CN205898219U - 一种基于激光对射式阵列传感器的谷物流量测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于激光对射式阵列传感器的谷物流量测量装置，包括传感器单元和与之相连的单片机；传感器单元包括8对激光对射式阵列传感器、转速传感器和倾角传感器；通过单片机定时器计算谷物遮挡8对传感器发射光线的时间，结合刮板转速计算出作业过程的谷物体积；同时利用倾角传感器测量升运器刮板的倾角，补偿因地面不平造成的测量误差；由键盘电路输入谷物密度，结合已计算出的谷物体积计算出谷物单位时间的质量流量；所述单片机根据传感器模块测量的信息计算出谷物流量信息并保存在存储模块，通过显示器实时显示。本实用新型能适应不同环境下的谷物测量，实现对刮板式升运器刮板中谷物流量的非接触精确测量。

Description

一种基于激光对射式阵列传感器的谷物流量测量装置

技术领域

本发明涉及农业机械测量技术领域，特别涉及一种联合收获机谷物流量测量装置。

背景技术

随着精准农业的发展，通过对农田土壤状况与生产效益的研究，提高土壤生产力，调节农田作物的投入，实现以最少的成本达到同等或更高的收益。谷物流量监测装置为精准农业提供管理资料和决策依据。联合收获机在作业过程中谷物的流量测量受作业温度高，振动噪声大，水田地表不平整和秸秆杂余干扰因素多，传感器探头容易吸附灰尘等影响测量精度,因此开发出能精确、稳定测量谷物流量的装置具有重要意义。

国内外学者针对光电式谷物流量传感器的测量装置进行了许多尝试，其原理为通过测量谷物对光电式传感器发射光线的遮挡时间测量，通过计算遮挡时间推算出作业时间下流过的谷物体积，通过在设定的时间间隔内(或机器对应行程间距内)计算谷物流量。其测量方式为非接触测量，不受作业温度、谷物水分影响，适应农田复杂的作业环境。为了提高测量精度，控制器预先输入谷物密度ρ参数，根据谷物的分布确定标定参数，对流量数据进行修正。

德国CLAAS公司研制的RDS Ceres II System，使用光电式测产原理，其装置测量谷物在输粮叶片带动下遮挡发射器光线时，测量光束被遮挡的中断时间计算谷物体积，通过测量单位时间内螺旋输送器通过的谷物体积，在作业前手动测量谷物密度，并输入到主控制中，计算出谷物实时质量流量。

《基于光电原理的容积式谷物流量传感器试验研究》中李民赞等设计开发了基于光电式的联合收获机谷物产量监测系统，采用89C2051单片机作为主控制器，在谷物输粮装置内安装升运器刮板，刮板两侧安装对射式光电传感器测量谷物体积，光电信息通过555芯片构成的施密特触发信号给单片机外部中断计时，单片机将时间信息由标定数据转化为流量信息；其装置在实验室内利用旋转码盘模拟谷物流量，对传感器测量精度进行了分析。

联合收获机的谷物流量测量装置及测产方法(CN101248721)公开了一种利用脉冲计量轮的测量谷物的流量的测量装置，通过测量单位时间内装满谷粒的刮板轮的个数计算谷物流量，并测量了空气湿度对谷物含水率的影响。

基于光电编码器的谷物流量传感器(CN101368835)公开了一种光电编码器式谷物流量传感器，采用连轴套环装置，将光电编码器与受力轴承相连，利用套环的偏转角位移测量流量信号。

调研了国内外的光电式流量传感器，国外的光电式流量测量装置因技术保护并未对国内公开，其产品不能适应国内的联合收获机械和复杂的作业环境；国内的光电式流量测量装置测量精度低没有考虑农田复杂的环境；已公开的研究多采用单一可见光或红外发射器，其探头容易积灰影响测量精度。针对国内联合收获机输粮机构的特点，考虑到收获机复杂的作业环境，流量测量传感器激光探头为穿透力强的激光发射器，减少秸秆杂余造成的影响；针对联合收获机车身倾斜谷物分布不均安装与谷物分布相适应的传感器，并采用激光阵列式传感器对谷物分布不均造成的误差给出补偿修正误差，通过研究输粮装置升运器转速与刮板谷物过程成像分析；对阵列式传感器各路信息进行参数设置，提高测量精度。设计容易安装，结构简单，测量性能稳定的谷物流量测量装置。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种基于激光对射式阵列传感器的谷物流量测量装置，采用的技术方案如下：

一种基于激光对射式阵列传感器的谷物流量测量装置，包括传感器单元和单片机；所述传感器单元包括若干个激光对射式阵列传感器、倾角传感器以及转速传感器；所述激光对射式阵列传感器、倾角传感器以及转速传感器均与所述单片机相连；

所述若干个激光对射式阵列传感器位于X-Y平面内、并且分别沿X轴方向和Y轴方向布置，包括发射装置和接收装置；所述X-Y平面与刮板平面平行，X轴为沿刮板左下角到右上角的对角线方向，Y轴为沿刮板右下角到左上角对角线方向；所述发射装置为激光发射器，通过连接支架安装在升运器内壁上；所述接收装置为光敏二极管，通过连接支架安装在升运器内壁上，所述光敏二极管在没有光信号输入时输出高电平；

所述倾角传感器用于测量升运器倾斜角，所述转速传感器用于测量升运器驱动轮的转速；

所述单片机通过定时器记录光敏二极管输出高电平的时间，根据升运器刮板的移动速度计算出沿X轴、Y轴方向每一路激光对射式阵列传感器对应测量区域的谷物高度；所述单片机还根据每路激光对射式阵列传感器测量的区域大小，获得X、Y方向每一路激光对射式阵列传感器对应区域谷物的体积；所述单片机通过对各路测量区域谷物体积求和实现对谷物流量的测量。

进一步，所述倾角传感器安装在所述连接支架上；所述转速传感器采用霍尔转速传感器，安装在升运器驱动轮上。

进一步，X轴方向布置的传感器均匀分布，个数为4个；Y轴方向布置的传感器均匀分布，个数为4个；所述X轴方向的传感器和所述Y轴方向的传感器能够将升运器刮板等分为32份。

进一步，所述光敏二极管的输出经过信号处理电路处理之后送至所述单片机；所述信号处理电路包括依次相连的：由运算放大器A组成的电流I/电压U转化电路、运算放大器B组成的低频滤波电路、由可调电阻R8和运算放大器C组成的放大电路。

进一步，还包括键盘电路，所述键盘电路与所述单片机相连，通过键盘电路输入谷物密度，单片机根据谷物密度和体积流量信息计算出谷物的质量流量。

进一步，还包括液晶显示器，所述液晶显示器与所述单片机相连，用于实时显示收获机作业信息及测量的谷物流量信息。

本发明的有益效果：

1、本发明能够使联合收获机在复杂的作业环境下获取精确的谷物流量信息，为农田作业产量图绘制提供技术支持。流量测量装置能够在实验室和田间环境下进行精准度实时校正，通过按键模块修改流量测量参数，减小谷物密度、地面不平、秸秆杂余造成的误差；缩短谷物流量测产装置的研发周期，提高装置的精准度和稳定性。

2、激光阵列式传感器中出射光发射探头容易积灰影响测量精度，采用穿透力强的激光发射器，减少秸秆杂余造成的影响。针对收获机械车身倾斜谷物分布不均安装与谷物分布相适应的传感器，并采用激光阵列式传感器对谷物分布不均造成的误差给出补偿修正误差，通过测量输粮装置升运器刮板转速进行参数设定。同时利用谷物过程成像分析技术进行升运器刮板谷物分析，将过程中升运器刮板上谷物分布区域面积求和，计算瞬时谷物流量，减小测量误差。

3、激光阵列式流量传感器为非接触测量，装置结构简单，不受作业温度、谷物水分影响，适应农田复杂的作业环境。阵列传感器从X和Y方向上激光阵列式传感器均匀分布，可获取X、Y方向上谷物分布信息，为过程成像分析谷物分布提供依据。陀螺仪传感器测量升运器在地面不平整时引起的X、Y方向上的倾斜角，作为体积流量误差计算补偿参数，且测量的倾斜角可作为地面不平整信息。

附图说明

图1是激光阵列式谷物流量测量原理图；

图2是本发明原理框图；

图3是激光对射式阵列传感器装置示意图；

图4是传感器输出信号处理电路图；

图5是谷物过程分析成像技术处理示意图；

图6是谷物流量测量程序流程图；

图7是谷物流量测量显示界面。

图中标记：1--X方向传感器发射装置，1-1--X方向传感器接收装置，2--X方向倾角传感器，3--Y方向传感器发射装置，3-1--Y方向传感器接收装置，4--Y方向倾角传感器，5--升运器刮板，6--籽粒堆，7--谷物输粮升运器，8--升运器传送带，9--升运器驱动轮，10—霍尔转速传感器。

具体实施方式

本发明提出一种激光阵列式谷物流量测量装置，克服了传统光电式传感器对于刮板籽粒分布不均、探头积灰测量误差大的问题，测量的谷物流量精确，可以在线作业过程中对刮板谷物分布进行重现。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

激光阵列式谷物流量测量装置如图1、图2所示，本发明的谷物流量测量装置包括X-Y平面内的X方向传感器发射装置1和Y方向传感器发射装置3发射激光到升运器刮板5的两组激光对射式阵列传感器、升运器刮板转速传感器10、升运器X方向倾角传感器2、Y方向倾角传感器4以及单片机、按键模块和LCD液晶显示器。所述激光对射式阵列传感器通过信号处理电路与所述单片机相连，所述升运器刮板转速传感器10、X方向倾角传感器2、Y方向倾角传感器4、所述键盘电路以及所述LCD液晶显示器均与所述单片机相连。

通过在联合收获机谷物输粮升运器7的升运器传送带8上安装升运器刮板5，将Z方向竖直升运器传送刮板内的籽粒堆6输送到粮箱里。其中，X-Y平面与刮板平面平行，Z轴正方向为升运器刮板运动方向，X轴为沿刮板左下角到右上角的对角线方向，Y轴为沿刮板右下角到左上角对角线方向。

如图3所示，在X方向和Y方向两侧分别安装4组激光对射式阵列传感器，所述传感器包括发射装置和接收装置，发射装置(包括X方向传感器发射装置1和Y方向传感器发射装置3)通过连接支架安装在升运器内壁，接收装置(包括X方向传感器接收装置1-1和Y方向传感器接收装置3-1)通过连接支架安装在升运器内壁上。其中X方向和Y方向的激光传感器均匀分布安装，将刮板截面分割成等份面积便于积分求和运算，获取对应刮板区域的谷物分布信息。激光对射式阵列传感器的发射装置与接收装置在水平方向与升运刮板平行，保证激光入射光线覆盖刮板两侧的籽粒，入射光与谷物运动方向垂直。当刮板输送谷物经过激光对射式阵列传感器时，连续的籽粒流会遮挡激光对射式阵列传感器的发射装置的光束信号，激光对射式阵列传感器的接收装置没有光线信号入射，输出电压发生高低电平变化，根据定时器记录输出电压高低电平变化时间。通过测量单位时间内传感器接收装置输出电压高低电平变化的时间，计算出谷物体积流量，整个装置安装在集粮口，易安装不会造成谷物堵塞，可实现非接触测量。

利用所述激光阵列式谷物流量传感器装置测量谷物流量的原理和过程包括如下：

两组激光对射式阵列传感器分别安装在升运器刮板的左右两侧(水平面的X方向和Y方向，X方向和Y方向垂直)，激光对射式阵列传感器的发射装置和接收装置一一对应安装且发射光线与刮板水平平行，谷物籽粒在升运器刮板内匀速的被输送到粮仓，当谷物沿升运器移动方向，即Z轴方向(Z轴方向与X、Y所在平面垂直)运动经过激光对射式阵列传感器时，谷物会遮挡吸收激光发射的光线。

X方向发射的光线被沿X正方向分布的谷物遮挡，X方向传感器接收装置没有光信号输入则输出高电平，沿X方向没有谷物遮挡时，X方向接收装置有光信号输入时输出低电平；高电平信息经放大处理电路处理给单片机定时器记录谷物遮挡时间，沿X方向的x₁,x₂,x₃,x₄的4路激光对射式阵列传感器均匀分布在X方向，不同体积分布的谷物会使沿对应方向安装的接收装置输出高低电平时间发生变化，由单片机定时器记录高电平时间，以此分别测量沿X方向的谷物流。

Y方向发射的光线被沿Y方向分布的谷物遮挡，Y方向传感器接收装置没有光信号输入则输出高电平，沿Y方向没有谷物遮挡时，Y方向接收装置有光信号输入则输出低电平；高电平信息经放大处理电路处理给单片机定时器记录谷物遮挡时间，沿Y方向的y₁,y₂,y₃,y₄的4路激光对射式阵列传感器均匀分布在Y方向，不同体积分布的谷物会使沿对应方向安装的激光接收器输出高低电平时间发生变化，以此分别测量沿Y方向的谷物流。

通过单片机定时器记录的两组接收装置的光束信号的遮挡时间，根据升运器刮板的移动速度可以计算出测量沿X、Y方向每一路激光对射式阵列传感器对应测量区域的谷物高度；又已知每路激光对射式阵列传感器测量的区域宽度，可以获得X、Y方向每一路激光对射式阵列传感器对应区域谷物的体积，通过对各路测量区域谷物体积求和实现对谷物流量的测量。同时由X方向倾角传感器2和Y方向倾角传感器4测量记录作业区域的升运器倾斜角，补偿因农田土地不平整造成的误差，单位时间内谷物体积等效遮挡时间q(t)的计算如下：

X＝(x₁(t) x₂(t) x₃(t) x₄(t)) (1)

Y＝(y₁(t) y₂(t) y₃(t) y₄(t))^T (2)

$A=\left(\begin{array}{cccc}a& b& c& d\\ b& a& b& c\\ c& b& a& b\\ d& c& b& a\end{array}\right)---\left(3\right)$

q(t)＝(θ_xX)A(θ_yY) (4)

式中：θx为X方向上的倾斜角，θy为Y方向上的倾斜角；矩阵X为X方向的4个不同安装位置的接收装置高电平输出的时间值xi(分别为x1,x2,x3,x4)，矩阵Y为Y方向的4个不同安装位置的接收装置高电平输出的时间值yi(分别为y1,y2,y3,y4)，系数矩阵A中的a、b、c、d参数为沿X、Y方向上相邻的激光对射式阵列传感器之间的间隔，q(t)为刮板上谷物遮挡的等效时间；通过X和Y方向倾角传感器测量的θx、θ_y作为升运器倾斜误差的补偿系数，通过单位时间内X方向谷物高度值(由矩阵X与刮板移动速度得到)和Y方向谷物高度值(由矩阵Y与刮板移动速度得到)与测量区域宽度(系数矩阵A)的乘积求和计算出阵列传感器单位时间内被谷物遮挡的谷物体积的等效时间。

激光对射式阵列传感器的发射装置为激光发射器，选用波长650nm，功率3mW的带激光器驱动电路及自动功率控制电路(APC)的半导体激光器，其工作环境温度范围宽，性能稳定；激光对射式阵列传感器的接收装置为光敏二极管2CU2D，光电流可识别不小于80uA的信号输入，针对单片机I/O口输入的光电信号弱，设计了信号处理电路，如图4所示，信号经由运算放大器A组成的电流I/电压U转化电路后放大，经过运算放大器B组成的低频滤波电路去除秸秆杂余造成的误差，由可调电阻R8和运算放大器C设置放大倍数调节输出阈值，将输出信号传递给STM32单片机定时器。采用的X和Y方向上的8对阵列传感器信号输出，每一路传感器输出经图4所示的信号处理电路处理后给单片机定时器，实现谷物遮挡激光信号时接收端输出高电平变化的时间计时；通过换算为单位时间下的体积流计算出谷物体积流量；由式(5)计算出谷物体积流量Q(t)：

Q(t)＝2πn*R*q(t) (5)

式中：n为输粮升运器驱动轮的转速(单位r/s)；R为升运器驱动轮半径。谷物单位时间的传送速度可由测量升运器刮板转速获得。升运器刮板转速是谷物流量测量的一个重要参数，对应不同的升运器刮板转速，谷物流量的大小也有很大的差别。实际收获时升运器刮板转速是基本不变的，但微小转速的改变会直接影响谷物流量传感器的精度。因此采用霍尔转速传感器10测量升运器刮板5转速，所述霍尔转速传感器安装在升运器驱动轮9上。将升运器刮板转速与单位时间内谷物体积等效遮挡时间q(t)相乘可得出单位时间内的籽粒体积流量Q(t)。

谷物测量过程分析谷物成像：利用均匀安装在不同位置的对射式激光传感器记录刮板上不同区域的籽粒分布，通过对接收装置的时间与测量位置的计算，可对谷物进行过程分析成像技术处理，重建谷物在刮板上的分布。如图5所示，按X、Y方向激光对射式阵列传感器发射光线的分布将谷物升运器刮板等分为16个中心子区域和16个边缘子区域，每个子区域面积为已知，每个中心子区域中是否有谷物由对应测量方向的激光传感器x_i和y_i共同确定，以(x1,y1)子区域为例，当单片机定时器对应的接收装置x1,y1输出同时为高电平时，即(x1)&&(y1)＝＝1，则(x1,y1)区域为真，谷物分布区域(x1,y1)有效，该区域发射光线被谷物完全遮挡，说明(x1,y1)区域有谷物覆盖。

对应的16个边缘子区域，根据升运器刮板运动的实际模型，即升运器刮板的形状、面积和运动方向，谷物形状按谷物堆形相邻分布，通常是不规则的圆锥形分布，故边缘子区域以其相邻区域左右两侧的边缘子区域信号有无确定，以x1区域为例，当单片机定时器对应的接收装置x1,y1,x2输出同时为高电平时，即[(x1)&&(x2)]&&[(x1)&&(y1)]＝＝1，则x1区域为真，该区域及相邻区域发射光线被谷物完全遮挡，说明x1区域有谷物覆盖；同样的y1’区域，当单片机定时器对应的接收装置y1,y2,x4输出同时为高电平时，即[(y1)&&(y2)]&&[(y1)&&(x4)]＝＝1，则y1’区域为真，该区域及相邻区域发射光线被谷物完全遮挡，说明y1’区域有谷物覆盖。

研究发现在谷物流较大时，谷物体积达到最大此时测量误差小；当谷物流量较小时刮板上籽粒分布不均匀造成测量误差大，因此将刮板上谷物体积测量划分为32个小区间，利用谷物过程成像分析技术进行升运器刮板谷物分析，将作业过程中升运器刮板上谷物分布区域面积求和，计算瞬时谷物流量，减小测量误差。各个测量方向测量区间相互关联，减小误差，提高测量精度。

谷物质量流量与谷物密度有关，通过按键模块(键盘电路)输入作业的谷物籽粒密度，即可得出单位时间的谷物质量流量。

M(t)＝Q(t)*ρ (6)

式中：M(t)--单位时间谷物质量流量，ρ--籽粒密度，通过作业前手动测量由按键输出到单片机。

通过作业前手动测量籽粒密度ρ，由按键模块输入籽粒密度初始值；由单片机对谷物质量流量作业信息处理后在LCD液晶显示器显示并存储到存储模块中，其算法如图6；单片机控制器通过8路定时器记录各路激光阵列传感器输出的谷物遮挡时间，结合驱动器转速测量子程序测量刮板上谷物的线速度，通过倾角传感器补偿地面不平造成的倾斜误差。由按键模块结合液晶显示修改输入谷物密度、含水率参数，保存作业数据为农田作业产量图绘制提供依据。

设计的激光阵列谷物流量测量人机交互装置的界面效果如图7，传感器信号通过导线接入单片机I/O口，通过单片机控制器记录各路传感器信息计算出谷物实时流量，由液晶显示器界面实时显示收获机作业信息及流量信息，由键盘电路输入谷物密度，计算谷物质量流量。并通过功能模式对收获机对农田区域的作业信息进行查询、修改与保存。

上述所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于激光对射式阵列传感器的谷物流量测量装置，其特征在于，包括传感器单元和单片机；所述传感器单元包括若干个激光对射式阵列传感器、倾角传感器以及转速传感器；所述激光对射式阵列传感器、倾角传感器以及转速传感器均与所述单片机相连；

所述若干个激光对射式阵列传感器位于X-Y平面内、并且分别沿X轴方向和Y轴方向布置，包括发射装置和接收装置；所述X-Y平面与刮板平面平行，X轴为沿刮板左下角到右上角的对角线方向，Y轴为沿刮板右下角到左上角对角线方向；所述发射装置为激光发射器，通过连接支架安装在升运器内壁上；所述接收装置为光敏二极管，通过连接支架安装在升运器内壁上，所述光敏二极管在有谷物遮挡时输出高电平；

所述倾角传感器用于测量升运器倾斜角，所述转速传感器用于测量升运器驱动轮的转速；

所述单片机通过定时器记录光敏二极管输出高电平的时间，根据升运器刮板的移动速度计算出沿X轴、Y轴方向每一路激光对射式阵列传感器对应测量区域的谷物高度；所述单片机还根据每路激光对射式阵列传感器测量的区域大小，获得X、Y方向每一路激光对射式阵列传感器对应区域谷物的体积；所述单片机通过对各路测量区域谷物体积求和实现对谷物流量的测量。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光对射式阵列传感器的谷物流量测量装置，其特征在于，所述倾角传感器采用加速度陀螺仪，安装在所述连接支架上；所述转速传感器采用霍尔转速传感器(10)，安装在升运器驱动轮(9)上。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光对射式阵列传感器的谷物流量测量装置，其特征在于，X轴方向布置的传感器均匀分布，个数为4个；Y轴方向布置的传感器均匀分布，个数为4个；所述X轴方向的传感器和所述Y轴方向的传感器能够将升运器刮板等分为32份。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光对射式阵列传感器的谷物流量测量装置，其特征在于，所述光敏二极管的输出经过信号处理电路处理之后送至所述单片机；所述信号处理电路包括依次相连的：由运算放大器A组成的电流I/电压U转化电路、运算放大器B组成的低频滤波电路、由可调电阻R8和运算放大器C组成的放大电路。

5.根据权利要求1所述的一种基于激光对射式阵列传感器的谷物流量测量装置，其特征在于，还包括键盘电路，所述键盘电路与所述单片机相连，通过键盘电路输入谷物密 度，单片机根据谷物密度和体积流量信息计算出谷物的质量流量。

6.根据权利要求1所述的一种基于激光对射式阵列传感器的谷物流量测量装置，其特征在于，还包括液晶显示器，所述液晶显示器与所述单片机相连，用于实时显示收获机作业信息及测量的谷物流量信息。