CN102379188B - 联合收割机喂入量测量方法及喂入量监测装置 - Google Patents

Abstract

一种联合收割机喂入量测量方法及喂入量监测装置，该方法通过滚筒转速测量、滚筒扭矩测量来测量脱粒功率，借助于收割机行进速度和粮食产量测量数据融合技术达到实时测量联合收割机喂入量的目的。通过间接测量粮食产量、脱粒滚筒转速、脱粒滚筒扭矩以及收割机前进速度，来检测喂入量的大小。粮食产量测量装置能够实时获得时间上滞后的喂入粮食重量值并与联合收割机行进速度测量装置测得的收割机行进速度数据以及平均谷草比测得实际的喂入量，滚筒转速测量装置和滚筒扭矩测量装置能够测量滚筒转速和扭矩，从而得到实时脱粒滚筒功率，最后车载计算机将这些测量值进行信息融合，实时判断出联合收割机的喂入量大小。

Description

联合收割机喂入量测量方法及喂入量监测装置

技术领域

本发明涉及精准农业机械装备检测监测技术领域，特别是一种联合收割机喂入量测量方法及喂入量监测装置。

背景技术

喂入量是谷物收获机械的重要设计参数和性能参数。在收获季节，一方面由于超喂入量工作会使联合收割机的作业质量降低，甚至造成工作部件频繁堵塞；另一方面由于达不到额定喂入量或最佳喂入量致使联合收割机性能下降，工作效率低。近年来，国内外在联合收割机喂入量的量化试验方面做了不少的工作，如美国的一些农机专家为了研究联合收割机喂入量测试仪，曾对输送扭矩传感器、发动机转速传感器、割台搅龙扭矩传感器、谷粒螺旋推运器扭矩传感器、空气压力传感器和谷物流量计等多种喂入量测试传感器进行田间试验，取得了一定的成果，国内也有人提出通过测量谷物通过倾斜输送器时对底板的压力测量喂入量，但由于多种因素的影响，基本上仍属于试验研究阶段，不能达到量化的程度。

联合收割机收获喂入量实时监测一直是国内外联合收割机自动控制技术的攻关难点，由于农作物的复杂性、环境参数的多变性以及动态测量的实时性，造成联合收割机收获喂入量信息难以数字化，直接影响联合收割机的调控技术。单一传感器的喂入量测量方法很难达到理想的定量化目标。联合收割机在田间作业过程中，影响喂入量的主要因素有谷物产量、割茬高度、割幅宽度和行走速度，其中谷物密度主要由作物的长势决定，如果作业速度一定，则谷物密度大喂入量就大，而谷物密度最直接的反映就是粮食产量；割茬高度主要由收获工艺决定；对于特定的联合收割机，割幅宽度是一个常数，因为大部分情况下，联合收割机将进行满幅收获；随着喂入量的增加，滚筒与凹板之间的谷层厚度(即脱粒空间内的物料密度)将增加，因此物料与脱粒滚筒之间的摩擦力会加大，此时必然导致脱粒功率消耗的增加；当收获速度增加时，喂入量也会随之增加。因此喂入量检测参数主要有粮食产量、脱粒滚筒功率以及收割机行进速度。申请号为“200910064416.9”，名称为“联合收获机喂入量测试装置、方法及喂入量传感器”和申请号为“200810140616.3”，名称为“玉米收获机果穗喂入量测试方法及测试装置”的中国发明专利申请采用检测通道粮食压力来预测联合收割机的喂入量，无法实现联合收割机收获喂入量的实时监测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种针对联合收割机喂入量的量化测量的测量方法以及喂入量监测装置，以实现联合收割机收获喂入量的实时监测。

为了实现上述目的，本发明提供了一种联合收割机喂入量测量方法，用于联合收割机收获喂入量的实时监测，其中，包括：

a、测量粮食产量的步骤，用于通过设置在联合收割机上的粮食产量测量装置实时获取粮食的重量信息，并通过车载信号处理电路将所述重量信息送入车载计算机；

b、测量脱粒滚筒转速的步骤，用于通过设置在联合收割机上的脱离滚筒转速测量装置实时获取所述脱粒滚筒的转速信息，并通过车载信号处理电路将所述转速信息送入车载计算机；

c、测量脱粒滚筒扭矩的步骤，用于通过设置在所述联合收割机上的脱粒滚筒扭矩测量装置实时获取所述脱粒滚筒的扭矩信息，并通过车载信号处理电路将所述扭矩信息送入车载计算机；

d、测量联合收割机速度的步骤，用于通过设置在所述联合收割机上的行进速度测量装置实时获取所述联合收割机的前进速度信息，并通过车载信号处理电路将所述前进速度信息送入车载计算机；

e、获取喂入量值的步骤，通过车载计算机对输入的所述重量信息、脱粒滚筒转速信息、脱粒滚筒的扭矩信息及联合收割机的前进速度信息进行数据处理，得到当前的喂入量值。

上述的联合收割机喂入量测量方法，其中，步骤b包括：

b1、所述脱粒滚筒转速测量装置的转速测量编码器实时输出与所述脱粒滚筒转速对应的脉冲数到所述车载计算机；

b2、所述车载计算机将得到的所述脉冲数换算成所述脱粒滚筒的转速值。

上述的联合收割机喂入量测量方法，其中，步骤c包括：

c1、所述脱粒滚筒扭矩测量装置的压力传感器实时获取所述联合收割机的滚筒传送带对该压力传感器产生的压力值作为所述扭矩信息并传送到所述车载计算机；

c2、所述车载计算机将该压力值换算成滚筒扭矩值。

上述的联合收割机喂入量测量方法，其中，还包括：

f、车载计算机报警步骤，用于通过车载计算机根据获得的喂入量值判断喂入量的大小并报警示意，及时调整所述联合收割机的行驶速度。

为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种联合收割机喂入量监测装置，用于联合收割机收获喂入量的实时监测，其中，包括粮食产量测量装置、滚筒扭矩测量装置、滚筒转速测量装置、联合收割机行进速度测量装置及车载计算机，所述粮食产量测量装置设置在所述联合收割机的粮箱入口处，所述滚筒扭矩测量装置设置在所述联合收割机的滚筒传送带下方，所述滚筒转速测量装置设置在所述联合收割机的脱粒滚筒轴端，所述联合收割机行进速度测量装置设置在所述联合收割机的驱动轮轴上，所述粮食产量测量装置、滚筒扭矩测量装置、滚筒转速测量装置、联合收割机行进速度测量装置分别通过车载信号处理电路与所述车载计算机连接。

上述的联合收割机喂入量监测装置，其中，所述的粮食产量测量装置包括驱动装置、粮食输送机构及重量信息采集装置，所述驱动装置与所述粮食输送机构连接，所述重量信息采集装置与所述粮食输送机构连接，所述重量信息采集装置通过所述车载信号处理电路与所述车载计算机5连接。

上述的联合收割机喂入量监测装置，其中，所述的粮食产量测量装置还包括平仓螺旋机构，所述平仓螺旋机构设置在所述粮食输送机构的下方，所述平仓螺旋机构用于防止粮箱内的粮食堆积过高而接触所述粮食输送机构或所述重量信息采集装置而导致测量错误。

上述的联合收割机喂入量监测装置，其中，所述的滚筒扭矩测量装置包括压力传感器和传感器滑轮，所述传感器滑轮与所述压力传感器连接，所述传感器滑轮抵靠在所述滚筒传送带下侧并随所述滚筒传送带的运动而转动，所述压力传感器通过所述车载信号处理电路与所述车载计算机连接。

上述的联合收割机喂入量监测装置，其中，所述的滚筒转速测量装置包括转速测量编码器，所述转速测量编码器的一端通过联轴器与所述联合收割机的滚筒轮轴连接，所述车载信号处理电路与所述转速测量编码器的另一端连接。

上述的联合收割机喂入量监测装置，其中，所述的联合收割机行进速度测量装置包括接近开关及测速齿轮，所述测速齿轮安装在所述驱动轮轴上，所述接近开关与所述测速齿轮的轮齿对应设置。

本发明的技术效果在于：

1、联合收割机发动机的动力通过皮带传输到脱粒滚筒，通过该皮带张力的变化值来检测脱粒滚筒的转矩，该方法简单、实用，解决了国内外脱粒滚筒转矩检测难的问题；

2、利用联合收割机收获的粮食流量和脱粒滚筒的功率进行信息融合，来计算联合收割机的喂入量，联合收割机收获的粮食流量与喂入量正相关，但测量时间有滞后，而脱粒滚筒的功率将喂入量的信息提前了，二者的结合相互弥补，达到最佳的检测准确性，同时不失其实时性。另一方面粮食流量的检测信号通常已有，故系统检测方法简单易行。

3、喂入量监测装置各部分测量装置结构紧凑，安装简便，能同时获得收割机收获过程中的重要参数，包括粮食产量、脱粒滚筒功率和收割机前进速度。车载计算机根据这些参数即可知收割机当前的喂入量大小，并能根据联合收割机喂入量的变化，做出相应的报警示意，用以保证联合收割机在田间作业过程中根据喂入量的情况，调节行进速度，防止滚筒堵塞，提高作业效率。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明的喂入量测量方法流程图；

图2为本发明的喂入量监测系统结构框图；

图3为本发明的联合收割机喂入量监测装置的检测参数示意图；

图4为本发明一实施例的粮食产量测量装置安装示意图；

图5为本发明一实施例的滚筒扭矩测量装置安装示意图；

图6为本发明一实施例的滚筒转速测量装置安装示意图；

图7为本发明一实施例的行进速度测量装置正视图；

图8为图7的侧视图；

图9为粮食流量测量实时曲线；

图10为脱粒滚筒功率实时曲线图；

图11为联合收割机喂入量实时曲线图。

其中，附图标记

1    粮食产量测量装置

11   平仓螺旋机构

12   驱动装置

13   粮食输送机构

14   重量信息采集装置

15   支架

16   升运器

17   加料斗

2    滚筒扭矩测量装置

21   滚筒皮带轮

22   滚筒传送带

23   传感器滑轮

24   压力传感器

25   发动机皮带轮

3    滚筒转速测量装置

31   滚筒

32   滚筒轮轴

33   联轴器

34   转速测量编码器

4    联合收割机行进速度测量装置

41   接近开关

42   测速齿轮

43   刹车片

5    车载计算机

6    车载信号处理电路

7    驱动轮轴

a～f 步骤

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

参见图1，图1为本发明的喂入量测量方法流程图。本发明的联合收割机喂入量测量方法，用于联合收割机收获喂入量的实时监测，包括：

a、测量粮食产量的步骤，用于通过设置在联合收割机上的粮食产量测量装置1实时获取粮食的重量信息，并通过车载信号处理电路6将所述重量信息送入车载计算机5；

b、测量脱落滚筒转速的步骤，用于通过设置在联合收割机上的脱离滚筒转速测量装置3实时获取所述脱粒滚筒的转速信息，并通过车载信号处理电路6将所述转速信息送入车载计算机5；

c、测量脱粒滚筒扭矩的步骤，用于通过设置在所述联合收割机上的脱粒滚筒扭矩测量装置2实时获取所述脱粒滚筒的扭矩信息，并通过车载信号处理电路6将所述扭矩信息送入车载计算机5；

d、测量联合收割机速度的步骤，用于通过设置在所述联合收割机上的行进速度测量装置实时获取所述联合收割机的前进速度信息，并通过车载信号处理电路6将所述前进速度信息送入车载计算机5；

e、获取喂入量值的步骤，通过车载计算机5对输入的所述重量信息、脱粒滚筒转速信息、脱粒滚筒的扭矩信息及联合收割机的前进速度信息进行数据处理，得到当前的喂入量值。

其中，步骤b包括：

b1、所述脱粒滚筒转速测量装置3的转速测量编码器34实时输出与所述脱粒滚筒转速对应的脉冲数到所述车载计算机5；

b2、所述车载计算机5将得到的所述脉冲数换算成所述脱粒滚筒的转速值。

其中，步骤c包括：

c1、所述脱粒滚筒扭矩测量装置2的压力传感器24实时获取所述联合收割机的滚筒传送带22对该压力传感器24产生的压力值作为所述扭矩信息并传送到所述车载计算机5；

c2、所述车载计算机5将该压力值换算成滚筒扭矩值。

还可包括：

f、车载计算机5报警步骤，用于通过车载计算机5根据获得的喂入量值判断喂入量的大小并报警示意，及时调整所述联合收割机的行驶速度。

本发明的装置是在常用谷物联合收割机上安装了一种粮食产量测量装置1、滚筒扭矩测量装置2、滚筒转速测量装置3、联合收割机行进速度测量装置4和车载计算机5，从而构成联合收割机喂入量监测系统。参见图2及图3，图2为本发明的喂入量监测系统结构框图，图3为本发明的联合收割机喂入量监测装置的检测参数示意图。本发明的联合收割机喂入量监测装置，用于联合收割机收获喂入量的实时监测，包括粮食产量测量装置1、滚筒扭矩测量装置2、滚筒转速测量装置3、联合收割机行进速度测量装置4及车载计算机5，所述粮食产量测量装置1设置在所述联合收割机的粮箱入口处，所述滚筒扭矩测量装置2设置在所述联合收割机的滚筒传送带22下方，所述滚筒转速测量装置3设置在所述联合收割机的脱粒滚筒的滚筒轮轴32的轴端，所述联合收割机行进速度测量装置4设置在所述联合收割机的驱动轮轴7上，所述粮食产量测量装置1、滚筒扭矩测量装置2、滚筒转速测量装置3、联合收割机行进速度测量装置4分别通过车载信号处理电路6与所述车载计算机5连接。车载计算机5安装在联合收割机的驾驶室，通过串口通讯获取各个测量值。

参见图4，图4为本发明一实施例的粮食产量测量装置安装示意图。粮食产量测量装置1能够实时获得当前的粮食重量值，本实施例中，所述的粮食产量测量装置1包括驱动装置12、粮食输送机构13及重量信息采集装置14，所述驱动装置12与所述粮食输送机构13连接，所述重量信息采集装置14与所述粮食输送机构13连接，所述重量信息采集装置14通过所述车载信号处理电路6与所述车载计算机5连接。本实施例中，该重量信息采集装置14优选称重传感器。粮食通过升运器16进入加料斗17，由粮食输送机构13驱动沿水平方向进入联合收割机的粮箱，由称重传感器14来计量粮食重量。整个粮食产量测量装置1通过支架15连接在联合收割机的机架上。

所述的粮食产量测量装置1还可包括平仓螺旋机构11，所述平仓螺旋机构11设置在所述粮食输送机构13的下方，所述平仓螺旋机构11用于防止粮箱内的粮食堆积过高而接触所述粮食输送机构13或所述重量信息采集装置14而导致测量错误。

参见图5，图5为本发明一实施例的滚筒扭矩测量装置安装示意图。滚筒扭矩测量装置2可测得滚筒的实时扭矩值，所述的滚筒扭矩测量装置2包括压力传感器24和传感器滑轮23，所述传感器滑轮23与所述压力传感器24连接，所述传感器滑轮23抵靠在所述滚筒传送带22下侧并随所述滚筒传送带22的运动而转动，所述压力传感器24通过所述车载信号处理电路6与所述车载计算机5连接。发动机皮带轮25驱动滚筒皮带轮21转动，脱粒滚筒开始作业，滚筒传送带22对压力传感器24产生压力，滚筒扭矩改变则压力传感器24采集的压力信号也发生相应的变化。

参见图6，图6为本发明一实施例的滚筒转速测量装置安装示意图。滚筒转速测量装置3可测得脱粒滚筒实时转速值，所述的滚筒转速测量装置3包括转速测量编码器34，所述转速测量编码器34的一端通过联轴器33与所述联合收割机的滚筒轮轴32连接，所述车载信号处理电路6与所述转速测量编码器34的另一端连接。转速测量编码器34通过联轴器33与滚筒轮轴32连接，滚筒31转动时，转速测量编码器34即可得到脱粒滚筒的转速值。车载计算机5将滚筒扭矩和滚筒转速进行计算从而得到当前的脱粒滚筒功率。

参见图7及图8，图7为本发明一实施例的行进速度测量装置正视图，图8为图7的侧视图。联合收割机行进速度测量装置4可实时测量收割机的行走速度，所述的联合收割机行进速度测量装置4包括接近开关41及测速齿轮42，所述测速齿轮42安装在所述驱动轮轴7上，所述接近开关41与所述测速齿轮42的轮齿对应设置。联合收割机开始行走，驱动轮轴7转动，测速齿轮42与驱动轮轴7同步转动，接近开关41计量测速齿轮42的齿数也即脉冲数，计算得到收割机当前的行走速度。

最后，所有测量信息通过串口通讯发送给车载计算机5，最后车载计算机5将这些测量值进行信息融合，实时判断出联合收割机的喂入量大小。当喂入量过大时，容易造成滚筒堵塞，车载计算机5立即做出报警示意，及时调整收割机行驶速度；当喂入量比较小，则表示机组没有发挥最大工作效率，车载计算机5做出示意，提醒驾驶员提高收割机行驶速度。作为一种智能化的联合收割机喂入量监测装置，达到高效率作业以及减少驾驶员负担的要求。

其中，将上述测量值进行信息融合的方法如下：

本实施例中利用卡尔曼滤波器对联合收割机粮食进入粮仓时的流量、脱粒滚筒消耗的功率以及联合收割机的行走速度等信息进行融合，以获得喂入量值(参见图9、图10及图11)。

粮食流量是与收割机的喂入量直接相关的量值，但由于联合收割机的机械构造使得粮食流量信号有一定时间t0的滞后，因此需要将脱粒滚筒的消耗功率测量值与粮食流量测量值进行基于卡尔曼滤波器的预测，从而获得即实时又准确的喂入量值有效信息。

卡尔曼滤波器状态方程为：

X(k)＝A*X(k-1)+W(k)

输出方程为：

Z(k)＝H*X(k)+V(k)

式中，W(k)表示系统状态噪声；V(k)表示测量噪声，他们可被假设成高斯白噪声，A、H是系统参数，可通过试验对其进行标定。

输出值Z(k)表示喂入量值，状态变量X(k)为2*1的列阵：

X(k)＝[G_w(k)S_w(k-t0)]

式中，G_w(k)表示脱粒滚筒所消耗的功率，S_w(k-d)表示前一个时刻t0的粮食流量值。

其中，行走速度值用于喂入量的修正。

本发明针对联合收割机喂入量的量化测量，提出了一种喂入量测量方法以及设计喂入量监测装置，该方法通过滚筒转速测量、滚筒扭矩测量来测量脱粒功率，借助于收割机行进速度和粮食产量测量数据融合技术达到实时测量联合收割机喂入量的目的。通过间接测量粮食产量、脱粒滚筒转速、脱粒滚筒扭矩以及收割机前进速度，来检测喂入量的大小。粮食产量测量装置1能够实时获得时间上滞后的喂入粮食重量值并与联合收割机行进速度测量装置4测得的收割机行进速度数据以及平均谷草比测得实际的喂入量，滚筒转速测量装置3和滚筒扭矩测量装置2能够测量滚筒转速和扭矩，从而得到实时脱粒滚筒功率，最后车载计算机5将这些测量值进行信息融合，实时判断出联合收割机的喂入量大小。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种联合收割机喂入量测量方法，用于联合收割机收获喂入量的实时监测，其特征在于，包括：

a、测量粮食产量的步骤，用于通过设置在联合收割机上的粮食产量测量装置实时获取粮食的重量信息，并通过车载信号处理电路将所述重量信息送入车载计算机；

b、测量脱粒滚筒转速的步骤，用于通过设置在联合收割机上的脱离滚筒转速测量装置实时获取所述脱粒滚筒的转速信息，并通过车载信号处理电路将所述转速信息送入车载计算机；

c、测量脱粒滚筒扭矩的步骤，用于通过设置在所述联合收割机上的脱粒滚筒扭矩测量装置实时获取所述脱粒滚筒的扭矩信息，并通过车载信号处理电路将所述扭矩信息送入车载计算机；

d、测量联合收割机速度的步骤，用于通过设置在所述联合收割机上的行进速度测量装置实时获取所述联合收割机的前进速度信息，并通过车载信号处理电路将所述前进速度信息送入车载计算机；

e、获取喂入量值的步骤，通过车载计算机对输入的所述重量信息、脱粒滚筒转速信息、脱粒滚筒的扭矩信息及联合收割机的前进速度信息进行数据处理，得到当前的喂入量值。

2.如权利要求1所述的联合收割机喂入量测量方法，其特征在于，步骤b包括：

b1、所述脱粒滚筒转速测量装置的转速测量编码器实时输出与所述脱粒滚筒转速对应的脉冲数到所述车载计算机；

b2、所述车载计算机将得到的所述脉冲数换算成所述脱粒滚筒的转速值。

3.如权利要求1或2所述的联合收割机喂入量测量方法，其特征在于，步骤c包括：

c1、所述脱粒滚筒扭矩测量装置的压力传感器实时获取所述联合收割机的滚筒传送带对该压力传感器产生的压力值作为所述扭矩信息并传送到所述车载计算机；

c2、所述车载计算机将该压力值换算成滚筒扭矩值。

4.如权利要求1或2所述的联合收割机喂入量测量方法，其特征在于，还包括：

f、车载计算机报警步骤，用于通过车载计算机根据获得的喂入量值判断喂入量的大小并报警示意，及时调整所述联合收割机的行驶速度。

5.一种联合收割机喂入量监测装置，用于联合收割机收获喂入量的实时监测，其特征在于，包括粮食产量测量装置、滚筒扭矩测量装置、滚筒转速测量装置、联合收割机行进速度测量装置及车载计算机，所述粮食产量测量装置设置在所述联合收割机的粮箱入口处，所述滚筒扭矩测量装置设置在所述联合收割机的滚筒传送带下方，所述滚筒转速测量装置设置在所述联合收割机的脱粒滚筒轴端，所述联合收割机行进速度测量装置设置在所述联合收割机的驱动轮轴上，所述粮食产量测量装置、滚筒扭矩测量装置、滚筒转速测量装置、联合收割机行进速度测量装置分别通过车载信号处理电路与所述车载计算机连接。

6.如权利要求5所述的联合收割机喂入量监测装置，其特征在于，所述的粮食产量测量装置包括驱动装置、粮食输送机构及重量信息采集装置，所述驱动装置与所述粮食输送机构连接，所述重量信息采集装置与所述粮食输送机构连接，所述重量信息采集装置通过所述车载信号处理电路与所述车载计算机5连接。

7.如权利要求6所述的联合收割机喂入量监测装置，其特征在于，所述的粮食产量测量装置还包括平仓螺旋机构，所述平仓螺旋机构设置在所述粮食输送机构的下方，所述平仓螺旋机构用于防止粮箱内的粮食堆积过高而接触所述粮食输送机构或所述重量信息采集装置而导致测量错误。

8.如权利要求5所述的联合收割机喂入量监测装置，其特征在于，所述的滚筒扭矩测量装置包括压力传感器和传感器滑轮，所述传感器滑轮与所述压力传感器连接，所述传感器滑轮抵靠在所述滚筒传送带下侧并随所述滚筒传送带的运动而转动，所述压力传感器通过所述车载信号处理电路与所述车载计算机连接。

9.如权利要求5所述的联合收割机喂入量监测装置，其特征在于，所述的滚筒转速测量装置包括转速测量编码器，所述转速测量编码器的一端通过联轴器与所述联合收割机的滚筒轮轴连接，所述车载信号处理电路与所述转速测量编码器的另一端连接。

10.如权利要求5所述的联合收割机喂入量监测装置，其特征在于，所述的联合收割机行进速度测量装置包括接近开关及测速齿轮，所述测速齿轮安装在所述驱动轮轴上，所述接近开关与所述测速齿轮的轮齿对应设置。

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