CN112715136A - 用于联合收割机的射频谷物质量和成分测量系统 - Google Patents

用于联合收割机的射频谷物质量和成分测量系统 Download PDF

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Abstract

一种在联合收割机(10)上使用的射频(RF)谷物质量和成分测量系统(12)包括用于在联合收割机(10)的区域内捕获被收割的谷物的RF传感器读数的RF传感器子系统(88)。存储器(70)存储RF特征数据库(72)，该RF特征数据库(72)包含针对测试谷物样本在一个或更多个测试频率范围内收集的RF特征测试数据。控制器(16)可操作地联接到RF传感器子系统(88)和存储器(70)并被配置成：(i)从RF传感器子系统(88)接收RF传感器读数(104)；(ii)至少部分地基于RF传感器读数和RF特征测试数据之间的分析比较确定当前被收割的谷物的谷物质量和第一成分含量(108)；和(iii)响应于确定被收割的谷物的谷物质量和第一成分含量执行至少一个动作(110)。

Description

用于联合收割机的射频谷物质量和成分测量系统
技术领域
本公开涉及用于估计由联合收割机处理的谷物的谷物质量和组成(例如，成分含量百分比)的基于射频的测量系统。
背景技术
联合收割机(也称为“农用联合收割机”)极大地提高了玉米、油菜籽、大豆、小麦、燕麦、向日葵及其它农作物被收割、脱粒、清选和收集以配售给消费者的效率。通常，联合收割机是相对复杂的自推进式机器，当收割机在农作物田地上行进时能够收割大片的农作物植株，同时在收割机内将谷物与除谷物之外的材料(MOG)分离。在清选后，被收割的谷物通常通过清选谷物升运器被输送传递到谷物存储箱中。随着联合收割机变得日益先进，传感器子系统现在被集成到收割机中以测量被收割的谷物的谷物质量和水分含量。特别地，评估水分含量提高了测量谷物质量的准确度，这又提高了谷物质量流量和谷物产量计算的准确度。这种与谷物相关的测量结果可存储在存储器中，并呈现在位于联合收割机的驾驶室内的显示装置上，以便由操作员参考。另外或替代地，可响应于谷物质量、水分含量或其它相关参数的变化来实施对致动部件的即时调整，以更好地优化联合收割机的性能。
发明内容
提供了一种在联合收割机上使用的射频(RF)谷物质量和成分测量系统。在各种实施例中，RF谷物质量和成分测量系统包括RF传感器子系统，RF传感器子系统被配置成在联合收割机的包含当前被收割的谷物的区域内捕获被收割的谷物的RF传感器读数。存储器存储RF特征数据库，该RF特征数据库包含针对测试谷物样本在一个或更多个测试频率范围内观测到的RF特征测试数据。控制器可操作地联接到RF传感器子系统和存储器。控制器被配置成：(i)从RF传感器子系统接收RF传感器读数；(ii)至少部分地基于RF传感器读数与RF特征测试数据的比较来确定当前被收割的谷物的谷物质量和第一成分含量；以及(iii)响应于确定当前被收割的谷物的谷物质量和第一成分含量来执行至少一个动作，至少一个动作包括显示或存储与联合收割机的部件相关联的值，或调节联合收割机的部件。
在其它实施例中，RF谷物质量和成分测量系统包括RF传感器子系统、存储RF特征数据库的存储器，以及可操作地联接到RF传感器子系统和存储器的控制器。RF传感器子系统又包括第一RF传感器和第二RF传感器。第一RF传感器被配置成以第一频率或频率范围捕获当前被收割的谷物的RF传感器读数。相对地，第二RF传感器被配置成以不同于第一频率或频率范围的第二频率或频率范围捕获当前被收割的谷物的RF传感器读数。RF特征数据库包含针对测试谷物样本在一个或更多个测试频率范围内观测到的RF特征测试数据。控制器被配置成：(i)从RF传感器子系统接收RF传感器读数；(ii)至少部分地基于RF传感器读数与RF特征测试数据的比较来确定当前被收割的谷物的谷物质量和水分含量；和(iii)响应于确定当前被收割的谷物的谷物质量和水分含量来执行至少一个动作。
在实施例中，控制器估计当前被收割的谷物的水分含量包括：从RF特征测试数据中调用具有不同水分含量的测试谷物样本的RF特征；以及至少部分地基于对与RF传感器读数相对应的特定RF特征的识别来估计水分含量。控制器还被配置成使用RF传感器读数和RF特征测试数据来确定当前被收割的谷物的第一成分含量。由RF传感器子系统捕获的RF传感器读数度量冲击在当前被收割的谷物上的RF能量的相移和衰减中的至少一项。RF特征测试数据包括与针对测试谷物样本在测试频率范围内的相移和衰减中的至少一项相关的测试数据。联合收割机还包括清选谷物升运器。第一RF传感器被定位成捕获当前被收割的谷物在由清选谷物升运器的桨板支撑时的RF传感器读数。第二RF传感器被定位成捕获当前被收割的谷物在通过清选谷物升运器的出口被排出时的RF传感器读数。第一RF传感器以最大频率f1运行，并且第二RF传感器以最小频率f2运行，其中，1千兆赫＜f1≤2f2＜300千兆赫。
在附图和下面的描述中阐述了一个或更多个实施例的细节。根据说明书、附图和权利要求书，其它特征和优点将变得显而易见。
附图说明
下文将结合以下附图描述本公开的至少一个示例：
图1是根据示例性实施例示出的配备有射频(RF)谷物质量和成分测量系统的联合收割机的示意图；
图2示意性地示出了在示例性RF谷物质量和成分测量系统的实施例中可以包括的附加部件；
图3是适于由RF谷物质量和成分测量系统(图1和图2)的控制器执行以确定由图1所示的联合收割机处理的谷物的多个参数(例如，谷物质量、水分含量和/或成分含量水平)的示例性过程的流程图；
图4以图形方式绘制了多个测试谷物样本在测试频率范围内的RF特征(在此以相移来表示)，在实施例中，控制器可以使用这些RF特征来确定谷物质量和第一成分含量(在此为油含量)；以及
图5以图形方式示出了测试谷物样本在预定频率范围内的RF传感器读数(在此以波振幅或幅值测量)，在实施例中，控制器还可以使用该RF传感器读数来确定被收割的谷物的谷物质量和第一成分含量。
各个附图中相同的附图标记指代相同的元件。为了说明的简化和清楚性，可以省略公知特征和技术的描述和细节，以避免不必要地使在后续具体实施方式中描述的本公开的示例和非限制性实施例不清楚。还应当理解，除非另外说明，否则附图中出现的特征或元件不必按比例绘制。
具体实施方式
本公开的实施例在以上简要描述的附图中示出。本领域技术人员可以在不背离如所附权利要求书所阐述的本公开的范围的情况下，对示例性实施例进行各种修改。
概述
如上文简要讨论的，现代联合收割机配备有用于测量被收割的谷物的谷物质量和水分含量的传感器子系统。在一种常用的方法中，通过检测被收割的谷物撞击位于清选谷物升运器的出口端内的表面的力来确定谷物质量。更具体地，可以利用测力传感器测量清选谷物的撞击力，该测力传感器定位在由清选谷物在从谷物升运器的旋转桨板甩出或抛出时撞击的冲击板的后方。当谷物在落入清选谷物箱之前撞击冲击板时，测力传感器检测谷物撞击冲击板的力。然后，该撞击力结合谷物升运器速度用于求解谷物质量。一旦确定，谷物质量就可以连同其它已知参数(例如割台宽度和收割机速度)用于谷物质量流量计算和谷物产量计算。
除了谷物质量之外，还期望联合收割机追踪谷物水分含量。被收割的谷物的水分含量影响谷物在处理和储存期间腐坏、收缩或损坏的倾向。另外，谷物水分含量的变化可能会影响上述谷物质量测量的准确度，因此在计算谷物质量时期望对谷物水分含量的变化进行补偿。由于这些原因，联合收割机通常还配备有用于估计被收割的谷物的水分含量的传感器。在许多情况下，通过测量已知体积的谷物上的电容来估计谷物水分含量，该已知体积的谷物从清选谷物流转移到测试通道或“旁路”。旁路的尺寸决定了被取样的谷物体积，并且电极(例如，金属板)与旁路的侧面邻接，使得电流能够穿过被取样的谷物体积从而测量电容。然后使用预先建立的相关性或方程将电容测量转换成水分含量估计，应注意电导率随着谷物水分含量的增加而趋于增加(并且因此电容趋于减小)。联合收割机的处理架构或“控制器”然后可以考虑该电容估计以更准确地评估谷物质量。在其它情况下，可以对被取样的谷物体积进行称重，并且除了电容测量之外或代替电容测量，重量可以用于估计谷物水分含量(或谷物质量)。在以这种方式估计谷物水分之后，被取样的谷物体积然后可以返回到清选谷物流，并且可以重复这样的处理步骤以迭代地估计谷物水分含量。
尽管在一般意义上是有用的，但是上述用于测量谷物质量和水分含量的技术在多个方面仍然是受限的。这种测量技术可能有些不准确、过于复杂，并且需要重复校准。例如，考虑上述用于估计由联合收割机处理后的谷物的水分含量的技术。需要重复地将新收割的谷物的一部分从清选谷物流转移或分离到专用旁路中、测量被取样的谷物的电容(或重量)，并然后将被取样的谷物返回到清选谷物流，这是一繁琐的过程，增加了联合收割机的不期望的成本和复杂性。此外，由于这种拟随机取样过程的特征，谷物水分估计在离散的时间点被获得，同时清选谷物流的流动在有限程度上被中断。在某些情况下，谷物水分估计可能暂时与撞击力测量偏离显著的时间延迟，从而加剧了在变化的谷物条件下估计谷物质量的不准确性。
鉴于这些缺陷，已经提出了用于测量谷物质量和水分含量的各种替代技术，并且在某些情况下，已经实施了这些替代技术。然而，这些替代技术也与各种缺点相关联。作为具体示例，已经提出可以通过用X射线或伽马射线形式的高能电离辐射冲击被收割的谷物来测量谷物质量。这种方法可以通过测量高能电离电磁(EM)辐射被吸收到被收割的谷物中的程度来确定谷物质量和/或水分含量。然而，所提出的并入了高能发射器和接收器天线的系统趋于增加传感器子系统的相当大的成本和复杂性，并且可能受到各种政府规章的制约。此外，如上述类型的更常规的技术那样，用于测量谷物质量和水分含量的这种替代技术在另一个重要的方面仍然是受限的，并且这种测量技术几乎不提供除了水分含量估计本身之外的关于被收割的谷物的组成的任何额外有用信息。
为了克服与这种常规谷物质量测量系统相关联的上述缺陷，下面公开了非常适合在联合收割机内使用的基于射频的谷物质量和成分测量系统。如术语“基于射频”所示，下述测量系统使用射频(RF)测量来测量或估计当前被收割的谷物的谷物质量和一个或更多个成分含量；即，从拾取的农作物植株中提取出并然后由配备有测量系统的联合收割机处理的谷物。为了便于参考，基于RF的谷物质量和成分测量系统在下文中被替代地称为“RF谷物质量和成分测量系统”。这种术语表示RF谷物质量和成分测量系统在评估谷物质量和一个或更多个成分含量水平时使用RF信号，但是不排除测量系统在进行这种评估时可能(并且会经常)使用其它非RF输入数据的可能性。此外，术语“成分含量”是指谷物包含至少一种成分(无论是水分还是非水分成分)的程度或水平。非水分成分的示例包括谷物中所含的蛋白质、纤维素、淀粉或油。这样的成分含量水平或量通常将表示为体积百分比或重量百分比，例如蛋白质、纤维素、淀粉或油的重量百分比(％)；然而，表示谷物中特定成分的分数量的其它方式同样可行。
如上所述，RF谷物质量和成分测量系统的实施例还可以在确定谷物质量、水分含量、一种或更多种非水分成分的测量值和其它谷物相关参数(例如谷物质量流量或整体谷物产量)时考虑非RF传感器输入和其它非RF输入数据。在适当情况下，测量系统可以从存储器中调用并应用预先建立的转换因子和方程；例如，如在将测量的(根据下面描述的RF响应信号推断出的)谷物体积转换成谷物质量时所使用的那样。当进一步将谷物质量转换成通过联合收割机的谷物质量流量时，可以考虑清选谷物升运器速度或类似参数。在相关时也可以考虑操作员输入数据，在实施例中，这种操作员输入可能指定联合收割机当前处理的特定农作物类型或农作物类别。
RF谷物质量和成分测量系统可以包括任何实际数量的RF传感器(发射器、接收器和其它相关联的硬件)，这些RF传感器共同形成RF传感器子系统。在某些实施例中，RF传感器子系统可以包括单个RF接收器和发射器对，该RF接收器和发射器对在运行期间通过多个固定频率循环；或者，替代地，该RF接收器和发射器对在预定的频率范围上调节所发射的RF能量。在其它情况下，RF传感器子系统可以包含两个或更多个RF传感器，其中每个RF传感器在RF域内的唯一的频率或频率范围下运行。当包括两个或更多个RF传感器时，传感器子系统可以使用实时数据来求解与被收割的谷物有关的多个参数，同时允许清选谷物流的连续的、不间断的流动。此外，每个RF传感器可以被优化以在唯一的频率或频率范围下运行，并且被调整以使其局部结构环境内的信噪比最大化；例如通过定制天线形状和尺寸以最佳地适应联合收割机的其中集成有RF传感器的区域。有利地优化每个RF传感器以提供传感器视场(FOV)或查询(interrogation)区域，其中包含在清选谷物流中的基本所有谷物都通过该传感器视场或查询区域，同时进一步最小化来自查询区域内的任何RF交互式(例如，金属)部件的结构干扰。
在传感器子系统包括至少第一RF传感器和第二RF传感器的各种实施方式中，第一RF传感器被定位成在谷物相对紧凑或聚集成固结块的位置处捕获清选谷物流内的谷物的RF传感器读数；例如当谷物被分配到由清选谷物升运器的桨板支撑的离散堆中时。另外，在这样的实施方式中，第二RF传感器可以被定位成当清选谷物处于更分散的分布时(如当在空中输送并且通过清选谷物升运器的出口从桨板排出时)捕获清选谷物的RF传感器读数。在这种情况下，第二RF传感器可以被赋予比第一RF传感器更广阔的FOV或查询区域，以确保通过清选谷物升运器的出口排出的基本上全部的谷物被RF能量冲击并且由相应的RF传感器读数捕获。
RF传感器子系统内的一个或更多个传感器运行的频率在实施例之间变化。RF传感器的运行频率可以被调整以最佳适应特定的传感器位置，或者被优化以得到期望的信号响应，从而提供更大的分辨率以辨别作为“地面实况”测试数据存储在存储器中的RF特征。通常，RF传感器将在RF域中运行，RF域在此被限定为从3赫兹(Hz)到3太赫兹(THz)的范围。在某些实施例中，传感器子系统内的一个或更多个RF传感器将在微波带(在此被限定为从1千兆赫(GHz)到30GHz的范围)或毫米波(MMW)带(在此被限定为从30GHz到300GHz的范围)中运行。由于在较高频率(例如，超过1GHz的频率)下数据分辨率和谷物参数估计准确度趋于增加，而在这种较高频率下这种传感器系统的成本和复杂度趋于增加，因此采取折衷。出于这些原因，在至少一些应用中，有利地选择1GHz到100GHz之间的频率或频率范围以在所选择的频率或频率范围下运行每个传感器。例如，在这样的实施例中，第一RF传感器可以在第一固定频率或最大频率(如果在频率范围内发射RF能量)f1下运行，而第二传感器可以在第二固定频率或最小频率(如果在频率范围内发射RF能量)f2下运行，其中f2的值至少是f1的两倍。
RF谷物质量和成分测量系统还包括一些形式的处理架构，该处理架构在下文中通常被称为“控制器”。在系统运行期间，控制器从RF传感器子系统接收RF传感器读数，并将这些读数与存储在RF特征数据库中的信息(测试数据)进行比较，RF特征数据库位于联合收割机上的计算机可读存储器中，或者可以由控制器访问。如上所述，RF特征数据库包含在一个或更多个测试频率范围内针对所测试谷物样本观测到的RF特征测试数据。通过收集在包含RF传感器运行频率的所选定的频率范围内具有已知特性(例如，已知的谷物类型、已知的质量或体积测量值、已知的水分含量和已知的成分含量测量值)的一系列谷物样本的RF特征或信号响应特征来有利地产生这种RF特征测试数据作为地面实况数据。这种RF特征测试数据可以使用任何适当的数据结构(例如多维查找表)存储在可由控制器访问的存储器中。此外，RF特征测试数据方便地作为一个或更多个RF信号响应图存储在存储器中，该RF信号响应图以图形方式绘制被测试谷物样本的在一个或更多个测试频率范围内的RF信号特征。这些图的轨迹可以存储为离散的绘制点，或者替代地在可行时以多变量方程或公式的形式存储。
为了增加多功能性，可以针对各种类型、谷物类别、各种水分含量的谷物等产生这种RF信号响应图；并且在需要时，控制器可以调用适当的RF信号响应图。例如，如果确定当前被收割的谷物是具有特定水分含量水平(例如，重量比为16％)的玉米，则控制器可以调用针对具有特定水分含量的被测试玉米样本的RF信号响应图(或RF特征数据集)；然后使用所调用的RF信号响应图来确定谷物质量和非水分成分含量(例如油含量)，如在下面结合图4和图5所讨论的示例中所阐述的那样。
如刚刚指出的，当从RF传感器接收RF传感器读数时，控制器然后至少部分地基于RF传感器读数和RF特征测试数据之间的比较来确定当前被收割的谷物的谷物质量、水分含量和/或非水分成分含量。在以不同频率或频率范围捕获多个RF传感器读数的实施例中，这允许控制器通过交叉参考来求解多个未知参数。因此，在实施例中，控制器可以使用这种方法来求解谷物体积(用于随后转换成谷物质量)、水分含量和第一成分含量(例如，蛋白质、纤维素、淀粉或油的含量)测量值。根据需要，也可以通过收集附加的RF传感器读数并使用适当数量的频率相关方程来测量附加的成分含量水平。
在评估谷物特征或属性时可以观测和使用多个不同的RF特性。通过非限制性示例，以下主要着重于作为衰减(RF能量的振幅或幅值的减小)和相位变化(RF能量的传播延迟)观测的RF测量。值得注意的是，特别是关于相位变化，这种特性可以在RF域中容易地测量，但是当使用高能电离EM辐射(x射线或伽马射线)时，也难以出于谷物评估的目的进行测量(如果不是不切实际的话)。虽然以下描述主要着重于在RF能量衰减和相位变化方面测量的RF信号响应，但是RF谷物质量和成分测量系统的替代实施例还可以考虑其它与RF相关的测量，包括但不限于极化、功率密度分布、反射和背散射。在确定了谷物质量参数和谷物成分量估计之后，控制器基于所确定的谷物质量参数和谷物成分量估计来命令一个或更多个动作。这样的动作可以包括以下各项的任何组合：(i)在位于联合收割机的驾驶室内的显示装置上显示所确定的参数(例如，作为数字读出或符号)，(ii)将所确定的参数作为时间戳数据存储在控制器能够访问的存储器内，(iii)将所确定的参数外传到中心控制源或其它远程定位的实体上，和/或(iv)命令联合收割机上的致动器以响应于新确定的参数的方式调节部件。
通过上述功能，RF谷物质量和成分测量系统的实施例实现了优于用于测量联合收割机中的谷物特性的常规传感器系统的多个显著优点。在第一RF传感器在上游位置处捕获清选谷物流的第一RF信号响应，同时第二下游RF传感器在下游位置处捕获清选谷物流的第二RF信号响应的实施例中，通过原地且不间断地捕获清选谷物流的RF信号响应读数，能够实现实时谷物评估，从而能够测量基本上相同的谷物体。减少或消除了校准要求，同时可以保持谷物质量和谷物水分估计的准确度(如果没有提高的话)。在RF域中运行的、并且可能在微波或MMW域中运行的传感器的使用避免了谷物暴露于高能电离EM辐射。此外，作为特别有用的益处，现在可以实时收集关于由联合收割机处理的谷物的组成构成的信息。例如，可以确定包含在谷物中的一种或更多种成分(例如，蛋白质、纤维素、淀粉、油等)的组成百分比，从而为以各种方式使用这些数据开辟了新的可能性。
如图1和图2所示的并且如以下结合图1和图2所讨论的，下面将在示例性联合收割机的背景下描述RF谷物质量和成分测量系统的示例。另外，下面结合图3进一步讨论可以由RF谷物质量和成分测量系统的控制器执行以确定多个未知参数(谷物质量、水分含量和/或一种或更多种非水分成分的谷物组成)的方法或过程。最后，结合图4和图5进一步阐述可作为RF响应图存储在RF特征数据库中的RF特征测试数据的示例。以下描述仅通过非限制性说明的方式提供并且不应解释为以任何方式不适当地限制所附权利要求的范围。
配备有射频谷物质量和成分测量系统的示例性联合收割机
参照图1，示意性地示出了配备有RF谷物质量和成分测量系统12的示例性联合收割机10。联合收割机10以说明性的方式呈现以建立非限制性示例的背景，在该非限制性示例的背景下，可以更好地理解RF谷物质量和成分测量系统12的实施例。在其它实施例中，联合收割机10可采取其它形式，并包括适于在收割机10在田地14上行进时处理进入收割机10中的农作物植株的部件的不同组合。此外，为了清楚说明，在图1中仅示出了RF谷物质量和成分测量系统12的所选择的部件，例如控制器16。下面结合图2提供示例性RF谷物质量和成分测量系统12的进一步说明和讨论。
示例性联合收割机10包括底盘主体或主机架18，底盘主体或主机架由多个地面接合轮20支撑。地面接合轮20由未示出的发动机和动力传动系统提供动力，动力传动系统包括例如电子控制式液压传动装置。在主机架18的前部的顶部，驾驶室22包围包括操作员座椅(未示出)、至少一个显示装置24和操作员接口26的操作员站。喂入机构28在大致低于驾驶室22的高度处安装到联合收割机10的主机架18的前部。各种收割台或更简单地“割台”能够以可互换的方式附接到喂入机构28，以例如允许定制用于收割特定类型的农作物的联合收割机10。图1中示出了一个这种割台的示例，在此是收割平台30。
当联合收割机10在田地14上沿向前方向行进时，收割平台30将被切断的农作物植株收集到喂入机构28中，该喂入机构然后合并加固被切断的农作物植株以便(例如，经由包含在喂入机构28中的未示出的输送带)输送到联合收割机10的内部。在联合收割机10内，农作物植株由旋转滚筒输送机或“逐稿轮”32接合，该旋转滚筒输送机或“逐稿轮”沿大致向上的方向将农作物植株引导到旋转脱粒和分离部34中。旋转脱粒和分离部34可以包括用于执行将谷粒和谷壳与其它作物材料分离的期望功能的各种部件。所示的旋转脱粒和分离部34例如包括具有脱粒特征并能够旋转地安装在壳体或转子壳体38中的转子或滚筒36。脱粒滚筒36在转子壳体38内的旋转使得谷粒和谷壳两者穿过凹板40的分离栅条落下并进入到下部谷物清选部42的入口中。同时，秸秆和类似的MOG被朝向旋转脱粒和分离部34的出口端44引导，并最终被输送到另一旋转滚筒或“排出逐稿轮”46，以便从联合收割机10的后端排出。
现在更详细地讨论谷物清选部42，联合收割机10的该谷物清选部包括适于清选新收割的谷物同时从中分离出谷壳的各种部件。这些部件可以包括谷壳筛48、筛子50和任何数量的风扇(未示出)。通过谷物清选部42的作用，新被清选的谷物被引导至清选谷物升运器52，以便向上输送到联合收割机10的存储箱或清选谷物箱53中。清选谷物从谷物清选部42到清选谷物箱53的行进路径在此被称为“清选谷物流动路径”，同时沿该流动路径行进的谷物通常被称为“清选谷物流”。包括在RF谷物质量和成分测量系统12中的多个RF传感器54、56可以沿着清选谷物流动路径定位在不同的位置处。例如，RF传感器54、56可以策略性地被定位成捕获谷物在通过清选谷物升运器52输送时的RF传感器读数，如图1中通过放置表示RF传感器54、56的圆形符号一般性地指示的那样。RF传感器54、56在谷物被输送到清选谷物箱53中时收集新收割的谷物的RF传感器读数。然后控制器16使用这样的RF传感器读数来估计或计算谷物质量和谷物的一个或更多个成分含量水平，如下面结合图3进一步讨论的。
当清选谷物升运器52将新收割的谷物输送到清选谷物箱53中时，尾渣掉落在延伸越过清选谷物升运器52的下部的返回升运器58上。然后返回升运器58将尾渣再循环回到脱离滚筒36的入口以便进一步脱粒，从而允许重复上述谷物处理步骤并使联合收割机10的谷物产量最大化。以这种方式，联合收割机10有效地从田地14上拾取被切断的农作物植株、从农作物植株中提取谷物、清选新被提取的谷物、然后将谷物存储在清选谷物箱53中以后续使用例如卸载螺旋输送器60进行卸载。此外，在联合收割机10的使用期间，可以使用任何数量的致动器62对联合收割机10内的某些部件进行位置调节，或者修改这些部件的运行参数，所述致动器例如液压式或电控式线性致动器或旋转致动器，其中一个致动器在图1中由符号62大体表示。在该方面，任何数量的风扇或输送带的运行速度可以改变，并且未示出的任何数量的导流装置、谷壳筛部件、筛子部分等的位置也可以改变。可以响应于经由位于驾驶室22内的操作员接口26接收的操作员输入来控制这种致动器62，通过由包括在RF谷物质量和成分测量系统12中的控制器16发出的命令信号来控制这种致动器62，或者由联合收割机10上的另一控制器或控制单元来命令这种致动器62。
现在参照图2更详细地示出RF谷物质量和成分测量系统12，RF谷物质量和成分测量系统为清选谷物升运器52的上部。在适当的情况下，附图标记延续自图1。应注意，例如，在图2的示意图中包括表示控制器16、显示装置24、操作员接口26和RF传感器54、56的框。除了上述部件之外，RF谷物质量和成分测量系统12还可以包括集成到联合收割机10中的任何数量的附加非RF传感器64、具有天线68的无线数据链路66以及存储RF特征数据库72的计算机可读存储器70。这些部件之间的各种数据连接在图2中由以箭头终止的多个信号线表示，其中这些信号线通常表示有线数据连接或无线数据连接的任意组合。
RF谷物质量和成分测量系统12的控制器16可以采取适于执行本文通篇描述的功能的任何形式。本文出现的术语“控制器”以非限制性的意义使用，通常指RF谷物质量和成分测量系统12的处理架构。控制器16可以包含任何实际数量的处理器、控制计算机、计算机可读存储器、电源、存储装置、接口卡和其它标准化部件，或者可以与上述部件相关联。控制器16还可以包括任何数量的固件和软件程序或计算机可读指令或与所述固件和软件程序或计算机可读指令相配合，所述固件和软件程序或计算机可读指令被设计成执行本文描述的各种处理任务、计算和控制/显示功能。这种计算机可读指令可以与下面描述的RF特征数据库72一起存储在存储器70的非易失性扇区内。虽然在图2中一般性地示为单个块，但是存储器70可以包含适于存储计算机可读代码或指令以及用于支持RF谷物质量和成分测量系统12的运行的其它数据的任何数量和类型的存储介质。在实施例中，存储器70可以例如作为系统级封装、片上系统或另一类型的微电子封装或模块集成到控制器16中。
位于驾驶室22内的操作员接口26可以是操作员用来向RF谷物质量和成分测量系统12输入命令或控制RF谷物质量和成分测量系统12的任何装置或装置组。在各种实施方式中，操作员接口26可以集成到显示装置24中或与显示装置相关联。在该方面，操作员接口26可以包括位于显示装置24上或附近的物理输入装置(例如按钮、开关、拨盘等)、集成到显示装置24中的触摸屏模块、或用于定位用于与显示装置24上生成的GUI元素交互的光标的光标输入装置(例如操纵杆、轨迹球或鼠标)。比较而言，显示装置24可以是被配置成在联合收割机10的驾驶室22内运行的任何图像生成装置。在实施例中，显示装置24可以固定到驾驶室22的静态结构上，并且可以实现为下视显示(HDD)配置。
当无线数据链路66包括在RF谷物质量和成分测量系统12中时，该无线数据链路66可以采取RF收发器的形式，RF收发器允许与远程定位的控制中心或数据源进行无线数据传输和接收。在各种实施方式中，数据链路66可以接收用于评估农作物或土壤条件、天气条件以及可能用于周期性地更新或改进RF特征数据库72的信息。另外或替代地，数据链路66可以用于外传(即，发送到远程源)由控制器16收集的数据，远程源然后收集数据或以某种方式使用数据。在其它实施例中，数据链路66可以从RF谷物质量和成分测量系统12中省略，如图2中所示的许多其它部件一样。
最后，非RF传感器64可以包括提供由控制器16在评估与由联合收割机10处理的当前被收割的谷物有关的一个或更多个参数时使用的输入数据的各种传感器。这种传感器64可以包括例如用于测量清选谷物升运器52的速度的传感器(如用于确定质量流量)和/或用于检测谷物类型的传感器(用于过滤RF特征测试数据90以在执行下述功能时分离相关的RF特征以便确定谷物质量和成分水平)。另外，不排除非RF传感器64可以包括电容传感器、重量传感器或用于估计谷物水分含量的其它这种传感器的可能性。当存在这种传感器时，由传感器提供的数据输入可用于独立于或结合由RF传感器54、56收集的RF信号响应信号来确定水分含量，如以下进一步描述的那样。在其它情况下，可以仅使用由RF传感器54、56提供的RF信号响应信号来确定水分含量；或者以其它方式确定水分含量，例如通过经由操作员接口26接收的操作员输入。
下面更详细地讨论RF传感器54、56，RF传感器54、56各自包括至少一个RF发射器76和至少一个RF接收器78。如上所述，RF传感器54、56沿清选谷物流动路径被有效地设置在不同位置处；尽管在替代实施例中，RF传感器54、56中的一个或两个可以可能地定位成捕获清选谷物流动路径外的被收割谷物的RF传感器读数。在各种实施方式中，并且如图2的右侧所示，RF传感器54、56被集成到清选谷物升运器52的结构中。具体地，RF传感器54可以被策略性地定位成捕获被收割谷物作为堆或压实块在清选谷物升运器内被向上运输时的RF传感器读数，该堆或压实块由从包含在清选谷物升运器52中的输送带74突出的谷物升运器桨板80(在图2中仅标记了其中的一些)支撑。比较而言，RF传感器56可以被定位成在谷物从桨板80被抛出并且因此通过清选谷物升运器52的出口82被排出时捕获被收割的谷物。因此，在这样的实施例中，RF传感器56的查询区域或FOV 84可以相对于RF传感器54的查询区域或FOV 86被扩大以确保RF传感器56记录基本上所有通过清选谷物升运器52的出口部分82在空中输送的谷物的信号响应。这可以通过调整发射器76和接收器78的尺寸和相应天线形状来实现。在其它的实施例中，RF传感器54、56可以定位在清选谷物升运器52内的相同位置或大致相同位置处；例如，传感器54、56可以共同定位成捕获谷物在由清选谷物升运器52的桨板80支撑时的RF传感器读数，或者共同定位成捕获谷物在通过出口82从清选谷物升运器52中排出时的RF传感器读数。包括在RF谷物顾量和成分测量系统12中的RF传感器54、56共同地形成RF传感器子系统88。
在实施例中，RF传感器54、56同时捕获当前被收割的谷物在沿着清选谷物流动路径被输送时的RF传感器读数。此外，RF传感器54被配置成以第一频率或频率范围捕获当前被收割的谷物的RF传感器读数。比较而言，RF传感器被配置成以不同于第一频率或频率范围的第二频率或频率范围捕获当前被收割的谷物的RF传感器读数。传感器54、56可以在透射模式和反射模式中的任一个或两者下运行。在实施例中，第一频率或频率范围和第二频率或频率范围分别具有范围在1GHz到300GHz之间或者可能在1GHz到100GHz之间的值，同时第一频率或频率范围相对于第二频率或频率范围是不同的(大于或小于)。另外或替代地，RF传感器54、56分别可以被配置成捕获谷物在经受落入微波带和/或MMW带内的RF能量或被落入微波带和/或MMW带内的RF能量冲击时的RF传感器读数。例如，在这样的实施例中，第一RF传感器可以以第一固定频率或最大频率(如果在频率范围内发射RF能量)f1运行，而第二传感器可以以第二固定频率或最小频率(如果在频率范围内发射RF能量)f2运行。此外，f2的值可以是f1的值的至少两倍，使得以下等式适用：1GHz＜f1≤2f2＜100GHz。RF传感器54、56运行的频率将在实施例中有所不同，传感器定位也是如此；然而，通常，传感器频率和定位被选择成使信噪比最大化、避免结构性(例如，金属)界面，并且当辨别存储在RF特征数据库72中的RF特征时，从谷物获得不同的信号响应以优化分辨率，如下面结合图3至图5进一步讨论的。
由RF传感器54、56捕获的RF传感器读数通过有线数据连接或无线数据连接提供给控制器16。控制器16然后在评估与由联合收割机10处理的谷物有关的未知参数时结合包含在RF特征数据库72内的数据来考虑由RF传感器54、56提供的RF传感器读数。具体地，RF特征数据库72包含针对具有已知特性的测试谷物样本观测到的RF特征测试数据90，同时在一个或更多个测试频率范围内用RF能量冲击谷物样本。“RF信号响应”可以是当RF能量冲击在被收割的谷物上时捕获的任何RF信号测量，无论RF能量是穿过谷物还是从谷物反射。RF信号响应可以是例如以下各项的测量：(i)RF能量在穿过被收割的谷物时的衰减；或(ii)RF能量在穿过被收割的谷物时的传播延迟(相移)。在其它实施方式中，除了或替代冲击在被收割的谷物上的RF能量的衰减和/或传播延迟之外，还可以考虑其它类型的RF信号响应。控制器16可以考虑的这种替代RF信号响应的非穷举列表包括极化、功率密度分布、反射和背散射。控制器16使用这种RF传感器读数至少部分地基于与存储在数据库72中的RF特征测试数据90的比较分析来确定被收割的谷物的质量和一个或更多个成分量(例如，水分含量百分比和/或一个或更多个非水分含量百分比)。
RF特征测试数据90可以被存储为一个或更多个RF信号响应图92、94、96，如图2的左下角中一般性示出的。替代地，可以使用诸如多维查找表之类的其它数据结构来存储RF特征。当存储在一个或更多个响应图92、94、96中时，RF特征可以被绘制为频率范围与测得的RF信号响应参数的二维图上的轨迹、线或曲线。这样的轨迹可以被存储为一系列离散点、连接点或坐标；或者在可行时以公式的形式存储。下面结合图4和图5更全面地讨论这种RF信号响应图的示例。RF特征数据库72可以存储与不同谷物类型相关联或相对应的多个这种图，然后控制器16基于由联合收割机10当前处理的谷物的类型或种类来选择适当的一个或更多个响应图(例如，图2中前景所示的响应图92)。随后，控制器16可以至少部分地基于将RF传感器读数与包括在绘制在RF信号响应图92上的RF信号响应中的特定RF信号响应进行匹配来确定或估计当前被收割的谷物的谷物质量、水分含量和/或第一成分含量。现在结合图3更详细地描述控制器16可以执行这种功能的方式。
现在参考图3，根据非限制性示例性实施例示出了RF谷物质量和成分测量过程100。在本公开的实施例中，RF谷物质量和成分测量过程100可以由RF谷物质量和成分测量系统12的控制器16来执行。RF谷物质量和成分测量过程100包括多个过程步骤102、104、106、108、110、112、114，下面依次描述其中的每个过程步骤。根据实施RF谷物质量和成分测量过程100的特定方式，图4中一般性示出的每个步骤可能需要单个过程或多个子过程。此外，在图3中所示并且在下面描述的步骤仅作为非限制性示例提供。在RF谷物质量和成分测量过程100的替代实施例中，可以执行附加的过程步骤、可以省略某些步骤，和/或可以以替代的顺序执行所示的过程步骤。
RF谷物质量和成分测量过程100响应于预定触发事件的发生而在步骤102处开始。在某些情况下，触发事件可以是检测到被切断的农作物植株进入联合收割机10(图1)中。在其它情况下，RF谷物质量和成分测量过程100可以响应于不同的触发事件而开始，例如响应于经由操作员接口26接收到的指示期望执行RF谷物质量和成分测量过程100的操作员输入。
在开始(步骤102)之后，RF谷物质量和成分测量过程100前进到步骤104。在步骤104处，控制器16从RF传感器子系统88(图2)接收RF传感器读数。在所示的示例中，具体地，在步骤104期间，控制器16从定位在清选谷物升运器52中的RF传感器54、56接收RF传感器读数。接下来(或者与步骤104同时地或在步骤104之前)，控制器16从RF特征数据库72(图2)中调用合适的RF特征。如图3中箭头116所示，控制器16可以使用各种类型的过滤标准来确定相关的RF特征，以便重新收集和随后考虑。通常，在实施例中，RF特征数据库72可以包含RF特征的多个数据集，其中每个数据集对应于特定类型的谷物或特定谷物类别。在这样的实施例中，控制器16可以识别联合收割机10当前处理的特定谷物类型或谷物类别；例如基于经由操作员接口26接收的操作员输入、基于GPS数据(如果与谷物类型相关)和/或基于任何类型的自动谷物识别技术，例如对实时相机馈送的图像处理或对被收割谷物的表面响应测量。谷物类型的示例包括但不限于玉米、油菜籽、大豆、小麦、燕麦、和向日葵。谷物类别可以通过一般的谷物组成来区分，例如富含蛋白质或油的谷物。控制器16然后可以从数据库72中提取被标记或链接到当前处理的谷物类型或种类的适当的RF特征。如下所述，在控制器16估计出水分含量之后，也可以使用类似的方法来过滤水分含量。在其它实施例中，可以使用其它过滤标准；或者控制器16可以在随后执行的步骤108期间简单地将存储在数据库72中的所有RF特征与RF传感器读数进行比较。
接下来，在过程100(图3)的步骤108处，控制器16确定描述由联合收割机10收割的当前处理的谷物的多个未知参数。在各种实施例中，这些参数将包括谷物质量和由一种或更多种特定类型的成分组成的被收割谷物的分数量；例如蛋白质含量、纤维素含量、淀粉含量或油含量。控制器16还在步骤108期间或之前有效地估计被收割的谷物的水分含量，然后在确定谷物质量和一个或更多个成分含量水平时补偿水分含量估计，以提高准确度。在实施例中，控制器16可以使用由RF传感器54、56提供的RF传感器读数来估计水分含量；例如通过将RF传感器读数54、56与调用的测试谷物样本的RF特征进行比较，该测试谷物样本具有不同水平的已知水分含量。下面结合图4提供关于这一点的进一步讨论。在其它情况下，可以以其它方式确定水分含量；或者使用RF传感器数据提供的任何这种水分含量估计可以与其它水分含量估计(如果可以得到的话)结合。通常，然后，控制器16可以在步骤108期间考虑各种类型的非RF传感器数据输入118，如箭头118所示。在这种数据118包括指示水分含量的操作员输入、指示水分含量的重量或电容测量、或指示水分含量的其它这种信息的情况下，该数据可以替代地用于确定水分含量或在步骤108期间被考虑。
将RF传感器读数与所调用的RF特征进行比较，以估计被收割的谷物中的谷物质量和一种或更多种成分的量。控制器16可以基于RF传感器读数识别特定特征以确定未知参数(谷物质量和一个或更多个谷物属性)，应注意使用以不同频率或频率范围捕获的多个RF传感器读数使得能够利用交叉参考技术来辨别多个未知参数。换句话说，控制器16可以使用所调用的RF特征或相关方程(如由测试数据建立的)来分析RF传感器读数；例如，在实施例中，可以使用顶部-底部和输入-输出测量来为成分设置多个变量。关于谷物质量，具体地，RF传感器读数可以用于在谷物通过给定的传感器查询区域时初始地确定谷物的体积。例如在图2所示的RF传感器54的情况下，这可以表示为谷物堆深度，由于谷物堆的宽度和长度通常是已知的(由谷物升运器壳体98、桨板80和输送带74之间的构造空间确定)，因此谷物堆深度然后可以转换成体积测量值。然后，可以使用已知的转换因子将每个谷物堆的谷物体积转换为质量(例如，克数)，然后，通过考虑清选谷物升运器52的速度(进一步包括在非RF传感器输入118中)和其它这样的因素，该质量可以被转换为谷物质量流量和农作物产量。
在确定了当前被收割的谷物的谷物质量、水分含量和一个或更多个成分含量(步骤108)之后，控制器16前进到步骤110并执行任意数量的动作。这样的动作可以包括以下各项的任何组合：(i)在显示装置24上显示这样的信息以供操作员参考；(ii)将这样的信息存储在存储器70中以创建例如时间戳数据日志，以供后续参考或分析；(iii)经由数据链路66将这样的信息外传到另一实体或系统；或者(iv)命令一个或更多个致动器62响应于谷物质量流量、水分含量或其它与谷物相关的参数的变化来调节运行参数或部件位置。在步骤110之后，控制器16确定RF谷物质量和成分测量过程100是否由于例如操作员停机或联合收割机10停止收割农作物而应当结束(步骤112)。如果确定RF谷物质量和成分测量过程100应结束，则控制器16相应地结束过程100。否则，控制器16返回到步骤104，并且执行RF谷物质量和成分测量过程100的进一步迭代，如前所述。这些步骤可以被相对快速地执行，以允许RF谷物质量和成分测量系统12以高响应性、实时的方式测量谷物质量和成分水平(一个或更多个水分含量水平和/或非水分含量水平)。
图4示出了示例性RF响应图120，该示例性RF响应图绘制了针对多个测试谷物样本的在测试频率范围下的多个RF信号响应特征122、124、126、128、130、132。具体地，在所示的示例中，对应于RF特征122、124、126、128、130、132的每个测试谷物样本具有重量比为16％的已知水分含量。在所示的示例中，除了已知的水分含量之外，测试谷物样本还具有已知的油含量水平和堆深度，如图例134所示。在RF响应图120的情况下，所考虑的RF信号响应是RF能量在冲击(例如，穿过)测试谷物样本时的传播延迟或相移。在实施例中，具有16％水分含量、变化的油水平和/或变化的堆深度的测试谷物样本的各种其它RF响应特征也可以被绘制在示例性RF响应图120上，但是为了清楚起见没有在图4中示出。
结合图4，参考图1至图3，在实施例中，控制器16可以在RF谷物质量和成分测量过程100(图3)的步骤106期间估计当前被收割的谷物的水分含量。同样，控制器16可以以任何合适且有效的方式确定水分含量，如使用由存储的测试数据建立的多个相关性和由RF传感器54、56捕获的多个传感器读数来有效地确定水分含量。例如，由RF响应图120针对测试谷物样本绘制的具有所建立的水分含量水平的RF信号响应特征122、124、126、128、130、132可以结合具有其它所建立的水分含量水平的多个其它绘制的RF信号响应特征122(或相关方程)来考虑。针对不同频率或频率范围捕获的当前RF传感器读数然后可以通过与特定特征或候选特征的范围进行几何匹配或图案匹配来用于识别水分含量水平。然后，所确定的水分水平可以用于选择RF响应图120，以用于评估当前处理的谷物的堆深度和油含量水平。例如，在以8GHz的频率捕获RF传感器读数的实施例中(如图4中由竖直线136所示)，检测到的相移(图4中无单位，但适当地以度来表示)可以对应于标记138。当标记138落在特征130上或特征130附近时，可确定当前被收割的谷物具有2厘米(cm)的堆深度和重量比约为46％的油含量水平。一旦确定，堆深度可以被转换成体积以用于确定谷物质量。类似的方法也可以用于确定当前被收割的谷物的其它成分含量水平，如存储在数据库72中的RF感测读数和RF特征测试数据所允许的那样。
在上述示例中，讨论了8GHz的固定测试频率。进一步参考图4，竖直线140进一步表示16GHz的测试频率，标记142表示沿着特征或轨迹130获得的假想相移值，该假想相移值可以在可替代的实践情形中被检测。因此，在任一情况下，RF传感器读数指示当前被收割的谷物具有2cm的堆深度(被分成由清选谷物升运器52的桨板80中的一个支撑的离散堆)和重量比约为46％的油含量。然而，通过比较特征130和下一个最接近的特征132之间的竖直间距(在图4中对于8GHz标识为“G1”，对于16GHz标识为“G2”，G表示“间距”)，可以理解，特征之间的间隔或分辨率随着频率的增加而增加。考虑到这一点，赋予RF传感器54、56更高的运行频率或频率范围以提高分辨率和准确度是普遍有益的。然而，同时，在落入RF域的较高频率下，RF传感器的成本和复杂度也趋于增加。由于这些原因，在至少一些应用中，RF传感器54、56在实施例中分别在1GHz到100GHz之间的不同频率或频率范围下运行。然而，在其它实施例中，RF传感器54、56中的一个或两个可以在上述范围之外运行，只要传感器54、56在RF域内运行即可。
在图4的示例中，考虑在单个固定RF频率或多个固定RF频率下捕获的RF传感器读数。在其它实施例中，RF传感器54和/或RF传感器56可以在预定频率范围内捕获RF传感器读数，从而产生针对当前被收割的谷物的RF响应信号。然后，控制器16可以将传感器检测到的RF信号与RF特征数据库72中包含的相应RF信号或特征进行几何匹配(例如，使用图案匹配图像分析算法)。在图5所示的RF响应图144中绘制出这种RF响应特征146的示例。在图144中，在竖直轴上绘出检测到的RF波幅值或振幅(以及因此衰减)的变化，同时在水平轴上绘出频率。虽然在所示的示例中幅值轴是无单位的(尽管幅值增加可以是对数的)，但是在实际实施中可以使用分贝或类似的单位。此外，在其它实施例中，可以以类似的方式绘制不同的RF响应(例如，相移、背散射、偏振、反射、功率分布或这些的组合)。可以用于比较分析的不同的几何特征包括在特定的最小幅值(MMIN)和相应频率(f1)处出现的最低点，如由标记148标识的。另外，最低点标记148的任一侧的斜率的显著变化(如由标记150所指示的)可以通过位置或通过频率维度中的间距(如由双头箭头152所指示的)来考虑。因此，通过将这样的传感器读数与包含在RF特征数据库72中的类似的(如果不是相同的)RF特征或信号进行匹配，控制器16可以将当前被收割的谷物识别为与对应于所识别的RF特征或信号146的测试谷物样本具有相同的特性(例如，堆深度、水分含量和/或成分含量水平)。
通过上述RF传感器读数与存储在RF特征数据库72中的测试数据的比较分析，RF谷物质量和谷物成分测量系统12可以以高度准确和高度响应的方式确定谷物质量和谷物成分测量。此外，可以实时或接近实时地确定这种谷物参数，同时通过使用合并到作为RF特征测试数据存储的参考模型或特征中的地面实况数据来最小化校准要求。前述处理步骤仅通过说明性的方式呈现，并且应当被认为是非限制性的，注意，在其它实施例中可以采用其它处理技术，使得能够通过RF传感器读数与存储在RF特征数据库中的“地面实况”数据或测试数据的比较分析来确定谷物质量和谷物属性(水分含量水平和/或非水分含量水平)，其中RF特征数据库位于联合收割机上或者可由RF谷物质量和成分测量系统12的控制器16访问。
射频谷物质量和成分测量系统的列举示例
为了易于参考，进一步提供了以下RF谷物质量和成分测量系统的示例，并对其进行编号。
1.在第一示例性实施例中，在联合收割机上使用的RF谷物质量和成分测量系统包括RF传感器子系统，该RF传感器子系统被配置成在联合收割机的包含当前被收割的谷物的区域内捕获被收割的谷物的RF传感器读数。存储器存储RF特征数据库，该RF特征数据库包含针对测试谷物样本在一个或更多个测试频率范围内观测到的RF特征测试数据。控制器可操作地联接到RF传感器子系统和存储器，并被配置成：(i)从所述RF传感器子系统接收所述RF传感器读数；(ii)至少部分地基于所述RF传感器读数与所述RF特征测试数据的比较来确定所述当前被收割的谷物的谷物质量和第一成分含量；以及(iii)响应于确定当前被收割的谷物的谷物质量和第一成分含量来执行至少一个动作，所述至少一个动作包括显示或存储与联合收割机的部件相关联的值，或调节联合收割机的部件。
2.根据示例1所述的RF谷物质量和成分测量系统，其中，所述RF传感器子系统包括第一RF传感器和第二RF传感器。所述第一RF传感器被配置成以第一频率或频率范围捕获所述当前被收割的谷物的RF传感器读数。所述第二RF传感器被配置成以不同于所述第一频率或频率范围的第二频率或频率范围捕获所述当前被收割的谷物的RF传感器读数。
3.根据示例2所述的RF谷物质量和成分测量系统，其中，所述第一频率或频率范围在1GHz到300GHz之间。第二频率或频率范围同样在1GHz到300GHz之间，但不同于第一频率或频率范围。
4.根据示例2所述的RF谷物质量和成分测量系统，其中，所述联合收割机包括从谷物清选部延伸到谷物存储箱的清选谷物流动路径。第一RF传感器被定位成沿着清选谷物流动路径在第一位置处捕获当前被收割的谷物的RF传感器读数，并且第二RF传感器被定位成沿着清选谷物流动路径在位于第一位置下游的第二位置处捕获当前被收割的谷物的RF传感器读数。
5.根据示例4所述的RF谷物质量和成分测量系统，其中，所述第一RF传感器和第二RF传感器在当前被收割的谷物没有从所述清选谷物流动路径中移除的情况下同时捕获当前被收割的谷物的RF传感器读数。
6.根据示例4所述的RF谷物质量和成分测量系统，其中，所述联合收割机包括清选谷物升运器，所述清选谷物流动路径延伸通过所述清选谷物升运器。第一RF传感器被定位成捕获当前被收割的谷物在由清选谷物升运器的桨板支撑时的RF传感器读数，而第二RF传感器被定位成捕获当前被收割的谷物在通过清选谷物升运器的出口被排出时的RF传感器读数。
7.根据示例1所述的RF谷物质量和成分测量系统，其中，所述控制器还被配置成：(i)从RF特征测试数据中调用具有不同水分含量的测试谷物样本的RF特征；以及(ii)至少部分地基于RF特征中的被识别为与RF传感器读数相对应的至少一个RF特征的水分含量来估计当前被收割的谷物的水分含量。
8.根据示例1所述的RF谷物质量和成分测量系统，其中，由所述控制器确定的所述当前被收割的谷物的所述第一成分含量选自于由以下各项组成的组：油含量、蛋白质含量、纤维素含量和淀粉含量。
9.根据示例1所述的RF谷物质量和成分测量系统，其中，由所述RF传感器子系统捕获的RF传感器读数的至少一个子集度量RF能量在冲击在当前被收割的谷物上时的相移。此外，RF特征测试数据包括与在测试频率范围内观测到的RF能量相移相关的测试数据。
10.根据示例1所述的RF谷物质量和成分测量系统，其中，由所述RF传感器子系统捕获的RF传感器读数的至少一个子集度量RF能量在冲击在当前被收割的谷物上时的衰减。此外，RF特征测试数据包括与在测试频率范围内观测到的RF能量衰减相关的测试数据。
11.根据示例1所述的RF谷物质量和成分测量系统，其中，所述RF特征测试数据包括至少一个RF信号响应图，所述至少一个RF信号响应图绘制所述测试谷物样本在测试频率范围内的RF信号响应。
12.根据示例11所述的RF谷物质量和成分测量系统，其中，所述RF传感器子系统包括第一RF传感器，所述第一RF传感器被配置成在与测试频率范围重叠的频率范围内捕获当前被收割的谷物的RF传感器读数。此外，控制器被配置成至少部分地基于RF传感器读数与在RF信号响应图上绘制的RF信号响应中所包括的特定RF信号响应的匹配来确定当前被收割的谷物的谷物质量和第一成分含量。
13.根据示例1所述的RF谷物质量和成分测量系统，其中，所述控制器还被配置成：(i)识别当前被收割的谷物的谷物类型；(ii)从所述RF特征数据库中调用与识别出的谷物类型相对应的所选择的RF特征；和(iii)在确定当前被收割的谷物的谷物质量和成分含量时使用所选择的RF特征。
14.根据示例1所述的RF谷物质量和成分测量系统，其中，所述控制器还被配置成：(i)估计当前被收割的谷物的水分含量；(ii)从所述RF特征数据库中调用与估计出的水分含量相对应的所选择的RF特征；和(iii)在确定当前被收割的谷物的谷物质量和成分含量时使用所选择的RF特征。
15.在其它实施例中，RF谷物质量和成分测量系统包括RF传感器子系统、存储RF特征数据库的存储器，以及可操作地联接到RF传感器子系统和存储器的控制器。RF传感器子系统又包括第一RF传感器和第二RF传感器。第一RF传感器被配置成以第一频率或频率范围捕获当前被收割的谷物的RF传感器读数。相对地，第二RF传感器被配置成以不同于第一频率或频率范围的第二频率或频率范围捕获当前被收割的谷物的RF传感器读数。RF特征数据库包含针对测试谷物样本在一个或更多个测试频率范围内观测到的RF特征测试数据。所述控制器被配置成：(i)从所述RF传感器子系统接收所述RF传感器读数；(ii)至少部分地基于所述RF传感器读数与所述RF特征测试数据的比较来确定所述当前被收割的谷物的谷物质量和水分含量；和(iii)响应于确定当前被收割的谷物的谷物质量和水分含量来执行至少一个动作。
结语
因此，已经提供了用于在联合收割机上使用的RF谷物质量和成分测量系统的实施例。RF谷物质量和成分测量系统的实施例有利地允许以最小校准要求进行谷物质量和谷物成分测量。在实施例中，这通过在RF域内、并且可能地在微波和/或MMW频带内的多个频率下捕获被收割的谷物的RF信号读数来实现。此外，通过实验收集地面实况数据，并使用地面实况数据来构建RF特征，该RF特征被合并以存储在RF特征数据库中。这些特征将可测量的RF属性与谷物的已知特性相关联，例如谷物质量、水分含量和非水分成分(例如油、淀粉、蛋白质或纤维素)含量水平。在实施例中，在传播(相位)延迟和/或衰减(幅值或振幅的变化)方面方便地测量RF属性，其中测量系统的控制器也可以考虑其它测量(例如，极化、功率密度分布、反射和背散射)。这样，可以利用RF谷物质量和成分测量系统确定谷物参数的高准确度的实时测量，该系统为操作员和其它个体提供了与使用联合收割机收割的各种谷物有关的附加相关信息。
如本文所使用的，单数形式的表达“一”、“一个”和“所述”也旨在包括复数形式的表达，除非上下文另外明确指出。应进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定了所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整数、步骤、操作、元素、部件和/或其组合的存在或增加。
已出于说明和描述的目的呈现了对本公开的描述，但是该描述并不旨在是穷举性的或将本公开限制于所公开的形式。在不脱离本公开的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的。选择和描述本文明确引用的实施例以最好地解释本公开的原理和实践应用，并使本领域的其他普通技术人员能够理解本公开并认识到所描述的一个或更多个示例的许多替代方案、修改和变化。因此，除了明确描述的实施例和实施方式之外，其它各种实施例和实施方式都在所附权利要求的范围之内。

Claims (15)

1.一种在联合收割机(10)上使用的射频(RF)谷物质量和成分测量系统(12)，所述RF谷物质量和成分测量系统(12)包括：
RF传感器子系统(88)，所述RF传感器子系统(88)被配置成在所述联合收割机(10)的包含当前被收割的谷物的区域内捕获所述当前被收割的谷物的RF传感器读数；
存储器(70)，所述存储器(70)存储RF特征数据库(72)，所述RF特征数据库(72)包含针对测试谷物样本在一个或更多个测试频率范围内观测到的RF特征测试数据；以及
控制器(16)，所述控制器(16)可操作地联接到所述RF传感器子系统(88)和所述存储器(70)，所述控制器(16)被配置成：
从所述RF传感器子系统(88)接收所述RF传感器读数(104)；
至少部分地基于所述RF传感器读数与所述RF特征测试数据的比较来确定所述当前被收割的谷物的谷物质量和第一成分含量(108)；以及
响应于确定所述当前被收割的谷物的所述谷物质量和所述第一成分含量(108)来执行至少一个动作(110)，所述至少一个动作包括显示或存储与所述联合收割机(10)的部件相关联的值，或调节所述联合收割机(10)的部件。
2.根据权利要求1所述的RF谷物质量和成分测量系统(12)，其中，所述RF传感器子系统(88)包括：
第一RF传感器(54)，所述第一RF传感器(54)被配置成以第一频率或频率范围捕获所述当前被收割的谷物的RF传感器读数；以及
第二RF传感器(56)，所述第二RF传感器(56)被配置成以不同于所述第一频率或频率范围的第二频率或频率范围捕获所述当前被收割的谷物的RF传感器读数。
3.根据权利要求2所述的RF谷物质量和成分测量系统(12)，其中，所述第一频率或频率范围在1千兆赫(GHz)和300千兆赫之间；并且
其中，所述第二频率或频率范围在1GHz和300GHz之间，并且不同于所述第一频率或频率范围。
4.根据权利要求2所述的RF谷物质量和成分测量系统(12)，其中，所述联合收割机(10)包括从谷物清选部(42)延伸到谷物存储箱(53)的清选谷物流动路径；
其中，所述第一RF传感器(54)被定位成沿着所述清选谷物流动路径在第一位置处捕获所述当前被收割的谷物的RF传感器读数；并且
其中，所述第二RF传感器(56)被定位成沿着所述清选谷物流动路径在位于所述第一位置下游的第二位置处捕获所述当前被收割的谷物的RF传感器读数。
5.根据权利要求4所述的RF谷物质量和成分测量系统(12)，其中，所述第一RF传感器(54)和所述第二RF传感器(56)在所述当前被收割的谷物没有从所述清选谷物流动路径中移除的情况下同时捕获所述当前被收割的谷物的RF传感器读数。
6.根据权利要求4所述的RF谷物质量和成分测量系统(12)，其中，所述联合收割机(10)包括清选谷物升运器(52)，所述清选谷物流动路径延伸通过所述清选谷物升运器(52)；
其中，所述第一RF传感器(54)被定位成捕获所述当前被收割的谷物在由所述清选谷物升运器(52)的桨板(80)支撑时的RF传感器读数；并且
其中，所述第二RF传感器(56)被定位成捕获所述当前被收割的谷物在通过所述清选谷物升运器(52)的出口(82)被排出时的RF传感器读数。
7.根据权利要求1所述的RF谷物质量和成分测量系统(12)，其中，所述控制器(16)还被配置成：
从RF特征测试数据中调用具有不同水分含量的测试谷物样本的RF特征；以及
至少部分地基于所述RF特征中的被识别为与所述RF传感器读数相对应的至少一个RF特征的水分含量来估计所述当前被收割的谷物的水分含量。
8.根据权利要求1所述的RF谷物质量和成分测量系统(12)，其中，由所述控制器(16)确定的所述当前被收割的谷物的所述第一成分含量选自于由以下各项组成的组：油含量、蛋白质含量、纤维素含量和淀粉含量。
9.根据权利要求1所述的RF谷物质量和成分测量系统(12)，其中，由所述RF传感器子系统(88)捕获的所述RF传感器读数的至少一个子集度量RF能量在冲击在所述当前被收割的谷物上时的相移；并且
其中，所述RF特征测试数据包括与在测试频率范围内观测到的RF能量相移相关的测试数据。
10.根据权利要求1所述的RF谷物质量和成分测量系统(12)，其中，由所述RF传感器子系统(88)捕获的所述RF传感器读数的至少一个子集度量RF能量在冲击在所述当前被收割的谷物上时的衰减；并且
其中，所述RF特征测试数据包括与在测试频率范围内观测到的RF能量衰减相关的测试数据。
11.根据权利要求1所述的RF谷物质量和成分测量系统(12)，其中，所述RF特征测试数据包括至少一个RF信号响应图(120、144)，所述至少一个RF信号响应图(120、144)绘制所述测试谷物样本在测试频率范围内的RF信号响应。
12.根据权利要求11所述的RF谷物质量和成分测量系统(12)，其中，所述RF传感器子系统(88)包括第一RF传感器(54)，所述第一RF传感器(54)被配置成在与所述测试频率范围重叠的频率范围内捕获所述当前被收割的谷物的RF传感器读数；并且
其中，所述控制器(16)被配置成至少部分地基于所述RF传感器读数与在所述RF信号响应图(120、144)上绘制的RF信号响应中所包括的特定RF信号响应的匹配来确定所述当前被收割的谷物的所述谷物质量和所述第一成分含量。
13.根据权利要求1所述的RF谷物质量和成分测量系统(12)，其中，所述控制器(16)还被配置成：
识别所述当前被收割的谷物的谷物类型；
从所述RF特征数据库(72)中调用与识别出的谷物类型相对应的所选择的RF特征(106)；以及
在确定所述当前被收割的谷物的所述谷物质量和所述成分含量时使用所选择的RF特征。
14.根据权利要求1所述的RF谷物质量和成分测量系统(12)，其中，所述控制器(16)还被配置成：
估计所述当前被收割的谷物的水分含量；
从所述RF特征数据库(72)中调用与估计出的水分含量相对应的所选择的RF特征(106)；以及
在确定所述当前被收割的谷物的所述谷物质量和所述成分含量时使用所选择的RF特征。
15.一种在联合收割机(10)上使用的射频(RF)谷物质量和成分测量系统(12)，所述RF谷物质量和成分测量系统(12)包括：
RF传感器子系统(88)，所述RF传感器子系统(88)包括：
第一RF传感器(54)，所述第一RF传感器(54)被配置成以第一频率或频率范围捕获当前被收割的谷物的RF传感器读数；以及
第二RF传感器(56)，所述第二RF传感器(56)被配置成以不同于所述第一频率或频率范围的第二频率或频率范围捕获所述当前被收割的谷物的RF传感器读数；
存储器(70)，所述存储器(70)存储RF特征数据库(72)，所述RF特征数据库(72)包含针对测试谷物样本在一个或更多个测试频率范围内观测到的RF特征测试数据；以及
控制器(16)，所述控制器(16)可操作地联接到所述RF传感器子系统(88)和所述存储器(70)，所述控制器(16)被配置成：
从所述RF传感器子系统(88)接收所述RF传感器读数(104)；
至少部分地基于所述RF传感器读数与所述RF特征测试数据的比较来确定所述当前被收割的谷物的谷物质量和水分含量(108)；以及
响应于确定所述当前被收割的谷物的所述谷物质量和所述水分含量来执行至少一个动作(110)。
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