CN105203017A - 具有即时间隙检测的农作物感测系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种农用机械包括农作物行传感器，所述农作物行传感器具有与位于农作物行中的植物相互作用的可动桨叶，并且周期性地产生代表所述桨叶的位置的传感器信号。信号处理系统包括存储器，该存储器存储多个传感器信号。该系统确定所存储的传感器信号的最小幅值，并且产生代表一段时间内的传感器信号的变化的下降速率信号。当最小幅值低于阈值并且当下降速率高于下降速率阈值时，间隙检测单元产生间隙信号。因此，当桨叶碰到农作物行中的间隙时，所述系统产生间隙信号。

Description

具有即时间隙检测的农作物感测系统和方法

技术领域

本公开涉及一种用于处理来自农作物行传感器的信号的系统和方法。

背景技术

已经设计了用于农用车辆的自动转向系统。这样的系统利用农作物行传感器，该农作物行传感器感测农作物茎并且基于来自所述行传感器的反馈确定车辆的合适的转向动作。例如，于2010年颁发给Wilcox等人并且转让给本申请的受让人的美国专利US7716905描述了一种用于在一行农作物中检测植物或植物茎的感测组件。该组件包括与矗立在田地中的植物相互作用的可动臂和基于可动臂的位置产生信号的传感器。

另一种已知的农作物行传感器包括较长的橡胶条或桨叶。磁体附接至该桨叶上。当所述桨叶触摸农作物茎时，随着茎向后推动所述桨叶的顶端，所述桨叶弯曲。使用霍尔效应传感器测量所述桨叶向后弯曲的量，该霍尔效应传感器感测磁体产生的磁场。随着所述桨叶进一步向后弯曲，传感器电压上升，从而该传感器电压代表农作物行相对于车辆的位置。当所述桨叶为直的(不向后弯曲)时，传感器电压非常低，这表示缺少或没有农作物。

有时，在一行农作物中存在茎间隙或没有茎。在一些情况中，所述间隙可能相当长(10-20英尺)。在所述间隙中，转向系统必须尽可能快地确定什么动作是合适的，以保持车辆与农作物行正确地对准。

当所述桨叶已经被向后推动并且然后到达在行中存在间隙(没有植物)的空间时，橡胶桨叶将会向前“弹起”并且来回振荡几秒钟，直至它在自由的直立位置中完全地安定下来。橡胶桨叶的所述弹起会产生振荡的传感器电压。所述振荡电压被理解为指示在农作物行中存在间隙。以前，仅可以在弹起事件发生之后的1/2秒至3秒内确定存在农作物间隙。在此时间内，机器不会有效地转向而继续在行上行进。这是因为，在4至6英里/小时的通常的谷物收割速度下，每秒钟会覆盖5至9英尺的距离。需要更快速地检测弹起事件，以使得车辆在运动时能够更精确地转向。

发明内容

根据本公开的一个方面，提供用于处理来自农作物传感器的信号的系统和方法。农作物传感器信号包括接合农作物行中的植物的橡胶桨叶。当农作物行中存在间隙时，该桨叶运动到间隙中并且弹起直至其停留在伸长位置中。该传感器周期性地产生具有代表桨叶的位置的诸如电压的参数的传感器信号。传感器处理系统包括存储多个传感器信号的存储器或环形缓冲区。最小信号测量单元确定存储在存储器中的传感器信号的最小幅值。比较单元比较最小幅值与阈值。当最小幅值低于所述阈值时，比较单元产生代表农作物行中没有植物的间隙信号。环形缓冲区的容量与当碰到农作物行中的间隙时桨叶运动至停止所需要的时间相关。

信号处理系统还包括下降速率单元和间隙检测单元，该下降速率单元产生代表一段时间内传感器信号的变化的下降速率信号，并且该间隙检测单元根据最小幅值和下降速率信号产生间隙信号。所述间隙检测单元比较所述最小幅值与第一阈值，并且当所述最小幅值不低于所述第一阈值时产生无间隙标记。当所述最小幅值低于所述第一阈值时，所述间隙检测单元比较所述下降速率与第二阈值，当所述下降速率不高于所述第二阈值时产生无间隙标记，并且当所述下降速率高于所述第二阈值时产生检测到间隙标记。

因此，信号处理系统和方法包括在环形缓冲区中记录和连续地更新来自农作物传感器的电压数据的小段历史数据。环形缓冲区的容量足够包括记录的历史数据，该记录的历史数据足够长而能够捕获橡胶桨叶的整个弹起循环周期。当环形缓冲区中的最小电压低于阈值时，其意味着桨叶碰到了农作物行中的间隙，并且系统产生间隙信号。

附图说明

图1是本发明可以用于的农作物收割机器的收割头的主透视图；

图2是安装至图1的收割头的农作物感测组件的示意图；

图3是示出图3A和3B之间的关系的视图；

图3A和3B形成处理来自一对图2的农作物感测组件的传感器信号的信号处理系统的示意方框图；

图4是图3的桨叶行误差估计器的示意图；

图5是图3的最小电压测量单元的示意图；

图6是由图3的间隙检测单元执行的算法的逻辑流程图；

图7是由图3的融合/仲裁单元执行的算法的逻辑流程图；

图8是本发明可以用于的谷物收割头的主透视图；

图9是本发明可以用于的播撒机器的主透视图。

具体实施方式

参照图1，农作物收割机10包括收割头12，该收割头12收集农作物并且将农作物引导进收割机10中。收割头12包括一对茎滚轮14和16。左和右农作物感测单元18、19安装在每一个茎滚轮14和16上。每一个农作物感测单元18、19包括远离茎滚轮横向突出的橡胶条或桨叶或触头20、21，该橡胶条或桨叶或触头20、21安装在一个茎滚轮上并且朝向另一茎滚轮。

最好如图2所示，左农作物感测单元18是惯用的并且是左单元18和右单元19两者的示例。左农作物感测单元18包括传感器壳体22。桨叶20具有固定至壳体22的向前外表面26的第一端24和突出进农作物行30中的第二端28。霍尔效应传感器32安装在壳体22中，以使得其可以与附接至桨叶20的磁体34相互作用。农作物行包括多个植物或农作物茎36。当桨叶20接合农作物茎36时，它在向后的方向上被弯曲进诸如20A的位置中。当农作物行中存在间隙38时，桨叶20将会向前弹出并且弹起或来回震荡，直至其占据诸如20B的自由位置。随着桨叶20运动，磁体34相对于霍尔效应传感器32运动，并且该霍尔效应传感器产生具有电压的信号，该电压是磁体34与霍尔效应传感器32之间的距离的函数。

现在参见图3A和3B，来自左和右传感器32的信号被信号处理系统40接收。信号处理系统40包括使用可商用的MATLAB语言来开发或执行的算法。对于本领域技术人员而言，将下面的图表和流程图转化为用于在数字计算机或微处理器中执行系统的标准语言是显而易见的。

信号处理系统40包括左A/D转换器42和右A/D转换器44，该左A/D转换器42和右A/D转换器44从左和右霍尔效应传感器32中接收相应的传感器信号。优选地，传感器信号为0-5v范围的模拟信号，并且以50Hz被采样，并且被转换为16位数字信号或数字值。左桨叶行误差估计器46和右桨叶行误差估计器48以及左环形缓冲区50和右环形缓冲区52全部接收相应的数字的左传感器电压和右传感器电压。左最小电压测量单元54和右最小电压测量单元56确定存储在相应的环形缓冲区50、52中的最小电压，并且将下降速率值和最小电压值供给至相应的左间隙检测单元58和右间隙检测单元60。左桨叶行误差估计器46和右桨叶行误差估计器48将左行误差值和右行误差值供给至融合/仲裁单元62。左间隙检测单元58和右间隙检测单元60将相应的左间隙值和右间隙值供给至融合/仲裁单元62。融合/仲裁单元62将转向误差信号供给至收割机10(图1)的转向/引导系统(未示出)。

现在参照图4，左桨叶行误差估计器46和右桨叶行误差估计器48中的每一个都将数字传感器电压施加给存储的阶校准曲线66，以得到相应的左行位置估计值和右行位置估计值。行位置估计值被减法器68从至行的目标距离值中减去，以生成左行误差值和右行误差值。

再次参照图3A，左环形缓冲区50和右环形缓冲区52中的每一个连续存储最近的相应的左传感器电压值和右传感器电压值。在每一个环形缓冲器50、52中，当接收到最新的值时，最先存储的传感器值被删除。优选地，每一个环形缓冲区足够大(或容纳足够数量的值，例如25个)，以使得其可以捕获将在桨叶20的弹起或振荡循环期间产生的多个传感器值。

现在参照图5，左最小电压测量单元54和右最小电压测量单元56中的每一个都从相应的环形缓冲区50、52中周期性地提取相应的最小传感器电压，并且将该最小值传送给相应的间隙检测单元58、60。左最小电压测量单元54和右最小电压测量单元56中的每一个还都包括环形缓冲区70。存储在环形缓冲区70中的值被用来确定最小电压值的变化速率(或下降速率)。这通过以下方式完成：求取最先存储值与最近存储值之间的差值并且将该差值除以经过的时间。该下降速率值还被传送给相应的间隙检测单元58、60的输入。

现在参照图6，左间隙检测单元58和右间隙检测单元60中的每一个都执行算法100。该算法开始于步骤102，该步骤102确定存储在环形缓冲区50、52中的最小电压。如果最小电压小于例如诸如1伏特的阈值，那么可能已经在农作物行30中检测到间隙，然后步骤104将算法引导至步骤106，否则将算法引导至产生没有间隙的标记的步骤112。

步骤106通过计算环形缓冲区50、52中的最先的电压与最近的电压的电压变化并且将该电压变化除以最先的电压值与最近的电压值之间经过的时间，来确定电压下降速率。

然后，如果下降速率大于例如诸如0.1伏特/秒的阈值，那么已经在农作物行30中检测到间隙，并且步骤108将算法引导至产生间隙标记的步骤110，否则，将算法引导至产生没有间隙的标记的步骤112。

因此，每一个间隙检测单元58、60都运行以监测相应的桨叶，以确定该桨叶是否因为遭遇农作物行30中的间隙而处于自由运动中。如果环形缓冲区50、52中的最小电压低于诸如1伏特的电压阈值并且来自单元54、56的最小电压下降速率大于诸如0.1伏特/秒的下降速率阈值，那么间隙检测单元58、60确定桨叶已经进入一间隙。如果环形缓冲区50、52的最小电压大于电压阈值(1伏特)，那么间隙检测单元58、60确定桨叶没有进入一间隙。

现在参照图7，融合/仲裁单元62执行算法200。该算法开始于步骤202，该步骤202分别从单元46和48获取左行误差值和右行误差值。步骤202还从左间隙检测单元58和右间隙检测单元60获取左间隙标记和右间隙标记、或者左无间隙标记和右无间隙标记。

如果左间隙检测单元58和右间隙检测单元60产生间隙标记，那么步骤204将算法引导至步骤206并且不生成转向误差信号，否则步骤204将算法引导至步骤208。

如果左间隙检测单元58产生间隙标记，那么步骤208将算法引导至步骤210，该步骤210将转向误差信号设置为等于右行误差，以使得转向系统(未示出)将仅仅根据右农作物传感器产生的右行误差信号使机器转向，否则，步骤208将算法引导至步骤212。

如果右间隙检测单元60产生间隙标记，那么步骤212将算法引导至步骤214，该步骤214将转向误差信号设置为等于左行误差，以使得转向系统(未示出)将仅仅根据左农作物传感器产生的左行误差信号使机器转向，否则，步骤212将算法引导至步骤216。

如果左传感器20和右传感器21都被偏转，那么执行步骤216，在此情况下，步骤216将转向误差设置为等于右行误差与左行误差之间的差值。

结果是，系统在间隙事件发生的100毫秒内检测出间隙情况，以使得可以采取各种动作而将机器保持在行中。如果仅在一行中存在间隙，那么转向系统可以基于未感测到间隙的其它农作物行传感器而转向。如果在两行中感测到间隙，那么可以使机器在滑行模式(coastingmode)中转向。因为当记录数据时立即会有新数据被加入到环形缓冲区中，所以间隙情况的检测可以立即发生，而不是等待桨叶弹起到发生的整个时间段。

现在参照图8和9，农作物感测单元18、19和桨叶20、21可以被用于其它农作物传感器应用。例如，其可以用于诸如谷物收割机72(图8)的谷物收割头70上的收割装置上，以及用于喷撒器80(图9)上。

尽管已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本公开，但是这样的图示和描述将被视为示例性的并且不是对特征的限制，应理解的是，示意性的实施例已经被示出和描述，并且要求保护落入本公开的精神内的所有改变和修改。应注意的是，本公开的可替代的实施例可不包括所描述的全部特征，但仍享有所述特征的至少一些优点。本领域技术人员能够容易想到包括本公开的一个或多个特征并且落入由附属的权利要求限定的本发明的精神和范围内的他们自己的实施方式。

Claims (16)

1.一种信号处理系统，使用在具有农作物行传感器的农用机械中，所述农作物行传感器具有与位于农作物行中的植物相互作用的可动桨叶，所述传感器周期性地产生具有代表所述桨叶的位置的参数的传感器信号，所述信号处理系统包括：

存储器，该存储器存储多个传感器信号；

最小信号测量单元，该最小信号测量单元确定存储在所述存储器中的传感器信号的最小幅值；以及

比较单元，该比较单元比较所述最小幅值与阈值，当最小幅值小于所述阈值时，所述比较单元产生代表所述农作物行中没有植物的间隙信号。

2.根据权利要求1所述的信号处理系统，其中，所述存储器包括环形缓冲区。

3.根据权利要求2所述的信号处理系统，其中，所述环形缓冲区的容量与当碰到农作物行中的间隙时桨叶运动至停止所需要的时间相关。

4.根据权利要求1所述的信号处理系统，还包括：

下降速率单元，该下降速率单元产生代表传感器信号在一段时间内的变化的下降速率信号；以及

间隙检测单元，该间隙检测单元根据所述最小幅值和所述下降速率信号产生间隙信号。

5.根据权利要求4所述的信号处理系统，其中：

所述间隙检测单元比较所述最小幅值与第一阈值，并且当所述最小幅值不低于所述第一阈值时产生无间隙标记；并且

当所述最小幅值低于所述第一阈值时，所述间隙检测单元比较所述下降速率与第二阈值，当所述下降速率不高于所述第二阈值时产生无间隙标记，并且当所述下降速率高于所述第二阈值时产生检测到间隙标记。

6.根据权利要求1所述的信号处理系统，其中，所述存储器的容量与当碰到农作物行中的间隙时桨叶运动至停止所需要的时间相关。

7.一种信号处理系统，使用在具有左农作物行传感器和右农作物行传感器的农用机械中，每一个农作物行传感器都具有与农作物行中的植物相互作用的对应的左可动桨叶和右可动桨叶，每一个传感器都周期性地产生具有代表对应的桨叶的位置的参数的对应的左传感器信号和右传感器信号，所述信号处理系统包括：

存储多个左传感器信号的左存储器；

左最小信号测量单元，该左最小信号测量单元确定存储在左存储器中的左传感器信号的左最小幅值；

左误差单元，该左误差单元根据左传感器信号产生左行误差信号；

左比较单元，该左比较单元比较左最小幅值与阈值，当左最小幅值低于所述阈值时，该左比较单元产生代表左农作物行中没有植物的左间隙信号；

存储多个右传感器信号的右存储器；

右最小信号测量单元，该右最小信号测量单元确定存储在右存储器中的右传感器信号的右最小幅值；

右误差单元，该右误差单元根据右传感器信号产生右行误差信号；

右比较单元，该右比较单元比较右最小幅值与阈值，当右最小幅值低于所述阈值时，该右比较单元产生代表右农作物行中没有植物的右间隙信号；以及

融合/仲裁单元，该融合/仲裁单元根据左行误差信号和右行误差信号以及左间隙信号和右间隙信号产生选择的转向误差信号。

8.根据权利要求7所述的信号处理系统，还包括：

左下降速率单元，该左下降速率单元产生代表每单位时间内左传感器信号的变化的左下降速率信号；

左间隙检测单元，该左间隙检测单元根据左最小幅值和左下降速率信号产生左间隙信号；

右下降速率单元，该右下降速率单元产生代表每单位时间内右传感器信号的变化的右下降速率信号；以及

右间隙检测单元，该右间隙检测单元根据右最小幅值和右下降速率信号产生右间隙信号。

9.根据权利要求7所述的信号处理系统，其中：

当没有产生间隙信号时，所述融合/仲裁单元将转向误差信号设置为等于右行误差信号与左行误差信号之间的差值。

10.根据权利要求7所述的信号处理系统，其中：

所述左存储器和右存储器为环形缓冲区。

11.一种信号处理方法，使用在具有农作物行传感器的农用机械中，所述农作物行传感器具有与位于农作物行中的植物相互作用的可动桨叶，所述传感器周期性地产生具有代表所述桨叶的位置的参数的传感器信号，所述信号处理方法包括：

将多个传感器信号存储在存储器中；

确定存储在所述存储器中的传感器信号的最小幅值；以及

比较所述最小幅值与阈值，并且当最小幅值低于所述阈值时，产生代表所述农作物行中没有植物的间隙信号。

12.根据权利要求11所述的信号处理方法，其中，所述存储器包括环形缓冲区。

13.根据权利要求12所述的信号处理方法，其中，所述环形缓冲区的容量与当碰到农作物行中的间隙时桨叶运动至停止所需要的时间相关。

14.根据权利要求11所述的信号处理方法，还包括：

产生代表在一段时间内的传感器信号的变化的下降速率信号；以及

根据最小幅值和下降速率信号产生间隙信号。

15.根据权利要求14所述的信号处理方法，其中：

比较所述最小幅值与第一阈值，并且当所述最小幅值不低于所述第一阈值时产生无间隙标记；并且

当所述最小幅值低于所述第一阈值时，比较所述下降速率与第二阈值，当所述下降速率不高于所述第二阈值时产生无间隙标记，并且当所述下降速率高于所述第二阈值时产生检测到间隙标记。

16.根据权利要求11所述的信号处理方法，其中，所述存储器的容量与当碰到农作物行中的间隙时桨叶运动至停止所需要的时间相关。