陳 進(jìn)，徐 凱，王學(xué)磊，丁 松

(江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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基于BPNN與DS理論的聯(lián)合收割機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 進(jìn)，徐 凱，王學(xué)磊，丁 松

(江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

為了實(shí)時(shí)掌握收割機(jī)工作狀態(tài)，提高堵塞故障預(yù)警和預(yù)處理的能力，設(shè)計(jì)了一種聯(lián)合收割機(jī)智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機(jī)為主控制器，觸摸屏為人機(jī)交互系統(tǒng)，運(yùn)用基于BPNN(BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))與DS理論的堵塞故障診斷算法分析收割機(jī)工作狀態(tài)，依據(jù)診斷結(jié)果自動(dòng)控制收割機(jī)前進(jìn)速度，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化聯(lián)合收割機(jī)工作狀態(tài)，降低堵塞故障發(fā)生率的目的。試驗(yàn)表明，系統(tǒng)操作方便、運(yùn)行穩(wěn)定，改善收割機(jī)操控環(huán)境，使得堵塞故障預(yù)警時(shí)間達(dá)到3 s以上，降低了堵塞故障發(fā)生率。

聯(lián)合收割機(jī)；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；DS理論；故障診斷；自動(dòng)控制；故障預(yù)警

國(guó)外聯(lián)合收割機(jī)已普遍實(shí)現(xiàn)高度智能化，并朝著全自動(dòng)化的方向發(fā)展。但是國(guó)產(chǎn)聯(lián)合收割機(jī)機(jī)械自動(dòng)化及智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究仍處于初期階段，在故障診斷預(yù)警系統(tǒng)與故障預(yù)處理系統(tǒng)相融合的領(lǐng)域研究不足[1-3]。聯(lián)合收割機(jī)堵塞故障的發(fā)生往往是由量變導(dǎo)致質(zhì)變的結(jié)果，現(xiàn)有研究成果一般是在故障發(fā)生后進(jìn)行報(bào)警，提醒駕駛員采取緊急措施。故障已經(jīng)發(fā)生，對(duì)收獲質(zhì)量和車(chē)況已經(jīng)形成影響。

為此本文提出一種智能化監(jiān)控系統(tǒng)，利用基于BPNN與DS理論相結(jié)合堵塞故障診斷算法，對(duì)聯(lián)合收割機(jī)關(guān)鍵部件轉(zhuǎn)速信息進(jìn)行分析，判斷其是否存在發(fā)生堵塞故障的趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)故障的預(yù)警。通過(guò)智能控制聯(lián)合收割機(jī)前進(jìn)速度，調(diào)節(jié)谷物喂入量，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化聯(lián)合收割機(jī)工作狀態(tài)的目的。人機(jī)交互系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示車(chē)輛工作狀態(tài)，對(duì)故障做出預(yù)警和報(bào)警。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由信號(hào)采集調(diào)理模塊、C8051F020單片機(jī)、人機(jī)交互系統(tǒng)、前進(jìn)速度調(diào)節(jié)模塊和電源模塊組成，其組成框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)收割機(jī)工作狀態(tài)在觸摸屏的顯示、堵塞故障診斷、故障報(bào)警以及前進(jìn)速度自動(dòng)控制的功能。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，其硬件接線如圖2所示。系統(tǒng)采用多路霍爾轉(zhuǎn)速傳感器分別檢測(cè)割臺(tái)攪龍、輸送槽、脫粒滾筒、輸糧攪龍轉(zhuǎn)速以及前進(jìn)速度。由于傳感器輸出矩形脈沖信號(hào)在傳輸過(guò)程中受到噪聲干擾經(jīng)常發(fā)生波形畸變，所以將信號(hào)輸入單片機(jī)之前需對(duì)信號(hào)進(jìn)行整型濾波處理[4]。利用光電耦合器TLP521-4和TLP521-1對(duì)各傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行光電隔離后經(jīng)過(guò)74HC14N型施密特觸發(fā)器對(duì)傳感器信號(hào)濾波整型，得到邊沿陡峭的矩形波信號(hào)。采用三菱GT1695M-XTBA型觸摸屏[5]作為人機(jī)交互系統(tǒng)通過(guò)串口與單片機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)向用戶提供聯(lián)合收割機(jī)的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。

圖2 各模塊硬件電路接線圖

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為故障診斷算法設(shè)計(jì)、單片機(jī)部分軟件設(shè)計(jì)以及人機(jī)交互系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。

3.1 故障診斷算法的設(shè)計(jì)

基于BPNN與DS理論相結(jié)合的的堵塞故障診斷算法模型[6-8]如圖3所示。

圖3 堵塞故障診斷模型

將聯(lián)合收割機(jī)工況劃分為5類(lèi)，分別為正常、不確定、微堵、堵塞、嚴(yán)重堵塞，這5類(lèi)工況作為DS證據(jù)理論的辨識(shí)框架，通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[8]分析四路轉(zhuǎn)速信號(hào)，并對(duì)辨識(shí)框架內(nèi)各個(gè)命題的基本概率賦值，最終利用Dempster合成規(guī)則融合不同時(shí)刻的信息得到診斷結(jié)果。

(1)數(shù)據(jù)歸一化。設(shè)由傳感器獲得4路轉(zhuǎn)速信號(hào)為p1=[x1x2x3x4x5]，4路監(jiān)測(cè)點(diǎn)額定轉(zhuǎn)速c=[c1c2c3c4c5]。歸一化公式為

x=p(i)/c(i)

(1)

矩陣x作為BP網(wǎng)絡(luò)的輸入矩陣；

(2)BP網(wǎng)絡(luò)初步診斷。利用訓(xùn)練好的BP網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸入矩陣x進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。BP網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出關(guān)如式(2)所示

(2)

f(x)=2*(1+e-2x)-1-1

(3)

g(x)=x

(4)

其中，w1和w2、b1和b2為BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練得到的權(quán)值和閾值矩陣；f、g分別為隱含層與輸出層神經(jīng)元激勵(lì)函數(shù)，如式(3)和式(4)所示。網(wǎng)絡(luò)輸出為正常、不確定、微堵、堵塞、嚴(yán)重堵塞的基本概率賦值函數(shù)；

(3)Dempster融合[9]。將采集的每一組轉(zhuǎn)速信息作為一條證據(jù)，將當(dāng)前時(shí)刻得到的證據(jù)與前兩條證據(jù)構(gòu)成Dempster融合對(duì)象。利用Dempster合成公式在時(shí)域上對(duì)3條證據(jù)進(jìn)行融合，融合規(guī)則如下：設(shè)第i、i+1、i+2時(shí)刻證據(jù)對(duì)應(yīng)的焦元元素為mi、mi+1、mi+2，融合結(jié)果賦值給mi+2。Dempster合成式如式(5)和式(6)所示，其中K為證據(jù)的沖突系數(shù)

(5)

(6)

(4)故障診斷規(guī)則。如圖4所示，對(duì)Dempster融合結(jié)果經(jīng)過(guò)歸一化、比較大小之后判斷最大的概率分配是否>0.7，如果“是”，則診斷結(jié)果為該焦元元素對(duì)應(yīng)的命題；如果“否”，則判斷“正常”或者“微堵”是否獲得最大的概率分配，如果“是”，則診斷結(jié)果為“不確定”，此時(shí)收割機(jī)工作狀態(tài)處于“正?！迸c“微堵”之間過(guò)渡狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)3個(gè)LED燈閃爍，并伴有蜂鳴器報(bào)警；如果“否”，則將“堵塞”、“嚴(yán)重堵塞”中較大者賦值給診斷結(jié)果。

3.2 人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)

人機(jī)交互系統(tǒng)的顯示界面，主要包括開(kāi)機(jī)界面、聯(lián)合收割機(jī)額定轉(zhuǎn)速設(shè)置界面、聯(lián)合收割機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控界面以及故障診斷報(bào)告界面。

圖4 堵塞故障診斷規(guī)則流程

觸摸屏軟件設(shè)計(jì)[10]需要將顯示界面變量的設(shè)置與單片機(jī)程序相連。界面設(shè)計(jì)涉及輸入/輸出區(qū)域組態(tài)、指示燈組態(tài)、功能鍵組態(tài)、控制鍵組態(tài)及文本顯示等各種格式，依據(jù)實(shí)際控制功能的差異設(shè)計(jì)不同的畫(huà)面；變量的設(shè)置將觸摸屏的組態(tài)功能與單片機(jī)相應(yīng)的I/O口及寄存器之間建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)觸摸屏敏感元件對(duì)單片機(jī)軟件參數(shù)的輸入、單片機(jī)程序變量值向觸摸屏的輸出。

3.3 單片機(jī)部分的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主流程如圖5所示，系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后首先進(jìn)行單片機(jī)和觸摸屏的初始化，單片機(jī)調(diào)用與觸摸屏通訊子程序，通過(guò)觸摸屏設(shè)定單片機(jī)內(nèi)部軟元件初始值，即作業(yè)稻田所允許的最大前進(jìn)速度以及脫粒滾筒、輸糧攪龍、輸送槽和割臺(tái)攪龍的額定轉(zhuǎn)速。

信號(hào)采集子程序?qū)λ穆忿D(zhuǎn)速以及前進(jìn)速度每隔0.5 s采集一次。調(diào)用聯(lián)合收割機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控顯示子程序，將四路轉(zhuǎn)速和前進(jìn)速度輸出至觸摸屏顯示。單片機(jī)調(diào)用故障診斷算法，通過(guò)診斷規(guī)則判斷聯(lián)合收割機(jī)工作狀態(tài)并生成故障診斷報(bào)告輸出至觸摸屏診斷報(bào)告顯示界面，通過(guò)報(bào)警子程序控制LED、蜂鳴器以及觸摸屏指示燈。

自動(dòng)控制模式下，單片機(jī)調(diào)用前進(jìn)速度自動(dòng)控制子程序，如圖6所示，根據(jù)車(chē)輛不同工作狀態(tài)調(diào)用相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)控制方法。當(dāng)收割機(jī)處于“正常”工作狀態(tài)時(shí)，控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，提高前進(jìn)速度；當(dāng)收割機(jī)處于“不確定”時(shí)，停止向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送脈沖，保持前進(jìn)速度；當(dāng)收割機(jī)處于“微堵”、“堵塞”和“嚴(yán)重堵塞”時(shí)，分別控制步進(jìn)電機(jī)低速、中速、高速反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)降低前進(jìn)速度和迅速停車(chē)。通過(guò)設(shè)定定時(shí)器初始值，改變脈沖頻率實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。

圖6 前進(jìn)速度自動(dòng)控制子程序

4 試驗(yàn)與分析

2015年11月中旬以丹陽(yáng)沃得公司銳龍履帶式聯(lián)合收割機(jī)為試驗(yàn)樣機(jī)在華晟農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行了系統(tǒng)驗(yàn)證性試驗(yàn)，如圖7所示。

圖7 監(jiān)控系統(tǒng)田間試驗(yàn)

啟動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)置額定轉(zhuǎn)速(割臺(tái)攪龍145 r/min、輸送槽450 r/min、 脫粒滾筒920 r/min 、輸糧攪龍550 r/min)和前進(jìn)速度(1.8 m/s)，將各轉(zhuǎn)動(dòng)部件逐步提高至設(shè)定的額定轉(zhuǎn)速，將前進(jìn)速度其從0 m/s提高至0.9 m/s并維持此速度。此時(shí)由于負(fù)載增加，各部件轉(zhuǎn)速稍有降低，但依舊保持正常工作狀態(tài)。

通過(guò)觸摸屏“自動(dòng)”控制按鍵啟動(dòng)前進(jìn)速度自動(dòng)控制系統(tǒng)，前進(jìn)速度開(kāi)始增加，達(dá)到1.6 m/s時(shí)，LED開(kāi)始閃爍，蜂鳴器報(bào)警，觸摸屏故障診斷報(bào)告界面顯示收割機(jī)工作狀態(tài)“正?！迸c“微堵”過(guò)渡狀態(tài)，此時(shí)前進(jìn)速度不再增加，保持在1.6 m/s，四路轉(zhuǎn)速不再降低。第47′24″出現(xiàn)較復(fù)雜堵塞情形，系統(tǒng)開(kāi)始報(bào)警，診斷為“微堵”，持續(xù)3 s，前進(jìn)速度將至0.7 m/s，第47′28″時(shí)，4路轉(zhuǎn)速提高至額定值附近，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)收割機(jī)狀態(tài)為“正?！保斑M(jìn)速度開(kāi)始提高，重新回到1.6 m/s。

手動(dòng)控制前進(jìn)速度時(shí)，通過(guò)低速作業(yè)控制收割機(jī)在“正?！睜顟B(tài)下作業(yè)，“正?！惫r下作業(yè)如遇堵塞故障通常為不可逆故障，必須立即停車(chē)檢查。通過(guò)多次堵塞故障驗(yàn)證，收割機(jī)工作狀態(tài)“不確定”和“微堵”時(shí)間達(dá)到3 s以上，可作為堵塞故障的預(yù)警時(shí)間。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集、顯示聯(lián)合收割機(jī)工作狀態(tài)并對(duì)堵塞故障及時(shí)報(bào)警，改善了收割機(jī)操控環(huán)境；(2)基于BPNN與DS 理論相結(jié)合的堵塞故障診斷算法使堵塞故障的預(yù)警時(shí)間達(dá)到3 s以上，為采取堵塞故障預(yù)處理措施提供充足時(shí)間，有較高的實(shí)用價(jià)值；(3)系統(tǒng)依據(jù)堵塞故障診斷結(jié)果，采取不同控制方法，自動(dòng)控制前進(jìn)速度，實(shí)現(xiàn)對(duì)收割機(jī)工作狀態(tài)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，降低堵塞故障發(fā)生率。

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Monitoring System of Combine Harvester Based onBPNN and DS Theory

CHEN Jin，XU Kai，WANG Xuelei，DING Song

(School of Mechanical Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China)

To grasp the harvester working state timely and improve the early warning and pretreatment ability of jam fault, this paper designed a set of combine harvester intelligent monitoring system. This system takes the MCU as the main controller, touch screen as man-machine interactive system, using based on BPNN (BP neural network) and DS theory of jam fault diagnosis algorithm to analyze harvester working state, according to the diagnosis to control harvester forward speed automaticlly and realize the optimization of the combined harvester working condition and reduce blockage fault occurrence rate. The test shows that the system has the advantages of easy operation, stable operation, improving the harvester control environment,making jam fault warning time reach more than 3 seconds and reducing the blockage failure rate.

combine harvester；BP neural network；DS theory；fault diagnosis；automaticl control；fault early warning

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.12.042

2016- 03- 07

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)基金資助項(xiàng)目(2012AA10A502)；江蘇省科技支撐計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(BE2012312)；江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化基金資助項(xiàng)目(BA2014.62)

陳進(jìn)(1959-)，女，博士，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：智能化農(nóng)業(yè)裝備和機(jī)器系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與控制。

TP277.3；S225.31

A

1007-7820(2016)12-152-04