光電式谷物產量計量裝置的制作方法

本發(fā)明涉及農業(yè)技術領域，尤其是涉及一種光電式谷物產量計量裝置。

背景技術：

谷物產量計量在當前精準農業(yè)的研究和實踐中，是一個必不可少的重要環(huán)節(jié)，準確獲取作業(yè)區(qū)域的谷物產量信息是評價谷物產量及作業(yè)效果的重要指標，產量信息的空間變異性是來年精準變量作業(yè)的科學依據(jù)。

目前，國內的谷物產量計量研究相較于國外仍處于探索研發(fā)階段，而國外的谷物產量計量研究多針對于大面積區(qū)域內谷物，結構較復雜，成本也比較高。由于國內存在的土地碎片化現(xiàn)狀，不適合將國外的谷物產量計量裝置安裝在國產收割機上使用。

技術實現(xiàn)要素：

針對以上缺陷，本發(fā)明提供一種光電式谷物產量計量裝置，適合安裝在國產收割機上使用。

本發(fā)明提供的的光電式谷物產量計量裝置包括轉速傳感器、漫反射型厚度傳感器、數(shù)據(jù)處理模塊和顯示終端，其中：

所述轉速傳感器用于檢測谷物收割機的升運器的轉速；

所述漫反射型厚度傳感器用于檢測所述升運器的刮板上的谷物厚度；

所述數(shù)據(jù)處理模塊，連接至所述轉速傳感器和所述漫反射型厚度傳感器，用于獲取所述轉速和所述谷物厚度，并對所述轉速和所述谷物厚度進行預處理后發(fā)送至所述顯示終端；

所述顯示終端包括處理器和顯示屏，所述處理器用于根據(jù)接收到的轉速和谷物厚度，確定谷物瞬時產量，并將所述轉速、所述谷物厚度和所述谷物瞬時產量顯示在所述顯示屏上。

可選的，所述裝置還包括車載定位模塊，所述車載定位模塊用于獲取谷物收割機的行進速度和位置；

對應的，所述數(shù)據(jù)處理模塊還用于對所述行進速度和所述位置進行預處理，并發(fā)送至所述顯示終端上；所述處理器還用于將所述行進速度和所述位置顯示在顯示屏上。

可選的，所述數(shù)據(jù)處理模塊具體用于對所述轉速和所述谷物厚度進行放大、濾波和模數(shù)轉換的預處理。

可選的，所述處理器還用于在顯示屏上提供參數(shù)設置界面，所述參數(shù)設置界面用于使用戶對谷物種類、谷物含水量、谷物密度、收割區(qū)域、割幅寬度和/或作業(yè)人進行設置。

可選的，所述處理器具體用于根據(jù)接收到的轉速和谷物厚度，確定谷物體積，并根據(jù)所述谷物體積和所述谷物密度計算所述谷物瞬時產量。

可選的，所述處理器具體用于利用下式計算所述谷物體積：

V_i＝V_1i+V_2i-V_3i-V_4i

式中，V_i為所述谷物體積，V_1i為模型下部分的長方體的體積，V_2i為模型上部分的不規(guī)則形狀的體積，V_3i為升運器上每一刮板的體積，V_4i為升運器上鏈條的體積，所述模型為刮板和刮板上的谷物形成的形狀模型。

可選的，所述顯示終端還包括存儲模塊，所述存儲模塊用于對所述轉速、所述谷物厚度、所述谷物瞬時產量、所述行進速度、所述位置和/或收割時間進行存儲。

可選的，所述顯示終端還包括無線傳輸模塊，用于將所述存儲模塊中存儲的信息輸出。

可選的，所述顯示終端還包括通信接口。

可選的，所述數(shù)據(jù)處理模塊至少包括1路用于接入所述轉速傳感器檢測到的轉速的隔離計數(shù)通道和1路用于接入所述漫反射型厚度傳感器檢測到的谷物厚度的非隔離測頻通道。

可選的，所述漫反射型厚度傳感器具體用于：向升運器發(fā)出光信號，并接收所述光信號在所述升運器的刮板上漫反射回來的脈沖信號，所述脈沖信號的脈寬大小表征所述谷物厚度的大小。

本發(fā)明提供的光電式谷物產量計量裝置，采用轉速傳感器測量升運器的轉速，利用漫反射型厚度傳感器測量升運器刮板上的谷物厚度，然后顯示終端中的處理器根據(jù)轉速、谷物厚度確定谷物瞬時產量，然后在顯示屏上顯示出來，以供作業(yè)人員觀看。本發(fā)明提供的計量裝置結構簡單、成本低，非常適合安裝在國產收割機上使用。

附圖說明

為了更清楚地說明本公開實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本公開的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些圖獲得其他的附圖。

圖1示出了本發(fā)明一實施例中光電式谷物產量計量裝置的結構示意圖；

圖2示出了本發(fā)明一實施例中光電式谷物產量計量裝置在收割機上的安裝示意圖；

圖3示出了本發(fā)明一實施例中顯示終端所顯示的一界面示意圖；

圖4示出了本發(fā)明一實施例中顯示終端所安裝的光電式谷物流量檢測系統(tǒng)提供的各個功能的示意圖；

圖5示出了本發(fā)明一實施例中升運器的刮板與漫反射型厚度傳感器的相對位置示意圖；

圖6示出了本發(fā)明一實施例中刮板堆積谷物的示意圖；

圖7示出了本發(fā)明一實施例中在空載試驗時刮板空載數(shù)據(jù)輸出特性曲線圖；

附圖標記說明：

1-車載定位模塊；2-顯示終端；3-數(shù)據(jù)處理模塊；4-轉速傳感器；5-漫反射型厚度傳感器。

具體實施方式

下面將結合本公開實施例中的附圖，對本公開實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒竟_中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本公開保護的范圍。

本發(fā)明提供一種光電式谷物產量計量裝置，如圖1、2、3所示，該裝置包括轉速傳感器4、漫反射型厚度傳感器5、數(shù)據(jù)處理模塊3和顯示終端2，其中：

所述轉速傳感器4用于檢測谷物收割機的升運器的轉速；

所述漫反射型厚度傳感器5用于檢測所述升運器的刮板上的谷物厚度；

所述數(shù)據(jù)處理模塊3，連接至所述轉速傳感器4和所述漫反射型厚度傳感器5，用于獲取所述轉速和所述谷物厚度，并對所述轉速和所述谷物厚度進行預處理后發(fā)送至所述顯示終端2；

所述顯示終端2包括處理器和顯示屏，所述處理器用于根據(jù)接收到的轉速和谷物厚度，確定谷物瞬時產量，并將所述轉速、所述谷物厚度和所述谷物瞬時產量顯示在所述顯示屏上。

本發(fā)明提供的光電式谷物產量計量裝置，采用轉速傳感器4測量升運器的轉速，利用漫反射型厚度傳感器5測量升運器刮板上的谷物厚度，然后顯示終端2中的處理器根據(jù)轉速、谷物厚度確定谷物瞬時產量，然后在顯示屏上顯示出來，以供作業(yè)人員觀看。本發(fā)明提供的計量裝置結構簡單、成本低，非常適合安裝在國產收割機上使用。

在具體實施時，轉速傳感器4可以采用霍爾傳感器，例如三線式JK8002C/PNP型霍爾傳感器，采用+5V～+30V的直流供電電壓。其中霍爾傳感器可以通過安裝支架固定在收割機上，霍爾傳感器采用的測速碼盤可以設計兩路感應磁鐵，以減少系統(tǒng)的誤差，提高測量精度。

在具體實施時，漫反射型厚度傳感器5的型號可以根據(jù)需要自行選擇，例如CHE18-30PA-B710/PNP型的傳感器，采用+6V～+36V的直流電壓供電，工作電流300mA，檢測距離5～30cm。當然，還可以設置調節(jié)按鈕，一條街測量距離。也可以設置一保護罩，避免灰塵、油污等因素干擾。

在具體實施時，漫反射型厚度傳感器可以具體用于：向升運器發(fā)出光信號，并接收所述光信號在所述升運器的刮板上漫反射回來的脈沖信號，所述脈沖信號的脈寬大小表征所述谷物厚度的大小。利用漫反射型厚度傳感器5在進行厚度檢測的原理是：升運器刮板輸送谷物經(jīng)過漫反射型厚度傳感器5時，會間歇性的阻斷光路，從而產生脈沖信號，脈沖信號的大小與谷物的厚度成正比，從而可以實現(xiàn)對谷物厚度的檢測。其中，所謂的谷物厚度是指谷物與刮板接觸的底部與谷物頂部之間的距離。

在具體實施時，數(shù)據(jù)處理模塊3對獲取到的數(shù)據(jù)進行預處理的過程可以包括信號放大、濾波和模數(shù)轉換，以便于顯示終端2的數(shù)據(jù)處理和顯示等。

在具體實施時，數(shù)據(jù)處理模塊3所述數(shù)據(jù)處理模塊3至少包括1路用于接入所述轉速傳感器4檢測到的轉速的隔離計數(shù)通道和1路用于接入所述漫反射型厚度傳感器5檢測到的谷物厚度的非隔離測頻通道。

舉例來說，在獲取數(shù)據(jù)時可采用4路計數(shù)/測頻通道，該4路計數(shù)/測頻通道包括2路隔離輸入通道和2路非隔離輸入通道。可以選定其中的1路隔離計數(shù)通道作為轉速傳感器4檢測到的升運器轉速信號的輸入通道，1路非隔離測頻通道作為漫反射型厚度傳感器5檢測到的谷物厚度信號的輸入通道。還可以設計2路單片降壓式穩(wěn)壓器電路為各傳感器供電，保證傳感器正常運行。

在具體實施時，本發(fā)明提供的光電式谷物產量計量裝置還可以車載定位模塊1，用于獲取谷物收割機的行進速度和位置；對應的，所述數(shù)據(jù)處理模塊3還用于對所述行進速度和所述位置進行預處理，并發(fā)送至所述顯示終端2上；所述處理器還用于將所述行進速度和所述位置顯示在顯示屏上。

這里，車載定位模塊1獲取收割機的行進速度、位置，數(shù)據(jù)處理模塊3對收割機的行進速度和位置進行預處理后發(fā)送給顯示終端2，在顯示終端2上顯示出來，這樣作業(yè)人員可以實時了解當前的作業(yè)位置和作業(yè)速度。

在具體實施時，車載定位模塊1可以采用G-503GPS車載模塊，采用直流+12v的電壓供電，以對收割機的行進速度和位置進行實時獲取。

在具體實施時，如圖3所示，顯示終端2中的處理器還可以用于在顯示屏上提供參數(shù)設置界面，所述參數(shù)設置界面用于使用戶對谷物種類、谷物含水量、谷物密度、收割區(qū)域、割幅寬度和/或作業(yè)人進行設置。

也就是說，在顯示終端2的顯示屏上會提供一個參數(shù)設置界面，作業(yè)人員可以在該界面中輸入一些相關的基本參數(shù)，例如谷物種類、谷物含水量、谷物密度、收割區(qū)域、割幅寬度和/或作業(yè)人，以便后續(xù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、分析和處理等。舉例來說，若某作業(yè)人員在對某一區(qū)域內的谷物進行收割過程中或收割完成后，在界面上輸入所收割谷物的種類、收割面積、谷物的含水量、密度等參數(shù)。

在具體實施時，顯示終端2還可以包括存儲模塊，以對所述轉速、所述谷物厚度、所述谷物瞬時產量、所述行進速度、所述位置和/或收割時間進行存儲，從而實現(xiàn)有關數(shù)據(jù)的保存。

在具體實施時，顯示終端2還可以包括無線傳輸模塊，以將存儲模塊中的數(shù)據(jù)輸出，例如GPRS模塊，從而實現(xiàn)有關信息的無線輸出。

在具體實施時，顯示終端2還可以包括用于與外部設備連接的通信接口，例如RS232接口、RS485接口、CAN接口等，從而實現(xiàn)有關信息的有線輸出。

在具體實施時，顯示終端2的型號和種類可以自行選擇，例如VMC1000嵌入式終端。其中，處理器之所以能夠實現(xiàn)谷物瞬時產量的計算、參數(shù)設置、顯示等過程，處理器內存儲有光電式谷物流量監(jiān)測系統(tǒng)的程序軟件，參考圖4。對谷物瞬時產量計算可以采用其中的谷物產量模型計算，具體的模型在后續(xù)介紹。該程序軟件可以以Microsoft Visual Studio 2010為開發(fā)平臺，運用C++語言進行程序編寫，以實現(xiàn)有關數(shù)據(jù)的處理計算、信息的顯示、參數(shù)的設置、存儲等功能。

在具體實施時，顯示終端2的處理器確定谷物瞬時產量的過程可以為根據(jù)接收到的轉速和谷物厚度，確定谷物體積，并根據(jù)所述谷物體積和所述谷物密度計算所述谷物瞬時產量。具體為：

參見圖5和6，刮板谷物堆積形狀近似模擬為4個部分，包括下部刮板體積、中部規(guī)則長方體體積、上部形體體積和升運器鏈條體積。收割機升運器與水平地面的傾角為β，漫反射型厚度傳感器5中心線到刮板前沿的垂直距離為d。a、b、c分別為收割機升運器刮板的長度、寬度和高度，m和n為升運器鏈條的長度和寬度，x為漫反射型厚度傳感器5遮擋探測點的谷層高度。

谷物的體積V_i為：

V_i＝V_1i+V_2i-V_3i-V_4i (1)

式中，V_i為所述谷物體積，V_1i為圖6中模型下部分的長方體的體積，V_2i為模型上部分的不規(guī)則形狀的體積，V_3i為升運器上每一刮板的體積，V_4i為升運器上鏈條的體積，所述模型為刮板和刮板上的谷物形成的形狀模型。谷物瞬時體積Vi簡寫為：

V_i＝Kx_i+W (3)

谷物體積V_i與谷物厚度x_i呈線性關系，K和W對于某一特定收割機均為常量。在收割作業(yè)過程中，漫反射型厚度傳感器5輸出的間歇性脈寬信號t_i，轉速傳感器4輸出的轉速信號為n_i，則x_i＝kt_in_i(k為標定系數(shù))反映了刮板所載谷堆厚度的變化信息。

為了驗證光電式谷物產量計量裝置的性能，分別開展了室內臺架試驗和田間動態(tài)性能驗證試驗，臺架試驗表明轉速傳感器4測量誤差小于2.00％，漫反射型厚度傳感器5測量誤差小于3.50％，兩者的準確性和穩(wěn)定性均滿足系統(tǒng)要求。田間動態(tài)性能驗證試驗結果表明光電式谷物產量計量裝置的運行穩(wěn)定，檢測結果與實際測量結果相關系數(shù)R2達到0.8484，測產誤差最大為-3.51％，因此也滿足田間實際測產需要。

性能驗證試驗于小麥收獲季節(jié)在北京市小湯山國家精準農業(yè)研究示范基地進行，試驗地地處東經(jīng)116.265466～116.270241，北緯40.111550～40.111161，小麥種植品種為京冬22，小麥面積為70hm²。試驗現(xiàn)場氣象條件良好：晴，氣溫22～32℃。聯(lián)合收割機試驗機型為中國中聯(lián)重科農業(yè)機械責任有限公司設計生產的自走輪式TB60谷物聯(lián)合收割機，收割機的喂入量為6kg/s，割幅寬度為2.51m，發(fā)動機的功率為86.4kw，收割機的行走速度為2～4km/h，外形尺寸為6600mm×3000mm×3420mm，實際作業(yè)中割幅寬度為2.36m。田間性能試驗分為空載試驗和谷物測產試驗2個階段：首先通過空載試驗，對刮板厚度的脈寬信號進行差分濾波，以降低干擾；然后通過谷物測產試驗，進行產量計量系統(tǒng)標定和驗證。

(1)空載試驗

空載試驗在小麥實驗田相鄰空置實驗田進行，實驗田地形特征和土壤性能與小麥種植田均相似。在空載試驗中，調節(jié)收割機的升運器轉速從200r/min至1500r/min空載運行，對升運器刮板厚度輸出脈寬時間進行標定。

圖7是刮板空載數(shù)據(jù)輸出特性曲線，從圖7可見，隨著升運器速度增加，空載刮板脈寬時間逐漸降低。空載特性擬合曲線相關系數(shù)R2達到0.9871。升運器轉速為田間工況水平750r/min和850r/min時，谷物計量系統(tǒng)測得升運器轉速平均值分別為734r/min和836r/min，測量誤差為2.13％和1.65％，此時升運器刮板厚度測量值分別為11.74mm和11.65mm，與刮板實際厚度比較，誤差為2.16％和2.91％，光電式谷物產量計量系統(tǒng)在田間動態(tài)空載運行時穩(wěn)定性和準確性均滿足系統(tǒng)要求。

(2)田間動態(tài)性能標定和驗證試驗

為驗證光電式谷物產量計量系統(tǒng)田間動態(tài)性能，對系統(tǒng)進行了標定和驗證。標定試驗共進行了3次，獲得標定系數(shù)0.071，代入上式中獲得光電漫反射谷物產量計量模型公式：

V_i＝5.71t_in_i-229.36 (4)

式中，V_i為表示谷物實時體積，cm³，t_i為表示谷物脈寬時間，s，n_i為表示升運器轉速，r/min，進而計算得到實時谷物體積，再結合谷物密度即可計算得到谷物產量，本次試驗中測得的谷物密度為730.5kg/m3。

田間驗證試驗共進行6個車次，每個車次分別代表不同面積的小麥收割區(qū)域，由谷物產量計算模型公式計算獲得谷物產量值，人工采樣稱重獲得谷物實際產量。表1是田間驗證試驗數(shù)據(jù)。

表1光電式谷物產量計量裝置的田間驗證試驗數(shù)據(jù)表

獲得的谷物產量和實際測得的谷物產量相關系數(shù)R2達到0.8484，誤差范圍在-3.51％～3.36％，整體小于4.00％，且誤差波動較小，說明系統(tǒng)具有較好的準確性和魯棒性。完全滿足田間實際測產需要。試驗中最大誤差為-3.51％，對收割機田間工作狀況和系統(tǒng)實際運行情況分析主要是由于收獲區(qū)域地面起伏不平、地塊不規(guī)則導致收割機行走路線變化，割幅未達到2.36m的正常工作幅寬等所造成的。此外，由于田間試驗時谷物水分、溫度等參數(shù)也存在差異，也會造成誤差的產生。

本發(fā)明的說明書中，說明了大量具體細節(jié)。然而，能夠理解，本發(fā)明的實施例可以在沒有這些具體細節(jié)的情況下實踐。在一些實例中，并未詳細示出公知的方法、結構和技術，以便不模糊對本說明書的理解。

以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解；其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發(fā)明各實施例技術方案的精神和范圍。