EA005395B1

EA005395B1 - Способ и система для объемно-определенного воздействия на почву и растения

Info

Publication number: EA005395B1
Application number: EA200301247A
Authority: EA
Inventors: Кнут Кюммель
Original assignee: Кнут Кюммель
Priority date: 2001-05-14
Filing date: 2002-05-14
Publication date: 2005-02-24
Also published as: WO2002091823A1; EA200301247A1; US20040136139A1; DE10221948A1; UA76752C2; ATE373420T1; MXPA03010372A; AU2002317148B2; CA2447375C; CZ20033100A3; PL365750A1; EE04985B1; EE200300550A; CZ300437B6; CN1527665A; US7263210B2; ES2294145T3; CA2447375A1; EP1387611B1; IL158843A0

Abstract

Изобретение относится к способу и системе для отвечающего потребностям и точно определенного по объему воздействия на почву и растения. В основе изобретения лежит задача усовершенствования способа и системы описанного выше рода так, чтобы растительное насаждение можно было сканировать пространственно без промежутков, а воздействием на состояние почвы и растений можно было эффективно управлять с одновременным учетом морфологических и физиологических свойств растений, а также технических и специфических для местонахождения свойств.

Description

Изобретение относится к способу отвечающего потребностям и объемно определенного воздействия на почву и растения, в частности путем выдачи/дозирования распыливаемых средств, таких как средства защиты растений и/или удобрения, а также воды, обработки почвы, ухода за порослью и/или обработки и ухода за растениями в ареалах, равномерно или неравномерно засаженных деревьями, такими как аллейные или лесные деревья и т.п., пространственными культурами, в частности виноградом и плодовыми, хмелем, цитрусовыми, оливковыми деревьями и т.п., кустами или кустарниковыми растениями, такими как бананы и т.п., при котором растения сканируют монохроматическими пульсирующими лазерными лучами, полученными с помощью закрепленного на передвижном носителе, циклически перемещаемого относительно растений отдельного сенсора, регистрируют с помощью этого сенсора отраженный от листового покрова спектр излучения, преобразуют зарегистрированный спектр в оптические сигналы и направляют эти сигналы на компьютер, который записывает и обрабатывает сигналы и управляет выдачей/дозированием порции распыливаемого средства в зависимости от вегетационного состояния, обработкой почвы и растений, а также сбором урожая путем подачи коммутационных команд на приведение в действие установленных на носителе опрыскивателей и нагнетателей и/или обрабатывающих орудий.

Изобретение относится далее к системе для осуществления способа, содержащей передвижной носитель, например транспортное средство и/или прицепленные рабочие машины, закрепленный на носителе сенсор с источником излучения для посылки импульсного лазерного луча, установленное с возможностью вращения вокруг вертикальной оси зеркало для ориентирования луча на листовой покров, приемник излучения для приема отраженных от листового покрова лучей, компьютер для обработки отраженного излучения и для управления содержащим закрепленные на носителе форсунки опрыскивателем с резервуаром для распыливаемого средства, причем форсунки расположены на значительном удалении от сенсора, жидкостный насос для подачи распыливаемого средства к форсункам, клапаны для открывания и закрывания форсунок и нагнетатель для создания двухфазного потока.

Изобретение относится также к системе для осуществления способа, содержащей передвижной носитель, например транспортное средство и/или прицепленные рабочие машины, закрепленный на носителе сенсор с источником излучения для посылки импульсного лазерного луча, установленное с возможностью вращения вокруг вертикальной оси зеркало для ориентирования луча на листовой покров, приемник излучения для приема отраженных от листового покрова лучей, компьютер для обработки отраженного излучения и для управления, по меньшей мере, одним закрепленным на носителе обрабатывающим орудием, причем, по меньшей мере, одно обрабатывающее орудие расположено на значительном удалении от сенсора.

При обработке растений жидкими средствами защиты и/или удобрениями на все целевые поверхности растений или вредителей должна быть надежно нанесена определенная заданная порция действующего вещества. Для нанесения этих действующих веществ на пространственные культуры, такие как виноград, плодовые, хмель, цитрусовые, оливковые деревья и т.п., используются нагнетательные опрыскиватели, которые транспортируют капли распыленных средств защиты растений в виде двухфазной свободной струи к находящимся сбоку и над опрыскивателем целевым поверхностям растений. Опрыскиватель движется при этом между образующими проезд рядами растений. В зависимости от формы вегетации и выращивания, растения могут культивироваться так, чтобы они образовывали над проездом закрытый растительный покров, например перголу у винограда или чашеобразную крону у плодовых деревьев.

Для нанесения жидких средств защиты растений на пространственные культуры, такие как виноград, плодовые и хмель, используются опрыскиватели с форсунками, управляемыми ультразвуком (ΌΕ 3900221 А1, ΌΕ 3900223 А1), или с форсунками, управляемыми оптически или лазером (ΌΕ 19518058 А1, ЕР 0743001 А1). Эти известные опрыскиватели используют множество отдельных форсунок, управляемых отдельными сенсорами. Отдельные сенсоры обнаруживают наличие целевых поверхностей, например листовых поверхностей, в зоне сканирования сенсорами.

По характеру сигналов сенсоров для каждого участка по высоте принимают решение «да-нет», так что обработку растений прерывают всегда тогда и там, где распыленная струя опрыскивателя не достигает целевой поверхности растений.

Согласно ΌΕ 19518058 А1 растения обнаруживают отдельными, расположенными друг над другом сенсорами, преимущественно оптическими сканерами, на соответствующих их зонам действия участках высоты растений. Растения распознаются, таким образом, по высоте лишь узкими полосами в виде выборки. Растущие между сенсорами горизонтально ветви или усики остаются нераспознанными. Информация о соответствующем расстоянии между форсункой и целью, соответствующем необходимому пути полета капель распыленного средства, отсутствует. Это означает, что при выдаче распыленного средства не реализуется опережающее открывание и закрывание форсунок, так что распыленное средство, в частности в более удаленных от опрыскивателя зонах побегов, таких как более редкие зоны вершин деревьев или лоз, не может быть целенаправленно нанесено. Эти зоны побегов, однако, особенно восприимчивы с фитопатологической точки зрения и должны надежно обрабатываться для защиты культуры от инфекций.

- 1 005395

Из И8 5278423 А1 известно также решение, в котором при распылении использован отдельный вращающийся лазерный сенсор для детектирования листового покрова и для вырабатывания обычных выходных сигналов для управления сельскохозяйственным опрыскивателем. При этом способе распыления выработанный импульсным пусковым сигналом импульсный лазерный луч излучается сенсором. Приемник принимает отраженный от одной точки на целевом дереве лазерный луч, причем приемник снабжен выходом для представляющего выбранный импульсный луч времени передачи, которое соответствует времени передачи от целевой точки до приемника. Импульсный лазерный луч вертикально сканирует листву целевого дерева, причем сканирование определяется углом, который соответствует углу лазерного луча относительно базового угла.

Затем определяют положение сенсора во время цикла сканирования, при этом цикл сканирования определен как один полный оборот лазерного луча вокруг оси движения опрыскивателя в вертикальной плоскости сканирования в положении вдоль оси движения опрыскивателя. После этого устанавливают множество определенных опрыскиваемых участков. Опрыскиваемые участки имеют заданное направление, и расположенные на опрыскивателе распыливающие головки открываются для выдачи распыливаемого средства.

Рабочая зона, угол и информация о расстоянии обрабатываются микропроцессором с тем, чтобы установить высоту деревьев и соответствующее этой высоте положение распыливающей головки для измерения при сканировании в подходящем положении движения опрыскивателя.

Используемый в этом известном способе сенсор состоит из лазерных средств для определения расстояния от сенсора до растущих в ряд деревьев с листовым покровом, вдоль которых движется сенсор, и для подачи соответствующих выходных данных расстояния, соответствующих углу сенсора для каждого выходного значения расстояния, средств для определения отрезка пути перемещения сенсора вдоль листового покрова, причем отрезок пути отображает дистанцию между сенсором и распыливающими головками, средств для обработки соответствующих выходных данных расстояния и отрезка пути для установления наличия и признака обнаруженного листового покрова, причем средства обработки подают управляющие сигналы для обычно используемых сельскохозяйственных опрыскивателей.

В этом известном решении целые листовые поверхности или кроны или затеняющие поверхности распознаются как единое целое, с помощью которого включаются форсунки для выдачи распыливаемого средства. Не учитываются ни просветы в пределах этого единого целого, вегетационное развитие растений и информация об их структуре, ни информация из глубины листового покрова. Это означает, что выдача распыливаемого средства не ориентирована на точно определенные по пространству потребности растений и остается неточной, из-за чего расход распыливаемого средства соответственно высок или неэффективен. Это известное решение пригодно поэтому только для очень высоких культур с очень большой шириной междурядий стоящих отдельно друг друга в ряду растений.

Кроме того, все эти известные решения используют для измерения пути датчики на колесе транспортного средства. Колесо, катящееся по неукрепленному грунту с разной структурой, подвержено постоянному проскальзыванию, которое в зависимости от расположения сенсоров и форсунок приводит к погрешностям в точности определения цели при выдаче распыливаемого средства.

Качка опрыскивателей при их движении по неукрепленному грунту вызывает боковое смещение отдельных сенсоров, если они расположены выше или ниже центра тяжести качки. Это приводит к погрешностям измерения удаления в зависимости от положения сенсоров относительно центра тяжести качки. Базовые измерительные точки отдельных сенсоров смещаются вертикально по листовому покрову, в результате чего регистрируются иные, нежели представляющие интерес, зоны.

При обработке верхней краевой зоны кроны растения качка приводит либо к опрыскиванию выше листвы, либо фитопатологически восприимчивая верхушечная зона не опрыскивается распыленным средством или опрыскивается недостаточно.

В ΌΕ 19726917 А1 описан способ бесконтактного сканирования выступающих над почвой контуров посредством устройства для излучения и приема лазерного луча, при котором во время движения сельскохозяйственной машины контур по ширине сканирования непрерывно определяют из получаемых значений дальности и запоминают его. С помощью блока измерения времени осуществляют определение положения.

В ΌΕ 4434042 С2 раскрыто устройство для бесконтактной регистрации отнесенных к дорожному движению данных пространственно протяженных объектов, движущихся по проезжей части, дороге или колее в качестве контролируемой поверхности, содержащее лазер, устройство приема и обработки оптических сигналов, которые осуществляют определение дальности посредством оптического измерения времени прохождения сигнала, а также сканирующее устройство, отклоняющее лазерный луч так, что он при движении вращения описывает боковую поверхность конуса, ось симметрии которого проходит перпендикулярно или с наклоном к контролируемой поверхности.

Исходя из данного уровня техники, в основе изобретения лежит задача усовершенствования способа и системы описанного выше рода таким образом, чтобы растительное насаждение можно было сканировать пространственно без промежутков, а воздействием на состояние почвы и растений можно было

- 2 005395 эффективно управлять с одновременным учетом свойств морфологии и физиологии растений, технических и специфических для местонахождения свойств.

Эта задача решается посредством способа описанного выше рода с отличительными признаками п.1 формулы и посредством системы с отличительными признаками пп.31 и 32 формулы.

Предпочтительные варианты выполнения способа и системы приведены в зависимых пунктах.

Изобретение более подробно поясняется ниже на нескольких примерах выполнения. На чертежах изображено следующее:

фиг. 1 - схематичное представление сенсора, соответствующего изобретению;

фиг. 1а - схематичное представление расположения сенсора на носителе;

фиг. 2 - схематичное представление сканирования насаждения лазерными лучами;

фиг. 3, 3 а, 3Ь - структура процесса и ход выполнения способа, соответствующего изобретению;

фиг. 4 - принципиальная схема используемой кольцевой памяти.

Пример 1.

Способ согласно изобретению следует, прежде всего, описать на примере ареала с равномерно возделанными растениями пространственной культуры, такой как виноград.

Система согласно изобретению для точно определенной по объему выдачи распыливаемых средств, для обработки и ухода за растениями пространственной культуры, отдельные растения которой стоят близко друг к другу образующими проезды рядами, состоит, в основном, из передвижного носителя 1, например тягача, несущего опрыскиватель 2, нагнетателя для образования двухфазного потока, центрального, вращающегося во время движения носителя по проезду лазерного сенсора 3 и компьютера для обработки всех полученных сенсором данных. К опрыскивателю 2 относится резервуар для распыливаемого средства, насос для подачи распыливаемого средства к форсункам, клапаны для открывания и закрывания форсунок. При использовании обрабатывающих устройств они соответственно закреплены на передвижном носителе 1.

Как схематично показано на фиг. 1 и 1а, сенсор 3 состоит из зеркала 4', установленного с возможностью вращения на оси А. Зеркало по-разному наклонено к оси А вращения и выполнено в виде фасонного зеркала. В этом примере зеркало 4' образовано из круговых секторов 5, 6 в виде кусков торта так, что сектор 5 имеет к оси А вращения наклон 45°, а сектор 6 - наклон 67,5°, т.е. 22,5° относительно нормали к оси А вращения.

Сенсор 3 содержит источник 7 излучения и приемник 8. Вращательное движение зеркала 4' сопровождается измерением угла вращения. Выработанные источником 7 излучения световые импульсы распределяются отклоняющим зеркалом 4 и фасонным зеркалом 4' в пространстве внутри проезда. Отраженные от объектов (листовой покров, отдельный лист, ствол, побег и т.д.) лучи фокусируются отклоняющим зеркалом 4, фасонным зеркалом 4' и оптической системой 9 на приемник 8. Для того чтобы сенсор 3 имел свободный обзор для излучаемого и принимаемого луча, он должен быть закреплен на носителе 1 с возможностью обеспечения достаточно свободного обзора.

Сенсор 3 регистрирует растения насаждения с боков и над опрыскивателем 2 в виде растра из лазерных сканирующих точек, который при движении носителя 1 по проезду описывается в виде полос спиралеобразно вдоль рядов растений. При угловом разрешении, например, 1° вполне возможны вертикальные промежутки между точками сканирования в несколько сантиметров на листовом покрове растений с шириной междурядий 5 м.

В этом примере данные измерений должны поэтому регистрироваться в решетчатом растре с высоким пространственным разрешением около 5х5 см при обычной скорости движения носителя 1 1-8 км/ч.

Лазерный луч отклоняется в направлении движения вперед и вперед в сторону так, что он описывает открытый в направлении движения сектор боковой поверхности конуса. Эта часть лазерного луча касается нижних участков растений вдоль линии, которая регистрирует лежащие горизонтально рядом друг с другом объекты. Часть сектора боковой поверхности конуса, которая в направлении движения дальше всего пересекает вперед почву, образует вершину гиперболы. Конечно, в объем изобретения также включено то, что лазерный луч может быть отклонен против направления движения.

Ось А вращения фасонного зеркала 4' лежит эксцентрично по ходу 10 лучей сенсора 3. За счет этого эксцентриситета плоскость отражения излученного луча совершает колебания на соответствующую эксцентриситету величину перпендикулярно главной плоскости Н. За счет этого на боковую поверхность конуса накладывается соответствующее смещение. Амплитуда смещения описывает одну полную синусоиду во время одного оборота фасонного зеркала 4'.

Грубые данные измерений могут быть получены с помощью измерения расстояния до более удаленных объектов. Лежащие с боков в поле зрения сенсора 3 объекты смещаются относительно положения сенсора от одного углового сектора до другого, за счет чего можно определить путь, если известно расстояние до наблюдаемого объекта. При природном многообразии структур, таких как растительные насаждения у пространственных культур, для измерения пути выбирают характерные объекты с фильтрацией дальности до объектов, распознаваемых с боков носителя 1.

Как показано на фиг. 2, луч импульсного инфракрасного источника лазерного излучения отклоняется от направления излучения вращающимся фасонным зеркалом 4' для верхнего пространства ТВ ска

- 3 005395 нирования преимущественно на 90° и распределяется по кругу в плоскости излучения. При этом инфракрасный источник 7 лазерного излучения формирует импульсы таким образом, что посредством фасонного зеркала 4' при почти одинаковом угловом положении (отношение скорости света к угловой скорости зеркала) отраженный сигнал попадает от зарегистрированного лучом объекта назад к приемнику 8 сенсора 3.

Области сканирования сенсора не лежат в одной плоскости и образуют пространственный угол более одного сегмента четвертой части шара.

Исходя из положения на носителе 1, осуществляется сканирование плоскости в боковом направлении и вверх, причем для этой области угол между фасонным зеркалом 4' и осью А вращения составляет 45°. В направлении движения лазерный луч отклоняется на угол зеркала >45°. Таким образом, луч описывает боковую поверхность конуса, направляемую сенсором 3 от вершины конуса вперед на проезжую часть, причем ось конуса пересекает проезжую часть посередине колеи перед носителем 1. Боковой поверхностью конуса ряды растений сканируются по бокам (в зависимости от угла зеркала и выполнения) от области луча по приблизительно горизонтальной или слегка наклоненной траектории. В этой области движение отдельных объектов (ствол, виноградное растение, кол дерева и т.п.) или структуры (объем кроны, передний контур кроны и т.п.) отслеживается так, что на этой основе определяются сама структура и прохождение этой структуры относительно носителя. Таким образом, можно определить пройденный путь в ряду. Поскольку растения культивируют на одном месте много лет, это положение можно определить за счет известных местоположений растений как по пройденному отрезку пути, так и путем идентификации растений. Ошибки в обоих вариантах измерений могут быть скорректированы за счет их взаимосвязи.

Плоскость сканирования луча с наклоненным на 45° зеркалом 4' регистрирует растения, например виноград с формированным в виде перголы кустом или средиземноморские плодовые насаждения с чашеобразной кроной, в вертикальном направлении с боков и над носителем 1 по замкнутой дуге. За счет эксцентриситета на луч в ходе вращения зеркала накладывается вышеописанное синусообразное смещение перпендикулярно траектории. Амплитуда определяется на основе эксцентриситета и угла зеркала. При вращательном движении зеркала 4' в любом месте траектории всегда возникают одинаковые значения смещения, которые, будучи соответственно учтены, не приводят к функциональным недостаткам.

Для пеленгования и замера растений и для определения положения носителя 1 с опрыскивателем 2 с целью нанесения распыливаемых средств в рядовых культурах зеркало 4' в сенсоре 3 выполнено с возможностью использования плоского и пространственно криволинейного участков. Форма и протяженность плоских участков зеркала определяют оптические свойства сенсора 3 в отношении дальности действия и чувствительности.

Решетка световых пятен с высоким пространственным разрешением (растр) лазерного луча из центрального источника 7 излучения предотвращает погрешности измерений, которые могут возникать у расположенных вдоль одной линии в разных положениях отдельных сенсоров и при перемещениях транспортного средства.

Центральный сенсор 3 позиционирован в этом примере в зоне центра тяжести носителя, за счет чего поступательные и вращательные перемещения самого сенсора могут быть учтены как последовательность собственных движений носителя 1 и скорректированы.

Пространственная кривая, с помощью которой наблюдается окружающее пространство перед, с боков и над носителем 1, имеет в зонах перехода от одного сегмента зеркала к другому уменьшенную оптическую мощность. В этих зонах растительное насаждение позиционировано всегда особенно близко к сенсору 3, так что уменьшенная оптическая мощность там не является недостатком.

Расположение сенсора 3 возможно как на носителе 1, так и на дополнительных устройствах.

Сенсор 3 может быть использован не только для управления выдачей распыленных средств, но и способен контролировать и управлять всеми растениеводческими процессами в пространственных культурах, неравномерных насаждениях из деревьев, кустов, кустарников и т. п., используемых в настоящее время с разными сенсорами и сканерами для распознавания кустов винограда и стволов (косьба, обрезка кустов, подвязывание, удаление листьев из зоны плодоношения, различение сорняков в ряду между стволами или кустами, мульчирование травой и щепками, рыхление, посев, удабривание и транспортировка). В частности, можно регулировать ведение работ по полному съему урожая винограда (количество, цвет, спелость и т.д.).

Система согласно изобретению способна самостоятельно осуществлять процесс нанесения. Отпадает необходимость настроек на сенсоре и носителе. Полученные системой согласно изобретению данные и информация могут быть особенно предпочтительно использованы в рамках ухода за насаждениями. В частности, у интенсивных культур, таких как плодовые, виноград и хмель, используют и комбинируют множество различных мер для достижения определенной производственной цели, например обрезки, подвязывания, удаления листьев, прореживания плодов, полива, удабривания и т. п. Для принятия решения по использованию определенных мер или комбинаций мер значение имеют, с одной стороны, текущая ситуация для конкретной культуры, а, с другой стороны, ожидаемое в будущем развитие самих растений и окружающие условия, такие как погода и т. д.

- 4 005395

Если фермер, который должен принять решение, может воспользоваться точной архивной информацией для своего растительного насаждения, то его решение становится более обоснованным, что снижает риск принятия неправильных решений. Технически точные и воспроизводимые измерения важных параметров растений, которые, будучи полностью задокументированы, остаются в распоряжении в течение длительного времени и могут быть легко сделаны доступными, в этом отношении весьма полезны.

Такие культуры, как виноград или плодовые, тысячелетиями с помощью растениеводческих мер, таких как возделывание, формирование и уход, интенсивно приспосабливаются человеком к местным условиям (почва, климат, местонахождение) и, тем самым, культивируются.

С помощью способа, соответствующего изобретению, а также сенсора регистрируют геоопорные, локально-специфические данные о растениях, которые могут служить основой для приспособленной к данному месту культуры, с ориентированной на отдельное растение оптимизацией обработки. Например, способом согласно изобретению можно индивидуально определить действие использованного средства защиты растений и/или других мер на обработанных растениях в господствующих условиях (сорт, формирование, уход, удабривание, климат, погода). С помощью этой информации можно определить дозу для будущих обработок того же растительного насаждения при сопоставимой индикации с возможностью оптимизации дозы и момента применения того или иного препарата или мероприятия в отношении затрат и действия, а также в отношении индукции резистентности и жизнеспособности. Это обеспечивает также локальное дозирование индивидуальными частичными порциями в различных мероприятиях обработки или позиционирование и проведение мероприятий обработки в зависимости от фактически достигнутого действия на отдельном растении при его индивидуальном местонахождении.

Способом согласно изобретению можно собрать данные о локальных распределениях биологических и фитофизиологических признаков, а также получить временные распределения для каждого прохода по насаждению. Таким образом, можно регистрировать и следить индивидуально для каждого растения за степенью влияния и, тем самым, за действием мер в данных господствующих краевых условиях. С помощью временного измерения можно сравнить также влияние погоды на действие в течение лет и оценить его.

Способом, соответствующим изобретению, ход выполнения которого схематично показан на фиг. 3, 3а, 3Ь, пространственно регистрируют разные растительные насаждения и характеризуют в морфологическом и физиологическом отношениях. Определяют следующие морфологические параметры растений насаждения:

местонахождение объектов, расстояние и угол объекта относительно сенсора;

контур крон (по характеру удаления);

объем крон по контуру (основано на предположении, что растения выращены, в основном, симметрично середине ряда);

середину ряда по положению вершин побегов и стволов/кустов относительно проезда;

плотность по распределению расстояния относительно доминирующего сигнала передней стороны (вид сквозь структуру листового покрова с попаданиями на обратной стороне с исключением попаданий лежащих дальше объектов посредством диафрагмирования фона);

плотность, в частности плотность облиствения, т.е. поверхностное смыкание листьев в листовом покрове скелетообразующих крон (плодовые деревья);

рост побегов по временному сравнению контура и объема;

количество плодов при достаточной величине плодов;

урожайность по количеству плодов на единицу площади и растение.

Из физиологических параметров регистрируют цвет по уровню отраженного сигнала, основано на предположении, что объекты, аналогично окрашенные, расположены на сопоставимом удалении от сенсора и являются сопоставимо отражающими. При этом интерес представляет не абсолютный цвет, а относительная характеристика сигнала в качестве меры насыщения зеленым пигментом и, тем самым, количества хлорофилловых ячеек. Это распределение дает указание на ситуацию с питанием или его распределением по площади. По цветораспределению, в частности при цветении плодовых деревьев, определяют распределение плотности цветков в качестве индикатора периодичности плодоношения деревьев и учитывают путем соответствующей обработки;

жизнеспособность по цветораспределению;

жизнеспособность на основе спектра флуоресценции посредством обработки отраженного излучения.

При известном удалении объекта уровень отражения принятого сигнала является мерой цвета, ориентации и оптического свойства (поверхность) отражающего объекта. С помощью анализа уровня сигнала можно определить распределение оптического признака по площади, которое можно использовать в качестве меры жизнеспособности.

Природная растительная зелень отражает свет ближней ИК-области спектра лучше, чем другие объекты (пик зеленого в спектре отражения). Это зависит от сорта, ситуации с питанием растений или от степени зрелости плодов и т.д. При сравнении степеней отражения разных ближних ИК-областей спек

- 5 005395 тра можно различить хлорофиллсодержащие живые части растений и менее хлорофиллсодержащие объекты, такие как зреющие плоды, или хлорофиллнесодержащие объекты, такие как столбы забора.

Оценка и использование информации об уровне сигнала предполагают, что следует учитывать влияния удаления до целевого объекта, которые вследствие расходимости лучей приводят к снижению уровней сигнала по мере удаления.

Отличия в уровне отраженного сигнала могут быть количественно оценены, когда учитывается информация о дальности и предполагается, что речь идет о сопоставимых целевых объектах, например листьях сопоставимой стадии вегетации при движении по насаждению. Данные измерений уровня сигнала из сопоставимого измерений дальности дают, в основном, информацию о зависимых от цвета свойствах культуры, которые могут быть учтены при обработке. Без дифференцирования разных спектров можно косвенно посредством пространственной характеристики уровня отраженного сигнала сделать вывод о распределении жизнеспособности с помощью хлорофилловой активности.

Лазерный луч попадает при облучении природного листового покрова случайно на отдельные листья или на несколько листьев или на побеги. Это требует особого согласования соответствующей информации дальности по отношению к отдельным, касаемым лучом, объектам. Для этого при посылке луча включают одновременно несколько измерителей времени. Каждый измеритель времени имеет иное значение уровня, при котором засекается время (каскад). Таким образом, измеряется несколько значений времени прохождения для разных уровней отражения. Это определяет дальность частично касаемых объектов. С помощью такого устройства можно обнаружить, обусловлен ли полученный уровень отражения одним целевым объектом или разными объектами, что уменьшает информационную значимость. Информацию о жизнеспособности получают поэтому только из надежных значений отражения отдельных объектов.

Цвет объектов в растительных культурах варьируется в пределах одного насаждения в зеленой области (желто-зеленый, темно-зеленый, сине-зеленый и т.д.) или в цветущем яблоневом саду в белорозовой области.

Можно исходить из того, что в основе возникающих в большом объеме вариаций цвета или вариаций сигнала лежат растениеводческие или обусловленные местонахождением причины. Маловыраженные отличия указывают на растительно-физиологические причины, являющиеся основой принятия решения о применении или выбора осуществляемых растениеводческих мер и действий.

Природные листья флуоресцируют, если их облучают лазерным светом. По уровню сигнала и частоте также можно судить о жизнеспособности.

На фиг. 3, 3а, 3Ь схематично показан ход выполнения способа согласно изобретению. Насаждение растений сканируют, как это описано выше, лазерным сенсором 3, данные о пути, положении и целевом местонахождении в качестве данных о насаждении интерпретируют в устройстве предварительной обработки данных и осуществляют сжатие данных. По этим данным определяют верхний контур насаждения, включая промежутки. Затем следует определение нижнего контура. На последующих этапах определяют среднюю плоскость, объем кроны, передний контур и неравномерности (фиг. 3Ь). Все эти данные в кондиционированном виде вводят в кольцевое ЗУ и временно записывают в него. Кольцевое ЗУ смещают из одного положения в другое, причем число инкрементов кольцевого ЗУ больше числа инкрементов, которое соответствовало бы расстоянию между сенсором и форсункой. Существует множество кольцевых ЗУ для разных компонентов данных. Разные кольцевые ЗУ деблокируют данные различных положений кольцевого ЗУ. Требуемые для данного положения обработки данные выбирают из кольцевых ЗУ, причем положение кольцевого ЗУ определяется положением пути, положением места, дальностью до цели и высотой учитываемого положения (деформация луча) (фиг. 4).

Пример 2.

Способ согласно изобретению применяют для обработки таких растений, которые растут скорее беспорядочно, не будучи распределены рядами. Прежде всего, за счет первого проезда по насаждению с помощью имеющихся вдоль колеи заметных объектов (деревья и т.п.) создают базовую колею. Пеленгование этих объектов обеспечивает повторный проезд по этой колее, например в высокоствольном лесу, в старых оливковых рощах или цитрусовых садах.

С помощью сенсора 3 замеряют и оценивают большое дерево. Во время движения решетка из световых точек покрывает лежащие впереди с боков вертикальные объекты в тесной пространственной последовательности. Наклонная плоскость сканирования приводит к тому, что ствол замеряется сверху вниз дискообразно, в верхней части наискось сверху вниз все более горизонтально. По полученной, таким образом, пространственной получаше ствола и выступающим из него ветвям можно определить полезный объем и длину прямых отрезков. Прирост древесины и, тем самым, рост каждого дерева можно определить, таким образом, за счет повторных измерений с достаточным временным интервалом.

Если сенсор 3 используется для оценки аллейных деревьев в отношении веток, направленных в так называемый профиль светового пространства, то обрезку веток можно выполнить с ориентированным на индивидуальный рост отдельного дерева отбором, например в соответствии с разными растениеводческими, техническими аспектами или с точки зрения техники безопасности, причем мертвые ветки, в лю

- 6 005395 бом случае, удаляют, все сильно свисающие ветви укорачивают или целенаправленно способствуют росту молодых боковых побегов.

С помощью трехмерного изображения окружения можно способом согласно изобретению автоматизировать ручные операции по уходу за деревьями и оптимизировать их в разных направлениях.

С использованием системы, соответствующей изобретению, возможны сопоставимые области применения при сборе урожая с больших растений, таких как бананы, какао-деревья, или на каучуковых плантациях.

В названных областях применения изобретения используется движение по определенной колее из местоположений, на которой растения обнаруживают, локализуют и замеряют. С помощью подробно описанного выше определения положения растений колею воспроизводят позднее на неукрепленной местности. На основе полученного в разные моменты времени пространственного окружения растений осуществляется оценка и выбор принимаемых мер, таких как удаление определенных растений (деревьев), частей растений (ветви, плоды и т.д.).

Пример 3.

Иное применение способа согласно изобретению, а именно сбор винограда, осуществляют описанными в примере 2 действиями. Носитель 1 проезжает повторно по тем же колеям и определяет морфологические и физиологические признаки окружающих кустов. Из сравнения отдельных гроздьев идентифицируют такие, которые на основе своего уровня отражения и величины характеризуют определенный вкус, состояние зрелости и содержащееся вещество.

Локализация этих гроздьев позволяет получить геометрические данные места расположения относительно сенсора 3, которые могут быть использованы для управления уборочным захватом, включая секатор для сбора столового или отборного винограда.

Механический сбор винограда так называемыми полноуборочными машинами требует от водителя постоянной высокой концентрации внимания, с тем чтобы вести полноуборочную машину над рядом растений посередине так, чтобы воздействующие с обеих сторон на ряд растений встряхиватели оказывали симметричное, щадящее действие на собираемый виноград и лозу.

Система согласно изобретению обеспечивает ведение полноуборочной машины между лозами так, что геометрия воздействия встряхивателей постоянно индивидуальна для растений. Поскольку гроздья созревают на лозах на разной высоте, с разной плотностью и в разных количествах, целенаправленное пространственное ведение уборочных органов полноуборочной машины постоянно увеличивает полезный выход неповрежденного урожая (ягоды), поскольку стряхивается меньше виноградных листьев и частей растений.

Сбор винограда может проводиться за счет использования физиологических данных гроздьев в несколько, в целом, более щадящих этапов, например в виде предварительного и завершающего сбора.

Аналогично этому сбору происходит подвязывание вырастающих из ряда виноградных побегов посредством выступающего за ряд подвязывающего аппарата. Эти аппараты установлены впереди на носителе и расположены в поле зрения водителя, с тем чтобы он осуществлял ведение вдоль ряда посредством рулевого управления. Неровности колеи водитель до сих пор не мог ни обнаружить, ни учесть, поэтому не удавалось избегать наездов на растения и плантацию, включая связанные с этим повреждения. С помощью решения согласно изобретению подвязывающий аппарат направляют над и вдоль ряда так, что все нависающие части регистрируются, а наезды на колья и оттяжки надежно предотвращены.

Пример 4.

Способ согласно изобретению применяется в плодовых насаждениях. Все прежние меры обрезки, подвязывания и сбора урожая относятся к отдельному плоду, отдельной ветви или суку. Меры по обрезке плодовых деревьев проводят, в основном, в голом по-зимнему насаждении. Имеющаяся тогда просвечиваемость скелетообразующих плодовых деревьев позволяет замерять и оценивать сучья и ветви. Растениеводческая оценка каждой ветви предполагает знание возраста ее продуктивности, ее развитие и ориентацию относительно ствола и ее положение по сокотечению. Если перед обрезкой в распоряжении имеется история ветви на отдельном растении, то можно уточнить и квалифицировать продуктивность дополнительно к видимым цветочным почкам. Локализация рабочего орудия для обрезки, исходя от носителя, возможна с помощью описанных выше трехмерных данных таким же образом, что и при сборе отдельных виноградных гроздьев, или при целенаправленном удалении листьев, или при уборке урожая яблок/цитрусовых/фруктов.

При обработке плодовых насаждений или виноградников способом согласно изобретению в уход за насаждением включаются обработка почвы и уход за порослью.

С помощью описанного на фиг. 4 кольцевого ЗУ происходит управление инструментами для ухода за почвой и порослью таким же образом, что и подробно изложенное внесение удобрений или действующих веществ.

Перечень ссылочных позиций

- передвижной носитель

- опрыскиватель

- лазерный сенсор

- 7 005395

- отклоняющее зеркало

4' - фасонное зеркало

5, 6 - круговой сектор

- источник излучения

- приемник

- оптическая система

- ход лучей

А - ось вращения фасонного зеркала 4'

8₁^8_ν - позиции сенсора 3

ТК. - верхняя плоскость сканирования

Ти - нижняя плоскость сканирования

Claims

1. Способ управления величиной воздействия на почву и растения, при котором растения сканируют монохроматическим импульсным излучением в виде лазерного луча, полученным с помощью закрепленного на передвижном носителе и циклически перемещаемого относительно растений отдельного сенсора, регистрируют с помощью этого сенсора отраженное от листового покрова излучение, преобразуют данные об отраженном излучении в оптические сигналы и направляют эти сигналы на компьютер, который записывает и обрабатывает сигналы и управляет выдачей или дозированием порции распыливаемого средства в зависимости от вегетационного состояния, обработкой почвы и растений, а также сбором урожая путем подачи коммутационных команд на приведение в действие установленных на носителе опрыскивателей и нагнетателей и/или обрабатывающих орудий, отличающийся тем, что он включает в себя следующие этапы:

а) образование базовой колеи в ареале с первым проездом за счет пеленгования и локализации характеристических базовых объектов,

б) при этом сканирование растений осуществляют осциллирующим вокруг оси, совпадающей с направлением движения носителя, лазерным лучом, образующим острый угол с упомянутой осью, причем лазерный луч создает на растениях в разных плоскостях сканирования решетку из световых точек с высоким пространственным разрешением;

в) запуск одного или нескольких измерителей времени одновременно с посылкой лазерного луча на этапе б), причем измерители времени имеют разные значения уровней отсчета;

г) остановка измерителей времени для определения значений разных моментов регистрации отражения в виде отраженной решетки световых точек компонентов излучения для раздельного и/или совместного определения данных пути, положения и целевого места расположения, регистрации компонентов излучения с помощью сенсора, а также подача сигналов через приемный блок, который преобразует сигналы, определяющие время прохождения, в данные, на компьютер и сохранение данных в кольцевом ЗУ компьютера;

д) определение морфологических и физиологических параметров растительного насаждения и/или отдельных растений по данным на этапе г);

е) корректировка положения опрыскивателей и нагнетателя или обрабатывающих орудий путем компенсации отклонений в данных пути, положения и целевого места расположения вследствие качательных, рыскающих и/или наклонных движений носителя;

ж) определение дозы, вида и объема обработки в соответствии с этапами д) и е), а также управление опрыскивателями для выдачи распыливаемого средства и/или обрабатывающими орудиями.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве лазерного излучения используют излучение с длиной волны 700-1000 нм.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что по данным этапа г) определяют информацию о целевой поверхности растений, посадках, структуре и топографии насаждения и подпочвы, преимущественно об отдельных растениях в качестве индивидуального объекта, обо всем насаждении в качестве единого целого, посторонних объектах в насаждении, верхнем и нижнем контурах листового покрова, включая промежутки, переднем горизонтальном контуре сечения ряда, средней плоскости ряда, профиле сечения, объеме ряда и отдельной кроны и неравномерностях.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что с помощью сенсора распознают части растения, например листья, усы, ветви, стебли, побеги, стволы, лозы, плоды и цветки.

5. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что с помощью сенсора распознают объекты, например шпалеры, столбы или оттяжки.

6. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что с помощью сенсора распознают окружающее пространство, преимущественно почву, почвенный профиль, ориентиры, здания, сооружения, стены, дороги и ограждения.

7. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что с помощью сенсора осуществляют бесконтактное измерение пути.

- 8 005395

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что при движении носителя по насаждению измеренное значение пути в характерных местоположениях, преимущественно в начале ряда, обнуляют.

9. Способ по п.7, отличающийся тем, что текущие положения носителя после первого проезда по насаждению сравнивают с известными положениями и основными формами насаждения и корректируют их.

10. Способ по любому из пп.7-9, отличающийся тем, что при измерении пути определяют разность данных измерений левого и правого рядов насаждения по отношению к базовой колее и констатируют движения вокруг вертикальной оси и движение на поворотах.

11. Способ по любому из пп.7-10, отличающийся тем, что информацию о пути для определения пути получают из распознавания стволов деревьев, виноградных кустов и/или колов для подпорки растений.

12. Способ по любому из пп.7-10, отличающийся тем, что информацию о пути для определения пути получают из слежения за вершинами побегов отдельного растения.

13. Способ по любому из пп.7-10, отличающийся тем, что информацию о пути для определения пути получают из слежения за передним горизонтальным контуром сечения.

14. Способ по любому из пп.7-10, отличающийся тем, что измерение пути осуществляют путем слежения за вертикальными объектами во время движения через поле сканирования сенсора, причем объекты регистрируют на разной высоте со смещением по времени друг за другом, и полученные интервалы времени являются мерой скорости.

15. Способ по п.7, отличающийся тем, что измерение пути осуществляют независимо от скорости движения.

16. Способ по любому из пп.7-15, отличающийся тем, что все способы обработки для определения информации о пути коррелируют между собой и с прежними данными о насаждении.

17. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что измеряют и запоминают положение сенсора вдоль пути в позиции δ₁.

18. Способ по п.17, отличающийся тем, что положение сенсора и передвижного носителя непрерывно измеряют вдоль пути во всех позициях δ₂-δ_Ν.

19. Способ по любому из пп.17, 18, отличающийся тем, что сравнивают текущее измеренное положение носителя и положение запомненной позиции δ₁ сенсора, как только носитель пройдет путь δ_χ, который соответствует расстоянию между сенсором и форсунками и/или рабочими орудиями.

20. Способ по любому из пп.1, 15-19, отличающийся тем, что положение оси носителя относительно рамы корректируют для компенсации качательных движений.

21. Способ по любому из пп.1, 15-19, отличающийся тем, что положение оси носителя изменяют для компенсации рыскающих движений.

22. Способ по любому из пп.1, 15-19, отличающийся тем, что положение оси носителя изменяют для компенсации относящихся к пути погрешностей посредством смещения вперед и назад зоны распыления (продольная качка) относительно центра вращения.

23. Способ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что положение целевого места определяют путем измерения расстояний между целевой поверхностью и сенсором.

24. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что обработка почвы включает в себя рыхление, крошение комков, окучивание, воздействие на испарение и/или температуру.

25. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что уход за порослью осуществляют путем кошения, мульчирования, измельчения, защиты от эрозии, затенения, укрытия и/или воздействия на микроклимат.

26. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что обработка растений включает в себя обрезку, подвязывание, формирование, очистку ствола, обламывание, кольцевание, подрезку корней и/или сбор урожая.

27. Способ по п.26, отличающийся тем, что обрезка представляет собой грубую обрезку, тонкую обрезку, формировочную обрезку, удаление листьев, вершкование, кордонную обрезку, обрезку хмеля и/или обрезку древесных плодовых пород.

28. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что при уборке урожая фруктов различают сбор винограда и сбор плодов.

29. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что с выбором осуществляют различие по уборке урожая фруктов, побегам и/или органам растения.

30. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что с сортировкой осуществляют различие по плодам и/или классификацию плодов.

31. Система для осуществления способа по п.1, содержащая передвижной носитель, представляющий собой транспортное средство и/или прицепленные рабочие машины, закрепленный на носителе сенсор с источником излучения для посылки импульсного лазерного луча, установленное с возможностью вращения вокруг вертикальной оси зеркало для ориентирования луча на листовой покров, приемник излучения для приема отраженных от листового покрова лучей, компьютер для обработки отраженного излучения и для управления содержащим закрепленные на носителе форсунки опрыскивателем с резер- 9 005395 вуаром для распыливаемого средства, причем форсунки расположены на значительном удалении от сенсора, жидкостный насос для подачи распыливаемого средства к форсункам, клапаны для открывания и закрывания форсунок и нагнетатель для создания двухфазного потока, отличающаяся тем, что зеркало (4') выполнено в виде фасонного зеркала, участки (5, 6) которого расположены с наклоном под разными углами к оси вращения зеркала (4'), при этом ось вращения зеркала (4') расположена эксцентрично ходу (10) передаваемого и принимаемого лучей.

32. Система для осуществления способа по п.1, содержащая передвижной носитель, представляющий собой транспортное средство и/или прицепленные рабочие машины, закрепленный на носителе сенсор с источником излучения для посылки импульсного лазерного луча, установленное с возможностью вращения вокруг вертикальной оси зеркало для ориентирования луча на листовой покров, приемник излучения для приема отраженных от листового покрова лучей, компьютер для обработки отраженного излучения и для управления, по меньшей мере, одним закрепленным на носителе рабочим орудием, причем обрабатывающие органы распложены на значительном удалении от сенсора, отличающаяся тем, что зеркало (4') выполнено в виде фасонного зеркала, участки (5, 6) которого расположены с наклоном под разными углами к оси вращения зеркала (4'), при этом ось вращения зеркала (4') расположена эксцентрично ходу (10) передаваемого и принимаемого лучей.

33. Система по любому из пп.31, 32, отличающаяся тем, что зеркало (4') образовано из круговых секторов, из которых один сектор имеет относительно нормали к оси (А) вращения зеркала преимущественно угол наклона 45°, а другой сектор - угол наклона 1-45°, преимущественно 15°.

34. Система по любому из пп.31-33, отличающаяся тем, что ход (10) лучей расположен коаксиально оси (А) вращения зеркала (4').

35. Система по любому из пп.31-34, отличающаяся тем, что источник (7) излучения снабжен, по меньшей мере, одним измерителем времени, срабатывающим от светового импульса.

36. Система по любому из пп.31-35, отличающаяся тем, что приемник (8) снабжен, по меньшей мере, одним устройством для регистрации времени прохождения.

37. Система по любому из пп.31-36, отличающаяся тем, что оптическая система (9) для формирования луча расположена пространственно-неподвижно между источником излучения/приемником (7; 8) и зеркалом (4).

38. Система по любому из пп.31-37, отличающаяся тем, что сенсор (3) без задержек регистрирует движения носителя во время поездки.

39. Система по любому из пп.31-37, отличающаяся тем, что ось сенсора (3) расположена преимущественно с наклоном вперед в направлении движения.

40. Система по п.32, отличающаяся тем, что в качестве обрабатывающих орудий предусмотрены режущие, перекапывающие, культиваторные, подрезающие, подвязывающие, формирующие, обламывающие, встряхивающие, сортирующие и полноуборочные устройства.

Фиг. 1

Фиг. 1а

- 10 005395