CN116171720A - 甘蔗收获机入土切割自动控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及甘蔗机械农具的技术领域，具体公开了甘蔗收获机入土切割自动控制系统，包括所述控制系统由仿形机构以及姿态传感器采集甘蔗收获机作业地形信息，利用遗传算法优化的模糊PID控制算法根据仿形机构以及姿态传感器采集的数据进行与目标值的对比并进行控制；所述甘蔗收获机入土切割自动控制系统可以将采集数据进行处理并拟合曲线。本发明有效提高了甘蔗收获机自动化水平，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，为收获质量的提高提供了技术支持。
Description
技术领域
本发明涉及甘蔗机械农具的技术领域，具体公开了甘蔗收获机入土切割自动控制系统及方法。
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hm 2，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。
例如中国发明专利公开了(公开号：CN113711768A)一种甘蔗收获机，包括机架﹑收蔗装置﹑喂入辊﹑耙叶辊﹑剥叶辊﹑输出辊以及集料箱，通过在机架上设置收蔗装置﹑喂入辊﹑耙叶辊﹑剥叶辊﹑输出辊以及集料箱，来实现对甘蔗进行自动切割、扶倒、切割、给料、剥叶、分离以及堆垛处理，有效提高甘蔗的收获效率，自动化程度高，大大降低了人工劳动力成本。
上述方案虽然能够实现对甘蔗的机械化收割，但是在使用时，存在着驾驶员对甘蔗收获机与地面接触作业情况了解不及时，无法实时查看切割刀入土切割深度、切割刀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，无法满足适应丘陵山区种植的需要。
发明内容
本发明的目的在于提供甘蔗收获机入土切割自动控制系统，以解决现有甘蔗收获机无法自适应调整复杂地质情况的技术问题。
为了达到上述目的，本发明的基础方案为：甘蔗收获机入土切割自动控制系统，包括：
切割刀，用于对甘蔗进行切割；
执行机构，包括液压缸，所述液压缸伸缩端固定连接于所述切割刀，所述液压缸用于控制切割刀的在高度位置上的位移变化；
车载终端，用于将接收信息并进行可视化显示；
仿形机构，所述仿形机构的检测端相抵于地面，所述仿形机构能够在经过地面的过程中进行对应的位移变化；
位置传感器，用于采集所述仿形机构检测端的位移变化；
微控制器，用于根据所述位置传感器的信号控制所述执行机构，使切割刀的高度位置变化同所述仿形机构的高度位置变化同步；还用于将采集的所述位置传感器信号发送至所述车载终端。
本基础方案的工作原理和有益效果在于：本基础方案能够通过微控制器负责将位置传感器采集的数据经解算后发送给车载终端，车载终端实现对甘蔗收获机入土切割深度参数进行实时检测、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，便于操作人员实时了解地面情况。
本技术方案利用仿形机构对地面进行模拟，并且根据位置传感器采集仿形机构模拟地面的数据与目标深度进行比对，可得出用于控制执行机构的控制量，微控制器控制执行机构，进而控制甘蔗收获机的切割刀高度。
相比于现有技术，本技术方案有效的解决了，提高了甘蔗收获机信息智能化水平。
相比于现有技术，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，有利用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控制系统对甘蔗收获机的机械化、智能化进程具有重大意义。
进一步地，所述仿形机构包括仿形安装板，所述仿形安装板侧壁转动连接有仿形杆，所述仿形杆与所述仿形安装板的转动轴同轴固定有扭簧；所述仿形杆远离所述仿形安装板的一端转动连接有仿形轮；所述位置传感器固定于所述仿形安装板侧壁，所述位置传感器的探测头朝向靠近所述仿形杆的一端。
有益效果：当仿形轮经过高地面时，扭簧压缩，仿形轮上升且通过扭簧的弹力使其紧压地面，当仿形轮通过低地面时，扭簧位仿形轮提供压力使其紧压地面。通过位置传感器采集弯弧仿形杆的姿态数据，传给微控制器，微控制器作出解算并进行控制量的输出。
进一步地，所述执行机构包括继电器、电磁换向阀以及用于控制切割刀升降的液压缸；所述微控制器用于控制所述继电器的开与关，所述继电器用于控制所述电磁换向阀的开与关，所述电磁换向阀用于控制所述液压缸的伸缩位移。
进一步地，所述微控制器解算所述传感器并将数据发送给所述车载终端，所述微控制器得到车载终端的反馈后控制执行机构动作。
进一步地，所述微控制器与车载终端通过蓝牙无线连接。
有益效果：本技术方案通过无线通信方式实现数据的发送与接收。
进一步地，还包括数据库，所述数据库用于接收所述车载终端数据并生成本地文件保存。
进一步地，还包括扭矩传感器，所述扭矩传感器同轴连接于切割刀，所述扭矩传感器用于监测甘蔗收获机切割刀的扭矩变化情况，所述微处理器通过扭矩传感器扭矩信号对切割刀工作情况进行判断，所述微处理器还用于将扭矩传感器的扭矩信号发送至车载终端，车载终端将扭矩信号生成可视化的扭矩变化曲线。
一种方法，使用到任一的甘蔗收获机入土切割自动控制系统。
附图说明
图1为本发明实施例一的甘蔗收获机入土切割自动控制系统框架图；
图2为本发明实施例一甘蔗收获机的正视示意图；
图3为本发明实施例一仿形机构的结构示意图；
图4为本发明实施例一微控制器控制执行机构动作示意图；
图5为本发明实施例二遗传算法寻优流程图；
图6为本发明实施例二遗传算法优化模糊PID原理图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
说明书附图中的附图标记包括：仿形机构1、仿形安装板5-1、定位孔5-2、位置传感器5-3、连接轴5-4、扭簧5-5、滚动轴承5-6、弯弧仿形杆5-7、仿形轮5-8。
实施例一
基本如附图1与附图2所示：甘蔗收获机入土切割自动控制系统，包括：
仿形机构1，所述仿形机构1的检测端相抵于地面，所述仿形机构1能够在经过地面的过程中进行对应的位移变化。仿形机构1用于检测甘蔗收获机切割刀入土深度，如图3所示，包括仿形安装板5-1、弯弧仿形杆5-7和仿形轮5-8。
位置传感器5-3，用于采集所述仿形机构1检测端的位移变化，位置传感器5-3固定于仿形安装板5-1的侧壁，位置传感器5-3的探测头朝向靠近弯弧仿形杆5-7的一端。
如附图3与附图4所示，仿形机构1通过仿形安装板5-1上的定位孔5-2与甘蔗收获机的机架螺纹固定，且仿形机构1位于甘蔗收获机切割刀的前方，仿形连接轴5-4用于连接仿形安装板5-1与弯弧仿形杆5-7,滚动轴承5-6起到支撑作用，仿形连接轴5-4同轴固定有扭簧5-5。扭簧5-5安装在连接轴5-4与安装板5-1之间，用于为弯弧仿形杆5-7以及仿形轮5-8提供弹力，确保仿形轮5-8紧压地面。当仿形轮5-8经过高地面时，扭簧5-5压缩，仿形轮5-8上升且通过扭簧5-5的弹力使其紧压地面，当仿形轮5-8通过低地面时，扭簧5-5位仿形轮5-8提供压力使其紧压地面。通过位置传感器5-3采集弯弧仿形杆5-7的姿态数据，传给微控制器，微控制器作出解算并进行控制量的输出。
执行机构，用于控制切割刀的在高度位置上的位移变化。
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。
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，甘蔗收获机的切割刀被抬起，完成调高动作，当液压缸收缩时，甘蔗收获机的切割刀被降低，完成调低动作。
液压油由甘蔗收获机油泵提供，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。
微控制器，可选用STM32单片机，STM32单片机外接恒定电源。用于根据所述位置传感器的信号控制所述执行机构，使切割刀的高度位置变化同所述仿形机构1的高度位置变化同步；还用于将采集的所述位置传感器信号发送至所述车载终端。
控制部分主要以所述微控制器为核心，解算位置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，进而控制切割刀的高度随地表起伏变化进行实时调整。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。
车载终端，用于将接收信息并进行可视化显示。车载终端可选用液晶显示器。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数据库并保存到本地，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。
车载终端安装于甘蔗收获机的驾驶室内，可接收来自微控制器的数据，显示微控制器所检测的参数。除了实现人机交互的功能外，还可以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、自动调整切割刀入土深度等功能。
本实施例的甘蔗收获机入土切割自动控制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。本实施例的甘蔗收获机切割刀入土深度采用间接测量法，仿形机构与切割刀固定在甘蔗收获机机架上，切割刀刚入土时，将位置传感器5-3数据标定为零值，位置传感器5-3通过测量仿形机构1的位移变化信息经过计算后模拟地面起伏信息，进而得到切割刀的入土深度。
实施例二
本实施例与实施例一的不同之处在于，在微控制器解算的过程中，微控制器采用遗传算法优化模糊PID。微控制器用于对位置传感器的位移信号进行滤波并根据遗传算法对模糊PID的比例因子进行优化，并将优化后的控制信号结果向外发送。
如图5与附图6所示，遗传算法主要采用实数或二进制编码设定优化对象的字符串，编码方式选用实数编码。将模糊PID中的比例因子视为个体中的基因，系统不断进行在线参数寻优，优化模糊PID的性能。将模型中的3个变量构成一个编码字符串:(Kp、Ki、Kd)，这样的字符串即代表种群中一个个体，每个个体都是一个解，并根据设计变量的值域产生初始种群。通过计算当代种群的适应度并进行判断是否为精英个体，若是则进行解码输出模糊PID比例因子的最优解，若否则进行个体间的复制、交叉、变异以获取新个体，在进行种群的合并形成当代种群，重复上述步骤。
相比于现有技术，本技术方案还采用遗传算法对模糊PID的比例因子进行优化，达到更高的控制精度。确保后续对切割刀高度位置的精准调节，保证切割甘蔗位置不一致，避免切割刀额外磨损的情况发生，有效提高甘蔗收获质量以及收获效率。
实施例三
本实施例与实施例二的不同之处在于，还包括热成像仪，用于采集并生成连续的红外热成像图片；所述热成像仪固定于所述仿形机构与切割刀之间，所述热成像仪监测区域朝向靠近切割刀的一侧；
处理模块，用于接收红外热成像图片并向所述微控制器发出信号；
所述处理模块在红外热成像图片出现温度20℃以下包含20℃的图像时，处理模块向微控制器发出持续接收所述位置传感器电信号；
所述处理模块在红外热成像图片出现温度20℃以上的图像且温度区域大于5mm*5mm时，处理模块向微控制器发出停止接收所述位置传感器电信号；
所述处理模块在接收的红外热成像图片出现温度0℃以下的图像且温度区域大于5mm*5mm时，判定存在冰冻物体，处理模块向微控制器发出存在冰冻物体电信号；所述微控制器在接收冰冻物体电信号后，在控制切割刀高度位置的原有基础上统一降低2mm。由于切割刀在持续切割的过程中处于长时间高温状态容易造成刀具磨损老化，而本技术方案进而能够使处于高温状态切割刀更加接近冰冻物体，对刀具的表面起到一定程度的冷却降温作用，有效延长刀具的使用寿命。
所述处理模块在接收的红外热成像图片出现温度20-40℃以上的图像且温度区域大于5mm*5mm时，判定存在活体生物入侵，所述处理模块向所述微控制器发出使切割刀上升至最高处的控制信号；
所述处理模块在接收的红外热成像图片出现温度40℃以上的图像且温度区域大于5mm*5mm时，判定存在燃烧物入侵，所述处理模块向所述微控制器发出使切割刀上升至最高处以及切割刀停止转动的控制信号，并发出报警信息。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (8)
1.甘蔗收获机入土切割自动控制系统，其特征在于，包括：
切割刀，用于对甘蔗进行切割；
执行机构，包括液压缸，所述液压缸伸缩端固定连接于所述切割刀，所述液压缸用于控制切割刀的在高度位置上的位移变化；
车载终端，用于将接收信息并进行可视化显示；
仿形机构，所述仿形机构的检测端相抵于地面，所述仿形机构能够在经过地面的过程中进行对应的位移变化；
位置传感器，用于采集所述仿形机构检测端的位移变化；
微控制器，用于根据所述位置传感器的信号控制所述执行机构，使切割刀的高度位置变化同所述仿形机构的高度位置变化同步；还用于将采集的所述位置传感器信号发送至所述车载终端。
2.根据权利要求1所述的甘蔗收获机入土切割自动控制系统，其特征在于：所述仿形机构包括仿形安装板，所述仿形安装板侧壁转动连接有仿形杆，所述仿形杆与所述仿形安装板的转动轴同轴固定有扭簧；所述仿形杆远离所述仿形安装板的一端转动连接有仿形轮；所述位置传感器固定于所述仿形安装板侧壁，所述位置传感器的探测头朝向靠近所述仿形杆的一端。
3.根据权利要求2所述的甘蔗收获机入土切割自动控制系统，其特征在于：所述执行机构包括继电器、电磁换向阀以及用于控制切割刀升降的液压缸；所述微控制器用于控制所述继电器的开与关，所述继电器用于控制所述电磁换向阀的开与关，所述电磁换向阀用于控制所述液压缸的伸缩位移。
4.根据权利要求3所述的甘蔗收获机入土切割自动控制系统，其特征在于：所述微控制器解算所述传感器并将数据发送给所述车载终端，所述微控制器得到车载终端的反馈后控制执行机构动作。
5.根据权利要求1所述的甘蔗收获机入土切割自动控制系统，其特征在于：所述微控制器与车载终端通过蓝牙无线连接。
6.根据权利要求1所述的甘蔗收获机入土切割自动控制系统，其特征在于：还包括数据库，所述数据库用于接收所述车载终端数据并生成本地文件保存。
7.根据权利要求1中任一所述的甘蔗收获机入土切割自动控制系统，其特征在于：还包括扭矩传感器，所述扭矩传感器同轴连接于切割刀，所述扭矩传感器用于监测甘蔗收获机切割刀的扭矩变化情况，所述微处理器通过扭矩传感器扭矩信号对切割刀工作情况进行判断，所述微处理器还用于将扭矩传感器的扭矩信号发送至车载终端，车载终端将扭矩信号生成可视化的扭矩变化曲线。
8.一种方法，其特征在于：使用到权利要求1-7中任一的甘蔗收获机入土切割自动控制系统。
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