CN113589709A - 甘蔗收获机入土切割智能监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种甘蔗收获机入土切割智能监控系统，包括：车载终端、深度相机、扭矩传感器、温度传感器、位移传感器、旋转编码器、微控制器、仿形检测机构和执行机构；所述控制系统由微控制器采集甘蔗收获机入土切割深度、刀具磨损情况、甘蔗破头率、刀具转速、车辆行驶速度、发动机油液温度六个参数；所述甘蔗收获机入土切割智能监控系统可以将采集数据进行处理并拟合曲线。该发明有效提高了甘蔗收获机信息化、自动化水平，解决了甘蔗收获机入土切割深度不能因地形变化进行自动调整，进而影响切割合格率、甘蔗破头率，提高了甘蔗收获机作业效率，为作业效率的监管提供了技术支持。

Description

甘蔗收获机入土切割智能监控系统

技术领域

本发明涉及甘蔗收获机田间收获作业时信息采集、可视化领域，特别涉及一种甘蔗收获机入土切割智能监控系统。

背景技术

甘蔗作为我国重要的糖类作物，主要种植于我国广东、广西和云南等地。2019年，我国甘蔗种植面积约153.33万hm²，位居世界第3位。其中广西甘蔗种植面积约87万hm²，占全国总种植面积的60％以上。我国甘蔗收获机的机械化进程缓慢，主要由于甘蔗多种植于丘陵山区，蔗地起伏不平，且收获季节雨水多，作业环境大大的限制了作业质量、作业时间。

甘蔗收获的机械化、智能化作业离不开田间作业信息的可视化，对甘蔗收获机田间作业信息进行收集，可以更加清晰获取所需要的信息，可以对获取的信息进行处理，有利于对整机的机械化进行调整，也为后续的智能化提供了条件。设计一款对收获机作业时的监测系统对甘蔗收获机的机械化、智能化进程具有重大意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提高甘蔗收获机的作业质量，提供一种甘蔗收获机入土切割智能监控系统，对甘蔗收获机入土切割深度、刀具磨损情况、甘蔗破头率、刀具转速、车辆行驶速度、发动机油液温度六个参数进行实时监测，同时甘蔗收获机刀具可随地表起伏变化自动调整高度。

本发明通过下述技术方案解决上述技术问题：

一种甘蔗收获机入土切割智能监控系统，包括：车载终端、深度相机5-5、扭矩传感器4-2、温度传感器、位移传感器5-6、旋转编码器4-1、微控制器、仿形检测机构和执行机构；

所述仿形检测机构通过固定支架5-1固定于甘蔗收获机的机架上，并位于甘蔗收获机的刀具前方，所述车载终端安装于甘蔗收获机的驾驶室内，

所述深度相机5-5有两个，一个深度相机5-5安装于仿形检测机构上，另一个深度相机5-5安装于甘蔗收获机的机架上，甘蔗收获机的刀具的后方，所述扭矩传感器4-2安装于甘蔗收获机刀具的刀具轴4-3上，所述温度传感器安装于甘蔗收获机的发动机油液箱中，所述位移传感器5-6安装于仿形检测机构上，所述旋转编码器4-1有两个，分别设置于甘蔗收获机的车轮轴上和刀具的刀具轴4-3上，所述微控制器和执行机构均安装于甘蔗收获机上；

所述扭矩传感器4-2、温度传感器、位移传感器5-6和旋转编码器4-1均与微控制器连接，微控制器与车载终端连接，所述车载终端与深度相机5-5连接；所述微控制器还与执行机构连接，所述执行机构与甘蔗收获机的刀具连接；

所述扭矩传感器4-2用于检测甘蔗收获机的刀具入土切割时扭矩数据，通过扭矩数据变化，监测甘蔗收获机刀具磨损情况；

所述温度传感器用于检测发动机油液的温度，并发送至微控制器；

所述两个旋转编码器4-1分别用于检测刀具轴4-3的转速和车轮轴的转速，并发送至微控制器；

所述微控制器用于通过车轮轴的转速和车轮直径计算得到车辆的行驶速度；

位移传感器5-6用于检测入土切割深度，并将采集的数据发送至微控制器，

所述微控制器用于处理数据并发送至车载终端，所述车载终端用于实时显示接收的数据，

所述安装于仿形检测机构上的深度相机5-5用于采集地面图像信息，并将采集的地面图像信息发送至车载终端，所述车载终端接收安装于甘蔗收获机机架上的深度相机5-5采集的地面图像信息，并检测识别是否存在甘蔗倒伏，当检测到甘蔗倒伏时，车载终端识别出甘蔗直径，并将此信息反馈给微控制器，微控制器根据位移传感器5-6采集得到的入土切割深度与车载终端识别出的甘蔗直径做出位移补偿，确保最终得到的入土切割深度的准确性；

所述安装于甘蔗收获机的机架上的深度相机5-5用于采集地面图像信息，并将采集的地面图像信息发送至车载终端，所述车载终端用于根据安装于甘蔗收获机的机架上的深度相机5-5采集的地面图像信息，检测甘蔗收获机作业后的甘蔗破头率，并将甘蔗破头率信息发送至微控制器；

所述微控制器用于接收甘蔗破头率信息，并对甘蔗破头率信息进行分析，通过执行机构控制甘蔗收获机的刀具的升降，当甘蔗破头率急剧升高时，微控制器通过执行机构控制甘蔗收获机的刀具的下降。

在上述方案的基础上，所述仿形检测机构包括：仿形预紧弹簧杆5-2、带有滑槽的仿形杆5-3和仿形轮5-4；

所述带有滑槽的仿形杆5-3的上端与固定支架5-1连接，所述带有滑槽的仿形杆5-3的下端与仿形轮5-4连接，所述仿形预紧弹簧杆5-2的一端与带有滑槽的仿形杆5-3连接，所述仿形预紧弹簧杆5-2的另一端与甘蔗收获机的机架连接；

在上述方案的基础上，所述位移传感器5-6和深度相机5-5安装于带有滑槽的仿形杆5-3上。

在上述方案的基础上，所述车载终端上设有计算机视觉与深度学习算法，通过对两个深度相机5-5采集地面图像信息进行识别，分别得到甘蔗倒伏图像和甘蔗破头图像数据，对甘蔗倒伏图像和甘蔗破头图像数据进行分析，最终检测到倒伏甘蔗的直径和甘蔗收获机作业后的甘蔗破头率。

在上述方案的基础上，所述执行机构包括：继电器、电磁阀、电磁换向阀和液压缸；所述微处理器与继电器连接，所述继电器通过电磁阀与电磁换向阀连接，所述电磁换向阀与液压缸连接；

所述微控制器用于控制继电器的开关，进而控制所述电磁阀，所述电磁阀通过电磁换向阀来控制所述液压缸，进而控制刀具的升降。

在上述方案的基础上，所述微控制器解算各个传感器的数据并将解算后的数据发送给所述车载终端，所述车载终端用于接收解算后的数据，并对解算后的数据进行可视化处理，所述微控制器得到车载终端的反馈后控制执行机构动作。

在上述方案的基础上，所述微控制器还包括HC-05模块，所述微控制器与车载终端通过HC-05模块无线连接，用于通过HC-05模块将数据发送至车载终端。

在上述方案的基础上，所述车载终端上还设置有数据上传模块，所述数据上传模块用于上传数据至数据库并生成本地文件保存。

在上述方案的基础上，所述车载终端上还设有数据处理模块，所述数据处理模块用于将获取的数据进行处理分析，拟相关参数曲线，具体包括：以车辆行驶速度为基准分析各个传感器数据采集、执行机构动作执行滞后情况，并将滞后情况反馈给所述微控制。

在上述方案的基础上，所述车载终端上还设置有API接口，所述API接口用于获取地理位置和天气信息，并在车载终端上显示当地的气象数据。

在上述方案的基础上，所述深度相机采用Intel RealSense Depth Camera D435

本发明的有益效果：

本发明提供一种甘蔗收获机入土切割智能监控系统，可实现对甘蔗收获机入土切割深度、刀具磨损情况、甘蔗破头率、刀具转速、车辆行驶速度、发动机油液温度六个参数进行实时检测、显示与保存，并通过数据分析与处理，拟合相关参数实时曲线图，同时实现了甘蔗破头率高实时预警功能。所述微控制器负责将传感器采集的数据经解算后发送给车载终端，所述车载终端根据深度相机5-5获取的数据进行计算，可得出当前甘蔗破头率，当甘蔗破头率增大时，所述车载终端将信息反馈给所述微控制器，微控制器控制执行机构，进而控制甘蔗收获机的刀具高度。这些功能的实现有效的解决了驾驶员对甘蔗收获机作业情况了解不及时，无法实时查看刀具入土切割深度、刀具高度无法根据作业情况和无法跟随地表起伏及时调整等问题，提高了甘蔗收获机信息智能化水平。

附图说明

本发明有如下附图：

图1为本发明实施例的甘蔗收获机入土切割智能监控系统框架图。

图2为本发明实施例机器视觉与深度学习示意图。

图3为本发明实施例微控制器控制执行机构动作示意图。

图4为本发明实施例旋转编码器、扭矩传感器安装部位示意图。

图5为仿形检测机构示意图。

附图标记：

4-1旋转编码器、4-2扭矩传感器、4-3刀具轴、4-4刀片、5-1固定支架、5-2预紧弹簧杆、5-3带滑槽的仿形杆、5-4仿形轮、5-5深度相机、5-6位移传感器。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，一种甘蔗收获机入土切割智能监控系统，如图1至图5所示。

甘蔗收获机入土切割智能监控系统如图1所示，包括车载终端、数据采集传感器和控制系统。

数据采集部分包括位移传感器5-6，扭矩传感器，深度相机5-5，旋转编码器4-1和温度传感器。

所述位移传感器5-6用于检测入土切割深度，所述扭矩传感器用于监测刀具磨损情况，所述深度相机5-5用于检测甘蔗破头率，所述旋转编码器4-1用于检测刀具转速、车辆行驶速度；所述温度传感器用于检测发动机油液温度，

控制部分主要以所述微控制器为核心，解算传感器采集到的数据，通过HC-05模块发送数据给车载终端，接收车载终端的反馈信息后控制执行机构动作，进而控制刀具的高度随地表起伏变化进行实时调整。车载终端主要负责处理由所述微控制器发送的数据并将数据显示在车载终端，实现了数据的可视化，同时将获取到的数据上传并保存到本地，数据经过车载终端处理后在车载终端上进行曲线拟合与分析，以车辆行驶速度为基准分析传感器数据采集、执行机构动作执行滞后情况，并将信息反馈给所述微控制器。

甘蔗收获机入土切割智能监控系统不仅实现了人机交互，也实现了甘蔗收获机入土切割深度监测并自动调整，监测数据的保存等功能。

检测并计算甘蔗破头率的机器视觉与深度学习的过程如图2所示，通过设置于甘蔗收获机机架上的深度相机5-5完成，深度相机5-5采集到甘蔗破头图像数据并将其传输给所述车载终端进行处理，所述车载终端将获取到的图像数据与标签转化成数组，并对其进行简单的处理后随机选择测试集与训练集，由卷积神经网络进行卷积运算，确定卷积核并选择性搜索特征图，由因为全连接层需要相同维度大小的输入，不同目标的特征图尺寸大小不一，因此在最后一个卷积层加入感兴趣区域池化层，目的是为了将所有候选区域都池化为同维度的特征向量,这些同维度的特征向量将会输送给全连接层。进一步的，使用Softmax函数代替原来的SVM分类器，同时将分类和回归都放在一个网络中进行训练。经过训练后生成训练模型，运用此模型进行目标的检测与识别。

微控制器控制执行机构动作过程如图3所示，所述执行机构包括由双作用液压缸、液压同步马达、三位四通电磁换向阀、溢流阀、液压油箱和油泵等。所述微控制器控制所述继电器的开关动作，进而通过电磁阀控制电磁换向阀的油液流动方向，实现液压缸的伸缩动作。当液压缸伸出时，甘蔗收获机的刀具被抬起，完成调高动作，当液压缸收缩时，甘蔗收获机的刀具被降低，完成调低动作。

液压油由拖拉机油泵提供，油泵中出来的液压油过溢流阀可使液压系统系统油压力维持恒定。此时流经三位四通电磁换向阀，一端通电经过油路变换后进入溢流阀控制出油液压流量，经由液压同步马达然后由有杆腔进油，可使液压缸实现油缸伸出动作；当电磁换向阀另一端通电时，无杆腔进油，可实现油缸收缩动作，进而实现甘蔗收获机入土切割深度控制功能。

甘蔗收获机的刀具包括：刀具轴4-3、刀具连接板和若干刀片4-4，所述若干刀片4-4均匀设置于刀具连接板的一个面上，所述刀具轴4-3与刀具连接板的另一个面相连接，

所述两个旋转编码器4-1分别安装于车轮轴上和刀具轴上，如图4所示。安装于刀具轴上的旋转编码器4-1可直接测量刀具轴4-3的转速，安装于车轮轴上的旋转编码器4-1在检测车辆行驶速度时，先测量与所测车轮所连接的车轮轴的转速，再通过车轮直径计算得到车辆的行驶速度。

所述扭矩传感器4-2安装于刀具轴4-3上，通过实验与标定获取不同磨损程度的刀具入土时的扭矩变化范围与入土切割甘蔗时的变化范围；

本申请中扭矩数据信息实时显示在所述车载终端上，通过扭矩数据的变化和破头率数据的变化选择，是否需要更换刀具。

以全新刀具入土时的扭矩数据作为标准值，当扭矩数据升高到标准值的150％时，并且，当甘蔗破头率急剧升高时，进行刀具更换。

所述检测甘蔗收获机刀具入土深度的仿形检测机构如图5所示，包括仿形预紧弹簧杆5-2、带有滑槽的仿形杆5-3和仿形轮5-4。

仿形检测机构通过固定支架5-1与甘蔗收获机的机架固定，位于甘蔗收获机刀具的前方，仿形预紧弹簧杆5-2用于为带有滑槽的仿形杆5-3和仿形轮5-4提供弹力，确保仿形轮5-4紧压地面，仿形轮5-4经过高地面时，仿形预紧弹簧杆5-2压缩，带有滑槽的仿形杆5-3向上运动一段距离，仿形轮5-4经过低路面时，仿形预紧弹簧杆5-2为仿形轮5-4提供压力，带有滑槽的仿形杆5-3向下运动一段距离。通过位移传感器5-6采集带有滑槽的仿形杆5-3的位移数据，同时通过深深度相机5-5检测与识别地表是否存在倒伏甘蔗，当检测到地面有倒伏甘蔗时，车载终端将此信息反馈给微控制器，微控制器处理位移传感器5-6采集到数据后根据识别出的甘蔗直径做出位移补偿，确保的数据的准确性。为保证测量精度，尽可能降低振动对位移传感器5-6的影响，将位移传感器5-6安装与带有滑槽的仿形杆5-3上，采集到数据为带有滑槽的仿形杆5-3的位移数据，同时仿形预紧弹簧杆5-2也能起到减震缓冲作用。为位移传感器5-6提供更可靠的数据采集。

本发明甘蔗收获机刀具入土深度采用间接测量法，仿形检测机构与刀具固定在甘蔗收获机机架上，刀具刚入土时，将位移传感器5-6数据标定为零值，通过测量仿形机构的位移变化信息经过计算后模拟地面起伏信息，进而得到刀具的入土深度。

所述的微控制器还包括HC-05模块，所述HC-05模块通过一种短距离传输的无线协议进行数据通讯，HC-05模块配对后，可当成一条有线的串口线使用。HC-05模块可以取代传统的串口线，省去布线工作，解决了短距离无线数据传输的问题。

所述车载终端安装于驾驶室内，可分别接收来自微控制器和深度相机5-5的数据，显示微控制器所检测的参数，显示深度相机5-5采集到的图像。除了实现人机交互的功能外，还可以对深度相机5-5的图像数据进行处理，实现了对甘蔗破头的检测与识别，同时对接收到的微控制器的数据进行分析与处理，拟合数据曲线。所述车载终端实现了数据显示、高破头率预警、自动调整刀具入土深度等功能。

虽然本发明上述结合附图描述了本发明得实施方式，任何本发明所述技术领域内的技术人员,在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下,本发明凡等效或同等变换或改进所得得技术方案,这些变化均落入本发明的专利保护范围。本发明的专利保护范围均以所附的权利要求书为标准。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种甘蔗收获机入土切割智能监控系统，其特征在于，包括：车载终端、深度相机(5-5)、扭矩传感器(4-2)、温度传感器、位移传感器(5-6)、旋转编码器(4-1)、微控制器、仿形检测机构和执行机构；

所述仿形检测机构通过固定支架(5-1)固定于甘蔗收获机的机架上，并位于甘蔗收获机的刀具前方，所述车载终端安装于甘蔗收获机的驾驶室内，

所述深度相机(5-5)有两个，一个深度相机(5-5)安装于仿形检测机构上，另一个深度相机(5-5)安装于甘蔗收获机的机架上，甘蔗收获机的刀具的后方，所述扭矩传感器(4-2)安装于甘蔗收获机刀具的刀具轴(4-3)上，所述温度传感器安装于甘蔗收获机的发动机油液箱中，所述位移传感器(5-6)安装于仿形检测机构上，所述旋转编码器(4-1)有两个，分别设置于甘蔗收获机的车轮轴上和刀具的刀具轴(4-3)上，所述微控制器和执行机构均安装于甘蔗收获机上；

所述扭矩传感器(4-2)、温度传感器、位移传感器(5-6)和旋转编码器(4-1)均与微控制器连接，微控制器与车载终端连接，所述车载终端与深度相机(5-5)连接；所述微控制器还与执行机构连接，所述执行机构与甘蔗收获机的刀具连接；

所述扭矩传感器(4-2)用于检测甘蔗收获机的刀具入土切割时扭矩数据，通过扭矩数据变化，监测甘蔗收获机刀具磨损情况；

所述温度传感器用于检测发动机油液的温度，并发送至微控制器；

所述两个旋转编码器(4-1)分别用于检测刀具轴(4-3)的转速和车轮轴的转速，并发送至微控制器；

所述微控制器用于通过车轮轴的转速和车轮直径计算得到车辆的行驶速度；

位移传感器(5-6)用于检测入土切割深度，并将采集的数据发送至微控制器，

所述微控制器用于处理数据并发送至车载终端，所述车载终端用于实时显示接收的数据，

所述安装于仿形检测机构上的深度相机(5-5)用于采集地面图像信息，并将采集的地面图像信息发送至车载终端，所述车载终端接收安装于甘蔗收获机机架上的深度相机(5-5)采集的地面图像信息，并检测识别是否存在甘蔗倒伏，当检测到甘蔗倒伏时，车载终端识别出甘蔗直径，并将此信息反馈给微控制器，微控制器根据位移传感器(5-6)采集得到的入土切割深度与车载终端识别出的甘蔗直径做出位移补偿，确保最终得到的入土切割深度的准确性；

所述安装于甘蔗收获机的机架上的深度相机(5-5)用于采集地面图像信息，并将采集的地面图像信息发送至车载终端，所述车载终端用于根据安装于甘蔗收获机的机架上的深度相机(5-5)采集的地面图像信息，检测甘蔗收获机作业后的甘蔗破头率，并将甘蔗破头率信息发送至微控制器；

所述微控制器用于接收甘蔗破头率信息，并对甘蔗破头率信息进行分析，通过执行机构控制甘蔗收获机的刀具的升降。

2.如权利要求1所述的甘蔗收获机入土切割智能监控系统，其特征在于，所述仿形检测机构包括：仿形预紧弹簧杆(5-2)、带有滑槽的仿形杆(5-3)和仿形轮(5-4)；

所述带有滑槽的仿形杆(5-3)的上端与固定支架(5-1)连接，所述带有滑槽的仿形杆(5-3)的下端与仿形轮(5-4)连接，所述仿形预紧弹簧杆(5-2)的一端与带有滑槽的仿形杆(5-3)连接，所述仿形预紧弹簧杆(5-2)的另一端与甘蔗收获机的机架连接。

3.如权利要求2所述的甘蔗收获机入土切割智能监控系统，其特征在于，所述位移传感器(5-6)和深度相机(5-5)安装于带有滑槽的仿形杆(5-3)上。

4.如权利要求1所述的甘蔗收获机入土切割智能监控系统，其特征在于，所述车载终端上设有计算机视觉与深度学习算法，通过对两个深度相机(5-5)采集地面图像信息进行识别，分别得到甘蔗倒伏图像和甘蔗破头图像数据，对甘蔗倒伏图像和甘蔗破头图像数据进行分析，最终检测到倒伏甘蔗的直径和甘蔗收获机作业后的甘蔗破头率。

5.如权利要求1所述的甘蔗收获机入土切割智能监控系统，其特征在于，所述执行机构包括：继电器、电磁阀、电磁换向阀和液压缸；所述微处理器与继电器连接，所述继电器通过电磁阀与电磁换向阀连接，所述电磁换向阀与液压缸连接；

所述微控制器用于控制继电器的开关，进而控制所述电磁阀，所述电磁阀通过电磁换向阀来控制所述液压缸，进而控制刀具的升降。

6.如权利要求1所述的甘蔗收获机入土切割智能监控系统，其特征在于，所述微控制器解算各个传感器的数据并将解算后的数据发送给所述车载终端，所述车载终端用于接收解算后的数据，并对解算后的数据进行可视化处理，所述微控制器得到车载终端的反馈后控制执行机构动作。

7.如权利要求1所述的甘蔗收获机入土切割智能监控系统，其特征在于，所述微控制器还包括HC-05模块，所述微控制器与车载终端通过HC-05模块无线连接，用于通过HC-05模块将数据发送至车载终端。

8.如权利要求1所述的甘蔗收获机入土切割智能监控系统，其特征在于，所述车载终端上还设置有数据上传模块，所述数据上传模块用于上传数据至数据库并生成本地文件保存。

9.如权利要求1所述的甘蔗收获机入土切割智能监控系统，其特征在于，所述车载终端上还设置有API接口，所述API接口用于获取地理位置和天气信息，并在车载终端上显示当地的气象数据。

10.如权利要求1所述的甘蔗收获机入土切割智能监控系统，其特征在于，所述深度相机采用Intel RealSense Depth Camera D435。

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