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Book (Monograph)
2006
Untersuchungen zur automatischen Erntemaschinenführung mit Satellitennavigation und Leitlinienplanung
Untersuchungen zur automatischen Erntemaschinenführung mit Satellitennavigation und Leitlinienplanung
Abstract (English)
The working devices of agricultural machines have been optimised continuously in the last decades. Additionally, the size of the machines, the working width and the installed power have been increased. The common combination of a tractor and a mounted, exchangeable implement is often replaced by specialized, self-propelled machines for one definite operation. Especially for harvesters this development can be noticed. The operation of a harvester requires a high concentration of the driver. He has to operate and monitor the complex and numerous working devices. Depending on the harvester the crop has to be transferred continuously or with interrupts to a transport vehicle. Working widths of harvester headers can reach to 9 m in Germany. In other countries they can be even exceeded. The working edge of these wide headers can be surveyed badly. Therefore, it is difficult to guide the machine in that way that the whole working width is used. Furthermore, the driver has to adjust the driving speed according to the local harvesting conditions. Regarding the harvesting process the driver has to choose an efficient course inside the field and at the headland. Bad sight conditions caused by back light, dust or darkness as well as time pressure caused by weather conditions and ripeness of the crop make the drivers tasks even more difficult. If suitable control systems steer the machine and adjust the driving speed automatically, the driver can concentrate on the main functions of the harvester. Therefore, the throughput and the working quality can be increased.
The aim of this thesis is to develop the basic theory for an automatic guidance for harvesters which has to be investigated with a self-propelled forage harvester in practice. It was demanded that the positioning data which are necessary for the automatic guidance are provided by receivers for the differential Global Positioning System. They have an accuracy of a few centimetres. No other navigation sensors should be used. The developed guidance system is structured in the closed loop transversal and the closed loop longitudinal control system. The lateral control reduces the lateral offset to the guidance path and the longitudinal control keeps the throughput constant in the field with varying yields. The control plan is defined by the guidance path which describes the desired driving route and the speed of the harvester. Path planning methods have been developed and investigated for different harvest operations. Path planning methods for swath harvesting and field covering operations are presented. The driving course of the swather is recorded during operation. With these data the guidance path for the forage harvester is calculated. The path allows a harvest operation in forward motion in every case, in order to avoid problems between harvester and transport vehicles at the headland. In order to plan the guidance path for a field covering harvest operation, the field is first structured into a headland and a main operation area. The headland provides the turning area. Also neighbour areas are considered which can be passed. Therefore, soil damaging turning manoeuvres can be carried out outside the field. The main operation area is divided into further areas, so that the guidance path has as many straight parts as possible. The number of turns can be reduced in this manner. The simulation of the path planning process and an automatically guided harvester shows that 20% of the turning distance and 10% of the total distance can be saved in comparison to a manually guided harvester without path planning.
Abstract (German)
Die Entwicklung landwirtschaftlicher Arbeitsmaschinen ist in den letzten Jahrzehnten von einer kontinuierlichen Optimierung der Arbeitsorgane sowie einer Steigerung der Baugröße, Arbeitsbreite und der installierten Leistung gekennzeichnet. In vielen Fällen wird die herkömmliche Kombination von Ackerschlepper und angebautem, austauschbarem Gerät durch spezialisierte, für eine bestimmte Arbeit ausgelegte, selbstfahrende Arbeitsmaschinen abgelöst. Dieser Trend ist bei Erntemaschinen besonders deutlich. Die Bedienung einer Erntemaschine erfordert vom Maschinenführer eine hohe Konzentration. Einerseits muss er die häufig komplexen und zahlreichen Arbeitsorgane der Maschine bedienen und überwachen. Je nach Art der Erntemaschine muss das Erntegut entweder kontinuierlich oder intermittierend an ein Transportfahrzeug während der Fahrt übergeben werden. Neben diesen Hauptfunktionen muss der Maschinenführer andererseits lenken und sicherstellen, dass die Arbeitsbreite vollständig ausgenutzt wird und keine Fehlstellen in der Bearbeitung auftreten. Die Erntevorsätze können in Deutschland bis zu 9 m, in anderen Ländern häufig sogar noch breiter sein und sind entsprechend schlecht zu überblicken. Zusätzlich muss er die Fahrgeschwindigkeit an die lokalen Erntebedingungen anpassen. Der Maschinenführer hat auch die Aufgabe, mit einem günstigen Fahrkurs einen effizienten Ernteprozess zu gewährleisten und die Maschine am Feldrand entsprechend wieder in die richtige Spur zu führen. Diese Aufgaben werden häufig sowohl durch schlechte Sichtbedingungen, bedingt durch Gegenlicht, Staub oder Dunkelheit, als auch durch Zeitdruck, hervorgerufen durch die Wetterverhältnisse und Reifezustand des Erntegutes, zusätzlich erschwert. Wird der Maschinenführer vom Lenken und der Fahrgeschwindigkeitsanpassung durch geeignete Regeleinrichtungen entlastet, kann er sich auf die Hauptfunktionen konzentrieren und die Auslastung und die Arbeitsqualität der Erntemaschine steigern.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Erarbeitung von Grundlagen für automatisch geführte Erntemaschinen, die exemplarisch an einem selbstfahrenden Feldhäcksler untersucht werden. Die für die automatische Führung notwendigen Positionsdaten liefern hoch genaue Empfänger für das differenzielle Global Positioning System. Sie zeichnen sich durch eine erzielbare Ortungsgenauigkeit von wenigen Zentimetern aus und werden als einzige Positionssensoren verwendet. Das entwickelte Führungssystem gliedert sich in die Querregelung, um die seitliche Abweichung der Maschine in Bezug zu einer vorgegeben Leitlinie zu minimieren und einer kombinierten Fahrgeschwindigkeits- und Durchsatzregelung, um die Maschine trotz veränderlicher Erntebedingungen im Feld konstant auszulasten. Diesen beiden Regelaufgaben ist ein Fahrkurs übergeordnet. Es wurden Methoden entwickelt, nach denen Leitlinien für verschiedene Erntevorgänge mit einer automatisch geführten Maschine berechnet werden können. Die Querregelung basiert auf Ansätzen mit einem linearen Fahrzeugmodell. Der seitliche Versatz und die Fehlorientierung zur Leitlinie dienen als Reglereingangsgrößen. Zusätzlich werden die Fahrgeschwindigkeit und die Krümmung der Leitlinie berücksichtigt. Für die Fahrgeschwindigkeitsregelung wird angenommen, dass die ermittelte Antriebsleistung des Erntevorsatzes des Feldhäckslers ein geeignetes Maß für den Durchsatz ist. Es wurden verschiedene Verfahren untersucht, nach denen der Durchsatz mit der Fahrgeschwindigkeit geregelt werden kann. Im ersten Verfahren wurde die Soll-Fahrgeschwindigkeit direkt aus der ermittelten Antriebsleistung des Erntevorsatzes abgeleitet. Um den Zeitbedarf der Fahrgeschwindigkeitsanpassung zu reduzieren, wurde in einem zweiten Verfahren auch die Antriebsleistung, die bei der bereits geernteten Nachbarspur ortsbezogen gemessen und gespeichert wurde, herangezogen. Aus diesen Messungen wurde die zu erwartende Soll-Fahrgeschwindigkeit vor der Maschine abgeschätzt. In einem dritten Verfahren wurde die Antriebsleistung eines vorausgegangenen Arbeitsganges ortsbezogen gemessen und daraus die Soll-Fahrgeschwindigkeit der nachfolgenden, automatisch geführten Maschine berechnet. In diesem Fall sollte der Feldhäcksler Halmgut ernten, welches in einem vorangegangen Arbeitsgang mit einem Schwader zu Halmgutreihen, sogenannten Schwaden, zusammengeführt wurde. Wird bei dieser Arbeit der Leistungsbedarf und die Fahrgeschwindigkeit aufgezeichnet, so kann mit diesen Daten eine Soll-Fahrgeschwindigkeit des nachfolgenden Feldhäckslers berechnet werden. Die Regelung passt bei bekanntem Verlauf der Soll-Fahrgeschwindigkeit rechtzeitig die Fahrgeschwindigkeit an
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Faculty of Agricultural Sciences
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Institute of Agricultural Engineering
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German
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Publisher place
Classification (DDC)
630 Agriculture
Collections
Original object
Standardized keywords (GND)
BibTeX
@book{Stoll2006,
url = {https://hohpublica.uni-hohenheim.de/handle/123456789/5531},
author = {Stoll, Albert},
title = {Untersuchungen zur automatischen Erntemaschinenführung mit Satellitennavigation und Leitlinienplanung},
year = {2006},
school = {Universität Hohenheim},
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