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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung der Bestandsdichte
von Pflanzen auf einem Feld, mit einem Sender, der eingerichtet
ist, elektromagnetische Wellen auf einen Pflanzenbestand abzustrahlen,
einem orts- und/oder winkelauflösend arbeitenden Empfänger,
der eingerichtet ist, von den Pflanzen des Pflanzenbestandes und/oder
vom Boden reflektierte Wellen zu empfangen, und einer Auswertungseinrichtung,
die eingerichtet ist, die Laufzeit der Wellen des Senders zum Empfänger
an unterschiedlichen Punkten entlang einer Messrichtung zu ermitteln
und ein entsprechendes Verfahren.
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Stand der Technik
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Bei
Erntemaschinen ist zu Zwecken einer selbsttätigen Einstellung
von Gutförder- und/oder Gutbearbeitungseinrichtungen eine
Messung des Gutdurchsatzes sinnvoll. Der Gutdurchsatz wird häufig
auch zu Zwecken der teilflächenspezifischen Bewirtschaftung
gemessen. Weiterhin kann anhand des gemessenen Gutdurchsatzes die
Vortriebsgeschwindigkeit der Erntemaschine auf einem Feld durch
eine entsprechende Steuerung derart eingestellt werden, dass ein
gewünschter Gutdurchsatz erreicht wird, der beispielsweise
einer optimalen Auslastung der Erntemaschine entspricht. Es ist üblich,
den Gutdurchsatz durch entsprechende Sensoren in der Erntemaschine
zu ermitteln. Da die Messung erst erfolgt, nachdem das Gut von der
Erntemaschine aufgenommen wurde, kann eine sprunghafte Änderung
des Gutdurchsatzes bei derartigen Sensoren nicht mehr durch eine
entsprechende Anpassung der Fahrgeschwindigkeit ausgeglichen werden,
was eine Unter- oder Überlastung von Gutbearbeitungseinrichtungen oder
sogar Verstopfungen zur Folge haben kann.
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Die
EP 0 887 660 A2 beschreibt
eine Erntemaschine, die mit einer Laser-Entfernungsmessvorrichtung
ausgestattet ist, welche an der Fahrerkabine befestigt ist und einen
einige Meter vor der Erntemaschine liegenden Bereich kontinuierlich
quer zur Vorwärtsrichtung abtastet. Anhand des Profils
vor der Erntemaschine vorhandenen Guts wird der Querschnitt eines
auf dem Boden liegenden Schwads evaluiert. Bei der Getreideernte
wird anhand eines Kontursprunges eine Bestandskante identifiziert.
Anhand der gemessenen Entfernungswerte wird die Höhe des
Getreidebestands ermittelt. Als nachteilig ist dabei anzusehen,
dass nur die äußeren Konturen des Schwads oder
Getreidefelds berücksichtigt werden. Ein relativ dichter
Bestand lässt sich durch die offenbarte Vorrichtung nicht
von einem dünnen Bestand mit derselben Höhe unterscheiden.
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In
der
EP 1 271 139 A2 wird
eine andere Einrichtung zur Erfassung der Menge auf einem Feld stehenden
Pflanzen beschrieben, die mittels eines Laserabstandssensors die
vor der Erntemaschine stehenden Pflanzen abtastet. Das Volumen des Pflanzenbestands
wird anhand der geometrischen Anordnung des Laserabstandssensors
und der Laufzeit der elektromagnetischen Wellen des Lasers bestimmt.
Als weitere Messgröße geht die Intensität
des von den Pflanzen reflektierten Lichts ein, die über
die Messbreite gemittelt wird. Diese Messung berücksichtigt
demnach das Reflexionsvermögen der Pflanzen, d. h. ihre
Farbe und ihren diese bestimmenden Reifegrad. Bei dünneren
Beständen wird der Unterschied zwischen dem Reflexionsvermögen
des Bodens und dem Reflexionsvermögen der Pflanzen erfasst.
Die Bestandsdichte wird demnach auf eine sehr indirekte und nicht
unbedingt genaue Weise erfasst.
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Aufgabe
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Die
der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird darin gesehen, eine
verbesserte Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung der Bestandsdichte von
Pflanzen auf einem Feld bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Lehre des
Patentanspruchs 1 gelöst, wobei in den weiteren Patentansprüchen
Merkmale aufgeführt sind, die die Lösung in vorteilhafter
Weise weiterentwickeln.
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Lösung
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Eine
Vorrichtung zur Erfassung der Bestandsdichte von Pflanzen auf einem
Feld umfasst einen Sender, der im Betrieb elektromagnetische Wellen
(insbesondere Laserstrahlen, beispielsweise im sichtbaren oder nahinfraroten
Bereich) auf einen Pflanzenbestand abstrahlt, einen orts- und/oder
winkelauflösend arbeitenden Empfänger, der von
den Pflanzen bzw. vom Erdboden reflektierte, ursprünglich
vom Sender kommende Wellen empfängt, und eine elektronische
Auswertungseinrichtung. Dabei können der Sender (oder seine
Wellen) und der Empfänger in an sich bekannter Weise (s.
EP 1 271 139 A2 )
gemeinsam schrittweise oder kontinuierlich über einen Messbereich
bewegt oder verschwenkt werden oder nur einer von ihnen. Der Auswertungseinrichtung
liegt eine Information vor, welchem Ort bzw. welchem Winkel ein
vom Empfänger erzeugtes Signal zuzuordnen ist. Die Pflanzen
können beispielsweise als stehender, abzuerntender Bestand
vorliegen oder als Schwad auf dem Boden liegen.
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Die
Auswertungseinrichtung ermittelt die Laufzeit der vom Sender bis
zum Empfänger gelangenden Wellen, die aufgrund der bekannten,
festen Lichtgeschwindigkeit eine Information über den Abstand
des Reflexionspunkts vom Sender und Empfänger enthält.
Derartige Abstandswerte werden für unterschiedliche Punkte
ermittelt, die nebeneinander entlang einer Messrichtung liegen,
d. h. zur weiteren Auswertung in einem Speicher abgelegt. Die Messrichtung
erstreckt sich in der Regel quer zu einer Vorwärtsbewegungsrichtung
der Vorrichtung und zumindest näherungsweise parallel zum
Boden.
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In
der Auswertungseinrichtung ist demnach ein zumindest eindimensionales,
so genanntes Entfernungsbild vorhanden, das die erfassten Abstände der
Reflexionspunkte in der Messrichtung orts- oder winkelaufgelöst
enthält. Auf einem Feld liegende oder stehende Pflanzen
befinden sich näher an der Vorrichtung als der Boden. Falls
nun der Pflanzenbestand relativ dicht ist, werden die Wellen aufgrund
der großen Dichte des Pflanzenbestandes fast oder nur von
den Pflanzen reflektiert. Die Laufzeiten der Wellen in der Messrichtung
sind dann demnach relativ homogen, d. h. sie variieren nur geringfügig.
Falls der Pflanzenbestand hingegen relativ dünn ist, dringt
ein gewisser Anteil der Wellen bis zum Erdboden hin durch und wird
durch diesen reflektiert. Andere Wellen werden hingegen durch mehr
oder weniger weit vom Sender und Empfänger beabstandet
stehende Pflanzen reflektiert. Es gibt dann – aufgrund
der Lücken im Pflanzenbestand – demnach eine größere Variation
in den Laufzeiten der Wellen in der Messrichtung. Die Auswertungseinrichtung
bestimmt somit die Bestandsdichte des Pflanzenbestandes anhand der
Variation (d. h. der Unterschiede bzw. dem Streuungsmaß)
der Laufzeiten der erfassten Signale in der Messrichtung. Dabei
kann insbesondere die Standardabweichung der Laufzeiten erfasst
werden, obwohl auch beliebige andere statistische Größen erfassbar
sind, wie eine mittlere absolute Abweichung oder eine Spannweite
(größter Unterschied zwischen den Laufzeiten bzw.
Abständen) oder den Betrag der Quantile (z. B. 95% Percentil).
Der Zusammenhang zwischen der Variation der Laufzeiten und der Pflanzendichte
kann für unterschiedliche Pflanzenarten unterschiedlich
sein. Zur Berechnung der Pflanzendichte basierend auf der Variation
der Laufzeiten können deshalb Kalibriertabellen, Formeln
oder dergleichen verwendet werden, die auf zuvor durchgeführten
Feldversuchen beruhen.
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Auf
diese Weise wird eine relativ genaue Erfassung der Bestandsdichte
des Pflanzenbestandes ermöglicht.
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Im
Rahmen des erfindungsgemäßen Gedankens wird unter
Bestandsdichte jegliche Information verstanden, aus der eine Angabe über
die Bestandsdichte der auf einer Flächeneinheit stehenden
Pflanzen ableitbar ist. Die Dichte kann somit in Kubikmetern des
Pflanzenvolumens je Quadratmeter des Felds gemessen werden, obwohl
auch andere Maßeinheiten denkbar sind. Es ist beliebig,
ob die Bestandsdichte explizit ausgerechnet und in irgendeiner Form
ausgegeben, als Zwischenschritt in einer weiteren Berechnung verwendet
wird oder in eine Berechnung einer von der Bestandsdichte direkt
oder indirekt abhängigen Größe eingeht.
So kann aus den Signalen des Empfängers bei bekannter Breite
einer Erntegutaufnahmeeinrichtung und bekannter Vortriebsgeschwindigkeit
einer Erntemaschine unter Berücksichtigung des mittels
der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfassbaren
Volumens des Pflanzenbestandes ein (zu erwartender) Volumendurchsatz
bestimmt werden.
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Wie
bereits erwähnt, ist die Auswertungseinrichtung eingerichtet,
die Entfernung eines Punktes, dem das jeweilige Ausgangssignal des
Empfängers zuzuordnen ist, vom Empfänger bzw.
Sender zu ermitteln. Durch Abtasten oder Abrastern eines vor einer
Erntemaschine liegenden Bereichs kann unter Berücksichtigung
der geometrischen Anordnung des Senders und Empfängers
der Vorrichtung ein Profil des Pflanzenbestandes ermittelt werden.
In der Auswertungseinrichtung kann somit eine Information über
die Breite und/oder die Höhe des Pflanzenbestandes generiert
werden, die in Verbindung mit der gemessenen Bestandsdichte der
von den Pflanzen reflektierten Wellen eine präzise Bestimmung
des Pflanzenvolumens ermöglicht.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung teilt die
Auswertungseinrichtung die Messrichtung in mehrere Teilbereiche
auf und bestimmt für diese Teilbereiche die Bestandsdichten
separat. Dadurch lässt sich eine größere
Genauigkeit erzielen als bei einer Mittlung der Bestandsdichten über
die gesamte Messrichtung. Die Grenzen der Teilbereiche können
fest vorgegeben sein oder sie werden erst anhand der erfassten Laufzeiten
definiert, wobei Bereiche entlang der Messrichtung mit homogenen Laufzeiten
und/oder Variationen zu einem Teilbereich zusammengefasst werden,
für den die Bestandsdichte separat ermittelt werden. Die
Anzahl der Teilbereiche ist beliebig; eine mögliche Anzahl
könnte zwischen 15 und 30 liegen.
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Auch
die Feuchtigkeit der Pflanzen kann durch einen geeigneten, an sich
bekannten Sensor erfasst werden, dessen Ausgangssignale der Auswertungseinrichtung
zugeführt werden. Der Sensor kann in der Erntemaschine
angeordnet sein und die Feuchtigkeit bereits geernteter Pflanzen
erfassen. Denkbar ist auch die Verwendung eines berührungslos
wirkenden Sensors, der beispielsweise mit Infrarotwellen arbeitet
und die Feuchtigkeit der Pflanzen vor dem Erntevorgang erfasst.
Die Feuchtigkeit enthält eine Information über
die Dichte des Pflanzenbestandes, d. h. ihre Masse je Volumeneinheit
der Pflanzen. Anhand der Messwerte hinsichtlich des Pflanzenvolumens
und der Feuchtigkeit kann somit die Massendichte (in Einheiten von
Pflanzenmasse je Flächeneinheit) der Pflanzen bestimmt
werden. Bei bekannter Breite einer Erntegutaufnahmeeinrichtung und
Vortriebsgeschwindigkeit kann demnach auch der zu erwartende Massendurchsatz
bestimmt werden.
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Staub
in der Luft und auf den Pflanzen sind Störgrößen,
deren Einfluss durch Vergleich mit in der Erntemaschine gemessenen
Gutdurchsätzen überwiegend eliminiert werden kann.
Daher ist bevorzugt, die Auswertungseinrichtung mit einem zusätzlichen Gutdurchsatzsensor
zu verbinden, der den Gutdurchsatz in der Erntemaschine misst. Derartige
Gutdurchsatzsensoren sind bereits hinlänglich bekannt; so
kommen beispielsweise Sensoren in Frage, die das Antriebsmoment
oder den Schlupf an der Dreschtrommel oder am Strohhäcksler
messen. Auch Taster am Schrägförderer, Prallbleche
im Körnerelevator, Mikrowellensensoren im Gutflussbereich oder
den Abstand zwischen Vorpresswalzen messende Sensoren sind verwendbar.
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Die
aus den Messwerten des Empfängers abgeleiteten Gutdurchsätze
und die vom Gutdurchsatzsensor gemessenen Gutdurchsätze
können verglichen werden. Bei einer Abweichung zwischen
den Messwerten für den Gutdurchsatz kann eine Fehlermeldung
abgegeben werden, die der Bediener zum Anlass nehmen kann, den Sender
und/oder den Empfänger zu reinigen. Das Gut, dem das vom
Empfänger gemessene Signal entspricht, kommt in der Regel
erst zeitverzögert mit dem Gutdurchsatzsensor in der Erntemaschine
in Wechselwirkung. Daher ist es angebracht, die Zeitverzögerung
zwischen den beiden Messungen in der Auswertungseinrichtung zu berücksichtigen.
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Denkbar
ist auch, den Messwert des Gutdurchsatzsensors zur Kalibrierung
des aus den Signalen des Empfängers berechneten Mengenwerts
zu nutzen. Dabei ist eine Kalibrierung möglich, bei der ein
mathematischer Zusammenhang beispielsweise in Form einer Korrekturtabelle
oder -kurve zwischen dem aus dem Messwert des Empfängers
ermittelten Mengenwert und dem Messwert des Gutdurchsatzsensors
ermittelt wird. Dabei kann der Zusammenhang nach einem bestimmten
Zeitablauf völlig neu ermittelt werden, was den momentanen
Bedingungen (z. B. optische Eigenschaften der Pflanzen, wie sie
durch Wetterbedingungen, Tageszeit, Feuchtigkeit, Pflanzensorte,
Bodenart und -zustand usw. bedingt sind, sowie Zustand von Sender
und Empfänger) am besten Rechnung trägt, obwohl auch
eine Berücksichtigung der Historie, d. h. Ermittlung des Zusammenhangs über
einen langen Zeitraum, beispielsweise nach Art eines Expertensystems,
möglich ist, wobei der Auswertungseinrichtung zweckmäßigerweise
zumindest eine Information über die Art der Pflanzen vorliegen
kann. Der aus den Signalen des Empfängers generierte Mengenwert
wird anhand des ermittelten Zusammenhangs umgerechnet, um einen
korrigierten Wert zu erhalten. Zur Ermittlung des Zusammenhangs
zwischen den Signalen des Empfängers und der Pflanzendichte
(bzw. des Mengenwerts) kann ein neuronales Netzwerk verwendet werden.
Bei der Messung und/oder Kalibrierung nach den beschriebenen Verfahren
kann auch die Schnitthöhe des Schneidwerkes zu berücksichtigt
werden, die durch Sensoren am Schneidwerk selbst oder durch den
Winkel des Schrägförderers gemessen wird. Die
Schnitthöhe beeinflusst die Menge des aufgenommenen Strohs,
nicht aber des Korns. Werden Gutdurchsatz-Sensoren verwendet, die
nur den Korndurchsatz messen, ist diese Korrektur empfehlenswert.
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Die
Auswertungseinrichtung ist, wie oben dargelegt, zur Erkennung von
Bestandsgrenzen geeignet. Sie kann somit mit einer Lenkeinrichtung
verbunden sein und eine Erntemaschine selbsttätig entlang
einer Bestandskante führen.
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Anhand
der vorausschauend gemessenen Bestandsdichte kann bei bekannter
Breite der Gutaufnahmeeinrichtung die zu erwartende Auslastung der
Erntemaschine und/oder die zu einer erwünschten Auslastung
führende Vortriebsgeschwindigkeit bestimmt werden. Die
Messung erfolgt zweckmäßigerweise im Abstand vor
einer Erntemaschine, so dass bei Pflanzenbestandsdichtenänderungen
eine rechtzeitige Anpassung der Vortriebsgeschwindigkeit möglich
wird. Dies erhöht den Fahrkomfort und vermeidet kritische
Situationen, in denen die Maschine zum Stopfen neigt. Auch können
die Förder- und Trennprozesse in einer Erntemaschine rechtzeitig
an die kommenden Durchsätze angepasst werden, so dass sich
das Ernteergebnis verbessert. Besonderes Augenmerk liegt auf der
Vermeidung von Verstopfungen durch übermäßigen
Gutdurchsatz. Die von der Auswertungseinrichtung bereitgestellten
Mengenwerte können somit zur Einstellung der Geschwindigkeit
einer Gutfördereinrichtung (beispielsweise eines Schrägförderers)
oder von Parametern von Gutbearbeitungseinrichtungen (z. b. Dreschtrommelspalt, Dreschtrommeldrehzahl)
dienen. Auch zur georeferenzierten Erfassung der Erntegutmengen
zu Zwecken der teilflächenspeziflschen Bewirtschaftung können
die Mengenwerte dienen.
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Weiterhin
enthalten die Ausgangssignale der Auswertungseinrichtung Informationen über
die Höhe des Bestands, die zur selbsttätigen Einstellung einer
Erntegutaufnahmeeinrichtung verwendet werden können, bei
einem Schneidwerk beispielsweise der Haspelhöhe, -geschwindigkeit
und/oder -position in Vorwärtsrichtung. Auch liegende Pflanzen
(Lagergetreide) können auf diese Weise erkannt werden,
so dass die Erntegutaufnahmeeinrichtung wie erwähnt entsprechend
verstellt werden kann, um diese Pflanzen optimal aufnehmen zu können.
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Außerdem
ist aus den Ausgangssignalen der Auswertungseinrichtung ableitbar,
ob vor der Erntegutaufnahmeeinrchtung der Erntemaschine ein bereits
abgeernteter Bestand (Stoppelfeld o. ä.) vorliegt oder
sich dort noch Pflanzen befinden. Diese Information kann zur genauen
Erfassung der abgeernteten Fläche (Hektarzähler)
herangezogen werden, da eine Doppel- oder Mehrfachzählung
von in einem vorigen Bearbeitungsgang bereits abgeernteten Teilflächen
vor der Erntegutaufnahmeeinrichtung vermieden wird.
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Die
Auswertungseinrichtung kann anhand einer auf der Unterscheidung
zwischen abgeerntetem und nicht abgeerntetem Bestand durchgeführten
Erkennung eines Feldendes oder Vorgewendes die Geschwindigkeitseinstelleinrichtung
veranlassen, die Erntemaschine am Vorgewende oder Feldende abzubremsen
und erst nach Wiedereinfahren in den nicht abgeernteten Bestand
wieder zu beschleunigen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung kann insbesondere
an selbstfahrenden oder von einem Fahrzeug gezogenen oder daran
angebauten Erntemaschinen Verwendung finden, beispielsweise Mähdreschern,
Ballenpressen oder Feldhäckslern.
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Ausführungsbeispiel
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In
den Zeichnungen ist ein nachfolgend näher beschriebenes
Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt:
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1 eine
Seitenansicht einer Erntemaschine mit einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Messung der Menge von auf einem Feld stehenden Pflanzen;
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2 ein
Blockdiagramm der Vorrichtung;
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3 ein
Diagramm, das von einem Empfänger gemessene Entfernungen
bei einem relativ dichten Pflanzenbestand schematisch wiedergibt;
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4 ein
Diagramm, das von einem Empfänger gemessene Entfernungen
bei einem relativ dünnen Pflanzenbestand schematisch wiedergibt;
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5 ein
Diagramm, das von einem Empfänger gemessene Entfernungen
bei einem entlang der Messrichtung variierenden Pflanzenbestand schematisch
wiedergibt und
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6 ein
Flussdiagramm, nach dem die Vorrichtung arbeitet.
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Eine
in 1 gezeigte Erntemaschine 10 in der Form
eines Mähdreschers ist auf vorderen angetriebenen und rückwärtigen
lenkbaren Rädern 12 bzw. 14 getragen
und weist eine Fahrerkabine 16 auf, von der aus sie von
einem Fahrer bedient werden kann. An die Fahrerkabine 16 schließt
sich rückwärtig ein Korntank 18 an, der
in ihn abgegebenes Gut über ein Entleerrohr 20 nach
außen abgeben kann. Der Korntank 18 lagert auf
einem Rahmen 22, in dem zugeführtes Gut auf dem
Weg über eine Dreschtrommel 24, einen Dreschkorb 26 und
eine Wendetrommel 28 in seine großen und kleinen
Bestandteile zerlegt wird. Auf daran anschließenden Schüttlern 30, sowie
auf einem Vorbereitungsboden 32 und Sieben 34 wird
eine weitere Trennung des geernteten Guts durchgeführt,
wobei schließlich der ausgedroschene Gutanteil in den Korntank 18 gefördert
wird, die großen Erntegutteile über die Schüttler 30 auf
den Boden abgelegt werden und leichte Bestandteile mittels eines
Gebläses 36 von den Sieben 34 ebenfalls
auf den Boden geblasen werden. Auf dem Boden liegendes oder stehendes
Gut wird über einen Schrägförderer 38 und
eine Steinfangmulde 40 der Dreschtrommel 24 zugeführt,
nachdem es von einer nicht gezeigten Erntegutbergungsvorrichtung
vom Boden aufgenommen worden ist.
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An
der Vorderseite der Fahrerkabine 16 ist eine Laser-Messeinrichtung 42 angeordnet,
die mit einer Auswertungseinrichtung 44 verbunden ist. Letztere
ist weiterhin mit einem im Schrägförderer 38 angeordneten
Gutdurchsatzsensor 48 verbunden, der eingerichtet ist,
die Dicke der im Schrägförderer 38 in
die Erntemaschine 10 eingezogenen Gutmatte zu messen. Ein
Geschwindigkeitssensor 49 erfasst die Fördergeschwindigkeit
des Schrägförderers 38. Stromab der Dreschtrommel 24 ist
ein Feuchtigkeitssensor 50 angeordnet, der mit der Auswertungseinrichtung 44 verbunden
und eingerichtet ist, in an sich bekannter Weise mit Infrarotstrahlen
die Feuchtigkeit der aufgenommenen Pflanzen zu messen. Die Auswertungseinrichtung 44 ist
weiterhin mit einem Antrieb 46 der Dreschtrommel 24 und
einer Geschwindigkeitsvorgabeeinrichtung 64 (beispielsweise
eine Verstelleinrichtung für eine Taumelscheibe einer Hydraulikpumpe,
die hydraulikflüssigkeitsleitend mit einem Hydraulikmotor
verbunden ist, der die Räder 12 antreibt) verbunden,
der zur Einstellung der Vortriebs geschwindigkeit der Erntemaschine 10 eingerichtet
ist.
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Anhand
der 2 ist erkennbar, dass die Laser-Messeinrichtung 42,
die Auswertungseinrichtung 44, der Antrieb 46,
der Gutdurchsatzsensor 48, der Geschwindigkeitssensor 49,
der Feuchtigkeitssensor 50 und die Geschwindigkeitsvorgabeeinrichtung 64 durch
einen Bus 52 verbunden sind. Dabei kann es sich um einen
CAN- oder LBS-Bus oder ein Nachfolgesystem handeln.
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Die
Laser-Messeinrichtung 42 umfasst eine Steuerung 43,
die mit einem Sender 56, einem Empfänger 58 und
einem Schwenkmotor 54 verbunden ist. Der Sender 56 und
der Empfänger 58 sind auf einem Schwenktisch 60 angeordnet,
der durch den Schwenkmotor 54 um eine leicht nach vom geneigte, etwa
vertikale Achse 57 (s. 1) in einem
Winkelbereich, der beispielsweise 100° oder 180° umfassen könnte,
hin- und her schwenkbar ist. Die vom Sender 56 abgestrahlten
elektromagnetischen (Licht-)Wellen, die im sichtbaren Bereich oder
darüber oder darunter liegen können, erreichen
den Erdboden im Abstand von einigen Metern (beispielsweise 10 m)
in der Fahrtrichtung der Erntemaschine 10 vor der Erntegutbergungsvorrichtung.
Der Empfänger 58 erfasst die vom Sender 56 abgestrahlten
Wellen, die vom Erdboden oder gegebenenfalls darauf stehenden Pflanzen 62 oder
anderen Gegenständen reflektiert werden. Da die vom Sender 56 abgestrahlten
Wellen amplitudenmoduliert sind, ist über eine Laufzeitmessung
eine Erfassung des Abstands zwischen der Laser-Messeinrichtung 42 und
dem Punkt, an dem die Wellen reflektiert wurden, möglich.
Der Empfänger 58 stellt ein Ausgangssignal bereit,
das eine Information über die Laufzeit der Welle vom Sender 56 zum Empfänger 58 beinhaltet.
Der Schwenkmotor 54 ist ein Servo- oder Schrittmotor und
verschwenkt den Schwenktisch 60 kontinuierlich um einen
Winkelbereich von beispielsweise 30° um die Achse 57 hin
und her. Die Steuerung 43 ist eingerichtet, für
jeden Schwenkwinkel des Schwenktischs 60 den jeweiligen
Winkel um die Achse 57 und die Laufzeit der Welle bzw.
den Abstand des Empfängers 58 und Senders 56 vom
Reflexionspunkt zu erfassen. Anschließend wird der Schwenkmotor 54 aktiviert
und der Schwenktisch 60 in eine andere Stellung verbracht.
Der Steuerung 43 liegt eine Information über den
jeweiligen Winkel des Schwenktischs 60 vor, da sie den
Schwenkmotor 54 steuert. Denkbar wäre auch ein
separater Sensor zur Erfassung des Schwenkwinkels, wobei der Servo-
oder Schrittmotor durch einen beliebigen Motor ersetzt werden kann. Auch
eine Laser-Messeinrichtung 42 mit einem rotierenden Spiegel
ist verwendbar. Der Winkel des Schwenktischs 60 um die
Achse 57 definiert eine Messrichtung, entlang der die Laufzeiten
der Wellen des Senders 56 zum Empfänger 58 ermittelt
werden. Sie erstreckt sich horizontal und kreisbogenförmig quer
zur Vorwärtsrichtung der Erntemaschine 10.
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In
den 3 bis 5 sind Beispiele für Messwerte
des Empfängers 58 wiedergegeben. Bei negativen
Winkeln, d. h. bei links von der Fahrtrichtung liegendem Erfassungsbereich
der Laser-Messeinrichtung 42 ist der in 3 auf
der Y-Achse aufgetragene gemessene Abstand d zunächst näherungsweise
konstant und relativ groß, da der Laserstrahl mit dem Erdboden
zusammenwirkt, der in Vorwärtsrichtung der Erntemaschine 10 links
neben der Schnittkante des stehenden Pflanzenbestandes liegt. Ab
einem Winkel von etwa –40° sinkt der Abstand d an
der dort befindlichen Schnittkante in einer Stufe auf einen ebenfalls
konstanten, aber geringeren Wert ab. Dieser Abstand ist über
den nach rechts folgenden Winkelbereich näherungsweise
konstant, was daran liegt, dass der Laserstrahl im Wesentlichen
nur mit dem Pflanzenbestand vor der Erntemaschine 10 zusammenwirkt.
Da der Pflanzenbestand in der Situation nach 3 relativ
dicht ist, dringen die Wellen der Laser-Messeinrichtung 42 nicht
oder fast nicht bis auf den Erdboden vor, sondern werden von den Oberseiten
der Pflanzen reflektiert, wobei sich Variationen der Abstandswerte
ergeben, die in der Größenordnung von einigen
10 cm liegen können.
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In
der 4 ist eine analoge Messkurve wie in der 3 dargestellt,
jedoch bei relativ geringer Pflanzendichte. Bei negativen Winkeln,
d. h. bei links von der Fahrtrichtung liegendem Erfassungsbereich der
Laser-Messeinrichtung 42 ist der in 4 auf der Y-Achse
aufgetragene gemessene Abstand d zunächst näherungsweise
konstant und relativ groß, da der Laserstrahl mit dem Erdboden
zusammenwirkt, der in Vorwärtsrichtung der Erntemaschine 10 links neben
der Schnittkante des stehenden Pflanzenbestandes liegt. Ab einem
Winkel von etwa –40° sinkt der Abstand d an der
dort befindlichen Schnittkante in einer Stufe auf einen Abstand
ab, der nunmehr kontinuierlich zwischen dem zuvor gemessenen Abstand und
dem in der Situation nach 3 bei den
entsprechenden Winkeln gemessenen Wert variiert. Dieser Abstand
variiert fortlaufend über den nach rechts folgenden Winkelbereich,
was daran liegt, dass der Laserstrahl abwechselnd mit Pflanzen zusammenwirkt, die
unmittelbar vor der Erntemaschine 10 stehen, in Lücken
dazwischen mit weiter hinten stehenden Pflanzen und in deren Lücken
gelegentlich mit dem Erdboden zusammenwirkt. Da der Pflanzenbestand in
der Situation nach 3 relativ dünn ist,
werden die Wellen der Laser-Messeinrichtung 42 in sehr stark
variierenden Abständen reflektiert, wobei sich Variationen
der Abstandswerte ergeben, die in der Größenordnung
von 1 m oder darüber liegen können.
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Diese
unterschiedlichen, von der Bestandsdichte abhängigen Variationen
der Abstände werden von der Auswertungseinrichtung 44 evaluiert
und zur Bestimmung der Bestandsdichte herangezogen.
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Die 5 zeigt
eine Messkurve, bei der entlang der Messrichtung, die dem Winkel α entspricht, relativ
stark abweichende Abstandsmesswerte verzeichnet werden. In einem
ersten, links liegenden Teilbereich A wirkt der Laserstrahl mit
dem Erdboden bzw. den dort verbliebenen Stoppeln zusammen, analog
der Situation in den 3 und 4. Es schließt
sich nach rechts (steigende Winkel α) ein Teilbereich B
mit relativ dichtem Bestand an, auf den ein Teilbereich C mit sukzessive
steigendem Abstand folgt, was durch schräg nach rechts
geneigte Pflanzen bedingt sein kann. Es schließt sich ein
Teilbereich D mit etwa gleichem, aber größeren
Abstand an, der durch liegende Pflanzen (Lagergetreide) bedingt
ist. Es folgt nach rechts ein Teilbereich E mit stärker
variierenden Abständen, bedingt durch einen relativ dünnen
Pflanzenbestand, auf den ein ähnliche Teilbereiche F und
G folgen. Der Teilbereich F umfasst noch einen kleineren, dünneren
Teil. In der 5 sind die Mittelwerte und die
Standardabweichungen der Abstände für die einzelnen
Teilbereiche mit eingetragen.
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In
der 6 ist ein Flussdiagramm dargestellt, nach dem
die Auswertungseinrichtung 44 arbeitet. Nach dem Start
in Schritt 100 wird in Schritt 102 die Steuerung 43 veranlasst,
den Schwenkmotor 54 in Betrieb zu setzen, so dass die Laser-Messeinrichtung 42 stufenweise
einen bestimmten Winkelbereich vor der Erntemaschine 10 überstreicht.
Dabei werden die jeweiligen Schwenkwinkel und Abstandsmesswerte
abgespeichert und in Schnitt 104 an die Auswertungseinrichtung 44 übertragen.
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In
Schritt
106 wird anhand der Messwerte die Bestandsdichte
und das Volumen der auf dem Feld stehenden Pflanzen
62 berechnet.
Dabei wird zunächst aus den Abstandsmesswerten die Kontur
der Pflanzen
62 ermittelt, d. h. unter Berücksichtigung der
Geometrie der gesamten Messanordnung einschließlich ihrer
Anbringung an der Erntemaschine
10 wird die vertikale Querschnittsfläche
(d. h. die Kontur) der stehenden Front der Pflanzen
62 ermittelt.
Diese Berechnung kann wie in der
DE 197 43 884 A1 und
EP 0 887 660 A2 beschrieben
erfolgen, deren Offenbarungen durch Bezugnahme hierin mit aufgenommen
werden.
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Anhand
der Abstandsmesswerte und Winkel für den stehenden Bestand
(in der Figuren die Winkelbereiche von etwa –50° bis
+50°) erfolgt im Schritt 108 eine Ermittlung der
Bestandsdichte der Pflanzen, indem die Standardabweichung der Abstandsmesswerte
errechnet und mittels einer geeigneten, durch Versuche ermittelten
Kalibriertabelle in eine Bestandsdichte umgerechnet wird. Das Volumen
der Pflanzen 62 lässt sich dann aus der Breite
und Höhe bzw. Querschnittsfläche und der Bestandsdichte
der Pflanzen (durch Multiplikation der Fläche mit der Bestandsdichte)
ermitteln.
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Um
möglichst genaue Messwerte zu erzielen, bestimmt die Auswertungseinrichtung 44 vorzugsweise
die Variationen (hier: Standardabweichungen) für die einzelnen
Teilbereiche A bis G gemäß 5 getrennt
voneinander. Die Grenzen der Teilbereiche A bis G können
festliegen oder durch die Auswertungseinrichtung anhand von Sprüngen
oder anderen Änderungen (insbesondere der Variationen) in
den Messkurven selbsttätig bestimmt werden. Die für
die einzelnen Teilbereiche A bis G ermittelten Variationen der Abstände
können separat in Bestandsdichten umgerechnet werden. Auch
die Konturen der einzelnen Teilbereiche A bis G werden zweckmäßigerweise
separat evaluiert und mit den zugehörigen ermittelten Bestandsdichten
multipliziert, um die Volumina der Pflanzen in den Teilbereichen
zu bestimmen, die schließlich addiert werden, um das Gesamtvolumen
innerhalb der Schnittbreite der Erntemaschine 10 zu bestimmen.
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Das
einem Durchlauf der Laser-Messeinrichtung 42 über
den Winkelbereich zuzuordnende Volumen wird im Schritt 110 abgespeichert,
wobei eine Information über den Zeitpunkt und/oder die
Position, an dem die Messung erfolgte, mit abgespeichert wird. Der
Zeitpunkt kann mit einer entsprechenden Uhr ermittelt werden, die
Position mit einem Positionsbestimmungssystem wie GPS, wozu eine
Antenne 120 vorgesehen ist.
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Im
Schritt 112 wird der Volumendurchsatz in der Erntemaschine 10 mit
dem Gutdurchsatzsensor 48 und dem Geschwindigkeitssensor 49 gemessen. Der
Volumendurchsatz hängt von der bekannten Breite des Schrägförderers 38,
der mit dem Gutdurchsatzsensor 48 gemessenen Dicke der
Gutmatte und der Fördergeschwindigkeit des Schrägförderers 38 ab,
die mit dem Geschwindigkeitssensor 49 gemessen wird. Aus
den Messwerten der genannten Sensoren wird der Volumendurchsatz
(Volumen pro Zeiteinheit) bestimmt.
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In
Schritt 114 wird der in Schritt 112 bestimmte
Volumendurchsatz in der Erntemaschine mit einem theoretischen Durchsatz
verglichen. Der theoretische Durchsatz wird anhand der in Schritt 110 abgespeicherten
Menge und der Vortriebsgeschwindigkeit der Erntemaschine 10 berechnet,
wobei die abgespeicherten Werte verwendet werden, die dem Zeitpunkt
bzw. der Position entsprechen, an der die Pflanzen 62 stehen,
deren Durchsatz in Schritt 112 in der Erntemaschine gemessen
wurde. Falls der Vergleich in Schritt 114 keine (zumindest
näherungsweise) Übereinstimmung der beiden Werte
ergibt, folgt Schritt 116, in dem eine Fehlermeldung abgegeben wird.
Anhand der Fehlermeldung kann die Bedienungsperson erkennen, dass
eine Überprüfung der Laser-Messeinrichtung 42 erforderlich
ist. Auch ist dann eine manuelle Einstellung der Vortriebsgeschwindigkeit
und der übrigen Parameter sinnvoll, die ansonsten automatisch
eingestellt werden können.
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Stimmen
die Werte überein, folgt Schritt 118, in dem die
Auswertungseinrichtung 44 anhand der in Schritt 110 abgespeicherten
Mengenwerte über die Geschwindigkeitsvorgabeeinrichtung 64 die
Vortriebsgeschwindigkeit der Erntemaschine 10 auf einen
Wert einstellt, der einer optimalen Auslastung der Erntemaschine 10 entspricht.
Dabei wird der Zeitraum berücksichtigt, bis die Erntemaschine 10 die Stelle
erreicht, an der die Pflanzen 62 stehen, die einem gemessenen
Mengenwert entsprechen. Außerdem wird die durch die Auswertungseinrichtung 44 über
den Antrieb 46 die Dreschtrommeldrehzahl auf einen von
der in Schritt 110 gemessenen Menge und der mit dem Feuchtigkeitssensor 50 gemessenen Feuchtigkeit
abhängigen Wert eingestellt.
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Auf
Schritt 118 folgt wieder Schritt 102. Auf diese
Weise wird kontinuierlich eine Reihe von Messwerten der Bestandsdichte
und des Pflanzenvolumens erzeugt, die unter Berücksichtigung
der Vortriebsgeschwindigkeit der Erntemaschine zeitverzögert
zur Vortriebsgeschwindigkeitssteuerung und optional zur Einstellung
von Parametern der Drescheinrichtung 24 und der Reinigungseinrichtung 34 der Erntemaschine 10 verwendet
wird. Unter Berücksichtigung der Messwerte des Feuchtigkeitssensors 50 kann
das Pflanzenvolumen durch die Auswertungseinrichtung 44 auch
in eine Pflanzenmasse umgerechnet werden, die zur Verwendung für
Zwecke der Präzisionslandwirtschaft mittels der Positionssignale der
Antenne 120 georeferenziert abgespeichert werden können.
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Die
beschriebene Erkennung der Bestandsdichte anhand der Bestimmung
der Variation der erfassten Laufzeiten der Wellen vom Sender 56 zum Empfänger 58 ermöglicht
eine selbständige Anpassung der Vortriebsgeschwindigkeit
der Erntemaschine 10. Falls die Pflanzen 62 umgefallen
sind (Lagergetreide, vgl. den Teilbereich D in 5)
wird diese Tatsache anhand der größeren erfassten
Abstände ebenfalls erkannt und führt zu einer
Korrektur der Geschwindigkeit in die korrekte Richtung. Die vorliegende
Erfindung eignet sich nicht nur für stehende Pflanzen,
wie zuvor beschrieben, sondern auch für in einem Schwad
liegende Pflanzen, da bei dichteren Schwaden ebenfalls homogenere
Abstandswerte als bei dünneren Schwaden gewonnen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0887660
A2 [0003, 0040]
- - EP 1271139 A2 [0004, 0007]
- - DE 19743884 A1 [0040]