DD231270A1

DD231270A1 - Verfahren und anordnung zur ortsbestimmung einzelnstehender pflanzen

Info

Publication number: DD231270A1
Application number: DD26931884A
Authority: DD
Inventors: Paul Jakob; Wolfgang Thiel; Harald Albrecht; Juergen Hellebrand; Peter Oberlaender; Klaus-Juergen Berg
Original assignee: Berlin Ing Hochschule
Priority date: 1984-11-09
Filing date: 1984-11-09
Publication date: 1985-12-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Messanordnung zur Ortsbestimmung einzelnstehender Pflanzen in ihrem Wuchsraum, insbesondere gekoepfter Zuckerruebenpflanzen. Sie dient dem Aufbau automatischer Lenkeinrichtungen zur Fuehrung von Arbeitslementen mobiler Feldarbeitsmaschinen. Ziel und Aufgabe der Erfindung ist es, die Zuverlaessigkeit und die Arbeitsqualitaet dieser Maschinen zu erhoehen. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass die von den Pflanzen und deren Wuchsraum rueckgestreute optische Strahlung nach Durchlaufen eines optischen Systems auf eine zeilenfoermige Anordnung optoelektronischer Elemente trifft, wo sie in analoge elektrische Signale gewandelt wird, die nach entsprechender Signalbearbeitung und Durchlaufen eines Komparators positionsgerecht in den Speicher eines Verarbeitungssystems abgelegt werden, das aus ihnen den Pflanzenstandort ermittelt.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Meßanordnung zur Ortsbestimmung einzelnstehender Pflanzen, insbesondere geköpfterZuckerrübenpflanzen, in ihrem Wuchsraum und dient dem Aufbau automatischer Lenkeinrichtungen zur Führung von Arbeitselementen bei mobilen Feldarbeitsmaschinen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind zur Bestimmung des Standortes einzelnstehender Pflanzen mechanisch wirkende Anordnungen in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Ihnen gemeinsam ist die Verwendung von in der Regel zwei Tasthebeln oder-rädern zwischen den Pflanzenreihen die geführt werden und drehbar oder verschiebbar angeordnet sind, wobei ihre Winkel-oder Weg stellung durch die Berührung mit einem Pflanzenkörper verändert wird. Die weitere Verarbeitung des gewonnenen Weg/Winkelsignales erfolgt mit hydraulischen, elektrischen oder pneumatischen Wandlern. In Deutsche Agrartechnik 11/1972 Seite 487 wird ein solches mechanisches Verfahren für die automatische Lenkung einer Rübenrodemaschine beschrieben.

Allen diesen mechanischen Verfahren haftet der Mangel an, daß die Tasthebel oder-räder, falls sie im Boden geführt werden, einem erheblichen mechanischen Verschleiß ausgesetzt sind und bei hohem Bodenwiderstand kein ausreichender Signalabstand zum mechanischen Gegendruck einer Pflanze vorhanden ist. Ein über dem Boden geführtes Hebelsystem kann nur solche Pflanzen erfassen, die den Boden um ein gewisses Mindestmaß überragen. Bei geköpften Zuckerrübenpflanzen ist dies beispielsweise nicht gewährleistet.

Neben den mechanisch-abtastenden Verfahren ist auch noch ein berührungslos arbeitendes Verfahren bekannt. Nach SU-PS 871751 wird über ein Antennensystem ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld im Wellenlängenbereich der ultrakurzen Radiowellen erzeugt, das beim Überstreichen einer Pflanzenreihe eine Dämpfung erfährt, welche gemessen und ausgewertet wird.

Nachteilig ist dabei die relativ zu den Pflanzenabmessungen große Wellenlänge der Strahlung, die eine Einzelerfassung von Pflanzen nicht mit ausreichender Sicherheit ermöglicht, sondern nur eine grobe Reihenführung gewährleistet. Die Anwendung entsprechend kurzwelliger Strahlung etwa im 10Ghz-Bereich würde den erforderlichen apparativen Aufwand über ein sinnvolles Maß hinaus erhöhen.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Meßanordnung für ejne hinreichend genaue und schnelle Ortsbestimmung von einzelnstehenden Pflanzen zu entwickeln, auf deren Basis automatische Lenksysteme an mobilen Feldarbeitsmaschinen aufgebaut werden, die zuverlässig arbeiten und eine höhere Arbeitsqualität ermöglichen.

larlegung des Wesens der Erfindung

)er Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Standord einzelnstehender Pflanzen, insbesondere geköpfter !uckerrübenpflanzen, innerhalb ihres Wuchsraumes berührungslos und mit für die Steuerung von Arbeitselementen linreichender Genauigkeit innerhalb einer durch Fahrgeschwindigkeit und Pflanzenabstand bedingten geringen Zykluszeit zu lestimmen.

irfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die von den Pflanzen und deren umgebenden Wuchsraum ückgestreuten optischen Strahlen ein optisches System durchlaufen, welches ein Objekt enthält, das bei einem vorgegebenen Abstand zwischen Objekt und Pflanze den Variationsbereich des geometrischen Standortes einer Pflanze orthogonal zur ^:ahrtrichtung der Feldarbeitsmaschine einschließlich eines Teiles des umgebenden Wuchsraumes auf eine Anordnung iptoelektronischer Elemente abbildet.

)iese optoelektronischen Elemente sind in einer oder mehreren Zeilen orthogonal zur Fahrtrichtung angeordnet, wobei ihre Zahl nindestens so groß ist, daß die Auflösung der Abbildung eine hinreichend sichere Unterscheidung zwischen Pflanze und Vuchsraum ermöglicht. Je nach Pflanzenart und optischen Bedingungen liegt diese Zahl vorzugsweise im Bereich 16-256. Eine »konomisch günstige Ausführung wird durch Anordnung der optoelektronischen Elemente auf einer monolithisch integrierten Schaltung erreicht.

)ie optoelektronischen Elemente setzen die jeweiligen Beleuchtungsstärken in analoge elektrische Signale um. Diese Signale verden in einem bestimmten durch eine Zeitablaufsteuerung festgelegten Zyklus abgerufen und seriell mit dem Schwellwert lines Komparators verglichen, an dessen Ausgang die elektrischen Signale, welche von den der Pflanze zugeordneten iptoelektronischen Elementen abgegeben werden, den logischen Wert 1 (0) annehmen und die elektrischen Signale, welche von len dem umgebenden Wuchsraum zugeordneten optoelektronischen Elementen abgegeben werden, den inversen logischen Vert 0(1) annehmen. Um Schwankungen der Beleuchtungsstärke zu kompensieren, wird der Schwellwert des Komparators lutomatisch nach dem Absolutwert der Beleuchtungsintensität gesteuert.

)ie binären Ausgangswerte des Komparators werden der geometrischen Anordnung der optoelektronischen Elemente sntsprechend in einem binären Speichersystem abgelegt. Der Speicher enthält damit im Falle der Anordnung von m »ptoelektronischen Elementen in einer Zeile ein binarisiertes Abbild des Verlaufes der Leuchtdichte y_o,n...y_m,n orthogonal zur ^:ahrtrichtung χ zum Zeitpunkt t_n für den Fahrstreckenpunkt X_n. Im folgenden Zeitintervall t_n+1 = t_n + At, indem durch die Vorwärtsbewegung der mit der Feldarbeitsmaschine verbundenen Meßeinrichtung mit der Geschwindigkeit ν die Strecke Ax = v· At zurückgelegt wird, werden die elektrischen Signaley_o,_n+i- ..y_m,n+i abgerufen. Durch weitere Wiederholungen sntsteht im Speicher ein rhatrixförmiges binäres Abbild der Leuchtdichteverteilung über einer kompletten Pflanze mit imgebenden Wuchsraum.

)ie Auswertung der binären Meßdaten zum Zwecke der Bestimmung der zur Fahrtrichtung orthogonalen y-Koordinate der flanze erfolgt im einfachsten Fall durch autonome Auswertung jeder abgespeicherten Meßzeile, indem eine arithmetische yiittelung über den Adreßbereich der der Pflanze zugeordneten Binärwerte vorgenommen wird. Zur Bestimmung der x- und '-Koordinaten der Pflanze und oderzur Erhöhung der Meßsicherheit der Bestimmung dery-Koordinate wird die Auswertung der ibgespeicherten Meßdaten auf die Meßdatenmatrix erstreckt, wobei eine Mittelung über die zur Pflanze gehörenden Werte iowohl in y-, als auch in x-Richtung erfolgt. Schließlich wird ein Vergleich des ermittelten Pflanzenstandortes relativ zur Lage des mtsprechenden Bearbeitungswerkzeuges der Feldarbeitsmaschine durchgeführt und ab einer bestimmten Abweichung ein Steuerbefehl ausgelöst. Dieser Auswertungsalgorithmus wird vorzugsweise durch ein Prozessorsystem basierend auf lochintegrierten Schaltkreisen mit kleiner Verarbeitungszeit abgearbeitet. Zur Erhöhung der Meßsicherheit dient ein in den Strahlengang installiertes optisches Filter oder eine Kombination optischer Filter, die von jenen spektralen Anteilen der jptischen Strahlung möglichst ungedämpft passiert werden, in denen die Differenz der Leuchtdichte der betreffenden flanzenart und der des umgebenden Wuchsraumes ein relatives Maximum hat.

lusführungsbeispiei

Die Erfindung soll nachstehend am Ausführungsbeispiel eines Meßsystems zur Standortbestimmung geköpfter Rübenpflanzen läher erläutert werden. Dieses System wurde für die automatische Einzelführung der Rodewerkzeuge einer mehrreihigen töbenrodemaschine konzipiert. Es zeigt: ^:ig. 1 Schema der Signalverarbeitung

)as von der geköpften Rübenoberfläche 1 und dem umgebenden Erdreich 2 rückgesteuerte Tageslicht gelangt in eine über der f lanzenreihe geführten Sammellinse 3. Abstand und Brennweite sind so abgestimmt, daß orthogonal zur Fahrtrichtung der /ariationsbereich des Rübenstandortes und ein auswertbarer Teil des angrenzenden Erdreiches erfaßt werden. Unter der Sammellinse 3 ist ein Blaufilter 4 angeordnet, das für die blauen Spektralanteile des Lichtes durchlässig ist. Wie sntsprechende Versuche zeigten, ist in diesem Bereich der Leuchtdichteunterschied zwischen geköpfter Rübenoberfläche 1 und lmgebendem Erdreich 2 einschließlich aller Verunreinigungen (Blattreste, Steine usw.) besonders ausgeprägt. Die Lichtstrahlen reffen schließlich auf eine lineare Anordnung von 256 optoelektronischer Elementen in Form einer monolithisch integrierten Jensorzeile 5. Die der Beleuchtungsstärke proportionalen Spannungen der einzelnen Elemente werden innerhalb eines */!eßzyklus seriell einem Komparator 6 zugeführt, der TTL-gerechte binäre Ausgangsspannungen erzeugt. Sein Schwellwert ist io eingestellt, daß die von der Rübenoberfläche 1 stammenden Meßwerte Η-Pegel erzeugen, die Meßwerte des umgebenden Erdreiches 2 hingegen L-Pegel. Die Komparatorschwelle wird von dem Absolutwert des Tageslichtes, welcher über den jhotoelektrischen Geber 11 aufgenommen und im Verstärker 12 aufbereitet wird, gesteuert. Die Taktsteuerung der Sensorzeile ι wird von einer separaten Zeitablaufsteuerung 7 übernommen, die mit dem auswertenden Prozessorsystem 8 synchronisiert st. Die Ausgangsdaten des Komparators 6 werden im Arbeitsspeicher 9 des Prozessorsystems 8, das als Einchiprechner lusgeführt ist, positionsgerecht abgelegt. Aus den Positionen mit dem Inhalt Η-Pegel wird der Standort der entsprechenden iübenpflanze bestimmt. Der Vergleichswert zur Werkzeugsteuerung ist durch die feste Kopplung des optischen Systems mit lern zugehörigen Rodewerkzeug gegeben. Bei signifikanter Abweichung des ermittelten Pflanzenstandortes vom /ergleichswertwird ein entsprechender Stellbefehl an die Stelleinrichtung 10 des zugehörigen Rodewerkzeuges abgegeben.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren und Anordnung zur Ortsbestimmung einzelnstehender Pflanzen, insbesondere geköpfter Zuckerrübenpflanzen in ihrem Wuchsraum,dadurch gekennzeichnet, daß von den Pflanzen und deren umgebenden Wuchsraum rückgestreute optische Strahlung ein optisches System durchläuft und von einer bestimmten Anordnung optoelektronischer Elemente aufgenommen wird, deren der Beleuchtungsstärke analogen elektrischen Signale zeitzyklisch abgerufen und seriell mit dem Schwellwert eines Komparators (6) verglichen werden, an dessen Ausgang die elektrischen Signale, welche von den der Pflanze zugeordneten optoelektronischen Elementen abgegeben werden, den logischen Wert 1 (0) annehmen und die elektrischen Signale, welche von den dem umgebenden Wuchsraum zugeordneten optoelektronischen Elementen abgegeben werden, den inversen logischen Wert 0(1) annehmen und diese Binärwerte der elektrischen Signale der geometrischen Anordnung der optoelektronischen Elemente entsprechend in einem binären Speichersystem abgelegt und von einem on-line angeschlossenen Auswertungssystem verarbeitet werden.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optoelektronischen Elemente in einer oder mehreren Zeilen orthogonal zur Fahrtrichtung an der Feldarbeitsmaschine angeordnet sind und daß ihre Zahl mindestens so groß ist, daß die Auflösung der Abbildung eine hinreichend sichere Unterscheidung zwischen Pflanze und Wuchsraum ermöglicht.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zeilen- oder matrixförmige angeordneten optoelektronischen Elementesich auf einer monolithisch integrierten Schaltung befinden.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System aus einem Objektiv besteht mit einem solchen Abbildurigsmaßstab, daß bei einem vorgegebenen Variationsbereich des geometrischen Standortes einer Pflanze orthogonal zur Fahrtrichtung einschließlich eines Teiles des umgebenden Wuchsraumes abgebildet wird.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Strahlengang des rückgestreuten Lichtes ein oder mehrere optische Filter eingebracht werden, die von jenen spektralen Anteilen der optischen Strahlung möglichst ungedämpft passiert werden, in denen die Differenz der Leuchtdichte der betreffenden Pflanzenart und der des umgebenden Wuchsraumes ein relatives Maximum hat.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellwert des Komparators (6) automatisch vom Absolutwert der Beleuchtungsintensität gesteuert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswertung der binären Meßdaten, welche vorzugsweise in einem Prozessorsystem (8) durchgeführt wird, der Pflanzenstandort durch arithmetische Mittelung über dem Adreßbereich der den Pflanzen zugeordneten Binärwerte ermittelt, ein Vergleich des ermittelten Pflanzenstandortes relativ zum Standort des Bearbeitungswerkzeuges durchgeführt und bei entsprechender Abweichung ein Steuerbefehl ausgelöst wird.

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