CN115727994A - 一种无线传输式水田动力机械载荷谱数据采集装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及农业机械装备技术，提供一种无线传输式水田动力机械载荷谱数据采集装置及方法，主要由水田动力机械、行走轮、通信模块、数据采集装置、处理模块、实时数据控制装置及供电电源，所述行走轮设于所述水田动力机械下，所述数据采集装置包括轴力采集装置，所述轴力采集装置设于所述行走轮上且用于采集其在水田地行走时X、Y、Z轴的三维力载荷谱，所述通信模块用于传递所述数据采集装置和所述处理模块之间的信号，所述实时数据控制装置用于实时监测所述处理模块中的数据，所述供电电源为所述数据采集装置和所述实时数据控制装置供电。解决了现有的水田动力机械行走性能评估缺乏关键动力参数量化数据支撑问题，为水田动力底盘整机研发、车轮与土壤互作关系分析、底盘各部件疲劳寿命计算和制动系统性能评估提供重要测试数据。

Description

一种无线传输式水田动力机械载荷谱数据采集装置及方法

技术领域

本发明涉及农业机械装备技术，具体涉及一种无线传输式水田动力机械载荷谱数据采集装置及方法。

背景技术

水稻机械化种植是水稻轻型栽培技术中最简单的种植方式，省工、省时、省力、生产效率高、便于推广，目前轻型水田动力机械行走作业时易出现土壤粘结车轮，造成打滑和翘头的情况，从而降低了机器行走动力的传递效率，另一方面水田由于大马力拖拉机常年碾压作业，导致存在深泥脚水田，从而造成陷车的情况发生。因此，需研究作业状态时，水田轮与土壤之间的力作用关系，通过本装置采集的水田动力机械载荷谱来反映其互作关系，为解决水田动力机械在水田作业中存在作业困难等问题提供理论分析的实时数据依据。

国产轻型动力底盘与日本韩国相比起步较晚，产品基础理论研究薄弱，市场流通产品可靠性较差存在传动效率低、液压系统不稳定和动力操控性能差等技术瓶颈，在实际底盘设计或者评估时，往往采用借鉴国外相关参数并结合以往设计经验的方法，很难有定量的数据分析和处理的装置与方法。

发明内容

鉴于现有技术的不足之处，本发明的一个目的在于为了准确测量水田动力机械作业行走的受力情况，通过轴力采集装置测量行走轮受力的方式进一步分析水田动力机械的整体受力情况，解决了现有的水田动力机械行走性能评估缺乏关键动力参数量化数据支撑问题。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种无线传输式水田动力机械载荷谱数据采集装置，其特征在于，包括水田动力机械、行走轮、通信模块、数据采集装置、处理模块、实时数据控制装置及供电电源，所述行走轮设于所述水田动力机械下，所述数据采集装置包括轴力采集装置，所述轴力采集装置设于所述行走轮上且用于采集其在水田地行走时X、Y、Z轴的三维力载荷谱，所述通信模块用于传递所述数据采集装置和所述处理模块之间的信号，所述实时数据控制装置用于实时监测所述处理模块中的数据，所述供电电源为所述数据采集装置和所述实时数据控制装置供电。

进一步地，所述数据采集装置还包括角度采集装置，所述角度采集装置用于标定所述行走轮的起始位置。有利于为后续实验过程中行走轮的转动提供更为准确的初始位置，提高数据采集的准确度。

进一步地，所述行走轮包括至少一条轮杆，所述轮杆设有凹槽，所述凹槽的侧面设有第一通孔，所述轴力采集装置的两端设有凸键，所述凸键的侧面设有第二通孔，所述凹槽与所述凸键卡接，且卡接后所述第一通孔与所述第二通孔同轴对应。有利于轮杆和轴力采集装置的稳固连接，提高轴力采集装置的数据可靠性。

进一步地，所述通信模块为WI Fi通信模块，所述Wi Fi通信模块连接于所述实时数据控制装置，用于无线传输实时信号，所述供电电源连接于所述通信模块上且为其提供电力源。有利于将采集的数据进行储存和处理，并将处理后的数据信号通过无线形式发送至实时数据控制装置。

进一步地，所述处理模块包括六轴力传感器数据处理模块，所述轴力采集装置为六轴力传感器，连接于所述六轴力传感器数据处理模块上，所述六轴力传感器数据处理模块连接于所述Wi Fi通信模块，用于无线传输储存的三维受力数据信号。有利于将六轴力传感器采集到的行走轮在行走时三维受力及力矩数据进行储存和处理，并将数据信号通过无线形式发送出去。

进一步地，所述处理模块还包括角度传感器数据处理模块，所述角度采集装置为车轮旋转角度传感器，连接于所述角度传感器数据处理模块，所述角度传感器数据处理模块连接于所述Wi Fi通信模块，用于无线传输储存的旋转角度数据信号。有利于将车轮旋转角度传感器采集到的行走轮的旋转角度进行储存和处理，并将数据信号通过无线形式发送出去。

进一步地，所述处理模块还包括北斗定位模块，所述北斗定位模块连接于所述WiF i通信模块，用于定位所述行走轮的位移。有利于将行走轮的实时位置数据进行储存和处理，并将数据信号通过无线形式发送出去。

进一步地，还包括设于所述行走轮上方用于放置所述数据采集装置的支架，所述支架为防泥罩，所述防泥罩用于防止所述水田动力机械在水田地行走时粘附泥土，所述防泥罩的端面设置有第三通孔，所述行走轮的轮辐设置有第四通孔，所述第三通孔与所述第四通孔同轴对应。有利于缩短所述数据采集装置和所述行走轮之间的距离，提高数据采集的准确性，防泥罩可以为在满是泥水的田地里行走的行走轮阻挡泥土，延长行走轮的使用寿命。

进一步地，所述实时数据控制装置为可视化装置或可移动装置。有利于使用者通过更为便捷的方式对数据进行实时监控。

优选地，一种无线传输式水田动力机械载荷谱数据采集方法，根据所述的无线传输式水田动力机械载荷谱数据采集装置，包括以下步骤：

步骤一，标定所述车轮旋转角度传感器，选择任一设于所述行走轮的五条所述轮杆上的六轴力传感器放置角度尺，并将选定的所述六轴力传感器缓慢旋转至水平位置，当角度尺显示0度时在实时数据控制装置系统上将该选定的六轴力传感器标记为起始位置；

步骤二，标定所述六轴力传感器，将所述水田动力机械抬离地面使行走轮呈自由悬挂状态，依次在实时数据控制装置上确认设置在所述行走轮五条所述轮杆上的每个六轴力传感器的通道信号是否正常；

步骤三，若六轴力传感器通道信号不正常，检查相应线束连接和所述六轴力传感器安装在行走轮的轮杆上的方式，并重复步骤二；

若六轴力传感器通道信号正常，选择实时数据控制装置系统上的六轴力传感器的标定选项，选择f HZ采样，缓慢旋转行走轮两圈，选择实时数据控制装置系统上的六轴力传感器标定结束选项，所述六轴力传感器标定完成；

步骤四，验证六轴力传感器的标定，再缓慢旋转行走轮四圈且保证行走轮不受FX和FZ方向的外力，观察实时数据控制装置显示的FX和FZ方向受力曲线是否发生变化；

步骤五，若FX和FZ方向受力曲线发生变化，返回步骤二至三对所述六轴力传感器重新进行标定；

若FX和FZ方向受力曲线不发生变化，则验证六轴力传感器标定成功；

步骤六，进行对照组动力底盘载荷谱采集试验，选择混凝土或沥青铺装路面，让装有行走轮的水田动力机械开始以v km/h的速度匀速前进h米，并重复两次该采集试验；

步骤七，进行本组水田动力底盘载荷谱采集试验，装有行走轮的水田动力机械在水田进行正常作业，采集的水田实际动力底盘载荷谱保存至实时数据控制装置上，水田实际动力底盘载荷谱采集完成。

相较于现有技术，本发明的有益效果为：通过六轴力传感器测量车轮受力的方式去进一步分析水田动力机械的整体受力情况，并通过在数据采集装置装设Wi Fi通信模块提供了一种无线传输式水田动力机械载荷谱信息采集方案，该装置安装方便、防水性、密闭性高，还具有无线传输数据的优点，可输出整车作业状态时的数据，为水田动力底盘性能评估提供重要依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需使用的附图简单说明地介绍，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的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是根据本发明的无线传输式水田动力机械载荷谱数据采集装置在整车上具体安装位置示意图。

图2是根据本发明的无线传输式水田动力机械载荷谱数据采集装置的整体结构示意图。

图3是根据本发明的无线传输式水田动力机械载荷谱数据采集装置的控制关系示意图。

图4是根据本发明的无线传输式水田动力机械载荷谱数据采集装置采集流程示意图。

附图标记以下说明：1水田动力机械，2行走轮，3六轴力传感器，4处理模块，5防泥罩，6实时数据控制装置，7供电电源，8车轮旋转角度传感器，9角度传感器数据处理模块，10六轴力传感器数据处理模块，11Wi Fi通信模块，12北斗定位模块。

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，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，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作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。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例

如图1所示，本实施例中提供的无线传输式水田动力机械载荷谱数据采集装置为水田动力机械手油门挡位并联控制装置，包括水田动力机械1、行走轮2、六轴力传感器3、数据采集装置、处理模块4、防泥罩5、实时数据控制装置6和供电电源7，所述行走轮2安装在所述水田动力机械1上，所述六轴力传感器3设置在所述行走轮2的每条轮杆上，所述处理模块4固定在所述防泥罩5内部，所述防泥罩5与所述行走轮2的轮辐外端面固定，所述实时数据控制装置6固定在所述水田动力机械1的驾驶位上，所述供电电源7与所述水田动力机械1固定。当所述水田动力机械1行驶时，所述行走轮2受到水田地面施加的压力，所述六轴力传感器3设置在所述行走轮2的每条轮杆上并检测所述行走轮2受力状态，所述六轴力传感器3检测的受力信号传输至所述处理模块4中，所述处理模块4密封固定在所述防泥罩5内部，所述防泥罩5与所述行走轮2的轮辐外端面固定，当所述行走轮2在水田中运转时所述防泥罩5也跟随运转时，所述处理模块4又将处理后的所述行走轮2状态信息传输至所述实时数据控制装置6上，所述处理模块4和所述实时数据控制装置6都与所述供电电源7连接。

本实施例中，所述六轴力传感器3与所述处理模块4之间的数据传输是通过防水有线电缆连接，所述处理模块4与所述实时数据可视化装置6之间的数据传输是通过WI F I通信模块11连接，与现有技术相比，在六轴力传感器3与处理模块4之间使用电缆连接是为了避免在水田作业时泥水对数据信号的干扰，在处理模块4与实时数据控制装置6之间通过WIF I通信模块11连接是因为行走轮2的转动会对电缆连接造成干扰，且在作业中实时数据控制装置6并不是全部深入泥水中采用WI F I通信模块11更高效，在不同工况环境下装置之间选用不同的数据传输方式，实现了数据传输的准确性、可靠性和便捷性。

如图2所示，本实施例中所述六轴力传感器3的外壳两端均为凸键造型，所述六轴力传感器3的外壳两端凸键侧面设置有螺纹通孔，所述行走轮2的轮杆设有凹槽，所述行走轮2的轮杆凹槽侧面也设置有螺纹通孔，所述六轴力传感器凸键与所述行走轮2的轮杆的凹槽卡接，且卡接后所述六轴力传感器的凸键侧面螺纹通孔与所述行走轮2的轮杆凹槽侧面螺纹通孔同轴对应，所述六轴力传感器与所述行走轮2的轮杆通过螺栓固定，所述的六轴力传感器主要为三轴力传感器，分别测量X、Y、Z三轴方向的力和扭矩。

本实施例中，当所述水田动力机械1行驶时，所述行走轮2受到水田地面施加的压力，所述六轴力传感器3分别设置在所述行走轮2的5条轮杆上并检测所述行走轮2受力状态，所述六轴力传感器3嵌入所述行走轮2轮杆可以采集X、Y、Z三轴方向的力和扭矩，与现有技术相比，实现了准确测量水田动力机械作业时车轮在水田中的受力情况，并且实现了数据采集的连续性和稳定性，便于后期数据的导出分析。

本实施例中，如图2所示，所述防泥罩5的端面设置有螺纹通孔，所述所述行走轮2的轮辐设置有螺纹通孔，所述防泥罩5端面设置的螺纹通孔与所述行走轮2轮辐设置的螺纹通孔同轴对应，所述防泥罩5与所述行走轮2的轮辐外端面通过螺栓固定。

本实施例中，所述防泥罩5与所述行走轮2轮辐接触的端面为镂空设计，所述处理模块4密封固定在所述防泥罩5内部，所述防泥罩5内部密封底板与所述行走轮2轮辐面平行且保持距离，与现有技术相比，在水田作业时所述行走轮2在运转时所述防泥罩5也跟随运转时，当泥水漫过所述防泥罩5时，所述防泥罩5端面的镂空设计能防止泥沙堆积并尽快排出泥水。

本实施例中，如图2和图3所示，所述处理模块4包括角度传感器数据处理模块9、六轴力传感器数据处理模块10和北斗定位模块12，所述处理模块4设置在所述防泥罩5中心内部，所述六轴力传感器3和所述六轴力传感器数据处理模块10连接，所述车轮旋转角度传感器8和角度传感器数据处理模块9连接，所述角度传感器数据处理模块9、所述六轴力传感器数据处理模块10和所述北斗定位模块12都与所述Wi Fi通信模块11连接，所述处理模块4与所述供电电源7连接，所述供电电源7与所述水田动力机械1固定。

本实施例中，当所述水田动力机械1行驶开始采集数据时，所述六轴力传感器数据处理模块10处理所述六轴力传感器3检测的机器与地面之间的力学数据，所述角度传感器数据处理模块9处理所述车轮旋转角度传感器8检测所述行走轮2的旋转角度和角速度，所述北斗定位模块12检测所述行走轮2的运动轨迹、运动速度和高程信息，所述角度传感器数据处理模块9、所述六轴力传感器数据处理模块10和所述北斗定位模块12都与所述Wi F i通信模块11连接，所述所述Wi F i通信模块11将信息整合传输至所述实时数据控制装置6中展示并保存。

本发明提供的无线传输式水田动力机械载荷谱数据采集装置的方法，结合图4作进一步详细说明，本实施例包括以下步骤：

步骤一：安装行走轮2到水田动力机械1车轮的轴上；

步骤二：车轮旋转角度传感器8标定，选择行走轮2五条轮杆上的六轴力传感器3其中之一放置角度尺，并将选定的六轴力传感器3缓慢旋转至水平位置，当角度尺显示0度时在实时数据可视化装置6系统上将该选定的六轴力传感器3标记为起始位置；

步骤三：六轴力传感器3标定，将水田动力机械1抬离地面使行走轮2呈自由悬挂状态，依次在实时数据控制装置6上确认设置在行走轮2五条轮杆上的每个六轴力传感器3通道信号是否正常；

若六轴力传感器3通道信号不正常，检查相应线束连接和六轴力传感器3安装在行走轮2轮杆上的方式；

若六轴力传感器3通道信号正常，选择实时数据控制装置6系统上的六轴力传感器3标定选项，选择100HZ采样，缓慢旋转行走轮2两圈，选择实时数据可视化装置6系统上的六轴力传感器3标定结束选项，六轴力传感器3标定完成；

步骤四：验证六轴力传感器3标定，再缓慢旋转行走轮2四圈且保证行走轮2不受FX和FZ方向的外力，观察实时数据控制装置6显示的FX和FZ方向受力曲线是否发生变化；

若FX和FZ方向受力曲线发生变化，返回步骤三重新对六轴力传感器3进行标定；

若FX和FZ方向受力曲线不发生变化，则验证六轴力传感器3标定成功；

步骤五：对照组动力底盘载荷谱采集试验，选择混凝土或沥青铺装路面，让装有行走轮2的水田动力机械1开始以5km/h的速度匀速前进100米，并重复两次该采集试验；

步骤六：水田实际动力底盘载荷谱采集试验，装有行走轮2的水田动力机械1在水田进行正常作业，采集的水田实际动力底盘载荷谱保存至实时数据控制装置6上，水田实际动力底盘载荷谱采集完成。

综上所述，本发明提供的无线传输式水田动力机械载荷谱数据采集装置，通过六轴力传感器测量车轮受力的方式去进一步分析水田动力机械的整体受力情况，并通过在数据采集装置装设Wi Fi通信模块11提供了一种无线传输式水田动力机械载荷谱信息采集方案，该装置安装方便、防水性、密闭性高，还具有无线传输数据的优点，可输出整车作业状态时的数据，为水田动力底盘性能评估提供重要依据。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无线传输式水田动力机械载荷谱数据采集装置，其特征在于，包括水田动力机械(1)、行走轮(2)、通信模块、数据采集装置、处理模块(4)、实时数据控制装置(6)及供电电源(7)，所述行走轮(2)设于所述水田动力机械(1)下，所述数据采集装置包括轴力采集装置，所述轴力采集装置设于所述行走轮(2)上且用于采集其在水田地行走时X、Y、Z轴的三维力载荷谱，所述通信模块用于传递所述数据采集装置和所述处理模块(4)之间的信号，所述实时数据控制装置(6)用于实时监测所述处理模块(4)中的数据，所述供电电源(7)为所述数据采集装置和所述实时数据控制装置(6)供电。

2.根据权利要求1所述的无线传输式水田动力机械载荷谱数据采集装置，其特征在于，所述数据采集装置还包括角度采集装置，所述角度采集装置用于标定所述行走轮(2)的起始位置。

3.根据权利要求1所述的无线传输式水田动力机械载荷谱数据采集装置，其特征在于，所述行走轮(2)包括至少一条轮杆，所述轮杆设有凹槽，所述凹槽的侧面设有第一通孔，所述轴力采集装置的两端设有凸键，所述凸键的侧面设有第二通孔，所述凹槽与所述凸键卡接，且卡接后所述第一通孔与所述第二通孔同轴对应。

4.根据权利要求1所述的无线传输式水田动力机械载荷谱数据采集装置，其特征在于，所述通信模块为WIFi通信模块(11)，所述WiFi通信模块(11)连接于所述实时数据控制装置(6)，用于无线传输实时信号，所述供电电源(7)连接于所述通信模块上且为其提供电力源。

5.根据权利要求4所述的无线传输式水田动力机械载荷谱数据采集装置，其特征在于，所述处理模块(4)包括六轴力传感器数据处理模块(10)，所述轴力采集装置为六轴力传感器(3)，连接于所述六轴力传感器数据处理模块(10)上，所述六轴力传感器数据处理模块(10)连接于所述WiFi通信模块(11)，用于无线传输储存的三维受力数据信号。

6.根据权利要求4所述的无线传输式水田动力机械载荷谱数据采集装置，其特征在于，所述处理模块(4)还包括角度传感器数据处理模块(9)，所述角度采集装置为车轮旋转角度传感器(8)，连接于所述角度传感器数据处理模块(9)，所述角度传感器数据处理模块(9)连接于所述WiFi通信模块(11)，用于无线传输储存的旋转角度数据信号。

7.根据权利要求4所述的无线传输式水田动力机械载荷谱数据采集装置，其特征在于，所述处理模块(4)还包括北斗定位模块(12)，所述北斗定位模块(12)连接于所述WiFi通信模块(11)，用于定位所述行走轮(2)的位移。

8.根据权利要求1所述的无线传输式水田动力机械载荷谱数据采集装置，其特征在于，还包括设于所述行走轮(2)上方用于放置所述数据采集装置的支架，所述支架为防泥罩(5)，所述防泥罩(5)用于防止所述水田动力机械(1)在水田地行走时粘附泥土，所述防泥罩(5)的端面设置有第三通孔，所述行走轮(2)的轮辐设置有第四通孔，所述第三通孔与所述第四通孔同轴对应。

9.根据权利要求1所述的无线传输式水田动力机械载荷谱数据采集装置，所述实时数据控制装置(6)为可视化装置或可移动装置。

10.一种无线传输式水田动力机械载荷谱数据采集方法，根据权利要求1至9任一项所述的无线传输式水田动力机械载荷谱数据采集装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，标定所述车轮旋转角度传感器(8)，选择任一设于所述行走轮(2)的五条所述轮杆上的六轴力传感器(3)放置角度尺，并将选定的所述六轴力传感器(3)缓慢旋转至水平位置，当角度尺显示0度时在实时数据控制装置(6)系统上将该选定的六轴力传感器(3)标记为起始位置；

步骤二，标定所述六轴力传感器(3)，将所述水田动力机械(1)抬离地面使行走轮(2)呈自由悬挂状态，依次在实时数据控制装置(6)上确认设置在所述行走轮(2)五条所述轮杆上的每个六轴力传感器(3)的通道信号是否正常；

步骤三，若六轴力传感器(3)通道信号不正常，检查相应线束连接和所述六轴力传感器(3)安装在行走轮(2)轮杆上的方式，并重复步骤二；

若六轴力传感器(3)通道信号正常，选择实时数据控制装置(6)系统上的六轴力传感器(3)的标定选项，选择f HZ采样，缓慢旋转行走轮(2)两圈，选择实时数据控制装置(6)系统上的六轴力传感器(3)标定结束选项，所述六轴力传感器(3)标定完成；

步骤四，验证六轴力传感器(3)的标定，再缓慢旋转行走轮(2)四圈且保证行走轮(2)不受FX和FZ方向的外力，观察实时数据控制装置(6)显示的FX和FZ方向受力曲线是否发生变化；

步骤五，若FX和FZ方向受力曲线发生变化，返回步骤二至三对所述六轴力传感器(3)重新进行标定；

若FX和FZ方向受力曲线不发生变化，则验证六轴力传感器(3)标定成功；

步骤六，进行对照组动力底盘载荷谱采集试验，选择混凝土或沥青铺装路面，让装有行走轮(2)的水田动力机械(1)开始以v km/h的速度匀速前进h米，并重复两次该采集试验；

步骤七，进行本组水田动力底盘载荷谱采集试验，装有行走轮(2)的水田动力机械(1)在水田进行正常作业，采集的水田实际动力底盘载荷谱保存至实时数据控制装置(6)上，水田实际动力底盘载荷谱采集完成。

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