der Abschätzung, ob Ertrags-Änderungen überwiegend aus Änderungen der abgeernteten Oberflächengröße in der Zeitdomäne oder aus Änderungen der Feldbedingungen resultieren; sowie die Auswahl, ob das Verfahren nach dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung ausgeführt wird oder nicht, in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Abschätzung einschließen.
Eine derartige Abschätzung kann, falls gewünscht, unter Verwendung eines in geeigneter Weise programmierten Computers ausgeführt werden, der von dem Mähdrescher mitgeführt oder betriebsmäßig mit diesem Verbunden ist. Zu diesem Zweck kann der Computer die gemessenen s ^(t)- oder v ^(t)-Werte überwachen und auf Änderungen reagieren, die einen vorgegebenen Grenzwert übersteigen.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung kann, wenn die oben genannte Abschätzung anzeigt, dass sich die Ertrags-Änderungen überwiegend aus Änderungen der Feldbedingungen ableiten, das Verfahren die Abschätzung des momentanen Ertrags zur Zeit t unter Verwendung des an sich bekannten inversen dynamischen Filter-Verfahrens einschließen; während, wenn die Abschätzung anzeigt, dass die Änderungen der pro Zeiteinheit abgeernteten Oberfläche überwiegen, das Verfahrens gemäß dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung ausgeführt wird, wie es in 2 als Beispiel gezeigt ist.
Im einzelnen schließt das inverse dynamische Filter-Verfahren die Erzeugung des Massenstrom-Raten-Signals
unter Verwendung des Massenstrom-Sensors; das Filtern des Signals unter Verwendung einer Funktion F(s), die ein Tiefpassfilter ist, und zusätzliches Filtern des Signals unter Verwendung einer Funktion P^–1(s) einschließt, das die inversen Dynamiken der Strömung des Erntematerials durch die Erntemaschine modelliert. Schließlich wird das zweimal gefilterte Massenstrom-Raten-Signal durch die momentane Oberflächen-Rate s ^(t) dividiert, um einen Schätzwert y ^₁(t) des momentanen Ernteertrages zur Zeit t zu erzeugen.
Der Ausdruck, durch den das Ertrags-Verhältnis bestimmt werden kann, ist wie folgt:
worin s ^(t) die gemessene Feld-Oberfläche ist, die pro Zeiteinheit zum Zeitpunkt t abgeerntet wird.
Bei einer Ausführungsform ist die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters F(s) gleich 0.2 Hz. Es wurde durch Experimente festgestellt, dass dies einen erheblichen Teil der Störungen in dem
Signal beseitigt, ohne das übermäßige Datenmengen verloren gehen.
Es ist nicht möglich, die Genauigkeit und Robustheit der Schätzungen unter Verwendung des Verfahrens nach dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung und des inversen Dynamik-Filterverfahrens zu vergleichen, weil zum Studium des letzteren der aktuelle örtliche Ertrag bekannt sein muss. Dies kann unter Feldbedingungen nicht bestimmt werden.
Es ist jedoch möglich, die Genauigkeit des Verfahrens nach dem ersten Gesichtspunkt der Erfindung mit der der bekannten hier definierten klassischen Lösung zu vergleichen.
Das folgende Beispiel ist das Ergebnis einer Vergleichs-Studie zwischen den zwei Verfahren.
Beispiel
Eine Vergleichs-Studie wurde an Daten von einem Feld durchgeführt, das mit unterschiedlichen Stickstoff-Gaben gedüngt und mit unterschiedlichen Erntematerial-Dichten gesät wurde. Vier Reihen von 10 eine unterschiedliche N-Gabe erhaltenden Parzellen mit einer Breite von 15 Metern wurden eine hinter der anderen zum Wachstum gebracht. Zum Zeitpunkt des Erntens wurde 1 Meter des Erntematerials von jeder Parzelle entfernt. Auf diese Weise wurden kontrollierte y(t)- und s(t)-Änderungen erzeugt.
Während der Wachstums-Saison versuchten die Landwirte, den Erntematerial-Status innerhalb der gleichen Parzelle so gleich wie möglich zu halten. Als Folge hiervon wurde der geschätzte Korn-Ertrag innerhalb einer Parzelle als mehr oder weniger konstant erwartet. Aufgrund der dynamischen Auswirkung des Mähdreschers und der Mess-Störungen würden Änderungen registriert worden sein.
Als ein Bezugssignal für die y ^₂(t) Schätzung würde die klassische Lösung verwendet. Dieses Standard-Verfahren besteht aus dem Tiefpassfilter F(s) der Gleichung 4 zusammen mit einer konstanten Zeitverschiebung.
3 gibt die Änderungs-Koeffizienten σ (Standard-Abweichung dividiert durch den Mittelwert) innerhalb von 50 Parzellen an. In 3 stellen die Kreise die Bezugsklassischen) Ergebnisse dar, während Kreuze die Kurven darrstellen, die sich aus der Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung ergeben. Eine deutliche Verringerung des Änderungs-Koeffizienten σ ist aus den Kurven ersichtlich, die sich aus dem Verfahren gemäß der Erfindung ergeben, bei dem die Oberflächen-Strömung s ^(t) durch P(s) gefiltert ist. Es ergibt sich lediglich eine Parzelle (Nr. 34), an der keine Verbesserung zu finden ist. Der maximale Änderungs-Koeffizient für das Modell-basierte Verfahren gemäß der Erfindung ist 0.42, was im Gegensatz zu dem maximalen Änderungs-Koeffizienten des klassischen Verfahrens von bis zu 3.5 steht. Die Mittelwerte der Koeffizienten σ sind 0.853 für die klassische Lösung und 0.136 für das Modell-basierte Verfahren gemäß der Erfindung.
Als abschließendes Ergebnis wurden Korn-Ertrags-Karten, die mit der klassischen Lösung und dem Verfahren gemäß der Erfindung für die Schätzung berechnet wurden, konstruiert, wie dies in den jeweiligen 4a und 4b gezeigt ist.
Zur Anzeige von Korn-Erträgen an Stellen, an denen keine Datenpunkte gemessen wurden, wurden inverse Abstands-Wertigkeiten als eine Interpolations-Technik verwendet.
Die Kompensation der Verschmierungs-Auswirkung der Maschinen-Teilsysteme ist klar erkennbar. Während die Bewegungsrichtungen des Mähdreschers in 4a leicht festzustellen sind (die Seite mit dem unterschätzten Korn-Ertrag ist der Ort, an der der Mähdrescher in die Parzelle einfährt, siehe 2), ist dies für 4b nicht der Fall. Der aktuelle Korn-Ertrag war wesentlich gleichförmiger unter Verwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung, als dies durch die klassische Lösung angezeigt wurde.
Eine weitere Verbesserung ist die Abnahme der Punkte, die „schlechte" Daten enthalten. Wie dies in 2 gezeigt ist, können örtliche Korn-Erträge im Fall von abrupten Zuführungsraten-Änderungen überschätzt werden. Diese Punkte sollten verworfen werden, weil sie nicht dem tatsächlichen Korn-Ertrag entsprechen. Dies bedingt unmittelbar Stellen, an denen keine Daten vorhanden sind, wie dies in 4 zu erkennen ist.

Claims

Verfahren zur Schätzung des momentanen Ernteertrages y ^₂(t) zur Zeit t in einem Feld während des Erntens mit einer Erntemaschine, die durch Mähen und/oder Sammeln des Erntematerials arbeitet und einen Erntematerial-Massenstrom-Sensor aufweist, der die Massenstrom-Rate
von von der Maschine verarbeitetem Erntematerial an einer Stelle misst, die von der Stelle entfernt ist, an der die Erntemaschine das Erntematerial mäht und/oder sammelt, und der ein Signal
erzeugt, das diese anzeigt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (i) Erzeugen eines Massenstrom-Raten-Signals
unter Verwendung des Massenstrom-Sensors; und (ii) Erzeugen eines Flächen-Raten-Signals s ^(t), das Zeitdomänen-Änderungen der Fläche des Feldes anzeigt, die pro Zeiteinheit abgeerntet wird; dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin die folgenden Schritte umfasst: (iii) Filtern des Flächen-Raten-Signals s ^(t) unter Verwendung einer Funktion P(s), die die Dynamiken der Erntemaschine darstellt, um ein gefiltertes Flächen-Raten-Signal s ^₂(t) zu erzeugen; und (iv) Verwenden des gefilterten Flächen-Raten-Signals s ^₂(t) zur Ableitung eines Ertrags pro Flächeneinheit
₂(t) aus dem Massenstrom-Raten-Signal
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der momentane Ertrag y ^₂(t) gemäß der folgenden Gleichung geschätzt wird:
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es den weiteren Schritt des (v) Verschiebens des resultierenden geschätzten Ertrags-Wertes y ^₂(t) um eine Zeitintervall Δt einschließt, das eine Verzögerung zwischen dem Mähen und/oder Sammeln des Erntematerials durch die Erntemaschine und der Messung der Massenstrom-Rate durch den Erntematerial-Massenstrom-Sensor darstellt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es den weiteren Schritt der (vi) Abbildung der zeitverschobenen Erntematerial-Ertrags-Werte für eine Bereich von Werten von t einschließt, um auf diese Weise eine Ertragskarte eines Feldes oder eines Teils hiervon zu gewinnen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte (ii)–(iv) in Echtzeit von einem Computer ausgeführt werden, der von der Erntemaschine mitgeführt oder betriebsmäßig mit dieser verbunden ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es den Schritt der (vii) Aufzeichnung einer Serie von Erntematerial-Ertrags-Werten in einem Speicher einschließt.
Verfahren nach Anspruch 6, unter Rückbeziehung auf Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Abbildungs-Schritt (vi) offline von dem Computer unter Verwendung der in dem Speicher gespeicherten Erntematerial-Ertrags-Werte erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion P(s) Funktionen F₁(s), F₂(s) und F₃(s) einschließt, die jeweils die Dynamiken unterschiedlicher Teilsysteme in dem Vorwärts-Pfad des Erntematerials über die Erntemaschine modellieren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es die weiteren folgenden Schritte umfasst: (a) Überwachen eines Maschinen-Zustandes; (b) automatisches Anpassen der Funktion P(s) an einen sich ändernden Maschinen-Zustand.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Maschinen-Zustand eine Maschinen-Einstellung ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Maschinen-Zustand aus Dreschtrommel- oder Reinigungsgebläse-Drehzahlen, Dreschkorb-Einstellungen oder Sieb-Einstellungen ausgewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Maschinen-Zustand eine Verteilung der Erntematerial-Strömung über die Maschine ist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Überwachungs-Schritt die Überwachung einer Erntematerial-Strömung an einer bestimmten Stelle der Maschine einschließt.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Maschinen-Zustand das Verhältnis (ρ) einer Rücklauf-Erntematerial-Strömung zu einer vollen Erntematerial-Strömung ist.
Verfahren nach Anspruch 9 oder irgendeinem hiervon abhängigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil-Schritt der automatischen Anpassung der Funktion P(s) folgendes einschließt: (c) Filtern des Flächen-Raten-Signals s ^(t) unter Verwendung einer Funktion, die den Einfluss der Maschinen-Dynamiken bei einer Rücklauf-Strömung von Null simuliert; und erforderlichenfalls, (d) Simulieren des Einflusses eines Rücklauf-Strömungs-Verhältnisses ρ.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion P(s) eine Funktion R(s) einschließt, die die Strömung von unvollständig verarbeitetem Erntematerial über einen in der Erntemaschine gebildeten Rücklauf-Pfad zur weiteren Verarbeitung modelliert.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion R(s) im Wesentlichen nicht dynamisch ist.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass es unter Verwendung einer bestimmten algebraischen Lösung von R(s) ausgeführt wird, die auf einer diskreten Näherung des Teils des Erntematerials in der Erntemaschine beruht, der über den Rücklauf-Pfad strömt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es den Schritt des (viii) mehrmaligen Wiederholens des Verfahrens mit einer Abtastfrequenz von 1 Hz einschließt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es die weiteren folgenden Schritte einschließt: (ix) Abschätzen, ob Änderungen in der Strömung des Erntematerials durch die Erntemaschine überwiegend aus Zeitdomänen-Änderungen in der Fläche des Feldes, das zur Zeit t abgeerntet wird, abgeleitet sind; und (x) Ausführen des Verfahrens, wenn das Ergebnis der Schätzung positiv ist.
Verfahren zum Schätzen des momentanen Ernteertrages in einem Feld während des Erntens unter Verwendung einer Erntemaschine, die durch Mähen und/oder Sammeln des Erntematerials arbeitet und einen Erntematerial-Massenstrom-Sensor aufweist, der die Massenstrom-Rate
von Erntematerial misst, das durch die Erntemaschine hindurch läuft, und der ein diese anzeigendes Signal
erzeugt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte einschließt: (xi) Abschätzen, ob Änderungen in der Strömung des Erntematerials durch die Erntemaschine sich überwiegend aus Zeitdomänen-Änderungen in den Feldbedingungen ableiten; (xii) wenn das Ergebnis der Schätzung positiv ist, Erzeugen eines Massenstrom-Raten-Signals
unter Verwendung des Sensors, Filtern des Signals unter Verwendung einer Funktion P^–1(s), die die inversen Dynamiken der Strömung des Erntematerials durch die Erntemaschine modelliert, und zusätzliches Filtern des Signals unter Verwendung einer Funktion F(s) die ein Tiefpassfilter ist, zur Erzeugung eines Schätzwertes y ^₁(t) des momentanen Erntematerial-Ertrages zur Zeit t; und (xiii) wenn das Ergebnis der Schätzung negativ ist, Ausführen des Verfahrens gemäß Anspruch 1.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass y ^₁(t) durch die folgende Gleichung bestimmt wird:
worin s ^(t) die gemessene Feld-Fläche ist, die zum Zeitpunkt t abgeerntet wird.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzfrequenz des Tiefpassfilters F(s) 0,2 Hz ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass es die Durchführung der Verfahrens-Schritte nach einem der Ansprüche 2 bis 19 einschließt, wenn das Ergebnis der Schätzung negativ ist.
Erntemaschine, die durch Mähen und/oder Sammeln von Erntematerial arbeitet und einen Erntematerial-Massenstrom-Sensor aufweist, der die Massenstrom-Rate von Erntematerial misst, das von der Maschine an einer Stelle verarbeitet wird, die von der entfernt ist, an der die Erntemaschine das Erntematerial mäht und/oder sammelt, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Computer einschließt, der zur Durchführung der Verfahrensschritte (i) bis (iv) nach Anspruch 1 programmiert ist.
Erntemaschine nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Computer zusätzlich so programmiert ist, dass er die Verfahrensschritte nach einem oder mehreren der Ansprüche 2, 3, 5, 9 bis 15, 17, 18 oder 19 ausführt.
Erntemaschine, die durch Mähen und/oder Sammeln des Erntematerials arbeitet und einen Erntematerial-Massenstrom-Sensor aufweist, der die Massenstrom-Rate von Erntematerial misst, das von der Maschine an einer Stelle verarbeitet wird, die von der entfernt ist, an der die Erntemaschine das Erntematerial mäht, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Computer einschließt, der zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 21 programmiert ist.
Erntemaschine nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Computer zusätzlich so programmiert ist, dass er die Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 22 bis 25 ausführt.