CN104904415A - 一种联合收割机远程测控机载设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种联合收割机远程测控机载设备及方法，该设备包括ARM控制模块，与ARM控制模块连接的电源模块、传感器模块、GPS定位模块、无线数据传输模块、转速调控装置、触摸屏，无线数据传输模块连接上位机；该方法通过传感器模块采集转速信号并传递至ARM控制模块，ARM控制模块基于转速差值模式识别智能控制算法对其处理，并发出指令给转速调控装置执行，实现对联合收割机前进速度的智能控制；同时，GPS定位模块采集、处理联合收割机地理位置信息，无线数据传输模块将各信息传送至上位机；实现联合收割机与上位机之间实现数据信息的实时收发功能，不仅保证了联合收割机在工作时的作业效率，而且实现了控制中心对联合收割机的远程监测与调度。

Description

一种联合收割机远程测控机载设备及方法

技术领域

本发明属于农业机械领域，尤其是涉及一种基于转速差值模式识别的联合收割机远程测控机载设备。

背景技术

联合收割机在田间作业时由于操作者经验不足以及不能及时地与监控中心之间进行交流沟通，使得收割机在田间作业时会发生一些故障同时又不能及时处理，总体来说是由于智能化水平不高的原因。在网络化智能化程度上，国外研究已经处于领先地步，国内在控制端方面的研究还不够成熟，控制单元反应速度慢、数据传输速度慢以及数据传输接收的实时性是国内现在研究的弱势。近年来，随着国家对于农业机械发展和研究的重点扶持，国内多数高校对于联合收割机自动控制的研究都有了一定的成果。在现有的研究成果中，关于联合收割机前进速度的自动控制算法有模糊神经网络控制算法、多目标遗传优化控制算法、模型参考模糊自适应控制算法、灰色预测模糊控制算法等。然而，传统的自动控制系统绝大多数都是采用单片机为控制器，不仅处理数据的速度较慢，而且不易于外部功能的扩展，对控制算法的实时性有很大的干扰。同时传统的自动控制系统只能完成数据的监测和对联合收割机的控制，不能与监控中心实时传输数据，因而监控中心很难了解到联合收割机的运行状态以及所处位置。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于转速差值模式识别的联合收割机远程测控机载设备，让联合收割机的操作人员实时了解联合收割机的状态信息、位置信息，并让监控中心了解其具体位置；通过ARM开发板经过转速差值模式识别智能控制算法对所得数据进行处理实现联合收割机作业速度的智能化自动控制。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种基于转速差值模式识别的联合收割机远程测控方法，包括如下步骤：

步骤A：利用传感器模块采集联合收割机前进速度信号和脱粒滚筒的转速信号；

步骤B：利用GPS定位模块采集、处理联合收割机地理位置信息；

步骤C：步骤A中所述采集到的前进速度信号和脱粒滚筒的转速信号经调理电路传送至ARM控制模块；步骤B中所述联合收割机地理位置信息经过串口传送至ARM控制模块；

步骤D：所述ARM控制模块基于转速差值模式识别智能控制算法对步骤C中脱粒滚筒的转速信号分析、处理并传送至触摸屏，所述ARM控制模块基于滤波算法对步骤C中所述地理位置信息分析、处理并传送至触摸屏；

步骤E：所述ARM控制模块发出指令至转速调控装置，所述转速调控装置中的步进电机驱动器控制步进电机的正反运转，进而实现对联合收割机前进速度的智能控制；所述触摸屏上显示有前进速度、脱粒滚筒的转速、地理位置信息、故障报警状态、脱粒滚筒的最大空载速度V₁信息；

步骤F：所述ARM控制模块通过无线传输模块与上位机之间数据传输。

进一步的，步骤D中所述转速差值模式识别智能控制算法如下：

S1：提取脱粒滚筒的转速值V作为被控对象；

S2：计算转速值V与脱粒滚筒的最大空载速度V₁之间的转速差值△V；

S3：将转速差值△V与特征模式比对、识别，调用相应特征模式。

进一步的，步骤S3中所述特征模式为：

模式1：当△V≤0.1V₁时，步进电机快正转；

模式2：当0.1V₁＜△V≤0.3V₁时，步进电机慢正转；

模式3：当0.3V₁＜△V≤0.5V₁时，步进电机保持当前状态；

模式4：当0.5V₁＜△V≤0.8V₁时，步进电机慢反转；

模式5：当0.8V₁＜△V≤V₁-V₀时，步进电机快反转；

模式6：当V₁-V₀＜△V时，步进电机停止转动，其中V₀为脱粒滚筒的额定最小转速。

一种基于转速差值模式识别的联合收割机远程测控设备，包括ARM控制模块，与ARM控制模块连接的电源模块、传感器模块、GPS定位模块、无线数据传输模块、转速调控装置、触摸屏，所述无线数据传输模块连接上位机，所述电源模块用于提供电源；

所述传感器模块包括霍尔转速传感器和齿轮传感器，所述霍尔转速传感器用于采集联合收割机前进速度信号，所述齿轮传感器用于采集脱粒滚筒的转速信号，并经调理电路传递给ARM控制模块；

所述GPS定位模块用于采集、处理联合收割机地理位置信息，并经过串口传送至ARM控制模块；

所述ARM控制模块包括ARM开发板，用于接收、分析、处理传感器模块所传递的联合收割机前进速度信号、脱粒滚筒的转速信号和联合收割机地理位置信息，并将信息传递至触摸屏，同时向转速调控装置发出指令；

所述转速调控装置包括依次连接的步进电机驱动器和步进电机，用于执行所述ARM控制模块发出的指令；

所述触摸屏显示模块用于显示联合收割机的前进速度、脱粒滚筒的转速、地理位置信息、故障报警状态、脱粒滚筒的最大空载速度V₁；

所述无线数据传输模块用于将ARM控制模块处理好的各信息传送至上位机。

进一步的，所述GPS定位模块采用飞凌SiRF-Star型号的GPS模块，所述无线数据传输模块采用CM8150EP WCDMA 3G DTU。

进一步的，所述触摸屏通过MODBUS协议接收ARM开发板传送的联合收割机的前进速度、脱粒滚筒转速和地理位置信息。

进一步的，所述霍尔转速传感器安装在联合收割机的前进轮上，所述齿轮传感器安装在脱粒滚筒的转速输出轴上。

进一步的，所述ARM开发板采用三星S3C2440TE-2440A。

本发明的有益效果：

(1)本发明所述的一种基于转速差值模式识别的联合收割机远程测控机载设备，通过传感器模块采集脱粒滚筒转速和联合收割机前进速度的信号，经ARM开发板的转速差值模式识别智能控制算法处理，并通过控制步进电机驱动器来调节步进电机的正反转，实现联合收割机前进速度的智能化自动控制。

(2)本发明通过电源模块、传感器模块、步进电机模块、手自动切换模块、触摸屏显示模块、GPS定位模块，让联合收割机的操作人员及时对联合收割机的状态信息、位置信息进行实时的了解。

(3)本发明通过配备GPS定位模块和无线网络模块，能够实现联合收割机与上位机之间实现数据信息的实时收发功能，不仅保证了联合收割机在工作时的作业效率，而且实现了控制中心对联合收割机的远程监测与调度。

附图说明

图1为本发明所述基于转速差值模式识别的联合收割机远程测控机载设备框图。

图2为本发明所述基于转速差值模式识别及控制子程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，一种基于转速差值模式识别的联合收割机远程测控机载设备，包括ARM控制模块、电源模块、GPS定位模块、传感器模块、触摸屏、无线数据传输模块、转速调控装置和上位机，所述GPS定位模块、传感器模块、触摸屏、无线数据传输模块、转速调控装置均与ARM控制模块相连，所述无线数据传输模块连接上位机。

所述ARM控制模块包括ARM开发板；所述电源模块为其他模块提供电源；所述传感器模块包括霍尔转速传感器和齿轮传感器，分别用于采集联合收割机前进速度信号和脱粒滚筒的转速信号，并经调理电路传递给ARM控制模块；所述霍尔转速传感器安装在联合收割机的前进轮上，所述齿轮传感器安装在脱粒滚筒的转速输出轴上。

所述GPS定位模块采用的是与ARM开发板配套的飞凌GPS模块SIRF StarⅢ，型号为FIT-GPS-ET312，主要是由天线及信号接收器组成，该GPS定位模块是一种通用型模块，适用于飞凌2440各系列的开发板，能够实现联合收割机的定位功能。将天线固定在收割机合适的位置，GPS自带的双公头串口线连接GPS模块与ARM开发板，外置天线能够获取到联合收割机当前所处的位置，然后根据模块自带的坐标系以NMEA 0183语句格式输出坐标数据，获得的数据传输到开发板之后结合卡曼滤波算法进行数据的修正和精确。GPS模块与开发板之间是用串口通信的方式，GPS模块每个一个定值时间向串口发送一条NMRA 0183语句，该语句中包含了定位所需要的所有信息，利用开发板编写程序在这个定值时间周期内将接收到的数据进行处理。由于目前的联合收割机大多在野外作业，当出现故障需要及时修理时，监控中心就能够及时的进行准确定位而缩短维修时间、提高作业效率。

所述无线数据传输模块为CM8150EP WCDMA 3G DTU无线数据传输模块，将ARM开发板中处理好的转速信息以及地理位置信息连接Internet传送到服务器(上位机)；ARM控制模块与上位机之间通过3G DTU无线数据传输模块进行通信，可以将联合收割机的各部件转速信息传送到上位机，当多辆联合收割机同时工作时，可以同时将数据传送到上位机，上位机可以将数据经过分类之后保存到数据库中，便于实验之后对同种类型的联合收割机进行性能分析，加以质量和性能的改进。

所述转速调控装置包括步进电机驱动器和步进电机，用于接收ARM控制模块发出的指令并通过步进电机驱动器控制步进电机的正反运转，以此来调节收割机的前进速度；

所述触摸屏显示模块通过MODBUS协议负责接收ARM开发板传送的转速信息、前进速度信息、故障报警点和地理位置信息，并以折线图形式显示收割机的监测数据。MODBUS协议是一种通用的通信协议，此协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备，具有标准、开放、免费、支持电器接口种类多、帧格式简单、紧凑、通俗易懂的等特点。

所述ARM开发板为三星S3C2440TE-2440A，并采用基于模式识别自适应智能控制算法对所接收的转速信息和前进速度信息进行处理实现联合收割机作业速度的智能化自动控制。

一种基于转速差值模式识别的联合收割机远程测控方法，包括如下步骤：

步骤A：利用传感器模块采集联合收割机前进速度信号和脱粒滚筒的转速信号；

步骤B：利用GPS定位模块采集、处理联合收割机地理位置信息；

步骤C：将步骤A中采集到的前进速度信号和脱粒滚筒的转速信号经调理电路传送至ARM控制模块；步骤B中所述联合收割机地理位置信息经过串口传送至ARM控制模块；

步骤D：所述ARM控制模块基于转速差值模式识别智能控制算法对步骤C中脱粒滚筒的转速信号分析、处理且经串口传送至触摸屏，所述ARM控制模块基于滤波算法对步骤C中所述地理位置信息分析、处理且经串口传送至触摸屏；

所述转速差值模式识别智能控制算法如下：

S1：提取脱粒滚筒的转速值V作为被控对象；

S2：计算转速值V与脱粒滚筒的最大空载速度V1之间的转速差值△V；

S3：将转速差值△V与特征模式比对、识别，并调用相应特征模式。

所述特征模式为：

模式1：当△V≤0.1V₁时，步进电机快正转；

模式2：当0.1V₁＜△V≤0.3V₁时，步进电机慢正转；

模式3：当0.3V₁＜△V≤0.5V₁时，步进电机保持当前状态；

模式4：当0.5V₁＜△V≤0.8V₁时，步进电机慢反转；

模式5：当0.8V₁＜△V≤V₁-V₀时，步进电机快反转；

模式6：当V₁-V₀＜△V时，步进电机停止转动，其中V₀为脱粒滚筒的额定最小转速。

步骤E：所述ARM控制模块调用模式、发出指令至转速调控装置，转速调控装置中的步进电机驱动器控制步进电机的正反运转，进而实现对联合收割机前进速度的智能控制；所述触摸屏上显示前进速度、脱粒滚筒的转速、地理位置信息、故障报警状态、脱粒滚筒的最大空载速度V₁；

步骤F：所述ARM控制模块通过无线传输模块与上位机之间数据传输。

本发明中将控制单元由传统的单片机升级为ARM开发板，使用转速差值模式识别智能控制算法，同时将GPS定位技术融入进来，又配备有3G无线远程数据传输系统，使得监控中心能够及时的接收由下位机发过来的联合收割机的位置信息及作业状态数据，能够及时与下位机之间通信，这样在预警阶段就能了解收割机的故障信息，采取下一步措施。

工作过程：

传感器模块分别采集脱粒滚筒转速和前进速度信号，并将信号经调理电路后传送至ARM开发板，前进速度作为控制对象不参与计算及模式识别，ARM开发板通过计算得出转速值V与脱粒滚筒的最大空载速度V₁之间的转速差值△V，并将得到的转速差值△V与设定好的特征模式进行对比分析，进行快加速、慢加速、保持当前速度、快减速、慢减速五种模式选取；模式选定后，ARM开发板发出指令给步进电机驱动器，步进电机驱动器控制步进电机正反转以完成相应操作。

当对比结果符合模式1时，此时联合收割机的转速较大，无堵塞现象，此时调用快加速的程序，步进电机驱动器带动步进电机快正转，加快联合收割机的收割速度；对比结果符合模式2时，此时联合收割机转速略大于正常转速，依旧未发生堵塞现象，但不能较快的加速而应采用慢加速，即步进电机慢正转，否则容易发生堵塞现象；当对比结果符合模式3时，步进电机保持当前速度和转向不变；当对比结果符合模式4时，此时有轻微堵塞现象，步进电机慢反转，进行慢减速，以防止进一步堵塞；当对比结果符合模式5时，此时堵塞较严重，步进电机快速反转，应当快减速，防止因堵塞破坏联合收割机的正常运行；当符合模式6时，此时联合收割机已经不能正常收割，应当立即停止前进速度。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于转速差值模式识别的联合收割机远程测控方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A：利用传感器模块采集联合收割机前进速度信号和脱粒滚筒转速信号；

步骤B：利用GPS定位模块采集、处理联合收割机地理位置信息；

步骤C：步骤A中所述前进速度信号和转速信号经调理电路传送至ARM控制模块；步骤B中所述联合收割机地理位置信息经过串口传送至ARM控制模块；

步骤D：所述ARM控制模块基于转速差值模式识别智能控制算法对步骤C中转速信号分析、处理并传送至触摸屏，所述ARM控制模块基于滤波算法对步骤C中所述地理位置信息分析、处理并传送至触摸屏；

步骤E：所述ARM控制模块发出指令至转速调控装置，所述转速调控装置中的步进电机驱动器控制步进电机的正反运转，进而实现对联合收割机前进速度的智能控制；所述触摸屏上显示有前进速度、脱粒滚筒的转速、地理位置信息、故障报警状态、脱粒滚筒的最大空载速度V₁信息；

步骤F：所述ARM控制模块通过无线传输模块与上位机之间数据传输。

2.根据权利要求1所述的一种基于转速差值模式识别的联合收割机远程测控方法，其特征在于，步骤D中所述转速差值模式识别智能控制算法如下：

S1：提取脱粒滚筒的转速值V作为被控对象；

S2：计算转速值V与脱粒滚筒的最大空载速度V₁之间的转速差值△V；

S3：将转速差值△V与特征模式比对、识别，调用相应特征模式。

3.根据权利要求2所述的一种基于转速差值模式识别的联合收割机远程测控方法，其特征在于，步骤S3中所述特征模式为：

模式1：当△V≤0.1V₁时，步进电机快正转；

模式2：当0.1V₁＜△V≤0.3V₁时，步进电机慢正转；

模式3：当0.3V₁＜△V≤0.5V₁时，步进电机保持当前状态；

模式4：当0.5V₁＜△V≤0.8V₁时，步进电机慢反转；

模式5：当0.8V₁＜△V≤V₁-V₀时，步进电机快反转；

模式6：当V₁-V₀＜△V时，步进电机停止转动，其中V₀为脱粒滚筒的额定最小转速。

4.一种基于转速差值模式识别的联合收割机远程测控设备，其特征在于，包括ARM控制模块，与ARM控制模块连接的电源模块、传感器模块、GPS定位模块、无线数据传输模块、转速调控装置、触摸屏，所述无线数据传输模块连接上位机，所述电源模块用于提供电源；

所述传感器模块包括霍尔转速传感器和齿轮传感器，所述霍尔转速传感器用于采集联合收割机前进速度信号，所述齿轮传感器用于采集脱粒滚筒的转速信号，并经调理电路传递给ARM控制模块；

所述GPS定位模块用于采集、处理联合收割机地理位置信息，并经过串口传送至ARM控制模块；

所述ARM控制模块包括ARM开发板，用于接收、分析、处理传感器模块所传递的联合收割机前进速度信号、脱粒滚筒的转速信号和联合收割机地理位置信息，并将信息传递至触摸屏，同时向转速调控装置发出指令；

所述转速调控装置包括依次连接的步进电机驱动器和步进电机，用于执行所述ARM控制模块发出的指令；

所述触摸屏显示模块用于显示联合收割机的前进速度、脱粒滚筒的转速、地理位置信息、故障报警状态、脱粒滚筒的最大空载速度V₁；

所述无线数据传输模块用于将ARM控制模块处理好的各信息传送至上位机。

5.根据权利要求4所述的一种基于转速差值模式识别的联合收割机远程测控机载设备，其特征在于，所述GPS定位模块采用飞凌SiRF-Star型号的GPS模块，所述无线数据传输模块采用CM8150EP WCDMA 3G DTU。

6.根据权利要求1所述的一种基于转速差值模式识别的联合收割机远程测控机载设备，其特征在于，所述触摸屏通过MODBUS协议接收ARM开发板传送的联合收割机的前进速度、脱粒滚筒转速和地理位置信息。

7.根据权利要求1所述的一种基于转速差值模式识别的联合收割机远程测控机载设备，其特征在于，所述霍尔转速传感器安装在联合收割机的前进轮上，所述齿轮传感器安装在脱粒滚筒的转速输出轴上。

8.根据权利要求1所述的一种基于转速差值模式识别的联合收割机远程测控机载设备，其特征在于，所述ARM开发板采用三星S3C2440TE-2440A。