CN112772116A - 一种联合收割机喂入量调控系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种联合收割机喂入量调控系统和方法，该调控系统包括IMU1、IMU2、压力传感器、GPS接收器和控制器，当前喂入量在额定范围内，保持割台高度和收割机的作业速度不变，当喂入量不在额定范围内，IMU检测车身姿态和割台倾斜输送器姿态，组合得到割台高度和该高度下对应的当前液压缸位置，通过预设期望割台高度，得到的期望割台液压缸位置，由期望割台液压缸位置和当前液压缸位置误差，进而通过控制器调节比例阀驱动液压缸伸缩，控制割台高度稳定在期望位置；基于速度变化量，控制器通过调节流量阀来控制液压马达转速，进而稳定车速在变化后的数值。本发明联合割台高度和前进速度，保持稳定的喂入量和维持高效的作业效率。

Description

一种联合收割机喂入量调控系统和方法

技术领域

本发明属于农业自动化领域，具体地涉及一种联合收割机喂入量调控系统和方法。

背景技术

联合收割机是农业生产中的重要装备。随着实际作业场景和应用规模的不断扩大，收割机的自动化程度已成为一个重要的研究方向。实现收割机的喂入量稳定控制，有利于降低籽粒损失率和提高工作效率。

影响收割机喂入量的因素较多，且人工判断需要丰富的先验知识，在传统收割机作业时，需要驾驶员关注农作物密度、割茬高度和前进速度等，以使收割机喂入量稳定，这样的工作方式会增大驾驶员的劳动强度。现有技术中通过在收割机输送轴、割台动力轴和滚筒轴等部位安装扭矩传感器对喂入量进行检测，但扭矩传感器安装对机体改动较大，不易固定，且存在测量精度不高、信息滞后等问题；现有技术还通过机器视觉或者激光雷达，对收割机前方作物进行密度估计，结合作业速度调节来控制喂入量，但实际测量结果易受光照影响且运算速率慢，同时未考虑割茬高度和前进速度同时调控，仅通过收割速度的单一调控来实现喂入量的稳定控制；现有技术还通过仿形板或超声波等传统测距装置来控制割茬高度，但易受秸秆和泥土等影响。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种联合收割机喂入量调控系统和方法，根据喂入量大小和田间路面起伏，通过调整联合收割机割台高度和前进速度，保持稳定的喂入量和维持高效的作业效率。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种联合收割机喂入量调控方法，具体为：

若联合收割机的当前喂入量在额定范围内，保持当前割台高度和收割机当前车速，在保持当前割台高度的过程中，控制器基于割台液压缸位置偏差e，输出控制比例阀的信号u(k)；

所述割台液压缸位置偏差e为：

其中：L₃为倾斜输送器旋转轴心到割台前端的距离，L₄为倾斜输送器旋转轴心离地高度，C为倾斜输送器的期望倾角，且

θ为割台平面的倾角，β为车身水平倾角，H_d为预设割台期望高度，h₁为倾斜输送器旋转轴心离地高度，L₁为倾斜输送器旋转轴心到割台的距离，L₂为割台到收割机履带后轮的距离；

所述信号u(k)为：

u(k)＝k_p*e(k)+k_d*[e(k)-e(k-1)]

其中：k_p、k_d均为预设控制参数；

若联合收割机的当前喂入量不在额定范围内，调节作业速度和割台高度来稳定喂入量，所述作业速度的调节过程为：基于当前喂入量与额定喂入量的差值，得到速度变化量，稳定车速在变化后的数值；所述割台高度的调节过程为：根据割台的高度变化Δh，更新预设割台期望高度H_d，再基于割台液压缸位置偏差e′，输出控制比例阀的信号u′(k)。

进一步地，所述割台平面的倾角θ和车身水平倾角β，通过状态方程、观测方程、卡尔曼增益、先验估计协方差和后验估计协方差对真实观测值和预测值进行融合得到。

进一步地，所述状态方程为：

其中：α为倾角，ω_gyro为陀螺仪测得的角速度，b为陀螺仪漂移误差，T为采样时间，δ_gyro为陀螺仪的测量噪音。

进一步地，所述观测方程为：

其中：α_acc为角度值，α为倾角，b为陀螺仪漂移误差，δ_acc为加速度计的测量噪音。

进一步地，所述割台的高度变化

其中Δq为当前喂入量与额定喂入量的差值，f为作业速度受喂入量变化的影响度，R为谷草比，h₂为作物穗层离地高度，B为割副宽度，M为单位面积内农作物平均产量，ΔV是速度变化量，且

一种联合收割机喂入量调控系统，包括惯性测量单元IMU1、惯性测量单元IMU2、压力传感器、GPS接收器和控制器，IMU1安装在倾斜输送器外壳体处，IMU2安装在粮仓上方与车体水平处，压力传感器安装在倾斜输送器底板处，GPS接收器安装驾驶室上方空旷处；所述惯性测量单元IMU1、惯性测量单元IMU2、压力传感器、GPS接收器均与控制器进行通信。

上述技术方案中，所述惯性测量单元IMU1得到割台平面的倾角θ，惯性测量单元IMU2得到车身水平倾角β，进而获取割台离地实时高度

其中h₁为倾斜输送器旋转轴心离地高度，L₁为倾斜输送器旋转轴心到割台的距离，L₂为割台到收割机履带后轮的距离。

上述技术方案中，所述压力传感器，用于间接获取当前喂入量大小。

上述技术方案中，所述控制器判断喂入量是否在额定范围内，基于割台液压缸位置偏差，调节割台高度，基于当前喂入量与额定喂入量的差值，调节作业速度。

本发明的有益效果为：

(1)本发明通过两个设置在联合收割机不同位置的IMU检测的数据，处理后分别得到割台倾角的预测值、车身倾角的预测值，从而获取割台的实时高度，无需与地面接触测量，不易受地面泥块和割茬的影响，与传统仿形装置或超声波测量割台高度相比，提高了检测的准确性。

(2)本发明通过压力传感器间接获取联合收割机的当前喂入量，当喂入量在额定范围内，保持当前割台高度和收割机当前车速，在保持当前割台高度的过程中，控制器基于割台液压缸位置偏差，输出控制比例阀的信号，由液压缸的伸缩，保证割台高度始终处于期望位置；如果喂入量不在额定范围内，通过调节作业速度和割台高度来稳定喂入量，基于当前喂入量与额定喂入量的差值，得到速度变化量，调节流量阀来控制液压马达转速，进而稳定车速在变化后的数值，保证喂入量在额定范围内；根据割台的高度变化，更新预设割台期望高度，再基于割台液压缸位置偏差，输出控制比例阀的信号，实现割台高度的调节。本发明通过调整联合收割机割台高度和前进速度，保持稳定的喂入量和维持高效的作业效率。

附图说明

图1为本发明所述联合收割机喂入量调控系统组件安装位置示意图；

图2为本发明所述联合收割机喂入量调控系统框图；

图3为本发明所述联合收割机喂入量调控方法流程图。

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和图2所示，一种联合收割机喂入量调控系统，包括惯性测量单元IMU1、惯性测量单元IMU2、压力传感器、GPS接收器和控制器。其中IMU1安装在倾斜输送器外壳体处，用以检测割台平面的倾角；IMU2安装在粮仓上方与车体水平处，IMU2的加速度计和陀螺仪采集的原始数据，一方面经卡尔曼滤波后得到车身水平姿态，另一方面和GPS数据组合，经卡尔曼滤波后得到车身精准的前进速度；GPS接收器安装驾驶室上方空旷处；压力传感器安装在倾斜输送器底板处；控制器负责传感器信号处理和控制信号输出，通过液压系统调整割台高度和收割机的作业速度。割台高度随路面起伏、收割机的作业速度波动都会对喂入量产生影响，当前喂入量在额定范围内，保持割台高度和收割机的作业速度不变。收割的谷物通过倾斜输送器时，谷物对过桥底板的压力和喂入量呈线性正相关，故通过压力传感器可间接获取当前喂入量大小，当喂入量在额定值外时，通过调节割台高度和收割机的作业速度，控制喂入量稳定，具体为：IMU检测车身姿态和割台倾斜输送器姿态，二者组合得到割台高度和该高度下对应的当前液压缸位置，通过预设期望割台高度H_d，得到的期望割台液压缸位置，由期望割台液压缸位置和当前液压缸位置误差，进而通过控制器调节比例阀驱动液压缸伸缩，控制割台高度稳定在期望位置；基于速度变化量，控制器通过调节流量阀来控制液压马达转速，进而稳定车速在变化后的数值。

如图3所示，当联合收割机作业时，联合收割机喂入量调控方法，包括以下步骤：

S1，系统初始化，预设割台期望高度；

S2，联合收割机开始作业，控制器读取压力传感器读数，获取当前喂入量大小；

S3，控制器读取IMU1和IMU2的加速度计和陀螺仪输出原始数据，两加速度计获取的加速度进行力学分解得到的角度值α_acc，分别作为割台倾角的真实观测值、车身倾角的真实观测值，两陀螺仪获取的角速度积分后的倾角，分别作为割台倾角的预测值、车身倾角的预测值，且倾角预测值α(k)＝α(k-1)+(ω_gyro-b)*T，其中α为倾角，ω_gyro为陀螺仪测得的角速度，b为陀螺仪漂移误差，T为采样时间；由倾角预测值的公式，可得卡尔曼滤波的状态方程为：

由角度值α_acc，可得卡尔曼滤波的观测方程为：

其中：δ_gyro和δ_acc分别为陀螺仪和加速度计的测量噪音；对卡尔曼增益、先验估计协方差和后验估计协方差进行更新后，再通过状态方程、观测方程、卡尔曼增益、先验估计协方差和后验估计协方差对真实观测值和预测值进行融合，得到IMU1的倾角θ和IMU2的倾角β，即割台平面的倾角和车身水平倾角；而IMU2采集的数据和GPS数据进行组合，将GPS接收器测量分别与IMU2数据经处理后得到的速度、位置作差，作为观测值输入到卡尔曼滤波中，得到误差状态估计，获得精准速度。

S4，由割台平面的倾角θ与车身水平倾角β，得到割台离地实时高度

此时的液压缸位置为

其中：h₁为倾斜输送器旋转轴心离地高度，L₁为倾斜输送器旋转轴心到割台的距离，L₂为割台到收割机履带后轮的距离。

S5，控制器判断当前喂入量是否在额定范围内，如果在，则控制器需保持当前割台高度和收割机当前车速；

为了保持当前割台高度，考虑到收割机车身颠簸会使割台上下波动，此时割台液压缸位置偏差为：

其中：L₃为倾斜输送器旋转轴心到割台前端的距离，L₄为倾斜输送器旋转轴心离地高度；

倾斜输送器的期望倾角为：

其中：H_d为预设割台期望高度；

由期望倾角C，得到期望割台液压缸位置

基于割台液压缸位置偏差，控制器输出控制比例阀的信号为：

u(k)＝k_p*e(k)+k_d*[e(k)-e(k-1)]

其中：u为输出控制信号，k_p、k_d均为预设控制参数；

保证割台高度始终处于期望位置。

S6，如果喂入量不在额定范围内，通过调节作业速度和割台高度来稳定喂入量，基于当前喂入量与额定喂入量的差值，得到速度变化量为

调节流量阀来控制液压马达转速，进而稳定车速在变化后的数值，保证喂入量在额定范围内；其中Δq为当前喂入量与额定喂入量的差值，f为作业速度受喂入量变化的影响度，f∈(0，1)，K越小，越侧重于通过调整割台高度来调节喂入量，h₂为作物穗层离地高度，R为谷草比，B为割副宽度，M为单位面积内农作物平均产量，割台的高度变化

当计算出Δh后，更新预设割台期望高度H_dk＝H_dk-1+Δh，通过割台液压缸位置偏差e′，得到控制器输出控制信号u′(k)，由比例阀驱动割台液压缸伸缩，使得割台高度始终处于期望位置。返回S2，控制器继续判断喂入量范围。

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)

1.一种联合收割机喂入量调控方法，其特征在于：

若联合收割机的当前喂入量在额定范围内，保持当前割台高度和收割机当前车速，在保持当前割台高度的过程中，控制器基于割台液压缸位置偏差e，输出控制比例阀的信号u(k)；

所述割台液压缸位置偏差e为：

其中：L₃为倾斜输送器旋转轴心到割台前端的距离，L₄为倾斜输送器旋转轴心离地高度，C为倾斜输送器的期望倾角，且

θ为割台平面的倾角，β为车身水平倾角，H_d为预设割台期望高度，h₁为倾斜输送器旋转轴心离地高度，L₁为倾斜输送器旋转轴心到割台的距离，L₂为割台到收割机履带后轮的距离；

所述信号u(k)为：

u(k)＝k_p*e(k)+k_d*[e(k)-e(k-1)]

其中：k_p、k_d均为预设控制参数；

若联合收割机的当前喂入量不在额定范围内，调节作业速度和割台高度来稳定喂入量，所述作业速度的调节过程为：基于当前喂入量与额定喂入量的差值，得到速度变化量，稳定车速在变化后的数值；所述割台高度的调节过程为：根据割台的高度变化Δh，更新预设割台期望高度H_d，再基于割台液压缸位置偏差e′，输出控制比例阀的信号u′(k)。

2.根据权利要求1所述的联合收割机喂入量调控方法，其特征在于，所述割台平面的倾角θ和车身水平倾角β，通过状态方程、观测方程、卡尔曼增益、先验估计协方差和后验估计协方差对真实观测值和预测值进行融合得到。

3.根据权利要求2所述的联合收割机喂入量调控方法，其特征在于，所述状态方程为：

其中：α为倾角，ω_gyro为陀螺仪测得的角速度，b为陀螺仪漂移误差，T为采样时间，δ_gyro为陀螺仪的测量噪音。

4.根据权利要求2所述的联合收割机喂入量调控方法，其特征在于，所述观测方程为：

其中：α_acc为角度值，α为倾角，b为陀螺仪漂移误差，δ_acc为加速度计的测量噪音。

5.根据权利要求1所述的联合收割机喂入量调控方法，其特征在于，所述割台的高度变化

其中Δq为当前喂入量与额定喂入量的差值，f为作业速度受喂入量变化的影响度，R为谷草比，h₂为作物穗层离地高度，B为割副宽度，M为单位面积内农作物平均产量，ΔV是速度变化量，且

6.一种实现权利要求1-5任一项所述的联合收割机喂入量调控方法的调控系统，其特征在于，包括惯性测量单元IMU1、惯性测量单元IMU2、压力传感器、GPS接收器和控制器，IMU1安装在倾斜输送器外壳体处，IMU2安装在粮仓上方与车体水平处，压力传感器安装在倾斜输送器底板处，GPS接收器安装驾驶室上方空旷处；所述惯性测量单元IMU1、惯性测量单元IMU2、压力传感器、GPS接收器均与控制器进行通信。

7.根据权利要求6所述的调控系统，其特征在于，所述惯性测量单元IMU1得到割台平面的倾角θ，惯性测量单元IMU2得到车身水平倾角β，进而获取割台离地实时高度

其中h₁为倾斜输送器旋转轴心离地高度，L₁为倾斜输送器旋转轴心到割台的距离，L₂为割台到收割机履带后轮的距离。

8.根据权利要求6所述的调控系统，其特征在于，所述压力传感器，用于间接获取当前喂入量大小。

9.根据权利要求8所述的调控系统，其特征在于，所述控制器判断喂入量是否在额定范围内，基于割台液压缸位置偏差，调节割台高度，基于当前喂入量与额定喂入量的差值，调节作业速度。

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