光电式谷物产量计量装置的制作方法

本发明涉及农业技术领域，尤其是涉及一种光电式谷物产量计量装置。

背景技术：

谷物产量计量在当前精准农业的研究和实践中，是一个必不可少的重要环节，准确获取作业区域的谷物产量信息是评价谷物产量及作业效果的重要指标，产量信息的空间变异性是来年精准变量作业的科学依据。

目前，国内的谷物产量计量研究相较于国外仍处于探索研发阶段，而国外的谷物产量计量研究多针对于大面积区域内谷物，结构较复杂，成本也比较高。由于国内存在的土地碎片化现状，不适合将国外的谷物产量计量装置安装在国产收割机上使用。

技术实现要素：

针对以上缺陷，本发明提供一种光电式谷物产量计量装置，适合安装在国产收割机上使用。

本发明提供的的光电式谷物产量计量装置包括转速传感器、漫反射型厚度传感器、数据处理模块和显示终端，其中：

所述转速传感器用于检测谷物收割机的升运器的转速；

所述漫反射型厚度传感器用于检测所述升运器的刮板上的谷物厚度；

所述数据处理模块，连接至所述转速传感器和所述漫反射型厚度传感器，用于获取所述转速和所述谷物厚度，并对所述转速和所述谷物厚度进行预处理后发送至所述显示终端；

所述显示终端包括处理器和显示屏，所述处理器用于根据接收到的转速和谷物厚度，确定谷物瞬时产量，并将所述转速、所述谷物厚度和所述谷物瞬时产量显示在所述显示屏上。

可选的，所述装置还包括车载定位模块，所述车载定位模块用于获取谷物收割机的行进速度和位置；

对应的，所述数据处理模块还用于对所述行进速度和所述位置进行预处理，并发送至所述显示终端上；所述处理器还用于将所述行进速度和所述位置显示在显示屏上。

可选的，所述数据处理模块具体用于对所述转速和所述谷物厚度进行放大、滤波和模数转换的预处理。

可选的，所述处理器还用于在显示屏上提供参数设置界面，所述参数设置界面用于使用户对谷物种类、谷物含水量、谷物密度、收割区域、割幅宽度和/或作业人进行设置。

可选的，所述处理器具体用于根据接收到的转速和谷物厚度，确定谷物体积，并根据所述谷物体积和所述谷物密度计算所述谷物瞬时产量。

可选的，所述处理器具体用于利用下式计算所述谷物体积：

V_i＝V_1i+V_2i-V_3i-V_4i

式中，V_i为所述谷物体积，V_1i为模型下部分的长方体的体积，V_2i为模型上部分的不规则形状的体积，V_3i为升运器上每一刮板的体积，V_4i为升运器上链条的体积，所述模型为刮板和刮板上的谷物形成的形状模型。

可选的，所述显示终端还包括存储模块，所述存储模块用于对所述转速、所述谷物厚度、所述谷物瞬时产量、所述行进速度、所述位置和/或收割时间进行存储。

可选的，所述显示终端还包括无线传输模块，用于将所述存储模块中存储的信息输出。

可选的，所述显示终端还包括通信接口。

可选的，所述数据处理模块至少包括1路用于接入所述转速传感器检测到的转速的隔离计数通道和1路用于接入所述漫反射型厚度传感器检测到的谷物厚度的非隔离测频通道。

可选的，所述漫反射型厚度传感器具体用于：向升运器发出光信号，并接收所述光信号在所述升运器的刮板上漫反射回来的脉冲信号，所述脉冲信号的脉宽大小表征所述谷物厚度的大小。

本发明提供的光电式谷物产量计量装置，采用转速传感器测量升运器的转速，利用漫反射型厚度传感器测量升运器刮板上的谷物厚度，然后显示终端中的处理器根据转速、谷物厚度确定谷物瞬时产量，然后在显示屏上显示出来，以供作业人员观看。本发明提供的计量装置结构简单、成本低，非常适合安装在国产收割机上使用。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或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要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1示出了本发明一实施例中光电式谷物产量计量装置的结构示意图；

图2示出了本发明一实施例中光电式谷物产量计量装置在收割机上的安装示意图；

图3示出了本发明一实施例中显示终端所显示的一界面示意图；

图4示出了本发明一实施例中显示终端所安装的光电式谷物流量检测系统提供的各个功能的示意图；

图5示出了本发明一实施例中升运器的刮板与漫反射型厚度传感器的相对位置示意图；

图6示出了本发明一实施例中刮板堆积谷物的示意图；

图7示出了本发明一实施例中在空载试验时刮板空载数据输出特性曲线图；

附图标记说明：

1-车载定位模块；2-显示终端；3-数据处理模块；4-转速传感器；5-漫反射型厚度传感器。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

本发明提供一种光电式谷物产量计量装置，如图1、2、3所示，该装置包括转速传感器4、漫反射型厚度传感器5、数据处理模块3和显示终端2，其中：

所述转速传感器4用于检测谷物收割机的升运器的转速；

所述漫反射型厚度传感器5用于检测所述升运器的刮板上的谷物厚度；

所述数据处理模块3，连接至所述转速传感器4和所述漫反射型厚度传感器5，用于获取所述转速和所述谷物厚度，并对所述转速和所述谷物厚度进行预处理后发送至所述显示终端2；

所述显示终端2包括处理器和显示屏，所述处理器用于根据接收到的转速和谷物厚度，确定谷物瞬时产量，并将所述转速、所述谷物厚度和所述谷物瞬时产量显示在所述显示屏上。

本发明提供的光电式谷物产量计量装置，采用转速传感器4测量升运器的转速，利用漫反射型厚度传感器5测量升运器刮板上的谷物厚度，然后显示终端2中的处理器根据转速、谷物厚度确定谷物瞬时产量，然后在显示屏上显示出来，以供作业人员观看。本发明提供的计量装置结构简单、成本低，非常适合安装在国产收割机上使用。

在具体实施时，转速传感器4可以采用霍尔传感器，例如三线式JK8002C/PNP型霍尔传感器，采用+5V～+30V的直流供电电压。其中霍尔传感器可以通过安装支架固定在收割机上，霍尔传感器采用的测速码盘可以设计两路感应磁铁，以减少系统的误差，提高测量精度。

在具体实施时，漫反射型厚度传感器5的型号可以根据需要自行选择，例如CHE18-30PA-B710/PNP型的传感器，采用+6V～+36V的直流电压供电，工作电流300mA，检测距离5～30cm。当然，还可以设置调节按钮，一条街测量距离。也可以设置一保护罩，避免灰尘、油污等因素干扰。

在具体实施时，漫反射型厚度传感器可以具体用于：向升运器发出光信号，并接收所述光信号在所述升运器的刮板上漫反射回来的脉冲信号，所述脉冲信号的脉宽大小表征所述谷物厚度的大小。利用漫反射型厚度传感器5在进行厚度检测的原理是：升运器刮板输送谷物经过漫反射型厚度传感器5时，会间歇性的阻断光路，从而产生脉冲信号，脉冲信号的大小与谷物的厚度成正比，从而可以实现对谷物厚度的检测。其中，所谓的谷物厚度是指谷物与刮板接触的底部与谷物顶部之间的距离。

在具体实施时，数据处理模块3对获取到的数据进行预处理的过程可以包括信号放大、滤波和模数转换，以便于显示终端2的数据处理和显示等。

在具体实施时，数据处理模块3所述数据处理模块3至少包括1路用于接入所述转速传感器4检测到的转速的隔离计数通道和1路用于接入所述漫反射型厚度传感器5检测到的谷物厚度的非隔离测频通道。

举例来说，在获取数据时可采用4路计数/测频通道，该4路计数/测频通道包括2路隔离输入通道和2路非隔离输入通道。可以选定其中的1路隔离计数通道作为转速传感器4检测到的升运器转速信号的输入通道，1路非隔离测频通道作为漫反射型厚度传感器5检测到的谷物厚度信号的输入通道。还可以设计2路单片降压式稳压器电路为各传感器供电，保证传感器正常运行。

在具体实施时，本发明提供的光电式谷物产量计量装置还可以车载定位模块1，用于获取谷物收割机的行进速度和位置；对应的，所述数据处理模块3还用于对所述行进速度和所述位置进行预处理，并发送至所述显示终端2上；所述处理器还用于将所述行进速度和所述位置显示在显示屏上。

这里，车载定位模块1获取收割机的行进速度、位置，数据处理模块3对收割机的行进速度和位置进行预处理后发送给显示终端2，在显示终端2上显示出来，这样作业人员可以实时了解当前的作业位置和作业速度。

在具体实施时，车载定位模块1可以采用G-503GPS车载模块，采用直流+12v的电压供电，以对收割机的行进速度和位置进行实时获取。

在具体实施时，如图3所示，显示终端2中的处理器还可以用于在显示屏上提供参数设置界面，所述参数设置界面用于使用户对谷物种类、谷物含水量、谷物密度、收割区域、割幅宽度和/或作业人进行设置。

也就是说，在显示终端2的显示屏上会提供一个参数设置界面，作业人员可以在该界面中输入一些相关的基本参数，例如谷物种类、谷物含水量、谷物密度、收割区域、割幅宽度和/或作业人，以便后续数据的统计、分析和处理等。举例来说，若某作业人员在对某一区域内的谷物进行收割过程中或收割完成后，在界面上输入所收割谷物的种类、收割面积、谷物的含水量、密度等参数。

在具体实施时，显示终端2还可以包括存储模块，以对所述转速、所述谷物厚度、所述谷物瞬时产量、所述行进速度、所述位置和/或收割时间进行存储，从而实现有关数据的保存。

在具体实施时，显示终端2还可以包括无线传输模块，以将存储模块中的数据输出，例如GPRS模块，从而实现有关信息的无线输出。

在具体实施时，显示终端2还可以包括用于与外部设备连接的通信接口，例如RS232接口、RS485接口、CAN接口等，从而实现有关信息的有线输出。

在具体实施时，显示终端2的型号和种类可以自行选择，例如VMC1000嵌入式终端。其中，处理器之所以能够实现谷物瞬时产量的计算、参数设置、显示等过程，处理器内存储有光电式谷物流量监测系统的程序软件，参考图4。对谷物瞬时产量计算可以采用其中的谷物产量模型计算，具体的模型在后续介绍。该程序软件可以以Microsoft Visual Studio 2010为开发平台，运用C++语言进行程序编写，以实现有关数据的处理计算、信息的显示、参数的设置、存储等功能。

在具体实施时，显示终端2的处理器确定谷物瞬时产量的过程可以为根据接收到的转速和谷物厚度，确定谷物体积，并根据所述谷物体积和所述谷物密度计算所述谷物瞬时产量。具体为：

参见图5和6，刮板谷物堆积形状近似模拟为4个部分，包括下部刮板体积、中部规则长方体体积、上部形体体积和升运器链条体积。收割机升运器与水平地面的倾角为β，漫反射型厚度传感器5中心线到刮板前沿的垂直距离为d。a、b、c分别为收割机升运器刮板的长度、宽度和高度，m和n为升运器链条的长度和宽度，x为漫反射型厚度传感器5遮挡探测点的谷层高度。

谷物的体积V_i为：

V_i＝V_1i+V_2i-V_3i-V_4i (1)

式中，V_i为所述谷物体积，V_1i为图6中模型下部分的长方体的体积，V_2i为模型上部分的不规则形状的体积，V_3i为升运器上每一刮板的体积，V_4i为升运器上链条的体积，所述模型为刮板和刮板上的谷物形成的形状模型。谷物瞬时体积Vi简写为：

V_i＝Kx_i+W (3)

谷物体积V_i与谷物厚度x_i呈线性关系，K和W对于某一特定收割机均为常量。在收割作业过程中，漫反射型厚度传感器5输出的间歇性脉宽信号t_i，转速传感器4输出的转速信号为n_i，则x_i＝kt_in_i(k为标定系数)反映了刮板所载谷堆厚度的变化信息。

为了验证光电式谷物产量计量装置的性能，分别开展了室内台架试验和田间动态性能验证试验，台架试验表明转速传感器4测量误差小于2.00％，漫反射型厚度传感器5测量误差小于3.50％，两者的准确性和稳定性均满足系统要求。田间动态性能验证试验结果表明光电式谷物产量计量装置的运行稳定，检测结果与实际测量结果相关系数R2达到0.8484，测产误差最大为-3.51％，因此也满足田间实际测产需要。

性能验证试验于小麦收获季节在北京市小汤山国家精准农业研究示范基地进行，试验地地处东经116.265466～116.270241，北纬40.111550～40.111161，小麦种植品种为京冬22，小麦面积为70hm²。试验现场气象条件良好：晴，气温22～32℃。联合收割机试验机型为中国中联重科农业机械责任有限公司设计生产的自走轮式TB60谷物联合收割机，收割机的喂入量为6kg/s，割幅宽度为2.51m，发动机的功率为86.4kw，收割机的行走速度为2～4km/h，外形尺寸为6600mm×3000mm×3420mm，实际作业中割幅宽度为2.36m。田间性能试验分为空载试验和谷物测产试验2个阶段：首先通过空载试验，对刮板厚度的脉宽信号进行差分滤波，以降低干扰；然后通过谷物测产试验，进行产量计量系统标定和验证。

(1)空载试验

空载试验在小麦实验田相邻空置实验田进行，实验田地形特征和土壤性能与小麦种植田均相似。在空载试验中，调节收割机的升运器转速从200r/min至1500r/min空载运行，对升运器刮板厚度输出脉宽时间进行标定。

图7是刮板空载数据输出特性曲线，从图7可见，随着升运器速度增加，空载刮板脉宽时间逐渐降低。空载特性拟合曲线相关系数R2达到0.9871。升运器转速为田间工况水平750r/min和850r/min时，谷物计量系统测得升运器转速平均值分别为734r/min和836r/min，测量误差为2.13％和1.65％，此时升运器刮板厚度测量值分别为11.74mm和11.65mm，与刮板实际厚度比较，误差为2.16％和2.91％，光电式谷物产量计量系统在田间动态空载运行时稳定性和准确性均满足系统要求。

(2)田间动态性能标定和验证试验

为验证光电式谷物产量计量系统田间动态性能，对系统进行了标定和验证。标定试验共进行了3次，获得标定系数0.071，代入上式中获得光电漫反射谷物产量计量模型公式：

V_i＝5.71t_in_i-229.36 (4)

式中，V_i为表示谷物实时体积，cm³，t_i为表示谷物脉宽时间，s，n_i为表示升运器转速，r/min，进而计算得到实时谷物体积，再结合谷物密度即可计算得到谷物产量，本次试验中测得的谷物密度为730.5kg/m3。

田间验证试验共进行6个车次，每个车次分别代表不同面积的小麦收割区域，由谷物产量计算模型公式计算获得谷物产量值，人工采样称重获得谷物实际产量。表1是田间验证试验数据。

表1光电式谷物产量计量装置的田间验证试验数据表

获得的谷物产量和实际测得的谷物产量相关系数R2达到0.8484，误差范围在-3.51％～3.36％，整体小于4.00％，且误差波动较小，说明系统具有较好的准确性和鲁棒性。完全满足田间实际测产需要。试验中最大误差为-3.51％，对收割机田间工作状况和系统实际运行情况分析主要是由于收获区域地面起伏不平、地块不规则导致收割机行走路线变化，割幅未达到2.36m的正常工作幅宽等所造成的。此外，由于田间试验时谷物水分、温度等参数也存在差异，也会造成误差的产生。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。