DE4413739A1 - Verfahren zum gezielten, spezifischen, dosierten Ausbringen von Nähr- und Pflegemitteln im Acker- oder Gartenbau und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum gezielten, spezifi­ schen, dosierten Ausbringen von Nähr- und Pflegemitteln im Acker- oder Gartenbau nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und betrifft ferner eine Einrichtung zur Durchführung des Verfah­ rens.

Eine gärtnerische bzw. landwirtschaftliche Behandlung von Kul­ tur- und Wildpflanzen geschieht derzeit weitgehend unspezifi­ sche; Wasser, Düngemittel, Pestizide, Wachstumshemmer usw. werden ungezielt auf der gesamten Anbaufläche verteilt. Hier­ bei ist nachteilig, daß zwangsläufig nur ein Teil der einge­ setzten Mittel seiner vorgesehenen Bestimmung zugeführt wird, während der andere Teil ungenutzt bleibt und den Boden sowie das Grundwasser belastet und obendrein bei dem Anwender noch unnötig hohe Kosten verursacht. Weiterhin ist nachteilig, daß die ungenutzt zurückgebliebenen Wirkstoffe die Qualität von erzeugten Produkten, nämlich Nahrungsmittel für den Menschen oder für vom Menschen zur Ernährung genutzte Tiere, nachteilig beeinflussen können und schädliche Wirkungen auf den Menschen haben können. Erwünscht ist ein gezieltes, spezifisches Aus­ bringen von Nähr- und Pflegemitteln. Hierbei sollten Wasser und Dünger nur die Kulturpflanzen erreichen; Wachstumshemmer und Pflanzenschutzmittel sollten nur die Wildpflanzen errei­ chen, usw. Auf diese Weise ließen sich die Mengen an einge­ setzten Mitteln reduzieren, wodurch die Kosten - bei gleich­ zeitiger Schonung von Böden und damit der Umwelt - für die Pflegemaßnahmen niedriger würden. Die minimale Wirkstoff-Bela­ stung hätte ein qualitativ höherwertiges Produkt zur Folge.

Bei einer Anzahl von Kulturpflanzen, wie Gemüse (Kohl, Salat) und Heilkräutern ist eine gezielte Ernte nur der reifen Exem­ plare erwünscht oder notwendig, was sich über einen längeren Zeitraum erstreckt und personalaufwendig ist, da die reifen Früchte von erfahrenem Personal erkannt und geerntet werden müssen. Somit ist diese Ernteweise insgesamt aufwendig und teuer.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine pflanzenbauliche Be­ wirtschaftung zu ermöglichen, bei welcher mit einem geringen Aufwand ein gezieltes, spezifisches und dosiertes Aufbringen von Wirkstoffen durchführbar ist, wobei insbesondere die ein­ gesetzte Wirkstoffmenge und dadurch der wirtschaftliche Auf­ wand stark reduziert werden. Ferner soll gemäß der Erfindung der Reifegrad von Pflanzen automatisch erkannt werden, um de­ ren gezielte, automatische Ernte zu ermöglichen.

Gemäß der Erfindung ist dies bei einem Verfahren zum geziel­ ten, spezifischen, dosierten Ausbringen von Nähr- und Pflege­ mitteln im Acker- oder Gartenbau durch die Verfahrensschritte im kennzeichnenden Teil des Anspruchs gelöst. Ferner ist gemäß der Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorgesehen. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Durchfüh­ rung des Verfahrens sind Gegenstand der auf die jeweiligen An­ sprüche unmittelbar oder mittelbar rückbezogenen Unteransprü­ che.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausfüh­ rungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Vorderansicht einer an einem Ackerge­ rät anzubringenden Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 eine gegenüber der Darstellung in Fig. 1 um 90° gedreh­ te Seitenansicht einer Ausführungsform einer Einrich­ tung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens;

Fig. 3A eine schematisch stark vereinfachte perspektivische Darstellung von Strahlenverläufen von unten nach oben d. h. von dem Boden bzw. den dort zu detektierenden Pflanzen in Richtung eines Detektor der in Fig. 1 wie­ dergegebenen Anordnung;

Fig. 3B Strahlungsbündel quer zur Fahrtrichtung einer die Ein­ richtung zur Durchführung des Verfahrens mitführenden Einrichtung analog der Darstellung in Fig. 1 für eine Detektor/Linsenanordnung;

Fig. 3C ein Strahlungsbündel in Fahrtrichtung des die Einrich­ tung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mitführenden Geräts;

Fig. 4 eine vertikalen Schnitt durch einen Detektor mit einer diesem zugeordneten Linsenanordnung und

Fig. 5 eine vergrößerte schematische Darstellung einer Schnittansicht eines Detektors mit nachgeordneter Lin­ senanordnung mit einem an der Linsenanordnung vorgese­ henen Tubusblende.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden her­ kömmliche Geräte zugrundegelegt, mit welchen Wirkstoffe flä­ chendeckend und unspezifisch ausgebracht werden, wie Dünger­ streuer, Feldspritzen, Berieselungsanlagen u.ä. Derartige Ge­ räte und die mit ihnen durchgeführten Verfahren weisen daher die vorstehend angeführten Nachteile auf.

Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird, wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, eine Einrichtung zum Durchfüh­ ren des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Einsatz gebracht, bei welchem Pflanzen 4a und 4b in der Anbaufläche beim Darüberhin­ wegfahren erkannt und lokalisiert werden; dadurch wird es mög­ lich, die erkannten und lokalisierten Pflanzen 4a und 4b ge­ zielt zu behandeln. Hierzu werden Infrarot-Sensoren 1 (siehe Fig. 1 und 2) verwendet, die auf Infrarot-Strahlung d. h. Wärme­ strahlung ansprechen und mit welchen daher Pflanzen erkannt werden können, da deren Strahlung sich in der Intensität von derjenigen des Bodens 5 unterscheidet. Die Unterschiede in der Intensität der abgegebenen Strahlung sind einerseits in der unterschiedlichen Temperatur von Boden 5 und Pflanzen 4a und 4b begründet, da sich bei Sonnenbestrahlung der Boden 5 stär­ ker aufheizt als eine lebende Pflanze 4a oder 4b, andererseits im unterschiedlichen Emissions- und Reflexionsgrad von Boden 5 und Pflanzen 4a und 4b, da bei gleicher Temperatur, beispiels­ weise bei völlig bedecktem Himmel, Boden und Pflanzen Strah­ lung unterschiedlicher Intensität abgeben und darüber hinaus die aus ihrer Umgebung auf sie auftreffende Strahlung unter­ schiedlich stark reflektieren.

Hierbei besteht jeder Infrarot-Sensor 1 aus einer für Infra­ rot-Strahlung geeigneten Optik 11, einem Infrarot-Detektor 10 und einer nachgeordneten (nicht näher dargestellten) Signal­ verarbeitungselektronik (Fig. 3A und 3B). Eine Optik in Form einer einfachen Sammellinse, einer Fresnel-Linse 11 oder auch einer Spiegelanordnung nimmt die vom Boden 5 bzw. der Pflanze 4a oder 4b ausgehende Infrarot-Strahlung auf und bündelt sie auf den Detektor 10. Der Detektor 10 wiederum erzeugt ein elektrisches Signal, dessen Amplitude von der Intensität der auf ihn treffenden Strahlung abhängt. Dieses Signal wird dann in bekannter Weise in einer elektronischen Signalverarbeitung­ seinheit verstärkt und gefiltert.

Ferner weist die Einrichtung zur Durchführung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens eine elektronische Steuereinheit und einen Aktuator auf, der mit einer Einrichtung zum Ausbringen von Wirkstoffen in Verbindung steht. Der Infrarot-Sensor 1 und die Einrichtung 2 zum Ausbringen von Wirkstoffen sind einander so zugeordnet, daß sie in einer durch einen Pfeil in Fig. 2 ange­ deuteten Fahrtrichtung einer schematisch angedeuteten Bearbei­ tungsmaschine 3 hintereinander liegen. (Siehe Fig. 2). Dadurch "überfährt" zuerst der Sensor 1 die Pflanze 4a und anschlie­ ßend die Einrichtung 2 zum Ausbringen von Wirkstoffen. Wird im Betrieb der Sensor 1 über die Bewuchsfläche geführt, so er­ reicht den Sensor 1 ein Strahlungssprung, wenn im Gesichtsfeld der Optik 11 ein Übergang vom Boden 5 zur Pflanze 4a erfolgt. Dieser Strahlungssprung bewirkt in der nachgeordneten Verar­ beitungseinheit einen elektrischen Signalsprung, der an eine Steuereinheit weitergegeben wird, durch welche dann der Aktua­ tor zum Ausbringen eines Wirkstoffs in Gang gesetzt wird. Hier­ bei werden Zeitpunkt und Zeitdauer der Ansteuerung des Aktua­ tors an die tatsächliche Fahrtgeschwindigkeit sowie an die Geometrie der Anordnung angepaßt, so daß ein Ausbringen von Wirkstoffen örtlich und zeitlich optimal erfolgt.

Die gemäß der Erfindung verwendeten Infrarot-Sensoren 1 arbei­ ten vorzugsweise im Spektralbereich von 8 µm bis 14 µm, da in diesem Spektralbereich das Maximum der emittierten Strahlung für Objekte liegt, deren Temperatur sich im Bereich natürli­ cher Temperaturen zur Frühjahrs- und Sommerzeit befindet. Fer­ ner ist die Atmosphäre im Bereich von 5 µm bis 8 µm und von 14 µm bis 30 µm über längere Wegstrecken für Infrarot-Strahlung un­ durchlässig, so daß diese Bereiche ohnehin ungeeignet sind.

Der mechanische Aufbau, der im Prinzip demjenigen bekannter Spritzgeräte entspricht, wird in seiner Geometrie den Verhält­ nissen in der Anbaufläche angepaßt. In der Regel stehen heran­ wachsende Kulturpflanzen 4a in parallelen Reihen, die einen gleichen Abstand a voneinander haben und sie haben innerhalb einer Reihe ebenfalls gleiche Abstände. Der Boden 5 zwischen den einzelnen Reihen und zwischen den Kulturpflanzen 4a ist unbewachsen, bzw. sollte frei von Wildpflanzen 4b sein.

Wie aus Fig. 1 zu ersehen, sind Sensoren 1 und Einrichtungen 2 zum Ausbringen von Wirkstoffen an einem schematisch angedeute­ ten Gestänge 3 in demselben Abstand a wie die Pflanzenreihen und damit wie die in den Reihen angeordneten Pflanzen 4a ange­ bracht bzw. in gleichen Abständen wie die zwischen den Reihen bzw. Reihenzwischenräumen zu bekämpfenden Wildpflanzen 4b.

In der gesamten Arbeitsbreite befindet sich über jeder Pflan­ zenreihe eine Sensoreinheit 1 einschließlich einer Steuerein­ heit, eines Aktuator und einer Einrichtung 2 zum Wirkstoff-Aus­ bringen. Die Strahlungserfassung durch die Sensoren 1 er­ folgt vorzugsweise senkrecht oder unter steilen Blickwinkeln von oben. Hierbei wird das Gesichtsfeld durch Abstimmung der Brennweite einer optischen Einrichtung 11 und der Größe der verwendeten Detektoren 10 so ausgelegt, daß der Gesichtsfeld­ winkel α von der üblichen Größe einer Pflanze 4a bzw. 4b voll­ ständig ausgefüllt wird. Entsprechend der typischen Größe der jeweiligen Pflanzenart wird auch die Betriebshöhe der Sensoren 1 über dem Bewuchs abgestimmt und eingestellt.

Durch schaukelnde und ungleichmäßige Fahrtbewegungen wird ebenfalls die Blickrichtung der Sensoren 1 und auch der Wirk­ stoffe ausbringenden Einrichtung 2 bzw. in Form einer Spritz- oder Auswurfeinrichtung beeinflußt. Diesem unerwünschten Ein­ fluß wird einerseits durch eine entsprechend größere Bemessung des Gesichtsfeldes jedes Sensors 1 begegnet, wodurch dann ein größeres Flächensegment als das von der Pflanze 4a bzw. 4b überdeckte erfaßt wird. Andererseits wird der Einfluß solcher ungleichmäßiger Fahrbewegungen dadurch gering gehalten, daß die Sensoren 1 und die einzelnen Wirkstoff-Ausbringeinheiten 2 möglichst nahe über den Pflanzen 4a bzw. 4b angeordnet und da­ mit über sie hinweg bewegt werden, so daß ein präzises Wirk­ stoff-Ausbringen gewährleistet ist. Gleichzeitig ist durch ein entsprechend sicheres Montieren der einzelnen Einheiten si­ chergestellt, daß auch im rauhen Betrieb weder die Pflanzen noch der Boden von Teilen der Einrichtung oder der Einrichtung selbst berührt werden.

Wenn beispielsweise in einem Maisfeld Pflanzen in den einzel­ nen Reihen bei einem Reihenabstand a von 40 cm etwa 30 cm hoch sind, so soll jede Pflanze, von oben gesehen, eine Bodenfläche mit einem Durchmesser von etwa 10 cm überdecken. In einem sol­ chen Fall ist dann beispielsweise die Sensoranordnung 1 der Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens folgendermaßen zu bemessen:
Abstand a der einzelnen Sensoren 1 an einem von dem Acker­ gerät mitgeführten Gestänge 3: 40 cm
Höhe der einzelnen Sensoren über Grund/Boden: 40 bis 45 cm
Brennweite der optischen Anordnung (Fresnellinsen 11): 8 mm
Durchmesser eines Detektors 10: 4 mm
Gesichtsfeldwinkel (Pflanze): 12,6 bis 14,3°
Gesichtsfeldwinkel α (insgesamt): 28°
Durchmesser einer erfaßten Bodenfläche: 20 cm.

Während die Pflanze nur einen Durchmesser von 10 cm hat, be­ trägt der Durchmesser der erfaßten Bodenfläche 20 cm. Damit ist eine sichere Detektion der Pflanze gewährleistet, selbst wenn - innerhalb der vorgegebenen Grenzen - die Anordnung schwankt oder das Fahrzeug ungenau geführt wird.

Als Infrarot-Detektoren 10 eignen sich prinzipiell alle der­ zeit verfügbaren Detektoren, die in dem Wellenbereich von 8 bis 14 µm arbeiten. Die Verwendung und der Einsatz thermoelek­ trischer Detektoren wird wegen deren vergleichsweise geringen Preises, deren standardisierten Aufbaus (TO5 Gehäuse), deren einfachen Betriebs, da keine Kühlung erforderlich ist, sowie wegen deren Zuverlässigkeit bevorzugt. Thermoelektrische De­ tektoren sind beispielsweise das Thermoelement, in Form einer "Thermosäule", ein Termistor bzw. ein Thermowiderstand und py­ ro-elektrische Detektoren. Unter den zuletzt angeführten Ele­ menten ist wiederum das zuletzt genannte besonders preiswert und hat vor allem eine kleine Zeitkonstante, was einer hohen Ansprechgeschwindigkeit entspricht. Mit diesen Elementen ist ein sicherer Betrieb der erfindungsgemäßen Anordnung auch bei schneller Fahrt einer Bearbeitungsmaschine möglich, und sie werden daher bei der Erfindung bevorzugt verwendet. Da pyro-elektrische Detektoren auch piezo-elektrisch reagieren, und sie deshalb mehr oder weniger stark vibrationsempfindlich sind, ist bei der Auswahl geeigneter Detektoren auch dieser Aspekt zu beachten. Zur Zeit sind Detektoren erhältlich, die eine sehr geringe Vibrationsempfindlichkeit aufweisen.

Es gibt ferner piezo-elektrische Detektorausführungen, die zwei elektrisch gegenpolig gekoppelte, strahlungsempfindliche Elemente in ein und demselben Gehäuse aufweisen, von welchen eines die Strahlung empfängt und das andere "abgedunkelt" an­ gebracht ist. Dadurch ist erreicht, daß nur ein Element auf einfallende Strahlung reagiert und folglich ein Signal lie­ fert, während beide in gleicher Weise auf Vibration reagieren. Beide Elemente liefern daher identische Vibrationssignale, die sich wegen der gegenpoligen Kopplung gegenseitig eliminieren. Derartige Detektoren werden daher bevorzugt verwendet. Ferner können durch bekannte, mechanische Dämpfungsmaßnahmen die Ein­ flüsse von Fahrzeugvibrationen auf den Sensor 1 noch weiter gedämpft und damit gemildert werden.

Als Optik zur Strahlenbündelung werden bevorzugt Fresnellinsen 11 verwendet, und zwar in einer Multisegment-Anordnung 11a, wie in Fig. 3A schematisch in einer unmaßstäblichen Ansicht von unten gezeigt ist. Eine derartige Multisegment-Anordnung 11a besteht aus einer Anzahl von n meist rechteckförmigen Einzel­ linsen 11b, die nebeneinander angeordnet sind und dadurch eine Linsenzeile bilden. Die Einzellinsen 11b sind eben oder auch gewölbt vor einem schematisch angedeuteten Detektor 10 ange­ bracht.

Da jedes Linsenselement 11b nur ein schmales Strahlenbündel 11c zum Detektor 10 lenkt, wie aus Fig. 3B zu ersehen ist, er­ faßt der Detektor 10 Strahlung von n benachbarten Strahlenbün­ deln 11c, die gemeinsam einen Streifen bilden. Dabei hängt die Geometrie jedes Einzelbündels 11c und damit des Streifens von den Abmessungen des Detektors 10 und der Multisegment-Linsen­ anordnung 11a ab.

In Fig. 3A ist beispielsweise eine Linsenanordnung 11a mit acht Einzellinsen 11b verwendet, die jeweils eine Brennweite von 3 cm haben. Wenn der Detektor 10 quadratisch ist und eine Kan­ tenlänge von 1,5 mm hat, ergibt sich damit ein Raumwinkel von 2,5 mrad für ein Linsenelement. Wenn eine solche Anordnung in einer Höhe h von 125 cm über dem Boden 5 montiert ist, wird mit einer solchen Anordnung 11a etwa ein Streifen mit einer Breite b von 50 cm und einer Tiefe t von 4 cm erfaßt (Hierbei ist die Apertur der Linse 11b von etwa (4×4)cm² berücksichtigt).

Wie aus Fig. 3C zu ersehen ist, ist in der durch einen nach rechts weisenden Pfeil angedeuteten Fahrtrichtung der erfaßte Streifen schmal, wodurch ein hoher Signalsprung erreicht wird, wenn im Einsatz Bodenstrukturen mit wechselnden Strahlungsei­ genschaften überfahren werden; hierbei beruhen die wechselnden Strahlungseigenschaften auf dem Wechsel von Boden 5 zu Vega­ tion 4. Quer zur Fahrtrichtung wird, wie aus Fig. 3B zu ersehen ist, ein erheblich breiterer Streifen erfaßt, welcher bei den vorstehend angeführten Abmessungen der einzelnen Elemente eine Breite b von 50 cm hat. Da zwischen der Anbringungshöhe h und der Breite b des erfaßten Streifens ein linearer Zusammenhang besteht, braucht, wenn der zu überwachende Streifen nur 25 cm breit ist, das Gerät lediglich in einer Höhe h′ von 62,5 cm an­ gebracht zu werden. In diesem Fall ist dann der Streifen in Fahrtrichtung nur noch 2 cm tief, was jedoch in keiner Weise nachteilig ist.

In Fig. 4 ist eine Anordnung aus einem Detektor 10′ und einer Fresnellinse 11 mit 26 Elementen dargestellt, welche als Mas­ senartikel preiswert zu erhalten sind. Die in Fig. 4 darge­ stellte Anordnung hat einen Gesichtsfeldwinkel α = 90°. Wie in Fig. 5 gezeigt, wird der unmaßstäblich wiedergegebene Ge­ sichtsfeldwinkel α′ mit einer entsprechend dimensionierten Tu­ busblende Tb auf einen Winkel von etwa 40° reduziert. Die Tu­ busblende Tb in Fig. 5 hat die Form eines im Querschnitt zylin­ drischen oder rechteckigen Metall- bzw. Kunststoffrohrs, das sowohl für infrarote als auch für sichtbare Strahlung undurch­ lässig ist. Insbesondere ist die Tubusblende Tb vorgesehen, um Wind oder Fahrtwind von der Linse bzw. der Linsenanordnung 11′ und auch von der dem Detektor 10′ zugewandten Gehäuseseite fernzuhalten. Durch Wind, welcher dem Detektor 10′ zugewandte Elemente bzw. Komponenten (z. B. 11′) erreicht, wird deren Tem­ peratur verändert, wodurch am Infrarot-Detektor 10′ ein Signal erzeugt und ein Fehlalarm ausgelöst werden kann. Darüber hin­ aus schützt die Tubusblende Tb die Linse bzw. die Linsenanord­ nung 11′ vor einer Kontaminierung durch Pollen, Tau oder Regen, von hochstehenden Gewächsen bzw. Gräsern.

Im Einsatz wird eine Bearbeitungsmaschine, an welcher die Ein­ richtung 3 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens angebracht ist, so geführt, daß die Sensoren 1 sowie die Wirk­ stoff-Ausbringeinheiten 2 immer über einer zugeordneten Reihe von Pflanzen 4a angeordnet sind. Jeder Sensor 1 erkennt dann für sich die Pflanzen 4a in seiner Reihe und steuert unabhän­ gig von den übrigen Sensoren 1 das ihm zugeordnete Wirkstoff-Aus­ bringen. Hierbei sind Zeitpunkt, Zeitdauer und Geometrie der Ausbringung so gestaltet, daß der Wirkstoff in gewünschter Menge nur an den gewünschten Ort gelangt. Das bedeutet in der Praxis, daß beispielsweise Sprühdüsen mit einem engeren Sprüh­ kegel auszustatten sind als bei einer flächendeckenden Sprü­ hung oder aber auch, daß Streugut nicht nahezu horizontal her­ ausgeschleudert wird, sondern senkrecht zum Boden 5 rieseln muß, bzw. beispielsweise mittels Preßluft herausgeschleudert wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird statt eines Infrarot-Sensors ein Sensor verwendet, der bezüglich sichtbaren Lichts im grünen Spektralbereich empfind­ lich ist; der sonstige Aufbau ist der gleiche wie vorstehend beschrieben. Mit einem derartigen Sensor können Unterschiede in der Intensität des grünen Anteils des von den Objekten re­ flektierten Sonnenlichts registriert werden. Dieser Unter­ schied ist beispielsweise besonders stark zwischen unbewachse­ nem Boden 5 und Pflanzen 4a bzw. 4b. Daher ergibt sich bei der Bewegung des Sensors 1 bei einem Übergang von unbewachsenem Boden 5 zu einer Pflanze 4a oder 4b eine hohe Signaländerung, anhand derer die Pflanze erkennbar ist.

Mit Hilfe der bisher beschriebenen Ausführungsformen von Ein­ richtungen zur Durchführung des Verfahrens können Kulturpflan­ zen 4a auf sonst unbewachsenem Boden 5 erkannt werden. Nach­ folgend werden weitere Ausführungsformen beschrieben, mit wel­ chen sowohl Pflanzen in nichtdeckend bewachsenem Boden erkannt werden, als auch Kultur- und Wildpflanzen 4a bzw. 4b voneinan­ der unterschieden werden. Bei einer ersten Ausführungsform wird dieses Problem in zwei Teillösungen behandelt. Diese Aus­ führungsform kann bei der vorstehend beschriebenen Anbauform von Kulturpflanzen 4a in parallelen Reihen gleichen Abstands a angewendet werden, wobei die Kenntnis ausgenutzt wird, daß Pflanzen zwischen den Reihen praktisch nur Wildpflanzen 4b sein können. Gemäß der Erfindung wird eine der vorstehend be­ schriebenen Ausführungsformen verwendet, die jedoch mit weite­ ren Sensoren 1 und Einrichtungen 2 zum Ausbringen von Wirk­ stoff versehen sind, so daß sowohl die Kulturpflanzen 4a in den Reihen als auch zwischen den Reihen der Kulturpflanzen 4a vorhandenen Wildpflanzen 4b erkannt und lokalisiert werden.

Die so zwischen den Reihen erkannten Wildpflanzen 4b können dann mit geeigneten Mitteln bekämpft werden, und zwar analog der vorstehend beschriebenen Behandlung von Kulturpflanzen 4a. Je nach flächenhafter Ausdehnung der zu erkennenden Wildpflan­ zen 4b kann es notwendig sein, mehr Sensoren nebeneinander zum Überwachen eines jeden Reihenzwischenraums anzuordnen. Es ist auch möglich, dazu einen Mehrelementdetektor in nur einem Sen­ sor zu verwenden. Ferner kann auch ein Mehrelementdetektor in nur einem Sensor verwendet werden.

Aus der Position des Signale abgebenden Detektorelements kann dabei auf die Lage der Wildpflanze 4b in dem Zwischenraum zwi­ schen den Reihen geschlossen werden und es können die notwen­ digen Maßnahmen entsprechend gezielt durchgeführt werden. Dazu ist es auch möglich, dem Sensor mit Mehrelementdetektor eine Ausbringeinheit mit mehreren Düsen bzw. Ausbringöffnungen zu­ zuordnen, die von dem zugehörigen Detektorelement gesteuert werden. Die Anzahl der Detektorelemente, deren optische Ausle­ gung und deren mechanische Geometrie, sowie die Ausbringein­ heiten sind so aufeinander abzustimmen, daß der gesamte Rei­ henzwischenraum in der gewünschten geometrischen Auflösung, d. h. der Größe der unabhängig voneinander erfaßten Bodenseg­ mente, überwacht und bearbeitet werden kann.

Als zweite Teillösung werden mittels der Sensoren 1, welche die Reihen der Kulturpflanzen 4a überwachen, Wildpflanzen 4b zwischen den Kulturpflanzen 4a innerhalb der Reihen erkannt; d. h. es werden Kultur- und Wildpflanzen 4a bzw. 4b unterschie­ den. Erfindungsgemäß wird mit den Infrarot-Sensoren 1 die un­ terschiedliche Intensität der Infrarot-Strahlung von Kultur- und Wildpflanzen genutzt. Beispielsweise ist die Intensität der Infrarot-Strahlung von Blattpflanzen und Gräsern unter­ schiedlich stark und ermöglicht damit deren Unterscheidung. Um dies zu erreichen, ist in der Regel eine sogenannte "Einlern­ phase" für die Sensoreinheit bzw. Einheiten durchzuführen; das bedeutet, zu Beginn jedes Einsatzes wird mit der Sensoreinheit 1 die spektrale Signatur von Kultur- 4a und Wildpflanzen 4b getrennt aufgenommen. Der Signalelektronik wird dann über eine Eingabeeinheit mitgeteilt, ob die aufgenommenen Signaturen von Kultur- 4a oder Wildpflanzen 4b stammen. Der optimale Algorith­ mus zur Klassifikation (Differenz-Quotientenbildung, usw.) wird dann von der Auswerteeinheit automatisch oder in einem Dialog mit dem Anwender ermittelt und in einem anschließend durchgeführten Einsatz angewendet.

In gleicher Weise ist auch der Farbton des Pflanzengrüns ein Indikator für die Pflanzenart. Unterschiedliche Pflanzen las­ sen sich an ihrem Grün aufgrund der unterschiedlichen Refle­ xionseigenschaften erkennen. Dies gilt in analoger Weise für die Farben der Pflanzen 4 und des Bodens 5 im gesamten Spek­ trum des sichtbaren Lichts. Besonders stark ausgeprägt sind die Unterschiede des Reflexions-Emissions-Verhalten auch im Spektralbereich Nahes-Infrarot.

Diese Tatsachen werden erfindungsgemäß bei einer weiteren be­ vorzugten Ausführungsform zur Unterscheidung von Kultur- 4a und Wildpflanzen 4b mit einem optischen Sensor genutzt, der mehrere Kanäle im Spektralbereich von 0,4 µm bis etwa 2,8 µm aufweist. Beispielsweise hat ein Sensor drei Maßkanäle, näm­ lich zwei Kanäle in den chlorophyll-Absorptionsbanden bei 0,45 µm und 0,65 µm und einen dritten Kanal bei etwa 1 µm. Die Signale dieser drei Kanäle werden gleichzeitig erfaßt, digita­ lisiert und einer dem Sensor nachgeschalteten, digitalen Aus­ werteeinheit in Form digitaler Datenworte übergeben. Als digi­ tale Auswerteeinheit kann ein Rechner, beispielsweise in Mi­ kroprozessor verwendet werden. In einer solchen Auswerteein­ heit werden dann aus den digitalen Daten aller Kanäle mittels bekannter Algorithmen zur Klassifikation die Arten der erfaß­ ten Daten identifiziert.

Da die genutzten Reflexionseigenschaften der Pflanzen von de­ ren Alter, Reifegrad, Ernährungszustand sowie von der Beschaf­ fenheit und der Feuchte des Standortes und außerdem ihre spek­ trale Signatur von der jeweiligen Einstrahlung bei Sonne, Be­ wölkung, Nebel, Dunst, u.ä. abhängen, kann mit einer erfin­ dungsgemäßen Einrichtung ein sogenannter "Einlernzyklus" durchgeführt werden. (Im übrigen hängt auch die Signatur des Bodens von dessen Zusammensetzung, Feuchte und Bestrahlung ab).

Hierzu wird zu Beginn eines Einsatzes mit Hilfe der Sensorein­ heit die spektrale Signatur von Kultur- und Wildpflanzen ge­ trennt aufgenommen. Der Auswerteeinheit wird dann über eine Eingabeeinheit mitgeteilt, ob die aufgenommenen Signaturen von Kultur- oder Wildpflanzen stammen. Der optimale Algorithmus zur Klassifikation wird dann von der Auswerteeinheit automa­ tisch oder im Dialog mit dem Anwender ermittelt und im an schließend durchgeführten Einsatz angewendet.

Alle bisher beschriebenen Ausführungsbeispiele können auch da­ zu verwendet werden, um den Durchmesser der erfaßten Pflanzen, d. h. den Durchmesser in Fahrtrichtung der landwirtschaftlichen Maschine zu bestimmen. Die optischen Sensoren registrieren ein Signalwechsel, wenn eine Pflanze in ihr Gesichtsfeld gelangt und einen weiteren Signalwechsel, wenn die Pflanze das Ge­ sichtsfeld wieder verläßt. Die Zeitdauer zwischen den beiden Signalwechselvorgängen wird in der Auswerteeinheit bestimmt; außerdem wird dort auch die tatsächliche Geschwindigkeit der Maschine (schlupfkorrigiert) registriert. Die Auswerteeinheit bildet das Produkt aus Zeitdauer und Geschwindigkeit. Die so erhaltene Information über die Größe, d. h. den Durchmesser der Pflanze wird mit der in der Auswerteeinheit gespeicherten Grö­ ße einer erntereifen Pflanze der jeweiligen Art verglichen. Als Resultat wird dann das Kommando "Ernten" bzw. "Nicht-Ern­ ten", an die zugehörige automatische Ernteeinheit der Maschine gegeben, welche analog der Ausführungsform in Fig. 2 bezüglich der Wirkstoff-Ausbringeinheit 2 in Fahrtrichtung hinter der Sensoreinheit 1 angebracht wird und da entsprechend verfährt.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der Einrich­ tung zur Durchführung der Verfahren ist es bezüglich der Pflanzenpflege möglich, Kulturpflanzen in einer landwirt­ schaftlich oder gärtnerisch genutzten Anbaufläche zu erkennen und obendrein auch noch Kultur- 4a von Wildpflanzen 4b zu un­ terschieden. Identifizierte Pflanzen können dann gezielt be­ handelt werden, so beispielsweise werden Kulturpflanzen 4a ge­ wässert, gedüngt oder mit Schädlings-Bekämpfungsmitteln behan­ delt, während Wildpflanzen 4b mechanisch, chemisch oder ther­ misch vernichtet werden. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Ver­ fahren und Einrichtung zur Durchführung der Verfahren werden die eingesetzten Wirkstoffe ausschließlich an den für sie be­ stimmten Orten in der minimal notwendigen Menge ausgebracht, so daß ihr Einsatz auf diese Weise ökonomisch und ökologisch optimiert ist. Der finanzielle Aufwand, insbesondere hinsicht­ lich der Kosten der auszubringenden Wirkstoffe, wird durch ei­ ne sparsame Verwendung verringert; gleichzeitig wird die uner­ wünschte Belastung von Boden, Grundwasser und Kulturpflanzen minimal gehalten. Obendrein wird die Qualität der erzeugten Kulturpflanzen gesteigert. Ein besonderer Vorteil der Erfin­ dung liegt darin, daß in einem Arbeitsgang verschiedene Bear­ beitungsschritte gleichzeitig vorgenommen werden können: so können die Kulturpflanzen 4a gedüngt und bewässert werden, während gleichzeitig die Wildpflanzen 4b bekämpft werden. Da­ durch werden Arbeitszeit und Arbeitsenergie (z. B. Treibstoff) eingespart. Obendrein kann mit Hilfe der erfindungsgemäßen Verfahren und Einrichtungen zur Durchführung dieser Verfahren die bisher nur aufwendig durchzuführende Ernte einzelner Pflanzen automatisiert und damit wirtschaftlicher durchgeführt werden.

Claims (9)

1. Verfahren zum gezielten, spezifischen, dosierten Ausbringen von Nähr- und Pflegemitteln im Acker- oder Gartenbau, dadurch gekennzeichnet,
daß mittels eines optischen Verfahrens im Be­ reich von natürlicher sichtbarer und infraroter Strahlung zwi­ schen Ackerboden (5) und Bewuchs (4a, 4b) auf Grund von Strah­ lungsemissions- bzw. -reflexionsverhalten unterschieden wird und auch unterschiedliche Verdunstung von Wasser bei gleichen und unterschiedlichen Temperaturen genutzt wird;
daß die hierdurch bedingten Unterschiede in Intensität und spektraler Zusammensetzung der vom Boden oder von Pflanzen ausgehenden Strahlung mittels an einem Arbeitsgerät angebrach­ ten, optischen Sensoren (1) detektiert werden;
daß daraus die Unterscheidung Boden - Pflanze bzw. eine Erken­ nung und Lokalisierung unterschiedlicher Pflanzen (4a, 4b) ab­ geleitet wird, und
daß die auf diese Weise erkannten Pflanzen spezifisch behan­ delt werden, indem eine einem Sensor (1) zugeordnete Einheit (2) zum Wirkstoff-Ausbringen am Arbeitsgerät mittels einer elektrischen oder hydraulischen Steuereinheit aktiviert wird.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß als Sensor zur Erkennung von Pflanzen ein infrarot-optischer Sensor (1) vorgesehen ist, welchem eine Optik (11) für Infrarot-Strahlung, ein Infrarot-Detektor (10) sowie eine elektronische Signalverarbeitungsein­ heit in der Weise zugeordnet sind,
daß die Optik (11) die vom Boden (5) bzw. einer Pflanze (4a, 4b) ausgehende Infrarot-Strah­ lung sammelt und auf den Detektor (10) bündelt, der De­ tektor (10) ein elektrisches Signal erzeugt, dessen Höhe von der Intensität von auf ihn auftreffender Strahlung abhängt, und das Signal in der elektronischen Signalverarbeitungsein­ heit verarbeitet wird, um daraus einen Steuerimpuls zu erzeu­ gen;
daß der elektronischen Signalverarbeitungseinheit eine elek­ tronische Steuereinheit und ein Aktuator, der mit einer Ein­ richtung (2) zum Wirkstoff-Ausbringen in Verbindung steht, nachgeschaltet sind;
daß der infrarot-optische Sensor (1) und die Einrichtung (2) zum Wirkstoff-Ausbringen in Fahrtrichtung des Arbeitsgeräts (3) hintereinander so angeordnet sind, daß zuerst der Sensor (1) und anschließend die Einrichtung (2) zum Wirkstoff-Aus­ bringen eine Pflanze (4a) "überfährt", so daß durch einen in der elektronischen Signalverarbeitungseinheit beim "Überfah­ ren" einer Pflanze (4a) erzeugten Steuerimpuls der Aktuator zum Wirkstoffausbringen in Gang gesetzt wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Infrarot-Detektor (10) ein pyro-elektrischer Detektor für einen Wellenbereich von 8 bis 14 µm ist, der zur Kompensation von mechanischen Schwingungen mit einem zweiten gegenpolig ge­ schalteten, abgedunkelten Detektorelement ausgerüstet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des infrarot-optischen Sensors (1) ein bezüglich sichtbaren Lichts im grünen Spektralbereich empfindlicher Sen­ sor vorgesehen ist, welcher Unterschiede in der Intensität des grünen Anteils des vom Boden bzw. von Pflanzen reflektierten Sonnenlichts registriert, wodurch Pflanzen zu erkennen sind.

5. Verfahren nach Anspruch 1 unter Verwendung der Einrichtun­ gen nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß zum Erkennen von Pflanzen (4a, 4b) und zum Unterscheiden von Kultur- (4a) oder Wildpflanzen (4b), wobei Unterschiede in den Strahlungseigenschaften (Reflexion, Emission) unterschiedli­ cher Pflanzenarten (4a, 4b) und des Bodens (5) im gesamten Spektrum sichtbaren Lichts und im Spektralbereich Nahes-Infra­ rot genutzt werden, ein optischer Sensor mit mehreren, vor­ zugsweise drei Meßkanälen im Spektralbereich von 0,4 µm bis etwa 2,8 µm verwendet wird, nämlich zwei Kanälen in Chloro­ phyll-Absorptionsbanden bei 0,45 µm oder 0,65 µm und einem dritten Kanal bei etwa 1 µm;
daß die Signale aller drei Kanäle gleichzeitig erfaßt, digita­ lisiert und einer dem optischen Sensor nachgeschalteten digi­ talen Auswerteeinheit in Form digitaler Datenworte übergeben werden,
daß in der Auswerteeinheit aus den digitalen Daten aller Kanä­ le mittels bekannter Algorithmen zur Klassifikation die Arten der erfaßten Pflanzen identifiziert werden und ein "Einlern­ zyklus" durchgeführt wird, indem zu Beginn eines Einsatzes mit der Sensoreinheit spektrale Signaturen von Kultur- (4a) und Wildpflanzen (4b) getrennt aufgenommen werden, der Auswerte­ einheit über eine Eingabeeinheit mitgeteilt wird, ob die auf­ genommene Signatur von Kultur- (4a) oder Wildpflanzen (4b) stammt und der optimale Algorithmus zur Klassifikation von der Auswerteeinheit automatisch oder im Dialog mit einem Anwender ermittelt und im anschließend durchgeführten Einsatz angewen­ det werden.

6. Einrichtung zur Durchführung der Verfahren nach den Ansprü­ chen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet,
daß als Optik zur Strahlungssammlung Fesnellinsen (11) in einer Multisegment-Anordnung (11a) vorgesehen ist, die aus einer Anzahl von n rechteckigen oder quadratischen Einzellin­ sen (11b) gebildet sind, welche nebeneinander angeordnet sind und in etwa eine Zeilenlinse bilden, sowie plan oder auch ge­ wölbt vor dem Detektor (10) angebracht sind, wobei jedes Lin­ senelement (11b) nur ein schmales Strahlenbündel zum Detektor (10) lenkt, welcher wegen der n Einzellinsen die Strahlung aus einem Streifen von n benachbarten Bündeln empfängt, und
daß die streifenförmige Multisegment-Anordnung (11a) quer zur Fahrtrichtung ausgerichtet und somit in Fahrtrichtung schmal ist, so daß ein hoher Signalsprung dann erreicht wird, wenn im Einsatz Bodenstrukturen, d. h. ein Wechsel von Boden (5) und Vegetation (4a, 4b), mit wechselnden Strahlungseigenschaften überfahren werden.

7. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 4 und 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß an der Linse (11′) eine Tubusblende (Tb) aus einem zylindrischen oder rechteckigen Rohr aus einem für In­ frarot-Strahlung und sichtbare Strahlung undurchlässigen Mate­ rial vorgesehen ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, 6 und 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit ein Rechner, vorzugsweise in Form eines Mikroprozessors ist.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 5 unter Verwendung der Einrichtungen nach den Ansprüchen 2 bis 4, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet,
daß aus erfaßten Signalen Information über Durchmesser von Kulturpflanzen (4a) gewonnen wird, indem die zeitliche Dauer des von einer Pflanze (4a) stammenden Signals und die tatsäch­ liche Fahrgeschwindigkeit des Ackergeräts in der Auswerteein­ heit erfaßt werden,
daß aus diesen beiden Größen in der Auswerteeinheit der Durch­ messer der Pflanze errechnet und mit dem in der Auswerteein­ heit gespeicherten Durchmesser erntereifer Pflanzen verglichen wird, und
daß mit der so gewonnenen Information eine automatische Ernte­ maschine gesteuert wird.