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Dokumentenidentifikation DE4411646A1 02.11.1995
Titel Verfahren und Anordnung zur Bestimmung der geometrischen Eigenschaften von Objekten vor einem Fahrzeug
Anmelder Bernhardt, Gerd, Prof. Dr.-Ing.habil., 01189 Dresden, DE;
Schönfelder, Gert, Dr.-Ing., 01127 Dresden, DE
Erfinder Schönfelder, Gert, Dr.-Ing., 01127 Dresden, DE;
Niproschke, Herbert, Dipl.-Ing., 01069 Dresden, DE
Vertreter Gerber, W., Dipl.-Ing. (FH), Pat.- u. Rechtsanw., 01445 Radebeul
DE-Anmeldedatum 02.04.1994
DE-Aktenzeichen 4411646
Offenlegungstag 02.11.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.11.1995
IPC-Hauptklasse G01C 11/06
IPC-Nebenklasse G06T 7/00   G06F 17/10   
IPC additional class // A01B 69/00  
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren und seine Anordnung zur Bestimmung der Höhe eines Objektes mit diffuser Begrenzung vor einem Fahrzeug, vorzugsweise zur Steuerung einer landwirtschaftlichen Bearbeitungsmaschine bei der Getreideernte, unter Berücksichtigung der aktuellen Höhe des Pflanzenbestandes vor der Erntemaschine, wobei mit der Videokamera (K1) der Bereich vor dem Fahrzeug aufnehmbar ist und die Höhe von Objekten in diesem Bereich aus der Verschiebung des Bildinhalts zweier in Folge aufgenommener Bilder und dem zurückgelegten Fahrweg (S) des Fahrzeuges bestimmbar ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Bestimmung der Höhe eines Objektes mit diffuser Begrenzung vor einem Fahrzeug, vorzugsweise zur Steuerung einer landwirtschaftlichen Bearbeitungsmaschine bei der Getreideernte, unter Berücksichtigung der aktuellen Höhe des Pflanzenbestandes vor der Erntemaschine.

Es ist bekannt, mit Hilfe von zwei Kameras über mathematische Betrachtungen im Raum, aus ausgewählten Merkmalen des betrachteten Objektes dessen Höhe zu bestimmen.

Dazu ist bereits eine Anordnung (DE-OS 30 09 534) zur optoelektronischen Messung der Entfernung eines Gegenstandes mit zwei linearen, jeweils eine Mehrzahl von Sensorelementen aufweisenden Bildsensoren vorgeschlagen worden, die zwei optische Einrichtungen aufweisend, jeweils Ausschnitte einander entsprechender Zeilen zwei von dem Gegenstand getrennt enthaltener Abbildungen auf die linearen Bildsensoren projizieren und mittels einer Auswerteschaltung eine der Entfernung entsprechende elektrische Größe bildet. Eine zusätzliche Belichtung mindestens eines Teiles des in seiner Entfernung zu bestimmenden Gegenstandes soll dabei Meßfehler verringern, die sich aus der zu gleichmäßigen Belichtung der einzelnen Sensorelemente ergeben.

Nachteil dabei ist der erhöhte Aufwand für die künstliche Beleuchtung des Objektes zum Erzielen des für die Auswertung notwendigen Kontrastes.

Ein bekanntgewordenes Verfahren und eine Vorrichtung zur Situations-, Hindernis- und Objekterkennung (DE-OS 41 15 747) verwendet einen oder mehrere Entfernungsmesser, deren Meßstrahlen mittels Scanner einen bestimmten Raumwinkelbereich mit einem bestimmten Muster unabhängig von der Umgebungsbeleuchtung und vom Umlicht abtasten.

Gemeinsamer Nachteil dieser Lösungen ist es jedoch, daß neben dem erheblichen, erforderlichen technischen Aufwand nur von Objekten mit klaren Kanten ausgegangen wird. Der Aufwand zur Auswertung der anfallenden Daten bei der Anwendung der genannten Lösungen auf diffuse Objekte würde den Aufwand erheblich erhöhen, da eine dreidimensionale Glättung der Bilddaten vorgenommen werden müßte.

Nur eine Videokamera wird bei einem bekanntgewordenen Verfahren mit Vorrichtung zur Abstandsmessung zwischen einem Meßobjekt und einer relativ zum Meßobjekt bewegten Meßeinrichtung (DE-OS 40 19 214) eingesetzt, mit der eine Folge von Bildern zweier von der Videokamera etwa gleich weit entfernter Punkte des Meßobjektes, die einen konstanten Abstand zueinander aufweisen, aufgenommen und ausgewertet wird. Damit kann der Abstand vom Meßobjekt aus dem normalen Bildabstand der beiden in der Bildebene der Videokamera abgebildeten Punkte aus der Änderungsgeschwindigkeit des Bildabstands und aus der Geschwindigkeitskomponente der Videokamera in Richtung ihrer optischen Achse berechnet werden.

Nachteil dieser Lösung ist es, daß für die Abstandsbestimmung zwei feste Markierungen auf dem betrachteten Objekt benutzt werden, die zudem noch nebeneinander liegen müssen. Diese notwendige Markierung ist auf einem Objekt diffusen Charakters nicht anbringbar und schließt auch das Wechseln des Objektes während der Messungen aus.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, ein Verfahren und eine zugehörige Anordnung zur Bestimmung der Höhe eines diffusen Objektes vor einem Fahrzeug zu schaffen, wobei mit geringem Aufwand die erforderlichen Daten erfaßt, minimiert und erst in der Endphase die räumliche Verknüpfung ausgeführt wird. Eine weitere Bedingung ist der Einsatz nur einer Videokamera zur Datenerfassung und die Ausnutzung der Bewegung der Maschine bzw. des Fahrzeuges zur Gewinnung der räumlichen Information.

Die zur räumlichen Betrachtung eines Objektes notwendige zweite Videokamera wird durch den mechanischen Versatz der ersten Videokamera realisiert. Das insbesondere an bewegten Fahrzeugen eingesetzte Verfahren nutzt den Versatz der Videokamera durch die Bewegung des Fahrzeuges gegenüber dem auf der Fahrbahn feststehenden Objekt. Damit ist der Effekt der Stereometrie durch die zeitlich versetzte Aufnahme zweier Bilder des gleichen Objektes nutzbar.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert:

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des Wesens der Erfindung.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist eine Videokamera K1 an einem möglichst hohem Ort auf dem in der Zeichnung nicht näher dargestellten Fahrzeug angeordnet. Die Videokamera K1 blickt dabei auf den Bereich vor dem Fahrzeug im Winkel W1 mit einem Öffnungswinkel OW. Die dabei gesehene Strecke bzw. der Bildausschnitt in Fahrtrichtung soll hierbei mit XM Pixel aufgelöst werden.

Für die Berechnung wird der Pixelbereich von XM Pixel entnommen und abgespeichert. Nachdem das Fahrzeug einen Weg S zurückgelegt hat, wird ein weiteres Bild aufgenommen, in dem der Pixelbereich X1 gesucht wird. Dies erfolgt mittels Korrelationsfunktionen und bringt eine Wiedererkennung des zuerst gewählten Bereiches als Bereich X2 mit der Anfangsposition P2.

Zur Ermittlung der durch den Betrachtungswinkel hervorgerufenen Streckung des Bereiches X2 gegenüber dem Original X1 wurde folgende Gleichung gefunden:



(Winkel OW, W1 in Grad; XM, X2, P2 in Pixel)

Zur Ermittlung des in Fig. 1 dargestellten Punktes P2 wurde unter der Annahme, daß die Höhe H unverändert bleibt, nachstehende Gleichung gefunden:



Aus dem über die Korrelation bestimmten Punkt P2 kann nach Umstellung der Gleichung (2) auf die Höhe des Objektes geschlossen werden.

Wegen der notwendigen Bewegung der Videokamera K1 ist eine Messung nur aus der Bewegung heraus sinnvoll. Das betrachtete Objekt sollte vorzugsweise großflächig sein.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist vorteilhaft bei der Getreideernte mittels Mähdrescher anwendbar. Dabei ist die Höhe des Getreidebestandes vor dem Schneidwerk des Mähdreschers zu bestimmen, um die Arbeitshöhe und die Höhe der Haspel einzustellen. Es ist erforderlich, eine flächige Höhenbestimmung über die gesamte Schneidwerksbreite unter natürlichen Lichtverhältnissen im Freiland vorzunehmen.

Im Ausführungsweg ist die Videokamera K1 auf dem Dach des Fahrerhauses des Mähdreschers angeordnet und in Fahrtrichtung auf einen Punkt im ausreichenden Abstand vor dem Schneidwerk gerichtet. Die Montagewerte W1 und OW gehen damit als Konstante in die Gleichung (1), (2) ein. Die Höhe H nimmt dabei maximal den Wert der Montagehöhe an.

Zur effektiven Gestaltung des Datenstromes ist die Videokamera K1 in der optischen Achse um 90° gedreht, so daß die Abtastung des Bildes von oben nach unten erfolgt. Zur Auswertung sind dann eine oder mehrere Zeilen des Bildes heranziehbar. Von den in der Zeichnung nicht näher dargestellten Radantrieben des Fahrzeuges wird durch ebenfalls nicht näher dargestellte Sensoren der Wert des Weges S bereitgestellt.

Der Streifen des Bildausschnittes X1 wird in einer Auswerteeinrichtung zwischengespeichert. Nach der Bewegung um den Weg S wird ein weiteres Bild erfaßt und über eine Korrelation der neue Ort des Abschnittes X1 gesucht. Um eine Korrelation effektiv zu gestalten, kann aus dem möglichen Höhenbereich und dem aktuellen Weg S der Erwartungsbereich des Punktes P2 näherungsweise vorherbestimmt und damit der Suchbereich verkürzt werden.

Nach dem Auffinden der Lage der Bereiche X1 an dem neuen Ort X2 ist mit dem bestimmten Punkt P2, dem Weg S und den bereits genannten Montagekonstanten die Höhe des ausgewerteten Objektes bestimmbar.

Werden mehrere Ausschnitte aus dem Videobild ausgewertet, so ist ein Höhenprofil des Getreidebestandes vor dem Schneidwerk bestimmbar. Die erhaltenen Daten können dann zur Steuerung der Schneidwerkeinstellungen herangezogen werden. Bei einer üblichen Erntegeschwindigkeit von etwa 1 m/s sind zwei bis vier Bilder auszuwerten.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Bestimmung der geometrischen Eigenschaften von Objekten vor einem Fahrzeug, mit einer Videokamera, die in einer bestimmten Höhe auf einem Fahrzeug, vorzugsweise einer Erntemaschine angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Videokamera (K1) der Bereich vor dem Fahrzeug aufnehmbar ist und die Höhe von Objekten in diesem Bereich aus der Verschiebung des Bildinhaltes zweier in Folge aufgenommener Bilder und dem zurückgelegten Fahrweg (S) des Fahrzeuges bestimmbar ist.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei zwei im Abstand (S) aufgenommenen Bildern im ersten Bild ein Ausschnitt definiert wird, der im folgenden Bild mittels Korrelationsverfahren wiederfindbar ist.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Differenz zwischen dem gefundenen Ort des gewählten Bildausschnittes und dem aus dem zurückgelegten Weg (S) vorausberechneten Ort im Bild die Höhe des gesehenen Objektes bestimmbar ist.
  4. 4. Anordnung zur Bestimmung der geometrischen Eigenschaften von Objekten vor einem Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, daß die Videokamera (K1) an einem möglichst hohen Punkt des Fahrzeuges in der optischen Achse um 90° gedreht angeordnet ist.






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