Reflex-Ortungsvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Reflex-Ortungsvorrichtung an einer Landmaschine oder dergleichen, insbesondere eine Erntegutkanten-Ortungsvorrichtung, deren Ortungssignale einer Regelvorrichtung zugeführt sind, die mindestens ein Lenkhydraulikstellsignal an eine elektrisch gesteuerte Lenkhydraulik von lenkbaren Rädern der Landmaschine derart abgibt, daß eine jeweilige Ortungssignalabweichung von einem vorgegebenen Ortungskriterium, insbes. ein vorgegebener Seitenabstand einer Erntegutkante zu einer seitlichen Mähwerkkante, minimiert wird, wobei Sender und Empfänger der Ortungsvorrichtung mit ihrem Ortungsstrahlenbereich so ausgerichtet an der Landmaschine angeordnet sind, daß dieser leicht zum Boden geneigt ist und das Getreidefeld erfaßt.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE-C-24 55 836 bekannt, die einen Sender und einen Empfänger aufweist, die vom Mähwerk nach vorn leicht zum Boden geneigt und in einem spitzen Winkel seitlich auf das stehende Getreide gerichtet sind, und deren Empfängersignalamplitude im Vergleich zu einem vorgegebenen Sollwert für eine Lenkungsregelung ausgewertet wird. Zur Verringerung von Störeinflüssen wurden schmalbandige Lichtstrahler, Polarisatoren und Modulatoren oder kurzwellige stark gebündelte elektromagnetische Wellen und eine periodische horizontale Schwenkung des Strahlers sowie entsprechende Signalauswertemittel genutzt. Durch die seitliche Abtastung der Getreidefront bestand der Nachteil, daß schwankende Eigenschaften, insbesondere eine wechselnde Dichte des stehenden Getreides oder liegendes Getreide, die Lenkung stark beeinflussen und das Fahrzeug dadurch in einen schwachen oder liegenden Bestand hineingelenkt wurde.

Weiterhin ist eine Ortungsvorrichtung aus der DE-A-21 09 744 bekannt. Diese besteht aus einem Strahler, der nahe den Messern am Mähwerk und nahe der Erntegutkante im Getreidefeld angeordnet ist, mit beidseitig dazu angeordneten Photozellen, deren Sensorsignale zugehörige Steuerrelais betätigen, deren inverswirkenden Steuerkontakte auf die rechts- bzw. linkssteuernden Lenkhydraulikventile der Hinterräder der Erntemaschine arbeiten. Diese Vorrichtung hat den Nachteil, daß die Dichte des Erntegutes in die Regelgenauigkeit unmittelbar eingeht, indem dichteabhängig ein scheinbarer Seitenversatz des Mähwerkes zur Erntegutkante signalisiert wird. Außerdem wird eine Abweichung der Fahrtrichtung vom Erntegutkantenverlauf nicht erkannt, was das Regelverhalten träge gestaltet.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Ortungsvorrichtung zu offenbaren, die eine weitgehend von der Getreidedichte unabhängige Erfassung der Erntegutkante erbringt und eine genauere Lenkungsregelung ermöglicht.

Die Lösung besteht darin, daß die Ortungsvorrichtung oberhalb des Getreides beabstandet dazu angeordnet ist und der Ortungsstrahlenbereich etwa senkrecht zum Mähwerk ausgerichtet ist und, wenn die Getreidekanten-Seitelage korrekt ist, vor dem Mähwerk mit einem Teilstrahlenbereich schräg von oben das stehende Getreide des Getreidefeldes und mit dem übrigen Teilstrahlenbereich das Stoppelfeld erfaßt.

Es hat sich für einen Mähdrescher als günstig erwiesen, entweder zwei Teilortungsvorrichtungen so anzuordnen, daß eine das Stoppelfeld und eine zweite das Getreidefeld erfaßt oder daß von Teilbereichen eines Ortungsstrahles jeweils beidseitig der Getreidekante das Getreide und die Stoppeln erfaßt werden. Es lassen sich auf erstere Weise sowohl scharf gebündelte optische Sensorsignale, insbesondere Laserstrahlreflexe, als auch auf die zweite Weise akustische Echosignale oder Mikrowellenreflexe auswerten.

Die Ortungsvorrichtung, welche die Getreidekante beidseitig abtastet, ist vorteilhaft so eingerichtet, daß sie einen Bereich erfaßt, der mehrere Meter vor dem Schneidwerk der Erntemaschine liegt, da diese andererseits an ihren rückwärtsgelegenen Rädern gelenkt wird und deshalb eine Abweichung vom vorgesehenen Fahrweg nur nach einem größeren zurückgelegten Fahrweg ausgeglichen werden kann.

Bei dieser Anordnung hat es sich als günstig erwiesen, das Ist-Signal des Radstellwinkels als weitere Eingangsgröße in die Regelvorrichtung einzuführen, so daß praktisch vorausschauend aus diesem Signal der spätere Weg der Erntemaschine berücksichtigt wird. Hierzu hat es sich als vorteilhaft erwiesen, ein zweidimensionales Kennlinienfeld zu erstellen, dessen Eingangsgrößen in digitalisierter Form das normierte Ortungssignal und das Radstellwinkelsignal sind und dessen Inhalte jeweils eine dazu passende Lenksteuergröße bilden. Dieses Kennlinienfeld kann ferner nach und nach in seinen Eintragungen für eine optimale Lenkung optimiert werden und leicht besonderen Verhältnissen angepaßt werden.

Es hat sich gezeigt, daß bei herkömmlichen Mähdreschern etwa 60% der Aufmerksamkeit des Fahrers für das Lenken der Maschine beansprucht wurde. Die Lenktätigkeit ist deshalb besonders anstrengend, da das Lenken mit den Hinterrändern eine relativ lange Vorhaltezeit benötigt, bis eine seitliche Lageänderung des Mähdreschers zur Getreidekante auftritt, und danach muß durch ein entsprechendes Gegensteuern wieder die Geradeausfahrt herbeiführt werden. Das automatische Lenken ermöglicht bei praktisch völliger diesbezüglicher Entlastung des Fahrers im allgemeinen ein schnelleres Fahren und eine annähernd vollständige Auslastung der Schneidwerksbreite bis auf einen Sicherheitsrestabstand von 10 bis 20 cm.

Die Teilortungsvorrichtungen sind bevorzugt Laserentfernungsmesser; es lassen sich jedoch auch Ultraschallsender-Empfängeranordnungen verwenden.

Der Ortungssensor, der Bereiche beidseits der Getreidekante erfaßt, weist jeweils Fokussierungsmittel auf, die einen Raumwinkel erfassen, der eine Halbwertsbreite von 8° und eine 90% Erfassungsweite von 16° hat. Es hat sich vorteilhaft erwiesen, die Teilortungssensoren an der seitlichen Kante des Schneidwerks in etwa 1 m bis 1,5 m Höhe über dem Boden oder 200 mm - 400 mm über den Ähren anzuordnen. Der Raumwinkel ergibt im Auftreffgebiet einen erfaßten Bereich von etwa 1 m Durchmesser.

Es sind zwei verschiedene Ausführung der Reflex-Ortungsvorrichtungen beschrieben, von denen die eine mit einem Ultraschall- oder Mikrowellenfächer arbeitet, der ein Teilecho von den beschallten Ähren und ein späteres Teilecho, das vom Stoppelfeld reflektiert wird, erzeugt. Diese beiden Echokomponenten werden abhängig von ihrem Eintreffen den beiden georteten Bereichen zugeordnet und zeitlich getrennt erfaßt. Die relative Größe der beiden Bereiche zueinander oder das Echosignal von den Ähren werden relativ zu oder in Bezug auf einen Vergleichswert als Steuerkriterium genutzt. Dieser Vergleichswert wird zweckmäßig ebenso wie die Zeitgrenzen für die Signalauswertung in der Regelvorrichtung oder in einem Zentralprozessor gespeichert vorgehalten, so daß sie je nach Fruchtart und Getreidehöhe vorgewählt werden können.

Vorzugsweise wird jeweils das Signal in dem ersten bzw. zweiten Zeitbereich integriert, so daß die Schwankungen, die von den Unregelmäßigkeiten der Oberflächen herrühren, im wesentlichen aus dem Signal beseitigt werden. Es ist zweckmäßig, dem Ortungsstrahl eine Halbwertsbreite von 5° bis 10° zu geben, damit eine gute Regelqualität erreicht wird. Etwa auftretende seitliche Nebenkeulen des Ortungsstrahles und der Empfängeremfindlichkeitsverteilung haben keine wesentliche Auswirkung, da die Mitte des Ortungsstrahles praktisch über der Erntegutkante liegt und in etwa mit dieser fluchtet, wenn eine korrekte Ausrichtung des Mähwerkes zum Getreidebestand erreicht ist.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Ortungsvorrichtung etwa 100 mm bis 500 mm, vorzugsweise 200 mm bis 400 mm, über den Ähren angeordnet ist und ihr Neigungswinkel gegen die Horizontale 5° bis 45°, vorzugsweise 15° bis 25°, beträgt. Die Haltevorrichtung ist deshalb so ausgebildet, daß eine Einstellung der Ortungvorrichtung in der Höhe und/oder im Neigungswinkel passend zu dem jeweiligen Getreide vorgenommen werden kann. Auch kann eine motorische Einstellung der Höhe und/oder der Neigung vorgesehen werden. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Neigiungseinstellung und/oder die Höheneistellung jeweils beim Eintritt in eine bestimmte Erntegutart und normalaurichtung des Mähwerkes zur Erntegutkante, so geregelt vorgenommen werden, daß das erste, frühe Echosignal und das zweite, späte Ortungssignal jeweils zu vorbestimmten Zeiten nach der Ortungsimpulsaussendung auftreten.

Bei einer weiteren Ausführung werden zwei relativ scharf gebündeten Teilortungsstrahlen, inbes. Laserstrahlen um einige Grad divergierend, im spitzen Winkel zur Horizontalen geneigt, einerseits auf das Stoppelfeld und anderseits auf das Getreidefeld gerichtet. Auch hierbei treten Echos (Reflexionen) zu unterschiedlichen Zeiten nach der Aussendung eines Laserimpulses auf. Liegen die Reflexionen sehr früh und dicht beieinander, so ist eine Lenkkorrektur notwendig, die den einen Strahl aus dem Getreidefeld herausbringt, und sind beide Echos spätliegend, so ist eine Lenkkorrektur notwendig, so daß der eine Strahl wieder auf das Getreidefeld fällt. Hierdurch ist also eine Zweipunktregelung gegeben. Um eine gute Regelqualität zu erreichen, empfiehlt es sich, die beiden Strahlen um ca. 3° divergieren zu lassen und mindestens 15° gegen die Horizontale zu neigen, so daß sie das Getreidefeld bzw. den Boden in 3 m bis 6 m bzw. in 6 m bis 12 m Entfernung tangieren.

Es hat sich vorteilhaft erwiesen, die beiden Strahlen in der Vertikalen leicht gegeneinander geneigt auszusenden, wodurch die beiden Echos zeitlich einen geringen Abstand bekommen, wenn sie beide vom Boden oder beide vom Getreidefeld reflektiert werden. Auf diese Weise läßt sich auch erkennen, ob beide Strahlen ihr Ziel erreicht haben oder etwa in der Haspel, also vor dem interessierenden Wirkbereich reflektiert worden sind. Die vertikale Divergenz der Strahlen liegt zweckkmäßig zwischen 1° und 5°.

In dieser Ausführung sind beide Teilortungsvorrichtungen gegeneinander vertikal verfahrbar oder verschwenkbar angeordnet. Es muß also nur eine der Teivorrichtungen Verstellbar sein. Die Normaleinstellung ist zweckmäßig dabei so gewählt und zweckmäßig automatisch zu Beginn der Arbeit auf einem Feld so eingeregelt, daß jeweils beide Echosignale gleichzeitig zu einer vorgegebenen mittleren Echozeit auftreten, wenn die korrekte Ausrichtung des Mähwerkes vorliegt. Bei einem Abweichen der Mähwerksrichtung oder einem Seitenversatz des Mähwerkes von der Normallage tritt dann eines der Echosignale zu spät oder zu früh auf, was im Betrieb zur Lenkkorrektur genutzt wird.

In einer anderen Ausführung wird statt der beiden Laserteilstrahlen mit festen, horizontal divergierenden Einstellungen ein Laserstrahl fächerartig pendelnd, also ein sogenannter Scanner, benutzt. Die jeweilige horizontale Winkellage des Ortungsstrahles wird laufend der Regelvorrichtung signalisiert, und derjenige Winkelwert, bei dem der Durchgang des Ortungsstrahles durch die Erntegutkante anhand der Auswertung der Signale erkannt wird, wird in Bezug auf den Mittellagenwinkelwert und den gesamten Scannerwinkelwert als das genormte Ortungssignal bei der Regelung verwandt.

Anhand der Figuren 1 bis 7 sind vorteilhafte Ausgestaltungen dargestellt.

Fig. 1

zeigt ein Übersichtsbild eines Mähdreschers mit einer Lenkregelvorrichtung;

Fig. 2

zeigt einen Getreidekantenabtaster mit zwei Ortungsstrahlen im Normalbetrieb;

Fig. 2a

zeigt die Reflexsignale zu Fig. 2;

Fig. 2b

zeigt eine Seitenansicht zu Fig. 2;

Fig. 3

zeigt den Getreidekantenabtaster bei Auslenkung in das Stoppelfeld;

Fig. 3a

zeigt die Echosignale zu Fig. 3;

Fig. 4

zeigt den Getreideabtaster mit beiden Ortungsstrahlen im Getreidefeld;

Fig. 4a

zeigt die Echosignale zu Fig. 4;

Fig. 5

zeigt eine Seitenansicht auf eine zweite Ausführung der Ortungsvorrichtung mit einer Schall- oder Mikrowellenkeule;

Fig. 5a

zeigt eine Aufsicht zu Fig. 5;

Fig. 5b

zeigt die Echosignale bei korrekter Ausrichtung des Ortungsstrahles;

Fig. 6

zeigt die Echosignale bei ins Stoppelfeld gerichtetem Ortungsstrahl;

Fig. 7

zeigt die Echosignale bei in das Getreidefeld gerichtetem Ortungsstrahl.

Figur 1 zeigt einen Mähdrescher (1) mit einem Mähwerk (MW), welcher an einer Getreidekante (GK) eines Getreidefeldes (GF) unter Einhaltung einer möglichst geringen Abweichung von einer vorgegebenen Getreidekantenseitenlage (GKS) automatisch geregelt entlangfahren soll. Etwa 1 m bis 1,5 m oberhalb des Mähwerkes (MW) ist eine Ortungsvorrichtung (OV) angeordnet, deren Ortungsstrahlenbereich (OST) auf das Stoppelfeld und teils auf das Getreidefeld (GF), also beiderseits zur Getreidekante (GK) orientiert sind, und deren Ortungssignale (OS1) einer Regelvorrichtung (ST) zugeführt sind. Diese Ortungssignale werden zweckmäßig digitalisiert und in ein genormtes Ortungssignal (NOS) umgesetzt.

Im vorgegebenen Beispiel ist die Regelvorrichtung (ST) über einen genormten Datenbus (CAN) mit einem Zentralprozessor (ZP) verbunden, über den auch die übrigen Steuerprozesse des Mähdreschers überwacht werden. Hierzu sind an dem Zentralprozessor (ZP) eine Eingabetastatur (ET) und eine Ausgabevorrichtung (AV) vorgesehen. Weiterhin nimmt der Zentralprozessor (ZP) von den Vorderrändern (VR) ein Geschwindigkeitssignal (VS) auf. Von der Regelvorrichtung (ST) wird die Lenkhydraulik (LH) mittels eines Linkssteuerventiles (LV) und eines Rechtssteuerventils (RV) angesteuert, deren hydraulischen Ausgänge die vorhandene Lenkhydraulik (LH) beaufschlagen, die den Einschlag der Hinterrädern (HR) bewirkt. An der Lenkvorrichtung wird ein Radstellwinkelsignal (RWS) abgenommen und der Regelvorrichtung (ST) zugeführt. Die Lenkstellventile (LV, RV) sind federbelastet selbstsicher ausgeführt, so daß sie bei Stromausfall geschlossen sind. In diesem Zustand wird die Lenkung unmittelbar über die bekannte hydraulische Steuerung vom Lenkrad (R) aus vorgenommen. In der Bedienerkabine sind außerdem ein Handschalter (HS), ein Fußschalter (FS) und ein Sicherheitsschalter (NS) angeordnet, deren Signale der Lenkstellventilanordnung aus Sicherheitsgründen zugeführt sind und der Regelvorrichtung (ST) zu deren Aktivierung bei Vollständigkeit dieser Signale zugänglich gemacht sind.

Es läßt sich erkennen, daß der Vorausabstand (VA) mit dem der Ortungstrahlenbereich (OST) die Getreidekante (GK) abtastet, in etwa dem Abstand der Vorderräder (VR) von den Hinterrädern (HR) entspricht. Auf diese Weise ergibt eine Winkelabweichung der Mähdrescherachse zur Getreidekante, die sich in dem Ortungssignal als Teilkomponente darstellt, ein Äquivalent zu dem Radstellwinkelsignal. Diese jeweilige Winkelkomponente des Ortungssignalbereichs überlagert jeweils die Komponente der Seitenabweichung der Richtungsachse des Mähdreschers von dem vorgegebenen Sollweg, d.h. die Komponente, die die Getreidekanten seitenlage (GKS) jeweils erbringt.

Die Ortungsvorrichtung (OV) speist ihr normiertes Ortungssignal (NOS) analog oder vorzugsweise bereits digitalisiert erzeugt in die Regelvorrichtung (ST) ein. Die anderen Sensoren welche die übrigen Eingangsgrößen erzeugen, liegen im allgemeinen in dem Mähdrescher verteilt und geben ihre Signale, ggf. über zugehörige Digitalisierer und Rechner, ebenfalls an die Regelvorrichtung weiter. Selbstverständlich können auch deren Normierer jeweils zugehörig unmittelbar dort an den Sensoren installiert sein.

An den gelenkten Hinterrädern (HR) befindet sich ein Lenkradstellungssensor (LSS), dessen Radwinkelsignal (RWS) in geeigneter Weise als Eingangssignal benutzt wird.

Hierbei hat sich als günstig erwiesen, das normierte Ortungssignal (NOS) und das Radstellwinkelsignal (RWS) einer zweidimensionalen Tabelle (TB) adressierend zuzuführen, die ein zweidimensionales Kennwertefeld enthält, welches geeignete Lenkstellgrößen (LSG) enthält. Diese Lenkstellgröße (LSG) wird jeweils in ein linkes bzw. rechtes Hydraulikstellsignal (SHL, SHR) umgesetzt und dem Links- bzw. Rechtssteuerventil (LV, RV) zugeführt.

Der Aufbau der Regelvorrichtung mittels eines digitalen Rechners ermöglicht die völlige Integration des Lenksystems in die übrige digitale Steuerung des Mähdreschers. Durch einfache Parametrisierung und durch eine Bedienung von der zentralen Bedienungskonsole der Erntemaschine werden die Parameter dem Prozessor vorgegeben; die Regelvorrichtung selbst ist in ihrer Grundstruktur völlig neutral. Auch die unterschiedlichsten Ortungssysteme lassen sich durch einfache Parametrisierung und Normierung der Signale anschließen, und es ist keine spezielle hardwaremäßige Auslegung der Regelvorrichtung hierfür erforderlich.

Figur 2 zeigt eine Aufsicht auf eine Ortungsvorrichtung (OV) mit zwei um einen Winkel (HW) von etwa 5° divergierenden Ortungsstrahlen (OST1, OST2), welche über das Mähwerk (MW) hinweg einerseits in das Getreidefeld (GF) und andererseits neben die Erntegutkante (GK) auf das Stoppelfeld fallen. Demgemäß ergibt sich jeweils ein zeitliches Echosignal (OS1, OS2), wie Fig. 2 zeigt, zu einem frühen Zeitpunkt und zu einem späten Zeitpunkt. Diese beiden Ortungssignale (OS1, OS2) werden durch eine Zeitfilterung getrennt und zeigen bei ihrem Vorhandensein das eine korrekte Ausrichtung des Mähwerkes (MW) zur Getreidekante (GK) in vorgegebenen Grenzen vorliegt.

Fig. 3 zeigt eine Verlagerung der Getreidekante (GK*) von der Mähwerkkante weg. Demgemäß treffen die beiden Strahlen (OST1, OST2) auf das Stoppelfeld auf und es entstehen zeitlich späte Ortungssignale (OS1*, OS2*) wie die Figur 3 zeigt. Aus der Seitenansicht Figur 2b ist zu erkennen, daß die Ortungsstrahlen (OST1, OST2) um einen Vertikalwinkel (VW) versetzt aus der Ortungsvorrichtung (OV) ausgesendet werden, wodurch die Ortungssignale (OS1*, OS2*) zwar zeitlich spät aber gegeneinander leicht versetzt auftreten.

Figur 4 zeigt einen weiteren Fall, in der die Getreidekante (GK2'') gegenüber der Solllage versetzt ist, so daß die beiden Ortungsstrahlen (OST1, OST2) in das Getreidefeld fallen. Dadurch und wegen des Vertikalversatzes (VW) der Strahlen entstehen zu einem frühen Zeitpunkt zwei leicht gegeneinader versetzte Echosignale (OS1'', OS2'') wie Figur 4a zeigt.

Figur 5 zeigt in einer zweiten Ausführung eine Seitenansicht des Mähwerkes (MW) des Mähdreschers (1) im Bereich der Getreidekante (GK) und des Ortungsstrahlbereiches (OST). Die zugehörige Ortungsvorrichtung (OV) ist auf einem Träger (OT) in eine Höhe (H) von etwa 1 m - 1,5 m über dem Boden im vorderen Bereich des Mähwerkes (MW) angeordnet. Die günstigste Höhe ist 200 mm - 400 mm über den Ähren. Der Ortungsstrahlbereich (OST) ist 15° - 25° gegen die Horizontale geneigt teils auf den Boden und teils auf die Getreidekante (GK) gerichtet, so daß er um einen Vorausabstand (VA) von 4 bis 6 m den Boden erfaßt. Der Raumwinkel (OW) des Ortungsstrahlbereichs, der erfaßt wird, beträgt etwa 8° für 50% des Signalanteils und etwa 16° für 90% des Signalanteils. Der am Boden erfaßte Bereich hat einen Durchmesser (D) von ca. 2 m.

Figur 5a läßt in der Aufsicht erkennen, daß die Strahlenkeule oder der Strahlenfächer bei korrekter Lage des Mähwerkes zur Getreidekante in einem Nahbereich zum Mähwerk auf das Getreide trifft und im Fernbereich zum anderen Teil auf das Stoppelfeld. Demgemäß ergeben sich zwei Echosignale (OSN, OSF) etwa gleicher, mittlerer Amlitude im zeitlich nahen und zeitlich entfernteren Bereich, wie Figur 5 zeigt.

Die Figuren 6 und 7 zeigen jeweils die Echosignale (OSN*, OSF*) bei den beiden verschiedenen von der Normalstellung abweichenden Lagen des Mähwerkes, die eine etwa doppelte Amplitude haben und allein, entweder zeitlich früh oder zeitlich spät, auf. Das Echo an dem Getreide ist u.U. stark strukturiert, wenn die Halme unterschiedliche Höhe aufweisen oder geknickt sind. Es empfiehlt sich deshalb, jeweils das frühe und das späte Echosignal zeitlich zu integrieren und so quasi den Flächeninhalt des Signales zur Auswertung zu bringen. Die Signale werden entweder zueiander ins Verhältnis gesetzt und der Quotient mit einem Vergleichswert, der i.a. Eins ist, verglichen, und das Ergebnis wird so normiert zur Regelung genutzt.

Es läßt sich auch allein eines der Echosignale (OSN, OSF), das frühe oder das späte, durch einen Vergleich mit einem vorgegebenen Wert, der etwa der Hälfte des vollen Wertes entspricht, der bei voll in den Getreidebestand bzw. voll auf das Stoppelfeld gerichteten Ortungsstrahl (OST) entsteht, als Normortungssignal (NOS) nutzen. Bei korrekter Ausrichtung des Mähwerkes zum Bestand hat das genormte Ortungssignal (NOS) zum Beispiel den Wert Null.