Bestandesorientierte automatische Nachführung landwirtschaftlicher Arbeitsmaschinen in Reihenkulturen mit Hilfe der digitalen Bildverarbeitung

Abstract

Ein automatisches Lenksystem zur bestandesorientierten Nachführung von Arbeitsmaschinen in Reihenkulturen, bestehend aus einemBildverarbeitungssystem als Sensor, einem fahrzeugspezifischen digitalen Regler und einem Proportionalventil als Aktor wurde auf einemFendt Xylon 524 Versuchsträger installiert. Die Entwicklung des Systems umfasste mehrere Stufen, vom ursprünglich installierten ClaasAutopiloten bis hin zum Endzustand mit Bildverarbeitungssystem, zwei-schleifigem digitalen Regler auf getrennten Rechnern und einemLoad-Sensing kompatiblen Danfoss PVG32 Proportionalventil. Als Bildverarbeitungshardware kam ein IC-PCI Frame Grabber mit einem AM-CLR RGB-Acquisition Modul der Firma ITI in einem AMDK6/II-300 Hostrechner zum Einsatz. Auf dieser konnte mittels Farbdifferenzbildung und Binarisierung ein geeignetes Eingangssignal mithoher Informationsdichte für die Leitlinienberechnung erzeugt werden. Der Reihenverfolgungsalgorithmus berechnet mehrere Leitlinien undvalidiert das Ergebnis nach optischer Entzerrung hinsichtlich Parallelität und Plausibilität. Aus den gültigen Leitlinien generiert er dieKorrekturfaktoren Heading und Offset. Der Reihenverfolgungsalgorithmus erwies sich als stabil und tolerant gegenüber Fehlstellen undUnkräutern im Bestand. Die Eigenschaften des Lenkhydrauliksystems des Versuchsträgers wurde experimentell untersucht und seine Übertragungsfunktionberechnet. Ein passender PID-Regler wurde erstellt und auf dem Regelungsrechner implementiert. Dieser berechnet mittels derKorrekturwerte vom Bildverarbeitungsrechner und dem digitalen PID-Regler den einzustellenden Lenkwinkel. Über eineAD/DA-Wandlerkarte wird die zugehörige Korrekturspannung an das Proportionalventil im Lenkkreis an-gelegt. Die theoretisch erzieltestabile Regelcharakteristik und die hohe Regelgüte wurden sowohl experimentell als auch im Feldversuch bestätigt. Die Praxistauglichkeit wurde belegt, die Arbeitsqualität des Lenkungssystems war, bei höherer Fahrgeschwindigkeit, vergleichbar mit dermanuell gelenkten Variante. Die verwendeten Analysewerkzeuge für den Ergebnisteil wurden programmiert, alle relevanten Daten während des Betriebs aufgezeichnet.Die Kriterien für die Bewertung des Gesamtsystems sind qualitativer Art. Der fehlerfreie Ablauf des Programms war gewährleistet,korrekte Zwischenergebnisse lagen vor, Programmabstürze oder andere gravierende Vorkommnisse blieben aus. Die Genauigkeit derautomatischen Lenkeinrichtung genügte den Anforderungen einer mechanischen Unkrautregulierung. Das vorgestellte automatische Lenksystem mit bildanalytischer Sensorik stellt, wie im Literaturteil aufgezeigt, einen Beitrag zumGesamtkomplex "automatische Lenkungssysteme in der agrartechnischen Forschung" dar. A stand oriented automatic guidance system for row crops was mounted on a Fendt Xylon 524 tractor. This system consisted of an imageprocessing system, a vehicle specific controller and a proportional hydraulic valve. The development began with a Claas Autopilot withmachine vision sensor and ended with the two-computer-system with vision-guided position controller, vehicle specific steering anglecontroller and a Load-Sensing compatible Danfoss PVG32 hydraulic valve. Image processing hardware was an ITI IC-PCI frame grabber with an AMC colour acquisition mo-dule in an AMD K6/II-300 host, a PulnixTMC 50 RGB CCD-Camera was used as sensor. After transforming and rescaling the image of the camera's view, two guidelines werecalculated from a binarised colour differential image, and, after validating their angle deviation, heading and offset errors were generated. The steering angle controller consisted of an AMD 486 DX 133 host with an AD/DA interface and the developped digital PID-controler.With the heading and offset error calculated by the image processing unit and the actual steering angle provided by the sensor, it suppliedthe hydraulic valve with the correction voltage, changing the front axle's steering angle. In several field tests performed, the system has shown to be stable, and, despite the increased working speed, not less accurate than thehuman operated variant.