CN108781626A - 一种用于播种单体的压力监测装置及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及农业智能机械领域，公开了一种用于播种单体的压力监测装置及其监测方法，其中压力监测装置包括：压力传感器和上位机；所述压力传感器设置在限深轮处，用于实时获取地面对限深轮的作用力；所述上位机与所述压力传感器相连，用于将实时获取所述地面对限深轮的作用力转换为限深轮对地面的实际压力。本发明提供的压力监测装置通过在限深轮处设置压力传感器，并通过上位机将压力传感器实时获取的地面对限深轮的作用力转换为限深轮对地面的实际压力，进而达到实时动态监测限深轮对地面的压力的目的，为后续控制限深轮对地面的压力提供基础。

Description

一种用于播种单体的压力监测装置及其监测方法

技术领域

本发明涉及农业智能机械领域，特别是涉及一种用于播种单体的压力监测装置及其监测方法。

背景技术

播种作业中，单体仿形机构对地压力直接关系后期幼苗生长发育情况。研究表明，如果压力过小，会导致植株的根系过浅；如果压力过大，则会造成根系附近土壤的过度压实，限制根系生长，两者都会导致产量损失。因此，对播种单体压力动态监测和控制显得尤为重要。

现有播种单体主要通过被动机械式仿形机构实现播深和压力控制，主要包括平行四连杆、限深轮、拉簧和仿形调节机构；其依靠弹簧作用力和播种单体自身重力校正平行四连杆。作业时，播种深度由播种机开沟器阻力、仿形弹簧作用力、播种单体自身重力平衡决定，这种仿形机构对种植田间地表不平整度的适应性和各行播种深度的一致性、可靠性和准确性还不够理想。非工作状态时根据土壤坚实度可以对仿形弹簧的预紧力进行调整从而调整播种机播种深度，播种深度调整后仿形敏感度也会相应发生改变。由于种箱内种子和肥箱内肥料在作业过程中不断减少，造成的整机自重变化使播种单体对地压力不足，从而产生播种深度不够，甚至种子裸露的现象。

尽管现有播种单体控制机构已可实现播深仿形和压力简单调节，但由于土壤条件、地表状况千差万别，所需的拉簧个数和预紧力也不同，使用、调整起来很不方便，特别是在残茬覆盖和地表不平情况下，仿形效果上有待进一步提高，同时，无法实时检测并调控仿形轮的对地压力。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种用于播种单体的压力监测装置及其监测方法，旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供用于播种机的压力监测装置，包括：压力传感器和上位机；所述压力传感器设置在限深轮处，用于实时获取地面对限深轮的作用力；所述上位机与所述压力传感器相连，用于将实时获取所述地面对限深轮的作用力转换为限深轮对地面的实际压力。

其中，所述的压力监测装置，还包括：信号变送器和信号采集器；所述信号变送器与所述压力传感器相连，用于将所述地面对限深轮的作用力转化为电流信号或电压信号；所述信号采集器分别与所述信号变送器及所述上位机相连，用于将采集的所述电流信号或电压信号输送至所述上位机。

其中，所述上位机包括压力数学模型，所述上位机利用所述压力数学模型将所述电流信号或电压信号转换为限深轮对地面的实际压力；所述压力数学模型为基于实时获取的地面对限深轮的作用力得到的电流信号或电压信号，以及限深轮对地面的实际压力建模得到。

其中，所述上位机包括显示模块，所述显示模块用于实时显示所述限深轮对地面的实际压力。

其中，所述压力传感器为轴销传感器，播深调节臂处的机架设有穿过所述机架和所述播深调节臂的销轴孔，所述轴销传感器依次穿过所述机架和所述播深调节臂设置在所述销轴孔内；所述限深轮摆臂的一端与所述限深轮连接，另一端与所述压力支撑块连接；所述播深调节臂的一端与所述压力支撑块连接。

其中，所述轴销传感器的一端通过销轴固定片与所述机架连接。

其中，所述压力传感器为压阻式传感器，所述压阻式传感器设置在限深轮摆臂与压力支撑块的接触处；所述限深轮摆臂的一端与所述限深轮连接，另一端与所述压力支撑块接触。

本发明还提供一种上述的压力监测装置的监测方法，包括：压力传感器实时获取地面对限深轮的作用力，并将所述地面对限深轮的作用力输送至上位机；所述上位机将实时获取的所述对面对限深轮的作用力转换为限深轮对地面的实际压力。

其中，所述的监测方法，其特征在于，还包括：压力传感器将实时获取的所述地面对限深轮的作用力输送至信号变送器；所述信号变送器将实时获取的所述地面对限深轮的作用力转换为电流信号或电压信号；信号采集器将采集的所述电流信号或电压信号输送至所述上位机。

其中，所述上位机利用压力数学模型将所述信号采集器采集的电流信号或电压信号转换为限深轮对地面的实际压力；所述压力数学模型为基于实时获取的地面对限深轮的作用力得到的电流信号或电压信号，以及限深轮对地面的实际压力建模得到。

(三)有益效果

本发明提供的用于播种单体的压力监测装置及其监测方法，通过在限深轮处设置压力传感器，并通过上位机将压力传感器实时获取的地面对限深轮的作用力转换为限深轮对地面的实际压力，进而达到实时动态监测限深轮对地面的压力的目的，为后续控制限深轮对地面的压力提供基础。

附图说明

图1为本发明用于播种单体的压力监测装置的一个优选实施例的安装示意图；

图2为图1所示的压力监测装置的右视图；

图3为本发明用于播种单体的压力监测装置的结构示意图；

图4为图1所示的压力监测装置中压力传感器的安装示意图；

图5为轴销传感器的结构示意图；

图6为图5所示的轴销传感器的受力示意图；

图中，1-机架；2-播深调节摇杆；3-播深调节臂；4-轴销传感器；41-销轴固定片；42-销轴；43-应变片；44-信号线；5-压阻式传感器；51-压力支撑块；52-压阻片；6-限深轮摆臂；7-限深轮；8-开沟圆盘；9-压力传感器；10-信号变送器；11-信号采集器；12-上位机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

图1示出了本发明用于播种单体的压力监测装置的一个优选实施例的安装示意图，如图1所示，该压力监测装置包括：压力传感器9和上位机12；压力传感器9设置在限深轮7处，用于实时获取地面对限深轮7的作用力；上位机12与压力传感器9相连，用于将实时获取地面对限深轮7的作用力转换为限深轮7对地面的实际压力。

具体地，结合图1和图2，播种单体中的限深轮设置在开沟圆盘8的后方，即在开沟圆盘8开出种沟，且种子播种在种沟内后，限深轮7将种沟内的种子压实，为了保证限深轮7有足够压实力的同时不损坏种子，则需要实时监测限深轮7对地面的压力。压力监测装置中的压力传感器9设置在播种单体的限深轮7附近，且该压力传感器9用于实时获取地面对限深轮7的作用力，例如，在地面凹陷区域，地面与限深轮7之间的挤压可能较小，则此时压力传感器9测得的地面对限深轮7的作用力也相应较小；在地面凸起区域，地面与限深轮7之间存在较大挤压，则此时压力传感器9测得的地面对限深轮7的作用力较大。之后，上位机12接收到压力传感器9实时获取的地面对限深轮7的作用力，并将该地面对限深轮7的作用力转换为限深轮7对地面的实际压力，进而达到实时监测限深轮7对地面的压力的目的。

进一步地，结合图3，该压力监测装置还包括：信号变送器10和信号采集器11；信号变送器10与压力传感器9相连，用于将地面对限深轮7的作用力转化为电流信号或电压信号；信号采集器11分别与信号变送器10及上位机12相连，用于将采集的所述电流信号或电压信号输送至上位机12。例如，信号变送器10与压力传感器9电连接，信号采集器11与信号变送器10电连接，信号采集器11与上位机12通过无线通讯连接等。

具体地，在压力传感器9实时获取到地面对限深轮7的作用力之后，信号变送器10将压力传感器9获取的地面对限深轮7的作用力转换为电流信号或电压信号；之后，信号采集器11采集转换后的电流信号或电压信号，并将采集到的电流信号或电压信号输送至上位机12，以便上位机12根据该电流信号或电压信号获取到限深轮7对地的实际压力，进而达到动态监测限深轮7对地面的压力。

进一步地，上位机12包括压力数学模型，上位机12利用压力数学模型将电流信号或电压信号转换为限深轮7对地面的实际压力；压力数学模型为基于实时获取的地面对限深轮7的作用力得到的电流信号或电压信号，以及限深轮7对地面的实际压力建模得到。

具体地，在压力监测装置使用之前，会建立相应的压力数学模块，即根据压力传感器9实时获取的地面对限深轮7的作用力得到相应的电流信号或电压信号，之后建立得到的电流信号或电压信号，与限深轮7对地面的实际压力之间的压力数学模型，例如，建立的压力数学模型为一元二次方程，即y＝ax²+bx+c，x为基于实时获取的地面对限深轮7的作用力得到的电流信号或电压信号，y为限深轮7对地面的实际压力，a、b、c为常数。在建立好压力数学模型后将其放置在上位机12内，则上位机12在接收到信号采集器11采集的电流信号或电压信号后，可以利用该压力数学模型得到与地面对限深轮7的作用力对应的限深轮7对地面的实际压力。且通过建立限深轮7对地面的实际压力与实时获取的地面对限深轮7的作用力之间的压力数学模型，可以较精确的得到限深轮7对地面的实际压力，提高压力动态监测的精确性。

进一步地，该上位机12还包括显示模块，该显示模块用于实时显示限深轮7对地面的实际压力。这样可以较方便的让用户实时观察到限深轮7对地面的实际压力，便于用户根据该限深轮7对地面的实际压力实时调整播种压力，提高压力监测装置的实用性。

进一步地，压力传感器9为轴销传感器4，播深调节臂3处的机架1设有穿过该机架1和播深调节臂3的销轴孔，轴销传感器4依次穿过该机架1和播深调节臂3设置在销轴孔内；限深轮7摆臂6的一端与限深轮7连接，另一端与压力支撑块51连接；播深调节臂3的一端与压力支撑块51连接。

具体地，压力传感器9可以为轴销传感器或者压阻式传感器5，当压力传感器9为轴销传感器时，轴销传感器设置在销轴孔内，例如，轴销传感器固定在销轴孔内，且依次穿过机架1和播深调节臂，如图4所示。轴销传感器4的自身结构如图5所示。通过安装在限深轮7附近的销轴孔内的轴销传感器可以准确获取地面对限深轮7的压力，提高获取的压力的准确性。且轴销传感器可以较方便的安装在销轴孔内，方便更换或维修等，提高了压力监测装置的灵活性和可靠性。

以压力传感器9为轴销传感器为例进行说明，轴销传感器的销轴42上粘贴有应变片43，该应变片43和销轴42整体安装在播深调节臂处的机架1的销轴孔内，该销轴孔依次穿过播深调节臂处的机架1和播深调节臂。且轴销传感器的一端与机架1连接，例如，二者的连接关系为固定连接、或通过连接架连接等。优选地，轴销传感器的一端通过轴销固定盘与机架1连接，例如，轴销传感器的一端与销轴固定片41通过螺栓连接，且销轴固定片41与机架1连接，如图4所示，进而实现轴销传感的受力方向可调节，保证轴销传感器的性能稳定性。

实际播种作业时，限深轮7对地的反作用力作用在限深轮7摆臂6上，带动限深轮7摆臂6逆时针旋转。其中，限深轮7摆臂6的一端与限深轮7连接，另一端与压力支撑块51接触，压力支撑块51安装在播深调节臂上。播深调节臂在限深轮7摆臂6作用下可绕着轴销传感器转动，通过播深调节摇杆2预先设置播种深度，并限制播深调节臂转动，进而将限深轮7摆臂6作用力转化到轴销传感器上，并使得销轴传感器4上销轴42发生受力变形，应变片43通过信号线44将压力信号传递给信号变送器10。其中，应变片43主要应用电阻的应变效应，即导体受机械变形时，其电阻值发生变化，通过不平衡电桥把电阻变化转换成电流信号或电压信号输出。

轴销传感器的轴销的受力分析如图6所示，可知轴销传感器的受力情况如下：

其中，F₁为地对限深轮摆臂的作用力，即需要的播种压力；F₂为压力支撑块对限深轮摆臂的作用力；F′₂为限深轮摆臂对压力支撑块的作用力，F₂＝F′₂；F₃为播深调节摇杆对播深调节臂的作用力；F₄为销轴对播深调节臂的作用力；L₁、L₂、L₃、L₄分别为F₁、F₂、F₃、F₄的力臂。

从上述公式可知，根据需要的限深轮7对地的压力F₁可估算出轴销传感器的量程，后续再通过实际测量的播种压力(即，限深轮7对地的压力)对限深轮7对地的压力值进行标定，获得压力数学模型。对本实施例而言，信号变送器10主要将压力信号转化为4-20mA电流信号或0-5V电压信号，进而通过信号采集器11识别采集，传递给上位机12，则上位机12利用压力数学模块将电流信号或电压信号转换为限深轮7对地的实际压力；并通过上位机12显示播种的实际压力。

或者，压力传感器9为压阻式传感器5，压阻式传感器5设置在限深轮7摆臂6与压力支撑块51的接触处；限深轮7摆臂6的一端与限深轮7连接，另一端与压力支撑块51接触。

具体地，当压力传感器9为压阻式传感器5时，压阻式传感器5设置在限深轮7摆臂6与压力支撑块51的接触处，即在播深调节臂的末端，压力支撑块51与限深轮7摆臂6接触处安装压阻片52，如图4所示。在两者之间的相互作用力下，将压力信号转化为传感器电阻值的变化，进而通过变送器将压力信号转换为电流信号或电压信号，并通过信号采集器11将采集的电流信号或电压信号输送至上位机12；上位机12根据压力数学模型将电流信号或电压信号转换为限深轮7对地的实际压力，并进行显示。其主要应用原理是硅等半导体材料的压阻效应，即在受力时电阻率发生变化，测量电阻值变化率并转换获得相应压力值。通过安装在限深轮7摆臂6与压力支撑块51的接触处的压阻式传感器5也可准确获取地面对限深轮7的压力，提高获取的压力的准确性。压阻式传感器5也可以较方便的贴在限深轮7摆臂6与压力支撑块51的接触处，方便更换或维修等，提高了压力监测装置的灵活性和可靠性。

当压力传感器9为压阻式传感器5时，限深轮7对地的反作用力作用在限深轮7摆臂6上，带动限深轮7摆臂6逆时针旋转。其中，限深轮7摆臂6的一端与限深轮7连接，另一端与压力支撑块51接触，压力支撑块51安装在播深调节臂上。播深调节臂在限深轮7摆臂6作用下可绕着轴销传感器转动，通过播深调节摇杆2预先设置播种深度，并限制播深调节臂转动，进而将限深轮7摆臂6作用力转化到压阻式传感器5上，并使得压阻式传感器5上的压阻片52的电阻率发生变化。即压阻式传感器5的受力如下：

F₅'＝F₅＝F₁L₁/L₂

其中，F₁为地对限深轮摆臂的作用力，即需要的播种压力；F₅为限深轮摆臂对压阻片的作用力；F₅'为压阻片对限深轮摆臂的作用力，F₅＝F₅'＝F₂。

从上述公式可知，根据需要的限深轮7对地的压力F₁可估算出压阻式传感器5的量程，后续再通过实际测量的播种压力(即，限深轮7对地的压力)对限深轮7对地的压力值进行标定，获得压力数学模型，。对本实施例而言，信号变送器10主要将压力信号转化为4-20mA电流信号或0-5V电压信号，进而通过信号采集器11识别采集，传递给上位机12，则上位机12利用压力数学模块将电流信号或电压信号转换为限深轮7对地的实际压力；并通过上位机12显示播种的实际压力。

实施例2：

本发明提供一种用于播种单体的压力监测装置的监测方法，该监测方法包括：压力传感器9实时获取地面对限深轮7的作用力，并将地面对限深轮7的作用力输送至上位机12；所述上位机12将实时获取的对面对限深轮7的作用力转换为限深轮7对地面的实际压力。

具体地，压力监测装置中的压力传感器9设置在播种单体的限深轮7附近，且该压力传感器9用于实时获取地面对限深轮7的作用力，例如，在地面凹陷区域，地面与限深轮7之间的挤压可能较小，则此时压力传感器9测得的地面对限深轮7的作用力也相应较小；在地面凸起区域，地面与限深轮7之间存在较大挤压，则此时压力传感器9测得的地面对限深轮7的作用力较大。之后，上位机12接收到压力传感器9实时获取的地面对限深轮7的作用力，并将该地面对限深轮7的作用力转换为限深轮7对地面的实际压力，进而达到实时监测限深轮7对地面的压力的目的。

进一步地，该监测方法还包括：压力传感器9将实时获取的地面对限深轮7的作用力输送至信号变送器10；信号变送器10将地面对限深轮7的作用力转换为电流信号或电压信号；信号采集器11将采集的电流信号或电压信号输送至所述上位机12。

具体地，在压力传感器9实时获取到地面对限深轮7的作用力之后，信号变送器10将压力传感器9获取的地面对限深轮7的作用力转换为电流信号或电压信号；例如，将地面对限深轮7的作用力转化为4-20mA的电流信号或0-5V的电压信号。之后，信号采集器11采集转换后的电流信号或电压信号，并将采集到的电流信号或电压信号输送至上位机12，例如，信号采集器11通过无线通讯将电流信号或电压信号输送至上位机12；以便上位机12根据该电流信号或电压信号获取到限深轮7对地的实际压力，进而达到动态监测限深轮7对地面的压力。

进一步地，上位机12利用压力数学模型将信号采集器11采集的电流信号或电压信号转换为限深轮7对地面的实际压力；压力数学模型为基于实时获取的地面对限深轮7的作用力得到的电流信号或电压信号，以及限深轮7对地面的实际压力建模得到。

具体地，在压力监测装置使用之前，会建立相应的压力数学模块，即根据压力传感器9实时获取的地面对限深轮7的作用力得到相应的电流信号或电压信号，之后建立得到的电流信号或电压信号，与限深轮7对地面的实际压力之间的压力数学模型，例如，建立的压力数学模型为一元二次方程，即y＝ax²+bx+c，x为基于实时获取的地面对限深轮7的作用力得到的电流信号或电压信号，y为限深轮7对地面的实际压力，a、b、c为常数。在建立好压力数学模型后将其放置在上位机12内，则上位机12在接收到信号采集器11采集的电流信号或电压信号后，可以利用该压力数学模型得到与地面对限深轮7的作用力对应的限深轮7对地面的实际压力。且通过建立限深轮7对地面的实际压力与实时获取的地面对限深轮7的作用力之间的压力数学模型，可以较精确的得到限深轮7对地面的实际压力，提高压力动态监测的精确性。

另外，上位机12还可以实时显示限深轮7对地的实际压力，方便用户实时观察限深轮7对地的实际压力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于播种单体的压力监测装置，其特征在于，包括：压力传感器和上位机；

所述压力传感器设置在限深轮处，用于实时获取地面对限深轮的作用力；

所述上位机与所述压力传感器相连，用于将实时获取所述地面对限深轮的作用力转换为限深轮对地面的实际压力。

2.据权利要求1所述的压力监测装置，其特征在于，还包括：信号变送器和信号采集器；所述信号变送器与所述压力传感器相连，用于将所述地面对限深轮的作用力转化为电流信号或电压信号；

所述信号采集器分别与所述信号变送器及所述上位机相连，用于将采集的所述电流信号或电压信号输送至所述上位机。

3.根据权利要求2所述的压力监测装置，其特征在于，所述上位机包括压力数学模型，所述上位机利用所述压力数学模型将所述电流信号或电压信号转换为限深轮对地面的实际压力；

所述压力数学模型为基于实时获取的地面对限深轮的作用力得到的电流信号或电压信号，以及限深轮对地面的实际压力建模得到。

4.根据权利要求1所述的压力监测装置，其特征在于，所述上位机包括显示模块，所述显示模块用于实时显示所述限深轮对地面的实际压力。

5.根据权利要求1-4任一项所述的压力监测装置，其特征在于，所述压力传感器为轴销传感器，播深调节臂处的机架设有穿过所述机架和所述播深调节臂的销轴孔，所述轴销传感器依次穿过所述机架和所述播深调节臂设置在所述销轴孔内；

所述限深轮摆臂的一端与所述限深轮连接，另一端与所述压力支撑块连接；所述播深调节臂的一端与所述压力支撑块连接。

6.根据权利要求5所述的压力监测装置，其特征在于，所述轴销传感器的一端通过销轴固定片与所述机架连接。

7.根据权利要求1-4任一项所述的压力监测装置，其特征在于，所述压力传感器为压阻式传感器，所述压阻式传感器设置在限深轮摆臂与压力支撑块的接触处；

所述限深轮摆臂的一端与所述限深轮连接，另一端与所述压力支撑块接触。

8.一种权利要求1-7任一项所述的压力监测装置的监测方法，其特征在于，包括：

压力传感器实时获取地面对限深轮的作用力，并将所述地面对限深轮的作用力输送至上位机；

所述上位机将实时获取的所述对面对限深轮的作用力转换为限深轮对地面的实际压力。

9.根据权利要求8所述的监测方法，其特征在于，还包括：压力传感器将实时获取的所述地面对限深轮的作用力输送至信号变送器；

所述信号变送器将实时获取的所述地面对限深轮的作用力转换为电流信号或电压信号；

信号采集器将采集的所述电流信号或电压信号输送至所述上位机。

10.根据权利要求9所述的监测方法，其特征在于，所述上位机利用压力数学模型将所述信号采集器采集的电流信号或电压信号转换为限深轮对地面的实际压力；

所述压力数学模型为基于实时获取的地面对限深轮的作用力得到的电流信号或电压信号，以及限深轮对地面的实际压力建模得到。