CN102379189A - 一种粮食产量分布信息测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种粮食产量分布信息测量方法及装置，在联合收获机收获粮食的同时，利用附加的粮食产量测量装置来获取田间粮食作物的产量分布信息。该方法包括：计量粮食流量的步骤，用于在联合收割机上设置粮食输送机构并通过所述粮食输送机构输送被计量的粮食，根据安装在所述粮食输送机构上的重量信号采集装置获取称重信息来统计所通过的粮食流量，得到粮食流量数据；修正流量数据的步骤，用于根据所述粮食输送机构的转速、所述联合收割机的行走速度和设置在所述粮食输送机构下方的水分测量装置测量的实时粮食水分监测信息对所述粮食流量数据进行修正并得到修正后的粮食流量数据；记录并输出所述粮食流量数据的步骤。

Description

一种粮食产量分布信息测量方法及装置

技术领域

本发明涉及精准农业机械装备自动控制技术领域，特别是一种粮食产量分布信息测量方法及装置。

背景技术

当今，联合收割机已成为我国广泛使用的主要农业机械，联合收割机收获喂入量实时监测技术研究对及时调整作业状态，避免工作部件非正常损坏，达到作业高效、减少损失以及提高可靠性的目的，具有十分重要的社会经济价值。另一方面联合收割机跨区作业计量收费问题和监督检测部门现场试验与评估手段缺乏等问题较突出，进行机载谷物流量自动计量技术和联合收割机收获喂入量实时监测系统的研究已十分必要。

国外粮食产量分布信息获取系统得到了广泛的应用，目前已成为国外田间信息积累的主要内容之一。国外已商品化的产量监视系统产品集中于谷类作物收获机械方面，主要有美国CASE IH公司的AFS(Advanced Farming System)系统，英国AGCO公司的FieldStar系统，美国John Deree公司的Greenstar系统，美国AgLeader公司PF(Precision Farming)系统及英国RDS公司的产量监测系统等。这些系统都具有功能较强的GIS综合功能，能自动完成产量监测和生成产量分布图。

粮食计产系统是精准农业推广最早最快的单项技术。2003年美国大约有3万台收割机配备了计产系统，2001年34％的玉米，25％的大豆，10％的小麦使用了计产系统，大约有1/3的计产系统配备了地球定位系统。计产系统的应用主要集中在大型农场。美国农业部的调查显示8％的土豆面积被产量监测。目前正在开发将GPS用于对人工采摘的作物如苹果和梨进行产量制图。在阿根廷2001年大约有560台计产系统，测定了4％面积的粮食和油料作物的产量。非正式的资料显示，2000年澳大利亚拥有的计产系统大约为800套。

目前应用的谷类作物产量传感器主要有四种类型：即冲击式流量传感器、γ射线式流量传感器、光电式容积流量传感器以及刮板轮式容积流量传感器。

a、冲击式流量传感器

参见图1，图1为冲击式流量传感器原理图。在没有传感器的情况下，由净粮升运器输送来的谷物由于具有一定的线速度，在升运器的顶部，刮板上的谷物将以一定的速度被甩向前方，然后在重力的作用下直接落入谷仓。当在导流板前方安装流量传感器后，谷物流将会受到阻挡而改变方向。由于谷物具有质量，运动着的谷物流就具有一定的动量，当传感器冲击板阻挡其前进时，谷物流将会与打击板发生碰撞，并对打击板产生冲击力。若假定运动的谷物与打击板相碰撞后运动速度近似为零，则由物理学冲量的定义可知：

I_i(t)＝m_i(t)v_i(t)         (1)

式中I_i(t)——谷物冲量，kg.m/s

m_i(t)——谷物流的质量，kg

v_i(t)——谷物流的速度，m/s

因此从理论上讲，通过连续测量谷物碰撞打击板后其动量的变化就可以实现谷物累积质量的实时测量，也就是实现谷物流量的测量。这就是冲击式谷物流量传感器的工作原理。

由式(1)可见，冲量数值的大小既与谷物的质量有关，也与谷物在空气中的流速有关。在vi(t)已知的情况下，通过测量Ii(t)可以换算出mi(t)。

根据换能元件的不同，冲击式流量传感器也有不同的类型。最普通的类型是在打击板背面粘贴应变片，当打击板受冲击力变形后，应变片随着打击板的变形而发生阻值的变化，通过后面的检测与放大电路检测到这一阻值变化，就可最终换算出谷物的流量。当然，为了提高传感器的抗干扰能力和测量精度，在检测、放大电路以及数据处理软件中都需要必要的特殊设计和处理。

b、γ射线式流量传感器

参见图2，图2为γ射线式流量传感器的原理图。根据物理学的基本理论，当γ射线入射到某种物质并与该物质产生相互作用后，射线的辐射强度将出现一定程度的衰减，且服从指数规律，即：

I＝I₀e^-μM                        (2)

上式中：I₀——没有其它物质阻挡时，γ射线直接照射到探测器上的辐射强度，单位为居里(C_i)；I——当γ射线受到物质阻挡时，探测器接收到的实际γ射线强度，单位同上；μ——γ射线强度相对于某种物质的质量吸收系数(cm²/g)；M——物质的质量厚度，即辐射场单位面积上的物质重量(g/cm²)。

实验证明，对于稻谷、小麦、黄豆和玉米等谷物，γ射线都能保持良好的指数衰减规律。

其适用的联合收割机机型与冲击式流量传感器类似，仍然是测量由净粮升运器所抛出的谷物流。它采用低能γ射线输出器为射线源，射线源将辐射对准传感器，传感器可探测辐射的强度。在谷物产量监测中，射线源和传感器之间谷物量的多少，将导致传感器测出的辐射强度发生变化。传感器探测到的辐射强度越弱，表明流动于射线源和传感器之间的谷物质量就越大。此系统可测量谷物质量，其测量结果不受谷物种类的影响。质量数据与谷物流经过传感器的速度数据相结合，可转换为质量流速度(重量/时间)，同时以(重量/面积)为单位记录为作物产量。

这种基于γ射线的谷物流量传感器，具有相当高的精度，其计量误差不大于1％，但由于其利用γ射线作为测产手段，尽管有严格的安全规范，在某些国家仍受到严格限制，即使在我国射线产品的使用也有严格的规定，所有这些都限制了γ射线式流量传感器的普及与推广。

c、光电式容积流量传感器

参见图3，图3为光电式容积流量传感器的原理图。这种测产系统在净粮升运器上安装了光栅接收器和发射器，当升运器刮板上升，测量光束将会被谷物断续地遮挡，把刮板上的谷层厚度转化为延续一定时间的脉冲信号，通过亮/暗比例(刮板上谷物阻挡光束的时间)准确地测量出阻断时间，就可计算出谷物的体积流量。

为了减少因谷物移动时分布不匀，可并行安装2～3套光栅，分别计时，分别计算，取其平均值，以此提高测量精度。

d、刮板轮式容积流量传感器

参见图4，图4为一种刮板轮式容积流量传感器的原理图。以上介绍的三种谷物流量传感器，都是利用间接的方法测量已收获谷物的体积或重量，间接测量的参数包括谷物流的冲击力、谷物流对射线的吸收以及升运器刮板上净粮的高度等，这些间接参数被转换为电信号，再经过对电信号的放大、记录和处理，可计算出谷物流量。除此之外，人们也试图直接将谷物的体积或重量转换为电信号，以便更方便直接地测量谷物产量。

它在净粮升运器和谷仓之间增加了一个刮板轮机构，当来自净粮升运器的谷物达到一定体积时，料位传感器监测到信号后刮板轮开始转动，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)，就可以按下式计算出谷物的容积流量：

F＝n×V×R            (4)

这里，F是谷物容积流量，n是刮板的个数，V是两个刮板轮之间的空间容积，R是刮板轮的转速。

这种流量传感器可以达到相当高的精度，实时性也较好，但需要在净粮升运器出口和谷仓之间增加一个体积较大的机构，而许多联合收割机并不具备足够的空间，因而限制了它的推广。

专利号为“ZL200310117204.5”，名称为“一种联合收割机粮食产量流量监视方法及装置”的中国发明专利，公开了一种基于称重法的联合收割机产量分布测量方法及装置，为提高联合收割机粮食流量监视的准确性，提高系统的实用性，简化安装，降低成本，采用了螺旋推进称重式装置组成联合收割机产量流量传感计量方法。采用动态称重方法以保证粮食流量的计量精度，采用螺旋推进方法是解决与联合收割机的安装问题。该装置有利于作为联合收割机的附件在各种现有的机型上配套使用。

参见图5，图5为上述专利的联合收割机粮食产量流量监视装置结构示意图。被计量的粮食经刮板式籽粒提升机送入螺旋推进器中，该螺旋推进器由驱动装置驱动粮食沿水平方向进入粮箱，螺旋推进器、驱动装置和动态的粮食重量由两侧两个(或三个)重力传感器来计量，经高精度放大器放大后，通过模拟量到数字量转换接口将重量信号转为数字信息送入机载计算机进行信号滤波处理，并将测得的粮食重量按螺旋推进器的转动时间计算流量同时进行水分修正，积分后可以测得粮食产量，配合GPS定位系统用于绘制粮食产量分布图。

双称重传感器式螺旋推进流量计量原理：设t(i)时刻，螺旋推进装置有效称量段L上的物料重量为w(i)，设物料螺旋推进速度为v不变，则在t(i+1)时刻，通过Δt＝t(i+1)-t(i)＝L/v时间段物料的流出量为q(i)＝c1*w(i)，其中c1为校正系数。因为Δt为常量，所以单位时间的物料流量为q(i)＝c2*w(i)，其中c2＝c1/(L/v)为单位校正系数。由于测量输出电压为两个传感器电压之和V(i)＝V1(i)+V2(i)与重量w(i)成正比，则螺旋推进装置单位时间输出量为：

q(i)＝c2*c3*V(i)                                (6)

其中c3为电压V(i)与重量w(i)之间的换算系数，(1)式即为联合收割机粮食流量计量公式。按此式积分有：

$W=c4*{\∫}_1^{t2}q\left(t\right)*V\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(7\right)$

(7)式即为联合收割机粮食产量计量公式。其中，c4为标定常数。

试验表明，该基于称重法的田间粮食分布信息测量精度达到±5％。

但是该螺旋推进流量计量系统有较高的非线性特征，导致每次产品现场需要进行标定后才能使用，实际应用较困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种适宜于实际应用的高精度的自动获取田间粮食产量分布信息的测量方法及装置。

为了实现上述目的，本发明提供了一种粮食产量分布信息测量方法，用于联合收割机收割时获取田间粮食作物的产量分布信息，其中，包括：

a、计量粮食流量的步骤，用于在联合收割机上设置粮食输送机构并通过所述粮食输送机构输送被计量的粮食，根据安装在所述粮食输送机构上的重量信号采集装置获取称重信息来统计所通过的粮食流量，得到粮食流量数据；

b、修正流量数据的步骤，用于根据所述粮食输送机构的转速、所述联合收割机的行走速度和设置在所述粮食输送机构下方的水分测量装置测量的实时粮食水分监测信息对所述粮食流量数据进行修正并得到修正后的粮食流量数据；

c、记录并输出所述粮食流量数据的步骤。

上述的一种粮食产量分布信息测量方法，其中，还包括：

d、导航并测量收获面积的步骤，用于

利用车载GPS定位导航系统根据预设收割路径进行辅助导航收割，依据所述联合收割机的行走路径轨迹、割幅及行走路径的外轮廓进行收割面积的统计。

上述的一种粮食产量分布信息测量方法，其中，

在步骤a中，包括：

a1、设置皮带输送机构作为所述粮食输送机构，设置称重传感器作为所述重量信号采集装置，所述称重传感器通过测量在所述皮带输送机构上实时存留的粮食重量得到所述粮食流量数据中的平均流量；

a2、由车载GPS导航定位系统测得的位置和粮食通过所述联合收割机到测量装置的时间差，以及所述联合收割机的行走速度得到田间收割机作业区域作物的所述粮食流量数据中的平均产量。

上述的一种粮食产量分布信息测量方法，其中：

在步骤a1中，采用单端传感器称重测量方法，仅在所述皮带输送机构的粮食输出端设置所述称重传感器测量通过所述皮带输送机构的粮食重量。

上述的一种粮食产量分布信息测量方法，其中，在步骤a中，还包括：

a3、在所述皮带输送机构及称重传感器的下方，安装平仓螺旋机构，利用平仓螺旋机构处理粮食堆积影响。

上述的一种粮食产量分布信息测量方法，其中，在步骤b中，包括：

b1、根据皮带输送机构转速对粮食流量数据进行修正

皮带输送机构转速与流量成正比，修正的公式如下：

W1＝K1*W₀*V/N₀

其中：W1为粮食流量；

W₀为称重法测量得到的粮食流量；

K1修正系数，通过标定确定K1值；

V为测量得到的皮带转速值；

N₀为额定转速。

b2、根据联合收割机行走速度对粮食流量数据进行修正

联合收割机行走速度大小改变喂入量，对传感器的冲力形成非线性影响，修正的公式如下：

W2＝K2*W1*(1-K3*S1)

其中：W1为转速修正后的粮食流量；

K2为线性修正系数，K2通过加载重量标定得到常数；

K3为与非线性修正系数，K3是与行走速度变化范围相关的被标定得到的常数；

S1为行走速度；

W2为行走速度修正后的粮食流量。

b3、根据实时粮食水分监测信息对粮食流量数据进行修正

应用在线水分监测装置对收获粮食水分进行测量，修正实际粮食流量的公式如下：

W3＝W2*(1-R+0.14)

其中：W3为修正到入仓水分后的粮食流量；

W2为行走速度修正后的粮食流量；

R为实时测量粮食水分的含量值。

上述的一种粮食产量分布信息测量方法，其中，

在步骤d中，包括：

d1、根据预设收割路径进行辅助导航收割

收割前在地图上预设收割路径，田间作业时根据导航指示路径操纵所述联合收割机进行收割；

d2、当所述联合收割机的割台放下且其行走速度不为零时，应用车载GPS导航定位系统记录所述联合收割机的运动轨迹；

d3、依据所述联合收割机的行走路径轨迹、割幅以及路径的外轮廓计算收获面积

面积计算公式如下：

A1＝V*t*H

其中：A1为收获的面积参考值；

V为联合收割机行走速度；

t为运行时间；

H为割幅。

当绘制的运行轨迹中没有幅宽未能覆盖的区域时，所有运行轨迹的外轮廓线所包含的面积作为收获面积；否则，A1即为收获面积。

上述的一种粮食产量分布信息测量方法，其中，在步骤c中，还包括利用所述车载计算机的远程通讯功能传输数据并绘制田间粮食产量分布图。

为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种粮食产量分布信息测量装置，用于联合收割机收割时获取田间粮食作物的产量分布信息，安装在所述联合收割机的机架上，其中，包括：驱动装置、粮食输送机构、称重传感器、修正信息采集系统、车载信号处理电路及车载计算机，所述驱动装置与所述粮食输送机构连接，所述称重传感器与所述粮食输送机构连接，所述称重传感器和所述修正信息采集系统通过所述车载信号处理电路与所述车载计算机连接，所述修正信息采集系统包括水分测量装置、转速测量装置及行走速度测量装置。

上述的粮食产量分布信息测量装置，其中，所述粮食输送机构包括皮带输送机构，所述称重传感器与所述皮带输送机构的粮食输出端连接。

上述的粮食产量分布信息测量装置，其中，还包括平仓螺旋机构，所述平仓螺旋机构设置在所述皮带输送机构的下方，所述平仓螺旋机构用于防止粮仓内的粮食堆积过高而接触所述皮带输送机构或称重传感器导致测量错误。

上述的粮食产量分布信息测量装置，其中，还包括车载GPS导航定位系统，所述车载GPS导航定位系统与所述车载计算机连接。

本发明的技术效果在于：

1、采用皮带输送方式并作为称重测量主体

由于现有技术的螺旋推进装置具有较强的非线性特征，导致每次产品现场需要进行标定后才能使用，实际应用较困难，本发明采用皮带输送方式线性度大大提高，可不需要现场标定，该方法使得此技术产品适用性得以大大提高，适用于不同的谷物而无需重复标定。

2、采用了单边传感器称重测量技术

单边传感器称重的方法改进主要体现在落料点的冲击干扰影响，粮食在皮带输送装置上入料处有冲力，随流量大小变化而变化，本发明采用另一端的传感器信号来代替，大大减少了粮食冲力的影响并大大提高了本产品的测量精度。

3、具备转速、行走速度和粮食水分修正功能

根据联合收割机行走速度对粮食流量数据进行修正，是因为联合收割机行走速度大小改变喂入量，对传感器的冲力形成影响，虽然上述各方法可以减少该影响，但不能完全消除它，该修正则解决了这一问题。

总之，本发明应用皮带传输装置来代替现有技术的螺旋推进流量计量系统，并增加了相关修正补偿方法，这样可以提高该方法的测量精度，田间粮食分布信息测量精度达到±3％。

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为冲击式流量传感器原理图；

图2为γ射线式流量传感器原理图；

图3为光电式容积流量传感器原理图；

图4为刮板轮式容积流量传感器原理图；

图5为现有技术的联合收割机粮食产量流量监视装置结构示意图；

图6A为本发明的结构框图；

图6B为本发明一实施例的结构框图；

图7为本发明一实施例的装置结构示意图；

图8为图7的左视图；

图9为本发明的方法流程图；

图10为本发明获得的田间粮食产量分布信息图；

图11为本发明获得的联合收割机田间运行轨迹图；

图12为本发明获得的单次测量粮食流量时序图；

图13为本发明的全年测量误差统计图。

其中，附图标记

现有技术

100    净粮升运器

101    导流板

102    力传感器

103    冲击板

201    射线检测器

202    射线源

301    光源

302    探测器

303    光电式容积流量传感器

401    料位传感器

402    刮板轮

403    输送搅龙

501    驱动装置

502    螺旋推进器

503    重力传感器

本发明

1      驱动装置

2      粮食输送机构

21     皮带输送机构

22     升运器

23     加料斗

3      修正信息采集系统

31     水分测量装置

311    水分传感器

32     转速测量装置

321    转速传感器

33     行走速度测量装置

331    行走速度传感器

4      车载信号处理电路

41     桥源与信号调理A/D电路

42、43 计数与接口电路

44     A/D  转换器

5      车载计算机

51     输入设备

52     输出设备

53     USB接口

54     CAN总线接口

55     CDMA/GRPS接口

56     多串口RS232接口

57     CPU控制器

6      平仓螺旋机构

7      车载GPS导航定位系统

71     GPS接收板

8      支架

9      称重传感器

10     割台高度传感器

11     温度传感器

12     机架

a～d   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9，图9为本发明的方法流程图。本发明的粮食产量分布信息测量方法，用于联合收割机收割时获取田间粮食作物的产量分布信息，包括：

a、计量粮食流量的步骤，用于在联合收割机上设置粮食输送机构并通过所述粮食输送机构输送被计量的粮食，根据安装在所述粮食输送机构上的重量信号采集装置获取称重信息来统计所通过的粮食流量，得到粮食流量数据；

b、修正流量数据的步骤，用于根据所述粮食输送机构的转速、所述联合收割机的行走速度和设置在所述粮食输送机构下方的水分测量装置测量的实时粮食水分监测信息对所述粮食流量数据进行修正并得到修正后的粮食流量数据；

c、记录并输出所述粮食流量数据的步骤。

在步骤a中，具体包括如下步骤：

a1、设置皮带输送机构作为所述粮食输送机构，设置称重传感器作为所述重量信号采集装置，所述称重传感器通过测量在所述皮带输送机构上实时存留的粮食重量得到所述粮食流量数据中的平均流量；

a2、由车载GPS导航定位系统测得的位置和粮食通过所述联合收割机到测量装置的时间差(即为粮食进入联合收割机的割台到进入联合收割机的粮箱的传输时间差t0)，以及所述联合收割机的行走速度乘以上述时间差t0，得到田间收割机作业区域作物的所述粮食流量数据中的平均产量。

其中，在步骤a1中，采用单端传感器称重测量方法，仅在所述皮带输送机构的粮食输出端设置称重传感器测量通过输送皮带输送机构的粮食重量。由于联合收割机在田间行走横向倾斜角度较小，因此，可以利用其中一端的传感器称量值来代替总体称量值。采用皮带输送机构粮食进入端用铰链固定，另一端用称重传感器连接，这样一方面可以减少粮食下落冲击力大小变化的影响，另一方面可以降低设备生产成本。单边传感器称重的方法改进主要体现在落料点的冲击干扰影响，粮食在皮带输送装置上入料处有冲力，随流量大小变化而变化，本发明采用另一端的传感器信号来代替，大大减少了粮食冲力的影响。

这种原理在坡地工况下由于传感器的倾斜会产生误差，但由于田间地面坡度是随机的，有正有负，数据可以利用平均的方法滤除。另一方面，即使地面不平，若地面持续坡度5°时，可带来1-cos5°的误差，该误差小于0.38％可以忽略不计。该方法大大提高了本发明的测量精度。

在步骤a中，还可包括：

a3、在所述皮带输送机构及称重传感器的下方，安装平仓螺旋机构，利用平仓螺旋机构处理粮食堆积影响，以防止粮仓内的粮食堆积过高而接触皮带输送机构或称重传感器，导致测量错误。

在步骤b中，包括：

b1、根据皮带输送机构转速对粮食流量数据进行修正

皮带输送机构转速与流量成正比，修正的公式如下：

W1＝K1*W₀*V/N₀

其中：W1为粮食流量；

W₀为称重法测量得到的粮食流量；

K1修正系数，通过标定确定K1值；

V为测量得到的皮带转速值；

N₀为额定转速。

b2、根据联合收割机行走速度对粮食流量数据进行修正

联合收割机行走速度大小改变喂入量，对传感器的冲力形成非线性影响，修正的公式如下：

W2＝K2*W1*(1-K3*S1)

其中：W1为转速修正后的粮食流量；

K2为线性修正系数，K2通过加载重量标定得到常数；

K3为与非线性修正系数，K3是与行走速度变化范围相关的被标定得到的常数；

S1为行走速度；

W2为行走速度修正后的粮食流量。

b3、根据实时粮食水分监测信息对粮食流量数据进行修正

应用在线水分监测装置对收获粮食水分进行测量，修正实际粮食流量的公式如下：

W3＝W2*(1-R+0.14)

其中：W3为修正到入仓水分后的粮食流量；

W2为行走速度修正后的粮食流量；

R为实时测量粮食水分的含量值。

本发明的方法，还可包括：

d、导航并测量收获面积的步骤，用于

利用车载GPS定位导航系统根据预设收割路径进行辅助导航收割，依据所述联合收割机的行走路径轨迹、割幅及行走路径的外轮廓进行收割面积的统计。

其中，具体步骤如下：

d1、根据预设收割路径进行辅助导航收割

收割前在地图上预设收割路径，田间作业时根据导航指示路径操纵所述联合收割机进行收割；

d2、当所述联合收割机的割台放下且其行走速度不为零时，应用车载GPS导航定位系统记录所述联合收割机的运动轨迹；

d3、依据所述联合收割机的行走路径轨迹、割幅以及路径的外轮廓计算收获面积

面积计算公式如下：

A1＝V*t*H

其中：A1为收获的面积参考值；

V为联合收割机行走速度；

t为运行时间；

H为割幅。

当绘制的运行轨迹中没有幅宽未能覆盖的区域(即没有孤岛)时，所有运行轨迹的外轮廓线所包含的面积作为收获面积；否则，A1即为收获面积。

在步骤c中，还可根据获得的所述田间粮食产量分布信息绘制粮食流量时序图(参见图12)。还可利用所述车载计算机的远程通讯功能传输数据并绘制田间粮食产量分布图(参见图10、图11及图13)。绘制的产量图数据可利用远程通讯系统传输到控制室内的服务器中，产量图的绘制可以在服务器上完成。

本发明还提供了一种粮食产量分布信息测量装置，该装置用于联合收割机收割时获取田间粮食作物的产量分布信息，安装在所述联合收割机的机架12上，参见图6A，图6A为本发明的结构框图。本发明的粮食产量分布信息测量装置包括：驱动装置1、粮食输送机构2、称重传感器9、修正信息采集系统3、车载信号处理电路4及车载计算机5，所述驱动装置1与所述粮食输送机构2连接，所述称重传感器9与所述粮食输送机构2连接，所述称重传感器9和所述修正信息采集系统3通过所述车载信号处理电路4与所述车载计算机5连接，所述修正信息采集系统3包括水分测量装置31、转速测量装置32及行走速度测量装置33。

参见图6B，图6B为本发明一实施例的结构框图。本实施例中，水分测量装置31优选水分传感器311，转速测量装置32优选转速传感器321，行走速度测量装置33优选行走速度传感器331。如图6B所示，由称重传感器9的信号经桥源与信号调理A/D电路41将数字信号经多串口RS232接口56送入CPU控制器57中计算粮食流量初值；粮食水分传感器311的信号经多串口RS232接口56送入CPU控制器57中用于粮食流量水分修正；皮带称重机构转速传感器321的信号经计数与接口电路42送入CPU控制器57中用于粮食流量转速修正；行走速度传感器331的信号经计数与接口电路43送入CPU控制器57用于粮食流量喂入量变化修正；割台高度传感器10用于启动采样程序条件之一；GPS接收板71用于定位；CDMA/GRPS接口55用于数据远程传输；温度传感器11用于水分传感器311的温度补偿；输入设备51和输出设备52为备用接口；USB接口53和CAN总线接口54为计算机通讯接口。

参见图7及图8，图7为本发明一实施例的装置结构示意图，图8为图7的左视图。本实施例中，所述粮食输送机构2包括皮带输送机构21，所述称重传感器9与所述皮带输送机构21的粮食输出端连接。

该测量装置还可包括平仓螺旋机构6，所述平仓螺旋机构6设置在所述皮带输送机构21的下方，所述平仓螺旋机构21用于防止粮仓内的粮食堆积过高而接触所述皮带输送机构21或称重传感器9，导致测量错误。

该测量装置还可包括车载GPS导航定位系统7，所述车载GPS导航定位系统7与所述车载计算机5连接。

被计量的粮食经升运器22(本实施例优选刮板式籽粒提升机)进入加料斗23并送入皮带输送机构21中，该皮带输送机构21由驱动装置1驱动粮食沿水平方向进入粮箱，皮带输送机构21、驱动装置1和动态的粮食重量由称重传感器9来计量，经高精度放大器放大后，通过桥源与信号调理A/D电路41将重量信号转为数字信息送入车载计算机5进行信号滤波处理，并将测得的粮食重量按皮带输送机构21的转动时间计算流量同时进行水分修正，积分后可以测得粮食产量，配合车载GPS导航定位系统7用于绘制粮食产量分布图。

基于称重式皮带输送流量计量原理：设t(i)时刻，皮带输送装置有效称量段L上的物料重量为w(i)，设物料皮带输送推进速度为v不变，则在t(i+1)时刻，通过Δt＝t(i+1)-t(i)＝L/v时间段，物料的流出量为p(i)＝c1*w(i)，其中c1为校正系数。因为Δt为常量，所以单位时间的物料流量为q(i)＝c2*w(i)，其中c2＝c1/(L/v)为单位校正系数。由于设置的单端测量称重传感器4输出电压V(i)与重量w(i)成正比，则皮带输送推进装置单位时间输出量为：

q(i)＝c2*c3*V(i)              (1)

其中c3为电压V(i)与重量w(i)之间的换算系数，(1)式即为联合收获机单位时间粮食流量计量公式。按此式积分有：

$W=c4*{\∫}_1^{t2}q\left(t\right)\mathrm{dt}---\left(2\right)$

(2)式即为联合收获机在Δt时间段内粮食流量计算公式。其中，c4为标定常数。

利用称重的方法计量谷物流量可以获得较高的测量精度，本发明采用了二点支撑，单端传感器测量方法，外供动力。

本发明涉及一种在联合收获机收获粮食的同时，利用附加的粮食产量测量装置来获取田间粮食作物的产量分布信息。该方法的特征在于：1)采用了称重计量方法；2)采用皮带输送方式并作为测量主体；3)采用了单边传感器称重测量技术；4)采用了小波滤波信号处理方法；5)附带平仓螺旋装置；6)具备转速、行走速度和粮食水分修正功能；7)具有远程通讯功能；8)具备导航和测量收获面积功能。其中，针对特征4做如下说明：实际田间振动频率较为丰富，信号处理采用滤波方法解决。小波(wavelet)其滤波工作原理：小波变换是将信号分解为一系列小波函数簇的叠加，采用多尺度分析(Multi-ScaleAnalysis)方法将被分析信号分解到不同尺度上，通过分层信号处理再重构以达到信号处理的目的。取Daubechies(db9)小波，利用分解的第8层小波系数进行重构，与原始传感器波形进行对比，可以提取出传感器测量信号(该方法为现有技术，在此不作赘述)。

本发明的粮食产量分布信息测量装置由粮食流量传感器、水分传感器、转速传感器、行走速度传感器、GPS接收机、机载电脑等部分组成。测产装置通过产量流量计的拉力传感器数据来计算粮食流量，分别进行滤波、水分补偿、转速补偿和行走速度补偿，得到实时的产量流量数据，由此绘制出产量随时间的变化曲线。GPS接收到的原始数据经处理后得到经、纬度坐标，借助GIS组件，实时显示动态轨迹。割台的高低可以判断联合收获机是否处于收获状态，结合坐标信息，得出收获面积，绘制出田间粮食产量分布图。

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 (11)

1.一种粮食产量分布信息测量方法，用于联合收割机收割时获取田间粮食作物的产量分布信息，其特征在于，包括：

a、计量粮食流量的步骤，用于在联合收割机上设置粮食输送机构并通过所述粮食输送机构输送被计量的粮食，根据安装在所述粮食输送机构上的重量信号采集装置获取称重信息来统计所通过的粮食流量，得到粮食流量数据；

b、修正流量数据的步骤，用于根据所述粮食输送机构的转速、所述联合收割机的行走速度和设置在所述粮食输送机构下方的水分测量装置测量的实时粮食水分监测信息对所述粮食流量数据进行修正并得到修正后的粮食流量数据；

c、记录并输出所述粮食流量数据的步骤。

2.如权利要求1所述的一种粮食产量分布信息测量方法，其特征在于，还包括：

d、导航并测量收获面积的步骤，用于

利用车载GPS定位导航系统根据预设收割路径进行辅助导航收割，依据所述联合收割机的行走路径轨迹、割幅及行走路径的外轮廓进行收割面积的统计。

3.如权利要求1或2所述的一种粮食产量分布信息测量方法，其特征在于，

在步骤a中，包括：

a1、设置皮带输送机构作为所述粮食输送机构，设置称重传感器作为所述重量信号采集装置，所述称重传感器通过测量在所述皮带输送机构上实时存留的粮食重量得到所述粮食流量数据中的平均流量；

a2、由车载GPS导航定位系统测得的位置和粮食通过所述联合收割机到测量装置的时间差，以及所述联合收割机的行走速度得到田间收割机作业区域作物的所述粮食流量数据中的平均产量。

4.如权利要求3所述的一种粮食产量分布信息测量方法，其特征在于：

在步骤a1中，采用单端传感器称重测量方法，仅在所述皮带输送机构的粮食输出端设置所述称重传感器测量通过所述皮带输送机构的粮食重量。

5.如权利要求3或4所述的一种粮食产量分布信息测量方法，其特征在于，在步骤a中，还包括：

a3、在所述皮带输送机构及称重传感器的下方，安装平仓螺旋机构，利用平仓螺旋机构处理粮食堆积影响。

6.如权利要求1所述的一种粮食产量分布信息测量方法，其特征在于，在步骤b中，包括：

b1、根据皮带输送机构转速对粮食流量数据进行修正

皮带输送机构转速与流量成正比，修正的公式如下：

W1＝K1*W₀*V/N₀

其中：W1为粮食流量；

W₀为称重法测量得到的粮食流量；

K1修正系数，通过标定确定K1值；

V为测量得到的皮带转速值；

N₀为额定转速。

b2、根据联合收割机行走速度对粮食流量数据进行修正

联合收割机行走速度大小改变喂入量，对传感器的冲力形成非线性影响，修正的公式如下：

W2＝K2*W1*(1-K3*S1)

其中：W1为转速修正后的粮食流量；

K2为线性修正系数，K2通过加载重量标定得到常数；

K3为与非线性修正系数，K3是与行走速度变化范围相关的被标定得到的常数；

S1为行走速度；

W2为行走速度修正后的粮食流量。

b3、根据实时粮食水分监测信息对粮食流量数据进行修正

应用在线水分监测装置对收获粮食水分进行测量，修正实际粮食流量的公式如下：

W3＝W2*(1-R+0.14)

其中：W3为修正到入仓水分后的粮食流量；

W2为行走速度修正后的粮食流量；

R为实时测量粮食水分的含量值。

7.如权利要求2所述的一种粮食产量分布信息测量方法，其特征在于，

在步骤d中，包括：

d1、根据预设收割路径进行辅助导航收割

收割前在地图上预设收割路径，田间作业时根据导航指示路径操纵所述联合收割机进行收割；

d2、当所述联合收割机的割台放下且其行走速度不为零时，应用车载GPS导航定位系统记录所述联合收割机的运动轨迹；

d3、依据所述联合收割机的行走路径轨迹、割幅以及路径的外轮廓计算收获面积

面积计算公式如下：

A1＝V*t*H

其中：A1为收获的面积参考值；

V为联合收割机行走速度；

t为运行时间；

H为割幅。

当绘制的运行轨迹中没有幅宽未能覆盖的区域时，所有运行轨迹的外轮廓线所包含的面积作为收获面积；否则，A1即为收获面积。

8.如权利要求1所述的一种粮食产量分布信息测量方法，其特征在于，在步骤c中，还包括利用所述车载计算机的远程通讯功能传输数据并绘制田间粮食产量分布图。

9.一种粮食产量分布信息测量装置，用于联合收割机收割时获取田间粮食作物的产量分布信息，安装在所述联合收割机的机架上，其特征在于，包括：驱动装置、粮食输送机构、称重传感器、修正信息采集系统、车载信号处理电路及车载计算机，所述驱动装置与所述粮食输送机构连接，所述称重传感器与所述粮食输送机构连接，所述称重传感器和所述修正信息采集系统通过所述车载信号处理电路与所述车载计算机连接，所述修正信息采集系统包括水分测量装置、转速测量装置及行走速度测量装置。

10.如权利要求9所述的粮食产量分布信息测量装置，其特征在于，所述粮食输送机构包括皮带输送机构，所述称重传感器与所述皮带输送机构的粮食输出端连接。

11.如权利要求10所述的粮食产量分布信息测量装置，其特征在于，还包括平仓螺旋机构，所述平仓螺旋机构设置在所述皮带输送机构的下方，所述平仓螺旋机构用于防止粮仓内的粮食堆积过高而接触所述皮带输送机构或称重传感器导致测量错误。

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