壓力式谷物產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)化與試驗驗證

耿端陽，譚德蕾，蘇國粱，王宗源，王志偉，紀(jì)曉琦

（山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，淄博 255000）

0 引言

在農(nóng)田中谷物產(chǎn)量具有空間變異性，反映了農(nóng)田水肥利用、病蟲害管理、土壤狀態(tài)等信息，而準(zhǔn)確獲取谷物產(chǎn)量空間分布信息的關(guān)鍵是開發(fā)基于智能農(nóng)機(jī)的谷物產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)，以便能更好地進(jìn)行田間管理，按需投入，達(dá)到節(jié)本增效的目的，為數(shù)字化農(nóng)業(yè)技術(shù)的全面實施提供數(shù)據(jù)與技術(shù)支持[1-3]。

國內(nèi)外針對谷物產(chǎn)量監(jiān)測技術(shù)的相關(guān)研究主要聚焦于谷物流量傳感器結(jié)構(gòu)原理、信號處理方法、產(chǎn)量分布圖生成等方面[4-5]。根據(jù)結(jié)構(gòu)原理，谷物流量傳感器可以分為沖擊式、光電式、稱重式等多種方式，如陳樹人等[6-7]設(shè)計了一種單板沖擊式谷物流量傳感器，并研制了谷物流量傳感器標(biāo)定試驗臺，測量平均誤差為4.2%，其測量精度受振動等噪聲影響較大；Strubbe等[8]研究了基于三維陣列光學(xué)傳感器的谷物體積流量監(jiān)測裝置，其最大測產(chǎn)誤差為9%；張小超等[9]設(shè)計了一種基于稱重原理的螺旋推進(jìn)稱重式谷物產(chǎn)量監(jiān)測裝置，取得了較好的效果，但使用時需要對收割機(jī)進(jìn)行較大的結(jié)構(gòu)改造。很多學(xué)者針對谷物產(chǎn)量監(jiān)測信號振動噪聲消除方面也做出大量研究，如周俊等[10-11]為了消除工作環(huán)境中存在的非穩(wěn)定低頻振動干擾，基于自主設(shè)計的平行梁沖量式谷物質(zhì)量流量傳感器，設(shè)計了一種自適應(yīng)陷波濾波器，田間測產(chǎn)誤差小于10%；陳進(jìn)等[12]利用Mallat算法設(shè)計的小波變換去噪方法對沖擊式谷物流量傳感器輸出信號進(jìn)行處理，平均測產(chǎn)誤差為5.37%；上述方法在一定程度上減少了谷物產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)測產(chǎn)誤差，但應(yīng)對農(nóng)田作業(yè)各種復(fù)雜環(huán)境的靈活性較差，測量精度波動大。國內(nèi)學(xué)者在產(chǎn)量分布圖生成方面的研究雖然起步較晚，但也已取得較多理論與實踐成果，如Liu等[13]研究了沖擊式谷物流量傳感器預(yù)測模型的通用性，采用反距離加權(quán)插值法生成產(chǎn)量分布圖；劉仁杰等[14]對比不同插值方法對產(chǎn)量數(shù)據(jù)分析的精度，為提高作物空間分布圖的效率和精度提供參考。

基于上述研究，為了提高谷物產(chǎn)量在線監(jiān)測精度和測產(chǎn)模型通用性，本文設(shè)計了一種基于谷物流壓力原理的谷物產(chǎn)量在線監(jiān)測系統(tǒng)，建立了谷物產(chǎn)量與谷物流壓力間的谷物產(chǎn)量監(jiān)測數(shù)學(xué)模型，通過正交試驗優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，并對谷物產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)田間實際效果進(jìn)行試驗驗證，為谷物產(chǎn)量監(jiān)測的推廣應(yīng)用提供了技術(shù)支持。

1 壓力式谷物產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵裝置

車載壓力式谷物產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)（圖1）主要由流量監(jiān)測裝置、定位裝置、割臺高度控制開關(guān)、核心處理器以及人機(jī)交互裝置組成。其中，流量監(jiān)測裝置安裝于籽粒收集升運(yùn)器末端，從籽粒收集升運(yùn)器排出的谷物通過流量監(jiān)測裝置后進(jìn)入糧倉；定位裝置安裝于谷物收割機(jī)駕駛室頂部，便于接收衛(wèi)星信號；割臺高度控制開關(guān)用于檢測收割機(jī)是否放下割臺開始正常作業(yè)；核心處理器與人機(jī)交互裝置安裝于谷物收割機(jī)駕駛室內(nèi)。

該系統(tǒng)工作流程如下：當(dāng)谷物收割機(jī)放下割臺開始正常作業(yè)時，核心處理器通過割臺高度控制開關(guān)檢測割臺工作狀態(tài)，當(dāng)檢測到割臺正式工作后，控制系統(tǒng)開始產(chǎn)量監(jiān)測工作，并通過定位裝置獲取收割機(jī)在田間作業(yè)時的實時位置和收割速度信息；籽粒收集升運(yùn)器將脫粒、清選后的谷物輸送至流量監(jiān)測裝置，核心處理器通過流量監(jiān)測裝置中壓力傳感器獲取谷物流壓力信息并轉(zhuǎn)換為電壓信號；核心處理器根據(jù)放大、濾波后的信號構(gòu)建谷物產(chǎn)量監(jiān)測模型，計算谷物產(chǎn)量；整個產(chǎn)量監(jiān)測工作過程中，核心處理器通過人機(jī)交互裝置實現(xiàn)谷物產(chǎn)量、位置等信息的可視化顯示，并將相關(guān)數(shù)據(jù)存儲于SD卡中，以便后期數(shù)據(jù)分析及產(chǎn)量分布圖的生成。

獲取谷物產(chǎn)量信息的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是谷物流量穩(wěn)定、可靠的在線監(jiān)測。流量監(jiān)測裝置（圖2）安裝于籽粒收集升運(yùn)器末端，主要由凹型導(dǎo)流板及壓力傳感器組成。為了獲得通過流量監(jiān)測裝置的谷物質(zhì)量，需要通過谷物流橫截面的厚度信息計算該橫截面面積。因此，在凹型導(dǎo)流板的底面寬度方向選擇一個谷物流穩(wěn)定的橫截面，均勻安裝多個壓力傳感器，采集谷物流經(jīng)此橫截面時的壓力值，并采用數(shù)學(xué)建模方法擬合出谷物流橫截面的厚度分布方程，再對該方程積分得到谷物流橫截面面積。

1.2 谷物產(chǎn)量監(jiān)測模型

構(gòu)建谷物產(chǎn)量監(jiān)測模型（圖3），是本文所設(shè)計系統(tǒng)的核心算法。在流量監(jiān)測裝置凹型導(dǎo)流板的底面寬度方向選取一個橫截面，并確定多個參考位置（以5個為例）分別安裝壓力傳感器。

將谷物看作一種可以流動的特殊流體，并可視其為連續(xù)介質(zhì)[15-17]，根據(jù)流體力學(xué)中流體對平面的作用力公式[18]可得參考位置處谷物流的厚度

式中F為參考位置處谷物流的壓力，N；Sa為壓力傳感器面積，m2；ρ為谷物密度，kg/m3；g為重力加速度，N/kg。

將傳感器所測5個參考位置處壓力F1、F2、F3、F4、F5代入式(1)，即可得5個參考位置處谷物流厚度h1、h2、h3、h4、h5。

如圖4所示，根據(jù)上述5個谷物流厚度信息，擬合出橫截面上谷物流厚度的分布方程h=f(w)，再對該函數(shù)在區(qū)間[w1,w5]上求積分，可得谷物流橫截面的面積

式中S為谷物流橫截面的面積，m2；w為傳感器監(jiān)測位置距導(dǎo)流板左側(cè)壁的距離，m；w1～w5為5個參考位置距導(dǎo)流板左側(cè)壁的距離，m。

為減輕對多個離散點的曲線擬合和積分計算給系統(tǒng)核心處理器帶來的負(fù)擔(dān)，采用模擬方法計算谷物流橫截面積。將谷物流橫截面的面積S近似看作四個直角梯形面積之和，由直角梯形面積公式可得：

式中S1為直角梯形的面積，m2；ha，hb分別為相鄰兩個參考位置處的谷物流厚度，m；d為兩個相鄰壓力傳感器之間的距離，m。

因此，根據(jù)模擬方法得到的谷物流橫截面面積

由于在谷物收割機(jī)作業(yè)過程中，谷物籽粒是通過發(fā)動機(jī)驅(qū)動的籽粒收集升運(yùn)器實現(xiàn)谷物籽粒回收到糧倉，所以一般正常作業(yè)過程中籽粒升運(yùn)器轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，進(jìn)而也決定了谷物流速度v為穩(wěn)定值。因此，由體積公式和質(zhì)量公式可得在每個數(shù)據(jù)采集時間間隔Δt內(nèi)流經(jīng)壓力傳感器所在橫截面的谷物質(zhì)量

式中Q為Δt內(nèi)流經(jīng)壓力傳感器所在橫截面的谷物質(zhì)量，kg；v為輸送物料速度，m/s；Δt為數(shù)據(jù)采集時間間隔，s。

數(shù)據(jù)采集時間間隔Δt越小，谷物質(zhì)量監(jiān)測精度越高，但是，該時間間隔過小后，會導(dǎo)致核心處理器負(fù)擔(dān)加大，故需要根據(jù)系統(tǒng)的精度要求來確定合適的采樣周期。

為了保證測量精度，避免因使用傳感器造成谷物流速監(jiān)測誤差，故對谷物流速進(jìn)行標(biāo)定。由式（5）可知，在數(shù)據(jù)采集時間間隔Δt（由采集頻率決定）內(nèi)，谷物密度ρ、谷物流速v均為常數(shù)，故在輸送攪龍標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速下谷物流量與谷物流斷面面積成正比關(guān)系。

因此，谷物收獲機(jī)實際作業(yè)過程中，谷物產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)第i個采集段谷物質(zhì)量Qi為

式中Q0為標(biāo)定谷物質(zhì)量，kg；Si為第i個采集段谷物流橫截面面積，m2；S0為標(biāo)定谷物質(zhì)量Q0下谷物流橫截面面積，m2。

谷物產(chǎn)量一般定義為單位面積上的谷物質(zhì)量，它需要綜合谷物質(zhì)量流量、收割機(jī)行進(jìn)速度和割幅寬度等信息來獲得。結(jié)合各類研究結(jié)果[5,19-20]，根據(jù)式（6）得出的各采集段谷物質(zhì)量，可以得出單位面積上谷物的產(chǎn)量：

式中Y為單位面積谷物產(chǎn)量，kg/hm2；k為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)，值為104；n為單位面積內(nèi)谷物質(zhì)量流量采樣數(shù)；vh為谷物收割機(jī)行進(jìn)速度，m/s；Δm為傳感器數(shù)據(jù)采集周期，s；B為收割機(jī)割幅寬度，m。

在獲得單位面積谷物產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，結(jié)合谷物延時時間（谷物從進(jìn)入收割機(jī)到谷物產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)顯示的谷物流量開始達(dá)到穩(wěn)定所用時間），谷物產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)完成單位面積谷物產(chǎn)量與實時位置數(shù)據(jù)相匹配，以便谷物產(chǎn)量分布圖的生成。

2 流量監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化試驗與分析

2.1 試驗材料及試驗臺

試驗材料為齊民10號小麥籽粒，取自淄博市臨淄區(qū)朱臺鎮(zhèn)生態(tài)無人農(nóng)場試驗田，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[21-23]測得其物理特性，小麥籽粒平均含水率為15.71%，密度為754 g/L，符合黃淮海地區(qū)小麥的基本特征。

谷物產(chǎn)量監(jiān)測試驗臺如圖5所示，以雷沃GM80谷物聯(lián)合收割機(jī)籽粒收集升運(yùn)器的末端輸送攪龍為原型設(shè)計，主要由流量監(jiān)測裝置、攪龍、入糧箱、插板、三相交流電機(jī)、減速機(jī)、臺架等構(gòu)成。攪龍螺距112 mm、外徑140 mm、內(nèi)徑60 mm，由功率0.75 kW、轉(zhuǎn)速1 500 r/min的三相交流電機(jī)驅(qū)動；流量監(jiān)測裝置水平傾角5°～45°可調(diào)，底面長度10 cm；入糧箱容量約為0.15 m3。

2.2 試驗方法及過程

為確定流量監(jiān)測裝置最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用Box-Behnken設(shè)計方法設(shè)計正交試驗，尋找各參數(shù)對壓力式產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測精度的影響規(guī)律。在前期試驗的基礎(chǔ)上，選取流量監(jiān)測裝置水平傾角、壓力傳感器數(shù)量和安裝位置為試驗因素，以谷物產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)測產(chǎn)誤差為試驗指標(biāo)，開展三因素三水平的Box-Behnken響應(yīng)曲面試驗。

在參數(shù)選取時，考慮到流量監(jiān)測裝置凹型導(dǎo)流板底面寬度、壓力傳感器尺寸以及制作成本，并結(jié)合前期試驗，在本試驗中，壓力傳感器數(shù)量最多取5個。壓力傳感器安裝位置由壓力傳感器距流量監(jiān)測裝置出口位置的距離表示。為保證谷物在流量監(jiān)測裝置內(nèi)可以正常流出，本試驗中，流量監(jiān)測裝置的水平傾角最小取5°，而且此角度可以保證壓力傳感器獲取的壓力值近似為流經(jīng)此處時谷物對傳感器的正壓力（cos 5°=0.99619≈1）。正交試驗各因素及水平如表1所示，每組試驗重復(fù)三次，取平均值作為試驗結(jié)果。試驗方案設(shè)計采用Design-Expert軟件中的響應(yīng)曲面法，共設(shè)計17組試驗。

表1 試驗因素與水平 Table 1 Test factors and levels

試驗開始前，需首先進(jìn)行標(biāo)定試驗，將谷物填滿入糧箱，調(diào)整各項試驗因素至對應(yīng)值，啟動試驗臺，輸送攪龍標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速70 r/min，打開入糧箱底部插板，試驗臺運(yùn)行10 s待谷物流穩(wěn)定后，使用籽粒收集箱開始接料（圖6），同時谷物產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)開始產(chǎn)量監(jiān)測工作并計時，運(yùn)行一定時間t后停止接料，稱量籽粒收集箱內(nèi)谷物質(zhì)量，結(jié)合監(jiān)測系統(tǒng)所測值，通過多次重復(fù)試驗獲得標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速下谷物質(zhì)量Q0與谷物流橫截面面積S0的標(biāo)定值。

試驗時，將標(biāo)定好的Q0和S0通過人機(jī)交互裝置輸入系統(tǒng)，完成參數(shù)配置。將谷物填滿入糧箱，調(diào)整各項試驗因素至對應(yīng)值，啟動試驗臺，輸送攪龍標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速70 r/min，打開入糧箱底部插板，試驗臺運(yùn)行10 s后，使用籽粒收集箱開始接料，同時運(yùn)轉(zhuǎn)谷物產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)，試驗臺運(yùn)行100 s后停止接料，完成一次試驗。

試驗結(jié)束后對入糧箱內(nèi)剩余谷物和流到籽粒收集箱外部的谷物進(jìn)行稱量，入糧箱總的裝載質(zhì)量減去以上兩部分谷物質(zhì)量得到經(jīng)過谷物流量監(jiān)測裝置的實際谷物籽粒質(zhì)量。通過谷物產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)人機(jī)交互裝置獲取系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)值，計算系統(tǒng)監(jiān)測精度。

谷物質(zhì)量測產(chǎn)誤差y計算公式為

式中Qt為系統(tǒng)監(jiān)測期間經(jīng)過谷物流量監(jiān)測裝置的谷物實際質(zhì)量，kg；Qm為谷物產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)測量值，kg。

2.3 試驗結(jié)果及分析

正交試驗方案及結(jié)果如表2所示。利用Design-Expert軟件進(jìn)行多元回歸擬合和方差分析，剔除不顯著因素，得到測產(chǎn)誤差的多項式回歸方程：

表2 正交試驗方案與結(jié)果 Table 2 Orthogonal test scheme and results

式中x1表示傳感器數(shù)量水平，x2表示傳感器安裝位置水平，x3表示監(jiān)測裝置水平傾角水平。谷物產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)測產(chǎn)誤差回歸模型的R2=0.993 3，表明回歸模型擬合效果好。

由表3方差分析可以判斷各參數(shù)對谷物產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)測產(chǎn)誤差的影響程度，影響因子x1、x2、x3、x1x2、x1x3、x12、x22對谷物產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)測產(chǎn)誤差影響顯著（P<0.05），其他因子影響不顯著，其中傳感器數(shù)量、傳感器安裝位置、監(jiān)測裝置水平傾角對測產(chǎn)誤差的影響達(dá)到極顯著，且傳感器數(shù)量與傳感器安裝位置、傳感器數(shù)量與監(jiān)測裝置水平傾角之間存在交互影響。

表3 回歸模型方差分析 Table 3 Regression model analysis of variance

應(yīng)用響應(yīng)曲面法分析各因素交互作用對谷物產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)測產(chǎn)誤差的影響，即固定3個因素中的1個因素為0水平，考察其他2個因素對測產(chǎn)誤差的影響（圖7）。

當(dāng)監(jiān)測裝置水平傾角為25°時，得到傳感器數(shù)量和傳感器安裝位置對測產(chǎn)誤差的影響（圖7a）。隨著傳感器數(shù)量的增加，谷物產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)測產(chǎn)誤差呈下降趨勢，這是因為在谷物產(chǎn)量監(jiān)測模型中，傳感器的數(shù)量關(guān)乎到計算谷物流橫截面面積的精度，傳感器數(shù)量越多，谷物流橫截面面積越接近真實值，就會使整體測產(chǎn)誤差減小。隨著傳感器安裝位置離流量監(jiān)測裝置出口位置的距離增大，谷物產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)測產(chǎn)誤差呈上升趨勢，這是因為在離流量監(jiān)測裝置出口位置距離較遠(yuǎn)的地方，從輸送攪龍的出口流出的谷物會在此處存在一定的堆積現(xiàn)象，可能會造成傳感器測量數(shù)值失準(zhǔn)情況的出現(xiàn)，引起谷物產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)測產(chǎn)誤差的增大。

當(dāng)傳感器安裝位置離流量監(jiān)測裝置出口位置的距離為5 cm時，得到傳感器數(shù)量和監(jiān)測裝置水平傾角對測產(chǎn)誤差的影響（圖7b）。隨著傳感器數(shù)量的增加，當(dāng)監(jiān)測裝置傾角較小時，谷物產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)測產(chǎn)誤差呈下降趨勢；當(dāng)監(jiān)測裝置傾角較大時，測產(chǎn)誤差呈現(xiàn)先略微增加后又下降趨勢。這是因為傳感器數(shù)量越多，谷物流橫截面面積計算的越精準(zhǔn)，就會使整體測產(chǎn)誤差減小。然而傳感器數(shù)量的少量增加，不足以抵消監(jiān)測裝置傾角增大帶來的誤差，造成了監(jiān)測裝置傾角較大時測產(chǎn)誤差隨傳感器數(shù)量增加而略微上升的趨勢。隨著監(jiān)測裝置水平傾角的增大，谷物產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)測產(chǎn)誤差呈上升趨勢，這是因為傳感器檢測到的壓力值為谷物流給予其正壓力的一個分力，監(jiān)測裝置水平傾角越大，傳感器監(jiān)測到的壓力值越偏小，導(dǎo)致計算谷物流橫截面面積失準(zhǔn)，從而使測產(chǎn)誤差增大。

當(dāng)傳感器數(shù)量為4時，得到傳感器安裝位置和監(jiān)測裝置水平傾角對測產(chǎn)誤差的影響（圖7c）。隨著傳感器安裝位置離流量監(jiān)測裝置出口位置的距離增大，谷物產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)測產(chǎn)誤差呈上升趨勢，而測產(chǎn)誤差隨著監(jiān)測裝置水平傾角的增大而上升的趨勢不明顯，因此，在傳感器數(shù)量一定的情況下，相對于監(jiān)測裝置水平傾角，傳感器安裝位置對測產(chǎn)誤差的影響占主導(dǎo)地位。谷物的堆積現(xiàn)象造成了測產(chǎn)誤差隨傳感器安裝位置離檢測裝置出口位置的距離增大而增大；過大的監(jiān)測裝置水平傾角降低了壓力傳感器監(jiān)測值的準(zhǔn)確性，進(jìn)而增大了測產(chǎn)誤差

由以上響應(yīng)面分析可知，傳感器數(shù)量與傳感器安裝位置、傳感器數(shù)量與監(jiān)測裝置水平傾角對測產(chǎn)誤差會產(chǎn)生顯著的交互作用影響。應(yīng)用Design-Expert軟件對回歸模型進(jìn)行該目標(biāo)下的優(yōu)化求解，得到最佳參數(shù)組合，優(yōu)化約束條件為：miny（x1、x2、x3），變量區(qū)間為：-1≤x1≤1，-1≤x2≤1，-1≤x3≤1。將其映射到實際值空間，計算得到最佳參數(shù)組合為：傳感器數(shù)量5、傳感器安裝位置離流量監(jiān)測裝置出口位置的距離0.24 cm、監(jiān)測裝置水平傾角5°，此參數(shù)組合下谷物產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)測產(chǎn)誤差為3.19 %。

為了驗證優(yōu)化結(jié)果的可行性，在最優(yōu)參數(shù)組合下對谷物產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)測產(chǎn)效果進(jìn)行試驗驗證，試驗重復(fù)5次，對其結(jié)果取平均值，谷物產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)測產(chǎn)誤差為3.27%，試驗結(jié)果與預(yù)測值接近，滿足谷物產(chǎn)量監(jiān)測的精度要求。

3 田間驗證試驗與結(jié)果分析

3.1 田間試驗條件及方法

壓力式谷物產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)田間試驗于2020年6月在山東省淄博市臨淄區(qū)朱臺鎮(zhèn)生態(tài)無人農(nóng)場試驗田進(jìn)行。試驗現(xiàn)場氣象條件良好：晴，氣溫19～31 ℃，西南風(fēng)2級。本次試驗前取樣測得小麥平均含水率為16.72%，密度為745 kg/m3。試驗中所選試驗機(jī)型為雷沃谷神GM80谷物聯(lián)合收割機(jī)，喂入量8 kg/s，工作幅寬2.75 m。

試驗開始前，利用與試驗收割機(jī)籽粒收集升運(yùn)器的末端輸送攪龍結(jié)構(gòu)相同的谷物產(chǎn)量監(jiān)測試驗臺進(jìn)行標(biāo)定，通過多次重復(fù)試驗獲得輸送攪龍標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速下谷物質(zhì)量Q0與谷物流橫截面面積S0的標(biāo)定值，并通過人機(jī)交互裝置輸入谷物產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)。通過多次測量谷物進(jìn)入收割機(jī)到谷物產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)顯示的谷物流量開始達(dá)到穩(wěn)定需要的時間，作為谷物延時時間錄入系統(tǒng)，完成參數(shù)配置。谷物產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)此延時時間計算谷物產(chǎn)量，并將其與實時位置數(shù)據(jù)相匹配。谷物流量監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)使用最優(yōu)參數(shù)組合。

田間試驗結(jié)束后，利用計算機(jī)處理谷物產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)存儲于SD卡中的產(chǎn)量相關(guān)數(shù)據(jù)，便于生成能夠直觀反映出產(chǎn)量空間分布規(guī)律的產(chǎn)量分布圖。在聯(lián)合收割機(jī)實際作業(yè)過程中，難免會出現(xiàn)產(chǎn)量數(shù)據(jù)異常點，這類異常值往往是由聯(lián)合收割機(jī)田間卸糧、主動停車、田間掉頭等操作引起的，雖然占比不高，但會在一定程度上影響產(chǎn)量分布圖的準(zhǔn)確性。因此，需要對產(chǎn)量數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾，剔除誤差明顯較大的異常點數(shù)值，并在被剔除的異常采樣點位置進(jìn)行插值。

常用空間插值法包括：反距離加權(quán)插值法、克里金插值法、三角網(wǎng)線性插值法、樣條插值法等[14]。該研究采用直觀高效、簡單易行的反距離加權(quán)插值法進(jìn)行異常點數(shù)據(jù)插值。

反距離加權(quán)插值法（Inverse Distance Weight，IDW）是根據(jù)待插值點周圍離散點，通過距離加權(quán)獲得待插值點的值。由于分布位置的差異，周圍離散點對待插值點的影響不同，這種影響用權(quán)重系數(shù)表示，其與距離成反比。則待插值點估計值Zt為

式中zi為待插值點周圍離散點數(shù)據(jù)；v為參與插值計算的周圍離散點數(shù)量；di為待插值點與各離散點間的距離；p為權(quán)重系數(shù)。

3.2 田間試驗結(jié)果與分析

選取整塊試驗田，小麥種植面積共1.6 hm2，駕駛員控制谷物聯(lián)合收割機(jī)以穩(wěn)定的行進(jìn)速度進(jìn)行谷物收割作業(yè)，谷物產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)谷物產(chǎn)量監(jiān)測數(shù)學(xué)模型實時顯示谷物產(chǎn)量相關(guān)信息（圖8），并將數(shù)據(jù)存儲在SD卡中，以便后期數(shù)據(jù)處理及產(chǎn)量分布圖的生成。完成試驗田全部谷物收割后，谷物產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)測得谷物總產(chǎn)量為8 089 kg，通過人工稱質(zhì)量獲得谷物實際總產(chǎn)量為8 340 kg，由式（8）計算可得田間試驗總體測產(chǎn)誤差為5.28%。

利用專業(yè)科學(xué)繪圖軟件Surfer，根據(jù)經(jīng)過誤差過濾、剔除、插值后的試驗田谷物產(chǎn)量及含水率數(shù)據(jù)，生成試驗田谷物產(chǎn)量分布圖（圖9）。通過對谷物產(chǎn)量圖分析，結(jié)合田間土壤含水率、病蟲害情況等其他信息，可以得到農(nóng)田環(huán)境與區(qū)域產(chǎn)量間的相互關(guān)系，為后續(xù)變量播種、施肥等作業(yè)管理提供決策依據(jù)。

4 結(jié) 論

1）開發(fā)了基于谷物流壓力原理的谷物產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)，建立了谷物流壓力與產(chǎn)量間的谷物產(chǎn)量監(jiān)測模型，實現(xiàn)了谷物收割過程谷物產(chǎn)量等信息的實時測量、顯示與存儲。

2）搭建了谷物產(chǎn)量監(jiān)測試驗臺，并采用響應(yīng)面分析方法，開展了傳感器數(shù)量、傳感器安裝位置和監(jiān)測裝置水平傾角的三因素三水平的正交試驗，確定了最優(yōu)參數(shù)組合為傳感器數(shù)量5、傳感器安裝位置0.24 cm、監(jiān)測裝置水平傾角5°，并對最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行了驗證試驗，結(jié)果表明，谷物產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)測產(chǎn)誤差為3.27%，滿足谷物產(chǎn)量監(jiān)測的精度要求。

3）對谷物產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)田間實際效果進(jìn)行了試驗驗證，試驗結(jié)果表明，谷物產(chǎn)量測產(chǎn)誤差為5.28%；田間試驗谷物產(chǎn)量監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)過過濾和插值，最終生成產(chǎn)量分布圖，為后續(xù)作業(yè)管理提供決策依據(jù)。