CN113207416A - 一种基于超声波检测联合收割机粮仓产量的方法 - Google Patents

一种基于超声波检测联合收割机粮仓产量的方法 Download PDF

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Abstract

一种基于超声波检测联合收割机粮仓产量的方法，包括以下步骤：将超声波传感器安装在联合收割机粮仓内；通过所述超声波传感器对粮仓仓位高度进行检测，根据算法公式计算得到粮仓储粮产量数据，并记录所述粮仓储粮产量数据；以及重复检测多次并记录每次检测所得的粮仓储粮产量数据。本发明自动化程度高，无需人工即可实现完成整个检测工程，劳动强度小，检测流程简单，可适用于大规模推广，并且该方法可短时间内进行多次检测，并通过误差分析之后的调试有效减小检测时所产生的误差，从而大大提高了检测数据的准确性。

Description

一种基于超声波检测联合收割机粮仓产量的方法
技术领域
本发明涉及一种粮仓检测技术，特别是一种基于超声波检测联合收割机粮仓产量的方法。
背景技术
收割机是一体化收割农作物的机械，它能一次性完成收割、脱粒，并将谷粒集中到储藏仓，然后再通过传送带将粮食输送到运输车上，也可用人工收割，将稻、麦等作物的禾秆铺放在田间，再用谷物收获机械进行捡拾脱粒。收割机是在各种收割、脱粒工具的基础上发展起来的。
收割机在进行粮食收割前，需要对粮仓的仓位高度进行实时检测，以便估算粮仓的储粮产量。传统的粮仓仓位高度检测主要是由人工通过卷尺等器材进行手动测量，以便得到所需的数据，这种方法劳动强度大，测量繁琐，误差大，从而导致粮仓产量的估算结果产生错误。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于超声波检测联合收割机粮仓产量的方法。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于超声波检测联合收割机粮仓产量的方法，其中，包括以下步骤：
S100、将超声波传感器安装在联合收割机粮仓内；
S200、通过超声波传感器对粮仓仓位高度进行检测，并根据算法公式得到粮仓储粮产量数据，记录所述粮仓储粮产量数据；以及
S300、重复检测多次并记录每次检测所得的粮仓储粮产量数据。
上述的基于超声波检测联合收割机粮仓产量的方法，其中，还包括步骤：
S400、分析每次粮仓储粮产量数据差异的原因，并进行调试。
上述的基于超声波检测联合收割机粮仓产量的方法，其中，步骤S100中，选取压电式超声波传感器，工作频率为40Hz，检测距离为4.3m。
上述的基于超声波检测联合收割机粮仓产量的方法，其中，步骤S100中，将压电式超声波传感器安装在粮仓的内腔顶部中心位置。
上述的基于超声波检测联合收割机粮仓产量的方法，其中，步骤S200中，采用如下公式计算粮仓储粮产量：
Figure BDA0003055539300000021
其中，d为粮仓仓位顶端与超声波传感器之间的距离，s为声波来回的路程，c为声速，t为声波来回所用的时间；
Figure BDA0003055539300000022
其中，h为所需求得的粮仓仓位高度，H为粮仓的总高度；
粮仓的底面积：
Figure BDA0003055539300000023
其中，S底为粮仓的底面积，D底为粮仓的底部直径；
粮仓储粮体积：
V粮＝S底h
其中，V粮为估算的粮仓储粮体积，S底为粮仓的底面积，h为粮仓仓位高度；
通过V粮推算所述粮仓储粮产量。
上述的基于超声波检测联合收割机粮仓产量的方法，其中，步骤S200进一步包括：
S201、安装于粮仓内的超声波传感器通过发射端发出超声波信号，并通过定时器记录时间点T0；
S202、所述超声波信号遇到粮仓仓位的储粮顶端后反射回来，所述超声波传感器的接收端接收到返回的超声波信号，并通过所述定时器记录时间点T1；
S203、将所述定时器所记录的时间T0与T1传输给显示器，并通过显示器屏幕显示；
S204、计算T1-T0得到所述声波来回所用的时间t。
上述的基于超声波检测联合收割机粮仓产量的方法，其中，步骤S300中，重复检测的次数大于等于三次，每次重复检测得到的数据为：
Figure BDA0003055539300000031
其中，hn为第n次检测时所得的粮仓仓位高度，dn为第n次检测时所得的粮仓仓位顶端与超声波传感器之间的距离，tn为第n次检测时所得的声波来回所用的时间。
上述的基于超声波检测联合收割机粮仓产量的方法，其中，步骤S400中，粮仓储粮产量数据差异的原因包括：检测距离传播的时间误差。
上述的基于超声波检测联合收割机粮仓产量的方法，其中，步骤S400中，粮仓储粮产量数据差异的原因包括：超声波传播速度的误差：
c＝c0+0.607×T；
其中，c0为零度时的超声波速度340m/s，T为实际温度℃。
上述的基于超声波检测联合收割机粮仓产量的方法，其中，步骤S400中，粮仓储粮产量数据差异的原因包括：粮仓储粮堆放形状的误差。
本发明的技术效果在于：
本发明通过超声波传感器可测得粮仓仓位顶端与超声波传感器之间的距离，通过设定的算法公式，即可得到所需的粮仓仓位储粮高度，再根据相关公式计算即可得到粮仓仓位储粮体积，继而推测所需的粮仓储粮产量，克服了现有技术的粮仓仓位高度检测劳动强度大，检测繁琐，误差大，容易导致粮仓产量的估算结果产生错误的缺陷，具有操作方便，自动程度高，无需人工即可完成整个检测工程，劳动强度小，检测流程简单，误差小等特点，可适用于大规模推广，并且该方法可短时间内进行多次检测，并通过误差分析之后的调试有效减小检测时所产生的误差，从而大大提高了检测数据的准确性。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为本发明一实施例的方法流程图；
图2为本发明一实施例的检测数据记录表；
图3为本发明一实施例的超声波波速与温度之间关系表；
图4A为本发明一实施例的联合收割机结构示意图；
图4B为本发明一实施例的超声波传感器在联合收割机粮仓内安装位置示意图；
图5为本发明一实施例的单片机定时器的原理框图。
其中，附图标记
1 机架
2 驾驶室
3 显示器
4 切割器
5 粮仓
6 底盘
7 卸粮管
8 定时器
9 超声波传感器
91 发射端
92 接收端
10 压力传感器
11 单片机
12 储粮
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
参见图1-图3，图1为本发明一实施例的方法流程图，图2为本发明一实施例的检测数据记录表，图3为本发明一实施例的超声波波速与温度之间关系表。本发明的基于超声波检测联合收割机粮仓产量的方法，包括以下步骤：
步骤S100、将超声波传感器9安装在联合收割机粮仓5内；
步骤S200、通过所述超声波传感器9对粮仓仓位高度进行检测，根据算法公式计算得到粮仓储粮产量数据，并记录所述粮仓储粮产量数据；以及
步骤S300、重复检测多次并记录每次检测所得的粮仓储粮产量数据计算核对。
还可包括：
步骤S400、分析每次粮仓储粮产量数据差异的原因，并进行相关的调试工作。
其中，步骤S100中，选取合适型号的超声波传感器9，优选压电式超声波传感器，具体型号可为美国SENIX ToughSonic 14超声波传感器，工作频率为40Hz，检测距离为14英尺(4.3m)。
参见图4A、4B，图4A为本发明一实施例的联合收割机结构示意图，图4B为本发明一实施例的超声波传感器9在联合收割机粮仓5内安装位置示意图。本实施例的联合收割机包括机架1和安装在机架1上的底盘6、驾驶室2、切割器4、卸粮管7和粮仓5，考虑到粮仓5多为圆柱体，而粮食堆积在粮仓5后呈圆锥体，优选将压电式超声波传感器9安装在粮仓5的内腔顶部中心位置。
其中，步骤S200中，采用如下公式计算粮仓储粮产量：
Figure BDA0003055539300000051
其中，d为粮仓仓位顶端与超声波传感器9之间的距离，s为声波来回的路程，c为声速，t为声波来回所用的时间；
Figure BDA0003055539300000052
其中，h为所需求得的粮仓仓位高度，H为粮仓5的总高度；
由于粮仓5的形状大体为圆柱体，其底部近似为圆形，因此粮仓5的底面积：
Figure BDA0003055539300000053
其中，S底为粮仓5的底面积，D底为粮仓5的底部直径；
从而可根据测得的粮仓仓位高度估算粮仓5的储粮体积：
V粮＝S底h
其中，V粮为估算的粮仓5的储粮体积，S底为粮仓5的底面积，h为粮仓仓位高度；
此时，通过V粮即可大致推算所述粮仓储粮12产量。
本实施例中，步骤S200进一步包括：
步骤S201、安装于粮仓5内腔顶部中心的超声波传感器9通过发射端91发出一个超声波信号，此时通过定时器8记录时间点T0；
步骤S202、粮仓5内贮存有储粮12，储粮12底部为圆柱体，顶部为圆锥形，所述超声波信号遇到粮仓仓位的储粮12顶端后反射回来，所述超声波传感器9的接收端92接收到返回的超声波信号，此时通过所述定时器8记录时间点T1；
步骤S203、超声波传感器9内集成有无线信号发射器，可发出远程无线信号，收割机的驾驶室2内安装有显示器3，显示器3上安装有显示屏，其内部集成有无线信号接收器，可接收超声波传感器9从远程发出的无线信号，通过无线信号可将定时器8所记录的时间传输给显示器3，通过显示器3可将所述定时器8所记录的时间T0与T1通过屏幕显示，参见图5；以及
步骤S204、计算T1-T0得到所述声波来回所用的时间t。
其中，步骤S300中，重复检测的次数大于等于三次，每次重复检测得到的数据为：
Figure BDA0003055539300000061
其中，hn为第n次检测时所得的粮仓仓位高度，dn为第n次检测时所得的粮仓仓位顶端与超声波传感器9之间的距离，tn为第n次检测时所得的声波来回所用的时间。
步骤S400中，粮仓储粮产量数据差异的原因包括：检测距离传播的时间误差。由于t＝T1-T0，因此当T0和T1的记录不精确时，会导致t产生误差，在超声波的传播速度准确的前提下，使用的12MHz品体作时钟基准的89C52的单片机11定时器8能方便的计数到1us的精度，此时这个误差能够控制在很小的范围内。
步骤S400中，粮仓储粮产量数据差异的原因还可包括：超声波传播速度的误差：超声波的传播速度受空气的密度所影响，空气的密度越高则超声波的传播速度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系，已知超声波速度与温度的关系如下：
Figure BDA0003055539300000071
其中，r为气体定压热容与定容热容的比值，对空气为1.40，R为气体普适常量，M为气体分子量，T为绝对温度；
近似公式为：
c＝c0+0.607×T；
其中，c0为零度时的超声波速度340m/s，T为实际温度，单位为℃。
对于超声波测距精度要求达到1mm时，就必须把超声波传播的环境温度考虑进去，例如当温度0℃时超声波速度是340m/s，30℃时是358m/s，温度变化引起的超声波速度变化为18m/s，若超声波在30℃的环境下以0℃的声速测量100m距离所引起的测量误差将达到5m，测量1m误差将达到5mm。
步骤S400中，粮仓储粮产量数据差异的原因还可包括：粮仓储粮堆放形状的误差。
由于粮仓5内的储粮12在堆放时，其实际形状只是近似的圆柱体，因此通过算法公式计算所得到的粮仓仓位储粮体积与实际储粮12的体积可能存在一定的误差，其实际储粮体积应小于计算所得到的理论储粮体积。
在检测过程中，可在粮仓5的仓底处安装压力传感器10，通过压力传感器10可实时监测粮仓仓位内的储粮12重量，此时将检测所得的储粮12重量乘以特定储粮12的密度可得到另一种近似的粮仓仓位储粮体积，通过比对两种方式所得的粮仓仓位储粮体积可对误差情况进行分析，以便根据误差的原因对相关公式进行修正，从而得到更加准确的数据，继而减小误差。
本发明工作原理：对粮仓仓位储粮12高度进行检测时，首先选取型号为美国SENIXToughSonic 14的超声波传感器9，然后将其安装在粮仓5的内腔顶部中心位置，接着超声波传感器9通过发射端91发出一个超声波信号，此时通过定时器8记录时间点T0，粮仓5内贮存有储粮12，储粮12底部为圆柱体，顶部为圆锥形，超声波信号遇到粮仓仓位的储粮12顶端后反射回来，并被接收端92接收到返回的超声波信号，此时通过定时器8记录时间点T1，超声波传感器9内集成有无线信号发射器，可发出远程无线信号，收割机的驾驶室2内安装有显示器3，显示器3上安装有显示屏，其内部集成有无线信号接收器，可接收超声波传感器9从远程发出的无线信号，通过无线信号可将定时器8所记录的时间传输给显示器3，通过显示器3可将记录的时间点T0与T1输出于屏幕上，之后通过计算T1-T0可得到所需的时间t，之后通过公式
Figure BDA0003055539300000081
Figure BDA0003055539300000082
即可得到所需的粮仓仓位储粮12高度，其中，c为声速，h为所需求得的粮仓仓位高度，H为粮仓5的总高度，由于粮仓5的形状大体为圆柱体，其底部近似为圆形，因此粮仓5的底面积
Figure BDA0003055539300000083
其中，S底为粮仓5的底面积，D底为粮仓5的底部直径，从而可根据测得的粮仓仓位高度估算其储粮体积V粮＝S底h，其中，V粮为估算的粮仓5储粮体积，S底为粮仓5的底面积，h为粮仓仓位高度，此时，通过V粮即可大致推测所需的粮仓储粮产量。
本发明通过超声波传感器9可测得粮仓仓位顶端与超声波传感器9之间的距离，通过算法公式即可得到所需的粮仓仓位高度，再根据相关公式计算即可得到粮仓仓位储粮体积，继而推测所需的粮仓储粮产量，该方法自动化程度高，无需人工即可实现完成整个检测工程，劳动强度小，检测流程简单，可适用于大规模推广，并且该方法可短时间内进行多次检测，并通过误差分析之后的调试有效减小检测时所产生的误差，从而大大提高了检测数据的准确性。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于超声波检测联合收割机粮仓产量的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100、将超声波传感器安装在联合收割机粮仓内；
S200、通过所述超声波传感器对粮仓仓位高度进行检测，根据算法公式计算得到粮仓储粮产量数据，并记录所述粮仓储粮产量数据；以及
S300、重复检测多次并记录每次检测所得的粮仓储粮产量数据。
2.如权利要求1所述的基于超声波检测联合收割机粮仓产量的方法，其特征在于，还包括步骤：
S400、分析每次粮仓储粮产量数据差异的原因，并进行调试。
3.如权利要求1或2所述的基于超声波检测联合收割机粮仓产量的方法，其特征在于，步骤S100中，选取压电式超声波传感器，工作频率为40Hz，检测距离为4.3m。
4.如权利要求1或2所述的基于超声波检测联合收割机粮仓产量的方法，其特征在于，步骤S100中，将压电式超声波传感器安装在粮仓的内腔顶部中心位置。
5.如权利要求1或2所述的基于超声波检测联合收割机粮仓产量的方法，其特征在于，步骤S200中，采用如下公式计算粮仓储粮产量：
Figure FDA0003055539290000011
其中，d为粮仓仓位顶端与超声波传感器之间的距离，s为声波来回的路程，c为声速，t为声波来回所用的时间；
Figure FDA0003055539290000012
其中，h为所需求得的粮仓仓位高度，H为粮仓的总高度；
粮仓的底面积：
Figure FDA0003055539290000013
其中，S底为粮仓的底面积，D底为粮仓的底部直径；
粮仓储粮体积：
V粮＝S底h
其中，V粮为估算的粮仓储粮体积，S底为粮仓的底面积，h为粮仓仓位高度；
通过V粮推算所述粮仓储粮产量。
6.如权利要求5所述的基于超声波检测联合收割机粮仓产量的方法，其特征在于，步骤S200进一步包括：
S201、安装于粮仓内的超声波传感器通过发射端发出超声波信号，并通过定时器记录时间点T0；
S202、所述超声波信号遇到粮仓仓位的储粮顶端后反射回来，所述超声波传感器的接收端接收到返回的超声波信号，并通过所述定时器记录时间点T1；
S203、将所述定时器所记录的时间T0与T1传输给显示器，并通过显示器屏幕显示；以及
S204、计算T1-T0得到所述声波来回所用的时间t。
7.如权利要求6所述的基于超声波检测联合收割机粮仓产量的方法，其特征在于，步骤S300中，重复检测的次数大于等于三次，每次重复检测得到的数据为：
Figure FDA0003055539290000021
其中，hn为第n次检测时所得的粮仓仓位高度，dn为第n次检测时所得的粮仓仓位顶端与超声波传感器之间的距离，tn为第n次检测时所得的声波来回所用的时间。
8.如权利要求2所述的基于超声波检测联合收割机粮仓产量的方法，其特征在于，步骤S400中，粮仓储粮产量数据差异的原因包括检测距离传播的时间误差。
9.如权利要求2所述的基于超声波检测联合收割机粮仓产量的方法，其特征在于，步骤S400中，粮仓储粮产量数据差异的原因包括：超声波传播速度的误差：
c＝c0+0.607×T；
其中，c0为零度时的超声波速度340m/s，T为实际温度，单位为℃。
10.如权利要求2所述的基于超声波检测联合收割机粮仓产量的方法，其特征在于，步骤S400中，粮仓储粮产量数据差异的原因包括：粮仓储粮堆放形状的误差。
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