Verfahren und Anordnung zur Steuerung eines Fahrzeuges Method and arrangement for controlling a vehicle
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren, bei dem Bildinformationen aus dem in Fahrtrichtung vor einem Fahrzeug liegenden Gelände erfaßt und daraus Steuerbefehle zur Beeinflussung der Fahrtrichtung und/oder der Fahrgeschwindigkeit generiert werden. Des weiteren bezieht sich die Erfindung auf eine Anordnung zur Steuerung eines landwirtschaftlichen Fahrzeuges nach diesem Verfahren.The invention relates to a method in which image information is detected from the lying in front of a vehicle in the direction of travel terrain and from it control commands for influencing the direction of travel and / or the vehicle speed are generated. Furthermore, the invention relates to an arrangement for controlling an agricultural vehicle according to this method.
Der Fahrzeugführer, insbesondere eines landwirtschaftlichen Fahrzeuges, wie Traktor, Mähdrescher, oder Feldhäcksler, ist in der Regel neben der Lenkung seines Fahrzeuges mit einer Vielzahl anderer Aufgaben betraut, zum Beispiel Steuerung des Auswurfarms, Überwachung der Füllung im Getreidetank, Steuerung der Einstellungen einer Feldspritze, eines Pflug oder Dreschwerkes.The driver, particularly an agricultural vehicle, such as a tractor, combine harvester, or forage harvester, is usually entrusted with a variety of other tasks in addition to steering his vehicle, for example control of the ejector arm, monitoring of the filling in the grain tank, control of the settings of a field sprayer, a plow or thresher.
Um den Fahrzeugführer bei diesen Aufgaben zu entlasten, wurden bereits automatische Lenkeinrichtungen entwickelt. Dabei ist eine genaue Spurhaltung von Bedeutung, um Beschädigungen des Erntegutes und damit Ertragseinbußen zu vermeiden, und um die Überlappung der Erntereihen beispielsweise bei der Getreideernte zu optimieren mit dem Ziel, Zeit und Treibstoffkosten zu sparen und so die Effizienz der Bewirtschaftung einer landwirtschaftlichen Fläche zu erhöhen.To relieve the driver in these tasks, automatic steering devices have already been developed. Accurate tracking is important to avoid damage to crops and yield losses, and to optimize the overlapping of crop rows, for example, during grain harvesting, with the aim of saving time and fuel costs, thereby increasing the efficiency of agricultural land management ,
Bekannt ist es, die automatische Steuerung eines Fahrzeuges auf Basis einer GPS-gestützten Anordnung zu realisieren. Dabei befindet sich ein GPS-Empfänger an dem Fahrzeug, und
mittels Software werden die Abmaße des Feldes und eine optimale Fahrtroute zur Bewältigung der geplanten Arbeiten berechnet, daraus Steuerbefehle generiert und an die Lenkeinrichtung übertragen.It is known to realize the automatic control of a vehicle based on a GPS-based arrangement. There is a GPS receiver on the vehicle, and By means of software, the dimensions of the field and an optimal route to cope with the planned work are calculated, used to generate control commands and transmitted to the steering device.
Nachteilig bei diesem Prinzip ist die für viele Anwendungen unzureichende Genauigkeit: Um beispielsweise ein Feld zu befahren, auf dem die Fahrspuren zwischen den Pflanzreihen gerade den Reifenbreiten und der Spurbreite des Fahrzeuges angemessen sind, ist, um das Pflanzgut nicht zu beschädigen, maximal eine Fahrspurabweichung von 8 cm zulässig. Dies ist mit einer nur durch Satelliten gestützten GPS- Anordnung nicht erreichbar.A disadvantage of this principle is the inadequate for many applications accuracy: For example, to drive a field on which the lanes between the rows of plants just the tire widths and the track width of the vehicle are appropriate, not to damage the seedlings, a maximum lane deviation of 8 cm allowed. This is not achievable with a satellite-only GPS arrangement.
Um die Genauigkeit zu erhöhen, sind zum vorgenannten Zweck bereits differentielle GPS-Systeme entwickelt worden. Dabei wird der Empfänger am Fahrzeug nicht nur mit den Satelliten-Signalen, sondern zusätzlich auch noch mit Informationen einer stationären Sendestation versorgt.To increase the accuracy, differential GPS systems have already been developed for the aforementioned purpose. The receiver on the vehicle is not only supplied with the satellite signals, but also with information from a stationary transmitting station.
Auf diese Weise gelingt es, die Genauigkeit der Spurhaltung auf etwa ±5 cm zu verbessern. Ein solches System ist beispielsweise beschrieben in US 2003/0208311 Al.In this way it is possible to improve the accuracy of tracking to about ± 5 cm. Such a system is described, for example, in US 2003/0208311 A1.
In US 6,539,303 ist eine weiterführende Verfahrensweise offenbart, bei der parallel zueinander versetzt fahrende Fahrzeuge automatisch gesteuert werden.In US 6,539,303 a further procedure is disclosed, are automatically controlled in the mutually parallel moving vehicles.
Den beiden vorgestellten Systemen ist jedoch gemeinsam, daß eine sehr genaue Kenntnis der Lage von Hindernissen oder vorgegebenen Fahrspuren vorhanden sein muß. Bei der Erzeugung von Schwaden aus Erntegut beispielsweise liegen jedoch solche Informationen nicht vor.
Des weiteren muß eine räumliche Drift des verwendeten Systems nachgehalten werden, beispielsweise aufgrund der zwischen Aussaat und Ernte liegenden Zeitspanne.The two systems presented, however, have in common that a very accurate knowledge of the location of obstacles or predetermined lanes must be present. However, when generating steam from crops, such information is not available. Furthermore, a spatial drift of the system used must be tracked, for example due to the time between sowing and harvest.
Es sind weiterentwickelte Verfahren und Anordnungen zur Steuerung von Fahrzeugen bekannt, bei denen Informationen über das das Fahrzeug umgebende Gelände dem Generieren der Steuerbefehle zugrundegelegt werden, wie zum Beispiel beschrieben in US 6,278,918 und US 6,686,951.There are further developed methods and arrangements for controlling vehicles in which information about the terrain surrounding the vehicle is used to generate the control commands, as described for example in US 6,278,918 and US 6,686,951.
Dabei wird das Gelände vor dem Fahrzeug mit Hilfe einer Kamera beobachtet, und in einer nachgeschalteten Bildanalyse werden mit verschiedenen Algorithmen die auftretenden Strukturen bewertet. So erfolgt beispielsweise zur Schwade- Erkennung eine Unterscheidung zwischen der Schwade und dem abgemähten Stoppelfeld anhand von Farbunterschieden.The terrain in front of the vehicle is observed with the help of a camera, and in a subsequent image analysis, the occurring structures are evaluated with different algorithms. For example, for the detection of swathing, a distinction is made between the swath and the mown stubble field on the basis of color differences.
Probleme dabei bereitet der Umstand, daß die Farben von Schwade und Untergrund von Bedingungen wie Nässe und Trok- kenheit abhängig sind, so daß die Farbdifferenz oftmals zu gering ist. Auch ist die Auswertung der aufgenommenen Bilder vom Umgebungslicht abhängig. Schatten, insbesondere der Schatten des betreffenden Fahrzeuges, erzeugen eine hohe Dynamik in den zu verarbeitenden Signalen und erschweren dadurch die automatische Interpretation erheblich.The problem is that the colors of swaths and subsoil are dependent on conditions such as wetness and dryness, so that the color difference is often too small. The evaluation of the recorded images is also dependent on the ambient light. Shadows, in particular the shadow of the vehicle in question, generate a high degree of dynamics in the signals to be processed, thereby making automatic interpretation considerably more difficult.
In der Veröffentlichung „Schwadabtastung mit Ultraschall" in der Zeitschrift Landtechnik Heft 5/1993, ab Seite 266, ist eine Verfahrensweise beschrieben, bei der mehrere Ultraschallsensoren in Reihe parallel zum Boden angeordnet sind. Jeder dieser Sensoren ermittelt den Abstand zum Boden und liefert einen „Bildpunkt" eines Höhenprofils, das aus
den von allen beteiligten Sensoren ermittelten Abständen gewonnen wird. Bei jeder Abtastung liegt eine zweidimensionale Information über das Höhenprofil vor. Mit wiederholten Abtastungen während der Fortbewegung des Fahrzeuges wird dann eine dreidimensionale Information des Höhenprofils gewonnen.In the publication "Schwadabtastung with ultrasound" in the journal Agricultural Engineering Issue 5/1993, from page 266, a procedure is described in which a plurality of ultrasonic sensors are arranged in series parallel to the ground Each of these sensors determines the distance to the ground and provides a " Pixel "of a height profile, the off the distances determined by all involved sensors is obtained. Each scan provides two-dimensional height profile information. With repeated scans during the movement of the vehicle, a three-dimensional information of the height profile is then obtained.
Nach diesem Prinzip lassen sich nur verhältnismäßig grobe Strukturen detektieren, wie etwa die Höhe und Breite einer auf dem abgetasteten Boden liegenden Schwade.According to this principle, only relatively coarse structures can be detected, such as the height and width of a swath lying on the scanned ground.
Weitere bekannte Einrichtungen nutzen zur Bilderfassung eine Stereokamera, wie zum Beispiel in EP 1 473 673 offenbart. Durch die Analyse von zwei Bildern, die aus verschiedenen Blickwinkeln vom Fahrzeug aus gewonnen werden, wird ein dreidimensionales Profil der Oberfläche erstellt, indem die zweidimensionalen Abweichungen von identischen Objekten auf beiden Bildern in eine räumliche Tiefe umgesetzt werden.Other known devices use a stereo camera for image acquisition, as disclosed, for example, in EP 1 473 673. By analyzing two images obtained from different perspectives from the vehicle, a three-dimensional profile of the surface is created by translating the two-dimensional deviations from identical objects on both images into a spatial depth.
Nachteilig hierbei ist, daß die Positionen der beiden Kameras sehr genau bekannt sein müssen und sich auf Fahrzeug nicht verändern dürfen.The disadvantage here is that the positions of the two cameras must be known very well and may not change on the vehicle.
In einer Anordnung, die eine Entfernungsmeßrichtung auf Basis eines Laserscanners verwendet, wie in US 6,389,785 beschrieben, wird eine Geländezeile senkrecht zur Fahrtrichtung Punkt für Punkt abgerastert und deren Entfernung gemessen. Während der Fortbewegung des Fahrzeuges werden die Meßdaten zu einem dreidimensionalen Profil zusammengesetzt.In an arrangement using a laser scanner-based distance measuring device as described in US Pat. No. 6,389,785, a terrain line perpendicular to the direction of travel is scanned point by point and its distance is measured. During locomotion of the vehicle, the measurement data is assembled into a three-dimensional profile.
Bedingt durch den Scanner werden hierbei bewegliche Teile zur Bilderfassung verwendet. Gerade die auf einem landwirt-
schaftlichen Fahrzeug auftretenden Erschütterungen und Vibrationen führen deshalb leicht Störungen des Meßsystems und begrenzen darüber hinaus die Lebensdauer des Scanners.Due to the scanner, moving parts are used for image acquisition. Especially those on a farmer's Shock and vibration occurring therefore easily lead to interference of the measuring system and also limit the life of the scanner.
Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Verfahren zur automatischen Steuerung eines Fahrzeuges, insbesondere eines Fahrzeuges für die Landwirtschaft, weiterzuentwickeln. Die Aufgabe der Erfindung besteht außerdem darin, eine Anordnung zu schaffen, die eine im Hinblick auf die Effizienz der Bewirtschaftung von landwirtschaftlichen Flächen verbesserte Steuerung eines landwirtschaftlichen Fahrzeuges ermöglicht.Based on this prior art, the object of the invention is to further develop the method for automatically controlling a vehicle, in particular a vehicle for agriculture. The object of the invention is also to provide an arrangement which enables improved control of an agricultural vehicle with regard to the efficiency of the management of agricultural land.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren zur Steuerung eines Fahrzeuges, bei dem Bildinformationen aus dem in Fahrtrichtung vor dem Fahrzeug liegenden Gelände erfaßt und aus diesen Bildinformationen Steuerbefehle zur Beeinflussung der Fahrtrichtung und/oder der Fahrgeschwindigkeit generiert werden dadurch gelöst, daß anhand der Bildinformationen markante Objektstrukturen ausgewählt werden, wiederholt der Abstand zwischen dem Fahrzeug und den markanten Objektstrukturen ermittelt wird und die Steuerbefehle aus den Bildinformationen, die den Objektstrukturen entsprechen, und den Abstandsänderungen zwischen dem Fahrzeug und den Objektstrukturen generiert werden.According to the invention, the object is achieved with a method for controlling a vehicle in which image information from the lying in the direction of travel in front of the vehicle terrain and generated from these image information control commands for influencing the direction of travel and / or driving speed are achieved in that based on the image information distinctive object structures are selected, the distance between the vehicle and the distinctive object structures is determined repeatedly and the control commands are generated from the image information corresponding to the object structures and the distance changes between the vehicle and the object structures.
Als markante Objektstrukturen können dabei bestimmte Pflanzen, Pflanzreihen, Ackerfurchen, Schwaden aus Erntegut, Straßenränder oder Fahrspuren genutzt werden, und die Steuerbefehle werden zur Beeinflussung der Fahrtrichtung relativ zu solchen Objektstrukturen generiert.
Mit anderen Worten: Die aus den markanten Objektstrukturen gewonnenen Bildinformationen und die auf diese Bildinformationen bezogenen Abstandsänderungen zwischen dem Fahrzeug und den Objektstrukturen werden in Steuerbefehle umgesetzt, die die Lenkung des Fahrzeuges so beeinflussen und die Fahrtrichtung in der Weise korrigieren, daß die Räder des Fahrzeuges automatisch in vorgesehenen Bahnen, beispielsweise in präziser Ausrichtung zwischen den Pflanzreihen, laufen, ohne daß der Fahrzeugführer eingreifen muß.Certain plants, rows of plants, furrows, swaths of crop, roadsides or lanes can be used as distinctive object structures, and the control commands are generated to influence the direction of travel relative to such object structures. In other words, the image information obtained from the distinctive object structures and the distance changes between the vehicle and the object structures related to this image information are converted into control commands which influence the steering of the vehicle and correct the direction of travel in such a way that the wheels of the vehicle automatically in intended tracks, for example, in precise alignment between the rows of plants, run without the driver has to intervene.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Steuerbefehle zur Beeinflussung der Fahrtrichtung oder Fahrtgeschwindigkeit zwecks Umgehung von Hindernissen generiert. Dies dient insbesondere dazu, Objekte zu erkennen, die aufgrund ihrer Größe und Beschaffenheit das Fahrzeug gefährden können. Auch können Fahrtrichtung befindliche, sich bewegende Objekte, wie etwa andere Fahrzeuge oder Personen, detektiert werden und aus diesen Bildinformationen Steuerbefehle zur Beeinflussung der Fahrtrichtung oder Fahrtgeschwindigkeit und/oder Warnsignale generiert werden.In an advantageous embodiment of the method according to the invention, control commands for influencing the direction of travel or driving speed for the purpose of avoiding obstacles are generated. This serves in particular to recognize objects that can endanger the vehicle due to their size and nature. It is also possible to detect traveling objects, such as other vehicles or persons, and to generate control commands for influencing the direction of travel or driving speed and / or warning signals from these image information.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden Steuerbefehle auch zur Beeinflussung der Fahrgeschwindigkeit oder der Fahrtrichtung generiert, um den Abstand und die Ausrichtung des zu steuernden Fahrzeuges zu anderen Fahrzeugen zu beeinflussen. Damit ist es beispielsweise möglich, Fahrgeschwindigkeit oder Fahrtrichtung eines Erntefahrzeuges zu der Fahrgeschwindigkeit oder Fahrtrichtung eines oder mehrerer Fahrzeuge zum Abtransport des Erntegutes zu synchronisieren. Die Übertragung des Erntegutes vom Erntefahrzeug auf wechselnde Transportfahrzeuge kann so ohne Unterbrechung des Ernteprozesses erfolgen, so daß das
Erntefahrzeug effektiv ausgelastet ist. Besonders geeignet ist diese Verfahrensweise zur Anwendung bei fahrbaren Häckslern oder bei der Getreideernte.In a further advantageous embodiment, control commands are also generated to influence the driving speed or the direction of travel in order to influence the distance and the orientation of the vehicle to be controlled to other vehicles. Thus, it is for example possible to synchronize the driving speed or direction of travel of a harvesting vehicle to the driving speed or direction of one or more vehicles for transporting the crop. The transfer of the crop from the harvester to changing transport vehicles can be done without interrupting the harvesting process, so that the Harvesting vehicle is effectively utilized. This method is particularly suitable for use in mobile shredders or grain harvest.
So befinden sich bei zahlreichen Aufgaben in der Landwirtschaft mehrere Landmaschinen gleichzeitig auf einem Feld. Dabei kann es sich um einen Verband von Mähdreschern handeln, die leicht versetzt zueinander ein Getreidefeld abernten, oder aber um Erntemaschinen, die die Anhänger von Traktoren beladen, die sich parallel zur Maschine bewegen. In all diesen Fällen handelt es sich um Situationen, in denen die Fahrtrichtung und Fahrgeschwindigkeit der einzelnen Maschinen zueinander von Bedeutung sind, um einen reibungslosen Ablauf zu garantieren.For example, many agricultural machines have several agricultural machines in one field at the same time. This can be a combination of combine harvesters slightly harvesting crops from one another, or harvesters that load trailers on tractors that move parallel to the machine. In all these cases, situations in which the direction of travel and speed of each machine are important to each other to ensure a smooth flow.
Je nach Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Bildinformationen mit Licht aus dem Infrarotbereich und/oder aus dem visuellen Bereich gewonnen. So ist es möglich, aufgrund der Auswertung bestimmter Farben die Bildinformationen spektral aufzulösen, beispielsweise um die Schwade-Erkennung zu verbessern oder auch um Informationen über die Dichte einer Schwade zu erhalten. Die Steuerung eines landwirtschaftlichen Fahrzeuges erfolgt dabei in Abhängigkeit von der Menge und der Qualität des Erntegutes.Depending on the embodiment of the method according to the invention, the image information is obtained with light from the infrared range and / or from the visual range. Thus, it is possible to spectrally resolve the image information due to the evaluation of certain colors, for example, to improve the swath detection or to obtain information about the density of a swath. The control of an agricultural vehicle is carried out depending on the amount and quality of the crop.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, gleichzeitig mit den Steuerbefehlen oder auch gesondert dazu akustische Warnsignale für den Fahrzeugführer zu generieren, der daraufhin die Wirksamkeit der automatischen Steuerung und die Korrekturmaßnahmen kontrollieren kann.
Bei einer Anordnung zur Steuerung eines landwirtschaftlichen Fahrzeuges, das ausgestattet ist mit einem Antrieb zur Fortbewegung des Fahrzeuges, einer Lenkeinrichtung zur Bestimmung der Fortbewegungsrichtung, einer Beschleunigungs- und Bremseinrichtung zur Beeinflussung der Fortbewegungsgeschwindigkeit, einer optische Einrichtung zur Erfassung von Bildinformationen aus dem in Fortbewegungsrichtung vor der Fahrzeug liegenden Gelände, und mit einer Auswerte- und -Verarbeitungseinrichtung zur Generierung von Steuerbefehlen für die Lenkeinrichtung und/oder für die Beschleunigungs- und Bremseinrichtung aus den Bildinformationen sind erfindungsgemäß vorgesehen:In a further embodiment of the method according to the invention, it is provided to generate acoustic warning signals for the vehicle driver at the same time as the control commands or else separately, which can then control the effectiveness of the automatic control and the corrective measures. In an arrangement for controlling an agricultural vehicle, which is equipped with a drive for moving the vehicle, a steering device for determining the direction of travel, an acceleration and braking device for influencing the speed of movement, an optical device for detecting image information from the in the direction of travel before the Vehicle lying terrain, and with an evaluation and processing device for generating control commands for the steering device and / or for the acceleration and braking device from the image information are provided according to the invention:
Mittel zur Auswahl von Bildinformationen, die markanten Objektstrukturen entsprechen, sowie eine Entfernungsmeßeinrichtung zur getakteten, wiederholten Ermittlung des Abstandes zwischen dem Fahrzeug und diesen Objektstrukturen, wobei die Auswerte- und Verarbeitungseinrichtung zur Generierung der Steuerbefehle aus den Bildinformationen, die den markanten Objektstrukturen entsprechen, und den Abstandsänderungen zwischen dem Fahrzeug und den Objektstrukturen ausgebildet ist.Means for selecting image information corresponding to distinctive object structures, and a distance measuring device for clocked, repeated determination of the distance between the vehicle and these object structures, wherein the evaluation and processing means for generating the control commands from the image information corresponding to the distinctive object structures, and the Distance changes between the vehicle and the object structures is formed.
Vorteilhaft weist die optische Einrichtung Mittel zur Erfassung der Bildinformationen auf, die von Objektstrukturen stammen, die im Raum vor dem landwirtschaftlichen Fahrzeug auf einer Geraden liegen, wobei diese Gerade mit der Fortbewegungsrichtung einen Winkel von α ≠ 0°, bevorzugt α ~ 90° einschließt.
Alternativ dazu weist die optische Einrichtung Mittel zur Erfassung der Bildinformationen auf, die von Objektstrukturen stammen, die im Raum vor dem landwirtschaftlichen Fahrzeug in einer Fläche liegen, wobei diese Fläche mit der Fortbewegungsrichtung des Fahrzeuges einen Winkel von α ≠ 0, bevorzugt α « 90°, einschließt.Advantageously, the optical device has means for detecting the image information originating from object structures lying in the space in front of the agricultural vehicle on a straight line, this straight line with the direction of travel an angle of α ≠ 0 °, preferably α ~ 90 °. Alternatively, the optical device has means for detecting the image information originating from object structures lying in the space in front of the agricultural vehicle in a surface, said surface with the direction of travel of the vehicle an angle of α ≠ 0, preferably α «90 ° , includes.
Die optische Einrichtung zur Erfassung der Bildinformationen ist mit optischen Einzelsensoren, optischen Sensorzeilen und/oder optischen Sensorarrays ausgestattet. Dabei ist mindestens einer der Sensoren als phasensensitiver Sensor ausgebildet und zur Erfassung der Abstandsänderungen vorgesehen .The optical device for acquiring the image information is equipped with individual optical sensors, optical sensor lines and / or optical sensor arrays. At least one of the sensors is designed as a phase-sensitive sensor and provided for detecting the changes in distance.
Diesbezüglich wird als optische Einrichtung vorteilhaft eine Laufzeitkamera genutzt. Während eine herkömmliche Kamera mit optischen Sensoren ausgestattet ist, die lediglich die Helligkeit von Bildpunkten erfassen, verfügt die Laufzeitkamera anstelle oder auch neben diesen Sensoren über phasensensitive Sensoren, die außer der Helligkeit auch die Laufzeit des Lichtes messen, das die Bildinformation trägt, und damit Entfernungsmessungen ermöglichen. Dies erfolgt unter Zuhilfenahme einer gesonderten, modulierten Lichtquelle zur Beleuchtung der Objekte, zu denen die Entfernung zu messen ist. So werden mit der Laufzeitkamera nicht nur Bildinformationen von Objekten gewonnen, sondern auch Entfernungswerte zu diesen Objekten.In this regard, a runtime camera is advantageously used as an optical device. While a conventional camera is equipped with optical sensors that capture only the brightness of pixels, the runtime camera has instead of or in addition to these sensors via phase-sensitive sensors that measure not only the brightness but also the duration of the light that carries the image information, and thus distance measurements enable. This is done with the aid of a separate, modulated light source for illuminating the objects to which the distance is to be measured. Thus, the runtime camera not only obtains image information of objects, but also distance values to these objects.
Bei Verwendung einer Laufzeitkamera wird das Gelände vor dem Fahrzeug mit einer Lichtquelle beleuchtet, die vorteilhaft in die Laufzeitkamera integriert ist, und die beispielsweise mit einer Frequenz f sinusförmig moduliert wird. Die sich mit Lichtgeschwindigkeit c ausbreitende WeI-
Ie hat dabei die Periode 1/f. Die Entfernung z zu einem ausgewählten beleuchteten Objekt bzw. zu einer beleuchteten Objektstruktur berechnet sich aus der Messung der Phasenverschiebung, die sich während der Laufzeit des Lichtes er- c j, φ gibt, nach der Funktion z = —*-J— mit c der Lichtgeschwin-When using a runtime camera, the terrain is illuminated in front of the vehicle with a light source, which is advantageously integrated in the runtime camera, and which is modulated sinusoidally, for example, with a frequency f. The light propagating at the speed of light c Ie has the period 1 / f. The distance z to a selected illuminated object or to an illuminated object structure is calculated from the measurement of the phase shift, which occurs during the propagation time of the light, according to the function z = - * - J - with c the speed of light -
2/ 2π digkeit, f der Modulationsfrequenz und φ der Phasenverschiebung. Die Entfernung wird also anhand der Phasenverschiebung φ bestimmt.2 / 2π speed, f the modulation frequency and φ the phase shift. The distance is thus determined on the basis of the phase shift φ.
Dieses auch unter dem Begriff "time-of-flighf-Prinzip bekannte Entfernungsmeßverfahren ist beispielsweise detailliert beschrieben in der Zeitschrift „Elektronik", WEK Fachzeitschriften-Verlag GmbH, 2000, Heft 12, unter dem Titel „Photomischdetektor erfaßt 3D-Bilder". Eine weitere Beschreibung enthält die Dissertation „Untersuchung und Entwicklung von modulationslaufzeitbasierten SD-Sichtsystemen", vorgelegt von Horst G. Heinold, dem Fachbereich Elektrotechnik und Informatik der Universität Siegen. Eine ausführlichere Erläuterung ist daher hier an dieser Stelle nicht erforderlich.This distance measuring method, which is also known by the term "time-of-flighf principle", is described in detail, for example, in the periodical "Elektronik", WEK Fachzeitschriften-Verlag GmbH, 2000, No. 12, under the title "Photomixdetektor captures 3D images" The description contains the dissertation "Examination and Development of Modulation Term-based SD Viewing Systems", presented by Horst G. Heinold, the Department of Electrical Engineering and Computer Science of the University of Siegen. A more detailed explanation is therefore not required here at this point.
Die Bilderfassung ist bei der erfindungsgemäßen Anordnung so ausgelegt, daß beispielsweise für eine Schwade-Erkennung eine Auflösung von etwa 10 cm bis 20 cm möglich ist. Bei der Erfassung von Bildinformationen von Pflanzenreihen dagegen ist die Anordnung vorteilhaft für Genauigkeiten von 5 cm bis 10 cm ausgebildet.The image capture is designed in the inventive arrangement so that, for example, for a swath detection, a resolution of about 10 cm to 20 cm is possible. By contrast, when acquiring image information from plant rows, the arrangement is advantageously designed for accuracies of 5 cm to 10 cm.
Vorteilhaft können der optischen Einrichtung Zylinderlinsen oder Prismen vorgeordnet sein zu dem Zweck, eine ungleichmäßig verteilte optische Auflösung bei der Erfassung der Bildinformationen zu erzielen. Dabei sind die Zylinderlin-
sen oder Prismen so ausgebildet, daß bestimmte Sensorbereiche der optischen Einrichtung Bildinformationen aus dem Gelände vor dem Fahrzeug mit höherer Auflösung erfassen als die übrigen Sensorbereiche.Cylindrical lenses or prisms may advantageously be arranged upstream of the optical device for the purpose of achieving an unevenly distributed optical resolution in the acquisition of the image information. The cylinder liners sen or prisms formed so that certain sensor areas of the optical device capture image information from the terrain in front of the vehicle with higher resolution than the other sensor areas.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment. In the accompanying drawings show:
Fig.l symbolisch die Seitenansicht eines landwirtschaftliches Fahrzeuges auf einem bewirtschafteten Feld,Fig.l symbolically the side view of an agricultural vehicle in a cultivated field,
Fig.2 das landwirtschaftliche Fahrzeug aus Fig.l in einer Draufsicht,2 shows the agricultural vehicle from Fig.l in a plan view,
Fig.3 in einem Blockschaltbild den Signalfluß bei der Gewinnung von Bild- und Entfernungsinformationen und deren Umsetzung in Steuerbefehle.3 is a block diagram of the signal flow in the extraction of image and distance information and their implementation in control commands.
Das landwirtschaftliche Fahrzeug 1 in Fig.l umfaßt die folgenden, im einzelnen nicht zeichnerisch dargestellten Einrichtungen: einen Antrieb zur Fortbewegung, eine Lenkeinrichtung zur Beeinflussung der Fortbewegungsrichtung, eine Beschleunigung- und Bremseinrichtung zur Beeinflussung der Fortbewegungsgeschwindigkeit, eine Laufzeitkamera 2, die zur Erfassung von Bildinformationen markanter ObjektStrukturen 3, die in Fortbewegungsrichtung vor dem Fahrzeug liegen, sowie zur getakteten, wiederholten Ermittlung des Abstandes zwischen dem Fahrzeug 1 und den Objektstrukturen 3 ausgebildet ist, und eine Auswerte- und -Verarbeitungseinrichtung zum Generieren von Steuerbefehlen für die Lenkeinrichtung und
für die Beschleunigungs- und Bremseinrichtung aus den Bildinformationen und den Abstandsänderungen.The agricultural vehicle 1 in Fig.l comprises the following, not shown in detail in the drawing devices: a drive for locomotion, a steering device for influencing the direction of movement, an acceleration and braking device for influencing the speed of movement, a runtime camera 2, which is used to capture image information distinctive object structures 3, which lie in the direction of travel in front of the vehicle, and for clocked, repeated determination of the distance between the vehicle 1 and the object structures 3 is formed, and an evaluation and processing device for generating control commands for the steering device and for the acceleration and braking device from the image information and the distance changes.
Die Laufzeitkamera 2 hat in der Fig.l dargestellten Seitenansicht ein Sichtbereich 4 mit einem Sichtwinkel ß von etwa 15° bis 40°. Der Sichtwinkel ß ist von der Zweckbestimmung des landwirtschaftlichen Fahrzeugs 1 abhängig und durch konstruktive Maßnahmen vorgegeben. So genügt beispielsweise bei Einsatz des landwirtschaftlichen Fahrzeugs 1 zur Maisernte ein Sichtwinkel ß = 15° , während bei der Verfolgung von Pflanzreihen, zum Beispiel um sich aufspaltende Reihen erkennen zu können, ein größerer Sichtwinkel ß wünschenswert ist.The runtime camera 2 has in the Fig.l side view shown a viewing area 4 with a viewing angle ß of about 15 ° to 40 °. The viewing angle β is dependent on the purpose of the agricultural vehicle 1 and predetermined by constructive measures. Thus, for example, when using the agricultural vehicle 1 for maize harvest, a viewing angle β = 15 ° is sufficient, while in the tracking of plant rows, for example in order to be able to recognize splitting rows, a larger viewing angle β is desirable.
Fig.2 zeigt eine Draufsicht der Darstellung nach Fig.l, aus welcher der seitliche Sichtwinkel γ des Sichtbereiches 4 der Laufzeitkamera 2 ersichtlich ist, der beispielsweise in der Größenordnung von 40° bis 140° liegt. Auch der Sichtwinkel γ ist vom Einsatz des landwirtschaftlichen Fahrzeugs 1 abhängig und durch konstruktive Maßnahmen vorgegeben. So genügt beispielsweise zur Erkennung von Schwaden ein Sichtwinkel γ = 40°, während bei einem als Mähdrescher ausgebildeten landwirtschaftlichen Fahrzeug 1 ein Sichtwinkel γ erforderlich ist, der die gesamte Breite des Schneidwerkes erfaßt.2 shows a top view of the illustration according to FIG. 1, from which the lateral viewing angle γ of the viewing area 4 of the transit time camera 2 can be seen, which lies for example in the order of magnitude of 40 ° to 140 °. The viewing angle γ is also dependent on the use of the agricultural vehicle 1 and predetermined by constructive measures. Thus, for example, a viewing angle γ = 40 ° suffices for the detection of swaths, while in the case of an agricultural vehicle 1 designed as a combine harvester, a viewing angle γ is required which covers the entire width of the cutting mechanism.
Die Laufzeitkamera 2 vorfügt über ein Array aus Sensoren, von denen mindestens einer, bevorzugt jedoch eine Vielzahl, besonders bevorzugt alle phasensensitiv ausgebildet sind und sowohl Helligkeits- als auch Entfernungssignale liefern, und deren Signaleingänge mit der vorzugsweise inner-
halb des Fahrzeuges 1 untergebrachten Auswerte- und Verarbeitungseinrichtung verbunden sind.The runtime camera 2 includes an array of sensors, of which at least one, but preferably a plurality, particularly preferably are all phase-sensitive and provide both brightness and distance signals, and whose signal inputs are connected to the preferably internal and external signals. half of the vehicle 1 accommodated evaluation and processing device are connected.
Beim Betreiben der Anordnung nimmt die Laufzeitkamera 2 Bilder des in Fortbewegungsrichtung vor dem Fahrzeug liegenden Geländes auf und übermittelt die dabei gewonnenen Bildinformationen, der Anordnung der Sensoren entsprechend, als ein- oder zweidimensionale, durch die Objektstrukturen 3 hervorgerufene Helligkeitsverteilung an die Auswerte- und Verarbeitungseinrichtung .When operating the arrangement, the runtime camera 2 takes pictures of the lying in the direction of travel in front of the vehicle terrain and transmits the image information obtained, the arrangement of the sensors according to one or two-dimensional, caused by the object structures 3 brightness distribution to the evaluation and processing device.
Mit der Fortbewegung des Fahrzeuges 1 ändert sich in Abhängigkeit von der Fortbewegungsgeschwindigkeit der Abstand a zwischen der Laufzeitkamera 2 bzw. dem Fahrzeuges 1 und den von der Laufzeitkamera 2 in ihrem Sichtbereich 4 erfaßten Objektstrukturen 3.As the vehicle 1 moves, the distance a between the transit time camera 2 or the vehicle 1 and the object structures 3 detected by the transit time camera 2 in its field of view 4 changes as a function of the travel speed.
Von den phasensensitiven Sensoren werden also nach dem „time-of-flight"-Prinzip neben den Helligkeitswerten auch Informationen über die Abstände a zu den Objektstrukturen gewonnen. In kurzen Zeitabständen, die ein Taktgeber vorgibt, der vorteilhaft in die Laufzeitkamera 2 integriert ist, werden diese Informationen laufend aktualisiert und auf dieser Grundlage in der Auswerte- und Verarbeitungseinrichtung stetig ein dreidimensionales Bild von dem Raum vor dem Fahrzeug 1 erzeugt. Es versteht sich von selbst, daß dabei die Takte pro Zeiteinheit um ein Vielfaches höher sind als die in derselben Zeiteinheit vom Fahrzeug 1 zurückgelegte Wegstrecke.Thus, in addition to the brightness values, information about the distances a from the object structures is also obtained from the phase-sensitive sensors in accordance with the "time-of-flight principle." At short intervals of time, which specifies a clock that is advantageously integrated into the runtime camera 2 This information is constantly updated and on this basis in the evaluation and processing device continuously generates a three-dimensional image of the space in front of the vehicle 1. It goes without saying that the clocks per unit of time are many times higher than those in the same time unit of Vehicle 1 traveled distance.
Zur Gewinnung der Informationen über die Abstände a sind phasensensitive Sensoren vorgesehen, die entweder in einer Zeile liegen oder eine Fläche aufspannen, so daß Bildinfor-
mationen von Strukturen mehrerer Objekte erfaßt werden, die in einer Reihe liegen, oder Bildinformationen von Strukturen mehrerer Objekte erfaßt werden, die in einer Fläche liegen.In order to obtain the information about the distances a, phase-sensitive sensors are provided, which lie either in one line or span a surface, so that image information mation of structures of several objects are detected, which are in a row, or image information of structures of multiple objects are detected, which lie in a plane.
Das dreidimensionale Bild von dem Raum vor dem Fahrzeug 1 wird permanent ausgewertet, um die markanten Objektstrukturen 3 von Bild zu Bild wiederzuerkennen. Solche Objektstrukturen 3 entsprechen je nach Anwendung der erfindungsgemäßen Anordnung Schwaden, Pflanzreihen, Schnittkanten bei der Getreideernte, Regionen mit umgeknicktem Getreide oder auch Reihen von Mais- oder Sojapflanzen. So sind in Fig.2 beispielhaft Pflanzreihen 5 dargestellt, die sich parallel zur Fortbewegungsrichtung des Fahrzeuges 1 erstrecken und die durch Ackerfurchen, die als Fahrspuren 6 dienen, voneinander getrennt sind.The three-dimensional image of the space in front of the vehicle 1 is permanently evaluated in order to recognize the striking object structures 3 from image to image. Depending on the application of the arrangement according to the invention, such object structures 3 correspond to swaths, plant rows, cut edges in the grain harvest, regions with bent over cereals or even rows of maize or soybean plants. For example, plant rows 5 are shown in FIG. 2 which extend parallel to the direction of travel of the vehicle 1 and which are separated from each other by furrows which serve as lanes 6.
Aus dem Bild- zu Bildvergleich werden mittels der Auswerte- und Verarbeitungseinrichtung neben den Informationen über die Abstandsänderungen auch die Informationen über die Änderung der Lage des Fahrzeuges 1 relativ zu den Objektstrukturen 3 gewonnen und daraus korrigierende Stellbefehle für die Lenkeinrichtung und die Beschleunigungs- und Bremseinrichtung abgeleitet, an diese übermittelt und so die Fortbewegungsrichtung und die Fortbewegungsgeschwindigkeit des Fahrzeuges 1 beeinflußt.From the image to image comparison, the information about the change of the position of the vehicle 1 relative to the object structures 3 are obtained by the evaluation and processing device in addition to the information about the distance changes and derived therefrom correcting control commands for the steering device and the acceleration and braking device , transmitted to this and so affects the direction of travel and the speed of movement of the vehicle 1.
Bei einer weiterführenden Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung ist die Auswerte- und Verarbeitungseinrichtung auch zur Farbauswertung in dem dreidimensionalen Bild ausgebildet, so daß Objektstrukturen 3 nicht nur im Hinblick auf ihre Größe oder Form, sondern auch aufgrund ihrer besonderen Farbe unterscheidbar sind.
So lassen sich beispielsweise anhand der ermittelten Informationen die Pflanzreihen 5 von den Fahrspuren 6 präzise unterscheiden. Damit wird eine besonders hohe Genauigkeit bei der korrigierenden Einflußnahme auf die Fortbewegungsrichtung des Fahrzeuges 1 erzielt.In a further embodiment of the arrangement according to the invention, the evaluation and processing device is also designed for color evaluation in the three-dimensional image, so that object structures 3 are distinguishable not only in terms of their size or shape, but also because of their particular color. For example, based on the information obtained, the plant rows 5 can be precisely distinguished from the lanes 6. For a particularly high accuracy in the corrective influence on the direction of movement of the vehicle 1 is achieved.
Denkbar sind auch weiter Ausgestaltungen, so beispielsweise zur Auswertung des dreidimensionalen Bildes im Hinblick auf eine eventuelle Schräglage des Fahrzeuges 1 aufgrund von Bodenunebenheiten .Configurations are also conceivable, for example for evaluating the three-dimensional image with regard to a possible inclined position of the vehicle 1 due to unevenness in the floor.
Auch ist es denkbar, die zur Auswerte- und Verarbeitungseinrichtung gelangenden Informationen mit Informationen eines GPS-Systems oder auch differentielle GPS-Systems zu ergänzen, wodurch eine weitere Präzisierung erzielt wird.It is also conceivable to supplement the information arriving at the evaluation and processing device with information from a GPS system or also from a differential GPS system, thereby achieving further precision.
Fig.3 zeigt schematisch ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung, das sich anhand der darin enthaltenen Bezeichnungen und die durch Pfeile markierten Signalflußrichtungen selbst erklärt.3 schematically shows a block diagram of the arrangement according to the invention, which itself is explained on the basis of the designations contained therein and the signal flow directions marked by arrows.
Im Gegensatz zu den einschlägigen, aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Anordnungen, bei denen ein dreidimensionales Profil des Raumes vor dem Fahrzeug mittels eines scannenden optischen Systems erzeugt wird, verzichten das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Anordnung auf scannende optische Systeme. Dadurch ist es möglich, die Vielzahl der zweidimensionalen Bildinformationen zeitlich parallel zu erfassen und im Gegensatz zum Stand der Technik das dreidimensionale Profil simultan zu erzeugen.
Das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere die beispielhaft angegebene erfindungsgemäße Anordnung kann weiterhin dazu genutzt werden, Hindernisse im Sichtfeld vor dem Fahrzeug zu detektieren. Da das System ein dreidimensionales Geländeprofil erzeugt, ist es in der Lage, Objekte zu erkennen, die für die Maschine aufgrund ihrer Größe ein Gefährdungspotential besitzen, wie etwa große Steine, Bäume, unerwartet die Fahrtrichtung querende andere Fahrzeuge.In contrast to the relevant methods and arrangements known from the prior art, in which a three-dimensional profile of the space in front of the vehicle is generated by means of a scanning optical system, the method according to the invention and the arrangement according to the invention forego scanning optical systems. This makes it possible to record the multiplicity of two-dimensional image information in parallel over time and, in contrast to the prior art, to simultaneously generate the three-dimensional profile. The method according to the invention, in particular the exemplary arrangement according to the invention, can furthermore be used to detect obstacles in the field of vision in front of the vehicle. Because the system creates a three-dimensional terrain profile, it is able to detect objects that are potentially hazardous to the machine due to their size, such as large stones, trees, other vehicles unexpectedly crossing the direction of travel.
Darüber hinaus ist können anhand der gewonnenen Bild- und Entfernungsinformationen Relativgeschwindigkeiten sehr genau erkannt werden. Insbesondere Bewegungen einer Landmaschine relativ zu einem Hindernis (z.B. einer andere Landmaschine) in Richtung der Fahrtrichtung besitzt die laufzeitbasierte Bildinformationserfassung den Vorteil, direkte Informationen über die Entfernung zu besitzen, während die herkömmliche Verfahrensweise lediglich aufgrund von Größenänderungen im Bild eine Aussage über die Entfernung treffen kann.In addition, relative velocities can be detected very accurately based on the obtained image and distance information. In particular, movements of an agricultural machine relative to an obstacle (eg another agricultural machine) in the direction of travel, the time-based image information acquisition has the advantage of having direct information about the distance, while the conventional procedure can only make a statement about the distance due to size changes in the image ,
Die dreidimensionalen Profildaten des Raumes vor dem landwirtschaftlichen Fahrzeug lassen sich beispielsweise weiterhin dazu nutzen, eine Anpassung der an das Fahrzeug gekoppelten Werkzeuge an das Geländeprofil vorzunehmen. So kann etwa das Schneidewerk eines Mähdreschers automatisch in der Höhe reguliert werden, um einen Bodenkontakt oder die Berührung mit einem niedrigen Hindernis und damit eine Beschädigungen zu vermeiden. Das Schneidewerk läßt sich in der Höhe stets so regulieren, daß ein optimaler Abstand zum Untergrund eingehalten wird.
Die Erfindung schließt auch Ausgestaltungen ein, bei denen die Laufzeitkamera so ausgerichtet ist, daß nicht nur von einem Geländeabschnitt in Fahrtrichtung, sondern auch von Geländeabschnitten entgegengesetzt oder seitlich zur Fahrtrichtung ein dreidimensionales Profil gewonnen wird. So läßt sich beispielsweise vorteilhaft ein benachbartes Fahrzeug im Hinblick auf Ort, Abstand und/oder Relativgeschwindigkeit überwachen und auf dieser Basis eine Anpassung der Fahrgeschwindigkeit und Fahrtrichtung des gesteuerten Fahrzeuges vornehmen.
The three-dimensional profile data of the space in front of the agricultural vehicle can, for example, continue to be used to adapt the tools coupled to the vehicle to the terrain profile. For example, the cutting unit of a combine harvester can be automatically height-adjusted to prevent contact with the ground or contact with a low obstacle and thus damage. The cutting unit can always be adjusted in height so that an optimal distance from the ground is maintained. The invention also includes embodiments in which the runtime camera is oriented so that a three-dimensional profile is obtained not only from a terrain section in the direction of travel, but also of terrain sections opposite or laterally to the direction of travel. Thus, for example, advantageously an adjacent vehicle can be monitored with regard to location, distance and / or relative speed, and on this basis an adaptation of the driving speed and direction of travel of the controlled vehicle can be carried out.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Fahrzeug1 vehicle
2 Laufzeitkamera2 runtime camera
3 Obj ektstruktur3 object structure
4 Sichtbereich4 viewing area
5 Pflanzreihen5 rows of plants
6 Fahrspuren6 lanes
a Abstand f Frequenz
a distance f frequency