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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Verdichtung
in landwirtschaftlichen Horizontalsilos, bei dem die durch wiederholtes Überfahren
einer Silooberfläche mit einem Verdichterfahrzeug erreichte
lokale Verdichtung zeitnah bestimmt wird, wobei bei jeder Überfahrt
der Silooberfläche die Position des Verdichterfahrzeugs
erfasst und zusammen mit erfassten Sensorsignalen einer Steuereinheit
zugeführt werden.
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Zur
langjährigen Praxis der Verdichtung landwirtschaftlicher
Güter in Horizontalsilos gehört der Einsatz von
Radtraktoren. Im locker eingebrachten Häckselgut wird durch
vielfaches Überfahren schrittweise das luftgefüllte
Porenvolumen reduziert. Dadurch werden Veratmungsverluste reduziert
und ein guter Verlauf der Vergärung sichergestellt.
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Um
den wachsenden Ansprüchen an die Verdichtung zu entsprechen,
werden zunehmend auch aus dem Straßenbau bekannte Walzen
benutzt. Die Steuerung der Maschinen erfolgt in der Landwirtschaft
ausschließlich auf der Grundlage des empirischen Wissens
der Fahrer. Für den Einsatz von Walzenzügen im
Erdbau und bei der Asphaltverdichtung sind Geräte zur Prozessbewertung
bekannt und im Einsatz. Das Grundanliegen aller dieser Geräte
ist es, dem Maschinenbediener auf elektronischem Wege den erreichten
Verdichtungsfortschritt schon während des noch laufenden
Verdichtungsvorgangs in geeigneter Form anzuzeigen. Nur so können schädliche
Fehlverdichtungen erkannt und vermieden werden.
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Für
die Messung des Verdichtungsfortschritts werden unterschiedliche
Verfahren benutzt bzw. vorgeschlagen. Bei Vibrationswalzen handelt
es sich um Verfahren zur indirekten Ermittlung des Verdichtungsgrads.
Dort wird aus Beschleunigungssignalen der schwingenden Walzenbandage
und des Untergrunds über mathematische Verfahren der Steifigkeitswert
während der Verdichtungsfahrt berechnet. Die Ergebnisse
werden kartiert und dem Bediener auf einer Anzeigeeinheit unmittelbar
visualisiert.
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Die
EP 0 698 152 A1 bezieht
sich auf ein Verfahren zur Bestimmung des Verdichtungsgrads eines heißen
Materials, insbesondere Asphalt. Bei jedem Überfahren werden
dabei von einer Verdichtungswirkung definierte Werte erfasst und
auf der Grundlage der gemessenen Werte ein partieller Verdichtungswirkungsgrad
bestimmt.
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Für
eine Prozessbewertung der Verdichtung landwirtschaftlicher Güter
sind diese Geräte und Verfahren nicht geeignet, da sich
die stoffliche Zusammensetzung und damit auch die mechanischen Eigenschaften
landwirtschaftlichen Häckselguts stark von Boden und Asphalt
unterscheiden. Die Beschleunigungssignale des Untergrunds werden
so stark gedämpft, dass eine Berechnung des Steifigkeitswerts
mit den Messwerten derzeit verfügbarer Sensoren nicht möglich
ist.
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In
der
US 5 471 391 A wird
der Aufbau eines detaillierten dynamischen Geländemodells
durch präzise Bestimmung der Lage der Verdichtungsstelle der
Maschine im dreidimensionalen Raum relativ zum Gelände
beschrieben. Die Verdichtungswirkung ergibt sich aus der Veränderung
der Höhen gegenüber einem nicht verdichteten Vergleichsniveau.
Die Messwerte werden automatisch bestimmt und das Modell laufend
aktualisiert. Diese Vorgehensweise stößt immer
dann an ihre Grenzen, wenn die zu verdichtende Fläche eine
starke Neigung aufweist. Das ist in landwirtschaftlichen Silos regelmäßig
der Fall. Für die präzise Bestimmung der Lage
der Verdichtungsteile der Maschine reicht die optische Vermessung
von nur einem Punkt der Maschine bei starker Neigung nicht aus und
das synchrone Vermessen von drei Punkten an der Maschine bedingt
einen unvertretbar hohen technischen Aufwand. Für die alternative
Vermessung mit drei GPS-Empfängern ist die Abweichung der
Höhenkoordinate zu groß, um auf die Verdichtungswirkung
schließen zu können.
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Die
DE 297 23 171 U1 bezieht
sich auf eine Walzeinrichtung zur Verdichtung von Asphaltdecken mittels
eines Walzenkörpers, wobei die Messung der Verdichtungswirkung
an der Walze durch Abstandsmessung zum Untergrund im Bereich der
Walzenspur und unmittelbar daneben erfolgt. Dabei stellt die Differenz
der so erhaltenen Messsignale ein Maß für die
bei diesem Walzengang erreichte Verdichtungszunahme dar. Die Anwendbarkeit
dieser Methode hängt davon ab, dass in unmittelbarer Nähe
ein gut abtastbares Vergleichsniveau existiert und jede Bahn während
der Messung auf ganzer Breite und nur einmal überfahren
wird. Diese Voraussetzungen sind bei der Befüllung landwirtschaftlicher
Silos nicht gegeben.
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EP 0 698 152 B1 offenbart
ein Verfahren zum Messen des Verdichtungsgrads einer Schicht eines heißen
Materials, insbesondere Asphalt. Die aus der nur teilweisen Überfahrung
neuer Schichten resultierenden Probleme werden dabei mit einem dynamischen
Geländemodell zur Bestimmung einer partiellen Verdichtungswirkung
gelöst. Es wird eine partielle Verdichtungswirkung für
den jeweiligen Abschnitt der zu verdichtenden Oberfläche
einzeln für jede Überfahrt des Verdichters berechnet.
Die gesamte Verdichtungswirkung auf der betrachteten Teilfläche
ergibt sich dann als Summe der Verdichtungswirkung mehrerer Überfahrten.
Die Verdichtungswirkung wird dabei aus Maschinenparametern berechnet,
die einer Teilfläche zugeordnet und auf einer Anzeigeeinheit
dargestellt werden. Die Berechnung beruht auf gemessenen Größen,
wie beispielsweise die Temperatur des Asphalts und der Bewegungsgeschwindigkeit
der Verdichtungsmaschine. Ferner fließen Zusammensetzung
und die Korngröße des zu verdichtenden Materials
mit in die Berechnung ein.
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Während
das Problem der Teilflächen mit unterschiedlicher partieller
Verdichtung im Straßenbau vor allem in Kurven auftritt,
stellt es bei der Verdichtung im Silo den Normalfall dar. Im Silo
werden nur ausnahmsweise neu geschüttete Schichten komplett überfahren.
Daher führt die Betrachtung von Teilflächen bei
Materialeinbau von typisch mehreren Metern Höhe an die
Grenze des Realisierbaren. Auch sind die vom Asphaltbau bekannten
Einflussgrößen auf die Verdichtung nur sehr begrenzt
auf landwirtschaftliche Güter übertragbar.
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Die
Vorgehensweise bei der Verdichtung landwirtschaftlicher Güter
weist einige Besonderheiten auf, die bei der Prozessbewertung beachtet
werden müssen. Die auf einmal aufgebrachten Materialschichten
haben eine vielfache Höhe der üblichen Bodenschichten
und die Materialeigenschaften sind deutlich verschieden von mineralischen
Stoffen. Deshalb sinken die Verdichter in landwirtschaftlichen Gütern
sehr viel tiefer ein. Im Erdbau wird eine Schicht auf ganzer Fläche
verdichtet, bevor der Auftrag einer neuen Schicht beginnt. Dagegen
ist im Silo ein gleichzeitiges Verdichten und neu Aufschütten
das gängige Verfahren. Bei einem Gesamtauftrag von mehreren
Metern Höhe tritt in den untersten Schichten eine Eigenverdichtung
durch die aufliegenden Massen ein. Diese gilt es schon während
der Silobefüllung abzuschätzen und entsprechend
zu berücksichtigen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung
des Verdichtungsgrads zu schaffen, welches zur zeitnahen Bestimmung
der Verdichtungswirkungen in landwirtschaftlichen Silos eingesetzt
werden kann.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren
gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß ist
also ein Verfahren zur Bestimmung der Verdichtung in landwirtschaftlichen Horizontalsilos
vorgesehen, bei dem die durch wiederholtes Überfahren einer
Silooberfläche mit einem Verdichterfahrzeug erreichte lokale
Verdichtung zeitnah bestimmt wird, wobei bei jeder Überfahrt
der Silooberfläche die Position des Verdichterfahrzeugs
erfasst und zusammen mit erfassten Sensorsignalen einer Steuereinheit
zugeführt wird und bei der Bestimmung der Verdichtung zusätzlich
die Eigenschaften landwirtschaftlicher Güter in dem Horizontalsilo berücksichtigt
werden. Hierdurch wird ein Verfahren geschaffen, welches als computergestütztes
System zur zeitnahen Prozessbewertung der Verdichtung mit speziellen
Berechnungsverfahren auf der Basis von Messwerten geeigneter Sensoren
dient, die den besonderen Eigenschaften landwirtschaftlicher Güter und
den typischen Arbeitsabläufen der Landwirtschaft gerecht
werden. Neben den Einflussgrößen des Maschinengewichts,
der Anzahl der Überfahrten pro Schicht, der Maschinengeschwindigkeit
und Verweilzeit auf dem Material werden weitere Einflussgrößen
neu mit einbezogen.
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Insbesondere
ist dies die Pflanzenart, wobei mindestens zwischen Halmgut und
Mais unterschieden wird. Weiterhin ist der Trockensubstanzgehalt während
der Einlagerung zu berücksichtigen. Um die Verdichtungswirkung
auf mehrere Meter hohe Stapel abschätzen zu können,
wird von der flächenhaften Bewertung zur räumlichen übergegangen.
Die aktuell befahrene Fläche stellt dabei die Oberfläche
des zu verdichtenden Volumens dar. Dieses Volumen ist die Füllung
in einem von Lage und Größe her bekannten Siloraum.
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Die
Ausdehnung des Horizontalsilos und die geplante Befüllung
gehen von Beginn an mit in die Berechnung der Verdichtungswirkung
ein. Die Bestimmung bearbeiteter Teilflächen auf unterschiedlich
dicken Schichten wird durch die Einführung eines in der
Ebene äquidistanten Punktgitters gelöst. Die Punktkoordinaten
dieses äquidistanten Gitters werden für die flächengrößte
waagerechte Ebene innerhalb des Silos berechnet und bilden die Grundlage des
räumlichen Verdichtungsmodells. Aus der optischen oder
GPS-Positionsbestimmung der verdichtenden Maschine und deren räumlichen
Abmaßen wird auf das Überfahren der Gitterpunkte
geschlossen. Dabei wird neben den 3D-Koordinaten auch die aktuelle
Längs- und Querneigung der Maschine berücksichtigt.
So kann die Lage der Verdichtungsstelle der Maschine auch bei großer
Neigung der befahrenen Fläche berechnet werden. Die jeweils erreichten Höhen
der Verdichtungsstellen werden im Modell den jeweiligen Gitterpunkten
der Ebene zugeordnet.
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Diese
3D-Koordinaten werden mit der gemessenen oder geschätzten
Rückfederung des Häckselguts korrigiert und repräsentieren
im Modell die aktuelle Oberfläche des eingelagerten Materials. Die
reale Silooberfläche weist jedoch zahlreiche neue Aufschüttungen
auf, die noch unverdichtet sind und demzufolge im Modell noch keine
Berücksichtigung finden. Für die Bewertung der
Verdichtungswirkung ist es deshalb notwendig, neue Schichten automatisch
zu erkennen. Deshalb ist erfindungsgemäß eine
Vielzahl von Abstandssensoren an der Vorder- und Rückseite
des Verdichtungsfahrzeugs angebracht. Alle Abstandsmesswerte werden
mit denen des Neigungssensors korrigiert. Das tiefe Einsinken der
Verdichter in neu aufgebrachtem Material wird damit sicher erfasst,
auch wenn nur Teile der Maschine auf unverdichtetem Material laufen.
Durch die Abtastung der Materialoberfläche in unterschiedlicher Entfernung
von den Verdichtungsstellen wird in der Bewegung die Rückfederung
des Materials gemessen. Diese bei landwirtschaftlichem Häckselgut
deutlich zu beobachtende Rückbewegung der Materialoberfläche
bei Entlastung von der vorangegangenen Verdichtung ist zeitabhängig.
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Für
die Messung dieser Rückfederung aus der Bewegung heraus
wird die Relativbewegung des Verdichters zur Materialoberfläche
benötigt. Diese Geschwindigkeit des Verdichters auf der
Materialoberfläche wird berechnet aus aufeinander folgenden GPS-Positionen
des Verdichters unter Berücksichtigung der Neigung. Beim
Einsatz von Straßenwalzen mit Hinterrädern ergibt
sich die Spurtiefe bei Vorwärtsfahrt durch den Vergleich
des Abstands zwischen den Rädern mit dem in der Radspur.
Die so gemessene Spurtiefe und die Rückfederung sind Maßzahlen
für die zum Messzeitpunkt an der Materialoberfläche
erreichte Verdichtung. Sie dienen im Modell zur Kontrolle der aus
Material- und Maschineneigenschaften berechneten Verdichtungswirkungen.
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Deren
aktuelle Größe wird als Differenz zu einem vorgegebenen
Sollwert farblich differenziert zur Anzeige gebracht. Parallel dazu
wird die Verdichtungswirkung im dreidimensionalen Modell als Maßzahl
der jeweiligen Schicht dem Gitterpunkt zugeordnet und gespeichert.
Die Dicke der Schicht und ihre absolute Lage, charakterisiert durch
die Höhe der Schichtunter- und -oberkante, werden im Zuge
der weiteren Silobefüllung im Modell dynamisch angepasst.
Damit wird die von der Auflast ausgehende Kompression berücksichtigt.
So entsteht über die gesamte Befüllung hinweg
ein mathematisches Abbild der eingelagerten Volumina mit räumlich
differenzierten Dichten. Zu interessierenden Zeitpunkten oder nach
Abschluss der Befüllung kann das im Horizontalsilo eingelagerte Volumen
und die Materialdichte räumlich differenziert dargestellt
werden. Diese Angaben dienen der Dokumentation der auf dem Häckselgut
geleisteten Maschinenarbeitszeit und deren räumlich und
zeitlich richtiger Verteilung. In diese finalen Berechnungen gehen
auch Messergebnisse an Materialproben mit ein. Dazu gehören
der Trockensubstanzgehalt des eingelagerten Häckselguts und
die Häcksellänge. Gemessene Niederschlagsmengen
werden nicht abgedeckten Siloflächen zugeordnet und ebenfalls
verrechnet.
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Erfindungsgemäß dient
das Verfahren der zeitnahen Bestimmung der Verdichtungswirkungen in
landwirtschaftlichen Horizontalsilos. Dabei werden sowohl die besonderen
Eigenschaften landwirtschaftlicher Güter als auch die für
die Landwirtschaft typischen Vorgehensweisen der Befüllung
und Verdichtung in Horizontalsilos berücksichtigt. Nach
Abschluss der Befüllung wird eine räumlich differenzierte
Dokumentation der im Horizontalsilo erreichten Verdichtung bereitgestellt.
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Die
Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen
zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon
in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese
zeigt in
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1 ein
Verfahren zur Bestimmung der Verdichtung;
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2 Verdichterfahrzeug
zur Verdichtung in landwirtschaftlichen Horizontalsilo;
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3 die
Anordnung von Abstandssensoren an der Rückseite des in
der 2 gezeigten Verdichtungsfahrzeugs.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der
Verdichtung wird nachfolgend anhand der 1 bis 3 an
einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Das Verdichterfahrzeug
wird mit einem handelsüblichen Industriecomputer mit Anzeigeeinheit
ausgestattet, der für den Einsatz auf Fahrzeugen konzipiert
ist. Der Computer ist mit Schnittstellen an den CAN-Bus der Maschine,
einen DGPS-Empfänger (Differential Global Positioning System),
einen Neigungssensor, mehreren Abstandssensoren an der Vorder- und
Rückseite der Maschine sowie einem Licht- und Regensensor
verbunden. Vor Beginn der Verdichtungsarbeiten erfolgt die Kalibrierung
der Abstandsensoren auf einer harten und ebenen Fläche, gefolgt
von der Eingabe verschiedener Informationen zur bevorstehenden Arbeitsaufgabe
in den Computer. Die Angaben zur Verdichtungsmaschine und zum Horizontalsilo
werden vorzugsweise nur einmal eingegeben und in einer Datenbank
abgespeichert. Beim nächsten Einsatz der Maschine können
sie dann durch Auswahl aktiviert werden. Zu den Maschinendaten gehören
das Maschinengewicht, die Walzenbreite und die Geometrie der Lage
der Verdichtungsteile relativ zum DGPS-Empfänger. Außerdem
erfolgt die manuelle Eingabe zumindest einzelner der folgenden Parameter:
- – Angestrebte Dichte der Trockensubstanz
im Horizontalsilo,
- – Angestrebte Füllhöhe des Horizontalsilos,
- – Geschätzte Silofläche als erwartete
Länge und Breite des Futterstocks,
- – Pflanzenart, wobei mindestens zwischen Halmgut und
Mais unterschieden wird,
- – Geschätzter Trockensubstanzgehalt während der
Einlagerung,
- – Aktuelle Wetterlage, ausgewählt aus sonnig,
bedeckt oder Regen.
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Weiterhin
werden mehrere auf dem Maschinenbus vorliegende Daten in Echtzeit
erfasst. Dazu gehören die mittels DGPS ermittelten Koordinaten der
Maschinenfahrten und bei Vibrationswalzen die aktuelle Frequenz
und Amplitude. Zusätzlich werden für den Einsatz
in landwirtschaftlichen Horizontalsilos folgende Größen
mittels geeigneter Sensoren gemessen: Die Fahrtrichtung der Maschine,
beispielsweise unter Nutzung der Fahrtrichtungsinformation auf dem
CAN-Bus der Maschine oder der Auswertung des DGPS-Signals, die Längs-
und Querneigung der Maschine durch Auswertung eines zusätzlichen
Neigungssensors, die Abstände zwischen mehreren Entfernungsmessern
an der Maschine und der Oberfläche des zu verdichtenden
Materials sowohl vor als auch hinter dem Fahrzeug und/oder die Massen
des Häckselguts auf selbstwiegenden Transportfahrzeugen
oder stationären Waagen mit drahtlosen Kommunikationseinrichtungen.
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Daran
schließen sich folgende Berechnungs- und Auswerteschritte
an: Innerhalb des Horizontalsilos wird aus den DGPS-Koordinaten
die Bahnspur der Walze über einem Gitter gleich weit voneinander
entfernter Punkte berechnet. Mit Hilfe der gemessenen Längs-
und Querneigung werden die Bahnkurven der an der Maschine befindlichen Verdichtungsteile
im Raum berechnet und deren Koordinaten an den Gitterpunkten im
Modell abgespeichert. Die Daten der Abstandssensoren liefern Informationen über
den Beginn neuer Schichten und deren Höhe.
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Bei
Beginn jeder neuen Schicht auf dem Gitterpunkt wird ein Zähler
auf Null gesetzt und so die Anzahl der Überfahrten über
den Punkt schichtweise registriert. Aus der Bahnspur und der Geschwindigkeit
der Walze wird auf die punktbezogene Verdichtungsdauer geschlossen,
die im Modell gespeichert wird. Die Messwerte der Abstandsensoren
werden nach Fallgruppen klassifiziert. Dabei wird zwischen Vorwärts-
und Rückwärtsfahrt sowie Berg- und Talfahrt unterschieden.
Anhand der im Modell gespeicherten Oberfläche werden gleichmäßige
Neigung und Kanten erkannt. Aus der Einsinktiefe der Walze im zu verdichtenden
Gut und der aktuellen Zuordnung in die jeweilige Fallgruppe wird
die erreichte Dichte des Häckselguts ermittelt. Die noch
erforderlichen Überfahrten werden aus einer empirischen
Matrix der Einflussgrößen und den Benutzereingaben für
jeden Gitterpunkt berechnet.
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Die
Flächen noch unzureichender Verdichtung werden dem Fahrer
auf einer Anzeigeeinheit in Form einer farbigen, zweidimensionalen
Echtzeit-Darstellung der Silooberfläche angezeigt. Diese Echtzeit-Darstellung
wird optional drahtlos zu dem im Horizontalsilo arbeitenden Verteilerfahrzeug übertragen
und dort auf einer Anzeigeeinheit dargestellt.
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Nach
Abschluss der Einlagerung erfolgt die Dokumentation der Verdichtung.
Die vor der Einlagerung durch den Benutzer geschätzten
Daten der Silofläche und der Füllhöhe
werden durch DGPS-Messwerte ersetzt. Zusammen mit den gezählten Überfahrten
je Schicht und gemessenen Einsinktiefen wird das Ergebnis der Verdichtung
als dreidimensionaler Bericht ausgegeben. Berechnete Dichten über dem
Zielwert erscheinen als grüne oder neutrale Volumeneinheiten
in einer Grafik. Liegen die Dichten unter dem Zielwert, werden die
Volumeneinheiten als rote "Hot Spots" darstellt.
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Wie
in der 1 dargestellt, werden die Ausgangsgrößen 1 eingegeben.
Diese umfassen insbesondere die Maschinendaten (Gewicht, Abmessungen),
die angestrebte Länge, Breite und Höhe des Siloinhalts,
das Halmgut oder Mais sowie den geschätzten Trockensubstanzgehalt
(feucht, normal, trocken). Weiterhin werden die Sensordaten 2 eingegeben,
die die Position, Geschwindigkeit und Fahrtrichtung der Maschine
(auf, ab, quer zur Neigung), den Neigungswinkel der Maschine (Längs-
und Querneigung), die Einsinktiefe im Siliergut (vorn, hinten) und
den Regen- und Lichtsensor (Regen, Sonne) umfassen. Aus den Sensordaten 2 werden
Größen 3 umfassend die Koordinaten eines
3D-Punktgitters verdichteten Silierguts, die Verweildauer der Walze
auf der Volumeneinheit, die Einsinktiefe der Walze als Maß für
den Beginn einer neuen Schicht des Silierguts und für den
Verdichtungserfolg sowie die Anzahl der Überfahrten über
neu aufgebrachtes Material abgeleitet. Aus den Ausgangsgrößen 1 und den
abgeleiteten Größen 3 wird ein mathematisches Modell 4 ermittelt,
welches einem Echtzeit-Fahrerinformationssystem 5 zugrunde
gelegt wird. Dieses Echtzeit-Fahrerinformationssystem 5 zeigt
dem Fahrer die noch zu leistenden Überfahrten auf einem Fahrerdisplay 7 an.
Abschließend erfolgt die Dokumentation 6 und ein
3D-Modell 8 der räumlichen Verteilung der Dichte
wird generiert und angezeigt, wobei Dichten unter einem Zielwert
farbig hervorgehoben werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0698152
A1 [0005]
- - US 5471391 A [0007]
- - DE 29723171 U1 [0008]
- - EP 0698152 B1 [0009]