DE69400019T2

DE69400019T2 - Regelkreis für eine Streuvorrichtung mit regelbarer Abgabe.

Info

Publication number: DE69400019T2
Application number: DE69400019T
Authority: DE
Inventors: Robert J Monson
Original assignee: AG Chem Equipment Co Inc
Current assignee: AG Chem Equipment Co Inc
Priority date: 1993-03-19
Filing date: 1994-03-15
Publication date: 1996-03-07
Anticipated expiration: 2014-03-16
Also published as: ATE128319T1; ES2079251T3; DK0615682T3; EP0615682B1; CA2118621A1; DE69400019D1; EP0615682A1; US5355815A

Description

I. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Aufbringungssystem zum Aufbringen von Düngemittel auf Agrarland und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung, um einen augenblicklichen Düngemittelgehalt eines Bodens in nahezu Echtzeit festzustellen, und dann eine chemische Vorschrift zu bestimmen und das Dünngemittel auf das Land zu verteilen, ohne daß ein Navigationssystem oder digitale Düngemittelkarten erforderlich wären.

II. Hintergrund der Erfindung

In der Düngemittelindustrie besteht ein wachsendes Bewußtsein bezüglich Unmweltbelange und der Fähigkeit einer speziell gebauten Aufbringvorrichtung, um auf diese Belange einzugehen. Es kann eine Technologie mit regelbarer Abgabe eingesetzt werden, bei der eine Vielzahl von Karten verwendet wird, die Informationen über die Bodenart und die augenblicklichen und gewünschten Düngermittellevel enthalten, die in Kombination mit einem Navigationssystem verwendet werden, um eine chemische Vorschrift zu erzeugen.
Es ist bekannt, daß die drei üblichsten Nährstoffkomponenten des Bodens Stickstoff, Phosphor und Kalium sind. Unterschiedliche Bodenarten, von denen jede gemäß den Relativanteilen an Sand, Ton und Schluff kategorisiert werden kann, haben unterschiedliche Prozentzahlen an diesen Nährstoffen. Sogar gleiche Bodenarten können unterschiedliche Prozentzahlen an diesen Nährstoffen innerhalb des Agrarlandes aufgrund von Drainagecharakteristiken, Feuchtigkeitsgehalt und Erosion haben. Es ist daher erforderlich, daß Düngemittelaufbringungssysteme die gegenwärtigen Level an Düngemittel an jeder Stelle des Agrarlandes berücksichtigen, um eine chemische Vorschrift beim Aufbringen der Düngemittel zu bestimmen, um die gewünschten Düngemittellevel zu erreichen. Eine Ausführungsform eines Düngemittelaufbringungssystems ist in der EP-A 576 121 erläutert, die einen Stand der Technik gemäß Artikel 54 (3) EPÜ darstellt. Das System enthält eine Vielzahl von Karten, in denen Bodenarten sowie gegenwärtige und gewünschte Düngemittellevel innerhalb eines Feldes gespeichert sind. Unter Verwendung eines Navigationssystems und eines Geschwindigkeitsensors koordiniert das System die Fahrzeuglage innerhalb des Feldes mit jeder Karte, um die Aufbringungsrate der Düngemittel zu bestimmen und die gewünschten Level an Düngemittel zu erreichen.
Während gegenwärtige Navigationssysteme, wie beispielsweise globale Positioniersysteme, zunehmend genauer in der Auflösung werden, kann es dennoch eine Abgleichschwierigkeit geben, die auf inhärenten Ungenauigkeiten der Quellendaten basieren, die zum Erzeugen der Karte verwendet werden. Ein regelbares Aufbringungssystem, das die Koordination des Navigationspositionierungssystems mit dem Boden und den Düngemittelkarten beseitigen würde, würde daher einen Fortschritt über die bekannten Systeme darstellen. Bis jetzt sind Bodenanalysatoren nicht verfügbar, die den Boden auf den chemischen Gehalt in nahezu Echtzeit untersuchen können, was erfordert, daß Bodenkarten und Düngemittelkarten zuerst von einem Bodenwissenschaftler erstellt und dann zum nachfolgenden Gebrauch durch die Aufbringungsvorrichtungen digitalisiert werden. Diese Karten können aufgrund zahlreicher Ungenauigkeiten bei der Analyse von den tatsächlichen Erdbeschaffenheiten zur Zeit der Düngemittelaufbringung aufgrund der Zeit, des Wetters, von Fehlberechnungen oder einer Vielzahl anderer Probleme abweichen.
Das US-Patent 5,044,756 von Gaultney et al. beschreibt einen Echtzeit-Bodensensor für organische Stoffe. Dieser Sensor ist an ein Fahrzeug angepaßt, um den Gehalt von organischen Stoffen des Bodens einer Bodenfläche zu bestimmen. Dieses Gerät verwendet eine Lichtquelle, die Licht mit einer feststehenden Frequenz erzeugt, und erfaßt die Intensität des reflektierten Lichts bei derselben feststehenden Frequenz, um den Gehalt an organischen Stoffen zu bestimmen. Dieses Gerät ist darauf begrenzt, nur den Gehalt des Bodens an organischen Stoffen zu erhalten, die auf einem Prozentsatz des reflektierten Lichts einer feststehenden Frequenz basiert, und bildet keinen Teil eines Düngemittelaufbringungssystems.
Die EP-A-0 181 308 und US-A-5 033 397 offenbaren jeweils eine Vorrichtung zum Streuen von Düngemittel auf ein Feld entsprechend dem bestehenden Level eines Elements auf dem Feld. Das erstere Dokument offenbart, daß vor dem Düngen des Feldes die Düngemittelanforderungen einer jeden Bodenart im Feld durch den Bediener bestimmt und in einen Computer eingegeben werden, der ein Teil der Vorrichtung ist. Das letztere Dokument offenbart das Erfassen des Levels des Zielelements mittels einer Elektrode, die den Boden in Verbindung mit einem Echtzeitsensor kontaktiert.
Die Oberbegriffe der Ansprüche 1 und 13 basieren auf der US-A-5 033 397 und die unterschiedlichen Merkmale der vorliegenden Erfindung sind in den kennzeichnenden Teilen der Ansprüche 1 und 13 angegeben.
Es ist ein Ziel der Erfindung, ein regelbares Düngemittelaufbringungssystem zu schaffen, das keine Karten vom laufenden Düngmittellevel erfordert.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein regelbares Düngemittelaufbringungssystem zu schaffen, das einen Bodenanalysator enthält, der den Boden in Echtzeit und mit hoher Genauigkeit auf den chemischen Gehalt hin analysieren kann.
Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform, den Ansprüchen und den Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Figuren sich auf gleiche Elemente beziehen
Die vorstehenden Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in einer bevorzugten Ausführungsform erreicht, indem ein regelbares Düngemittelaufbringungsystein geschaffen wird, das eine chemische Vorschrift in Echtzeit für eine Bodenfläche in Abhängigkeit des Bodendüngeinittelgehaltes bestimmt, der von einem Bodenanalysator in Echtzeit festgestellt wird, und das Düngemittel auf die Bodenfläche in Reaktion auf die chemische Vorschrift verteilt. Vorzugsweise weist der Bodenanalysator einen Spektrographen auf, der spektroradiometrische Messungen durchführt, um ein kontaktloses Verfahren zum Feststellen der Bodenchemie zu schaffen. Das Düngemittelaufbringungssystem umfaßt ein Fahrzeug, das ein Feld überqueren kann. An das Fahrzeug ist ein Bodenanalysator angepaßt, mit dem eine Bodenkennung erhalten werden kann, die den Düngemittelgehalt einer Bodenfläche angibt. Der Bodenanalysator weist einen Signalgenerator auf, der ein erstes Signal mit einer feststehenden Frequenz erzeugt und auf die Bodenfläche gerichtet ist. Der Bodenanalysator weist ferner einen Detektor zum Erfassen eines von der Bodenfläche zurückkehrenden zweiten Signals auf, das durch das erste Signal induziert wird. Das zweite Signal besteht aus einer Vielzahl von Frequenzen und bestimmt die Bodenkennung. Eine Streuvorrichtung ist mit dem Fahrzeug verbunden und reagiert auf den Bodenanalysator, um wenigstens eine Produktart mit einer Rate auszustreuen, die von der erfaßten Bodenkennung abhängt.
Vorzugsweise umfaßt der Bodenanalysator einen Spektrographen, der die Bodenfläche mit einer vorbestimmten festen Frequenz bestrahlt, wobei ein Spektrum an zurückgesandten zweiten Signalen vom Bodenanalysator erfaßt wird. Die Streuvorrichtung vergleicht die erfaßte Bodenkennung mit einer gespeicherten vorbestimmten Bodenkennung und bestimmt eine Bodenvorschrift in Abhängigkeit der Unterschiede zwischen der erfaßten und der vorbestimmten Bodenkennung, und verteilt dann das Produkt mit einer Rate in Abhängigkeit der Bodenvorschrift und der Fahrzeuggeschwindigkeit. Bei Verwendung eines Spektorgraphen bestimmt der Spektrograph die Intensität des zurückgesandten Spektrums der zweiten Signale. Die Streuvorrichtung vergleicht die Intensität der erfaßten zweiten Sigriale mit der Intensität der vorbestimmten Bodenkennung vorzugsweise bei einer oder mehreren vorbestimmten Frequenzen, bei denen Spitzen auftreten. Idealerweise repräsentiert die vorbestimmte Bodenkennung die Bodenkennung einer Bodenfläche, die aus 100 % eines speziellen Produkts besteht Das Verhältnis der bestimmten Intensität zur vorbestimmten Intensität bei einer Spitze bei einer üblichen Wellenlänge gibt daher den Prozentsatz des Produktes an, der an der Bodenfläche erfaßt worden ist.
Ein weiteres Merkmal der bevorzugten Ausführungsform ist, daß der Bodenanalysator eine Echtzeit-Mittelwertbildung der Intensitäten der erfaßten zweiten Signale durchführen kann. Die Streuvorrichtung streut dann das Produkte als Funktion der gemittelten zweiten Signale. Da die zweiten Signale über eine Zeit gemittelt sind, wird eine gleichförmigere Verteilung der Düngemittel erreicht. Bei der bevorzugten Ausführungsform gibt die Bodenkennung die Stickstoff-, Phosphor- und Kaliumchemikalien an der Bodenfläche an.
Der Bodenanalysator ist vorzugsweise mit dem Fahrzeug an einer vorbestimmten vorderen Stelle des Fahrzeugs gekoppelt, wobei der Streuer in einem vorbestimmten Abstand hinter dem Bodenanalysator angeordnet ist. Wenn das Fahrzeug das Feld mit einer feststehenden Geschwindigkeit überquert, gibt es daher eine inhärente Zeitverzögerung zwischen der Zeit, wenn der Bodenanalysator über eine bestimmte Bodenfläche fährt und diese analysiert, und demjenigen Zeitpunkt, wenn der Streuer darüberfährt. Diese inhärente Zeitverzögerung ist angemessen, damit der Bodenanalysator eine Bodenkennung erhält, und daß die Streuvorrichtung, die ein Expertensystern enthält, die vom Bodenanalysator erhaltene Bodenkennung weiterverarbeitet und im folgenden die geeignete Menge an Chemikalien auf die Bodenfläche verteilt. Bei Verwendung eines Spektographen kann die Bodenanalyse in Millisekunden durchgeführt werden. Die Zeitverzögerung für die Streuvorrichtung zum Weiterverarbeiten der Bodenkennung und zum Verteilen der Chemiekcalien bestimmt daher in erster Linie, wie weit der Bodenanalysator vor dem Streuer angeordnet werden muß, wenn das Fahrzeug das Feld bei einer bestimmten Geschwindigkeit überquert.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Figur 1 ist eine Seitenansicht eines Streufahrzeugs mit einem Bodenanalysator an einer vorderen Stelle des Fahrzeugs und mit einer Streuanordnung an dessen hinteren Stelle;
Figur 2 ist ein Blockdiagramm des Bodenaufbringungssystems, das von einem Expertensystem gesteuert wird, das das Aufbringungssystem als Funktion des Geschwindigkeitssensors und der Bodenkennung vom Bodenanalysator steuert;
Figuren 3, 4 und 5 sind Graphen verschiedener Spektra, die vom Spektrographen an einer Bodenfläche erfaßt worden sind. Die Raman-Verschiebung ist als Fuktion der Intensität für jede der drei untersuchten Chemikalien dargestellt, wobei jedes der drei Spektra zueinander skaliert ist und unter Verwendung einer verschiedenen Quellenfrequenz erhalten wird, die auf der Basis derjenigen Chemikalie gewählt wird, die zu untersuchen ist;
Figuren 6, 7 und 8 zeigen einen Referenzspektrographen, der von einer separaten Bodenfläche erhalten wird, die vollständig aus Stickstoff, Phosphor bzw. Kalium besteht. Die jeweils erhaltenen Spektra in den Figuren 3, 4 und 5 werden mit den jeweilen Spektra der Figuren 6, 7 und 8 verglichen, wobei das Verhältnis der Intensitäten bei einer oder mehreren Spitzenfrequenzen zwischen den jeweiligen Figuren auf den Prozentsatz dieser Chemikalie in der Bodenfläche hinweist; und
Figur 9 ist ein Flußdiagramm des Betriebs des geregelten Aufbringungssystems.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

In Figur 1 ist eine Seitenansicht eines geregelten Düngemittelaufbringungssystems gemäß der Erfindung allgemein bei 10 gezeigt. Das System 10 umfaßt ein Fahrzeug 12, beispielsweise einen Traktor, der geeignet ist, ein Agrarfeld zu durchqueren. Der Traktor 12 weist eine Vielzahl von Produktbehältern 14 auf, um eine Vielzahl von Düngemittelmischungen zu speichern, wie beispielsweise Stickstoff, Phosphor und Kalium. Das Düngemittel wird von jedem entsprechenden Behälter 14 durch eine entsprechende Ausgabeinrichtung 16 zu einem Förderer 18 mit einer Rate ausgegeben, die von einem Expertensystem 30 gesteuert wird (siehe Figur 2). Die abgegebenen Düngemittel werden vom Förderer 18 zu einem pneumatischen Streu- oder Ausgabeapparat 20 gefördert, wie durch das US-Patent 5,028,009 gelehrt wird, das der vorliegenden Anmelderin zugeschrieben und hier durch Bezugnahme aufgenommen ist. Der Produktbehälter 14, die Ausgabeeinrichtung 16, die Förderer 18 und der Steuer 20 bilden ein Aufbringungssystem 22, das von dem in Figur 2 gezeigten Expertensystem 30 geregelt wird. Die insoweit beschriebene Vorrichtung ist im Stand der Technik wohl bekannt.
Gemäß Figur 1 weist das System 10 ferner einen vertikal ausgerichteten länglichen Halteaufbau 24 auf, der in einem vorderen Bereich des Rahmens des Fahrzeugs 12 befestigt und um einen vorbestimmten Abstand vor dem Streuer 20 angeordnet ist. Das untere Ende des Aufbaus 24 erstreckt sich nach unten in Richtung des Bodens und ist teleskopartig mit einem Bodenschneidmesser 26 gekoppelt, das aus dem Stand der Technik bekannt ist. Das Schneidmesser 26 erstreckt sich um einen wählbaren vorbestimmten Abstand aufgrund seines teleskopartigen Merkmals in den Boden und erzeugt eine Furche, wenn das Fahrzeug 12 das Feld überquert. Das Messer 26 erzeugt eine Furche mit einem flachen Boden, wenn es durch das Feld hindurchgeführt wird, wobei die Flachbodenfurche die Bodenfläche bildet. Innerhalb des Messers 26 ist ein Bodenanalysator 28 fest und in der Nähe der Bodenfläche (flacher Bereich der Furche) angeordnet, ist jedoch um einen vorbestimmten Abstand darüber beabstandet, um einen kontaktlosen Sensor zu bestimmen. Der Bodenanalysator 28 wird daher durch den Boden nicht beschädigt oder zerstört, wenn das Messer 26 durch den Boden hindurchgeführt wird. Ein Geschwindigkeitssensor 32 (siehe Figur 2) ist innerhalb des Fahrzeugs 12 vorgesehen, um einen Output zu liefern, der die Geschwindigkeit des Fahrzeugs 12 relativ zum Boden angibt.
In Figur 2 ist ein Blockdiagramm des geregelten Düngemittelaufbringungssystems gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Wie vorstehend erläutert, ist der Bodenanalysator 28 betriebsmäßig mit dem Expertensystem 30 über eine Leitung 34 gekoppelt. Das Expertensystem 30 ist ein Multitasking-Prozessorsystem, das beispielsweise auf einem UNIX-Betriebssystem basiert. Das Expertensystem 30 ist das Herz des Systems für die Koordination und das Arbeiten in Reaktion mit anderen größeren Subsystemen, um die Ausgaberate der Mehrzahl von Düngemittelmischungen zu regeln, die in den entsprechenden Behältern 14 enthalten sind. Das Expertensystem 30 ist innerhalb des Fahrerhauses des Fahrzeugs 12 angeordnet und steuert das Aufbringungssystem 22 über eine Leitung 36. Das Expertensystem 30 und das Aufbringungssystem 22 bestimmen einen Ausgabemechnismus. Ein Geschwindigkeitssensor 32, beispielsweise ein Radarsensor, ist mit dem Expertensystem 30 über eine Leitung 38 verbunden, um das Expertensystem 30 mit der Fahrzeuggeschwindigkeit zu versorgen.
Der Bodenanalysator 28 umfaßt vorzugsweise einen Spektrographen, wie beispielsweise das Modell PR-704/PR-714, das von Photo Research Company of Chatsworth, Kalifornien, hergestellt wird. Ein Hauptmerkmal des Bodenanalysators 28 ist seine Eignung, die Bodenfläche auf die chemische Zusammensetzung hin in nahezu Echtzeit zu analysieren und ein Spektrum zu liefern, das eine Bodenkennung bildet, wobei dies typischerweise in weniger als 26 Millisekunden erfolgt. Der Bodenanalysator 28 ist PC-kompatibel, und das Expertensystem 30 kann auf den Output vom Bodenanalysator 28 in nahezu Echtzeit reagieren. Das Expertensystem 30 bestimmt eine Bodenvorschrift, die auf den Spektren basiert und instruiert dann das Regelaufbringungssystem 22, eine Mischung an Düngemitteln mit einer Rate auszugeben, die von der bestimmten chemischen Bodenzusammensetzung von der Fahrzeuggeschwindigkeit abhängt. Das Expertensystem 30 kann den Output vom Bodenanalysator 28 in ungefähr 100 Millisekunden weiterverarbeiten, um eine chemische Vorschrift für die Bodenfläche zu bestimmen, und der Streuer 20 kann auf die Instruktionen vom Expertensystem 30 in ungefähr 0,5 Sekunden reagieren. Fährt das Fahrzeug 12 mit 28,96 km/h (18 Meilen/h), würde das Fahrzeug daher ungefähr 241,3 mm (9 1/2 inches) fahren, während der Bodenanalysator 28 seine Messung vervollständigt, 805,18 mm (31,7 inches), während das Expertensystem 30 die chemische Vorschrift bestimmt, die auf den Spektren vom Bodenanalysator 28 basiert, welche die Bodenkennung ist, und ungefähr 3,965 m (13 Fuß), während der Streuer 20 auf die Befehle vom Expertensystem 30 reagiert. Der Stützaufbau 24 (siehe Figur 1), das Messer 26 und der darin bestimmte Bodenanalysator 28 sind daher wenigstens 4,88 m (16 Fuß) und vorzugsweise 6,1 m (20 Fuß) vor dem Streuer 20 bei einem Fahrzeug angeordnet, das mit 28,96 km/h (18 Meilen pro Stunde) fährt.
Durch Reduzieren der Reaktionszeit des Streuers 20 kann die minimal erforderliche Trennung des Sensors 28 und des Streuers 20 bei einer vorgegebenen Fahrzeuggeschwindigkeit verringert werden. Beispielsweise ist bei einer Verringerung der Reaktionszeit des Streuers 20 auf 0,25 Sekunden eine Netto-Separation zwischen dem Bodenanalysator 28 und dem Streuer 20 von 3,05 m (10 Fuß) bei einem Fahrzeug erforderlich, das mit 28,96 km/h (18 Meilen pro Stunde) fährt.
Ein Hauptmerkmal des Bodenanalysators 28, der mit dem Expertensystem 30 verwendet wird, besteht in der Eignung, das Vorhandensein und den Prozentsatz von spezifischen Düngemitteln innerhalb der Bodenfläche genau zu bestimmen, sowie in der Eigenschaft, die Art des Bodens in nahezu Echtzeit zu bestimmen. Der Spektrograph führt die Bodenanalyse auf der Grundlage der Spektroradiation durch, wobei der Boden mit einer Beleuchtungsquelle bei einer ausgewählten feststehenden Frequenz bestrahlt wird, wodurch die interessierenden Elemente zum Fluoreszieren oder Glimmen veranlaßt werden. Vom Spektrographen wird eine spektrale Luminanz einer jeder interessierenden Chemikalie gemessen, wobei der Spektrograph ein spektrographisches Bild der gemessenen Bodenfläche erzeugt. Verschiedene Elemente wie beispielsweise Stickstoff, Kalium, Pho-sphor und Zink werden von einer Lichtquelle mit einer ausgewählten feststehenden, aber unterschiedlichen Frequenz angeregt. Stickstoff, Kalium, Phosphor und Zink fluoreszieren jeweils optimal, wenn sie von einer Quelle (Laser) mit unterschiedlichen Frequenzen angeregt werden. Beispielsweise fluoresziert Kalium optimal, wenn es von einer Quelle mit einer Wellenlänge von 766,4 nm angeregt wird, Stickstoff bei 1246,9 nm, Phosphor bei 956,3 nm und Zink bei 636,2 nm. Die verschiedenen Wellenlängen, bei denen jedes Element strahlt oder Spitzenwerte abgibt, ist einzigartig, und die Intensitäten der Spitzenwerte hängen von der Wellenlänge der Bleuchtungsquelle ab. Gemäß der Quantenmechanik erzeugt jedes Element ein Spektralbild, das bei einer gegebenen Beleuchtungsquelle einzigartig zum nächsten ist, wodurch die Spektralbilder unterscheidbar sind.
Die Figuren 3, 4 und 5 stellen drei verschiedene Spektralbilder dar, die von derselben Bodenfläche erhalten werden, wenn diese von der Quelle mit der jeweils erwähnten idealen Wellenlänge bestrahlt wird, wobei die Bodenfläche 25 5% Stickstoff, 20 % Phosphor und 30 % Kalium enthält. In Figur 6 ist ein Spektralbild einer Bodenfläche gezeigt, die 100 % Stickstoff enthält. In gleicher Weise ist in den Figuren 7 und 8 ein Spektralbild einer Bodenfläche gezeigt, die 100 % Phosphor bzw. 100 % Kalium enthält. Der Bediener speichert im Speicher des Expertensystems 30 die Intensität der Spektralspitzen für Bodenflächen, die aus 100 % der jeweiligen Chemikalie bestehen, wie in den Figuren 6-8 gezeigt. Im Betrieb vergleicht das Expertensystem 30 die Intensität der Spitzen der festgestellten Spektralbilder in den Figuren 3, 4 und 5 mit der Intensität der Spitzen, die im Speicher gespeichert und in den jeweiligen Referenzbildern gezeigt sind, die in den Figuren 6, 7 und 8 dargestellt sind. Beispielsweise ist der Prozentsatz an Stickstoff in der Bodenfläche gleich dem Verhältnis der Spitzenintensität von Figur 3 zum Spitzenintensitätsbild von Figur 6 bei gemeinsamen Wellenlängen, wobei diese Intensitäten im Speicher des Expertensystems 30 gespeichert sind. Das Verhältnis von Phosphor und Kalium wird vom Expertensystem 30 in ähnlicher Weise unter Verwendung der Figuren 4-5 und 7-8 berechnet.
Dieser Meßvorgang für die chemische Zusammensetzung wird für jedes der interessierenden Elemente wiederholt, wenn das System 10 in Betrieb ist, wobei entweder eine einzige Quelle mit verschiedenen Frequenzen sequenziell oder vier Quellen mit vier unterschiedlichen Frequenzen parallel verwendet werden. Das erhaltene Spektralbild, das in Figur 3 gezeigt ist, wird mit dem Spektralbild einer Bodenfläche verglichen, die aus 100 % der jeweils interessierenden Chemikalie besteht, wie in Figur 6 gezeigt. Anfänglich bestimmt das Expertensystem 30 zuerst, ob ein gewisses Element vorhanden ist, indem das erhaltene Spektralbild, beispielsweise Figur 3, mit dem Referenzspektralbild, beispielsweise Figur 6, verglichen wird, um festzustellen, ob eine Spektralspitze bei der bekannten Fluoreszenzwellenlänge für die untersuchten Chemikalien, beispielsweise 50 für Stickstoff, 52 für Kalium und 54 für Phosphor, vorhanden ist (eine vorbestimmte Schwelle überschreitet). Ist ein Zacken vorhanden, wird die Amplitude einer jeden festgestellten Spitze 50, 52 oder 54, wie in den Figuren 3, 4 und 5 gezeigt, mit der Amplitude der Referenzspitzen 58, 60 und 62 der Figuren 6, 7 und 8 verglichen, die eine Bodenprobe mit 100 % Stickstoff, Phosphor bzw. Kalium repräsentiert. Die Kombination der in den Figuren 3, 4 und 5 gezeigten Spektralbilder ist für die untersuchte Bodenfläche repräsentativ und üblicherweise als die Bodenkennung bekannt.
Um eine noch genauere Berechnung des Prozentsatz es der in der Bodenfläche vorhandenen Chemikalien zu erhalten, wird eine separate Spitze, die von der 50, 52 und 54 Spitzenfrequenz verschieden ist und die nächsthöhere Intensität in den Figuren 3, 4 und 5 hat und mit 51, 53 bzw. 55 angegeben ist, mit der Intensität der entsprechenden Referenzspitze (bei derselben Wellenlänge) verglichen, die ebenfalls im Speicher gespeichert und in den Figuren 6, 7 und 8 gezeigt und mit 59, 61 und 63 angegeben ist. Um eine noch genauere Berechnung des chemischen Gehaltes zu erhalten, können die Intensität oder andere in den Figuren 3-5 gezeigte Spitzenfrequenzen mit der Intensität der entsprechenden, in den Figuren 6-8 gezeigten Referenzspitzen verglichen werden. Durch Mittelwertbildung oder Gewichtung des unter Verwendung der verschiedenen Spitzenfrequenzen individuell berechneten chemischen Gehaltes können Fehler aufgrund von Meßtoleranzen oder aufgrund der Möglichkeit, daß einige Elemente bei ihrer Anregung Spitzen mit geringerer Intensität bei gleicher Frequenz erzeugen, verringert werden.
Der Spektrograph 28 bestimmt auch die Bodenart an der Bodenfläche, indem der Wassergehalt der Bodenfläche festgestellt wird, da die Feuchtigkeit im Boden, die in der Furche erfaßt wird, die Art des Bodens angibt. Beispielsweise hält aus Ton bestehender Boden mehr Feuchtigkeit zurück als Sand oder Schluff, und die Verhältnisse der Wasserhaltungsfähigkeiten für jede Bodenart ist bekannt. Der Spektrograph 28 wird verwendet, um eine spektrale Luminanz des an der Bodenfläche vorhandenen Wassers zu erzeugen. Dieser Spektrograph wird dann mit einem Referenzspektrographen verglichen, der im Expertensystem 30 gespeichert ist und eine Bodenfläche mit einem vorbestimmten Prozentsatz an Wasser angibt. Die Intensitäten des Spektrums bei einer Spitzenfrequenz werden vom Expertensystem 30 verglichen, um den Prozentsatz an Wasser im Boden festzustellen. Ist dieser Prozentsatz an Feuchtigkeit einmal bekannt, charakterisiert das Expertensystem 30 die Bodenfläche als einen Prozentsatz an Ton, Schluff oder andere bekannten Bodenarten auf der Basis der relativen Feuchtigkeitshaltefähigkeiten einer jeden Bodenart, indem auf eine Datentafel Bezug genommen wird, die im Speicher des Expertensystems 30 gespeichert ist.
Erhält das Expertensystem 30 den Prozentsatz der Chemikalien im Boden an der Bodenfläche sowie die Art des vorhandenen Bodens, geht das Expertensystem 30 dann weiter, um die erhaltene chemische Information zu verwenden, um eine chemische Vorschrift oder Empfehlung für das Ausgabesteuersystem zu erzeugen. Vom Expertensystem 30 werden dann Steuersignale als Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit für das Aufbringungssystem 22 über die Leitung 36 erzeugt, welche die richtige Abgaberate für die verschiedenen Chemikalien von den Behältern 14 durch die Ausgabegeräte 20 enthält. Bestimmt das Expertensystem 30 beispielsweise, daß die Bodenfläche 5 % Stickstoff aufweist und der Boden aus Ton besteht, wird eine chemische Vorschrift für Stickstoff aus der Datentafel im Speicher des Expertensystems 30 festgestellt. Bestimmt das Expertensystem 30 unter Verwendung des Spektrographen 28 jedoch, daß der Boden aus Sand besteht, wird eine unterschiedliche chemische Vorschrift für Stickstoff für das Aufbringungssystem 22 von den Datentafeln des Expertensystems 30 erzeugt. Das Expertensystem 30 kann viele andere Variablen berücksichtigen sowie die chemischen Vorschriften für jede Chemikalie bestimmen, die von den Behältern 14 durch die Abgabevorrichtung 20 abgegeben wird. Beispielsweise kann der Bodenanalysator 28 den prozentualen Gehalt von organischen Dingen an der Bodenfläche und die Grobheit des Bodens bestimmen, welche die Düngemittelrückhalteeigenschaften des Bodens anzeigen kann. Das Expertensystem 30 ist daher gut geeignet, viele Variable in Verbindung mit den bestimmten prozentualen Gehalten an Düngemitteln zu verwenden, die an der Bodenfläche vorhanden sind, wenn es die chemische Vorschrift zur Steuerung des Aufbringungssystems 22 erzeugt.
Andere Unterstützungssysteme sind ebenfalls vorgesehen, beispielsweise ein Drucker 40 zum Erzeugen eines Ausdrucks des Systemstatus, ein Keyboardsystem 42 zum Programmieren und Eingeben von Daten in das Expertensystem 30, und ein Monitor 44, um dem Bediener einen visuellen Zustand des Aufbringungssystems 10 zur Verfügung zu stellen. Das Expertensystem 30, der Drucker 40, das Keyboard 42 und der Monitor 44 sind innerhalb des Fahrerhauses des Fahrzeugs angeordnet. Eine Vielzahl von Geschwindigkeitssensoren 32 beliefern das Expertensystem 30 mit der Geschwindigkeit des Fahrzeuges in Echtzeit, wobei die Geschwindigkeitssensoren bekannt sind. Die Abgaberate wird als Funktion der chemischen Vorschriften und der Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt.
Während die Anwendung eines Spektrographen unter Verwendung der Spektroradiometrie den bevorzugten Bodenanalysator darstellt, der in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet wird, so ist festzustellen, daß die Grundprinzipien der Spektroradiometrie unter Verwendung von Mikrowellen oder Ultraschallwellen genauso angewendet werden können. Beispielsweise induziert das Stimulieren der Bodenfläche mit einem Signal bei einer vorausgewahlten festen Frequenz mit Mikrowellen oder Ultraschallwellen zurückgesandte Signale, die aus einer Vielzahl von Frequenzen bestehen, die als Bodenkennung bekannt sind, und wobei die Bodenkennungen die in der Bodenfläche vorhandenen Elemente anzeigen. Es ist daher nicht zu folgern, daß eine Begrenzung auf den Einsatz eines Spektrographen vorgesehen wäre. Vielmehr wird das allgemeine Prinzip des Anregens von Böden bei einer vorbestimmten feststehenden Frequenz betrachtet und kann in nahezu Echtzeit durchgeführt werden, wobei die gewählte Frequenz ideal ist, das Vorhandensein und die Quantität eines speziellen Elements zu erfassen, um eine Zusammensetzung von Signalen zu erhalten, die von der Bodenfläche zurückgesendet werden. Beispielsweise regt beim Anregen einer Bodenfläche mit einer Beleuchtungsquelle bei 1247 nm die Atome erster Ordnung von Stickstoff gemäß der Quantenmechanik maximal an. Unterschiedliche feste Frequenzen können erzeugt werden, um unterschiedliche gewünschte Elemente zu erfassen. Daher können wiederum, während ein festes Frequenzsignal als Quelle verwendet wird, beispielsweise dasjenige, das von einem Laser im sichtbaren Bereich des Spektrums erzeugt wird, andere Quellen wie Mikrowellensignalgeneratoren und Ultraschallgeneratoren genausogut ohne Veränderung der Erfassungstechniken verwendet werden.

BETRIEB

In Figur 9 ist ein Flußdiagramm für den Betrieb des vorliegenden geregelten chemischen Aufbringungssysteins 10 dargestellt. In Schritt 70 erhält der Bediener zuerst Referenzspektrographen für die Bodenflächen, die 100 % der gewünschten zu erfassenden Elemente enthalten, wie in den Figuren 5, 6, 7 und 8 gezeigt, und für einen festen Prozentgehalt an Wasser. Beispielsweise wird der Spektrograph des Bodens erhalten, der aus 100 % Stickstoff besteht, und in gleicher Weise wird ein Spektrograph für jedes andere Element einschließlich Phosphor, Kalium und Zink aus einer Bodenfläche erhalten, die aus 100 % der jeweiligen Elemente besteht. Die Amplituden der Spitzenfrequenzen bei den geeigneten Wellenlängen, die in jedem Referenzspektrographen erhalten werden, werden im Speicher des Expertensystems 30 gespeichert.
Als nächstes wird das Aufbringungssystem 22 im Schritt 72 initialisiert. In diesem Schritt werden die Behälter geprüft und mit den geeigneten abzugebenden Chemikalien derart beladen, daß die Ausgabevorrichtung bereit ist, die geeigneten Chemikalien mit einer Rate abzugeben, die vom Expertensystem 30 bestimmt wird.
In Schritt 74 werden die Referenztafeln des Expertensystems 30 aktualisiert, wobei die Eingabe von Bodenwissenschaftlern aktualisiert werden kann. Die Eingaben bestehen aus zahlreichen Informationen einschließlich der Tafeln zum Bestimmen der Bodenart auf der Basis des Wassergehaltes, Tafeln zum Bestimmten der gewünschten Düngemittellevel für verschiedene Düngemittelarten für jede Bodenart, und Tafeln zum Bestimmen der Düngemittelabgaberaten auf der Basis der gewünschten Düngemittellevel und der erfaßten Düngemittellevel. Das Expertensystem 30 verwendet diese Tafeln zum Bestimmen einer chemischen Vorschrift.
Als nächstes wird in Schritt 76 die Bodenanalyse der Bodenfläche in Echtzeit vom Bodenanalysator 28 durchgeführt, wenn das Fahrzeug 12 das Feld überquert. Die Spektrographen der Bodenfläche werden vom Bodenanalysator 28 erhalten, der hinter dem Messer 26 in der Furche angeordnet ist, wenn das Fahrzeug das Feld überquert. Es werden die Spektrographen für jede interessierende Chemikalie und für Wasser erhalten. Die Spektrographen werden dem Expertensystem 30 mitgeteilt, wobei das Expertensystem 30 die chemischen Vorschriften für die Bodenfläche in Schritt 78 berechnet. Dies wird durchgeführt, indem zuerst die erhaltenen Spektrographen (Figuren 3, 4 und 5) mit den gespeicherten Referenzspektrographen (Figuren 6, 7 und 8) verglichen werden, die in Schritt 70 bestimmt werden. Durch Vergleich der Spektrographen wird das Vorhandensein der verschiedenen Chemikalien bestimmt, wobei der Prozentgehalt der vorhandenen Chemikalien festgestellt wird, indem das Verhältnis der Intensitäten des Spektrographen an einer oder mehreren Spitzenfrequenzen (Figuren 3, 4 und 5)zu den Intensitäten der Referenzspektrographen (Figuren 6, 7 und 8) bei den jeweiligen Spitzenfrequenzen bestimmt wird, die in Schritt 70 bestimmt werden.
Die Art des an der Bodenfläche vorhandenen Bodens wird ebenfalls vom Expertensystem 30 bestimmt, indem der erhaltene Spektrograph für Wasser mit dem Referenzspektrographen verglichen wird, und dann werden Tafeln, die im Speicher des Expertensystems 30 in Schritt 74 gespeichert werden, dazu verwendet, um die Bodenart auf der Basis des vorhandenen Prozentgehaltes an Wasser zu charakterisieren. Anschließend wird auf geeignete Datentafeln des Expertensystems 30 Bezug genommen, um die Bodenvorschrift zu bestimmen. Wird beispielsweise die Bodenfläche auf der Basis des Wassergehaltes als Ton bestimmt, und sind 5 % Stickstoff vorhanden, würde die Tafel bei diesen gegebenen Bedingungen anzeigen, daß ein Stickstofflevel von 10 % gewünscht ist. Dies würde die Bodenvorschrift sein. Das Expertensystem 30 bestimmt dann die Fahrzeuggeschwindigkeit vom Sensor 32 und sendet unmittelbar das geeignete Befehlssignal zur Abgabevorrichtung 20, um die geeignete Abgaberate derart einzustellen, daß bei der gegebenen Fahrzeuggeschwindigkeit ein 10 %iger Stickstofflevel an der Bodenfläche eingerichtet wird. In Schritt 80 gibt die Abgabevorrichtung 20 daher die geeigneten Chemikalien mit geeigneter Rate ab. Die Abgabe der Chemikalien über die Abgabevorrichtung 20 ist derart getimed, daß die Fahrzeuggeschwindigkeit, entsprechende Zeitverzögerungen der Komponenten und die Trennung zwischen dem Analysator 28 und der Abgabevorrichtung 20 derart berücksichtigt werden, daß die Abgabevorrichtung 20 die geeigneten Chemiekalien abgibt, wenn sie sich über der Bodenfläche befindet, die vom Bodenanalysator 28 analysiert wird.
Die Schritte 76 bis 80 werden kontinuierlich wiederholt, wenn das Fahrzeug 12 das Feld überquert. Das Aufbringungsverfahren kann vom Bediener zu jeder Zeit beendet werden, indem die Routine in Schritt 82 angeregt wird. Das geregelte System kann wieder initiiert werden, indem zum Schritt 76 zurückgekehrt wird, wobei sich das Regelverfahren wieder derart fortsetzt, daß die geeignete Rate an Chemikalien abgegeben wird, wenn das Fahrzeug das Feld überquert. Alternativ kann die Routine zu Schritt 74 zurückkehren, um den Input, beispielsweise die Datentafeln, im Expertensystem 30 zu aktualisieren, indem mehr Eingaben von den Bodenwissenschaftlern zur Verfügung gestellt werden. Die Routine kann auch reinitialisiert werden, indem direkt zu Schritt 76 zurückgegangen wird, um zusätzliche oder unterschiedliche Spektrographen zu speichern, die als Referenzspektrographen verwendet werden.
Die Regelkreisroutine wird realisiert, indem die Schritte 76, 78 und 80 kontinuierlich ausgeführt werden, um kontinuierlich die Bodenanalyse in nahezu Echtzeit durchzuführen, wobei die Bodenvorschrift in nahezu Echtzeit auf der Basis der Resultate der Bodenanalyse berechnet wird und dann die Chemikalien mit der geeigneten Rate auf die Bodenfläche gemäß der in Schritt 78 bestimmten Bodenvorschrift abgegeben werden, wobei Bodentafeln und die Fahrzeuggeschwindigkeit verwendet werden. In Schritt 80 wird die Abgaberate bestimmt, indem die Fahrzeuggeschwindigkeit zusammen mit der chemischen Vorschrift derart berücksichtigt werden, daß die geeignete Abgaberate in Schritt 80 bestimmt und befohlen wird. Schritt 80 berücksichtigt auch den Abstand zwischen dem Bodensensor 28 und der Abgabevorrichtung 20. Bei Kenntnis der Fahrzeuggeschwindigkeit wird die Zeit, die zwischen dem Überfahren einer bestimmten Bodenfläche durch den Bodenanalysator 28 und dem Überfahren der gleichen Fläche durch die Abgabevorrichtung 20 verstrichen ist, derart berücksichtigt, daß die geeignete Menge an Chemikalien auf die Bodenfläche abgegeben wird.
Schritt 76 benötigt ungefähr 30 Millisekunden, Schritt 78 ungefähr 100 Millisekunden, und die Zeitverzögerung für die Abgabevorrichtung 20, um auf die Abgaberateinstruktion in Schritt 80 zu reagieren, beträgt ungefähr 0,5 Sekunden. Für ein Fahrzeug, das mit 28,96 km/h (18 mph) fährt, ist daher eine Gesamtbearbeitungszeit von 0,63 Sekunden erforderlich. Die minimale Trennung des Bodenanalysators 28 und der Abgabevorrichtung 20 ist daher 5,185 m (17 Fuß). Durch Befestigen des Halteaufbaus 24 am Rahmen des Fahrzeugs 12, um den Bodensensor 28 vor der Abgabevorrichtung 20 anzuordnen, um eine Trennung von 6,1 m (20 Fuß) einzurichten, hat das Abgabesystem 10 immer genügend Zeit, um die Bodenanalyse durchzuführen, die Bodenvorschrift zu berechnen und daraufhin die Chemikalien auf die Bodenfläche abzugeben. Je schneller das Fahrzeug 12 das Feld überfährt, umso größer ist offensichtlich der erforderliche minimale Abstand des Bodenanalysators 28 vom Abgabegerät 20. Ein größerer Abstand des Bodensensors vom Abgabegerät 20 als die Minimaltrennung kann durch Verzögern des Steuersignals vom Expertensystem 30 zur Abgabevorrichtung 20 berücksichtigt werden, und dies schafft einen Zeitspielraum.

Claims

1. Vorrichtung zum Behandeln einer Bodenfläche, mit:

a) einem Fahrzeug (12), das geeignet ist, ein Feld zu überqueren;

b) einer Bodenanalyseeinrichtung (28), die mit dem Fahrzeug (12) verbunden ist, um ein Signal zu erhalten, das einen Gehalt von wenigstens einem Element an einer Bodenfläche angibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenanalyseeinrichtung (28) aufweist:

i) eine Signalerzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines ersten Signals bei einer vorbestimmten festen Frequenz und zum Leiten des ersten Signals auf die Bodenfläche; und

ii) eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen eines zurückgesandten zweiten Signals von der Bodenfläche, das vom ersten Signal induziert wird, wobei das zweite Signal aus einer Vielzahl von Frequenzen besteht und eine Bodenkennung bestimmt, die den Gehalt des Elementes anzeigt; wobei die Vorrichtung ferner umfaßt

c) eine Abgabeeinrichtung (30, 22), die wirkmäßig mit der Erfassungseinrichtung verbunden ist, um eine Menge des Elementes als Funktion der Bodenkennung abzugeben.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Vorrichtung eine Einrichtung (30) zum Bestimmen der Bodenart an der Bodenfläche enthält, wobei die Abgabeeinrichtung das Element als Funktion der Bodenart abgibt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, welche ferner eine Einrichtung (32) zum Erfassen der Fahrzeuggeschwindigkeit aufweist, die wirkmäßig mit der Abgabeeinrichtung (22, 30) verbunden ist, wobei die Abgabeeinrichtung das Element als Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit abgibt.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Erfassungseinrichtung betreibbar ist, um eine Echtzeit-Mittelung der erfaßten zweiten Signale durchzuführen, und das Element als Funktion der gemittelten zweiten Signale abgibt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die erfaßte Bodenkennung an der Bodenfläche vorhandenen Stickstoff, Phosphor und Kalium anzeigt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Bodenanalyseeinrichtung (28) einen Spektrographen umfaßt.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Abgabeeinrichtung (22, 30) um einen vorbestimmten Abstand hinter der Bodenanalyseeinrichtung (28) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die Bodenanalyseeinrichtung (28) ferner eine Einrichtung (30) zum Bestimmen einer Intensität der zurückgesandten zweiten Signale umfaßt, die wirkmäßig mit einer Einrichtung verbunden ist, die einen Teil der Abgabeeinrichtung bildet und betätigbar ist, um einen prozentualen Gehalt des Elementes in der Bodenfläche von der zweiten Signalintensität bestimmen.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche ferner eine Einrichtung (26) umfaßt, die mit dem Fahrzeug (12) verbunden ist, um die Bodenfläche vorzubereiten.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei welcher die Prozentsatzbestimmungseinrichtung (30) umfaßt:

a) eine Einrichtung zum Speichern eines vorbestimmten Wertes, der einen bekannten Prozentgehalt des Elements anzeigt; und

b) eine Einrichtung zum Vergleichen des vorbestimmten Wertes mit der bestimmten Intensität des zweiten Signals, um einen Ausgabewert zu erhalten, wobei der Ausgabewert den Prozentgehalt des Elementes in der Bodenfläche anzeigt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 7 bis 10, bei welcher die Bodenanalyseeinrichtung (28) Ultraschallwellen verwendet.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 7 bis 10, bei welcher die Bodenanalyseeinrichtung (28) Mikrowellen verwendet.

13. Verfahren zum Behandeln von Agrarland, bestehend aus den Schritten:

a) Feststellen eines laufenden Elementlevels einer Bodenfläche;

b) Bestimmen einer Bodenvorschrift; und

c) Aufbringen des Elementes auf die Bodenfläche als Funktion der vorbestimmten Bodenvorschrift, gekennzeichnet durch Feststellen des laufenden Elementlevels durch

i) Anregen der Bodenfläche mit einem Signal mit einer vorbestimmten festen Frequenz;

ii) Erfassen eines zweiten Signals, das vom ersten Signal induziert wird, von der Bodenfläche, wobei das zweite Signal eine Vielzahl von Frequenzen umfaßt; und

iii) Vergleichen des zweiten Signals mit einem Referenzsignal, um den Elementlevel der Bodenfläche zu bestimmen; und Bestimmen der Bodenvorschrift auf der Basis der Bodenart und des zweiten Signals.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem das Verfahren in nahezu Echtzeit durchgeführt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, das ferner den Schritt umfaßt Feststellen einer Geschwindigkeit eines Fahrzeugs, das angepaßt ist, um das Element auf die Bodenfläche in Schritt (c) aufzubringen und das Element auf die Bodenfläche in Schritt (c) als Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit aufzubringen.

16. Verfahren nach Anspruch 13, 14 oder 15, das ferner den Schritt umfaßt: Feststellen einer Bodenart der Bodenfläche und Aufbringen des Elementes auf die Bodenfläche in Schritt (c) als Funktion der Bodenart.