压力式谷物产量监测系统优化与试验验证

为了提高谷物收获作业过程中谷物产量在线监测的精度,研制了基于谷物流压力原理的车载谷物产量在线监测系统,该系统包括谷物流量监测装置、定位装置、割台高度控制开关、核心处理器以及人机交互装置。以谷物产量与谷物流压力间的谷物产量监测数学模型为指导,搭建了谷物产量监测试验台,采用Box-Behnken试验设计方法优化谷物流量监测装置结构参数,研究了传感器数量、传感器安装位置和监测装置水平倾角对谷物产量监测系统测产误差的影响,确定了最优参数组合为传感器数量5、传感器安装位置0.24 cm、监测装置水平倾角5°,并对最优参数组合进行了验证试验,结果表明,谷物产量监测系统测产误差为3.27%,满足谷物产量监测的精度要求。对谷物产量监测系统田间实际效果进行了试验验证,试验结果表明,田间测产误差为5.28%,生成的产量分布图为后续田间作业管理提供了决策依据。     

冲量式谷物流量传感器测产信号处理方法

为研究冲量式谷物流量传感器背景振动噪声的提取及剔除方法,以减小背景振动噪声对其测产精度的影响,设计了一套冲量式谷物流量传感器室内标定台架,通过变频调速器控制驱动电机实现输粮搅龙和刮板升运器转速的改变以模拟联合收割机的不同田间工况,并对双板差分冲量式谷物流量传感器的测产信号处理方法进行了研究。通过算术均值滤波初步滤除测量板和参考板输出信号中的随机噪声,通过对参考板滤波输出信号的离散傅里叶变换(discrete Fourier transform,DFT)提取背景噪声的频谱特性,通过测量板和参考板DFT结果的频域差分实现测量板输出信号中背景噪声的剔除,对频域差分结果进行离散傅里叶逆变换(inverse discrete Fourier transform,IDFT)即可得到剔除了背景振动噪声后的传感器输出信号,再对其进行二次算术均值滤波,即得到最终的测产输出信号。通过室内台架标定,建立了谷物籽粒流量与测产输出信号和升运器速度之间的标定模型,并进行了室内模拟测产试验。试验结果表明:谷物流量范围为0.5~2.3 kg/s时,在不同的变频调速器输出频率下,最大测产误差不大于3.1%,测产精度较高且比较稳定,频域差分处理方法能较好地实现双板差分冲量式谷物流量传感器背景振动噪声的剔除。该研究可为冲量式谷物流量传感器测产系统的开发提供参考。     

平行梁冲量式谷物质量流量传感器信号处理方法

冲量式谷物质量流量传感器是联合收割机测产系统的核心部件,但对振动干扰敏感.在传感器平行梁弹性元件结构优化设计基础上,给出了传感器输出信号的处理方法.设计了动态补偿器来改善传感器动态特性,以克服机械结构阻尼难以大幅度提高弹性元件系统阻尼的问题;设计了自适应陷波滤波器,以消除工作环境中存在的非稳定低频振动干扰;给出了传感器零点动态修正方法,以减少农田地形变化对测量精度的影响.试验结果证明了各算法的有效性,其中大田测产误差小于10%.     

光电漫反射式联合收割机谷物产量计量系统研发与性能试验

为了进一步提高联合收割机谷物产量计量系统的精度,自主研发了基于光电漫反射原理的谷物产量计量系统。系统主要由传感器模块、数据处理模块、GPS模块和谷物产量计量显示终端组成。光电式谷物产量计量系统计量作业时,当联合收割机籽粒升运器刮板输送谷物经过漫反射型谷物体积传感器时,会间歇性的阻断光路,从而产生脉宽信号,脉宽信号大小与刮板上谷物厚度成正比,同时升运器转速传感器输出转速信号,谷物产量计量数据处理模块将采集到的2路传感器信号进行放大、滤波和A/D转换后与GPS模块采集的联合收割机行进速度、经纬度信息由RS485总线传输至光电谷物产量计量软件系统,经光电式谷物产量模型处理后,将产量信息、速度信息、位置信息等实时显示在终端上。为了验证光电式谷物产量计量系统的性能,分别开展了室内主要传感器性能台架试验和系统田间动态性能验证试验,试验中谷物喂入量在0.1~6 kg/s范围内,台架试验表明升运器转速传感器测量误差小于2.00%,漫反射型谷物体积传感器测量误差小于3.50%。田间动态性能验证试验结果表明光电式谷物产量计量系统运行稳定,系统检测结果与实际测量结果决定系数R~2达到0.848 4,测产误差最大为3.51%,满足田间实际测产需要,为精准农业变量作业提供了科学依据。     

谷物联合收获机在线测产技术研究现状与进展

为加速推进中国智慧农业发展,深入了解精准农业技术体系中田间谷物产量在线监测技术的研究现状,该研究重点概述了国内外谷物联合收获机在线测产方法,包括动态称量测量、体积测量、冲击力测量、射线测量及其他测量方法,介绍了不同测量方法的原理和测产传感器的关键技术与应用。从可行性、通用性、稳定性与准确性方面,分析归纳了中国当前谷物产量在线监测技术所存在的主要问题,指出冲击力测量方法应用广泛,但尚未考虑谷物与冲击板碰撞时对谷物造成的机械损伤等问题。同时,该研究提出了谷物联合收获机在线测产技术未来的研究重点与发展方向,旨在为作物产量信息监测技术与智能化农业机械装备的发展和应用提供理论依据和技术参考。     

嵌入式谷物流量传感器设计与试验

为进一步提高双平行梁谷物测产系统的集成度以便于推广应用,提出一种嵌入式谷物质量流量传感器。设计了基于混合信号控制器HY16F188和嵌入式处理器STM32F405的信号采集处理模块。其中HY16F188负责谷物冲击信号的后置放大和AD转换,STM32F405则主要完成自适应噪声对消算法,输出谷物质量流量信号。基于MFC设计了配套的上位机软件,用于谷物产量显示、存储和产量图生成。为验证传感器性能,2016年11月在扬州市江都区的实际生产稻田进行了空载振动试验、标定试验、测产试验。空载振动试验分成原地小油门、原地大油门和行走等3种工况,振动干扰噪声幅度降低了97.4%。标定试验中采用线性关系对传感器进行标定,通过直线拟合获得了标定系数。选择3个不同田块开展测产试验,共计进行8次实际测产试验,获得了产量分布图,可以直观看出农田各位置的谷物产量分布情况。大田测产试验结果表明最大测量误差小于7.4%。该研究可为精准农业谷物在线测产研究提供参考。     

谷物流量传感器试验台的设计与试验

为了配合切纵流谷物联合收割机大喂入量流量监测系统的开发,该文根据测产需要,研制了一种谷物流量传感器标定试验台。试验台采用刮板式升运器结构,升运器倾角70°～90°。谷物由入粮箱喂入后,通过对插板的调节,可控制试验过程中不同谷物流量大小。基于图像化编程语言LabVIEW,采用NI(national instrument)数据采集卡,建立了一个多通道数据采集系统,可实现喂入粮箱的质量信号、振动信号及谷物流量信号波形和数值的实时显示、存储和分析。室内标定试验结果表明,在没有外力影响的情况下,喂入量的大小对测产精度的影响较大,尤其小流量时,测产误差达到6.55%。系统动态质量平均误差为4.02%,测产平均误差为4.24%,基本满足大喂入量流量监测系统的需要。本试验台研制为谷物流量传感器提供了一个开发平台。     

基于线结构光源和机器视觉的高精度谷物测产系统研制

针对精准农业中谷物产量信息的高精度获取需求,设计了基于计算机视觉的谷物测产系统,由工业相机、线结构光发生器、电感式接近开关和工控机等组成。提出了基于线结构光的谷堆厚度测量方法,根据所建立的谷物几何模型计算出谷堆的体积,并采用电感式接近开关克服了传统光电式谷物测产系统存在的误触发问题。同时,研究了不同转速下结构光测量误差,建立了基于转速的线结构光测量修正模型,使得测量误差从1.1%减小为0.33%。在室内台架上进行了测产试验,试验结果表明,未使用线结构光修正模型的最大测产误差为12.73%,在使用了线结构光测量修正模型之后,相对测产误差在4.27%以内,该研究可为谷物测产研究提供理论依据。     

基于北斗/GPS的谷物收割机作业综合管理系统

针对在谷物产量测量作业中收割机采用单一的全球定位系统(global positioning system,GPS)进行定位时定位信息不稳定的问题,提出利用具有定位和双向通信功能的北斗/GPS双模用户机,其内部采用北斗(BJ-54)和GPS(WGS-84)2种混合定位方式,将这2种定位方式互补使用,可以解决当使用单一定位情况下定位信息不稳定的问题。利用北斗/GPS双模用户机的定位信息实现谷物收割机行走线路图的测绘;利用北斗卫星的报文通信功能代替全球移动通信系统短信息服务,实现谷物收割机作业数据的远程传输功能。谷物收割机作业综合管理系统包括作业管理中心和车载子系统两部分。车载子系统实现收割机的地理位置、收割面积和谷物质量等数据的采集,然后将采集的数据通过北斗卫星传输给作业管理中心。作业管理中心利用这些数据可以绘制出收割机作业轨迹图和产量分布图,同时作业管理中心也可以向收割机发送作业指令,并通过文本语音转换模块将文本内容转换成语音信号输出,实现作业的综合管理与调度。田间产量测量试验表明,系统测量谷物收割面积相对误差为2.9%,谷物产量相对误差为3.47%,系统运行稳定、可靠。该系统可为南方丘陵山区谷物收割机跨区作业的产量测量、管理提供参考。     

基于GSM的数字农业远程监控系统研究与应用

应用无线网络技术可实现农机作业过程和农田水利设施等的远程监控,为作物生长过程与产量、农业气象等信息的实时采集提供保障。探讨了基于GSM无线技术的数字农业远程测控系统组成结构,阐述了系统监控端软件的实现。在此基础上,采用自行研制的GSM远程通信控制器,开发了智能测产远程数据传输系统,并介绍了该系统的硬件组成和相应软件开发。在测产试验中对现场数据传输的实时性进行了测试,结果表明,GSM无线通信技术能满足农业远程监控的要求。     

面向异构平台的谷物测产数据采集及实现

为了实现谷物现场测产系统采集数据并向测产服务系统进行实时传递,以满足各种终端设备对数据的访问需求,采用Web技术开发了谷物测产数据服务系统,实现了工控机、移动终端和服务器等异构平台之间的数据交互和共享。测产数据由装载在现场联合收割机上的工控机实时采集,利用无线通讯技术通过Socket连接服务器进行数据传输,服务器端按照数据交换协议进行数据解析、产量计算、数据存储和可视化。测产数据服务由基于SOAP(simple object access protocol)协议的Web Service接口提供。该文采用GZIP(GNUzip)压缩技术降低测产数据访问服务时的带宽消耗,由数字签名和信息加密技术保障数据安全。测产实践表明,该数据采集和服务平台能够高效地接收处理实时传来的数据进行数据可视化、计算以及数据推送,实现了异构平台之间数据交互和共享。     

基于小区育种的收获机智能测产系统

摘要：目前,中国境内大部分育种单位产量测试主要采用人工抽检方式完成,劳动强度大,工作效率低,测试数据的质量与发达国家所采用的测产系统相距甚远。为解决这一问题,该文设计研制了一种基于小区育种的收获机测产系统。该测产系统包括上位机和下位机两部分。下位机采用美国TI公司的MSP430单片机,通过粮食水分传感器,重量传感器,环境温湿度传感器,GPS模块,获取收获机的产量、粮食水分含量、环境温湿度及GPS地理位置等信息。上位机采用能够运行MCGS组态软件的嵌入式触摸屏作为人机交互界面。下上位机通过RS-232串口及Modbus协议实现通讯,完成数据的传输。该系统可以自动实现地块号与产量相关数据的准确对应关系,并利用U盘实现海量数据的导入、导出等数据管理功能。并利用虚拟试验验证了该收获机测产系统方案正确和可行,并且可明显提高育种测产的工作效率和数据的准确性。     

奶牛产奶量测量系统设计

为了快速、准确地获取奶牛产奶量数据,避免目前常用的间接测量方法产生的误差,设计了基于质量计量的奶量采集系统。该系统通过在奶罐下安置基于压力传感器的质量称量机,将压力产生的模拟电信号通过A/D转换模块转变为数字电信号,再经分级处理从而获取牛奶质量数据,并直接上传至上位机。上、下位机之间通过CAN总线连接,基于自主协议进行相互通信。经多次测试表明,在5～35kg范围内该系统的测量误差可以控制在6%以下,且具有采集速度快、容错性强的特点。     

基于Mallat算法的谷物流量信号小波去噪方法

针对联合收获机在复杂噪声背景作业过程中难以获取可靠的谷物流量信息的难题,提出了利用小波变换(wavelet transform,WT)对谷物流量传感器输出信号去噪处理方法。根据流量原始信号和噪声的频谱特性确定小波函数和分解尺度,将采集的流量原始信号通过Mallat算法进行小波分解,滤除高频噪声分量重构流量有效信号,由单片机AD通道对流量有效信号进行标定,标定试验后的传感器在不同谷物流量下累积质量最大相对误差为1.68%。利用北斗定位模块进行差分定位提高定位精度,测产装置信息由8051F单片机存储用以绘制农田作业产量图,将设计的测产系统安装在联合收获机上进行模拟水稻作业试验,试验结果表明:对流量传感器输出信号进行小波分解后,谷物流量测量相对误差最大为6.18%,平均相对误差为5.37%。通过对流量传感器输出原始信息进行小波变换,对比小波去噪前后信号的频谱曲线,验证了基于Mallat算法的流量信号去噪和流量有效信息重构方法的可行性和准确性,该研究可为研究农业机械复杂作业环境下原始信息去噪与有效信息重构提供参考。     

纵轴流联合收获机籽粒夹带损失监测方法及传感器研制

针对联合收获机在收获高产水稻时籽粒夹带损失率偏高,籽粒夹带损失实时直接测量难度大的问题,该文提出了一种对纵轴流联合收获机籽粒夹带损失进行实时间接检测的新方法。试验研究了不同喂入量下纵轴流滚筒下脱出混合物中籽粒沿滚筒纵向与横向的分布规律,推导了籽粒沿纵轴流脱粒滚筒径向、轴向的分离概率模型并建立了籽粒夹带损失间接监测数学模型。为准确获取籽粒碰撞信息,试验研究了不同压电材料下籽粒碰撞输出信号特征及籽粒与不同材料敏感板间的碰撞过程,以此为基础研制了性能优良的籽粒损失监测传感器并对其进行了隔振结构设计。将研制的籽粒损失监测传感器安装到纵轴流联合收获机上,运用籽粒夹带损失间接监测方法进行了田间试验,试验结果表明,该文提出的籽粒夹带损失监测方法切实可行,研制的籽粒损失监测传感器工作性能稳定、准确,收获高产水稻时籽粒夹带损失最大测量相对误差为3.03%。该文的研究实现了籽粒夹带损失的实时自动监测,为工程实际运用奠定了良好的基础。