自主拖拉机及使用该拖拉机耕种农田的方法
阅读说明：本技术 自主拖拉机及使用该拖拉机耕种农田的方法 (Autonomous tractor and method for cultivating farmland by using same ) 是由 劳伦修斯·许贝特斯·玛格丽塔·施米茨 约里斯·简·希德玛 于 2019-11-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于自主穿越农田的自主拖拉机,包括一个或多个传感器,用于在穿越农田时检测障碍物；联接器,用于联接从一组农业机器中选择的农业机器,农业机器中的每一个都能够联接到拖拉机,以及连接器,用于将拖拉机连接到道路运输卡车,以便在道路上运输拖拉机,其中,用于穿越农田的拖拉机的运动方向与拖拉机在道路上运输时的运动方向垂直。本发明还涉及使用这种拖拉机的方法。(The invention relates to an autonomous tractor for autonomously traversing a farmland, comprising one or more sensors for detecting obstacles while traversing the farmland; a coupler for coupling an agricultural machine selected from a group of agricultural machines, each of the agricultural machines being capable of being coupled to a tractor, and a coupler for coupling the tractor to a road transport truck for transporting the tractor over a road, wherein a direction of movement of the tractor for traversing an agricultural field is perpendicular to a direction of movement of the tractor when transported over the road. The invention also relates to a method of using such a tractor.)
技术领域
本发明总体上涉及用于自主穿越和耕种农田的自主拖拉机。
背景技术
现今农业技术的采用改进了农民在农田中使用的方法。现代农业使农民在较少投入的情况下很容易获得高产。随着技术在农业中的应用，农业光明的未来受到了高度关注。例如，农业机器化减少了一些农业活动中人力的过度使用。因此，农业机器变得越来越大，越来越致力于一种耕种方式。引进自主拖拉机被认为是农业未来的下一步，并且预期使用自主拖拉机，更大和更专用(专门)的农业机器的趋势将继续下去。
现在自动驾驶汽车很常见。基于技术进步的趋势，可以预期这项技术也将用于耕种农田。目前，发达国家的农民正在就如何种植、收获和维护作物提供一种策略方法。新策略方法的很好的例子是在农业中使用自主拖拉机。自主拖拉机的概念可以追溯到80年代引入精确农业概念之前。在这些日子里，农民们用GPS技术指导拖拉机穿越农田。这种方法的目的是减少燃料消耗，提高拖拉机和农业活动的效率。因此，在引进了改进的无线设备通信的技术之后，这些最初的步骤为自主拖拉机的发展奠定了基础。自主拖拉机采用与无人驾驶车辆大致相同的方法，即使用先进的控制系统和传感器。随着自动转向能力的加入，这类拖拉机增加了控制能力。显然，自主拖拉机的推出在很大程度上体现了农业技术的广泛应用。
对农民的好处是显而易见的。不可否认的事实是，农业不是一件容易的事，它包括长时间工作和在恶劣天气条件下从事艰苦劳动。考虑到农民的普遍状况，他们中的大多数人在农田里没有雇员来安排他们的工作，因此，他们必须自己做所有的事情。自主拖拉机可以是积极的结果。除此之外，精确度和准确度是农业在种植等各个方面的重要方面。例如，对于此类种植，自主拖拉机可配备自动种植系统，以确保种植时的高精确度。有了这样的能力，农民就能确保种子得到保存。总而言之，由于精确度提高，使用这种拖拉机可能会带来更高的投资回报。
阻碍发达国家和发展中国家农业生产的因素之一是劳动力不足。通常情况下，农民种植一小块土地，他们一定要用有限的劳动力来管理。然而，随着自主拖拉机的采用，劳动力不足的问题得到了解决，因为耕种农田所需的雇员人数可以减少。
此外，数据在决定农民的决策方面也起着重要作用。通常，缺乏明确可靠的数据会干扰农民作出的决定，并随后对从农田获得的结果产生不利影响。农民要想在农业活动中取得成功，所需数据的来源和类型是多种多样的。例如，有关土壤的数据很重要，因为它可以帮助农民通过确定土壤的含水量和养分含量来确定在给定的土地上哪些作物生长良好。自主拖拉机可装配有各种传感器，用于收集土壤条件的数据，从而为改善现有作物的产量提供平台。因此，在使用自主拖拉机之后，消除农业中的人与人之间的相互作用可能是有利的。压力过大的员工无法在现场达到所需的效率水平。类似地，人类通常很难管理农场上的各种任务，特别是在涉及大片农田的地方。自主拖拉机配备了适当的传感器，可以在管理农田中的多项任务时提供必要的帮助，从而减轻农场的压力和工作量。
这些自主拖拉机采用高水平技术，可用于收集高配置的信息。例如，有些型号具有自动转向能力和GPS技术，从而增强了对拖拉机行驶路线的控制。先进的传感器在确定土壤含水量水平、种植和收获活动、当前产量以及给定土地面积所需的燃料量方面非常有用。此外，其他型号的自主拖拉机可以指导农民如何施肥。
自主拖拉机允许对工作和农业设备进行精确控制。这使得农民延长工作时间成为可能。拖拉机上装配的传感器即使在能见度降低的情况下和夜间也能引导拖拉机正确行驶：即使在刮风、多尘和多雾的情况下，工作仍在继续。此外，由于农民在管理种植任务方面具有更大的灵活性，因此在一天中增加工作时间的情况下，拖拉机减轻了员工的工作负荷和压力。
显然，自主拖拉机可以大大改善农业。然而，自动驾驶拖拉机尚未获得批准，而技术本身似乎并不是大型自主拖拉机耕种土地的主要障碍，因此立法是必要的。往返农田的自主移动显然是一个很大的障碍。此外，立法还禁止在道路上运输宽幅机器。例如，欧盟法规将农业机器的宽度限制为2.55米。事实上，更宽机器的自动折叠已经是当今技术的一部分，但这大大增加了复杂性，从而提高了价格，内在地推动了机器进一步变得更专业，特别是更大。反过来，这将使立法更加复杂，甚至可能意味着，在实践中，自主拖拉机将只适用于偏远、广阔的地区，甚至只适用于无人居住的地区。
发明内容
本发明的目的是减轻现有技术的自主拖拉机及其使用的缺点，特别是允许在不需要大量新立法的情况下更容易地实际使用。
为了实现本发明的目的，设计了一种用于自主穿越农田的自主拖拉机，该拖拉机包括一个或多个传感器、联接器和连接器。一个或多个传感器用于在穿越农田时检测障碍物。联接器用于联接从一组农业机器中选择的农业机器，农业机器中的每一个都能够联接到拖拉机。连接器用于将拖拉机连接到道路运输卡车，以便在道路上运输拖拉机，其中，用于穿越农田的拖拉机的运动方向与拖拉机在道路上运输时的运动方向垂直。
这样一来，发明人就克服了机器越来越大、越来越专业化的长期趋势。这是基于这样一种认识，即自主拖拉机在经济上具有吸引力、小型化和多功能化可能就足够了：小型化意味着拖拉机原则上不需要是将能量转化为运动的通用装置(“车轮上的马达”)。它不需要具有用于耕种土地的集成装置(如大型联合收割机和其他收获机)，因为拖拉机能够连接到各种不同的农业机器上进行农田作业。这意味着本发明允许拖拉机保持相对较小。尽管如此，由于拖拉机和农业机器是自主操作的，因此可以获得很好的投资回报(尽管其尺寸很小)，因为它可以每天24小时、每周7天运行。对于正在运转的小型机器来说，现行立法规定的限制要少得多。然而，为了经济上可行，许多机器只需要至少3米的工作宽度。更强大的是，许多现代机器的工作宽度超过5-6米，甚至20米或更多。这本身就使得这种机器不适合道路运输，立法上也没有解决办法。这个问题也与自主拖拉机有关：许多机器的工作宽度至少需要3米。然而，申请人认识到，也可以通过设计一种拖拉机来克服这个问题，该拖拉机的布置应确保拖拉机在穿越土地时的移动方向与道路运输期间的移动方向垂直。这意味着，当沿着道路行驶时，农业机械会沿运输方向延伸，从而沿道路的纵向延伸，这意味着法律限制要少得多。例如，根据欧盟法规，卡车和拖车的组合长度可达18.75米。同时，当自主拖拉机的长度保持在2.55以下(因此非常小)时，在运输过程中，其宽度将不超过2.55，这意味着在公路运输过程中符合欧盟法规。尽管如此，要实现这项发明的拖拉机，还需要第三个认识：在公共道路上自动行驶需要新的立法，而且还远远没有成为现实。然而，为拖拉机配备驾驶室，以便操作员能够驾驶拖拉机将极大地增加成本，甚至可能完全违背自动驾驶的经济优势。为了解决这个问题，发明人认识到机械上简单的连接器(牵引杆、备用轮连接器、绞盘等)用于将拖拉机连接到道路运输卡车以便在道路上运输拖拉机，将起到以下作用：在道路上运输时，拖拉机被视为拖车或货物，而不是机动车辆。由于垂直的运输方向，这与较小的宽度相结合，确保根据本发明的拖拉机符合目前适用于欧洲和北美的最重要的法律法规。
因此，基于一些见解和认识，发明人能够设计一种自主拖拉机，它克服了许多实际中妨碍使用这种拖拉机的问题，特别是在人口稠密地区。这种新设备与始于20世纪30年代的长期趋势(即农业机器越来越大，越来越专业化)相反。除此之外，作为额外的重要优点，本发明似乎能够以较低甚至不存在土壤压实风险的方式耕种土地。车轮交通无疑是土壤压实的主要原因。对于大型四轮驱动单元，拖拉机重量已从20世纪40年代的不足3吨增加到今天的约20吨。这是一个特别值得关注的问题，因为春季种植往往是在土壤干燥到足以支撑重型种植设备之前完成的。根据需要联接的农业机器的类型，本发明可以使拖拉机回到10吨以下，甚至5吨以下。
本发明还体现在一种耕作农田的方法中，该方法包括将农业机器联接到本发明的自主拖拉机上，将拖拉机与其联接的农业机器连接到道路运输卡车上，以便通过道路将拖拉机运输到许多农田上，将拖拉机从道路运输车上卸下，并允许拖拉机在农机耕种土地时自主穿越农田。
定义
拖拉机是用于牵引农业机器并为机器提供耕种土地所需的能量(包括任何收获作业)的农用车辆。它通常但不一定是具有汽油或柴油发动机以及大后轮或环形带轨道(所谓的履带)的强力车辆。
自主拖拉机是能够感知其环境，根据其感知和识别的内容做出决策，然后在该环境中驱动运动或操纵的拖拉机。这些基于决策的动作包括但不限于启动、停止和围绕在其路线上的障碍物进行机动。这种拖拉机无需操作员的连续控制即可穿越农田，当农业机器与拖拉机进行操作连接时，它可以自主耕种土地。
道路运输卡车是设计成能够在公共道路上运输物品的机动车辆，通过拉动物品(如果它具有用于在道路上运输的车轮)或通过(半)拖车运输物品。例如，道路运输卡车可以是常规的人工操作的牵引车，或卡车-拖车组合(拖车例如是平板拖车)。
道路是在两个或多个点之间的狭长平整的具有铺砌的硬路面，供机动车、马车等行驶。道路也指街道或(高速)道路。
农田是用于或适于耕种的土地。
传感器是对物理刺激(如热、光、声音、压力、磁或特定运动)作出响应、并传输产生的脉冲的设备，例如用于测量或操作控制。
障碍物是阻止或阻碍物体在环境中自由移动的任何物品。障碍物可以是固定的物理物品，如大石头或河流，可移动的物品，如动物或人类，但它也可以是虚构的物品，如边界或许多土地。
上方是指在某处或某处高于某人或某处的地方。
物品的占地是从上方看时，物品占用的空间。
车轮是在轴上旋转的物品，如普通轮辐车轮或履带，用于将(轴的)旋转转换为车辆的平移。
传感器的规格表示与传感器拾取信号和传递相应输出的能力相关的参数。典型的规格是“范围”、“精确度”、“分辨率”、“重复性”、“漂移”、“滞后”、“稳定性”、“响应时间”、“稳定时间”、“所需电压”、“电流消耗”、“输出”和“传感器噪声估计”。
自动意味着无需(人工)操作员干预。自动不排除操作员启动或停止的情况，只要过程可以在不需要操作员干预的情况下完成。
中央处理器或CPU是计算机系统中的电子电路，它通过执行由指令指定的基本算术、逻辑、控制和输入/输出(I/O)操作来执行计算机程序的指令。术语“CPU”可指有形(单个)处理器，更具体地说是指其处理单元和控制单元(CU)，但也可指分布在(无线)网络系统上的多个处理器，该(无线)网络系统如同一个单个处理器的一部分(例如经由云系统部分地存在于拖拉机、机器和远程服务器上)一样操作。
在根据本发明的自主拖拉机的实施例中，联接器可操作以在两个位置之间移动联接的农业机器，第一位置是拖拉机用于耕种土地的侧向位置，第二位置是拖拉机上方的位置。在本实施例中，农业机器可以在操作土地的位置和拖拉机上方远离土地的位置之间被提升到农田以及从农田提升。优选地，第二位置，即拖拉机上方的位置，与拖拉机的占地一致。在此优选实施例中，机器可被提升至拖拉机正上方。这对于联接了机器的拖拉机在道路上的运输过程而言是非常有利的，因为这意味着运输方向的宽度不大于拖拉机的宽度，而且，由于保持较大的重量(如农业机器的重量)在物品正上方，与保持较大的重量在该物品上方的角度(即小于90°(例如45°))位置相比时，对机器要求的条件不太严格。
在另一个实施例中，拖拉机具有与穿越农田时的运动相对应的第一组车轮，以及与拖拉机在道路上的运输相对应的第二组车轮。即使在本发明的拖拉机中可使用一组车轮，但是，例如当布置成使其能够枢转，使得其轴经历90°旋转以满足垂直方向的运动时，会发现使用两组车轮是有利的，每组车轮对应于当穿越农田时的运动方向或在道路上的运输方向。在另一个实施例中，第二组车轮设置成可远离农田移动，以防止当拖拉机穿越农田时与农田接触。
另一个实施例中，连接器包括牵引杆，使得拖拉机可以被牵引到拖车上或者被连接以便如同拖车一样被拖运，当拖拉机穿越农田时，牵引杆被布置成处于直立位置。
在另一个实施例中，农业机器具有至少3米的固定长度。本实施例的优点是具有相当大的工作宽度，同时仍然能够在不需要折叠的情况下通过道路来运输。尽管折叠大型农用机械是一种常见技术，但它会造成复杂和昂贵的机器，由于部件数量的增加而容易损失可靠性。
在另一个实施例中，其中拖拉机包括中央处理器(CPU)，用于接收来自一个或多个传感器的输入信号，并基于输入信号控制拖拉机的运动以避开障碍物，其中，该组中的农业机器中的每一个包括用于检测障碍物的一个或多个附加传感器，农业机器的联接包括操作地将一个或多个附加传感器连接到CPU，并自动地向CPU提供关于农业机器上的一个或多个附加传感器中的每一个的位置的数据以及这些一个或多个附加传感器中的每一个的一个或多个规格的数据。申请人认识到在障碍物感测方面可以取得很大的进步。尽管本领域已知在自主车辆上使用传感器来进行障碍物检测，并且在拖拉机的一部分上使用传感器来保持实际耕种机器(作为专用拖拉机的一部分)，但是设计成与各种不同的农业机器连接在一起的小型多功能拖拉机仍未得到重视。申请人意识到，有利的是，在这种情况下，农业机器的联接包括操作地将联接农业机器的传感器连接到拖拉机的CPU，并自动向该拖拉机的CPU提供关于农业机器上的一个或多个附加传感器中的每一个的位置的数据以及这些一个或多个附加传感器中的每一个的一个或多个规格的数据。这意味着农业机器的传感器被集成到系统中，使得系统作为一个整体可以以最佳可能的方式自主地操作。
在另一个实施例中，传感器的输出信号受到CPU的控制。
在另一个实施例中，对由CPU计算的拖拉机的运动的控制还基于拖拉机的一个或多个环境情况。优选地，环境情况选自包括以下各项的组：1)传感器附近是否存在农业机器，2)所存在的农业机器的类型，3)农业机器的运行条件，4)是否存在第二台自主拖拉机，5)农田的物理特性，6)天气状况，7)拖拉机附近是否有人，8)所述人的类型。
根据本发明的方法可以使用拖拉机的上述任一实施例而被调整。特别地，在优选实施例中，在道路运输期间，农业机械位于拖拉机上方的位置，并且在耕种土地时位于拖拉机的侧向位置。
附图说明
现在将使用以下附图进一步解释本发明。
图1是自主拖拉机的俯视示意图。
图2是图1中农业机器处于提升位置时自主拖拉机的俯视示意图。
图3是拖拉机的侧视示意图，与图1相对应。
图4是拖拉机的侧视图示意图，与图2相对应。
图5是替代的自主拖拉机的示意图。
图6是由人工操作的牵引车牵引的两台自主拖拉机的示意图，牵引车用作用于道路运输的道路运输卡车。
图7是如图6所示的组合的替代布置的示意图。
图8是如图6和7所示的组合的另一种替代布置的示意图。
图9是适合在道路上自主运输的自主拖拉机的示例。
图10示意性地示出了根据本发明的各种传感器的植入。
图11示意性地示出了传感器和CPU的布置。
具体实施方式
图1是自主穿越农田的自主拖拉机1的俯视示意图。拖拉机沿X所示方向穿越农田。在拖拉机的后端，通过常见的三角形联接器3与拖拉机联接的是动力耙2。三角形具有标准尺寸和驱动轴，使得各种常用农业机器可以与拖拉机联接。在农田沿X方向自动穿越期间，动力耙依靠在土地上耕种。拖拉机具有驱动车轮6和动力耙的内燃机(未示出)。为确保拖拉机主要不会受到任何障碍物的阻碍，前侧设置了多个传感器(未示出)，用于在穿越农田时检测此类障碍物。侧向地，拖拉机设置有牵引杆4，在牵引杆4的对面设置有第二组车轮5。拖拉机穿越农田时，不使用牵引杆和第二组车轮。它们用于在道路上帮助运输拖拉机。为此，牵引杆可用于将拖拉机连接到道路运输卡车上，以便在道路上运输拖拉机，而该组车轮5起到提供滚动支撑的作用。根据本发明，用于穿越农田的拖拉机的运动方向(X)与拖拉机在道路上运输时的运动方向垂直。后一个方向如图2所示。
图2是图1中农业机器2处于提升位置时自主拖拉机的俯视示意图。联接器3可操作地在两个位置之间移动所联接的耙(不排除耙可置于任何中间位置)，第一位置是拖拉机用于耕种土地的侧向位置(如图1和图3所示)，第二位置是拖拉机上方的位置。这是如图2所示的位置。相应的侧视图如图4所示。作为在拖拉机上方采取第二位置的结果，第二位置与拖拉机的占地一致，即耙的占地完全与拖拉机的占地重叠(在拖拉机的宽度上)。结果是，以Y表示的运输方向上的组合宽度不大于拖拉机本身的宽度。
图3是拖拉机的侧视示意图，与图1相对应。在该侧视图中，该组车轮5和牵引杆4布置在提升位置，以免干扰拖拉机的自主操作。
图4是拖拉机的侧视示意图，与图2相对应。在该侧视图中，该组车轮5和牵引杆4布置在降低位置，以便能够支撑拖拉机的道路运输。牵引杆用于连接人工操作的卡车。车轮5用于在道路运输过程中为拖拉机提供滚动支撑(参见图6、图7和图8，用于自主拖拉机与用于道路运输的人工操作的卡车的组合)。
图5包括图5A和5B，提供了替代的自主拖拉机1的示意图。在图5A中，拖拉机示出为“耕种”模式，其中连接有前端和后端农业机器2和2'。牵引杆4和车轮5处于提升位置，以防干扰农田的耕种。图5B示出相同的拖拉机，机器2和2'处于提升位置，牵引杆4和车轮5处于降低位置，从而实现道路运输。可以看出，没有给操作人员的驾驶室的优势在于，机器可以提升到完全直立的位置，从而在道路运输过程中获得尽可能小的宽度，而且，导致对联接器的机械要求不那么严格：当机器位于联接器正上方时，运输过程中施加在这些联接器上的力要小得多(与机器以45°角联接的情况相比)。
图6是图5所示的两台自主拖拉机1的示意图，由作为道路运输卡车的人工操作的牵引车10牵引。两台拖拉机1都将农业机器提升到直立位置，以提供尽可能小的宽度。
图7是如图6所示的组合的替代布置的示意图。在本实施例中，牵引车10牵引两台自主拖拉机1和1'，其中联接有不同的农业机器。
图8是如图6和7所示的组合的另一种替代布置的示意图。在这种组合中，牵引杆4和该组车轮5布置在每台拖拉机的相对侧(相互比较时)，这样做的好处是，在道路运输过程中，农业机器位于每台拖拉机的两侧。这降低了机器机械地干扰道路运输的风险。
图9示意性地示出了适合在道路上自动运输的自主拖拉机的示例。在本实施例中，车轮5的至少一根轴由拖拉机的马达驱动，该轴和/或另一根轴可布置为可用于在道路上行驶的转向轴。本拖拉机在道路上的自动运输/驾驶技术可能与目前用于自动驾驶汽车的技术相同。
包括子图10A、10B和10C的图10示意性地示出了根据本发明的各种传感器的植入。在图10A中，示出了没有与其相连的农业机器的自主拖拉机。传感器(未示出)在区域20中创建虚拟笼30。如果在虚拟笼30中检测到障碍物(例如人)，CPU将做出反应控制拖拉机的运动，例如通过停止机器，或通过(预期)减速，同时提供灯光和声音信号以警告拖拉机附近的人员，以避免从人上驶过。
图10B示出了农业机器2连接到拖拉机的情况(为了清楚起见，图10B中未描述机器2本身；参见图10C的实际机器2)。根据本发明，一旦机器(以电子方式)连接到拖拉机的CPU(可能通过使用连接器/ISOBUS等的硬件连接或者通过无线连接)向CPU自动提供关于农业机器上的一个或多个附加传感器中的每一个的位置的数据以及这些一个或多个附加传感器中的每一个的一个或多个规格的数据。在本实施例中，CPU自动关闭拖拉机的传感器，该传感器感测通向调整后的虚拟笼30'的农业机器(如图10B所示)。这个虚拟笼30'实际上和30是相同的笼，减去面向农业机器的部分。一旦连接，CPU还会自动关闭农业机器的传感器。这通向如图10C所示的虚拟笼30”。因此，拖拉机和机器的组合可以通过拖拉机和机器上的组合传感器进行操作，实质上是将拖拉机和农业机器的组合视为一个单元来穿越农田。
在实践中，可能会有几个独立的拖拉机同时穿越同一块农田，一起耕种。如果是这样，重要的是各种拖拉机(加上机器)不要将彼此视为常规障碍物，这可能会导致它们相互反应，停止并不再继续工作。因此，一旦各个自主拖拉机彼此靠近工作，就应该在关于位置、速度和行进方向的组合之间进行通信，并且还应该在关于尺寸实施的组合之间进行通信。传感器在这方面是有用的。
本发明的另一个方面是，拖拉机能够区分(好奇的)观众和操作员。如果机器必须对公众100％安全，操作员有时必须密切观察拖拉机和/或机器，以实时调整和验证机器执行的耕种作业的结果。例如，这可能导致这样一种系统：如果在拖拉机10米范围内以一定速度感应到普通观众，则机器开始提供灯光和声音信号，如果观众在拖拉机5米范围内，机器甚至停止，而对于操作员而言，当拖拉机以相同速度行驶时，仅在3米和1米处进行此类操作。例如，可以通过拖拉机的CPU与智能手机或操作员的其他手持设备之间的无线通信，或者通过感测操作员的物理特性(例如虹膜、面部或任何其他物理特性)来识别操作员。此外，连接到操作员的一个或多个传感器的输出信号可以用作CPU的输入。在实施例中，一旦操作者出现在虚拟笼中，他(或她)就在那里接收信号。这提高了操作条件的安全性。
图11示意性地示出了传感器41到45以及CPU 40在根据本发明的拖拉机和农业机器的组合中的布置。传感器41、42和43是拖拉机的一部分，与CPU 40有固定连接。它们向CPU提供输出信号，CPU在转弯时控制并驱动拖拉机的马达50(“M”)、声光预警系统51(“LS”)和/或(虚拟)方向盘52(“W”)。传感器44和45是农业机器的一部分，通过连接器60连接到CPU。
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