In der Landwirtschaft gilt zunehmend, was in der Industrie längst Standard ist: Maschinen sollen immer mehr Aufgaben übernehmen, möglichst ohne das ein Bediener eingreifen muss. Eine typische Anwendung findet sich bei der Ernte von Gras oder Getreide. Das gemähte Gras oder das Stroh, das bei der Getreideernte übrig bleibt, wird auf dem Feld zu einem Schwad in Reihen zusammengerecht. Auf diese Weise lässt sich das Material anschließend mit einer Ballenpresse weiterverarbeiten. Dazu muss die Ballenpresse mit dem Schlepper möglichst exakt und gleichmäßig über den Schwad bewegt werden. Die Linienführung ist eine typische Aufgabe, die sich automatisieren lässt. Wie ein Autobahn-Spurhalteassistent in modernen Autos sorgt die Automatisierungstechnik dafür, dass der Schlepper die Ballenpresse in der Spur hält. Entscheidend ist in dieser Anwendung die Sensorik. Zum Einsatz kommt hierfür ein 3D-Sensorsystem von IFM. Dieses erzeugt mit der Photonenmischdetektor(PMD)-Technik ein dreidimensionales Bild der Umgebung.
Herzstück des 3D-Sensorsystems ist ein Photonenmischdetektor, dessen Funktionsprinzip auf dem Lichtlaufzeitverfahren beruht. Eine modulierte Lichtquelle beleuchtet den Erfassungsbereich mit unsichtbarem Infrarotlicht. Der PMD-Sensor, der mit der Modulationsquelle gekoppelt ist, empfängt das reflektierte Licht und misst die Phasenverschiebung zwischen gesendetem und empfangenem Signal. Damit lässt sich die Laufzeit des Lichts und damit die Entfernung zum Objekt genau bestimmen. Der PMD-Sensor besitzt eine integrierte aktive Fremdlichtunterdrückung und arbeitet auch bei Sonneneinstrahlung zuverlässig. Mit einer Auflösung von 64 x 16 Pixel lassen sich die Abstände exakt bestimmen. Im oben genannten Beispiel lässt sich eine Schwad-Verfolgung realisieren, bei der die Ballenpresse exakt über den Schwad gezogen wird. Gleichzeitig kann auch die Geschwindigkeit des Schleppers angepasst werden. Ballenpressen haben einen optimalen Arbeitsbereich für den Mengenstrom. Ist dieser bei geringer Geschwindigkeit zu klein – wird also zu wenig Material zugeführt – leidet die Produktivität im Termingeschäft. Bei zu hoher Geschwindigkeit wird die Ballenpresse überlastet und es kommt zu Verzögerungen bis hin zum Maschinenstillstand.
Bildverarbeitung im Sensor
Durch die hohe Anzahl von Pixeln und einer Messfrequenz von bis zu 50 Hz entstehen große Datenmengen. Um Anwendungen möglichst einfach implementieren zu können, verarbeitet das Sensorsystem die 3D-Daten bereits intern. Dazu sind zwei leistungsfähige 32Bit-Prozessoren direkt im Sensor integriert. Dabei kommen hochentwickelte Algorithmen aus dem Automotive-Bereich zum Einsatz, die beispielsweise eine zuverlässige Objekterkennung von bis zu 20 Objekten gleichzeitig ermöglicht. Auch Aufgaben wie die Distanzmessung oder Bereichsüberwachung sind im Sensor implementiert. Dabei stehen typische Funktionen wie minimaler, maximaler und durchschnittlicher Abstand zur Verfügung. Die Kommunikation dieser vorverarbeiteten Daten an eine übergeordnete Steuerung erfolgt über CANopen oder SAE J1939. Alternativ kann das Sensorsystem auch die kompletten 3D-Daten übertragen. Dazu steht eine zusätzliche Schnittstelle für Fast-Ethernet UDP zur Verfügung, die komplette Abstandsinformationen für sämtliche Pixel bis zu 50-mal pro Sekunde überträgt. Die Steuerung kann diese Daten dann beliebig auswerten. Um das Sensorsystem zu parametrieren, stellt IFM eine Software zu Verfügung. Über den sogenannten Vision Assistant ist auch ein Live-Monitoring der 3D-Daten möglich.
Optimiert für Maschinen
Anwendungen in mobilen Maschinen stellen hohe Anforderungen an die verwendeten Komponenten. Sie müssen Umgebungseinflüssen wie Vibrationen, Schocks, Staub und Temperaturschwankungen widerstehen. Da das 3D-Sensorsystem keine beweglichen Teile hat, ist der Sensor gegenüber Schocks und Vibrationen widerstandsfähig und praktisch verschleißfrei. Durch die Schutzart IP67 und IP69K und den Umgebungstemperaturbereich von -40 bis +85 °C ist das System für den Einsatz an mobilen Arbeitsmaschinen geeignet. Außerdem hat das System die E1-Zulassung. Sowohl das Sensorsystem als auch die zugehörige Infrarotbeleuchtung sind kompakt und lassen sich dadurch an fast jede landwirtschaftliche Maschine montieren.
In der Landwirtschaft und in anderen Bereichen, in denen mobile Maschinen verwendet werden, können mit dem 3D-Sensorsystem von IFM automatisierte Lösungen realisiert werden. Neben der oben beschriebenen Schwad-Verfolgung sind auch viele weitere Funktionen möglich. Statt dem subjektiven Gefühl des Maschinenführers sorgen zuverlässige Daten für eine bestmögliche Steuerung der Maschine.
