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1. (WO2019001819) SYSTEM ZUR BEOBACHTUNG VON BEREICHEN MIT GROßEM ASPEKTVERHÄLTNIS
Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

Beschreibung

Titel:

System zur Beobachtung von Bereichen mit großem Aspektverhältnis

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur optischen Beobachtung von Bereichen mit großem Aspektverhältnis, welches beispielsweise zur

zielgerichteten Ausbringung von Spritzmitteln in der Landwirtschaft einsetzbar ist.

Stand der Technik

In der konventionellen Landwirtschaft wird eine Vielzahl von Wirkmitteln zur Düngung, der Wachstumsunterstützung und insbesondere zum Schutz der Kulturpflanzen verwendet. Dieser Schutz richtet sich gegen Unkraut- (Herbizide), Pilz- (Fungizide), Schädlings- (Insektizide) und Krankheitsbefall. Typischerweise werden diese Mittel als wässrige Lösung mit einem hydraulischen Spraysystem auf dem Feld ausgebracht.

Bisher wird die Ausbringungsmenge durch den Nutzer mit Hilfe von Stichproben zur Art und Intensität des Befalls eingestellt und in konstanter Art und Weise auf der gesamten Fläche appliziert. Da nicht von einem gleichmäßigen Befall der Feldfläche ausgegangen werden kann, wird durch diese Vorgehensweise zu viel Wirkmittel in die Umwelt ausgebracht. Daneben könnten durch Vermeidung diese Übermenge die Betriebskosten (= Kosten Spritzmittel) der Nutzer verringert werden. Durch bedarfsgerechte Ausbringung von Spritzmitteln könnten potentiell 30-80% der heutigen Mittelmenge eingespart werden.

Voraussetzung für diese bedarfsgerechte Ausbringung ist eine örtlich

hochaufgelöste Kenntnis von Art und Intensität des Befalls, sowie der

technischen Möglichkeit die Spritzmenge variabel in Ort und Menge anzupassen.

Aus der DE 10 2014 100 829 AI ist ein Verfahren zum gesteuerten und/oder geregelten Ausbringen von Pflanzenschutzmitteln bekannt. Es wird optisch überwacht, ob ein vorgegebener Benetzungsgrad erreicht wird, und die

Ausbringparameter werden ggfs. angepasst.

Aus (Karl-Heinz Dammer et al.,„Echtzeitregelung der Applikationsmenge bei der Herbizidanwendung mit Hilfe eines Kamerasensors", Julius-Kühn-Archiv 434, 191 (2012)) und (M. Sökefeld et al.,„Image acquisition for weed detection and Identification by digital image analysis", Precision Agriculture, 523-528 (2007)) sind Systeme bekannt, die einen Bildausschnitt auf pflanzliches Grün prüfen und anschließend eine Unterscheidung zwischen der Kulturpflanze und Unkräutern vornehmen.

Da moderne Feldspritzen eine Arbeitsbreite von bis zu 36 m haben, ist zur Beobachtung des Arbeitsbereich in der Regel eine Vielzahl hochauflösender

Kameras erforderlich mit entsprechendem Kostenaufwand.

Einen Ansatz zur Reduzierung der Kosten offenbart die DE 10 2009 039 602 B3. Hier wird zur Erkennung von Tieren im Arbeitsbereich einer Arbeitsmaschine nach einem kursorischen Vortest eine Kamera zu Positionen des Arbeitsbereichs bewegt, an denen ein Tier vermutet wird.

Offenbarung der Erfindung

Im Rahmen der Erfindung wurde ein System zur Beobachtung eines räumlich ausgedehnten Beobachtungsbereichs mit großem Aspektverhältnis entwickelt. Das System umfasst eine Sammeloptik zur Aufnahme von Licht aus dem

Beobachtungsbereich und einen Bildsensor mit einem Auswertungsbereich, wobei die Sammeloptik dazu ausgebildet ist, das Licht aus dem

Beobachtungsbereich auf den Auswertungsbereich des Bildsensors abzubilden.

Erfindungsgemäß ist die Sammeloptik dazu ausgebildet, Teilbereiche des Beobachtungsbereichs verkleinert unter Beibehaltung des Aspektverhältnisses auf hierzu korrespondierende Teilbereiche des Auswertungsbereichs abzubilden.

Es wurde erkannt, dass auf diese Weise der Auswertungsbereich

handelsüblicher Bildsensoren besser ausgenutzt werden kann und somit im Endeffekt zur vollständigen Abdeckung des Beobachtungsbereichs weniger Bildsensoren erforderlich sind.

Um auch große Objekte, wie etwa große Unkräuter, zu erkennen, sollte in Arbeitsrichtung der Feldspritze ein Bereich von etwa 0,5 m Tiefe beobachtet werden. Bei einer beispielhaften Arbeitsbreite der Feldspritze von 36 m ist dann also ein Bereich von 36 m x 0,5 m zu beobachten. Um die zur Erkennung von Unkräutern erforderliche optische Auflösung zu erzielen, ist bei gängigen

Bildsensoren der Arbeitsabstand auf etwa 1-2 m begrenzt, so dass der

Bildsensor mit heute üblicher Geometrie (bspw. SONY IMX290LLR-C 2Mp mit 1980 x 1020 Pixel) nur etwa ein Gebiet von 1,5 m x 1 m beobachten kann. Somit wären mindestens 24 Kameramodule erforderlich, um die Breite von 36 m abzudecken, während zugleich ein Bereich mit dem Doppelten der eigentlich geforderten Tiefe (1 m statt 0,5 m) erfasst wird. Werden nun beispielsweise zwei Teilbereiche von jeweils 1,5 m x 0,5 m aus dem Beobachtungsbereich durch die Sammeloptik auf hierzu korrespondierende Teilbereiche des

Auswertungsbereichs des Bildsensors abgebildet, kann der gleiche Bildsensor nun zur Beobachtung eines Gebiets von 3 m x 0,5 m verwendet werden. In diesem Rechenbeispiel wären somit nur noch mindestens 12 Kameramodule erforderlich, um das gleiche Ziel zu erreichen.

Die Abbildung aus dem Beobachtungsbereich auf den Auswertungsbereich unterscheidet sich von einer bloßen verkleinernden Abbildung dahingehend, dass das Aspektverhältnis des jeweils ausgewählten Teilbereichs beibehalten wird. Dies ist wichtig für die Erkennung von Objekten, wie beispielsweise Unkräutern, die durch eine Verzerrung in der Regel gestört wird.

Dabei dürfen sich die Teilbereiche des Beobachtungsbereichs sowie die

Teilbereiche des Auswertungsbereichs jeweils überlappen. Besonders vorteilhaft grenzen jedoch die Teilbereiche des Beobachtungsbereichs sowie die

Teilbereiche des Auswertungsbereichs jeweils aneinander an, d.h., sie überlappen sich nicht. Dann wird zum einen die Zahl der benötigten Bildsensoren maximal reduziert, und zum anderen lässt sich das letztendlich erhaltene Bild des Beobachtungsbereich besonders einfach aus allen aufgenommenen Teilbereichen zusammensetzen, da keine Überlappungen herauskorrigiert werden müssen.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Sammeloptik mindestens ein Aufspaltelement, das das aus verschiedenen Teilbereichen des Beobachtungsbereichs kommende Licht auf verschiedene Wege lenkt. Dieses Aufspaltelement kann insbesondere ein refraktives, dispersives oder reflektives Element umfassen.

Beispielsweise kann ein refraktives Element, wie etwa ein Linsensystem oder ein Prisma, das aus verschiedenen Teilbereichen des Beobachtungsbereichs kommende Licht in verschiedene Teilbereiche des Auswertungsbereichs auf dem Bildsensor brechen.

Das Aufspaltelement kann aber auch beispielsweise mindestens einen zwischen mindestens zwei Positionen beweglichen Spiegel umfassen. In der ersten Position bildet der Spiegel Licht aus einem ersten Teil des

Beobachtungsbereichs in einen ersten Teil des Auswertungsbereichs ab. In der zweiten Position bildet der Spiegel Licht aus einem zweiten Teil des

Beobachtungsbereichs in einen zweiten Teil des Auswertungsbereichs ab.

Beispielsweise kann zu diesem Zweck ein Array aus Mikrospiegel-Ablenkeinheiten (mikro-opto-elektro-mechanische Systeme, MOEMS) verwendet werden. Diese Ablenkeinheiten lassen sich mit hoher Frequenz verstellen, gleichzeitig verfährt die Feldspritze mit vergleichbar kleinen Geschwindigkeiten (<20 km/h). Somit ist es für die Anwendung unerheblich, wenn der Bildsensor beispielsweise zu jedem Zeitpunkt immer nur Licht aus einem der Teilbereiche des Beobachtungsbereichs erhält: Auf der schnellen Zeitskala, mit der die Ablenkeinheiten verstellt werden, bleibt die gesamte Szenerie im

Beobachtungsbereich konstant.

Dem Aufspaltelement kann ein Wellenlängenfilter vorgeschaltet sein, der Teilbereich des sichtbaren Wellenlängenspektrums passieren lässt. Dies erleichtert beispielsweise den Einsatz diffraktiver Aufspaltelemente.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Sammeloptik eine Mehrzahl von Lichtleitern, die das Licht aus verschiedenen Teilbereichen des Beobachtungsbereichs aufnehmen. Aus jedem Lichtleiter kann dann das jeweils aufgenommene Licht auf einen korrespondierenden Teilbereich des Auswertungsbereichs abgebildet werden. Der Transport des Lichts über Lichtleiter ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn weite Strecken zu überwinden sind, beispielsweise die halbe Arbeitsbreite der Feldspritze (18 m) vom äußersten Rand des Beobachtungsbereichs bis zu einem in der Mitte des Arbeitsbereichs angeordneten Bildsensor. Je weiter die Strecke, desto anspruchsvoller ist die Justage eines normalen strahlenoptischen Aufbaus.

Vorteilhaft beträgt das Aspektverhältnis des Beobachtungsbereichs mindestens 36, bevorzugt mindestens 50. Je größer das Aspektverhältnis ist, desto größer ist die mögliche Ersparnis an Bildsensoren.

Nach dem zuvor Gesagten ist vorteilhaft eine dem Bildsensor nachgeschaltete Auswerteeinheit vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, mindestens ein Objekt zu erkennen. Diese Auswerteeinheit als solche kann in bekannter Weise arbeiten. Besonders vorteilhaft ist das System dazu ausgebildet, vor der Objekterkennung die Teilbereiche des Auswertungsbereichs entsprechend der Anordnung der Teilbereiche des Beobachtungsbereichs zueinander zusammenzusetzen. Die Grenzen zwischen diesen Teilbereichen sind dann für die Objekterkennung unerheblich. Es kommt nicht zu Fehlern, wenn sich beispielsweise ein größeres Unkraut über eine solche Grenze erstreckt.

Nach dem zuvor Gesagten ist das System zur Beobachtung des Arbeitsbereichs einer landwirtschaftlichen Arbeitsmaschine für die Ausbringung von Spritzmittel ausgebildet, und die Auswerteeinheit ist dazu ausgebildet, mindestens eine Unkrautpflanze als Objekt zu erkennen. Gerade die Erkennung von

Unkrautpflanzen und ihre sichere Unterscheidung von Kulturpflanzen ist vergleichsweise komplex und würde durch eine verkleinernde Abbildung mit Verzerrung, also ohne Erhaltung des Aspektverhältnisses, stark gestört.

Die Auswerteeinheit kann alternativ oder auch in Kombination zur Erkennung mindestens eines Schädlings, und/oder mindestens einer krankhaft veränderten Kulturpflanze, ausgebildet sein. Auch das Vorhandensein derartiger Objekte kann den Anlass dazu geben, einen bestimmten Ort im Arbeitsbereich der Arbeitsmaschine mit dem Spritzmittel zu behandeln.

Weiterhin kann die Auswerteeinheit auch dazu ausgebildet sein, den

Benetzungsgrad von Kulturpflanzen mit dem Spritzmittel, oder eine andere Kenngröße für das korrekte Aufbringen des Spritzmittels, zu erkennen.

Der Strahlengang vom Beobachtungsbereich zum Auswertungsbereich des Bildsensors enthält eine Vielzahl optischer Elemente und hängt von vielen Parametern ab. Der Strahlengang wird beispielsweise vom Typ des Bildsensors, vom Arbeitsabstand, vom eingesetzten Wellenlängenbereich, vom Objektiv sowie von eventuell vorhandenen Schutzgläsern und Filtern beeinflusst. Dies macht es schwierig, den Strahlengang analytisch vorauszuberechnen. Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines Systems gemäß der Erfindung startet daher mit einem parametrisierten Ansatz für das Aufspaltelement und optimiert die

Parameter mittels Strahlverfolgung (ray-tracing) dahingehend, dass ein vorgesehener Teilbereich des Beobachtungsbereichs auf einen vorgesehenen Teilbereich des Auswertungsbereichs abgebildet wird.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.

Ausführungsbeispiele

Es zeigt:

Figur 1 Ausführungsbeispiel des Systems 10 mit refraktivem Aufspaltelement 5;

Figur 2 Ausführungsbeispiel des Systems 10 mit beweglichem Spiegel 6 als Aufspaltelement 5;

Figur 3 Ausführungsbeispiel des Systems 10 mit Lichtleitern 8a-8d;

Figur 4 Feldspritze 20 mit Arbeitsbereich 21, der von zwei Systemen 10 beobachtet wird.

Die Figuren sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht maßstabsgetreu.

Eingezeichnete Strahlengänge sind lediglich schematisch und erheben keinen Anspruch darauf, den Gesetzen der Strahlenoptik zu genügen. Auch die

Verkleinerung und die Erhaltung des Aspektverhältnisses bei der Abbildung aus dem Beobachtungsbereich 1 in den Auswertungsbereich 4 sind der

Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet.

Nach Figur 1 wird der Beobachtungsbereich 1 mit Licht 12 aus beliebiger Quelle beleuchtet. Licht 11, das die Information über Objekte im Beobachtungsbereich 1 enthält, passiert einen Wellenlängenfilter 7 und gelangt auf ein refraktives Aufspaltelement 5. Das Licht 11 aus verschiedenen Teilbereichen la-ld des Beobachtungsbereichs 1 wird von dem Aufspaltelement 5 auf verschiedene Wege 5a-5d gebrochen und schließlich in zu den Teilbereichen la-ld des Beobachtungsbereichs 1 korrespondierende Teilbereiche 4a-4d des

Auswertungsbereichs 4 des Bildsensors 3 abgebildet. Der Bildsensor 3 ist an eine Auswerteeinheit 9 zur Objekterkennung angeschlossen.

Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Systems 10. Im Unterschied zu Figur 1 enthält die Sammeloptik 2 hier einen beweglichen Spiegel 6 als

Aufspaltelement 5. In Figur 6 sind zwei Momentaufnahmen eingezeichnet zu Zeitpunkten, zu denen sich der Spiegel 6 an der Position 61 bzw. 62 befindet.

Wenn sich der Spiegel 6 an der ersten Position 61 befindet, wird Licht 11 aus dem Teilbereich la des Beobachtungsbereichs 1 in den hierzu

korrespondierenden Teilbereich 4a des Auswertungsbereichs 4 auf dem

Bildsensor 3 reflektiert. Zu diesem Zeitpunkt ist ausschließlich dieser Teilbereich 4a des Auswertungsbereichs 4 beleuchtet.

Wenn sich der Spiegel 6 zur zweiten Position 62 weiterbewegt hat, wird stattdessen Licht 11 aus dem Teilbereich lb des Beobachtungsbereichs 1 in den hierzu korrespondierenden Teilbereich 4b des Auswertungsbereichs 4 auf dem Bildsensor 3 reflektiert. Zu diesem Zeitpunkt ist ausschließlich dieser Teilbereich 4b des Auswertungsbereichs 4 beleuchtet.

Wenn sich der Spiegel 6 in weitere Positionen bewegt, werden analog

nacheinander der Teilbereich 4c des Auswertungsbereichs 4 mit Licht 11 aus dem Teilbereich lc des Beobachtungsbereichs 1 und der Teilbereich 4d des Auswertungsbereichs 4 mit Licht 11 aus dem Teilbereich ld des

Beobachtungsbereichs 1 beleuchtet. Dies ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in Figur 2 nicht eingezeichnet.

Der Spiegel 6 ist ein Mikrospiegel und so schnell beweglich, dass sich in der Zeit, die zum Abtasten aller vier Teilbereiche la-ld des Beobachtungsbereichs 1 benötigt wird, die Szenerie im Beobachtungsbereich 1 insgesamt nicht ändert. Daher ist der Fehler, der beim Zusammensetzen der nacheinander

aufgenommenen Teilbilder zu einem Gesamtabbild des Beobachtungsbereichs 1 entsteht, zu vernachlässigen.

Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Systems 10. Die Sammeloptik 2 enthält hier vier separate Einkoppellinsen 2a-2d, mit denen das Licht aus den Teilbereichen la-ld des Beobachtungsbereichs 1 in separate Lichtleiter 8a-8d eingekoppelt wird. Die Beleuchtung 12 des Beobachtungsbereichs 1 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in Figur 3 nicht eingezeichnet.

Die Lichtleiter 8a-8d sind zu vier separaten Auskoppellinsen 2e-2h geführt. Aus diesen Auskoppellinsen 2e-2h tritt das aus den verschiedenen Teilbereichen la-ld stammende Licht 11 auf verschiedenen Wegen 5a-5d aus und gelangt somit in die zu den Teilbereichen la-ld des Beobachtungsbereichs 1

korrespondierenden Teilbereiche 4a-4d des Auswertungsbereichs 4 auf dem Bildsensor 3.

Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass maximale Flexibilität bei der Positionierung des Bildsensors 3 relativ zum Beobachtungsbereich 1 besteht. Bei Entfernungen bis zu einigen zehn Metern ist der Transport des Lichts durch die Lichtleiter 8a-8d auch verlustarm. Zu justieren sind lediglich das Einkoppeln in die Lichtleiter 8a-8d sowie das Auskoppeln aus den Lichtleitern 8a-8d, nicht jedoch der ganze Transportweg. Hingegen wäre es vergleichsweise

anspruchsvoll, einen freien Strahlengang über eine größere Entfernung hochpräzise und gleichzeitig so robust zu justieren, dass Erschütterungen bei der rauen Fahrt einer landwirtschaftlichen Arbeitsmaschine über ein Feld sich nicht auswirken.

Figur 4 zeigt schematisch die Einbettung zweier Systeme 10 in eine Feldspritze

20, die an der in Figur 4 dargestellten Position einen Arbeitsbereich 21 mit einer Breite von 36 m und einer Tiefe von 0,5 m bearbeitet. Jedes System 10 hat seinen eigenen Beobachtungsbereich 1, wobei diese beiden Bereiche 1 sich überlappen.