CN107896625A - 一种收割机的在线监测系统及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种收割机的在线监测系统及其监测方法，收割机喂入量在线监测系统包括用于监测割台搅龙的动力轴的转速vr和功率Pj的功率监测装置、用于监测收获上来谷物的流量Qg的谷物籽粒流量监测装置、用于监测收割机排出茎秆的流量Qc的茎秆流量监测装置以及车载监测控制器，车载监测控制器与功率监测装置、谷物籽粒流量监测装置和茎秆流量监测装置分别通讯连接，其中，车载监测控制器将Qg、Qc、vr和Pj作为训练样本，采用BP神经网络模型进行优化而得到收割机的实时喂入量qd。本发明的收割机喂入量在线监测系统及其监测方法采用多传感器信息融合算法，推算出当前收割机的喂入量，测量准确、使用方便。

Description

一种收割机的在线监测系统及其监测方法

技术领域

本发明属于农业机械智能监测技术领域，涉及一种对稻麦联合收割机喂入量在线智能监测装置及使用该装置的监测方法。

背景技术

联合收割机是一种多输入和输出变量的复杂动态系统。联合收割机作业时首先切割器将谷物割下，由倾斜输送槽的输送链耙将作物喂入到脱粒滚筒进行谷草脱离，茎秆从联合收割机尾部的排草口排出，籽粒、短茎秆及杂余等脱出混合物经凹板筛落入抖动板，再进入清选系统进行清选，并将清洁籽粒输送到粮箱。联合收割机是根据一定的作物喂入量，即在单位时间内进入脱粒滚筒一定的作物量而设计的。在收割过程中随着收割速度、割茬高度和割幅宽度的变化，送向收割机的作物喂入量也实时的发生变化，只有在一定的喂入量下，才能使联合收割机达到最佳的工作性能和最好的收割状态，否则就会使工作质量急剧恶化，谷物损失也增加，故对作物喂入量的测量是必不可少的性能指标。

喂入量是指单位时间内联合收割机加工的作物量，其单位是kg/s。近年来，国内外专家对喂入量的测量做了很多研究和发明，如美国及前苏联，研究过通过扭矩传感器测量喂入量动力轮扭矩等进行喂入量的测量，并且有一定的研究成果，为喂入量测量提供了试验和理论依据，缺点是没有达到一定的测量精度，更没有得到现场使用。另外还有一种方法为在输送器入口或者出口处安装“力-电传感器”，测谷物对倾斜输送器底板的挤压力，此方法通过试验室研究测量误差超过±10％，且稳定性不高。第三种方法为测带动滚筒转动皮带压力和粮食产量的方式，此方法简单，易安装，但此方法主要依照粮食产量来推算喂入量，具有延时性，并且在皮带上自行安装压力传感器，使用寿命短且存在安全隐患。总体来说对喂入量的测量基本处于理论或实验室研究阶段，并没有在田间实现，更没有达到可以量产的层次。授权公告号为CN102379188B，名称为“联合收割机喂入量测量方法及喂入量监测装置”的中国发明专利公开了一种联合收割机喂入量测量方法及喂入量监测装置，其通过采用脱粒滚筒的扭矩来推算喂入量，脱粒滚筒的扭矩在反映喂入量上相对滞后，影响了所监测喂入量的精确性。

随着联合收割机大型化与智能监控技术的发展，实时监测喂入量的大小显的尤为重要，喂入量监测是联合收割机在线测量技术中的一个关键点。

发明内容

本发明的目的是解决现有的联合收割机不能对喂入量进行实时监测及定性测量

导致测量不准确的问题，提供一种稻麦联合收割机喂入量在线监测装置及其监测方法，实时在线监测联合收割机的喂入量，保证联合收割机达到最佳的工作性能和最好的收割状态，提高工作质量和效率，减少谷物损失，降低机器损坏率。

为了实现上述目的，本发明的联合收割机喂入量在线监测方法，用于对联合收割机喂入量进行在线实时监测，其包括如下步骤：

S10：通过安装在联合收割机上的割台搅龙动力轴上的功率监测装置，得到割台搅龙动力轴的圆周速度vr和割台搅龙的功率Pj，并将圆周速度vr、功率Pj传输至联合收割机的车载监测控制器；

S20：通过安装在联合收割机的出粮口的谷物籽粒流量监测装置得到联合收割机收获谷物的流量Qg，并将流量Qg传输至车载监测控制器；

S30：通过安装在联合收割机的排草口的茎秆流量监测装置得到联合收割机排出

茎秆的流量Qc，并将流量Qc传输至车载监测控制器；

S40：车载监测控制器通过将收获谷物的流量Qg、排出茎秆的流量Qc、割台搅龙动力轴的圆周速度vr和割台搅龙动力轴的功率Pj作为训练样本，采用BP神经网络模型进行优化而得到联合收割机的实时喂入量qd。

上述的联合收割机喂入量在线监测方法，其中，所述步骤S10还包括测得割台搅龙动力轴的扭矩Nj，根据扭矩Nj和转速vr得到割台搅龙动力轴的功率Pj的步骤。

上述的联合收割机喂入量在线监测方法，其中，还包括如下步骤：

S50：通过安装于联合收割机上的GPS定位模块获得联合收割机作业速度V与经纬

度位置信息的步骤。

上述的联合收割机喂入量在线监测方法，其中，所述步骤S50之后还包括步骤：

S60：根据经纬度位置信息获得联合收割机割幅宽度的步骤。

上述的联合收割机喂入量在线监测方法，其中，所述步骤S60之后还包括步骤：

S70：根据实时喂入量qd调整联合收割机的作业速度V和割幅宽度的步骤。

本发明还提供一种联合收割机喂入量在线监测系统，用于对联合收割机喂入量进行在线实时监测，包括：功率监测装置，设置于所述联合收割机的割台搅龙的动力轴上，用于监测割台搅龙动力轴的转速vr和功率Pj；谷物籽粒流量监测装置，设置于所述联合收割机的出粮口，用于监测收获上来谷物的流量Qg；茎秆流量监测装置，设置于所述联合收割机的排草口，用于监测所述联合收割机排出茎秆的流量Qc；以及车载监测控制器，与所述功率监测装置、所述谷物籽粒流量监测装置、所述茎秆流

量监测装置分别通讯连接；其中，车载监测控制器将Qg、Qc、vr和Pj作为训练样本，采用BP神经网络模型进行优化而得到联合收割机的实时喂入量qd。

上述的联合收割机喂入量在线监测系统，其中，所述割台搅龙功率监测装置包括扭矩测量件，所述扭矩测量件设置于所述割台搅龙的动力轴轴端。

上述的联合收割机喂入量在线监测系统，其中，所述扭矩测量件是应变扭矩测量传感器。

上述的联合收割机喂入量在线监测系统，其中，还包括设置于所述联合收割机的驾驶室顶部的GPS定位模块，所述GPS定位模块通过连接电路与所述车载监测控制器通讯连接，用于获取所述联合收割机作业速度V与经纬度位置信息。

上述的联合收割机喂入量在线监测系统，其中，所述茎秆流量监测装置包括质量信息采集件和集草容器，所述质量信息采集件设置于所述集草容器上，用于对所述集草容器内的茎秆进行称重测量。

上述的联合收割机喂入量在线监测系统，其中，所述茎秆流量监测装置还包括执行电机，所述集草容器还包括活动底板，所述执行电机与所述活动底板相连接，所述执行电机开启所述活动底板将所述集草容器内的茎秆排出后再闭合所述活动底板。

上述的联合收割机喂入量在线监测系统，其中，所述质量信息采集件是称重传感器。

本发明的有益功效在于，本发明的联合收割机喂入量在线监测方法通过实时监测割台搅龙动力轴的圆周速度和功率、谷物籽粒流量以及排草口茎秆流量，采用多传感器信息融合算法，推算出当前联合收割机的喂入量。车载监测控制器可以有效的给驾驶员以直观的信息，使驾驶员对实时喂入量大小精确了解。

且本发明的联合收割机喂入量在线监测系统割台搅龙动力轴的功率监测装置设

计机构紧凑，与原机器上传动动力部件紧密结合，安装方便可靠，有线信号传输方式，数据可靠，可实现在线连续监测。

进一步地，在田间不同工况下，根据实时地喂入量值实时的改变联合收割机行驶速度及作业割幅宽度，使联合收割机达到最佳喂入量，使其工作在最佳状态，提高工作效率，减少故障率，节约能源。

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是本发明的一种联合收割机喂入量在线监测系统结构框图；

图2是本发明的一种联合收割机喂入量在线监测系统的布局示意图；

图3是本发明的一种联合收割机喂入量在线监测系统的功率监测装置示意图；

图4是本发明的一种联合收割机喂入量在线监测系统的谷物籽粒流量监测装置的安装示意图；

图5是本发明的一种联合收割机喂入量在线监测系统的茎秆流量监测装置的安装示意图。

附图标记

100、联合收割机；101、拨禾轮；102、割台搅龙；103、过桥；210、功率监测装置；211、扭矩测量件；2111、旋转部；2112、固定部；220、谷物籽粒流量监测装置；221、平仓螺旋机构；222、电机；223、粮食推进装置；224、质量信息采集件；225、支架；226、升运器；227、加料斗；230、茎秆流量监测装置；231、质量信息采集件；232、集草容器；233、执行电机；234、活动底板；240、GPS定位模块；250、车载监测控制器；260连接电路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细的描述，以更进一步了解

本发明的目的、方案及功效，但并非作为本发明所附权利要求保护范围的限制。

本发明的稻麦联合收割机喂入量在线监测系统的目的在于对稻麦联合收割机喂

入量进行在线监测，并使其测量定量化，解决了现有技术不能实时监测及定性测量导致测量不准确等问题。此发明安装简单，便于批量化发展，在线测量精度高，可以为驾驶员在收获过程中喂入量大小有很好的指导作用，防止堵塞故障的发生，使收割机达到最佳效能，提高工作效率，节约能源。

参阅图1，图1为本发明的一种联合收割机喂入量在线监测系统的结构框图。如图所示，本发明的一种联合收割机喂入量在线监测系统，安装于联合收割机并用于对联合收割机喂入量进行在线实时监测，其中联合收割机为现有技术，此处不再赘述。

本发明的联合收割机喂入量在线监测系统包括功率监测装置210、谷物籽粒流量监测装置220、茎秆流量监测装置230、GPS定位模块240和车载监测控制器250。其中，功率监测装置210、谷物籽粒流量监测装置220、茎秆流量监测装置230、GPS定位模块240分别通过连接电路260与车载监测控制器250通讯连接。

本实施例中，连接电路260采用的是CAN总线连接电路。

参阅图2，图2是本发明一种联合收割机喂入量在线监测系统的布局示意图。功率监测装置210安装在联合收割机100的割台搅龙的动力轴上；谷物籽粒流量监测装置220安装在联合收割机100的出粮口处，实时监测谷物籽粒流量；茎秆流量监测装置230安装于联合收割机100的排草口处，实时监测排草口的茎秆流量，GPS定位模块240安装于联合收割机100的驾驶室的顶端。以下分别就功率监测装置210、谷物籽粒流量监测装置220、茎秆流量监测装置230、GPS定位模块240和车载监测控制器250进行介绍。

参阅图2和图3，图3是本发明的一种联合收割机喂入量在线监测系统的功率监测装置示意图。联合收割机100在田间工作时，依次通过拨禾轮101、割台搅龙102及过桥103将谷物输送到脱粒滚筒中进行脱粒分离，功率监测装置210安装在联合收割机100的割台搅龙102的动力轴上，实时监测割台搅龙102的动力轴的功率。

参阅图3，功率监测装置210包括连接在割台搅龙102动力轴上的扭矩测量件211，扭矩测量件211包括旋转部2111和固定部2112，谷物在进入割台搅龙102时通过扭矩测量件211测得谷物在割台搅龙102的动力轴处的扭矩和割台搅龙102的动力轴的转速，进而计算得到谷物在进入割台搅龙102所消耗的喂入功率Pj，其中，Pj＝Nj×Vr/9550，式中Nj为割台搅龙102的动力轴的扭矩，Vr为割台搅龙102的动力轴的转速。

本发明的功率监测装置210的扭矩测量件211采用应变式扭矩监测传感器，并且将动力轴转速的测量也内嵌其中，节约安装空间。通过测得的扭矩和转速，采用上述公式推算出割台搅龙102的动力轴的功率Pj。联合收割机100的割台搅龙102的动力轴的功率监测装置210直接在原有的设备上改进，安装方便，配套性好。

谷物籽粒流量监测装置220采用对传输带上谷物籽粒进行连续称重测量的装置，从而获取出粮口谷物籽粒的流量信息，安装简洁，测量方便。如图4所示，图4是本发明的一种联合收割机喂入量在线监测系统的谷物籽粒流量监测装置的安装示意图。本实施例中，谷物籽粒流量监测装置220包括平仓螺旋机构221、电机222、粮食推进装置223、质量信息采集件224、支架225、升运器226和加料斗227。经过脱粒滚筒脱粒的籽粒通过升运器226进入加料斗227，电机222驱动粮食推运装置223推动谷物沿水平方向进入粮箱，谷物在水平推运过程中由质量信息采集件224来连续计量谷物重量值，平仓螺旋机构221用于防止粮箱内的粮食堆积过高而接触粮食推进装置223或质量信息采集件224而导致测量错误。整个谷物籽粒流量220通过支架225连接在联合收割机100上。谷物籽粒流量监测装置220能够实时获得当前的谷物籽粒流量值。其中质量信息采集件224可选用称重传感器。茎秆流量监测装置230对集草装置内茎秆进行连续称重测量，获取当前联合收割机100排草口排出茎秆的流量值，如图5所示，图5是本发明的一种联合收割机喂入量在线监测系统的茎秆流量监测装置的安装示意图。茎秆流量监测装置230安装在联合收割机100的排草口处，能够实时获得排出的茎秆流量值。本实施例的茎秆流量监测装置230包括质量信息采集件231和集草容器232。通过质量信息采集件231对集草容器232内茎秆进行连续称重测量，从而获取出排草口茎秆的流量信息。茎秆流量监测装置230还包括执行电机233和活动底板234，执行电机233可快速开启活动底板234进行卸料动作，并在卸料

完成后闭合活动底板234。其中质量信息采集件231可选用称重传感器。GPS定位模块240安装在联合收割机100的驾驶室顶部，如图2所示。采用GPS定位模块240来获取联合收割机100的位置与速度信息，GPS定位模块240可直接通过磁盘吸附在联合收割机100驾驶室的顶端，联合收割机100中轴线上，安装方便快捷。GPS定位模块240提供定位信息GGA与RMC数据，从GGA数据中提取联合收割机100所在的经纬度信息，从RMC数据中提取联合收割机行走速度V。在计算出联合收割机100实时喂入量后，根据实时喂入量的值的大小，实时的改变行驶速度及割幅宽度，使联合收割机达到最佳喂入量，此时，根据提取的经纬度信息调整联合收割机100的割幅宽度，并调整联合收割机100的行走速度。

车载监测控制器250搭配固态硬盘储存器、可触控的液晶屏，直接使用车载蓄电池供电。

上述的功率监测装置210、谷物籽粒流量监测装置220、茎秆流量监测装置230和GPS定位模块240通过连接电路260分别与车载监测控制器250进行通讯，布线简单，且通讯可靠。车载监控器250通过已确定的割台搅龙的动力轴的功率与喂入量的函数关系，推算出实时的喂入量值。通过对谷物籽粒流量、茎秆流量、割台搅龙动力轴功率以及车辆的位置信息等历史数据，对函数关系中的系数进行实时校正，以适应复杂的田间收割情况，保证了推算得到实时喂入量的准确性。所有监测信息可在车载监测控制器250上实时显示，使驾驶员对喂入量的大小能够很好的掌控，并根据实际情况实时的改变行驶速度及割幅宽度，使联合收割机达到最佳喂入量，提高工作效率，减少机器工作时的故障率。

为了实现上述目的，本发明提出了一种稻麦联合收割机喂入量在线监测方法，包括如下：

步骤S10：通过安装在联合收割机100的割台搅龙102上的功率监测装置210，采集到割台搅龙102的动力轴的圆周速度vr和割台搅龙102的动力轴的功率Pj，且圆周速度vr和功率Pj通过连接电路260传输至车载监测控制器250；

步骤S20：通过安装在联合收割机100出粮口的谷物籽粒流量监测装置220，采集到收获的谷物籽粒的流量Qg，且流量Qg通过连接电路260传输至车载监测控制器250；

步骤S30，通过安装在联合收割机100排草口的茎秆流量监测装置230，采集到联合收割机排出茎秆的流量Qc，且流量Qc通过连接电路260传输至车载监测控制器250；

步骤S40：车载监测控制器250通过将收获谷物的流量Qg、排出茎秆的流量Qc、割台搅龙动力轴的圆周速度vr和割台搅龙动力轴的功率Pj作为训练样本，采用BP神经网络模型进行优化从而得到联合收割机的实时喂入量qd。

其中，通过分析喂入量割台搅龙动力轴的功率与喂入量的关系，得到其函数关系为：式中：qd为实时测定的喂入量，v为割台搅龙圆周速度，α、β为修正系数。

以车辆的位置信息为坐标，车辆在i位置时测得谷物的流量茎秆的流量割台搅龙动力轴功率割台搅龙圆周速度vi，将上述四个参数作为训练样本，采用BP神经网络进行优化，对修正系统α、β进行实时校正，通过上述关系函数推算得到准确的实时喂入量qd。

具体来说，以割台搅龙动力轴功率割台搅龙圆周速度vi为BP神经网络的输入，流量茎秆的流量的加权和为网络的期望输出，并利用与当前位置接近的历史数据组成训练例子集，训练例子集大小可在车载监测控制器250上设定。确定网络的实际输出与期望输出之间允许的误差，采用MBP算法调整网络中所有的联接权值，即修正系统α、β参数值，使网络产生的输出更接近与期望的输出，直到满足确定的允许误差。

进一步地，还包括：

步骤S60：通过安装于联合收割机100上的GPS定位模块240获得联合收割机100作业速度V与经纬度位置信息。

以上步骤S10、S20、S30和S60同时进行，监测数据通过CAN总线实时传输，在车载监控器250上进行数据融合计算，推算得到联合收割机的实时喂入量qd。

上述的步骤S10还包括测得割台搅龙102动力轴的扭矩Nj，根据矩Nj和转速vr得到割台搅龙动力轴的功率Pj的步骤。

上述步骤S60之后还包括步骤：

S70：根据经纬度位置信息获得联合收割机割幅宽度的步骤。

上述步骤S70之后还包括步骤：

S80：根据实时喂入量qd调整联合收割机的作业速度V和割幅宽度的步骤。

具体来说，喂入量qd在车载监测控制器250上实时显示，当喂入量qd接近或者大于联合收割机100易发生堵塞故障的喂入量临界点时，车载监测控制器250会提示喂入量qd过大警告信息，建议驾驶联合收割机100的驾驶员降低作业速度或者减小割幅宽度，从而降低联合收割机100的实时喂入量qd，避免故障的发生。

上述装置中割台搅龙动力轴的功率监测装置设计机构紧凑，与原机器上传动动力部件紧密结合，安装方便可靠，有线信号传输方式，数据可靠，可实现在线连续监测；谷物籽粒与茎秆流量监测装置采用高精度测力传感器，可准确监测谷物籽粒与茎秆流量值，从而可推算出联合收割机的喂入量值；GPS定位信息不仅可以提供作业速度信息，更可以提供经纬度位置信息，根据这些信息可建立相对精确地监测数据的对应关系，保证了推算算法的准确性与实时性；所有监测数据通过CAN总线发送到车载监测控制器，车载监测控制器根据监测数据，采用多信息融合算法推算得到联合收割机实时喂入量值，并进行显示。车载监测控制器可以有效的给驾驶员以直观的信息，使驾驶员对实时喂入量大小精确了解，在田间不同工况下，实时的改变行驶速度及作业割幅宽度，使联合收割机达到最佳喂入量，使其工作在最佳状态，提高工作效率，减少故障率。对异常情况进行声光预警，为联合收割机驾驶员提供指示，使联合收割机工作在额定喂入量范围内，提高工作效率，从而达到最佳效能。

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 (9)

1.一种收割机的在线监测方法，用于对收割机喂入量进行在线实时监测，其特征在于，包括如下步骤：

S10：通过安装在收割机上的割台搅龙动力轴上的功率监测装置，得到割台搅龙动力轴的圆周速度vr和割台搅龙的功率Pj，并将圆周速度vr、功率Pj传输至收割机的车载监测控制器；

S20：通过安装在收割机的出粮口的谷物籽粒流量监测装置得到收割机收获谷物的流量Qg，并将流量Qg传输至车载监测控制器；

S30：通过安装在收割机的排草口的茎秆流量监测装置得到收割机排出茎秆的流量Qc，并将流量Qc传输至车载监测控制器。

2.根据权利要求1所述的收割机的在线监测方法，其特征在于，所述步骤S10

还包括测得割台搅龙动力轴的扭矩Nj，根据扭矩Nj和转速vr得到割台搅龙动力轴的功率Pj的步骤。

3.根据权利要求1所述的收割机的在线监测方法，其特征在于，还包括如下步骤：

S40：通过安装于收割机上的GPS定位模块获得收割机作业速度V与经纬度位置信息的步骤。

4.根据权利要求3所述的收割机的监测方法，其特征在于，所述步骤S40之后还包括步骤：

S50：根据经纬度位置信息获得收割机割幅宽度的步骤。

5.根据权利要求4所述的收割机的在线监测方法，其特征在于，所述步骤S50之后还包括步骤：

S60：根据实时喂入量qd调整收割机的作业速度V和割幅宽度的步骤。

6.一种收割机的在线监测系统，用于对收割机喂入量进行在线实时监测，其特征在于，包括：功率监测装置，设置于所述收割机的割台搅龙的动力轴上，用于监测割台搅龙动力轴的转速vr和功率Pj；谷物籽粒流量监测装置，设置于所述收割机的出粮口，用于监测收获上来谷物的流量Qg；茎秆流量监测装置，设置于所述收割机的排草口，用于监测所述收割机排出茎秆的流量Qc；以及车载监测控制器，与所述功率监测装置、所述谷物籽粒流量监测装置、所述茎秆流量监测装置分别通讯连接；其中，车载监测控制器将Qg、Qc、vr和Pj作为训练样本，采用BP神经网络模型进行优化而得到收割机的实时喂入量qd。

7.根据权利要求6所述的收割机的在线监测系统，其特征在于，所述割台搅龙功率监测装置包括扭矩测量件，所述扭矩测量件设置于所述割台搅龙的动力轴轴端。

8.根据权利要求7所述的收割机的在线监测系统，其特征在于，所述扭矩测量件是应变扭矩测量传感器。

9.根据权利要求6所述的收割机的在线监测系统，其特征在于，还包括设置于所述收割机的驾驶室顶部的GPS定位模块，所述GPS定位模块通过连接电路与所述车载监测控制器通讯连接，用于获取所述收割机作业速度V与经纬度位置信息。