基于功率測量的聯(lián)合收獲機(jī)喂入量檢測方法研究

孫意凡 劉仁杰 歐 顥 張振乾 張 漫 李 寒

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083;2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)信息獲取技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083)

0 引言

聯(lián)合收獲機(jī)收獲過程的損失率和工作效率與其喂入量密切相關(guān)。因此，借助信息技術(shù)實(shí)時(shí)檢測喂入量，對指導(dǎo)駕駛員完成收獲作業(yè)、提高工作效率具有重要意義［1-2］。目前，根據(jù)檢測位置，收獲機(jī)喂入量的檢測方法可分為:基于傾斜輸送器的檢測方法［3-8］、基于脫粒滾筒的檢測方法［9-15］、基于割臺主動(dòng)軸的檢測方法［16-17］、基于螺旋輸送器的檢測方法［18-20］等，檢測參數(shù)主要集中在扭矩和功率。

谷物收獲環(huán)境復(fù)雜，喂入量檢測結(jié)果與試驗(yàn)環(huán)境密切相關(guān)。若試驗(yàn)時(shí)間、地點(diǎn)、環(huán)境不同，則試驗(yàn)結(jié)果不能準(zhǔn)確反映檢測方法之間的差異。從檢測位置實(shí)時(shí)性的角度考慮，傾斜輸送器、割臺主動(dòng)軸、螺旋輸送器位于脫粒工序開始之前，在這些位置安裝傳感器，檢測時(shí)間較早，能夠?yàn)轳{駛員提供更多的操作時(shí)間;在傾斜輸送器、割臺主動(dòng)軸兩種檢測位置安裝傳感器，能夠在保證實(shí)時(shí)性的基礎(chǔ)上具有更好的工作穩(wěn)定性;脫粒滾筒位于脫粒工序開始之后，在此位置安裝傳感器檢測結(jié)果具有時(shí)間滯后性。從檢測位置實(shí)用性的角度考慮，螺旋輸送器空間狹小，不利于傳感器安裝，且工作環(huán)境較為惡劣，難以維持工作穩(wěn)定性。從檢測參數(shù)方面考慮，扭矩理論上能夠更好地反映喂入量的變化，但檢測過程中易受傾斜輸送器角度、割幅寬度等不可控變量的影響;功率作為線性量，影響其檢測精度的不可控變量較少，更能有效反映喂入量變化。因此，本文選取基于割臺主動(dòng)軸功率和傾斜輸送器功率的喂入量檢測方法進(jìn)行試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并對2 種方法的檢測精度進(jìn)行比較。

1 材料與方法

1.1 喂入量檢測方法

1.1.1 基于割臺主動(dòng)軸功率的喂入量檢測方法

收獲機(jī)工作時(shí)，作物由割臺收割并喂入收獲機(jī)，割臺主動(dòng)軸為整個(gè)收獲機(jī)割臺提供動(dòng)力。因此，通過檢測收獲機(jī)主動(dòng)軸的功率，建立收獲機(jī)主動(dòng)軸功率與喂入量之間的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)喂入量的快速檢測。該檢測系統(tǒng)包括收獲機(jī)主動(dòng)軸扭矩傳感器、主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速傳感器和車載工控機(jī)。

傳感器檢測原理如圖1 所示，扭矩傳感器使用應(yīng)變片組成惠更斯電橋，4 個(gè)應(yīng)變片依次沿軸向45°和135°粘貼組成等臂全橋。當(dāng)傳動(dòng)軸受到扭矩作用產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變片隨著主動(dòng)軸表面伸長或縮短，電阻值產(chǎn)生變化，進(jìn)而引起輸出電壓變化;通過對輸出電壓信號的測量得到割臺主動(dòng)軸扭矩T1。

轉(zhuǎn)速傳感器通過霍爾效應(yīng)進(jìn)行檢測。在割臺主動(dòng)輪的側(cè)面粘貼磁鋼，當(dāng)磁鋼經(jīng)過霍爾元件時(shí)會(huì)產(chǎn)生霍爾效應(yīng)形成脈沖信號，通過單位時(shí)間內(nèi)記錄的脈沖數(shù)和主動(dòng)輪表面的磁鋼數(shù)目計(jì)算割臺主動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速n1。

采用ZigBee 技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。應(yīng)變電橋產(chǎn)生的電壓信號經(jīng)過放大、濾波后，經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換由傳感器內(nèi)的ZigBee 模塊傳輸至收獲機(jī)駕駛室內(nèi)的工控機(jī)。

圖1 傳感器檢測原理圖Fig.1 Schematic of sensor detection

通過檢測收獲機(jī)主動(dòng)軸的扭矩T1和轉(zhuǎn)速n1，計(jì)算主動(dòng)軸功率

1.1.2 基于傾斜輸送器功率的喂入量檢測方法

收獲機(jī)工作時(shí)，喂入收獲機(jī)的作物通過傾斜輸送器送至脫粒滾筒處開始脫粒。通過測量傾斜輸送器運(yùn)送作物所消耗的功率，建立喂入量與該功率的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)喂入量的實(shí)時(shí)檢測。

新疆-3 型聯(lián)合收獲機(jī)傾斜輸送器動(dòng)力軸同時(shí)為傾斜輸送器和割臺主動(dòng)軸提供動(dòng)力，即傾斜輸送器動(dòng)力軸功率P 等于割臺主動(dòng)軸功率P1和傾斜輸送器功率P2之和。在傾斜輸送器動(dòng)力軸安裝扭矩傳感器檢測得到動(dòng)力軸扭矩T2;通過割臺主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速n1和傳動(dòng)比k 計(jì)算出傾斜輸送器動(dòng)力軸轉(zhuǎn)速n2;再計(jì)算出傾斜輸送器動(dòng)力軸功率P。傾斜輸送器功率P2=P-P1。

其中，扭矩檢測原理和數(shù)據(jù)傳輸方式與割臺主動(dòng)軸功率檢測系統(tǒng)相同。2 種不同測量方式的傳感器安裝位置如圖2 所示。主要傳感器安裝如圖3 所示。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)于2019 年6 月17 日在河北省中國農(nóng)業(yè)大學(xué)涿州試驗(yàn)站進(jìn)行。以河北冬小麥作為試驗(yàn)對象，新疆-3 型聯(lián)合收獲機(jī)作為試驗(yàn)平臺，將整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)安裝在收獲機(jī)上，扭矩傳感器采樣頻率為20 Hz。在東經(jīng)115°85'6″～115°85'24″，北緯39°46'17″～39°46'24″進(jìn)行麥?zhǔn)赵囼?yàn)。采集相同生長情況下2 種測量方法的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。收獲機(jī)割幅為2.36 m，試驗(yàn)過程中，實(shí)際割幅為2 m。整個(gè)試驗(yàn)過程中割臺主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速基本保持n1=450 r/min，割臺主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速時(shí)域圖如圖4 所示。傾斜輸送器動(dòng)力軸與割臺主動(dòng)軸間傳動(dòng)比k=1.5。

圖2 傳感器安裝位置圖Fig.2 Position of sensor installation

圖3 主要傳感器安裝實(shí)物圖Fig.3 Physical installation diagram of main sensor

圖4 割臺主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速時(shí)域圖Fig.4 Time-domain diagram of rotational speed of header driving shaft

1.3 數(shù)據(jù)分析處理

1.3.1 實(shí)際喂入量計(jì)算

實(shí)際喂入量與所收獲的作物長勢、含水率、收獲機(jī)作業(yè)時(shí)的割幅寬度、割臺高度以及速度有關(guān)。試驗(yàn)地塊長勢較為均勻，收獲時(shí)含水率基本相同;通過計(jì)算單位面積作物質(zhì)量m 和單位時(shí)間內(nèi)收獲機(jī)收獲的作物面積S 得到實(shí)際喂入量q。單位時(shí)間內(nèi)收獲作物面積S 可通過收獲機(jī)的作業(yè)速度v 和收獲作物幅寬d 計(jì)算。試驗(yàn)過程中，收獲機(jī)割幅寬度d 和割臺高度h 保持不變，則收獲機(jī)作業(yè)速度v 和單位面積作物質(zhì)量m 成為影響喂入量的主要因素，可通過收獲機(jī)作業(yè)速度v 與單位面積作物質(zhì)量m 計(jì)算實(shí)際喂入量q，即

使用GNSS 記錄收獲機(jī)的工作路徑和工作速度。在收獲機(jī)工作路徑上根據(jù)收獲機(jī)作業(yè)的割茬高度h 取3 塊邊長為2 m 的方形區(qū)域按照收獲機(jī)收獲時(shí)的割臺高度h 進(jìn)行人工取樣稱量，取平均值計(jì)算單位面積作物質(zhì)量。

1.3.2 傳感器信號處理

通過傅里葉變換得到傾斜輸送器動(dòng)力軸扭矩傳感器和割臺主動(dòng)軸扭矩傳感器電壓信號的頻域信息，找出信號集中的頻段，采用巴特沃斯帶通濾波器，對扭矩傳感器信號進(jìn)行濾波。

1.3.3 模型建立與驗(yàn)證

根據(jù)式(1)、(4)計(jì)算割臺主動(dòng)軸功率和傾斜輸送器功率建立喂入量計(jì)算模型。由圖4 可知，整個(gè)試驗(yàn)過程中，割臺主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速n1基本不變，可視為常量，計(jì)算過程中只需要分別建立割臺主動(dòng)軸扭矩T1電壓信號與實(shí)際喂入量(即作業(yè)面積與作物密度乘積)之間、傾斜輸送器扭矩(kT2-T1)電壓信號與實(shí)際喂入量之間的計(jì)算模型，對比檢測結(jié)果。

隨機(jī)選取50 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，通過最小二乘法建立一元線性回歸方程，得到割臺主動(dòng)軸扭矩與實(shí)際喂入量、傾斜輸送器扭矩與實(shí)際喂入量的關(guān)系式，隨機(jī)選取20 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行模型驗(yàn)證。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)際喂入量計(jì)算時(shí)域圖

3 塊邊長為2 m 的方形區(qū)域作物質(zhì)量采集結(jié)果如表1 所示，計(jì)算可知單位面積作物平均質(zhì)量m 為0.62 kg/m2。

表1 作物質(zhì)量采集結(jié)果Tab.1 Results of crop quality collection kg

收獲過程中收獲機(jī)實(shí)際割幅寬度d 為2 m。通過GNSS 對收獲機(jī)工作過程中作業(yè)速度v 進(jìn)行記錄，得到收獲機(jī)作業(yè)速度時(shí)域圖，如圖5 所示。

根據(jù)式(5)計(jì)算收獲過程中收獲機(jī)實(shí)際喂入量q，得到實(shí)際喂入量變化時(shí)域圖，如圖6 所示。

圖5 收獲機(jī)作業(yè)速度時(shí)域圖Fig.5 Time-domain diagram of speed of combine harvester

圖6 收獲機(jī)實(shí)際喂入量時(shí)域圖Fig.6 Time-domain diagram of actual feed rate of combine harvester

2.2 數(shù)據(jù)分析處理

經(jīng)過傅里葉變換和頻域分析，得到收獲機(jī)工作產(chǎn)生的電壓信號集中頻段，作為帶通濾波的截止頻率。采用巴特沃斯帶通濾波器，對傾斜輸送器動(dòng)力軸扭矩傳感器和割臺主動(dòng)軸扭矩傳感器電壓信號進(jìn)行濾波，通帶截止頻率分別為5.5 ～6.5 Hz 和7 ～8.5 Hz。濾波有效降低了噪聲，減少了奇異點(diǎn)。濾波前后傳感器信號時(shí)域圖分別如圖7 和圖8 所示。

圖7 割臺主動(dòng)軸扭矩傳感器信號時(shí)域圖Fig.7 Time-domain diagram of torque sensor signal of header driving shaft

2.3 模型建立與驗(yàn)證

(1)割臺主動(dòng)軸扭矩與實(shí)際喂入量的關(guān)系

隨機(jī)選取50 個(gè)割臺主動(dòng)軸扭矩?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)，通過最小二乘法建立一元線性回歸方程，得到割臺主動(dòng)軸扭矩與實(shí)際喂入量的關(guān)系式為

圖8 傾斜輸送器動(dòng)力軸扭矩傳感器信號時(shí)域圖Fig.8 Time-domain diagram of torque sensor signal of tilting conveyor power shaft

結(jié)果如圖9a 所示，再選取20 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)作為驗(yàn)證，得到喂入量計(jì)算值與喂入量實(shí)際值1∶1關(guān)系，見圖9b。由圖可知，基于割臺主動(dòng)軸功率的喂入量檢測方法決定系數(shù)R2為0.832 5。

圖9 基于割臺主動(dòng)軸功率的喂入量計(jì)算模型與驗(yàn)證Fig.9 Calculation model and validation of feed rate based on driving shaft power of header

(2)傾斜輸送器扭矩與實(shí)際喂入量的關(guān)系

隨機(jī)選取50 個(gè)傾斜輸送器扭矩?cái)?shù)據(jù)點(diǎn)，通過最小二乘法建立一元線性回歸方程，傾斜輸送器扭矩與實(shí)際喂入量的關(guān)系式為

結(jié)果如圖10a 所示。再選取20 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)作為驗(yàn)證，得到喂入量計(jì)算值與喂入量實(shí)際值1∶1關(guān)系，見圖10b?？芍趦A斜輸送器功率的喂入量檢測方法決定系數(shù)R2為0.849 2。

2.4 檢測結(jié)果分析比較

圖10 基于傾斜輸送器功率的喂入量計(jì)算模型與驗(yàn)證Fig.10 Calculation model and validation of feed rate based on power of tilting conveyor

將兩種方法的檢測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如表2 所示?；诟钆_主動(dòng)軸功率的喂入量檢測方法計(jì)算平均喂入量為1.19 kg/s，平均相對誤差為19.6%;基于傾斜輸送器功率的喂入量檢測方法計(jì)算平均喂入量為1.17 kg/s，平均相對誤差為16.1%。試驗(yàn)結(jié)果表明，基于傾斜輸送器功率的喂入量檢測方法，其精度稍高于基于割臺主動(dòng)軸的喂入量檢測方法。

影響喂入量檢測精度的原因有2 方面:①由于收割機(jī)工作過程自身振動(dòng)、顛簸等原因產(chǎn)生干擾信號無法被完全濾除。②田間單位面積作物質(zhì)量無法保證絕對均勻，造成實(shí)際喂入量計(jì)算過程中存在誤差。

表2 檢測精度對比Tab.2 Comparison of detection accuracy

3 結(jié)論

(1)提出基于傾斜輸送器功率和基于割臺主動(dòng)軸功率的2 種喂入量檢測方法，并進(jìn)行了檢測系統(tǒng)田間試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，2 種檢測方法都能在一定程度上反映喂入量的變化趨勢，滿足田間應(yīng)用的需求。其中，基于傾斜輸送器功率的喂入量檢測方法在檢測精度上稍高于基于割臺主動(dòng)軸功率的喂入量檢測方法。

(2)由于田間作業(yè)環(huán)境較差，導(dǎo)致傳感器的工作穩(wěn)定性不足，難以實(shí)現(xiàn)長時(shí)間工作。信號采集和處理過程中濾波不充分是造成檢測結(jié)果誤差較大的原因之一。今后還需研究提高傳感器工作穩(wěn)定性的方法，增強(qiáng)采集電路的濾波效果，改進(jìn)數(shù)據(jù)處理方法，進(jìn)一步提高檢測精度。

(3)收獲機(jī)割臺主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速由發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和中間傳動(dòng)比決定，試驗(yàn)過程中割臺主動(dòng)軸轉(zhuǎn)速變化不大，雖簡化了喂入量模型的計(jì)算過程，但無法反映不同轉(zhuǎn)速下喂入量與功率的關(guān)系。