CN101248721A - 联合收割机的谷物流量测量装置及测产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种联合收割机的谷物流量测量装置及测产方法，绞龙出口连接到测量装置的入口，测量装置出口在谷仓上方，从绞龙排出谷物通过测量装置之后投入到谷仓；将空气湿度传感器、谷物湿度传感器和接近开关接口分别连接到微机系统；先建立谷物标准质量流量与收割现场空气湿度、谷物含水率和谷物容积流量关系，再将谷物输入测量装置后由各种传感器、接近开关通过微机系统在线检测到收割参数，最后计算出收割谷物的标准质量流量、产量和总产量。本发明的测量受到工作环境影响小、精度高、结构紧凑、使用简单可靠、成本低；消除了收割时空气湿度造成谷物表面、内部含水率不同对作物产量影响，为实施精细农业生产提供准确产量信息。

Description

联合收割机的谷物流量测量装置及测产方法

技术领域

本发明涉及一种联合收割机的谷物流量测量装置及测产方法，属于测量装置技术领域，用于联合收割机收割工作过程中在线测量谷物流量和收割作物产量。

背景技术

在谷物收割过程中，在线采集的作物产量及其空间分布信息(产量图)，集中反映了农田土壤特性、化肥利用、地形结构、气象因素、灌溉情况、虫草侵害等因素对产量的影响。它既可以为后续变量作业提供决策依据，又能够反馈先前精确农作诸环节的实施效果，使精确农业成为一个完整的闭环调节系统。因此，作物产量是精细农业中需要获取的重要信息，而谷物流量测量装置作为作物产量测试的关键核心部件，其性能直接影响产量图的精度。

目前国内外作物产量测量基本原理是：上海交通大学的专利申请200510027056.7，名称是“基于单片机和电子盘存储的谷物测产系统”以及专利申请2200510027055.2，名称是“基于远程数据传输的智能测产系统”：利用GPS给出每秒联合收割机在田间的经、纬度坐标，通过流量测量装置或者传感器测量单位时间内谷物的质量流量值，再利用速度传感器记录前进的速度，根据幅宽，通过流量除以收割机机器通过的面积(行走速度×收割宽度)即为单位面积的产量，从而将谷物流量值换算为单位农田小区面积产量值。这两件专利申请的缺陷是：产量值没有考虑收割时空气湿度和谷物含水率影响，与在标准空气湿度和谷物含水率下测得的标准作物产量没有可比性，同时该产量值和收割面积一样，作为收割机收割费用的依据也不科学合理。

欧美国家在20世纪90年代就已开发出多种类型商品化谷物流量传感器，目前国内外谷物流量测量从测量形式看主要有测量体积流量和质量流量两种方法。从测量技术看主要有：

冲击式流量传感器。采用冲击式载荷测量法，冲量式谷物质量流量传感器以安装方便，对谷物品种不敏感，没有任何潜在污染等特点而被较多采用。但是，在实际使用中，载荷测量一般是采用应变片测力、半导体压阻元件测力和电容测力的原理进行力的测量。由于联合收割机工作环境恶劣，振动严重、干扰大，同时需要连续动态测量，这几种测量力的方案均会产生较大的测量误差。另外根据资料介绍，美国Ag Leader公司商品化的谷物测产计价系统(不含GPS)一套约为4.0万元人民币左右，价格较高，在我国难于应用推广。同时冲击式流量传感器在我国也一直倍受重视，如：中国农业大学于2000年引进一台带AFS系统的CASE2366联合收割机，2002年6月在消化吸收基础上自主开发了一套适用谷物收获的测产系统；2000年6月上海市精准农业技术有限公司与上海交通大学机器人研究所开始合作，研制了我国第一台拥有自主知识产权的联合收割机智能测产系统“精准一号”，2006年上海交通大学设计一种平行梁结构冲量式谷物质量流量传感器，并以之为核心部件构建了测产系统，同时进行了大量的田间实验。但国内冲击式流量传感器研究进展缓慢，尚处于实验探讨阶段，要进入实际应用还有许多技术问题需要解决。

γ射线式流量传感器。如英国Massey Ferguson公司研制生产的产量自动计量系统，采用γ射线吸收原理测量谷物流量，具有较高的精度，但制造成本较高，同时由于其利用γ射线作为测产手段，要用到放射性物质，在许多国家包括我国在射线产品的使用上受到严格限制，这就限制了γ射线式流量传感器的普及与推广。

电容流量传感器。英国AGCO公司的Field Star系统，及英国RDS公司的产量监测系统等曾用电容法测量谷物质量流量，这种测量系统会受到谷物湿度、谷物在容器内的分布及机器运行状态的影响。

总体来说，上述三种质量流量测量技术虽各具特色，但应用这些测量技术设计的谷物流量传感器在实际使用中均存在着精度不高、性能不稳定、成本高等问题。

光电式容积流量测量装置。德国采用容积式光电测量法，通过测量谷物升运器内谷物高度得出体积流量，这种方法会受到机器倾斜及谷物湿度的影响，在不测定谷物的密度和含水量情况下，确定谷物质量流量误差较大。如根据资料介绍，在进行316m×20m左右收获面积田间试验时，由于随机干扰的影响，谷物质量流量试验误差达10％。

刮板轮式容积流量测量装置。它在谷物升运器和谷仓之间增加了一个刮板轮机构，当来自谷物升运器的谷物达到一定体积时，料位传感器监测到信号后通过驱动刮板轮转动，由于两个刮板轮之间的空间容积(V)是已知的，只要记录下刮板轮的瞬时转速(R)，就可以计算出谷物的容积流量。这种流量测量装置可以达到相当高的精度，实时性也较好，但需要在谷物升运器出口和谷仓之间增加一个体积较大的刮板轮机构及其驱动电机，而许多联合收割机并不具备足够的空间，同时需要微机控制系统配置料位传感器和驱动电机控制部分，结构及控制复杂，工作不可靠，因而限制了它的推广。

上述两种容积流量测量技术及装置都有测量精度受收割机工作环境影响小，精度相对较高和成本低等优点，但依然存在质量流量测量精度易受到谷物湿度和含水率影响较大，质量流量误差大和结构复杂等问题。

发明内容

本发明针对精细农业生产中对产量图中产量信息要求和目前联合收割机测产方法及谷物流量测量装置的不足，提供了一种测量精度高的联合收割机的谷物流量测量装置及测产方法。

本发明测量装置采用的技术方案是：包括输送谷物的搅笼、传感器，搅笼出口连接到测量装置的入口，测量装置出口在谷仓上方，从搅笼排出谷物通过测量装置之后投入到谷仓；测量装置包括机壳，在机壳上方安装上挡板机构和空气湿度传感器、下方安装下挡板、前后两侧安装侧挡板、正前方安装计量轮轴部件；在侧挡板的下部安装谷物湿度传感器，在靠近计量轮轴部件侧安装接近开关；将空气湿度传感器、谷物湿度传感器和接近开关接口分别连接到微机系统。

本发明测产方法采用的技术方案是：先建立谷物标准质量流量与收割现场空气湿度、谷物含水率和谷物容积流量关系，再将谷物输入测量装置后由各种传感器、接近开关通过微机系统在线检测到谷物容积流量q_iv、空气湿度h_qi、、谷物含水率h_i、、收割机行驶速度u_i、收割幅宽b_i收割参数，最后计算出收割谷物的标准质量流量q_i、标准产量Q_i和标准总产量Q。

本发明的测量装置的测量精度受到收割机工作环境影响小、精度高，同时结构紧凑、使用简单可靠、成本低，非常适合工作环境恶劣的联合收割机收割作业生产。本发明的测产方法是以在标准测试条件下的谷物标准质量流量为指标，在谷物收割过程中在线得到谷物标准质量流量和标准产量，通过将谷物流量测量装置测得的谷物容积流量修正成在标准测试条件下的标准作物产量，消除了由于收割时空气湿度造成谷物表面含水率不同，以及谷物内部含水率不同对作物产量影响，据此生成的产量图更加准确科学，实施精细农业生产提供准确产量信息。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1联合收割机谷物流量测量装置总体结构示意图；

图2是图1的A向半剖视图；

图3是图1中机壳21的立体结构图，其中(a)为主视图，(b)为后视图；

图4是图1中上挡板机构22的结构示意图；

图5是图4的左向局部剖视图；

图6是图1中计量轮轴部件24结构示意图；

图7是图6的俯视局部剖视图；

图8是测产方法具体实施工作流程示意图；

图9是收割参数在线检测及测产数据处理装置组成结构示意图。

具体实施方式

如图1～3所示，搅笼1出口连接到测量装置2的入口，测量装置2出口在谷仓3上方，从搅笼1排出谷物通过测量装置2之后投入到谷仓3。测量装置2包括机壳21，在机壳21上方安装上挡板机构22和空气湿度传感器26、下方安装下挡板23、前后两侧安装侧挡板25、正前方以支撑轴承部件29安装计量轮轴部件24；在侧挡板25的下部安装谷物湿度传感器27，在靠近计量轮轴部件24侧安装接近开关28。将空气湿度传感器26、谷物含水率(或湿度)传感器27和接近开关28以及计数接口连接到微机系统。

联合收割机谷物流量测量装置2各部分作用及位置关系描述如下：图3中的机壳21各部分焊接而成，左侧通过搅笼套管211安装在搅笼1上，在机壳上安装谷物流量测量装置2其它部件。图4～5中机壳21的上支撑板213左下侧固定上挡板机构22的销轴座225，通过销轴226、小套管224和回位弹簧222安装上挡板223，通过卡簧221轴向定位，通过调节回位弹簧222予紧程度，使得上挡板223可以绕销轴226在α(0°≤α≤90°)范围内转动，对进入计量轮轴部件24的谷物进行刮平整理，保证进入计量轮轴部件24的谷物容积一致。机壳21的左支撑板212内下方安装下挡板23，防止谷物从底部空隙溢出。机壳21的前后支撑座215上安装支撑轴承部件29，支撑计量轮轴部件24。机壳21的上支撑板213左下前后两侧，即搅龙1出口两侧分别安装侧挡板25，防止谷物从两侧空隙溢出；机壳21的上支撑板213外上方安装空气湿度传感器26，检测周围环境空气湿度；在机壳21的内侧挡板25下部安装谷物含水率(或湿度)传感器27，检测谷物含水率(或湿度)；机壳21的前支撑板214外右部安装接近开关28，检测计量轮轴转动单位容积数量。

图6～7中计量轮轴部件24用于对谷物流动容积计量，各部分作用及位置关系描述如下：计量轮241固定安装在轮轴245前端，计量轮241可以4到10等份，方法是在计量轮241上固定4～10个等份隔板243，在计量轮241和等份隔板243两侧分别插入安装相应的4～10个侧板244，形成相应的4～10个等容积腔，每1个充填单位容积中的谷物容积为v。图6～7中以8等份为例，将8个等份隔板243通过焊接安装在计量轮241上，计量轮241转动时由铁制的等份隔板242通过接近开关28发出脉冲，脉冲个数表示谷物单位容积流量数，在计量轮241和等份隔板243两侧分别插入8个塑料或者铝质侧板244，形成8个等容积腔。在等份隔板243和侧板244均设有外沿折边，防止谷物向内侧和两侧溢出。由棘爪246、棘爪轴247、弹簧248和棘轮249等组成棘轮棘爪机构，将棘爪246接触到棘轮249，保证计量轮轴部件按照顺时针单方向转动，防止轮轴245反转。棘轮249固定安装在轮轴245前端，棘爪246与棘爪轴247之间相对转动，棘爪轴247固定安装在机壳21的前支撑板214上，在棘爪246和棘爪轴247之间安装弹簧248，弹簧248可以调节予紧力，保证谷物充填满一等份后，轮轴245才能转动。在谷物充填满一容积腔后，计量轮轴部件24在谷物输送搅龙1排出的谷物流动推动下，克服弹簧248产生的一定力矩后，转动一等份角，接近开关28发出一脉冲。在轮轴245上固定安装轮轴手柄242，在测量装置维护和联合收割机工作结束时，通过人工转动，检修装置或者将计量轮241上遗留谷物转入到谷仓3。

如图8所示，联合收割机的测产方法是针对收割现场空气湿度和谷物含水率对谷物质量流量和产量测量影响提出的，包括：通过试验建立谷物标准质量流量与收割现场空气湿度、谷物含水率和谷物容积流量关系；通过收割参数在线检测及测产数据处理装置，在线检测联合收割机收割谷物容积流量q_iv、空气湿度h_qi、谷物含水率h_i、收割机行驶速度u_i、收割幅宽b_i等收割参数；计算收割谷物标准质量流量q_i、标准产量Q_i和标准总产量Q三方面，具体如下：

1、谷物标准质量流量与收割现场空气湿度、谷物含水率和谷物容积流量关系建立如下：

第一步，收割现场空气湿度对谷物标准质量流量影响试验：在收割现场不同空气湿度下，对收割下某种谷物量取一定容积的谷物，然后将该谷物铺开放置在标准空气湿度下(如一般谷物储藏湿度在45％～60％RH之间)，当谷物表面达到标准空气湿度时，测量该谷物容积，从而得到该谷物对应收割现场不同空气湿度下容积收缩率α(h_qi)。

第二步，收割谷物含水率对谷物标准质量流量影响试验：对收割下某种谷物在不同含水率(或者谷物湿度)下量取一定容积的谷物，然后将该谷物铺开放置在标准空气湿度下进行干燥，当谷物达到标准含水率(或者谷物湿度)时，测量该谷物容积，从而得到该谷物对应收割现场不同含水率(或者谷物湿度)下容积收缩率β(h_i)。

第三步，对某种谷物在标准空气湿度和含水率(或者谷物湿度)下测试比重ρ。

通过以上三步，建立谷物标准质量流量q_i与收割谷物容积流量q_iv、收割现场空气湿度h_qi和谷物含水率h_i关系为：

q_i＝ρ·q_iv·α(h_qi)·β(h_i)                (1)

其中，q_i单位是Kg/s，q_iv单位是m³/s，ρ单位是Kg/m³。

2、联合收割机收割参数在线检测方法如下：

参数是用微机系统和谷物流量测量装置在线检测，测产数据处理装置如图9所示，硬件部件包括下位机以CAN总线接口连接上位机、谷物流量测量装置、接近开关、计数接口、空气湿度传感器及其检测接口、谷物含水率(湿度)传感器及其检测接口等分别连接到微机系统的下位机，由电压不等的电源控制。

下位机通过CAN总线接口与上位机建立数据通信，由上位机通过速度传感器和宽度传感器在线测量联合收割机行驶速度u_i和收割幅宽b_i，送给下位机。

下位机(测产微机系统)在软件控制下，通过计数接口，在单位时间T内对谷物流量测量装置上的接近开关发出的脉冲计数n_i，计量轮轴部件24上每个等容积腔的谷物容积为v，计算得到谷物容积流量q_iv，即：

q_iv＝n_i·v/T                        (2)

其中，v单位是m³，T单位是s。

在测产微机系统软件控制下，通过空气湿度和谷物含水率(或湿度)传感器及其检测接口得到空气湿度h_qi和谷物含水率(或湿度)h_i。

3、收割谷物标准质量流量q_i、标准产量Q_i和标准总产量Q计算方法如下：

在测产微机系统数据存储器中预先存放不同谷物针对收割现场不同空气湿度下的容积收缩率α(h_qi)、不同含水率(或者谷物湿度)下的容积收缩率β(h_i)和在标准空气湿度和含水率(或者谷物湿度)时的比重ρ值。在测产微机系统软件控制下，完成以下计算：

第一步，按照式(1)，由收割谷物容积流量q_iv、收割现场空气湿度h_qi和谷物含水率h_i，进行谷物标准质量流量q_i计算。

第二步，依据收割机收割谷物标准质量流量q_i、行驶速度u_i和收割幅宽b_i，进行联合收割机收割谷物标准产量Q_i计算，即：

Q_i＝q_i/(u_i·b_i)                (3)

其中，Q_i单位是Kg/m²，u_i单位是m/s，b_i单位是m。

第三步，进行联合收割机收割谷物标准总产量Q和收割谷物总面积P计算，即：

Q＝∑q_i·T                    (4)

P＝∑u_i·b_i·T                (5)

其中，Q单位是Kg，P单位是m²。收割谷物标准平均产量为Q/P。

Claims (8)

1.一种联合收割机的谷物流量测量装置，包括输送谷物的搅笼、传感器，其特征在于：搅笼(1)出口连接到测量装置(2)的入口，测量装置(2)出口在谷仓(3)上方，从搅笼(1)排出谷物通过测量装置(2)之后投入到谷仓(3)；测量装置(2)包括机壳(21)，在机壳(21)上方安装上挡板机构(22)和空气湿度传感器(26)、下方安装下挡板(23)、前后两侧安装侧挡板(25)、正前方安装计量轮轴部件(24)；在侧挡板(25)的下部安装谷物湿度传感器(27)，在靠近计量轮轴部件(24)侧安装接近开关(28)；将空气湿度传感器(26)、谷物湿度传感器(27)和接近开关(28)接口分别连接到微机系统。

2.根据权利要求1所述的联合收割机的谷物流量测量装置，其特征在于：所述计量轮轴部件(24)包括安装在机壳(21)上的轮轴(245)和棘爪轴(247)、固定安装在轮轴(245)前端的计量轮(241)和棘轮(249)；在计量轮(241)上固定4～10个等份隔板(243)，在计量轮(241)和等份隔板(243)两侧分别插入安装相应的4～10个侧板(244)，形成相应的4～10个等容积腔，计量轮(241)转动时由等份隔板(242)接触接近开关(28)发出脉冲；在棘爪轴(247)上安装棘爪(246)，在棘爪轴(247)和棘爪(246)之间安装弹簧(248)，将棘爪(246)接触到棘轮(249)以防止轮轴(245)反转。

3.根据权利要求1所述的联合收割机的谷物流量测量装置，其特征在于：机壳(21)左侧通过搅笼套管(211)安装在搅笼(1)上；在机壳(21)的上支撑板(213)左下侧固定上挡板机构(22)的销轴座(225)，以销轴(226)、小套管(224)和销轴(226)上的回位弹簧(222)及卡簧(221)安装上挡板(223)；在机壳(21)的左支撑板(212)内下方安装下挡板(23)；机壳(21)的前后支撑座(215)上安装支撑轴承部件(29)支撑着计量轮轴部件(24)；机壳(21)的上支撑板(213)左下前后两侧分别安装侧挡板(25)；机壳(21)的上支撑板(213)外上方安装空气湿度传感器(26)；在机壳(21)的内侧挡板(25)下部安装湿度传感器(27)；机壳(21)的前支撑板(214)外右部安装接近开关(28)。

4.根据权利要求2所述的联合收割机谷物流量测量装置，其特征在于：在轮轴(245)后端固定安装轮轴手柄(242)。

5.一种如权利要求1所述的联合收割机的测产方法，其特征在于：先建立谷物标准质量流量与收割现场空气湿度、谷物含水率和谷物容积流量关系，再将谷物输入测量装置(2)后由各种传感器、接近开关(28)通过微机系统在线检测到谷物容积流量q_iv、空气湿度h_qi、谷物含水率h_i、收割机行驶速度u_i、收割幅宽b_i收割参数，最后计算出收割谷物的标准质量流量q_i、标准产量Q_i和标准总产量Q。

6.根据权利要求5所述的联合收割机的测产方法，其特征在于：所述的谷物标准质量流量与收割现场空气湿度、谷物含水率和谷物容积流量关系的建立方法包括如下步骤：

(a)在收割现场不同空气湿度下，对收割下的谷物量取一定容积的谷物，然后将该谷物铺开放置在标准空气湿度下，当谷物表面达到标准空气湿度时，测量该谷物容积，从而得到该谷物对应收割现场不同空气湿度下容积收缩率α(h_qi)；

(b)对收割下的谷物在不同含水率下量取一定容积的谷物，然后将该谷物铺开放置在标准空气湿度下进行干燥，当谷物达到标准含水率时，测量该谷物容积，从而得到该谷物对应收割现场不同含水率下容积收缩率β(h_i)；

(c)对谷物在标准空气湿度和含水率下测试比重ρ。

7.根据权利要求5所述的联合收割机的测产方法，其特征在于：所述在线检测到谷物容积流量q_iv、空气湿度h_qi、谷物含水率h_i、收割机行驶速度u_i、收割幅宽b_i收割参数的方法是：

(a)微机系统通过计数接口，在单位时间T内对谷物流量测量装置(2)上的接近开关(28)发出的脉冲计数n_i，计量轮轴部件(24)上每个等容积腔的谷物容积为v，计算得到谷物容积流量q_iv，即：

q_iv＝n_i·v/T

其中，v单位是m³，T单位是s；

(b)微机系统通过通过空气湿度传感器(26)和谷物湿度传感器(27)及其检测接口测得空气湿度h_qi和谷物含水率h_i；

(c)微机系统通过速度传感器和宽度传感器分别测量到联合收割机的行驶速度u_i和收割幅宽b。

8.根据权利要求5所述的联合收割机的测产方法，其特征在于：所述计算出收割谷物的标准质量流量q_i、标准产量Q_i和标准总产量Q的方法如下：

(a)谷物的标准质量流量q_i为：q_i＝ρ·q_iv·α(h_qi)·β(h_i)

其中，q_i单位是Kg/s，q_iv单位是mu³/s，ρ单位是Kg/m³；

(b)谷物的标准产量Q_i为：Q_i＝q_i/(u_i·b_i)

其中，Q_i单位是Kg/m²，u_i单位是m/s，b_i单位是m；

(c)谷物的标准总产量Q为：Q＝∑q_i·T

收割谷物的总面积P为：P＝∑u_i·b_i·T

其中，Q单位是Kg，P单位是m²。

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