CN108931442A - 用于确定土壤特性的传感器系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于确定土壤特性的传感器系统。传感器系统包括用于联接到农具的地面接合装置。地面接合装置包括具有孔的至少一个盘形构件和延伸穿过孔的细长轴。第一传感器单元布置在盘形构件的感测表面上并且构造成测量作用在盘形构件上的力。第二传感器单元布置在细长轴上并构造成测量作用在轴上的力。处理器通信地连接到第一和第二传感器单元中的每一个。处理器配置成基于测量的力生成指示土壤特性的输出信号。

Description

用于确定土壤特性的传感器系统
技术领域
本公开总体上涉及利用力的测量值来确定土壤特性的传感器系统。
背景技术
在农业应用中，当农民正在执行诸如种植或耕种的任务时，通常希望实时知道土壤的某些特性。这些特性可以包括土壤硬度、土壤强度、土壤紧实度、温度和沟槽深度；这些特征中的每一个在确保最佳产量方面都极其重要。例如，不适当的土壤条件可能会对作物种植产生不利影响，从而导致产量下降。此外，由于农具或其他设备是针对特定类型的土壤条件设计的，不适当的土壤条件可能导致各种机器部件的过早损坏或失效。
然而，一些现有技术方法的缺点包括成本增加或传感器分辨率降低。如此，本领域需要一种以较低成本提供增加的分辨率的传感器系统。
发明内容
根据一个实施例，提供一种用于确定土壤特性的传感器系统，所述传感器系统包括联接到农具的地面接合装置，其中所述地面接合装置包括具有孔的至少一个盘形构件和延伸穿过所述孔的细长轴。第一传感器单元布置在盘形构件的感测表面上，其中第一传感器单元构造成测量作用在盘形构件上的力，并且其中力包括至少一个沿第一方向作用的第一力和至少一个沿第二方向作用的第二力。第二传感器单元布置在细长轴上，其中第二传感器单元构造成测量作用在轴上的力，并且其中所述力包括至少一个沿第三方向作用的第三力和至少一个沿第四方向作用的第四力。处理器通信地连接到第一传感器单元和第二传感器单元中的每一个。处理器被配置为基于在第一方向和第二方向上测量的力来生成指示土壤特性的输出信号。
附图说明
图1是根据一个实施例的传感器系统的框图；
图2是根据一个实施例的图1的传感器系统中采用的地面接合装置的立体图；
图3是根据一个实施例的传感器单元的原理图；
图4是根据一个实施例的传感器系统的框图；
图5A是根据一个实施例的图1的传感器系统布置在其中的农具的侧视图；
图5B是根据一个实施例的图1的传感器系统布置在其中的农具的侧视图；和
图6是利用本发明的传感轮系统获得土壤特性梯度/变化曲线(gradient)的方法的流程图。
在所有几个附图中，相同的附图标记用于表示相同的元件。
具体实施方式
为了清楚起见，本公开将被描述为在种植机单元中实施。然而，应该指出的是，本公开还可以用于各种种植和/或土壤整理应用中，包括但不限于耕作、播种和其他。参考图1-2，根据一个实施例示出了用于确定土壤特性的传感器系统100。
在实施例中，传感器系统100可以包括通信地耦合到电子数据处理器108并布置在地面接合装置102上的至少两个传感器单元104，106。如图2所示，地面接合装置102可以适于联接到农具(例如，图5A中的种植机单元400)，并且可以包括联接到驱动轴206以相对于驱动轴旋转或者与驱动轴一起旋转的至少一个盘形构件204。尽管在图2中驱动轴被示出为具有矩形横截面，在其它实施例中，驱动轴可以具有大致圆形的横截面或圆柱形部分以与盘形构件204附近的径向轴承配合。盘形构件204可以包括开沟器盘或其他轮状结构，当农具在整个农田中移动时，开沟器盘或其他轮状结构旋转地接合或穿透周围土壤。驱动轴206可以包括具有多个外表面212的细长结构210，所述多个外表面212沿第一端220和第二端222之间的中心轴线250延伸。在一个实施例中，如果盘形构件204配置为不旋转，则第一端220被固定到盘形构件204，并且第二端222被固定到农具的框架。然而，在另一个实施例中，第一端220通过径向轴承与盘形构件204结合以允许盘形构件204和轴206相对于彼此旋转。
如图2和图3所示，传感器单元104，106可以分别包括设置在盘形构件204和/或驱动轴206的表面上的一个或多个传感器元件，诸如传感器元件214-217。每个传感器单元104，106可以是单独或共同地利用各种能量源(例如，布置在传感器单元104，106内部或外部的采集的能量源、AC电源或DC电源)供电。
在各种实施例中，传感器元件214-217可以包括专用于应用需求的应变仪或其他合适的负载感测装置。例如，在一些实施例中，每组传感器元件(即传感器元件214，215和传感器元件216，217)可以包括至少两个相对于中心轴线250彼此以间隔关系成角度地移位(例如，～90度的角位移)的应变仪(例如压电或压阻传感器)。这样的布置允许测量在变化的条件下施加到盘形构件204或驱动轴206的力(例如，扭转力)。如图2中所描绘的，坐标x，y，z定义了可施加适用力的方向。Z轴处于垂直方向，Y轴处于水平方向，并且X轴处于垂直于纸面平面的方向。例如，第一组传感器元件214，215可以设置在盘形构件204的外表面上，并且布置成检测由于在xz平面中横向施加的外力而引起的弯曲应变。类似地，第二组传感器元件216，217可以布置在驱动轴206的外表面上，并被布置成检测由于在yz平面中轴向施加的外力而引起的剪切应变。
电子数据处理器108可以包括能够处理由传感器单元104，106产生的数据信号的微处理器、微控制器、数字信号处理器、可编程逻辑控制器或其他合适的计算设备。在一些实施例中，处理的数据可以在诸如显示器110的图形用户界面上监视，该图形用户界面可以布置在操作车辆的驾驶室中以提供这种信息的实时观察。在其他实施例中，经处理的数据可以被存储在存储器中，存储器可以包括但不限于随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、光学数据存储器、动态数据存储器和/或它们的组合。
关于图1-2，本领域技术人员将会理解，图1-2不是按比例绘制的，仅用于说明目的。值得注意的是，在其他实施例中，各种部件的大小、尺寸、结构布局和各种部件的数量可以并且将会变化。例如，在一些实施例中，传感器系统100可以包括布置在地面接合装置102上的三个或更多个传感器单元104，106以提供增加的测量精度。在其他实施例中，传感器系统100还可以包括用于确定盘形构件204的旋转位置的角度传感器或其他位置相关传感器。此外，虽然在此处讨论的实施例中传感器单元104，106将包括力传感器，应该注意的是可以采用其他合适的感测装置。例如，在其他实施例中，传感器单元104，106可以包括负载传感器、转矩传感器、感应传感器、电容传感器或其组合。
现在参照图3，示出了根据一个实施例参照图1和2所讨论的传感器单元104，106的示意图。如所描绘的，每个传感器单元104，106可以包括串联电耦合以形成半桥电路布置的一个或多个传感器元件(即，传感器元件214，215和传感器元件216，217)。每对传感器元件(传感器元件214，215和传感器元件216，217)可以包括电阻元件，该电阻元件被布置为与电阻器R1和R2一起形成惠斯通电桥(Wheatstone bridge)的分支，电阻器R1和R2是具有用于测量目的而包括的固定电阻的平衡电阻器。在图3中，传感器元件214，215和216，217被示出为包括半桥构造，然而，应该注意的是，这样的构造仅用于示例性目的，可以采用其他合适的构造。例如，在其他实施例中，传感器单元104，106可以包括也可以布置在全桥构造中的更少或更多的传感器元件214-217。
现在回到图2，传感器元件214，215和216，217布置成测量作用在盘形构件204和驱动轴206上的弯曲力和剪切力。例如，随着R2和传感器元件214的电阻增加，R1和传感器元件215的测量电阻的将同时减小，R1和传感器元件215的测量电阻与可以测量的施加的应变和力的变化对应。换言之，在这样的布置中，当不施加外力时，传感器元件214-217将具有相等的电阻，并且每个桥电路将是平衡的。然而，一旦沿横向或纵向施加外力，盘形构件204和驱动轴206就会相应地经历弯曲和剪切应变。例如，在施加弯曲力时，在盘形构件204中产生相应的力矩，由此导致盘形构件204弯曲。这又反映在施加输入信号Vin时桥电路290的输出信号Vout中。桥电路290的输出电压Vout将与施加到盘形构件204的测量的弯曲力成比例，或者类似地，在驱动轴的实例中，桥电路290的输出电压Vout将与施加到驱动轴206的剪切力成比例。在一些实施例中，传感器系统100可以进一步包括信号调节器，信号调节器配置为在由电子数据处理器108处理之前将调节和/或放大电路(例如，差分放大器，A/D转换器或滤波器)应用于输出信号Vout。
现在参照图4，在一些实施例中，传感器系统100可以进一步包括与传感器单元104，106和电子数据处理器108通信的本地收发器300。本地收发器300可以配置为通过网络310无线地将数据传输收发到一个或多个远程收发器302或来自一个或多个远程收发器302，网络310可以包括因特网。例如，如图所示，本地收发器300可以将来自测量单元308的传感器数据发送到具有远程收发器302的远程处理单元314。收发器300，302可以与IEEE802.11和/或蓝牙协议兼容，并且对网络的访问310可以，例如通过局域网(LAN)、广域网(WAN)、无线局域网(WLAN)或合适的通信网络来提供。在一些实施例中，远程处理单元314可以执行上面描述的关于电子数据处理器108的功能。在其他实施例中，远程处理单元314可以配置为执行可用于辅助用户或操作员的附加的处理或数据分析。
在图5A中示出根据一个实施例的其中结合了传感器系统100的种植机单元400。种植机单元400可以包括以大致竖直的位置布置的料斗402，料斗402安装到框架404上。包括连杆408和致动装置410的平行臂装置406可以以悬臂状构造安装到框架404，使得平行臂装置406向外延伸并远离框架404。在一些实施例中，致动装置410可以联接到连杆408中的至少一个，并且可以包括机械的、气动的、液压的或其他合适的致动器，以将提升力和/或下压力施加到种植机单元400。具有大致圆形构造的计量单元412可以布置在料斗402下方并且可以配置为将从料斗402接收的种子分配到排种管414中。排种管414将从计量单元412接收的种子引导到由盘形构件204在地下形成的土壤开口450。
如之前参考图1所讨论的，地面接合装置102可以包括至少一个可操作地联接到驱动轴206的盘形构件204，其中盘形构件204布置成在与土壤接合时以预定的穿入深度形成土壤开口450。如所描绘的，驱动轴206可联接到种植机单元400的框架。至少两个规轮424安装在盘形构件204附近，使得盘形构件204的土壤穿入深度由规轮424调节。例如，致动装置410操作以将下压力施加到种植机单元400，种植机单元400继而将适当的下压力施加到安装到种植单元400的每个地面接合装置(即，规轮424和盘形构件204)。一旦这些地面接合装置降低，规轮调节机构413能够使得规轮424的垂直位置相对于盘形构件204进行调节，这产生了盘形构件204插入土壤中的深度(即，土壤开口450的深度)。在一些实施例中，调节机构413可以通过车辆操作员手动调节，而在其他实施例中，调节机构413可以通过由电子数据处理器108实现的闭环控制算法来调节。合拢轮组件428可以布置在盘形构件204和规轮424之后，并且可操作地关闭由盘形构件204形成的土壤开口450。
在一些实施例中，现在参考图5B，种植单元400可以进一步包括位置确定接收器452，例如卫星导航接收器，位置确定接收器452安装到种植机单元400并且配置为提供场地位置数据。在其他实施例中，种植机单元400还可以包括机械地联接至驱动轴206的刮板单元427，刮板单元427构造成从盘形构件204去除多余的污垢或其他残余物质累积。例如，在淤泥土的条件下、泥或其他类似的材料可能粘附到接合构件110，由此降低传感器单元104的感测精确度。为了防止这种干扰，刮板单元427可以安装成与盘形构件204的前表面接合，因为它旋转地与土壤接合以移除任何多余的材料。
在图6中，示出了用于执行本公开的方法500的流程图。在502处，操作者可以通过显示器110的用户界面输入命令，以调节规轮424的竖直位置(即升高或降低)，这进而调节盘形构件104的竖直位置。这确定了盘形构件204插入到土壤中的穿入深度，即土壤开口450的深度。接下来在504处，在操作之前，当盘形构件204位于土壤中时，由传感器单元104，106中的每一个获得参考力测量值，并且参考力测量值存储在存储器122中作为理想土壤特性的指示。
在操作中，在506处，随着种植单元400在整个场地中移动，由传感器单元104，106获得多个操作力测量值并且传送到电子数据处理器108。例如，当盘形构件204在整个土壤中旋转时，随着遇到各种土壤条件，例如增加的土壤硬度或紧实度，多个操作力测量值被获得并将其与参考力测量值进行比较。例如，当遇到硬化的土壤条件时，随着盘形构件204越来越难以穿入土壤，驱动轴206所经历的剪切应变将增加。类似地，随着土壤变得更紧实，盘形构件204将经历由于外部施加的土壤作用力引起的盘形构件204的表面变形(即，弯曲)而导致的增加的弯曲应变。如参考图3所讨论的，这种改变将反映在桥电路的输出信号Vout中，并由电子数据处理器108处理。例如，一旦接收到输出信号Vout，电子数据处理器108就将输出信号Vout与存储在电子数据处理器108的存储器中或由电子数据处理器108动态生成的查找表中的土壤特性数据(例如，土壤硬度、土壤紧实度、土壤强度)相关联。接下来在510处，推断的土壤特性的分布可以显示在显示器110上。
在不以任何方式限制下面出现的权利要求的范围、解释或应用的情况下，这里公开的一个或多个示例实施例的技术效果是用于确定土壤特性的传感器系统。尽管已经在附图和前面的描述中详细地图示和描述了本公开，但是这样的图示和描述的特征不是限制性的，应当理解，已经示出和描述了说明性的实施例(多个实施例)，及所有在本公开的精神内的改变和修改希望被保护。本公开的替代实施例可能不包括所描述的所有特征，但仍然受益于这些特征的至少一些优点。本领域的普通技术人员可以设计它们自己的包括本公开的一个或多个特征的实施方式，落入所附权利要求的精神和范围内。

Claims (16)

1.一种用于确定土壤特性的传感器系统，所述传感器系统包括：
地面接合装置，所述地面接合装置联接到农具，所述地面接合装置包括具有孔的至少一个盘形构件和延伸穿过所述孔的细长轴；
第一传感器单元，所述第一传感器单元设置在所述盘形构件上，其中所述第一传感器单元构造成测量沿第一方向作用在所述盘形构件上的第一力；
第二传感器单元，所述第二传感器单元设置在所述细长轴上，其中所述第二传感器单元构造成测量沿第二方向作用在所述细长轴上的第二力；以及
电子数据处理器，所述电子数据处理器通信地连接到所述第一传感器单元和所述第二传感器单元中的每一个，所述电子数据处理器配置为基于所述第一力的测量值和第二力的测量值来推断地确定土壤特性。
2.根据权利要求1所述的传感器系统，其中，所述第一传感器单元和所述第二传感器单元分别包括相对于彼此角向地移位大约90度的至少两个传感器元件。
3.根据权利要求2所述的传感器系统，其中所述至少两个传感器元件布置成半桥电路构造或全桥电路构造。
4.根据权利要求1所述的传感器系统，其中所述第一方向大致垂直于所述第二方向。
5.根据权利要求1所述的传感器系统，其中所述第一力的测量值或第二力的测量值包括剪切力和弯曲力中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的传感器系统，其中所述盘形构件包括开沟器盘、耕地轮，谷物条播机中的至少一个。
7.如权利要求1所述的传感器系统，还包括三个或更多个传感器单元。
8.根据权利要求1所述的传感器系统，其中所确定的土壤特性包括以下中的一种或多种：土壤硬度、土壤强度、土壤紧实度。
9.根据权利要求1所述的传感器系统，还包括卫星导航接收器，该卫星导航接收器用于确定所述第一传感器单元和第二传感器单元的位置和与所述第一传感器单元和第二传感器单元相关联的各自的测量值。
10.根据权利要求1所述的传感器系统，还包括存储在所述电子数据处理器的存储器中的查找表。
11.一种用于确定土壤特性的传感器系统，所述传感器系统包括：
地面接合装置，所述地面接合装置联接到农具，所述地面接合装置包括具有孔的至少一个盘形构件和延伸穿过所述孔的细长轴；
第一传感器单元，所述第一传感器单元设置在所述盘形构件上，其中所述第一传感器单元构造成测量沿第一方向作用在所述盘形构件上的第一力；
第二传感器单元，所述第二传感器单元设置在所述细长轴上，其中所述第二传感器单元构造成测量沿第二方向作用在所述细长轴上的第二力；
电子数据处理器，所述电子数据处理器通信地连接到所述第一传感器单元和所述第二传感器单元中的每一个，所述电子数据处理器配置为基于所述第一力的测量值和第二力的测量值来确定土壤特性；以及
卫星导航接收器，用于确定所测量的第一力和第二力中的每一个的位置。
12.一种确定土壤特性的方法，所述方法包括：
提供设置在地面接合装置上的第一传感器单元和第二传感器单元；
利用第一传感器单元检测作用在地面接合装置的第一构件上的第一力；
利用第二传感器单元检测作用在地面接合装置的第二构件上的第二力；以及
基于第一力和第二力的大小来确定土壤特性。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一力包括沿第一方向作用的弯曲力，并且所述第二力包括沿第二方向作用的剪切力。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一方向与所述第二方向正交。
15.根据权利要求12所述的方法，其中确定所述土壤特性包括将所检测的第一力和所检测的第二力中的至少一个与查找表中的对应数据值相关联并且基于所述关联推断所述土壤特性。
16.根据权利要求12所述的方法，其中所述至少一个土壤特性显示在显示器的图形用户界面上。
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