MXPA04000748A

MXPA04000748A - Sensor y controlador de reflectancia espectral optica.

Info

Publication number: MXPA04000748A
Application number: MXPA04000748A
Authority: MX
Inventors: L Stone Marvin
Original assignee: Univ Oklahoma State
Priority date: 2001-07-24
Filing date: 2002-07-19
Publication date: 2004-07-08
Also published as: WO2003010521A1; US6855933B2; EP1409993A1; US6596996B1; CA2454827C; US20040065834A1; CA2454827A1

Abstract

Un sensor de reflectancia espectral incluye: una fuente de luz para emitir un haz modulado de luz roja; una fuente de luz para emitir un haz modulado de luz casi infrarroja; un receptor para recibir luz reflejada producida por ya sea la fuente roja de la fuente casi infrarroja; un receptor para recibir luz incidente a partir de ya sea la fuente roja o la fuente infrarroja; una respuesta del acondicionador de senal a la modulacion de manera que las senales producidas por los receptores en respuesta a la luz reflejada e incidente de la fuente pueda distinguirse a partir de las senales producidas por la luz ambiental; y un microprocesador que tiene una entrada de manera que el microprocesador puede determinar la intensidad de la luz roja incidente, luz roja reflejada; luz infrarroja casi incidente y luz casi infrarroja reflejada. A partir de estas intensidades, y mediante el conocimiento de los dias de crecimiento desde el surgimiento o plantacion, el sensor puede calcular los requerimientos de fertilizacion de nitrogeno en la estacion del crecimiento medio de una planta.

Description

SENSOR Y CONTROLADOR DE REFLECTANCIA ESPECTRAL ÓPTICA DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Esta invención se relaciona generalmente a un sensor para uso en agricultura de precisión. Más particularmente, pero no a modo de limitación, la presente invención se relaciona a un sensor y controlador de reflectancia espectral para usar en un sistema de fertilización de sitio específico. "Agricultura de precisión" es un término que se usa para describir la dirección de variaciones en el campo interior en condiciones de suelo y cultivo. "Agricultura de sitio específico", "agricultura de prescripción", y "tecnología de aplicación de tasa variable" son a veces usados como sinónimos con la agricultura de precisión para describir el ajuste a la medida de la dirección de suelo y labranza para las condiciones en ubicaciones discretas y usualmente contiguas a través de un campo. El tamaño de cada ubicación depende de una variedad de factores, tales como el tipo de operación desempeñada, el tipo de equipo utilizado, la resolución del equipo, así como una multitud de otros factores. Hablando generalmente, entre más pequeño sea el tamaño de la ubicación, más grandes serán los beneficios de la agricultura de precisión, al menos por abajo de aproximadamente un metro cuadrado. Las técnicas típicas de la agricultura de precisión incluyen: variar la densidad de la siembra de plantas individuales basándose en la capacidad del suelo para soportar el crecimiento de las plantas,- y la aplicación selectiva de productos de cultivo tales como herbicidas, insecticidas y de particular interés, fertilizantes. En contraste, la práctica de agricultura más común es aplicar un producto a un campo entero en una proporción constante de aplicación. La proporción de aplicación se selecciona para maximizar el rendimiento del cultivo sobre el campo entero. Desafortunadamente, seria la excepción en vez de la regla el que todas las áreas de un campo tengan condiciones de suelo consistentes y condiciones de cultivo consistentes. De acuerdo con esto, esta práctica típicamente tiene como resultado la aplicación en demasía de un producto sobre una porción del campo, lo cual gasta dinero y puede de hecho reducir el rendimiento de la agricultura, mientras que también tiene como resultado una aplicación escasa del producto sobre otras porciones del campo, lo cual puede también reducir el rendimiento de la agricultura. Tal vez aún un mayor problema con el método convencional es el potencial de daño al ambiente a través de la aplicación de químicos en demasía. El exceso de químicos aplicados indiscriminadamente a un campo, finalmente encuentra su camino hacia la atmósfera, estanques, arroyos, ríos y aún manantiales. Estos químicos exponen a una seria amenaza a las fuentes de agua, a menudo matando la vida marina, y ocasionando severos incrementos en el crecimiento de algas, conduciendo a la eutroficación y contaminando las fuentes de agua potable. Por lo tanto puede verse que hay al menos tres ventajas para implementar las prácticas de agricultura de precisión. Primero, la agricultura de precisión tiene el potencial de incrementar el rendimiento de la labranza, lo cual resulta en grandes ganancias para el agricultor. Segundo, la agricultura de precisión puede disminuir las proporciones de aplicación de semillas, herbicidas, pesticidas y fertilizantes, reduciendo el gasto del agricultor al producir un cultivo. Finalmente, la agricultura de precisión protegerá el ambiente reduciendo la cantidad de exceso de químicos aplicados al campo, los que pueden finalmente terminar en un estanque, arroyo, río y/u otras fuentes de agua . Predominantemente, la agricultura de precisión se logra por medio de ya sea 1) acumular mapa de prescripción de un campo en donde las proporciones de aplicación predeterminada para cada ubicación se acumulan para uso posterior; o 2) determinar proporciones de aplicación en medidas de tiempo real de las condiciones de cultivo y/o suelo. En el primer método, un receptor de sistema de colocación global (GPS) , o su equivalente, se coloca en un vehículo. A medida que el vehículo se mueve a través del campo, las proporciones de aplicación tomadas del mapa de prescripción se usan para ajustar dispositivos de aplicación de proporción variable, tales como boquillas de rociador. Un gran número de dificultades se asocia con el uso de tal sistema, por ejemplo: Debido a la desviación entre el receptor GPS y el elemento de aplicación, el sistema debe saber la posición exacta del vehículo con el propósito de calcular la ubicación precisa de cada boquilla o elemento de aplicación, dificultando el tratamiento atinado y preciso del área objetivo; las condiciones del suelo y de las plantas deben determinarse y una prescripción debe desarrollarse y capturarse antes de entrar al campo; y el resolver una posición con el grado requerido de exactitud requiere equipo relativamente caro. En el método subsecuente, un sensor se usa para detectar un suelo en particular y las condiciones de la planta mientras que el equipo de aplicación se conduce a través del campo. La salida del sensor entonces se usa para calcular proporciones de aplicación y ajustar un aplicador de proporción variable en tiempo real . Debido a que la relación física entre el sensor y el aplicador se ajusta, los problemas asociados con los sistemas basados en la posición (por ejemplo, el GPS) se superan. Adicionalmente, la necesidad de recolectar datos previos a la entrada en el campo se elimina, así como la necesidad de un mapa de prescripción. El factor limitante, hasta aquí, en el método subsecuente ha sido el grado en que los sensores estén disponibles lo cual proporciona información significativa concerniente a las condiciones dentro del campo. Por ejemplo, en la Patente de los Estados Unidos No. 5,585,626, expedida a Beck et . al., y en la Patente de los Estados Unidos No. 5,763,873, asimismo expedida a Beck et . al., describe un sensor el cual detecta plantas en un campo para que el herbicida pueda aplicarse selectivamente a plantas no requeridas. Desafortunadamente, estos dispositivos discriminan sólo entresuelo y una planta. Así, a medida que un rociador pasa sobre áreas en donde debería haber únicamente suelo raso, el herbicida automáticamente se aplicará automáticamente a cualesquiera plantas detectadas . En la práctica, los sensores de Beck 4626 y "873 prueban ser sensibles a la temperatura y así, requieren monitoreo casi continuo y reajuste regular mientras se utilizan. Más aún, debido a la naturaleza de estos dispositivos, la distancia entre el sensor y la tierra debe mantenerse con un grado de precisión relativamente alto. Otra limitante es que actualmente, no existe tal sensor para la aplicación de fertilizantes de nitrógeno. De este modo, es un objeto de la presente invención proporcionar un sensor para uso en agricultura de precisión el cual proporciona una salida indicativa de una o más condiciones de crecimiento sobre un área relativamente pequeña, el cual puede usarse para una aplicación selectiva de un producto de agricultura o usarse en el desarrollo de un mapa de prescripción. La presente invención proporciona un sensor para uso en agricultura de precisión el cual satisface las necesidades y supera los problemas discutidos anteriormente. El sensor mide la reflectancia de un objetivo a una o más longitudes de onda de luz, y basado en las propiedades de reflectancia conocidas del objetivo, produce una salida indicativa de la necesidad de un producto de agricultura dado . En una modalidad preferida, el sensor comprende: un emisor de luz el cual proporciona una o más fuentes de luz, cada fuente produce luz a una longitud de onda específica; un modulador para modular cada fuente de luz a una frecuencia partícula, un receptor de luz reflejada para recibir, detectar y discriminar cada longitud de onda de luz; un receptor directo para recibir luz directamente de cada fuente; y un procesador para recopilación de información a partir de los receptores y para procesar tal información para determinar la reflectancia de una planta y determinar la necesidad de un producto dado basado en la información de reflectancia.

Las propiedades de reflectancia de un objetivo se sabe que varían con base en una cantidad de nitrógeno disponible en la planta. Por medio de observar la luz reflejada, a longitudes de onda particulares, preferiblemente en los rangos de roja y casi infrarroja, y la intensidad de la fuente de luz a las mismas longitudes de onda, es posible predecir, con un grado razonable de certeza, el rendimiento de cultivo esperado con el nivel actual de nitrógeno disponible y el rendimiento máximo del cultivo si una cantidad ideal de fertilizante de nitrógeno se adiciona. Esta información puede utilizarse en tiempo real para controlar un aplicador de proporción variable para aplicar un fertilizante de nitrógeno en la estación de crecimiento medio o, alternativamente, utilizarse para desarrollar un mapa de prescripción para la aplicación posterior de fertilizante de nitrógeno en la estación de crecimiento medio en un campo. A pesar de que el sensor inventivo puede ajustarse fácilmente a cualquier tamaño objetivo particular, la modalidad preferida permite la agricultura de precisión de sitios que tienen un área de aproximadamente 0.372 metros cuadrados (cuatro pies cuadrados) . Otra característica del dispositivo inventivo es que la exactitud de la medida resultante es relativamente independiente de la altura del sensor sobre la tierra. De esta forma, a medida que un vehículo equipado con el sensor se mueve a través de un campo, la salida del sensor es consistente independientemente del terreno y su efecto en la altura del sensor. Objetos adicionales, características y otras ventajas de la presente invención serán aparentes para aquellos expertos en la técnica al examinar los dibujos que la acompañan y al leer la siguiente descripción de las modalidades preferidas. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La FIGURA 1 es una vista lateral de un vehículo de agricultura que tiene un sensor de reflectancia espectral inventivo montado en el mismo. La FIGURA 1A proporciona una vista superior del vehículo de agricultura mostrando una distribución típica de los sensores inventivos en uso para controlar la aplicación selectiva de un producto para agricultura. La FIGURA 2 proporciona una vista en perspectiva de una modalidad preferida del sensor de reflectancia espectral . La FIGURA 3 proporciona una vista posterior en corte del sensor de reflectancia espectral. La FIGURA 4 proporciona una vista lateral en corte del sensor de reflectancia espectral . La FIGURA 5 proporciona una representación esquemática de un circuito emisor preferido como se emplea en el sensor inventivo.

La FIGURA 6 proporciona un diagrama de bloque de un circuito receptor preferido empleado en el sensor inventivo. La FIGURA 7 proporciona un diagrama de bloque del sistema de circuitos preferido del tablero de circuito empleado en el sensor inventivo. La FIGURA 8 proporciona una vista en perspectiva en corte de la modalidad del sensor múltiple preferido del sensor de reflectancia inventivo. La FIGURA 9 proporciona una vista en perspectiva de la modalidad del sensor múltiple. La FIGURA 10 proporciona una vista lateral en corte de un sensor de reflectancia mejorado. Antes de explicar la presente invención en detalle, es importante entender que la invención no se limita en su aplicación a los detalles de construcción ilustrados y a los pasos descritos en la misma. La invención es capaz de otras modalidades y de practicarse o llevarse a cabo en una variedad de formas. Se entenderá que la fraseología y terminología empleada en la presente es con el propósito de descripción y no de limitación. Refiriéndose ahora a los dibujos, en donde números similares de referencia indican las mismas partes a través de las mismas vistas, una modalidad preferida del sensor 20 de reflectancia inventivo se muestra en su ambiente general en las FIGURAS 1 y 1A. En una aplicación, una pluralidad de sensores, de los cuales el sensor 20 es representativo, se coloca a lo largo del brazo 22 a espacios sustancialmente iguales. Preferiblemente, el brazo 22 se extiende lateralmente desde el vehículo 24. Boquillas de rociador, de las cuales la boquilla 26 es representativa, también se disponen a lo largo del brazo 22 preferiblemente de tal forma que una boquilla 26, o un grupo de boquillas, corresponda a cada sensor 20. A medida que el vehículo 24 viaja a lo largo del suelo raso, el brazo 20 se proyecta sobre las plantas de tal forma que cada sensor 20 evalúa la planta o plantas en su vista inmediata, determina el grado de fertilizante de nitrógeno que se requiere, y controla la proporción de aplicación del fertilizante a través de su boquilla 26 correspondiente . Refiriéndose a las FIGURAS 2 y 3, el sensor 20 de reflectancia comprende: un alojamiento 28; una lente 30 emisora localizada en el fondo del alojamiento 28; y una lente 32 receptora igualmente localizada en el fondo del alojamiento 28. Preferiblemente la lente 32 y la lente 30 serán seleccionadas para que la luz emitida por el sensor 20 ilumine un área de tamaño y forma consistente sobre un rango de alturas sobre la tierra y similares, el sensor 20 detectará la luz reflejada consistentemente a partir de aproximadamente la misma área mientras que se ilumina por el sensor.

Como se muestra en las FIGURAS 3 y 4, alojado dentro del alojamiento 28, el sensor 20 además incluye un reflector 34 parabólico asegurado al divisor 36, para enfocar la luz que se recibe a través de la lente 32 dentro del fotodetector 38. La luz reflejada por el fotodetector 38 se proyecta a través de la abertura 116 en el divisor 36 para recibir sólo luz que se reciba a través de la lente 32 receptora. Aunque no sea crítico para la operación del sensor presente, debe notarse que en la modalidad preferida, las fuentes de luz de los LED 44a-e y 46a-e se localizan en proximidad física cercana al detector 38. Esta característica minimiza el efecto de la altura del sensor en la ubicación de la superficie iluminada relativa al campo de vista del detector 38. Adicionalmente, los LED 44a-e y 46a-e se distribuyen a lo largo de una fila y, más aún, la luz se proyecta a través de una lente 30 cilindrica orientada paralela a la fila de los LED 44a-e y 46a-e para restringir el esparcimiento de luz en la dirección de viaje además para minimizar los efectos de variaciones en la altura del sensor. Finalmente, el receptor emplea un reflector 34 parabólico con el detector 38 localizado en el punto de enfoque del reflector 34 para establecer un campo de vista del detector 38 el cual es relativamente independiente de la altura del sensor. Preferiblemente el reflector 34 está en forma de una sección desviada de un paraboloide tridimensional de tal forma que el detector 38 pueda localizarse afuera del campo de visión. Esta construcción da como resultado un sensor que produce resultados consistentes relativamente independientes de la altura del sensor, particularmente cuando se compara con los sensores de la técnica previa. Localizado en el lado opuesto por un divisor 36, el sensor 20 incluye el tablero 40 de circuito y el conducto 42 de luz. El tablero 40 de circuito incluye una primera superficie de luz para producir luz roja elaborada de una fila de los LED 44a-e la cual se coloca para proyectar la luz hacia abajo a través de la lente 30; una segunda superficie de luz para producir luz en el rango de casi infrarroja elaborada de una fila de los LED 46a-e, preferiblemente dispuesta para que los LED 44a-e y 46a-e se alineen en una fila en donde los LED adyacentes alternan entre la roja y la infrarroja. Preferiblemente, los LED 44a-e producen luz roja que tiene una longitud de onda de aproximadamente 670 nanómetros mientras que los LED 46a-e producen luz en el rango casi infrarrojo ("NIR")/ que tienen una longitud de onda de aproximadamente 780 nanómetros. El conducto 42 de luz recibe y colecta luz incidente de los LED 44a-e y 46a-e y transmite tal luz al fotodetector 48. El detector 48 proporciona así un medio para medir directamente la intensidad de la luz producida por los LED 44a-e y 46a-e.

Debido a que el conducto 42 de luz recolecta luz a partir de todas los LED 44a-e y 46a-e, el sensor puede medir la reflectancia real a partir de su campo de vista. Adicionalmente, por medio del almacenamiento de una intensidad de línea base en la memoria no volátil, el sensor puede determinar cuando una LED falla basándose en una reducción de la intensidad de la luz incidente . El sistema de circuitos del tablero 40 de circuitos se muestra en las FIGURAS 5-7. Comenzando con la FIGURA 7, el tablero 40 de circuitos incluye: el microprocesador 50; un circuito 52 emisor que tiene una entrada 54 de color y una entrada 56 de intensidad; un circuito 68 receptor que tiene una entrada 70 para seleccionar entre la señal que representa la luz que alcanza al fotodetector 38 de luz reflejada y la señal que representa la luz que alcanza al fotodetector 48 directo, y una salida 72 análoga la cual se conecta al carril y se sostiene el convertidor 58 de análogo a digital. En la modalidad preferida, el convertidor 58 de análogo a digital proporciona 12 bits de resolución a pesar de que los convertidores de análogo a digital de más o menos resolución son adecuados para usarse con la presente invención. El microprocesador 50 incluye las salidas 60, 62 y 64 para conducir el aplicador 66 de proporción variable el cual será discutido en mayor detalle a continuación. El término "microprocesador" se utiliza en su sentido más amplio para describir cualquier dispositivo de cómputo. Adicionalmente para dispositivos genéricamente conocidos como microprocesadores, el término incluye, a modo de ejemplo y no de limitación, los microcontroladores , dispositivos RISC, dispositivos ASIC fabricados para proporcionar funciones de lógica y matemáticas, dispositivos FPGA programados para proporcionar funciones de lógica y matemáticas, computadoras fabricadas de una pluralidad de circuitos integrados, y similares. Refiriéndose a continuación a la FIGURA 5, el emisor 52 preferiblemente comprende: un oscilador 74 el cual produce una salida periódica que tiene una frecuencia de aproximadamente 40 kilohercios ; un interruptor 76; amplificadores 78, 80, 82 y 84; los LED 44a-e y 46a-e; y espejos 86 y 88 de corriente. El interruptor 76 análogo incluye una entrada 54 a color y una entrada 56 de intensidad. Cuando la entrada 54 de color está en un primer estado binario, la salida del oscilador 74 se dirige ya sea al amplificador 78 o al amplificador 80, dependiendo del estado de la entrada 56 de intensidad. Cuando la entrada 54 de color está en su segundo estado binario, la salida del oscilador 74 en vez de eso se dirige ya sea al amplificador 82 o al amplificador 84, de igual forma dependiendo del estado de la entrada 56 de intensidad. Así, la entrada 54 permite la selección del color de la luz emitida, ya sea roja a partir de los LED 44a-e cuando la entrada 54 está en su primer estado binario, o casi infrarroja, a partir de los LED 46a-e cuando la entrada 54 está en su segundo estado binario. Los amplificadores 78, 80, 82 y 84 son cada uno un transistor, engarzados en una configuración de emisor-receptor. Dependiendo del estado de las entradas 54 y 56, únicamente un solo amplificador 78-84 recibirá una entrada a partir del oscilador 74 en cualquier momento dado. Preferiblemente el resistor 96 se selecciona para que su impedancia sea de aproximadamente dos veces más que la del resistor 94 y el resistor 100 se selecciona para que su impedancia sea de al menos dos veces más que la del resistor 98. Las salidas de los amplificadores 78 y 80 se dirigen al espejo 86 de corriente mientras que las salidas de los amplificadores 82 y 84 se dirigen al espejo 88 de corriente. La corriente que fluye a través del transistor 102a será más o menos proporcional a la corriente que fluye a través del transistor 102c. Similarmente, la corriente que fluye a través del transistor 104a será más o menos proporcional a la corriente que fluye a través del transistor 104c. De acuerdo con esto, una corriente más grande fluirá a través de los LED 44a-e cuando el amplificador 78 se seleccione que cuando el amplificador 80 se seleccione, y en una forma similar, más corriente fluirá a través de los LED 46a-e cuando el amplificador 82 se seleccione que cuando el amplificador 84 se seleccione. De esta forma, manipulando las entradas 54 y 56, el microprocesador 50 puede seleccionar un color de luz, entre el rojo y el casi infrarrojo, y puede seleccionar, entre dos opciones, la intensidad de luz producida. Preferiblemente, el oscilador 74 producirá una forma de onda que se aproxima a una onda sinusoidal, teniendo así un residuo armónico sustancialmente menor que aquel de la onda cuadrada. Cuando los LED 44a-e y 46a-e se conducen a esta modalidad, la corriente eléctrica que fluye a través de los LED tendrá un residuo armónico muy por debajo de una corriente de onda cuadrada. De acuerdo con esto, la luz que se produce por cada uno de los LED 44a-e y 46a-e individual dará como resultado un haz de luz modulado que tiene sustancialmente menos energía armónica que la que se produciría si fuera modulada con una onda cuadrada. Refiriéndose ahora a la FIGURA 6, el receptor 68 preferiblemente comprende: un primer amplificador 106 para amplificar una señal producida por medio del fotodetector de luz directa 48; un segundo amplificador 108 para amplificar una señal producida por el fotodetector 38 de luz directa; un amplificador 114 que proporciona medios de desviación de luz ambiental para reducir los efectos de la luz ambiental en el fotodetector 38; un selector 110 análogo para seleccionar ya sea la señal de luz directa o la señal de luz reflejada como dirigida por la entrada 70; y un acondicionador 112 de señal. El acondicionamiento de señal se conoce generalmente en la técnica y típicamente incluye la filtración y, si es necesaria, la amplificación de la señal. El acondicionador 112 de señal puede también ser pensado como un discriminador . Preferiblemente el acondicionador 112 de señal incluye un filtro de paso de banda de segundo orden centrado a aproximadamente 40 kilohercios . Debido a que los LED 44a-e y 46a-e se modulan a 40 kilohercios, el acondicionador 112 de señal discriminará entre la señal resultante de la luz producida por los LED 44a-e y 46a-e y el "ruido" resultante de la señal producida por otras fuentes de luz. Como será aparente para aquellos expertos en la técnica, una variedad de otros métodos, tales como una desmodulación sincrónica, están disponibles para discriminar entre la luz modulada y reflejada y la luz ambiental no deseada. Se debe notar que la luz producida por los LED 44a-e y 46a-e contendrá un componente CD si la señal del oscilador 74 (FIGURA 5) se superpone en un voltaje de CD. Para los propósitos de la invención, la luz en estado de equilibrio asi producida se considera parte de la luz ambiental y la baja frecuencia afecta a tal luz, particularmente mientras la altura del sensor varía o por variaciones del terreno, en el detector 38 de luz reflejada también se compensará por el amplificador 114 y finalmente se removerá por el acondicionador 112 de señal. En particular, el amplificador 114 permite que el detector 38 opere sobre un rango más amplio de condiciones de iluminación ambiental sin saturarse. Adicionalmente, los condensadores 116 y 118 de CA acoplan las salidas de los fotodetectores 48 y 38, respectivamente, para eliminar la desviación de CD de voltajes a partir de las señales producidas por los detectores 48 y 38 lo cual de otra forma causaría que las salidas de los amplificadores 106 y 108 se saturen. En general, la compensación de la luz ambiental significa que incluye cualesquiera de estas técnicas lo cual reduce el grado al cual la luz ambiental puede degradarse o impedir la recepción de la luz reflejada a partir de las fuentes 44 y 46 de luz, o cualquier otra técnica para mejorar la señal a la proporción de ruido de la señal recibida. El circuito 68 receptor proporciona la salida 72 la cual produce una versión amplificada y filtrada de la señal recibida por uno de dos detectores 38 ó 48, como se seleccione por la entrada 70. La operación del convertidor 58 de análogo a digital se sincroniza con el oscilador 74 para que la conversión se desempeñe en los picos de la señal presente en la salida 72. En operación, el sensor pasa sobre los cultivos de tal forma que la luz modulada a partir del emisor, tanto roja como casi infrarroja, se refleja de regreso a través de la lente receptora y se enfoca por el reflector parabólico dentro del fotodetector. El microprocesador 50 dirige al convertidor 58 de análogo a digital para que lea la señal recibida en los picos de salida en forma de onda por el acondicionador 112 de señal tanto para la salida del detector 38 de luz reflejada como del detector 48 de luz directa. Al calcular el radio de luz reflejada en cada longitud de onda, por ejemplo, la intensidad reflejada dividida entre la intensidad de la fuente, puede determinarse la reflectancia de un cultivo en cada longitud de onda. En un sistema típico, los sensores 20 múltiples se utilizan para escanear una faja de tierra continua a través de una o más hileras de plantas. En tal sistema, el microprocesador 50 recibe información de cronometraje de sincronización a partir de una fuente central y utiliza esa información de cronometraje para sincronizar la emisión a partir de un circuito 52 emisor. Este proceso asegura que la luz a partir de los sensores 20 adyacentes se sincronice y consecuentemente que tales sensores no interfieran unos con otros. En un método preferido para sincronizar unidades múltiples, el microprocesador 50 incluye una interconexión de controlador de red de área (CAN) . Tales redes son bien conocidas en la técnica. Para sincronizar los emisores, un mensaje se transmite periódicamente en la red a partir de una fuente central. A la recepción de este mensaje, cada sensor establece la salida del oscilador 74 a una posición conocida en su forma de onda periódica, sincronizando de esta forma todos los sensores conectados a la red. Una vez que el microprocesador 50 tiene información de reflectancia recopilada a partir de los receptores 38 y 48, es necesario para procesar la información para determinar la necesidad de nitrógeno. Un método para utilizar la información de reflectancia para determinar tal necesidad se describe en la Solicitud de Patente de los Estados Unidos copendiente No. de Serie , titulada "Un Proceso para la Aplicación de Nitrógeno como Fertilizante en Estación Basado en el Potencial de Rendimiento Previsto", presentada al mismo tiempo que la presente, la cual se incorpora en la presente para referencia. Para resumir el proceso, los datos del sensor se usan para predecir el potencial de rendimiento que puede alcanzarse con fertilización de nitrógeno adicional en la estación de crecimiento medio, basado en un índice de respuesta en estación dada por la ecuación: YPN=YP0*RINDVI en donde : YPN es el rendimiento potencial o previsto que puede alcanzarse con fertilizante adicional; YP0 es el rendimiento potencial o previsto basado en las condiciones de crecimiento hasta el tiempo de detección, que puede alcanzarse sin fertilizante de nitrógeno adicional; RINDVI es el índice de Respuesta calculado como NDVI a partir de Feekes 4 a Feekes 6 de una faja de tierra fertilizada sin límite de nitrógeno dividida por el NDVI a partir de Feekes 4 a Feekes 6 en el campo del agricultor fertilizado en la práctica común empleada por el agricultor, localizado adyacente a la faja de tierra sin limite de N; y NDVI es el Indice de vegetación de diferencia normalizada calculada como (NIR-roj a) / (NIR+roj a) en donde NIR y roja son valores de reflectancia medidos por el sensor inventivo . YPN puede utilizarse para predecir el porcentaje de nitrógeno (PNG) contenido en el cultivo calculado como: PNG= -0.1918* YPN+2.7836 (PNG en %N) ; la absorción predicha de nitrógeno del grano (GNUP) se calcula como: GNUP=PNG* (YPK/100) ; la absorción predicha de nitrógeno del forraje (FNUP) se calcula como: FNUPNDVI-14.76+0.7758e5- 68*NDVI; y finalmente, el requerimiento de nitrógeno fertilizante de la estación de crecimiento medio se calcula como: FNR= (GNUP-FNUP) /O .70kg/ha. Como será aparente para aquellos expertos en la técnica, la serie de cálculos antes mencionada puede ser desarrollada fácilmente en un microprocesador 50 y FNR puede utilizarse para controlar la proporción de aplicación de fertilizante a través de un aplicador 66 de proporción variable . Debido a las variaciones de varios componentes que se emplean en el sensor inventivo, puede ser deseable proporcionar un procedimiento de calibración. Típicamente, el sensor puede calibrarse por medio del resplandor del emisor en un objeto que tiene propiedades de reflectancia conocidas y compararse la señal producida por el fotodetector 38 con un valor esperado. La respuesta del sistema completo puede determinarse independientemente para ambos de la luz roja o casi infrarroja y puede determinarse a cada una de las dos intensidades seleccionadas. Las constantes pueden entonces calcularse y almacenarse en una memoria no volátil dentro del microprocesador 50 para su uso futuro para corregir medidas subsecuentes de reflectancia de la planta. Una ventaja de la presente invención es que cada sensor 20 individual puede calibrarse independientemente. Cuando se emplean múltiples sensores, por ejemplo a lo largo de un brazo, y cada sensor ha sido calibrado apropiadamente, la cantidad de , nitrógeno disponible para cada planta será consistente a través del campo, a pesar de que cada sensor particular escanee cualquier planta dada. Refiriéndose de nuevo a la FIGURA 5, el emisor 52 puede adaptarse para sacar más luz añadiendo los LED adicionales. Preferiblemente, los LED 44f-j y 46f-j adicionales serían dirigidos para añadir transistores 102b y 104b de espejo de corriente adicionales, respectivamente. De esta forma, la corriente eléctrica que fluye a través de los LED 44a-e se aproximaría cercanamente a la corriente fluyendo a través de los LED 44f-j y similarmente, la corriente eléctrica fluyendo a través de los LED 46a-e se aproximaría cercanamente a la corriente que fluye a través de los LED 46f- , dando como resultado la brillantez consistente a través de los LED individuales de un color dado . Como será aparente para aquellos expertos en la técnica, los grupos adicionales de los LED se agregarían para alcanzar cualquier nivel de intensidad deseado. Adicionalmente, el número de los LED 44 rojos no necesita un número igual de los LED 46 infrarrojos . De una forma similar, también debe notarse que las longitudes de onda de luz adicionales pueden producirse también por el sensor 20. Un interruptor similar al interruptor 76 puede emplearse el cual proporciona el número deseado de interruptores individuales para acomodar las longitudes de onda de luz adicionales deseadas . Para cada longitud de onda emitida, los amplificadores adicionales, los espejos de corriente, y los LED se emplean en la misma configuración que aquellas actualmente empleadas. De esta forma, la presente invención es adecuada para medir la reflectancia de cualquier número de longitudes de onda. Al incorporar longitudes de onda de luz adicionales se permite que el sensor separe los factores confusos del estimado de nitrógeno así como incrementar el número de posibles aplicaciones para el sensor. Cuando más de dos longitudes de onda de luz se producen, puede ser más práctico disponer los diodos que emiten luz dentro de filas paralelas adicionales con lentes configuradas apropiadamente de tal forma que la abertura entre los LED individuales del mismo color no se vuelva lo suficientemente grande para dejar sin iluminar los hoyos en el campo a observar. Para los propósitos de esta invención, las filas paralelas se miran colectivamente como una fila sencilla que tiene un ancho no mayor que una LED. Como se mencionó anteriormente, los sensores de reflectancia de la técnica previa están disponibles para dirigir la aplicación selectiva de herbicida para eliminar plantas no deseadas en un campo. Las características del sensor inventivo pueden incorporarse en el sensor de la técnica previa para mejorar el desempeño de tal sensor y para adaptar tal sensor para el uso en la aplicación de otros productos agricultores. Por ejemplo, los sensores descritos en la Patente de los Estados Unidos No. 5,763,873 expedida a Beck et . al . , la cual se incorpora en el presente para referencia, y la Patente de los Estados Unidos No. 5,789,741 expedida a Kinter et . al., asimismo incorporada en el presente para referencia, pueden fácilmente adaptarse para alojar el sistema de circuitos inventivo. Como se muestra en la FIGURA. 10, la fuente 210 de luz dirige un haz de luz, como se indica por la línea 212, a través de la lente 214 hacia el objetivo. La luz reflejada por el objetivo, como se indica por la línea 216, se enfoca por la lente 226 en el fotodetector 218 de luz reflejada. De acuerdo con la presente invención, una porción de luz emitida por todos los emisores que colectivamente comprende la fuente 210 de luz se recolecta por medio de la tubería 220 de luz y se dirige para dirigir el fotodetector 222 de luz. Aunque el sensor 224 difiere mecánicamente del sensor 20 (FIGURA 2) , el sistema de circuitos empleado en el mismo puede no ser idéntico, dando como resultado un sensor que proporciona exactitud mejorada con relación a la reflectancia medida sobre el diseño de la técnica previa, y la cual, por lo tanto, es adecuada para propósitos más allá de la aplicación selectiva de herbicida. Como será aparente para aquellos expertos en la técnica, el sensor 20 inventivo puede escalarse hacia arriba o hacia abajo en tamaño para alcanzar virtualmente cualquier resolución deseada. Así, aunque la modalidad preferida es adecuada para sitios de aproximadamente 0.372 metros cuadrados (cuatro pies cuadrados) , la invención no se limita a eso. Con las fuentes de luz y detectores actualmente disponibles, es posible una resolución de menos de 30.5 cm (12 pulgadas) por sitio. También debe notarse que, aunque el sensor inventivo puede proporcionar una salida para controlar directamente la proporción de aplicación de fertilizante, también puede utilizarse para crear un mapa de prescripción para aplicación posterior de fertilizante. En tal sistema, la información de posición que se obtiene a partir de un receptor GPS, de un vehículo que carga el sensor, o de otro sistema indicador de posición. Las condiciones del cultivo se almacenan en una memoria no volátil en tal forma que la condición de cada sitio específico dentro del campo pueda traerse posteriormente para su uso al desarrollar un mapa de prescripción . Deberá notarse además que los sensores 200 múltiples pueden incorporarse dentro de un alojamiento 202 sencillo como se muestra en las FIGURAS 8 y 9. Típicamente, cada sensor 200 se construiría de acuerdo con la descripción del sensor 20 y tendría su propio microprocesador para desempeñar los cálculos para llegar al fertilizante en la estación de crecimiento medio requerido. Esta disposición se ajusta particularmente bien para su uso con un brazo de rocío en donde, idealmente, los sensores estén alineados, extremo con extremo a lo largo del brazo. Opcionalmente en vez de controlar directamente un aplicador de proporción variable, los sensores pueden proporcionar datos de reflectancia o condiciones de crecimiento a una computadora central por medio de una red de comunicación, tal como una red CAN. La computadora central dirigiría tanto una serie de aplicadores de proporción variable como crearía una bitácora de condiciones de cultivo a través del campo para análisis futuro o para crear un historial para comparación con aquellos de otras estaciones de crecimiento. En una configuración de sensores múltiples, también es posible que un microprocesador sencillo controle sensores múltiples. Cuando los sensores múltiples se controlan por medio de un procesador sencillo, o cuando los sensores están interconectados por medio de una red, y la resolución se reduce, es posible desempeñar el procesamiento de imágenes dentro de un sensor individual para determinar tales factores como: plantas faltantes, posición de plantas no uniformes, concentración de clorofila, infestación de enfermedades o pestes, cambios en las características del suelo, etc. Adicionalmente , poner en red los sensores individuales permite condiciones a promediarse sobre un área más grande de aplicaciones en donde un sitio más grande se desea y poner en red permite que los controladores de microprocesador utilicen la información recolectada a partir de los sensores que no están bajo su control directo para tomar decisiones de tratamiento.

A través de la selección apropiada de resolución y el uso apropiado de información de reflectancia a partir de varias longitudes de onda de luz, el sensor inventivo puede utilizarse para detectar y tratar simultáneamente múltiple anomalías en una sola pasada sobre el campo. Por ejemplo, al utilizar las técnicas descritas en la Patente de los Estados Unidos No. 5,789,741 expedida para Kinter, incorporada previamente a la presente para referencia, el sensor inventivo, puede utilizarse para aplicar selectivamente nitrógeno a una proporción óptima a plantas deseables mientras que también aplica selectivamente herbicida entre filas de plantas para eliminar maleza indeseada. Finalmente, también debe notarse que, aunque las aplicaciones de agricultura del sensor inventivo se discutieron con relación a la modalidad preferida, la invención no se limita así. El dispositivo inventivo podría utilizarse para mejorar la eficiencia del mantenimiento de las plantas en virtualmente cualquier aplicación, por ejemplo, campos de golf, cuidado del césped, mantenimiento de paisajes, etc. Aunque las constantes en ecuación antes mencionadas pueden variar de cultivo en cultivo, el método inventivo es de otra forma aplicable a virtualmente cualquier tipo de planta. Por tal motivo, la invención se adapta bien para llevar a cabo los objetos y lograr las finalidades y ventajas mencionadas antes así como para aquellas inherentes a la misma. Aunque las modalidades preferidas se han descrito para propósitos de esta descripción, numerosos cambios y modificaciones serán aparentes para aquellos expertos en la técnica. Tales cambios y modificaciones se comprenden dentro del espíritu de la invención tal como se define en las reivindicaciones que la acompañan.

Claims

REIVINDICACIONES 1. Un sensor de reflectancia espectral para determinar la reflectancia de una planta, caracterizado porque comprende : un alojamiento; una fuente de luz alojada en el alojamiento, la fuente de luz proyecta luz de una longitud de onda predeterminada ; un receptor de luz reflejada que incluye: un primer fotodetector colocado para recibir la luz reflejada originada por la fuente de luz; medios de compensación de luz ambiental para reducir los efectos de la luz ambiental en el primer fotodetector; y una primera salida; un receptor de luz directa que incluye : un segundo fotodetector colocado para recibir luz incidente a partir de la fuente de luz; y una segunda salida; un discriminador para distinguir el origen de la luz a partir de la fuente de luz y la reflejada por una planta de la luz ambiental; y un microprocesador que tiene una entrada para leer la primera salida y una entrada para leer la segunda salida, en donde la reflectancia en la longitud de onda predeterminada es proporcional al cociente del valor de la primera salida dividido entre el valor de la segunda salida.
2. El sensor de reflectancia espectral de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la fuente de luz es una primera fuente de luz y la longitud de onda de luz predeterminada es una primera longitud de onda de luz predeterminada y el sensor de reflectancia además comprende : una segunda fuente de luz alojada en el alojamiento, la segunda fuente de luz proyecta luz de una segunda longitud de onda.
3. El sensor de reflectancia espectral de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porgue comprende : un selector en comunicación con el microprocesador en donde el microprocesador puede seleccionar tanto la primera fuente de luz para emitir luz como la segunda fuente de luz para emitir luz; el microprocesador puede medir la reflectancia a una primera longitud de onda predeterminada independientemente de la reflectancia de la segunda longitud de onda de luz predeterminada.
4. El sensor de reflectancia espectral de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque la primera fuente de luz produce luz roja de una longitud de onda predeterminada y la segunda fuente de luz produce luz casi infrarroja de una longitud de onda predeterminada y porque el microprocesador calcula el NDVI basado en la reflectancia calculada mientras que la luz roja se emite y en la reflectancia calculada mientras que la luz casi infrarroja se emite.
5. El sensor de reflectancia espectral de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la fuente de luz es una primera fuente de luz de una pluralidad de fuentes de luz y cada fuente de luz de la pluralidad de fuentes de luz produce luz a una longitud de onda predeterminada diferente de la longitud de onda de cada una de las otras fuentes de luz de la pluralidad de fuentes de luz .
6. El sensor de reflectancia espectral de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque cada fuente de luz de la pluralidad de fuentes de luz comprende una pluralidad de diodos que emiten luz.
7. Un sensor de índice de vegetación de diferencia normalizada caracterizado porque comprende: una primera fuente de luz que emite un haz modulado de luz roja; una segunda fuente de luz que emite un haz modulado de luz casi infrarroja; un primer receptor para recibir la luz reflejada producida por la primera fuente de luz y la segunda fuente de luz, el receptor tiene una primera entrada; un segundo receptor para recibir luz incidente de la primera fuente de luz y de la segunda fuente de luz, el segundo receptor tiene una segunda salida; un acondicionador de señal que responde a la modulación del haz modulado de tal forma que el acondicionador de señal puede discriminar entre la primera o segunda fuentes de luz y la luz ambiental, el acondicionador de señal tiene una primera entrada para recibir la primera salida o la segunda salida y el acondicionador de señal tiene una tercera salida; un microprocesador que tiene una segunda entrada para recibir la salida del acondicionador de señal de tal forma que el microprocesador pueda determinar la intensidad de la primera fuente de luz, la intensidad de la segunda fuente de luz, la intensidad de la luz reflejada recibida a partir de la primera fuente de luz; y la intensidad de la luz reflejada recibida a partir de la segunda fuente de luz, en donde el microprocesador proporciona una salida indicativa del índice de vegetación de diferencia normalizada calculado a partir de las intensidades determinadas de la señal y de la segunda entrada.
8. Un aparato de agricultura para la agricultura de precisión, caracterizado porque comprende: un vehículo; una pluralidad de elementos de aplicación de proporción variable soportados en el vehículo; y una pluralidad de sensores soportados en el 5 vehículo, cada uno de los sensores tiene medios para determinar la absorción de nitrógeno de una planta y proporcionar una salida indicativa de la necesidad de fertilizante de nitrógeno en la estación de crecimiento medio, en donde para cada sensor de la pluralidad de 10 sensores, existe un elemento de aplicación de proporción variable correspondiente a la pluralidad de elementos de aplicación de proporción variable.
9. Un método para aplicar fertilizante de nitrógeno utilizando el sensor de conformidad con la 15 reivindicación 1, caracterizado porque comprende los pasos de : (a) pasar el sensor sobre un área; (b) calcular la reflectancia de una planta en luz roja o casi infrarroja; 20 (c) calcular los requerimientos de fertilizante de nitrógeno en la estación de crecimiento medio a partir de la reflectancia calculada en el paso (b) ; (d) determinar la proporción de aplicación de un aplicador de proporción variable para entregar la cantidad de 25 fertilizante de nitrógeno calculado en el paso (c) .
10. Un método para sincronizar las emisiones de luz a partir del sensor de reflectancia adyacente en un sistema que tiene una pluralidad de sensores de reflectancia, en donde cada sensor emite un haz modulado de luz, caracterizado porque incluye los pasos de: (a) proporciona una interconexión de red en cada sensor de una pluralidad de sensores; (b) conectar las interconexiones de red de dos o más sensores de la pluralidad de sensores para formar una red; (c) transmitir periódicamente un mensaje en red; y (d) sincronizar la modulación entre cada sensor al recibir el mensaje.
11. Un sensor de reflectancia independiente de la altura, caracterizado porque comprende: una lente cilindrica; una fuente de luz que incluye una pluralidad de diodos que emiten luz configurados en una fila paralela, y dirigida para emitir luz directa, de la lente cilindrica para iluminar un área; un fotodetector colocado en el punto focal del reflector parabólico para recibir la luz reflejada a partir del área iluminada .