DE19830858A1

DE19830858A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung einer virtuellen Position

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Publication number: DE19830858A1
Application number: DE19830858A
Authority: DE
Inventors: Gunnar Quincke
Original assignee: Claas Selbstfahrende Erntemaschinen GmbH
Current assignee: Claas Selbstfahrende Erntemaschinen GmbH
Priority date: 1998-07-10
Filing date: 1998-07-10
Publication date: 2000-01-13
Also published as: BR9902661A; DK0970595T4; DE59905035D1; US20010018638A1; US6345231B2; DK0970595T3; EP0970595B2; EP0970595B1; EP0970595A1

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung eines virtuellen Referenzpunktes an einem landwirtschaftlichen Fahrzeug oder Arbeitsgerätes. DOLLAR A In der Landtechnik gewinnt die Steuerung und Kartierung von Arbeitsprozessen in Abhängigkeit der momentanen Position des Arbeitsfahrzeuges auf dem Feld eine immer größere Bedeutung der momentanen Position des Arbeitsfahrzeuges auf dem Feld eine immer größere Bedeutung. Mit zunehmender Genauigkeit der Navigationssysteme werden weitere Anwendungsmöglichkeiten erschlossen. DOLLAR A Die höhere Genauigkeit der Satellitennavigationssysteme hat zu Folge, daß auch die Änderungen der Maschinenneigung und -richtung einen Einfluß auf die ermittelte Position der Maschine hat. Dieser Einfluß liegt in der Größenordnung der Genauigkeit der heutigen Navigationseinrichtungen und wird daher erfindungsgemäß bei der Positionsbestimmung mitberücksichtigt. DOLLAR A Dafür werden die Neigungen und Richtung der Maschine, bezogen auf eine definierte Nullage, ermittelt und bei der Positionsbestimmung einer beliebigen Referenzposition mit verrechnet. Mit Hilfe der Erfindung kann man den genauen Positionswert der Navigationsantenne auf einen, für den Arbeitsvorgang wichtigen, Referenzpunkt umrechnen. Dieser Referenzpunkt kann beispielsweise die Lage der Schneidwerkskante oder aktuelle Streugutkante eines Düngerstreuers repräsentieren. In vorteilhafter Ausgestaltung werden bei der Ermittlung der Lage des Referenzpunktes weitere Arbeitsparameter, ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein landwirtschaftliches Fahrzeug oder Arbeitsgerät mit einer Satel litenempfangseinheit zur Positionsbestimmung und auf ein Verfahren zur Positionsbestimmung.

Der Einsatz von Satellitennavigationssystemen, wie beispielsweise des Global Positioning System (GPS) ist bei landwirtschaftlichen Fahrzeugen oder bei Arbeitsgeräten bereits für die Erstellung von Erntekatastern und Bodenhöhenprofilen sowie für die Kontrolle der Düngemittelausbringung bekannt. Dabei sind mittlerweile Satellitennavigationssysteme (DGPS) mit entsprechend leistungs fähigen Auswerteeinheiten verfügbar, die eine Genauigkeit der Positionsbestimmung, d. h. der Be stimmung der Position einer GPS-Antenne, im Zentimeterbereich erreichen.

So ist beispielsweise aus der DE 196 47 523 ein landwirtschaftliches Fahrzeug mit einem Satelli tennavigationssystem bekannt. Das dort beschriebene Fahrzeug weist ein Bearbeitungsgerät auf, wobei dort vorgeschlagen wird, die Position eines Referenzpunktes an dem Bearbeitungsgerät zu bestimmen anstatt beispielsweise der Position des Fahrzeugmittelpunktes. Hierbei gibt es jedoch ein Problem, wenn die Satellitenempfangseinheit (GPS-Antenne) aus bestimmten Gründen nicht an dem Referenzpunkt des Bearbeitungsgerätes angebracht werden kann. Gründe für den Um stand, daß die GPS-Antenne nicht direkt an den Ort, dessen Position eigentlich zu bestimmen ist, angebracht werden kann, sind beispielsweise mangelnde mechanische Anbringungsmöglichkeiten, Abschattung der Signale durch das Fahrzeug selbst, die Gefahr von Beschädigungen oder starkem Verschleiß. In diesen Fällen ist der Referenzpunkt, dessen Position bestimmt werden soll, räum lich von der GPS-Antenne, dessen Position tatsächlich mit dem Satellitennavigationssystem bestimmt wird, in einem Abstand (D) entfernt. Dies macht eine Koordinatenumrechnung erforder lich; d. h. aus den jeweils mittels der Satellitennavigation bestimmten Koordinaten der GPS-Anten ne, die sich beispielsweise auf dem Fahrzeugdach befindet, muß durch Umrechnung auf die Koor dinaten des zum Beispiel tieferliegenden Referenzpunktes an dem Bearbeitungsgerät geschlossen werden. Für den Fall, daß das Bearbeitungsgerät starr mit dem Fahrzeug verbunden ist, erhält man aus der DE 196 47 523 den Hinweis für die Bestimmung der Höhenkoordinate (Z) des Refe renzpunktes jeweils die Höhendifferenz zwischen dem Anbringungsort der GPS-Antenne und dem Referenzpunkt von der mittels Satellitennavigation ermittelten Z-Koordinate des Anbringungsor tes der GPS-Antenne für die Umrechnung zu subtrahieren. Für den Fall, daß das Bearbeitungsge rät nicht starr mit dem Fahrzeug verbunden ist, sondern beispielsweise höhenverstellbar an diesem angeordnet ist, erhält man aus der DE 196 47 523 den Hinweis, einen Sensor vorzusehen, der die Höhenänderung des Bearbeitungsgerätes gegenüber dem Fahrzeug mißt, und diese gemessene Höhenänderung in die oben beschriebene Koordinatenbestimmung als Korrektur einfließen zu lassen.

Darüber hinaus gibt es jedoch ein generelles Problem der Positionsbestimmung, wenn der Ort (Referenzpunkt), dessen Position zu bestimmen ist, nicht mit dem Anbringungsort der GPS-An tenne zusammenfällt, sondern zwischen beiden ein Abstand (D) besteht. Und zwar gibt es eine Unbestimmtheit, die daher rührt, daß prinzipiell alle Punkte auf der Oberfläche einer Kugel mit Radius (D), in deren Mittelpunkt sich der Anbringungsort der GPS-Antenne befindet, als mögli che Position des Referenzpunktes in Betracht kommen. Da der Abstand (D) zwischen dem Refe renzpunkt und der GPS-Antenne bei einem landwirtschaftlichen Fahrzeug durchaus mehrere Me ter betragen kann, ergibt sich eine entsprechend große Unbestimmtheit in der Positionsbestim mung des Referenzpunktes, die angesichts immer genauerer Navigationssystemen an sich sehr un befriedigend ist.

Zwar läßt sich während der Fahrt aus den zeitlich aufeinanderfolgenden Positionskoordinaten der GPS-Antenne iterativ die Fahrtrichtung und die Orientierung des Fahrzeuges ermitteln, jedoch ist diese Methode ungenau und versagt bei einem stehenden Fahrzeug sowie beim Anfahren aus dem Stand. Desweiteren stimmt die Fahrtrichtung bei einigen Anwendungen (zum Beispiel beim Fah ren im Hundegang oder am Hang) mit der Fahrzeuglängsrichtung nicht überein.

Nur wenn man Einschränkungen der Bewegungsfreiheit - beispielsweise nur Fahrten in N-S und/oder in O-W-Richtung oder nur Fahrten in der Horizontalebene - machen würde, ließe sich die se Unbestimmtheit vermeiden. Dies ist jedoch bei landwirtschaftlichen Fahrzeugen und daran angehängten Arbeitsgeräten nicht möglich.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, die genaue Bestimmung eines Referenzpunktes, der räumlich vom Anbringungsort der Navigationsantenne entfernt ist, zuverlässig zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Erfindungsgemäß weist das landwirtschaftliche Fahrzeug mindestens einen Sensor (S, S1, S2, S3) zur Bestimmung der Lage des Fahrzeuges auf. Dabei bedeutet Lage die Ausrichtung des Fahrzeu ges und die Orientierung in der Horizontalebene des terrestrischen Bezugssystems (x, y, z), wobei Ausrichtung den Winkel (ϕ) meint, den die Fahrzeuglängsrichtung beispielsweise mit der N-S-Richtung (y-Koordinate des terrestrischen Bezugssystems) bildet und Orientierung die Richtung meint, zu der beispielsweise die Fahrzeugvorderseite zeigt. Die Lage des Fahrzeuges bedeutet aber auch die Längs- bzw. Querneigung (α, β) des Fahrzeuges relativ zur Vertikalrichtung (Z-Ko ordinate) des Bezugssystems. Die Koordinaten der GPS-Antenne werden mit (X_A, Y_A, Z_A) be zeichnet; die Koordinaten des Referenzpunktes mit (X_P, Y_P, Z_P).

Als Sensor zur Bestimmung der Ausrichtung (ϕ) des Fahrzeuges in der Horizontalebene wird vor zugsweise ein dem Fachmann bekannter mechanischer Kreiselkompaß oder ein Laserkreisel ver wendet. Als Sensoren für die Längs- bzw. Querneigung (α, β) werden vorzugsweise Lotpendel mit elektrischen Signalgebern verwendet, die dem Fachmann ebenfalls bekannt sind.

Der Fachmann kann sich auch eines einzigen Sensors bedienen, der in der Lage ist, die verschiede nen Abweichungen (ϕ, α, β) zu detektieren.

Ferner sind erfindungsgemäß fahrzeugspezifische Basisumrechnungsgrößen (X_P0-X_A0; Y_P0-Y_A0; Z_P0-Z_A0; ϕ₀; α₀; β₀; d₁; d₂; d₃) vorgesehen, die die geometrischen Verhältnisse der Anordnung von Referenzpunkt und GPS-Antenne an dem Fahrzeug für eine bestimmte, ausgerichtete Lage des Fahrzeuges widerspiegeln. Als ausgerichtete Lage des Fahrzeuges wird vorzugsweise diejenige gewählt, wo die Längsrichtung des Fahrzeuges in N-S-Richtung mit Frontseite nach Norden aus gerichtet ist und wo es keine Längs- bzw. Querneigung des Fahrzeuges gibt, d. h. für die ausge zeichnete Lage wird angenommen, daß das Fahrzeug auf einem ebenen, in keiner Richtung ge neigten Feld steht. Diese Basisumrechnungsgrößen sind quasi Teil einer Fahrzeugspezifikation.

Dabei ist im einzelnen:

- (X_P0-X_A0) die Differenz der x-Koordinaten von Referenzpunkt und Ort der GPS-Antenne,
- (Y_P0-Y_A0) die entsprechende Differenz der y-Koordinaten,
- (Z_P0-Z_A0) die entsprechende Differenz der z-Koordinaten,
- d₁ die Projektion des Abstandes (D; Strecke vom Ort der GPS-Antenne zum Referenz punkt) auf die Horizontalebene (x, y) des Bezugssystems,
- d₂ die Projektion des Abstands (D; Strecke vom Ort der GPS-Antenne zum Referenz punkt) auf die y, z-Ebene des Bezugssystems,
- d₃ die Projektion des Abstandes (D; Strecke vom Ort der GPS-Antenne zum Referenz punkt) auf die Horizontalebene x, z-Ebene des Bezugssystems,
- ϕ₀ den Winkel zwischen d₁ und der N-S-Richtung (x-Richtung),
- α₀ den Winkel zwischen d₂ und der Vertikalen des Bezugssystems (z-Richtung),
- β₀ den Winkel zwischen d₃ und der Vertikalen des Bezugssystems (z-Richtung).

Zur Veranschaulichung kann beispielsweise für das landwirtschaftliche Fahrzeug ein fiktives und bezogen auf das Fahrzeug festes kartesisches Koordinatensystem definiert werden. Die Achsen dieses Koordinatensystems sind mit (bx, by, bz) bezeichnet. Der Koordinatenursprung (Null punkt) dieses Koordinatensystems wird an den Ort der GPS-Antenne gelegt. Dabei ist entschei dend, daß dieses Koordinatensystem fest mit dem Fahrzeug verbunden ist, d. h. daß für dieses Ko ordinatensystem alle horizontalen und vertikalen Ortsänderungen sowie alle Drehungen und Nei gungen des Fahrzeuges gelten.

In der ausgerichteten Lage ist:

- die Koordinatenachse (bx) dieses Koordinatensystems parallel zur W-O-Richtung (x-Ko ordinatenachse des terrestrischen Bezugssystems),
- die Koordinatenachse (by) dieses Koordinatensystems parallel zur N-S-Richtung (y-Ko ordinatenachse des terrestrischen Bezugssystems),
- die Koordinatenachse (bz) dieses Koordinatensystems parallel zur Vertikalen (z-Koordi natenachse des terrestrischen Bezugssystems).

Die fahrzeugspezifischen Basisumrechnungsgrößen (X_P0-X_A0; Y_P0-Y_A0; Z_P0-Z_A0; ϕ₀; α₀; β₀; d₁, d₂,d₃) sind in einem Speicher der Auswerteeinheit oder in einem anderen Speicher des Fahrzeu ges, auf den die Auswerteeinheit Zugriff hat, abspeicherbar.

Erfindungsgemäß detektieren nun der beziehungsweise die Sensoren jeweils eine Abweichung (ϕ, α, β) der Fahrzeuglage von der ausgerichteten Lage, die oben ausführlich beschrieben ist. Die Auswerteeinheit (AWE) ermittelt nun anhand dieser Abweichungen (ϕ, α, β) und unter Berück sichtigung der fahrzeugspezifischen Basisumrechnungsgrößen (ϕ₀, α₀, β₀, d₁, d₂, d₃) jeweils die aktuelle Umrechnungsgröße für die Bestimmung der Koordinaten (X_A, Y_A, Z_A) des räumlich von der Satelliten-Empfangseinheit beabstandeten Referenzpunktes aus den bekannten Positionskoor dinaten (X_P, Y_P, Z_P) der Satellitenempfangseinheit (GPS-Antenne).

Die Bestimmung der absoluten Position für den Ort der GPS-Antenne erfolgt durch einen an sich bekannten Rechenalgorithmus, der die Sendedaten von GPS-Satelliten verarbeitet. Dies ist dem Fachmann bekannt und kann mit hinreichender Genauigkeit erfolgen. Die Satelliten-Empfangsein heit (GPS-Antenne) kann bereits eine Auswerteeinheit umfassen, die aus den GPS-Sendedaten be reits Positionsdaten für den Ort der GPS-Antenne ermittelt, aus denen dann in dieser Auswerte einheit oder in einer separaten Auswerteeinheit in erfindungsgemäßer Weise die Position des Re ferenzpunktes bestimmt wird. Es liegt jedoch auch im Rahmen der Erfindung, wenn nur eine Aus werteeinheit vorgesehen ist, die nicht unmittelbar zur Satelliten-Empfangseinheit gehört, wobei auch die GPS-Sendedaten zur Positionsbestimmung des Ortes der GPS-Antenne an diese Auswer teeinheit geleitet werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird aus den jeweils erfindungsgemäß be stimmten Umrechnungsgrößen eine Transformationsmatrix berechnet und mit dieser Transforma tionsmatrix aus dem bekannten Positionsvektor (X_A, Y_A, Z_A) der GPS-Antenne der zu bestim mende Positionsvektor (X_P, Y_P, Z_P) des Referenzpunktes ermittelt.

Die Relevanz der vorliegenden Erfindung soll an dem konkreten Beispiel eines Mähdreschers ver anschaulicht werden, der in S-N-Richtung einen um (15%, α = 8,5°) geneigten Hang hoch fährt. Die fahrzeugspezifischen Basisumrechnungen bezogen auf die ausgerichtete Lage (wie oben er läutert) des Mähdreschers seien: GPS-Antenne auf dem Dach des Mähdreschers in 4 m Höhe über dem Boden, Referenzpunkt am Schneidwerk und zwar 1 m über dem Boden, d. h. ΔZ0 = -3 m, desweiteren ΔX0 = -3,5 m und ΔY0 = -5 m.

Ohne die erfindungsgemäße Berücksichtigung der Hangneigung würde beispielsweise gemäß der DE 196 47 523 lediglich die sich ändernde Position der GPS-Antenne gemessen und zur Positionsbestimmung des Referenzpunktes von der sich ändernden z-Koordinate der GPS-Anten ne stets ΔZ0 = 3 m subtrahiert sowie zu der sich ändernden y-Koordinate der GPS-Antenne stets ΔY0 = 5 m addiert. Dies entspricht jedoch nicht der Wirklichkeit; tatsächlich sind die Differenzbe träge abhängig von der Hangneigung. In diesem Fall müßte zur genauen Bestimmung des Refe renzpunktes von der z-Koordinate der GPS-Antenne ein Differenzbetrag von ΔZ = 2,23 m und von der y-Koordinate der GPS-Antenne ein Differenzbetrag von ΔY = 5,39 m subtrahiert werden. Damit weicht die Positionsbestimmung nach dem Stand der Technik für die z-Koordinate um 77 cm und für die y-Koordinate um 39 cm von dem tatsächlichen Wert ab. Diese Abweichungen sind größer als die Ungenauigkeit der Satellitennavigation an sich.

Eine ausführliche Herleitung dieser Größen wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeich nungen gegeben.

Die Erfindung ermöglicht die genaue Positionsbestimmung eines räumlich von der GPS-Antenne beabstandeten Referenzpunktes und zwar für die verschiedensten Lagen eines landwirtschaftlichen Fahrzeuges oder Arbeitsgerätes im terrestrischen Bezugssystem. Damit lassen sich Erntekataster und Bodenhöhenprofile deutlich besser erstellen.

Eine besondere Verbesserung erbringt die Erfindung auch für automatische Lenkungssysteme, so daß zum Beispiel ein Mähdrescher automatisch an einer virtuellen Getreidekante entlang gelenkt werden kann. Die virtuelle Getreidekante wird aus zuvor aufgezeichneten Referenzpositionsdaten abgeleitet und mit der ermittelten, aktuelle Referenzposition der Schneidwerkskante verglichen. Aus den Abweichungen der Fahrzeugrichtung und dem Referenzpunktabstand wird ein Stellsignal für das automatische Lenksystem ermittelt.

Die Erfindung bringt einen weiteren Vorteil für die Steuerung von Verteilgeräten, die zur Aus bringung von Mitteln, beispielsweise Spritz- oder Düngemittel, auf Felder geeignet sind. Mit Hilfe der virtuellen Position kann sehr einfach eine automatische Arbeitsbreitenregelung aufgebaut wer den. Die Positionsdaten der Schlaggrenzen oder von Schlagbereichen, die nicht mit Mitteln ver sorgt werden sollen, werden heute vor dem Ausbringen der Mittel entsprechend dem Arbeitspro zeß vorbereitet und in die Arbeitsgerätesteuerung übertragen. Wird der Referenzpunkt erfin dungsgemäß an die Stelle der äußersten Ausbringungsposition gelegt, so kann die Arbeitsbreite beim Überschreiten des Referenzpunktes über die gespeicherten Schlaggrenzen entsprechend ver ringert und dem Schlaggrenzenverlauf automatisch dynamisch angepaßt werden. Durch das Auf zeichnen der Referenzpunkte kann auch hier eine virtuelle Bearbeitungskante aufgezeichnet werden, an welcher ein Fahrzeug, anhand der aktuellen Arbeitsbreite, bei der nächsten Entlang fahrt automatisch entlang gesteuert werden kann. Legt man weitere Referenzpunkte, beispielswei se in Arbeitsrichtung, an den Beginn beziehungsweise an das Ende des Ausbringungsbereichs, so kann auf einfache Weise ein Ein- beziehungsweise Ausschalten des Arbeitsgerätes realisiert werden.

Die Erfindung kann auch vorteilhaft an landwirtschaftlichen Gerätekombinationen, wie Zugfahr zeuge mit einem von der Satellitenempfangsantenne richtungs- beziehungsweise neigungsentkop pelten Arbeitsgerätes, wie beispielsweise ein angehängter gezogener Düngersteuer oder einer Spritze, eingesetzt werden. Auf den Arbeitsgeräten sind dann zusätzliche eigene Neigungs- bezie hungsweise Richtungssensoren angebaut, die die Ausrichtung des Arbeitsgerätes vorteilhaft auf den Koppelpunkt mit dem Zugfahrzeug ermitteln. Der Basisabstand (D) des virtuellen Referenz punktes von der Empfangsantenne setzt sich dann aus einzelnen Teilabständen, die spezifisch für das jeweilige Arbeitsgerät und der Zugmaschine sind, zusammen und lassen sich in vorteilhafter weise über einen definierten Koppelpunkt zwischen Zugmaschine und Arbeitsgerät berechnet.

Anhand der beigefügten Zeichnung soll die Erfindung nachfolgend näher erläutert werden. Es zeigt:

Fig. 1 die Seitenansicht eines Mähdreschers mit GPS-Antenne auf dem Dach und ange bautem Schneidwerk, an dem sich der Referenzpunkt befindet,

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf die Horizontalebene mit einem Mähdrescher, ausgerichtet Nullage mit der Längsrichtung nach Norden,

Fig. 3 wie Fig. 2, jedoch ist der Mähdrescher gegenüber der ausgerichteten Lage auf der Horizontalebene verdreht,

Fig. 4 eine schematische Seitenansicht mit dem Mähdrescher in der yz-Ebene in einer aus gerichteten Nullage,

Fig. 5 wie Fig. 4, jedoch ist der Mähdrescher gegenüber der ausgerichteten Lage in der yz-Ebene verdreht,

Fig. 6 eine schematische Seitenansicht mit dem Mähdrescher der xz-Ebene in einer ausge richteten Nullage,

Fig. 7 wie Fig. 6, jedoch ist der Mähdrescher gegenüber der ausgezeichneten Lage in der xz-Ebene verdreht,

Fig. 8 eine schematische Draufsicht auf einen Mähdrescher mit einer vor dem Schneid werk liegenden virtuellen Arbeitsfläche,

Fig. 9 eine Seitenansicht eines Mähdreschers mit vor dem Schneidwerk liegendem virtuellen Referenzpunkt,

Fig. 10 wie in Fig. 9, mit weiter vor dem Schneidwerk liegendem Referenzpunkt,

Fig. 11 eine schematische Draufsicht auf einen Traktor mit über die Dreipunktaufhängung angebautem Düngerstreuer und zwei virtuellen Referenzpunkten,

Fig. 12 ein Blockdiagramm mit der Auswerteeinheit und den verschiedenen Sensoren.

In Fig. 1 ist ein Mähdrescher mit angehängtem Schneidwerk gezeigt. Die GPS-Antenne befindet sich auf dem Dach des Mähdreschers in ca. 4 m Höhe. Der Referenzpunkt ist hier an die Außen seite des Schneidwerkes in eine Höhe von 1 m gelegt. Diese Seitenansicht zeigt den Mähdrescher in der yz-Ebene des terrestrischen Koordinatensystems. Eingezeichnet ist auch das fiktive, mit dem Mähdrescher fest verbundene Koordinatensystem (bx, by, bz). Der Abstand zwischen dem Ort der GPS-Antenne und dem Referenzpunkt ist mit dem Bezugszeichen (D) bezeichnet. In die ser Seitenansicht ist jedoch nur die Projektion (d₂) der Abstandslinie (D) auf die yz-Ebene darstellbar.

In den Fig. 2, 4, 6 ist der Mähdrescher jeweils in einer ausgerichteten Nullage in den zugehöri gen Ebene gezeigt. Die Darstellungen sind schematisch und nicht maßstabsgetreu.

Fig. 2 zeigt die Draufsicht auf einen Mähdrescher in einer ausgerichteten Nullage. Die GPS-Anten ne befindet sich auf dem Dach des Mähdreschers. Zur Veranschaulichung sind auch vier GPS-Sa telliten, von denen die GPS-Antenne Satellitennavigationssignale empfangen kann, eingezeichnet. Die gezeichnete Lage ist so gewählt, daß die Fahrzeuglängsrichtung parallel zur N-S-Richtung (y-Koordinate) ist und das Schneidwerk nach Norden ausgerichtet ist. Selbstverständlich kann im Rahmen der Erfindung auch eine andere ausgerichtete Lage gewählt werden. Die Wahl dieser La ge zur einfachen Bestimmung der fahrzeugspezifischen Basisumrechnungsgrößen ist lediglich eine Konvention. Allerdings sollte die ausgerichtete Lage unter Berücksichtigung von Konventionen des eingesetzten Satellitennavigationssystems so gewählt werden, daß die Bestimmung der Basi sumrechnungsgrößen möglichst einfach ist. Die Basisumrechnungsgrößen werden als "fahrzeug spezifisch" bezeichnet, da sie, wenn die ausgerichtete Lage durch Konvention einmal festgelegt ist, durch den Ort der GPS-Antenne am Fahrzeug und die gewünschte Position des Referenzpunktes für diese "fahrzeugspezifische" Konstellation eindeutig bestimmbar sind. Die Bestimmung der Ba sisumrechnungsgrößen kann durch Ausmessen und/oder mathematische Berechnungen erfolgen.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel ist die Differenz (X_P0-X_A0) zwischen der x-Koordinate des Referenzpunktes und der x-Koordinate der GPS-Antenne gleich 3,5 m; die Differenz (Y_P0-Y_A0) zwischen der y-Koordinate des Referenzpunktes und der y-Koordinate der GPS-Antenne ist gleich 5 m.

d₁ ist die Projektion der Abstandslinie (D) zwischen GPS-Antenne und Referenzpunkt auf die Ho rizontalebene (x,y). Dasselbe gilt auch für d₂ und d₃ bezüglich der jeweiligen Ebenen.

ϕ₀ bezeichnet den Winkel zwischen d₁ und der N-S-Richtung/Fahrzeuglängsrichtung.
ϕ₀ bestimmt sich aus:

tan(ϕ₀) = tan(3,5/5) = < ϕ₀ = 35°.

ϕ₀ und d₁ können ebenso wie α₀, β₀, d₂ und d₃ als fahrzeugspezifische Basisumrechnungsgrößen verwendet werden.

Fig. 4 zeigt die Seitenansicht (yz-Ebene) des Mähdrescher in der ausgerichteten Lage. Die GPS-Antenne befindet sich auf dem Dach des Mähdreschers in 4 m Höhe, der Referenzpunkt am Schneidwerk in 1 m Höhe. Die Differenz (Y_P0-Y_A0) zwischen der y-Koordinate des Referenz punktes und der y-Koordinate der GPS-Antenne ist, wie bereits aus Fig. 2 ersichtlich, gleich 5 m; die Differenz (Z_P0-Z_A0) zwischen der z-Koordinate des Referenzpunktes und der z-Koordinate der GPS-Antenne ist gleich -3 m.

α₀ bezeichnet den Winkel zwischen d₂ und der Vertikalen/z-Richtung.
α₀ bestimmt sich aus:

tan(α₀) = tan(5/3) = < α₀ = 59°

Fig. 6 zeigt die Seitenansicht (x,z-Ebene) des Mähdrescher in der ausgerichteten Lage. Die GPS-Antenne befindet sich auf dem Dach des Mähdreschers in 4 m Höhe, der Referenzpunkt am Schneidwerk in 1 m Höhe. Die Differenz (X_P0-X_A0) zwischen der x-Koordinate des Referenz punktes und der x-Koordinate der GPS-Antenne ist, wie bereits aus Fig. 2 ersichtlich, gleich 3,5 m; die Differenz (Z_P0-Z_A0) zwischen der z-Koordinate des Referenzpunktes und der z-Koordinate der GPS-Antenne ist gleich -3 m.

β₀ bezeichnet den Winkel zwischen d₃ und der Vertikalen/z-Richtung.
β₀ bestimmt sich aus:

tan(α₀) = tan(3,5/3) = < β₀ = 59°.

Während des Einsatzes des Mähdreschers werden die Abweichungen (ϕ, α, β) gemessen und er findungsgemäß unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Basisumrechnungsgrößen je weils aktuelle Umrechnungsgrößen für die Bestimmung des Referenzpunktes ermittelt.

Fig. 3 zeigt die Draufsicht auf einen Mähdrescher abweichend von der ausgerichteten Nullage auf einem ebenem Feld. Die entsprechenden Umrechnungsgrößen sind:

ΔX = d₁sin(ϕ₀-ϕ)

und

ΔY = d₁cos(ϕ₀-ϕ).

Fig. 5 zeigt eine Seitenansicht eines Mähdreschers abweichend von der ausgerichteten Nullage, welcher einen Hang in S-N- Richtung herauffährt. Die entsprechenden Umrechnungsgrößen sind:

ΔY= d₂sin(α₀+α)

und

ΔZ = d₂cos(α₀+α).

Bei einem Hang mit 15% Steigung (α = 8,5°) ergeben sich dann die einleitend angegebenen Wer te:

ΔY = 5,39 m

und

ΔZ = 2,23 m.

Fig. 7 zeigt eine Frontansicht eines Mähdreschers abweichend von der ausgerichteten Nullage in S-N-Richtung, welcher entlang eines Hanges in O-W-Richtung geneigt ist. Die entsprechenden Umrechnungsgrößen sind:

ΔX = d₃ sin(β₀+β)

und

ΔZ = d₃ cos(β₀+β).

Nachfolgend werden die oben beschriebenen Beispiele in der Vektor- und Matrizenschreibweise, die aus der Mathematik bekannt ist, dargestellt.

Allgemeine Koordinatentransformation

Bestimmung für den Positionsvektors (X_P, Y_P, Z_P) des Referenzpunktes aus dem Positionsvektor (X_A, Y_A, Z_A) der GPS-Antenne und der Transformationsmatrix mit dem Matrixelementen (a_ij) so wie dem Einheitsvektor (1,1,1) im kartesischen, terrestrischen Koordinatensystem:

Koordinatentransformation für die ausgezeichnete Lage (N-S-Ausrichtung keine Neigung)

Fahrt in der Horizontalebene (vgl. Fig. 3)

Fahrt in N-S-Richtung bei einer Hangneigung in Fahrtrichtung (vgl. Fig. 5)

Fahrt in N-S-Richtung bei einer Hangneigung quer zur Längsrichtung des Fahrzeuges (vgl. Fig. 7)

Die Erfindung ist, wie schon oben erwähnt, nicht auf die Bestimmung eines Referenzpunktes be schränkt. Vielmehr können durchaus zwei oder mehrere Referenzpunkte vorgesehen sein. Diese können statt an dem Bearbeitungsgerät auch innerhalb des Fahrzeuges liegen. Desweiteren ist es vorgesehen, daß der beziehungsweise die Referenzpunkte als virtuelle Bezugspunkte außerhalb des Fahrzeuges und außerhalb des Bearbeitungsgerätes liegen.

Ferner ist es auch vorgesehen, daß erfindungsgemäß eine aus zwei oder mehreren Referenzpunk ten bestehende Referenzlinie, Referenzfläche oder ein Referenzvolumen bestimmbar ist. In Fig. 8 ist eine solche virtuelle Referenzfläche vor dem Schneidwerk gezeigt.

Darüber hinaus ist es bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, daß die Auswerteein heit (AWE) bei der Bestimmung eines virtuellen Referenzpunktes mindestens eine Parameter des Fahrzeugs wie beispielsweise die Fahrgeschwindigkeit berücksichtigt, so daß die Lage des virtuel len Referenzpunktes relativ zur Satelliten-Empfangseinheit (GPS-Antenne) in Abhängigkeit von mindestens einem Parameter dynamisch regelbar ist. Dies ist anhand der Fahrgeschwindigkeit in den Fig. 9 und 10 dargestellt. Bei einer höheren Fahrgeschwindigkeit kann man so quasi weiter vorausschauend fahren.

Darüber hinaus ist es vorgesehen, daß jeweils, wenn der in Fahrtrichtung vorausliegende Refe renzpunkt das Feldende erreicht hat (was zum Beispiel durch Vergleich mit einem gespeicherten Feldkataster bestimmt werden kann), mit einer einstellbaren Zeitverzögerung bestimmte Vorgänge (z. B. Schneidwerk anheben, Pflug anheben und wenden) automatisch ausgelöst werden.

Ferner ist es vorgesehen, daß mindestens ein Lageparameter (relativer Knickwinkel des Anhän gers zum Zugfahrzeug, relative Höhe der Dreipunktanhängung, relativer Einzugskanalwinkel, und andere) eines am Fahrzeug angebrachten Bearbeitungsgerätes von der Auswerteeinheit (AWE) berücksichtigt wird, so daß die Lage des virtuellen Referenzpunktes zur der Satelliten-Empfangs einheit (GPS-Antenne) in Abhängigkeit von diesem Lageparameter dynamisch regelbar ist. In Fig. 11 ist beispielsweise ein Traktor mit einem Düngerstreuer gezeigt. Dabei ist es vorgesehen, die Lage des virtuellen Referenzpunktes von der Rotationsgeschwindigkeit des Streutellers bezie hungsweise der Arbeitsbreite des Streuers abhängig zu machen, so daß der Referenzpunkt jeweils am Rand des Streubereiches liegt. Damit die theoretische Arbeitsbreite noch besser ermittelt wer den kann, werden auch die Lageparameter der Dreipunktanhängung mit bei der Berechnung des Referenzpunktes berücksichtigt.

Bei einem Düngerstreuer mit mehreren Streutellern können bei Bedarf mehrere korrespondierende Referenzpunkte existieren, wobei einzelne Referenzpunkte von dem Bediener des Fahrzeuges de aktivierbar und wieder aktivierbar sind. Was in dem gezeichneten Fall der beiden Streuteller durchaus sinnvoll ist, wenn zum Beispiel bei Fahrten am Feldrand die Drehzahl des randseitigen Streutellers zuerst verringert und dann abgeschaltet wird, wobei dann auch eine Positionsbestim mung des korrespondierenden Referenzpunktes überflüssig und eventuell sogar störend wird. Durch die Einbeziehung von weiteren Parametern aus dem Arbeitsprozeß, wie beispielsweise der Fahrgeschwindigkeit oder von düngerspezifischen Größen, kann die Arbeitsbreite des Steuers so gesteuert werden, daß selbst die Flugdauer des Streugutes (beispielsweise zur Auswahl des richti gen Einschalt- bzw. Ausschaltmomentes des Ausbringgerätes) mit berücksichtigt wird.

Die Erfindung ist hier anhand eines Mähdreschers und eines angehängten Düngerstreuers be schrieben worden. Es ist für den Fachmann jedoch auch offensichtlich, daß sie auch in anderen Nutzfahrzeugen, wie Baumaschinen, die eine Bodenkontur bearbeiten beziehungsweise umgestal ten und auch auf einfache angehängte Arbeitsgeräte, die ihre eigene Navigationseinrichtung besit zen, anwendbar ist.

Claims

1. Landwirtschaftliches Fahrzeug oder Arbeitsgerät mit einer Satelliten-Empfangseinheit (GPS-Antenne) zur Positionsbestimmung im dreidimensionalen terrestrischen Bezugssy stem, wobei das landwirtschaftliche Fahrzeug oder Arbeitsgerät eine Auswerteeinheit (AWE) aufweist, die aus den von der Satelliten-Empfangseinheit empfangenen Daten die absolute Position mindestens eines räumlich vom Ort der Satelliten-Empfangseinheit ge trennten Referenzpunktes bestimmt, wobei der räumliche Abstand (D) zwischen der Sa telliten-Empfangseinheit und dem Referenzpunkt betragsmäßig bekannt ist, dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens ein Sensor (S, S1, S2, S3) zur Bestimmung der Lage des Fahrzeu ges - d. h. Ausrichtung und Orientierung des Fahrzeuges in der Horizontalebene des terrestri schen Bezugssystems und/oder der Längs- bzw. Querneigung des Fahrzeuges relativ zur Vertikalrichtung des Bezugssystems - vorgesehen ist,

- in einem Speicher der Auswerteeinheit (AWE) oder einem anderen auf dem Fahrzeug oder Arbeitsgerät angeordneten Speicher für eine bestimmte, ausgezeichnete Lage des Fahrzeuges - vorzugsweise Längsrichtung des Fahrzeuges in N-S-Richtung mit Frontsei te nach Norden und ohne Längs- beziehungsweise Querneigung des Fahrzeuges - minde stens eine fahrzeugspezifische Basisumrechnungsgröße (X_P0-X_A0, Y_P0-Y_A0, Z_P0-Z_A0, ϕ₀, α₀, β₀, d₁, d₂, d₃) abspeicherbar ist,
- der (die) Sensor(en) mindestens eine Abweichung (ϕ, α, β) der Lage von der ausge richteten Nullage detektieren und von der Auswerteeinheit (AWE) anhand dieser Abwei chung (ϕ, α, β) und unter Berücksichtigung mindestens einer fahrzeugspezifischen Basis umrechnungsgröße (ϕ₀, α₀, β₀, d₁, d₂, d₃) jeweils die aktuelle Umrechnungsgröße für die Bestimmung der Koordinaten (X_A, Y_A, Z_A) des räumlich von der Satelliten-Emp fangseinheit beabstandeten Referenzpunktes aus den bekannten Positionskoordinaten (X_P, Y_P, Z_P) der Satelliten-Empfangseinheit (GPS-Antenne) ermittelt.

2. Landwirtschaftliches Fahrzeug oder Arbeitsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (AWE) aus den Umrechnungsgrößen eine Transformationsma trix ermittelt und mit dieser Transformationsmatrix aus dem bekannten Positionsvektor (X_P, Y_P, Z_P) der Satelliten-Empfängseinheit (GPS-Antenne) den Positionsvektor (X_A, Y_A, Z_A) des Referenzpunktes ermittelt.

3. Landwirtschaftliches Fahrzeug oder Arbeitsgerät nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Richtungssensor, wie beispielsweise ein Kompaß, als Sensor (S1) zur Bestim mung der Ausrichtung (ϕ) des Fahrzeuges in der Horizontalebene des terrestrischen Be zugssystems vorgesehen ist.

4. Landwirtschaftliches Fahrzeug oder Arbeitsgerät nach mindestens einem der vorstehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Neigungssensor, wie beispielsweise ein Lotpendel mit elektrischem Signalgeber, als Sensor (S2) zur Bestimmung der Längsneigung (α) des Fahrzeuges relativ zur Verti kalrichtung des terrestrischen Bezugssystems vorgesehen ist.

5. Landwirtschaftliches Fahrzeug oder Arbeitsgerät nach mindestens einem der vorstehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Neigungssensor, wie beispielsweise ein Lotpendel mit elektrischem Signalgeber, als Sensor (S3) zur Bestimmung der Querneigung (β) des Fahrzeuges relativ zur Vertikalrichtung des terrestrischen Bezugssystems vorgesehen ist.

6. Landwirtschaftliches Fahrzeug oder Arbeitsgerät nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor (S) zur Bestimmung der Ausrichtung (ϕ) des Fahrzeuges in der Horizon talebene des terrestrischen Bezugssystems sowie zur Bestimmung der Längsneigung (α) beziehungsweise der Querneigung (β) des Fahrzeuges relativ zur Vertikalrichtung des terrestrischen Bezugssystems vorgesehen ist.

7. Landwirtschaftliches Fahrzeug oder Arbeitsgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus zwei oder mehreren Referenzpunkten bestehende Referenzlinie bestimmbar ist.

8. Landwirtschaftliches Fahrzeug oder Arbeitsgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus drei oder mehreren Referenzpunkten bestehende Referenzfläche bestimmbar ist.

9. Landwirtschaftliches Fahrzeug oder Arbeitsgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus drei oder mehreren Referenzpunkten bestehendes Referenzvolumen bestimm bar ist.

10. Landwirtschaftliches Fahrzeug oder Arbeitsgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Arbeitsparameter eines am Fahrzeug angebrachten oder gezogenen Arbeitsgerätes von der Auswerteeinheit (AWE) berücksichtigt wird, so daß die Lage des virtuellen Referenzpunktes zur der Satelliten-Empfangseinheit (GPS-Antenne) in Abhän gigkeit von diesem Arbeitsparameter berechenbar ist.

11. Landwirtschaftliches Fahrzeug oder Arbeitsgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (AWE) die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeuges bei der Bestim mung eines virtuellen Referenzpunktes berücksichtigt, so daß die Lage des virtuellen Re ferenzpunktes relativ zur Satelliten-Empfangseinheit (GPS-Antenne) in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit dynamisch regelbar ist.

12. Landwirtschaftliches Fahrzeug oder Arbeitsgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Referenzpunkte von dem Bediener des Fahrzeuges oder automatisch vom Arbeitsprozeß deaktivierbar beziehungsweise aktivierbar sind.

13. Verfahren zur Positionsbestimmung für ein landwirtschaftliches Fahrzeug oder Arbeits gerät, das eine Satelliten-Empfangseinheit (GPS-Antenne) zur Positionsbestimmung im dreidimensionalen terrestrischen Bezugssystem aufweist, wobei das landwirtschaftliche Fahrzeug oder Arbeitsgerät eine Auswerteeinheit (AWE) aufweist, die aus den von der Satelliten-Empfangseinheit (GPS-Antenne) empfangenen Daten die absolute Position mindestens eines räumlich vom Ort der Satelliten-Empfangseinheit (GPS-Antenne) ge trennten Referenzpunktes bestimmt, wobei der räumliche Abstand (D) zwischen der Sa telliten-Empfangseinheit (GPS-Antenne) und dem Referenzpunkt betragsmäßig bekannt ist, dadurch gekennzeichnet, daß

- von mindestens einem Sensor (S, S1, S2, S3) die Lage des Fahrzeuges oder des Arbeitsgerätes - d. h. Ausrichtung und Orientierung des Fahrzeuges in der Horizontalebe ne des terrestrischen Bezugssystems und Längs- bzw. Querneigung des Fahrzeuges rela tiv zur Vertikalrichtung des Bezugssystems - bestimmt wird,
- in einem Speicher der Auswerteeinheit (AWE) oder einem anderen auf dem Fahrzeug angeordneten Speicher für eine bestimmte, ausgerichtete Lage des Fahrzeuges - vorzugs weise Längsrichtung des Fahrzeuges in N-S-Richtung mit Frontseite nach Norden und keine Längs- bzw. Querneigung des Fahrzeuges - fahrzeugspezifische Basisumrech nungsgrößen (X_P0-X_A0; Y_P0-Y_A0; Z_P0-Z_A0; ϕ₀; α₀; β₀; d₁; d₂; d₃) abgespeichert werden,
- wobei der (die) Sensor(en) eine Abweichung (ϕ, α, β) der Lage von der ausgerichteten Nullage detektieren und von der Auswerteeinheit (AWE) anhand dieser Abweichungen (ϕ, α, β) und unter Berücksichtigung der fahrzeugspezifischen Basisumrechnungsgrößen (ϕ₀, α₀, β₀, d₁, d₂, d₃) jeweils aktuelle Umrechnungsgrößen ermittelt werden für die Be stimmung der Koordinaten (X_A, Y_A, Z_A) des räumlich von der Satelliten-Empfangsein heit beabstandeten Referenzpunktes aus den bekannten Positionskoordinaten (X_P, Y_P, Z_P) der Satelliten-Empfangseinheit (GPS-Antenne).

14. Verfahren zur Positionsbestimmung für ein landwirtschaftliches Fahrzeug oder Arbeits gerätes nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (AWE) aus den Umrechnungsgrößen eine Transformationsma trix ermittelt und mit dieser Transformationsmatrix aus dem bekannten Positionsvektor (X_P, Y_P, Z_P) der Satelliten-Empfangseinheit (GPS-Antenne) den Positionsvektor (X_A, Y_A, Z_A) des Referenzpunktes bestimmt.