Vorrichtung an Landmaschinen zur berührungslosen Abtastung von sich über dem Boden erstreckenden Konturen |
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申请号 | EP05025272.5 | 申请日 | 1998-03-31 | 公开(公告)号 | EP1630574B1 | 公开(公告)日 | 2013-07-31 |
申请人 | CLAAS Selbstfahrende Erntemaschinen GmbH; | 发明人 | Diekhans, Norbert, Dr.; Huster, Jochen; | ||||
摘要 | |||||||
权利要求 | |||||||
说明书全文 | Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung an Landmaschinen zur berührungslosen Abtastung von sich über dem Boden erstreckenden Konturen. Eine derartige Vorrichtung ist aus dem Aufsatz " Die bekannte Abtastvorrichtung ist relativ teuer, da für die Abtastung mehrere Ultraschallsensoren notwendig sind. Darüber hinaus besteht ein wesentlicher Nachteil darin, daß der Abstand der Ultraschallsensoren zueinander auf der Befestigungsleiste einen Mindestabstand nicht unterschreiten darf, da es ansonsten zu einer störenden, gegenseitigen Beeinflussung der Ultraschallsensoren aufgrund der unzureichenden Fokussierung der Schallkeulen kommt. Dies beschränkt jedoch die horizontale Auflösung (Dichte der Meßpunkte) der Konturabtastung. Darüber hinaus darf auch der Abstand der Ultraschallsensoren über dem Boden bzw. über der abzutastenden Kontur nicht zu groß werden (nicht größer als ca. 1,2 m), da es wegen der relativ großen Divergenz der Schallkeulen ebenfalls zu einer störenden, gegenseitigen Beeinflussung der Ultraschallsensoren kommt. Eine derart niedrige Anbringungshöhe an der Landmaschine ist oftmals schon aus konstruktiven Gründen nur schwierig zu realisieren. Außerdem wird eine derart sperrige und in niedriger Höhe angebrachte Befestigungsleiste mit mehreren Ultraschallsensoren im Feldeinsatz sehr leicht beschädigt. Die Anbringungshöhe der Befestigungsleiste zu vergrößern ist jedoch nur möglich, wenn der Abstand der Ultraschallsensoren zueinander auf der Befestigungsleiste ebenfalls vergrößert wird, was wiederum eine geringere horizontale Auflösung (Quer zur Fahrtrichtung) der Schwad-Konturabtastung bedeutet. Der Versuch den Mindestabstand der Ultraschallsensoren zueinander dadurch zu verringern, daß diese nicht gleichzeitig arbeiten, sondern benachbarte Sensoren abwechselnd messen, erfordert eine aufwendige Ansteuerschaltung für die einzelnen Ultraschallsensoren. Für eine vorausschauende Konturabtastung wie sie beispielsweise für eine automatische Lenkung entlang der abgetasteten Schwadkontur notwendig wäre, müßte die Befestigungsleiste mit den Ultraschallsensoren in aufwendiger und umständlicher Weise an ein frontseitig an der Landmaschine angeordnetes und nach vorn verlängertes zusätzliches Haltegestänge montiert werden. Ein weiterer Nachteil der bekannten Abtastvorrichtung besteht darin, daß die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Erntegut-Abtastung mittels Ultraschall stark von der Art und Beschaffenheit des Erntegutes und von Witterungsbedingungen abhängt. Aufgabe der Erfindung ist es eine Vorrichtung an Landmaschinen zur berührungslosen Abtastung von sich über dem Boden erstreckenden Konturen zu schaffen, die die Nachteile der vorstehend beschriebenen Vorrichtung beseitigt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird zur berührungslosen Abtastung von sich über dem Boden erstreckenden Konturen eine an sich bekannte Laser-Entfernungsmessvorichtung bestehend aus einer Laserstrahlsende/-empfangseinrichtung verwendet, die aus der Laufzeitmessung eines ausgesandten und an einem Konturpunkt reflektierten Laser-Abtaststrahles die Entfernung zu diesem bestimmt. Die Laser-Abtaststrahlen sind nun in einem bestimmten Winkelbereich schrittweise oder stufenlos in einer Abtaststrahlen-Ebene verschwenkbar. Dabei ist die Laser-Entfernungsmessvorichtung so an der Landmaschine ausgerichtet angebracht ist, daß die Abtaststrahlen-Ebene in einem spitzen Winkel in Fahrtrichtung nach vorn zum Boden geneigt ist. Anhand einer Auswerteeinrichtung wird zu jedem Schwenkwinkel aus der gemessenen Entfernung, der Anordnung und Ausrichtung der Laser-Entfernungsmessvorichtung an der Landmaschine die zu dem Schwenkwinkel korrespondierende Lage des Konturpunktes ermittelt und wobei die Auswerteeinrichtung der Laser-Abtastvorrichtung ein Signal von einem an der Landmaschine angebrachten Neigungssensor zur Bestimmung der Schieflagen der Landmaschine empfängt und die jeweilige Schieflage bei der Konturbestimmung berücksichtigt. Die erfindungsgemäße Verwendung und Anordnung einer derartigen Laserentfernungsmeß-Vorrichtung hat gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Abtastvorrichtung mittels Ultraschallsensoren erhebliche Vorteile. Für die erfindungsgemäße Abtastvorrichtung ist nur eine Laserstrahlsende/-empfangseinrichtung notwendig, dadurch ist diese Abtastvorrichtung an Landmaschinen im Vergleich zur bekannten Ultraschall-Abtastvorrichtung mit mehreren Ultraschallsensoren wesentlich kostengünstiger. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt die Abtastung einer Kontur vor der Landmaschine an verschiedenen Punkten quer zur Fahrrichtung durch das Verschwenken des Laser-Abtaststrahles. Die Zahl der Abtastpunkte auf einer Abtastlinie ist dabei wesentlich größer als bei der vorbekannten Ultraschall-Abtastvorrichtung. So ergibt sich beispielsweise bei einem Schwenkwinkelbereich von ± 45° und einer Verschwenkung des Laser-Abtaststrahl in 0,5° Schritten eine Zahl von 180 Abtastpunkten. Aufgrund der geringen Divergenz des Laser-Abtaststrahles ist eine relativ hohe Auflösung (Dichte der Abtastpunkte) zu erzielen, da die Zentren benachbarter Abtastpunkte dicht beieinander liegen können, ohne daß die Abtastflecken auf der abzutastenden Kontur überlappen und eine eindeutige Zuordnung des Reflektionsortes nicht mehr möglich wäre. Eine gegenseitige Beeinflussung benachbarter Sensoren wie bei der vorbekannten Abtastvorrichtung entfällt, da die Entfernungen zu den Konturpunkten nacheinander ermittelt werden. Eine weit vorausschauende Abtastung, wie sie zum Beispiel für eine automatische Lenkung entlang einer abgetasteten Kontur notwendig ist, ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einfacher Weise zu realisieren. So ist beispielsweise bei einer Anbringungshöhe über dem Boden von 380 cm an der Landmaschine und einem Neigungswinkel (ϕ) zum Boden von 65° ein Abtastabstand vor der Landmaschine von ca. 8,15m zu erzielen. Aufgrund der geringen Divergenz des Laser-Abtaststrahles kommt es bei diesem relativ großen Abtastabstand nicht zu einer nicht akzeptierbaren Vergrößerung des Abtastfleckes wie im Fall der Ultraschallsensoren. Eine derart weit vorausschauende Konturabtastung ist mit der vorbekannten Ultraschall-Abtastvorrichtung nicht zu realisieren. Dies würde ein entsprechend langes Haltegestänge vor der Landmaschine zur Aufnahme der Befestigungsleiste für die Ultraschallsensoren erfordern, wodurch das ganze System vollkommen unpraktikabel würde. Die Reflexion des Laser-Abtaststrahles ist im Unterschied zu Ultraschall relativ unabhängig von der witterungsbedingten Beschaffenheit des abzutastenden Erntegutes, wodurch die Einsatzmöglichkeiten der Laser-Abtastvorrichtung erhöht werden. In einer Ausführungsform ist es vorgesehen, die Laserentfernungsmeß-Vorrichtung (LM) innerhalb der Fahrerkabine, hinter der Frontscheibe anzubringen. Staub auf der Scheibe kann aus den Signalen herausgefiltert werden und beeinträchtigt somit die Zuverlässigkeit der Abtastung nicht, die Scheibe selbst beeinträchtigt ebenfalls die Funktionstüchtigkeit nicht. Die erfindungsgemäße Abtastvorrichtung ist aufgrund der hohen Genauigkeit, Zuverlässigkeit und aufgrund der einfachen Bauweise und Handhabung für die verschiedensten Anwendungen einsetzbar. Auf die verschieden Anwendungsverfahren der erfindungsgemäßen Vorrichtung beziehen sich die Verfahrensansprüche. So ist es zum einen vorgesehen, während der Fahrt der Landmaschine fortlaufend entlang des zurückgelegten Weges, die Kontur über die Abtastbreite zu ermitteln und abzuspeichern. Hiermit kann die Kontur, von durch die Landmaschine aufzunehmenden Erntegutschwaden, sehr genau abgetastet und aufgezeichnet werden. An Hand der abgetasteten Kontur wird dann in einer Auswerteeinrichtung jeweils der Querschnitt des abgetasteten Erntegutschwades über der Bodengrundline ermittelt. Dabei kann der so bestimmte Schwadquerschnitt zur Einstellung der Fahrgeschwindigkeit der Landmaschine verwendet werden, wobei die Regelung beispielsweise auf konstante oder maximale Erntegutaufnahme eingestellt sein kann. Bei einem sich verkleinernden Schwadquerschnitt wird die Fahrgeschwindigkeit erhöht, so daß das pro Zeiteinheit aufgenommene Erntegut konstant ist. Wenn erntegutspezifische Dichteangaben vorliegen, so lassen sich diese ebenfalls mit dem ermittelten Schwadquerschnitt verknüpfen und in Verbindung mit einer ermittelten, überfahrenen Schwadstrecke, neben einer Volumenberechnung auch eine Gewichtsangabe, des während der Fahrt (online) aufgenommen Ernteguts, ermitteln. Darüber hinaus werden die so bestimmte schwadspezifischen Größen jeweils auch zur Einstellung von optimalen Arbeitsparametern der Erntemaschine verwendet. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, kann die innerhalb der Verschwenkzeit des Abtaststrahls ermittelte Vorfahrtstrecke der Landmaschine, mit in die Entfernungsmessung einbezogen werden. In besonders vorteilhafter Weise wird zur Entlastung des Landmaschinenführers die abgetastete Schwadkontur, vorzugsweise die Schwadmitte, über bekannte Mittel während der Schwadaufnahme zur automatischen Lenkung der Landmaschine eingesetzt. In Verbindung mit einem an der Landmaschine angeordneten Echtzeitortungssystem ist es möglich, über die gesamte Einsatzfläche und/oder über Teilflächenbereiche hinweg die abgetasteten Konturen jeweils terrestrischen Koordinaten (geographische Länge und Breite, ggf. Höhe über NN - bzw. kartesische Koordinaten (x,y) bezogen auf einen Punkt des Feldes) zuzuordnen. Dabei werden neben den schwadspezifischen Größen auch die Abstände zwischen benachbarten Schwaden ermittelt und aus diesen Flächendaten und/oder Ertragsdaten generiert. Diese werden dann zur weiteren Verwendung gespeichert. Unter Verwendung eines Sensors an der Landmaschine, der die Schieflagen der Landmaschine beispielsweise beim Einsatz am Hang, beim Fahren in Senken oder über Bodenwellen ermittelt, kann, in Verbindung mit einem an der Landmaschine angeordnetem GPS-Ortungssystem, durch die Abtastung der Bodenkontur, unter Berücksichtigung der Landmaschinen-Schieflagen und -Position, ein hochgenaues, dreidimensionales Geländemodell der landwirtschaftlichen Nutzfläche erstellt werden. Die Schieflagen der Erntemaschine können auch für eine einfache Korrektur der Abtastentfernung benutzt werden. Eine weitere Einsatzmöglichkeit der Laser-Abtastvorrichtung ist die Ermittlung des Abstandes einer Getreideährenoberfläche zur Erntemaschine. Dieses Signal wird zur Regelung der Schneidwerks-/ bzw. Haspelhöhe verwendet, wodurch eine erhebliche Entlastung des Fahrers erreicht wird. In diesem Einsatzfall können die ermittelten Abtastentfernungen weiter für die Ermittlung der tatsächlichen Schneidwerksauslastung herangezogen werden. Dafür werden die Schneidwerksgrenzen jeweils einem Schwenkwinkel der Laser-Abtastvorrichtung zugeordnet. Findet in diesem Schwenkbereich ein Kontursprung statt, so liegt an dieser Stelle eine Gutkante vor. Zwischen dieser ermittelten Gutkante und der von diesem am weitesten wegliegenden Schneidwerksgrenze läßt sich dann die Auslastung ermitteln. Sollten durch Lagerstellen im Bestand mehrere Gutkantensprünge vorliegen, werden die jeweils äußeren Gutkantensprünge oder ein äußerer Gutkantensprung und eine der definierten Schneidwerksgrenze zur Schneidwerksauslastungsermittlung herangezogen. Dieser Auslastungswert kann dann über bekannte Mittel aufgezeichnet und/oder zur genaueren Flächenberechnung verwendet werden. Eine weitere Einsatzmöglichkeit besteht in dem Abtasten von Fahrgassen, die durch vorhergehende Arbeitseinsätze (z.B. Saat und Ausbringen von Pflanzenschutzmitteln) in einem Erntegutbestand vorhanden sind, wobei anhand dieser abgetasteten Fahrgassen über bekannte Mittel eine automatische Lenkung der Erntemaschine durchgeführt wird. Eine weitere vorteilhafte Verwendung der Laser-Abtastvorrichtung ist das Abtasten von Bearbeitungsspuren. Damit kann bei der Bearbeitung eine Zugmaschine über bekannte Mittel automatisch, entlang einer abgetasteten Spur gelenkt werden. Besonders geeignet ist diese Vorrichtung zum Abtasten von Spuren/ bzw. Furchen, wie sie beim Flügen entstehen. Vorteilhaft erweist sich dabei insbesondere der weite Erfassungsbereich der Vorrichtung. Bei einer Bearbeitungsrichtungsumkehr muß die Laser-Abtastvorrichtung nicht mechanisch verschwenkt, sondern lediglich das Regelsignal mit einem veränderten Offset versehen der automatischen Lenkeinrichtung zugeführt werden. Hierzu können beispielsweise an einem Pflug vorhandene Sensoren die Stellung des Pflugrahmens ermitteln und der Auswerte-/ bzw. Lenkreglereinrichtung mitteilen. Der Offset kann weiter per Hand und/oder durch eine Schieflagenermittlung der Landmaschine beeinflußbar sein. In einer weiteren Ausgestaltung kann die Laser-Abtastvorrichtung bei Landmaschinen, die eine sich anschließende Bearbeitungsspur nur in der zuvor gewählten, gleichen Bearbeitungsrichtung zulassen (z.B.: Beetflug, Mähwerke), die Laser-Abtastvorrichtung direkt über der Fahrspur bzw. Bearbeitungskante an dem Bearbeitungsgerät oder dem Zugfahrzeug bzw. der Erntemaschine angebracht werden. Eine Umrechnung der ermittelten Spurposition oder ein Aufschalten eines Offsets kann dann entfallen. Anhand der beigefügten Zeichnungen soll die Erfindung näher veranschaulicht werden. Es zeigt:
In Zum besseren Verständnis ist in Zum besseren Verständnis zeigen die Dabei bedeutet:
In Um Meßwerte für eine orthogonal zur Fahrtrichtung liegende Kontur (E) im Abstand (S0), bei welcher der Mittelpunktsstrahl direkt zum Boden gemessen wird, zu erhalten, müssen die aus der Mittellage verschwenkten Abstandsmeßwerte LS(α≠0) umgerechnet werden. Die Umrechnungsformel lautet dafür: An den Stellen (3) und (4) wurden jeweils eine kürzere Abtastweite des Abtaststrahls ermittelt. An diese Stellen liegen Erhöhungen in der Kontur vor. Sie zeigen jeweils die Lage und den Querschnitt eines Schwades an. Der Schwad an der Stelle (3) liegt etwas seitlich von der Mitte der Erntemaschinenfahrtrichtung. Die Schwadmitte kann ermittelt und bezogen auf den Mittelpunktstrahl zur automatischen Lenkung einer Landmaschine verwendet werden. An der Stelle (4) wird ein weiterer Schwad dargestellt. Über die jeweils ermittelten Winkellagen der beiden Schwadmittelpunkte, kann der Abstand der Schwaden ermittelt und in Verbindung mit den schwadspezifischen Größen (Länge, Querschnittsfläche, Dicht) einer Ernteflächenermittlung bzw. einer Ertragskartierung zugeführt werden. In Ist beispielsweise durch eine Fahrgeschwindigkeit von v= 10km/h und einer Schwenkwinkelfrequenz 25Hz (Abtastfrequenz) ein Abtastabstand von ΔX=11,1 cm vorgegeben, so ergibt sich bei einem Neigungswinkel von ϕ=65° ein maximaler, abtastbarer Höhenunterschied von Δh=5,2cm. Ein derartiger Wert ist für die verfahrensgemäßen Anwendungen voll ausreichend. |