专利名称：一种粮食产量分布信息测量方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及精准农业机械装备自动控制技术领域，特别是一种粮食产量分布信息测量方法及装置。
背景技术：
当今，联合收割机已成为我国广泛使用的主要农业机械，联合收割机收获喂入量实时监测技术研究对及时调整作业状态，避免工作部件非正常损坏，达到作业高效、减少损失以及提高可靠性的目的，具有十分重要的社会经济价值。另一方面联合收割机跨区作业计量收费问题和监督检测部门现场试验与评估手段缺乏等问题较突出，进行机载谷物流量自动计量技术和联合收割机收获喂入量实时监测系统的研究已十分必要。国外粮食产量分布信息获取系统得到了广泛的应用，目前已成为国外田间信息积累的主要内容之一。国外已商品化的产量监视系统产品集中于谷类作物收获机械方面，主要有美国CASE IH公司的AFS(Advanced Farming System)系统，英国AGCO公司的FieldStar系统，美国John Deree公司的Greenstar系统，美国AgLeader公司 PF(Precision Farming)系统及英国RDS公司的产量监测系统等。这些系统都具有功能较强的GIS综合功能，能自动完成产量监测和生成产量分布图。粮食计产系统是精准农业推广最早最快的单项技术。2003年美国大约有3万台收割机配备了计产系统，2001年34%的玉米，25%的大豆，10%的小麦使用了计产系统，大约有1/3的计产系统配备了地球定位系统。计产系统的应用主要集中在大型农场。美国农业部的调查显示8%的土豆面积被产量监测。目前正在开发将GPS用于对人工采摘的作物如苹果和梨进行产量制图。在阿根廷2001年大约有560台计产系统，测定了 4%面积的粮食和油料作物的产量。非正式的资料显示，2000年澳大利亚拥有的计产系统大约为800套。目前应用的谷类作物产量传感器主要有四种类型即冲击式流量传感器、Y射线式流量传感器、光电式容积流量传感器以及刮板轮式容积流量传感器。a、冲击式流量传感器参见
图1，
图1为冲击式流量传感器原理图。在没有传感器的情况下，由净粮升运器输送来的谷物由于具有一定的线速度，在升运器的顶部，刮板上的谷物将以一定的速度被甩向前方，然后在重力的作用下直接落入谷仓。当在导流板前方安装流量传感器后，谷物流将会受到阻挡而改变方向。由于谷物具有质量，运动着的谷物流就具有一定的动量，当传感器冲击板阻挡其前进时，谷物流将会与打击板发生碰撞，并对打击板产生冲击力。若假定运动的谷物与打击板相碰撞后运动速度近似为零，则由物理学冲量的定义可知Ii (t) = Iiii (t)Vi (t)(1)式中Ii (t)——谷物冲量，kg. m/sHii (t)—谷物流的质量，kg
Vi (t)——谷物流的速度，m/s 因此从理论上讲，通过连续测量谷物碰撞打击板后其动量的变化就可以实现谷物累积质量的实时测量，也就是实现谷物流量的测量。这就是冲击式谷物流量传感器的工作原理。由式(1)可见，冲量数值的大小既与谷物的质量有关，也与谷物在空气中的流速有关。在vi(t)已知的情况下，通过测量Ii (t)可以换算出mi (t)。根据换能元件的不同，冲击式流量传感器也有不同的类型。最普通的类型是在打击板背面粘贴应变片，当打击板受冲击力变形后，应变片随着打击板的变形而发生阻值的变化，通过后面的检测与放大电路检测到这一阻值变化，就可最终换算出谷物的流量。当然，为了提高传感器的抗干扰能力和测量精度，在检测、放大电路以及数据处理软件中都需要必要的特殊设计和处理。b、Y射线式流量传感器参见图2，图2为Y射线式流量传感器的原理图。根据物理学的基本理论，当Y射线入射到某种物质并与该物质产生相互作用后，射线的辐射强度将出现一定程度的衰减， 且服从指数规律，即I = ΙοΘ_μΜ(2)上式中=Itl——没有其它物质阻挡时，Y射线直接照射到探测器上的辐射强度，单位为居里(Ci) ；I—当Y射线受到物质阻挡时，探测器接收到的实际Y射线强度，单位同上；μ——Y射线强度相对于某种物质的质量吸收系数(cm2/g) ；M——物质的质量厚度， 即辐射场单位面积上的物质重量(g/cm2)。实验证明，对于稻谷、小麦、黄豆和玉米等谷物，Y射线都能保持良好的指数衰减规律。其适用的联合收割机机型与冲击式流量传感器类似，仍然是测量由净粮升运器所抛出的谷物流。它采用低能Y射线输出器为射线源，射线源将辐射对准传感器，传感器可探测辐射的强度。在谷物产量监测中，射线源和传感器之间谷物量的多少，将导致传感器测出的辐射强度发生变化。传感器探测到的辐射强度越弱，表明流动于射线源和传感器之间的谷物质量就越大。此系统可测量谷物质量，其测量结果不受谷物种类的影响。质量数据与谷物流经过传感器的速度数据相结合，可转换为质量流速度(重量/时间)，同时以(重量/面积)为单位记录为作物产量。这种基于Y射线的谷物流量传感器，具有相当高的精度，其计量误差不大于1%， 但由于其利用Y射线作为测产手段，尽管有严格的安全规范，在某些国家仍受到严格限制，即使在我国射线产品的使用也有严格的规定，所有这些都限制了 Y射线式流量传感器的普及与推广。C、光电式容积流量传感器参见图3，图3为光电式容积流量传感器的原理图。这种测产系统在净粮升运器上安装了光栅接收器和发射器，当升运器刮板上升，测量光束将会被谷物断续地遮挡，把刮板上的谷层厚度转化为延续一定时间的脉冲信号，通过亮/暗比例(刮板上谷物阻挡光束的时间)准确地测量出阻断时间，就可计算出谷物的体积流量。为了减少因谷物移动时分布不勻，可并行安装2 3套光栅，分别计时，分别计算， 取其平均值，以此提高测量精度。d、刮板轮式容积流量传感器
6
参见图4，图4为一种刮板轮式容积流量传感器的原理图。以上介绍的三种谷物流量传感器，都是利用间接的方法测量已收获谷物的体积或重量，间接测量的参数包括谷物流的冲击力、谷物流对射线的吸收以及升运器刮板上净粮的高度等，这些间接参数被转换为电信号，再经过对电信号的放大、记录和处理，可计算出谷物流量。除此之外，人们也试图直接将谷物的体积或重量转换为电信号，以便更方便直接地测量谷物产量。它在净粮升运器和谷仓之间增加了一个刮板轮机构，当来自净粮升运器的谷物达到一定体积时，料位传感器监测到信号后刮板轮开始转动，由于两个刮板轮之间的空间容积(V)是已知的，只要记录下刮板轮的瞬时转速(R)，就可以按下式计算出谷物的容积流量F = nXVXR(4)这里，F是谷物容积流量，η是刮板的个数，V是两个刮板轮之间的空间容积，R是刮板轮的转速。这种流量传感器可以达到相当高的精度，实时性也较好，但需要在净粮升运器出口和谷仓之间增加一个体积较大的机构，而许多联合收割机并不具备足够的空间，因而限制了它的推广。专利号为“ZL200310117204. 5”，名称为“一种联合收割机粮食产量流量监视方法
及装置”的中国发明专利，公开了一种基于称重法的联合收割机产量分布测量方法及装置， 为提高联合收割机粮食流量监视的准确性，提高系统的实用性，简化安装，降低成本，采用了螺旋推进称重式装置组成联合收割机产量流量传感计量方法。采用动态称重方法以保证粮食流量的计量精度，采用螺旋推进方法是解决与联合收割机的安装问题。该装置有利于作为联合收割机的附件在各种现有的机型上配套使用。参见图5，图5为上述专利的联合收割机粮食产量流量监视装置结构示意图。被计量的粮食经刮板式籽粒提升机送入螺旋推进器中，该螺旋推进器由驱动装置驱动粮食沿水平方向进入粮箱，螺旋推进器、驱动装置和动态的粮食重量由两侧两个(或三个)重力传感器来计量，经高精度放大器放大后，通过模拟量到数字量转换接口将重量信号转为数字信息送入机载计算机进行信号滤波处理，并将测得的粮食重量按螺旋推进器的转动时间计算流量同时进行水分修正，积分后可以测得粮食产量，配合GPS定位系统用于绘制粮食产量分布图。双称重传感器式螺旋推进流量计量原理设t(i)时刻，螺旋推进装置有效称量段L上的物料重量为w(i)，设物料螺旋推进速度为ν不变，则在t(i+l)时刻，通过At = t(i+l)-t(i) =L/v时间段物料的流出量为q(i) = cl*w(i)，其中cl为校正系数。因为 At为常量，所以单位时间的物料流量为q(i) =(32柳(1)，其中(2 = (31/(17力为单位校正系数。由于测量输出电压为两个传感器电压之和V(i) =Vl(i)+V2(i)与重量w(i)成正比， 则螺旋推进装置单位时间输出量为q(i) = c2*c3*V(i)(6)其中c3为电压V(i)与重量w(i)之间的换算系数，⑴式即为联合收割机粮食流量计量公式。按此式积分有
权利要求
1.一种粮食产量分布信息测量方法，用于联合收割机收割时获取田间粮食作物的产量分布信息，其特征在于，包括a、计量粮食流量的步骤，用于在联合收割机上设置粮食输送机构并通过所述粮食输送机构输送被计量的粮食，根据安装在所述粮食输送机构上的重量信号采集装置获取称重信息来统计所通过的粮食流量，得到粮食流量数据；b、修正流量数据的步骤，用于根据所述粮食输送机构的转速、所述联合收割机的行走速度和设置在所述粮食输送机构下方的水分测量装置测量的实时粮食水分监测信息对所述粮食流量数据进行修正并得到修正后的粮食流量数据；c、记录并输出所述粮食流量数据的步骤。
2.如权利要求1所述的一种粮食产量分布信息测量方法，其特征在于，还包括d、导航并测量收获面积的步骤，用于利用车载GPS定位导航系统根据预设收割路径进行辅助导航收割，依据所述联合收割机的行走路径轨迹、割幅及行走路径的外轮廓进行收割面积的统计。
3.如权利要求1或2所述的一种粮食产量分布信息测量方法，其特征在于， 在步骤a中，包括al、设置皮带输送机构作为所述粮食输送机构，设置称重传感器作为所述重量信号采集装置，所述称重传感器通过测量在所述皮带输送机构上实时存留的粮食重量得到所述粮食流量数据中的平均流量；a2、由车载GPS导航定位系统测得的位置和粮食通过所述联合收割机到测量装置的时间差，以及所述联合收割机的行走速度得到田间收割机作业区域作物的所述粮食流量数据中的平均产量。
4.如权利要求3所述的一种粮食产量分布信息测量方法，其特征在于在步骤al中，采用单端传感器称重测量方法，仅在所述皮带输送机构的粮食输出端设置所述称重传感器测量通过所述皮带输送机构的粮食重量。
5.如权利要求3或4所述的一种粮食产量分布信息测量方法，其特征在于，在步骤a 中，还包括a3、在所述皮带输送机构及称重传感器的下方，安装平仓螺旋机构，利用平仓螺旋机构处理粮食堆积影响。
6.如权利要求1所述的一种粮食产量分布信息测量方法，其特征在于，在步骤b中，包括bl、根据皮带输送机构转速对粮食流量数据进行修正皮带输送机构转速与流量成正比，修正的公式如下Wl = K1*W0*V/N0其中W1为粮食流量；W0为称重法测量得到的粮食流量；Kl修正系数，通过标定确定Kl值；V为测量得到的皮带转速值；N。为额定转速。b2、根据联合收割机行走速度对粮食流量数据进行修正联合收割机行走速度大小改变喂入量，对传感器的冲力形成非线性影响，修正的公式如下W2 = K2*W1*(1-K3*S1)其中W1为转速修正后的粮食流量；K2为线性修正系数，K2通过加载重量标定得到常数；K3为与非线性修正系数，K3是与行走速度变化范围相关的被标定得到的常数； Sl为行走速度；W2为行走速度修正后的粮食流量。b3、根据实时粮食水分监测信息对粮食流量数据进行修正应用在线水分监测装置对收获粮食水分进行测量，修正实际粮食流量的公式如下W3 = W2*(l-R+0. 14)其中W3为修正到入仓水分后的粮食流量； W2为行走速度修正后的粮食流量； R为实时测量粮食水分的含量值。
7.如权利要求2所述的一种粮食产量分布信息测量方法，其特征在于， 在步骤d中，包括dl、根据预设收割路径进行辅助导航收割收割前在地图上预设收割路径，田间作业时根据导航指示路径操纵所述联合收割机进行收割；d2、当所述联合收割机的割台放下且其行走速度不为零时，应用车载GPS导航定位系统记录所述联合收割机的运动轨迹；d3、依据所述联合收割机的行走路径轨迹、割幅以及路径的外轮廓计算收获面积面积计算公式如下 Al = V*t*H其中·Μ为收获的面积参考值； V为联合收割机行走速度； t为运行时间； H为割幅。当绘制的运行轨迹中没有幅宽未能覆盖的区域时，所有运行轨迹的外轮廓线所包含的面积作为收获面积；否则，Al即为收获面积。
8.如权利要求1所述的一种粮食产量分布信息测量方法，其特征在于，在步骤c中，还包括利用所述车载计算机的远程通讯功能传输数据并绘制田间粮食产量分布图。
9.一种粮食产量分布信息测量装置，用于联合收割机收割时获取田间粮食作物的产量分布信息，安装在所述联合收割机的机架上，其特征在于，包括驱动装置、粮食输送机构、 称重传感器、修正信息采集系统、车载信号处理电路及车载计算机，所述驱动装置与所述粮食输送机构连接，所述称重传感器与所述粮食输送机构连接，所述称重传感器和所述修正信息采集系统通过所述车载信号处理电路与所述车载计算机连接，所述修正信息采集系统包括水分测量装置、转速测量装置及行走速度测量装置。
10.如权利要求9所述的粮食产量分布信息测量装置，其特征在于，所述粮食输送机构包括皮带输送机构，所述称重传感器与所述皮带输送机构的粮食输出端连接。
11.如权利要求10所述的粮食产量分布信息测量装置，其特征在于，还包括平仓螺旋机构，所述平仓螺旋机构设置在所述皮带输送机构的下方，所述平仓螺旋机构用于防止粮仓内的粮食堆积过高而接触所述皮带输送机构或称重传感器导致测量错误。
全文摘要
一种粮食产量分布信息测量方法及装置，在联合收获机收获粮食的同时，利用附加的粮食产量测量装置来获取田间粮食作物的产量分布信息。该方法包括计量粮食流量的步骤，用于在联合收割机上设置粮食输送机构并通过所述粮食输送机构输送被计量的粮食，根据安装在所述粮食输送机构上的重量信号采集装置获取称重信息来统计所通过的粮食流量，得到粮食流量数据；修正流量数据的步骤，用于根据所述粮食输送机构的转速、所述联合收割机的行走速度和设置在所述粮食输送机构下方的水分测量装置测量的实时粮食水分监测信息对所述粮食流量数据进行修正并得到修正后的粮食流量数据；记录并输出所述粮食流量数据的步骤。
文档编号A01D41/127GK102379189SQ201010269319
公开日2012年3月21日 申请日期2010年8月31日 优先权日2010年8月31日
发明者张小超, 张爱国, 胡小安 申请人:中国农业机械化科学研究院