CN111066466A - 一种作业负荷可自适应调节的联合收获机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于联合收获机自适应控制领域，具体涉及一种作业负荷可自适应调节的联合收获机，包括待收获作物信息采集装置，定位装置，转速及导流板角度可调节的脱粒装置，转速及动刀、定刀间隙可调节的碎草装置以及控制系统。联合收获机工作过程中，以喂入量为信号输入，以脱粒滚筒转速、脱粒装置导流板角度、碎草机动刀片转速以及碎草动刀片与碎草定刀片之间间隙为被控变量，构建联合收获机业负荷可自适应调节方法，实现脱粒过程与碎草作业过程的协同控制，使整机作业负荷分布在合理范围内。

Description

一种作业负荷可自适应调节的联合收获机及其控制方法

技术领域

本发明属于联合收获机自适应控制领域，具体涉及一种作业负荷可自适应调节的联合收 获机及其控制方法。

背景技术

联合收获机作为一种集切割、输送、脱粒分离、清选、集粮等功能为一体的复式作业 农业机械，具有作业效率高、机动性强等特点，在减轻农民劳动强度，提高农村生产力等方面起着重要作用。近年来，随着超级稻的大面积推广，水稻单产不断提高和国家土地流转政策的出台和家庭农场的涌现，水稻集约化生产方式逐步形成，都对联合收获机的作业效率和收获适应性提出了更高的要求。智能农机装备代表着农业先进生产力，是提高生产效率、转变发展方式、增强农业综合生产能力的物质基础，也是国际农业装备产业技术竞争的焦点。联合收获机的作业负荷是影响整机作业性能的关键因素，也是调节联合收获机作业参数的重要依据。影响整机作业负荷的主要因素有喂入量、滚筒转速、碎草装置负荷等，为实现联合收获机作业负荷的及时调节，国内外学者做了很多卓有成效的工作，但相关研究仅是根据喂入量或滚筒转速的单一变化来衡量整机负荷，整机负荷控制过程中未考虑碎草装置的作业负荷对整机负荷的影响，存在的突出问题是碎草装置动刀片与定刀片间隙不可自适应调节，喂入量信息获取滞后，未考虑整机喂入量信息及脱粒滚筒的作业负荷波动，现有研究的控制系统还不能使整机作业负荷保持稳定，整机作业质量无法得到有效保障。

发明内容

为实现联合收获机工作过程中作业负荷维持在合理区间，本发明提供了一种作业负荷可 自适应调节的联合收获机及其控制方法。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的：

一种作业负荷可自适应调节的联合收获机，包括信息采集装置、定位装置、脱粒装置、 碎草装置和控制系统，所述信息采集装置、定位装置、脱粒装置、碎草装置的控制器均和控 制系统相连，控制系统控制纵轴流脱粒滚筒转速、脱粒装置导流板角度、碎草机动刀片转速 和碎草动、定刀片之间的间隙。

上述技术方案中，所述信息采集装置包括沿竖直方向依次布置的步进电机I和步进电机 II，步进电机I输出轴与支撑板I相连，支撑板I安装在安装平台上，安装平台安装在支撑板 II上，支撑板II与步进电机II输出轴相连，支撑板I上安装激光雷达和INS惯性元件。

上述技术方案中，所述脱粒装置包括液压柱塞缸，液压柱塞缸与换档拨叉杆相连，换档 拨叉杆与换档拨叉相连，换档拨叉安装在换档横杆上，且换档拨叉插入三联动力输入齿轮的 齿轮缝隙槽内，三联动力输入齿轮与动力输出齿轮啮合，动力输出齿轮安装在动力输出轴上， 动力输出轴与纵轴流脱粒滚筒的动力输入轴相连，切流脱粒滚筒位于纵轴流脱粒滚筒前部， 纵轴流脱粒滚筒上安装有脱粒装置导流板，三联动力输入齿轮安装在动力输入轴上。

上述技术方案中，所述碎草装置包括碎草动刀片和碎草定刀片，碎草动刀片的安装轴通 过扭矩传感器与液压马达相连，碎草定刀片安装在滑槽内，滑槽与电动缸相连。

一种作业负荷可自适应调节的联合收获机的控制方法，控制系统以喂入量、纵轴流脱粒 滚筒转速、碎草机动刀片转速和碎草动刀片安装轴扭矩为输入量，控制轴流脱粒滚筒转速、 脱粒装置导流板角度、碎草机动刀片转速以及碎草动刀片与碎草定刀片之间间隙，从而控制 整机作业负荷。

进一步，当喂入量W≤80％W_L，控制纵轴流脱粒滚筒的转速至最小值，脱粒装置导流 板角度调至中间值位置，调节碎草动刀片与碎草定刀片之间间隙为小间隙，碎草机动刀片的 转速为最小值，其中W_L为喂入量临界值。

更进一步，当80％W_L＜W≤100％W_L，控制纵轴流脱粒滚筒的转速至中间值，脱粒装置导流板角度调至中间值位置，调节碎草动刀片与碎草定刀片之间间隙为中间隙，碎草机动 刀片的转速为中间值。

更进一步，当喂入量W＞100％W_L，控制纵轴流脱粒滚筒的转速至最大值，脱粒装置导 流板角度调至最大值位置，调节碎草动刀片与碎草定刀片之间间隙为大间隙，碎草机动刀片 的转速为最大值。

更进一步，所述纵轴流脱粒滚筒的转速范围是700-900r/min，所述脱粒装置导流板的角 度范围是20-40°。

更进一步，所述碎草动刀片与碎草定刀片之间的间隙范围是18-22mm，所述碎草机动刀 片的转速范围是2800-3000r/min。

本发明的有益效果为：本发明涉及的一种作业负荷可自适应调节的联合收获机及其控制 方法，根据待收获作物信息采集装置，提前感知待收获作物的植株密度、株高等信息，进而 获取整机喂入量信息；作业过程中可根据脱粒装置和碎草装置的作业负荷自动调整各种工作 参数(包括纵轴流脱粒滚筒转速、脱粒装置导流板角度、碎草机动刀片转速和碎草动刀片与 碎草定刀片之间间隙)，在提高生产效率的同时，将整机作业负荷控制在一定范围内，防止因 作业负荷瞬时过大，对联合收获机脱粒装置及碎草割刀产生较大冲击，同时大大提高了整机 的作业适应性和无故障工作时间，对解决制约谷物联合收获机作业性能、效率和收获适应性 的技术瓶颈具有重要意义。

附图说明

图1是本发明一种作业负荷可自适应调节的联合收获机主视图。

图2是本发明待收获作物信息采集装置主视图。

图3是本发明联合收获机纵轴流脱离滚筒变速装置主视图。

图4是本发明联合收获机纵轴流脱离滚筒变速装置左视图。

图5是本发明脱粒装置及顶盖导向条角度调节装置主视图。

图6是本发明联合收获机碎草装置动刀片与定刀片间隙调节装置主视图。

图中：1-待收获作物信息采集装置，2-导航装置，3-转速及导流板角度可调节的脱粒装置， 4-转速及动刀、定刀间隙可调节的碎草装置，5-控制系统，1-1-激光雷达，1-2-步进电机I，1-3- INS惯性元件，1-4-支撑板I，1-5-安装平台，1-6-支撑板II，1-7-步进电机II，1-8-底板，3-1- 液压柱塞缸，3-2-螺栓，3-3-换档拨叉杆，3-4-换档横杆，3-5-换档拨叉，3-6-三联动力输入齿 轮，3-7-动力输出齿轮，3-8-动力输出轴，3-9-动力输入轴，3-10-换档拨叉盖，3-11-切流脱粒 滚筒，3-12-纵轴流脱粒滚筒，3-13-脱粒装置导流板，3-14-脱粒装置导流板调节手柄，4-1-碎 草动刀片，4-2-液压马达，4-3-电动缸，4-4-滑槽，4-5-定刀片固定杆，4-6-碎草定刀片，4-7- 扭矩传感器。

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，一种作业负荷可自适应调节的联合收获机，包括待收获作物信息采集装置 1，定位装置2，转速及导流板角度可调节的脱粒装置3，转速及动刀、定刀间隙可调节的碎 草装置4以及控制系统5。待收获作物信息采集装置1、定位装置2安装在联合收获机驾驶室 顶部，转速及动刀、定刀间隙可调节的碎草装置4位于转速及导流板角度可调节的脱粒装置 3的尾部，控制系统5位于联合收获机驾驶室内部。

如图2所示，所述待收获作物信息采集装置1包括激光雷达1-1、步进电机I1-2、INS惯 性元件1-3、支撑板I1-4、安装平台1-5、支撑板II1-6、步进电机II1-7和底板1-8。激光雷达 1-1和INS惯性元件1-3安装在支撑板I1-4上表面内，激光雷达1-1用于采集待收获作物的点 云信息，INS惯性元件1-3用于确定待收获作物的位置信息；步进电机I1-2的输出轴垂直穿 过支撑板I1-4沿长度与厚度平面的中心，且与支撑板I1-4相连；安装在支撑板I1-4上的激 光雷达1-1和INS惯性元件1-3在步进电机I1-2的带动下上下摆动，从而完成摆动幅度内待 收获作物植株的扫描与点云数据的采集，扩展激光雷达的信息扫描范围。支撑板I1-4安装在 安装平台1-5上，安装平台1-5安装在支撑板II1-6上，步进电机II1-7的输出轴沿支撑板II1-6 厚度方向，垂直穿过支撑板II1-6的中心对称位置后与支撑板II1-6相连，步进电机II1-7固定 在底板1-8上，支撑板II1-6在步进电机II1-7的带动下做旋转运动，底板1-8固定安装在联 合收获机驾驶室顶部。步进电机I1-2、步进电机II1-7在信息采集装置控制器的控制下转动， 进而实现激光雷达1-1和INS惯性元件1-3的上下摆动及旋转运动。

待收获作物信息采集装置1在水平面内的上下俯仰角度为±40°，支撑板II1-6在步进电 机II 1-7的带动可在360°范围内旋转。

待收获作物信息采集装置1获取不同位置处谷物喂入量的步骤如下：

S1：试验开始前通过激光雷达1-1扫描一定区域A内的待收获作物植株，对待收获作物 信息采集装置的激光雷达1-1进行标定与调试，实时获取待收获作物的三维激光点云数据， 采用线性回归方法剔除激光点云数据中由于秸秆粉末、浮尘以及系统误差等造成的粗大误差 点。

S2：运用Mean-Shift、CHM(Canopy Height Model)和分水岭组合算法对待收获作物的 三维激光点云数据进行分割，对分割后的点云进行多边形包络计算后提取穗层，聚类分析后 得到植株穗层聚类分割点云，通过识别聚类分割点云数据中作物最高点和基部最低点进行差 值运算以获取植株高度H；从待收获作物的三维激光点云数据中分离出穗层点云数据，进行 上下穗层面曲面拟合，计算上下穗层面之间的平均距离作为穗层高度h；对每个聚类分割点 云进行稳态点标记，得到采集范围内的株数，从而计算出植株密度M；或利用超体素分割法 对穗层点云数据进行分割，计算得到超体素数量，进而计算出植株密度M。

S3：通过人工试割该6m²区域内的水稻植株来标定S2计算出的植株密度和植株高度与单 位面积内籽粒、茎秆质量之间的关系。即单位面积内籽粒质量m₁＝(k₁×M×h)/A，茎秆质 量m₂＝(k₂×M×H)/A，其中k₁、k₂为比例系数，h为待收获作物穗层高度，H为植株高度，M为植株密度，A为区域面积，本实施例中A取6m²。

S4：通过定位装置2实时获取联合收获机的位置，INS惯性元件1-3获取待收获作物的 位置信息；即可得知任意一位置点处待收获作物的茎秆和籽粒质量。

S5：联合收获机在前进过程中的喂入量可由下式计算，获取的喂入量保存在所述信息采 集装置1的控制器中。

W＝v×F×(m₁+m₂)

其中，W是整机喂入量，v是联合收割机前进速度，F为割幅。

如图3、4、5所示，转速及导流板角度可调节的脱粒装置3包括液压柱塞缸3-1、螺栓3-2、换档拨叉杆3-3、换档横杆3-4、换档拨叉3-5、三联动力输入齿轮3-6、动力输出齿轮 3-7、动力输出轴3-8、动力输入轴3-9、换档拨叉盖3-10、切流脱粒滚筒3-11、纵轴流脱粒滚 筒3-12、脱离装置导流板3-13以及脱离装置导流板调节手柄3-14。转速及导流板角度可调节的脱粒装置3安装在清选室上方。液压柱塞缸3-1通过螺栓3-2与换档拨叉杆3-3相连，换档拨叉杆3-3与换档拨叉3-5相连，通过换档拨叉盖3-10密封；换档拨叉3-5安装在换档横杆3-4上，且换档拨叉3-5插入三联动力输入齿轮3-6的齿轮缝隙槽内，三联动力输入齿轮3-6与动力输出齿轮3-7啮合，动力输出齿轮3-7安装在动力输出轴3-8上，动力输出轴3-8与纵轴流脱粒滚筒3-12的动力输入轴相连，切流脱粒滚筒3-11位于纵轴流脱粒滚筒3-12前部；纵轴流脱粒滚筒3-12的脱粒顶盖内安装有脱粒装置导流板3-13，脱粒装置导流板3-13通过连杆与脱粒装置导流板调节手柄3-14相连(参见中国专利CN106376295A)。动力输入轴3-9为花键轴，三联动力输入齿轮3-6安装在动力输入轴3-9上，动力输入轴3-9通过皮带轮与发动机皮带盘相连。通过控制系统5通过所述脱粒装置3的控制器改变液压柱塞缸3-1的位置带动换档拨叉杆3-3，进而带动换档拨叉3-5在换档横杆3-4上滑动以实现三联动力输入齿轮 3-6在动力输入轴3-9上移动，通过脱粒装置3的控制器改变三联动力输入齿轮3-6与动力输 出齿轮3-7的传动比，最终实现动力输出轴3-8转速的改变，即实现纵轴流脱粒滚筒3-12转 速的无级调节。脱离装置导流板调节手柄3-14与碎草装置的电动缸4-3相连，进而在电动缸 4-3伸缩带动下实现脱离装置导流板3-13角度的调节。

如图6所示，转速及动刀、定刀间隙可调节的碎草装置4包括碎草动刀片4-1、液压马达 4-2、电动缸4-3、滑槽4-4、定刀片固定杆4-5、碎草定刀片4-6以及扭矩传感器4-7。碎草动 刀片4-1的安装轴通过扭矩传感器4-7与液压马达4-2相连，扭矩传感器4-7用于采集碎草动 刀片安装轴扭矩，并传输给碎草装置控制器；控制系统5通过碎草装置控制器改变液压马达 4-2的转速进而实现碎草动刀片4-1转速的变化。碎草定刀片4-6安装在定刀片固定杆4-5上， 定刀片固定杆4-5安装在滑槽4-4内，滑槽4-4与电动缸4-3相连，控制系统5通过碎草装置 控制器改变电动缸4-3的伸缩运动进而带动定刀片固定杆4-5在滑槽4-4内的移动，最终实现 碎草动刀片4-1与碎草定刀片4-6之间间隙的改变。液压马达4-2通过型材安装在脱粒装置后 部侧壁上。

待收获作物信息采集装置1，定位装置2，转速及导流板角度可调节的脱粒装置3，转速 及动刀、定刀间隙可调节的碎草装置4的控制器通过信号线与控制系统5相连。以喂入量为 信号输入，以纵轴流脱粒滚筒转速、脱粒装置导流板角度、碎草机动刀片转速和碎草动刀片 与碎草定刀片之间间隙为被控变量，实现脱粒过程与碎草作业过程的自适应控制，调节水稻 物料在联合收获机内部流动情况，预防堵塞现象发生，以提高脱粒分离质量。

所采用的控制方法如下：

控制系统5判断喂入量的大小，如果喂入量W≤80％W_L(临界值)，以控制碎草动刀片4-1与碎草定刀片4-6之间间隙为主，换档加速纵轴流脱粒滚筒3-12的转速至最小值，脱粒装置导流板3-13角度调至中间值位置，调节碎草动刀片4-1与碎草定刀片4-6之间间隙至15mm，维持碎草机动刀片4-1的转速在2800r/min，以控制脱粒分离质量。

如果喂入量80％W_L＜W≤100％W_L，以控制纵轴流滚筒3-12的转速为主，换档加速纵轴流脱粒滚筒3-12的转速至中间值；脱粒装置导流板3-13角度调至中间值位置，同时进一步调节碎草动刀片4-1与碎草定刀片4-6之间间隙至18mm，维持碎草机动刀片4-1的转速在2900r/min，预防堵塞现象发生。

如果喂入量W＞100％W_L，换档加速纵轴流脱粒滚筒3-12的转速至最大值，脱粒装置导 流板3-13角度调至最大值位置，同时调节碎草动刀片4-1与碎草定刀片4-6之间间隙至22mm， 维持碎草机动刀片4-1的转速在最高3000r/min，加速物料在联合收获机内部流动。

所述纵轴流脱粒滚筒3-12的转速范围为700-900r/min，脱粒装置导流板3-13的角度范围 为20-40°。

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 (10)

1.一种作业负荷可自适应调节的联合收获机，其特征在于，包括信息采集装置(1)、定位装置(2)、脱粒装置(3)、碎草装置(4)和控制系统(5)，所述信息采集装置(1)、定位装置(2)、脱粒装置(3)、碎草装置(4)的控制器均和控制系统(5)相连，控制系统(5)控制纵轴流脱粒滚筒转速、脱粒装置导流板角度、碎草机动刀片转速和碎草动、定刀片之间的间隙。

2.根据权利要求1所述的作业负荷可自适应调节的联合收获机，其特征在于，所述信息采集装置(1)包括沿竖直方向依次布置的步进电机I(1-2)和步进电机II(1-7)，步进电机I(1-2)输出轴与支撑板I(1-4)相连，支撑板I(1-4)安装在安装平台(1-5)上，安装平台(1-5)安装在支撑板II(1-6)上，支撑板II(1-6)与步进电机II(1-7)输出轴相连，支撑板I(1-4)上安装激光雷达(1-1)和INS惯性元件(1-3)。

3.根据权利要求1所述的作业负荷可自适应调节的联合收获机，其特征在于，所述脱粒装置(3)包括液压柱塞缸(3-1)，液压柱塞缸(3-1)与换档拨叉杆(3-3)相连，换档拨叉杆(3-3)与换档拨叉(3-5)相连，换档拨叉(3-5)安装在换档横杆(3-4)上，且换档拨叉(3-5)插入三联动力输入齿轮(3-6)的齿轮缝隙槽内，三联动力输入齿轮(3-6)与动力输出齿轮(3-7)啮合，动力输出齿轮(3-7)安装在动力输出轴(3-8)上，动力输出轴(3-8)与纵轴流脱粒滚筒(3-12)的动力输入轴相连，切流脱粒滚筒(3-11)位于纵轴流脱粒滚筒(3-12)前部，纵轴流脱粒滚筒(3-12)上安装有脱粒装置导流板(3-13)，三联动力输入齿轮(3-6)安装在动力输入轴(3-9)上。

4.根据权利要求1所述的作业负荷可自适应调节的联合收获机，其特征在于，所述碎草装置(4)包括碎草动刀片(4-1)和碎草定刀片(4-6)，碎草动刀片(4-1)的安装轴通过扭矩传感器(4-7)与液压马达(4-2)相连，碎草定刀片(4-6)安装在滑槽(4-4)内，滑槽(4-4)与电动缸(4-3)相连。

5.一种作业负荷可自适应调节的联合收获机的控制方法，其特征在于，控制系统(5)以喂入量、纵轴流脱粒滚筒转速、碎草机动刀片转速和碎草动刀片安装轴扭矩为输入量，控制轴流脱粒滚筒转速、脱粒装置导流板角度、碎草机动刀片转速以及碎草动刀片与碎草定刀片之间间隙，从而控制整机作业负荷。

6.根据权利要求5所述的作业负荷可自适应调节的联合收获机的控制方法，其特征在于，当喂入量W≤80％W_L，控制纵轴流脱粒滚筒(3-12)的转速至最小值，脱粒装置导流板(3-13)角度调至中间值位置，调节碎草动刀片(4-1)与碎草定刀片(4-6)之间间隙为小间隙，碎草机动刀片(4-1)的转速为最小值，其中W_L为喂入量临界值。

7.根据权利要求6所述的作业负荷可自适应调节的联合收获机的控制方法，其特征在于，当80％W_L＜W≤100％W_L，控制纵轴流脱粒滚筒(3-12)的转速至中间值，脱粒装置导流板(3-13)角度调至中间值位置，调节碎草动刀片(4-1)与碎草定刀片(4-6)之间间隙为中间隙，碎草机动刀片(4-1)的转速为中间值。

8.根据权利要求6所述的作业负荷可自适应调节的联合收获机的控制方法，其特征在于，当喂入量W＞100％W_L，控制纵轴流脱粒滚筒(3-12)的转速至最大值，脱粒装置导流板(3-13)角度调至最大值位置，调节碎草动刀片(4-1)与碎草定刀片(4-6)之间间隙为大间隙，碎草机动刀片(4-1)的转速为最大值。

9.根据权利要求6-8任一项权利要求所述的作业负荷可自适应调节的联合收获机的控制方法，所述纵轴流脱粒滚筒(3-12)的转速范围是700-900r/min，所述脱粒装置导流板(3-13)的角度范围是20-40°。

10.根据权利要求6-8任一项权利要求所述的作业负荷可自适应调节的联合收获机的控制方法，所述碎草动刀片(4-1)与碎草定刀片(4-6)之间的间隙范围是18-22mm，所述碎草机动刀片(4-1)的转速范围是2800-3000r/min。

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