DE19528663A1

DE19528663A1 - Verfahren zur Einstellung einer mobilen Arbeitsmaschine

Info

Publication number: DE19528663A1
Application number: DE1995128663
Authority: DE
Inventors: Heinz Dieter Prof Kutzbach; Peter Dr Reitz; Peter Dr Wacker
Original assignee: HOHENHEIM, University of
Current assignee: HOHENHEIM, University of
Priority date: 1995-08-04
Filing date: 1995-08-04
Publication date: 1997-02-06

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung einer mobilen Arbeitsmaschine, die mit mindestens einer Meßeinrichtung zur Bestimmung ihrer Position sowie mit mindestens einer weiteren Meßvorrichtung zur Erfassung einer zur Einstellung des betreffenden Arbeitsvorgangs erforderlichen Größe ausgestattet ist, bei welchem eine Aktion der Arbeitsmaschine selbst, vorzugsweise deren Fahrgeschwindigkeit, und/oder mindestens eines ihr zugehörigen Arbeitsorgans durch die Beziehung zwischen der bestimmten Position und der erfaßten oder einer hieraus abgeleiteten Größe eingestellt wird.

Mobile Arbeitsmaschinen umfassen beispielsweise in der Landwirtschaft oder in der Baubranche auf zu bearbeitenden Flächen eingesetzte Maschinen oder Geräte wie beispiels weise Erntemaschinen (Mähdrescher, Häcksler usw.), Pflüge, Düngerstreuer oder Planiermaschinen, denen gemeinsam ist, daß sie zu ihrer zweckgerichteten Verwendung während der Dauer ihres Betriebs ihre Position innerhalb einer Fläche oder eines Feldes verändern. Wird die Einstellung der Maschine dabei an lokale Flächenmerkmale angepaßt, so wird dies als teilflächenbezogene Bearbeitung bezeichnet. Entsprechend der betrachteten mobilen Arbeitsmaschine und in Abhängigkeit vom gewünschten Einsatzzweck gibt es jeweils mindestens eine Prozeßgröße und/oder ein Flächen merkmal, die zur sachgerechten Einstellung der Arbeits maschine erforderlich sind. Im Falle eines Mähdreschers sind diese Prozeßgrößen beispielsweise der Gesamtdurchsatz, der Korndurchsatz, der Kornverlust, die Kornreinheit oder die Kornfeuchte; Flächenmerkmale sind beispielsweise die Bestandshöhe, der Ertrag oder die Hangneigung.

Es ist bekannt, mobile Arbeitsmaschinen mit Informations-, Steuerungs- und Regelungssystemen auszustatten, um einerseits die Bedienperson beim Einsatz der Maschine zu entlasten und um andererseits insgesamt die Produktivität und/oder Arbeitsqualität zu erhöhen. Eine bedarfsgerechte Bewirtschaftung z. B. in der Landwirtschaft ermöglicht sowohl einen wirtschaftlichen wie einen umweltschonenden Einsatz der verwendeten Betriebsmittel.

Im Falle von Mähdreschern werden beispielsweise deren Fahrgeschwindigkeit und/oder die Aktionen von Arbeits organen wie die Drehzahl der Dreschtrommel und des Gebläses der Reinigungsanlage, die Einstellung des Siebes und des Dreschspaltes usw. entsprechend den ermittelten Prozeß größen wie beispielsweise dem Kornverlust geregelt.

So ist aus der EP 0 347 979 ein Verfahren zur Durchsatz- bzw. Fahrgeschwindigkeitsregelung eines Mähdreschers bekannt, bei dem aus den mittels Meßvorrichtungen erfaßten Größen Kornverlust und -abscheidung unter Einbeziehung eines vorgegebenen Kornverlustniveaus ein Bezugs-Körner trennungssignal abgeleitet wird, welches derart in Bezug zum Körnertrennungssignal gesetzt wird, daß daraus das zur Einstellung des Mähdreschers verwendete Körnertrennungs fehlersignal ermittelt wird.

Andere Regelungssysteme an Mähdreschern versuchen den Gesamtdurchsatz durch Anpassung der Fahrgeschwindigkeit auf einem konstanten, der Kapazität der Maschine angepaßten Niveau zu halten. Die Durchsatzmessung erfolgt bei diesen Systemen vorzugsweise indirekt über die Messung der Belastung an den Dresch- und Förderorganen (Drehmoment, Auslenkung usw.).

Ackerschlepper werden zur Erhöhung der Arbeitsproduktivität bei der Bodenbearbeitung durch Verringerung des Schlupfes bzw. Erhöhung der Triebkraft mit Kraftheberregelungen ausgestattet. Zur Regelung der Zugkraft wird diese zwischen Schlepper und Gerät gemessen und die rage des Krafthebers bei Abweichung von einem vorgegebenen Sollwert verändert.

Ein grundsätzliches Problem bei den bisher bekannten Einstellungsverfahren für mobile Arbeitsmaschinen ist der Zeitversatz zwischen der Erfassung einer für die Einstel lung relevanten Meßgröße und den daraus resultierenden Aktionen der Arbeitsmaschine bzw. ihrer Arbeitsorgane. Dieser Zeitversatz entsteht durch die Verarbeitung der Meßgrößen und die Trägheit der Stellvorrichtungen. Außerdem können die Prozeßgrößen bei vielen Arbeitsmaschinen, wie beispielsweise dem Mähdrescher oder dem Feldhäcksler, systembedingt erst in der Maschine erfaßt werden.

Die Erfassung der Belastung der Dreschtrommel und/oder der ihr vorgeschalteten Organe bietet auf dem Mähdrescher beispielsweise die früheste Möglichkeit den Gesamtdurchsatz zu ermitteln, so daß hierbei der Zeitversatz, der zwischen der Aufnahme des Erntegutes und dem Erreichen der Meßvorrichtung liegt, relativ gering ist. Durch eine Fahrgeschwindigkeitsregelung allein können jedoch keine Anpassungen an bereits aufgenommenes Gut durchgeführt werden. Weiterhin ist besonders bei Fahrgeschwindigkeits regelungen zu beachten, daß die sich auf der mobilen Arbeitsmaschine befindliche Bedienperson keinen allzu großen Beschleunigungen ausgesetzt werden darf. Eine Verbesserung ergibt sich, wenn beispielsweise zusätzlich die Dreschtrommeldrehzahl geregelt wird. Aufgrund der genannten Nachteile lassen sich mit diesen Systemen bisher nur relativ langwellige Änderungen in den Prozeßgrößen und/oder Flächenmerkmale ausregeln. Dies gilt insbesondere, wenn wie beispielsweise in der EP 0 347 979 erst im weiteren Verlauf des Arbeitsprozesses bestimmbare Größen wie etwa die Kornabscheidung im Dresch- und Reinigungs bereich oder der Kornverlust am Ausgang der Trennorgane zur Einstellung des Mähdreschers verwendet werden. Eine genaue Erfassung des vor dem Mähdrescher liegenden Bestandes wäre deshalb vorteilhaft (siehe z. B. Manfred Eimer, Habilitationsschrift, Universität Göttingen, 1973).

Durch die Einführung einer sogenannten Vorfeldabtastung, die ausschließlich oder zusätzlich zu den genannten Verfahren eingesetzt werden soll, wird das Ziel verfolgt, zur Einstellung der Fahrgeschwindigkeit bzw. der Arbeits organe das räumlich vor dem Mähdrescher zu erwartende Ertragsniveau zumindest teilweise zu berücksichtigen. So ist aus der DD 2 88 085 ein Mähdrescher bekannt, welcher die Bestände durch eine am Schneidwerk befestigte, in den zu erntenden Bestand ragende Schubstange abtastet, und zwar zusätzlich zu dichte- oder farbselektiven Messungen, die unter Verwendung von optoelektronischen oder Ultraschall- Vorrichtungen (siehe etwa GB 1 577 525) das Ertragsniveau abschätzen. Weitere im Verlauf des Prozesses im Mähdrescher selbst erfaßte Größen werden außerdem mit den dadurch gewonnenen Ergebnissen kombiniert.

Da allerdings die Reichweite einer Vorfeldabtastung begrenzt ist, läßt sich auch bei diesen Verfahren ein verspätetes Ansprechen der Stelleinrichtungen, insbesondere bei schlagartigen Änderungen der Bestandsdichte und/oder vor allem bei hohen Fahrgeschwindigkeiten nicht aus schließen. Ein weiterer, entscheidender Nachteil der Vor feldabtastung liegt darin, daß die Erfassung der Bestands dichte im Raum vor der mobilen Arbeitsmaschine durch Steine, Verunkrautung, Lagergetreide usw. in besonderem Maße störanfällig ist. Daher führte auch der Einsatz von modernen Methoden der Bildverarbeitung bisher zu keiner für den praktischen Feldeinsatz geeigneten Regelungseinrichtung für mobile Arbeitsmaschinen.

Weiterhin sind Verfahren bekannt, die eine teilflächen bezogene Bearbeitung von landwirtschaftlichen Flächen dadurch ermöglichen, daß sie lokale Prozeßgrößen oder Flächenmerkmale wie beispielsweise den Ertrag oder die Bodenqualität innerhalb eines Feldes gemeinsam mit der Position als geokodierte Daten erfassen, in einer Karte speichern und unter möglicher Berücksichtigung von weiteren Einflußgrößen in eine Karte mit geokodierten Daten für die der Erfassung nachfolgende Bearbeitung der Flächen, wie etwa der Düngung oder dem Pflanzenschutz, weiter verarbeiten.

Die in der WO 86/05353 und der EP 0 181 308 beschriebenen Verfahren setzen dabei voraus, daß die für die Einstellung relevanten geokodierten Daten bereits vor Beginn der teilflächenbezogenen Bearbeitung vorliegen, so daß sie sich nicht auf Arbeitsmaschinen übertragen lassen, deren Einstellung an aktuelle Prozeßgrößen und/oder Flächen merkmale angepaßt werden muß. Beispielsweise lassen sich die Einstellung der Fahrgeschwindigkeit und/oder der Arbeitsorgane einer Erntemaschine nicht an die lokalen Ertragsunterschiede innerhalb des Feldes aus der voran gegangenen Ernte anpassen, da diese in Abhängigkeit von der Fruchtart und der Witterungsbedingungen sehr stark variieren können.

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, durch ein Verfahren der eingangs angegebenen Art eine frühzeitige und genaue Bestimmung von zur Einstellung des betreffenden Arbeitsvorgangs erforderlichen Prozeßgrößen und/oder Flächenmerkmalen zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der Tatsache, daß die Aktion der mobilen Arbeitsmaschine selbst, vorzugsweise ihre Fahrgeschwindigkeit, und/oder die eines ihr zugehörigen Arbeitsorgans nach geokodierten Größen eingestellt wird. Die Prozeßgrößen und/oder Flächen merkmale, deren Kenntnis zur Einstellung erforderlich sind, werden aus Meßgrößen, die während des aktuellen Arbeitsganges bei der vorherigen Vorbeifahrt erfaßt worden sind, vorausberechnet, so daß diese bereits für eine bestimmte Position, die noch unbearbeitet vor der mobilen Arbeitsmaschine liegt, bekannt sind. Diese Position kann sich in beliebiger Entfernung vor der Maschine befinden und wird aus der aktuellen Position der mobilen Arbeitsmaschine und ihrem Fahrkurs ermittelt. Anschließend wird geprüft, ob sich bereits erfaßte Meßgrößen auf diese Position beziehen, und in diesem Falle werden deren Werte für eine Vorausberechnung der für die Einstellung relevanten Prozeßgrößen und/oder Flächenmerkmale herangezogen. Durch das beschriebene Verfahren lassen sich somit auch Flächen teilflächenbezogen bearbeiten, für die noch keine für die Einstellung der Arbeitsmaschine relevanten geokodierten Daten vorliegen.

Zur Erfassung der Meßgrößen lassen sich bekannte auf und vor der Arbeitsmaschine eingesetzte Verfahren nutzen. Weiterhin ist es auch möglich, die Flächenmerkmale der bei der vorherigen Vorbeifahrt neben der Arbeitsmaschine gelegenen, noch nicht bearbeiteten Teilfläche zu erfassen und diese bei der späteren Bearbeitung der entsprechenden Teilfläche zusätzlich und/oder ausschließlich zur Vorausberechnung heranzuziehen.

Aus den vorausberechneten Werten lassen sich mit Hilfe eines geeigneten Prozeßrechners bei Kenntnis des Betriebs verhaltens der Arbeitsmaschine Einstellungsempfehlungen für deren Aktionen, vorzugsweise ihrer Fahrgeschwindigkeit, und/oder der ihr zugehörigen Arbeitsorgane ableiten. In diese Berechnungen können zusätzlich aktuell bestimmte Meßwerte miteingehen. Die vorausberechneten Werte und/oder Stellbefehle lassen sich zweckmäßigerweise zusammen mit den aktuellen Meßwerten und der aktuellen Einstellung auf eine Anzeigevorrichtung übertragen, um der Bedienperson Informa tionen bzw. Handlungsanweisungen für eine manuelle Änderung der Einstellungen der Arbeitsmaschine zu geben.

Für eine automatische Einstellung der Aktionen der mobilen Arbeitsmaschine, vorzugsweise ihrer Fahrgeschwindigkeit, und/oder der ihr zugehörigen Arbeitsorgane lassen sich dieselben ermittelten Einstellungsempfehlungen direkt an ein geeignetes Steuerungs- und/oder Regelungssystem über geben. Die Tatsache, daß der Wert der Entfernung zur Position der vorausberechneten Prozeßgrößen und/oder Flächenmerkmale nicht konstant sein muß, ermöglicht beispielsweise eine Anpassung dieses Entfernungswertes an die Höhe der aktuellen Fahrgeschwindigkeit, was insbe sondere zur Verminderung von auftretenden Beschleunigungen dienlich ist.

Ein geeignetes Verfahren zur Vorausberechnung der Prozeß größen und/oder Flächenmerkmale ist die Mittelwertbildung. Weitere, verfeinerte Verfahren sind beispielsweise die Wichtung der entsprechenden Werte nach der Entfernung zur Position der Vorausberechnung unter Einbeziehung der Richtung der Änderung der Meßwerte (Gradientenverfahren). Auch läßt sich die Vorausberechnung z. B. nur mit der bereits erfaßten Meßgröße, deren Position sich örtlich am nähesten zur Position der Vorausberechnung bezieht, durch führen.

Die Erfindung wird im folgenden weiter anhand eines Ausführungsbeispiels am Beispiel eines Mähdreschers einschließlich zweier Abbildungen erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Verfahrens zur Vorausberechnung des Ertrags (Flächenmerkmals),

Fig. 2 ein experimentell durchgeführter Vergleich zwischen dem vorausberechneten und dem gemessenen Kornertrag.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer Ertragskarte, in der die berechneten Ertragsmeßpunkte der bereits abgeernteten Feldfläche durch entsprechend schraffierte Teilflächen dar gestellt sind. Die Ertragskarte wird dabei unter Verwendung des erfaßten Korndurchsatzes (Kornertrag) oder alternativ des erfaßten Durchsatzes der Nichtkornbestandteile (Strohertrag), der das Betriebsverhalten des Mähdreschers hauptsächlich beeinflußt, direkt während des aktuellen Arbeitsganges dergestalt erzeugt, daß daraus auch das vor dem Schneidwerk des Mähdreschers liegende Ertragsniveau berechnet werden kann.

Die Position P₃ der noch nicht abgeernteten Teilfläche, für welche die Vorausberechnung durchgeführt werden soll, wird dadurch bestimmt, daß die Strecke (x_AM + S_V) von der aktuellen Position des Mähdreschers P₂ aus in Fahrtrichtung abgetragen wird. Die Position und die Fahrtrichtung werden dabei vom Empfänger eines Globalen Positionssystems (GPS) berechnet. Alternativ kann die Fahrtrichtung auch aus der Differenz zwischen der aktuellen Position P₂ und der vorherigen Position P₁ berechnet werden. Die Teilstrecke X_AM gibt den Abstand zwischen der GPS-Antenne und dem Schneid werksmesser, die Strecke s_V die Entfernung zwischen dem Schneidwerksmesser und der Position P₃ in Fahrtrichtung an. Unter der Voraussetzung, daß sich eine Position P_n als Vektor

darstellen läßt, wobei x und y die Koordinaten der Position der auf dem Mähdrescher installierten GPS-Antenne in einem kartesischen Bezugssystem sind, folgt für die Position P₃

In die Vorausberechnung werden alle berechneten Ertrags meßpunkte aus den bereits geernteten, benachbarten Reihen einbezogen, deren Position P_n sich in einer durch den Radius r_v vorgegebenen Entfernung von der Position P₃ befinden.

Als erster Ansatz für die Vorausberechnung wird aus allen Ertragspunkten, welche die Beziehung

(x_n - x₃)² + (y_n - y₃)² rv²

erfüllen, der Ertragsmittelwert bestimmt. Alternativ kann hierfür ein anderes Berechnungsverfahren wie vorzugsweise das Gradientenverfahren eingesetzt werden.

Weiterhin können zur Berechnung auch bei der vorherigen Vorbeifahrt ermittelte, seitlich neben der Arbeitsmaschine in der noch nicht bearbeiteten Teilfläche erfaßte Flächenmerkmale zusätzlich oder ausschließlich verwendet werden.

Aus dem so vorausberechneten Kornertrag m_K′′ läßt sich bei bekannter Schnittbreite b_s die optimale Fahrgeschwindigkeit

ermitteln, bei der ein möglichst gleichmäßiger, der entsprechenden Kapazität des Mähdreschers angepaßter Korndurchsatz m_K,opt eingehalten wird. Zum Ausgleich des Zeitversatzes bei der Umsetzung der Einstellempfehlungen wird die Entfernung s_V an das Zeitverhalten der Stell glieder und die aktuelle Fahrgeschwindigkeit angepaßt.

Bei Verwendung des erfaßten Durchsatzes der Nichtkorn bestandteile als Prozeßgröße zur Einstellung des Mähdreschers muß auch die Schnitthöhe meßtechnisch erfaßt oder durch eine automatische Schnitthöhenführung konstant gehalten werden.

Das angegebene Verfahren läßt sich einfach in ein bereits entwickeltes Programm zur Echtzeitkartierung, in dem alle bereits erfaßten Meßgrößen unter Berücksichtigung des Zeitversatzes zwischen Gutaufnahme und Erfassung geokodiert*p439X10 zwischengespeichert werden, integrieren. Auf dem Mäh drescher wird die vorausberechnete Fahrgeschwindigkeits empfehlung der Bedienperson auf einem Bildschirm eines Rechners angezeigt und muß von diesem manuell eingestellt werden. Verfügt der Mähdrescher dagegen über eine automatische Fahrgeschwindigkeitsanpassung, kann die ermittelte Empfehlung als Sollwert in das Regelungssystem eingehen.

Fig. 2 zeigt einen Vergleich zwischen dem vorausberechneten Kornertrag 10 und dem tatsächlich bestimmten Kornertrag 11, dargestellt über einem Ausschnitt der Fahrstrecke des Mähdreschers im Bestand eines Getreidefeldes. Damit sich beide Ergebnisse auch auf dieselbe Position beziehen, wurde die Entfernung zwischen der aktuellen und der voraus berechneten Position (x_AM + s_V) auf Null gesetzt. Der Radius r_V wurde zu 8 m gewählt, so daß bei einem Schneidwerk der Breite b_s = 3,6 m die Meßpunkte von maximal zwei bereits geernteten Reihen in die Vorausberechnung einbezogen wurden. Die Ertragsschwankungen werden durch die Berechnung des arithmetischen Mittelwertes in ihrer Tendenz hervor ragend wiedergegeben; noch genauere Werte lassen sich unter der Verwendung verfeinerter Berechnungsverfahren erhalten.

Das genannte Verfahren zur Vorausberechnung der Einstellung des Mähdreschers läßt sich für einen Fachmann auf alle mobilen Arbeitsmaschinen übertragen, mit denen eine in homogene Fläche teilflächenbezogen bearbeitet werden soll.

Claims

1. Verfahren zur Einstellung einer mobilen Arbeitsmaschine, die

- mit mindestens einer Meßvorrichtung zur Bestimmung ihrer Position sowie
- mit mindestens einer weiteren Meßvorrichtung zur Erfassung mindestens einer zur Einstellung des betreffenden Arbeitsvorgangs erforderlichen Prozeß größe und/oder eines Flächenmerkmals ausgestattet ist,

bei welchem durch die Beziehung zwischen der bestimmten Position und der erfaßten Prozeßgröße und/oder des Flächenmerkmals

- eine Aktion der Arbeitsmaschine selbst, vorzugsweise deren Fahrgeschwindigkeit, und/oder
- die mindestens eines ihr zugehörigen Arbeitsorgans eingestellt werden,

dadurch gekennzeichnet,
daß zur Einstellung mindestens eine vorausberechnete Prozeßgröße und/oder Flächenmerkmal verwendet wird, wobei in deren Berechnung mindestens eine während der aktuellen Flächenbearbeitung bereits zuvor erfaßte Meßgröße, die sich auf jeweils eine ganz bestimmte Position bezieht, eingeht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Vorausberechnung jeweils auf eine bestimmte, jedoch frei wählbare Position bezieht, die sich räumlich vor der mobilen Arbeitsmaschine befindet, und sich mindestens eine zur Vorausberechnung verwendete Prozeßgröße und/oder Flächenmerkmal in einem definierten Abstand von dieser Position befindet.

3. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorausberechnung der Prozeßgröße an einer bestimmten Position Werte bereits erfaßten Meßgrößen innerhalb einer definierten Fläche um diese Position verwendet werden.

4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorausberechnung Werte von Flächenmerkmalen, die zuvor bei der vorherigen Vorbeifahrt in den seitlich neben der Arbeitsmaschine gelegenen, noch nicht bearbeiteten Teilflächen, erfaßt worden sind, verwendet werden.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorausberechnung das arithmetische Mittel der Werte der dazu verwendeten Meßgrößen gebildet wird.

6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorausberechnung die Werte der dazu verwendeten Meßgrößen entsprechend ihrer Entfernung von der Position gewichtet werden.

7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorausberechnung die Meßgröße, deren Position örtlich am nächsten zur Position der Vorausberechnung gelegen ist, verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Einstellung der mobilen Arbeitsmaschine berechneten Werte als Einstellungshinweis einer Bedienperson für die manuelle Einstellung der mobilen Arbeitsmaschine selbst, vorzugsweise deren Fahrgeschwindigkeit, und/oder die eines ihr zugehörigen Arbeitsorgans angezeigt wird.

9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Einstellung der mobilen Arbeitsmaschine berechneten Werte als Eingangsgröße für die automatische Einstellung der Arbeitsmaschine, vorzugsweise deren Fahrgeschwindigkeit, und/oder ihr zugehöriger Arbeitsorgane verwendet wird.