DE4413739C2 - Einrichtung zum Erkennen und Unterscheiden von Pflanzen und Bodenbereichen sowie zum Unterscheiden von Kultur- und Wildpflanzen - Google Patents
Einrichtung zum Erkennen und Unterscheiden von Pflanzen und Bodenbereichen sowie zum Unterscheiden von Kultur- und WildpflanzenInfo
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- DE4413739C2 DE4413739C2 DE4413739A DE4413739A DE4413739C2 DE 4413739 C2 DE4413739 C2 DE 4413739C2 DE 4413739 A DE4413739 A DE 4413739A DE 4413739 A DE4413739 A DE 4413739A DE 4413739 C2 DE4413739 C2 DE 4413739C2
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Erkennen und Unterscheiden
von Bodenbereichen und Pflanzen sowie zum Unterscheiden von Kultur- und Wildpflanzen
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein gärtnerische bzw. landwirtschaftliche Behandlung von Kultur-
und Wildpflanzen geschieht derzeit weitgehend unspezifisch;
Wasser, Düngemittel, Pestizide, Wachstumshemmer usw.
werden ungezielt auf der gesamten Anbaufläche verteilt. Hierbei
ist nachteilig, daß zwangsläufig nur ein Teil der eingesetzten
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 Ausbringen
von Nähr- und Pflegemitteln. Hierbei sollten Wasser
und Dünger nur die Kulturpflanzen erreichen; Wachstumshemmer
und Pflanzenschutzmittel sollten nur die Wildpflanzen erreichen.
Auf diese Weise ließen sich die Mengen an eingesetzten
Mitteln reduzieren, wodurch die Kosten - bei gleichzeitiger
Schonung von Böden und damit der Umwelt - für die
Pflegemaßnahmen niedriger würden. Die minimale Wirkstoff-Belastung
hätte ein qualitativ höherwertiges Produkt zur Folge.
Aus der DE 41 32 637 A1 ist eine Vorrichtung zur gesteuerten Unkrautbekämpfung
mit mehreren in einer Reihe angeordneten Sensoren
bekannt, die infrarot- oder grünempfindlich sind. Mit
Hilfe dieser Vorrichtung wird der Grad der Verunkrautung festgestellt
und in Abhängigkeit hiervon wird ein Spritzen von
Herbiziden eingeleitet. Hierbei erfolgt eine Flächenbetrachtung,
d. h. ein Ermitteln des mit Pflanzen bedeckten Bodenbereichs
unabhängig von der Art der Pflanzen. Überschreitet die
Dichte der Pflanzen einen vorgegebenen Grenzwert wird davon
ausgegangen, daß dies auf Unkraut zurückzuführen ist, so daß
in einem Bereich mit zu hoher Pflanzendichte Herbizide aufgebracht
werden. Ein Erkennen
unterschiedlicher Pflanzenarten ist bei dieser Vorrichtung jedoch nicht
möglich.
Ferner ist aus der DE 40 39 797 A1 eine sensorgesteuerte Pflegetechnik
und Unkrautregulation mit einem Sensor oder einer Sensorkombination
zur Erkennung von Nutzpflanzen bekannt, bei der
die erhaltenen Daten von einem Rechner weiterverarbeitet werden
und zu Steuerung eines Aktors dienen. Mit dieser Einrichtung
ist zwar ein Differenzieren verschiedener Pflanzenarten
möglich; es ist jedoch bauartbedingt nur für relativ große Pflanzen
einsetzbar.
Des weiteren ist in der DE 37 02 811 A1 ein farbempfindlicher Geber
zur Pflanzenerkennung beschrieben, der einen Fotoempfänger
für den sichtbaren und einen Fotoempfänger für den nahen infraroten
Spektralbereich aufweist. Bei Einsatz dieses Gebers
ist allerdings das Mitführen einer Beleuchtungseinrichtung erforderlich.
Beim Ernten von Kulturpflanzen, wie Gemüse (Kohl, Salat)
und Heilkräutern ist eine gezielte Ernte nur von reifen bzw.
entsprechend großen Exemplaren erwünscht oder sinnvoll, was
sich jedoch über einen längeren Zeitraum erstrecken kann und personalaufwendig
ist, da reife und entsprechend große Früchte nur von erfahrenem
Personal erkannt und geerntet werden können. Somit
ist diese Ernteweise insgesamt aufwendig und teuer.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Einrichtung zu schaffen,
mit welcher Bodenbereiche und Pflanzen erkannt und unterschieden
werden können und bei welcher darüber hinaus Kulturpflanzen
von Wildpflanzen unterschieden werden können. Ferner
soll gemäß der Erfindung die Größe von Pflanzen bzw. Früchten
automatisch erkannt werden können, um ein gezieltes, automatisches
Ernten zu ermöglichen.
Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe bei einer Einrichtung
zum Erkennen und Unterscheiden von Bodenbereichen und Pflanzen
sowie zum Unterscheiden von Kultur- und Wildpflanzen
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die
Merkmale in dessen kennzeichnendem Teil gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Einrichtung sind Gegenstand
der auf den Anspruch 1 rückbezogenen Unteransprüche.
Insbesondere ist gemäß der Erfindung der Einsatz von Fresnellinsen
in einer Multisegment-Anordnung vorteilhaft, da dadurch
eine Linsenzeile aus nebeneinander angeordneten Einzellinsen
entsteht, von denen jede nur ein schmales Strahlenbündel zum
Detektor lenkt. Dies hat ein kleines Gesichtsfeld zur Folge,
das ein Erkennen kleiner Pflanzen, ein genaues Lokalisieren
und ein Bestimmen der Größe beispielsweise einer Frucht ermöglicht.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung ist die
Kombination des nahen infraroten und sichtbaren Spektralbereichs,
da sich ergänzende Informationen genutzt werden, wobei
eine Kombination der Reflektion im sichtbaren und der Emission
im nahen infraroten Bereich den Einsatz der erfindungsgemäßen
Einrichtung sowohl bei starker Sonneneinstrahlung als auch bei
schwacher Beleuchtung ermöglichen, so daß eine Beleuchtungseinrichtung
nicht mitgeführt zu werden braucht. Ein weiterer
Vorteil der somit erhaltenen redundanten Information ist die
sichere Diskriminierung und Klassifizierung von Pflanzenarten.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen
unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen
im einzelnen erläutert. Es zeigt
Fig. 1 schematisch eine Vorderansicht einer an einem Ackergerät
anzubringenden Einrichtung;
Fig. 2 eine gegenüber der Darstellung in Fig. 1 um 90° gedrehte
Seitenansicht einer Ausführungsform der Einrichtung;
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 wiedergegebenen
Anordnung;
Fig. 3B Strahlungsbündel quer zur Fahrtrichtung
analog der Darstellung in Fig. 1 für eine
Detektor/Linsenanordnung;
Fig. 3C ein Strahlungsbündel in Fahrtrichtung des
mitführenden Geräts;
Fig. 4 einen vertikalen Schnitt durch einen Detektor mit einer
diesem zugeordneten Linsenanordnung und
Fig. 5 eine vergrößerte schematische Darstellung einer
Schnittansicht eines Detektors mit nachgeordneter Linsenanordnung
mit einem an der Linsenanordnung vorgesehenen
Tubusblende.
Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird, wie in
Fig. 1 schematisch dargestellt, eine Einrichtung zum Einsatz
gebracht, bei welcher Kulturpflanzen 4a und Wildpflanzen 4b in
der Anbaufläche beim Darüberhinwegfahren erkannt und lokalisiert
werden; dadurch wird es möglich, die erkannten und lokalisierten
Kulturpflanzen 4a und Wildpflanzen 4b gezielt zu behandeln.
Hierzu wird in der Sensoreinheit ein Infrarot-Sensor (siehe Fig. 1 und 2)
verwendet, der auf Infrarot-Strahlung d. h. Wärmestrahlung anspricht
und mit welchem 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 Kulturpflanzen 4a und Wildpflanzen
4b begründet, da sich bei Sonnenbestrahlung der Boden 5 stärker
aufheizt als lebende Kulturpflanzen 4a und Wildpflanzen
4b, andererseits im unterschiedlichen Emissions- und Reflexionsgrad
von Bonden 5 und Kulturpflanzen 4a und Wildpflanzen
4b, da bei gleicher Temperatur, beispielsweise bei völlig
bedecktem Himmel, Boden und Pflanzen Strahlung unterschiedlicher
Intensität abgeben und darüber hinaus die aus ihrer Umgebung
auf sie auftreffende Strahlung unterschiedlich stark reflektieren.
In der Sensoreinheit 1
wird neben einem Infrarot-Sensor ein Sensor verwendet, der
bezüglich sichtbaren Lichts im grünen Spektralbereich empfindlich
ist.
Mit einem derartigen Sensor können zusätzlich Unterschiede
in der Intensität des grünen Anteils des von den Objekten reflektierten
Sonnenlichts registriert werden. Dieser Unterschied
ist beispielsweise besonders stark zwischen unbewachsenem
Boden 5 und Kulturpflanzen 4a bzw. Wildpflanzen 4b. Daher
ergibt sich bei der Bewegung des Sensors bei einem Übergang
von unbewachsenem Boden 5 zu einer Kulturpflanze 4a oder
Wildpflanze 4b eine hohe Signaländerung, anhand derer die
Pflanze erkennbar ist.
Hierbei besteht jeder Infrarot-Sensor aus einer für Infrarot-Strahlung
geeigneten Optik 11, einem Infrarot-Detektor 10
und einer nachgeordneten (nicht näher dargestellten) Signalverarbeitungselektronik
(Fig. 3A und 3B). Eine Optik 11 in Form
einer einfachen Sammellinse, einer Fresnell-Linse oder auch
einer Spiegelanordnung nimmt die vom Boden 5 bzw. den Kulturpflanzen
4a und Wildpflanzen 4b ausgehende Infrarot-Strahlung
auf und bündelt sie auf den Infrarot-Detektor 10. Der Infrarot-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 Signalverarbeitungseinheit verstärkt und
gefiltert.
Der Sensor für sichtbares Licht ist ebenso aufgebaut.
Ferner weist die Einrichtung eine elektronische Steuereinheit
und einen Aktuator auf, der mit einer Einrichtung zum Ausbringen
von Wirkstoffen in Verbindung steht. Die Sensoreinheit 1
und die Einrichtung 2 zum Ausbringen von Wirkstoffen sind einander
so zugeordnet, daß sie in einer durch einen Pfeil in
Fig. 2 angedeuteten Fahrtrichtung eines schematisch angedeuteten
Gestänges 3 einer Bearbeitungsmaschine hintereinander liegen.
(Siehe Fig. 2). Dadurch "überfährt" zuerst die Sensoreinheit 1
die Kulturpflanzen 4a und anschließend die Einrichtung 2 zum
Ausbringen von Wirkstoffen. Wird im Betrieb die Sensoreinheit 1 über
die Bewuchsfläche geführt, so erreicht diese ein Strahlungssprung,
wenn im Gesichtsfeld der Optik 11 ein Übergang
vom Boden 5 zur Kulturpflanze 4a erfolgt. Dieser Strahlungssprung
bewirkt in der nachgeordneten Verarbeitungseinheit einen
elektrischen Signalsprung, der an eine Steuereinheit weitergegeben
wird, durch welche dann der Aktuator zum Ausbringen
eines Wirkstoffs in Gang gesetzt wird. Hierbei werden Zeitpunkt
und Zeitdauer der Ansteuerung des Aktuators 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-Detektoren 10 arbeiten
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 natürlicher
Temperaturen zur Frühjahrs- und Sommerzeit befindet. Ferner
ist die Atmosphäre im Bereich von 5 µm bis 8 µm und von 14 µm
bis 30 µm über längere Wegstrecken für Infrarot-Strahlung undurchlässig,
so daß diese Bereiche ohnehin ungeeignet sind.
Der mechanische Aufbau, der im Prinzip demjenigen bekannter
Spritzgeräte entspricht, wird in seiner Geometrie den Verhältnissen
in der Anbaufläche angepaßt. In der Regel stehen heranwachsende
Kulturpflanzen 4a in parallelen Reihen, die einen
gleichen Abstand a voneinander und innerhalb einer Reihe ebenfalls
gleiche Abstände haben. 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 Sensoreinheiten 1 und Einrichtungen 2
zum Ausbringen von Wirkstoffen an einem schematisch angedeuteten
Gestänge 3 in demselben Abstand a wie die Pflanzenreihen
und damit wie die in den Reihen angeordneten Kulturpflanzen 4a
angebracht bzw. in gleichen Abständen wie die zwischen den Reihen
bzw. Reihenzwischenräumen zu bekämpfenden Wildpflanzen 4b.
In der gesamten Arbeitsbreite befindet sich über jeder Pflanzenreihe
eine Sensoreinheit 1 einschließlich einer Steuereinheit,
eines Aktuators und einer Einrichtung 2 zum Wirkstoff-Ausbringen.
Die Strahlungserfassung durch die Sensoreinheiten 1 erfolgt
vorzugsweise senkrecht oder unter steilen Blickwinkeln
von oben. Hierbei wird das Gesichtsfeld durch Abstimmung der
Brennweite einer Optik 11 und der Größe der verwendeten Infrarot-Detektoren
10 so ausgelegt, daß der Gesichtsfeldwinkel α
von der üblichen Größe einer Kulturpflanze 4a bzw. Wildpflanze
4b vollständig ausgefüllt wird. Entsprechend der typischen
Größe der jeweiligen Pflanzenart wird auch die Betriebshöhe
der Sensoreinheiten 1 über dem Bewuchs abgestimmt und eingestellt.
Durch schaukelnde und ungleichmäßige Fahrtbewegungen wird
ebenfalls die Blickrichtung der Sensoren und auch der Wirkstoffe
ausbringenden Einrichtung 2 bzw. in Form einer Spritz-
oder Auswurfeinrichtung beeinflußt. Diesem unerwünschten Einfluß
wird einerseits durch eine entsprechend größere Bemessung
des Gesichtsfeldes jedes Sensors begegnet, wodurch dann ein
größeres Flächensegment als das von der Kulturpflanze 4a bzw.
Wildpflanze 4b überdeckte erfaßt wird. Andererseits wird der
Einfluß solcher ungleichmäßiger Fahrbewegungen dadurch gering
gehalten, daß die Sensoreinheiten 1 und die einzelnen Einrichtungen 2
Wirkstoff-Ausbringen möglichst nahe über den Kulturpflanzen
4a bzw. Wildpflanzen 4b angeordnet und damit über sie hinweg
bewegt werden, so daß ein präzises Wirkstoff-Ausbringen
gewährleistet ist. Gleichzeitig ist durch ein entsprechend sicheres
Montieren der einzelnen Einheiten sichergestellt, 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 einzelnen
Reihen bei einem Abstand a der Reihen 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 solchen Fall ist dann beispielsweise die Anordnung der
Sensoren der Einrichtung folgendermaßen zu bemessen:
Abstand a der einzelnen Sensoren 1 an einem von dem Ackergerät
mitgeführten Gestänge 3: 40 cm
Höhe der einzelnen Sensoren über Grund/Boden: 40 bis 45 cm
Brennweite der Optik 11 (Fresnellinsen): 8 mm
Durchmesser eines Infrarot-Detektors 10 bzw. eines Detektors 10′: 4 mm
Gesichtsfeldwinkel (Pflanze): 12,6 bis 14,3°
Gesichtsfeldwinkel α (insgesamt): 28°
Durchmesser einer erfaßten Bodenfläche: 20 cm
Höhe der einzelnen Sensoren über Grund/Boden: 40 bis 45 cm
Brennweite der Optik 11 (Fresnellinsen): 8 mm
Durchmesser eines Infrarot-Detektors 10 bzw. 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, beträgt
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 derzeit
verfügbaren Detektoren, die in dem Wellenbereich von 8
bis 14 µm arbeiten. Die Verwendung und der Einsatz thermoelektrischer
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 Detektoren
sind beispielsweise das Thermoelement, in Form einer
"Thermosäule", ein Termistor bzw. ein Thermowiderstand und pyro-elektrische
Detektoren. Unter den zuletzt angeführten Elementen
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 pyroelektrische
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" angebracht
ist. Dadurch ist erreicht, daß nur ein Element auf
einfallende Strahlung reagiert und folglich ein Signal liefert,
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 Einflüsse
von Fahrzeugvibrationen auf den Sensor 1 noch weiter
gedämpft und damit gemildert werden.
Als Optik 11 zur Strahlenbündelung werden bevorzugt Fresnellinsen
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
Einzellinsen 11b, die nebeneinander angeordnet sind und
dadurch eine Linsenzeile bilden. Die Einzellinsen 11b sind
eben oder auch gewölbt vor einem schematisch angedeuteten Infrarot-Detektor
10 angebracht.
Da jede Einzellinse 11b nur ein schmales Strahlenbündel 11c
zum Infrarot-Detektor 10 lenkt, wie aus Fig. 3B zu ersehen ist,
erfaßt der Infrarot-Detektor 10 Strahlung von n benachbarten
Strahlenbündeln 11c, die gemeinsam einen Streifen bilden. Dabei
hängt die Geometrie jedes einzelnen Strahlenbündels 11c
und damit des Streifens von den Abmessungen des Infrarot-Detektors
10 und der Multisegment-Anordnung 11a der Linsen ab.
In Fig. 3A ist beispielsweise eine Linsenanordnung mit acht
Einzellinsen 11b verwendet, die jeweils eine Brennweite von
3 cm haben. Wenn der Infrarot-Detektor 10 quadratisch ist und
eine Kantenlänge von 1,5 mm hat, ergibt sich damit ein Raumwinkel
von 2,5 mrad für ein Linsenelement. Wenn eine solche Anordnung
in einer Anbringungshöhe h von 125 cm über dem Boden 5
montiert ist, wird mit einer solchen Anordnung etwa ein Streifen
mit einer Breite b von 50 cm und einer Tiefe t von 4 cm erfaßt
(Hierbei ist die Apertur der Einzellinse 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 Strahlungseigenschaften
überfahren werden; hierbei beruhen die wechselnden
Strahlungseigenschaften auf dem Wechsel von Boden 5 zu Vegation.
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 angebracht
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
Optik 11 in Form einer Fresnellinse mit 26 Elementen dargestellt,
welche als Massenartikel preiswert zu erhalten sind.
Die in Fig. 4 dargestellte Anordnung hat einen Gesichtsfeldwinkel
α = 90. Wie in Fig. 5 gezeigt, wird der unmaßstäblich
wiedergegebene Gesichtsfeldwinkel α′ mit einer entsprechend
dimensionierten Tubusblende Tb auf einen Winkel von etwa 40
reduziert. Die Tubusblende Tb in Fig. 5 hat die Form eines im
Querschnitt zylindrischen oder rechteckigen Metall- bzw.
Kunststoffrohrs, das sowohl für infrarote als auch für sichtbare
Strahlung undurchlässig 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. der
Linsenanordnung 11′) erreicht, wird deren Temperatur verändert,
wodurch am Detektor 10′ ein Signal erzeugt und ein Fehlalarm
ausgelöst werden kann. Darüber hinaus schützt die Tubusblende
Tb die Linse bzw. die Linsenanordnung 11′ vor einer
Kontaminierung durch Pollen, Tau oder Regen von hochstehenden
Gewächsen bzw. Gräsern.
Im Einsatz wird eine Bearbeitungsmaschine, an welcher das Gestänge
3 angebracht ist, so geführt, daß die Sensoreinheiten 1 sowie
die Einrichtungen 2 zum Wirkstoff-Ausbringen immer über einer
zugeordneten Reihe von Kulturpflanzen 4a angeordnet sind. Jede
Sensoreinheit 1 erkennt dann für sich die Kulturpflanzen 4a in
seiner Reihe und steuert unabhängig von den übrigen Sensoreinheiten 1
das ihm zugeordnete Wirkstoff-Ausbringen. 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 Sprühkegel auszustatten sind als
bei einer flächendeckenden Sprühung oder aber auch, daß Streugut
nicht nahezu horizontal herausgeschleudert wird, sondern
senkrecht zum Boden 5 rieseln muß, bzw. beispielsweise mittels
Preßluft herausgeschleudert wird.
Mit Hilfe der bisher beschriebenen Ausführungsformen
können Kulturpflanzen
4a auf sonst unbewachsenem Boden 5 erkannt werden. Nachfolgend
werden weitere Ausführungsformen beschrieben, mit welchen
sowohl Pflanzen in nichtdeckend bewachsenem Boden erkannt
werden, als auch Kultur- und Wildpflanzen 4a bzw. 4b voneinander
unterschieden werden. Bei einer ersten Ausführungsform
wird dieses Problem in zwei Teillösungen behandelt. Diese Ausführungsform
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 beschriebenen
Ausführungsformen verwendet, die jedoch mit weiteren
Sensoren 1 und Einrichtungen 2 zum Ausbringen von Wirkstoff
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 Wildpflanzen
4b kann es notwendig sein, mehr Sensoren nebeneinander zum
Überwachen eines jeden Reihenzwischenraums anzuordnen. Es ist
auch möglich, dazu einen Mehrelementdetektor in nur einem Sensor
zu verwenden. Ferner kann auch ein Mehrelementdetektor in
nur einem Sensor verwendet werden.
Aus der Position des Signal abgebenden Detektorelements kann
dabei auf die Lage der Wildpflanze 4b in dem Zwischenraum zwischen
den Reihen geschlossen werden und es können die notwendigen
Maßnahmen entsprechend gezielt durchgeführt werden. Dazu
ist es auch möglich, dem Sensor mit Mehrelementdetektor eine
Ausbringeinheit mit mehreren Düsen bzw. Ausbringöffnungen zuzuordnen,
die von dem zugehörigen Detektorelement gesteuert
werden. Die Anzahl der Detektorelemente, deren optische Auslegung
und deren mechanische Geometrie, sowie die Ausbringeinheiten
sind so aufeinander abzustimmen, daß der gesamte Reihenzwischenraum
in der gewünschten geometrischen Auflösung,
d. h. der Größe der unabhängig voneinander erfaßten Bodensegmente,
überwacht und bearbeitet werden kann.
Es werden mittels der Sensoreinheiten 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 unterschieden.
Mit den Infrarot-Sensoren werden die unterschiedlichen
Intensitäten der Infrarot-Strahlungen von Kultur-
und Wildpflanzen genutzt. Beispielsweise ist die Intensität
der Infrarot-Strahlung von Blattpflanzen und Gräsern unterschiedlich
stark und ermöglicht damit deren Unterscheidung. Um
dies zu erreichen, ist in der Regel eine sogenannte "Einlernphase"
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 Algorithmus
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 lassen
sich an ihrem Grün aufgrund der unterschiedlichen Reflexionseigenschaften
erkennen. Dies gilt in analoger Weise für
die Farben der Pflanzen und des Bodens 5 im gesamten Spektrum
des sichtbaren Lichts. Besonders stark ausgeprägt sind die Unterschiede
des Reflexions-Emissions-Verhalten auch im Spektralbereich
Nahes-Infrarot.
Diese Tatsachen werden
zur Unterscheidung von Kultur- 4a
und Wildpflanzen 4b mit einem optischen Sensor genutzt, der
mehrere Kanäle im Spektralbereich von 0,4 m bis etwa 2,8 m
aufweist. Beispielsweise hat ein Sensor drei Maßkanäle, nämlich
zwei Kanäle in den Chlorophyll-Absorptionsbanden bei
0,45 m und 0,65 m und einen dritten Kanal bei etwa 1 m. Die
Signale dieser drei Kanäle werden gleichzeitig erfaßt, digitalisiert
und einer dem Sensor nachgeschalteten, digitalen Auswerteeinheit
in Form digitaler Datenworte übergeben. Als digitale
Auswerteeinheit kann ein Rechner, beispielsweise in Mikroprozessor
verwendet werden. In einer solchen Auswerteeinheit
werden dann aus den digitalen Daten aller Kanäle mittels
bekannter Algorithmen zur Klassifikation die Arten der erfaßten
Daten identifiziert.
Da die genutzten Reflexionseigenschaften der Pflanzen von deren
Alter, Reifegrad, Ernährungszustand sowie von der Beschaffenheit
und der Feuchte des Standortes und außerdem ihre spektrale
Signatur von der jeweiligen Einstrahlung bei Sonne, Bewölkung,
Nebel, Dunst, u. ä. abhängen, kann mit der erfindungsgemäßen
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 Sensoreinheit
die spektrale Signatur von Kultur- und Wildpflanzen getrennt
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 automatisch
oder im Dialog mit dem Anwender ermittelt und im anschließend
durchgeführten Einsatz angewendet.
Alle bisher beschriebenen Ausführungsbeispiele können auch dazu
verwendet werden, um den Durchmesser der erfaßten Pflanzen,
d. h. den Durchmesser in Fahrtrichtung der landwirtschaflichen
Maschine zu bestimmen. Die optischen Sensoren registrieren ein
Signalwechsel, wenn eine Pflanze in ihr Gesichtsfeld gelangt
und einen weiteren Signalwechsel, wenn die Pflanze das Gesichtsfeld
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 Größe
einer erntereifen Pflanze der jeweiligen Art verglichen.
Als Resultat wird dann das Kommando "Ernten" bzw. "Nicht-Ernten"
an die zugehörige automatische Ernteeinheit der Maschine
gegeben, welche analog der Ausführungsform in Fig. 2 bezüglich
der Einrichtung 2 zum Wirkstoff-Ausbringen in Fahrtrichtung
hinter der Sensoreinheit 1 angebracht wird und da entsprechend
verfährt.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Einrichtung ist es bezüglich
der Pflanzenpflege möglich, Kulturpflanzen in einer landwirtschaftlich
oder gärtnerisch genutzten Anbaufläche zu erkennen
und obendrein auch noch Kultur- 4a von Wildpflanzen 4b zu unterschieden.
Indentifizierte Pflanzen können dann gezielt behandelt
werden, so beispielsweise werden Kulturpflanzen 4a gewässert,
gedüngt oder mit Schädlings-Bekämpfungsmitteln behandelt,
während Wildpflanzen 4b mechanisch, chemisch oder thermisch
vernichtet werden. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Einrichtung
werden die eingesetzten Wirkstoffe ausschließlich an
den für sie bestimmten Orten in der minimal notwendigen Menge
ausgebracht, so daß ihr Einsatz auf diese Weise ökonomisch und
ökologisch optimiert ist. Der finanzielle Aufwand, insbesondere
hinsichtlich der Kosten der auszubringenden Wirkstoffe,
wird durch eine sparsame Verwendung verringert; gleichzeitig
wird die unerwünschte Belastung von Boden, Grundwasser und
Kulturpflanzen minimal gehalten. Obendrein wird die Qualität
der erzeugten Kulturpflanzen gesteigert. Ein besonderer Vorteil
der Erfindung liegt darin, daß in einem Arbeitsgang verschiedene
Bearbeitungsschritte gleichzeitig vorgenommen werden
können: so können die Kulturpflanzen 4a gedüngt und bewässert
werden, während gleichzeitig die Wildpflanzen 4b bekämpft werden.
Dadurch werden Arbeitszeit und Arbeitsenergie (z. B.
Treibstoff) eingespart. Obendrein kann mit Hilfe der erfindungsgemäßen
Einrichtungen die bisher nur aufwendig durchzuführende
Ernte einzelner Pflanzen automatisiert und damit
wirtschaftlicher durchgeführt werden.
Claims (4)
1. Einrichtung zum Erkennen und Unterscheiden von Bodenbereichen
und Pflanzen sowie zum Unterscheiden von
Kultur- (4a) und Wildpflanzen (4b), bei welcher
eine Sensoreinheit (1) mit einer Optik (11), ein Infrarot-Detektor
(10) oder ein Detektor (10′) für sichtbares Licht sowie eine
elektronische Signalverarbeitungseinheit vorgesehen sind, so
daß die vom Boden (5) oder einer Pflanze ausgehende
Strahlung durch die Optik (11) auf dem Detektor (10, 10′) gebündelt
wird, der ein elektrisches Signal erzeugt, dessen Höhe
von der Intensität der auftreffenden Strahlung abhängt,
das Signal mittels einer elektronischen Signalverarbeitung
zu einem Steuersignal verarbeitet wird, und der elektronischen Signalverarbeitungseinheit
eine elektronische Steuereinheit und ein
Aktuator, der mit einer Einrichtung (2) zur Wirkstoff-Ausbringung
in Verbindung steht, nachgeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet,
daß
die Sensoreinheit (1) je einen Sensor für sichtbares Licht und für infrarote Strahlung aufweist,
daß zum Erkennen der Pflanzen und zum Unterscheiden der Kultur- (4a) und Wildpflanzen (4b) mit Hilfe der Unterschiede in den Strahlungseigenschaften (Reflexion, Emission) unterschiedlicher Pflanzenarten und des Bodens (5) im gesamten Spektrum sichtbaren Lichts und im Spektralbereich Nahes-Infrarot ein optischer Sensor mit mehreren Meßkanälen im Spektralbereich von 0,4 µm bis etwa 2,8 µm, nämlich zwei Kanälen in Chlorophyll-Absorptionsbanden bei 0,45 µm oder 0,65 µm und einem dritten Kanal bei etwa 1 µm vorgesehen ist,
daß der Infrarot-Detektor (10) ein pyroelektrischer Detektor für einen Wellenbereich von 8 bis 14 µm ist, der zur Kompensation von mechanischen Schwingungen mit einem zweiten, gegenpolig geschalteten, abgedunkelten Detektorelement ausgerüstet ist,
daß die Optik (11) eine streifenförmige Multisegment-Anordnung (11a) aus einer Anzahl Einzellinsen (11b) aufweist, die quer zur Fahrtrichtung ausgerichtet und somit in Fahrtrichtung schmal ist, so daß ein hoher Signalsprung dann erreicht wird, wenn im Einsatz Bodenstrukturen wie ein Wechsel von Boden (5) und Vegetation (4a, 4b) mit wechselnden Strahlungseigenschaften überfahren werden,
daß die Signale aller drei Kanäle gleichzeitig erfaßt, digitalisiert und einer dem optischen Sensor nachgeschalteten, digitalen Auswerteeinheit in Form digitaler Datenworte übergeben werden, wobei
in der Auswerteeinheit aus den digitalen Daten aller drei Kanäle mittels bekannter Algorithmen zur Klassifikation die Arten der erfaßten Pflanzen identifiziert werden, indem zu Beginn eines Einsatzes mit der Sensoreinheit spektrale Signaturen von Kultur- (4a) und Wildpflanzen (4b) getrennt aufgenommen werden und der Auswerteeinheit über eine Eingabeeinheit mitgeteilt wird, ob die aufgenommene Signatur von Kultur- (4a) oder Wildpflanzen (4b) stammt, wobei der optimale Algorithmus zur Klassifikation von der Auswerteeinheit automatisch oder im Dialog mit einem Anwender ermittelt und im anschließend durchgeführten Einsatz angewendet wird.
die Sensoreinheit (1) je einen Sensor für sichtbares Licht und für infrarote Strahlung aufweist,
daß zum Erkennen der Pflanzen und zum Unterscheiden der Kultur- (4a) und Wildpflanzen (4b) mit Hilfe der Unterschiede in den Strahlungseigenschaften (Reflexion, Emission) unterschiedlicher Pflanzenarten und des Bodens (5) im gesamten Spektrum sichtbaren Lichts und im Spektralbereich Nahes-Infrarot ein optischer Sensor mit mehreren Meßkanälen im Spektralbereich von 0,4 µm bis etwa 2,8 µm, nämlich zwei Kanälen in Chlorophyll-Absorptionsbanden bei 0,45 µm oder 0,65 µm und einem dritten Kanal bei etwa 1 µm vorgesehen ist,
daß der Infrarot-Detektor (10) ein pyroelektrischer Detektor für einen Wellenbereich von 8 bis 14 µm ist, der zur Kompensation von mechanischen Schwingungen mit einem zweiten, gegenpolig geschalteten, abgedunkelten Detektorelement ausgerüstet ist,
daß die Optik (11) eine streifenförmige Multisegment-Anordnung (11a) aus einer Anzahl Einzellinsen (11b) aufweist, die quer zur Fahrtrichtung ausgerichtet und somit in Fahrtrichtung schmal ist, so daß ein hoher Signalsprung dann erreicht wird, wenn im Einsatz Bodenstrukturen wie ein Wechsel von Boden (5) und Vegetation (4a, 4b) mit wechselnden Strahlungseigenschaften überfahren werden,
daß die Signale aller drei Kanäle gleichzeitig erfaßt, digitalisiert und einer dem optischen Sensor nachgeschalteten, digitalen Auswerteeinheit in Form digitaler Datenworte übergeben werden, wobei
in der Auswerteeinheit aus den digitalen Daten aller drei Kanäle mittels bekannter Algorithmen zur Klassifikation die Arten der erfaßten Pflanzen identifiziert werden, indem zu Beginn eines Einsatzes mit der Sensoreinheit spektrale Signaturen von Kultur- (4a) und Wildpflanzen (4b) getrennt aufgenommen werden und der Auswerteeinheit über eine Eingabeeinheit mitgeteilt wird, ob die aufgenommene Signatur von Kultur- (4a) oder Wildpflanzen (4b) stammt, wobei der optimale Algorithmus zur Klassifikation von der Auswerteeinheit automatisch oder im Dialog mit einem Anwender ermittelt und im anschließend durchgeführten Einsatz angewendet wird.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
als Optik (11) zur Strahlungssammlung Fresnellinsen in der Multisegment-Anordnung
(11a) vorgesehen sind, die aus einer Anzahl
von n rechteckigen oder quadratischen Einzellinsen (11b)
gebildet sind, welche nebeneinander angeordnet sind und in etwa
eine Zeilenlinse bilden, sowie plan oder auch gewölbt vor
dem Detektor (10) angebracht sind, wobei jede Einzellinse
(11b) nur ein schmales Strahlenbündel zum Detektor (10) lenkt,
welcher wegen der n Einzellinsen die Strahlung aus einem
Streifen von n benachbarten Bündeln empfängt.
3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß an der Linsenanordnung (11′) eine Tubusblende (Tb) aus
einem zylindrischen oder rechteckigen Rohr aus einem für Infrarot-Strahlung
und sichtbare Strahlung undurchlässigen Material
vorgesehen ist.
4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß in der Auswerteeinheit aus erfaßten Signalen Information
über Durchmesser von Kulturpflanzen (4a) gewonnen
wird, indem die zeitliche Dauer des von einer Kulturpflanze (4a)
stammenden Signals und die tatsächliche Fahrgeschwindigkeit
des Ackergeräts erfaßt werden, aus diesen beiden Größen in der
Auswerteeinheit der Durchmesser der Kulturpflanze (4a) errechnet und mit
den gespeicherten Durchmesser-Daten von Kulturpflanzen verglichen wird.
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