CN113359741A - 一种玉米联合收获机自动行引导系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种玉米联合收获机自动行引导系统，包括：偏角探测模块、抗振动干扰模块、偏差轮角检测模块、速度自适应对行跟踪模块；偏角探测模块用于探测收获机在工作模式及回位模式下的偏角信号；抗振动干扰模块用于抑制收获机从工作模式转为回位模式时产生的振动干扰；偏差轮角检测模块用于根据收获机处于工作模式时的偏角信号和从工作模式转为回位模式时无干扰的偏角信号；速度自适应对行跟踪模块用于根据机体摆动偏差角度及控制指令获得目标轮角，通过计算收获机不同速度下的所述目标轮角，控制收获机进行自动行引导。本发明根据收获机速度自适应调整闭环控制参数，减小对行跟踪过程中的机身摆动，提高对行跟踪精度，提高工作稳定性。

Description

一种玉米联合收获机自动行引导系统

技术领域

本发明涉及玉米自动收获技术领域，特别涉及一种玉米联合收获机自动行引导系统。

背景技术

玉米作为主要的粮食作物，种植面积和产量均居世界第一，玉米种植面积和产量的增加相应代表了玉米收获机械的增加。目前，规模化种植已成为一种必然的发展趋势，越来越多的农民对玉米收获机的收获质量和运行效率提出了更高的要求。

当前玉米收获机可分为两种类型：对行收获机和非对行收获机；其中，非对行收获机灵活性强，但产量损失率高，与非对行收获机相比，对行玉米收获机收获效率高，在我国应用更为广泛。但是，能否实现准确的对行是对行玉米收获机能否正常工作的关键，而精准的对行意味着对收割机驾驶员的专业驾驶技能要求高，劳动强度大，解决对行玉米收获机的自动行引导问题，有利于提高玉米收获质量，减轻驾驶员的劳动强度，对于玉米联合收获机械自动化程度的提高具有重要意义。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种玉米联合收获机自动行引导系统，以解决现有技术中存在的技术问题，能够根据收获机速度自适应调整闭环控制参数，减小对行跟踪过程中的机身摆动，提高对行跟踪精度，提高工作稳定性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种玉米联合收获机自动行引导系统，包括：偏角探测模块、抗振动干扰模块、偏差轮角检测模块、速度自适应对行跟踪模块；

所述偏角探测模块用于探测收获机在工作模式及回位模式下的偏角信号；

所述抗振动干扰模块用于抑制所述收获机从工作模式转为回位模式时产生的振动干扰，获得从工作模式转为回位模式时无干扰的偏角信号；

所述偏差轮角检测模块用于根据所述收获机处于工作模式时的偏角信号和从工作模式转为回位模式时无干扰的偏角信号，获得所述收获机的机体摆动偏差角度及控制指令，所述控制指令用于对所述收获机机体摆动进行控制；

所述速度自适应对行跟踪模块用于根据所述机体摆动偏差角度及控制指令获得目标轮角，通过计算所述收获机不同速度下的所述目标轮角，控制所述收获机进行自动行引导。

优选地，所述偏角探测模块包括左侧偏角传感器与右侧偏角传感器；所述抗振动干扰模块包括两个滤波器；所述左侧偏角传感器与右侧偏角传感器分别与一个所述滤波器相连；两个所述滤波器均与所述偏差轮角检测模块相连。

优选地，所述左侧偏角传感器和所述右侧偏角传感器均设有弯曲机翼，所述左侧偏角传感器和所述右侧偏角传感器均置于所述收获机的分禾器上；两个所述弯曲机翼之间的间隙为所述玉米植株直径的一半。

优选地，所述收获机处于工作模式下的偏向角度的具体探测过程为：使所述玉米植株由所述分禾器进入所述收获机，通过所述分禾器上的所述左侧偏角传感器与所述右侧偏角传感器分别产生第一探测角度和第二探测角度，根据所述第一探测角度和所述第二探测角度获得所述收获机工作模式下的偏向角度。

优选地，所述滤波器采用基于状态观测器的滤波器。

优选地，所述收获机的机体摆动偏差角度具体为：

α₀＝α_L-α_R

式中，α_L为玉米植株进入后，左侧偏向线与收获机中轴线的夹角；α_R为玉米植株进入后，右侧偏向线与收获机中轴线的夹角；α₀为收获机的机体摆动偏差角度；l₀为左侧偏角传感器机翼与右侧偏角传感器偏向线机翼顶点间的距离；l为传感器机翼顶点至玉米植株通过时传感器机翼的最底端位置；θ_S为机翼曲线角；θ_L为机翼左侧偏角；θ_R为机翼右侧偏角；s为传感器旋转轴与收获机转动轴线之间的垂直距离。

优选地，计算所述收获机不同速度下的所述目标轮角的方法为：根据玉米植株与所述左侧偏角传感器、右侧偏角传感器的位置关系，采用闭环PID参数分段控制方法，获得所述收获机不同速度下的所述目标轮角。

优选地，所述闭环PID参数分段控制方法具体为：

式中，P为PID控制器的参数比例系数，I为PID控制器的参数积分系数，D为PID控制器的参数微分系数，speed为收获机的速度；α_L为玉米植株进入收获机后，左侧偏向线与收获机中轴线的夹角；α_R为玉米植株进入收获机后，右侧偏向线与收获机中轴线的夹角。

本发明公开了以下技术效果：

1.本发明采用双传感器结构安装于相邻分禾器的方式，对进入收获机的玉米位置关系进行检测，传感结构简单，易于安装。

2.本发明仅需通过对传感器的角度信号进行抗干扰过滤和计算，算法简单，计算量小，可方便低成本实现。

3.采用弧形传感机翼结构，在收获机进行工作时对机构损伤率低，传感机构使用寿命长。

4.根据收获机速度自适应调整闭环控制参数，减小对行跟踪过程中的机身摆动，提高对行跟踪精度，提高工作稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的系统整体模块图；

图2为本发明实施例的系统结构示意图；

图3为本发明实施例中玉米植株通过左侧偏角传感器时传感器的安装与运动示意图；

图4为本发明实施例中玉米植株通过左右偏角传感器时的几何关系图；

图5为本发明实施例中滤波器的结构框图；

图6为本发明实施例中设计的闭环控制器；

图7为本发明实施例中试验地块玉米植株位置的整体分布图；

图8为本发明实施例中低速状态下收获机在自动对行工作过程中的转向角度；

图9为本发明实施例中中速状态下收获机在自动对行工作过程中的转向角度；

图10为本发明实施例中高速状态下收获机在自动对行工作过程中的转向角度。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-3所示，本实施例提供一种玉米联合收获机自动行引导系统，包括：偏角探测模块、抗振动干扰模块、偏差轮角检测模块、速度自适应对行跟踪模块；

偏角探测模块用于探测收获机在工作模式及回位模式下的偏角信号；抗振动干扰模块用于抑制收获机从工作模式转为回位模式时产生的振动干扰，获得从工作模式转为回位模式时无干扰的偏角信号；偏差轮角检测模块用于根据收获机处于工作模式时的偏角信号和从工作模式转为回位模式时无干扰的偏角信号，获得收获机的机体摆动偏差角度及控制指令，控制指令用于对所述收获机机体摆动进行控制；速度自适应对行跟踪模块用于根据机体摆动偏差角度及控制指令获得目标轮角，通过计算收获机不同速度下的目标轮角，控制收获机进行自动行引导。

收获机中的偏角探测模块包括左侧偏角传感器与右侧偏角传感器，抗振动干扰模块包括两个滤波器，左侧偏角传感器与右侧偏角传感器分别与一个滤波器相连；两个滤波器均与偏差轮角检测模块相连。

左侧偏角传感器和右侧偏角传感器均设有弯曲机翼，左侧偏角传感器和右侧偏角传感器均置于收获机相邻的两个分禾器上；两个弯曲机翼之间的间隙为1.5厘米，约为玉米植株直径的一半。

收获机处于工作模式下的偏向角度的具体探测过程为：使玉米植株由分禾器进入收获机，收获机处于最优工作状态，此时左右偏角传感器的输出角度相等，植株会触碰两个翅膀，通过分禾器上的左侧偏角传感器与右侧偏角传感器分别产生第一探测角度和第二探测角度，根据第一探测角度和所述第二探测角度获得收获机工作模式下的偏向角度；当收获机稍微向左偏轨时，左偏转角比右偏转角大，相反，当收获机稍微向右偏离轨道时，右侧偏角传感器输出的偏转角度比左侧大，但两个偏角传感器仍有信号输出，当植株向左或向右严重偏离时，右或左传感器将没有信号输出。

参照图4所示，本实施例提供玉米植株通过左右偏角传感器时的几何关系图，图中O为转向轴中心点，C_L和C_R为左侧偏角传感器与右侧偏角传感器的旋转轴，C_L和C_R之间的距离是l₀；P₁和P₃为玉米植株通过时左侧偏角传感器机翼最右端点的起点和终点位置，P₂和P₄为对应的右侧偏角传感器最左端点的起点和终点位置。玉米植株离开机翼后，机翼将自动回到初始位置，为了减少植物撞击传感器机翼造成的振动，机翼被设计成弯曲的形状，θ_S为机翼曲线角，以左翼为例，θ_S是固定点C_L处的机翼切线与C_L到终点(P₁或P₂)的直线之间的夹角，L点和R点是C_LC_R线上P₃点和P₄点的垂足，L与R之间的距离为进入的玉米植株的直径，lg为两个机翼在初始位置时的间隙距离，根据玉米植株的外径尺寸范围及试验效果，取θ_S＝15°，l0＝650mm。

根据上述关系图，能够得到收获机的机体摆动偏差角度具体为：

α₀＝α_L-α_R，若αL＝αR，则偏离角为α0＝0；

式中，α_L为玉米植株进入后，左侧偏向线与收获机中轴线的夹角；α_R为玉米植株进入后，右侧偏向线与收获机中轴线的夹角；α₀为收获机的机体摆动偏差角度；l₀为左侧偏角传感器机翼与右侧偏角传感器偏向线机翼顶点间的距离；l为传感器机翼顶点至玉米植株通过时传感器机翼的最底端位置；θ_S为机翼曲线角；θ_L为机翼左侧偏角；θ_R为机翼右侧偏角；s为传感器旋转轴与收获机转动轴线之间的垂直距离。

根据上述公式，若玉米植株偏向收获机前进方向左侧，α₀>0；如果偏向右侧，则α₀<0。其中l₀、θ_S和s是已知量，θ_L和θ_R可以通过对偏角传感器输出的模拟信号AD转换得到。

其中，偏离角不包含lg的信息，为保证不遗漏任何植株，lg应小于玉米植株直径。根据机械仿形要求，lg长度越短，l长度越长，θ_S越大。虽然通过减小间隙宽度可以稍微提高检测灵敏度，但很容易被杂草缠绕，实验得到的l经验宽度约为2cm。若收获机向左或向右偏离更多，则左侧偏角传感器机翼或右侧偏角传感器机翼将没有输出信号，θ_R或θ_L为零。

参照图5所示，本实施例中滤波器采用一种基于状态观测器的滤波器，以左侧偏角传感器为例，假设T1为玉米植株离开左侧偏角传感器时刻，即左侧偏角传感器回位的初始时刻，ω_L为偏角传感器的转动角速度，公式为：

根据上述公式中ω_L的符号变化，能够对正确的T1时刻进行确定，由于玉米植株呈不规则圆形，因此在收获机处于工作模式时容易受到振动的干扰，且微分运算可以放大干扰，如果没有合适的过滤器，很容易误判T1时刻。基于旋转变压器数字转换器的理论方法，将滤波器应用于回位时刻滤波，采用一种基于状态观测器的滤波器，再以左侧偏角传感器为例，收获机的状态方程为：

式中，

为θ_L的一阶导数，

为ω_L的一阶导数；

以y＝θ_L为量测方程，采用的非线性状态观测器为：

式中，

和

表示θ_L和ω_L的期望/滤波输出值。因此，滤波器的传递函数G_ωs为：

其中，k_θ和k_ω为非线性观测器系数，可根据二阶系统的特性采用极点配置原则选取。

计算收获机不同速度下的所述目标轮角的方法为：根据玉米植株与左侧偏角传感器、右侧偏角传感器的位置关系，采用闭环PID参数分段控制方法，获得收获机不同速度下的目标轮角。

参照图6所示，本实施例提供了一种闭环PID控制器，收获机轮角控制子系统根据输入的目标轮角值θ_r实现对将收获机轮角转动至目标轮角，为了实现准确的行引导，本发明以偏离角α₀为输入，转向角目标轮角θ_r为输出的设计闭环控制器。

基于反馈控制理论的基本原理，偏离角α₀越大，控制器输出的转向角目标轮角θ_r越大。但是在高速条件下θ_r过大，会造成收获机机体摆动角度过大，从而降低对行跟踪精度，影响收获质量。本发明将收获机根据车辆速度和偏离角α₀的范围，对闭环PID参数进行分段控制。当收获机稍微偏离玉米植株行列线时，玉米植株左右两侧的传感器机翼均有触碰，左右传感器均有输出；当偏离左侧或者右侧较多时，会产生一个传感器没有输出的情况，因此，可以根据左右传感器是否有输出，将α₀分为大角度和小角度两种情况，具体为：

式中，P为PID控制器的参数比例系数，I为PID控制器的参数积分系数，D为PID控制器的参数微分系数，speed为收获机的速度；α_L为玉米植株进入收获机后，左侧偏向线与收获机中轴线的夹角；α_R为玉米植株进入收获机后，右侧偏向线与收获机中轴线的夹角。

根据上述公式可知，当收割机速度大于7km/h时，增加减小摆动幅度的微分参数D。通过实验，添加参数D可以在一定程度上缓解高速下的摆动问题，为解决偶尔出现的因瞄准后轮转向角度过大而导致的摆动问题，增加限幅环节，将θ_r限定在15度以内。

参照图7-10所示，本实施例以雷沃玉米联合收获机为试验平台，进行了现场收获试验，试验地块玉米行偏差在10cm左右，借助GNSS精密定位装置，获取的整体分布如图7所示，图中点为玉米植株位置，直线为行起点与终点连接线。按照本发明方法，选取k_θ为120，k_ω为900，分别将收获机工作于低速、中速和高速状态下，自动对行工作过程中的收获机转向角度如图8-10所示。

从低中高三种速度下的转向角度变化趋势图中可以看出，在低速情况下偏向角度没有出现超出10°的现象；在中速情况下，当车速逐渐增加的过程中，转向角度出现过一次超调现象超过10°，但在车速平稳后，转向角度变化趋势在可控范围内；在高速情况下，当车速逐渐增加至10km/h～14km/h时，转向角度没有出现超调现象，并且转向角度随着车速的增加而变小。

本发明公开了以下技术效果：

1.本发明采用双传感器结构安装于相邻分禾器的方式，对进入收获机的玉米位置关系进行检测，传感结构简单，易于安装。

2.本发明仅需通过对传感器的角度信号进行抗干扰过滤和计算，算法简单，计算量小，可方便低成本实现。

3.采用弧形传感机翼结构，在收获机进行工作时对机构损伤率低，传感机构使用寿命长。

4.根据收获机速度自适应调整闭环控制参数，减小对行跟踪过程中的机身摆动，提高对行跟踪精度，提高工作稳定性。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种玉米联合收获机自动行引导系统，其特征在于，包括：偏角探测模块、抗振动干扰模块、偏差轮角检测模块、速度自适应对行跟踪模块；

所述偏角探测模块用于探测收获机在工作模式及回位模式下的偏角信号；

所述抗振动干扰模块用于抑制所述收获机从工作模式转为回位模式时产生的振动干扰，获得从工作模式转为回位模式时无干扰的偏角信号；

所述偏差轮角检测模块用于根据所述收获机处于工作模式时的偏角信号和从工作模式转为回位模式时无干扰的偏角信号，获得所述收获机的机体摆动偏差角度及控制指令，所述控制指令用于对所述收获机机体摆动进行控制；

所述速度自适应对行跟踪模块用于根据所述机体摆动偏差角度及控制指令获得目标轮角，通过计算所述收获机不同速度下的所述目标轮角，控制所述收获机进行自动行引导。

2.根据权利要求1所述的玉米联合收获机自动行引导系统，其特征在于，所述偏角探测模块包括左侧偏角传感器与右侧偏角传感器；所述抗振动干扰模块包括两个滤波器；所述左侧偏角传感器与右侧偏角传感器分别与一个所述滤波器相连；两个所述滤波器均与所述偏差轮角检测模块相连。

3.根据权利要求2所述的玉米联合收获机自动行引导系统，其特征在于，所述左侧偏角传感器和所述右侧偏角传感器均设有弯曲机翼，所述左侧偏角传感器和所述右侧偏角传感器均置于所述收获机的分禾器上；两个所述弯曲机翼之间的间隙为所述玉米植株直径的一半。

4.根据权利要求3所述的玉米联合收获机自动行引导系统，其特征在于，所述收获机处于工作模式下的偏向角度的具体探测过程为：使所述玉米植株由所述分禾器进入所述收获机，通过所述分禾器上的所述左侧偏角传感器与所述右侧偏角传感器分别产生第一探测角度和第二探测角度，根据所述第一探测角度和所述第二探测角度获得所述收获机工作模式下的偏向角度。

5.根据权利要求2所述的玉米联合收获机自动行引导系统，其特征在于，所述滤波器采用基于状态观测器的滤波器。

6.根据权利要求1所述的玉米联合收获机自动行引导系统，其特征在于，所述收获机的机体摆动偏差角度具体为：

α₀＝α_L-α_R

式中，α_L为玉米植株进入后，左侧偏向线与收获机中轴线的夹角；α_R为玉米植株进入后，右侧偏向线与收获机中轴线的夹角；α₀为收获机的机体摆动偏差角度；l₀为左侧偏角传感器机翼与右侧偏角传感器偏向线机翼顶点间的距离；l为传感器机翼顶点至玉米植株通过时传感器机翼的最底端位置；θ_S为机翼曲线角；θ_L为机翼左侧偏角；θ_R为机翼右侧偏角；s为传感器旋转轴与收获机转动轴线之间的垂直距离。

7.根据权利要求2所述的玉米联合收获机自动行引导系统，其特征在于，计算所述收获机不同速度下的所述目标轮角的方法为：根据玉米植株与所述左侧偏角传感器、右侧偏角传感器的位置关系，采用闭环PID参数分段控制方法，获得所述收获机不同速度下的所述目标轮角。

8.根据权利要求7所述的玉米联合收获机自动行引导系统，其特征在于，所述闭环PID参数分段控制方法具体为：

式中，P为PID控制器的参数比例系数，I为PID控制器的参数积分系数，D为PID控制器的参数微分系数，speed为收获机的速度；α_L为玉米植株进入收获机后，左侧偏向线与收获机中轴线的夹角；α_R为玉米植株进入收获机后，右侧偏向线与收获机中轴线的夹角。

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