CN114938736A - 一种谷物联合收割机节粮减损预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种谷物联合收割机节粮减损预警方法，属于农业机械技术领域。该方法在主要由损失率数据采集模块、夹带损失率传感器模块、清选损失率传感器模块、破碎含杂率数据采集模块、破碎含杂率传感器模块构成的预警系统中，工控机的预警信号输出端接报警装置，并按损失率计算、损失率合规判断、损失率超标范围判断、报警消除判断、计算破碎含杂率、破碎率合规判断、破碎率超标范围判断、含杂率合规判断、含杂率超标范围判断各步骤实现预警控制。本发明使谷物联合收割机一旦出现不符合节粮减损要求的状况时立即预警，从而为及时调控消除损失因素创造了条件，进而为保证谷物收获效率降低损失奠定了基础。

Description

一种谷物联合收割机节粮减损预警方法

技术领域

本发明涉及一种预警方法，尤其是一种谷物联合收割机节粮减损预警方法，属于农业机械技术领域。

背景技术

长期以来，人工进行谷物收获的损失率达到10%以上，虽然机收损失率可降低到1.5%～5%，但依然不够理想。究其原因，既有机具问题，也有品种、种植方式或立地条件等方面的制约，归根结底是良田、良种、良制、良机、良法“五良”融合不够。人们已经意识到，减少粮食机收损失对于增加粮食产量意义重大。

检索可知，申请号为201020127838.4的中国专利公开了一种联合收割机车况无线远程监控及洒粮报警系统，由谷物检测传感器、仪表通讯接口、第一通信电路、中央处理单元、按键电路、报警电路、显示电路、GPRS 无线模块相互连接构成。该技术方案虽可以远程无线监控当前的车况数据，提高联合收割机的作业进度及收获效率，但由于只能对联合收割机清选损失的监测，没有考虑夹带损失、谷物破碎、谷物含杂等重要的损失因素，因此不能有效避免切实存在的经济损失。

发明内容

本发明的目的在于：针对以上现有技术存在的问题，提出一种不仅兼顾清选、夹带、破碎、含杂等各种损失因素，而且合理确定判断规则的谷物联合收割机节粮减损预警方法，从而为在保证谷物收获效率基础上尽可能降低损失创造条件。

大量深入研究表明，谷物收获节粮减损的目标首先要解决机具的直接损失，之后要考虑收获品质对后期谷物产品价值的影响。损失率直接反应了联合收获机的机体损失，因此理当是节粮减损首当其冲要考量的因素，而联合收割机的收获损失实际发生于夹带损失和清选损失。监控好损失率，方可使联合收获机处于机体损失最小的理想工作状态。在此工作状态下，进一步考量谷物破碎和含杂对后期收获品质的影响才具有切实意义，并且随着谷物产后加工技术的发展，破碎以及含杂可分别通过调整收割机参数等措施得到有效控制。在此认识基础上，为了达到以上目的，本发明谷物联合收割机节粮减损预警方法的基本技术方案为：

含有通过损失率数据采集模块与工控机相应数据采集端连接的夹带损失率传感器模块和清选损失率传感器模块、通过破碎含杂率数据采集模块与工控机相应数据采集端连接的破碎含杂率传感器模块，所述工控机的预警信号输出端接报警装置；工作时，所述工控机按以下步骤进行报警输出控制：

第一步、损失率计算——通过清选损失率传感器模块读取夹带损失率传感器模块和清选损失率传感器模块探测数据，按如下算式求得损失率

P_qj=P_q+P_j

P_qj=（m·n_q）/1000λ_q·v·L·Y·t

P_qj=（m·n_j）/1000λ_j·v·L·Y·t

式中

P_qj——损失率，%；

P_q——清选损失率，%；

P_j——夹带损失率，%；

m——谷物的千粒重，kg；

n_q——传感器检测到的清选损失的谷物籽粒粒数；

λ_q——通过实验室台架标定的清选损失监测区域籽粒质量与总籽粒损失质量比例系数；

v——联合收割机行走速度，m/s；

L——谷物联合收割机割幅，m；

Y——谷物的实际产量，kg/m²；

t——收获总时长，s；

n_j——传感器检测到的夹带损失的谷物籽粒粒数；

λ_j——通过实验室台架标定的夹带损失监测区域籽粒质量与总籽粒损失质量比例系数；

第二步、损失率合规判断——判断损失率是否小于损失率标准值损失率，如是则进行第五步；否则进行下一步；

第三步、损失率超标范围判断——判断损失率是否小于损失率阈值，如是则输出警醒信号，之后返回第一步；否则输出报警信号，进行下一步；

第四步、报警消除判断——判断报警是否消除，如是则返回第一步；否则继续报警；

第五步、计算破碎含杂率——通过破碎含杂率数据采集模块读取破碎含杂率传感器模块的探测数据，按如下算式求得破损率和含杂率

P_s=(ρ_S·T_s)/( ρ_W·T_w+ρ_S·T_s) ·100%

P_Z=(ρ_Z·T_Z)/( ρ_Z·T_Z+ρ_W·T_w+ρ_S·T_s) ·100%

式中

Ps——破碎率，%；

ρ_S——图像每1000像素点的破碎籽粒平均质量；

Ts——系统识别的破碎籽粒像素数；

ρ_W——图像每1000像素点的完整籽粒平均质量；

Tw——系统识别的完整籽粒像素数；

Pz——含杂率，%；

ρ_Z——图像每1000像素点的杂质平均质量；

Tz——系统识别的杂质像素数；

第六步、破碎率合规判断——判断破碎率是否小于破碎率标准值，如是则进行第八步；否则进行下一步；

第七步、破碎率超标范围判断——判断破碎率是否小于破碎率阈值，如是则输出警醒信号，之后返回第一步；否则输出报警信号，进行第四步；

第八步、含杂率合规判断——判断含杂率是否小于含杂率标准值，如是输出正常信号，之后返回第一步；否则进行下一步；

第九步、含杂率超标范围判断——判断含杂率是否小于含杂率阈值，如是则输出警醒信号，之后返回第一步；否则输出报警信号，进行第四步。

本发明不仅通过将各种新传感技术有机组合在一起，从而得以兼顾清选、夹带、破碎、含杂等各种损失影响因素，而且根据对这些因素对收获质量的内在影响情况，确定了先后综合以及按序判断的合理规则，从而使谷物联合收割机一旦出现不符合节粮减损要求的状况时立即预警，从而为及时调控消除损失因素创造了条件，进而为保证谷物收获效率降低损失奠定了基础。

本发明进一步的完善是：所述报警装置由下位机控制模块相应输出端连接的蜂鸣器模块和三色警报灯模块组成；所述正常信号控制三色警报灯模块的绿灯闪烁，所述警醒信号控制三色警报灯模块的黄灯闪烁；所述报警信号控制三色警报灯模块红灯闪烁且蜂鸣器报警。

本发明再进一步的完善是：所述ρ_W和ρ_S为7.2±0.2×10^-4 mg/像素、ρ_Z为1.0±0.1×10^-4mg/像素。

本发明更进一步的完善是：所述损失率标准值、含杂率标准值、破碎率标准值分别为2.1%、2.0%、1.5%。

本发明又进一步的完善是：所述损失率阈值、破碎率阈值、含杂率阈值分别为损失率标准值、含杂率标准值、破碎率标准值的1.2倍。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明一个实施例的系统构成示意图。

图2是图1实施例的预警控制过程流程图。

具体实施方式

实施例一

本实施例的谷物联合收割机节粮减损预警方法在图1所示的预警系统中实现。该预警系统以谷物联合机械化节粮减损的目标，首先解决机具的直接损失，之后要考虑收获品质对后期谷物产品价值的影响。损失率直接反应了联合收获机的机体损失，是最重要的参数，节粮减损系统首先要通过检测收割机的损失率，保证机体损失在最优的工作状态。在保证机体损失最优情况下，需要考虑谷物破碎和含杂对后期谷物产品品质的影响。现阶段，随着谷物产后加工技术的发展，含杂率能够在产后加工得到有效的解决，而破碎情况只能在收获过程通过及时修正联合收割机的参数来保证。因此，节粮减损系统按照损失率、破碎率和含杂率先后优先级来判断联合收割机的作业质量，从而实现谷物联合收割机作业过程破碎率、含杂率、损失率的在线检测，为谷物联合收割机驾驶员提供实时的数据支撑，当收获质量不佳时及时调整谷物联合收割机作业参数，从而提高收获质量，达到节粮减损的目标。

具体而言，图1的预警系统含有：1.工控机（本实施例选用研华科技公司的PPC-3120S型）、2.系统总线束、3.电源控制继电器、4. 破碎含杂率CAN总线线束、5. 破碎含杂率数据采集模块（本实施例选用硕博电子科技公司的SPC-STW-26A1型）、6. 破碎含杂率模块线束、7. 破碎含杂率传感器模块（具体结构参见专利申请号CN202110252488.7中的谷物联合收割机破碎含杂在线检测系统）、8.系统CAN总线线束、9.损失率CAN总线线束、10.损失率数据采集模块（本实施例选用硕博电子科技公司的SPC-STW-2612CMS型）、11. 夹带损失率模块线束、12. 夹带损失率传感器模块（具体结构参见专利号ZL201811511099.6中的谷物收获机损失量检测装置）、13. 清选损失率模块线束、14. 清选损失率传感器模块（具体结构参见专利号ZL201811511099.6中的谷物收获机损失量检测装置）、15. 控制连接线束、16.下位机控制模块（元曦网络科技有限公司的Raspberry Pi 4B型）、17.蜂鸣器模块线束、18. 蜂鸣器模块、19. 三色警报灯模块线束、20. 三色警报灯模块。

具体的连接关系为：一方面，夹带损失率传感器模块12和清选损失率传感器模块14分别通过夹带损失率模块线束11和清选损失率模块线束13接损失率数据采集模块10、再由损失率数据采集模块10通过损失率CAN总线线束9、系统CAN总线线束8接工控机1的系统总线束2；另一方面，破碎含杂率传感器模块7通过破碎含杂率模块线束6接破碎含杂率数据采集模块5，再由破碎含杂率数据采集模块5通过破碎含杂率CAN总线线束4接工控机1的系统总线束2；从而实现各传感器与工控机的信号采集连接。本实施例的预警系统报警装置由分别通过蜂鸣器模块线束17、三色警报灯模块线束19与下位机控制模块16相应输出端连接的蜂鸣器模块18和三色警报灯模块20组成；工控机1的预警信号输出端通过系统总线束2以及系统CAN总线线束8和控制连接线束15接下位机控制模块16的受控输入端。

工作时，夹带损失率传感器模块实质上通过压电传感采集联合收割机滚筒末端抛撒物料撞击敏感板所产生的电信号，识别籽粒冲击所产生的特征电信号，统计单位时间内籽粒的数量，实时计算得到联合收割机作业过程夹带损失率检测谷物联合收割机作业过程的夹带损失率；清选损失率传感器模块则实质上通过压电传感采集联合收割机尾部抛撒物料撞击敏感板所产生的电信号，识别籽粒冲击所产生的特征电信号，统计单位时间内籽粒的数量，实时计算得到联合收割机作业过程清选损失率。汇总后通过损失率数据采集模块传输给工控机。

破碎含杂率传感器模块实质上通过工业摄像头动态拍摄样本的图像，识别样本图像中的谷物完整籽粒、破碎籽粒和杂质，根据样本图像像素和成分质量之间的量化模型，实时计算得到联合收割机作业过程破碎率和含杂率，由破碎含杂率数据采集模块传输给工控机。

工控机得到采集数据后，根据合理的判断顺序和规则，判断联合收割机实时的作业效果，通过下位机控制模块对蜂鸣器模块和三色警报灯模块进行控制，实时提醒驾驶员谷物联合收割机的作业效果，使其及时调整联合收割机，保证作业效率和质量，实现节粮减损的目标。

三色警报灯模块用于显示联合收割机的作业效果，通过颜色提示驾驶员。三色警报灯模块显示绿色，表示联合收割机的作业效果符合国家标准；三色警报灯模块显示黄色，表示联合收割机的作业效果较差，不满足国家标准，提醒驾驶员注意联合收割机的参数；三色警报灯模块显示红色，表示联合收割机的作业效果非常差，提醒驾驶员检测收割机的相关参数。蜂鸣器模块用于向驾驶员提供警示，当三色警报灯模块显示红色，蜂鸣器响起，提醒驾驶员联合收割机的作业效果非常差，需要检测收割机的相关参数。

具体而言，本实施例的工控机在初始化对各功能模型进行自检正常后，按以下步骤进行报警输出控制（参见图2）：

第一步、损失率计算——通过清选损失率传感器模块读取夹带损失率传感器模块和清选损失率传感器模块探测数据，按如下算式求得损失率

P_qj=P_q+P_j

P_qj=（m·n_q）/1000λ_q·v·L·Y·t

P_qj=（m·n_j）/1000λ_j·v·L·Y·t

式中

P_qj——损失率，%；

P_q——清选损失率，%；

P_j——夹带损失率，%；

m——谷物的千粒重，kg；

n_q——传感器检测到的清选损失的谷物籽粒粒数；

λ_q——通过实验室台架标定的清选损失监测区域籽粒质量与总籽粒损失质量比例系数；

v——联合收割机行走速度，m/s；

L——谷物联合收割机割幅，m；

Y——谷物的实际产量，kg/m²；

t——收获总时长，s；

n_j——传感器检测到的夹带损失的谷物籽粒粒数；

λ_j——通过实验室台架标定的夹带损失监测区域籽粒质量与总籽粒损失质量比例系数；

第二步、损失率合规判断——判断损失率是否小于损失率标准值2.1%，如是则进行第五步；否则进行下一步；

第三步、损失率超标范围判断——判断损失率是否小于损失率阈值、即损失率标准值的1.2倍，如是则输出警醒信号，通过下位机控制模块控制三色警报灯模块显示黄灯，之后返回第一步；否则输出报警信号，通过下位机控制模块控制三色警报灯模块显示红灯，蜂鸣器报警，提醒驾驶员联合收割机作业质量非常差，需要检查相关参数，进行下一步；

第四步、报警消除判断——判断报警是否消除，如是则返回第一步；否则继续报警，即三色警报灯模块持续显示红灯，蜂鸣器持续报警；

第五步、计算破碎含杂率——通过破碎含杂率数据采集模块读取破碎含杂率传感器模块的探测数据，按如下算式求得破损率和含杂率

P_s=(ρ_S·T_s)/( ρ_W·T_w+ρ_S·T_s) ·100%

P_Z=(ρ_Z·T_Z)/( ρ_Z·T_Z+ρ_W·T_w+ρ_S·T_s) ·100%

式中

Ps——破碎率，%；

ρ_S——图像每1000像素点的破碎籽粒平均质量；

Ts——系统识别的破碎籽粒像素数；

ρ_W——图像每1000像素点的完整籽粒平均质量；

Tw——系统识别的完整籽粒像素数；

Pz——含杂率，%；

ρ_Z——图像每1000像素点的杂质平均质量；

Tz——系统识别的杂质像素数；

ρ_W、ρ_S、ρ_Z均根据试验测得,本实施例试验得到ρ_W和ρ_S为7.2×10^-4 mg/像素、ρ_Z为1.0×10^-4mg/像素；

第六步、破碎率合规判断——判断破碎率是否小于破碎率标准值1.5%时，如是则进行第八步；否则进行下一步；

第七步、破碎率超标范围判断——判断破碎率是否小于破碎率阈值、即破碎率标准值的1.2倍，如是则输出警醒信号，通过下位机控制模块控制三色警报灯模块显示黄灯，之后返回第一步；否则输出报警信号，通过下位机控制模块控制三色警报灯模块显示红灯，蜂鸣器报警，提醒驾驶员联合收割机作业质量非常差，需要检查相关参数，进行第四步；

第八步、含杂率合规判断——判断含杂率是否小于含杂率标准值2.0%，如是输出正常信号，通过下位机控制模块控制三色警报灯模块显示绿灯，之后返回第一步；否则进行下一步；

第九步、含杂率超标范围判断——判断含杂率是否小于含杂率阈值、即含杂率标准值的1.2倍，如是则输出警醒信号，通过下位机控制模块控制三色警报灯模块显示黄灯，之后返回第一步；否则输出报警信号，通过下位机控制模块控制三色警报灯模块显示红灯，蜂鸣器报警，提醒驾驶员联合收割机作业质量非常差，需要检查相关参数，进行第四步。

本实施例充分考虑了联合收割机作业过程清选损失、夹带损失、含杂和损失这些参数的，通过相关设备对这些参数进行实时的检测，在结合人工经验和专家经验制定的预警判断机制，实现了谷物联合收割机作业过程综合性的作业质量预警，辅助驾驶员掌握联合收割机的实际作业情况，从而有效的提升收获效益，减少直接经济损失。

试验证明，将本实施例应用于谷物联合收割机后，由于按合理顺序兼顾了各种损失因素的合理判断，因此为达到DG/T 014—2019《谷物联合收割机》除割台损失外的损失率≤2.1%、籽粒破损率≤1.0%、含杂率≤2.0%创造了理想的条件。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种谷物联合收割机节粮减损预警方法，其特征在于：含有通过损失率数据采集模块（10）与工控机（1）相应数据采集端连接的夹带损失率传感器模块（12）和清选损失率传感器模块（14）、通过破碎含杂率数据采集模块（5）与工控机（1）相应数据采集端连接的破碎含杂率传感器模块（7），所述工控机的预警信号输出端接报警装置；工作时，所述工控机按以下步骤进行报警输出控制：

第一步、损失率计算——通过清选损失率传感器模块读取夹带损失率传感器模块和清选损失率传感器模块探测数据，按如下算式求得损失率

P_qj=P_q+P_j

P_qj=（m·n_q）/1000λ_q·v·L·Y·t

P_qj=（m·n_j）/1000λ_j·v·L·Y·t

式中

P_qj——损失率，%；

P_q——清选损失率，%；

P_j——夹带损失率，%；

m——谷物的千粒重，kg；

n_q——传感器检测到的清选损失的谷物籽粒粒数；

λ_q——通过实验室台架标定的清选损失监测区域籽粒质量与总籽粒损失质量比例系数；

v——联合收割机行走速度，m/s；

L——谷物联合收割机割幅，m；

Y——谷物的实际产量，kg/m²；

t——收获总时长，s；

n_j——传感器检测到的夹带损失的谷物籽粒粒数；

λ_j——通过实验室台架标定的夹带损失监测区域籽粒质量与总籽粒损失质量比例系数；

第二步、损失率合规判断——判断损失率是否小于损失率标准值，如是则进行第五步；否则进行下一步；

第三步、损失率超标范围判断——判断损失率是否小于损失率阈值，如是则输出警醒信号，之后返回第一步；否则输出报警信号，进行下一步；

第四步、报警消除判断——判断报警是否消除，如是则返回第一步；否则继续报警；

第五步、计算破碎含杂率——通过破碎含杂率数据采集模块读取破碎含杂率传感器模块的探测数据，按如下算式求得破损率和含杂率

P_s=(ρ_S·T_s)/( ρ_W·T_w+ρ_S·T_s) ·100%

P_Z=(ρ_Z·T_Z)/( ρ_Z·T_Z+ρ_W·T_w+ρ_S·T_s) ·100%

式中

Ps——破碎率，%；

ρ_S——图像每1000像素点的破碎籽粒平均质量；

Ts——系统识别的破碎籽粒像素数；

ρ_W——图像每1000像素点的完整籽粒平均质量；

Tw——系统识别的完整籽粒像素数；

Pz——含杂率，%；

ρ_Z——图像每1000像素点的杂质平均质量；

Tz——系统识别的杂质像素数；

第六步、破碎率合规判断——判断破碎率是否小于破碎率标准值，如是则进行第八步；否则进行下一步；

第七步、破碎率超标范围判断——判断破碎率是否小于破碎率阈值，如是则输出警醒信号，之后返回第一步；否则输出报警信号，进行第四步；

第八步、含杂率合规判断——判断含杂率是否小于含杂率标准值，如是输出正常信号，之后返回第一步；否则进行下一步；

第九步、含杂率超标范围判断——判断含杂率是否小于含杂率阈值，如是则输出警醒信号，之后返回第一步；否则输出报警信号，进行第四步。

2.根据权利要求1所述的谷物联合收割机节粮减损预警方法，其特征在于：所述报警装置由下位机控制模块相应输出端连接的蜂鸣器模块和三色警报灯模块组成；所述正常信号控制三色警报灯模块的绿灯闪烁，所述警醒信号控制三色警报灯模块的黄灯闪烁；所述报警信号控制三色警报灯模块红灯闪烁且蜂鸣器报警。

3.根据权利要求2所述的谷物联合收割机节粮减损预警方法，其特征在于：所述ρ_W和ρ_S为7.2±0.2×10^-4 mg/像素、ρ_Z为1.0±0.1×10^-4mg/像素。

4.根据权利要求3所述的谷物联合收割机节粮减损预警方法，其特征在于：所述损失率标准值、含杂率标准值、破碎率标准值分别为2.1%、2.0%、1.5%。

5.根据权利要求4所述的谷物联合收割机节粮减损预警方法，其特征在于：所述损失率阈值、破碎率阈值、含杂率阈值分别为损失率标准值、含杂率标准值、破碎率标准值的1.2倍。

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