CN108731774A - 一种种箱余量监测系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种种箱余量监测系统及控制方法，种箱底部设有若干均布的出种口，还包括滑轨机构、位移传感器和工控机，所述滑轨机构包括线性滑轨和线性滑块，所述线性滑轨安装在所述种箱内的顶部；所述线性滑轨上安装若干线性滑块，所述线性滑块上安装位移传感器，且位移传感器与出种口一一对应，用于检查出种口处余种高度；所述工控机包括监测位置推算模块、余种轮廓拟合模块、余种体积累计模块、余种质量转换模块、播种时长预测模块和人机界面；本发明可作为无人播种机停止作业并回库充种的判定信息，推进农业生产智能化、无人化。

Description

一种种箱余量监测系统及控制方法

技术领域

本发明涉及智能农机领域或者无人播种机领域或者种子储运设备领域，特别涉及一种种箱余量监测系统及控制方法。

背景技术

播种质量是影响农作物产量的重要因素之一，对播种质量的监测是现今智能化播种机研究的主要方向之一。漏播现象是影响播种机播种质量的主要因素，而播种机作业时又经常会因为种箱储种余量不足以及没有及时补充发生漏播现象，造成农作物减产。为了防止种箱储种余量不足而导致漏播，现今常用的监测方法有人工监测和传感器监测两种。人工监测需要有人站在播种机上观察播种机种箱内储种余量是否充足，此种方法仅靠人的视觉无法达到精准的监测，同时人工检测需要更多的劳动力，且站在播种机上观察存在安全隐患。传感器监测法通过传感器对种箱内储种余量实时监测，能够更精准更及时地发现种箱内储种余量不足并及时报警，提醒用户及时补充种箱内储种余量。

目前，现有的传感器监测方法能够监测到种箱缺种现象，但并不精准。专利申请号为CN201410058717.1阐述了一种对种箱缺种的监测装置及方法，其通过将种箱内单位时间内种子的变化量与预设阈值比较来实现对种箱内储种余量的监测。若播种机播种速度发生变化，此种监测方法的精准度将会降低。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种种箱余量监测系统及控制方法，可作为无人播种机停止作业并回库充种的判定信息，推进农业生产智能化、无人化。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种种箱余量监测系统，种箱底部设有若干均布的出种口，还包括滑轨机构、位移传感器和工控机，所述滑轨机构包括线性滑轨和线性滑块，所述线性滑轨安装在所述种箱内的顶部；所述线性滑轨上安装若干线性滑块，所述线性滑块上安装位移传感器，且位移传感器与出种口一一对应，用于检查出种口处余种高度；所述工控机包括监测位置推算模块、余种轮廓拟合模块、余种体积累计模块、余种质量转换模块、播种时长预测模块和人机界面；

所述监测位置推算模块输出位移传感器在线性滑轨的位置；

所述余种轮廓拟合模块根据所述位移传感器检测的信号和位移传感器在线性滑轨的位置输出种箱内余种轮廓高度；

所述余种体积累计模块根据种箱内余种轮廓高度输出余种体积；

所述余种质量转换模块根据余种体积输出余种质量；

所述播种时长预测模块根据余种质量输出预测余种播种的时间；

所述人机界面显示余种质量和预测余种播种的时间，并根据设定值判断是否报警。

进一步，所述位移传感器为超声波传感器。

进一步，还包括无线收发模块，所述无线收发模块安装在位移传感器上，所述无线收发模块与位移传感器连接，通过无线信号将所述位移传感器与工控机连通。

进一步，所述无线收发模块为Zigbee无线收发器。

一种种箱余量监测系统的控制方法，包括如下步骤：

检测点坐标确定：第i位移传感器将检测出的信号输入余种轮廓拟合模块，并转化为第i检测点处余种高度y_i；第i位移传感器在线性滑块布置位置输入余种轮廓拟合模块，并转换为第i检测点的物料横坐标x_i，其中，i为位移传感器序号，{i|m≥i≥1}，m为位移传感器总数；

种箱内余种轮廓高度拟合：

所述余种轮廓拟合模块根据第i检测点物料位置(x_i，y_i)，得到一组斜率大小相同、方向相反的直线方程，正斜率方程y_r＝f(x_r)为种箱余种在第i检测点位置的右侧轮廓，负斜率方程y_l＝f(x_l)为种箱余种在第i检测点位置的左侧轮廓，即：

式中，ε为种子休止角，其值表征种子的流动特性，不同类型种子对应不同休止角，°；

x_r为第i检测点位置右侧点横坐标，mm；

x_l为第i检测点位置左侧点横坐标，mm；

y_r为横坐标为x_r对应的余种高度，mm；

y_l为横坐标为x_l对应的余种高度，mm；

x_i为第i检测点物料的横坐标，mm；

y_i为第i检测点处余种高度，mm；

求解方程得出相邻的第i检测点和第i+1检测点之间的区间轮廓交点横坐标方程为：

式中：

为第i检测点位置的右侧轮廓与第i+1检测点位置左侧轮廓交点横坐标值，mm；

x_i+1为第i+1检测点物料的横坐标，mm；

y_i+1为第i+1检测点处余种高度，mm；

将l₀、l_m和输入下面方程中，求解出余种与左侧板交点高度y₀、余种与右侧板交点高度y_l和所对应的余种高度具体为：

其中：

y₀为种箱左侧板处余种高度，mm；

y_l为种箱右侧板处余种高度，mm；

l_o为种箱左侧板与第1检测点之间的横向距离，mm；

l_m为种箱右侧板与第m检测点之间的横向距离，mm；

y₁为第1检测点位置的余种高度，mm；

y_m为第m检测点位置的余种高度，mm；

为所对应的余种高度，mm；

余种体积确定：将余种与左侧板交点高度y₀、余种与右侧板交点高度y_l和所对应的余种高度输入余种体积累计模块，假设在种箱宽度内有相同的空间分布规律，拟合后的监测点线性方程可转化为监测区域余种体积，即：

其中：

V₁为种箱左侧板与第1检测点之间余种体积，mm³；

为第2检测点至第m-1检测点之间的余种体积，mm³；

V_m为种箱右侧板与第m检测点之间余种体积，mm³；

W为种箱宽度，mm；

L为种箱长度，mm；

余种质量确定：将V₁、和V_m输入余种质量转换模块，余种质量转换模块计算出余种质量，具体为：

其中：

M为余种质量，kg；

ρ为种子密度，g/cm³；

V为种箱余种体积，mm³；

预测余种播种的时间：将余种质量M输入播种时长预测模块，通过下式，预测余种播种时间T：

其中：

T为余种播种时间，s；

M为余种质量，kg；

n为当前排种轮转速，r/min；

q为单转排种器排量，kg；

N为出种口数量。

进一步，所述播种时长预测模块将余种播种时间T输送至人机界面进行实时显示，当余种播种时间T小于设定值时，报警系统立即报警，提醒用户及时充种。

进一步，所述余种质量转换模块将余种质量M输送至人机界面进行实时显示，当余种质量M小于设定值时，报警系统立即报警，提醒用户及时充种。

进一步，所述检测点坐标确定具体为：输入l_o和l到监测位置推算模块，将种箱左下角设为算法基准坐标系原点，所述监测位置推算模块按如下方式计算得出第i检测点物料的横坐标x_i：

x_i＝(i-1)·l-l_o

式中，l_o为种箱左侧板与第1检测点之间的横向距离，mm；

l为两检测点之间间距，mm。

一种自动播种机，包括种箱余量监测控制方法的控制系统，用于实现播种机无人化作业。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的种箱余量监测系统及控制方法，根据当前种箱储种余量、排种器转速以及相关信息，预测剩余播种时间，辅助机手决策充种时间以及充种量，也可作为无人播种机停止作业并回库充种的判定信息，推进农业生产智能化、无人化。

2.本发明所述的种箱余量监测系统及控制方法，基于种子休止角、传感器监测点位置及余种高度，拟合余种在种箱内的分布轮廓曲面，模拟种子在种箱中的凹凸规律，相较于传统单纯监测余种表面高度的方法，可有效提高监测精度。

附图说明

图1为本发明所述的种箱余量监测系统位移传感器安装图。

图2为本发明所述的种箱余量监测系统控制方法的算法示意图。

图3为本发明所述的种箱余量监测系统控制方法的控制原理图。

图4为本发明所述的种箱余量监测系统控制方法的流程图。

图中：

11-线性滑轨；12-线性滑块；2-无线收发模块；3-位移传感器；4-种箱；5-出种口；6-基准坐标系；71-第i监测点；72-第i监测点位置左轮廓；73-第i-1监测点位置右轮廓；74-第i监测点位置左轮廓与第i-1监测点位置右轮廓交点；75-第i监测点位置右轮廓；76-第i+1监测点位置左轮廓；77-第i监测点位置右轮廓与第i+1监测点位置左轮廓交点；78-第i+1监测点位置右轮廓；8-工控机；81-监测位置推算模块；82-余种轮廓拟合模块；83-余种体积累计模块；84-余种质量转换模块；85-播种时长预测模块；86-人机界面。

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，本发明所述的种箱余量监测系统，种箱4底部设有若干均布的出种口5，还包括滑轨机构、位移传感器3和工控机8，所述滑轨机构包括线性滑轨11和线性滑块12，所述线性滑轨11安装在所述种箱4内的顶部；所述线性滑轨11上安装若干线性滑块12，所述线性滑块12上安装位移传感器3，且位移传感器3与出种口5一一对应，用于检查出种口5处余种高度；所述线性滑块12用于调节位移传感器3的监测位置。所述工控机8包括监测位置推算模块81、余种轮廓拟合模块82、余种体积累计模块83、余种质量转换模块84、播种时长预测模块85和人机界面86；所述监测位置推算模块81输出位移传感器3在线性滑轨11的位置；所述余种轮廓拟合模块82根据所述位移传感器3检测的信号和位移传感器3在线性滑轨11的位置输出种箱内余种轮廓高度；所述余种体积累计模块83根据种箱内余种轮廓高度输出余种体积；所述余种质量转换模块84根据余种体积输出余种质量；所述播种时长预测模块85根据余种质量输出预测余种播种的时间；所述人机界面86显示余种质量和预测余种播种的时间，并根据设定值判断是否报警。所述位移传感器3为超声波传感器，也可以为雷达传感器。无线收发模块2安装在位移传感器3上，所述无线收发模块2与位移传感器3连接，通过无线信号将所述位移传感器3与工控机8连通。

如图3和图4所示，本发明所述的种箱余量监测系统的控制方法，包括如下步骤：

检测点坐标确定：

第i位移传感器3将检测出的信号输入余种轮廓拟合模块82，并转化为第i检测点处余种高度y_i；第i位移传感器3在线性滑块布置位置输入余种轮廓拟合模块82，并转换为第i检测点71的物料横坐标x_i，其中，i为位移传感器3序号，{i|m≥i≥1}，m为位移传感器3总数；所述检测点坐标确定具体为：输入l_o和l到监测位置推算模块81，将种箱4左下角设为算法基准坐标系6原点，所述监测位置推算模块81按如下方式计算得出第i检测点物料的横坐标x_i：

x_i＝(i-1)·l-l_o

式中：

l_o为种箱左侧板与第1检测点之间的横向距离，mm；

l为两检测点之间间距，mm。

种箱内余种轮廓高度拟合：

所述余种轮廓拟合模块82根据第i检测点物料位置x_i，y_i，得到一组斜率大小相同、方向相反的直线方程，正斜率方程y_r＝f(x_r)为种箱余种在第i检测点位置的右侧轮廓75，负斜率方程y_l＝f(x_l)为种箱余种在第i检测点位置的左侧轮廓72，即：

式中，ε为种子休止角，其值表征种子的流动特性，不同类型种子对应不同休止角，°；

x_r为第i检测点位置右侧点横坐标，mm；

x_l为第i检测点位置左侧点横坐标，mm；

y_r为横坐标为x_r对应的余种高度，mm；

y_l为横坐标为x_l对应的余种高度，mm；

x_i为第i检测点物料的横坐标，mm；

y_i为第i检测点处余种高度，mm；

求解方程得出相邻的第i检测点和第i+1检测点之间的区间轮廓交点77横坐标方程为：

式中：

为第i检测点位置的右侧轮廓与第i+1检测点位置左侧轮廓交点77横坐标值，mm；

x_i+1为第i+1检测点物料的横坐标，mm；

y_i+1为第i+1检测点处余种高度，mm；

将l₀、l_m和输入下面方程中，求解出余种与左侧板交点高度y₀、余种与右侧板交点高度y_l和所对应的余种高度具体为：

其中：

y₀为种箱左侧板处余种高度，mm；

y_l为种箱右侧板处余种高度，mm；

l_o为种箱左侧板与第1检测点之间的横向距离，mm；

l_m为种箱右侧板与第m检测点之间的横向距离，mm；

y₁为第1检测点位置的余种高度，mm；

y_m为第m检测点位置的余种高度，mm；

为所对应的余种高度，mm；

图2所示，种箱内余种轮廓高度拟合的算法示意图，基准坐标系6位于种箱4内部左下角，种箱左侧板与第1检测点间距为l_o，此后每个检测点相距l，种箱右侧板与第m检测点相距l_m，第i位移传感器3所对应的第i监测点71有左、右条轮廓线，即第i监测点位置左轮廓72和第i监测点位置右轮廓75，第i监测点位置左轮廓与第i-1监测点位置右轮廓交点74为第i+1位移传感器3所对应的第i+1监测点有左、右条轮廓线，即第i+1监测点位置右轮廓78和第i+1监测点位置左轮廓76，第i监测点位置右轮廓与第i+1监测点位置左轮廓交点77为每一支传感器对应的监测区域可定义为第i监测点位置左轮廓与第i-1监测点位置右轮廓交点74到第i监测点位置右轮廓与第i+1监测点位置左轮廓交点77之间的区域。

余种体积确定：

将余种与左侧板交点高度y₀、余种与右侧板交点高度y_l和所对应的余种高度输入余种体积累计模块83，假设在种箱宽度内有相同的空间分布规律，拟合后的监测点线性方程可转化为监测区域余种体积，即：

其中：

V₁为种箱左侧板与第1检测点之间余种体积，mm³；

为第2检测点至第m-1检测点之间的余种体积，mm³；

V_m为种箱右侧板与第m检测点之间余种体积，mm³；

W为种箱宽度，mm；

L为种箱长度，mm；

余种质量确定：将V₁、和V_m输入余种质量转换模块84，余种质量转换模块84计算出余种质量，具体为：

其中：

M为余种质量，kg；

ρ为种子密度，g/cm³；

V为种箱余种体积，mm³；

预测余种播种的时间：将余种质量M输入播种时长预测模块，通过下式，预测余种播种时间T：

其中：

T为余种播种时间，s；

M为余种质量，kg；

n为当前排种轮转速，r/min；

q为单转排种器排量，kg；

N为出种口数量。

所述播种时长预测模块将余种播种时间T发送至人机界面进行实时显示，当余种播种时长小于设定值时，报警系统立即报警，提醒用户及时充种。

所述余种质量转换模块将质量值M发送至人机界面进行实时显示，当储种余量小于设定值时，报警系统立即报警，提醒用户及时充种。

一种自动播种机，包括所述的种箱余量监测控制方法的控制系统，用于实现播种机无人化作业。此外，本发明的种箱不仅仅可以用在播种机上，还可用在具有多个出料口的粮箱或者粮仓。

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 (9)

1.一种种箱余量监测系统，种箱(4)底部设有若干均布的出种口(5)，其特征在于，还包括滑轨机构、位移传感器(3)和工控机(8)，所述滑轨机构包括线性滑轨(11)和线性滑块(12)，所述线性滑轨(11)安装在所述种箱(4)内的顶部；所述线性滑轨(11)上安装若干线性滑块(12)，所述线性滑块(12)上安装位移传感器(3)，且位移传感器(3)与出种口(5)一一对应，用于检查出种口(5)处余种高度；

所述工控机(8)包括监测位置推算模块(81)、余种轮廓拟合模块(82)、余种体积累计模块(83)、余种质量转换模块(84)、播种时长预测模块(85)和人机界面(86)；

所述监测位置推算模块(81)输出位移传感器(3)在线性滑轨(11)的位置；

所述余种轮廓拟合模块(82)根据所述位移传感器(3)检测的信号和位移传感器(3)在线性滑轨(11)的位置输出种箱内余种轮廓高度；

所述余种体积累计模块(83)根据种箱内余种轮廓高度输出余种体积；

所述余种质量转换模块(84)根据余种体积输出余种质量；

所述播种时长预测模块(85)根据余种质量输出预测余种播种的时间；

所述人机界面(86)显示余种质量和预测余种播种的时间，并根据设定值判断是否报警。

2.根据权利要求1所述的种箱余量监测系统，其特征在于，所述位移传感器(3)为超声波传感器。

3.根据权利要求1所述的种箱余量监测系统，其特征在于，还包括无线收发模块(2)，所述无线收发模块(2)安装在位移传感器(3)上，所述无线收发模块(2)与位移传感器(3)连接，通过无线信号将所述位移传感器(3)与工控机(8)连通。

4.根据权利要求3所述的种箱余量监测系统，其特征在于，所述无线收发模块(2)为Zigbee无线收发器。

5.一种根据权利要求1所述的种箱余量监测系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

检测点坐标确定：第i位移传感器(3)将检测出的信号输入余种轮廓拟合模块(82)，并转化为第i检测点处余种高度y_i；第i位移传感器(3)在线性滑块布置位置输入余种轮廓拟合模块(82)，并转换为第i检测点(71)的物料横坐标x_i，其中，i为位移传感器(3)序号，{i|m≥i≥1}，m为位移传感器(3)总数；

种箱内余种轮廓高度拟合：

所述余种轮廓拟合模块(82)根据第i检测点物料位置(x_i，y_i)，得到一组斜率大小相同、方向相反的直线方程，正斜率方程y_r＝f(x_r)为种箱余种在第i检测点位置的右侧轮廓(75)，负斜率方程y_l＝f(x_l)为种箱余种在第i检测点位置的左侧轮廓(72)，即：

式中，ε为种子休止角，其值表征种子的流动特性，不同类型种子对应不同休止角，°；

x_r为第i检测点位置右侧点横坐标，mm；

x_l为第i检测点位置左侧点横坐标，mm；

y_r为横坐标为x_r对应的余种高度，mm；

y_l为横坐标为x_l对应的余种高度，mm；

x_i为第i检测点物料的横坐标，mm；

y_i为第i检测点处余种高度，mm；

求解方程得出相邻的第i检测点和第i+1检测点之间的区间轮廓交点(77)横坐标方程为：

式中：

为第i检测点位置的右侧轮廓与第i+1检测点位置左侧轮廓交点(77)横坐标值，mm；

x_i+1为第i+1检测点物料的横坐标，mm；

y_i+1为第i+1检测点处余种高度，mm；

将l₀、l_m和输入下面方程中，求解出余种与左侧板交点高度y₀、余种与右侧板交点高度y_l和所对应的余种高度具体为：

其中：

y₀为种箱左侧板处余种高度，mm；

y_l为种箱右侧板处余种高度，mm；

l_o为种箱左侧板与第1检测点之间的横向距离，mm；

l_m为种箱右侧板与第m检测点之间的横向距离，mm；

y₁为第1检测点位置的余种高度，mm；

y_m为第m检测点位置的余种高度，mm；

为所对应的余种高度，mm；

余种体积确定：将余种与左侧板交点高度y₀、余种与右侧板交点高度y_l和所对应的余种高度输入余种体积累计模块(83)，假设在种箱宽度内有相同的空间分布规律，拟合后的监测点线性方程可转化为监测区域余种体积，即：

其中：

V₁为种箱左侧板与第1检测点之间余种体积，mm³；

为第2检测点至第m-1检测点之间的余种体积，mm³；

V_m为种箱右侧板与第m检测点之间余种体积，mm³；

W为种箱宽度，mm；

L为种箱长度，mm；

余种质量确定：将V₁、和V_m输入余种质量转换模块(84)，余种质量转换模块(84)计算出余种质量，具体为：

其中：

M为余种质量，kg；

ρ为种子密度，g/cm³；

V为种箱余种体积，mm³；

预测余种播种的时间：将余种质量M输入播种时长预测模块，通过下式，预测余种播种时间T：

其中：

T为余种播种时间，s；

M为余种质量，kg；

n为当前排种轮转速，r/min；

q为单转排种器排量，kg；

N为出种口数量。

6.根据权利要求5所述的种箱余量监测控制方法，其特征在于，所述播种时长预测模块(85)将余种播种时间T输送至人机界面进行实时显示，当余种播种时间T小于设定值时，报警系统立即报警，提醒用户及时充种。

7.根据权利要求5所述的种箱余量监测控制方法，其特征在于，所述余种质量转换模块(84)将余种质量M输送至人机界面进行实时显示，当余种质量M小于设定值时，报警系统立即报警，提醒用户及时充种。

8.根据权利要求5所述的种箱余量监测控制方法，其特征在于，所述检测点坐标确定具体为：输入l_o和l到监测位置推算模块(81)，将种箱(4)左下角设为算法基准坐标系(6)原点，所述监测位置推算模块(81)按如下方式计算得出第i检测点物料的横坐标x_i：

x_i＝(i-1)·l-l_o

式中，l_o为种箱左侧板与第1检测点之间的横向距离，mm；

l为两检测点之间间距，mm。

9.一种自动播种机，其特征在于，包括权利要求5所述的种箱余量监测控制方法的控制系统，用于实现播种机无人化作业。