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Dokumentenidentifikation DE68912126T2 09.06.1994
EP-Veröffentlichungsnummer 0420896
Titel REGELVORRICHTUNG FÜR LANDWIRTSCHAFTLICHE ZERSTÄUBER.
Anmelder The minister for agriculture and rural affairs of the state of new south wales, Sydney, New South Wales, AU
Erfinder McCLOY, Keith, c/o Div. of Plant Ind., Rawson Place Sydney, NSW 2000, AU;
FELTON, Warwick, c/o Agriculture Research Centre, Calala Lane Tamworth, NSW 2340, AU
Vertreter Hoormann, W., Dipl.-Ing. Dr.-Ing., 28209 Bremen; Goddar, H., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat.; Liesegang, R., Dipl.-Ing. Dr.-Ing., 80801 München; Winkler, A., Dr.rer.nat., 28209 Bremen; Tönhardt, M., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anwälte, 40593 Düsseldorf; Stahlberg, W.; Kuntze, W.; Kouker, L., Dr.; Huth, M.; Ebert-Weidenfeller, A., Dr. jur., 28209 Bremen; Nordemann, W., Prof. Dr.; Vinck, K., Dr.; Hertin, P., Prof. Dr.; vom Brocke, K., 10719 Berlin; Omsels, H., 80801 München; Titz, G., 04103 Leipzig; Hummel, H., 10719 Berlin; Nordemann, A., Dr.jur., 28717 Bremen; Pasetti, M., Dr., Rechtsanwälte, 10719 Berlin
DE-Aktenzeichen 68912126
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT, NL, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 20.06.1989
EP-Aktenzeichen 899070528
WO-Anmeldetag 20.06.1989
PCT-Aktenzeichen AU8900267
WO-Veröffentlichungsnummer 8912510
WO-Veröffentlichungsdatum 28.12.1989
EP-Offenlegungsdatum 10.04.1991
EP date of grant 05.01.1994
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.06.1994
IPC-Hauptklasse B05B 12/12
IPC-Nebenklasse B05B 12/04   A01G 25/16   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft die Steuerung landwirtschaftlicher Zerstäuber mit besonderer Anwendung auf selektives Versprühen von Herbiziden für Programme zum Kultivieren nicht landwirtschaftlich genutzer Gebiete.

HINTERGRUNDTECHNIK

In dieser Beschreibung wird lediglich bespielhaft die Erfindung mit Bezug auf die Steuerung von Zerstäubern für Herbizide beschrieben. Jedoch sollte man sich bewußt sein, daß diese Erfindung wichtige Anwendungen beim Steuern der Verwendung anderer landwirtschaftlicher Zerstäuber hat, so wie für Düngemittel und Insektizide und für Detektoren, die verwendet werden, um die Biomasse eines Gebietes abzuschätzen. Sie kann verwendet werden, um irgendwelche Grün/Nicht-Grün-Situationen zu unterscheiden und möglicherweise Schattierungen von Grün und kann viele nicht landwirtschaftliche Verwendungen haben.

Bei Ernteverfahren für minimal bestellte Felder oder nicht bestellte Felder werden Herbizide verwendet, um das unerwünschte Wachstum von Unkraut auf einem Feld zu kontrollieren. Der Hauptgrund für das Kontrollieren unerwünschten Wachstums ist es, den Verlust an Feuchtigkeit und Nährstoffen aus dem Boden zu minimieren. Die Herbizide, die bei diesen Typen der Kultivierung verwendet werden, sind teuer, und in vielen Situationen ist es nicht notwendig, daß das gesamte Feld gesprüht wird, da unerwünschte Vegetation nicht das gesamte Gebiet überdecken muß. Jedoch würde bis jetzt das gesamte Gebiet gesprüht werden, um sicherzustellen, daß das gesamte Unkraut besprüht wird, was somit zu einem unnötigen Sprühen mancher Gebiete führt.

Jüngste Entwicklungen (siehe SU-A-810 105) haben Vegetations- Erfassungseinheiten hervorgebracht, die die Menge der Stahlung in dem roten und dem nahen infraroten Wellenband erfassen. Diese Erfassungseinheiten sind benutzt worden, um eine Abschätzung der Biomasse in einem gegebenen Gebiet zu liefern. Die gelieferte Abschätzung basiert auf der Differenz in den gemessenen Verhältnissen der roten zur nahen infraroten Strahlung zwischen einem Gebiet mit nacktem Boden, als Referenzwert benutzt, und dem Gebiet, das untersucht wird. Die befriedigende Verwendung dieser Strahlungdetektoren hängt von der Intensität der Strahlungsdichte in dem Gebiet ab und ist somit während der Perioden sich ändernder Lichtbedingungen weniger genau. Diese Vegetationserfassungseinheiten haben, wenn sie eine Bewertung des Prozentabteils der Biomasse in dem Gebiet geben, ein einfaches Verhältnis der Strahlung in dem roten und dem nahen Infrarot-Wellenband des elektromagnetischen Spektrums benutzt.

Strahlungsdichte kann als die Rate des Energiestroms auf eine Fläche, pro Flächengebietseinheit, definiert werden, und Strahlung kann als die Rate des Energiestroms, die von einer Fläche pro Raumwinkel von einer Quellgebietseinheit auf der Fläche reflektiert wird, definiert werden.

Bei direktem Sonnenlicht gibt es einen bestimmten Wert der roten und nahen infraroten Lichtenergie oder Strahlungsdichte, die von der Erdoberfläche aufgenommen wird. Unter wolkigen Bedingungen nimmt die Menge ab, wobei die größte Abnahme in dem nahen Infrarotbereich bemerkt wird, aufgrund der Absorption durch atmosphärische Feuchtigkeit und Wolken. Die Streuung von Strahlung kürzerer Wellenlänge in der Atmosphäre kann die Menge an roter Strahlungsdichte relativ zu der der nahen infraroten Strahlungsdichte herabsetzen. Die auf die Detektoren einfallende Energie wird sich mit Änderungen in den Umgebungsbedingungen ändern. Somit ist der Ansatz, Energie (Strahlung) zu verwenden, beträchtlichen Unbeständigkeiten unterworfen, die es schwierig machen, standardisierte entscheidungsbildende Prozesse zu kalibrieren oder zu wählen.

Reflexionsvermögen ist als das Verhältnis reflektierter Energie zu einfallender Energie definiert. Das Reflexionsverhältnis sollte unter unterschiedlichen Lichtbedingungen für ein gegebenes Target dasselbe oder nahezu dasselbe bleiben. Es ist konsistenter als Strahlung und somit leichter zu verarbeiten, damit man zu einer Maschinenentscheidung kommt. Aus diesem Grund ist das Reflexionsvermögen als entscheidungsbildendes Kriterium anstelle der Strahlung gewählt worden.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit Anordnungen, die das Reflexionsvermögen von einem Targetgebiet benutzen, um den Prozentanteil des Gesichtsfeldes des Instrumentes zu bestimmen, der mit grüner Vegetation bedeckt ist. Dies ermöglicht die Unterscheidung zwischen Zonen, die die Anwendung eines Zerstäubers erfordern, und denjenigen, die nicht besprüht werden müssen.

Demgemäß kann die vorliegende Erfindung so definiert werden, daß sie eine Vorrichtung zum Steuern eines landwirtschaftlichen Zerstäubers zur Verfügung stellt. Die Vorrichtung hat eine Sensoreinrichtung zum Bestimmen der Strahlungsintensität in ersten und zweiten Bändern des elektromagnetischen Spektrums, eine Sensoreinrichtung zum Bestimmen der Strahlungsdichte eines Targetgebietes in den ersten und zweiten Bändern und eine Einrichtung zum Steuern eines Zerstäubers gemäß einer Bestimmung der Beziehung zwischen den Verhältnissen der Strahlung zur Strahlungsintensität in jeweils einem Band (Reflexionsvermögen).

Bevorzugt werden die Verhältnisse des Reflexionsvermögens in dem roten und dem nahen infraroten Wellenband des elektromagnetischen Spektrums gemessen. Diese Bänder werden gewählt, da das Chlorophyll-Pigment in grüner Vegetation die rote Energie absorbiert und das Pflanzenblattmaterial und seine Struktur ein hohes Reflexionsvermögen in dem nahen infraroten Bereich bewirkt, wohingegen andere Flächen ähnliche Reflexionswerte in einem der Bänder haben können, jedoch keine weiteren Flächen in beiden Bändern ähnlich sind. Zusätzlich werden beide Wellenbänder von reflektierter Sonnenstrahlung dominiert, mit vernachlässigbarer Energie eines Beitrags der Strahlung von der Erde selbst. Folglich ist grüne Vegetation allen anderen Flächen ganz unähnlich, wenn man die Werte des Reflexionsvermögens beider Wellenbänder analysiert.

Da die Werte für das Reflexionsvermögen für unterschiedliche Typen von Targetgebieten variieren, wird diese Eigenschaft ausgenutzt, um einen wirksamen Entscheidungsbildungsprozeß zu erhalten, der eine gute Unterscheidung zwischen Typen von Targetgebieten liefert. Unterschiedliche Werte für das Reflexionsvermögen werden für lebende grüne pflanzen, nackte Erde, Wasser, verrottete Vegetation bwz. Stoppeln erhalten, und es kann eine umsichtige Verwendung der vorliegenden Erfindung gemacht werden, um sie an besondere Umstände anzupassen. Der Nutzen des Verwendens des Reflexionsvermögens anstelle der Strahlung ist, daß unter unterschiedlichen Lichtbedingungen Änderungen in den Werten des Reflexionsvermögens klein oder vernachlässigbar sind. Die Strahlungsdichte andererseits nimmt zu, wenn die Einstrahlung zunimmt und ist somit schwierig zu kalibrieren.

Die vorliegende Vorrichtung ist in der Lage, unter einer breiteren Vielfalt von Bedingungen zu arbeiten, einschließlich künstlicher Beleuchtung während Perioden mit wenig Licht. Während der Stand der Technik ein festes Verhältnis oder einen linearen Entscheidungsalgorithmus aufgrund der Änderung der tatsächlichen Werte von roter und reflektierter infraroter Strahlung von der Sonne unter verschiedenen Beleuchtungsbedingungen benutzt, nutzt die vorliegende Erfindung nichtlineare Entscheidungsalgorithmen, um die Genauigkeit des Instrumentes weiter zu verbessern. Bei bestimmten Ausführungsformen kann es wünschenswert sein, drei oder mehr Bänder des elektromagnetischen Spektrums zu verwenden, um die Leistungsfähigkeit zu verbessern.

Bevorzugt wird die Bestimmung, ob Sprühen durchzuführen ist oder nicht, gemacht, indem die Werte des Reflexionsvermögens mit vorbestimmten Werten verglichen werden, die in dem Speicher der Vorrichtung in Form einer Nachschlagetabelle gespeichert sind. Diese Bestimmung hängt somit von den berechneten Werten des Reflexionsvermögens in den beiden ausgemessenen Bändern ab. Die Nachschlagetabelle kann abhängig von dem bestimmten geforderten Target verändert werden. Beispielsweise ist es bei landwirtschaftlichen Anwendungen für nicht bestellte Felder, auf die Herbizide gesprüht werden sollen, notwendig, zwischen Unkraut und anderen Oberflächen zu unterscheiden. Die Nachschlagetabelle würde dann so maßgeschneidert werden, daß die charakteristischen Werte des Ref lexionsvermögens in den beiden Bändern, die Unkraut anzeigen, den Zerstäuber anschalten würden.

Grüne Vegetation ist anderen Oberflächen ganz unähnlich, wenn man gleichzeitig das Reflexionsvermögen in dem roten und dem nahen infraroten Band analysiert. Jedoch können andere Oberflächen Werte in diesen Bändern haben, die ein ähnliches Verhältnis der Werte geben, wie die der grünen Vegetation. Verrottende Vegetationsabfälle haben sehr geringe Werte des Reflexionsvermögens in beiden Bändern, jedoch ein Verhältnis ähnlich dem der grünen Vegetation. Folglich kann ein gradliniges (einfaches) Verhältnis der beiden Bänder nicht die beste Einrichtung zum Unterscheiden grüner Vegetation von allen anderen Bedeckungen oder Targettypen liefern. Andere Typen von Entscheidungsoberflächen (Entscheidungsalgorithmus) können eine zuverlässigere Unterscheidung grüner Vegetation liefern, was folglich eine effizientere Verwendung von Herbiziden erlaubt.

Die Grundsätze der vorliegenden Erfindung des Benutzens von Werten für das Reflexionsvermögen anstelle anderer Strahlungsverhältnisse können in Vegetationsdetektoren verwendet werden, die zum Abschätzen der Biomasse von Gebieten, die untersucht werden sollen, verwendet werden, entweder als handbetätigte oder an einem Ausleger angebrachte Modelle.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Ungeachtet irgendwelcher anderer Formen, die in ihren Rahmen fallen können, wird nun eine bevorzugte Form der Erfindung beschrieben, lediglich beispielhaft, mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:

Figur 1 ein schematischer Plan der Vorrichtung ist, die auf einem Traktor zur Verwendung beim Sprühen von Herbizid auf ein Feld angebracht ist;

Figur 2 ein Blockschaltbild der Vorrichtung gemäß einer bestimmten Ausführungsform der Erfindung ist; und

Figur 3 ein logisches Flußdiagramm ist, das die Basislogik veranschaulicht, die bei einer elektronischen Schaltung der Vorrichtung der Figur 2 verwendet werden soll.

ARTEN, DIE ERFINDUNG AUSZUFÜHREN

Die Vorrichtung, wie sie in Figur 1 veranschaulicht ist, kann auf einem Traktor 10 oder einer anderen Einrichtung angebracht werden, so daß die Vorrichtung das Gebiet, das besprüht werden soll, durchqueren kann. Die Vorrichtung weist einen Ausleger 11 mit einer Vielzahl getrennter Sprühköpfe 12 zum Besprühen jeweiliger Zielgebiete und eine entsprechende Sensoreinheit 13 für jedes Zielgebiet auf. Jeder der Sprühköpfe ist durch ein magnetbetätigtes Ventil (nicht gezeigt) mit einer unter Druck stehenden Quelle für flüssiges Herbizid verbunden, die von dem Traktor getragen wird.

Wie es aus Figur 2 ersichtlich ist, umfaßt die Vorrichtung auch eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 14, die elektronisch mit den einzelnen Sensoreinheiten 13 und mit einem Detektor 15 für einfallendes Licht verbunden ist. Jede Sensoreinheit 13 weist Detektoren 13A und 13B für reflektierte Strahlung auf, zum Erfassen von Licht, das aus ihren speziellen Targetgebieten in dem roten bzw. reflektierten solaren infraroten Bändern des elektromagnetischen Spektrums reflektiert worden sind. Die Sensoreinheit 15 weist Detektoren 15A und 15B für einfallende Strahlung zum Erfassen der Menge an Umgebungslicht in dem roten bzw. dem reflektierten solaren infraroten Band des elektromagnetischen Spektrums auf. Diese Sensoreinheit 15 erfaßt die Stärke der einfallenden Strahlung, die zum Berechnen der Werte des Reflexionsvermögens verwendet werden. Alle Sensoreinheiten 13 und 15 liefern Analogsignale an entsprechende Analog-Digital-Wandler 17, die wiederum der CPU 14 digitale Signale zur Verfügung stellen. Die CPU berechnet die Werte des Reflexionsvermögens der jeweiligen Bändern, vergleicht die Beziehung zwischen den beiden Werten für das Reflexionsvermögen und liefert ein Ausgabesignal an einen Digital-Analog-Wandler 18. Die Werte für das Reflexionsvermögen für jedes Band werden als ein Verhältnis der reflektierten Energie oder Lichtintensität für das Band zur einfallenden Energie oder Lichtintensität für das Band berechnet, d.h. für das rote Band wird der Wert für das Reflexionsvermögen als das Verhältnis des von dem Detektor 13A erzeugten Wertes zu dem von dem Detektor 15A erzeugten Wert berechnet. Wenn einmal die beiden Werte für das Reflexionsvermögen bestimmt worden sind, werden sie verglichen, und ein Ausgabesignal wird erzeugt. Dieses Ausgabesignal hängt von einem Wert in einer Nachschlagetabelle ab, die verwendet wird, um zu bestimmen, ob die Zerstäuber an- oder abgeschaltet werden sollten, entsprechend dem Wert der Infrarot- und Rot-Reflexionsvermögenswerte. Der Wandler 18 liefert ein Steuersignal an ein Magnetventil 19, das den Sprühkopf für das betrachtete Targetgebiet steuert.

Man sollte verstehen, daß nur ein einziger Satz von Detektoren für einfallende Strahlung für die gesamte Vorrichtung zur Verfügung gestellt werden muß, da seine erfaßten Werte von der CPU zum Berechnen der individuellen Werte für das Reflexionsvermögen mit den Werten von jeder der Target-Sensoreinheiten 13 verwendet werden können.

Die CPU 14 ist so angeordnet, daß sie getrennt eine Entscheidung für jeden der Zerstäuber auf den Auslegern berechnet. Bevorzugt wird eine Entscheidung wenigstens zehnmal pro Sekunde getroffen, wobei eine am meisten bevorzugte Frequenz in der Größenordnung von 100 mal pro Sekunde liegt.

Figur 3 gibt das logische Schaubild an, dem die CPU 14 beim Steuern der Vorrichtung folgt. Am Beginn der Abfolge fragt die CPU den Sensor für einfallende Strahlung ab, um den Wert der einfallenden Strahlung sowohl für das rote als auch für das reflektierte solare Infrarote Band zu erhalten, die von den jeweiligen Detektoren bestimmt wurden. Als nächstes werden die Werte für die reflektierte Strahlung von einer der Sensoreinheiten 13 abgefragt und die Verhältnisse von reflektierter zu einfallender Strahlung für das rote und infrarote Band werden berechnet. Diese Verhältnisse oder Werte für das Reflexionsvermögen werden dann verglichen, um zu bestimmen, ob der Zerstäuber für diese bestimmte Targetfläche angeschaltet werden soll oder nicht. Die Entscheidung, ob gesprüht werden soll oder nicht, kann aus einem mathematischen Algorithmus berechnet werden oder kann lediglich das Vergleichen der Werte in einer Nachschlagetabelle umfassen, die in dem Speicher der CPU abgelegt ist. Die CPU liefert dann ein Ausgabesignal, das angibt, ob der Zerstäuber für diese bestimmte Targetfläche angeschaltet werden soll oder nicht und wiederholt die Abfolge, wobei die nächste Sensoreinheit 13 in dieser Reihe benutzt wird. Auf jede Sensoreinheit 13 wird in Folge zugegriffen, und wenn die letzte Sensoreinheit abgefragt worden ist, wird die gesamte Sequenz wieder unter Steuerung eines Zeitgebers (nicht gezeigt) eingeleitet, während der Traktor über das Feld fährt.

Es kann ein Vorrangsensor (nicht gezeigt) eingebaut sein, von dem alle Sprühköpfe abgeschaltet werden, wenn der Traktor stehen sollte. Somit wird das wiederholte Sprühen desselben Targetgebietes vermieden.

Obwohl eine Ausführungsform der Erfindung in Einzelheiten beschrieben worden ist, sollte realisiert werden, daß die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist, sondern verschiedene Modifikationen umfassen kann, die in den Rahmen der Erfindung, wie sie durch die Ansprüche definiert ist, fallen.


Anspruch[de]

1. Vorrichtung zur Steuerung eines landwirtschaftlichen Zerstäubers, wobei die Vorrichtung aufweist:

Abtastmittel zur Bestimmung der Strahlungsintensität in einem ersten und zweiten Band des elektromagnetischen Spektrums,

Abtastmittel zur Bestimmung der Strahlung eines Zielbereiches in dem ersten und zweiten Band, und

Mittel zur Steuerung eines Zerstäubers gemäß einer Bestimmung der Relation zwischen den Verhältnissen der Strahlung zur Strahlungsintensität jeweils in jedem Band.

2. Vorrichtung wie in Anspruch 1 definiert, welche weiterhin einen vorrangigen Sensor umfaßt, angebracht zur Wahrnehmung von Bewegung der Vorrichtung, und bei der die Steuerungsmittel auf den vorrangigen Sensor ansprechen, um den Zerstäuber abzuschalten, wenn die Vorrichtung stillsteht.

3. Vorrichtung wie in den Ansprüchen 1 oder 2 definiert, wobei die Steuerungsmittel eine Zentraleinheit und einen Speicher enthalten, wobei der Speicher eine Nachschlagetabelle zum Vergleichen der Verhältnisse von Strahlung zu Strahlungsintensität in jedem Band enthält, um festzulegen, ob der Zerstäuber angestellt werden sollte.

4. Vorrichtung wie in einem der vorhergehenden Ansprüche definiert, wobei das erste und zweite Band das rote und das nahe infrarote Wellenband des elektromagnetischen Spektrums sind.

5. Vorrichtung wie in einem der vorangehenden Ansprüche definiert, bei der sich die Strahlungsintensität aus einer Quelle für künstliche Beleuchtung herleitet.







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