CN104296836B - 联合收割机超声波实时检测粮仓仓位的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种联合收割机超声波实时检测粮仓仓位的方法，包括仓满报警初始距离设定、粮仓内容物表面与粮仓顶面之间距离的获取、粮仓内容物表面与粮仓顶面之间距离确定值的筛选和输出、联合收割机脱粒故障信号的获取和报警、将粮仓内容物表面与粮仓顶面之间的距离确定值与仓满报警初始距离比较报警等步骤；本发明可以计算出收割机粮仓内的实时变化的内容物高度，将准确的内容物高度值实时显示出来；单片机根据内容物界面与报警初始距离进行比较，并判断是否达到报警高度，如果达到报警高度则准备开始延时报警；尤为突出的是，本发明还可以通过实时检测脱粒质量来检测收割机的工作状态，当出现脱粒故障时及时报警，使用可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种收割机粮仓检测技术领域，尤其涉及一种用于检测收割机粮仓内粮食高度的低误报率超声波实时检测粮仓仓位的方法。
背景技术
超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波常用于距离的测量。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单，易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工农业实用的要求。超声波测量精度高，成本低，性能稳定，属于机械波，在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减。超声波测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，较其它仪器更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体灯恶劣环境，具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点，因此可以在不同环境中进行距离准确度的在线测量。
超声波直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。利用超声波的这种性能可以制成超声换能器，即一种既可以把电能转化为机械能，又可以把机械能转化为电能的器件或装置。总体上讲，超声波换能器可以分为两大类：一类是电器方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛灯。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波换能器。
当前，大型农用收割机已经得到了大规模的推广，农户在感受到收割机提高农业生产效率的同时，一些问题(诸如粮仓意外溢粮)给农户带来了不必要的经济损失，也分散了许多收割机操作员的精力。当前，农机中粮满报警器是通过轻触开关实现是否粮满，若粮满，粮食压在轻触开关上面，压力使开关闭合，报警器工作；否则，没有粮食压在开关上，开关的弹性使开关断开，报警器不工作。对于安装压力式轻触开关的大型农用收割机，报警器会存在不工作情况，实际上粮仓已满，但报警器不动作，其原因为农机的粮仓中的粮食掺杂大量的作物的秸秆，若秸秆覆盖着轻触开关上面，秸秆总会留有较多空隙，无法进一步挤压开关，导致粮仓中的粮食实际满仓，报警器的开关还处在断开状态，报警器不工作，进而导致漏粮，给农户造成不必要损失。
一些超声波这种非接触式测量可以避免上述情况，且也有一些专利也涉及到超声波应用到农用收割机粮仓检测技术中，但是目前使用的超声波技术也存在较高的误报率，原因为超声波本身是波束发散特性，没有经过专门的算法处理，产生超声波经过错误的路径产生误报，还有超声波也存在测量盲区、超声波频率不当引起误报等问题，以至于到目前为止仍然没有在农业收割机粮仓检测技术中得到广泛的实际应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种即能测量出粮食高度、误报率低且能反应联合收割机脱粒工况的联合收割机超声波实时检测粮仓仓位的方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：联合收割机超声波实时检测粮仓仓位的方法，包括安装在收割机粮仓顶部的超声波发射模块和超声波接收模块，所述超声波发射模块和所述超声波接收模块分别连接至单片机，所述单片机的输入端连接有电源模块和温度补偿模块，所述单片机的输出端连接有显示模块和报警模块，包括以下步骤：
步骤一、仓满报警初始距离设定
通过所述单片机设定仓满报警初始距离为Hmin，即当粮仓内容物表面与粮仓顶面之间的垂直距离为Hmin时，发出仓满报警信号；
步骤二、粮仓内容物表面与粮仓顶面之间距离H的获取
通过所述超声波发射模块向粮仓内容物表面发射超声波，当超声波遇到粮仓内容物表面时被反射回来形成超声回波，超声回波被所述超声波接收模块接收，通过所述单片机内的计时电路对所述超声波发射模块发射超声波至所述超声波接收模块接收超声回波进行计时，获得回波时间T1，将回波时间T1代入超声波测距公式中，即可计算出粮仓内容物表面与超声波发射模块之间的距离H1，超声波测距公式为H1＝340*T1/2，其中340为超声波在空气中的传播速度，单位为m/s；由此得出粮仓内容物表面与所述粮仓顶面之间距离测量值H＝H1+A,其中A为超声波发射模块与所述粮仓顶面之间的距离；
步骤三、粮仓内容物表面与粮仓顶面之间距离确定值的筛选和输出
间隔Δt秒发射一次超声波，依次取得五次距离测量值，该五次距离测量值相比较相差不能大于ΔH毫米，否则忽略偏移的无效距离测量值后继续检测并凑够五次有效距离测量值；对所取得的五次有效距离测量值进行平均，即可获得本次距离确定值；依据本次距离确定值，通过所述显示模块显示粮仓内容物的高度；
步骤四、联合收割机脱粒故障信号的获取和报警
在ΔT分钟内累计记录步骤三中无效距离测量值的次数和有效距离测量值的次数，并计算无效距离测量值次数和有效距离测量值次数的比值；当比值大于a％且不大于b％时，发出脱粒不良信号，提醒作业者注意收割速度；当比值大于b％时，发出脱粒故障信号，提醒作业者检修设备；
步骤五、将粮仓内容物表面与粮仓顶面之间的距离确定值与仓满报警初始距离Hmin比较；当距离确定值达到仓满报警初始距离Hmin时，所述单片机控制所述报警模块开始报警，提示尽快停车卸粮；否则，再返回到步骤三。
作为优选的技术方案，所述单片机控制所述报警模块延时1～2s后开始报警；所述报警模块的为报警灯，且在报警时，所述报警灯的闪烁频率为2次/s。
作为优选的技术方案，Δt、ΔH、a、b为可调整设定参数，其中Δt设定为0.2s，ΔH设定为100mm，a％设定为20％，b％设定为50％。
由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：超声波发射模块发出超声波后遇到粮仓内容物表面反射回来，并被超声波接收模块接收，单片机根据超声波的反射时间计算出收割机粮仓内的实时变化的内容物高度，由单片机对测量数值进行筛选后，将准确的内容物高度值实时在显示模块上显示出来，同时，单片机根据内容物界面与报警初始距离进行比较，并判断是否达到报警高度，如果达到报警高度则准备开始报警。通过上述检测方法并结合选用的超声波频率，可以持续的检测粮食落入的情况，降低了传统超声波的误报率，同时还可以实时检测脱粒工况，当出现脱粒故障时及时报警，使用可靠。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
图1是本发明实施例的示意图；
图2是本发明实施例的原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。
如图1和图2所示，联合收割机超声波实时检测粮仓仓位的方法，包括安装在收割机粮仓顶部的超声波发射模块1和超声波接收模块，所述超声波发射模块和所述超声波接收模块分别连接至单片机2，所述单片机的输入端连接有电源模块和温度补偿模块，所述单片机的输出端连接有显示模块和报警模块。
本实施例的检测电路以单片机为控制核心，超声波发射模块和超声波接收模块中都可以对相应信号进行整形及放大，以保证测量结果的精确性。另外温度补偿模块中还有温度测量电路，温度测量电路为本技术领域内普通技术人员所熟知的结构，在现有技术中及网络搜索中均可查找到该模块，在此不再详细叙述。单片机发出40khz的信号，经放大后通过超声波发射模块输出；超声波接收模块将接收到的超声回波信号放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，再由单片机进行判别、计算，得出距离并送显示设备。
本实施例的实际检测过程主要包括以下步骤：
步骤一、仓满报警初始距离设定
通过所述单片机设定仓满报警初始距离为Hmin，即当粮仓内容物表面与粮仓顶面之间的垂直距离为Hmin时，发出仓满报警信号，本实施例中所述单片机设定仓满报警初始距离为Hmin为300mm。
步骤二、粮仓内容物表面与粮仓顶面之间距离H的获取
通过所述超声波发射模块向粮仓内容物表面发射超声波，当超声波遇到粮仓内容物表面时被反射回来形成超声回波，超声回波被所述超声波接收模块接收，通过所述单片机内的计时电路对所述超声波发射模块发射超声波至所述超声波接收模块接收超声回波进行计时，获得回波时间T1，将回波时间T1代入超声波测距公式中，即可计算出粮仓内容物表面与超声波发射模块之间的距离H1，超声波测距公式为H1＝340*T1/2，其中340为超声波在空气中的传播速度，单位为m/s；由此得出粮仓内容物表面与所述粮仓顶面之间距离测量值H＝H1+A,其中A为超声波发射模块与所述粮仓顶面之间的距离，且A为已知数据，在将超声波发射模块安装固定时，A就已经确定。
步骤三、粮仓内容物表面与粮仓顶面之间距离确定值的筛选和输出
间隔Δt秒发射一次超声波，依次取得五次距离测量值，该五次距离测量值相比较相差不能大于ΔH毫米，否则忽略偏移的无效距离测量值后继续检测并凑够五次有效距离测量值；对所取得的五次有效距离测量值进行平均，即可获得本次距离确定值；依据本次距离确定值，通过所述显示模块显示粮仓内容物的高度，其中ΔH为可调整设定参数，本实施例中ΔH设定为100mm，此步骤的作用是避免粮仓中漂浮草屑的误反射。
步骤四、联合收割机脱粒故障信号的获取和报警
在ΔT分钟内累计记录步骤三中无效距离测量值的次数和有效距离测量值的次数，并计算无效距离测量值次数和有效距离测量值次数的比值；当比值大于a％且不大于b％时，发出脱粒不良信号，提醒作业者注意收割速度；当比值大于b％时，发出脱粒故障信号，提醒作业者检修设备，其中Δt、a、b均为可调整设定参数，其中Δt设定为0.2s，a％设定为20％，b％设定为50％。
步骤五、将粮仓内容物表面与粮仓顶面之间的距离确定值与仓满报警初始距离Hmin比较；当距离确定值达到仓满报警初始距离Hmin时，所述单片机控制所述报警模块开始报警，提示尽快停车卸粮；否则，再返回到步骤三。其中，所述单片机控制所述报警模块延时2s后开始报警，所述报警模块的为报警灯，且在报警时，所述报警灯的闪烁频率为2次/s。
本发明通过上述检测方法可以分辨出粮仓中哪些是秸秆、粮草等干扰因素，哪些是真正的粮食，并通过单片机的处理剔除掉这些干扰。分辨的原理：粮食是固态散粒，自喂入粮仓后一直沉淀在粮仓的下部并形成一连续的固态界面，这种固态界面会随时间连续变化。粮仓中的秸秆、粮草自粮仓喂入后由于体积较大，浮力会让它们在空中有短暂的滞留，超声波在某时刻碰到秸秆后会出现一个回波，但下一次超声波采样时，这些秸秆、粮草的位置会随时间下降或偏移，这样下次超声波接收到的回波信号跟上次差别很大，从而判断上次接收到的超声回波是秸秆灯干扰，具体检测是通过步骤三来完成的。实践表明，超声波探测真正粮食连续变化相邻回波信号跟测秸秆等干扰因素的相邻回波信号的差别很小，可以忽略不计。
在实际测量过程中，存在四个限制超声波的可测距离：即超声波的幅度、反射的质地、反射回波和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。但是通过超声波发生模块的选型、安装位置以及单片机的修正解决可以解决上述四个因素的限制。例如，在超声波发射模块发射到超声波接收模块接收的时间间隔是由单片机内部的控制器来完成的。由于超声波发射模块探头与超声波接收模块的探头的距离不大，有部分超声波未经被测物就直接绕射到超声波接收模块上了，进而造成发送部分与接收部分的直接串扰问题。解决这一干扰问题，可通过单片机来完成，即通过设定控制器的工作时间，不读取超声波接收模块在从超声波发射模块发射开始到“虚假反射波”结束的时间段里的信号，从而有效地避免了直接串扰对检测的干扰。
本发明的超声波发射模块发出超声波后遇到粮仓内容物表面反射回来，并被超声波接收模块接收，单片机根据超声波的反射时间计算出收割机粮仓内的实时变化的内容物高度，由单片机对测量数值进行筛选后，将准确的内容物高度值实时在显示模块上显示出来，同时，单片机根据内容物界面与报警初始距离进行比较，并判断是否达到报警高度，如果达到报警高度则准备开始延时报警。通过上述检测方法并结合选用的超声波频率，可以持续的检测粮食的喂入情况，降低了传统超声波的误报率，同时还可以实时检测脱粒状态，当出现脱粒故障时及时报警，使用可靠。
本发明的超声波在农机粮仓中实时非接触式测量粮食高度及避免粮食秸秆形成的空隙对传统粮满报警器造成不报警的问题，消除了粮仓中粮食秸秆、草屑、泥水等因素的干扰，实现了实时观察农用收割机机粮仓中的粮食高度情况。
本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
Claims (3)
1.联合收割机超声波实时检测粮仓仓位的方法，包括安装在收割机粮仓顶部的超声波发射模块和超声波接收模块，所述超声波发射模块和所述超声波接收模块分别连接至单片机，所述单片机的输入端连接有电源模块和温度补偿模块，所述单片机的输出端连接有显示模块和报警模块，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、仓满报警初始距离设定
通过所述单片机设定仓满报警初始距离为Hmin，即当粮仓内容物表面与粮仓顶面之间的垂直距离为Hmin时，发出仓满报警信号；
步骤二、粮仓内容物表面与粮仓顶面之间距离H的获取
通过所述超声波发射模块向粮仓内容物表面发射超声波，当超声波遇到粮仓内容物表面时被反射回来形成超声回波，超声回波被所述超声波接收模块接收，通过所述单片机内的计时电路对所述超声波发射模块发射超声波至所述超声波接收模块接收超声回波进行计时，获得回波时间T1，将回波时间T1代入超声波测距公式中，即可计算出粮仓内容物表面与超声波发射模块之间的距离H1，超声波测距公式为H1＝340*T1/2，其中340为超声波在空气中的传播速度，单位为m/s；由此得出粮仓内容物表面与所述粮仓顶面之间距离测量值H＝H1+A,其中A为超声波发射模块与所述粮仓顶面之间的距离；
步骤三、粮仓内容物表面与粮仓顶面之间距离确定值的筛选和输出
间隔Δt秒发射一次超声波，依次取得五次距离测量值，该五次距离测量值相比较相差不能大于ΔH毫米，否则忽略偏移的无效距离测量值后继续检测并凑够五次有效距离测量值；对所取得的五次有效距离测量值进行平均，即可获得本次距离确定值；依据本次距离确定值，通过所述显示模块显示粮仓内容物的高度；
步骤四、联合收割机脱粒故障信号的获取和报警
在ΔT分钟内累计记录步骤三中无效距离测量值的次数和有效距离测量值的次数，并计算无效距离测量值次数和有效距离测量值次数的比值；当比值大于a％且不大于b％时，发出脱粒不良信号，提醒作业者注意收割速度；当比值大于b％时，发出脱粒故障信号，提醒作业者检修设备；
步骤五、将粮仓内容物表面与粮仓顶面之间的距离确定值与仓满报警初始距离Hmin比较；当距离确定值达到仓满报警初始距离Hmin时，所述单片机控制所述报警模块开始报警，提示尽快停车卸粮；否则，再返回到步骤三。
2.如权利要求1所述的联合收割机超声波实时检测粮仓仓位的方法，其特征在于：所述单片机控制所述报警模块延时1～2s后开始报警；所述报警模块的为报警灯，且在报警时，所述报警灯的闪烁频率为2次/s。
3.如权利要求1所述的联合收割机超声波实时检测粮仓仓位的方法，其特征在于：Δt、ΔH、a、b为可调整设定参数，其中Δt设定为0.2s，ΔH设定为100mm，a％设定为20％，b％设定为50％。
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