CN113661827B - 一种激光传感器的倒伏检测割台自适应装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光传感器的倒伏检测割台自适应装置及控制方法，包括总体传动结构和激光传感器控制结构：所述总体传动结构包括滚轮转轴、收割部、电机底板、收割部传动履带、电机A传动轴、电机臂、大功率电机A、大功率电机B、电机B传动轴、滚轮传动履带、收割部转轴；所述激光传感器控制结构包括电机底板(4)、抬高立柱(13)、控制底板(15)、电池(16)、分电板(17)、降压模块(18)、电调(19)、主控板(20)、小功率电机(21)、激光传感器底板(22)、激光传感器(23)、管夹(24)、激光传感器转轴(25)、转轴稳固轴承(26)；本发明有选择地下放收割部，提高了收割的准确率。

Description

一种激光传感器的倒伏检测割台自适应装置及控制方法

技术领域

本发明涉及农业机械技术领域，具体的说，涉及一种激光传感器的倒伏检测割台自适应装置及控制方法。

背景技术

由于作物倒伏时，联合收割机按照普通的收割方式进行收割会出现漏割现象，造成大量的浪费。为了解决这个问题，传统联合收割机一般通过控制端操作下放收割部减少漏割。可该方法完全依靠人眼判断作物的倒伏状态，完全依赖操控者的经验，精确度较低，且非常消耗时间和精力。在当前劳动力短缺的社会背景下，有必要使得联合收割机自动识别倒伏情况并加以控制。

专利CN109068591中设计的联合收割机利用损耗传感器计算出损耗量，以此控制联合收割机速度的做法一定程度可以减少损耗，但没有从根本上解决作物倒伏的问题，作业的精度很低。并且当倒伏区域过于密集时收割到的作物过少还会使得控制失效。

传统联合收割机都聚焦于收割机内部的结构设计，以减少收割机内部的损耗量。可实际收割过程中，由于作物倒伏导致收割精度降低带来的损耗远大于内部消耗。改良联合收割机的内部结构一定程度上减少了损耗，却没有在产生损耗的根源上进行优化。

专利CN112888304中设计的联合收割机虽然可以对作物进行多次处理，但依旧是在收割机内部对作物进行处理，不能解决作物倒伏的问题。

目前，国内尚未有实现智能化抗倒伏的联合收割机，面对作物倒伏时多依靠人力对联合收割机进行调整操作，精确度低且费时费力。本发明相对于传统联合收割机的收割部，成本更低且可靠性高。本发明在判断作物倒伏上实现智能化，利用机器识别代替人力识别，不仅提高了作业的精度，且节省了人力和时间。

发明内容

本发明的目的是设计了可操作性较高、成本较低、可靠性较高的一种激光传感器的倒伏检测割台自适应装置及控制方法。本发明采用激光传感器判断作物的倒伏情况，提前控制联合收割机收割部割取谷物的精确度，适应精细化的作业。本发明的结构特色在于，使用小功率电机对激光传感器的扫描位置进行调整，使激光传感器在固定的角度范围内按给定的速度进行上下扫描，从而获得前方的三维点云数据，判断出作物的倒伏状态。其可操作性高，结构简单且适应能力强。

本发明一种激光传感器的倒伏检测割台自适应装置的技术方案包括总体传动结构和激光传感器控制结构：

所述总体传动结构包括滚轮转轴(1)、收割部(2)、电机底板(4)、收割部传动履带(5)、电机A传动轴(6)、电机臂(7)、大功率电机A(8)、大功率电机B(10)、电机B传动轴(11)、滚轮传动履带(12)、收割部转轴(14)；所述电机底板(4)固定于收割部(2)上方，大功率电机A(8)、大功率电机B(10)利用定位孔对称固定于电机底板(4)上；大功率电机A(8)通过电机臂(7)的定位孔与电机A传动轴(6)相连接，电机A传动轴(6)通过收割部传动履带(5)向收割部转轴(14)传递转矩，实现传动；大功率电机B(10)通过电机臂(7)的定位孔与电机B传动轴(11)相连接，电机B传动轴(11)通过滚轮传动履带(12)向滚轮转轴(1)传递转矩，实现传动；

所述激光传感器控制结构包括电机底板(4)、抬高立柱(13)、控制底板(15)、电池(16)、分电板(17)、降压模块(18)、电调(19)、主控板(20)、小功率电机(21)、激光传感器底板(22)、激光传感器(23)、管夹(24)、激光传感器转轴(25)、转轴稳固轴承(26)；所述控制底板(15)通过抬高立柱(13)立于电机底板(4)上方，电池(16)、分电板(17)、降压模块(18)、主控板(20)和三个电调(19)都使用双层胶粘在控制底板(15)上；小功率电机(21)使用L型支架固定在控制底板(15)靠前位置，通过电机臂(7)与激光传感器转轴(25)相连接，激光传感器转轴(25)另一端用转轴稳固轴承(26)进行固定；在激光传感器转轴(25)的中央利用管夹(24)与激光传感器底板(22)固定激光传感器(23)。

进一步，电池(16)、分电板(17)、降压模块(18)、主控板(20)、小功率电机(21)都固定在控制底板(15)上方，大功率电机A(8)和大功率电机B(10)分别对称固定在控制底板(15)的下方；电池的正负极通过导线连接到分电板上，分电板引导线接至三个电调(19)上，电调将直流电转换为三相电，用导线分别接到大功率电机A、大功率电机B和小功率电机调节转轴的转动。再从分电板引线先接降压模块后接到主控板的电源接口，主控板的PWM波通道接电调的PWM波信号线，以此实现对电机的控制。

进一步，所述电池(16)引出4根电源线，其中2根连接至分电板上，对电机上的大电流进行分流处理，另外2根电源线连接至降压模块，为降压模块提供输入电压。

进一步，所述降压模块(18)是对输入电压进行降压与限流，输出端通过2根14awg硅胶线与主控板相连；所述分电板接收电源端的电压，输出4根电源线和2个电调相连；所述电调一方面需要来自分电板的2根电源输入，另一方面还需要连接来自主控板的1根信号输入和1根模拟信号地线，其输出的3根线与电机直接相连。

一种激光传感器的倒伏检测割台自适应装置的控制方法，包括以下几个步骤：

步骤1，将电源上的总开关打开，使得小功率电机(21)与主控板(20)分别上电，大功率电机A(8)与大功率电机B(10)依靠内部柴油发电机上电；

步骤2，联合收割机前进时，主控板(20)控制大功率电机A(8)将收割部调整至水平位置，同时主控板给予大功率电机B(10)一个基础转速；

步骤3，对激光传感器(23)进行数据预处理；首先，采用感兴趣区域提取只保留联合收割机前方给定区域阈值范围内的数据；其次，利用统计滤波器过滤数据中的离群点；

步骤4，给定小功率电机(21)一个基础转速，带动激光传感器(23)在固定的角度范围内进行上下重复扫描，微处理器接收并存储激光传感器的点云数据，将一个完整扫描周期的点云数据在串口屏显示；

步骤5，微处理器对N帧激光点云数据进行分析处理，通过PID调节输出，选择不同的收割方式。

进一步，激光传感器扫描主要基于TOF原理实现。

进一步，所述步骤4具体包括：

通过激光传感器的扫描频率得到激光传感器采集一帧数据所需要的的时间t_laser，根据小功率电机的基础转速n和固定的角度大小θ可求出一个完整的上下扫描周期的时间t_cycle，从而可以求出该角度范围内激光传感器的帧数N：

ω＝2πn (1)

其中，ω为小功率电动机的角速度，int()对激光传感器帧数进行取整，根据公式(1)(2)(3)求出一个完整上下扫描角度范围内的激光帧数为N，微处理器接收并存储N帧激光点云数据，将其显示在串口屏，可直观地观察到联合收割机前方的物体距离信息。

进一步，所述步骤5具体包括：

微处理器接收并存储N帧激光点云数据，并对N帧数据作为一个完整扫描周期进行处理；首先，通过最小二乘法对地面拟合方程(4)进行求解：

ax+by+cy＝d (4)

得到参数a,b,c,d的值，对任意数据点(x_i,y_i,z_i)计算该点的平面值d_i,设定平面阈值Δd，若|d_i-d|＜Δd，则认为该点属于地面点，对地面点进行滤除；

其次，对非地面点云数据进行基于密度的噪声应用空间聚类(DBSCAN)，通过区域增长的方法将物体分别聚成不同的簇，根据聚类结果，对每一个簇进行特征分析，作物倒伏状态与正常生长的状态的数据分布存在明显差异：

倒伏的作物点云数据通常在垂直方向数据量小，往水平方向倒伏延伸，作物之间缠绕在一起，数据密集；正常生长的作物点云数据在垂直方向分布均匀，数据量多，并且作物与作物水平方向之间存在均匀的空隙，数据点在水平方向会存在明显的跳变，根据聚类效果的数据特征信息可以对作物的倒伏状态进行区分；当检测结果为倒伏时，联合收割机进行减速，并下放收割部，以确保收割的精度，待倒伏区域收割完毕后联合收割机恢复为原速度，同时收割部恢复水平；当检测结果为非倒伏时，保持联合收割机的原速度不变，同时保持收割部的水平，以确保收割速度。

本发明的有益效果是：

1)利用激光传感器对作物的倒伏情况进行检测，有选择地下放收割部，提高了收割的准确率，减少了作物再收个过程中的损耗，提高了经济效益。

2)利用小功率电机按给定转速带动激光传感器在固定角度范围内上下重复扫描，实现二维激光传感器获取三维空间数据信息的功能，成本低同时增加数据的解析度。

3)划分激光传感器的检测范围，滤除地面点云数据，有效降低点云数据数据量，提高算法的实时性和对作物检测的准确性。

4)利用DBSCAN算法聚类可发现数据空间中任意的形状的簇，并且具有一定的抗噪声能力。对聚类结果进行特征分析提取可准确获得作物的倒伏情况。

5)在收割过程中，根据作物的倒伏情况调整联合收割机的速度，在检测到作物倒伏时，联合收割机适当减小速度；当未检测到作物倒伏时，联合收割机保持原速度。根据作物的倒伏情况分情况调整联合收割机的速度，提高了联合收割机的运行效率。

6)本发明使用小功率电机控制激光传感器的扫描角度，以适应不同作物的倒伏检测，减少了人工调整收割部下放可能对倒伏作物的遗漏，提高了整个发明设计的智能化程度，节省了人力判断操作的过程。

附图说明

图1是基于激光传感器的倒伏检测联合收割机收割部的俯视图；

图2是基于激光传感器的倒伏检测联合收割机收割部的侧视图；

图3是基于激光传感器的倒伏检测联合收割机收割部激光传感器控制结构的局部放大图。

其中：1-滚轮转轴；2-收割部；3-滚轮；4-电机底板；5-收割部传动履带；6-电机A传动轴；7-电机臂；8-大功率电机A；9-激光传感器控制结构；10-大功率电机B；11-电机B传动轴；12-滚轮传动履带；13-抬高立柱；14-收割部转轴；15-控制底板；16-电池；17-分电板；18-降压模块；19-电调；20-主控板；21-小功率电机；22-激光传感器底板；23-激光传感器；24-管夹；25-激光传感器转轴；26-转轴稳固轴承。

具体实施方式

下面结合示意图具体说明所发明的下面结合示意图具体说明所发明的基于激光传感器的倒伏检测联合收割机收割部的工作过程。

如图1所示，基于激光传感器的倒伏检测联合收割机收割部的俯视图，由滚轮转轴(1)、收割部(2)、滚轮(3)、电机底板(4)、收割部传动履带(5)、电机A传动轴(6)、电机臂(7)、大功率电机A(8)、激光传感器控制结构(9)、大功率电机B(10)、电机B传动轴(11)、滚轮传动履带(12)、收割部转轴(14)。电机底板固定在收割部上方，大功率电机A、大功率电机B利用定位孔对称固定于电机底板上；大功率电机A通过电机臂的定位孔与电机A传动轴相连接，电机A传动轴通过收割部传动履带向收割部转轴传递转矩，实现传动；大功率电机B通过电机臂的定位孔与电机B传动轴相连接，电机B传动轴通过滚轮传动履带向滚轮转轴传递转矩，实现传动，滚轮转轴带动滚轮一起转动。

如图2所示，基于激光传感器的倒伏检测联合收割机收割部的侧视图，由滚轮转轴(1)、收割部(2)、滚轮(3)、电机底板(4)、收割部传动履带(5)、电机B传动轴(11)、滚轮传动履带(12)、抬高立柱(13)、收割部转轴(14)、控制底板(15)。电机B传动轴通过滚轮传动履带向滚轮转轴传递转矩，带动滚轮转动；收割部传动轴向收割部传动轴传递转矩，控制收割部的下放与水平复原；控制底板通过抬高立柱和定位孔、M3螺丝固定在电机底板上方。

如图3所示，基于激光传感器的倒伏检测联合收割机收割部激光传感器控制结构的局部放大图，由控制底板(15)、电池(16)、分电板(17)、降压模块(18)、电调(19)、主控板(20)、小功率电机(21)、电机臂(7)、激光传感器底板(22)、激光传感器(23)、管夹(24)、激光传感器转轴(25)、转轴稳固轴承(26)。电池、分电板、降压模块、主控板和三个电调都使用双层胶粘在控制底板上；小功率电机使用L型支架固定在控制底板靠前位置，通过电机臂与激光传感器转轴相连接，激光传感器转轴另一端用转轴稳固轴承进行固定；在激光传感器转轴的中央利用管夹与激光传感器底板固定激光传感器。电池的正负极通过导线连接到分电板上，既增加了电源的接口，也稳定了电流。分电板引导线接至三个电调上，电调将直流电转换为三相电，用导线接到对应电机上调节转轴的转速。再从分电板引线先接降压模块后接到主控板的电源接口，主控板的PWM波通道接电调的PWM波信号线，以此实现对电机的控制。

本发明的一种激光传感器的倒伏检测割台自适应装置的控制方法，包括以下几个步骤：

步骤1，将电源上的总开关打开，使得小功率电机(21)与主控板(20)分别上电，大功率电机A(8)与大功率电机B(10)依靠内部柴油发电机上电；

步骤2，联合收割机前进时，主控板(20)控制大功率电机A(8)将收割部调整至水平位置，同时主控板给予大功率电机B(10)一个基础转速；

步骤3，对激光传感器(23)进行数据预处理；首先，采用感兴趣区域提取只保留联合收割机前方给定区域阈值范围内的数据；其次，利用统计滤波器过滤数据中的离群点；

步骤4，给定小功率电机(21)一个基础转速，带动激光传感器(23)在固定的角度范围内进行上下重复扫描，微处理器接收并存储激光传感器的点云数据，将一个完整扫描周期的点云数据在串口屏显示；

步骤5，微处理器对N帧激光点云数据进行分析处理，通过PID调节输出，选择不同的收割方式。

上述激光传感器扫描主要基于TOF原理实现。

上述步骤4具体包括：

通过激光传感器的扫描频率得到激光传感器采集一帧数据所需要的的时间t_laser，根据小功率电机的基础转速n和固定的角度大小θ可求出一个完整的上下扫描周期的时间t_cycle，从而可以求出该角度范围内激光传感器的帧数N：

ω＝2πn (1)

其中，ω为小功率电动机的角速度，int()对激光传感器帧数进行取整，根据公式(1)(2)(3)求出一个完整上下扫描角度范围内的激光帧数为N，微处理器接收并存储N帧激光点云数据，将其显示在串口屏，可直观地观察到联合收割机前方的物体距离信息。

上述步骤5具体包括：

微处理器接收并存储N帧激光点云数据，并对N帧数据作为一个完整扫描周期进行处理；首先，通过最小二乘法对地面拟合方程(4)进行求解：

ax+by+cy＝d (4)

得到参数a,b,c,d的值，对任意数据点(x_i,y_i,z_i)计算该点的平面值d_i,设定平面阈值Δd，若|d_i-d|＜Δd，则认为该点属于地面点，对地面点进行滤除；

其次，对非地面点云数据进行基于密度的噪声应用空间聚类(DBSCAN)，通过区域增长的方法将物体分别聚成不同的簇，根据聚类结果，对每一个簇进行特征分析，作物倒伏状态与正常生长的状态的数据分布存在明显差异：

倒伏的作物点云数据通常在垂直方向数据量小，往水平方向倒伏延伸，作物之间缠绕在一起，数据密集；正常生长的作物点云数据在垂直方向分布均匀，数据量多，并且作物与作物水平方向之间存在均匀的空隙，数据点在水平方向会存在明显的跳变，根据聚类效果的数据特征信息可以对作物的倒伏状态进行区分；当检测结果为倒伏时，联合收割机进行减速，并下放收割部，以确保收割的精度，待倒伏区域收割完毕后联合收割机恢复为原速度，同时收割部恢复水平；当检测结果为非倒伏时，保持联合收割机的原速度不变，同时保持收割部的水平，以确保收割速度。

Claims (8)

1.一种激光传感器的倒伏检测割台自适应装置，其特征在于，包括总体传动结构和激光传感器控制结构：

所述总体传动结构包括滚轮转轴(1)、收割部(2)、电机底板(4)、收割部传动履带(5)、电机A传动轴(6)、电机臂(7)、大功率电机A(8)、大功率电机B(10)、电机B传动轴(11)、滚轮传动履带(12)、收割部转轴(14)；所述电机底板(4)固定于收割部(2)上方，大功率电机A(8)、大功率电机B(10)利用定位孔对称固定于电机底板(4)上；大功率电机A(8)通过电机臂(7)的定位孔与电机A传动轴(6)相连接，电机A传动轴(6)通过收割部传动履带(5)向收割部转轴(14)传递转矩，实现传动；大功率电机B(10)通过电机臂(7)的定位孔与电机B传动轴(11)相连接，电机B传动轴(11)通过滚轮传动履带(12)向滚轮转轴(1)传递转矩，实现传动；

所述激光传感器控制结构包括电机底板(4)、抬高立柱(13)、控制底板(15)、电池(16)、分电板(17)、降压模块(18)、电调(19)、主控板(20)、小功率电机(21)、激光传感器底板(22)、激光传感器(23)、管夹(24)、激光传感器转轴(25)、转轴稳固轴承(26)；所述控制底板(15)通过抬高立柱(13)立于电机底板(4)上方，电池(16)、分电板(17)、降压模块(18)、主控板(20)和三个电调(19)都使用双层胶粘在控制底板(15)上；小功率电机(21)使用L型支架固定在控制底板(15)靠前位置，通过电机臂(7)与激光传感器转轴(25)相连接，激光传感器转轴(25)另一端用转轴稳固轴承(26)进行固定；在激光传感器转轴(25)的中央利用管夹(24)与激光传感器底板(22)固定激光传感器(23)。

2.根据权利要求1所述的一种激光传感器的倒伏检测割台自适应装置，其特征在于，电池(16)、分电板(17)、降压模块(18)、主控板(20)、小功率电机(21)都固定在控制底板(15)上方，大功率电机A(8)和大功率电机B(10)分别对称固定在控制底板(15)的下方；电池的正负极通过导线连接到分电板上，分电板引导线接至三个电调(19)上，电调将直流电转换为三相电，用导线分别接到大功率电机A、大功率电机B和小功率电机调节转轴的转动。再从分电板引线先接降压模块后接到主控板的电源接口，主控板的PWM波通道接电调的PWM波信号线，以此实现对电机的控制。

3.根据权利要求2所述的一种激光传感器的倒伏检测割台自适应装置，其特征在于，所述电池(16)引出4根电源线，其中2根连接至分电板上，对电机上的大电流进行分流处理，另外2根电源线连接至降压模块，为降压模块提供输入电压。

4.根据权利要求2所述的一种激光传感器的倒伏检测割台自适应装置，其特征在于，所述降压模块(18)是对输入电压进行降压与限流，输出端通过2根14awg硅胶线与主控板相连；所述分电板接收电源端的电压，输出4根电源线和2个电调相连；所述电调一方面需要来自分电板的2根电源输入，另一方面还需要连接来自主控板的1根信号输入和1根模拟信号地线，其输出的3根线与电机直接相连。

5.根据权利要求1所述的一种激光传感器的倒伏检测割台自适应装置的控制方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤1，将电源上的总开关打开，使得小功率电机(21)与主控板(20)分别上电，大功率电机A(8)与大功率电机B(10)依靠内部柴油发电机上电；

步骤2，联合收割机前进时，主控板(20)控制大功率电机A(8)将收割部调整至水平位置，同时主控板给予大功率电机B(10)一个基础转速；

步骤3，对激光传感器(23)进行数据预处理；首先，采用感兴趣区域提取只保留联合收割机前方给定区域阈值范围内的数据；其次，利用统计滤波器过滤数据中的离群点；

步骤4，给定小功率电机(21)一个基础转速，带动激光传感器(23)在固定的角度范围内进行上下重复扫描，微处理器接收并存储激光传感器的点云数据，将一个完整扫描周期的点云数据在串口屏显示；

步骤5，微处理器对N帧激光点云数据进行分析处理，通过PID调节输出，选择不同的收割方式。

6.根据权利要求5所述的一种激光传感器的倒伏检测割台自适应装置的控制方法，其特征在于，激光传感器扫描主要基于TOF原理实现。

7.根据权利要求5所述的一种激光传感器的倒伏检测割台自适应装置的控制方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：

通过激光传感器的扫描频率得到激光传感器采集一帧数据所需要的的时间t_laser，根据小功率电机的基础转速n和固定的角度大小θ可求出一个完整的上下扫描周期的时间t_cycle，从而可以求出该角度范围内激光传感器的帧数N：

ω＝2πn (1)

其中，ω为小功率电动机的角速度，int()对激光传感器帧数进行取整，根据公式(1)(2)(3)求出一个完整上下扫描角度范围内的激光帧数为N，微处理器接收并存储N帧激光点云数据，将其显示在串口屏，可直观地观察到联合收割机前方的物体距离信息。

8.根据权利要求5所述的一种激光传感器的倒伏检测割台自适应装置的控制方法，其特征在于，所述步骤5具体包括：

微处理器接收并存储N帧激光点云数据，并对N帧数据作为一个完整扫描周期进行处理；首先，通过最小二乘法对地面拟合方程(4)进行求解：

ax+by+cy＝d (4)

得到参数a,b,c,d的值，对任意数据点(x_i,y_i,z_i)计算该点的平面值d_i,设定平面阈值Δd，若|d_i-d|＜Δd，则认为该点属于地面点，对地面点进行滤除；

其次，对非地面点云数据进行基于密度的噪声应用空间聚类(DBSCAN)，通过区域增长的方法将物体分别聚成不同的簇，根据聚类结果，对每一个簇进行特征分析，作物倒伏状态与正常生长的状态的数据分布存在明显差异：

倒伏的作物点云数据通常在垂直方向数据量小，往水平方向倒伏延伸，作物之间缠绕在一起，数据密集；正常生长的作物点云数据在垂直方向分布均匀，数据量多，并且作物与作物水平方向之间存在均匀的空隙，数据点在水平方向会存在明显的跳变，根据聚类效果的数据特征信息可以对作物的倒伏状态进行区分；当检测结果为倒伏时，联合收割机进行减速，并下放收割部，以确保收割的精度，待倒伏区域收割完毕后联合收割机恢复为原速度，同时收割部恢复水平；当检测结果为非倒伏时，保持联合收割机的原速度不变，同时保持收割部的水平，以确保收割速度。

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