CN114364253B - 用于分析中心支轴式灌溉系统内的电流和电压水平的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于分析驱动塔电流和电压水平以确定驱动轮状态的系统和方法。根据第一优选实施方案，本发明的该系统包括机器分析模块，该机器分析模块分析来自电感测系统、GPS传感器和陀螺仪传感器的数据。根据另外的优选实施方案，该机器分析模块应用电流/电压感测算法，该电流/电压感测算法基于检测到的选定电动机的操作电流/电压来分析第一驱动轮和第二驱动轮的状态。
Description
相关申请
本申请要求提交于2019年9月12日的美国临时申请No.62/899,174的优先权。
背景技术和技术领域
技术领域
本发明整体涉及用于灌溉系统管理的系统和方法。更具体地，本发明涉及用于分析驱动塔电流和电压水平以确定驱动轮状态的系统和方法。
背景技术
现有中心支轴式和线性灌溉系统通常包括由一个或多个塔结构支撑的互连跨体(例如，灌溉跨体)，以支撑管道(例如，水管区段)。继而，管道进一步附接到以期望模式喷淋水(或进行其他应用)的喷洒器/喷嘴系统。在这些现代灌溉系统中，大量的动力元件被用于控制灌溉的各个方面。这些元件通常包括用于各种传感器、喷淋器、驱动控制系统、电动机和换能器的远程且独立的电源。
现代灌溉机器的驱动控制系统难以维护和监测。具体地，各个驱动轮的状态在灌溉操作期间通常需要物理检查和监测。这个过程耗时并且经常不准确。即使在被密切监测时，也难以独立于施加到每个轮的负载和每个驱动轮路径的现场条件来评估每个驱动轮的实际性能。因此，操作者通常缺乏关于每个驱动路径的实际现场条件的良好数据。此外，操作者无法分析或理解驱动电动机电流和电压读数的变化。
为了克服现有技术的限制，需要可靠且有效的系统来提供对驱动塔电流和电压水平的分析。此外，需要一种系统来基于现场条件和测量的电流和电压水平来确定驱动轮状态。
发明内容
为了解决现有技术中存在的缺点，本发明提供了一种用于分析驱动塔电流和电压水平以确定驱动轮状态的系统和方法。根据第一优选实施方案，本发明的该系统包括机器分析模块，该机器分析模块分析来自电流/电压感测系统、GPS传感器和陀螺仪传感器的数据。根据另外的优选实施方案，该机器分析模块应用电流感测算法，该电流感测算法基于选定电动机的检测到的电流/电压水平来分析选定驱动轮的状态。
根据另外的优选实施方案，该电流算法包括移动速率算法，该移动速率算法基于对命令的速度与测量的机器速度的比较来确定驱动轮的状态。
根据另外的优选实施方案，该电流算法包括现场位置算法，该现场位置算法基于对驱动轮的操作电流的比较和在驱动单元的位置处现场的所检测到的坡度来确定驱动轮的状态。
根据另外的优选实施方案，电流算法包括距离分析算法，该距离分析算法基于对根据命令的速度确定的计算距离与使用RTK校正的GPS数据(RTK、WAAS等)测量的距离的比较来确定牵引力损失量。
结合在本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出了本发明的各种实施方案，并与描述一起用于解释本发明的原理。
附图说明
图1示出了与本发明一起使用的示例性灌溉系统。
图2示出了根据本发明第一优选实施方案的控制设备的示例性处理架构的框图。
图3示出了根据本发明的另外的优选实施方案的示例性灌溉系统。
图4示出了与本发明一起使用的示例性通信和控制系统的框图。
图5示出了根据本发明的另外的优选实施方案的示例性数据输入的范围的框图。
图6示出了根据本发明的优选实施方案的用于处理电流和电压数据的示例性算法。
图7示出了图6中所示的示例性算法的另外的步骤。
图8示出了图7中所示的示例性算法的另外的步骤。
图9示出了图8中所示的示例性算法的另外的步骤。
具体实施方式
为了促进对本发明的原理的理解，现在将参考附图中所示的实施方式，并使用特定的语言来描述这些实施方案。然而，应当理解，在此不意在限制本发明的范围，并且设想了所示设备的此类更改和进一步修改，正如本领域技术人员通常会想到的。
本文使用的术语“程序”、“计算机程序”、“软件应用程序”、“模块”等被定义为被设计用于在计算机系统上执行的指令序列。程序、计算机程序、模块或软件应用程序可以包括子例程、函数、过程、对象实现、可执行应用程序、小应用程序、小服务程序、源代码、目标代码、共享库、动态链接库和/或被设计用于在计算机系统上执行的其他指令序列。本文定义的术语“数据存储装置”包括允许计算机以电子方式读取和存储到其的数据的任何类型的计算机可读介质。这样的数据存储装置可以包括例如非易失性存储器(诸如ROM)、闪存存储器、RAM、盘驱动存储器、CD-ROM、DVD和其他永久性存储介质。然而，根据本发明的不同实施方案，甚至易失性存储器(诸如RAM)、缓冲器、高速缓存存储器和网络电路也被设想用作数据存储装置。
本文所描述的系统和方法的方面可以被实现为编程到各种电路中的任一种电路中的功能，该电路包括可编程逻辑设备(PLD)，诸如现场可编程门阵列(FPGA)、可编程阵列逻辑(PAL)设备、电可编程逻辑和存储器设备、标准的基于单元的设备，以及专用集成电路(ASIC)。用于实现系统和方法的方面的一些其他可能包括：具有存储器的微控制器、嵌入式微处理器、固件、软件等。此外，系统和方法的方面可以具有基于软件的电路仿真的微处理器、离散逻辑(顺序和组合)、自定义设备、模糊(神经网络)逻辑、量子设备以及任何上述设备类型的混合来体现。
根据本发明的优选实施方案，应当理解，术语“驱动单元”可以优选地包括多个子部件，包括：电动机、控制器、通信设备(诸如PLC等)和对准设备。此外，虽然下文相对于三个示例性塔讨论了本发明，但是在不脱离本发明的精神的情况下，可以根据需要而扩展或减少所使用的塔的数量(即，1-100个塔)。此外，如本文所用的术语“电动机”可以指用于向驱动轮提供扭矩的任何合适的电动机。因此，如本文所用的术语“电动机”可以优选地包括任何类型的电动机，包括：开关磁阻电动机、感应电动机、气体供电的电动机、DC供电的电动机、单相AC电动机等。
图1至图5示出了可与本发明的示例性具体实施一起使用的灌溉系统的各种配置。应该理解，图1至图5所示的灌溉系统是本发明的特征可以集成到其上的示例性系统。因此，图1至图5意在仅为例示性的，并且各种系统(即，固定系统以及线性和中心支轴式自推进灌溉系统；驻定系统；地角系统)中的任一种系统都可以与本发明一起使用而没有限制。例如，参考特定的驱动单元和驱动配置来讨论本发明。然而，本发明可以包括各种另选驱动单元(即，停止/启动驱动单元)和/或驱动配置(即，由标准或变速驱动器(诸如变频驱动器等)控制的驱动单元)中的任一者，而没有限制。
现在参考图1，跨体102、104、106被示出由驱动塔108、109、110支撑。此外，每个驱动塔108、109、110被示出为具有向驱动轮115、116、118提供扭矩的相应电动机117、119、120。如图1进一步所示，灌溉机器100可以优选地还包括可以包括端部枪(未示出)的延伸部/悬伸部121。图1提供了没有许多附加动力元件和传感器的灌溉机器100的图示。
现在参考图3，示出了示例性系统300，其中包括多个示例性动力元件。如图所示，动力元件可包括换能器327、328、330，这些换能器被提供用于控制和调节通过系统的水压。此外，该系统还可包括阀控制器302、304、306，以控制包括端部枪321和其他喷洒器头326的各个喷洒器。如进一步所示，该系统还可包括固态塔箱312、314、316(其包括固态电动机控制器、非接触对准设备和其他部件)，这些固态塔箱优选地互连到相应驱动单元电动机307、309、311。此外，本发明的系统300优选地还可以包括控制/支轴面板308，该控制/支轴面板包括如下文进一步讨论的中央控制器200。
现在参考图2，现在将讨论表示控制灌溉系统300的一个或多个操作方面的功能的示例性控制器/控制设备200。如图2所示，本发明的示例性控制设备200可以优选地包括具有存储器/数据存储模块204的控制器/处理器202。控制器202优选地为控制设备200提供处理功能，并且可以包括任意数量的处理器、微控制器或其他处理系统。控制器202可以执行实现本文所描述的技术和算法的一个或多个软件程序。数据存储模块204是有形计算机可读介质的示例，其提供存储功能以存储与控制设备200的操作相关联的各种数据(诸如上文所提及的软件程序和代码段)，或者指示控制器202和控制设备200的其他元件执行本文所描述的步骤的其他数据。
如进一步所示，示例性控制设备200可以包括电力控制系统206和电力线总线208(其可以包括导电传输线、电路等)，以用于控制电力和控制信号并将电力和控制信号路由到附接到如下文进一步讨论的电力线载波系统的设备。如进一步所示，示例性附接设备可以包括以下设备的混合：系统传感器209(即，GPS/位置检测器、加速度计、陀螺仪/倾斜传感器)、驱动器塔控制器210、阀控制器212、环境传感器214、压力和流量传感器/换能器216，以及如下文进一步讨论的各种其他受电设备中的任一种受电设备。另外，示例性控制设备200可以优选地包括收发器207或与其连接，以用于经由卫星、蜂窝或任何其他无线系统与远程元件通信。
现在参考图4，现在将讨论本发明的示例性通信和控制系统。如图4所示，示例性控制设备401可以优选地与本发明的各种受电设备、传感器和/或电动机通信，并且/或者向它们提供电力。根据优选实施方案，控制设备401可以经由任何有线或无线系统与这些元件通信和/或向这些元件提供电力。此外，通信、控制和电力信号可以被分别控制和传输，或者可以被一起处理和传输。
系统可以优选地进一步利用机器上本地(例如，在驱动单元或塔处)可用的存储数据。根据优选实施方案，本发明的数据可以经由电力线载波或其他传输装置(例如，无线电、LoRa、Zigbee、蓝牙等)传输到收集点(例如，支轴面板或塔箱)或经由任何合适的系统(例如，无线电、蜂窝调制解调器、Wi-Fi、TCP/IP、电力线载波等)传输到中央或分布式计算单元(例如，计算机、边缘计算机或云)。
在图4所示的示例中，控制器402可以经由电力线载波(PLC)404系统、经由PLC总线407等提供电力和控制信号。如图所示，控制器402可以集成在控制设备401(诸如图2中所示的设备200)内。控制器402可以优选地向/从固态塔箱413、417和其他设备发送/接收信号。如图所示，此类设备可以包括：GPS传感器408、415、换能器410、压力传感器411、流量传感器412、电流/电压传感器419、对准传感器422、振动/加速度传感器424、喷嘴控制器409、416、陀螺仪传感器/测坡度装置421、电动机控制器414和电动机传感器420。应当理解，固态塔箱和其他受电设备仅作为示例提供，并且本发明不意在限于使用固态塔箱或受电设备的任何特定混合。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，可以使用机电塔箱来代替固态塔箱。此外，可以使用单独的电力线和控制/通信线(有线和无线)，而没有限制。
现在参考图5，提供了示出提供给本发明的中央控制器500的输入和数据的另外的示例性集合的图。如图所示，向控制器500提供数据的系统和设备可以包括下文所列出的输入。
| 传感器/设备输入 |
| 驱动电动机1传感器502 |
| 驱动电动机2传感器504 |
| 驱动电动机3传感器506 |
| GPS/位置传感器508 |
| 测坡度装置/陀螺仪传感器510 |
| 加速度计/振动传感器512 |
| 对准传感器514 |
| 现场测绘数据库516 |
根据优选实施方案，提供给控制器500的数据可以另选地经由单独的处理器和数据存储装置的任何布置间接地提供给控制器500。例如，传感器数据可以首先被单独的处理器或设备处理、分类、分析并存储。此后，优选地，控制器500根据需要访问经最终处理的数据，以执行本发明的功能和算法。此外，现场测绘数据库516等可以包括多个数据库，并且可以包括第三方数据(例如，USGS勘测数据、卫星数据、人工勘测数据)等。
本发明的控制器可以优选地处理、分析并将机器学习算法应用于上文所讨论的传感器和机器数据。具体地，可以使用算法和/或机器学习来分析数据，以分析传入数据并确定问题或预测的问题。此外，本发明的算法可以命令动作或向适当的人员(例如，操作者、所有者、服务人员或经销商)推荐动作。此类通知还可以向操作者提供可选选项，这些可选选项可以触发由灌溉机器执行的动作，如下文进一步讨论的。
现在参考图6，现在将讨论用于分析电流和/或电压传感器数据的变化的示例性方法/算法600。如下文进一步讨论的，所提供的算法600包括用于接收和分析来自灌溉机器的每个驱动系统的数据的步骤。优选地，所公开的方法可以在灌溉操作期间连续地实时接收和分析来自多个驱动塔和多个驱动轮的数据。根据优选实施方案，所公开的方法可以同时用于一组驱动轮。另选地，本发明的方法可以顺序地用于每个选定的驱动塔和驱动轮。
如图6所示，在第一步骤602处，可以在时间T1和T2记录并存储给定驱动电动机的电流和电压数据。在下一步骤604处，可以在时间T1和T2记录并存储灌溉机器的位置数据。在下一步骤605处，可以在时间T1和T2记录并存储加速计和陀螺仪数据。在下一步骤607处，可以在时间T1和T2记录并存储命令的电力/工作周期数据(即，系统输入的发电机电力)。在下一步骤608处，可以记录并/或从存储器检索检测位置的现场条件数据。
现在参考图7，在下一步骤610处，系统可以优选地确定：对于在步骤607中接收的给定输入电力水平/工作周期，测量的电流或电压水平是否偏离指定水平。如果否，则系统可以返回到步骤602以接收新数据。如果是，则系统可以继续进一步分析一个或多个数据输入。因此，本发明可以继续分析移动速率(步骤612)、现场位置(步骤614)和/或行进距离(步骤615)的一个或多个方面，以确定给定驱动塔和/或驱动轮的状态，如下文进一步讨论的。
移动速率分析
至于移动速率分析(图7，步骤612)，可以使用逻辑、查找表等来分析给定驱动塔的所确定的移动速率以触发动作。在表I中提供了值和事件触发的示例性查找表，并且下文相对于图8对其进行了讨论。
表I.移动速率分析
现在参考图8，示例性移动分析算法可以包括接收或调用在第一时间(T1)和第二时间(T2)的位置数据的第一步骤618。在下一步骤620处，系统可以计算在测量时间段内的地面移动速率(X)。在下一步骤622处，系统可以接收、调用或计算命令的移动速率(Y)(即，输入的移动速率)。在下一步骤624处，系统可以计算运动速率(X)是否小于被选择用于指示受损移动的指定阈值水平(例如，1英尺/分钟)。可以按照需要根据因素诸如轮尺寸、命令的速度等来选择和/或调整选定阈值。在下一步骤626处，如果所确定的速度(X)小于阈值水平，则系统可以优选地生成指示驱动轮被卡住的信号。如果超过初始阈值水平，则系统在步骤628处可以将命令的速度(Y)与所确定的速度进行比较。如果所确定的速度(X)小于命令的速度(Y)的选定百分比(例如，95％)，则系统在步骤630处可以生成指示轮正经受打滑、失去牵引力等的信号。在步骤632处，如果所确定的速度(X)在命令的速度(Y)的可接受范围(即，+/-5％)内，但是具有异常高的电流/电力消耗，则系统在步骤634处可以确定存在电或机械故障并产生传达存在电或机械故障的信号。例如，系统可以触发关于坏轴承、初期电动机故障等的警告。
现场位置数据分析
至于现场位置分析(图7，步骤614)，本发明的系统可以分析给定现场位置的特性以及来自给定驱动塔的电压/电流测量结果，以确定给定驱动轮的状态。根据优选实施方案，现场位置分析可以结合逻辑、查找表等来匹配现场位置和测量的电流值，从而触发通知和/或动作。在表II中提供了值和事件触发的示例性查找表，并且下文相对于图9对其进行了讨论。
表II.现场位置分析
现在参考图9，示例性算法可以包括接收或调用在第一时间(T1)和第二时间(T2)的位置数据的第一步骤700。在下一步骤702处，系统可以查找在测量时间段期间的检测位置的坡度。另选地，系统可以基于来自传感器诸如陀螺仪传感器等的输入来确定坡度。在下一步骤704处，系统可以计算测量的电流值比计算的正常电流值的相对百分比/比率(Z)。计算的正常电流值可以根据检测到的机器规格和条件(例如，速度、重量、RPM等)来确定。根据另选实施方案，可针对测量的电压水平和/或任何其他电特性进行相同计算。
如果所确定的检测位置的坡度为负或零(即，相对于行进方向下或水平)，则系统可以继续分析电流值的相对百分比(Z)。在步骤706处，如果电流值的相对百分比(Z)被确定为低于正常情况，则系统在步骤708中可以推断出较低电流值是由于较低负载事件引起的。在步骤710处，如果确定电流值的相对百分比(Z)在第一给定范围内(例如，100％-130％)，则系统在步骤712处可以推断出较高的值指示机械问题。在步骤714处，如果确定电流值的相对百分比(Z)高于第一给定范围(例如，Z＞130％)，则系统在步骤716处可以推断出并发信号通知给定轮或塔打滑或被卡住。
如果所确定的检测位置的坡度为正(即，相对于行进方向上)，则系统可以继续分析电流值比不同组结果的相对百分比(Z)。例如，在步骤718处，如果电流值的相对百分比(Z)被确定为低于正常情况，则系统在步骤720中可以推断出较低电流值是由于机械问题引起的。在步骤722处，如果确定电流值的相对百分比(Z)在第一给定范围内(例如，100％-130％)，则系统可以在步骤724处推断出较高值可以指示高负载事件。在步骤726处，如果确定电流值的相对百分比(Z)高于第一给定范围(例如，Z＞130％)，则系统在步骤728处可以推断出并发信号通知给定轮或塔打滑或卡住。
RTK-校正的距离分析
对于距离分析(图7，步骤615)，系统可以优选地使用以下公式来计算在给定现场位置处经受的“打滑”/牵引力损失的量：。
此外，系统可以指定给定现场的每个部分的计算百分比以用于稍后参考，并且以提供关于给定现场中的问题区域的通知。使用该存储的数据，系统可以通过将感测到的电流/电压水平与在相同现场位置处以相同感测速度测量的先前电流/电压水平进行比较来确定给定的电流增加是否表示维修问题或现场条件问题。
系统响应
本发明的算法可以优选地还包括预编程响应的集合，这些预编程响应可以由给定驱动轮/塔的给定确定状态触发。优选地，此类响应可以存储在查找表中以用于由控制器执行。另选地，响应可以被结合在由控制器执行的各个指令中。在下表III中提供了示例性响应。
表III.示例性响应
尽管关于本发明的以上描述包含许多特殊性，但这些不应被理解为对范围的限制，而应被理解为示例。许多其他变化是可能的。例如，本发明的处理元件可以多种不同的频率、电压、安培数和总线配置进行操作。此外，本发明的系统可以与包括线性和中心支轴式系统的任何驱动塔布置一起使用。此外，根据需要，本发明内的用于传输数据的过程可以被设计为在本质上是推送的或拉取的。此外，本发明的每个特征可以被远程激活并从远程监测站进行访问。因此，根据需要，数据可以优选地被上传到本发明并从本发明下载。
本发明的范围不应由所例示的实施方案来确定，而是应由所附权利要求及其合法等效物来确定。
Claims (11)
1.一种用于确定灌溉机器内的驱动轮状态的系统，所述系统包括：
第一驱动单元，其中所述第一驱动单元包括第一驱动塔、第一驱动控制器、第一驱动电动机和第一驱动轮；其中所述第一驱动单元还包括第一感测系统；其中所述第一感测系统被配置为测量所述第一驱动电动机的工作周期和操作电流；
第二驱动单元，其中所述第二驱动单元包括第二驱动塔、第二驱动控制器、第二驱动电动机和第二驱动轮；其中所述第二驱动单元还包括第二感测系统；其中所述第二感测系统被配置为测量所述第二驱动电动机的工作周期和操作电流；
第一陀螺仪传感器，其中所述第一陀螺仪传感器被配置为检测所述第一驱动单元的位置处的坡度的大小；
第二陀螺仪传感器，其中所述第二陀螺仪传感器被配置为检测所述第二驱动单元的位置处的坡度的大小；
第一GPS传感器，其中所述第一GPS传感器被配置为检测所述第一驱动单元的所述位置；
第二GPS传感器，其中所述第二GPS传感器被配置为检测所述第二驱动单元的所述位置；
至少一个远程数据库，其中所述至少一个远程数据库包括存储的历史传感器和现场数据；和
机器分析模块，其中所述机器分析模块被配置为分析来自所述第一感测系统和所述第二感测系统、所述第一GPS传感器和所述第二GPS传感器以及所述第一陀螺仪传感器和所述第二陀螺仪传感器的数据；此外，其中所述机器分析模块被配置为应用至少一种电流算法，所述至少一种电流算法基于所述第一驱动电动机和所述第二驱动电动机的所检测到的操作电流来分析所述第一驱动轮和所述第二驱动轮的状态；此外，其中所述机器分析模块被配置为基于所述第一驱动轮和所述第二驱动轮的确定的状态来产生通知；此外，其中所述至少一种电流算法包括从包括现场位置算法和距离分析算法的算法组中选择的算法，所述现场位置算法基于对驱动轮的操作电流的比较和在驱动单元的位置处现场的所检测到的坡度来确定驱动轮的状态，所述距离分析算法基于对根据命令的速度确定的计算距离与使用RTK校正的GPS数据测量的距离的比较来确定牵引力损失量。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述机器分析模块包括移动速率算法；其中所述移动速率算法基于对命令的速度与测量的机器速度的比较来确定驱动轮的所述状态。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述现场位置算法包括基于对所述第一驱动单元的所述操作电流的比较和在所述第一驱动单元的所述位置处的所检测到的坡度来确定所述第一驱动轮的所述状态的算法。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述距离分析算法包括基于计算距离与测量距离的比率来确定所述第一驱动轮的牵引力损失量的算法；其中在测量时间段内基于命令的速度来确定所述计算距离；此外，其中在测量时间段内使用RTK校正的GPS数据来测量所述测量距离。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述机器分析模块包括现场位置算法，所述现场位置算法存储与先前检测到的针对多个现场位置的电流水平相关联的现场位置数据。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述机器分析模块包括维修算法，所述维修算法通过将第一位置处的第一感测到的电流水平与先前针对所述第一位置记录的第二感测到的电流水平进行比较来检测维修问题。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述机器分析模块包括现场条件算法，所述现场条件算法将所述第一位置处的所述第一感测到的电流水平与先前针对所述第一位置记录的所述第二感测到的电流水平进行比较。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述机器分析模块包括响应算法，所述响应算法包括响应于所述灌溉机器的确定状态而触发的多个预编程响应。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述响应算法包括用于关闭所述灌溉机器并在所述机器分析模块检测到维修问题时发出通知的指令。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述现场位置算法基于检测到正坡度和电流值的相对百分比低于正常情况来确定第一机械问题。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述现场位置算法基于检测到负或零坡度以及电流水平超过正常电流值的100％且小于130％来确定第二机械问题。
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