CN106233921A - 一种收割机割台高度自动调节系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种收割机割台高度自动调节系统。所述收割机割台高度自动调节系统包括实时检测割台高度的超声波传感器、用于利用控制算法计算出割台动作数据并输出电流信号的控制主板和用于控制割台升降的割台动作执行机构，所述超声波传感器、所述控制主板和所述割台动作执行机构依次电连接设置，而且所述超声波传感器垂直于地面地设置在割台的分禾器表面。本发明还提供一种基于所述收割机割台高度自动调节系统的控制方法。

Description

一种收割机割台高度自动调节系统及控制方法

技术领域

本发明属于农业自动化机械领域，具体地涉及一种收割机割台高度自动调节系统及控制方法。

背景技术

我国是一个农业大国，稻麦为主要的粮食作物，随着农业机械化的不断普及，谷物收割机在农作物收割中的应用越来越广泛，减少了谷物损失并且提高了农业生产效率。目前常见的联合收割多是利用机械仿形机构或人工方法控制液压阀操纵液压缸来调节工作高度的，其控制的关键因素是收割机驾驶人员，需要驾驶人员通过视觉观察的方式依据地形以及收割作物的情况等因素不断操纵调整手柄对割台高度进行调节。传统割台调节方式的缺点是显而易见的：对驾驶人员有较高要求，需要驾驶人员持续保持高度精力集中对地形以及收割作业过程进行观察，并且依据个人经验作出相应的操控动作，加之农田作业环境较为恶劣，驾驶员的劳动强度较大；人工手动调节存在其固有缺陷，调节的精度以及实时性等都有很大的不确定性，难以实现收割作业过程中割茬高度的一致性。

因此，目前市场上迫切需要一种可以实现割台高度的实时精确检测，并依据检测结果自动实现割台高度精确调节从而有效降低驾驶人员劳动强度的收割机割台高度自动调节系统及控制方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以实现割台高度的实时精确检测，并依据检测结果自动实现割台高度精确调节从而有效降低驾驶人员劳动强度的收割机割台高度自动调节系统及控制方法。

本发明的技术方案如下：一种收割机割台高度自动调节系统包括实时检测割台高度的超声波传感器、用于利用控制算法计算出割台动作数据并输出电流信号的控制主板和用于控制割台升降的割台动作执行机构，所述超声波传感器、所述控制主板和所述割台动作执行机构依次电连接设置，而且所述超声波传感器垂直于地面地设置在割台的分禾器表面。

优选地，所述控制主板设置在轮式联合收割机的驾驶舱内，且所述控制主板包括接收并处理所述超声波传感器发送的高度数据的微控制器模块，所述微控制器模块与所述超声波传感器电连接设置。

优选地，所述割台动作执行机构包括与所述控制主板电连接的电液比例换向阀和用于驱动割台升降动作的液压缸，所述电液比例换向阀控制所述液压缸驱动割台升降。

优选地，所述割台动作执行机构还包括用于反馈所述电液比例换向阀的阀芯开口大小的阀芯开口量位移传感器，所述阀芯开口量位移传感器与所述控制主板电连接设置。

优选地，所述超声波传感器设置有多个，且所述多个超声波传感器分别对称地设置在割台两侧的分禾器表面。

优选地，每一所述超声波传感器包括平行间隔设置的超声波发射口和超声波接收口，且每一所述超声波传感器设置有传感器保护罩，所述传感器保护罩通过螺栓分别与所述分禾器和所述超声波传感器固定连接。

一种根据上述的收割机割台高度自动调节系统的控制方法，当轮式联合收割机处于作业环境时，其包括如下步骤：

a、利用超声波传感器实时采集割台当前距离地面高度信息，并将所述高度信息发送至控制主板；

b、所述控制主板根据所述高度信息，并利用设定的割台动作计算函数计算出割台的动作数据，并输出电流信号；

c、割台动作执行机构接收所述控制主板发送的电流信号从而控制割台升降。

优选地，所述割台动作执行机构包括与所述控制主板电连接的电液比例换向阀、用于驱动割台升降动作的液压缸和用于反馈所述电液比例换向阀的阀芯开口大小的阀芯开口量位移传感器，则所述步骤b具体包括如下步骤：

所述控制主板根据所述高度信息，并利用设定的割台动作计算函数计算出当前割台调节速度值V；

根据所述液压缸的缸径以及割台结构参数计算出所述电液比例换向阀所需流量值，即对应的所述电液比例换向阀的阀芯开口量r(t)；

将阀芯开口量r(t)与所述阀芯开口量位移传感器测量值比较得出差值e(t)，将3个连续采样周期的差值e(k-2)、e(k-1)、e(k)进行PID计算后得到输出值u(t)；

根据所述电液比例换向阀的参数计算开口值u(t)所对应的电流大小，再根据所述控制主板参数逆向求得模拟电流接口参数。

优选地，在步骤b中，所述割台动作计算函数具体为：

$V=\left\{\begin{array}{cc}k(\mathrm{\&Delta;}H-d)& \mathrm{\&Delta;}H>d\\ 0& -d\&le;\mathrm{\&Delta;}H\&le;d\\ k(\mathrm{\&Delta;}H+d)& \mathrm{\&Delta;}H<-d\end{array}\right.,(d>0)$

其中，ΔH是割台实时高度值与设定高度的差值，V是割台高度调节的速度值，+d与—d分别为ΔH所允许的上下限值，k是常数。

本发明的有益效果在于：所述收割机割台高度自动调节系统及控制方法能够使得轮式联合收割机根据田间地形变化实时自动地按照既定速度平稳调整高度，使割台与地面保持一定的距离，保证收割机的安全性以及收割的质量，弥补手动调节实时性差、调节精度低等缺陷。

附图说明

图1是本发明实施例提供的收割机割台高度自动调节系统的结构示意图；

图2是图1所示收割机割台高度自动调节系统的系统安装图；

图3是图2所示收割机割台高度自动调节系统中超声波传感器安装位置的放大图；

图4是基于图1所示收割机割台高度自动调节系统的控制方法的流程框图；

图5是图4所示收割机割台高度自动调节系统的控制方法的控制过程原理图；

图6是图4所示收割机割台高度自动调节系统的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

除非上下文另有特定清楚的描述，本发明中的元件和组件，数量既可以单个的形式存在，也可以多个的形式存在，本发明并不对此进行限定。本发明中的步骤虽然用标号进行了排列，但并不用于限定步骤的先后次序，除非明确说明了步骤的次序或者某步骤的执行需要其他步骤作为基础，否则步骤的相对次序是可以调整的。可以理解，本文中所使用的术语“和/或”涉及且涵盖相关联的所列项目中的一者或一者以上的任何和所有可能的组合。

请同时参阅图1、图2和图3，图1是本发明实施例提供的收割机割台高度自动调节系统的结构示意图；图2是图1所示收割机割台高度自动调节系统的系统安装图；图3是图2所示收割机割台高度自动调节系统中超声波传感器安装位置的放大图。本发明实施例提供的收割机割台高度自动调节系统100包括实时检测割台高度的超声波传感器10、用于利用控制算法计算出割台动作数据并输出电流信号的控制主板20和用于控制割台升降的割台动作执行机构30。其中，所述超声波传感器10、所述控制主板20和所述割台动作执行机构30依次电连接设置。

为了实时测量割台与地面的高度，所述超声波传感器10垂直于地面地设置在割台的分禾器表面。在本实施例中，所述超声波传感器10设置有多个，且所述多个超声波传感器10分别对称地设置在割台两侧的分禾器表面，从而使得所述超声波传感器10可以准确接收来自割台正下方地面反射的超声波，从而获得割台当前距离地面的高度信息。

而且，每一所述超声波传感器10包括平行间隔设置的超声波发射口11和超声波接收口12，且每一所述超声波传感器10设置有传感器保护罩13，所述传感器保护罩13通过螺栓分别与所述分禾器和所述超声波传感器10固定连接。

所述控制主板20设置在轮式联合收割机的驾驶舱内，且所述控制主板20包括接收并处理所述超声波传感器发送的高度数据的微控制器模块，所述微控制器模块与所述超声波传感器10电连接设置，并基于所述超声波传感器发送的高度数据输出相对应的电流信号至所述割台动作执行机构30，从而控制所述割台动作执行机构30的工作状态。可选择地，所述微控制器模块可以是单片机。

所述割台动作执行机构30与所述控制主板20电连接的电液比例换向阀31、用于驱动割台升降动作的液压缸32和用于反馈所述电液比例换向阀31的阀芯开口大小的阀芯开口量位移传感器33，所述电液比例换向阀31控制所述液压缸32驱动割台升降，所述阀芯开口量位移传感器33与所述控制主板20电连接设置。具体地，所述阀芯开口量位移传感器33与所述控制主板20的微控制器模块电连接设置。

在所述割台动作执行机构30中，所述电液比例换向阀31接收所述控制主板20发送的电流信号，并控制所述液压缸32驱动割台升降。其中，所述阀芯开口量位移传感器33可以实现阀芯开口大小的反馈，并将反馈结果发送至所述控制主板20的微控制器模块，进而使得所述微控制器模块可以根据所述反馈结果调节电流信号，从而实现调节速度的闭环控制。

请同时参阅图4、图5和图6，图4是基于图1所示收割机割台高度自动调节系统的控制方法的流程框图；图5是图4所示收割机割台高度自动调节系统的控制方法的控制过程原理图；图6是图4所示收割机割台高度自动调节系统的控制方法的流程示意图。当轮式联合收割机处于作业环境时，所述控制方法200包括如下步骤：

S1、利用超声波传感器实时采集割台当前距离地面高度信息，并将所述高度信息发送至控制主板。

具体地，分别对称地设置在割台两侧的分禾器的多个超声波传感器10分别实时采集割台当前距离地面高度信息H，并将所述高度信息H发送至所述控制主板20。

S2、所述控制主板20根据所述高度信息，并利用设定的割台动作计算函数计算出割台的动作数据，并发送电流信号。

具体地，所述步骤S2具体包括如下步骤：

所述控制主板20根据所述高度信息，并利用设定的割台动作计算函数计算出当前割台调节速度值V；

根据所述液压缸32的缸径以及割台结构参数计算出所述电液比例换向阀31所需流量值，即对应的所述电液比例换向阀31的阀芯开口量r(t)；

将阀芯开口量r(t)与所述阀芯开口量位移传感器33测量值比较得出差值e(t)，将3个连续采样周期的差值e(k-2)、e(k-1)、e(k)进行PID计算后得到输出值u(t)；

根据所述电液比例换向阀31的参数计算开口值u(t)所对应的电流大小，再根据所述控制主板20参数逆向求得模拟电流接口参数，且所述模拟电流接口参数可以为模拟电流值大小。

而且，所述割台动作计算函数具体为：

$V=\left\{\begin{array}{cc}k(\mathrm{\&Delta;}H-d)& \mathrm{\&Delta;}H>d\\ 0& -d\&le;\mathrm{\&Delta;}H\&le;d\\ k(\mathrm{\&Delta;}H+d)& \mathrm{\&Delta;}H<-d\end{array}\right.,(d>0)$

其中，ΔH是割台实时高度值与设定高度的差值，V是割台高度调节的速度值，+d与—d分别为ΔH所允许的上下限值，k是常数。

需要说明的是，割台高度调节过程中，为了保证调节过程中割台动作的平稳与精确，本系统设计割台调节过程中速度随割台高度呈线性变化。而且，当割台高度偏离设定值较大时，为了加快调整过程，缩短调整时间，此时割台动作速度较大；当割台高度接近设定值时，为了保证调整的平稳精确，此时割台动作速度较小。

S3、割台动作执行机构接收所述控制主板发送的电流信号从而控制割台升降。

具体地，所述控制主板20输出为电流信号，并将所述电流信号发送至所述电液比例换向阀31，并驱动所述电液比例换向阀31调节阀芯开口量，进而控制所述液压缸32驱动割台上升或下降，从而使割台在调节过程中速度线性变化，平稳精确地维持在设定高度范围内。

而且，在步骤S3中，所述阀芯开口量位移传感器33也依然实时检测所述电液比例换向阀31的阀芯开口量，并将所述阀芯开口量实时反馈至所述控制主板20的微控制器模块。

相较于现有技术，本发明提供的收割机割台高度自动调节系统100及控制方法200能够使得轮式联合收割机根据田间地形变化实时自动地按照既定速度平稳调整高度，使割台与地面保持一定的距离，保证收割机的安全性以及收割的质量，弥补手动调节实时性差、调节精度低等缺陷。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种收割机割台高度自动调节系统，其特征在于，包括实时检测割台高度的超声波传感器、用于利用控制算法计算出割台动作数据并输出电流信号的控制主板和用于控制割台升降的割台动作执行机构，所述超声波传感器、所述控制主板和所述割台动作执行机构依次电连接设置，而且所述超声波传感器垂直于地面地设置在割台的分禾器表面。

2.根据权利要求1所述的收割机割台高度自动调节系统，其特征在于：所述控制主板设置在轮式联合收割机的驾驶舱内，且所述控制主板包括接收并处理所述超声波传感器发送的高度数据的微控制器模块，所述微控制器模块与所述超声波传感器电连接设置。

3.根据权利要求1所述的收割机割台高度自动调节系统，其特征在于：所述割台动作执行机构包括与所述控制主板电连接的电液比例换向阀和用于驱动割台升降动作的液压缸，所述电液比例换向阀控制所述液压缸驱动割台升降。

4.根据权利要求3所述的收割机割台高度自动调节系统，其特征在于：所述割台动作执行机构还包括用于反馈所述电液比例换向阀的阀芯开口大小的阀芯开口量位移传感器，所述阀芯开口量位移传感器与所述控制主板电连接设置。

5.根据权利要求1所述的收割机割台高度自动调节系统，其特征在于：所述超声波传感器设置有多个，且所述多个超声波传感器分别对称地设置在割台两侧的分禾器表面。

6.根据权利要求5所述的收割机割台高度自动调节系统，其特征在于：每一所述超声波传感器包括平行间隔设置的超声波发射口和超声波接收口，且每一所述超声波传感器设置有传感器保护罩，所述传感器保护罩通过螺栓分别与所述分禾器和所述超声波传感器固定连接。

7.一种根据权利要求1所述的收割机割台高度自动调节系统的控制方法，其特征在于，当轮式联合收割机处于作业环境时，包括如下步骤：

a、利用超声波传感器实时采集割台当前距离地面高度信息，并将所述高度信息发送至控制主板；

b、所述控制主板根据所述高度信息，并利用设定的割台动作计算函数计算出割台的动作数据，并输出相对应的电流信号；

c、割台动作执行机构接收所述控制主板发送的电流信号从而控制割台升降。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：所述割台动作执行机构包括与所述控制主板电连接的电液比例换向阀、用于驱动割台升降动作的液压缸和用于反馈所述电液比例换向阀的阀芯开口大小的阀芯开口量位移传感器，则所述步骤b具体包括如下步骤：

所述控制主板根据所述高度信息，并利用设定的割台动作计算函数计算出当前割台调节速度值V；

根据所述液压缸的缸径以及割台结构参数计算出所述电液比例换向阀所需流量值，即对应的所述电液比例换向阀的阀芯开口量r(t)；

将阀芯开口量r(t)与所述阀芯开口量位移传感器测量值比较得出差值e(t)，将3个连续采样周期的差值e(k-2)、e(k-1)、e(k)进行PID计算后得到输出值u(t)；

根据所述电液比例换向阀的参数计算开口值u(t)所对应的电流大小，再根据所述控制主板参数逆向求得模拟电流接口参数。

9.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：在步骤b中，所述割台动作计算函数具体为：

$V=\left\{\begin{array}{cc}k(\mathrm{\&Delta;}H-d)& \mathrm{\&Delta;}H>d\\ 0& -d\&le;\mathrm{\&Delta;}H\&le;d\\ k(\mathrm{\&Delta;}H+d)& \mathrm{\&Delta;}H<-d\end{array}\right.,(d>0)$

其中，ΔH是割台实时高度值与设定高度的差值，V是割台高度调节的速度值，+d与-d分别为ΔH所允许的上下限值，k是常数。