DE69935256T2 - Bodenuntersuchungsvorrichtung und präzisionslandwirtschaftssystem - Google Patents

Bodenuntersuchungsvorrichtung und präzisionslandwirtschaftssystem Download PDF

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    • Y02A40/10—Adaptation technologies in agriculture, forestry, livestock or agroalimentary production in agriculture

Description

  • TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung betrifft ein optisches Bodenüberwachungsgerät zum Überwachen der optischen charakteristischen Eigenschaften eines bestimmten Bodens, ein Bodenüberwachungsgerät zur Überwachung dieses Bodens, ein Bodenüberwachungssystem und ein mobiles Bodenüberwachungsfahrzeug zur Überwachung des Bodens.
  • Diese Erfindung wird zum präzisen Arbeiten in der Landwirtschaft oder für den Anbau mit einer Präzisionsfelderverwaltung, die ein vergleichsweise neues landwirtschaftliches Konzept darstellt, eingesetzt.
  • STAND DER TECHNIK
  • In den vergangenen Jahren wurde das Konzept der Präzisionsfelderverwaltung als Maßnahme zum Umweltschutz und gleichzeitig zur Sicherung des Ertrags zunehmend bekannt. Das Ziel ist es, den Umfang der Investitionen für landwirtschaftliches Material wie Dünger, Nährstoffe usw. zu reduzieren. Die entscheidende Frage für eine Präzisionsfelderverwaltung ist ein genaues Verständnis der Bodenbedingungen, die für einen bestimmten Boden ausschlaggebend sind. Der Boden ist schließlich das wichtigste Element in der landwirtschaftlichen Produktion.
  • Wenn Licht auf den Boden gestrahlt wird, wird es absorbiert. Es ist hinlänglich bekannt, dass sich die Wellenlänge und Intensität des absorbierten Lichts in Abhängigkeit von den Bestandteilen des Bodens und deren Häufigkeit ändern. Demgemäß wird die reflektierte Welle ein bestimmtes optisches Spektrum widerspiegeln (d. h. das Absorptionsspektrum), was von den Bestandteilen des Bodens abhängt.
  • Es ist bereits bekannt, dass es möglich ist, die Zusammensetzung des Bodens durch Überwachen und Analysieren seines optischen Spektrums zu ermitteln.
  • Ein Beispiel einer optischen Bodenüberwachungsvorrichtung zur Überwachung der optischen Eigenschaften eines Bodens zur Untersuchung der Bodenbedingungen eines bestimmten Feldes ist im US-Patent 5,044,756 offenbart, das in den 19 bis 21 dargestellt ist.
  • Die 19 ist ein Querschnitt des Teils der Vorrichtung, der sich, auf einem Fahrzeug montiert, auf der zu überwachenden Erdoberfläche zum Ausgraben und Untersuchen des Bodens bewegt. Die Einheit zum Ausgraben und Messen 20 besteht aus einem Gehäuse 21, das, wenn sich das Fahrzeug fortbewegt, schrittweise den Boden ausgräbt. Das Schneidende 23, das den Boden 22 aufwirft, wenn sich das Fahrzeug in Richtung A fortbewegt, befindet sich an der Vorderseite der Einheit 20. Der untere Bereich des Bodens nahe der Überwachungsoberfläche, die durch das Schneidende 23 abgetragen wird, wird durch das Gehäuse 21 zusammengedrückt, um eine flache Bodenüberwachungsoberfläche 24 zu erhalten.
  • Innerhalb des Gehäuses 20, im Bereich der Deckschicht der Bodenüberwachungsoberfläche 24, befindet sich eine Öffnung 26, die eine Kammer 25 bildet. In dieser Kammer werden die Eigenschaften des Bodens überwacht. An der Oberseite der Kammer 25 sind rotes Licht emittierende Dioden 28 angeordnet, die Licht auf die Bodenüberwachungsoberfläche 24 projizieren, sowie Fotodioden 29, die das Licht empfangen, das vom Boden reflektiert wird. Ein Kabel 27 wird als Leitung benutzt.
  • Bei diesem Design trägt das Schneidende 23 an der Vorderseite des Gehäuses 21 den Boden 22 ab und bildet eine flache Bodenüberwachungsoberfläche 24, und damit werden die Eigenschaften des Bodens an der Überwachungsoberfläche 24 überwacht.
  • Wenn das Gehäuse 20 sich vorwärts bewegt, gelangt ein Teil des Bodens, der die Bodenüberwachungsoberfläche 24 bildet, in die Kammer 25, die schließlich mit Boden gefüllt wird. Wenn dies geschieht, wird es unmöglich, die Eigenschaften des Bodens an der Überwachungsoberfläche 24 zu überwachen.
  • Um dieses Problem zu lösen, besitzt die Vorrichtung, die im US-Patent 5,044,756 offenbart ist, eine Öffnung 32 auf der Rückseite der Kammer 24, durch die der Boden, der in die Kammer gelangt ist, herausgelangen kann.
  • Weil das Gehäuse 21 sich nahe an der Überwachungsoberfläche des Bodens fortbewegt, neigt Streulicht von der Überwachungsoberfläche dazu, durch diese Öffnung in die Kammer zu gelangen. Deshalb ist die Öffnung zum Auslass für den Boden so klein wie möglich ausgestaltet.
  • Die 20 ist eine Sicht der Einheit aus der 19 von unten. Die Spitze 23a des Schneidendes 23 ist als spitzer Winkel ausgestaltet, so dass sie leicht durch den Boden schneiden kann.
  • Die 21 ist eine perspektivische Darstellung der Einheit beim Einsatz.
  • Wie oben diskutiert, besitzt die genannte Einheit zur Überwachung optischer Bodeneigenschaften, die im US-Patent 5,044,756 offenbart ist, ein Schneidende 23 an der Vorderseite ihres Gehäuses 21. Wenn dieses Schneidende 23 Boden 22 aufwirft und eine flache Überwachungsoberfläche 24 erzeugt, bestimmt es die Überwachungsoberfläche als Untersuchungsobjekt, um die Eigenschaften des Bodens zu überwachen.
  • Die oben beschriebene Einheit aus dem Stand der Technik zur Überwachung der optischen Eigenschaften des Bodens weist folgende Mängel auf:
    • (1) Wie es der 20 entnehmbar ist, ist die Spitze 23a des Schneidendes 23 an der Vorderseite des Gehäuses 21 als spitzer Winkel ausgestaltet, so dass sie leicht den Boden 22 entnehmen kann. Wie in der 19 dargestellt, trägt das Schneidende 23 bei der Vorwärtsbewegung eine Tiefe des Bodens ab, die sich von der Erdoberfläche 30 zur Bodenüberwachungsoberfläche 24 erstreckt, d.h. die Tiefe, in der 19 mit H bezeichnet ist. Wie es ebenfalls der 20 entnehmbar ist, ist die Breite T des Gehäuses 21 erheblich. Im Ergebnis stößt das Schneidende 23 auf erheblichen Widerstand des umgebenden Bodens, wenn es sich fortbewegt, wobei es den Boden aufwirft und eine Furche der Breite T und der Tiefe H gräbt.
    • (2) Da sich das Gehäuse 21 ziemlich nahe an der Überwachungsoberfläche des Grundes fortbewegt, gelangt Streulicht in die Messkammer 25. Um das Eintreten von Streulicht zu verhindern, ist die Öffnung 32 zur Entfernung von Boden aus der Kammer sehr klein gehalten; jedoch macht die kleine Größe die Öffnung 32 anfällig für ein Verstopfen durch Teile des umgebenden Bodens. Wenn das pas siert, beginnt sich der Schmutz in der Kammer 25 anzusammeln, und es wird unmöglich, die Eigenschaften des Bodens zu überwachen.
  • Die Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein optisches Bodenüberwachungsgerät zum Überwachen der optischen Eigenschaften eines bestimmten Bodens, eine Überwachungseinheit zur Überwachung des Bodens, ein Bodenüberwachungssystem und ein mobiles Bodenüberwachungsfahrzeug zur Überwachung des Bodens bereitzustellen, die alle die optischen charakteristischen Eigenschaften eines bestimmten Bodens überwachen und ohne einen entscheidenden Widerstand des Bodens dazu fähig wären, die verschiedenen Bestandteile des Bodens und/oder die optischen Eigenschaften des Bodens genau und ohne von Streulicht beeinflusst zu sein, zu überwachen.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Das Ziel dieser Erfindung wird durch das beanspruchte Bodenüberwachungsgerät erreicht. Zur Überwachung der Eigenschaften eines Bodens (einschließlich sowohl optischer als auch elektrischer Eigenschaften und anderer Arten von Eigenschaften, die mittels anderer Ausgestaltungen von Messgeräten ermittelt werden), ist es notwendig, die Tiefe des behandelten Bodens zu ermitteln. Um die Überwachung der Bodeneigenschaften in einer bestimmten Tiefe durchzuführen, muss der Boden derart aufgegraben werden, dass in der Tiefe, in der untersucht wird, eine Überwachungsoberfläche entsteht. Der erforderliche Raum, um das Messgerät, das den Boden untersucht, zu betreiben, muss auf ein Minimum beschränkt sein und sollte so nahe wie möglich an der bereits erwähnten Überwachungsoberfläche liegen. Wenn die erreicht ist, muss nicht viel des Bodens oberhalb des Überwachungsraums entfernt werden. Der Schacht, der sich oberhalb der Überwachungsoberfläche bis zum Grund erstreckt und der eine Begleiterscheinung des Ausgrabens darstellt, wird klein gehalten, was den schädlichen Effekt des Streulichts auf die Bodeneigenschaften minimiert, der zu erwarten ist, wenn Sonnenlicht in die bereits beschriebene Kammer durch diesen Schacht dringt.
  • Wenn jedoch ein Bauwerkzeug, das eine solche unterirdische Kammer erzeugen soll, mit einem Fahrzeug zu bewegen ist, das die Überwachungsoberfläche überquert, müssen die beiden in irgendeiner Weise verbünden sein. Somit ist es unmöglich, zu vermeiden, dass in einem gewissen Umfang eine Furche an der Überwachungsoberfläche des Grundes entsteht. Um die Menge des Streulichts zu verringern, das auf den Sensor auftritt, muss diese Furche mit Boden wiederaufgefüllt werden, so dass sie keinen Weg für das Streulicht bietet. Das grundsätzliche Konzept, das dieser Erfindung zugrunde liegt, ist es, ein Design zu realisieren, bei dem sehr wenig des Bodens oberhalb der Überwachungskammer entfernt wird, oder, wenn dieser entfernt wurde und eine Furche übrig blieb, so zu behandeln, dass die Furche sofort wiederaufgefüllt wird, um den schädlichen Effekt des Streulichts zu minimieren.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine grobe Skizze einer Ausführungsform eines Bodenüberwachungssystems, bei dem ein optisches Bodenüberwachungsgerät zur Überwachung der optischen charakteristischen Eigenschaften des Bodens, eine Bodenüberwachungseinrichtung, ein Bodenüberwachungssystem und ein mobiles Bodenüberwachungsfahrzeug gemäß dieser Erfindung realisiert wurden.
  • 2 ist eine grobe Skizze einer Ausführungsform einer optischen Überwachungseinrichtung zur Überwachung der optischen charakteristischen Eigenschaften des Bodens, gemäß der diese Erfindung realisiert wurde.
  • 3 ist eine Seitenansicht der Aufgrabe- und Messvorrichtung, die unterhalb der Haupteinheit der in 2 abgebildeten Vorrichtung angeordnet ist.
  • 4 ist ein Querschnitt entlang der Linie I-I in 3.
  • 5 stellt die Relativposition der Messeinheit und der Glättungsplatte dar.
  • 6A und 6B stellen dar, wie die Glättungsplatte arbeitet.
  • 7A–7C zeigen die Konfiguration des Mechanismus, um die Furche wiederaufzufüllen, um zu verhindern, dass Streulicht in die Überwachungskammer gelangt.
  • 8A–8C zeigen die Konfiguration eines anderen Mechanismus, um die Furche wiederaufzufüllen, um zu verhindern, dass Streulicht in die Überwachungskammer gelangt.
  • 9A und 9B zeigen die Konfiguration einer lichtundurchlässigen Scheibe, die als Mittel zum Blockieren des Streulichts dient.
  • 10 stellt dar, wie die Reflexion unter Beleuchtung (R) und in dunklem Zustand (D) zu Beginn der Überwachung aufgezeichnet wird, indem eine Reflektorplatte unterhalb der Messeinheit in der Höhe angeordnet wird, in der die Überwachung stattfindet.
  • 11 ist ein Blockdiagramm der elektrischen Konfiguration der in der 2 dargestellten Vorrichtung.
  • 12 ist ein Blockdiagramm der Ausgestaltung der in der 11 dargestellten Bildverarbeitungseinheit.
  • 13 ist ein Flussdiagramm des Vorgangs, der von der Bildverarbeitungseinheit ausgeführt wird, um die Bilddaten zu ermitteln, und des Vorganges, der ausgeführt von ihr wird, um die Abhängigkeit dieser Daten zu ermitteln.
  • 14 ist ein Flussdiagramm eines Teils des Vorgangs der von der in der 11 dargestellten Datenverarbeitungseinheit durchgeführt wird, um die Überwachung der Eigenschaften des Bodens vorzunehmen.
  • 15 stellt dar, was geschehen würde, wenn an der Rückseite der Vorrichtung keine Öffnung vorhanden wäre.
  • 16 stellt dar, wie die Öffnung am unteren Abschnitt der Rückwand der Vorrichtung funktioniert.
  • 17 stellt das Reflexionsspektrum des sichtbaren Lichts dar, das durch den Prozess im Schritt 126 der 14 ermittelt wird.
  • 18 stellt das Reflexionsspektrum des nahinfraroten Lichts dar, das durch den Prozess im Schritt 126 der 14 ermittelt wurde.
  • 19 ist ein Querschnitt des ausgegrabenen Bereichs und des Messabschnitts einer Vorrichtung aus dem Stand der Technik zur Überwachung von optischen charakteristischen Eigenschaften.
  • 20 ist ein Blick von unterhalb der in der 19 dargestellten Vorrichtung zur Überwachung der optischen charakteristischen Eigenschaften.
  • 21 stellt dar, wie die Bodeneigenschaften überwacht werden, indem die Vorrichtung, die in der 19 dargestellt ist, zur Überwachung der optischen charakteristischen Eigenschaften eingesetzt wird.
  • 22 stellt eine Konfiguration zum Erfassen der Unebenheit der Bodenoberfläche dar.
  • 23 stellt ein von einem Schlitz ausgestrahltes Bild an einer Kerbe der Bodenoberfläche dar.
  • 29(a) und (b) stellen das von einem Schlitz ausgestrahlte Bild nach dem Bildaufnahmeprozess und das Kurvendiagramm, welches das Verhältnis zwischen der X-Achse und der Gesamtanzahl der Pixel darstellt, dar.
  • 25 stellt ein Flussdiagramm zur Ermittlung der Gleichmäßigkeit der Bodenoberfläche dar.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • In diesem Abschnitt erfolgt eine detaillierte Erklärung der bevorzugten Ausführungsbeispiele eines Bodenüberwachungssystems unter Bezugnahme auf die anschließenden Abbildungen, wobei das optische Bodenüberwachungsgerät zur Überwachung der optischen charakteristischen Eigenschaften des Bodens, die Bodenüberwachungseinrichtung zur Überwachung des Bodens, das Bodenüberwachungssystem und das mobile Bodenüberwachungsfahrzeug entsprechend dieser Erfindung realisiert sind.
  • Die 1 ist ein einfaches Schema, das zeigt, wie die charakteristischen Bodeneigenschaften durch Gebrauch eines mobilen Überwachungsfahrzeugs, bei dem diese Erfindung realisiert ist, überwacht werden. Die Vorrichtung überwacht die charakteristischen Bodeneigenschaften in den verschiedenen Teilen eines Felds 10.
  • Der Sensor, der die charakteristischen Bodeneigenschaften des Bodens überwacht, ist am Traktor 50 in der 1 angebracht, so dass er bewegt werden kann. Es stehen verschiedene Arten von Sensoren zur Verfügung. Einige überwachen die elektrischen Eigenschaften des Bodens, während andere seine Reflexions- und Absorptionseigenschaften betreffend die Mikrowellenstrahlung überwachen oder seine chemischen Eigenschaften ermitteln. Hier wird eine Methode zum Überwachen der charakteristischen Bodeneigenschaften, bei der eine Vorrichtung zur Überwachung der optischen charakteristischen Eigenschaften an dem Traktor 50 angebracht ist, erläutert.
  • Um die charakteristischen Eigenschaften des Bodens im Feld 10 zu überwachen, wird eine als Pflug ausgestaltete optische Bodenüberwachungseinrichtung 40 an der Rückseite des Traktors 50 angebracht, so dass sie sich durch die Erde fortbewegen kann. Indem sie das Feld 10 zickzackförmig überquert, wie durch einen Pfeil 13 angezeigt, untersucht die Vorrichtung 40 die charakteristischen Eigenschaften des Bodens in jedem Bereich des Felds.
  • Die aktuelle Position des Traktors 50 auf dem Feld 10 wird mittels eines Signals, das von einem DGPS-Satelliten 14 (Differential Global Positioning System) übermittelt wird, erlangt. Der Zustand des Bodens in den unterschiedlichen Bereichen des Felds 10 wird durch Gebrauch der Überwachungsergebnisse ermittelt, die durch die optische Bodenüberwachungsvorrichtung 40 und die Daten der aktuellen Position durch den DGPS-Satelliten 14 erhalten werden.
  • Die 2 ist ein grobes Schema der Vorrichtung 40 zur Überwachung der optischen charakteristischen Eigenschaften des Bodens, wie aus der 1 erkennbar. Die optische Überwachungseinrichtung 40 ist an der Rückseite des Traktors 50 angebracht, wo sie die charakteristischen Eigenschaften des Bodens 22 überwacht.
  • Die Vorrichtung 40 zur Überwachung der optischen charakteristischen Eigenschaften des Bodens weist Folgendes auf: eine als Pflug ausgestaltete Haupteinheit 41, deren vorderer Vorsprung Boden 22 entnimmt; einen Rahmen 42, der die Messvorrichtung abstützt und den Traktor 50 und die Haupteinheit 41 verbindet; ein Spektrometer 43, das am Rahmen 42 angeordnet ist; ein Rad 45, das die Tiefe der Furche überwacht und das mittels eines Arms 44 mit der Haupteinheit 40 verbunden ist; und eine Überwachungskontrolleinheit 46, die am Traktor 50 angebracht ist. Ein Generator 47 wird an der Vorderseite des Traktors 50 angeordnet.
  • Die Haupteinheit 41 besteht aus zwei Teilen, einer Bodenaufgrabungseinheit 48, die unter die Oberfläche des Bodens 22 geht und diesen ausgräbt, und einer Messeinheit 49 im hinteren Bereich der Einheit 48, welche die Daten sammelt.
  • Das Spektrometer 43 spaltet das Licht, das durch die Messeinheit 49 eingefangen wird, in spezifische Wellenlängen auf.
  • Das Rad 45, das die Tiefe der Bodenoberfläche überwacht, bewegt sich automatisch über die Oberfläche 30 des Grundes. Ein Winkelcodierer oder eine andere Vorrichtung zur Ermittlung des Rotationswinkels (nicht dargestellt) ist an dem Punkt angebracht, an dem das Rad mit dem Arm 44 verbunden ist.
  • Die Überwachungseinheit 46 enthält einen Personal Computer oder Ähnliches. Er analysiert die Datenausgabe des Spektrometers 43.
  • Der Generator 47 ist ein Wechselstromgenerator, der 100 Volt Wechselspannung liefert.
  • Die 3 ist eine Teilseitenansicht der Bodenaufgrabungseinheit 48 und der Messeinheit 49, wobei sich beide unterhalb der Haupteinheit 41 befinden. Die 4 ist ein Querschnitt, der durch die Linie I-I der 3 führt.
  • Die Bodenentnahmeeinheit 48 trägt den Boden ab, wenn sich der Traktor 50 fortbewegt. Sie bildet auch eine glatte Überwachungsoberfläche aus, so dass die Messeinheit 49 den Boden leicht überwachen kann. Die Vorrichtung 48 wandert parallel zur Oberfläche des Grundes 30 durch den Boden.
  • Die Bodenaufgrabungseinheit 48 enthält eine Durchdringungseinheit 55, ein nahezu konisches Teil mit einem spitz zulaufenden vorderen Ende; eine Durchdringungseinheit 56, einen zylindrischen Teil mit einem sich zunehmend vergrößernden Querschnitt, der mit der ersten Durchdringungseinheit 55 verbunden ist; eine Durchdringungseinheit 59, die mit der zweiten Durchdringungseinheit 56 über eine Verbindung 57 verbunden ist und deren oberer Bereich ein gelagerter Schaft 58 ist, der in Kürze abgehandelt wird; und eine vierte Durchdringungseinheit 61, welche die dritte Durchdringungseinheit 59 mit der Messeinheit 49 verbindet, und deren tieferer Abschnitt an der Glättungsplatte 60 angebracht ist, was in Kürze abgehandelt wird.
  • Die Messeinheit 49 weist eine Messkammer 66, in der die Bodenüberwachungsoberfläche 65, die das Überwachungsobjekt bildet, belichtet wird, und ein Gehäuse 67 auf, das mehrere Sensorarrays beinhaltet. Eine CCD-Kamera 63, die ein Bild der Bodenüberwachungsoberfläche 65, dem Überwachungsobjekt, aufnimmt, ist in der Mitte des Gehäuses 67 angeordnet. An jeder Seite der CCD-Kamera 68 befindet sich eine optische Faser 69, die das sichtbare reflektierte Licht sammelt, sowie eine optische Faser 70, die das nahinfrarote reflektierte Licht sammelt. Nahe der optischen Faser 69 befindet sich ein Infrarotemissionsthermometer (Infrarotthermoelement) 71, das die Temperatur der Überwachungsoberfläche während der Beobachtung überwacht. An beiden Seiten des Gehäuses 67 befinden sich optische Fasern 72 und 73, die zur Beleuchtung dienen.
  • Das Gehäuse 63, das den Strang für die Faseroptik schützt, erstreckt sich von der Oberseite der Messeinheit 49 mit einem geringfügigen Winkel entgegen der Richtung der Bewegung nach oben. Eine Stütze 62 befindet sich zwischen dem Gehäuse 63 und dem Schaft 58.
  • Bei diesem Design ist die Durchdringungseinheit 55 an der Vorderseite der Bodenentnahmeeinheit 48 nahezu konisch mit einem runden Querschnitt ausgestaltet; die Durchdringungseinheit 56, die mit der Einheit 55 verbunden ist, verfügt ebenfalls über einen runden Querschnitt. Wenn also die Bodenausgrabungseinheit 48 unter den Boden gelangt, bohrt sie ein rundes Loch. Die Tatsache eines runden Querschnitts bedeutet minimalen Widerstand des umgebenden Bodens. Das erlaubt ein sanftes Vorwärtsbewegen durch den Boden, so dass keine Fehler bei der Ermittlung der Bodeneigenschaften, die das Objekt der Überwachung sind, auftreten.
  • Der Bodendruckabbauraum kann den Bodendruck abbauen, nachdem die erste Durchdringungseinheit den Boden ausgegraben hat.
  • Wie oben erörtert, ist der durch die Durchdringungseinheit 55 ausgegrabene Tunnel zylindrisch. Der Boden dieses Zylinders (d.h. der tiefste Abschnitt) ist daher nicht flach, sondern beschreibt einen Bogen. Wie es der 3 entnommen werden kann, sind die Durchdringungseinheiten 56, 59 und 61 alle oberhalb einer Linie 47 angeordnet, welche die Böden der Durchdringungseinheit 55 und Messeinheiten 49 verbindet. Deshalb bleibt die Sohle des ausgegrabenen Tunnels (d.h. sein tiefster Abschnitt) unbeeinträchtigt durch die dazwischen liegenden Durchdringungseinrichtungen, und er behält seine gerundete Gestalt bis zur Vorderseite der Messeinheit 49.
  • Jedoch ist es nicht möglich, die charakteristischen Eigenschaften genauestens zu untersuchen, wenn diese gebogene Überwachungsoberfläche das Objekt der Überwachung ist.
  • Aus diesem Grund ist eine Glättungsplatte 60 an der Unterseite der vierten Einheit, der Durchdringungseinheit 61, angebracht. Diese Platte flacht die bis dahin gebogene Sohle des Tunnels ab.
  • Die 5 stellt die Konstruktion der Messeinheit 49 und der Glättungsplatte 60 dar. Die 5A ist eine vereinfachte perspektivische Zeichnung; die 5B ist ein Querschnitt entlang der Linie B-B in der 5A. Die Messeinheit 49 ist in ein Gehäuse 66a eingebaut, welches die Ausgestaltung eines trapezförmigen Sockels hat. Dessen Inneres bildet die Messkammer 66. An der Decke dieser Kammer befindet sich das Messgehäuse 67.
  • Der untere Abschnitt 60a der Glättungsplatte 60 ist entlang der Unterseite des Gehäuses 66a angeordnet. Es ist anzumerken, dass er in der Höhe der Bodenüberwachungsoberfläche 65, dem Überwachungsgegenstand, angeordnet ist. Die Platte 60 ist unter einem Winkel zur Fortbewegungsrichtung A angebracht.
  • Nun soll der Betrieb der Glättungsplatte 60 mit Bezug auf die 6 erklärt werden. Wie es der 6A entnehmbar ist, hat die Durchdringungseinheit 55 einen Tunnel mit einer gebogenen Sohle gebohrt, der mit 76 bezeichnet ist. Die Glättungsplatte 60 schabt den Boden von zu dieser gebogenen Sohle benachbarten Abschnitten 74 ab. Dieses bewirkt eine flache Bodenüberwachungsfläche 65, die in der 6B dargestellt ist, welche den Überwachungsgegenstand darstellt.
  • Die Tatsache, dass die Messeinheit 49 diese flache Bodenüberwachungsoberfläche 65 für ihre Überwachung benutzen kann, sichert die Genauigkeit der Ergebnisse.
  • Wie es der 5A entnommen werden kann, befindet sich eine Öffnung 64 in dem unteren Abschnitt der Messeinheit 49 an der Seite, die der Bewegungsrich tung A gegenüberliegt. Diese Öffnung bildet eine Maßnahme, die es dem Boden, der in die Messkammer 49 gelangt, erlaubt auszutreten. Die Wirkung dieser Öffnung 64 soll nun erörtert werden.
  • Die Bodenausgrabungseinheit 48 und die Messeinheit 49, die sich unterhalb der Haupteinheit 41 befinden, bewegen sich unterhalb des Bodens fort. Der Schaft 58, die Trägereinheit 62 und das Schutzgehäuse 63 befinden sich über der Haupteinheit 41; und wie es der 3 entnehmbar ist, bewegen sich die Abschnitte des Schafts 58, der Trägereinheit 62 und des Schutzgehäuses 63, die sich unterhalb des Bodenniveaus 30 befinden, ebenso unterhalb des Bodens.
  • Wie es der 4 offensichtlich entnehmbar ist, ist der Querschnitt des Schafts 58 der Trägereinheit 62 und des Schutzgehäuses 63 jedoch ziemlich eng. Wenn sich die Einheit unter der Oberfläche des Bodens vorwärts bewegt, erfährt sie minimalen Widerstand durch den umgebenden Boden.
  • Wie in der 3 dargestellt, ist der Schaft 58, der den Boden am Vorderende der Vorrichtung aufwirft, geringfügig abgewinkelt gegenüber der Bewegungsrichtung A, um den Widerstand, der bei der Vorwärtsbewegung zu erwarten wäre, zu minimieren. Wie der 4 entnehmbar, zeigt sich der Querschnitt des Schafts in seiner Längserstreckung als lang und eng, wobei das Endstück, das ein zugespitztes Ende besitzt, unter ungefähr 30 Grad abgewinkelt ist. Dies ermöglicht es der Vorrichtung lediglich einen geringen Widerstand zu erfahren, wenn sie sich unterhalb des Grundes vorwärts bewegt, so dass sie die charakteristischen Eigenschaften des Bodens in einer angemessenen Tiefe überwachen kann.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Bodenüberwachungsoberfläche 65, an der die Überwachung stattzufinden hat, in einer Tiefe irgendwo zwischen 15 und 35 Zentimeter unterhalb des Grundes liegen. Die Tiefe der Überwachungsoberfläche 65 kann durch Erhöhung oder Erniedrigung der Räder (nicht dargestellt) an jeder Seite der Trägereinheit 42 geändert werden. Die Tiefe der Überwachung kann genau bestimmt werden, indem der Winkel (θ in der 2) zwischen dem Schaft 58 und dem Trägerarm 44 überwacht wird. Der Winkel θ wird durch einen Winkelcodierer oder eine andere Vorrichtung zum Erfassen des Rotationswinkels erfasst, die dort befestigt ist, wo der Trägerarm 44 mit dem Rad 45 verbunden ist.
  • Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die optischen charakteristischen Eigenschaften des Bodens dann überwacht, wenn der Schaft 58 ihn aufwirft. Wenn der Schaft 58 den Boden aufwirft, wird der umgebende Boden angehäuft, und es wird eine lange schmale Furche gebildet.
  • Da diese Furche als Leitung für Streulicht dienen kann, muss sie sofort abgedeckt werden. Wenn die Überwachung an einer vergleichsweise tiefen Bodenüberwachungsoberfläche durchgeführt wird, wird die Furche auf natürlichem Wege durch den Boden von jeder Seite aufgefüllt, so dass keine speziellen Probleme auftreten. Wenn sie jedoch an einer flachen Stelle der Bodenüberwachungsoberfläche erfolgt, ist es schwierig, die Furche abzudecken.
  • Um auf dieses Problem einzugehen, besitzt dieses Ausführungsbeispiel einen Mechanismus zum Wiederaufzufüllen der Furche, um zu verhindern, dass irgendwelches Streulicht in die Überwachungskammer gelangt.
  • Die 7 zeigt einen Mechanismus, um die Furche wiederaufzufüllen. Die 7A ist eine Draufsicht des Mechanismus 140; die 7B ist eine Seitenansicht; die 7C ist eine Seitenansicht aus der Richtung C in der 7B.
  • Wie es in der 7A dargestellt ist, trägt der Schaft 58 Bodenüberwachungsoberfläche 30 ab, während er sich in der Richtung A vorwärtsbewegt. Während er sich vorwärtsbewegt, hinterlässt er als Folge eine Furche 141.
  • Ein Furchenauffüllungsmechanismus 140 weist zwei gebogene Führungsplatten 143, die an dem Schaft 58 über Trägerarme 142 angebracht sind, und einen Schaber 144, der direkt am Schaft 58 befestigt ist, auf.
  • Die gebogenen Führungsplatten 143 sind so befestigt, dass sie sich annähernd auf dem Niveau der Oberfläche des Grunds 30 drehen. Wie es in der 7A dargestellt ist, sind sie unter einem solchen Winkel angebracht, so dass sich die weite Spur, welche die Vorrichtung in Richtung A hinterlässt, nach und nach verengt.
  • Wie in den 7B und 7C dargestellt, bildet der Schaft 58, wenn er sich vorwärtsbewegt, eine Reihe von Bodenaufhäufungen 30a auf der Oberfläche des Grundes 30. Um dis zu berücksichtigen, drehen sich die gebogenen Führungsplatten 143 in einer Richtung B, wenn sich der Schaft 58 vorwärtsbewegt. Die Drehung dieser Führungsplatten drückt den angehäuften Boden 30a nach innen und oben. Der zusammengepresste Boden wird dann durch den Schaber 144 nach unten gestoßen. Dadurch wird die Furche 141, die durch den Schaft 58 gebildet wurde, aufgefüllt, und das Streulicht wird daran gehindert, in die Überwachungskammer einzudringen.
  • Die 8 zeigt einen anderen Mechanismus zum Auffüllen der Furche. Die 8A ist eine Draufsicht des Furchenfüllungsmechanismus 150; die 8B ist eine Seitenansicht; die 8C ist eine Seitenansicht aus Richtung C in der 8C.
  • Wie in der 8B dargestellt, weist der Mechanismus 150 eine flache Platte auf, die L-förmig ausgestaltet abgeknickt ist und am hinteren Bereich des Schaftes 58 angebracht ist. Wie in der 8(a) dargestellt, ist sie schräg zur Bewegungsrichtung A befestigt.
  • Wenn der Schaft 58 sich vorwärtsbewegt, wird der aufgehäufte Boden 30a, der von unten abgetragen wurde, abgeschabt, und die Furche 141, die durch den Schaft 58 gebildet wurde, wird wiederaufgefüllt, so dass kein Streulicht in die Überwachungskammer eintreten kann.
  • Wie es der 8A entnehmbar ist, ist der Mechanismus 150 schräg in Bezug zur Richtung A angebracht, in die sich die Vorrichtung bewegt. Das dient der Minimierung des Widerstandes, der durch den Boden zu erwarten ist.
  • Anstelle eines Mechanismus zum Wiederauffüllen der Furche zeigt die 9 eine lichtundurchlässige Scheibe, die ein anderes Mittel zum Blockieren des Streulichts darstellt. Die 9A zeigt die gesamte lichtundurchlässige Scheibe 160. Die 9B zeigt eine Seitenansicht.
  • Wie es den Zeichnungen zu entnehmen ist, ist die lichtundurchlässige Scheibe 160 derart am Schaft 58 befestigt, dass sie das umliegende Gebiet abdeckt.
  • Die lichtundurchlässige Scheibe 160 besitzt Verstärkungen 161, Plastikgestänge oder Ähnliches, die am Schaft 58 angebracht sind, geringfügig oberhalb des Niveaus des Grunds 30, sowie Folien 162, bestehend aus Kautschuk oder anderem undurchsichtigem Material, das an den Verstärkungen 161 angebracht ist.
  • Wenn sich die lichtundurchlässige Scheibe 160 vorwärtsbewegt, bedeckt sie die Furche (Furche 141 in den 7 und 8) mit Folien 162. Dadurch wird das Streulicht daran gehindert, in die Überwachungskammer einzudringen.
  • Die optische Überwachungseinheit 40 überwacht die optischen Eigenschaften des Bodens, indem ein Spektrometer 43 und eine Überwachungskontrolleinheit 46 zum Analysieren der durch die die Messeinheit 49 gesammelten Daten verwendet werden. Die Anwesenheit einer anderen Gerätschaft in der Umgebung oder ein Änderung der Eigenschaften der Lichtquelle über die Zeit können jedoch bewirken, dass die optische Reaktion der Vorrichtung 40 leicht variiert.
  • Um dieses Problem zu beheben, benutzt dieses Ausführungsbeispiel eine Reflektorplatte 80, wie in der 10 dargestellt. Am Beginn des Vorgangs und bevor die Vorrichtung in den Grund eingebracht wird, wird diese Platte mit Befestigungswerkzeug oder Ähnlichem (nicht dargestellt) unterhalb der Messeinheit 49 in der Ebene befestigt, in der die Überwachung durchgeführt wird (d.h. der Ebene der Bodenüberwachungsoberfläche 65). Bei Benutzung dieser Platte werden die Reflexion bei Beleuchtung (R) und die Reflexion bei Dunkelheit (D) aufgezeichnet. Die Reflektorplatte 80 wird dann entfernt. Spätere Überwachungen des Reflexionsverhaltens unterhalb des Grundes beruhen auf diesen aufgezeichneten Werten. Das Schema des Vorgehens, das hierfür benutzt wird, wird später erläutert.
  • Zunächst wird die elektrische Konfiguration dieses Ausführungsbeispiels in Bezug auf die 11 erläutert. In der 11 sieht man, dass die optische Bodenüberwachungseinheit 40 Folgendes aufweist: eine Messeinheit 49, die das Licht von einer Lichtquelle 77 empfängt und dabei die Eigenschaften des Bodens misst; ein Spektrometer 43, das das die Daten darstellende sichtbare und nahinfrarote reflektierte Licht, das durch die Messeinheit 49 gesammelt wurde, aufspaltet; ein Rad 45, das die Tiefe ermittelt, in der die Bodeneigenschaften überwacht werden; sowie eine Kontrolleinheit 46, welche die generelle Funktionsweise der Vorrichtung kontrolliert.
  • Die Lichtquelle 77 ist eine Halogenlampe oder Ähnliches. Sie führt Licht zu den optischen Fasern 72 und 73, welche die Messeinheit 49 beleuchten.
  • Eine Abdeckung 78 ist an der vorderen Oberfläche der Lichtquelle 77 befestigt. Diese Abdeckung wird bei der Reflexionsüberwachung, wie bereits erläu tert, verwendet. Zu Beginn des Vorgangs, bevor die Vorrichtung in den Boden eingebracht wird, wird die Reflektorplatte 80 an der Unterseite der Messeinheit 49 in der Ebene befestigt, in der die Überwachung vorgenommen werden soll (siehe die 10). Dann werden die Reflexion unter Beleuchtung (R) und die Reflexion bei Dunkelheit (D) aufgenommen. Die Abdeckung wird dazu verwendet, einen Zustand der Beleuchtung oder der Dunkelheit herzustellen.
  • Genauer gesagt, wird der Bereich, an dem die Reflektorplatte 80 unterhalb der Messeinheit 49 befestigt ist, mit einem schwarzen Gewebe abgedeckt, um das Aussehen des Bodens nachzuahmen. Ein Zustand der Beleuchtung wird durch ein Öffnen der Klappe 78 erzielt; ein Zustand der Dunkelheit durch ein Schließen. In jedem Zustand wird die Reflexion überwacht.
  • Die Messeinheit 49 umfasst eine CCD-Kamera 68, die ein Farbbild der Bodenoberfläche 65, dem Objekt der Überwachung, aufnimmt; eine optische Faser 69, die das sichtbare reflektierte Licht bündelt; eine optische Faser 70, die das nahinfrarote reflektierte Licht bündelt; ein Infrarotemissionsthermometer (Infrarot-Thermoelement), das die Temperatur der Überwachungsoberfläche während der Überwachung überwacht; sowie optische Fasern 72 und 73, welche die Kammer beleuchten.
  • Von dem Licht, das durch die Lichtquelle 77 ausgestrahlt wird, lassen die optischen Fasern 72 und 73 nur den Bereich einer Wellenlänge zwischen 400 und 2400 nm, einschließlich des Lichts zwischen 400 und 900 nm, was den Bereich der sichtbaren Wellenlängen einschließt, und Licht zwischen 900 und 1700 nm, welches der Bereich der nahinfraroten Wellenlängen ist, durch.
  • Die optische Faser 69, welche das sichtbare Licht bündelt, bündelt das Licht im Bereich zwischen 400 und 900 nm, was den Bereich der sichtbaren Wellenlängen einschließt, von dem reflektierten Licht, das ursprünglich durch die optischen Fasern 72 und 73 emittiert wurde.
  • Die optische Faser 70, die das nahinfrarote Licht bündelt, bündelt das Licht im Bereich zwischen 900 und 1700 nm, welches der Bereich der nahinfraroten Wellenlängen ist.
  • Das Spektrometer 43 umfasst eine Lichtaufspaltungseinrichtung 81, die das sichtbare Licht aufspaltet, und eine Nahinfrarot-Lichtaufspaltungseinrichtung 82, die das nahinfrarote Licht aufspaltet. Das Licht, das von der Bodenüberwachungsoberfläche abgestrahlt wird, das durch die optische Faser 69 gesammelt wird, wird zur Einrichtung 81 übermittelt. Das Licht, das von der Bodenüberwachungsoberfläche abgestrahlt wird, das durch die optische Faser 70 gesammelt wird, wird zur Einrichtung 82 übermittelt. Es wird die Intensität des Signals in jedem Bereich überwacht.
  • Die Vorrichtungen 81 und 82 sind beide Mehrkanalspektrometer mit einer linearen Anordnung von Fotodioden. 256 Kanäle erfassen gleichzeitig Licht im sichtbaren Bereich zwischen 400 und 900 nm Wellenlänge; 128 Kanäle erfassen gleichzeitig Licht im Nahinfrarotbereich zwischen 900 und 1700 nm; alle erfassen Licht mit Hochgeschwindigkeit.
  • Die Überwachungskontrolleinheit 46 umfasst einen Personal Computer oder Ähnliches. Sie verfügt über eine Temperaturerfassungseinrichtung 83, eine Bildverarbeitungseinheit 84, einen Positionssensor 86, eine Datenverarbeitungseinrichtung 87, eine Datenaufzeichnungseinrichtung 88 und eine Datenanzeigeeinrichtung 89.
  • Die Temperaturerfassungseinrichtung 83 empfängt das Ausgangssignal des Infrarotemissionsthermometers (Infrarot-Thermoelement) 71 und ermittelt so die Temperatur der Bodenüberwachungsoberfläche 65.
  • Die Bildverarbeitungseinheit 84 empfängt das Ausgangssignal der CCD-Kamera 68, die ein Bild der Bodenüberwachungsoberfläche 65 aufgenommen hat. Sie leitet die Bilddaten weiter und ermittelt deren Zuverlässigkeit.
  • Die 12 ist ein Blockdiagramm der Bildverarbeitungseinheit 84. Die Bildverarbeitungseinheit 84 umfasst einen A/D-Wandler 91, der das Videosignal, das von der CCD-Kamera übermittelt wird, digitalisiert; einen R-Bildspeicher 92-1, einen G-Bildspeicher 92-2 und einen B-Bildspeicher 92-3, die entsprechend rote (R), grüne (G) und blaue (B) Bilddaten speichern, die das digitalisierten Videosignal bilden; eine CPU 93, die die allgemeine Arbeitsweise der Vorrichtung kontrolliert; und einen ROM 95 sowie einen RAM 96, die mit dem Steuerbus 94 verbunden sind, der zur CPU 93 führt.
  • Die 13 ist ein Flussdiagramm der Vorgänge, die durch die CPU 93 ausgeführt werden, die die Bilddaten verarbeitet und ihre Zuverlässigkeit ermittelt.
  • Bei dieser Verarbeitung wird ein Histogramm für jeden Satz der R-, G- und B-Bilddaten, die in den Bildspeichern 92-1, 92-2 oder 92-3 gespeichert sind, erstellt, und es wird der Mittelwert ermittelt (Schritt 100). Bei der folgenden Verarbeitung, wie oben erörtert, wird nur der R-Bereich der bearbeiteten Bilddaten benutzt; die Bilddaten, die im Schritt 100 gewonnen werden, werden jedoch später benutzt, wenn die Bildaufnahmeeinrichtung 87 einen Vorgang zum Überwachen der Bodeneigenschaften durchführt.
  • Im Schritt 102 wird eine räumliche Ableitung des R-Bildes, das im Schritt 100 hergestellt wird, gebildet, und es wird die Verarbeitung zum Anheben der Flanken der Bilddaten ausgeführt. Es wird ein Histogramm mit angehobenen Flanken erstellt (Schritt 104). Der Durchschnittswert des Histogramms wird ermittelt und als Datensatz gespeichert, der die Bodenzusammensetzung darstellt (Schritt 106).
  • Wenn die Flanke der Bilddaten eine hohe Intensität aufweist, ist die Bodenüberwachungsoberfläche, die aufgenommen wurde, zu unregelmäßig, und der Boden ist kein geeigneter Anwärter zur Überwachung.
  • Danach wird ermittelt, ob der Durchschnittswert größer als ein Schwellenwert TH (Schritt 108) ist. Wenn dies so ist (wenn die Antwort im Schritt 108 "ja" ist), ist erwiesen, dass die Zulässigkeit der Bilddaten hoch ist (Schritt 112). Das Ergebnis dieser Untersuchung wird später verwendet, wenn die Datenverarbeitungseinrichtung 87 einen Vorgang zur Überwachung der charakteristischen Eigenschaften des Bodens ausführt.
  • Die Zuverlässigkeit der Daten kann auch durch eine andere Methode ermittelt werden. Wenn die Oberfläche des Felds uneben ist, ist es nicht möglich, die optischen charakteristischen Eigenschaften des Bodens genau zu messen. Diese Unebenheit ist oft gegeben, wenn die Oberfläche grob durchschnitten wurde oder wenn sich die Durchdringungseinheit 55 tiefer als die Mittelungsplatte 60 befindet. Der Abstand zwischen der Bodenoberfläche und den optischen Vorrichtungen, besonders den Sensoren, wird dann länger als er sollte, und die Genauigkeit der Messung wird erniedrigt.
  • Um die Unebenheit der Bodenoberfläche zu ermitteln, wird bei dieser Erfindung ein Schlitzstrahl entlang der schrägen Richtung an die Bodenoberfläche durch einen Halbleiterlaser gestrahlt, wie in der 22 dargestellt, sowie in der Richtung orthogonal zur Vorwärtsrichtung. Eine TV-Kamera überwacht die vom Schlitz bestrahlte Bodenoberfläche. Wenn die Oberfläche uneben ist, bewegt sich die Mitte des Schlitzstrahls vom Zentrum des Bildes, das mit der TV-Kamera aufgenommen wird, weg. Ausgehend von dieser Bewegung kann die Unebenheit der Oberfläche ermittelt werden (dies wird als Strahlabfangmethode bezeichnet).
  • Die 23 veranschaulicht das Prinzip, gemäß dem Unebenheit der Bodenoberfläche ermittelt wird. Da die mit einem Schlitzstrahl bestrahlte Bodenoberfläche schärfer als ein anderer Abschnitt ist, wird das Schlitzbild wie in der 24(a) dargestellt, mit einer konventionellen Bildverarbeitung erhalten. Die 24(a) zeigt ein Reflexionsbild, das von einem roten Laserstrahl geschossen wurde. In dieser Figur ist die Vorwärtsrichtung durch X-Achse dargestellt. Die 24(b) ist ein auf die X-Achse des Reflexionsbildes projiziertes verarbeitetes Bild. Aus diesem projizierten, bearbeiteten Bild können die zentrale Achse W und die Varianz V ermittelt werden. Der Wert W zeigt die durchschnittliche Tiefe der Bodenoberfläche, und der Wert V zeigt die Ebenheit des Bodens. Ausgehend von diesen beiden Daten können die charakteristischen Eigenschaften der Bodenoberfläche ermittelt werden. Wenn die Werte von W und V die vorgegebenen Werte überschreiten, können die Bilddaten, die durch diese Vorrichtung gemessen wurden, ungeeignet sein, um die Messdaten verlässlich zu halten. Die Werte von W und V können dazu benutzt werden, die Ebenheit und Viskoelastizität der Bodenoberfläche zu ermitteln. Von der Ebenheit der Bodenoberfläche ausgehend können auch die Messdaten korrigiert werden. Die 25 zeigt das Flussdiagramm, um die Ebenheit der Bodenoberfläche, wie oben beschrieben, zu ermitteln.
  • Um wieder auf die Erörterung der 11 zurückzukommen, erhält der Positionssensor 86 Daten, welche die aktuelle Position der Überwachungsoberfläche 40 anzeigen, über ein Signal des DGPS-Satelliten 19.
  • Die Datenverarbeitungseinheit 87 überwacht die Eigenschaften des Bodens auf Grund der Daten der Vorrichtung 81, die das sichtbare Licht aufspaltet, der Vorrichtung 82, die das nahinfrarote Licht aufspaltet, des Temperatursensors 83, der Bildaufnahmeeinheit 84, des Impulsgenerators 85 und des Positionssensors 86.
  • Die Datenspeichereinrichtung 88 verfügt über eine PC-Karte oder dergleichen. Sie speichert durch die Datenverarbeitungseinheit 87 erzeugte Daten.
  • Die Datenspeichereinrichtung 89 weist ein Flüssigkristallbildschirm oder Ähnliches auf. Sie zeigt die von der Datenaufnahmeeinrichtung 87 ausgegebenen Überwachungsdaten an.
  • In den vorigen Ausführungen wurde festgestellt, dass die Abdeckung 78 dazu verwendet wird, zu Beginn des Überwachungsvorgangs Licht- und Dunkelheitszustände herzustellen. Es wäre jedoch ebenfalls möglich, eine runde, sich drehende Platte mit Löchern darin an Stelle der Abdeckung 78 zu verwenden. Die Bodenüberwachungsoberfläche, die untersucht werden soll, wird dann wiederholt unter Licht- und Dunkelheitsbedingungen beleuchtet, und es wird das Intensitätsspektrum der Reflexion in beiden Zuständen überwacht. Der Unterschied zwischen den beiden kann mit der Datenverarbeitungseinheit 87 erhalten werden. Dieses Design macht es möglich, den Streulichteinfluss zu korrigieren.
  • Als Nächstes soll unter Bezug auf die 14 erörtert werden, wie der Vorgang, der durch die Datenaufnahmeeinrichtung 87 zur Überwachung der charakteristischen Bodeneigenschaften ausgeführt wird, abläuft. Der Vorgang in der 14 setzt voraus, dass das Fahrzeug einen vorgeschriebenen Kurs einhält.
  • Als Erstes werden die anfänglichen Einstellungen vorgenommen. Die Intensität der Reflexion wird im beleuchteten und dunklen Zustand aufgenommen, in dem eine Reflektorplatte 80 verwendet wird, wie bereits im Hinblick auf die 10 erläutert. Die Belichtungszeit, die Anzahl der Abtastungen (eine aufsummierte Zahl) und die Überwachungsintervalle werden bestimmt (Schritt 120).
  • Als Nächstes wird die Zulässigkeit der Bilddaten berechnet (Schritt 121). Das ist der Vorgang, der weiter oben unter Bezug auf die 13 erörtert wurde. Die Werte, die in den Schritten 110 und 112 ermittelt wurden, werden hinzugezogen.
  • Es wird bestimmt, ob die Zuverlässigkeit der Bilddaten hoch ist (Schritt 122). Wenn dies nicht der Fall ist (wenn die Antwort im Schritt 122 "nein" ist), wird zum Schritt 126 weitergegangen. Wenn die Zuverlässigkeit der Daten hoch ist (wenn die Antwort im Schritt 122 "ja" ist), werden die Spektraldaten durch die Vorrichtung 81 und 82 im Spektrometer 43 überwacht, die Bilddaten werden durch die Bildverarbeitungseinheit 84 überwacht, die Temperaturdaten werden durch die Temperaturermittlungseinheit 83 überwacht, die Tiefendaten werden durch das Rad 45 überwacht; und die Positionsdaten werden durch die Positionsmesser 86 überwacht (Schritt 123).
  • Das Reflexionsspektrum wird auf Grundlage dieser Daten berechnet (Schritt 124). Beispielsweise wird im sichtbaren Bereich der Bereich zwischen 400 und 900 nm überwacht. Wenn D die Intensität des Signals ist, wenn die Abdeckung 78 geschlossen ist und die Messkammer 67 dunkel ist, R die Intensität des Signals, wenn die Abdeckung 78 geöffnet ist und die Messkammer 67 beleuchtet ist, und S ist ein Abtastwert der Intensität des Signals ist, dann wird das Reflexionsspektrum T durch die folgende Formel erhalten: T = (S – D)/(R – D)
  • Im nahinfraroten Bereich liegt der überwachte Bereich zwischen 900 und 1700 nm. Es wird das gleiche Überwachungsschema wie für sichtbares Licht benutzt.
  • Im Schritt 125 werden die Daten, die vorher ermittelt wurden, gespeichert. Das schließt Daten ein, die das Reflexionsspektrum darstellen, die Zusammensetzung des Bodens, die Zuverlässigkeit des Spektrums (d.h. die Zuverlässigkeitswerte, die im Schritt 121 ermittelt wurden), die Temperatur, die Tiefe, die Position und das Bild des Bodens.
  • Als Nächstes wird ermittelt, ob die Überwachung fortgesetzt wird (Schritt 126). Wenn das so ist (wenn die Antwort im Schritt 126 "ja" ist), wird zum Schritt 121 zurückgekehrt. Wenn die Überwachung abgeschlossen ist (wenn die Antwort im Schritt 126 "nein" ist), endet der Vorgang.
  • Die Frage, ob die Überwachung fortgesetzt werden soll, hängt davon ab, ob das Fahrzeug seinen bestimmten Kurs vollendet hat oder ob die Zahl der Punkte, an denen die Bodeneigenschaften überwacht werden sollen, einen vorgegebenen Wert erreicht hat, und dies wird gemäß einem vorab erstellten Plan ermittelt. Wenn der Pan erfüllt wurde, endet die Überwachung. Eine Systemanomalität kann ebenfalls das Ende der Überwachung verursachen.
  • Die Daten im Schritt 125 werden in der Datenspeichereinheit 88 gespeichert. Sie können beispielsweise an einen Personal Computer übermittelt werden, wie mittels eines Schemas wie Spektraldiffusion.
  • Die 17 zeigt das Reflexionsspektrum für sichtbares Licht, das im Schritt 128 ermittelt wurde. Die Wellenlänge ist auf der X-Achse dargestellt, die Reflexion auf der Y-Achse, und der Weg in der Bewegungsrichtung auf der Z-Achse.
  • Bei dieser Ausführungsform, wie sie in der 5 dargestellt ist, existiert eine Öffnung 64 im unteren Abschnitt der Seite der Messeinheit 49, die entgegengesetzt der Richtung der Vorwärtsbewegung A angeordnet ist. Wie der 15 entnehmbar, wird der Widerstand, wenn die Vorrichtung 40 sich durch den Boden in Richtung A bewegt, im umgebenden Boden in den Richtungen erzeugt, die durch Pfeile gekennzeichnet sind.
  • An der Rückseite der Vorrichtung wird der Widerstand auf die Vorrichtung 40 in der Richtung, die durch die Pfeile 130 gekennzeichnet sind, einwirken. Wenn keine Öffnung geschaffen wäre, würden sich Bodenpartikel 132 an der Rückwand 131 ansammeln. Der Boden 132 an der Rückwand 131 würde in die Messkammer 66 von unten eindringen, und die Kammer 66 wäre bald mit Boden des umgebenden Bereichs gefüllt.
  • In unseren Tests haben wird herausgefunden, dass kein Boden in die Kammer von der Rückseite her eindrang, wenn der Durchmesser C der Vorrichtung weniger als 3 cm betrug. Da jedoch der Durchmesser der Ausführungsform ungefähr 6 cm beträgt, ist solch eine Öffnung 64 notwendig.
  • Wie bereits früher erörtert, ist die Durchdringungseinheit 55 bei dieser Ausführungsform am vorderen Ende der Bodenausgrabungseinheit 48 annähernd konisch und verfügt über einen runden Querschnitt, was auch für die Durchdringungseinheit 56 gilt, die mit der Vorrichtung 55 verbunden ist. Auf diese Weise erzeugt die Bodenausgrabungseinheit 48 einen runden Tunnel, wenn sie sich durch den Boden fortbewegt. Dessen runder Querschnitt verringert den Widerstand, der vom umgebenden Boden zu erwarten ist, und er erlaubt einen gleichmäßigen Vortrieb durch den Grund. Dieser gleichmäßige Vortrieb stellt sicher, dass die Vorrichtung keine fehlerhafte Überwachung jeglicher charakteristischer Eigenschaften des Bodens, den sie überwacht, durchführt.
  • Wie bereits erörtert, ist der Tunnel, der durch die Durchdringungseinheit 55 ausgegraben wird, zylindrisch. Der Boden dieses Zylinders (d.h. sein tiefster Abschnitt) ist eher gerundet als flach. Das ist der Grund, weswegen eine Glättungsplatte 60 am Boden der Durchdringungseinheit 61, der Abschnitt vor der Messeinheit 49, vorhanden ist. Diese Platte glättet den bislang gebogenen Bereich des Tunnelbodens. Wenn die Messeinheit 49 diese flache Überwachungsoberfläche als Überwachungsobjekt benützt, kann sie eine genauere Überwachung durchführen.
  • Der Schaft 58, das Teil am Vorderende der Vorrichtung, welche die Erde aufwühlt, ist unter einem kleinen Winkel entgegen der Bewegungsrichtung A angeordnet. Er ist geschärft, um den Widerstand zu minimieren, den die Vorrichtung bei der Vorwärtsbewegung durch den umgebenden Boden erfährt. Entlang der Bewegungsrichtung ist der Querschnitt lang und eng. Seine Spitze 58a ist angespitzt, wobei die Spitze einen spitzen Winkel von beispielsweise 30° bildet. Dies ermöglicht es der Vorrichtung, sich durch den Boden zu bewegen, wobei sie nur minimalen Widerstand erfährt, und die Bodeneigenschaften in einer beträchtlichen Tiefe zu überwachen.
  • Die Messeinheit 49 befindet sich unterhalb des Grundes, und ein vertikaler Bereich des Raumes, der durch den Schaft 58 ausgehöhlt wird, überwacht weniger als 3 cm. Solch ein schmaler Raum ist leicht durch den Druck, der vom umgebenden Boden ausgeübt wird, wiederaufzufüllen, und dies hält wirksam das Streulicht von oberhalb des Grundes davon ab, in die Überwachungskammer einzudringen und es stellt sicher, dass die optischen charakteristischen Eigenschaften des Bodens genau überwacht werden.
  • Die Tiefe, in der die Bodeneigenschaften überwacht werden, kann leicht durch Bewegen der Räder (nicht dargestellt) an jeder Seite des Rahmens 42 nach unten oder oben geändert werden.
  • Zu Beginn der Überwachung wird die Reflektorplatte 80 unterhalb der Messeinheit 49 auf dem Niveau befestigt, auf dem die Überwachung durchgeführt wird (d.h. dem Niveau der Bodenüberwachungsoberfläche 65). Durch Gebrauch dieser Platte werden die Reflexion bei Beleuchtung (R) und die Reflexion im Zustand der Dunkelheit (D) aufgezeichnet. Spätere Überwachungen der Reflexion unterhalb des Grundes beruhen auf diesen aufgezeichneten Werten. Dies stellt si cher, dass die Überwachungen nicht durch das umgebende Milieu beeinflusst werden, wodurch ihre Genauigkeit garantiert ist.
  • Eine Öffnung 64 ist am unteren hinteren Abschnitt der Messeinheit 49 in der Vorrichtung 40 vorhanden. Aller Boden, der in die Messkammer 66 gelangen könnte, gelangt durch die Öffnung 64 heraus, wenn sich die Vorrichtung vorwärtsbewegt. Dieses Design schützt die Messkammer 66 vor einem Auffüllen mit Boden.
  • Wenn der Schaft 58 den Boden aufschneidet, wird die umgebende Erde angehoben, und es entsteht eine lange, enge Furche. Daher wird ein Mechanismus zum Wiederauffüllen der Furche vorhanden, so dass verhindert wird, dass Streulicht in die Überwachungskammer gelangt. Dieser Mechanismus schützt die Überwachung vor einer Beeinflussung durch Streulicht.
  • Zusätzlich zu dem Reflexionsspektrum des Bodens, enthalten die Ausgabedaten das Monitorbild, das durch die CCD-Kamera 68 aufgenommen wird, sowie die Temperatur der Bodenüberwachungsoberfläche, die durch das Infrarotemissionsthermometer (Infrarot-Thermoelement) 71 ermittelt wird. Dies erlaubt es, Änderungen im Reflexionsspektrum einhergehend mit Temperaturänderungen zu korrigieren, was zu einem präzisen Felderverwaltungssystem beiträgt, dessen Genauigkeit nicht durch das Wetter beeinträchtigt wird.
  • Wie in der vorangegangenen Diskussion erläutert, erzielen das optische Bodenüberwachungsgerät zur Überwachung der optischen charakteristischen Eigenschaften eines gegebenen Bodens, die Bodenüberwachungseinrichtung zur Bodenüberwachung, das Bodenüberwachungssystem und das mobile Fahrzeug zur Bodenüberwachung gemäß dieser Erfindung die folgenden Effekte. Zusammenfassend werden Definitionen von Begriffen angegeben, die hierbei verwendet wurden, um ein bessere Verständnis der Erfindung zu erzielen. Es ist jedoch nicht beabsichtigt, den Bereich der Erfindung durch diese Definition einzuschränken.
  • Die optische Bodenüberwachungseinrichtung zum Überwachen der optischen charakteristischen Eigenschaften eines bestimmten Bodens bildet eine Überwachungskammer in einer ausgesuchten Tiefe unterhalb des Grundes und überwacht das Spektrum des Lichts, das vom Boden in diesen Raum reflektiert wird, fortlaufend und in Echtzeit. Die Vorrichtung weist ein Gehäuse, das mindestens die obere Überwachungsoberfläche des vorher beschriebenen Raums umgibt, sowie einen Schaft auf, der mit dem oben beschriebenen Gehäuse verbunden ist, der schmaler ist als das Gehäuse und der den Boden aufschneidet.
  • Diese Vorrichtung ermöglicht es, die Zusammensetzung des Bodens in einer ausgewählten Tiefe zu überwachen, was das entscheidendste Merkmal beim Anpflanzen von Feldfrüchten ist. Weil sich die Überwachungskammer, die dabei gebildet wird, unterhalb der Oberfläche des Grundes befindet, beseitigt die Vorrichtung jeden Effekt, den Streulicht von außerhalb auf die Überwachung haben könnte. Es erlaubt es, die optischen charakteristischen Eigenschaften des Bodens genau in Echtzeit zu überwachen.
  • Der Begriff "Überwachungskammer" bezieht sich auf die Kammer, die notwendig ist, um die charakteristischen Bodeneigenschaften einer Oberfläche (der "Überwachungsoberfläche") in einer vorgegebenen Tiefe zu überwachen. Wenn die Messvorrichtung eine optische Überwachungseinrichtung ist, wird jedes Objekt in der Überwachungskammer, welches das Licht zwischen der Überwachungsoberfläche und dem Sensor behindert, die Überwachung verhindern. Deshalb ist es notwendig, eine Überwachungskammer bereitzustellen, aus der alle Objekte, die das Licht zwischen der Oberfläche und dem Messgerät blockieren können (Staub, Steine, usw.) entfernt sind. Weil die zuvor genannten Objekte, die das Licht behindern, größtenteils keine Mikrowellenstrahlung behindern, brauchen sie aus der Kammer nicht entfernt zu werden, wenn das Messgerät eine Vorrichtung ist, welche die Mikrowellen-Reflexions- und -Absorptionseigenschaften der Überwachungsoberfläche überwacht. In diesem Fall ist die Überwachungskammer eine unterirdische Kammer, in der ein Mikrowellensender und -empfänger an bestimmten, der Überwachungsoberfläche zugewandten Orten platziert werden.
  • Das "Gehäuse" bildet eine Überwachungskammer unterhalb des Bodens bei der Vorwärtsbewegung. Es enthält die Messvorrichtung und formt die Überwachungsoberfläche. Der Begriff "Schaft" bezieht sich auf die Komponente, die das Gehäuse im Boden festhält und den Boden aufschneidet. Der Schaft 58 in der bevorzugten Ausführungsform ist natürlich solch ein Schaft. Wenn eine Komponente zum Aufschneiden des Bodens gesondert an der vorderen Überwachungsoberfläche einer Stütze, um das Gehäuse im Boden zu halten, vorhanden ist, entsprechen die ganze Stütze und die Komponente zum Aufschneiden des Bodens dem Schaft.
  • Die "optische Überwachungseinheit zur Überwachung der optischen charakteristischen Eigenschaften" überwacht optisch den Boden, der das Überwachungsobjekt darstellt, und sie überwacht dessen charakteristische Eigenschaften. Der Begriff beinhaltet beispielsweise Vorrichtungen, die ein Bild des Bodens mit einer Kamera aufnehmen und seine charakteristischen Eigenschaften durch Gebrauch der aufgenommenen Bilddaten überwachen, oder die die charakteristischen Bodeneigenschaften unter Ausnutzung der reflektierten Wellen überwachen.
  • Die folgenden Definitionen sind auf die vorangegangene Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung anzuwenden. Der Begriff "Überwachungskammer" bezieht sich auf den Raum oberhalb der Überwachungsoberfläche des Bodens innerhalb der Messkammer 66. Die bevorzugte Ausführungsform besitzt das "Gehäuse" 66a und den "Schaft" 58. Der Ausdruck "optische Überwachungseinrichtung zur Überwachung optischer charakteristischer Eigenschaften" bezieht sich auf die Vorrichtung 40 zur Überwachung der optischen charakteristischen Eigenschaften des Bodens.
  • Die Vorrichtung zur Überwachung der optischen charakteristischen Eigenschaften eines vorgegebenen Bodens enthält ein Gehäuse, das mindestens die obere Oberfläche des vorher genannten Raumes umfasst; einen Schaft, der mit dem vorher beschriebenen Gehäuse verbunden ist, der enger ist als das Gehäuse und den Boden aufschneidet; Mittel zum Erfassen der Positionsdaten, welche die Datenwerte erfassen, die mit der Position des Bodens zusammenhängen, der das Objekt der genannten Überwachung sein soll; und eine Einrichtung, um das Spektrum des Lichts zu überwachen, das vom genannten Boden reflektiert wird. Diese Vorrichtung erhält gemeinsam die Positionsdaten und das Spektrum des reflektierten Lichts, was eine genaue Präzisionsfelderverwaltung ermöglicht.
  • Der Ausdruck "Positionsdaten" bezieht sich auf zweidimensionale Positionsdaten an der horizontalen Bodenoberfläche bei der Überwachung. Die Mittel zur Erfassung der Position, um die Positionsdaten zu ermitteln, können ein integriertes Überwachungssystem sein, das Positions- oder Peilungssensoren unter Verwendung von DGPS- oder GPS-Satelliten mit Entfernungsmessern kombiniert.
  • Der Begriff "Lichtspektrum" bezieht sich auf die Intensität des Spektrums des reflektierten Lichts, wenn das Licht auf den Boden projiziert wird, der das Überwachungsobjekt darstellt. Die Intensität des Lichts, das vom Boden re flektiert wird, schwankt mit dessen Körnungsgrad, dem Flüssigkeitsgehalt, den chemischen Eigenschaften, der Farbe und anderen charakteristischen Merkmalen. Es können dann die charakteristischen Merkmale des Bodens dadurch ermittelt werden, dass Licht darauf projiziert wird und das Intensitätsspektrum des reflektierten Lichts überwacht wird.
  • Der Positionssensor 86 ist ein Beispiel eines "Mittels zum Ermitteln der Position". Das Mittel zum Ermitteln der Position erfasst Daten des DGPS-Satelliten 14 und benützt sie dazu, die Positionsdaten zu berechnen. Der Begriff "Lichtspektrum überwachende Mittel zur Überwachung des Spektrums reflektierten Lichts" bezieht sich auf die optische Faser 69, die das sichtbare, reflektierte Licht sammelt; die optische Faser 70, die das nahinfrarote reflektierte Licht sammelt; das Spektrometer 43 und die Datenverarbeitungseinheit 87.
  • Die Vorrichtung zur Überwachung der optischen charakteristischen Eigenschaften eines gegebenen Bodens bildet eine Überwachungskammer in einer ausgewählten Tiefe unter dem Grund und überwacht das Spektrum des Lichts, das vom Boden reflektiert wird, in diesem Raum fortlaufend und in Echtzeit. Sie umfasst ein Gehäuse, das mindestens die oben liegende Oberfläche des oben genannten Raumes umgibt; einen Schaft, der mit dem bereits genannten Gehäuse verbunden ist, der enger als das Gehäuse ist und den Boden aufschneidet; eine Einrichtung zum Erfassen von Positionsdaten, das Daten, die mit der Position des Bodens, der das Objekt der oben genannten Überwachung ist, verknüpft ist, erfasst; eine Einrichtung zum Erfassen von Daten, die mit der Tiefe des Bodens, der das Objekt der oben genannten Überwachung ist, verknüpft sind; und eine Einrichtung zum Überwachen des Spektrums des Lichts, das vom oben genannten Boden reflektiert wird. Diese Vorrichtung erhält gleichzeitig Daten, die mit der Position und der Tiefe und dem Spektrum des reflektierten Lichts in Beziehung stehen, was eine genaue Präzisionsfelderverwaltung erlaubt.
  • Der Begriff "Tiefe" bezieht sich auf die Tiefe der Überwachungsoberfläche, deren charakteristische Eigenschaften überwacht werden sollten, in Bezug auf die Oberfläche des Grundes. Das Rad 45 ist ein Beispiel eines "Tiefenerfassungsmittels, um die Tiefendaten zu erfassen". Um genauer zu sein, umfasst dies einen sich drehenden Impulsgeber (nicht dargestellt), der an dem Bauteil befestigt ist, durch das der Trägerarm 44 mit dem Hauptteil der Vorrichtung verbunden ist. Der Arm 44 verbindet den Schaft 58 mit dem Rad 45. Das Rad 45 sehet mit der Oberfläche des Grunds in Verbindung; durch die Drehung ermittelt es die Ausgrabungshöhe. Auf diese Weise schwankt der Drehwinkel des Armes 44 in Bezug auf den Schaft 58 mit der Tiefe des Schafts 58. Der sich drehende Impulsgeber, der am Rad 45 angebracht ist, überwacht den Winkel der Drehung des Armes 44, und die Tiefe der Bodenüberwachungsoberfläche während der Überwachung wird auf Grund des Ergebnisses dieser Überwachung berechnet.
  • Die Vorrichtung zur Überwachung der optischen charakteristischen Eigenschaften eines bestimmten Bodens bildet eine Überwachungskammer in einer ausgewählten Tiefe unterhalb des Grundes und überwacht das Spektrum des Lichts, das vom Boden in diesen Raum reflektiert wird, fortlaufend und in Echtzeit. Sie umfasst ein Gehäuse, das mindestens die Oberseite des oben genannten Raums umgibt; einen Schaft, der mit dem oben genannten Gehäuse verbunden ist, der enger als das Gehäuse ist und der den Boden aufschneidet; eine Einrichtung, um die Positionsdaten zu ermitteln, das Datenwerte ermittelt, die mit der Position des Bodens, der das Objekt der bereits genannten Überwachung ist, verknüpft sind; eine Einrichtung, um das Spektrum des Lichts zu überwachen, das von dem oben genannten Boden reflektiert wird; und eine Einrichtung, um ein Bild des oben genannten Bodens aufzunehmen. Diese Vorrichtung erhält als eine Gruppe die Datenwerte, die mit der Position des Bodens, dem Spektrum des reflektierten Lichts und den Bilddaten verknüpft sind. Weil sie Bilddaten empfängt, erlaubt diese Vorrichtung sogar eine genauere Präzisionsfelderverwaltung.
  • Der Begriff "Bild" bezieht sich auf ein zweidimensionales Bild, das den Boden darstellt, der überwacht wird. Die CCD-Kamera 68 ist ein "Bildaufnahmemittel, um ein Bild aufzunehmen", das ein Farbbild der Bodenüberwachungsfläche 65, dem Objekt der Überwachung, aufnimmt.
  • Die Vorrichtung zur Überwachung der optischen charakteristischen Eigenschaften eines bestimmten Bodens erzeugt eine Überwachungskammer in einer ausgewählten Tiefe unterhalb des Grundes und überwacht das Spektrum des Lichts, das von dem Boden in diesem Raum reflektiert wird, fortlaufend und in Echtzeit. Sie umfasst ein Gehäuse, das mindestens die Oberseite des genannten Raumes umgibt; einen Schaft, der mit dem oben genannten Gehäuse verbunden ist, der enger als das Gehäuse ist und der den Boden aufschneidet; eine Einrichtung, um Positionsdaten zu ermitteln, um Daten zu ermitteln, die mit der Position des Bodens, der das Objekt der oben genannten Überwachung ist, ver knüpft sind; eine Einrichtung, das Datenwerte ermittelt, die mit der Tiefe des Bodens, der das Objekt der oben genannten Überwachung ist, verknüpft sind; eine Einrichtung, um das Spektrum des Lichts zu überwachen, das von dem oben genannten Boden reflektiert wird; und eine Einrichtung, um ein Bild des oben genannten Bodens aufzunehmen. Diese Vorrichtung erhält als eine Gruppe Daten, die mit der Position des Bodens verknüpft sind, Daten, die mit seiner Tiefe verknüpft sind, das Spektrum des reflektierten Lichts und Bilddaten. Weil sie Bilddaten gemeinsam mit sowohl Positions- als auch Tiefendaten erhalten kann, erlaubt diese Vorrichtung sogar eine genauere Präzisionsfelderverwaltung.
  • Die Vorrichtung zur Überwachung der optischen charakteristischen Eigenschaften eines bestimmten Bodens erzeugt eine Überwachungskammer in einer ausgewählten Tiefe unterhalb des Grundes und überwacht das Spektrum des Lichts, das von dem Boden in diesem Raum reflektiert wird, fortlaufend und in Echtzeit. Sie umfasst ein Gehäuse, das mindestens die Oberseite des oben genannten Raumes umgibt; einen Schaft, der mit dem oben genannten Gehäuse verbunden ist, der enger als das Gehäuse ist und der den Boden aufschneidet; eine Einrichtung, um Positionsdaten zu ermitteln, das Datenwerte ermittelt, die mit der Position des Bodens, der der Überwachungsgegenstand ist, verknüpft sind; eine Einrichtung, um die charakteristischen Eigenschaften des genannten Bodens zu messen; eine Einrichtung, um das Licht, das durch die genannte Messvorrichtung gesammelt wird, aufzuspalten; und eine Einrichtung, um die optischen charakteristischen Eigenschaften zu überwachen, die auf den Spektraldaten beruhen, die durch die oben genannten Mittel zum Aufspalten des Lichts erzeugt wurden. Weil diese Vorrichtung das Tageslicht effektiv daran hindert, in die Überwachungskammer einzudringen, sind die Datenwerte, die ermittelt werden, immer genau. Und weil die Spektralanalyse und deswegen die Überwachung der charakteristischen Bodeneigenschaften auf diesen genauen Daten beruhen, garantiert die Vorrichtung eine genaue Überwachung der optischen charakteristischen Eigenschaften des Bodens.
  • Der Begriff "optische Aufspaltung" bezieht sich auf das Herausfiltern einer gewünschten reflektierten Welle einer bestimmten Wellenlänge. Ein bestimmter Boden wird entsprechend seiner charakteristischen Eigenschaften eine einzigartige Intensität der Reflexion für jede bestimmte Wellenlänge der reflektierten Welle zeigen. Es wird gezielt eine reflektierte Welle einer speziel len Wellenlänge herausgefiltert und deren Reflexionsintensität ermittelt. Das Spektrometer 43 ist ein "Licht aufspaltendes Mittel, um Licht aufzuspalten".
  • Die oben genannte Einrichtung zum Erfassen der charakteristischen Eigenschaften des Bodens zu messen, umfasst eine Einrichtung, um Licht, das Wellenlängen im sichtbaren und nahinfraroten Bereich aufweist, zu projizieren; eine Einrichtung, um Licht, das eine Wellenlänge im sichtbaren Bereich aufweist, durch die oben genannte Projektionsvorrichtung zu empfangen; eine Einrichtung, um das Licht, das eine Wellenlänge im nahen Infrarotbereich hat, durch die oben genannte Projektionsvorrichtung zu empfangen; und eine Einrichtung, um Bild des oben genannten Bodens aufzunehmen. Dadurch ist es möglich, die optische Überwachung der charakteristischen Eigenschaften des Bodens auf eine Kombination der Bilddaten mit jedwedem Bereich des reflektierten Lichts, der besser geeignet scheint, zu stützen. Dies garantiert eine genaue Überwachung der optischen charakteristischen Eigenschaften des Bodens.
  • Die oben genannten Einrichtungen zum Aufspalten des Lichts umfassen eine Einrichtung, um das Licht aufzuspalten, das durch den oben genannten Fotodetektor für sichtbares Licht empfangen wird, das eine Wellenlänge im sichtbaren Bereich hat, und eine Vorrichtung, um das Licht, das eine Wellenlänge im nahinfraroten Bereich hat, aufzuspalten, das von dem oben genannten Nahinfrarot-Fotodetektor empfangen wird. Auf diese Weise kann die Vorrichtung sowohl sichtbares als auch nahinfrarotes Licht durch eine Vielzahl von Kanälen in hoher Geschwindigkeit aufspalten, damit die Überwachung der charakteristischen Eigenschaften des Bodens mit großer Genauigkeit durchgeführt werden kann.
  • Die Vorrichtung um die optischen charakteristischen Eigenschaften eines bestimmten Bodens zu überwachen, verfügt eine Einrichtung, um die Bilddaten, die durch die genannten Bildaufnahmeeinrichtungen aufgenommen wurden, zu empfangen, und eine Einrichtung, um die Zuverlässigkeit der Bilddaten, die sie in der oben genannten Bildaufnahmeeinrichtung empfangen hat, zu berechnen. Wenn die Zuverlässigkeit, die durch die genannte Zuverlässigkeitsberechnungseinrichtung errechnet wurde, gering ist, unternimmt die oben genannte Einrichtung zur Überwachung der optischen charakteristischen Eigenschaften eines bestimmten Bodens nichts. Um eine nutzlose Überwachung zu vermeiden, überprüft diese Vorrichtung die Effizienz der genauen Überwachung der charakteristischen Eigenschaften des Bodens.
  • Die "Zuverlässigkeit" bezieht sich darauf, wie genau das Ausgangssignal der Messvorrichtung ist, welche die charakteristischen Bodeneigenschaften überwacht, diese Eigenschaften repräsentiert. Wenn sich beispielsweise zerstückelte Steine auf der Überwachungsoberfläche befinden, kann die Messvorrichtung einen Stein an Stelle des Bodens überwachen. In diesem Fall, wird sein Ausgabesignal geringere Zuverlässigkeit besitzen, wenn es als zu den charakteristischen Eigenschaften des Bodens gehörend interpretiert wird. Die Zuverlässigkeit kann als "hoch" oder "niedrig" bezeichnet werden, oder es wird ein numerischer Wert benutzt.
  • Die Zuverlässigkeit ist der Durchschnittswert, der durch den Vorgang im Schritt 106 der 13 ermittelt wird.
  • Die Vorrichtung zur Überwachung der optischen charakteristischen Eigenschaften eines bestimmten Bodens besitzt eine Einrichtung, um die Bilddaten, die durch die genannte Bildaufnahmeeinrichtung aufgenommen wurden, zu empfangen, und eine Einrichtung zum Berechnen, auf Grundlage von Datenwerten, die durch die oben genannte Einrichtung zum Empfangen der Bilddaten empfangen wurden, der Zuverlässigkeit der genannten Datenwerte, verknüpft mit einer Spektralanalyse. Weil die oben genannte Einrichtung zur Überwachung der optischen charakteristischen Eigenschaften des Bodens die Zuverlässigkeit die durch die oben genannte Zuverlässigkeitsberechnungseinrichtung berechnet wurde, speichert, kann die Vorrichtung nutzlose Überwachungen vermeiden, wodurch ihre Genauigkeit und Effizienz verbessert sind.
  • Die Vorrichtung zur Überwachung der optischen charakteristischen Eigenschaften eines bestimmten Bodens verfügt eine Einrichtung, um die Temperatur des oben genannten Bodens zu ermitteln. Die Temperatur bei der Überwachung der optischen charakteristischen Eigenschaften des Bodens zu kennen, erhöht die Genauigkeit der Überwachung.
  • Die Vorrichtung zur Überwachung der optischen charakteristischen Eigenschaften eines bestimmten Bodens erzeugt eine Überwachungskammer in einer ausgewählten Tiefe unterhalb des Grunds, und sie überwacht dort die charakteristischen Eigenschaften des Bodens. Sie umfasst eine Bodenausgrabungseinheit, die den Boden parallel zu der Oberfläche des Grundes in einer ausgewählten Tiefe unterhalb des Grunds ausgräbt; ein Gehäuse, das mit der oben genannten Aus grabungseinheit verbunden ist und mindestens die Oberseite der oben genannten Überwachungskammer umschließt; eine Messeinheit, die die charakteristischen Eigenschaften des Bodens innerhalb des oben genannten Gehäuses misst; einen Schaft, der mit dem oben genannten Gehäuse verbunden ist, der den Boden aufschneidet, aber mit einem Durchmesser, der geringer ist als der des Gehäuses; und zwei Führungsplatten, die den Boden, der auf der Überwachungsoberfläche aufgehäuft wurde, durch die Tätigkeit des genannten Schafts zurück entlang des Schachts, der durch den Schaft erzeugt wurde, führen. Dieses Design ermöglicht es, die Bodenzusammensetzung unterhalb des Grundes in einer beweglichen Überwachungskammer zu überwachen.
  • Der Begriff "Bodenausgrabungseinrichtung" bezieht sich auf die Vorrichtung, die sich unterhalb der Bodenoberfläche vorwärtsbewegt und einen Raum erzeugt, während sie sich vorwärtsbewegt, um eine Überwachungskammer zu bilden. Die Vorrichtung mit einem Ausgrabungswerkzeug an ihrer Vorderseite ist die Bodenausgrabungseinrichtung.
  • Die "Führungsplatten" führen den Boden, der durch die Ausgrabung ausgehoben wurde, zurück in die Furche. Wenn der Schaft den Boden aufschneidet, wird der ausgegrabene Boden auf jeder Seite aufgehäuft, und eine Furche wird in der Richtung der Vorwärtsbewegung erzeugt. Diese Furche kann Streulicht eindringen lassen, was der Grund sein kann, dass die charakteristischen Bodeneigenschaften ungenau überwacht werden. Die Führungsplatten füllen diese Furche durch Hineinführen des ausgegrabenen Bodens wieder auf.
  • Die bevorzugte Ausgestaltung verfügt über eine "Bodenausgrabungseinrichtung" 48 und "Führungsplatten" wie gewölbte Pflüge 143 und einen Wiederauffüllungsmechanismus 150.
  • Die Vorrichtung zur Überwachung der optischen charakteristischen Eigenschaften eines bestimmten Bodens verfügt über eine Durchdringungseinrichtung an der Vorderseite der genannten Bodenausgrabungseinheit, die einen zylindrischen Tunnel erzeugt, und eine Glättungsplatte, die an der Vorderseite der genannten Messeinheit angebracht ist, die an die Unterseite des genannten zylindrischen Tunnels eingeführt werden soll, wodurch eine flache Überwachungsoberfläche erzeugt wird, an der die charakteristischen Eigenschaften des Bodens überwacht werden. Die Bodenausgrabungseinrichtung kann auf diese Weise ein zylindrisches Loch ausgraben, wenn sie sich durch den Boden bewegt. Das minimiert den Widerstand, der durch die umgebende Erde zu erwarten ist, und erlaubt eine gleichmäßige Vorwärtsbewegung und sichert, dass kein charakteristischer Boden bei der Überwachung übersehen wird. Die Glättungsplatte erzeugt eine flache Überwachungsoberfläche am Boden des ehemals zylindrischen Tunnels. Dies erlaubt die Durchführung einer genaueren Überwachung.
  • Der Ausdruck "Durchdringungseinrichtung" bezieht sich auf das Werkzeug an der Vorderseite der Ausgrabungseinrichtung, die den Boden ausgräbt. Der Begriff "zylindrischer Tunnel" bezieht sich auf eine Kurve mit einer spitz zulaufenden Kontur wie einem Kreisabschnitt oder einer Ellipse. Der Begriff "Glättungsplatte" bezieht sich auf das Werkzeug, das den Boden des Tunnels abflacht, der durch die Durchdringungseinheit geschaffen wird. Wenn eine Platte zum Erzeugen einer flache Bodenüberwachungsoberfläche am Boden des Tunnels vorhanden ist, kann sie entweder flach oder gebogen sein. Die Ausführungsform verfügt über eine "Durchdringungseinrichtung" 55 und 56 und eine "Glättungsplatte" 60. Der Begriff "Überwachungsoberfläche" bezieht sich auf die Bodenoberfläche innerhalb des Gehäuses. Das ist die Oberfläche, die durch das Messgerät überwacht wird, das an der Decke der Kammer im Gehäuse angeordnet ist. Wenn diese Oberfläche nicht flach ist, wird die Überwachung ungenau sein.
  • Die Vorrichtung zur Überwachung der optischen charakteristischen Eigenschaften eines bestimmten Bodens besitzt eine Öffnung an der Rückwand der oben genannten Messeinheit, so dass jeder Boden, der in die Kammer gelangt, durch die Rückseite hinaus gelangen kann. Dies schützt die Messkammer vor der Auffüllung durch Boden.
  • Der Begriff "Öffnung" bezieht sich auf das Loch 64 an der Rückseite des Gehäuses, durch das der Boden austreten kann. Gemäß dieser Erfindung bewegt sich die Vorrichtung entlang der Bodenoberfläche vorwärts. Wenn sie sich vorwärtsbewegt, wird der Boden durch den Schaft aufgeschnitten und beginnt sich an der Rückseite des Gehäuses anzusammeln. Wenn dieser Boden in das Gehäuse hineinfällt, beginnt sich das Gehäuse zu füllen. Um das zu verhindern, lässt diese Erfindung die Rückwand der Kammer teilweise offen, damit im Gehäuse ein Weg zum Entweichen des Bodens erzeugt wird.
  • Der oben genannte Schaft ist an der Spitze der oben genannten Bodenausgrabungseinrichtung platziert und leicht abgewinkelt gegen die Richtung, in der sich die Vorrichtung vorwärtsbewegt. Er ragt aufwärts gegen die Oberfläche des Grundes vor. Seine Spitze, die den Boden bricht, formt einen spitzen Winkel. Diese Ausgestaltung erlaubt es, dass die Vorrichtung minimalen Widerstand erfährt, wenn sie sich durch die Erde bewegt, und sie erlaubt die Überwachung der charakteristischen Bodeneigenschaften in beträchtlicher Tiefe.
  • Die Vorrichtung zur Überwachung des bestimmten Bodens überwacht den Boden, indem sie sich parallel zur Oberfläche des Grundes bewegt. Sie umfasst einen Sensor, um den Boden zu überwachen; ein Gehäuse, das mindestens die Oberfläche und zwei Seiten der Überwachungskammer umgibt, in welcher der oben genannte Sensor den Boden überwachen soll; eine Bodenausgrabungseinrichtung, die sich an der Vorderseite des genannten Gehäuses befindet und die den Boden ausgräbt, solange die Vorrichtung sich durch den Boden bewegt; einen Schaft, der mit der Oberseite des genannten Gehäuses verbunden ist, der dieses Gehäuse schützt, und der einen V-förmigen Abschnitt an mindestens einem Teil seiner Oberfläche besitzt, die in Kontakt mit der Erde steht, um den Boden aufzuschneiden, wenn die Vorrichtung sich horizontal bewegt. Dieses Design erlaubt der Vorrichtung, sich durch den Boden zu bewegen, während es verhindert, dass Streulicht die Überwachung beeinträchtigt. Weil der Schaft einen V-förmigen Abschnitt aufweist, um durch den Boden zu schneiden, erfährt die Überwachungseinrichtung minimalen Widerstand, wenn sie sich voranbewegt.
  • Der Begriff "Sensor" bezieht sich nicht nur auf optische und elektrische, sondern auch auf chemische, physikalische und alle anderen Arten von Sensoren, die zur Verfügung stehen, um die charakteristischen Eigenschaften eines Bodens zu messen.
  • Der oben genannte Sensor ist innerhalb der genannten Kammer nach unten gegen das Objekt der Untersuchung ausgerichtet befestigt. An der Rückseite des Gehäuses und unterhalb des Sensors ist eine Öffnung vorhanden. Diese Öffnung an der Rückseite des oben genannten Gehäuses ist groß genug, um die Kammer vor dem Auffüllen durch Partikel des Bodens, die durch die genannten Bodenaufgrabungseinrichtung aufgewühlt werden, zu schützen. Der oben genannte Sensor ist weit genug weg von der genannten Öffnung befestigt, so dass jeder Boden, der durch die oben genannte rückseitige Öffnung eindringt, nicht im Überwachungsbereich endet, der durch den genannten Sensor gebildet ist. Dieses Design schützt die Kammer vor Auffüllung, wenn der Boden von den Wänden des Schachts in die Öffnung in die Rückseite der Kammer hinein zusammenstürzt. Wenn der Boden nicht wieder hinausgelangen könnte, würde er die Öffnung verstopfen, und der Boden, der sich durch die Kammer bewegt, würde sich daran anheften. Der Überwachungsbereich der Messeinrichtung würde mit Boden bedeckt, der für die Überwachung nicht vorgesehen war.
  • Eine Platte zum Glätten der Überwachungsoberfläche des Bodens, der durch die Vorderseite des genannten Gehäuses aufgeschnitten wurde, ist am Gehäuse derart befestigt, dass sie nach unten abgewinkelt hin zu der Oberfläche ist, an der sie in Kontakt mit der Erde kommt. Diese Platte ist an der Vorderseite der Überwachungsregion befestigt, die vom Sensor im genannten Bereich mit einer Öffnung überblickt wird. Das schützt davor, dass externer Boden in die Überwachungsregion gelangt. Durch die gleichmäßige Formung des Bodens, der das Objekt der Überwachung ist, sichert die Platte, dass die Bedingungen, unter denen die charakteristischen Bodeneigenschaften überwacht werden, stabil bleiben. Diese Stabilität erhöht die Zuverlässigkeit der Datenwerte, die durch diese Überwachung ermittelt werden.
  • Die oben genannte Bodenausgrabungseinheit besitzt einen runden Querschnitt und gräbt einen zylindrischen Tunnel. Die oben genannte Glättungsplatte flacht ein Abschnitt dieses Tunnels ab, so dass dessen Boden eingeebnet wird. Ein Tunnel mit rundem Querschnitt zeigt einen kleineren Umfang als ein quadratischer Tunnel. Dieses Design minimiert den Widerstand der Erde, die auf die Bodenausgrabungseinrichtung wirkt, wenn sie sich durch den Grund fortbewegt.
  • Die Bodenüberwachungseinrichtung überwacht einen vorhandenen Boden. Sie umfasst eine Beleuchtungseinrichtung zur Überwachung des Bodens; eine Vorrichtung, um ein zweidimensionales Bild aufzunehmen, welche die Beleuchtung der oben genannten Vorrichtung zur Überwachung des Bodens benützt; einen Sensor, der den Abschnitt des Bodens in dem Bereich überwacht, der durch die oben genannte Bildaufnahmeeinrichtung aufgenommen wurde und ein Signal erzeugt, das mit der Zusammensetzung des überwachten Bodens zusammenhängt; eine Einrichtung um eine Merkmalsaufzählung durchzuführen, die das Bild des Bodens, das durch die oben genannte Bildaufnahmeeinrichtung aufgenommen wurde, verarbeitet und einen Merkmalszählwert erzeugt, der die Unebenheit der Bodenoberfläche aufzeigt; und eine Einrichtung um die Zuverlässigkeit zu berechnen, welche die Zuverlässigkeit der Signalausgabe durch den oben genannten Sensor auf Grund der Merkmalsauszählung, die durch die oben genannte Einrichtung erzeugt wurde, berechnet und ausgibt. Wenn Steine über der Bodenüberwachungsoberfläche verstreut liegen und der Sensor einen Stein anstelle des Bodens überwacht, zeigt sein Ausgabesignal eine geringe Zuverlässigkeit zur Kennzeichnung der charakteristischen Eigenschaften des Bodens. Die Zuverlässigkeit, die das Maß dafür ist, wie das Ausgabesignal des Sensors die charakteristischen Eigenschaften des Bodens kennzeichnet, schwankt abhängig davon, wie uneben die Bodenüberwachungsoberfläche ist. Im Allgemeinen führt eine extrem unebene Bodenüberwachungsoberfläche zu geringer Zuverlässigkeit. Da der Zustand der Bodenüberwachungsoberfläche, d.h., ob sie Fremdobjekte enthält oder uneben ist, aus dem Bild, das durch die Bildaufnahmeeinrichtung aufgenommen wurde, erkannt werden kann, kann dieses Bild dazu verwendet werden, die Zuverlässigkeit des Ausgabesignals der Messeinrichtung, die den Boden überwacht, zu ermitteln. Dies erlaubt es, eine Nachverarbeitung zu verwenden, wie ein Aussondern von Signalen, deren Zuverlässigkeit unterhalb eines Referenzwertes liegt. Das Ergebnis ist eine genauere Behandlung der Bodendaten.
  • Der Begriff "Merkmalszählwert, der die Unebenheit der Bodenoberfläche ausdrückt", bezieht sich auf die Unebenheit der Bodenoberfläche. Wenn dort Klumpen mit größerem Durchmesser an der Oberfläche vorhanden sind, ist er uneben. Wenn die Bodenoberfläche uneben ist, ist es schwierig, ein Signal zu erhalten, das die charakteristischen Eigenschaften des Bodens wiedergibt.
  • Der "Merkmalszählwert, der die Unebenheit ausdrückt" wird durch den Vorgang in der 13 überwacht, insbesondere durch den Vorgang in den Schritten 100 bis 106.
  • Die Bodenüberwachungseinrichtung überwacht einen bestimmten Boden. Sie umfasst eine Beleuchtungseinrichtung zur Bodenüberwachung; eine Vorrichtung, um ein zweidimensionales Bild aufzunehmen, welche die Beleuchtung der oben genannten Vorrichtung zur Bodenüberwachung benutzt; eine Einrichtung, um eine Merkmalsauszählung vorzunehmen, die das Bild der Bodenüberwachungsoberfläche, das durch die oben genannte Vorrichtung aufgenommen wurde, bearbeitet und einen Merkmalszählwert erzeugt, der ausdrückt, wie uneben der Boden ist; eine Einrichtung, um Mehrkanaldatenwerte zu erzeugen, die das Bild auswerten, das mit der oben genannten Vorrichtung aufgenommen wurde, verknüpft mit den optischen charakteristischen Eigenschaften jedes einer Anzahl von Wellenlängenbereichen des Lichts, das vom Boden reflektiert wird; und eine Einrichtung, um die Zuverlässigkeit zu berechnen, die die Zuverlässigkeit der Daten berechnet und ausgibt, die von der oben genannten Einrichtung ausgegeben werden, um Mehrkanaldaten auf Grundlage des durch die oben genannte Einrichtung gebildeten Merkmalszählwerts zu erzeugen. Mit einem einzigen Bild einer Farbkamera kann diese Vorrichtung daraufhin Daten ermitteln, die die charakteristischen Eigenschaften des Bodens gemeinsam mit ihrer Zuverlässigkeit darstellen. Das erlaubt eine genauere Behandlung der Bodendaten, was durch eine einfache Vorrichtung erreicht wird.
  • Die Bodenüberwachungseinrichtung überwacht einen bestimmten Boden. Sie umfasst eine Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung der Bodenoberfläche; eine erste Vorrichtung zur Aufnahme eines Bildes, um ein zweidimensionales Bild aufzunehmen, welche die Bodenoberfläche überwacht, die von der oben genannten Beleuchtungseinrichtung beleuchtet wird; einen Sensor, der den Abschnitt der Bodenoberfläche überwacht, der von der oben genannten ersten Bildaufnahmeeinrichtung aufgenommen wurde und ein Signal ausgibt, das mit der Zusammensetzung des überwachten Bodens zusammenhängt; und eine Bodenstrukturauswertungseinrichtung, um die Struktur der Bodenoberfläche auf Grundlage des zweidimensionalen Bildes der Bodenoberfläche, das durch die oben genannte erste Bildaufnahmeeinheit aufgenommen wurde, auszuwerten. Dieses Design erlaubt es, die Daten der Bodenstruktur und der Bodenzusammensetzung aufzuzeichnen, und es erlaubt es, ein Feld mit einer einfachen Vorrichtung zu verwalten.
  • Der Begriff "Zusammensetzung" bezieht sich auf die Datenwerte, die den Aufbau des Bodens betreffen, einschließlich seines Typs, der chemischen Natur, der Viskosität und der Körnigkeit. In der bevorzugten Ausgestaltungsform entspricht die "Zusammensetzung" Datenwerten, die durch den Vorgang im Schritt 124 der 19 ermittelt wurden.
  • Die Bodenüberwachungseinrichtung zur Überwachung des Bodens führt diese durch, während sie sich horizontal durch den Grund hindurch bewegt. Sie umfasst eine Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung der Bodenoberfläche; eine erste Vorrichtung zur Aufnahme eines Bildes, um ein zweidimensionales Bild aufzunehmen, welche die Bodenoberfläche überwacht, die von der oben genannten Beleuchtungseinrichtung beleuchtet wird; einen Sensor, der den Abschnitt der Bodenoberfläche überwacht, der von der oben genannten ersten Bildaufnahmeeinrichtung aufgenommen wurde und ein Signal ausgibt, das mit der Zusammensetzung des überwachten Bodens zusammenhängt; eine erste Einrichtung, um eine Merkmalsauszählung vorzunehmen, die das Bild der Bodenüberwachungsoberfläche, das durch die oben genannte Vorrichtung aufgenommen wurde, bearbeitet und eine Merkmalszählwert erzeugt, der ausdrückt, wie uneben der Boden ist; eine erste Einrichtung, um die Zuverlässigkeit zu berechnen, die die Zuverlässigkeit der Datenausgabe der oben genannten Messeinrichtung, auf Grund der Merkmalsauszählung, die von der oben genannten ersten Einrichtung zur Merkmalsauszählung durchgeführt wurde, berechnet und ausgibt; ein Gehäuse, das mindestens die Oberseite und zwei Seiten der Überwachungskammer, in welcher sich die oben genannte Messeinrichtung zur Bodenüberwachung befindet, einschließt; eine Bodenausgrabungseinrichtung, die an der Vorderseite des oben genannten Gehäuses vorhanden ist und die den Untergrund des Bodens ausgräbt, wenn die oben genannte Bodenüberwachungseinrichtung sich vorwärtsbewegt; einen Schaft, der mit der Spitze des oben genannten Gehäuses verbunden ist und das oben genannte Gehäuse stützt, und der einen V-förmigen Abschnitt besitzt, dessen Spitze in Kontakt mit der Erde ist, um den Boden aufzuschneiden, wenn die oben genannte Vorrichtung sich horizontal vorwärtsbewegt, wobei der oben genannte Schaft ferner dadurch gekennzeichnet ist, dass die Breite des Schafts enger ist, als die des oben genannten Gehäuses; und ein Paar Führungsplatten, die den Boden, der auf der Bodenoberfläche aufgehäuft wurde, durch das Vorwärtsbewegen des oben genannten Schafts zurück in den Schacht führen, der durch den oben genannten Schaft gebildet wurde. Dieses Design erlabt es, den Boden fortlaufend zu überwachen und Datenwerte zu sammeln, die mit der Zusammensetzung des Bodens und seinen verschiedenen Bestandteilen verknüpft sind, während die Vorrichtung sich bewegt. Dieses Design erlaubt es, den Boden während der Bewegung fortlaufend auf Grundlage zuverlässiger Daten zu überwachen.
  • Die Bodenüberwachungseinrichtung zur Überwachung des Bodens führt diese durch, während sie sich horizontal durch den Grund hindurchbewegt. Sie umfasst eine Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung der Bodenoberfläche; eine Vorrichtung zur Aufnahme eines Bildes, um ein zweidimensionales Bild aufzunehmen, welche die Bodenoberfläche überwacht, die von der oben genannten Beleuchtungseinrichtung beleuchtet wird; einen Sensor, der einen Abschnitt der Bodenoberfläche überwacht, der bei den oben genannten ersten Bildaufnahmeeinrichtung aufgenommen wurde, und die ein Signal ausgibt, das mit der Zusammensetzung des überwachten Bodens zusammenhängt; eine Einrichtung, um die Zusammensetzung des Bodens zu ermitteln, welche das Bild der Bodenüberwachungsoberfläche, das durch die oben genannte Bildaufnahmeeinrichtung aufgenommen wurde, bearbeitet und Datenwerte ermittelt, die mit der Zusammensetzung der Bodenüberwachungsoberfläche verknüpft sind; ein Gehäuse, das mindestens die Oberseite und zwei Seiten des Überwachungsraums einschließt, also des Raums, in dem die oben genannte Messeinrichtung und die Bildaufnahmeeinrichtung den Boden überwachen; eine Bodenaufgrabungseinheit, die an der Vorderseite des oben genannten Gehäuses angebracht ist und die den Boden ausgräbt, während sich die Vorrichtung durch die Erde bewegt; einen Schaft, der mit der Spitze des oben genannten Gehäuses verbunden ist und das oben genannte Gehäuse stützt, und der einen V-förmigen Abschnitt besitzt, dessen Spitze in Kontakt mit der Erde steht, um den Boden aufzuschneiden, wenn die oben genannte Vorrichtung sich horizontal vorwärtsbewegt; und zwei Führungsplatten, die den Boden, der auf der Bodenoberfläche aufgehäuft wurde, durch die Vorwärtsbewegung des oben genannten Schafts zurück in den Schacht führen, der durch den oben genannten Schaft gebildet wurde. Dieses Design erlaubt es, den Boden fortlaufend zu überwachen und Datenwerte zu sammeln, die mit der Zusammensetzung des Bodens und seinen verschiedenen Bestandteilen verknüpft sind, während die Vorrichtung sich bewegt.
  • Das Bodenüberwachungssystem zur Überwachung eines bestimmten Bodens weist Folgendes auf: irgendeine der vorangehend beschriebenen Bodenüberwachungseinrichtungen; eine Datenerfassungseinrichtung, die Daten erfasst, die sich auf die aktuelle Position der Bodenüberwachungseinrichtung beziehen; und eine Datenaufnahmeeinrichtung, welche die Daten aufzeichnet, die durch die oben beschriebenen Bodenüberwachungseinrichtung und die durch die oben genannte Vorrichtung ausgegeben wurden, um Positionsdaten als Satz zu ermitteln. Mit diesen Datenwerten ist es dem System möglich, eine Karte des Bodens zusammenzustellen.
  • Das Bodenüberwachungssystem zur Überwachung eines bestimmten Bodens weist Folgendes auf: irgendeine der vorangehend beschriebenen Bodenüberwachungseinrichtungen; eine Datenerfassungseinrichtung, welche die Daten erfasst, die sich auf die aktuelle Position der Bodenüberwachungseinrichtung beziehen; und eine Datenübertragungseinrichtung, welche die durch die oben beschriebene Bodenüberwachungseinrichtung und die oben beschriebenen Vorrichtung zum Erfassen von Positionsdaten ausgegebenen Daten gemeinsam überträgt. Auf diese Weise kann dieses System Datenwerte übertragen, welche die Empfangseinrichtung benützen kann, um eine Karte des Bodens zu zusammenzustellen.
  • Das mobile Überwachungsfahrzeug weist eines der beiden vorhergehend beschriebenen Bodenüberwachungssystemen sowie ein Fahrzeug auf, welches das oben beschriebene Überwachungssystem über die Oberfläche des Grundes befördert. Dieses System kann auf diese Weise den Boden in Echtzeit kartieren, während das Fahrzeug sich über ein Feld oder über Objektgebiet bewegt.
  • Das mobile Überwachungsfahrzeug weist Folgendes auf: irgendeines der vorhergehend beschriebenen Bodenüberwachungssysteme; eine Datenerfassungseinrichtung, welche die Daten erfasst, die sich auf die aktuelle Position der Bodenüberwachungseinrichtung beziehen; eine Einrichtung zur Tiefenüberwachung, die die Tiefe der durch die oben beschriebene Bodenüberwachungseinrichtung überwachten Bodenüberwachungsoberfläche überwacht; eine Datenaufzeichnungseinrichtung, die die durch die oben beschriebene Überwachungseinrichtung ausgegebenen Daten, die durch die oben beschriebene Vorrichtung zur Erfassung von Positionsdaten ausgegebenen Daten und die durch die oben genannte Überwachungsvorrichtung ausgegebenen Daten als einzelnen Satz aufzeichnet; und ein Fahrzeug, das die oben genannte Bodenüberwachungseinrichtung, die Vorrichtung zum Erfassen von Positionsdaten und die oben beschriebene Einrichtung, um die Tiefe über der Oberfläche des Grundes zu überwachen, befördert. Dieses System kann auf diese Weise eine Karte des Bodens einschließlich der Tiefendaten erstellen, während sich das Fahrzeug bewegt.
  • Das mobile Überwachungsfahrzeug umfasst das vorstehend beschriebene mobile überwachende Fahrzeug. Zwei Arme, die dazu ausgelegt sind, sich zu drehen, sind an den Seiten des oben genannten Schafts befestigt, der selbst an dem oben genannten Fahrzeug auf eine Weise befestigt ist, dass er sich frei drehen kann. Frei laufende Räder an ihren Vorderenden stehen mit der Erde in Kontakt. Auf Grund des Ergebnisses der Überwachung des Winkels der oben genannten Arme, berechnet die oben genannte Einrichtung zur Überwachung der Tiefe die Tiefe der Bodenoberfläche, die der Überwachungsgegenstand ist. Dieses Design bildet ein einfaches Mittel, Daten, welche die Tiefe der Bodenüberwachungsoberfläche betreffen, zu ermitteln, und es erlaubt es eine Bodenkarte zu erstellen, die Tiefendaten enthält.
  • Die vorliegende Erfindung soll nicht auf die bevorzugten Ausgestalltungen eingeschränkt sein, die hier beschrieben und dargestellt sind. Die Erfindung sollt statt dessen durch die folgenden Ansprüche definiert sein.

Claims (29)

  1. Optisches Bodenüberwachungsgerät (40) zur Präzisionsfelderverwaltung zum Überwachen der optischen charakteristischen Eigenschaften eines bestimmten Bodens durch das Einrichten einer Überwachungskammer in einer ausgewählten Tiefe unterhalb des Erdbodens und durch durchgängiges Überwachen in Echtzeit des Spektrums von vom Boden reflektierten Licht in der Kammer, wobei das Gerät umfasst: ein Gehäuse (63), das zumindest eine obere Überwachungsoberfläche (65) der Kammer einfasst, gekennzeichnet durch einen leicht nach hinten geneigten Schaft (58), der mit dem Gehäuse verbunden ist und enger als dieses ist, um den Boden aufzuschneiden, und eine waagerecht ausgerichtete Bodenaufgrabungseinheit (48), die vorne im Gehäuse angebracht ist und eine kegelförmige erste Durchdringungseinheit (55) mit einem sich verjüngenden vorderen Ende sowie eine mit der ersten Durchdringungseinheit (55) verbundene zweite Durchdringungseinheit (56) umfasst, die ein zylinderförmiges Teil mit einem graduell anwachsenden Querschnitt ist und von der ersten Durchdringungseinheit nach innen verläuft, um so einen Bodendruckfreisetzungsraum zwischen dem Erdboden und der zweiten Durchdringungseinheit zu bilden, um den Bodendruck freizusetzen, nachdem der Boden durch die erste Durchdringungseinheit aufgegraben worden ist.
  2. Optisches Bodenüberwachungsgerät (40) nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Positionserfassungseinrichtung zum Erfassen einer Position des Bodens, der der Überwachungsgegenstand ist; und eine Lichtspektrumsüberwachungseinrichtung (43) zum Überwachen des Spektrums von vom Boden reflektierten Licht an der von der Positionserfassungseinrichtung erfassten Positi on, wodurch den jeweiligen Positionsdaten entsprechende Überwachungsdaten des Lichtspektrums erzeugt werden.
  3. Optisches Bodenüberwachungsgerät (40) nach Anspruch 2, ferner umfassend eine Tiefenerfassungseinrichtung (45) zum Erfassen der Tiefe des Bodens, wodurch der Position und der Tiefe entsprechende Überwachungsdaten jedes Lichtspektrums erzeugt werden.
  4. Optisches Bodenüberwachungsgerät (40) nach Anspruch 2, ferner umfassend eine Bildaufnahmeeinrichtung (68) zum Aufnehmen eines Bildes des Bodens, wodurch der Position entsprechende Überwachungsdaten jedes Lichtspektrums und jedes Bildes des Bodens erzeugt werden.
  5. Optisches Bodenüberwachungsgerät (40) nach Anspruch 2, ferner umfassend: eine Tiefenerfassungseinrichtung (45) zum Erfassen der Tiefe des Bodens und eine Bildaufnahmeeinrichtung (68) zum Aufnehmen eines Bildes des Bodens, wodurch der Position und der Tiefe entsprechende Überwachungsdaten jedes Lichtspektrums und jedes Bildes des Bodens erzeugt werden.
  6. Optisches Bodenüberwachungsgerät (40) nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Positionserfassungseinrichtung zum Erfassen einer Position des Bodens, der der Überwachungsgegenstand ist; eine Messeinrichtung (49) zum Messen der charakteristischen Eigenschaften des Bodens; eine Lichtaufspaltungseinrichtung (43) zum Aufspalten des Lichts, das von der Messeinrichtung (49) gesammelt werden soll; und eine Überwachungseinrichtung für optische charakteristische Eigenschaften zum Überwachen der optischen charakteristischen Eigenschaften des Bodens auf Grundlage der von der Lichtaufspaltungseinrichtung (43) erzeugten Spektraldaten.
  7. Optisches Bodenüberwachungsgerät (40) nach Anspruch 6, wobei die Messeinrichtung (49) umfasst: eine Lichtprojektionseinrichtung (72, 73) zum Projizieren von Licht mit einer Wellenlänge im sichtbaren Bereich und im nahen Infrarotbereich; eine erste Lichtempfangseinrichtung (69) zum Empfangen des von der Lichtprojektionseinrichtung (72) projizierten Lichts, das eine Wellenlänge im sichtbaren Bereich aufweist; eine zweite Lichtempfangseinrichtung (70) zum Empfangen des von der Lichtprojektionseinrichtung (73) projizierten Lichts, das eine Wellenlänge im nahen Infrarotbereich aufweist; und eine Bildaufnahmeeinrichtung (68) zum Aufnehmen eines Bildes des Bodens.
  8. Optisches Bodenüberwachungsgerät (40) nach Anspruch 7, wobei die Lichtaufspaltungseinrichtung (43) umfasst: eine erste Lichtaufspaltungseinrichtung (81) zum Aufspalten des von der ersten Lichtempfangseinrichtung (69) empfangenen Lichts, das eine Wellenlänge im sichtbaren Bereich aufweist; und eine zweite Lichtaufspaltungseinrichtung (82) zum Aufspalten des von der zweiten Lichtempfangseinrichtung (70) empfangenen Lichts, das eine Wellenlänge im nahen Infrarotbereich aufweist.
  9. Optisches Bodenüberwachungsgerät (40) nach Anspruch 7, ferner umfassend: eine Bildempfangseinrichtung (84) zum Empfangen der von der Bildaufnahmeeinrichtung (68) aufgenommenen Bilddaten; und eine Zuverlässigkeitsberechnungseinrichtung (93) zum Berechnen der Zuverlässigkeit des empfangenen aufgeteilten Lichts mittels der von der Bildempfangseinrichtung (84) empfangenen Bilddaten, wodurch die Überwachung des Bodens aufgehoben wird, falls die von der Zuverlässigkeitsberechnungseinrichtung berechnete Zuverlässigkeit gering ist.
  10. Optisches Bodenüberwachungsgerät (40) nach Anspruch 9, wobei die Zuverlässigkeitsberechnungseinrichtung (93) die Zuverlässigkeit berechnet, indem sie einen Schlitzstrahl auf die Oberfläche der Bodenfläche (65) abgibt.
  11. Optisches Bodenüberwachungsgerät (40) nach Anspruch 7, ferner umfassend: eine Bildempfangseinrichtung (84) zum Empfangen der von der Bildaufnahmeeinrichtung (68) aufgenommenen Bilddaten, und eine Zuverlässigkeitsberechnungseinrichtung (93) zum Berechnen der Zuverlässigkeit des empfangenen aufgespalteten Lichts mittels der von der Bildempfangseinrichtung (84) empfangenen Bilddaten, wodurch die vom Berechnungsgerät (93) berechnete Zuverlässigkeit gespeichert wird.
  12. Optisches Bodenüberwachungsgerät (40) nach Anspruch 11, wobei die Zuverlässigkeitsberechnungseinrichtung (93) die Zuverlässigkeit berechnet, indem sie einen Schlitzstrahl auf die Oberfläche der Bodenfläche (65) abgibt.
  13. Optisches Bodenüberwachungsgerät (40) nach Anspruch 7, ferner umfassend eine Temperaturerfassungseinrichtung (83) zum Erfassen der Bodentemperatur.
  14. Optisches Bodenüberwachungsgerät (40) nach Anspruch 1, umfassend: eine Bodenaufgrabungseinheit (48), die den Boden parallel zur Oberfläche des Erdbodens in einer ausgewählten Tiefe unterhalb des Erdbodens aufgräbt; das Gehäuse (63), das mit der Bodenaufgrabungseinheit (48) verbunden ist und zumindest die obere Fläche der Überwachungskammer enthält; eine Messeinheit (49), die die charakteristischen Eigenschaften des Bodens innerhalb des Gehäuses (63) misst; den Schaft (58), der mit dem Gehäuse verbunden ist, aber einen Durchmesser aufweist, der kleiner ist als der des Gehäuses (63) und der den Boden aufschneidet; und ein Paar Führungsplatten (143), die das auf der Überwachungsoberfläche (65) durch die Tätigkeit des Schaftes (58) aufgehäufte Erdreich zurück zu der durch den Schaft (58) erzeugten Welle führen.
  15. Optisches Bodenüberwachungsgerät (40) nach Anspruch 14, ferner umfassend: eine Durchdringungseinheit (55) auf der Vorderseite der Bodenaufgrabungseinheit (48), die einen zylindrischen Tunnel erzeugt; und eine Glättungsplatte (60), die an der Vorderseite der Messeinheit (49) befestigt ist, zum Erzeugen einer ebenen Überwachungsoberfläche auf der Bodenseite des zylindrischen Tunnels, wodurch die Messeinheit (49) die charakteristischen Eigenschaften des Bodens überwacht.
  16. Optisches Bodenüberwachungsgerät (40) nach Anspruch 14, ferner umfassend eine Öffnung (64) auf der Rückseite der Messeinheit (49), so dass jegliches Erdreich, das in die Überwachungskammer gerät, durch die Rückseite entweichen kann.
  17. Optisches Bodenüberwachungsgerät (40) nach Anspruch 14, wobei der Schaft (58) auf der oberen Seite der Bodenaufgrabungseinheit (48) plaziert ist und leicht von der Richtung, in der sich das Gerät bewegt, weg abgewinkelt ist.
  18. Für die Präzisionsfelderverwaltung verwendetes Bodenüberwachungsgerät (40) nach Anspruch 1 zum Überwachen einer vorgegebenen Untergrundbodenfläche während der zur Erdbodenfläche parallelen Bewegung, umfassend: einen Sensor (43) zum Überwachen des Bodens; das Gehäuse (66a), das zumindest die obere Fläche und zwei Seiten einer Überwachungskammer (66) enthält, in der sich der Sensor zum Überwachen des Bodens befindet; die Bodenaufgrabungseinheit (48), die auf der Vorderseite des Gehäuses (63) vorgesehen ist und die den Untergrundboden aufgräbt, während sich das Bodenüberwachungsgerät (40) nach vorne bewegt; und den Schaft (58), der mit der oberen Seite des Gehäuses (63) verbunden ist und das Gehäuse (63) schützt und der einen V-förmigen Abschnitt zumindest an einer Spitze in Kontakt mit der Erde zum Aufschneiden des Bodens umfasst, während sich das Gerät waagerecht entlangbewegt, wobei der Schaft (58) enger als das Gehäuse (63) ist.
  19. Bodenüberwachungsgerät (40) nach Anspruch 18, wobei der Sensor so innerhalb des Gehäuses (66a) gehalten ist, dass er nach unten zum Messgegenstand hin zeigt, wobei das Gehäuse (66a) mit einer durchgängigen Öffnung von der Bodenseite zur Rückseite des Gehäuses versehen ist, wobei die rückwärtige Öffnung (64) des Gehäuses klein genug ist, um zu verhindern, dass die Überwachungskammer mit von der Bodenaufgrabungseinheit aufgebrachten Bodenpartikeln aufgefüllt wird, und wobei der Sensor weit genug weg von der rückwärtigen Öffnung (64) angebracht ist, so dass jegliches Erdreich, das in die rückwärtige Öffnung eindringt, nicht in den durch den Sensor definierten Überwachungsbereich gelangt.
  20. Bodenüberwachungsgerät (40) nach Anspruch 19, ferner umfassend eine Glättungsplatte (60) zum Glätten der Überwachungsfläche (65) des von der Vorderseite des Gehäuses aufgeschnittenen Bodens, wobei die Glättungsplatte (60) vom Gehäuse in solch einer Weise gehalten ist, dass die Glättungsplatte (60) nach unten zur Überwachungsfläche (65) hin abgewinkelt ist.
  21. Bodenüberwachungsgerät (40) nach Anspruch 19, wobei die Bodenaufgrabungseinheit (48) einen runden Querschnitt auf weist und einen zylindrischen Tunnel gräbt, wobei die Glättungsplatte (60) einen Abschnitt (74) des Tunnels ebnet, so dass der Tunnelboden gleichmäßig hoch ist.
  22. Bodenüberwachungsgerät (40) nach Anspruch 1 zur Präzisionsfelderverwaltung zum Überwachen einer vorgegebenen Untergrundbodenfläche bei zur Erdbodenfläche paralleler Bewegung, umfassend: ein Beleuchtungsgerät (77) zum Beleuchten der Bodenfläche; ein erstes Bildaufnahmegerät (68) zum Aufnehmen eines zweidimensionalen Bildes und zum Überwachen der durch das Beleuchtungsgerät beleuchteten Bodenfläche (65); einen Sensor (43) zum Überwachen des vom ersten Bildaufnahmegerät abgebildeten Abschnitts der Bodenfläche (65) und zum Ausgeben eines der Zusammensetzung des überwachten Bodens entsprechenden Signals; eine erste Merkmalsabzähleinrichtung zum Verarbeiten des Bildes des vom ersten Bildaufnahmegerät aufgenommenen Bilds des Bodens und zum Erzeugen einer Merkmalszählung, die die Unebenheit der Bodenfläche ausdrückt; das Gehäuse (63, 66a), das zumindest die obere Fläche und zwei Seiten einer Überwachungskammer enthält, in der sich der Sensor zum Überwachen des Bodens befindet; die waagerecht ausgerichtete Bodenaufgrabungseinheit (48), die auf der Vorderseite des Gehäuses vorgesehen ist, zum Aufgraben des Untergrundbodens, während sich das Bodenüberwachungsgerät nach vorne bewegt, wobei die Aufgrabungseinrichtung (48) eine kegelförmige erste Durchdringungseinheit (55) mit einem sich verjüngenden vorderen Ende sowie eine mit der ersten Durchdringungseinheit (55) verbundene zweite Durchdringungseinheit (56) aufweist, die ein zylindrisches Teil mit einem graduell anwachsenden Querschnitt ist und von der ersten Durchdringungseinheit nach innen verläuft, um so einen Bodendruckfreisetzungsraum zwischen dem Erdboden und der zweiten Durchdringungseinheit zum Freisetzen des Boden drucks zu bilden, nachdem die erste Durchdringungseinheit den Boden aufgegraben hat, und den leicht nach hinten geneigten Schaft (58), der mit der oberen Seite des Gehäuses verbunden ist und das Gehäuse schützt und der einen V-förmigen Abschnitt zumindest auf einer Spitze in Kontakt mit der Erde hat, um den Boden aufzuschneiden, während sich das Gerät waagerecht bewegt, wobei der Schaft enger als das Gehäuse ist; und ein Paar Führungsplatten (143) zum Führen des auf der Bodenfläche durch die Tätigkeit des Schaftes aufgehäuften Bodens zurück zu der durch den Schaft erzeugten Achse.
  23. Bodenüberwachungsgerät nach Anspruch 22, umfassend: eine erste Zuverlässigkeitsberechnungseinrichtung (93) zum Berechnen der Zuverlässigkeit und zum Berechnen und Ausgeben der Zuverlässigkeit des Signals, das vom Sensor aufgrund der Merkmalszählung ausgegeben wurde, die von der ersten Merkmalszähleinrichtung erzeugt wurde.
  24. Optisches Bodenüberwachungsgerät nach Anspruch 23, wobei die Zuverlässigkeitsberechnungseinrichtung (95) die Zuverlässigkeit berechnet, indem sie einen Schlitzstrahl auf die Oberfläche der Bodenfläche (65) abgibt.
  25. Bodenüberwachungssystem zum Überwachen einer vorgegebenen Untergrundbodenfläche zur Präzisionsfelderverwaltung, umfassend: ein Bodenüberwachungsgerät nach Anspruch 18 und ein Datenermittlungsgerät (68) für die momentane Position zum Ermitteln der momentanen Position des Bodenüberwachungsgeräts; und eine Datenaufnahmeeinrichtung (88) zum Aufnehmen von Überwachungsdaten aus den vom Bodenüberwachungsgerät erhaltenen Ausgabedaten und den vom Datenermittlungsgerät für die momentane Position erhaltenen Positionsdaten.
  26. Bodenüberwachungssystem nach Anspruch 25, ferner umfassend eine Datenübertragungseinrichtung zum Übertragen der von der Datenaufnahmeeinrichtung erhaltenen Überwachungsdaten.
  27. Mobiles Überwachungsfahrzeug, mit einem Bodenüberwachungssystem nach Anspruch 25 ausgestattet.
  28. Mobiles Überwachungsfahrzeug zur Verwendung bei der Präzisionsfelderverwaltung, wobei das mobile Überwachungsfahrzeug dazu ausgelegt ist, eine vorgegebene Untergrundbodenfläche zu überwachen, während es sich parallel zur Erdbodenfläche bewegt, wobei das mobile Überwachungsfahrzeug umfasst: ein Bodenüberwachungsgerät nach Anspruch 18; ein Datenermittlungsgerät (68) für die momentane Position zum Ermitteln der momentanen Position des Bodenüberwachungsgeräts; eine Tiefenüberwachungseinrichtung (45), die die Tiefe der Bodenüberwachungsfläche, die vom Bodenüberwachungsgerät überwacht wird, überwacht, und eine Datenaufnahmeeinrichtung (88) zum Aufnehmen von Überwachungsdaten aus den vom Bodenüberwachungsgerät erhaltenen Ausgabedaten und den vom Datenermittlungsgerät für die momentane Position erhaltenen Positionsdaten sowie den von der Tiefenüberwachungseinrichtung erhaltenen Tiefendaten.
  29. Mobiles Überwachungsfahrzeug nach Anspruch 28, wobei die Tiefenüberwachungseinrichtung (45) ein von einem Arm drehbar gehaltenes Rad umfasst, das mit dem Schaft verbunden ist, wobei sich das Rad auf der Erdbodenfläche dreht, während sich das mobile Überwachungsgerät bewegt, so dass die Tiefendaten aus dem Winkel des Arms berechnet werden.
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