Abstandsmessung auf dem Acker

Landmaschinen sind im täglichen Einsatz extremen Belastungen ausgesetzt. Sie müssen mit Staub, Schlamm, Niederschlägen, starken Temperaturschwankungen und heftigen mechanischen Einwirkungen zurechtkommen. Das gilt natürlich auch für die Messtechnik, die moderne Maschinen an Bord haben. Häufig sind es Ultraschall- und Radarsensoren, die bauartbedingt besonders robust sind und sich in der Agrarwirtschaft bewährt haben. Pepperl+Fuchs bietet beide Technologien in Ausführungen für mobile Maschinen an, einschließlich CAN-Schnittstelle für die direkte Einbindung in die Fahrzeugsteuerung. 

Das Funktionsprinzip der Ultraschallmessung ist seit vielen Jahren und auf unterschiedlichen Einsatzgebieten erprobt. Eine bekannte Anwendung findet sich in der Schifffahrt und bei U-Booten, wo das Echolot den Abstand zum Meeresgrund bestimmt. Mit demselben Verfahren erfassen industrielle Ultraschallsensoren selbst unter schwierigen Bedingungen zuverlässig die Distanz zu einem Objekt oder einem Füllstandpegel. Dahinter steckt ein hochrobustes Messprinzip: Das Messgerät sendet kurze Schallimpulse und empfängt das reflektierte Echo. Die Entfernung zum Zielobjekt wird von einem integrierten Prozessor millimetergenau berechnet, indem er die Zeitspanne zwischen Senden und Empfangen des Signals auswertet. Ein wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens liegt in seiner Unabhängigkeit von allen optischen Eigenschaften. Weder Farbe noch Oberflächenstruktur des Zielobjekts beeinflussen das Messergebnis. Staub, Schmutz, starke Sonneneinstrahlung, Regen, Schnee oder Nebel beeinträchtigen die Funktion ebenfalls nicht; selbst die Verschmutzung der Sensoroberfläche durch ölige oder staubige Anhaftungen hat in der Praxis kaum Auswirkungen auf die Messstabilität. 

Flächige Erfassung 

Im Gegensatz zu punktförmigen Messverfahren breiten sich Ultraschallwellen kegelförmig aus und erzeugen eine „Schallkeule“. Von ihr werden auch Zielobjekte mit unregelmäßigen oder durchbrochenen Oberflächen zuverlässig erfasst. Der Sensor bildet aus mehreren Einzelmessungen einen stabilen Mittelwert, der als valides Abstandssignal ausgegeben wird. Bei den Geräten von Pepperl+Fuchs lassen sich sowohl die Parameter der Mittelwertbildung als auch die Geometrie der Schallkeule anpassen. So kann das Messverhalten gezielt auf die jeweilige Anwendung abgestimmt werden, also auch auf die schwierigen und oft wechselnden Einsatzbedingungen in der Landwirtschaft. 

Automatische Höhenführung 

Ein häufiges Einsatzszenario ist dort die automatische Höhensteuerung von Auslegern, etwa bei Pflanzenschutzspritzen. Ultraschallsensoren erfassen kontinuierlich ihren Abstand zum Boden oder zur Pflanzenoberfläche. Auf Basis ihrer Signale passt die Maschinensteuerung die Position des Auslegers an, um Bodenkontakt zu vermeiden. Gleichzeitig wird auf unebenem Gelände der optimale Arbeitsabstand immer wieder neu eingestellt. Die Sensoren werden je nach Maschinenkonzept seitlich am Spritzmitteltank oder am Ausleger montiert. Ihr Messfeld ist auf den Bereich vor der Sprühzone gerichtet. Dank der flexibel einstellbaren Schallkeule sind sowohl Montageposition als auch Einbauhöhe weitgehend frei wählbar. 

Füllstandmessung und präzise Applikation 

Über die Auslegerregelung hinaus kommen Ultraschallsensoren in der Landwirtschaft für zahlreiche weitere Aufgaben zum Einsatz. Dazu zählt unter anderem die automatische Höhensteuerung von Schneid- und Mähwerken sowie die Füllstandmessung in Behältern wie dem Korntank eines Mähdreschers oder dem Bunker einer Kartoffelerntemaschinen. Auch Förderbänder lassen sich auf diese Weise überwachen, um den Materialfluss zu regulieren. In autonomen oder teilautomatisierten Erntesystemen – etwa bei filigran arbeitenden Erdbeererntern – liefern Ultraschallsensoren zudem wichtige Informationen für die Spurführung und zum Schutz für Greifer und andere bewegliche Werkzeuge. Wie bei der Auslegersteuerung warnen die Ultraschallsignale rechtzeitig vor drohendem Bodenkontakt. 

Da die Sensoren die Maschinenumgebung differenziert erfassen, ermöglichen sie darüber hinaus die gezielte Steuerung von Sprühvorgängen. In Obstplantagen kann das Spritzen auf die Pflanzen beschränkt werden, weil die Sensoren die Zwischenräume zwischen den Bäumen oder Büschen erkennen und dort eine Unterbrechung der Ausbringung veranlassen. Das reduziert den Spritzmittelverbrauch, senkt die Kosten und schont die Umwelt. 

CAN-Anbindung 

Für mobile Maschinen bietet Pepperl+Fuchs Ultraschallsensoren der L2-Serie mit integrierter CAN-Schnittstelle an. Die Unterstützung von CANopen- und J1939-Protokollen erleichtert die direkte Einbindung in bestehende Fahrzeugarchitekturen. Eine Synchronisationsfunktion erlaubt zudem den parallelen Betrieb mehrerer Sensoren in unmittelbarer Nähe, ohne dass sich deren Signale gegenseitig beeinflussen. Die für den Agrarsektor ausgelegten Radarsensoren sind ebenfalls mit CAN-Schnittstellen ausgestattet.  

Radar für größere Distanzen 

Wie die Ultraschallsensorik verwendet auch die Radarmessung ein Laufzeitverfahren, hier unter Nutzung elektromagnetischer Wellen anstelle von Schall. Auch im Hinblick auf die bauartbedingte Robustheit sind beide Technologien ähnlich, wobei Radar vor allem bei metallenen Zielobjekten deutlich größere Messdistanzen abdecken kann. Die Geräte von Pepperl+Fuchs arbeiten mit der besonders stabilen frequenzmodulierte Dauerstrichmethode FMCW, mit der sie sowohl die Distanz als auch die Bewegungsrichtung und die Geschwindigkeit von Objekten in ihrem Erfassungsbereich präzise erfassen. Sie zeichnen sich zudem durch hohe elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) aus und können trotz hoher Störpegel bei leitungsgebundener und hochfrequenter Einstrahlung eine zuverlässige Messung gewährleisten. 

Ein typisches Einsatzbeispiel für Radarsensoren ist das parallele Fahren zweier Maschinen, etwa beim Entleeren des Mähdrescher-Korntanks während der Fahrt. Damit das Abtankrohr dauerhaft korrekt über dem mitfahrenden Anhänger positioniert bleibt, muss der Abstand zwischen den Fahrzeugen immer konstant bleiben. Radarsensoren erfassen die Distanz zuverlässig und liefern der Steuerung die notwendigen Daten zur Geschwindigkeitsanpassung. 

Darüber hinaus können Radarsensoren die tatsächliche Fahrgeschwindigkeit relativ zum Boden messen (speed over ground). Diese Information ist wichtig, um Saat- oder Spritzmengen exakt an die reale Geschwindigkeit anzupassen. Die Radarmessung wird von den unvermeidlichen Erschütterungen der Fahrzeuge in Bewegung, von Staub und Schmutz, von optischen Einflüssen und den Wetterbedingungen nicht beeinträchtigt. 

Sowohl die Ultraschall- als auch die Radarsensoren, die Pepperl+Fuchs speziell für den Außeneinsatz optimiert hat, verfügen über widerstandsfähige Gehäusen mit hohen Schutzarten. Durch sie sind sie – neben ihrer bauartbedingten Robustheit – zusätzlich vor Schmutz, Staub sowie intensiven Reinigungsverfahren geschützt. Die Geräte sind durchweg auf eine lange und praktisch wartungsfreie Lebensdauer ausgelegt, um eine unkomplizierte Verwendung im landwirtschaftlichen Umfeld zu gewährleisten. 

Autor: Carsten Heim, Pepperl+Fuchs SE